(57)【要約】【課題】特に、消音器のパンチングメタルや分散した孔等であっても、実用上十分な精度で消音性能を評価することができ、消音器の最適な設計を行う。【解決手段】消音器の構造をＣＡＤデータとして取り込み、有限要素法によるメッシュで解析モデルを作成する。この際、パンチングメタルを配置可能な部分を構成する各メッシュの節点には、板厚と媒質密度と孔径と孔数を基に平均化した質量を音響質量として配設する。そして、周波数応答解析により閉端側と開端側の挿入損失を消音性能として算出し、まず、初期性能に対する目標性能を設定し、音響質量を個別に変化させた場合の消音性能を解析し、各音響質量の変化による感度を演算する。各音響質量の変化による感度から、音響質量を大きくした方が良いものと小さくした方が良いものを抽出し、所定に変化させて消音性能を解析し、目標達成率を演算し、これらをモニタに可視化表示する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
消音器における孔部を音響質量として定義して解析モデルを形成する解析モデル形成手段と、
上記解析モデルの消音性能を解析する消音性能解析手段と、
上記解析モデルの目標とする消音性能を設定する目標性能設定手段と、
上記解析モデルの音響質量を個別に変化させ、該解析モデルの消音性能を解析し、上記目標とする消音性能と比較して消音性能に対する各音響質量の変化による感度を演算する音響質量感度解析手段と、
上記音響質量感度解析手段で解析した上記消音性能に対する各音響質量の変化による感度に基づいて変化させる音響質量を決定する変更決定手段と、
上記変更決定手段で決定した音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を解析する評価手段と、
上記評価手段による評価結果を出力する出力手段と、
を備えたことを特徴とする消音器の設計支援装置。
【請求項２】
上記解析モデル形成手段で形成する解析モデルは有限要素法に基づく有限要素モデルであって、該有限要素モデルを構成する各メッシュの節点に、少なくとも孔部を設ける部材の板厚と音が伝播する媒質の密度と孔径と孔数を基に平均化した質量を上記音響質量として配設することを特徴とする請求項１記載の消音器の設計支援装置。
【請求項３】
上記消音性能解析手段は、上記解析モデルを音響加振した際の閉端側と開端側の挿入損失を周波数応答解析するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の消音器の設計支援装置。
【請求項４】
上記消音性能は、上記消音性能解析手段で解析した消音性能の予め設定する周波数帯の積分値で定義することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の消音器の設計支援装置。
【請求項５】
上記変更決定手段は、上記消音性能に対する各音響質量の変化による感度から、音響質量を大きくした方が良いものと小さくした方が良いものを上記感度の順から設定数抽出し、該抽出した音響質量を、上記変化させる音響質量として決定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の消音器の設計支援装置。
【請求項６】
上記評価手段は、少なくとも上記変更決定手段で決定した音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を実現する際の孔部の数と孔径を演算すると共に、上記目標とする消音性能の達成率を演算し、
上記出力手段は、上記評価手段で演算した孔部の数と孔径と上記目標とする消音性能の達成率を表示することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の消音器の設計支援装置。
【請求項７】
消音器における孔部を音響質量として定義して解析モデルを形成する解析モデル形成ステップと、
上記解析モデルの目標とする消音性能を設定する目標性能設定ステップと、
上記解析モデルの音響質量を個別に変化させ、該解析モデルの消音性能を解析し、上記目標とする消音性能と比較して消音性能に対する各音響質量の変化による感度を演算する音響質量感度解析ステップと、
