CN101826323A - 声学结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声学结构。在该声学结构中，通过落入开口部分的入射波与由于响应于该入射波在中空部件内发生共振而从开口部分辐射的反射波之间的干涉来实现声音吸收效果，例如在开口部分的正面方向形成声音吸收区域。通过上述干涉和入射波与从开口部分辐射的声波之间的干涉之间的相互作用来实现声音散射效果，例如在声音吸收区域附近形成声音散射区域。认为这种声音散射效果是由于从开口部分辐射的声波与从反射面辐射的声波之间的相位差而在不垂直于开口部分和反射面的倾斜方向上产生的气体分子的运动能量的流动实现的。与共振频率的波长相比，声学结构在厚度(z)方向的尺寸足够小，因此，所述声学结构将不会很大程度地使安装空间变窄。

Description

声学结构

技术领域

本发明涉及用于吸收和散射声音的技术。

背景技术

在礼堂、剧院等声学空间中，安置用于散射声音的声学结构从而去除诸如多次回声之类的声干涉。例如，日本专利申请公开No.2002-30744公开了一种声学结构，其中形成沿一个方向延伸的空腔，并且其中布置了多个部件，每个部件都具有开口，该开口使得该空腔与外部空间连通。一旦声波进入该空腔，则通过多个部件的开口被再次辐射，从而可以实现声音散射效果。

对于相对小的空间，诸如普通房子的起居室或客厅、会议室或音乐室，则不仅要求实现合适的声音散射效果，还要实现合适的声音吸收效果。然而，如果在有限空间内分别提供用于实现声音散射效果的声学结构以及用于实现声音吸收效果的声学结构，那么各个声学结构将会占据很大空间。而且，如果使用诸如毛毡之类的多孔声音吸收材料来制造声学结构，从增强低频带的声音吸收效果的观点来看，声学结构将会增大其厚度方向上的尺寸并且由此进一步使得有限空间变窄。

发明内容

根据前述问题，本发明的目的在于提供一种改进的技术，该技术在避免声学结构的尺寸增大的同时，不仅可以在宽频带上有效地散射声音而且还可以在宽频带上实现声音吸收效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种声学结构，其包括：共振腔，具有沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，被布置成靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，其中入射声波从所述外部空间落入所述开口部分并且落在所述反射面上。当所述反射面响应于入射声波辐射反射波时，所述共振腔响应于入射声波而发生共振并且经由所述开口部分辐射相位不同于来自反射面的反射波的相位的反射波。而且，通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实部几乎为0。

在本发明的共振腔的开口部分靠近反射面定位的声学结构中，反射面处的反射波和声学结构的开口部分处的反射波相互干涉，并且开口部分和反射面上的反射波的相位在开口部分和反射面之间的边界区域中变得彼此不连续，从而引起气体分子的流动并且由此可以实现声音散射效果。优选的是开口部分相对于反射面不平行。而且，通过由气体分子的流动引起的能量损耗可以实现声音吸收效果。而且，通过共振现象，反射波的幅度相互抵消，从而在靠近开口部分的外部空间中，可以在包括低频带的宽频带范围内实现很强的声音吸收效果。

在优选实施例中，当反射面辐射响应于入射声波的反射波并且共振腔辐射基于共振的反射波时，通过将开口部分的声阻抗率除以开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的绝对值小于1。

根据本发明的另一方面，还提供了一种声学结构，其包括：共振腔，具有沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通，并且反射面靠近所述开口部分定位并且面对所述外部空间，其中，当所述反射面辐射反射波时，所述共振腔响应于所述入射声波发生共振并且经由所述开口部分辐射相位不同于来自所述反射面的反射波的相位的反射波。而且，在所述共振腔的中空区域与所述开口部分之间提供声压均匀分布的气体层，并且所述开口部分中的介质粒子的运动速度的绝对值大于所述中空区域与所述气体层之间的边界面上的介质粒子的运动速度的绝对值。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于计算声学结构的设计条件的程序，所述声学结构包括：共振腔，具有形成在所述共振腔的内部并且沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，其被布置成靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，所述程序使得计算机以如下方式执行计算所述共振腔与所述开口部分的设计条件的步骤：在来自所述外部空间的入射声波落入所述开口部分并落在所述反射面上的情况下，并且在响应于所述入射声波所述反射面辐射反射波并且所述共振腔通过开口部分辐射相位不同于来自所述反射面的反射波的相位的反射波的情况下，使得通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实数部分接近0。

根据本发明的又一方面，提供一种设计设备，其包括计算声学结构的设计条件的计算部分，所述声学结构包括：共振腔，具有形成在所述共振腔内部并且沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，其被布置成靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，所述计算部分以如下方式计算所述共振腔和所述开口部分的设计条件：在来自所述外部空间的入射声波落入所述开口部分并且落在所述反射面上的情况下，并且在响应于所述入射声波所述反射面辐射反射波并且所述共振腔经由所述开口部分辐射相位不同于来自反射面的反射波的相位的反射波的情况下，使得通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实数部分接近0。

根据本发明的又一方面，提供一种用于设计声学结构的方法，所述声学结构包括：共振腔，具有形成在所述共振腔内部并且沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，其被布置成靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，该方法包括以如下方式设计所述共振腔和所述开口部分：在来自所述外部空间的入射声波落入所述开口部分并且落在所述反射面上的情况下，并且在响应于所述入射声波所述反射面辐射反射波并且所述共振腔经由所述开口部分辐射相位不同于来自反射面的反射波的相位的反射波的情况下，使得通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实数部分接近0。

以上述方式构造的本发明可以在有效地避免所述声学结构的尺寸增大的同时在宽频带上实现声音吸收和声音散射。

下面将描述本发明的实施例，但是应该理解，本发明并非限于所述实施例，并且在不脱离基本原理的情况下本发明的各种变型都是可行的。因此，本发明的保护范围仅由所附权利要求确定。

附图说明

为了更好地理解本发明的目的和其他特征，以下参考附图更具体地描述本发明的优选实施例，其中：

图1是示出了本发明的声学结构的实施例的外形的透视图；

图2是在图1的箭头II的方向上截取的声学结构的示图；

图3是沿图1的线III-III截取的中空部件的截面图；

图4是当共振腔发生共振时中间层的工作情况的截面示意图；

图5A和图5B是发生共振时中间层的工作情况的示意图；

图6是示出了声阻抗率ζ与相位变化量φ之间的关系的示图；

图7是示出了声阻抗率ζ与复数声压反射系数的幅值|R|之间的关系的示图；

图8是示出了声阻抗率ζ的虚数部分的绝对值的频率特性的示图；

图9A和图9B是示出了|Im(ζ)|低于给定值时频率百分比与面积比r_s之间的关系的示图；

图10是通过共振产生并经由中空部件的开口部分辐射的反射波以及从反射面所辐射的反射波的示意图；

图11是发生共振时在中空部件的开口部分中以及其周围的反射波的工作情况的示意图；

图12是第一变型的声学结构的截面图；

图13A到图13C是第一变型的声学结构的截面图；

图14A到图14D是第二变型的声学结构的示图；

图15是第三变型的声学结构的截面图；

图16A和图16B是第四变型的声学结构的示图；

图17是第五变型的声学结构的截面图；

图18是第六变型的声学结构的截面图；

图19A和图19B是第七变型的声学结构的示图；

图20是第八变型的声学结构的截面图；以及

图21是示出了用于计算声学结构的设计条件的设计设备的硬件设置的示例的框图。

具体实施方式

图1是示出了本发明的声学结构1的实施例的外形的透视图，而图2是在图1的箭头II的方向上截取的声学结构1的示图。

声学结构1包括中空部件10和反射面200。中空部件10例如由聚丙烯树脂形成并且具有长方体形状的外观。声学结构1的一个侧面例如通过粘合剂、固定部件等以如下方式被固定到反射平面200的一部分，即，使得该侧面与反射面200保持接触。中空部件10具有沿一个方向(即，y方向)延伸而形成的内部中空区域20。中空部件10的垂直或正交于平坦的反射面200的那个侧面具有与反射面200相邻的开口部分14。在该实施例中，开口部分14以与反射面200不平行的状态而邻近反射面200定位。开口部分14是允许位于中空部件10内的声音传播内部中空区域20与外部空间连通的空间区域。反射面200由具有相对较高硬度的反射材料构成并且面对外部空间。反射面200例如是构成剧院、房子、办公楼等的声学室的天花板、墙面或地面，并且反射面200面对在所示实施例中作为外部空间的声学空间。

