JPH08303224A

JPH08303224A - 消音装置

Info

Publication number: JPH08303224A
Application number: JP7136181A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujita; 毅藤田
Original assignee: Toa Corp
Current assignee: Toa Corp
Priority date: 1995-05-09
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 1996-11-19
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: JP3010341B2

Abstract

(57)【要約】【目的】アクティブ型の消音装置において、定在波の
影響を受けることのない消音装置を提供する。【構成】排気音を伝搬させる排気ダクト２に結合され
ていて上記排気音を収音する１次マイクロホン３と、上
記排気ダクト２内に音波を放射する消音用スピーカ５
と、上記音波が放射された後の排気ダクト２内の音を収
音する２次マイクロホン６と、この２次マイクロホン６
の出力が最小になるように上記１次マイクロホンの出力
電気信号を制御して上記消音用スピーカ５を駆動するコ
ントローラ４とを具備する消音装置において、上記排気
ダクト２の排気音の排出部分をホーン形に形成し、この
ホーン形に形成した所謂ホーン部７における排気音の反
射を抑制する状態に構成する。更に、上記ホーン部７の
遮断周波数が、この消音装置の減衰の対象とする周波数
領域よりも低くなる状態に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばエンジン等の排
気ダクトに使用し、この排気ダクト内を伝搬して外部に
排出される排気音を減衰させる消音装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ディーゼルエンジン等の排気音
を低減する装置として、排気音に対しこれと実質的に等
大で逆位相の音波を重畳させることによって上記排気音
を減衰させるアクティブ型の消音装置が知られている。
このアクティブ型の消音装置は、メカニカルな所謂パッ
シブ型消音器、即ちマフラに比べて非常に小型化できる
という利点がある。特に、例えば５００Ｈｚ以下の比較
的に低音域（低周波領域）の排気音を減衰させる場合に
は、それを上記マフラによって減衰させようとするとマ
フラ自体が非常に大容量（大型）化してしまうので、上
記アクティブ型消音装置の利点がより顕著に現れる。従
来、このアクティブ型の消音装置として、例えば図３に
示すようなものがある。

【０００３】同図において、１は音源、例えばエンジン
で、このエンジン１から発生する排気音は、音伝搬路、
例えば管状の排気ダクト２内を伝搬して排出口２ａから
排出される。同図に示す消音装置では、この排気ダクト
２に１次マイクロホン（リファレンスマイクロホン）３
を結合し、この１次マイクロホン３によって上記排気ダ
クト２内を伝搬する排気音を収音している。そして、こ
の１次マイクロホン３の出力電気信号を制御するコント
ローラ４と、このコントローラ４の出力信号により駆動
され排気ダクト２内に音波を放射する消音用スピーカ５
とを設けている。更に、排気ダクト２の排出口２ａに
は、２次マイクロホン（エラーマイクロホン）６を配置
し、この２次マイクロホン６の検出信号をコントローラ
４に供給している。

【０００４】即ち、コントローラ４は、内部に、例えば
ＤＳＰ（デジタル信号処理装置）またはＣＰＵ（中央演
算処理装置）によるデジタルフィルタを有しており、こ
のデジタルフィルタによって、消音用スピーカ５から放
射される音波が、上記１次マイクロホン３で収音した排
気音と実質的に等大で逆相関係になるように、上記１次
マイクロホン３の出力電気信号に対してフィルタリング
処理を施している。そして、この消音用スピーカ５の放
射する音波を、排気ダクト２内の排気音に干渉させるこ
とによって、上記排気音を打ち消している。更に、排気
ダクト２の排出口２ａにおける騒音レベルを２次マイク
ロホン６で検出し、この騒音レベルが最小になるよう
に、即ち外部に排出される排気音が極力零に近づくよう
に、上記デジタルフィルタのフィルタ係数を更新してい
る。

【０００５】ところで、上述したようにエンジン１から
発生する排気音は排気ダクト２内を伝搬して排出口２ａ
から外部に排出されるが、この排出口２ａにおいて音響
インピーダンスが急変するため、上記排気音は、この排
出口２ａにおいて反射されて反対方向に進行する。そし
て、この反対方向に進行する排気音と、上記排出口２ａ
に向かって伝搬する排気音とが干渉し、これによって排
気ダクト２内に定在波が発生する。このような状態にあ
る排気ダクト２は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すような
一端が剛な材料で閉ざされた閉管２０に相当するものと
考えられ、この場合、閉ざされた側の閉端部２０ｂが上
記図３におけるエンジン１に相当し、他端側の開口部２
０ａが排出口２ａに相当する。そして、この閉管２０内
に発生する定在波の波長λと、この閉管２０の管長Ｌと
の間には、次の数１に示すような関係があることが知ら
れている。

