JP2002356934A - 板材を二重に用いた遮音構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は低周波数域における遮音性能の向
上を図ることができるようにした板材を二重に用いた遮
音構造を提供することにある。 【解決手段】 一対の壁体１，２が所定間隔で設けられ
る二重壁構造において、上記一対の壁体間にヘルムホル
ツ共鳴器４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は室内外を隔てる壁
体や窓のガラス板を二重構造にした遮音構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】室内外の遮音性能を高めるために、室内
外を隔てる壁体を二重にする、いわゆる二重壁構造が採
用されることが多い。さらに、部屋の壁体にはガラス板
などの開口部が必要不可欠であるが、開口部は遮音上の
弱点となるため、これには二重窓構造が採用される。

【０００３】これらの二重壁構造や二重窓構造のような
板材を二重に用いた遮音構造は、建築における部屋の界
壁、外壁は言うに及ばず、発生騒音が問題となる航空機
や高速鉄道でも車体の重量軽減と室内静穏化の双方の目
的を達する最も代表的な対策手段として用いられている
方法である。

【０００４】しかしながら、このような遮音構造では、
高周波数域では高い遮音性能を得られるものの、一般に
低周波数域の、ある特定の周波数で遮音性能が極端に低
下する。これは、物理的には、二重構造を構成する二枚
の板材とその間に存在する空気がバネマス系を構成する
ことにより、ある特定の周波数で共振を生じることが原
因であり、この種の構造に宿命的な現象である。

【０００５】図１２は、曲線Ｘで示す一重壁および曲線
Ｙで示す二重壁の遮音性能を模式的に表したものであ
る。同図において範囲Ｄ_１ は二重壁構造が有利な周波
数域であり、範囲Ｄ_２ は二重壁構造が不利な周波数域
である。つまり、材料を二重に用いていることにより、
コストの増大や及び設置スペースが大きくなるにもか係
わらず、周波数範囲Ｄ_２ では遮音性能がかえって悪化
する結果となっている。

【０００６】なお、曲線Ｘにおいてｆｃはコイシデンス
限界周波数であり、曲線Ｙにおいてｆｒは低音域共鳴透
過周波数である。

【０００７】一般的に、高周波数域よりも低周波数域の
騒音を低減する対策の方が困難であり、このような現象
は騒音制御技術に関わる大きな課題の一つとなってい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来、遮音性能の低下
を防ぐために、二枚の板材の間に空気層の代わりにグラ
スファイバーなどの材料を挿入したサンドイッチパネル
構造が考えられている。この方法は、透光性確保の面で
二重窓構造には適用することが不可能であり、二重壁構
造の場合には内部に挿入する材料として大面積のものが
必要であり、コストがかかるといった問題がある。

【０００９】また、遮音性能の低下を直接なくすわけで
はないが、共鳴周波数が聴感上、影響のない非常に低い
周波数になるように設計してその影響を軽減する手段が
考えられる。しかしながら、この方法では当然のことな
がらその構造自体が巨大なものとなり、そのためのスペ
ースが必要となるので、汎用的に用いることのできる手
段とはなり得ない。

【００１０】この発明は、板材を二重に用いた遮音構造
の宿命的な欠点である、低周波数域での遮音性能の低下
を改善するようにした板材を二重に用いた遮音構造を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、一対
の板材が所定間隔で設けられる遮音構造において、上記
一対の板材間にヘルムホルツ共鳴器を設けたことを特徴
とする遮音構造にある。

【００１２】請求項２の発明は、上記一対の板材の材質
及び構造寸法によって決定される共鳴透過周波数を求
め、この共鳴透過周波数に上記ヘルムホルツ共鳴器の共
鳴周波数を合わせることを特徴とする請求項１記載の遮
音構造にある。

【００１３】請求項３の発明は、上記板材は家屋等の空
間部を構成する壁体であることを特徴とする請求項１記
載の二重壁構造にある。

【００１４】請求項４の発明は、上記板材は窓用のガラ
ス板であることを特徴とする請求項１記載の遮音構造に
ある。

【００１５】請求項５の発明は、上記一対の板材の材質
及び構造寸法によって決定される共鳴透過周波数ｆ_ｒｄ
は下記（１）式によって求められ、この共鳴透過周波数
ｆｒｄに合わされる上記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波
数ｆ_０ は下記（２）式によって求められることを特徴
とする請求項２記載の遮音構造にある。