尽管在所示实施例中仅提供了一个中空部件10，但是还可以提供两个或更多个中空部件10。开口部分14可以是诸如多边形或圆形之类的任何形状。而且，为了描述方便，在与中空部件10延伸的方向(即，y方向)垂直的方向中，平行于反射面200的方向被称为“x方向”。而且，与反射面200正交并且垂直于x和y方向的方向被称为“z方向”。

下面更具体地描述中空部件10的结构。图3是沿图1的线III-III截取的中空部件10的截面图。如图2和图3所示，内部中空区域20是基本为长方体形状的空间区域。在所示示例中，中空部件10在相对端112和122处封闭。

中空部件10包括第一共振腔11和第二共振腔12、中间层13和开口部分14。第一共振腔11形成于从中空部件10的一端112延伸到作为第一共振腔11和中间层13之间的边界面的一端面111的内部中空区域20的一部分中，而第二共振腔12形成于从中空部件10的另一端122延伸到作为第二共振腔12和中间层13之间的边界面的另一端面121的内部中空区域20的一部分中。一旦共振频率的声波到达或落入中空部件10，共振腔11和12就发生共振并且经由开口部分14向外部空间辐射共振所产生的波。这些共振腔11和12被构造成共用相同的中心轴y₀。共振腔11沿y方向的长度为l₁，共振腔12沿y方向的长度为l₂。而且，构造成共振腔11的内部中空区域20的部分与中间层13之间的边界面111具有面积S_p，并且构造成共振腔12的内部中空区域20的部分与中间层13之间的边界面121也具有面积S_p。当沿着与内部中空区域20的延伸方向垂直的x-z平面切割时，共振腔11和12中的每一个都具有截面积S_p。共振腔11和12中的每一个的截面在x和z方向中的每个方向上都具有的长度比对应于共振腔11和12的共振频率的波长λ₁或λ₂足够小，从而可以看成在那些方向上不会发生声压分布的不均匀性。而且，开口部分14的面积S_o小于截面积S_p(即，S_p＞S_o)，即，边界面111和121中的每一个的截面积S_p都大于开口部分14的面积S_o。

中间层13是形成在开口部分14与共振腔11和12之间并且与开口部分14直接连通的空间部分。中间层13是包括振动来传播声波的介质粒子(如，气体分子)的气体层。如图3所示，中间层13是内部中空区域中邻接开口部分14并且使得共振腔11和12与开口部分14连通的部分。中间层13经由边界面111面对共振腔11并且经由边界面121面对共振腔12。边界面111和121的每一个都可以被看成矩形面。这里，声波在中间层13中传播的介质是空气，并且声波在内部中空区域20和外部空间中传播的介质也是空气。

使得中空区域20与外部空间连通的开口部分14是方形的，每侧的长度d都比对应于共振腔11和12的共振频率的波长λ₁和λ₂足够小，例如，d＜λ₁＜6并且d＜λ₂＜6。当满足这一条件时，可以看成在对应于共振腔11和12的共振频率的波长λ₁或λ₂的声波在中间层13中传播时(即，在共振腔11和12发生共振时)，在中间层13中没有出现声压分布不均匀性。即，当共振腔11和12的共振频率的声波在中间层13中传播时，中间层13中的声压分布均匀，而不会产生声压分布的不均匀性。中间层13中声压均匀分布的原因在于在整个中间层13中几乎不存在相差，这是因为与内部中空区域20的x-y平面正交的截面的尺寸与开口部分14的尺寸都比波长λ₁和λ₂足够小。因此，当前实施例中“在中间层13中不存在声压分布(即，声压均匀分布)”意味着声压分布的不均匀度为“0”。而且，如上所述，“在中间层13中不存在声压分布”还意味着如下情况，即，中间层13的尺寸比对应于共振频率的声波波长足够小并且在中间层13中几乎不存在声压分布的不均匀性并且在中间层13中实际上不存在声压分布。如果在中间层13中不存在声压分布的不均匀性，则在共振腔11发生共振时，来自边界面111的反射波的相位与来自开口部分14的反射波的相位彼此相同，并且在共振腔12发生共振时，来自边界面121的反射波的相位与来自开口部分14的反射波的相位彼此相同。

注意，开口部分14不是方形时，“长度d”可以被解释为具有与开口部分14的面积S_o相同的面积的虚拟正方形的一边的长度d，或者可以被解释为表示开口部分14的形状的图示的内接长方形的一边的长度d。

从外部空间落在以上述方式布置的中空部件10上的声波(以下还被称为“入射波”)包括落在反射面200上的声波以及进入或落入开口部分14中的声波。在这种入射波当中，进入或落入开口部分14中的声波经由开口部分14和中间层13进入共振腔11和12。如果共振腔11和12的共振频率的声波包含在入射波的频带内，则响应于该入射波，共振腔11和12发生共振，并且仅在内部中空区域20的延伸方向(即，y方向)上出现声压分布。这里，对应于共振腔11和12的共振频率的波长λ₁和λ₂满足下面利用共振腔11和12的y方向上的各个长度l₁和l₂由数学表达式(1)所表示的关系，其中n为大于或等于1的整数并且忽略了开端校正。

l_i＝(2n-1)λ_i/4(i＝1，2)           (1)

如上面数学表达式(1)中所示，作为一端封闭而另一端打开的内部中空区域的所谓封闭管型共振腔11和12中的每一个都具有为对应于共振频率的波长λ₁或λ₂的四分之一的奇数倍的长度l₁或l₂，由此确定长度l₁和l₂从而得到想要的共振频率。

图4是在共振腔11和12响应于落在中空部件10上的预定频带的入射波而发生共振时开口部分14附近的内部中空区域20的部分的工作情况的截面示意图，该预定频带包含共振腔11和12的共振频率。

在图4中，边界面111处的声压被表示为p₀，并且u₁表示在与边界面111正交的方向上作用在边界面111上的气体分子的粒子速度。而且，边界面121处的声压被表示为p₀，并且u₂表示在与边界面121正交的方向上作用在边界面121上的气体分子的粒子速度(即，介质粒子的运动速度)。在以下描述中，在粒子速度作用在从共振腔11到中间层13的方向上时，边界面111处的粒子速度u₁被表示为正值，而在粒子速度作用在从中间层13到共振腔11的方向上时，边界面111处的粒子速度u₁被表示为负值。而且，在粒子速度作用在从共振腔12到中间层13的方向上时，边界面121处的粒子速度u₂被表示为正值，而在粒子速度作用在从中间层13到共振腔12的方向上时，边界面121处的粒子速度u₂被表示为负值。即，作用在中间层13的方向上的粒子速度被表示为正值。如果中空部件10的共振腔11和12被构造成具有满足条件l₁＝l₂的长度，那么当在共振腔11和12发生共振时粒子速度u₁取正值时，粒子速度u₂取正值，而当在发生共振时粒子速度u₁取负值时，则粒子速度u₂取负值。即，作用在从共振腔11和12到中间层13的方向上的粒子速度彼此同相地变化。

另外，在图4中，构成中间层13与外部空间之间的边界的开口部分14处的声压被表示为p₀，并且u₀表示在与开口部分14正交的方向上作用于开口部分14的气体分子的粒子速度。作用在从开口部分14到外部空间的方向上的粒子速度被表示为正值，而作用在从外部空间到开口部分14的方向上的粒子速度被表示为负值。这里，边界面111和121以及开口部分14处的声压为相同值p₀的原因在于中空部件10被以如下方式构造，即，在共振腔11和12发生共振时在整个中间层13中几乎不存在声压分布的不均匀性。

如果响应于从外部空间落入开口部分14的入射波而在开口部分14处所产生的声压p₀由数学表达式p₀(t)＝P₀·exp(jωt)所确定，那么边界面111和121处的粒子速度u₀和u₂满足下面的数学表达式(2)。注意，声压p₀是入射波的声压与通过共振腔11和12的共振在中间层13中产生的反射波的声压的合成。

$u_i\left(t\right)=j\·\frac{P_0}{\mathrm{\ρc}}\frac{\sin \left({\mathrm{kl}}_i\right)}{\cos \left({\mathrm{kl}}_i\right)}\·\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)---(i=\mathrm{1,2})---\left(2\right)$

其中，j表示虚数单位，P₀表示声压的幅值，ω表示角速度，ρc表示作为外部空间中的介质的空气的特性阻抗(ρ为空气密度，c为空气中的声速)，k(＝ω/c)表示波数，t表示时间。