【０００６】

【数１】Ｌ＝〔（２ｎ＋１）λ〕／４（ｎ＝０、
１、２、・・・）

【０００７】この数１を、定在波の周波数ｆについての
式に変形して表すと数２のようになる。

【０００８】

【数２】ｆ＝〔ｃ（２ｎ＋１）〕／（４Ｌ）但し、ｃは音速である。

【０００９】上記数１及び数２から判るように、管長Ｌ
の閉管２０内に発生する定在波の周波数ｆ（波長λ）は
複数存在することになり、即ち閉管２０内には、周波数
ｆの異なる複数の定在波が発生することになる。上記図
４は、閉管２０内に発生する定在波の音圧分布を示す図
で、（ａ）は上記数１及び数２においてｎ＝１の場合、
（ｂ）はｎ＝２の場合の定在波の音圧分布である。同図
に示すように、各定在波は、その振幅が最大となる腹
と、振幅が最小となる節とを有している。なお、上記腹
においては、各定在波の周波数ｆにおける音響インピー
ダンスが非常に大きく、一方、節においては、上記音響
インピーダンスは極端に小さく略零になる。

【００１０】上記定在波については、図３に示す消音装
置の排気ダクト２についても同様であり、即ち排気ダク
ト２内にも上記数１及び数２の関係から周波数ｆの異な
る複数の定在波が発生する。例えば、排気ダクト２の管
長Ｌを６ｍ、音速ｃを３４０ｍ／ｓとすると、排気ダク
ト２内には、周波数ｆが１４Ｈｚ、４２Ｈｚ、７１Ｈ
ｚ、９９Ｈｚ、・・・の複数の定在波が発生する。そし
て、これらの定在波は、その振幅が最大となる腹と、振
幅が最小となる節とを有している。

【００１１】ここで、上述したように、上記腹において
は、その定在波の周波数ｆにおける音響インピーダンス
は非常に大きいが、節においては、上記音響インピーダ
ンスは略零になる。従って、この節の位置に消音用スピ
ーカ５が配置されると、この消音用スピーカ５が放射す
る音波のうち上記定在波と同じ周波数ｆの成分について
は放射されなくなってしまい、即ちこの消音装置が減衰
の対象としている排気音のうち上記周波数ｆの成分につ
いては減衰させることができないという問題がある。

【００１２】上記問題を回避するためには、消音用スピ
ーカ５を各定在波の節に位置しないように配置すればよ
い。しかし、上述したように、排気ダクト２内には周波
数ｆの異なる複数の定在波が発生しており、即ち定在波
の節は複数の場所に位置しているので、消音用スピーカ
５を全ての節に位置しない（若しくは近づかない）よう
に配置するのは非常に困難である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する問題点は、排気ダクト２内に発生する定在波の影響
により、消音装置が減衰の対象としている排気音（周波
数領域）のうち、減衰させることのできない成分が存在
してしまい、即ち消音装置が減衰の対象としている周波
数領域の全域に渡って一様な消音効果を得ることができ
ないという点である。

【００１４】本発明は、排気ダクト２内に定在波が発生
しないように構成することによって、減衰の対象として
いる周波数領域全域に渡って一様に排気音を減衰させる
ことのできる消音装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の発明の消音装置
は、音源から発生する音を伝搬させ排出口から排出する
音伝搬路と、該音伝搬路に結合されていて上記音を収音
するマイクロホンと、該マイクロホンの出力電気信号を
制御する制御手段と、該制御手段の出力信号により駆動
されて上記音伝搬路に音波を放射するスピーカとを、具
備し、上記制御手段が、上記スピーカから放射される上
記音波の振幅及び位相が上記音を打ち消すのに必要な振
幅及び位相となる状態に上記出力電気信号を制御するよ
う構成した消音装置において、上記排出口における音響
インピーダンスを滑らかに変化させ上記音伝搬路を伝搬
する上記音が上記排出口において反射し反対方向に伝搬
するのを抑制する状態に上記排出口をホーン形に形成し
たことを特徴とするものである。なお、上記排出口にお
いて反射して反対方向に伝搬するのを抑制される上記音
とは、詳しくは上記ホーンの遮断周波数よりも周波数の
高い音を言う。