上記音響質量感度解析ステップで解析した上記消音性能に対する各音響質量の変化による感度に基づいて変化させる音響質量を決定する変更決定ステップと、
上記変更決定ステップで決定した音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を解析する評価ステップと、
上記評価ステップによる評価結果を出力する出力ステップと、
を備えたことを特徴とする消音器の設計支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気系や吸気系等の消音器におけるパンチングメタル等の最適化を図る消音器の設計支援装置、及び、消音器の設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、消音器の開発では、上流からの騒音を低減することが基本設計であり、消音器の容量や各種パイプの構造、結合等を考慮した設計が必要となる。
【０００３】
例えば、特開平７−１２１２０８号公報では、消音排気系の構造設計に関するノウハウを蓄積した知識情報データベースに基づいて、要求品質に応じた最適設計を容易に行う最適化設計システムが開示されている。
【特許文献１】特開平７−１２１２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の知識情報データベースを基に設計支援を行う技術では、全ての複雑な排気系構造に対して、実用上十分な精度で性能評価や設計ができないという問題がある。例えば、消音器で多用されている鉄板に多孔を設置したパンチングメタルや分散した孔等は、孔数や孔径、板厚を考慮し、更に消音器全体構造とのバランスによって性能が決まる。これらは経験や知識データとして蓄積することは難しく、きめ細かい解析と設計が必要となり、開発初期に精度の良い性能評価を行うことに対して障害となる。また、パンチングメタルは消音器の圧力損失（通気抵抗）に対しても重要な要素となっている。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、特に、消音器で多用されている鉄板に多孔を設置したパンチングメタルや分散した孔等であっても、実用上十分な精度で消音性能を評価することができ、消音器の最適な設計を行うことが可能な消音器の設計支援装置、及び、消音器の設計支援方法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】
【０００６】
本発明は、消音器における孔部を音響質量として定義して解析モデルを形成する解析モデル形成手段と、上記解析モデルの消音性能を解析する消音性能解析手段と、上記解析モデルの目標とする消音性能を設定する目標性能設定手段と、上記解析モデルの音響質量を個別に変化させ、該解析モデルの消音性能を解析し、上記目標とする消音性能と比較して消音性能に対する各音響質量の変化による感度を演算する音響質量感度解析手段と、上記音響質量感度解析手段で解析した上記消音性能に対する各音響質量の変化による感度に基づいて変化させる音響質量を決定する変更決定手段と、上記変更決定手段で決定した音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を解析する評価手段と、上記評価手段による評価結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による消音器の設計支援装置、及び、消音器の設計支援方法によれば、特に、消音器で多用されている鉄板に多孔を設置したパンチングメタルや分散した孔等であっても、実用上十分な精度で消音性能を評価することができ、消音器の最適な設計を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。  
図１乃至図１２は本発明の実施の一形態を示し、図１は消音器の設計支援装置の全体を示す構成図、図２は消音器の設計支援プログラムのフローチャート、図３は解析対象とする消音器全体の斜視図、図４はメインマフラ部内部の構造説明図、図５はメインマフラ部の有限要素モデルの説明図、図６はメッシュ化された入口パイプ後端の拡大説明図、図７はメッシュ化されたパーテーションの拡大説明図、図８は音響質量の定義の説明図、図９は消音器の周波数応答解析の結果の一例を示す説明図、図１０は消音性能に対する各音響質量の変化による感度のテーブルとソートの一例を示す説明図、図１１は目標達成率５０％における出力表示の一例を示す説明図、図１２は目標達成率９５％における出力表示の一例を示す説明図である。