另外，因为中间层13是包含气体分子的气体层，所以中间层13具有体积不变的“不可压缩性”。即，中间层13起到保持其内压恒定的作用，从而使得尽管其由于共振而发生弹性形变，但是其体积保持恒定。具有这种特性的中间层13使得经由边界面111和121而出于共振腔11和12的声压直接作用到开口部分14上，即，中间层13与外部空间之间的边界。此时，从边界面111和121作用在中间层13上的体积速度之和与经由开口部分14从中间层13作用在外部空间上的体积速度相一致。

图5A和图5B是在粒子速度u₁和u₂每个都为正值时发生共振时中间层13的工作情况的示意图。当没有接收到入射波时，中间层13具有如图5A所示的体积V、大小和形状。当发生共振时粒子速度u₁和u₂作用在正向方向上时，中间层13呈现为图5B所示的状态。即，在粒子速度u₁和u₂的作用下，中间层13的尺寸在y方向上减小Δy并且在z方向上增加Δz。然而，由于其不可压缩性，中间层13保持体积V。即，在发生共振时，当粒子速度u₁和u₂每个都为正值时，从开口部分14作用于外部空间的粒子速度u₀取正值，从而中间层13呈现为犹如经由开口部分14向中空部件10的外部空间突出的状态。即，在发生共振时，从共振腔11和12作用在中间层13上的体积速度累计，使得体积速度之和经由中间层13作用于中空部件10的外部空间。另一方面，当粒子速度u₁和u₂每个都为负值时，粒子速度u₀取负值并且作用在从开口部分14到内部中空区域20的方向上。因此，中间层13的尺寸在y方向上增加而在z方向上减小。此时，从开口部分14作用在外部空间上的粒子速度u₀取负值，从而中间层13呈现为犹如经由开口部分14向内部中空区域20缩进的状态。

如果使用在数学表达式(2)中所示的粒子速度u₁和u₂，则在开口部分14的z方向(即，垂直于反射面200的方向)上作用于开口部分14的气体分子的粒子速度u₀满足下面数学表达式(3)的关系。

$u_0\left(t\right)=\frac{S_p}{S_o}(u_1\left(t\right)+u_2\left(t\right))---\left(3\right)$

如上面的数学表达式(3)所示，粒子速度u₀取决于边界面111和121的面积S_p与开口部分14的面积S₀之间的面积比。如果共振腔11和12在垂直于反射面200的方向上具有相同的共振频率和相同的截面积，那么粒子速度u₁等于粒子速度u₂。因此，如果满足2S_p/S_o＞1的关系并且边界面111和121的面积S_p大于开口部分14的面积S₀的一半(1/2)，那么如也可以根据上面的数学表达式(3)看到的那样，可以在开口部分14处产生远大于粒子速度u₁和u₂之和的粒子速度u₀。

另外，如果使用数学表达式(3)，当入射波从外部空间落在反射面200和中空部件10的开口部分14上时的声阻抗率ζ满足下面数学表达式(4)所定义的关系。

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{\mathrm{pc}}\frac{P_0\left(t\right)}{u_0\left(t\right)}=-j\·\frac{S_o}{S_p}\·\frac{\cos {\mathrm{kl}}_1\×\cos {\mathrm{kl}}_2}{\sin k(l_1+l_1)}---\left(4\right)$

如上面的数学表达式(4)所示，声阻抗率ζ是通过将开口部分14的声阻抗率p₀/u₀除以开口部分14的介质(空气)的特性阻抗ρc(声阻率)计算得到的值。简言之，声阻抗率ζ是声场中给定点的声阻抗与该点处介质的特性阻抗之间的比值。一旦属于共振频率的入射波在与开口部分14正交的方向上落入开口部分14中，根据满足数学表达式(4)中定义的关系的声阻抗率ζ的强度，通过共振腔11和12的共振所产生的反射波经由中间层13和开口部分14被辐射到外部空间。这里，声阻抗率ζ＝r+ix。“r”表示声阻抗率ζ的实部(即，Re(ζ))，其有时被称为“声阻率”的值。“x”表示声阻抗率ζ的虚部(即，Im(ζ))，其有时被称为“声抗率”的值。

以下描述声阻抗率ζ与来自声学结构1的反射波的关系。

(I)在ζ＝0的情况下，即r＝0并且x＝0：

一旦入射波落在满足ζ＝0(r＝0并且x＝0)的材料上，则辐射具有与入射波相同幅度并且相位从入射波偏移了180度的反射波，作为通过共振所产生的反射波。以此方式，入射波和反射波相互干涉，从而使得入射波的幅度和反射波的幅度彼此抵消。下文将这种共振称为“全共振”。

(II)在ζ＝1的情况下，即r＝1并且x＝0：

一旦入射波落在满足ζ＝1(r＝1并且x＝0)的材料上，则不从该材料上辐射反射波。下文将这样的现象称为“完全声音吸收”。

(III)在ζ＝∞的情况下，即r＝∞并且x＝0：

一旦入射波落到满足ζ＝∞(r＝∞并且x＝0)的区域(即，刚性材料)上，则辐射具有与入射波相同幅度并且没有与入射波发生相移(0度相移)的反射波，作为通过共振所产生的反射波。在此情况下，入射波和反射波以产生驻波的方式相互干涉。下文将这种共振称为“完全反射”。

上述(I)项表示r＝0并且中空部件10没有声阻部分的情况，但是，中空部件10有时可能具有某一声阻部分。在该情况下，一旦共振腔11和12的共振频率的声波进入开口部分，声阻抗率ζ的实部有时则可以取非0的值。此时，从开口部分14辐射的反射波的幅度根据中空部件10的声阻部分衰减。即，可以看作是在满足条件0≤ζ＜1的情况下以及开口部分14的声阻抗率ζ取“0”值的“全共振”的情况下共振腔辐射基于共振的反射波的“共振现象”。

某一部件区域上的一点的声阻抗率ζ＝r+ix和复数声压反射系数R＝|R|exp(iφ)满足“R＝(ζ-1)/(ζ+1)”的关系。所述复数声压反射系数是表示空间一点处的反射波与入射波之间的复数比的物理量。|R|是表示与入射波有关的反射波的幅度的电平的值。|R|值越大，表示反射波幅度越大。“φ”是表示与入射波有关的反射波的相位变化的电平(下文称其为“相位变化量”)的值。从关系式显而易见的是，当声阻抗率ζ和复数声压反射系数R中的一个确定时，可以确定声阻抗率ζ和复数声压反射系数R中的另一个。当ζ＝0(即，全共振)时，R＝-1，在该情况下，反射波与入射波反相并且与入射波具有相同的幅度。当ζ＝1(即，完全声音吸收)时，R＝0，在该情况下，没有反射波辐射，因此反射波的幅度为0。当ζ＝∞(即，完全反射)时，R＝1，在该情况下，反射波与入射波同相并且具有与入射波相同的幅度。

下文既从相位角度也从幅度角度描述共振现象所实现的声音吸收和声音散射效果。

首先，从相位角度来讨论通过共振现象实现的声音吸收和声音散射效果。

图6是示出了声阻抗率ζ与相位变化量φ之间的关系的示图。在该示图中，水平轴表示声阻抗率ζ的实部r＝Re(ζ)，而纵轴表示声阻抗率ζ的虚部x＝Im(ζ)。在图6中，ζ＝∞的点到原点的距离为∞。ζ＝∞时发生完全反射，从而相位变化量φ为0度。

另外，在图6的阴影区域，|ζ|＜1，并且相位变化量φ大于90度。如果满足这些条件，相位变化量φ随着值|ζ|的减小而接近±180度。更具体地讲，如果x＝Im(ζ)＞0，相位变化量φ则接近180度，而如果x＝Im(ζ)＜0，相位变化量φ则接近-180度。而且，在水平轴上0≤Re(ζ)＜1并且Im(ζ)＝0的点处发生全共振，从而相位变化量φ为±180度。即，特别地，当声阻抗率ζ为表示图6的阴影区域内的围绕原点半径为“1”的圆内区域(但是，不包括线上的区域)的值时，通过入射波与反射波之间的相位干涉可以有效地实现声音吸收效果。而且，在|ζ|的值大于或等于“1”的区域中，相位变化量φ小于90度。在该区域中，可以通过相位干涉来实现声音吸收效果，但是该效果不如|ζ|的值小于“1”时所实现的效果。另一方面，对于声音散射效果来说，如果从开口部分14辐射的反射波与从反射面200辐射的反射波之间存在相位差，则可以实现声音散射效果；当从开口部分14辐射的反射波的相位与从反射面200辐射的反射波的相位接近反相关系时，则认为可以实现更显著的声音散射效果。即，当|ζ|的值大于或等于“1”时可以实现声音散射效果；为此，优选地满足“|ζ|＜1”的条件，并且更优选地|ζ|的值更接近“0”，并且因此相位变化量φ更接近±180度。