【００１６】第２の発明の消音装置は、第１の発明の消
音装置において、上記ホーンの遮断周波数が、上記消音
装置の減衰の対象とする周波数領域よりも低くなる状態
に構成したことを特徴とするものである。

【００１７】第３の発明の消音装置は、第１または第２
の発明の消音装置において、上記音の排出方向における
上記ホーンの外形寸法が小さくなる状態に、上記ホーン
を折り返し構造としたことを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】第１の発明によれば、音源から発生する音は、
音伝搬路を伝搬して排出口から排出される。この排出口
は、音響インピーダンスを滑らかに変化させ、上記音伝
搬路を伝搬する音がこの排出口において反射し反対方向
に伝搬するのを抑制するようにホーン形に形成されてい
る。ここで、上記排出口において反射して反対方向に伝
搬するのを抑制される上記音とは、詳しくは上記ホーン
の遮断周波数よりも周波数の高い音を言う。従って、少
なくとも上記ホーンの遮断周波数よりも高い周波数領域
においては、上記音源から発生する音が音伝搬路の排出
口において反射することはなく、即ち上記音によって音
伝搬路中に定在波が発生することはない。

【００１９】第２の発明によれば、上記ホーンの遮断周
波数は、上記消音装置が消音の対象としている周波数領
域よりも低くなるように構成されている。従って、少な
くともこの消音装置が減衰の対象としている周波数領域
においては、上記音源から発生する音が音伝搬路の排出
口において反射することはなく、即ち上記音によって音
伝搬路中に定在波が発生することはない。

【００２０】第３の発明によれば、上記ホーンは、上記
音の排出方向における外径寸法が小さくなるように、折
り返し構造になっている。

【００２１】

【実施例】本発明に係る消音装置の一実施例について、
図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施例の
消音装置の概略構成を示す図である。同図に示すよう
に、本実施例の消音装置は、上述した図３に示す従来の
消音装置において、排気ダクト２の排気音の伝搬する方
向を横切る断面積が上記方向に向かうに連れて次第に大
きくなる状態に、排気ダクト２の排出口２ａ部分をホー
ン形に形成したものである。なお、これ以外の構造につ
いては上記図３の従来装置と同様であるので、同等部分
には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【００２２】即ち、上記ホーン形に形成された所謂ホー
ン部７は、音響インピーダンスの高い排気ダクト２内
と、音響インピーダンスの低い外部（大気）との間の音
響インピーダンスを滑らかに変化させるように、例えば
指数（エクスポーネンシャル）形のホーン形状を有して
いる。そして、排気ダクト２内を伝搬する排気音が外部
に排出されるとき、この排気音がホーン部７の開口部７
ａにおいて反射し反対方向に伝搬するのを抑制するよう
に（反射しないように）構成されている。

【００２３】また、上記ホーン部７のようなホーンにお
いては、その形状によって外部に放射し得る音の最低周
波数、即ち遮断周波数ｆ_Cが決まるが、このホーン部７
の遮断周波数ｆ_Cは、この消音装置自体が減衰の対象と
している周波数領域よりも低くなるように構成されてい
る。例えば、この消音装置が２０Ｈｚから５００Ｈｚの
間の排気音を減衰の対象とする場合、上記遮断周波数ｆ
_Cが２０Ｈｚ未満になるように、好ましくはその半分の
１０Ｈｚ未満になるように構成する。

【００２４】上記のように構成された消音装置において
は、少なくともこの消音装置が減衰の対象としている周
波数領域において、排気ダクト２内を伝搬する排気音
が、この排気ダクト２の排出口であるホーン部７の開口
部７ａにおいて反射することはない。従って、排気ダク
ト２内における定在波の発生を抑制することができる。
その結果、図３に示す従来装置とは異なり、排気ダクト
２内に音響インピーダンスの極端に小さい場所（定在波
の節）が存在しなくなり、即ち、この消音装置が減衰の
対象としている排気音（周波数領域）のうち、消音用ス
ピーカ５から放射する音波によって減衰させることので
きない成分はなくなる。よって、この消音装置が減衰の
対象としている周波数領域の全域に渡って一様な消音効
果を得ることができる。

【００２５】ところで、上記ホーン部７の遮断周波数ｆ
_Cは、次の数３によって表される。なお、この数３にお
いて、ｍはフレア・コンスタント（ホーンの開き方）、
ｃは音速である。また、Ｌ₁はホーン部７の長さ、Ｓ₁
はホーン部７のエンジン１側の端部（即ちホーン部７の
「のど」）７ｂの断面積、Ｓ₂はホーン部７の開口部７
ａの断面積である。

