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高圧空気とピエゾ素子(圧電素子)およびFPGA(Field Programmable Gate Array)を活用した大騒音低減

資料

高圧空気とピエゾ素子(圧電素子)およびFPGA(Field Programmable Gate Array)を活用した大騒音低減

組織名 琉球大学 工学部工学科 機械工学コース 屋我 実 教授
技術分野 ものづくり、環境/有機化学/無機化学
概要  現在、騒音の軽減に使用されている方法はスピーカーを活用し、発生する音と逆方向の音をスピーカーから出すことによって騒音を低減しています。しかし、この方法はスピーカーの特性上、軽減できる騒音の音量・帯域に限界があります。一方、今回開発した技術ではこのスピーカーによる騒音低減の課題をクリアできるようになりました。 本技術では工場や建設現場で発生するような「大騒音」を「空気の振動で発生する音」を活用して、軽減することができます。そのため、スピーカーでは限界がありましたが、軽減できる騒音の音量や帯域に限界をなくすことに成功しました。また、FPGAと呼ばれるリアルタイムで演算ができる装置を活用することで、柔軟な騒音低減ができるようになりました。
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【簡略図】

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【背景】

 これまでの騒音低減の方法では、音量・帯域共に限界があることに加え、騒音の特性に合わせた低減を行うことができていませんでした。(課題)

 騒音について研究している中で、超音速ジェットエンジンが動いている時に発生する騒音の原因である「振動」に着目しました。この「振動」を制御(コントロール)し、振動を活用した騒音低減ができないかと考え、この研究に至りました。高圧空気でピエゾ素子を振動させ、その振動によって発生する衝撃波(音)を活用して大騒音を低減するという方法を考案しました。この方法に加え、騒音が持つ特性に柔軟に対応できるよう、FPGA(Field Programmable Gate Array)を活用し、柔軟な能動制御システムを構築しました。

【技術内容】

①ピエゾ素子で圧力変動の増幅を実現する技術
②圧力変動による増幅をFPGAの活用によって制御する技術

尚、現在の研究段階では、閉塞空間(工場など)において効果を発揮する可能性があることが分かっており、屋外の工事現場などでの活用については、現在研究中です。

FPGAとは

FPGANational Instruments社のLabViewのモジュールを採用しているため、そのモジュールをLANで接続することで、FPGA制御用プログラムの実行を行っています。その写真が以下のもので、図2がLabView CompactRIOによる制御モジュールで、ピエゾ素子を実験装置に組み込んだ写真が図3です。

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【技術・ノウハウの強み(新規性、優位性、有用性)】

これまでの騒音軽減の方法で活用されていた「アクティブ制御(逆相位の音を重ね合わせて消音する方法)」は音源がスピーカーであり、音量・音域ともに限界があります。一方で、今回の研究はその限界が無くなり、且つ騒音の特性に合わせたリアルタイムでの柔軟な対応ができるようになりました。

既存の技術との違い

 現在は実験室レベルで圧力測定による確認を行っている段階です。その結果測定した圧力変動の自乗平均値いわゆる(RMS値)を基準にすると、大気圧の約千分の2030気圧となります。これは人間の耳の感覚に換算しいわゆるdBの値に直すと、138dB~146dBとなることから、周波数と位相をうまく制御すれば同じ音の減衰につながる可能性があります。

対応可能な騒音の種類:特に制限は無い

 騒音は極めて複雑な現象で、様々な周波数と位相で構成されていますが、人間の可聴周波数大気は最大20kHzと言われています。この騒音に対しておなじ周波数の変動を発生させることができれば理論上騒音を低減させることができることから、今後の制御モデルの開発に依存すると思われます。少なくともアクチュエータであるピエゾの仕様からすると少なくとも10kHz程度の音に対応できると考えています。一方低周波域はピエゾ素子の駆動アンプが直流アンプであるため、特に制限はないと考えています。

環境的制限について:圧縮機等の機材を設置できる環境が必要

 環境的な制限としては、高圧空気を発生させる圧縮機が必要ですので、その場所が必要であると思われます。

人体や環境への影響について:特に問題になることは無い

 特に外部に影響を及ぼすものではありません。本研究において内部に発生する衝撃波の圧力差のみを取り出して作用させるため,衝撃波の存在は特に問題になることはありません。

※特許取得済み

【連携企業のイメージ】

・騒音が発生する機械などを活用している企業、工場

・音響関係の会社

・タービンを活用する工場(ガス会社など)

・工事現場

【技術・ノウハウの活用シーン(イメージ)】

・工場で使用する機械から発生する大騒音の低減

・タービンの騒音を低減

【技術・ノウハウの活用の流れ】

本研究にご興味があればお気軽にお問合せください。

【専門用語の解説】

(ピエゾ素子(圧電素子))

圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する、圧電効果を利用した受動素子

FPGAField Programmable Gate Array))

現場で書き換え可能な論理回路の多数配列。論理回路設計を間違えても即座にその場でハードウェア言語にて修正が出来るデバイス

騒音対策としては受動制御(例:遮音、吸音、ダンピングなど)と能動制御(アクティブ制御)の2種類があります。

アクティブ制御とは、逆位相の音を重ね合わせて消音します。

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