表 1 鍋の仕様 Kind of Pan Heat Element [mmφ] Outside Diameter Inside Diameter Three Layers (Al-SUS-Al) Stainless Steel (18-8) Pan 14 (12.5) Enameled Pan (I

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1 IH クッキングヒータが発する高周波騒音の解明 *1 米盛弘信, 藤原章裕, 平野良幸 Clarification of High Frequency Acoustic Noise Generated by an IH Cooking Heater Hironobu Yonemori, Akihiro Fujiwara, Yoshiyuki Hirano This paper discusses the high frequency acoustic noise generated by an IH cooking heater. Moreover, the generating mechanism of the high frequency acoustic noise is clarified by experimental study. Recently, influence of the electromagnetic wave on the human body is worried. The symptoms; user of home electronics appliances feels; are headache and nausea. There is a report that some users who are using IH cooking heater also feel these symptoms. We have discovered that the high frequency acoustic noise of high sound pressure level being generated by an IH cooking heater. The high frequency acoustic noise adversely affects our health. Then, it is necessary to examine the suppressing method of high frequency acoustic noise. The high frequency acoustic noise and the generating mechanism were clarified by the experiment. 1. はじめに近年, IH クッキングヒータ ( 以下 IH 調理器 ) が普及する一方で, 使用中に気分が悪くなる等の症例報告があり電磁波が問題視されている 1) しかし,IH 調理器の電磁波は他の家電製品に比べて高いわけではない 2) 音響分野では, 電磁波と同様の症例とし 3) 注て 超音波暴露問題 1) がある 筆者らは, 先の研究で IH 調理器からスイッチング周波数に起因する高い音圧レベルの高周波騒音が発生していることを発見した 4) この結果から, 使用者が感じる不快感は, 高周波騒音が 超音波暴露問題 に該当するものと考えている IH 調理器で使用する負荷は, ほうろう鍋やステンレス鍋,IH 対応土鍋など多岐にわたる また, 卓上型 IH 調理器を使用して鍋を囲む場合, 使用者は鍋に対して複数方面にいる場合がある このような日常生活の条件下で IH 調理器から放射される高周波騒音の角度依存性を解明することは重要である 本論文では,IH 調理器から高周波騒音がどのように放射されるかを実験により考究する そして, 騒音の発生メカニズムを誘導加熱の原理から仮定して, 実験によって騒音発生源を特定した これら実験的研究の結果,IH 調理器から発する高周波騒音は鍋から発生して遠方かつ全角度に高い音圧レベルで伝播することが明らかになったので報告する 2. 高周波騒音の角度特性卓上型 IH 調理器を使用する場合は, 複数の使用者が鍋を囲む場合もあるため常に操作パネル前面に使用者がいるとは限らない そこで,IH 調理器に対して水平方向 ( 鍋円周方向 ) と垂直方向 ( 鍋円周方向と垂直 ) の高周波騒音を実験により明らかにする 2.1 実験方法 IH 調理器から放射される高周波騒音を解明するために無響室内 ( 暗騒音 18dB) で実験を行う 実験に使用する IH 調理器は,V 卓上型 ( 出力 :13W) とし, 加熱対象は水量 5ml を入れた表 1 に示す鍋である 高周波騒音の測定は, リオン社製 1/4 インチエレクトレットコンデンサマイクロフォン UC-54 ( 周波数特性 :2Hz~kHz) を口径変換アダプタ UA-12 を経由してプリアンプ NH-22 に接続し,2ch 小型 FFT 分析器 SA-78 ( 周波数範囲 :D.C.~kHz) で周波数分析を行う 本実験では, 測定結果をオーバーオール (Over All:OA) 値 ( 測定領域におけるパワースペクトルの合計値 ) で表す マイクロフォンの向きは, すべての実験条件において加熱コイルの中心 ( 鍋の中心 ) に向いている 図 1 に水平方向と垂直方向の測定角度を示す 図 1(a)~(c) の測定距離は, 加熱コイル ( 鍋 ) の中心から 3cm とした *1 サレジオ高専電気工学科 21 年度卒業 5), 参考文献 6) に一部投稿済み 47