【０００９】
本実施形態において、消音器の設計支援の解析処理は、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略称）等のコンピュータシステムにおいて後述する処理プログラムが実行されることによって行われる。
【００１０】
図１に示すように、消音器の設計支援装置であるＰＣ１は、中央処理装置（以下、ＣＰＵと略称）と各種データ及びプログラムを記憶する記憶装置とを備えたコンピュータ本体２と、このコンピュータ本体２に接続された、キー入力装置であるキーボード３と、ポインティングデバイスであるマウス４と、表示装置であるモニタ５とを有して主要に構成されている。
【００１１】
このコンピュータ本体２には、解析対象とする部位の図面や描画等の解析対象とするデータが、ＦＤ（flexible disk）、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録メディアや、回線を通じて供給され、コンピュータ本体２に内蔵された、ＨＤ（Hard Disk）に記録され、後述する消音器の設計支援プログラムに従って、消音器の設計支援の解析処理が実行される。
【００１２】
具体的には、消音器の構造（本実施の形態ではエンジンの排気系の構造）をＣＡＤ（computer-aideddesign）データとして取り込み、有限要素法による三角メッシュを用いた解析モデルを作成する。この際、解析モデルの中で、パンチングメタルを配置可能な部分を構成する各メッシュの節点には、少なくとも孔部を設ける部材の板厚と音が伝播する媒質の密度と孔径と孔数を基に平均化した質量を音響質量として配設する。そして、周波数応答解析により、解析モデルを音響加振した際の閉端側と開端側の挿入損失を評価指数（消音性能）として算出し、まず、初期性能に対する目標とする消音性能（目標性能）を設定し、解析モデルの音響質量を個別に変化させた場合の解析モデルの消音性能を解析し、目標性能と比較して消音性能に対する各音響質量の変化による感度を演算する。そして、消音性能に対する各音響質量の変化による感度から、音響質量を大きくした方が良いものと小さくした方が良いものを感度の順から設定数抽出し、該抽出した音響質量を所定に変化させて消音性能を解析し、音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を実現する際の孔部の数と孔径を演算すると共に、目標性能の達成率を演算し、演算した孔部の数と孔径と目標性能の達成率をモニタ５上に可視化表示する。
【００１３】
このように、消音器の設計支援装置であるＰＣ１は、解析モデル形成手段、消音性能解析手段、目標性能設定手段、音響質量感度解析手段、変更決定手段、評価手段、及び、出力手段としての機能を有して構成されている。
【００１４】
次に、本実施の形態により実行される具体的な消音器の設計支援の解析処理を、図２のフローチャートにより説明する。  
まず、ステップ（以下、「Ｓ」と略称）１０１で、解析対象の読み込みを行う。この解析対象としては、例えば、図３に示すような、ＣＡＤ（computer-aided design）データとして格納された車両のエンジン排気系１０である。
【００１５】
このエンジン排気系１０は、前端が図示しない触媒と連結されてサブマフラ１１が中途に介装されたセンタパイプ１２と、センタパイプ１２の後端に分岐管１３を介して連結される左右のメインマフラ１４，１４と、メインマフラ１４，１４の後端に接続されるテールパイプ１５，１５とから構成される。
【００１６】
本実施の形態は、具体的には、メインマフラ１４，１４に配設する孔部（パンチングメタルの配置）を解析するものであり、メインマフラ１４は、図４に示すように、内部がパーテーション１４ａにより前室１４ｂと後室１４ｃとに区画されている。
【００１７】
分岐管１３と接続される入口パイプ１４ｄは、メインマフラ１４の前室１４ｂ、及び、パーテーション１４ａを貫通し、後部に設けられたパンチングメタルが後室１４ｃに開口して設けられ、後端部は閉塞している。
【００１８】
