JP6899278B2 - 消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、通気経路を伝播する騒音を低減する消音装置に関する。特に、本発明は、通気経路中に設けられた拡張チャンバを備える消音装置に関する。

自動車用内燃機関の吸気システムや、空調システム・冷却風送風システムなどの送風管（いわゆる通気ダクト、送風ダクトや、通気ホースなど）において、エンジンやファンやモータなどを騒音源とする騒音が送風管路内を伝播したり、送風管に気柱共鳴が発生したりするので、かねてから騒音の低減が望まれていた。

こうした吸気システムや送風管の通気経路を伝播する騒音に対する消音要素として、拡張チャンバを設ける技術が周知である。通気経路の断面が急変する拡張チャンバを設けることにより、通気断面積が急変する部分でのインピーダンス変化により、騒音の伝播が抑制される。しかしながら、拡張チャンバ技術では、特定の周波数領域の騒音を効率的に消音することは難しかった。

また、通気経路の特定周波数の騒音を消音する技術として、共鳴型消音器が知られている。
例えば、特許文献１には、共鳴室と連通部とを有するヘルムホルツ型レゾネータの共鳴装置が開示され、連通部や共鳴室内に吸音材を設けた共鳴装置が開示されている。また、特許文献２には、管路に沿って、拡張部（共鳴室）とスリット状の連通穴を設けてレゾネータを構成し、共鳴室内に吸音材を設けることが開示されている。
これら技術によれば、レゾネータにより、特定の周波数帯の騒音を消音しつつ、吸音材により消音効果が高められる。

特開平０６−０８１７３７号公報 特開２００９−２５０１８３号公報

これら拡張チャンバや共鳴型消音器は、それぞれ、所定の容積を必要とする。消音装置の省スペース化を図るうえで、拡張チャンバの消音特性と共鳴型消音器の消音特性とを兼ね備える消音装置が望まれているが、その実現は難しかった。

本発明の目的は、特定の周波数付近の消音特性を効果的に高めることが可能な、拡張チャンバを備える消音装置を提供することにある。

発明者は、鋭意検討の結果、直方体状の拡張チャンバに対し、２つの管を特定の位置に接続して拡張チャンバ型の消音装置を構成し、さらにチャンバ内に特定の形態の仕切り壁を設けると、特定の周波数付近の消音特性を効果的に高められることを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、管を伝播する騒音を消音する消音装置であって、消音装置は直方体状の拡張チャンバと、チャンバの第１の面の略中央部に接続された第１の管と、前記第１の面に隣接するチャンバの第２の面の略中央部に接続された第２の管を有し、第１の管の側が騒音源に接続され、第１の面の法線方向を第１方向とし、第２の面の法線方向を第２方向とし、第１方向と第２方向に直交する方向を第３方向として、チャンバの第１の面に対向する面から、第１方向に延在するよう仕切り壁が立設されており、拡張チャンバ内の仕切り壁は１つであって、第３方向に沿って見た際に、仕切り壁によってチャンバの内部空間がコの字状に仕切られるように、かつ、仕切り壁の第２方向の位置が、第１の管の接続部の中心の第２方向の位置に略一致するように、仕切り壁が設けられている消音装置である（第１発明）。

第１発明において、好ましくは、第１方向に沿って測った仕切り壁の高さが、チャンバの第１方向の長さの１／５〜２／３である（第２発明）。

本発明の消音装置（第１発明）によれば、拡張チャンバを備える消音装置でありながら、拡張チャンバ内の共鳴モードを変化させて、特定の周波数付近の消音特性を効果的に高めることができる。特に、第２発明のように、仕切り壁の高さが設定された場合には、特定の周波数付近の消音特性がより効果的に高められる。

