JPH07505483A - 自動車の能動的消音装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 自動車の能動的消音装置 本発明は一般に騒音の減少装置に関し、より詳しくは、自動車に適用できる能動 的消音装置に関する。

１９９０年４月２５８１こ出願された米国特許出願第５１４，６２４号、能動的 消音変換装置をここに引用しておく。

一般に自動車に用いられる内燃機関は、機関内で起こる燃焼によりかなりの量の 騒音を発生する。発生した騒音は受動的な消音システムで抑えるのが普通で、音 波をじゃま板、通路などとの共振により無くすか、または繊維性の材料で吸収し ている。しかし音のレベルを下げるこのような方法は、排気管を通る排気ガスの 自由な流れを害し、従って燃焼物の排出を妨げ、また機関のシリンダ内での燃焼 したガスと新しい燃料との置換を妨げることにより、自動車の機関の効率的な運 転を実質的に妨げる。しカル経済性や性能が低下しても騒音レベルは実質的に下 げなければならないのて、製造される全ての自動車は消音器を使用する必要があ る。

大きな建物の暖房や換気には大きなダクトを備える能動的消音システムが用いら れるが、これまで知られているシステムは自動車の環境で用いるには適していな い。例えＩ詐ａｒｎａｋａ等の米国特許第４，４７３，９０６号は多くの従来の 減音システムの実施態様を開示している。一般に音圧を検知すると、ダクト内に 打ち消し信号を入力するための拡声器を駆動する信号を生成する。打ち消し信号 は、ダクト内のスピーカの側を通る信号と１８０度位相がずれた音のパルス信号 である。また従来の装置は、検知器に到達する打ち消し信号のフィードパ・ツク の効果ｐ　を減らすことによっても、減音性能が向上することを示している。こ の特許は、変換器と電子制御を追加することにより、能動的減音器の性能を向上 させることを記述している。

エリクソン（Ｅｒｉｋｓｓｏｎ）の米国特許第４，６７７．６７７号は、エラー バス（ｅｒｒｏｒ　ｐａｔｈ）のオンラインモデリングを備える適応フィルタと 打ち消しスピーカを備え、専用のオフライン予備訓練なしに循環アルゴリズムを 用いることにより減衰を更に大きくする。米国特許第４．６７７．６７６号は、 低振幅で相関のないランダムノイズ源をシステムに加えて性能を向上させる。同 様に、Ｄｅｃｋｅｒ等の米国特許第４．８７６．７２２号とＨａｍａｄａ等の米 国特許第４．７８３．８１７号は、性能に関連し、能動的減衰器騒音制御システ ムを自動車に適応させない特定の構成要素位置を開示している。しかしこれらの いずれの改良も、自動車の環境で機関の騒音を抑えるのに適用できるシステムで はない。

既知のシステムは、通常の構造の３０４．８ｍｍ（１２インチ）または３８１゜ Ｏｍｍ（１５インチ）の拡声器などの非常に大きな変換器を用いることが多い。

このような構成要素は自動車の車体内、特に自動車の車台内に、納めるには余り 適していない。更に、打ち消さなければならない信号の最低周波数は２５ヘルツ 程度なので、従来の方法ではこの範囲で十分な振幅の音信号を発生するには大き な拡声器が用いられ、このようなスピーカを自動車の下に取り付けるのは実用的 でないことが分かるであろう。更に、発生する最高周波数は波長が短いので容易 に消散するが、打ち消したい最高の周波数は２５０ヘルツ程度である。

更に、従来の文献の多くは、音圧信号のかかったダクト内にこれらのスピーカを 挿入するように指導している。上に述べた拡声器は、自動車の従来の排気管の中 にそこで述べたように設けることはできないことが分かるであろう。更に、この ような室内では環境条件が厳しいので、このような構成要素を自動車に用いるこ とができないことが分かる。更にユニットとしては、スピーカの寸法を小さくし たり寸法のより小さいスピーカを追加して補うことが考えられるが、部品をこの ように多重化すると実質的にコストが上がり、信頼性が落ちる。

