CN111164672A - 隔音结构体 - Google Patents

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Abstract

隔音结构体具有第1管结构和与第1管结构连接且截面积与第1管结构不同的第2管结构，在第1管结构的内部设置有具有比第1管结构的截面积小的截面积的结构体，在第1管结构内设置有结构体的情况相对于在第1管结构内未设置有结构体的情况的透射损失在第1管结构内不易产生气柱共振模式，且在相邻的2个频率侧为正。该隔音结构体在除了导管或消声器等管结构的气柱共振以外的频率侧也产生隔音效果，且该隔音结构体为小型，并在宽带侧也能够得到高的透射损失。

Description

隔音结构体
技术领域
本发明涉及一种具备管结构和结构体的隔音结构体。详细而言，本发明有关一种用于在如导管、消声器及通风套管等透气性管结构中维持透气性的同时在宽频带降低声音而进行隔音的隔音结构体。
背景技术
以往，以确保导管、消声器及通风套管等的透气性为前提的结构物使声音与气体、风或热同时透过，因此有时会要求噪声措施。因此，如导管及消声器等，尤其在安装到具有噪声的设备的用途中，需要通过对导管及消声器的结构进行研究来隔音(参考专利文献1及专利文献2)。
专利文献1中所记载的技术有关由膨胀型消声器组成的排气消声装置，且限定了消声器所具有的膨胀室与排气管的长度。在该技术中，膨胀室的长度L与排气管的长度L2之间存在L＝2nL2的关系。该技术为如下技术，即关于由排气管限定的气柱共振，将膨胀室的长度设为上述关系，由此通过干扰效果有效地抑制由排气管产生气柱共振的频率的声音。
专利文献2中公开了一种吸声结构，其在导管内设置有使用了振动板的共振结构的吸音体。在专利文献2中公开的技术中，在振动板产生共振(谐振)的吸声峰值频率侧得到最高的吸音率。因此，在专利文献2中所记载的技术中，能够对应于入射到导管内的声音的噪声频带而调整吸音体的吸音峰值频率。并且，在该技术中，在入射到导管内的声音的噪声频率跨越多个频带的情况下，根据多个频带将多个吸音体设置在导管内。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-171933号公报
专利文献2：日本特开2016-170194号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在专利文献1中所记载的技术中，存在如下问题，即产生高的隔音效果的情况被限定在排气管的共振频率附近，在要求宽频带侧的隔音效果的情况下无法应用。
并且，在专利文献2中公开的技术中，只以吸收由吸音体的振动板的共振引起的声音为前提，而未提及导管的模式及除了吸音体的共振频率以外的频率的声音的隔音。因此，在该技术中，在要求宽频带侧的隔音效果的情况下需要多个吸音体。然而，在该技术中存在因空间限制而不易将多个隔音部件设置于导管内的情况较多的问题，且存在即使无空间限制，若将多个吸音体设置于导管内，则会导致导管内的透气性恶化及吸音结构的大型化等问题。
并且，通常为了在所希望的频率下得到高的透射损失，如专利文献1及专利文献2的技术，作为措施之一而可考虑放置共振型隔音结构体(例如，亥姆霍兹共振器、气柱共振筒或膜振动型结构体等)而对其共振频率进行隔音。
但是，对于特定频率而言，共振型隔音结构体为有效，但在实现宽带隔音的情况下，共振隔音结构体并不有效。如上所述，存在如下问题，即为了以共振型隔音结构体实现宽带隔音而需要设置共振频率不同的多个结构体。
另一方面，宽带侧的隔音中有时吸音材料为有效。然而，例如聚氨酯或玻璃棉之类的吸音材料对于高频声音而言为有效，但例如在宽带侧消除2kHz以下的低频声音的情况下并不有效。并且，在使用吸音材料的情况下，吸音性能取决于其体积，因此为了提高吸音性能而需要使用更多的吸音材料，但从确保透气性的观点考虑，有时该情况并不适宜。
通常，在基于共振现象而吸收低频率的声音的情况下，由于波长长而导致与其对应的隔音结构的尺寸变大。这些具有引起降低导管或消声器的透气性的缺点的问题。
本发明的目的在于解决上述以往技术的问题点及课题，并提供一种隔音结构体，其在除了导管或消声器等管结构的气柱共振以外的频率下也产生隔音效果，且该隔音结构体为小型，并在宽带侧也能够得到高的透射损失。
并且，本发明的目的在于，除了上述目的以外还提供一种隔音结构体，其由多个截面积所组成的管结构构成，且通过适当地设计该管结构的截面积、设置在管结构内的结构体的长度、位置而能够在宽带侧减少透射波，并在宽带侧得到隔音效果。
在此，本发明中“隔音”包括“隔音”和“吸音”这两种含义来作为声学特性，尤其是指“隔音”。并且，“隔音”是指“屏蔽声音”。即、“隔音”是指“不使声音透射”。因此，“隔音”包括“反射”声音的情况(声音的反射)及“吸收”声音的情况(声音的吸收)(参考三省堂大辞林(第三版)及日本声学材料学会的网页的http：//www.onzai.or.jp/question/soundproof.html以及http：//www.onzai.or.jp/pdf/new/gijutsu201312_3.pdf)。
以下，基本上不区分“反射”和“吸收”，包含两者而称为“隔音”及“屏蔽”，当区分两者时，称为“反射”及“吸收”。
用于解决技术课题的手段
为了实现上述目的，本发明的隔音结构体具有第1管结构和与第1管结构连接且截面积与第1管结构不同的第2管结构，将从第2管结构朝向第1管结构的方向设为波导前进方向，其特征在于，在第1管结构的内部设置有具有比第1管结构的截面积小的截面积的结构体，在第1管结构内形成稳定的气柱共振模式的频率连续存在3个以上，且将i设为整数而将这些连续的3个以上的频率中的连续的3个频率设为fi、fi+1及fi+2，将n设为整数而将最初相邻的2个频率fi与fi+1的中间的频率设为fn，将其次相邻的2个频率fi+1与fi+2的中间的频率设为fn+1时，在第1管结构内设置有结构体的情况相对于在第1管结构内未设置有结构体的情况的透射损失在频率fn及fn+1侧为正。