2 表 1 鍋の仕様 Kind of Pan Heat Element [mmφ] Outside Diameter Inside Diameter Three Layers (Al-SUS-Al) Stainless Steel (18-8) Pan 14 (12.5) Enameled Pan (Iron) 14 (12.1) (Ag Paste) 138 ( ) 内は鍋の底面直径である 2.2 実験結果図 2 に高周波騒音の角度特性を示す 図 2(a)~(c) は, 図 1(a)~(c) にそれぞれ対応している 図 2(a)~ (c) をみると, どの角度においても外装銀ペーストタ イプ IH 対応土鍋, ほうろう鍋, 三層ステンレス鍋の順で騒音が大きくなっていることがわかる 図 2(a) において, 三層ステンレス鍋は 1 方向が 117dB ともっとも大きな値を示しており, 他の角度は約 db である ほうろう鍋は, 約 96dB~99dB の値であり全角度において高周波騒音の差が小さい ことがわかる 外装銀ペーストタイプ IH 対応土鍋は, 約 93dB~95dB であり, 今回実験した鍋の中でもっとも小さな値である 図 2(b) において, 三層ステンレス鍋は 9 と 1 で約 117dB と大きな値を示しており, 他の角度は約 15dB である ほうろう鍋は,9 で約 18dB と他 の角度より大きな値を示している 外装銀ペーストタイプ IH 対応土鍋は, 約 92dB~95dB であり, 全角度において高周波騒音の差が小さい また, 図 2(c) も図 2(b) と同様の特性を有している すなわち IH 調理器から発する高周波騒音は IH 対応土鍋を除き鍋真上の騒音が大きく 全角度において 9dB を超える非常に大きな騒音であることが確認できた 特に三層ステンレス鍋は, 全角度において db を超えており最も騒音を発しやすい鍋であることがわかった 鍋の種類で騒音が異なる原因は現時点でわかっておらず調査中である (a) 水平方向成分 (b) 垂直方向成分 1 ( 水平方向 ~1 ライン ) 図 1 角度特性の測定方法 (c) 垂直方向成分 2 ( 水平方向 27-9 ライン ) Stainless Steel Pan Enameled Pan (a) 水平方向成分 Steinless Steel Pan Enameled Pan (b) 垂直方向成分 1 ( 水平方向 ~1 ライン ) 図 2 高周波騒音の角度特性 ( 縦軸は OA 値 [db]) Stainless Steel Pan Enameled Pan (c) 垂直方向成分 2 ( 水平方向 27-9 ライン ) 48

3 3. 高周波騒音の距離特性 IH 調理器から発する高周波騒音がどのように遠方へ伝播されるかを明らかにするために測定を行う 3.1 実験方法 2.1 節と同様の手法で測定を行う ここでは, 距離 特性を測定するため, 図 3 に示すように IH 調理器とマイクロフォンの距離を 3~3cm まで 3cm 間隔で変化させたときの高周波騒音を測定する 図 3 距離特性の測定方法 4. 高周波騒音の発生メカニズムの仮定本章では, 前章までに明らかとなった IH 調理器から発する高周波騒音の発生メカニズムを誘導加熱の原理から考察する IH 調理器は, 駆動するときに加熱コイルに約 2kHz の高周波電流を流して磁束を発生させ, 鍋に起電力を誘導させる そのとき, 鍋の抵抗成分と起電力によって渦電流が流れる 鍋は鍋に流れた渦電流と鍋自体の抵抗成分により自己発熱して加熱を実現している このとき, 加熱コイル電流に対して渦電流は逆向きに流れるため鍋に反発力が生じる この反発力は, 図 5 のように振動となり音が発生していると考えられる 仮定として, 加熱コイル電流と渦電流および鍋が音の大きさを決定する主因子と考えれば鍋の種類によって音が変わる可能性がある 図 6にIH 調理器から放射される音の発生過程の仮定フローを示す 図 6 のように IH 調理器から放射される音は, 誘導加熱の加熱原理から考究すると, 加熱コイルから磁束, 鍋に流れる渦電流, 渦電流と加熱コイルに流れる電流との反発力, 鍋の振動, 振動が音として空間へ放射されると仮定できる 3.2 実験結果図 4 に高周波騒音の距離特性を示す 外装銀ペーストタイプ IH 対応土鍋は, 距離が増加しても高周波騒音は約 92dB と一定の値である ほうろう鍋は 3cm の位置だけ約 98dB とやや大きな値である 三層ステンレス鍋は,3cm の位置で約 15dB で最も大きな値であり, 距離が増加しても cm まで他の鍋より大きな値である すなわち, 距離特性についても角度特性と同様に三層ステンレス鍋が最も大きな値であり, 距離が増加しても大きな騒音を有することが判明した 図 5 鍋の振動 加熱コイル電流によって磁束が発生 鍋に磁束が鎖交して渦電流が流れる Over All [db] 2 Stainless Steel Pan Enameled Pan 加熱コイル電流と渦電流が逆向きに流れる 鍋に浮力が発生 Distance from Heating Coil Center [cm] 図 4 高周波騒音の距離特性 鍋が振動して音を発生 図 6 高周波騒音の発生プロセス 49