从上述可以看出的是，理想的是满足“Im(ζ)＝0”的条件，从而在用于实现声音吸收和散射效果的共振现象中获得“φ＝±180度”的条件。但是，只要满足“90°≤φ≤180°”或者“-180°≤φ≤-90°”(即，|ζ|的值小于“1”)的关系，就可以实现这种声音吸收和散射效果。而且，在|ζ|的值小于“1”的情况下，更优选地满足“135°≤φ≤180°”或“-180°≤φ≤-135°”的条件，并且甚至更优选地满足“160°≤φ≤180°”或“-180°≤φ≤-160°”的条件。

接着，将从幅度角度来讨论通过共振现象实现的声音吸收和声音散射效果。

图7是示出了声阻抗率ζ与复数声压反射系数的幅度|R|之间的关系的示图。更具体地讲，在该示图中，示出了|R|的值分别取值0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.8、0.9以及1.0时Re(ζ)和Im(ζ)的值。如图7所示，当Re(ζ)＝1并且Im(ζ)＝0时，|R|＝0，并且因此，幅度为最小值“0”。即，在该情况下，发生完全声音吸收而无反射波产生。

由图7中的虚线所限定的区域表示上述关于图6所述的|ζ|＝1的区域。在虚线限定的区域内的区域中(但是不包括线上的区域)，入射波与反射波之间的相位差处在90度至180度范围内。同样，在该区域中，|R|＞0，因此反射波的幅度超出“0”。

在图7的纵轴上的Re(ζ)＝0的点，|R|的值变为与Im(ζ)的值独立的“1.0”。因为在此时辐射与入射波具有相同幅度的反射波，因此从幅度的观点来看，该条件是用于在反射波与入射波的相位彼此不同的条件下实现声音吸收和散射效果的最优选的条件。如从图7可以看出的，在Re(ζ)＜1的情况下，如果Im(ζ)的值保持恒定，则|R|的值随着Re(ζ)的值的减小而增大。即，如果声阻抗率ζ的实部Re(ζ)的值较小，特别是几乎为“0”，则反射波具有与Im(ζ)的值无关的很大的幅度，因此，通过相位干涉可以有效地实现声音吸收和散射效果。

在中空部件10中，开口部分14经由如上所述的中间层13连接至共振腔11和12。因此，在共振腔11和12的各共振频率的附近，开口部分14中满足“Im(ζ)＜1”。因此，在该情况下，来自开口部分14的反射波的相位相对于入射波的相位偏移大于90度。如果Re(ζ)＝0.30，则反射波的幅度|R|为0.54，因此，辐射幅度大于或等于入射波的幅度的一半(1/2)的反射波。即，如果开口部分14的Re(ζ)和Im(ζ)均足够小，则可以从开口部分14获得反射波，该反射波具有与来自开口部分14附近的反射面200的区域的反射波相比足够大的相位变化。但是，如果当Re(ζ)＝0并且Im(ζ)＝0时通过“|R|＝1.0”的条件实现入射波与反射波的幅度彼此相同的全共振则可以被认为是理想的。以下讨论|R|＜1的情况。

当|R|＝0.5时，例如从开口部分14辐射入射能量的约1/4的能量，因此，在该情况下，甚至可以更有效地实现声音吸收和散射效果。例如，当Im(ζ)＝0，Re(ζ)≒0.335时，声阻抗率的实部的值变为小于或等于约139.025kg/m²·sec。更优选地，满足“|R|＝0.7”的条件，在该情况下，从开口部分14辐射入射能量的约1/2的能量，从而使得能够实现进一步增强的声音吸收和散射效果。例如，当Im(ζ)＝0，Re(ζ)≒0.175时，声阻抗率的实部的值变为小于或等于约72.625kg/m²·sec。更优选地，满足“|R|＝0.9”的条件，在该情况下，从开口部分14辐射入射能量的约4/5的能量，从而使得能够实现更显著的声音吸收和散射效果。例如，当Im(ζ)＝0，Re(ζ)≒0.055时，声阻抗率的实部的值变为小于或等于约22.825kg/m²·sec。

另外，如果满足优选条件|R|≥0.7，则Re(ζ)变为小于或等于约0.175，如图7所示。此外，如果满足更加优选条件|R|≥0.9，则Re(ζ)变为小于或等于约0.055。从这些结果可以理解的，优选地以Re(ζ)的值几乎为“0”的方式构造本发明的声学结构，以实现良好的声音吸收和散射效果。

还可以从以上数学表达式(4)看出，可以通过改变边界面111和121的面积S_p与开口部分14的面积S_o之间的面积比S_o/S_p(r_s)来改变声阻抗率ζ的绝对值|ζ|。

图8是示出了当l₁＝300mm并且l₂＝485mm时声阻抗率ζ的虚部的绝对值|Im(ζ)|的频率特性的示图。更具体地，图8示出了分别当r_s＝0.25、1.0和4.0时计算所得的|Im(ζ)|的值。

在此示出|Im(ζ)|的原因在于“90°≤φ≤180°”或“-180°≤φ≤-90°”的关系是在“|Im(ζ)|＜1”的范围内确立的，因此示出该范围是有利的。当在给定频率发生反共振时，“|Im(ζ)|＝∞”的条件发生，并且Im(ζ)的值在给定频率的相对侧取相反符号(即，正号和符号)。

从图8可以看出，确立“0≤|Im(ζ)|＜1”的频带随着边界面111和121的面积S_p相对于开口部分14的面积S_o的增大(即，随着面积比S_o/S_p(r_s)的减小)而变得更宽。而且，随着面积比(r_s)的减小，由“Im(ζ)＝1.0”的直线与表示Im(ζ)的曲线包围的区域的面积变得更大。即，根据进入或落入开口部分14的入射波，可以被看作是共振现象发生的频带变得更宽，并且接近全共振(ζ＝0)的共振现象发生在更宽的频带上。

而且，如果面积比r_s小于1.0，则与通过面积比r_s例如为1.0的传统已知的声学圆柱体所实现的效果相比，可以增强上述效果。本发明的发明人等已确认，更有利的是采用“r_s≤0.5”的条件，这是因为在这种情况下，与传统已知的声学圆柱体相比，上述区域的面积增大约1.2倍，而|Im(ζ)|的值则减小到小于传统已知的声学圆柱体的|Im(ζ)|的值的约一半。更优选地采用“r_s≤0.25”的条件，这是因为与传统已知的声学圆柱体相比，上述区域的面积增大约1.5倍，而|Im(ζ)|的值减小到小于传统已知的声学圆柱体的约四分之一。

如上所述，声学结构1通过设置面积比r_s而使得开口部分14中的声阻抗率的绝对值|ζ|变为小于1(|ζ|＜1)并且声阻抗率的实部r变为几乎为0借助共振现象可以有效地实现良好的声音吸收和散射效果。

在中空部件10中，在中间层13和开口部分14中不提供诸如纯电阻元件之类的将妨碍气体(介质)的移动和运动的组件。而且，通过设置面积比r_s，可以在开口部分14中产生大于由共振腔11和12的共振在边界面111和121上产生的粒子速度之和的粒子速度。以这种方式，可以实现相当有利的条件，即，声阻抗率ζ的实部r变得几乎为0。如上所述，理想的是声阻抗率ζ的实部r为0。但是，即使在声阻抗率ζ的实部r不精确为0的情况下，不仅通过开口部分14附近的声音吸收区域中的相位干涉可以实现声音吸收，而且通过该声音吸收区域中及其周围所产生的较大的粒子速度可以实现声音散射。

应该理解的是，允许声阻抗率ζ的实部r变得几乎为0的上述条件仅为说明性示例。

图9是示出了在从0Hz到1000Hz的频带中|Im(ζ)|低于给定值时频率百分比与面积比r_s之间的关系的示图。更具体地，图9(a)是水平轴表示|Im(ζ)|而纵轴表示频率百分比(％)以及相位变化量(°)的示图。图9(b)是水平轴表示面积比r_s而纵轴表示频率百分比(％)的示图。在图9(a)中，虚线表示每一|Im(ζ)|值的反射波的相位变化的下限。“频率百分比”是|Im(ζ)|取给定值的带宽相对于从0Hz到1000Hz的频带的整个带宽的百分比。此处假设|Im(ζ)|的给定值为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0。