拡声器の効率を向上させる技術はいろいろ知られているが、これらの方法は能動 的減音システムにすぐ適用できるとは考えられなかった。Ｄ’　Ａｌ　ｔｏｎの 仏国特許第７６８．３７３号、Ｂｏｓｅの米国特許第４．５４９．６３１号、お よびオーディオニ学協会（Ａｕｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　５ｏｃｉｅｔ ｙ　）の１９８６年大会で発表されたＧｅｄｄｅｓおよびＦａｗｃｅ　ｌ　ｔの 通過帯域拡声器密閉箱の発表は、ボートを備える室を使うと拡声器出力が同調す る現象を認めている。この現象の認識は、音声再生への効果、特に拡声器外箱の 外の開いた領域への音声信号の放散に限られている。このような現象により消音 技術か改善されるということは、従来は教示されまたは示唆されていない。更に 、自動車の（Ｊｔ気フシステム閉じた管システムおよびこのシステムに関連する 厳しい環境からすれば、開いた領域に用いる拡声器を開発しても、自動車の能動 的消音システムとして容易に適用可能または実際的であることは分からない。

本発明は変換器から逆の位相の前方および後方の放射効果が管内の音圧パルスを 打ち消すように作用して補償することにより、自動車の排気システムへの能動的 減音技術を用いる際の困難さを実質的に減らすものである。一般に、２個のスピ ーカ隔膜のそれぞれの少なくとも片側を、管に音響的に結合して管内の音圧パル スを打ち消すボートを備える室内に納める。各変換器隔膜の両側を、それぞれボ ートを備える別の室内に納めることか望ましい。ボートを備える二つの室は、打 ち消すべき音圧パルスを含む打ち消し信号帯域幅のそれぞれ高端および他端にま たはその近くにある共振周波数にそれぞれ同調することか望ましい。

望ましい実施態様では、変換器の動きに対する変換器取付けの反作用を１．＋Ｊ ｚジング密閉箱内に１対の変換器を取り付けることによって補償することができ る。

スピーカは併置して、望ましくは変換器隔膜の向かい合う側を互いに同軸に並へ て設ける。隔膜の向かい合う側は共通の室内て駆動され、逆側は排気管へのボー トを備える室内にある。両度換器は同相で駆動するか、向かい合う隔膜の側を逆 向きに駆動すると、誘発された打ち消し効果によりハウジングの振動が減少する 。

共通室は、ＩＪＦ気管につながるボートを備えることが望ましい。

このように、本発明は自動車に用いるのに特に適した能動的消音システムを提供 する。変換器装置の隔膜の両側を用いて効率を上げるので、消音システムのユニ ソ１−化への要求が少なくなり、また２個の変換器隔膜を逆向きに等しく変位さ せることにより望ましくない振動を制御する。更に、排気システムの構成要素に 伴う環境および高温条件にもかかわらず、この取り付は配置により変換器を容易 に保護して取りつけることができる。更にボートと囲まれた室とを同調させるこ とにより、従来の自動車の機関に関連する騒音周波数範囲で用いるのに特に適し た打ち消し信号幅を提供する。従って、本発明は実際に自動車に適用できる能動 的消音システムを与える。

以下に、例を用いまた添付の図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は、建物などの換気ダクトに用いられる従来の減音システムの略図である 。

第２図は、自動車に用いられる従来の能動的消音装置の略図である。

第３図は、自動車に用いられる別の従来の能動的消音装置の略図である。

第４図は、第１図〜第３図に示す実施態様の性能を比較して示すグラフである。

第５図は、振動を補償するように修正した本発明の能動的減衰システムの略図で ある。

先ず第１図に、音源から管１４を通って出される音圧パルス列に曝されるマイク ロフォン１２を備える既知の消音システムの略図を示す。音圧パルスに応答して 変換器１２により発生した電気信号は電子的制’１０１６に与えられ、電気的制 御１Ｇは拡声器などの変換器１８を駆動する。よく知られているように、制ａｌ ｌ１６は変換器１８を駆動し、スピーカの前側から音圧を発生して管１４に放射 する。