第１実施形態の消音装置を示す斜視図である。 第１実施形態における拡張チャンバの構造を示す断面図である。 第１実施形態の消音装置の実施例の消音効果を示す図である。 実施例における第１共鳴周波数付近の共鳴モードを示す図である。 比較例における第１共鳴周波数付近の共鳴モードを示す図である。 実施例における第２共鳴周波数付近の共鳴モードを示す図である。 比較例における第２共鳴周波数付近の共鳴モードを示す図である。 音響減衰量を測定する方法を示す模式図である。

以下図面を参照しながら、自動車のエンジンに空気を供給する吸気システムの一部に用いられる消音装置を例として、発明の実施形態について説明する。発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。
図１は、第１実施形態の消音装置１０を示す斜視図である。また、図２は拡張チャンバ部分の断面図である。消音装置１０は、拡張チャンバ３に２本の送風管（以下「管」とも記載する）１，２が接続されて構成されている。第１の管１の内部空間と、拡張チャンバ３の内部空間と、第２の管２の内部空間が順次連絡されて、一連の通気経路が構成され、空気が通流する。消音装置１０は、管とチャンバの接続箇所で内部空間の断面積が変化しており、これにより、いわゆる拡張チャンバ型の消音装置として、管内を伝播する騒音を消音するように働く。

消音装置１０は、上記吸気システムにおいて、例えば、第２の管２の端部に吸気口側のダクト部材等が接続され、第１の管１の端部にエンジン側のダクト部材等が接続されて使用される。吸気システムは他の消音装置やエアクリーナ等を備えていてもよい。また、消音装置１０は、自動車の内燃機関の吸気系のほか、空調装置の通気経路、電池等の空冷システムの通気経路などに使用できる。

管１，２は中空の管である。送風管１，２の具体的な管の形状は、各種用途により決定され、必要に応じ、直管状、湾曲形状、屈曲形状等にされる。送風管１，２は、剛直な管であってもよいし、可撓性を有するホースであってもよい。送風管１，２は、非通気性の材料で形成されることが好ましいが、送風管１，２の一部、もしくは全部を通気性を有する材料で形成してもよい。また、送風管１，２の一部に管の内外を連通させる貫通穴（例えば水抜き穴やチューニングホール）が設けられていてもよい。

中空形状に設けられた拡張チャンバ３は、直方体状である。特に、第１の管１と第２の管２とに直交する方向から見て、正方形状であることが好ましい。拡張チャンバ３の内部空間は厳密な直方体となっていなければならないわけではなく、隅Ｒや抜きテーパ、勾配、などが与えられていてもよい。また、直方体状チャンバを構成する面の内、いくつかの面が円筒状や球面状等の曲面に形成されていてもよい。チャンバの内部空間が全体として、直方体状であればよい。また、拡張チャンバ３には、補強用のリブやビード等が形成されていてもよい。拡張チャンバ３の材料は特に限定されないが、典型的には非通気性の材料、例えば、ポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂が好ましく使用される。

第１の管１は、拡張チャンバ３の第１の面Ｐ１の略中央部に接続されている。接続部における第１の管１の中心線ｍ１が、第１の面Ｐ１の中心に厳密に一致している必要はなく、両者が隔たっていても、隔たる距離が第１の面の一辺の長さの２０％以下であればよい。

第２の管２は、前記第１の面Ｐ１に隣接する拡張チャンバ３の第２の面Ｐ２の略中央部に接続されている。接続部における第２の管２の中心線ｍ２が、第２の面Ｐ２の中心に厳密に一致している必要はなく、両者が隔たっていても、隔たる距離が第２の面の一辺の長さの２０％以下であればよい。なお、直方体状のチャンバにおいて、第１の面Ｐ１に隣接する第２の面Ｐ２とは、サイコロでいえば、第１の面が「１」の面である場合に、「２」「３」「４」「５」の面のいずれかのことである。

換言すると、第１の管１と第２の管２は、それら管の接続部におけるそれぞれの中心線ｍ１、ｍ２が互いに略直交する関係となるよう、チャンバ３に取り付けられており、消音装置１０として見た際の通気経路は、拡張チャンバ３の部分で約９０度曲げられている。