在此，优选第2管结构的截面积比第1管结构的截面积小，将第1管结构的长度设为L，将截面积设为S1，将波导前进方向的第1管结构的出口侧空间的截面积设为Sout，将结构体的长度设为d，将与波导前进方向垂直的表面的截面积设为S2，将从波导前进方向的第1管结构的出口侧开口端至结构体的设置位置为止的距离设为p，将第1管结构与第2管结构的接合部侧的反射朝向与第1管结构的波导前进方向相反方向的声波且与波导前进方向垂直的表面的截面积设为Sd，将声速设为c，将n设为整数，将第1管结构的长度L与L＝nλ/2对应的频率f设为fn，且由fn＝nc/2L表示时，存在满足下述式(1)的频率。
[数式1]
X(fn)＞1且X(fn+1)＞1 ……(1)
其中，X(f)由下述式(2)～(4)表示。
[数式2]
Figure BDA0002435212160000041
[数式3]
Figure BDA0002435212160000042
[数式4]
Figure BDA0002435212160000043
并且，dS为0.01×S1，
ρ为空气密度，k以波数计为2πf/c，且j表示虚数。
并且，优选将构成第1管结构的截面的外缘的线段的长度中最长的线段长度设为a时，第1管结构的长度L与L＝(n+1)λ/2对应的频率即fn+1满足fn+1＜c/a。
并且，还优选满足下述式(5)。
[数式5]
X(fn+2)＞1 ……(5)
并且，将透射损失设为TL时，TL由下述式(6)表示。
TL＝10log10(X(f))……(6)
并且，优选出口侧空间的截面积Sout与第1管结构的截面积S1之比Sout/S1大于10。
并且，优选第2管结构与第1管结构的端部连接。
并且，优选第1管结构与第2管结构呈直角连接。
并且，优选波导前进方向的第1管结构的出口侧空间为开放空间。
并且，优选结构体为相对于声波的共振体。
并且，优选共振体为气柱共振筒、亥姆霍兹共振器或膜振动型结构体。
发明效果
根据本发明，在除了导管或消声器等管结构的气柱共振以外的频率下也产生隔音效果，为小型，且在宽带侧也能够得到高的透射损失。
并且，根据本发明，提供一种由多个截面积所组成的管结构构成的隔音结构体，通过适当地设计该管结构的截面积、设置在管结构内的结构体的长度、位置而能够在宽带侧减少透射波，并在宽带侧得到隔音效果。
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式所涉及的隔音结构体的一例的示意性剖视图。
图2为图1所示的隔音结构体的示意性立体图。
图3为对图1所示的隔音结构体的隔音原理进行说明的说明图。
图4为用于对本发明的隔音原理进行说明的2个管结构呈直角连接的隔音结构体的示意性剖视图。
图5为表示用于对本发明的隔音结构体的隔音原理进行说明的声音的频率与透射损失的关系的曲线图。
图6为用于对本发明的隔音原理进行说明的2个管结构串联连接的隔音结构体的示意性剖视图。
图7为用于对本发明的实施例中的测定系统进行说明的示意性剖视图。
图8为表示本发明的实施例1的透射损失与频率的关系的曲线图。
图9为表示本发明的比较例1-1的透射损失与频率的关系的曲线图。
图10为表示本发明的比较例1-2的透射损失与频率的关系的曲线图。
图11为表示本发明的比较例1-3的透射损失与频率的关系的曲线图。
图12为本发明的其他实施方式的隔音结构体的一例的示意性立体图。
图13为图12所示的隔音结构体的共振体的一例的示意性剖视图。
图14为表示图12所示的隔音结构体的实施例2和上述实施例1的透射损失与频率的关系的曲线图。
图15为表示本发明的实施例1和实施例2的透射损失与频率的关系的模拟结果的曲线图。
图16为本发明的其他实施方式的隔音结构体的一例的示意性立体图。
图17为表示图16所示的隔音结构体的透射损失与频率的关系的曲线图。
具体实施方式
以下对本发明所涉及的隔音结构体进行详细说明。
本发明的隔音结构体具有第1管结构和与第1管结构连接且截面积与第1管结构不同的第2管结构，将从第2管结构朝向第1管结构的方向设为波导前进方向，其特征在于，在第1管结构的内部设置有具有比第1管结构的截面积小的截面积的结构体，在第1管结构内形成稳定的气柱共振模式的频率连续存在3个以上，且将i设为整数而将这些连续的3个以上的频率中的连续的3个频率设为fi、fi+1及fi+2，将n设为整数而将最初相邻的2个频率fi与fi+1的中间的频率设为fn，将其次相邻的2个频率fi+1与fi+2的中间的频率设为fn+1时，在第1管结构内设置有结构体的情况相对于在第1管结构内未设置有结构体的情况的透射损失在频率fn及fn+1侧为正。
以下，参考附图所示的优选实施方式对本发明所涉及的隔音结构体进行详细说明。
以下，以使用2个第1管结构及第2管结构彼此呈直角连接的弯曲结构的管状结构体，且在第1管结构的内部配置有结构体的情况为代表例而进行说明，但本发明并不限定于此是毋庸置疑的。
图1为示意性表示本发明的一实施方式所涉及的隔音结构体的一例的剖视图。图2为图1所示的隔音结构体的示意性立体图。
(隔音结构体)
图1及图2所示的本发明的一实施方式的隔音结构体10具有截面呈长方形的第1管结构12、与第1管结构12连接的截面呈长方形的第2管结构14及设置在第1管结构12的内部的结构体16。其中，第2管结构14的截面积与第1管结构12不同。如图1及图2所示，第2管结构14的截面积Sin优选比第1管结构的截面积S1小。另外，第2管结构14的截面积Sin只要比第1管结构的截面积S1小即可而并无特别限制，至少为10％即可。
并且，结构体16配置于第1管结构12的内部，因此结构体16的截面积S2比第1管结构12的截面积S1小。
第2管结构14与第1管结构12的一个端部呈直角连接。其结果，第1管结构12及第2管结构14构成弯曲结构的导管或消声器等弯曲结构的管状结构体18。在图1及图2中，第1管结构12的作为管的长度为L，并构成管状结构体18的直管部。另一方面，第2管结构14构成从直管部弯曲的管状结构体18的弯曲部。另外，本发明中，如图1所示，弯曲并不限定于弯曲角度为π/2(90°)而可以具有5°以上的弯曲角度。
在管状结构体18中，第1管结构12的一个端部与第2管结构14连接，但另一端部构成开口端20。该开口端20与截面积Sout的出口侧空间22连接。第2管结构14的一个端部与第1管结构12的一个端部连接，且另一个端部构成开口端24。