また、テールパイプ１５と接続される出口パイプ１４ｅは、メインマフラ１４の後室１４ｃ、及び、パーテーション１４ａを貫通し、前端部が屈曲されて前室１４ｂに開口して設けられている。
【００１９】
次いで、Ｓ１０２に進み、上述のようなエンジン排気系１０を、孔部を音響質量ｍｉで定義して解析モデルを形成する。この解析モデルは、具体的には、図５に示すように、有限要素法に基づく解析モデルであり、本実施の形態では、三角メッシュによりモデル化している。
【００２０】
また、エンジン排気系１０のパンチングメタルの部分は、以下の要領でモデル化される。すなわち、エンジン排気系１０は、一般に薄板で作成されており、図８に示すように、孔径をＤ、板厚をｔ、音が伝播する媒質の密度をρａとすると、パンチングメタルの孔部は、以下の（１）式により音響質量ｍとしてモデル化することができる。  
ｍ＝ρａ・（π・Ｄ２／４）・（ｔ＋κ・Ｄ）      …（１）
ここで、κは孔形状に応じた係数であり、（ｔ＋κ・Ｄ）の演算項は、浅孔の開口端で音波の有効長が長くなることを考慮した補正量となっている。
【００２１】
また、実際のモデル化では、孔数をｎ、パンチングメタルに配置した解析モデルのメッシュの節点数をｇとすると、１節点あたりに配置する音響質量ｍｉ（ｉは節点の番号）を以下の（２）式により求めて設定する。
【００２２】
ｍｉ＝（ｍ・ｎ）／ｇ              …（２）
【００２３】
すなわち、パンチングメタルは、諸元（孔数、孔径、板厚）を用意し、孔形状を意識することなくメッシュ化した解析モデルにおいてモデル化することが可能となっている。
【００２４】
こうして、入口パイプ１４ｄの先端に音響質量ｍｉを配置した例を図６に、パーテーション１４ａに音響質量ｍｉを配置した例（図５におけるＶＩＩ部の拡大部分）を図７に示す。尚、パンチングメタルではない部分には、非常に小さい値（略、孔が開いていないとみなせる値）を設定する。
【００２５】
次いで、Ｓ１０３に進むと、まず、初期構造、すなわち、Ｓ１０２にモデル化した解析モデルの消音性能を解析する。これは、前述したように、テールパイプ１５，１５後端を音響加振した際のセンタパイプ１２前端における挿入損失（ＩＬ：Insertion Loss）を、以下の（３）式により求めるものである。  
ＩＬ＝２０・ｌｏｇ（Ｐ１／Ｐ２）          …（３）
ここで、Ｐ１はテールパイプ１５，１５後端側の音圧、Ｐ２はセンタパイプ１２前端の音圧である。尚、センタパイプ１２前端を音響加振し、テールパイプ１５，１５後端の音圧を求めるように解析しても良い。
【００２６】
このＳ１０３により周波数応答解析された初期構造における消音性能の一例を初期性能Ａ（ｆ）とし、図９に示す。この図９では、値が高いほど、すなわち、挿入損失ＩＬが高いほど、消音性能に優れたものであることを示している。
【００２７】
次に、Ｓ１０４に進み、対策すべき周波数域ｆ１，ｆ２、解析終了の目標値Ｋｔ、目標性能Ｅ（ｆ）を設定する。この対策すべき周波数域ｆ１，ｆ２は、例えば、図９中におけるｆ１〜ｆ２である。また、目標性能Ｅ（ｆ）は、図９中における破線で示す特性である。そして、解析終了の目標値Ｋｔは、解析を終了するのに許容可能な目標値であり、例えば、目標性能Ｅ（ｆ）の９０％まで解析ができれば良い場合には０．９０、９５％まで解析ができれば良い場合には０．９５が設定される。尚、これらの値は任意に設定可能な値であり、例えば、全周波数域に対して対策するように設定することもできる。
【００２８】
次いで、Ｓ１０５に進み、目標改善性能ＰＡを、以下の（４）式により定義し、演算する。  
ＰＡ＝∫（Ｅ（ｆ））ｄｆ（積分範囲はｆ１〜ｆ２）        …（４）
【００２９】
次いで、Ｓ１０６に進み、音響質量ｍｉの配置を行う。すなわち、実際の設計制約を考慮して、パンチングメタルを配置可能なところ全てに、音響質量ｍｉを配置する。尚、パンチングメタルではない部分には、非常に小さい値（略、孔が開いていないとみなせる値）を設定する。
【００３０】
尚、この処理の際、例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、性能や製造の要因等により、パンチングメタルの諸元を変更しない音響質量（非設計変数とする音響質量）を設けることが可能となっている。すなわち、図６（ａ）、図６（ｂ）では、エンジン出力を最低限確保するために、入口パイプ１４ｄの末端側には非設計変数とする音響質量が設けられている。このように、実際の製品開発にあたり、制約条件を考慮した最適構造の解析が可能となっている。