4 5.IH の筐体内部から高周波騒音が発する可能性第 4 章で高周波騒音の発生メカニズムを誘導加熱の原理より仮定した 仮定では, 鍋と加熱コイルの反発力により鍋が振動するとしたが, 加熱コイルが振動して音を発する可能性は否定できない そこで, 本章では IH 調理器の筺体内部 ( 加熱コイル ) から高周波騒音が発生しているか否かを検証するため, 筺体内部へ吸音材 ( グラスウール ) を付加 - 無付加の条件で高周波騒音の発生の有無を確認する 5.1 実験方法前章までの実験で使用した IH 調理器を加工し, 図 7 のように筺体内部へ吸音材を付加した場合と付加しない場合の OA 値を測定 比較する 測定方法は 2.1 節と同様である マイクロフォンの距離は, 加熱コイルの中心から水平方向 へ 3cm の位置とした 鍋は, 三層ステンレス鍋 (14cmφ,16cmφ,18,5cm φ) に水 5cc を入れ, 最大火力で加熱する Over All [db] 2 Non-Wool 14cmφ 16cmφ 18.5cmφ Wool 図 8 グラスウールの有無による OA 値の変化 6. 加熱中の鍋から高周波騒音が発する可能性第 5 章では,IH の筐体内部から高周波騒音が発している可能性が低いことを解明した 本章では, 図 6 で仮定した鍋の振動が高周波騒音の原因であるかを検証するために実験を行う 6.1 実験方法図 9 に鍋振動の測定方法を示す 実験に使用する IH 調理器および高周波騒音の測定機器は 2.1 節と同一であり,IH 対応鍋は表 1 に示すものを用意する IH 対応鍋に水 5ml を入れて図 9 中の (a)~(d) に示す各測定点における値を測定する 図 9 中の (a) は岩崎通信機社製の変位 ( 振動 ) 計 ST-535A 及び ST-3512 を用いた (b) は Tektronix 社製の電流プローブ,(c) は自作サーチコイルを用いた 図 7 吸音材を付加した IH 調理器 5.2 実験結果図 8にIH 調理器の筐体内部にグラスウールを付加したときとしていないときの高周波騒音の測定結果の比較を示す OA 値は, すべての鍋においてグラスウールの有無で規則的な減少を示しておらず, ほぼ同一の値であることがわかる グラスウールは, 一般的に今回対象としている数十 khz オーダーの音に対して大きな吸収特性 7) を示す OA 値の大幅な減少が無い実験結果を見る限り,IH 調理器から発する高周波騒音は, 筐体内部 ( 加熱コイル ) から発生している可能性が低いと考えられる 図 9 鍋振動の測定方法 6.2 実験結果図 1 に各測定部における測定結果を示す ただし図 1 において Ch1 は鍋の振動波形,Ch2 は加熱コイル電流,Ch3 はサーチコイル電圧,Math1 は Ch1 の振動波形を FFT 分析したものである 図 1 より Ch1 ~Ch3 の周期に着目すると全て同周期であることが確認できる さらに,Ch1: 振動波形と Ch2: 加熱コイル電流は同位相であることが分かる 5

5 図 11 に IH 調理器で各鍋を加熱中に放射される音の周波数スペクトルを示す 図 11 をみると主周波数における倍々の高調波成分が確認できる 表 2 に図 1 と図 11 の波形から導いた鍋振動と高周波騒音の主周波数を示す 表 2 より, 主周波数はほぼ同じであることが分かる すなわち, コイル電 流と鍋の振動および高周波騒音の周波数成分が同じであることが明らかになった 以上より, 図 6 で仮定した音の発生過程が成立したと考えられる Ch1:2mV/Div,Ch2:5A/Div,Ch3:1V/Div,μs/Div Math1:5mV/Div,25.kHz/Div (a) 三層ステンレス鍋 Power Spectrum[dB] Frequency[kHz] (a) 三層ステンレス鍋 Ch1:5 mv/div,ch2:5a/div,ch3:1v/div,μs/div Math1:mV/Div,25.kHz/Div (b) ほうろう鍋 Power Spectrum[dB] Frequency[kHz] (b) ほうろう鍋 Ch1:5mV/Div,Ch2:5A/Div,Ch3:1V/Div,μs/Div Math1:mV/Div,25.kHz/Div (c) 外装タイプ IH 土鍋図 1 測定点の測定波形 Power Spectrum[dB] Frequency[kHz] (c) 外装銀ペーストタイプ IH 土鍋 図 11 高周波騒音の周波数スペクトル 51

