JP2006145649A - 振動・騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサーやフィルター回路などの挿入が不要で、広帯域の振動又は騒音を高効率的に抑制しうる振動・騒音低減装置を提供する。
【解決手段】 一つの静電容量を持つ電子部品として用いる圧電材料に共振回路を接続して発振回路を構成し、その発振回路に外部より前記共振回路の共振周波数の信号を入力することにより強制的に発振させて、周波数引き込み現象によって発振回路の発振周波数近傍の電気エネルギーを発振周波数に周波数変換を行い、発振周波数以外の広帯域の騒音・振動を低減するようにした。前記圧電材料は、これを制御対象部材に取付ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電材料を使用して振動及び騒音を抑制する騒音・振動低減装置に関する。

圧電材料を使用する振動・騒音低減技術としては、次のようなものがある。
［第１のシステム］
圧電素子、圧電スピーカ、圧電フィルムなどをアクチュエータとして利用し、透過音あるいは壁面振動に逆位相の騒音あるいは振動を加える能動制御（アクティブ制振技術）（例えば、特許文献１）。
特開２００４−２１６９７１

［第２のシステム］
圧電素子等を振動を抑制したい材料に取り付けるか、あるは透過音抑制のため騒音進入経路中に圧電材料を壁面状に取り付け、これに電気回路を接続する。圧電材料を振動エネルギーあるいは音響エネルギーから電気エネルギーへの変換器として使用し、これに抵抗器を含んだ電気回路を接続することで熱エネルギーとして消費するシステム。
電気回路は、圧電素子等の静電容量とコイルを組合せ、狭帯域周波数のインピーダンスを小さくするか、あるいは負性静電容量回路を接続し、理論上、全周波数帯域でインピーダンスを０にする方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
大久保朝直著"スマート材料による遮音"「騒音制御」騒音制御工学会２００３年２７巻４号２６９−２７２頁

上記第１のシステムにおいては、侵入する振動・騒音を検知する加速度センサーやマイクロホンなどのセンサーが必要であり、その振動・騒音特性と圧電材料から出力する逆位相の制御信号の特性を合わせる必要がある。そのため、圧電材料から出力する前段には適用フィルターの挿入が不可欠であり、このフィルター特性の良否が制御効果の良否を決定するものである。この適用フィルターをアナログ電気回路で構成する場合は、広帯域に適用できるフィルターは複雑となる傾向があり、適用周波数帯域を広くするほど実現困難となる。また、ディジタル回路で構成する場合は、特に高周波領域は高速のＤＳＰ（デジタル信号処理）などが必要となるため、ハードウエアの特性に依存し、現状では高周波帯域の制御は困難で、かつ高コストとなる傾向がある。

上記第２のシステムでは、圧電材料とコイルによる電気回路ではインピーダンスを小さくできる周波数は狭帯域であるため、単一周波数の振動・騒音には効果を発揮するが、広帯域の振動・騒音には適用できない。また、負性静電容量回路を使用する場合は、理論上は全周波数帯域のインピーダンスが０になるが、実際は振動・騒音レベルが高い周波数から小さくなる傾向があり、広帯域の振動・騒音にはどこまで効果を発揮できるかは未知数である。さらに、負性静電容量回路はそのような特性を持つ電子部品は存在しないため、オペアンプなどによるフィードバック回路で構成しなければならない。したがって、フィードバック量を大きくすると、系が発振し、エネルギー消費ができなくなるなど、制御量に一定の制限がある。