本发明中，从第1管结构12的开口端20向出口侧空间22发出声波，但本发明的隔音结构体10的第1管结构12例如能够构成导管或消声器，且出口侧空间22为成为导管或消声器的出口的室内空间或外部空间。因此，本发明中，出口侧空间22优选为比由第1管结构12的开口端20构成的空间更大的空间，更优选为开放空间。例如，优选出口侧空间22的截面积Sout与第1管结构12的截面积S1之比Sout/S1大于10。另外，在出口侧空间22为开放空间的情况下，出口侧空间22的截面积Sout与第1管结构12的截面积S1之比Sout/S1可以为10000以上。
另外，本发明中，如上所述，管状结构体18的第1管结构12与第2管结构14可以对单独的两者进行连接，也可以形成为一体。即，管状结构体18可以一体成型。
本发明的隔音结构体10中，将从管状结构体18的第2管结构14朝向第1管结构12的方向设为波导前进方向df。
管状结构体18在特定频率下产生共振，且作为气柱共振体而发挥功能。
结构体16配置于管状结构体18的第1管结构12的内部且第1管结构12的底面12a上。结构体16呈长方体形。结构体16用于使第1管结构12的内部空间的截面积发生变化。在图1所示的例子中，波导前进方向df上的结构体16的长度为d。结构体16配置于从第1管结构12的开口端20向与波导前进方向df相反方向在第1管结构12内前进相当于距离p的位置。
本发明的隔音结构体10的如管状结构体18的管路中，在管路截面不同的界面产生声波的反射。因此，本发明中，通过将结构体16配置于管状结构体18的第1管结构12的内部的适当位置(例如，在图1所示的例子中从开口端20前进相当于距离p的位置)适当地控制相对于向波导前进方向df前进的声波的反射波的干扰，由此能够实现宽带隔音。
另外，只要能够产生相对于向波导前进方向df前进的声波的反射波，并能够实现基于反射波的干扰的宽带隔音，则结构体16可以为相对于声波的共振体，也可以为具有开口部的结构体。
(隔音结构体的隔音原理)
如图3所示，通过在隔音结构体10的管状结构体18的第1管结构12内配置结构体16，第1管结构12的内部空间的截面积相对于波导前进方向df在结构体16的一个端部(图3中左侧的端部)及结构体16的另一个端部(图3中右侧端部)发生变化。在该情况下，两个端面成为管路截面不同的界面，因此在该界面上相对于声音的阻抗发生变化，产生相对于向波导前进方向df前进的声波的反射，并产生反射波b1及b2。
并且，在第1管结构12的开口端20处，第1管结构12的截面积S1变更为出口侧空间22的截面积Sout。如此，若管路的截面积发生变化，则在作为其界面的开口端20产生相对于向波导前进方向df前进的声波的反射，并产生反射波b3。
如此，如所产生的反射波b1、b2及b3以加强的方式进行干扰的情况下，从第1管结构12的开口端20向出口侧空间22发出的声波减少。其结果，本发明的隔音结构体10能够对入射声音进行隔音。
为了对本发明的隔音结构体10的隔音原理进行说明，首先如图4所示的管状结构体18，对未配置有结构部的仅第1管结构12的声学特性进行说明。
如图4所示的管状结构体18，第1管结构12根据管的长度L而如气柱共振管发挥作用。
例如，在管的长度L满足L＝(2n+1)λ/4(λ为声音的波长，n为整数)的频率下产生λ/4气柱共振，因此向出口侧空间22发出大声音。
该频率的声音在第1管结构12内形成稳定的共振模式，因此如本发明的隔音结构体10，在第1管结构12中设置有成为障碍物的结构体的情况下，在大多数情况下所形成的稳定的共振模式会受干扰，因此能够通过将结构体设置在任意位置(例如，适当的位置)来降低声音。
然而，在最不易产生这种气柱共振模式的频率、例如管的长度L与L＝nλ/2对应的频率或其周边的频率区域不会产生共振(模式的形成)。
在这种频率fn(＝nc/(2L))(c为声速(m/s))或该频率区域未产生共振，因此即使在任意位置(例如，适当的位置)设置有结构体(由于从一开始就未形成模式)也无法可靠地降低向出口侧空间发出的声音。例如，在这种频率fn，有时向出口侧空间22发出的声音被放大而变大，有时被降低而变小。因此，本发明的隔音结构体10中，关于结构体16的大小及放置结构体16的位置需要适当地进行设计。
例如，图5为表示在图4所示的管状结构体18的第1管结构12的内部放置有成为障碍物的结构体的情况下的透射损失的概念的图。即，将表示用于对本发明的隔音结构体的隔音原理进行说明的声音的频率与透射损失的关系的曲线图示于图5。
如图5所示，在第1管结构12的管的长度L成为L＝(2i+1)λ/4(i：整数)的频率fi，如上所述，由于产生了(2i+1)λ/4共振(所谓的λ/4共振)，因此通过在第1管结构12内放置结构体，稳定的共振模式受干扰而透射损失增加。在此，由于声音的波长λ由λ＝4L/(2i+1)表示，因此频率fi由fi＝(2i+1)c/(4L)表示。其中，c表示声速。另外，由fi+1＝(2(i+1)+1)c/(4L)＝(2i+3)c/(4L)表示，且由fi+2＝(2(i+2)+1)c/(4L)＝(2i+5)c/(4L)表示。
然而，如图5所示，在包括最不易产生上述气柱共振模式的频率fn(＝nc/(2L))的周边区域的频率下，由于不会形成共振模式，因此通过在第1管结构12内放置结构体可放大或降低声音。如此，在频率fn的周边区域的频率中无法可靠地降低声音。并且，在频率fn+1(＝(n+1)c/(2L))的情况下也相同。
另外，如图5所示，频率fn为频率fi与频率fi+1的中间的频率，频率fn+1为频率fi+1与频率fi+2的中间的频率。
因此，为了在本发明的隔音结构体10中实现宽带隔音，需要在能够在第1管结构12的最不易产生气柱共振模式的频率fn及fn+1可靠地降低声音的第1管结构12内的位置配置结构体16。
因此，首先考虑如图6所示的线性结构的管状结构体26的情况的声学特性。
管状结构体26中第1管结构12的一个端面的中心与第2管结构28的一个端部连接，并形成线性结构。在管状结构体26中，声音从第2管结构28的另一个端部的开口端30入射，并经由第1管结构12与第2管结构28的连接部而在第1管结构12内向波导前进方向df前进，且从第1管结构12的另一个端部的开口端20透射到出口侧空间22而发出。
其中，将从第2管结构28的开口端30入射的入射波设为Wi0，将从第1管结构12的开口端20透射到出口侧空间22的透射波设为Wt0时，图6所示的第1管结构12的传递矩阵由下述式(3)表示。
[数式6]
Figure BDA0002435212160000101