【００１６】

【数３】

【００１７】

【数４】

【００１８】但し、ｍ_１ 、ｍ_２ はそれぞれ２枚の板
の面密度(単位:ｋｇ／ｍ^２ )、ｄは一対の壁体１，２
の間隔（単位：ｍ）、ρ_０ は空気の密度（＝１．２０
５ｋｇ／ｍ^３ ）、ｃは音速（＝３４０＋０．６Ｔｍ／
ｓｅｃ^２ ）、Ｔは温度（℃）、ｓはヘルムホルツ共鳴
器の開口部の開口面積、ｌは開口部の長さ、Ｖはヘルム
ホルツ共鳴器の背後空気層部の体積、Ｄは開口部の断面
形状を円形とした場合の直径である。

【００１９】この発明によれば、板材を二重に用いた遮
音構造において、宿命的な共鳴透過による低周波数域で
の遮音欠損をヘルムホルツ共鳴器によって改善すること
ができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。

【００２１】図１と図２は板材を二重に用いた遮音構造
としての二重壁に対してこの発明を適用する際の構成図
を示し、図３乃至図６はヘルムホルツ共鳴器（Ｈｅｌｍ
ｈｏｌｔｚ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の吸音概念図を示
す。

【００２２】図１に示す二重壁構造は、たとえば家屋等
の建築物の壁部や航空機、鉄道、自動車などの空間部を
構成するものである。この二重壁構造は板材としての第
１の壁体１と第２の壁体２とが所定の間隔で離間して設
けられている。一対の壁体１，２の周辺部の一側にはヘ
ルムホルツ共鳴器４が設けられている。

【００２３】なお、図２に示すように、一対の壁体１，
２間に間柱３がある場合には、ヘルムホルツ共鳴器４を
一対の壁体１，２の間柱３の側面に設けるようにしても
よく、或いは図示しないが一対の壁体１，２間の周辺部
と間柱３の側面との両方に設けるようにしてもよく、こ
れら壁体１，２間に設けられるヘルムホルツ共鳴器４の
数は限定されるものでない。

【００２４】上記２枚の壁体１，２の材質および構造寸
法(板の厚さ、面密度、二枚の板の間隔等)は、その時々
の設置状況によって適切に決定されるものであり、任意
である。この発明においては、これらの物理特性はヘル
ムホルツ共鳴器４の各部寸法を決定する際の境界条件と
なる。

【００２５】二重壁を構成する２枚の壁体１，２の材質
（面密度）、およびそれらの間隔が決まると、共鳴透過
周波数ｆ_ｒｄは下記（３）式によって求められ、ヘルム
ホルツ共鳴器４が設けられていない場合にはこの共鳴透
過周波数ｆ_ｒｄ付近で遮音性能が大きく低下する。

【００２６】

【数５】

【００２７】上記（３）式で、ｍ_１ 、ｍ_２ はそれぞ
れ２枚の板の面密度(単位:ｋｇ／ｍ ^２ )、ｄは一対の
壁体１，２の間隔（単位：ｍ）、ρ_０ は空気の密度
（＝１．２０５ｋｇ／ｍ^３ ）、ｃは音速（＝３４０＋
０．６Ｔｍ／ｓｅｃ^２ ）、Ｔは温度（℃）である。

【００２８】通常の二重壁構造では、この共鳴周波数は
１００Ｈｚ程度の低い周波数となる。

【００２９】上記ヘルムホルツ共鳴器４が、この発明の
根幹となる構成要素である。ヘルムホルツ共鳴器４は、
図３の原理図に示すように棒状の本体５を有し、この本
体５には一端が本体５の一端面に開口した開口部６及び
この開口部６の他端に連通した背後空気層部７とによっ
て壷状の吸音部８が形成されている。なお、吸音部８の
形状は壷状に限定されるものでない。

【００３０】上記ヘルムホルツ共鳴器４の吸音の原理を
図３に基づいて説明すると、上記開口部６に音波Ｗが入
射すると、図４に示すようにこの開口部６の空気がマス
ｍ、背後空気層部７の空気がバネｋとなる単一共振系と
なり、特定のある周波数で開口部６の空気が激しく振動
する。このとき、開口部６内の空気と、開口部６の周壁
面との摩擦によって音響エネルギーが熱エネルギーに変
換されて吸音の効果が発生する。

【００３１】開口部６の直後にグラスファイバーなどの
通気性をもつ吸音材（図示せず）を設置しておけば、吸
音率が上昇し、かつ、吸音する周波数範囲を広げること
が可能となる。