この放射が行われる点は、変換器＋８から出るパルスの位相が管１４を通る音圧 パルスと１８０度ずれる点である。

第１図に示すシステムを改良したものは多いが、これらの改良は音圧パルスが通 る管に対する変換器の効率または空間の節約の点で優れたものではない。むしろ 、例えば音源の変化による音圧パルスの特性の変化に対応させるようにしたこれ までに知られた制御１６の改良や、変換器１８が発生する信号のフィードバック を変換器１２が受信しないようにした要素の配置や配列の改良や、変換器■８の 動作に起因する実際の打ち消しの程度に応じて制御１１６を再調整するエラー補 償装置などの改良は、これまでの開発が実質的に異なる点を強調してシステムを 開発したことを示している。特に、全ての従来の既知の例は変換器隔膜の一面を 用いて打ち消しパルスを生成している。

第２図に示すように、拡声器隔膜は略図に２０で示す前面と、略図に２２で示す 裏面を備える。その結果、隔膜か動く度に裏面２２で発生するパルスと位相が１ ８０度ずれたパルスが前面２０で発生する。

前面２０は管１４に向かっており、裏面２２は室２４内に囲まれて、これも管１ ４に向いているボート２６とつながる。第４図に示すように、変換器１８の裏面 ２２から室２４および管２６に送られるパルスが伝わることにより、周波数帯域 の低端が広がって低端の応答が改善される。更に第４図の線Ｂで示すように、低 端における変換器の効率は非常に改善される。効率か改善される共振周波数Ｆは 、（Ｌ２・Ｖ２）−１／１に比例する。

第３図に示すように、ボートを備える室を通して変換器の前面と裏面が結合する と、より劇的な結果が認められる。変換器１８の裏面２２を囲む室２４の体積は ｖ２で、ボート２６の長さはＬ２である。変換器Ｉ８の前面２０は、体積ｖ１お よびボートの長さＬｌの室２８内に囲まれている。各ボート３０と２６の出口は 、管１４に沿って距離Ｌ３だけ離れた位置でつながる。

第４図の線Ｃで示すように、このような配置の効率は、線Ａに示す標準の変換器 の消音ａｆＭの効率の実質的に倍である。更に、高い効率を示す周波数帯域は低 端で延び、島端Ｆ２で切断される。高い切断周波数Ｆ２は（Ｖｌ−Ｌｌ）”に比 例する。自動車の機関の排気においては、通常の内燃機関の排気弁は約２５０ヘ ルツの最大周波数を発生する。

同様に、最小周波数Ｆ＋は（Ｖ２・１２）−１／！に比例する。一般に、これは 自動車の機関の適当なアイドル速度として決定される。その結果、室２８と２４ のそれぞれの体積Ｖ１とＶ２は、ボート３０と２６のそれぞれの長さＬｌとＬ２ と同様に、音圧パルスが排気管１４を通る際の周波数帯域全体で効率を高めるの に必要なように決定される。

このようなシステムの性能は、長さＬ３が、自動車を運転しているときに発生す る最高周波数Ｆ２の波長より実質的に小さいときに最高になる。更にＬ２は、最 高周波数Ｆ２の半波長より実質的に小さくなければならない。

