(57)【要約】【課題】脈動を適切且つ効率良く減衰させることのできる最適設計を実現可能とした脈動吸収装置を提供する。【解決手段】気体が管路１内を流れることにより発生した脈動を減衰させる騒音低減デバイス２を管路通路６に設けた脈動吸収装置であって、前記騒音低減デバイス２の共振周波数をＦｂとし、脈動の周波数をＦｐとしたときに、Ｆｂ＜Ｆｐなる関係とする。騒音低減デバイス２は、管路１内を流れる気体の圧力を受けて当該気体の流れる方向と略垂直な方向にスライドする振動板３と、気体の圧力を受けた振動板３を受けた圧力方向とは反対方向に振動板３を押し返す弾性部材４と、振動板３及び弾性部材４で吸収した音の放射を抑制する放射音防止用のケーシング５とで構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が管路（１）内を流れることにより発生した脈動を減衰させる騒音低減デバイス（２）を管路通路（６）に設けた脈動吸収装置であって、
前記騒音低減デバイス（２）の共振周波数をＦｂとし、脈動の周波数をＦｐとしたときに、Ｆｂ＜Ｆｐなる関係とした
ことを特徴とする脈動吸収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の脈動吸収装置であって、
前記騒音低減デバイス（２）は、前記管路（１）内を流れる気体の圧力を受けて当該気体の流れる方向と略垂直な方向にスライドする振動板（３）と、気体の圧力を受けた振動板（３）を受けた圧力方向とは反対方向に振動板（３）を押し返す弾性部材（４）と、振動板（３）及び弾性部材（４）で吸収した音の放射を抑制する放射音防止用のケーシング（５）と、からなる
ことを特徴とする脈動吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体が管路内を流れることにより発生した脈動を減衰させる騒音低減デバイスを備えた脈動吸収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の排気系にはマフラが装着されているが、マフラだけでは排気騒音を十分に低減できないため、エンジンから排出される排気脈動も低減する必要がある。その手段としては、例えば特許文献１及び特許文献２に記載の技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、ベローズを脈動吸収体として使用し、そのベローズの外側にケーシングを設け且つベローズとケーシングとの間に不燃性オイルを充填させることによって、エンジンから排気される排気脈動のエネルギーをこのベローズで吸収して排気脈動レベルを低減させ、不燃性オイルでケーシングからの放射音の発生を抑制している。
【０００４】
特許文献２に記載の技術は、マフラシェルの側壁に形成した開口に振動吸収板と、この振動吸収板の振動に対する抵抗特性を制御する制御駆動部を設け、該制御駆動部で前記振動吸収板の振動に対する抵抗特性を制御することによって、排気脈動を前記振動吸収板で共振させて消音させる。
【特許文献１】特開２００１−９８９２２号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、気体における脈動吸収の動作メカニズムは、これまで充分な解析ができていないのが現状である。
【０００６】
そのため、特許文献１および特許文献２におけるように不燃性オイルを使用し、また制御駆動部による抵抗特性のコントロールで、脈動レベルの低減を図るようにしているが、これらの技術ではシステムの最適設計には至らない。
【０００７】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、脈動を適切且つ効率良く減衰させることのできる最適設計を実現可能とした脈動吸収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、鋭意検討した結果、気体における脈動吸収の動作メカニズムを解析して明らかなものとし、脈動吸収システムの最適設計を実現した。具体的には、気体が管路内を流れることにより発生した脈動を減衰させる騒音低減デバイスを管路通路に設け、その騒音低減デバイスの共振周波数をＦｂとし、脈動の周波数をＦｐとしたときに、Ｆｂ＜Ｆｐなる関係とした。