【００３２】図５と図６に示すように、所定の厚みをも
つ板材１１に連続的に開口部６が開いている構造は、ヘ
ルムホルツ共鳴器４が連続的に並んでいる構造と等価で
あると考えることができる。当然ながら、ヘルムホルツ
共鳴器４は吸音部８の数が多い程、吸音効果は高まるこ
とになる。なお、この場合、吸音部８の各背後空気層部
７は図２に示すように各開口部６毎に隔別されていない
が、仮想線で示すように各開口部６に対応する部分が背
後空気層部７となる。

【００３３】図３及び図５、図６に示す構成の各ヘルム
ホルツ共鳴器４の共鳴周波数ｆ_０は、開口部６の開口面
積をｓ、開口部６の長さをｌ、背後空気層部７の体積を
Ｖ、開口部６の断面形状を円形とした場合の直径をＤと
すれば、下記（４）式のように求められる。

【００３４】

【数６】

【００３５】上記（４）式で計算されるヘルムホルツ共
鳴周波数ｆ_０ （すなわち、最大に吸音する周波数）
と、境界条件として与えられた二重壁の構造寸法から予
測される、上記（３）式によって計算される共鳴透過周
波数ｆ_ｒｄ（すなわち、遮音欠損が生じてしまう周波
数）とが一致するように、ヘルムホルツ共鳴器４の構造
寸法を決定する。

【００３６】すなわち、この発明は、二重壁構造内の音
響エネルギーが増加する周波数をターゲットにヘルムホ
ルツ共鳴器４を設計することにより、最大の効率で吸音
を行おうとするものである。

【００３７】この発明においては、二重壁構造の共鳴透
過周波数ｆ_ｒｄとヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_０ が一致
するようなヘルムホルツ共鳴器４を設計し、それを吸音
手段として一対の壁体１，２間に設ける。

【００３８】上記ヘルムホルツ共鳴器４は、壁体１，２
と一体形成してもよく、これら壁体１，２と別体で独立
して形成してもよく、要は一対の壁体１、２の間の空気
層内に挿入する形で設置されればよい。

【００３９】上記ヘルムホルツ共鳴器４は下記の手順で
設計される。

【００４０】第１の工程では、ヘルムホルツ共鳴器４を
設置する一対の壁体１、２の材料および構造寸法より、
共鳴透過周波数ｆ_ｒｄを上記（３）式により計算する。

【００４１】第２の工程では、ヘルムホルツ共鳴器４の
幅寸法は二重壁構造を構成する２枚の壁体１，２の間隔
によって決まるので、ヘルムホルツ共鳴器４を構成する
幅以外の構造寸法(開口部６の大きさおよび隣り合う開
口部６の距離、開口部６の長さ、背後空気層部７の深
さ)を、上記（４）式によるヘルムホルツ共鳴周波数ｆ
_０ と、上記（３）式で計算した共鳴透過周波数ｆ_ｒｄ
が一致するように決定する。

【００４２】以上の設計により決定された寸法で、ヘル
ムホルツ共鳴器４を製作する。製作したヘルムホルツ共
鳴器４は、二重壁構造の一対の壁体１，２の間の空気層
の所定の位置に設置する。所定の位置とは、当該二重壁
構造の本来の機能を妨げない位置である。

【００４３】二重壁構造は、一重壁構造よりも遮音性能
の高い構造として用いられることが多い。この二重壁構
造は、高周波数帯域では一重壁構造よりも格段に高い遮
音性能を有するものの、二重壁構造を構成する板材の面
密度およびその設置間隔によって決定される共鳴透過周
波数ｆ_ｒｄにおいて遮音欠損が生じ、図１２に示すよう
に一重壁構造よりも遮音性能が低下する周波数帯域が生
じる。

【００４４】遮音欠損の生じる周波数は、通常の構造
(一対の壁体１，２の間隔である、中空層幅が１０ｃｍ
〜２０ｃｍ程度)で１００Ｈｚ程度或いはそれ以下の低
周波数領域となり、騒音対策は一般に困難である。ま
た、中空層幅が１０ｍｍ程度では共鳴周波数ｆ_０ が５
００Ｈｚ周辺となって遮音性能低下の影響が大きい。

【００４５】そこで、この発明の手順に従い、当該二重
壁構造の共鳴透過周波数ｆ_ｒｄに共鳴周波数ｆ_０ を合
わせて設計したヘルムホルツ共鳴器４を二重壁構造の内
部に挿入すれば、二重壁構造の寸法を変えることなく、
二重壁構造の最大の欠点であった低周波数域の遮音欠損
を大きく改善することができる。