以上の説明は、スピーカ変換器の前面だけでなくスピーカ変換器の裏面からの音 圧パルスの同調の利点を示すが、一方のボートだけが排気管と直接つながり、他 方のボートは密閉箱内の別の室の間をつなげるようにボートの位置を修正するこ とも本発明の範囲内にあることか理解される。このような構造にすると、高温の ＮＦガスと変換器構成要素を直接つなぐことは制限されるが、室とボートが帯域 幅の島端および低端でまたはその付近で同調すれば、打ち消し信号の周波数範囲 全体で変換器の動作の効率を改善することかできる。前の実施態様の説明で述べ たように、このように同調すると、周波数が所定のボート領域に対して（Ｌ・Ｖ ）−１／２に比例するという関係と一致する。

本発明の変換器のボートを備える室の取りつけ配置により得られる同調の結果、 変換器の効率は実質的に増加する。その結果、変換器の寸法と変換器を動作させ るのに必要なエネルギーは、既知の消音システムで要求される変換器に比べて実 質的に減らすことができる。具体的には、エネルギー人力の必要度が減ると、電 子制御１６の一般に最も高価な部分である電力増幅器要素の必要度は実質的に減 少する。更に、このような構成要素を自動車に納めることのできる空間は限られ ているが、従来の既知の消音システムで心配されていたように、自動車の中に能 動的減音システムを設けることが妨げられることはない。

更に、消音システムに用いられている既知の任意の改良を、限られた空間内に、 より容易に挿入できることが分かる。例えば、フィードバックパルスを打ち消し たり打ち消しパルスを方向付けたりするために多数の変換器を用いなければなら ない場合は、変換器を駆動するための所要動力を実質的に減らすことができる。

更に、室を形成するハウジングを用いて、消音システムの変換器や他の構成要素 の有効寿命を減少させる熱やその他の環境条件の影響を減らすことができる。

次に第５図は自動車の機関４２の排気システム４０て、排気マニュフォールド５ ０および５２にそれぞれつながる加熱器バイブ４６および４８に結合する、排気 管４４を備える。望ましい実施態様の説明に用いたように、排ガスが通る通路を 形成する個々の構成要素にかかわらず、管４４は加熱器４６および４８につなが る道を一般に指す。例えば、触媒コンバータ５４と消音器付属品５６は管４４の 一部を形成し、望ましい実施態様として示す能動的消音変換器ハウジング５８は 管４４につながる。しかし、ハウシング５８は管４４の一部を支持しまたは形成 するように作ることもできる。触媒コンバータ５４および受動的消音器付属品５ ６はこれらの従来の構造でよく、また特定の従来の構造に制限される必要はない 。例えば、簡単な騒音減衰絶縁を閉じた容器内で行い、受動的な消音器付属品５ ６を能動的消音装置とを組み合わせて、管の敏感な部分の振動を減らすことがで きる。

更に、排気システム４０は、検出器６２、フィードバック検出器６４、変換器ハ ウジング５８に納められる変換器６６および６８と共に動作する能動的消音制御 器６０を備える。電子制御６０はディジタル信号処理（ＤＳＰ）制ｉｉＩ器７０ を備える。制御器７０は、検出された騒音を表す信号に応答する信号を発生して 、位相はずれ打ち消し信号を発生する。更に制御器４０は増幅器回路７２を備え る。

増幅器７２は、変換器６６と６８の駆動信号に十分な振幅を与えて、変換器６６ と６８が管４４とつながる位置を通る圧力パルスのレベルと一致させる。

望ましい実施態様では、ハウジング５８は円筒形の壁５９と、閉じた端壁６１お よび６３を備える。円筒形の壁は、変換器６６と６８の前面および裏面の中間で 各変換器の周辺と係合する。第５図に示すように、変換器６６と６８は互いに向 かい合って同軸に並び、各変換器の前面が同じ室７４につながることが望ましい 。更に、変換器６６の裏面はその前面から分離しており、円筒形の壁５９と端壁 ６１と変換器６６で形成される室７６につながる。同様に、変換器６８の裏面は 円筒形壁５９に取りつけられて前面から分離しており、円筒形の壁５９と端壁６ ３と変換器６８で形成される室７８につながる。しかし、スピーカは閉じたハウ ジング内の仕切壁などの他の手段によって支えてよいことが分かる。更に、変換 器は同様な結果を生じる他の位置に配列してよいことが分かる。例えば、各スピ ーカは同し向きに設けるが逆向きに巻いたコイルを備え、一方のスピーカの前面 が他方のスピーカの裏面に面して、共通の室７４内で逆向きに動いてよい。この ようにして、一方の変換器の前面か裏面が共通の室７４内で他方のスピーカの片 面を補足しすなわち打ち消してよい。