【０００９】
騒音低減デバイスとしては、管路内を流れる気体の圧力を受けて当該気体の流れる方向と略垂直な方向にスライドする振動板と、気体の圧力を受けた振動板を受けた圧力方向とは反対方向に振動板を押し返す弾性部材と、振動板及び弾性部材で吸収した音の放射を抑制する放射音防止用のケーシングと、から構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、騒音低減デバイスの共振周波数Ｆｂと脈動の周波数Ｆｐとの関係をＦｂ＜Ｆｐなる関係とすることで、脈動を適切且つ効率良く減衰させることができ、脈動吸収システムの最適設計を実現することができる。これにより、脈動吸収システムの小型化、軽量化が可能となると共に、簡易システムにて脈動吸収効果が得られ、低コスト及び耐久信頼性の向上も図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
脈動吸収装置は、気体が流れる管路（ダクト等も含む）の中で脈動の圧力を受けて振動する素子（振動体）により脈動を吸収する。素子は、例えばバネ系により保持されており、脈動の圧力を受けて受動的に強制加振する。
【００１３】
図１には、脈動吸収装置の一例を模式的に示す。管路１の途中には、騒音低減デバイス２が設けられている。騒音低減デバイス２は、管路１内を流れる気体の圧力を受けて当該気体の流れる方向とは略垂直な方向にスライドする振動板３と、気体の圧力を受けた振動板３を受けた圧力方向とは反対方向に振動板３を押し返す弾性部材４と、振動板３及び弾性部材４で吸収した音の放射を抑制する放射音防止用のケーシング５と、で構成される。
【００１４】
なお、脈動を減衰させる目的だけであれば、原理的には放射音防止用のケーシング５は不要である。実際の装置構成を考えるとケーシング５は、振動板３及び弾性部材４を収容保持させるためには必要となる。
【００１５】
このような管路１の場合、図２に示すように、脈動の圧力変動と速度変動の位相は異なっており、速度変動は圧力変動より、およそ１／４周期遅れている。図２は、管路通路６に臨む騒音低減デバイス２の前方部位である領域Ａにおける脈動を表し、線Ｐは脈動の圧力を表し、線Ｕは脈動の速度を表し、圧力と速度は領域Ａに向かう方向を＋（プラス）、その反対方向を−（マイナス）としている。
【００１６】
振動板３が管路通路６を流れる気体から圧力を受け、その圧力を吸収しようとして動く場合、押された方向（図１中Ｙ１で示す振動板３が管路通路６から離れる方向）に動くことになるが、振動板３が動くことにより印加される圧力（振動板３を押す圧力）が小さくなるため、当該振動板３は動作し難くなる。つまり、振動板３を押す力が弱くなることで、振動板３が動き難くなるのである。図３は、振動板３の動きを示し、線Ｆは振動板３にかかる力を表し、線ＵＳは振動板３の速度を表し、線Ｘは振動板３の変位を表している。
【００１７】
振動板３の動きを良くするために、気体から圧力を受けて変位する方向がその圧力の方向（図１中Ｙ１方向）と逆になる方向（図１中Ｙ２で示す振動板３が管路通路６に接近する方向）にすると、変位による外力の低下が無く、振動板３がスムーズに動く。
【００１８】
この場合、脈動の圧力ではなく、速度を吸収し、脈動を低減している。振動板３がこの条件で動作するのは、振動板３を保持している弾性部材４のバネ系の共振周波数Ｆｂ＝1/2π×√(K/M)（式１）が脈動の周波数成分Ｆｐより低いことが必要である。つまり、Ｆｂ＜Ｆｐなる関係とすることで、脈動を適切且つ効率良く吸収することができる。なお、式１のＫはバネ定数を表し、Ｍは振動系（振動板＋バネ）の質量を表している。
【００１９】