同样注意，在图9中，示出了当Re(ζ)＝0时的计算结果，同样在该情况下，l₁＝300mm并且l₂＝485mm。

从图9(a)显而易见的是，反射波的相位变化量变得大于或等于给定值的百分比随着面积比r_s的减小(即，开口部分14的面积的减小)而增大。例如如果r_s＝0.25，|Im(ζ)|的值小于“0.2”的频率百分比约为70％，而在r_s＝1.0的传统已知的方案的情况下，该频率百分比约为27％。从这些结果可以看出，当相位变化量例如大于或等于157.5度时的频率百分比比传统已知方案的大约大三倍。而且，|Im(ζ)|小于给定值的频率百分比随着面积比r_s的减小而增大。

同样从图9的结果可以看出，反射波的相位变化量随面积比r_s的减小而增大的频带变得更大。

下文描述用于实现声音吸收和散射效果的声学结构1的工作情况。

图10是通过共振产生并经由中空部件10的开口部分14辐射的反射波以及从反射面200所辐射的反射波的示意图。一旦共振腔11和12的共振频率的入射波落入开口部分14中，则开口部分14就以不同于入射波的相位辐射反射波。如果ζ＝0，则从开口部分14辐射相位与入射波相位相反的反射波(即，相位相反的反射波)。如果反射面200为刚性表面(ζ＝∞)，那么反射面200辐射与入射波同相的反射波(即，同相或相位相同的反射波)。而且，因为开口部分14与反射面200彼此并不平行，所以来自开口部分14和反射面200的反射波以如下方式行进，即，在邻近开口部分14和反射面200的空间中相交并相互干涉。

下面更具体地描述声学结构1在声音吸收和声音散射方面的工作情况。图11是发生共振时在中空部件10的开口部分14的附近的反射波的工作情况的示意图。在图11中，为了说明方便，来自反射面200和开口部分14的反射波被示为沿相同方向前进。注意，即使在来自反射面200和开口部分14的反射波以彼此相交的方式行进的情况下，也会发生类似于图11所示的现象。更具体地说，图11示出了在声压最大处入射波的波峰到达反射面200和开口部分14处并且随后产生对应于入射波的反射波的情况。这里假定开口部分14的声阻抗率ζ为0(ζ＝0)并且由此发生上述的“全共振”。另外，在附图中，反射波由实线和虚线表示，每条实线表示反射波的声压最大处的波峰位置，而每条虚线表示反射波的声压最小处的波谷位置(并且假定“波谷”与“波峰”相位相反)。

一旦共振频率的入射波落入中空部件10的开口部分14中，则相位相对入射波偏移了180度的反射波从开口部分14沿z方向被辐射，以作为通过共振产生的反射波。这样，如图所示，开口部分14处的反射波处在声压最小的波谷相位。因为中空部件10由具有如上所述的相对较高硬度系数的材料构成，所以中空部件10具有相当大的声阻抗率。因此，从反射面200辐射的反射波与入射波基本上不存在相位偏移(参见区域C3和C4)。如果反射面200为刚性表面，那么发生上述“完全反射”，并且由此从反射面200辐射的反射波具有与入射波相同的相位，与入射波不存在相位偏移。即，在开口部分14的声阻抗率ζ为0时发生全共振，而在声阻抗率为∞而发生完全发射时，来自开口部分14的反射波和来自反射面200的反射波具有相同的幅度并且相位彼此偏移180度。这样，在靠近开口部分14和反射面200的外部空间中，发生了这样的现象，即，在图11中的两个椭圆中所示的彼此相邻的区域(空间)C1和C2中，来自开口部分14的反射波与来自反射面200的反射波的相位变得不连续。

由于上述现象，借助共振现象可以在形成于开口部分14附近的声音吸收区域中主要实现声音吸收效果。另一方面，落在反射面200上的入射波和反射波之间的相位干涉与落入开口部分14及其周围的入射波和由共振产生的反射波之间的相位干涉，通过这两个相位干涉之间的相互作用可以在声音吸收区域周围主要实现声音散射效果。更具体地，可以认为可借助通过上述相互作用而在开口部分中及其周围产生的气体分子的流动来实现声音散射效果。即，来自开口部分14的反射波与来自反射面200的反射波的相角彼此不同，并且由于相位不同而在相邻空间(即，区域C1至C4)中发生的现象彼此不同。因此，可以认为，根据本发明的声学结构1，用于实现声音吸收和声音散射效果的声学现象可以同时发生。

另外，如从上面的数学表达式(3)所定义的关系式可以看出，与开口部分14的面积S₀相比，在边界面111和121的面积S_p增加时，即，面积比S₀/S_p减小，则开口部分14处的粒子速度u₀增加。这样，通过满足2S_p＞S₀＞1的关系，在开口部分14中以及开口部分14的周围，气体分子的振动进一步增大，从而在靠近开口部分14的外部空间中可以进一步增强声音散射和声音吸收效果。如上所述，通过来自反射面200的反射波与来自开口部分14的反射波之间的相位差，在靠近开口部分14的外部空间中可以实现很强的声音散射和声音吸收效果。

另外，如从上面的数学表达式(4)中定义的关系式可以看出，声阻抗率ζ取决于中间层13的大小，并且由此来自反射面200的反射波与来自开口部分14的反射波之间的相位差的关系也取决于面积比S₀/S_p。在反射面200实现完全反射并且共振腔11和12实现全共振时在中间层13中没有出现声压分布不均匀的理想状态下，来自反射面200的反射波与来自开口部分14的反射波以相反相位的关系定位。另外，即使在中间层13中存在微小的声压分布不均匀性，只要中间层13被构造成以基本相反相位的关系来定位来自反射面200的反射波和来自开口部分14的反射波，则借助上述操作就可以实现声音散射和声音吸收效果。

在上述方式中，通过以将开口部分14定位于靠近反射面200的方式布置中空部件10来构造声学结构1。

在该实施例中，开口部分14“靠近”反射面200定位的特征可以被解释为指反射面200与开口部分14之间的特定距离，在该距离内，当反射面200响应于从外部空间落在其上的入射波而辐射反射波时，共振腔11和12由于落入开口部分14的入射波而发生共振，并且在该距离内，来自反射面200的反射波与来自开口部分14的反射波相互干涉。优选地，定位中空部件10，以使开口部分14位于离反射面200为该距离的范围内，从而产生上述声学现象。

借助本发明的上述声学结构1，通过落在反射面200上的入射波与反射波之间的相位干涉以及落入开口部分14及其周围的入射波与由共振产生的反射波之间的相位干涉而在不与反射面200垂直的倾斜方向上产生的气体分子的运动能量的流动来实现声音散射效果。另外，通过共振，在靠近开口部分14的外部空间中，来自开口部分14的反射波借助相位差抵消了进入开口部分14的入射波的幅度，从而实现了声音吸收效果。因此，可以在开口部分14附近的宽区域中在宽频带上实现声音吸收和散射效果。特别地，如果满足关系“S_p＞S_o”，则开口部分14中的声阻抗率ζ可进一步减小，从而使得可以实现声音吸收效果的频带可以进一步加宽，其结果是可以进一步增强声音吸收和声音散射效果。

另外，与共振频率的波长相比，本发明的声学结构1在其厚度方向(即，z方向)上具有相当小的尺寸，并且不会由此减小布置声学结构的声学空间。另外，因为声学结构1可以被构造成仅在现有的反射面200(诸如声学空间的天花板、墙面或地面)上提供细长的管状中空部件10，所以可以很简单地构造和安装，而无需对其安装位置进行实质地限制。另外，反射面200仅需要由反射材料构成并且中空部件10自身无需具有反射性，从而使得本发明可以在声学结构1的选材方面提供更大的选择范围。此外，声学结构1被构造成通过引起很高的粒子速度来实现声音吸收效果而无需使用限制气体分子振动的部件(诸如电阻材料)，并且在远离开口部分14的反射面200的位置处可以实现较强的声音吸收效果。

变型

可以根据上述优选实施例以不同方式来实现本发明的声学结构1的以下变型，并且可以根据需要对这些变型进行组合。注意，使用与优选实施例中使用的相同的参考标号以及字母“a”到“h”的组合来表示在结构上与上述优选实施例中的元件相同的那些元件，并且为了避免不必要的重复，这里不再进行描述。注意，构成声学室的天花板、墙面和地面的每一个都由反射材料构成并且都对应于上述优选实施例的反射面200。