また第５図に示すように、室７６はボート８２を通して排気管４４につながり、 室７８はボート８０を通してボート８２から離れた位置でつながる。ボートをこ のように配置して室７４を閉じ、変換器６６と６８の前面から出る圧力パルスが 中央の室７４内で互いに打ち消すようにしてよい。しかし本発明の望ましい実施 態様では、ボート８４を用いて室７４をｔＪＦ気管４４に結合する。更に、室７ ４とボート８４を打ち消し信号帯域幅の最高周波数でまたはそのイ１近で同調さ せることが望ましい。前に説明したように、所定の同調ダクト領域において共振 周波数は（１，、Ｖ）−１／！に比例するので、室とボートの寸法を適当にすれ ば所定の範囲内で、望ましくは打ち消し信号帯域幅内の最高の切断周波数でまた はそのＣ近て、変換器６６と６８のｉｉｒ面から出る信号は変換器の効率が改善 されることを示す。

更にポー１−８０と８２は打ち消し信号帯域幅の最低切断周波数でまたはその付 近で対称的に同調することが望ましい。このような同調により、増幅器７２に必 要なより強力な電子装置は必要がなくなる。

いずれにしても、変換器６６と６８の隔膜が等しく逆向きの反作用を示すので、 一つの変換器を用いて動作させた場合に誘起されるハウジング５８の実質的な振 動がなくなる。変換器の隔膜面か等しく逆向きの変位をすることにより、ハウジ ング５８を形成するハウジング壁の逆作用のない振動を避け、また取り（＝１け られたハウジングに伝わる変換器隔膜の変位の結果発生する可聴騒音、変位、物 理的力を制限する。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．管の能動的消音装置であって、 入力パルス列を表示する検知器信号を発生する検知器（６２）と、前面と表面を 備える第１変換器（６６）と、前面と裏面を備える第２変換器（６８）と、前記 管に隣接する前記変換器（６６、６８）を取り付ける手段（５８）と、ここで前 記第１変換器（６６）の前記前面および裏面の少なくとも一方である第１面は前 記第２変換器（６８）の前記前面および裏面のうちの第１面とは異なる側の面に 面するものであり、 前記検知器信号に応答して前記変換器（６６、６８）を駆動し、また所定の点で 前記入力パルス列と逆の位相を持つ出力パルス列を生成する、電子制御手段（６ ０）と、 各変換器の前記前面を前記各変換器の前記裏面から音響的に分離し、前記各変換 器の前記前面と前記裏面の少なくとも一方を前記管と音響的に結合する手段（７ ４、７６、７８、８０、８２、８４）と、を有する装置。
2. ２．音響的に分離しまた結合する前記手段は、前記第１変換器の前記前面および 裏面の一方と前記第２変換器の前記前面および裏面の一方を囲む共通の室を形成 するハウジングを備える、請求項１に記載の装置。
3. ３．前記室と前記管の間を音響的につなぐポートを更に有する、請求項２に記載 の装置。
4. ４．音響的に分離しまた結合する前記手段は、二つの第２室を持つ前記ハウジン グを備え、ただし一方の前記第２室は前記第１変換器の前記前面および裏面の他 方を囲み、他方の前記第２室は前記第２変換器の前記前面および裏面の他方を囲 むものであり、また前記各第２室と前記管の間を音響的につなぐポートを更に備 える、請求項２に記載の装置。
5. ５．前記端第２ポートは前記管に沿って長さ方向に間隔をあけている、請求項４ に記載の装置。
6. ６．前記ポート間の前記間隔の長さは、前記管を通して送信される最高周波数パ ルス列の波長より短い、請求項５に記載の装置。