【００４６】図７はこの発明を二重窓構造に適用した例
を示す。同図において２１、２２は二重窓を構成する板
材としての一対のガラス板で、これらガラス板は図示し
ない窓枠などに所定の間隔で保持される。これら一対の
ガラス板２１，２２の周辺部、この実施の形態では幅方
向両側に、上記（３）式によって求められた共鳴等透過
波数ｆ_ｒｄに合ううよう、上記（４）式に基づいて共鳴
周波数ｆ_０ が設計された、この発明のヘルムホルツ共
鳴器４が設けられている。

【００４７】二重窓構造において、一対のヘルムホルツ
共鳴器４をガラス板２１，２２の幅方向両側に設けるよ
うにしたことで、窓構造の最大の目的である採光性を十
分に確保しながら低周波数域での遮音性の向上を図るこ
とができる。

【００４８】なお、ヘルムホルツ共鳴器４は一対のガラ
ス板２１，２２の両側だけでなく、一側或いは周辺部の
４側に設けるようにしてもよく、要は窓構造の採光性を
損なわない範囲で設ければよい。

【００４９】以上述べたこの発明の効果を確認するため
に、二重窓構造を対象として縮尺模型実験を行った。実
験の方法およびその結果を具体的に説明する。対象とし
た二重窓の概要を図８乃至図１０に示す。模型実験の縮
尺は１／５を想定し、窓部材の材料としてはガラス板を
想定し、音響模型実験の相似則を考慮して厚さ１ｍｍの
アルミ板３１採用した。

【００５０】なお、ヘルムホルツ共鳴器４は、アクリル
樹脂板を用い、図９に示すようにアルミ板３１の周辺部
の４辺にそれぞれ設けた。そして、アクリル樹脂板３２
に図８（ａ）に示す円孔を開けることで、ヘルムホルツ
共鳴器４の開口部６とした。

【００５１】このような構成の二重窓構造の共鳴透過周
波数ｆ_ｒｄを上記（３）式に従って計算すると、およそ
６００Ｈｚ（実物の周波数に換算すると１２０Ｈｚ）と
なる。次に、計算された共鳴透過周波数ｆ_ｒｄである６
００Ｈｚがヘルムホルツ共鳴器４の共鳴周波数ｆ_０ に
一致するように、かつ、二重窓の厚み（１５ｍｍ）は変
えないように、ヘルムホルツ共鳴器４の各部寸法を図８
（ａ）、（ｂ）と図９にａ〜ｇで示すように設計した。

【００５２】なお、ａは開口部６の長さ寸法、ｂは背後
空気層部７の深さ寸法、ｃは開口部６の間隔、ｄはヘル
ムホルツ共振器４の厚さ寸法、ｅは開口部６の直径、ｆ
は一方のヘルムホルツ共振器４の長さ寸法、ｇは他方の
ヘルムホルツ共振器４の長さ寸法であり、ａ＝１５ｍ
ｍ、ｂ＝３５ｍｍ、ｃ＝１５ｍｍ、ｄ＝１５ｍｍ、ｅ＝
５ｍｍ、ｆ＝７４０ｍｍ、ｇ＝４７０ｍｍである。

【００５３】実験は、図１０のように実験用残響箱４１
の開口部４２に作製した二重窓の模型４３を設置し、音
響インテンシティ分析器４４を用いた音響インテンシテ
ィ法による音響透過損失測定を行った。このとき、音源
としてはスピーカ音源４５を用い、実験用残響箱４１内
部に設置した。図中４６は音圧測定マイクロフォンであ
り、これらマイクロフォン４６によって捕捉された音圧
は音圧レベル分析器４７で分析する。

【００５４】なお、実験用残響箱４１はアクリル樹脂に
よって製作し、その高さ寸法は１．５２ｍ、幅寸法は
１．３４ｍ、奥行き寸法は０．８４ｍである。

【００５５】図１１に音響透過損失の実験結果を示す。
同図において、グラフＡはヘルムホルツ共振器４が設け
られた模型４３の音響透過損失を示すグラフであり、こ
の図１１には比較対象としてグラフＢのガラス板が１枚
の一重窓の音響透過損失測定結果と、グラフＣの二重窓
の音響透過損失測定結果を示してある。

【００５６】実験結果を見ると、６３０Ｈｚ帯域で一重
窓よりも二重窓の方が音響透過損失が約４ｄＢ低くなっ
ている。この周波数帯域が二重窓の共鳴透過周波数であ
り、遮音欠損が生じている様子が明瞭に見られる。それ
よりも高周波数帯域では、一重窓よりも二重窓の方が遮
音性能が高い。