消音装置１０は、第１の管１の側が、騒音源に接続されて使用される。すなわち、自動車エンジンの吸気システムに使用される消音装置１０であれば、前述したように、第１の管１の側が騒音源であるエンジンの側に、第２の管２の側が吸気口側に接続される。消音装置１０が、例えば、空調装置の通気経路に用いられるのであれば、第１の管１の側が騒音源であるファンやモータの側に接続される。

拡張チャンバ３の内部構造について説明する。ここで、図１、２において、チャンバの第１の面Ｐ１の法線方向を、第１方向Ｘとし、チャンバの第２の面Ｐ２の法線方向を、第２方向Ｙとし、第１方向Ｘと第２方向Ｙに直交する方向を第３方向Ｚとする。接続部付近の第１の管１の中心線ｍ１と第１方向Ｘとが平行にされ、接続部付近の第２の管２の中心線ｍ２と第２方向Ｙとが平行にされることが好ましい。

拡張チャンバ３の内部には、チャンバの第１の面Ｐ１に対向する面Ｐ３から、第１方向Ｘに延在するよう仕切り壁４が立設されている。すなわち、仕切り壁４は、面Ｐ３から、第１の管１に向かって伸びるよう、チャンバ３の内側に設けられている。ここで、第１の面Ｐ１に対向する面Ｐ３とは、サイコロでいえば、第１の面Ｐ１が「１」の面である場合に、「６」の面のことである。

また、仕切り壁４は、図２の下側の図におけるチャンバの上下の側壁３ａ，３ｂの間にまたがるように設けられていて、図２の下側の図におけるチャンバの右側の空間を、紙面奥行き方向に手前側と奥側に仕切っている。その結果、図２の上側の図のように、第３方向Ｚに沿って見た際に、仕切り壁４によって、右側が開いたコの字状にチャンバの内部空間が仕切られる。

そして、仕切り壁４は、仕切り壁４の第２方向の位置が、第１の管１の接続部の中心Ｃ１の第２方向の位置に略一致するよう設けられている。換言すると、仕切り壁４は、第１の管１の接続部付近における中心軸ｍ１に略一致する位置に設けられている。仕切り壁４が設けられる位置と、管１の中心Ｃ１や中心軸ｍ１とは厳密に一致する必要はなく、両者の位置が隔たっていても、隔たりが拡張チャンバ３の第２方向の長さＬＹの２０％以内であればよい。

仕切り壁４は、第１方向Ｘに沿って測った仕切り壁４の高さＨが、チャンバ３の第１方向の長さＬＸの１／５〜２／３であることが好ましく、１／４〜１／２であることが特に好ましい。

仕切り壁４の他、拡張チャンバ３内にはリブやビード等の突起物を形成してもよいが、その場合、該突起物は、後述の仕切り壁の作用を極力阻害しないように形成されることが好ましい。一方、仕切り壁はリブやビードとしての機能を兼ねたものであってもよい。

上記第１実施形態の消音装置１０は、公知の製造技術、例えば、熱可塑性樹脂の射出成形やブロー成形を利用して製造することができる。拡張チャンバ３はブロー成形により成形したり、射出成形した半割れ体を溶着したりして製造すればよい。また、送風管１，２はブロー成形などにより成形すればよい。拡張チャンバ３と送風管１，２との接続も、公知の接続構造や接続方法によればよい。拡張チャンバ３と送風管１，２との接続部は、適宜シールされることが好ましい。