7. ７．取りつけ用の前記手段は、前記各変換器の前記前面および裏面の一方とつな がる第１室を形成する、壁を持つハウジング密閉箱を備える、請求項１に記載の 装置。
8. ８．自動車の排気管の能動的消音器であって、前記管内の圧力パルスを表示する 検知器信号を発生する検知器と、前記管に沿う少なくとも一つの位置で前記管内 に圧力パルスを誘発するよう配置された少なくとも１個の第１変換器と、前記管 に沿う少なくとも一つの位置で前記管内に圧力パルスを誘発するよう配置された 少なくとも１個の第２変換器と、前記変換器を駆動して、前記少なくとも一つの 各位置で前記発化した信号と逆の位相の打ち消し信号を生成する電子制御手段と 、ここで前記各変換器は第１面と、前記第１面とは逆の位相のパルスを発生する 逆向きの第２面を備えるものであり、 前記第１変換器の前記前面と裏面の少なくとも一方は共通の室内で前記第２変換 器の前記前面と裏面の一方に面するようにして、各変換器の前記第１面を前記第 ２面から音響的に分離し、かつ前記各変換器の前記第１面および第２面の少なく とも一方を前記少なくとも一つの位置のそれぞれにおいて前記管に音響的に結合 する手段と、 を有する能動的消音器。
9. ９．自動車の排気管の能動的消音変換装置であって、前面と裏面を備える第１変 換器と、 前面と裏面を備える第２変換器と、 前記第１および第２変換器を囲み、また各変換器の前記前面を前記裏面から分離 して前記第１変換器の前記前面と裏面のうちの第１の面を前記第２変換器の前記 前面と裏面のうちの第１の面から絶縁する手段と、前記各第１の面を前記管に結 合する少なくとも一つのポートとを備えるハウジングと、を有する能動的消音変 換装置。
10. １０．排気管を備える自動車の排気システムであって、管内の圧力パルスを表示 する検知器信号を発生する検知器と、前面と裏面を備える第１変換器と、 前面と裏面を備える第２変換器と、 前記第１および第２変換器を囲むハウジングと、前記表示信号を受信しまた前記 変換器を駆動して、前記圧力パルスと逆の位相を持つ出力パルス列を生成するマ イクロプロセッサ制御器と、各変換器の前記前面を前記裏面から音響的に分離す る手段と、を有し、 前記第１変換器の前記前面は前記ハウジング内の共通室内で前記第２変換器の前 面に面し、 前記ハウジングは前記第１変換器の前記裏面とつながる第１室を形成し、また前 記第２変換器の前記裏面とつながる第２室を形成するものである、自動車の排気 システム。
11. １１．前記第１および第２室は前記排気ダクトとつながるポートをそれぞれ備え る、請求項１０に記載のシステム。
12. １２．前記共通室は前記排気管とつながるポートを備える、請求項１０に記載の システム。
13. １３．前記排気システムは前記排気管とつながる触媒コンバータを更に備える、 請求項１０に記載のシステム。
14. １４．前記排気システムは受動的減音室を備える、請求項１０に記載のシステム 。
15. １５．変換装置であって、 前面と裏面を備える第１変換器と、 前面と裏面を備える第２変換器と、 前記第１および第２変換器を囲み、また各変換器の前記前面を前記裏面から分離 して前記第１変換器の前記前面と裏面のうちの第１の面を前記第２変換器の前記 前面と裏面のうちの第１の面から絶縁する手段と、前記各第１の面を前記管に結 合する少なくとも一つのポートとを備えるハウジングと、を有する変換装置。