図４は、脈動と振動板３により発生する流れの合成を示し、線Ｕは脈動の速度を表し、線ＵＳは振動板３の速度を表し、線Ｔはこれらの合成速度を表している。この図４に示す合成速度Ｔから判るように、脈動流（音）の速度変動が打ち消されている（速度エネルギーが吸収されている）。
【００２０】
脈動の周波数成分Ｆｐのうち、バネ系の共振周波数Ｆｂより少し大きい周波数領域の脈動を吸収できるが、消音できる周波数領域の上限はバネ定数Ｋによって変化し、バネ定数Ｋを大きくするにつれて、脈動を吸収できる周波数の上限が低くなるため、バネ定数Ｋは小さいほうが良い。また、振動板３の変位量を大きくする方が脈動吸収効果は大きくなるので、これについても性能が良いのはバネ定数Ｋの小さいほうである。
【００２１】
管路１の外へ脈動が透過する現象に関しては、振動板３及び弾性部材４を放射音防止用のケーシング５で覆っているので、外部への脈動の透過を防ぐことが出来る。この場合、弾性部材４のバネ力の他にケーシング５の気体バネ力が発生するため、その２つのバネ力が合成されたものがバネ系の共振周波数となる。
【００２２】
なお、本実施の形態の騒音低減デバイス２では、脈動側（振動板３を挟んで管路通路６側）とエンクロージャー側（振動板３を挟んで弾性部材４側）が連通している部分、図１では振動板３とケーシング５との隙間があってもよい。この場合、連通する部分の面積が大きくなるに連れて脈動を吸収する量が減るため、連通面積を大きくし過ぎると脈動を吸収する効果が無くなる。しかし、素子（振動体）構造を作りやすくなるのと、気体バネ力のチューニングにも使用できるようになる。
【００２３】
以上のように構成された騒音低減デバイス２を使用した脈動吸収装置によれば、騒音低減デバイス２の共振周波数Ｆｂと脈動の周波数Ｆｐとの関係をＦｂ＜Ｆｐなる関係とすることで、従来試行錯誤にて多くの試作品による評価を行う必要が無くなり、脈動を適切且つ効率良く減衰させることができ、脈動吸収システムの最適設計を実現でき、設計及び実験工数を大幅に減少させることができる。
【００２４】
これにより、脈動吸収システムの小型化、軽量化が可能となると共に、簡易システムにて脈動吸収効果が得られ、低コスト及び耐久信頼性の向上も図ることができる。また、バネ定数と振動系（振動板＋バネ）の質量等の動作する条件およびバネ系の共振周波数と脈動基本周波数の関係が明確となり、幅広い消音領域の設計が可能となる。
【００２５】
ここで、騒音低減デバイス２の共振周波数の最適条件について以下の実験データに基づいて説明する。
【００２６】
脈動の基本周波数がそれぞれ３３、５０、６６、１００、３００Ｈｚのときに、本デバイス（騒音低減デバイス２）が最大消音量を発揮するバネ定数と振動系の質量の組み合わせを抽出した。その結果を図５に示す。脈動の基本周波数が高くなるに連れて質量も小さく、バネ定数が大きくなるに連れて質量が大きくなっている。
【００２７】
バネ定数が５００００（Ｎ／ｍ）の時に、騒音低減デバイス２の共振周波数がそれぞれ３３、５０、６６、１００、３００Ｈｚになる質量を１として、それからの割合で表わすと、前記した図５は図６の様になる。
【００２８】
騒音低減デバイス２の共振周波数が脈動の基本周波数と同じになる条件は、周波数が変化しても同じ直線（共振として示した太線）となる。本デバイスが最大消音量を発揮するためには、バネ定数を５００００（Ｎ／ｍ）として消音したい脈動の基本周波数と同じになる様に質量を計算式より算出し、その重さから割合で０．２（２０％）重くした範囲の条件で最大の消音効果が得られる。今回は、質量を重くしたがバネ定数を低くしても同じことである。
【００２９】
しかしながら、最大消音条件の範囲から少し離れても、消音量は徐々に減って行くがまだ十分な消音効果を発揮している。その為、騒音低減デバイス２の消音効果が半減する条件で図６と同様に消音範囲を抽出した結果を図７に示す。
【００３０】
これにより、騒音低減デバイス２の共振周波数が脈動の基本周波数より低く、本デバイスの消音効果が半減するまでの領域、バネ定数を５００００（Ｎ／ｍ）として、消音したい脈動の基本周波数と同じになる様に質量を計算式より算出し、その重さから割合で０．４（４０％）重くした範囲の条件が最適条件である。なお、今回は、質量を重くしたがバネ定数を低くしても同じことである。