上記第１実施形態の消音装置１０の作用及び効果について説明する。第１実施形態の消音装置１０は、比較的低い周波数帯域（例えば１０００Ｈｚ以下の周波数帯域）では、通常の拡張チャンバを備える消音装置と同様の消音効果を有する。また、比較的高めの周波数帯域（例えば、１０００Ｈｚ〜２５００Ｈｚの周波数帯域）において、消音装置１０では、拡張チャンバ３内に特定の形態の仕切り壁４が設けられたことにより、特定の周波数で、拡張チャンバ内の空間に、特定の共鳴モードが現れ、かかる特定の周波数付近の消音特性を効果的に高めることができる。

上記効果を音響解析シミュレーションの結果を用いて、実施例と比較例を対比して説明する。

（実施例）
上記実施形態に対応する実施例として、以下の諸元の消音装置の音響モデルを作成した。
第１の管１：直径６０ｍｍ、長さ２３０ｍｍの直管
第２の管２：直径６０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの直管
拡張チャンバ３：第１方向長さＬＸ＝９８ｍｍ、第２方向長さＬＹ＝１００ｍｍ、第３方向長さＬＺ＝８０ｍｍ、チャンバに対し、第１の管１は第１の面Ｐ１の中央に接続され、第２の管２は第２の面Ｐ２の中央に接続されている。
仕切り壁４は、第２方向の位置で第１の管１の中心Ｃ１と一致する位置に、高さＨ＝３３ｍｍで設置されている。

（比較例）
比較対象として、拡張チャンバ３に仕切り壁４が設けられていない点が異なる消音装置の音響モデルを作成し、これを比較例とした。

実施例及び比較例に対し、音響解析を実施し音響減衰量を求め、消音効果を調べた。なお、音響減衰量とは、図８のように、検討対象の消音装置の騒音源側の末端（第１の管の末端）βを、音響加振を行うスピーカ装置９９に接続したと仮定して音響加振を行うシミュレーションモデルを作成し、音響加振した際の出口側（第２の管の末端開口部α）音圧Ｐα（位置αで測定した音圧）と音源側（第１の管の末端部β）の音圧Ｐβ（位置βで測定した音圧）を測定し、両者の比（Ｐβ／Ｐα）を取って、消音効果を評価する指標である。音響減衰量の値が大きいことは、消音効果が大きいことを示し、音響減衰量の値が小さいことは、消音効果が小さいことを示している。なお、音響シミュレーションは、有限要素法（ＦＥＭ法）により行った。

実施例及び比較例の音響減衰量のシミュレーション結果を図３に示す。概ね１０００Ｈｚまでの比較的周波数が低い領域では、実施例と比較例は、ほぼ同じ音響減衰量（図３中ではＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）を示している。これらの周波数領域においては、従来の拡張チャンバを設けた消音装置と同様の消音効果を示していることがわかる。

実施例の消音装置においては、比較例に比べ、１３３５Ｈｚ（第１共鳴周波数ｆ１）及び、２３５５Ｈｚ（第２共鳴周波数ｆ２）をピークとする、音響減衰量の高まりがみられる。すなわち、第１共鳴周波数ｆ１付近（１２００Ｈｚ〜１４５０Ｈｚ）の周波数帯域、及び、第２共鳴周波数ｆ２付近（２０００Ｈｚ〜２４００Ｈｚ）の周波数帯域において、実施例の消音装置の音響減衰量は比較例よりも高くなっている。

第１共鳴周波数ｆ１（１３３５Ｈｚ）付近における、拡張チャンバ内の音圧分布（共鳴モード）を、実施例について図４に示し、比較例について図５に示す。これら音圧分布は第３方向Ｚから見た、管の中心を通る断面における音圧分布図である。

図５に示した比較例においては、拡張チャンバ内に、左上がりの対角線方向に空気が移動し振動するよう、拡張チャンバの右下の空間で音圧が高く、拡張チャンバの左上に向かうにしたがって音圧が低下するような、空気の共鳴モードが観察される。この共鳴モードと、第１の管や第２の管の接続部の配置との関係のために、比較例では、第１の管に発生するのとほぼ同じレベルの音圧が第２の管にも発生してしまい、音響減衰量の低下を招いている。