(变型1)

在声音结构1的上述优选实施例中，在矩形截面形状的中空部件10的内部提供内部中空区域20。在图12的第一变型的声学结构(第一变型)中，作为声学结构外壳的中空部件10a是广义的U形部件的形式。当沿垂直于部件10a的延伸方向的方向截取时，广义的U形部件10a具有“U”截面形状，并且具有中空的内部空间。广义的U形部件10a以如下方式固定地附接到反射面200，即，截面的开口侧靠近反射面200。这样，具有矩形截面形状的内部中空区域20a由U形部件10a和反射面200所围绕的空间所限定。另外，开口部分14a被设置在与U形部件10a的反射面200不平行的侧面上，在所示示例中，侧面是垂直侧面。开口部分14a使得内部中空区域20a与外部空间连通。即使借助这样的变型，在由U形部件(或外壳)10a和反射面200所围绕的空间限定内部中空区域20a时，通过类似于上述优选实施例的操作可以实现声音吸收效果和声音散射效果。

当沿垂直于部件10a的延伸方向的方向截取时，内部中空区域20a不必具有矩形截面形状并且可以具有如图13A所示的三角形截面形状、如图13B所示的广义椭圆或圆形截面形状或其他任何适合的截面形状。在每种情况下，以不平行于反射面200的关系提供开口部分14a。

另外，如图13C所示，可以使用声学室的内部墙角部分来构造其他变型的声学结构。这里假定，在长方体或立方体形的声学室中，沿x-z平面具有“L”截面形状的内部墙角部分由天花板C和墙面W所限定。作为声学结构1b的外壳的中空部件10b沿y方向延伸并且以如下方式被固定地附接到天花板C和墙面W，即，使得由天花板C、墙面W和中空部件10b所围绕的空间(或内部中空区域20b)具有三角形截面形状。另外，内部中空区域20b经由开口部分14b与外部空间连通。同样在此情况下，以不平行于反射面200的关系提供开口部分14b。同样借助这样变型的声学结构1b，天花板C和墙面W的每一个都起到反射面200的作用，并且通过来自反射面200的反射波以及来自开口部分14b的反射波之间的关系可以实现声音吸收和声音散射效果。

(变型2)

因为在声学室的墙面上提供了使用者通过其进入或走出声学室的门(配件)，所以可以使用门框(配件框)来构造声学结构。图14A到图14D是示出了这种变型的声学结构的示图。更具体地说，图14A示出了在其上设置有门框300的墙面W和在门D处于关闭位置时墙面W周围的其他组件(天花板、墙面和地面)，图14B到图14D分别示出了在图14A的箭头IV、V和VI的方向上看到的门框300。

在墙面W上提供矩形门开口。如图14A所示，门框300由沿门开口的内周以朝向地面的反U形结构的开口布置的三个声学结构10构成。图14B到图14D中的虚线表示具有与希望的共振频率对应的尺寸的内部中空区域20。

借助由声学结构10构成的门框300，声学结构10可以制作成较不明显，这非常适合保证声学室的具有美感的外观。可以使用上述中空结构来构造除了门框300之外的任何其他适合的框，诸如沿开口提供用于在其中安装滑动门或拉阖门(日式滑动门)的框、窗户框或用于在其中安装画、照片的框等。即，形成围绕预定区域(诸如开口)的框的木质或金属部件可以替代上述中空部件10，从而构成声学结构1c。

(变型3)

可以使用如图15所示的声学室的内部墙角部分构造另一变型的声学结构(第三变型)。这里假定声学结构1d被构建在具有长方体(或立方体)形状的声学室内。这里，内部墙角部分由在交点P处彼此相交成锐角的三个面构成，即，天花板C和墙面W1和W2。声学结构1d包括三个柱状或管状中空部件10d，每一个中空部件10d都具有三角形截面形状。每个中空部件10d都具有在一端封闭而在另一端开口的内部中空区域20d，即，每个中空部件10d都是一端开口的管状部件。在此情况下，每个中空部件10d中的侧面都不开口，并且中空部件10d仅在相对端面之一上具有开口部分14d。三个中空部件10d被以如下方式布置，即，与天花板C和墙面W1和W2之间的边界线(即，棱线)211-213接触。另外，每个中空部件10d的开口部分14d都面对棱线211-213彼此相交的交点P。在这样的声学结构1d中，在三个中空部件10d的开口部分14d之间的由图15中的阴影所示的位置处形成一空间，该空间以与上述优选实施例的中间层13类似的方式工作。因此，借助变型的声学结构1d，通过与上述优选实施例类似的操作可以实现声音吸收效果和声音散射效果。

在变型的声学结构1d中，根据天花板和墙面彼此相交处的角度，三个中空部件10d不必被布置成彼此相交成锐角。另外，中空部件10d可以彼此形成在一起。而且，声学结构1d可以提供在由地面和墙面所限定的内部墙角部分。

(变型4)

本发明的声学结构可以包括安装在声学室中的照明装置。图16A和图16B示出了其中布置有变型的声学结构1h的照明设备400，其中图16A示出了照明设备400的水平侧视图，图16B是沿图16A的VII-VII线截取的照明设备400的截面图。

如图16A和图16B所示，照明设备400为直管式荧光灯设备，其包括发光装置410、反光板420、两对插座430、两只荧光灯440和中空部件10。发光装置410例如包括发光元件(诸如反向换流器)，该发光装置被提供在照明设备400内并且固定到天花板C。通过使用市售电力经由输电线(未示出)把电力提供到插座430，发光装置410点亮荧光灯440，而通过停止对插座430的供电，发光装置410关掉荧光灯440。具有广义“V”截面形状的反光板420为通过在铝基板上执行表面处理而形成的具有良好反光性的部件。反光板420把从荧光灯440辐射的光反射到声学空间。每对插座430包括针状支承(未示出)，这些针状支承通过把荧光灯440保持在针状支承的相对面之间可拆卸地支撑荧光灯400中的一个并且把电压提供给荧光灯440。每个荧光灯440都是直管式荧光灯，其可拆卸地附接到照明设备400的主体。中空部件10被提供在反光板420与天花板C之间、照明设备400的内部空间中。每个中空部件10都平行于荧光灯400的长度延伸。中空部件10具有位于反光板420与天花板C之间并且经由形成在反光板420中的孔421与外部空间连通的开口部分14。

即，变型的声学结构1h包括布置于照射设备400中并靠近天花板C的中空部件10。因此，从照射设备400的外部基本看不到中空部件10，从而使得中空部件10不会破坏声学室的具有美感的外观并且几乎不会减小声学空间。另外，如果中空部件10与照明设备400一起提供，那么声学结构1h可以方便地安装在建筑结构上，而无需使用专门的建筑学技术。可选地，可以通过把中空部件10结合到天花板上提供的其他类型的设备(诸如风扇)中来构造声学结构。

(变型5)

如图17所示，可以通过把中空部件10设置在立式钢琴500中来构造声学结构。在声学室安装立式钢琴500的情况下，立式钢琴500的外壳通常定位成与声学室的墙面接触或靠近。在这种情况下，钢琴500的演奏所产生的音调(尤其是低音音调)通过墙面传播从而引起噪声问题。为了避免噪声问题，在声学室中安装立式钢琴500时，把中空部件10安装在立式钢琴500中，并且立式钢琴500的外壳具有形成在其中的孔510，这些孔定位成靠近声学室的墙面和地面中的一个或多个。孔510使得开口部分14与外部空间连通，从而使得外部声音可以经由孔510和开口部分14进入到中空部件10的内部中空区域20。墙面、地面以及立式钢琴500的外壳可以用作本发明的反射面。以此方式构造的声学结构不会破坏声学室的外观，不会由于在声学室中安装这种声学结构而减小声学室的空间，并且可以针对包括低音音调的演奏音调实现合适的声音吸收和散射效果。

如上所述，立式钢琴500包括具有在其中形成的孔510的外壳，这些孔使得布置在外壳内的中空部件10的内部中空区域20与外部空间连通。以如下方式在声学室中安装立式钢琴500，即，使得孔510不平行于声学室中辐射对应于入射声波的反射波的反射面(诸如墙面)。

该变型的声学结构可以被设置在除了立式钢琴之外的任何其他类型的钢琴(诸如大钢琴或电子钢琴)中，或者提供在任何适当的安装在地板上的键盘乐器(诸如安装在声学室中的风琴或电子琴Electone(注册商标))中。另外，以上述方式构造的变型的声学结构还可以被提供在安装在声学空间中的各种物品中的任何一个中，诸如家具和设备，如桌子、椅子、沙发、碗橱、器具、电视、收音机、贮存柜、洗碗机或其他电子设备的外壳、以及分隔间。