其中，k为波数，且由k＝2π/λ＝2πf/c表示。L为第1管结构12的长度。ρ为空气的密度，例如为1.2(kg/m2)。c为声速，例如为343(m/s)。S1为第1管结构12的截面积。j表示虚数。
根据上述式(3)，若参考Acoustics of Ducts and Mufflers second edition(M.L.Munjal著WILEY公司)的2.18计算入射波的能量Wi0与透射波的能量Wt0的比率Wi0/Wt0，则能够由下述式(7)表示。其中，Sin为第2管结构28的截面积，Sout为出口侧空间的截面积。另外，本发明中，在出口侧空间22为开放空间，且出口侧空间22的截面积Sout与第1管结构12的截面积S1之比Sout/S1为10000以上的情况下，将出口侧空间22的截面积Sout设为10000S1。
[数式7]
Figure BDA0002435212160000102
其中，若将第1管结构12与第2管结构28的接合部侧的反射朝向与第1管结构12的波导前进方向相反方向的声波且与波导前进方向垂直的表面的截面积设为Sd，则Sin由Sin＝S1-Sd表示。因此，上述式(7)由下述式(8)表示。
[数式8]
Figure BDA0002435212160000111
在图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况下，声音从第2管结构14的开口端24入射，并经由第1管结构12与第2管结构28的连接部而在管结构1的端部或管结构2的端部呈直角弯曲，在第1管结构12内向波导前进方向df前进，且从第1管结构12的开口端20透过到出口侧空间22而发出。因此，第1管结构12中的声音的传播在图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况和图6所示的线性结构的管状结构体26的情况下均类似。
然而，图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况下的声学特性与图6所示的线性结构的管状结构体26的情况下的声学特性不同，因此上述式(8)并不成立。
另外，本发明中，如上所述，弯曲结构是指管结构1的波导前进方向矢量与管结构2的波导前进方向矢量所成的角呈5度以上的角度的情况，线性结构是指管结构1的波导前进方向矢量与管结构2的波导前进方向矢量所成的角小于5度的情况。
在图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况下，图4所示的第1管结构12的传递矩阵也同样地由上述式(3)表示，若根据该上述式(3)计算入射波Wi0与透射波Wt0的比率Wi0/Wt0，则同样地成为上述式(8)。
然而，在图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况下，第1管结构12与第2管结构28的接合部侧的反射朝向与第1管结构12的波导前进方向相反方向的声波且与波导前进方向垂直的表面的截面积Sd与第1管结构12的截面积S1相等，且成为S1-Sd＝0，因此需要导入假定如弯曲结构不是线性结构的情况的校正项。
其中，若将该校正项设为dS，则入射波Wi0与透射波Wt0的比率Wi0/Wt0能够由下述式(9)表示。另外，校正项dS例如能够设为dS＝0.01×S1。
[数式9]
Figure BDA0002435212160000112
在此，在图4所示的弯曲结构的管状结构体18的第1管结构12的内部配置结构体16而构成了图1所示的本发明的隔音结构体10的情况下，声音以与图4所示的弯曲结构的管状结构体18的情况相同的方式传播，且从第1管结构12的开口端20透射到出口侧空间22而发出。
在此，将从第2管结构28的开口端30入射的入射波设为Wi0，将从第1管结构12的开口端20透射到出口侧空间22的透射波设为Wt1时，图1所示的第1管结构12的传递矩阵由下述式(4)表示。其中，如图1所示，S2为与波导前进方向df垂直的结构体16的截面积，d为结构体16的波导前进方向df的长度，p为从开口端20至结构体16为止的距离。
[数式10]
Figure BDA0002435212160000121
根据上述式(4)，若计算入射波Wi0与透射波Wt1的比率Wi0/Wt1，则能够由下述式(10)表示。
[数式11]
Figure BDA0002435212160000122
如上所述，在弯曲结构的管状结构体18的第1管结构12的内部配置结构体16而构成了图1所示的本发明的隔音结构体10的情况相对于在弯曲结构的管状结构体18的第1管结构12的内部未配置结构体16的情况下的透射损失TL由下述式(11)给出。
TL＝10log10(Wt0/Wt1)
＝10log10(上述式(9)的右边/上述式(10)的右边)……(11)
上述式(11)中，若(上述式(9)的右边/上述式(10)的右边)＝X(f)，则透射损失TL表示为TL＝10log10(X(f))，因此若成为X(f)＞1，则透射损失TL成为正(TL＞0)，从而可知产生透射损失，并产生隔音效果。
其中，X(f)能够表示为下述式(2)。
[数式12]
Figure BDA0002435212160000131
该X(f)为表示在第1管结构12的内部配置有结构体16的本发明的隔音结构体10的透射损失的参数。
在本发明的隔音结构体10中，通过以X(f)的值大于1(X(f)＞1)的方式将结构体16配置在第1管结构12的内部，从而能够产生宽带的隔音效果。
导出上述传递矩阵的方程式的理论基本上在如下情况下成立，即假定声波为从导管等的管结构的入口朝向出口直接进入的平面波而不会干扰波的表面。如此，由于为声音以平面波流动为前提的理论，因此若成为无法以平面波流动的情况，则并不成立。
其中，声音的平面波在截面积为S1的第1管结构12中向波导前进方向df流动时，在与波导前进方向df垂直的方向上形成表面的模式。例如，在第1管结构12的截面形状为长方形的情况下，若将其长边的长度设为a，则有时在如a为nλ/2(n为自然数)、例如与λ对应的频率，例如产生共振而完全无法发出声音。该频率为声音无法以平面波在第1管结构12的管路截面流动的频率。若比该频率高，则有时在与波导前进方向df垂直的方向上产生独立的驻波(模式)，且在形成有这种模式的情况下会导致声音无法以平面波流动。