従って、本発明が解決しようとする課題は、圧電材料を使用して振動及び騒音を抑制する振動・騒音低減装置において、センサーやフィルター回路などの挿入が不要で、かつ、広帯域の振動又は騒音を高効率的に抑制しうる振動・騒音低減装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明による振動・騒音低減装置は、制御対象部材に取付けられる圧電材料を一つの静電容量を持つ電子部品として用い、その圧電材料にコイル等のインダクタンス部品等を接続して発振回路を構成し、その発振回路に外部より前記共振回路の共振周波数の信号を入力することにより強制的に発振させて、周波数引き込み現象によって発振回路の発振周波数近傍の電気エネルギーを発振周波数に周波数変換を行い、前記発振周波数以外の広帯域の騒音・振動を低減するようにしたことを特徴としている（請求項１）。
すなわち、圧電素子、圧電スピーカ、圧電フィルムなどの圧電材料（以下、「圧電材料」という。）を、音響エネルギーから電気エネルギーに、又は振動エネルギーから電気エネルギーに変換するエネルギー変換器として使用し、圧電材料が有する静電容量を利用した発振回路に特定の周波数で外部より強制的に発振させて電気エネルギーＥ1 を発生させ、圧電材料に入力された発振周波数近傍の周波数帯の振動・騒音エネルギーＥ2 を発振周波数の電気エネルギーＥ1 に引き込むことにより、広帯域の振動及び騒音を抑制するようにしたものである。

上記振動・騒音低減装置において、圧電材料に接続した共振回路内にさらにコンデンサーを追加し、そのコンデンサーに可変コンデンサを用いるか、又は前記共振回路のコイルのインダクタンス調整手段を備えて、発振回路の発振周波数を可変とすることが望ましい（請求項２）。

上記振動・騒音低減装置において、発振回路の発振周波数を前記発振回路を構成する圧電材料が持つ振動の反共振周波数に合わせることが望ましい（請求項３）。
上記構成により、発振回路を構成する圧電材料からの放射音あるいは振動の外部への放出を抑制することができる。

上記振動・騒音低減装置において、発振回路の発振周波数における圧電材料からの振動あるいは騒音放射が小さくなるように、前記圧電材料の形状、構造又は材質を変更し、あるいは前記圧電材料に制振部材を追加することが望ましい（請求項４）。

上記振動・騒音低減装置において、発振回路の圧電材料に圧電スピーカを用い、その圧電スピーカの表裏に弾性材料を前記圧電スピーカの振動板を中心として対称的に配置することがが望ましい（請求項５）。
上記構成により、表側、裏側共に同じ吸音効果及び強制加振音の抑制効果が得られる。

上記振動・騒音低減装置において、発振回路の圧電材料に圧電スピーカを用い、前記発振回路を構成する圧電スピーカの表裏に圧電材料を取り付け、前記圧電材料に接続したコイルあるいは負性静電容量回路による吸音システムにより強制加振音を抑制することも可能である（請求項６）。

請求項１の発明によれば、圧電材料とそれに接続した回路に強制的に加振周波数の入力を与えるだけであるため、上記センサーやフィルター回路などが不要である。また、加振周波数近傍のエネルギーが加振周波数のエネルギーに変換されるため、侵入する振動・騒音の周波数特性に関わらず、広帯域の振動・騒音低減を実現することが可能である。加振信号も大きいほど広帯域の振動・騒音エネルギーを引き込むことができるため、上記のような加振周波数での放射エネルギーの抑制が可能である限り、加振信号を大きくすることが可能であり、負性静電容量回路のように加振信号を大きくし過ぎると制御不可能となることもない。

また、圧電材料に接続する電気回路は共振回路と信号発生回路及びアンプだけであるので、非常に簡単な回路となり、圧電材料に入力される振動・騒音エネルギーを検知するセンサーや複雑なフィルター回路が不要である。これは、圧電スピーカがどのような枚数でも直列あるいは並列に接続することで一つの静電容量を持つことになるため、接続する共振回路と加振回路も一つの特性を持たせればよい。

加振周波数における振動・騒音の増大は、請求項３の発明のように、圧電材料を取り付ける制御対象部材の反共振振周波数に合わせるなどして、最初に一度加振周波数を共振回路等で調整すれば、その後の調整等は不要であるにもかかわらず、これまでに見られない広帯域な振動・騒音の抑制効果を得ることができる。