(变型6)

如上所述，本发明的声学结构可以实现合适的声音吸收和散射效果的频带取决于中空区域的尺寸。本发明的声学结构可以被修改成具有用于调节这样频带的结构，在该频带上本发明的声学结构可以实现合适的声音吸收和散射效果。

图18是示出了在这种变型的声学结构中采用的可伸缩(可延长和可收缩)的中空部件的截面图。图18的中空部件包括第一部件101e、第二部件102e和第三部件103e，每一个部件都形成为圆柱形。中空部件还具有内部中空区域20。第一部件101e和第三部件103e被构造成例如通过形成在第一部件101e和第三部件103e中的内螺纹与形成在第二部件102e上的外螺纹啮合可装配到第二部件102e中，从而使得第一部件101e和第三部件103e可以沿箭头所示方向相对于第二部件102e移动。可选地，第一部件101e和第三部件103e可以被构造成在第二部件102e中滑动。通过第一部件101e和第三部件103e相对于第二部件102e的这种移动，可以改变内部中空区域20e的长度(尺寸)，从而使得本发明的声学结构可以实现合适的声音吸收和散射效果的频带可以变化。

在该变型中，理想的是第一部件101e和第三部件103e非自发地移动。可以采用任何其他合适的传统公知的结构来改变内部中空区域20e的长度。

(变型7)

尽管声学结构1的上述优选实施例中的中空部件10包括两个共振腔11和12，但是在其他变型中的中空部件可以仅包括一个共振腔。图19A和图19B是沿与图1的III-III线的相同方向截取的变型的声学结构中的中空部件10f的截面图。

如图19A所示，中空部件10f包括沿y方向延伸的内部中空区域20f以及从封闭端112f到中间层13f所限定的共振腔11f。中空部件10f还包括形成在延伸到中空部件10f的另一端122f的侧面部分中的开口部分14f。这种变型的声学结构的尺寸甚至可以进一步减小。图19B是在共振腔11f发生共振时中间层13f如何工作的示意图。如图19B所示，中间层13f以与上述优选实施例相同的方式工作，因此变型的声学结构可以实现与通过上述优选实施例实现的类似的声音吸收和散射效果。

(变型8)

还可以对中空部件进行如下修改。图20是沿与图1的III-III线的相同方向截取的变型的中空部件的截面图。

如图20所示，变型的中空部件10g在相对端封闭并且其中具有形成在靠近封闭端的开口部分142g和143g以及在沿y方向靠近中空部件10g的中间区域处形成的另一开口部分141g。另外，提供分隔墙151g和152g，以用于把内部中空区域20g沿y方向分成多个中空区域，这样，形成三个内部中空区域，这三个内部中空区域沿内部中空区域20g的延伸方向彼此分隔开。这里，分隔墙151g和152g可以与中空部件10g一起形成或者与中空部件10g分开形成。在以上述方式构造出的中空部件10g中，在中空部件10g的一端161与共振腔11g之间提供中间层131g，并且在中空部件10g的另一端162与共振腔12g之间提供另一中间层132g。另外，在分隔墙151g和152g之间形成的中间中空区域中，在分隔墙151g与另一中间层133g之间提供另一共振腔16g，在分隔墙152g与中间层133g之间提供又一共振腔17g。

即，在上述中空部件10g中，内部中空区域20g被分隔墙沿中空区域20g的延伸方向分成多个中空区域，并且在分隔墙与中间层之间提供共振腔。这样，在中空部件10g中提供了四个共振腔，即，在该变型中，可以获得比上述优选实施例中更多数量的共振腔。这样，变型的声学结构1可以在比声学结构的上述优选实施例更宽的频带上实现声音吸收和声音散射效果。另外，中空部件10g可以包括比上述更多数量的分隔墙从而提供更多数量的内部中空区域。

(变型9)

尽管上述优选实施例中的中空部件10是按照两个共振腔11和12共用相同中心轴y₀的方式构造的，但是两个共振腔11和12不必共用相同的中心轴y₀。例如，两个共振腔11和12可以被布置成彼此成预定角度，例如，以“L”或“V”形构造。另外，可以按照多个共振腔面对中间层13的方式来构造中空部件。另外，共振腔不必被布置在相同平面(x-y平面)上并且其可以沿x-y-z空间中任意期望的方向延伸。

(变型10)

尽管在上述优选实施例中的中空部件10在相对端112和122封闭，但是任何一个或两个相对端112和122也可以是敞开的(即，中空部件10可以被构造成开式管)。如果中空部件10在两端112和122是敞开的，那么对应于在相对端具有中空区域开口的共振腔11和12的共振频率的波长λ₁和λ₂满足下面使用共振腔11和12的沿y方向的各个长度l₁和l₂由数学表达式(5)所表示的关系，其中n为大于或等于1的整数并且忽略了开口端校正。

l_i＝n·λ_i/2(i＝1，2)    (5)

如果两端112和122都像这样敞开，那么长度l₁和l₂中的每一个都是对应于共振频率的波长λ₁或λ₂的一半的倍数，这样，中空部件10可以被设计成实现期望的共振频率。

(变型11)

尽管声学结构1的上述优选实施例是按照中空部件10满足关系2S_p＞S_o＞1的方式构造的，但是不必满足这种关系。即使借助关系2S_p＞S_o＞1之外的其他关系，只要声阻抗率ζ的实部几乎为0，也可以通过类似于上述实施例的工作情况来实现声音吸收和散射效果。

另外，开口部分14可以覆盖有无纺织布、网状物、栅网或具有声压传输特性和透气性(粒子速度传输特性)的其他材料，只要声波可以经由开口部分14在外部空间与内部中空区域20之间传播即可。

另外，尽管上述优选实施例中的中空部件10被提供在声学室的内墙面或天花板上，但是中空部件10也可以嵌入到声学室的内墙面或天花板中。另外，中空部件10还可以被设置在平坦的支撑面板上，在这种情况下，支撑面板的表面的作用对应于反射面200的作用。另外，可以在支撑面板上提供移动装置(诸如脚轮)，从而构造可移动的支撑面板。

(变型12)

尽管上述优选实施例中的中空部件10被描述成具有截面为矩形形状的圆柱形，但是其还可以为具有多边形底面的圆柱形状或者任何其他柱形。另外，垂直中空区域的中心轴截取的中空区域的截面形状可以是圆形或多边形，而不受限于关于优选实施例所述的那些形状。而且，沿x-z平面截取的中空区域20的截面形状可以是上述形状之外的形状并且其沿中空区域20的延伸方向(或长度)不必需为均匀的。

另外，尽管声学结构1的上述优选实施例是按照开口部分14以不平行于反射面200的关系定位的方式构造的，但是开口部分14还可以平行于反射面200，在这种情况下，通过如图11所示的声学现象的发生基本上也可以实现相同的声音吸收和散射效果。

(变型13)

在上述优选实施例中，如果共振腔11和12的长度彼此相等(即，l₁＝l₂)，那么边界面111处的粒子速度u₁和边界面121处的粒子速度u₂彼此同相地变化。这样，上述优选实施例适合于增大给定频带上开口部分14处的气体分子的粒子速度并且由此增强该频带上的声音吸收和声音散射效果。另一方面，如果共振腔11和12具有不同的长度(即，l₁≠l₂)，那么声阻抗率ζ变成小于1(ζ＜1)，从而可以加宽可实现声音吸收和声音散射效果的频带。在此情况下，开口部分14的声阻抗率ζ根据数学表达式(4)的关系不规则地变化。这样，在声阻抗率ζ小于1(ζ＜1)时的各个频带可能会变得比在l₁＝l₂的情况下频带窄的情况下，如果满足该条件的频带叠加在一起，则在l₁≠l₂情况下满足该条件的频带可以比l₁＝l₂情况下的频带更宽。可以说能够获得这样的优势，只是因为通过不仅提供声阻抗率ζ为0(ζ＝0)的完全共振而且还通过声阻抗率ζ变成大于0且小于1(0＜ζ＜1)来提供可以被看成共振现象的现象，声学结构实现了声音吸收和声音散射效果。即使在此情况下，如果满足S_p＞S₀的条件，也可以实现增大粒子速度的优势，即u₀＞u₁+u₂。

(变型14)