如向波导管导入完全理想的平面波，并且波导管中无散射体等的情况，根据声源及计算模型的设定条件而有时不会产生模式。但是，实际上不易将声源设定成导入完全理想的平面波。在波导管截面为长方形的情况下，与声源条件无关而不易作为平面波而传播的频率的基准由与n＝2对应的c/a给出。
因此，声音以平面波在第1管结构12的管路截面流动，若将上述理论成立的频率设为fn及fn+1，则X(fn)＞1及X(fn+1)＞1，且fn＜fn+1，从而频率fn+1应小于c/a。
根据以上，在本发明中需要满足fn+1＜c/a。
本发明中，连接第1管结构12与第2管结构14的管状结构体18具有至少1个第1管结构12的开口端20，只要呈管形状则可以为任意结构体，且只要用于多个用途中的结构体即可，但优选具有透气性。因此，管状结构体18优选两端(即，第1管结构12及第2管结构14的各端部)成为开口端，且两侧被敞开，但在管状结构体18的一端部被安装到声源的情况下，仅另一个端部被敞开，且可以成为开口端。
作为管状结构体18的管形状，可以为如图2所示的截面呈长方形的弯曲结构的弯曲管形状而并无特别限制。关于管状结构体18，例如若在内部配置有结构体，则可以为图6所示的线性管形状，但优选管状结构体18呈弯曲。并且，管状结构体18(即，第1管结构12及第2管结构14)的截面形状也并无特别限制而可以为任意形状。例如，作为第1管结构12、第2管结构14及管状结构体18各自的截面形状而可以为正方形、正三角形、正五边形或正六边形等正多边形。并且，作为第1管结构12、第2管结构14及管状结构体18各自的截面形状，可以为包含等腰三角形及直角三角形等的三角形、包含菱形及平行四边形的四边形、五边形或六边形等多边形，也可以为无规则形。并且，作为第1管结构12、第2管结构14及管状结构体18各自的截面形状，可以为圆形或椭圆形。并且，第1管结构12、第2管结构14及管状结构体18各自的截面形状可以在管状结构体18的中途发生变化。并且，第1管结构12的截面形状与第2管结构14的截面形状可以不同。
另外，在第1管结构12及第2管结构14截面形状为多边形、圆形或椭圆形等的情况下，根据它们的截面形状而求出截面的面积即可。然而，截面形状为无规则形，例如在截面形状的外形上存在凹凸等的情况下，根据平滑地连结有凸部的峰的曲线或平滑地连结有凹部谷的曲线等而确定截面形状，并求出该截面的面积，从而作为第1管结构12的截面积S1及第2管结构14的截面积Sin等即可。另外，在该截面形状能够近似于等效圆的情况下，求出等效圆的面积来作为截面积即可。
另外，关于出口侧空间22的截面积Sout、结构体16的截面积S2、在第1管结构12与第2管结构28的接合部侧反射声波的表面的截面积Sd也以相同的方式求出即可。
作为本发明的隔音结构体10的用途，例如能够举出直接或间接地安装到工业设备、输送用设备或一般家用设备等而使用的导管或消声器等。作为工业设备，例如能够举出影印机、送风机、空调设备、通风扇、泵类及发电机以及涂布机、旋转机及运送机等发出声音的各种制造设备等。作为输送用设备，例如能够举出汽车、电车及飞机等。作为一般家用设备，例如能够举出冰箱、洗衣机、干燥机、电视、复印机、微波炉、游戏机、空调、电风扇、PC、吸尘器及空气净化器等。
作为本发明的隔音结构体10的用途，尤其能够举出汽车用消声器、附接到影印机等电子设备的导管等装置及设备的导管、通风套管等建筑用及建筑材料用导管。
在上述例子中，作为配置于本发明的第1管结构12的内部的结构体而使用封闭管路的截面下方的一部分，使管路的截面积发生变化并产生反射波的长方体形结构体16。然而，本发明并不限定于此，只要能够封闭第1管结构12的管路的截面的至少一部分，使管路的截面积发生变化并产生反射波，则可以为任何形状的结构体。
并且，在本发明的隔音结构体中，只要能够使管路的截面积发生变化并产生反射波，则可以使用多个结构体16等。
而且，若通过配置于本发明的第1管结构12的内部而使管路的截面积发生变化并产生反射波，并且消除或者吸收在第1管结构12内向波导前进方向df前进的声音，从而能够降低从第1管结构12的开口端20向出口侧空间22发出的声音，则可以使用任意结构体。例如，作为结构体，例如能够通过使用后述亥姆霍兹共振器、气柱共振筒或膜振动型结构体等共振型隔音结构体尤其有效地对共振频率的声音进行隔音，且在宽带进行隔音。
如上所述，在作为结构体而使用了亥姆霍兹共振器、气柱共振筒或膜振动型结构体等共振型结构体即共振体的情况下，可以根据第1管结构12的截面尺寸而使用多个共振体。
在此，亥姆霍兹共振器具备具有开口部的盖子和开口部背面的被封闭的背面空间。另外，关于亥姆霍兹共振器的详细内容，在后面进行详细叙述。
并且，气柱共振筒为具有沿1个端面形成的狭缝状开口部的筒状体或管状体。
并且，膜振动型结构体等膜型共振体为由膜和被封闭的背面空间构成的共振体。
本发明中所使用的亥姆霍兹共振器、气柱共振筒及膜振动型结构体等膜型共振体并无特别限制，只要为以往公知的亥姆霍兹共振器、气柱共振筒及膜型共振体即可。
并且，结构体16与第1管结构12可以一体成形。并且，第1管结构12与第2管结构14可以一体成形。
另外，在将结构体16与第1管结构12一体成形的情况下，可以通过使第1管结构12的底面12a以长方体形在图2中向上侧凹陷而由凹陷的长方体形底面12a所组成的结构物形成结构体16。
并且，结构体16可以为能够相对于第1管结构12进行拆装。并且，第2管结构14可以为能够相对于第1管结构12进行拆装。
例如，在图1所示的隔音结构体10中，虽省略了图示，但在结构体16的底部的外侧表面的至少一部分固定有磁体，在第1管结构12的底部的内侧表面的相对应的位置的至少一部分固定有极性不同的磁体，从而极性不同的1组磁体彼此以能够进行拆装的方式粘附固定，由此结构体16等可以以能够相对于第1管结构12进行拆装的方式进行固定。或者，可以替代1组磁体而使用magic tape(注册商标)(Kuraray Fastening Co.,Ltd.制)等面紧固件或双面胶带，从而结构体16以能够相对于第1管结构12进行拆装的方式进行固定，也可以使用双面胶带对两者进行固定。
另外，能够相对于第1管结构12进行拆装的第2管结构14的结构也相同。