【００５７】それに対して、グラフＡで示す設計したヘ
ルムホルツ共鳴器４を挿入した模型４３の場合の音響透
過損失を見ると、グラフＣの二重窓に比べて共鳴透過周
波数ｆ_ｒｄが含まれる約６３０Ｈｚ帯域の周辺で遮音性
能が約７ｄＢ高くなっている。

【００５８】以上の実験結果より、二重窓構造にヘルム
ホルツ共鳴器４を挿入すると、二重窓における共鳴透過
による低周波数域での遮音欠損を改善し、その結果、総
合的な遮音性能を改善できることが確認された。

【００５９】この実験は、二重窓を対象とした実験的検
討であるが、たとえ対象が二重壁となった場合でもその
物理的メカニズムは全く同一であり、同様の傾向が得ら
れるであろうことは容易に予想できる。

【００６０】以上のことより、この発明によれば以下の
利点がある。第１に、ヘルムホルツ共鳴器４を二重壁及
び二重窓の内部に設置することで、二重窓及び二重壁構
造に生じる低音域での共鳴透過を抑え、遮音性能を改善
することを効率的および低コスト・省スペースで実現で
きる。

【００６１】第２に、建築における室の壁および外壁に
広く適用できる。また、建築以外でも航空機、鉄道、自
動車などのキャビティの隔壁に、静穏化と軽量化の双方
を実現する方法として適用することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、二重壁
及び二重窓等の板材を二重に用いた遮音構造において、
宿命的な共鳴透過による低周波数域での遮音欠損をヘル
ムホルツ共鳴器によって改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示すに二重壁構造の
斜視図。

【図２】図１の二重壁構造とは異なる箇所にヘルムホル
ツ共鳴器を設けた二重壁構造の斜視図。

【図３】ヘルムホルツ共鳴器の原理図。

【図４】図３のヘルムホルツ共鳴器を単一共振系で示し
た等価図。

【図５】ヘルムホルツ共鳴器の開口部が形成された板材
の平面図。

【図６】図５に示す板材が用いられたヘルムホルツ共鳴
器の断面図。

【図７】二重窓にヘルムホルツ共鳴器を用いた構成の斜
視図。

【図８】（ａ）は実験用のヘルムホルツ共鳴器の模型の
一部を示す断面図、（ｂ）は正面図。

【図９】実験用のヘルムホルツ共鳴器の模型を一部断面
して示す平面図。

【図１０】実験用のヘルムホルツ共鳴器の設置状態の説
明図。

【図１１】実験結果を比較例とともに示すグラフ。

【図１２】単層壁構造と二重壁構造との遮音性能を説明
したグラフ。

【符号の説明】

１，２…壁体 ４…ヘルムホルツ共鳴器 ２１、２２…ガラス板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の板材が所定間隔で設けられる遮音
   構造において、 上記一対の板材間にヘルムホルツ共鳴器を設けたことを
   特徴とする遮音構造。
2. 【請求項２】 上記一対の板材の材質及び構造寸法によ
   って決定される共鳴透過周波数を求め、この共鳴透過周
   波数に上記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数を合わせる
   ことを特徴とする請求項１記載の遮音構造。
3. 【請求項３】 上記板材は家屋等の空間部を構成する壁
   体であることを特徴とする請求項１記載の二重壁構造。
4. 【請求項４】 上記板材は窓用のガラス板であることを
   特徴とする請求項１記載の遮音構造。
5. 【請求項５】 上記一対の板材の材質及び構造寸法によ
   って決定される共鳴透過周波数ｆ_ｒｄは下記（１）式に
   よって求められ、この共鳴透過周波数ｆ_ｒｄに合わされ
   る上記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数ｆ_０ は下記
   （２）式によって求められることを特徴とする請求項２
   記載の遮音構造。 【数１】 【数２】 但し、ｍ_１ 、ｍ_２ はそれぞれ２枚の板の面密度(単
   位:ｋｇ／ｍ^２ )、 ｄは一対の壁体１，２の間隔（単位：ｍ）、 ρ_０ は空気の密度（＝１．２０５ｋｇ／ｍ^３ ）、 ｃは音速（＝３４０＋０．６Ｔｍ／ｓｅｃ^２ ）、 Ｔは温度（℃）、 ｓはヘルムホルツ共鳴器の開口部の開口面積、 ｌは開口部の長さ、 Ｖはヘルムホルツ共鳴器の背後空気層部の体積、 Ｄは開口部の断面形状を円形とした場合の直径である。