【００３１】
次に、Ｓ１０７に進み、消音性能に対する各音響質量ｍｉの感度αｉを演算する。具体的には、節点ｉの音響質量ｍｉを単位質量変化（例えば、５％増加）させた場合（節点１、２、・・・、ｉ−１、ｉ＋１、・・・、ＮＮ−１、ＮＮの音響質量は変化させない：ＮＮは音響質量を設定した全節点数）の消音性能をＤｉ（ｆ）として周波数応答解析し、以下の（５）式により積分値ＰＤｉを演算する。  
ＰＤｉ＝∫（Ｄｉ（ｆ））ｄｆ（積分範囲はｆ１〜ｆ２）        …（５）
そして、上述の積分値ＰＤｉとＳ１０５で演算した目標改善性能ＰＡを基に、以下の（６）式により、節点ｉの音響質量ｍｉの変化による感度αｉを演算する。  
αｉ＝ＰＤｉ−ＰＡ                  …（６）
【００３２】
この（６）式からも明らかなように、感度αｉが（＋）であれば、孔を大きくするほど、消音性能が良くなることを意味し、感度αｉが（−）であれば、孔を大きくするほど、消音性能が悪化することを意味している。このαｉを全ての節点（１〜ＮＮ）の音響質量ｍｉに対して求めたテーブルの一例を図１０に示す。
【００３３】
次いで、Ｓ１０８に進み、音響質量ｍｉの更新を実行する。この更新は、例えば、Ｓ１０７で演算した感度αｉを、大きい順にソート（図１０参照）し、（＋）側の上位γ１％（例えば、７％）を設計変更対象として、音響質量ｍｉを変化率β１で大きくするように変化させる（例えば、変化率β１＝５％で変化させる場合は、１．０５を音響質量ｍｉに乗算する）。同時に、（−）側の上位γ２％（例えば、７％）を設計変更対象として、音響質量ｍｉを変化率β２で小さくするように変化させる（例えば、変化率β２＝５％で変化させる場合は、０．９５を音響質量ｍｉに乗算する）。
【００３４】
次に、Ｓ１０９に進み、上述のＳ１０８で更新した解析モデルについて、消音性能をＦ（ｆ）として演算し、更新後の改善性能ＰＢを以下の（７）式により演算する。  
ＰＢ＝∫（Ｆ（ｆ））ｄｆ（積分範囲はｆ１〜ｆ２）        …（７）
【００３５】
次いで、Ｓ１１０に進み、上述の変更後の消音器の解析モデルについて、形状、目標達成率、消音性能をモニタ５上に表示する。尚、目標達成率は、（ＰＢ／ＰＡ）・１００％で演算され、形状は、上述の（１）式、（２）式を基に、パンチングメタルに配設する孔の諸元（孔径Ｄ、孔数ｎ）等を逆算してＣＡＤ図面に可視化表示するものである。
【００３６】
図１１には、目標達成率が５０％における表示の例を示し、図１２には、目標達成率が９５％における表示の例を示す。図１１の目標達成率５０％の例では、図１１（ｂ）に示すように、パンチングメタルの孔が未だに分散した状態となっており、図１１（ｃ）に示すように、消音性能Ｆ（ｆ）も目標性能Ｅ（ｆ）と初期性能Ａ（ｆ）の中間にある。これに対し、図１２の目標達成率９５％の例では、図１２（ｂ）に示すように、パンチングメタルの孔が入口パイプ１４ｄでは、メインマフラ１４の後室１４ｃに、また、パーテーション１４ａでは、外縁部に整理された形状となって表されている。更に、図１２（ｃ）に示すように、消音性能Ｆ（ｆ）は、目標性能Ｅ（ｆ）に近いものとなっている。
【００３７】
その後、Ｓ１１１に進み、更新後の改善性能ＰＢがＫｔ・ＰＡ以上（ＰＢ≧Ｋｔ・ＰＡ）になっているか判定し、ＰＢ≧Ｋｔ・ＰＡの場合は、目標とする消音性能を得ることができた（目標達成）と判断して、Ｓ１１２に進み、データを保存して、プログラムを抜ける。
【００３８】
逆に、Ｓ１１１の判定の結果、ＰＢ＜Ｋｔ・ＰＡの場合は、Ｓ１１３に進み、解析をキャンセルする信号が入力されるか否か判定し、キャンセルする信号が入力された場合は、Ｓ１１２に進み、データを保存して、プログラムを抜け、キャンセルする信号が入力されない場合は、Ｓ１０７からの処理を繰り返す。すなわち、目標性能Ｅ（ｆ）や解析終了の目標値Ｋｔの設定の仕方によっては、設計的に困難な仕様を要求してしまう虞もあり、このような場合は、モニタ５に表示される視覚的な出力により、解析者が任意に解析を終了できるようになっている。
【００３９】