6 表 2 主周波数の比較 Pan type Main Frequency [khz] Vibration Waveform High Frequency Acoustic Noise Stainless Pan Enameled Pan 2 21 Exterior Type ただし, 図 11 において約 khz から右肩上がりのフロアノイズを確認できるが, これは FFT 分析器の性能であり, 暗騒音状態でも発生する現象である 7. 高周波騒音であることの検証実験 IH 調理器のようなインバータ機器は, スイッチングノイズが電源系統に戻り, 周辺装置に悪影響を及ぼす可能性がある そこで, 前章までに測定してきた高周波騒音が電源からのノイズではなく 音 であることの検証実験を行った 図 12 に測定環境を示す 鍋とマイクロフォンの間にグラスウールを挿入して音が減衰すれば電源からのノイズではなく 音 であることが確信できる 図 13 に実験結果を示す グラスウールの挿入によって高周波騒音のパワースペクトルが最大 35dB 程度減少している このことより, 本論文で述べている高周波騒音は電源からのノイズではなく 音 であることの確認ができた 8. まとめ本論文では,IH 調理器から発生する高周波騒音がどのように放射されるかを実験により明らかにした そして, 高周波騒音の発生メカニズムを実験により考究した 本論文で明らかにした知見は以下のとおりである (1) IH 調理器から発する高周波騒音は全角度に高い音圧レベルで放射されている (2) 高周波騒音は鍋から 3cm の距離で ~117dB の値を有する場合があり, 超音波暴露問題に繋がる可能性が大きい (3) 高周波騒音は,9dB~dB の高い音圧レベルのまま遠方へ伝搬する この特性は, 距離によるレベル変化の無い面音源 7) に酷似している (4) 高周波騒音は, 加熱コイルと鍋の反発力によって鍋が振動して音を発している 今後は,IH 調理器の高周波騒音が使用者にどのような不快感を与えるかを解明することや高周波騒音の抑制方法の検討を行う所存である 謝辞本研究は, 大学コンソーシアム八王子産学共同研究助成事業によって行われています また, 高周波騒音の測定にご助言いただいたリオン株式会社, ならびに鍋振動の測定にご協力いただいた岩崎通信機株式会社の関係各位に感謝いたします Power Spectrum [db] 図 12 測定環境 Non Glass Wool Glass Wool 1 Frequency [khz] 図 13 高周波騒音であることの証明 文献 1) 懸樋哲夫,IH 調理器と電磁波被害, 三五館,p.4,(25) 2) 鈴木浪平, 私市広康, 家庭用 IH クッキングヒータ技術, 三菱電機技報,Vol.,p.11,(26) 3) 鎌倉友男, 超音波領域における聴覚閾値, 日本音響学会超音波曝露研究会,pp.5-6,(27) 4) 米盛弘信, 小松崎翔太, 藤原章裕,IH クッキングヒータから放射される電磁波と音の関係, 第 22 回 電磁力関連のダイナミクス シンポジウム講演論文集,pp , (21) 5) 米盛弘信, 藤原章裕,IH クッキングヒータが発する高周波騒音の指向性, 第 23 回 電磁力関連のダイナミクス シンポジウム講演論文集,pp ,(211) 6) 藤原章裕, 米盛弘信,IH クッキングヒータから発生する高周波騒音の発生メカニズムの解明, 第 23 回 電磁力関連のダイナミクス シンポジウム講演論文集, pp ,(211) 7) 西山静男, 池谷和夫, 山口善司, 奥島基良, 音響振動工学, コロナ社,(26) 8) 蘆原郁, 高周波聴覚閾値の精神物理学的測定, 日本音響学会誌,67 巻 5 号,pp ,(211) 9) 伊藤洋一, 実験室における空中超音波暴露とその影響, 52

7 日本音響学会誌,67 巻 5 号,pp ,(211) 注記注 1) 超音波暴露問題は, 音圧レベルの高い空中の超音波が人体に照射されると, 頭痛やめまい, 吐き気といった自覚症状を生じる現象である 3) 211 年に発表された最新の研究結果によると 2kHz 約 9dB の音圧レベルで多くの人は音を感じることができ,2kHz 以降の周波数でも十分な音圧レベルがあれば人は音を感じる報告がなされている 8) また,2kHz における可聴閾値は,14dB ~116dB に存在するという報告がなされている 同報告によると当該音を受聴した人は, 様々な不快感を訴えている 9) 53

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