管状结构体18的第1管结构12及第2管结构14以及结构体16等的材料只要具有适合应用于隔音对象物的强度，且相对于隔音对象物的隔音环境具有耐性则并无特别限制，能够根据隔音对象物及其隔音环境而选择。例如，作为第1管结构12及第2管结构14以及结构体16等的材料，能够举出铝、钛、镁、钨、铁、钢、铬、铬钼、镍铬钼及它们的合金等金属材料、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、聚醚酰亚胺、聚缩醛、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰亚胺及三乙酰纤维素等树脂材料以及碳纤维增强塑料(CFRP：Carbon Fiber ReinforcedPlastic)、碳纤维及玻璃纤维增强塑料(GFRP：Glass Fiber Reinforced Plastic)等。
并且，也可以将这些材料组合使用多种。
另外，第1管结构12及第2管结构14、以及结构体16等的材料可以相同，也可以不同。在结构体16与管状结构体18的第1管结构12一体成形的情况下，优选第1管结构12及结构体16等的材料相同。
另外，将结构体16配置于第1管结构12的内部的配置方法也包括以能够相对于第1管结构12进行拆装的方式配置结构体16的情况并无特别限制，只要使用以往公知的方法即可。
实施例
根据实施例对本发明的隔音结构体进行具体说明。
(实施例1)
首先，使用由图2所示的第1管结构12及第2管结构14构成的直角连接弯曲结构的管状结构体18，在管状结构体18的第1管结构12内配置结构体16而制作了图1所示的本发明的隔音结构体10。
作为管状结构体18，使用了管状结构体18的第1管结构12的尺寸为88mm×163mm(截面)×394mm(长度)，第2管结构14的尺寸为64mm×163mm(截面)×27.4mm(长度)的结构体。
第1管结构12的长度L通过对实际长度0.394m相加开口端校正部分的0.0405m而成为0.435m(L＝0.394m+0.0405m＝0.435m)。
第1管结构12的截面积S1为0.0143m2(S1＝0.088m×0.163m＝0.0143m2)。并且，在第1管结构12与第2管结构28的接合部侧反射声波的表面的截面积Sd与截面积S1相等而为0.0143m2(S1＝Sd＝0.0143m2)。
并且，作为结构体16使用了其尺寸为20mm×163mm(截面)×40mm(长度)的结构体。
结构体16的长度d为0.04m，且截面积S2为0.00326m2(S1＝0.020m×0.163m＝0.00326m2)。
如图7所示，将所制作的隔音结构体10的第1管结构12的开口端20连接到成为出口侧空间22的测定室32。
另外，测定室32的尺寸为10m×5m(截面)×15m(长度)。
出口侧空间22的截面积Sout为50m2(Sout＝5m×10m＝50m2)。
隔音结构体10的开口端20配置在测定室32的截面中央。
接着，如图7所示，相对于隔音结构体10的管状结构体18配置了声源34及麦克风36。声源34被配置成与管状结构体18的第2管结构14的开口端24粘附。测量用麦克风36在测定室32内设置在从隔音结构体10的管状结构体18的第1管结构12的开口端20距离500mm的位置且从第1管结构12的底面12a向上侧距离500mm的位置。
在这种位置配置声源34及麦克风36，且如图7所示，在第1管结构12内设置有结构体16的状态及未设置结构体16的状态各自的情况下，从声源34产生声音并通过麦克风36测定了声压。从它们的测定值计算出隔音结构体10的透射损失。
其中，将未设置结构体16的情况下通过麦克风36测定的声压设为p0，将设置有结构体16的情况下的声压设为p1时，透射损失TL能够作为TL＝20log10(p0/p1)而求出。
在图7所示的隔音结构体的构成中，改变第1管结构12内的结构体16的设置位置，并改变从第1管结构12的开口端20至结构体16的设置位置为止的距离p，关于本发明的隔音结构体10的实施例1及比较例1-1～比较例1-3，在100Hz至2000Hz的频率下进行基于麦克风36的声压测定，并从声压的测定值计算出隔音结构体的透射损失。如此，求出了频率100Hz至2000Hz的透射损失的实验值。实施例1、比较例1-1、比较例1-2及比较例1-3的距离p分别为0cm、8cm、12cm及16cm。
将所得到的实施例1、比较例1-1、比较例1-2及比较例1-3的实验值分别示于图8～图11。
在此，将频率的上限设为2000Hz的原因为计算上述式(2)的理论成立的频率fn+1应比c/a小。其中，构成第1管结构12的截面的外缘的线段的长度中最长的线段长度a为163mm＝0.163m，且声速c为343m/s，因此为c/a＝343/0.163＝2104Hz，且为fn+1＜2104Hz。
另一方面，利用上述式(2)，关于本发明的隔音结构体10的实施例1及比较例1-1～比较例1-3，在100Hz至2000Hz的频率下通过计算求出透射损失参数X(f)，并按照下述式(6)计算出隔音结构体的透射损失的理论值(理论计算值)。
TL＝10log10(X(f))……(6)
将所得到的实施例1、比较例1-1、比较例1-2及比较例1-3的理论值分别与实验值一同分别示于图8～图11。
并且，关于实施例1、比较例1-1、比较例1-2及比较例1-3，将频率400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz下的透射损失参数X(f)的值示于表1。
另外，在本实施例及比较例中，在长度L的第1管结构12内不易产生稳定的气柱共振模式的频率fn由nc/2L表示时，进行了开口端校正的L为0.435m，且c为343m/s，因此成为nc/2L＝343/(0.435×2)＝394n(Hz)。
因此，频率400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz分别与n为1、2、3及4的情况对应。
[表1]
- 实施例1 比较例1-1 比较例1-2 比较例1-3 实施例2 实施例3
p[cm] 0 8 12 20 0 0
X(400Hz) 1.12 1.14 1.08 0.91 1.29 1.12
X(800Hz) 1.32 0.80 0.78 1.32 1.72 1.33