【００２６】

【数３】ｆ_C＝（ｍｃ）／（４π）＝（62.4／Ｌ₁）ｌｏｇ（Ｓ₂／Ｓ₁）〔Ｈｚ〕

【００２７】上記数３から判るように、ホーン部７の遮
断周波数ｆ_Cを低くするためには、ホーン部７の長さＬ
₁を長くする必要がある。しかし、このホーン部７の長
さＬ₁をそのまま長くしてしまうと、排気ダクト２の管
長が上記長さＬ₁分だけ長くなってしまい、このアクテ
ィブ型消音装置の特長である装置自体を小型化できると
いう利点を損ねてしまうことになる。そこで、図１に示
すホーン部７を、図２に示すように折り返し構造にする
ことによって、上記ホーン部の長さＬ₁、詳しくは排気
音の排出方向（同図の左右方向）におけるホーン部７の
外径寸法Ｌ₁を小さくすることができる。

【００２８】即ち、折り返し構造を有するホーン部７０
は、図２に示すように、第１ホーン部１７、第２ホーン
部２７、及び第３ホーン部３７によって構成されてい
る。第１ホーン部１７は、上記図１におけるホーン部７
を短くしたようなもので、排気ダクト２内を伝搬する排
気音を開口部１７ａから排出する。

【００２９】第２ホーン部２７は、上記第１ホーン部７
よりも大きな径の概略コの字状の断面形状を有してお
り、上記第１ホーン部１７の開口部１７ａを余裕を持っ
て覆うように設けられている。そして、この第２ホーン
部２７は、上記第１ホーン部１７の開口部１７ａから排
出される排気音を、上記第１ホーン部１７の外周に沿っ
て反対方向に伝搬させ、それを第１ホーン部１７の外周
と自己の開口部２７ａとの間から排出する。

【００３０】第３ホーン部３７は、上記第２ホーン部２
７よりも大きな径を有し、上記第１ホーン部１７と同様
に指数的なホーンの開き方で、上記第１ホーン部１７の
開口部１７ａと同じ方向に開口部３７ａを有している。
そして、この第３ホーン部３７は、上記第１ホーン部１
７を大きく囲むように、上記第２ホーン部２７の開口部
２７ａを余裕を持って覆っている。この第３ホーン部３
７は、上記第１ホーン部１７の外周と第２ホーン部２７
の開口部２７ａとの間から排出される排気音を、上記第
２ホーン２７の外周に沿って更に反対方向（排気ダクト
３内の排気音の伝搬方向と同じ方向）に伝搬させ、それ
を第２ホーン部２７の外周と自己の開口部３７ａとの間
から外部に排出する。

【００３１】つまり、上記折り返し構造を有するホーン
部７０は、その内部において、図２に一点鎖線の矢印８
で示すように、排気音を上記図１のホーン部７の長さＬ
₁と同じ距離だけ伝搬させるように、蛇行状の排気音伝
搬路を形成している。従って、このホーン部７０は、排
気音を伝搬させる上記排気音伝搬路の長さついては図１
のホーン部７の長さＬ₁と同じであるが、排気音の排出
方向におけるこのホーン部７０自体の外径寸法Ｌ₁₁につ
いては、上記ホーン長さＬ₁よりも非常に短くなる。こ
れによって、図１に示す消音装置よりも装置全体の外径
長さ寸法（Ｌ＋Ｌ₁₁）を小さくすることができる。

【００３２】なお、上記数３によれば、ホーン部７の開
口部７ａ及びのど７ｂの断面積の比率Ｓ₂／Ｓ₁を小さ
くすることによって、即ち開口部７ａの断面積Ｓ₂を小
さくすることによっても、ホーン部７の遮断周波数ｆ_C
を低くすることができる。しかし、上記開口部７ａの断
面積Ｓ₂をあまり小さくすると、この開口部７における
音響インピーダンスが急変するため排気音が反射し、ひ
いては排気ダクト２内に定在波が発生してしまう。従っ
て、ホーン部７の遮断周波数ｆ_Cを低くするためには、
上記各断面積の比率Ｓ₂／Ｓ₁を小さくするよりも、上
述のようにホーン部７（排気音伝搬路）の長さＬ₁を長
くするのが好ましい。

【００３３】また、本実施例においては、折り返し構造
を有するホーン部７０を、図２に示すように第１、第
２、第３ホーン部１７、２７、３７によって構成した
が、本実施例と同様の効果を得ることができるのであれ
ば、このホーン部７０の折り返し構造については上記に
限ることはない。