【００３１】
ところで、脈動の基本周波数が固定されているときには、上記した条件で良いが、周波数が変わるときにはこの条件では対応することができない。脈動の基本周波数が３３、５０、６６Ｈｚのときの最適条件範囲は、図８に、それぞれ、実線（３３Ｈｚ）、長点線（５０Ｈｚ）、短点線（６６Ｈｚ）で示した間の領域である。
【００３２】
一般的に、低周波数領域を広範囲に消音する事は難しいが、バネ定数と質量が小さい領域で、これらの最適条件範囲が重複する領域（図８の斜線部分）がある。このバネ定数４０００Ｎ／ｍ以下、質量０．１５Ｋｇ以下にすることにより、低周波数を広範囲に消音することが可能となる。
【００３３】
これにより、本デバイスにより低周波数を効果的に消音させるためのバネ定数の最適条件は、騒音低減デバイス２の共振周波数（Ｆｂ）が脈動の基本周波数（Ｆｐ）より低く（Ｆｂ＜Ｆｐ）、さらにバネ定数を４０００（Ｎ／ｍ）以下、質量０．１５（Ｋｇ)以下が、最適条件となる。
【００３４】
本実施の形態の脈動吸収装置は、例えば図９に示すように、自動車の排気系における脈動を減衰させる排気システムに適用できる。自動車の排気系に適用する場合は、エンジン７で発生した排気に起因する排気脈動を減衰する騒音低減デバイス２を、プリマフラー８とリアマフラー９間の排気通路１０に設ける。
【００３５】
騒音低減デバイス２の構成としては、図１０に示すように、振動板３のスライドをガイドするためにスライドガイド１１を振動板３に取り付けると共に、ケーシング５の天面から垂下させたガイド部材１２の中にスライドガイド１１と弾性部材４とを収容させる。弾性部材４は、一端部をスライドガイド１１に固定し、他端部をケーシング５の天面に固定する。
【００３６】
このように振動板３をスライドガイド１１とガイド部材１２でガイドすることで、当該振動板３をスムーズにスライドさせることができ、脈動減衰性能をより一層高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態の脈動吸収装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】管路を流れる気体の脈動による圧力変動と速度変動の関係を示す図である。
【図３】管路を流れる気体の脈動による振動板の変動を示す図である。
【図４】管路を流れる気体の脈動と振動板により発生する流れの合成を示す図である。
【図５】脈動の基本周波数がそれぞれ３３、５０、６６、１００、３００Ｈｚのときに、騒音低減デバイスが最大消音量を発揮するバネ定数と振動系の質量の組み合わせを抽出した結果を示すグラフである。
【図６】バネ定数が５００００（Ｎ／ｍ）の時に、騒音低減デバイスの共振周波数がそれぞれ３３、５０、６６、１００、３００Ｈｚになる質量を１として、それからの割合で表わしたときのグラフである。
【図７】騒音低減デバイスの消音効果が半減する条件で図６と同様に消音範囲を抽出した結果を示すグラフである。
【図８】脈動の基本周波数が変動した場合の最適条件範囲を示すグラフである。
【図９】本実施の形態の脈動吸収装置を排気装置に適用した図である。
【図１０】排気装置に適用される騒音低減デバイスの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…管路
２…騒音低減デバイス
３…振動板
４…弾性部材
５…ケーシング
６…管路通路
７…エンジン
８…プリマフラー
９…リアマフラー
１０…排気通路
１１…スライドガス
１２…ガイド部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008240555.tif 000009
【図８】
2008240555.tif 000010
【図９】
2008240555.tif 000011
【図１０】
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