X(1200Hz) 1.25 0.98 1.49 0.70 1.40 1.25
X(1600Hz) 0.89 1.58 0.66 1.30 0.69 0.89
从表1的结果明确了如下，即在距离p为0cm的实施例1中，在作为3个彼此相邻的频率fn(＝nc/2L)的400Hz、800Hz及1200Hz，透射损失参数X(f)大于1，且根据上述式(6)透射损失TL为正。另外，由于能够表示为fi(＝(2i+1)c/4L＝(i+1/2)c/2L)，因此这些相邻的频率之间的频率为在长度L的第1管结构12内产生稳定的气柱共振模式的频率。认为在这些频率fi(200Hz、600Hz、1000Hz及1400Hz、1800Hz)及其附近，将结构体16配置于第1管结构12内，由此稳定的气柱共振模式受干扰，并产生透射损失TL。
因此，可以说在实施例1中得到了宽带透射损失。
关于该情况，从图8所示的实验及理论计算也可知在400Hz、800Hz及1200Hz侧透射损失为正，且在这些频率附近的频率侧透射损失也为正，因此得到了宽带透射损失。
如此，可知在实施例1中确认到在连续且相邻的fn侧存在透射损失大于0的fn，且得到了宽带透射损失。
另一方面，如从表1的结果可知，在距离p为8cm的比较例1-1中，在400Hz及1600Hz侧透射损失参数X(f)大于1，但在相邻的800Hz及1200Hz侧透射损失参数X(f)小于1。
同样地，在距离p为12cm的比较例1-2中，在400Hz及1200Hz侧透射损失参数X(f)大于1，但在相邻的800Hz及1600Hz侧透射损失参数X(f)小于1。
并且，同样地在距离p为20cm的比较例1-3中，在800Hz及1600Hz侧透射损失参数X(f)大于1，但在相邻的400Hz及1200Hz侧透射损失参数X(f)小于1。
从以上的表1的结果明确可知，在比较例1-1、1-2及1-3中，在由400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz组成的2个以上的连续且相邻的频率fn侧存在X(f)成为1以下的频率，且未得到宽带透射损失。
关于该情况，从图9、图10及图11所示的实验及理论计算也可知在比较例1-1、1-2及1-3中，在包含400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz的频带侧透射损失为正的频率区域与透射损失为负的频率区域交替出现，且未得到宽带透射损失。
如此，在比较例1-1、1-2及1-3中，在连续且相邻的fn侧两者的透射损失并不同时为正(大于0)，其结果可知未得到宽带透射损失。
从以上结果表示了本发明的有效性，并明确了本发明的效果。
(实施例2)
如图12所示，替代图1所示的实施例1的隔音结构体10的结构体16，变更为共振结构体即由4个亥姆霍兹共振器38构成的结构体40，除此以外，制作了具有与实施例1相同的结构的实施例2的隔音结构体10a。
如图13所示，亥姆霍兹共振器38在相当于长方体形框体38a的顶板的盖子38b的中心具有圆筒状开口42，并在框体38a的内部具有成为开口42的背面的被封闭的背面空间44。
在此，图13所示的亥姆霍兹共振器38使用了由5mm的板材构成，框体38a的外形尺寸为30mm×40mm(截面)×50mm(长度)，且开口42的直径为8mm的结构体。并且，背面空间44的尺寸为20mm×30mm(截面)×40mm(长度)。
该亥姆霍兹共振器38为在700Hz产生共振的共振结构体。
因此，结构体40的长度d为0.05m，截面积S2为0.00048m2(S1＝0.030m×0.040m×4＝0.0048m2)。
替代图7所示的隔音结构体10，将图12所示的隔音结构体10a安装到测定室32，关于实施例2的隔音结构体10a，以与实施例1完全相同的方式在100Hz至2000Hz的频率下进行基于麦克风36的声压测定，并从声压的测定值计算出隔音结构体的透射损失。如此，求出了频率100Hz至2000Hz的透射损失的实验值。实施例2的距离p为0cm。
将所得到的实施例2的实验值与实施例1的实验值一同示于图14。
另一方面，利用上述式(2)，关于本发明的实施例2的隔音结构体10a求出了频率400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz下的透射损失参数X(f)的值(理论计算值)。将其结果示于表1。
从表1的结果明确了如下，即在实施例2中，与实施例1相同在作为3个彼此相邻的频率fn(＝nc/2L)的400Hz、800Hz及1200Hz，透射损失参数X(f)大于1，且根据上述式(6)透射损失TL为正。
因此，可以说在实施例2中与实施例1相同而得到了宽带透射损失。
其结果还可从图14所示的实验值确定。
而且，得知如下，即如图14所示，在使用了作为共振体的结构体40的实施例2的情况下，在作为亥姆霍兹共振器38的共振频率的700Hz附近，与使用了不是共振结构体的结构体16的实施例1的情况相比透射损失得以提高。
使用COMSOL MultiPhysics Ver5.3a声学模块同时对图1所示的隔音结构体10的实施例1及图12所示的隔音结构体10a的实施例2中的透射损失进行了模拟。将其结果示于图15。
如可从图15所示的模拟结果明确可知，在作为亥姆霍兹共振器38的共振频率的700Hz附近，与实施例1的情况相比，在实施例2的情况下，透射损失得以提高。
根据以上，可知从隔音的观点考虑，配置于第1管结构12内的结构体为如亥姆霍兹共振器38的共振结构体为更有利。
(实施例3)
如图16所示，替代图1所示的实施例1的隔音结构体10的弯曲结构的管状结构体18而使用将第2管结构28连接到与第1管结构12的开口端20对置的壁面的线性结构的管状结构体26，并使第1管结构12的底面12a凹陷而构成结构体16a，除此以外，制作了具有与实施例1相同的构成的实施例3的线性结构的隔音结构体11。
另外，也可以说图16中的实施例3的隔音结构体11在图6所示的线性结构的管状结构体26中，在第1管结构12的开口端20侧构成了结构体16a。
另外，结构体16a具有与图1所示的实施例1的隔音结构体10的第1管结构12内的结构体16完全相同的功能。
实施例3的隔音结构体11的第2管结构28的尺寸为30mm×30mm(截面)×64mm(长度)。