尽管已经将本发明的声学结构的上述优选实施例和变型描述为包括彼此分开提供的中空部件10和反射面，但是中空部件10与反射面也可以形成在一起。特别地，中空部件10不必形成为与用作反射面的部件分开的外壳部件。可以在控制声学特性的各种声学室中安装本发明的声学结构的上述优选实施例和变型。这里，各种声学室可以是隔音室、礼堂、剧院、用于声学设备的试听室、像会议室的起居室、各种传送设备的空间、扬声器、乐器等的外壳等。

(变型15)

本发明还可以被实现为用于设计以上述方式构造的本发明的声学结构的方法。即，本发明的方法用于设计声学结构，该声学结构包括：共振腔，具有沿一个方向延伸的中空区域，该中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，被布置为靠近开口部分并且面对外部空间。以如下方式设计共振腔和开口部分：在来自外部空间的入射声波落入开口部分并且落在反射面上并且响应于该入射波反射面辐射反射波并且共振腔经由开口部分辐射相位不同于来自反射面的反射波的相位的反射波的条件下，使得通过将开口部分的声阻抗率除以开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实部接近0。

另外，本发明还可以被实现为用于计算以上述任意方式构造的本发明的声学结构的设计条件的设计设备和程序、以及其中存储有该程序的记录或存储介质。

图21是示出了用于计算本发明的声学结构的设计条件的设计设备600的硬件配置示例的框图。设计设备600被实现为计算机的形式，其中包括具有CPU(中央处理单元)和存储器的算术运算装置的控制部分601执行存储于存储部分(或存储介质)602的设计程序PRG，从而执行特定的功能。

显示部分603包括例如作为用于显示图像等的显示装置的液晶显示器，并且在控制部分601的控制下，显示部分603显示用于操纵设计设备600的屏幕、控制部分601的算术运算结果等。

操作部分604包括用于操纵设计设备600的键盘和鼠标。操作者或用户通过操作键盘和鼠标来对设计设备600进行各种输入。

包括硬盘装置的存储部分602其中存储有用于实现对声学结构的设计条件进行计算的功能的设计程序。

控制部分601执行存储于存储部分602中的设计程序PRG，从而计算声学结构的设计条件。例如，假设以与声学结构的优选实施例相同的方式来构造声学结构，并且在来自外部空间的入射声波落入开口部分并且落在反射面上并且响应于该入射波反射面辐射反射波并且共振腔经由开口部分14辐射相位不同于来自反射面的反射波的相位的反射波的条件下，控制部分601计算共振腔11和12以及开口部分14的各个设计条件，以使得开口部分14的声阻抗率ζ的实部接近0。设计条件的示例包括与开口部分14的尺寸、共振腔11和12的尺寸和形状、共振腔11和12的组成部分的材料特性(例如，声阻元件的级别)、以及构造声学结构的空间的介质(通常为空气)相关的条件。认为，随着开口部分14的大小的增大以及共振腔11和12的截面积的减小，例如如上所述，面积比r_s减小，因此开口部分14的声阻抗率ζ的实部接近0。另外，该实部的值还取决于共振腔的组成部分，因此可以通过试验提前确定组成部分与实部的值之间的对应关系，并且将该对应关系用于上述目的。

更有利的是，设计设备600计算设计条件以使得声阻抗率ζ的绝对值变为小于1。

另外，反射面200的材料和形状可以被添加到设计程序PRG的算术算法中。即，控制部分601仅需要以满足用于实现上述声音吸收和声音散射效果的条件的方式执行算术运算。另外，在某种情况下，可以预先确定共振腔的组成部分；在该情况下，用户可以指定多个设计条件中的一个或几个。

应该理解的是，上述用于计算声学结构的设计条件的设计设备和程序还适用于对变型的声学结构(即，变型1至变型15)的设计。

Claims (19)

1.一种声学结构，包括：

共振腔，具有沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及

反射面，被布置成靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，

其中，来自所述外部空间的入射声波落入所述开口部分并且落在所述反射面上，

其中，当所述反射面响应于所述入射声波而辐射反射波时，所述共振腔响应于所述入射声波而发生共振并且经由所述开口部分辐射相位与来自所述反射面的反射波的相位不同的反射波，并且

其中通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的值的实部几乎为0。

2.如权利要求1所述的声学结构，其中当所述反射面辐射响应于所述入射声波的反射波并且所述共振腔辐射基于共振的反射波时，通过将所述开口部分的声阻抗率除以所述开口部分的介质的特性阻抗计算出的所述值的绝对值小于1。

3.如权利要求1所述的声学结构，其中所述开口部分呈不平行于所述反射面的状态。

4.如权利要求3所述的声学结构，其中所述开口部分位于与所述反射面正交的方向上。

5.如权利要求1所述的声学结构，其中与所述共振腔的共振频率的波长相比，所述中空区域在与所述中空区域的延伸方向正交的方向上的截面尺寸非常小。

6.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定所述中空区域的外壳部件，并且所述外壳部件具有多个独立于所述反射面的侧面，并且其中所述中空区域被限定在由所述外壳部件的侧面所包围的内部空间中。

7.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域的外壳部件，并且所述外壳部件被以将所述反射面的一部分并入作为所述外壳部件的一个侧面的方式安装至所述反射面，使得反射面的这部分形成了这一个侧面，并且所述中空区域被限定在由所述外壳部件和所述反射面包围的内部空间中。

8.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域并且在与外部空间的边界上限定一个开口部分的外壳部件，并且其中位于从所述中空区域的第一端到所述开口部分的区域构成第一共振腔，而位于从所述中空区域的第二端到所述开口部分的区域构成第二共振腔。

9.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域并且在与外部空间的边界上限定一个开口部分的外壳部件，并且所述外壳部件在所述中空区域的一端具有一个所述开口部分，并且位于从所述中空区域的另一端到所述开口部分的区域构成一个共振腔。

10.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域并且在与外部空间的边界上限定多个开口部分的外壳部件，并且所述外壳部件包括由分隔墙使彼此分开的多个中空区域，并且其中所述多个开口部分中的每一个被设置在不同的中空区域中。

11.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域的外壳部件，并且所述外壳部件形成多个中空区域，所述多个中空区域被布置成彼此之间成一个角度。

12.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括外壳部件，该外壳部件被构造用于以中空区域在至少一端敞开从而限定开口部分的方式在其内部限定中空区域。

13.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域并且限定开口部分的外壳部件，所述开口部分覆盖有具有声压传输特性的材料。

14.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其中所述共振腔包括被构造用于在其内部限定中空区域的外壳部件，并且所述外壳部件具有用于可变地调节所述中空区域的长度的滑动结构。

15.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其被设置在乐器的预定结构中。

16.如权利要求1到5中任一所述的声学结构，其被设置在声学室以及其它建筑结构的家具、照明设备、墙和天花板的至少之一中。

17.一种声学结构，包括：

共振腔，具有在一个方向上延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通，以及

反射面，被布置为靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，

其中，当所述反射面辐射反射波时，所述共振腔响应于所述入射声波而发生共振，并且经由所述开口部分辐射相位不同于来自所述反射面的反射波的相位的反射波，并且

其中，在所述共振腔的中空区域与开口部分之间提供声压均匀分布的气体层，并且所述开口部分中的介质粒子的运动速度的绝对值大于中空区域与气体层之间的边界面上的介质粒子的运动速度的绝对值。

18.一种设计设备，包括计算声学结构的设计条件的计算部分，所述声学结构包括：共振腔，具有在其内部形成并且沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，被布置为靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，

所述计算部分以如下方式计算所述共振腔和所述开口部分的设计条件：在来自外部空间的入射声波落入开口部分并且落在反射面上并且响应于该入射声波所述反射面辐射反射波并且所述共振腔经由开口部分辐射相位不同于来自所述反射面的反射波的相位的反射波的情况下，使得通过将开口部分的声阻抗率除以开口部分的介质的特性阻抗而计算出的值的实部接近0。

19.一种用于设计声学结构的方法，所述声学结构包括：共振腔，具有在其内部形成并且沿一个方向延伸的中空区域，所述中空区域经由开口部分与外部空间连通；以及反射面，被布置为靠近所述开口部分并且面对所述外部空间，

所述方法包括以如下方式设计所述共振腔和所述开口部分：在来自外部空间的入射声波落入开口部分并且落在反射面上并且响应于该入射声波所述反射面辐射反射波并且所述共振腔经由开口部分辐射相位不同于来自所述反射面的反射波的相位的反射波的情况下，使得通过将开口部分的声阻抗率除以开口部分的介质的特性阻抗而计算出的值的实部接近0。

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