一方、図４に示した実施例においては、拡張チャンバ３に仕切り壁４が以下のごとく設けられている。すなわち、第３方向Ｚに沿って見た際に、仕切り壁４によって、チャンバの内部空間が、コの字状に仕切られるよう、かつ、仕切り壁４の第２方向Ｙの位置が、第１の管１の接続部の中心Ｃ１の第２方向の位置に略一致するように、仕切り壁が設けられている（仕切り壁４が、第１の管１の接続部付近における中心軸ｍ１に略一致する位置に設けられている）。このため、第１共鳴周波数ｆ１における共鳴モードが変化している。すなわち、実施例の拡張チャンバ内では、拡張チャンバの仕切り壁４で隔てられた右下の空間で音圧が高く、左側の空間に向かうにつれて、音圧が低下するような共鳴モードが観察される。すなわち、この共鳴モードでは、仕切り壁４によってチャンバ内の左右方向に空気が移動して共鳴する共鳴モードが発生しており、第２の管２の接続部付近での音圧が低くなるような共鳴モードとなる。また、このモードでは、第２の管２との接続部付近では、空気が第２の管２の中心軸ｍ２と直交する方向に流れるよう振動するため、第２の管２に空気の出入りも生じにくくなっている。

このような共鳴モードと、第１の管や第２の管の接続部の配置との関係によって、実施例では、第１共鳴周波数ｆ１付近の周波数帯域において、第１の管に発生する音圧に比べ第２の管に発生する音圧が小さくなり、音響減衰量が高くなる。

この様に、上記実施形態の消音装置によれば、拡張チャンバ内に、特定の形態の仕切り壁４を設けることにより、音響減衰量を効果的に高めるような共鳴モードを生じさせることができ、特定の周波数付近で消音特性を高めることができる。

仕切り壁を追加することにより、より効果的に上記したような共鳴モードを発生させるとの観点から、第１方向Ｘに沿って測った仕切り壁４の高さＨが、チャンバの第１方向の長さＬＸの１／５〜２／３であることが好ましく、１／４〜１／２であることが特に好ましい。高さＨが低いと、図４のような共鳴モードが現れにくくなる。また、高さＨが大きすぎると、消音装置１０の通気抵抗が増加するおそれがある。

図４に示したような共鳴モードが発生する第１共鳴周波数ｆ１は、以下のように調整することができる。拡張チャンバの第１方向長さＬＸや第２方向長さＬＹを大きくすると、第１共鳴周波数ｆ１は低い方向に変化する。また、仕切り壁４の高さＨを高くすると、第１共鳴周波数ｆ１はやや低い方向に変化する。

拡張チャンバの第１方向長さＬＸや第２方向長さＬＹを７０〜１５０ｍｍ程度に設定し、仕切り壁４の高さＨを２５〜７０ｍｍ程度に設定すると、第１共鳴周波数ｆ１を１０００Ｈｚ〜１５００Ｈｚの間に持ってくることができ、ターボチャージャを備える自動車エンジンの吸気システムの消音装置として、特に好ましい特性を示す。

また、上記実施例においては、第２共鳴周波数ｆ２付近においても、音響減衰量の改善がみられる。第２共鳴周波数ｆ２（２３５５Ｈｚ）付近における、拡張チャンバ内の音圧分布（共鳴モード）を、実施例について図６に示し、比較例について図７に示す。
図７の比較例では、拡張チャンバの左側の空間と右側の空間で音圧が高く、それぞれの位置において逆位相となる共鳴モードが観察される。この共鳴モードにより、一定の音響減衰効果が生じているものの、チャンバ内の左側の空間の高めの音圧が第２の管の側に伝わって、音響減衰量を低下させている。
一方、図６の実施例では、左下の空間と仕切り壁４で隔てられた右下の空間に逆位相で高い音圧が生じ、それらの間の部分と上側の空間で音圧が低い領域が現れている。また、このモードでも、第２の管２との接続部付近では、空気が第２の管２の中心軸ｍ２と直交する方向に流れるよう振動するため、第２の管２への空気の出入りも生じにくくなっている。