并且，结构体16a与图1所示的实施例1的结构体16相同，其尺寸为20mm×163mm(截面)×40mm(长度)。
结构体16a的长度d为0.04m，且截面积S2为0.00326m2。并且，距离p为0cm。
关于本发明的隔音结构体11的实施例3，利用上述式(2)在100Hz至2000Hz的频率下通过计算求出透射损失参数X(f)，并按照下述式(6)计算出隔音结构体的透射损失的理论值(理论计算值)。
TL＝10log10(X(f))……(6)
将所得到的实施例3的理论值示于图17。
并且，关于实施例3，将频率400Hz、800Hz、1200Hz及1600Hz下的透射损失参数X(f)的值示于表1。
从表1的结果明确了在实施例3中，与实施例1及实施例2相同在作为3个彼此相邻的频率fn(＝nc/2L)的400Hz、800Hz及1200Hz，透射损失参数X(f)大于1，且根据上述式(6)透射损失TL为正。
因此，可以说在实施例3中，与实施例1及实施例2相同而得到了宽带透射损失。
其结果还可从图17所示的模拟结果明确。
因此，本发明的隔音结构体并不是弯曲结构，且即使为线性结构也能够实现宽带透射损失。
从以上实施例1～实施例3明确了本发明的效果。
以上，关于本发明的隔音结构体，举出各种实施方式及实施例而进行了详细说明，但本发明并不限定于这些实施方式及实施例，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以进行各种改良或变更是毋庸置疑的。
产业上的可利用性
本发明的隔音结构体能够用作在如使声音与气体、风或热同时透过的导管、消声器及通风套管等的透气性管结构中，维持透气性的同时在宽频带侧降低声音而进行隔音的结构物。本发明的隔音结构体尤其适合安装到具有噪声的设备的用途。
符号说明
10、10a、11-隔音结构体，12-第1管结构，12a-底面，14、28-第2管结构，16、16a、40-结构体，18、26-管状结构体，20、24、30-开口端，22-出口侧空间，32-测定室，34-声源(扬声器)，36-麦克风，38-亥姆霍兹共振器，38a-框体，38b-盖子，42-开口，44-背面空间，df-波导前进方向，b1、b2、b3-反射波。

Claims (11)

1.一种隔音结构体，其具有第1管结构和第2管结构，该第2管结构与所述第1管结构连接且截面积与所述第1管结构不同，所述隔音结构体将从所述第2管结构朝向所述第1管结构的方向设为波导前进方向，其特征在于，
在所述第1管结构的内部设置有具有比所述第1管结构的截面积小的截面积的结构体，
在所述第1管结构内形成稳定的气柱共振模式的频率连续存在3个以上，且将i设为整数而将这些连续的3个以上的频率中的连续的3个频率设为fi、fi+1以及fi+2，将n设为整数而将最初相邻的2个频率fi与fi+1的中间的频率设为fn，将其次相邻的2个频率fi+1与fi+2的中间的频率设为fn+1时，
与在所述第1管结构内未设置有所述结构体时的透射损失相比，在所述第1管结构内设置有所述结构体时的透射损失在频率fn以及fn+1下为正。
2.根据权利要求1所述的隔音结构体，其中，
所述第2管结构的截面积比所述第1管结构的截面积小，
将所述第1管结构的长度设为L，将截面积设为S1，将所述波导前进方向的所述第1管结构的出口侧空间的截面积设为Sout，将所述结构体的长度设为d，将与所述波导前进方向垂直的面的截面积设为S2，将从所述波导前进方向的所述第1管结构的出口侧开口端至所述结构体的设置位置为止的距离设为p，
将所述第1管结构与所述第2管结构的接合部侧的反射朝向与所述第1管结构的所述波导前进方向相反的方向的声波且与所述波导前进方向垂直的表面的截面积设为Sd，将声速设为c，将n设为整数，
将所述第1管结构的长度L与L＝nλ/2对应时的频率f设为fn，且由fn＝nc/2L表示时，
存在满足下述式(1)的频率，
[数式1]
X(fn)＞1且X(fn+1)＞1……(1)
其中，X(f)由下述式(2)～(4)表示，
[数式2]
Figure FDA0002435212150000021
[数式3]
Figure FDA0002435212150000022
[数式4]
Figure FDA0002435212150000023
Figure FDA0002435212150000024
并且，dS为0.01×S1，
ρ为空气密度，k以波数计为2πf/c，且j表示虚数。
3.根据权利要求2所述的隔音结构体，其中，
将构成所述第1管结构的截面的外缘的线段的长度中最长的线段长度设为a时，作为所述第1管结构的长度L与L＝(n+1)λ/2对应时的频率的fn+1满足fn+1＜c/a。
4.根据权利要求2或3所述的隔音结构体，其中，
还满足下述式(5)
[数式5]
X(fn+2)＞1……(5)。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的隔音结构体，其中，
将所述透射损失设为TL时，TL由下述式(6)表示，
TL＝10log10(X(f))……(6)。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的隔音结构体，其中，
所述出口侧空间的截面积Sout与所述第1管结构的截面积S1之比Sout/S1大于10。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的隔音结构体，其中，
所述第2管结构与所述第1管结构的端部连接。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的隔音结构体，其中，
所述第1管结构与所述第2管结构呈直角连接。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的隔音结构体，其中，
所述波导前进方向的所述第1管结构的出口侧空间为开放空间。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的隔音结构体，其中，
所述结构体为针对声波的共振体。
11.根据权利要求10所述的隔音结构体，其中，
所述共振体为气柱共振筒、亥姆霍兹共振器或膜振动型结构体。
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