このように、本発明の実施の形態によれば、消音器の解析モデルの中で、パンチングメタルを配置可能な部分を構成する各メッシュの節点には、少なくとも孔部を設ける部材の板厚と音が伝播する媒質の密度と孔径と孔数を基に平均化した質量を音響質量として配設する。そして、周波数応答解析により、解析モデルを音響加振した際の閉端側と開端側の挿入損失を消音性能として算出し、まず、初期性能に対する目標性能を設定し、解析モデルの音響質量を個別に変化させた場合の解析モデルの消音性能を解析し、目標性能と比較して消音性能に対する各音響質量の変化による感度を演算する。そして、消音性能に対する各音響質量の変化による感度から、音響質量を大きくした方が良いものと小さくした方が良いものを感度の順から設定数抽出し、該抽出した音響質量を所定に変化させて消音性能を解析し、音響質量を所定に変化させた場合の消音性能を実現する際の孔部の数と孔径を演算すると共に、目標性能の達成率を演算し、演算した孔部の数と孔径と目標性能の達成率をモニタ５上に可視化表示するようになっている。このため、特に、消音器で多用されている鉄板に多孔を設置したパンチングメタルや分散した孔等であっても、実用上十分な精度で消音性能を評価することができ、消音器の最適な設計を行うことが可能となる。
【００４０】
また、解析した際に、その結果に基づいて孔の諸元を実際に変更することなく音響質量のみ変更することで繰り返し解析することができるので、解析モデルのメッシュ変更を必要とすることなく解析して最適化することが可能となり、解析時間も大幅に短縮することができる。
【００４１】
更に、消音性能の向上を、予め設定する周波数域で考慮していく（積分値で評価する）ことを基本としているため、特定周波数のみの消音性能向上となることが無く、ロバスト性のある性能を提案することができる。尚、周波数域を狭めて設定することにより、略単一周波数のみの最適化も実施できることは云うまでもない。
【００４２】
また、可視化表示により、最適化途中のパンチングメタルの形状表示による目視のチェックができるようになっているため、解析結果の妥当性や異常をチェックすることができ、目標性能に達しない限界性能のチェックと解析の中止の判断を有効に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】消音器の設計支援装置の全体を示す構成図
【図２】消音器の設計支援プログラムのフローチャート
【図３】解析対象とする消音器全体の斜視図
【図４】メインマフラ部内部の構造説明図
【図５】メインマフラ部の有限要素モデルの説明図
【図６】メッシュ化された入口パイプ後端の拡大説明図
【図７】メッシュ化されたパーテーションの拡大説明図
【図８】音響質量の定義の説明図
【図９】消音器の周波数応答解析の結果の一例を示す説明図
【図１０】消音性能に対する各音響質量の変化による感度のテーブルとソートの一例を示す説明図
【図１１】目標達成率５０％における出力表示の一例を示す説明図
【図１２】目標達成率９５％における出力表示の一例を示す説明図
【符号の説明】
【００４４】
１    パーソナルコンピュータ（解析モデル形成手段、消音性能解析手段、目標性能設定手段、音響質量感度解析手段、変更決定手段、評価手段、出力手段）
２    コンピュータ本体
３    キーボード
４    マウス
５    モニタ
１０    エンジン排気系
１１    サブマフラ
１２    センタパイプ
１３    分岐管
１４    メインマフラ
１４ａ  パーテーション
１４ｂ  前室
１４ｃ  後室
１４ｄ  入口パイプ
１４ｅ  出口パイプ
１５    テールパイプ
【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】
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【図８】
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【図９】
2009031856.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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