このような共鳴モードと、第１の管や第２の管の接続部の配置との関係のために、第２共鳴周波数ｆ２付近においても、第２の管２の音圧が低くなり、音響減衰量が高くなる。なお、第２共鳴周波数ｆ２付近における音響減衰量の改善は、現れる周波数が比較的高い周波数になるため、上記実施例ほど顕著にはみられない場合もある。

発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、これら実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。

上記したような共鳴モードが生ずるのであれば、仕切り壁４の形態を変更してもよい。
例えば、仕切り壁４は、拡張チャンバの内側に向けて壁面から立設される板状のものであってもよいし、拡張チャンバの壁面を凹入させて形成したひだ状のものであってもよい。

また、上記実施形態では、仕切り壁４は、第３方向Ｚに沿うように平板状に設けられているが、仕切り壁４は、湾曲した形態であってもよい。また、上記実施形態では、仕切り壁４の高さＨは、第３方向Ｚにわたって一定であったが、仕切り壁の高さＨは、第３方向Ｚにわたって変化していてもよい。また、仕切り壁４がチャンバの内部空間の右側部分を完全に仕切る必要はなく、仕切り壁４には貫通穴やスリットが設けられていてもよい。仕切り壁は２つ以上設けられてもよいが、チャンバ内の音響制御が容易である観点から、仕切り壁は１つであることが好ましい。

また、上記第１実施形態の説明では、消音装置１０が他の部材から独立した管や拡張チャンバにより構成される例を示したが、これら管や拡張チャンバは、必ずしも独立したものである必要はなく、他の部材と一体化された物であってもよい。例えば、自動車用エンジンの吸気系に備えられるエアクリーナモジュールの一部や、冷却風の送風装置の一部が、上記した消音装置１０の構成となっていてもよい。すなわち、消音装置１０は、こうしたエアクリーナモジュールや送風装置に一体に組み込まれた物であってもよい。

上記実施形態の消音装置は、例えば自動車のエンジンの吸気系に使用できて産業上の利用価値が高い。

１０ 消音装置
１ 第１の管
２ 第２の管
３ 拡張チャンバ
Ｐ１ 第１の面
Ｐ２ 第２の面
Ｘ 第１方向
Ｙ 第２方向
Ｚ 第３方向
ＬＸ 拡張チャンバの第１方向長さ
ＬＹ 拡張チャンバの第２方向長さ
ＬＺ 拡張チャンバの第３方向長さ
４ 仕切り壁
Ｈ 仕切り壁の高さ

Claims (2)

1. 管を伝播する騒音を消音する消音装置であって、
   消音装置は直方体状の拡張チャンバと、
   チャンバの第１の面の略中央部に接続された第１の管と、
   前記第１の面に隣接するチャンバの第２の面の略中央部に接続された第２の管を有し、
   第１の管の側が騒音源に接続され、
   第１の面の法線方向を第１方向とし、
   第２の面の法線方向を第２方向とし、
   第１方向と第２方向に直交する方向を第３方向として、
   チャンバの第１の面に対向する面から、第１方向に延在するよう仕切り壁が立設されており、
   拡張チャンバ内の仕切り壁は１つであって、
   第３方向に沿って見た際に、仕切り壁によってチャンバの内部空間がコの字状に仕切られるように、
   かつ、仕切り壁の第２方向の位置が、第１の管の接続部の中心の第２方向の位置に略一致するように、仕切り壁が設けられている消音装置。
2. 第１方向に沿って測った仕切り壁の高さが、チャンバの第１方向の長さの１／５〜２／３である請求項１に記載の消音装置。

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