【００３４】そして、ホーン形状については、指数形と
したが、これに限らず、放物（パラボリック）形、円錐
（コニカル）形、または双曲線（ハイパボリック）形
等、他の形状のホーンで上記構成を実現してもよい。

【００３５】また、本実施例においては、ホーン部７
（７０）の遮断周波数ｆ_Cが、この消音装置自体の減衰
の対象とする周波数領域よりも低くなるように構成した
が、例えばホーン部７（７０）の長さ（排気音伝搬路
長）Ｌ₁が制限されるなどの理由により上記遮断周波数
ｆ_Cが消音装置自体の減衰の対象とする周波数領域より
も高くなってしまうような場合には、上記遮断周波数ｆ
_Cよりも高い周波数の排気音に対して一様な減衰効果を
得ることができる。

【００３６】

【発明の効果】第１の発明の消音装置は、音伝搬路を伝
搬する音が排出口において反射しないように上記排出口
をホーン形に形成し、これによって、少なくとも上記ホ
ーンの遮断周波数よりも高い周波数領域においては、音
伝搬路中に定在波が発生しないように構成されている。
このように構成されているので、従来とは異なり、少な
くとも上記ホーンの遮断周波数よりも高い周波数領域に
おいては、音伝搬路中に音響インピーダンスの極端に小
さい場所（定在波の節）が存在しなくなり、即ち、上記
周波数領域内の音についてはスピーカから放射する音波
によって減衰させることのできない成分はなくなる。従
って、少なくとも上記ホーンの遮断周波数よりも高い周
波数領域において、一様な消音効果を得ることができる
という効果がある。

【００３７】第２の発明の消音装置は、上記ホーンの遮
断周波数がこの消音装置の消音の対象としている周波数
領域よりも低くなるように構成されているので、この消
音装置が減衰の対象としている周波数領域の全域に渡っ
て音伝搬路中に定在波が発生しなくなる。従って、この
消音装置が減衰の対象としている周波数領域の全域に渡
って一様な消音効果を得ることができ、つまりは上記第
１の発明よりも大きな消音効果を得ることができるとい
う効果がある。

【００３８】第３の発明の消音装置は、音の排出方向に
おける上記ホーンの外形寸法が小さくなるように、上記
ホーンを折り返し構造としたものである。従って、上記
ホーンを上記第１または第２の発明よりも小型化するこ
とができ、つまりは、このアクティブ型消音装置の大き
な特長である装置自体を小型化できるという利点を保ち
ながら、上記第１または第２の発明と同様な効果を得る
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る消音装置の一実施例を示す概略構
成図である。

【図２】同実施例の変形例で、排気ダクトの排出口部分
を示す概略断面図である。

【図３】従来の消音装置の概略構成図である。

【図４】閉管内に発生する定在波の音圧分布を示す図
で、（ａ）は上記定在波の波長λが管長Ｌの４／３倍の
場合、（ｂ）は定在波の波長λが管長Ｌの４／５倍の場
合を示す。

【符号の説明】

１エンジン２排気ダクト３１次マイクロホン（リファレンスマイクロホン）４コントローラ５消音用スピーカ６２次マイクロホン（エラーマイクロホン）７ホーン部７ａ開口部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音源から発生する音を伝搬させ排出口か
ら排出する音伝搬路と、該音伝搬路に結合されていて上
記音を収音するマイクロホンと、該マイクロホンの出力
電気信号を制御する制御手段と、該制御手段の出力信号
により駆動されて上記音伝搬路に音波を放射するスピー
カとを、具備し、上記制御手段が、上記スピーカから放
射される上記音波の振幅及び位相が上記音を打ち消すの
に必要な振幅及び位相となる状態に上記出力電気信号を
制御するよう構成した消音装置において、上記排出口における音響インピーダンスを滑らかに変化
させ上記音伝搬路を伝搬する上記音が上記排出口におい
て反射し反対方向に伝搬するのを抑制する状態に上記排
出口をホーン形に形成したことを特徴とする消音装置。
【請求項２】請求項１に記載の消音装置において、上
記ホーンの遮断周波数が、上記消音装置の減衰の対象と
する周波数領域よりも低くなる状態に構成したことを特
徴とする消音装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の消音装置にお
いて、上記音の排出方向における上記ホーンの外形寸法
が小さくなる状態に、上記ホーンを折り返し構造とした
ことを特徴とする消音装置。