また、請求項４の発明のように、圧電材料の形状、構造又は材質を変更し、あるいは前記圧電材料に弾性材料等の制振部材を追加すれば、発振回路の発振周波数における圧電材料からの振動あるいは騒音放射（強制加振音）を小さくすることができる。

請求項５の発明によれば、発振回路の圧電材料が圧電スピーカである場合にその圧電スピーカの裏側に騒音を放出させるという問題を解消して、圧電スピーカの表側、裏側共に同じ吸音効果及び強制加振音の抑制効果を得ることができる。

請求項６の発明によれば、発振回路の圧電材料が圧電スピーカである場合は、発振回路を構成する圧電スピーカの表裏に圧電材料を取り付け、その圧電材料に既知のコイルあるいは負性静電容量回路による吸音システムを接続すことによって、強制加振音を抑制することも可能である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明装置において圧電材料を強制加振する場合の周波数引き込み現象を説明するためのイメージ図、図２は圧電材料として圧電スピーカを用いる場合の本発明装置の基本構成を示すブロック図、図３は制御対象部材が梁である場合の本発明装置の適用例を示すブロック図、図４ないし図８は、圧電材料として圧電スピーカを用いる場合の強制加振に伴う音響エネルギー増大の問題の対策を説明するものであり、図４は反共振の効果について説明するグラフ、図５は強制加振のための発振周波数の制御と制振効果の関係を示すグラフ、図６は圧電スピーカに弾性材料を追加した例を示す断面図、図７は圧電スピーカに対する片面対策の例と両面対策の例を示す断面図、図８は圧電スピーカの両面対策にさらに吸音システムを付加した例を示す断面図である。

本発明が、圧電材料を音響エネルギーから電気エネルギーに変換するエネルギー変換器、振動エネルギーから電気エネルギーに変換する変換器として使用する点は、上記第２のシステムと同じである。
圧電材料は、一般に特定の静電容量を持っているため、外部にインダクタンスを持つコイル（あるいはコイル相当の電子回路）を接続すると、ある周波数で共振特性を持つ電気回路（以下、「共振回路」という。）を構成することができる。この共振回路内に抵抗器を接続すると、共振回路内に流れる電気エネルギーの一部が抵抗器で熱エネルギーに変換され、エネルギーが消費される。

この共振回路に共振周波数と同一あるいは近傍の周波数（以下、「共振周波数」という。）で強制的に加振信号を与えると、図１に示すように、加振周波数を中心に前後の周波数帯域の電気エネルギーが加振周波数に変換される「周波数引き込み現象」が発生する。その結果、制御対象部材に圧電材料を貼付け、その圧電材料に強制的に加振信号を与えると、制御対象部材の振動・騒音エネルギーはその加振周波数においては引き込まれた周波数に対応する帯域の電気エネルギーが集約されるため増大するが、近傍の周波数帯域では電気エネルギーが減少するため、加振周波数を除き、加振周波数を中心に広帯域の振動・騒音エネルギーを低減させることができる。この加振周波数の電気エネルギーを共振回路内の抵抗器で熱エネルギーに変換し、エネルギー消費を行う。

図２に圧電スピーカを利用した透過音低減方法を示す。圧電スピーカ１を騒音侵入経路途中に挿入し、圧電スピーカを透過する音による評価を行う。圧電スピーカに使用されている圧電材料は静電容量を持っているため、外部にコイルと抵抗を接続すると、ある共振特性を持つ共振回路２を構成することができる。騒音エネルギーＮは圧電スピーカで電気エネルギーに変換され、共振回路２に流れる。その状態において、例えば信号発生器３とアンプ４を用いて外部より共振回路２に共振周波数の信号を入力し、強制的に発振現象を発生させる。共振回路内では上記の「周波数引き込み現象」が発生し、発振周波数近傍の騒音エネルギーが発振周波数のエネルギーに集まる。その結果、加振周波数の騒音レベルは圧電スピーカからの音で増大するが、その前後の周波数帯域の騒音は低減され、圧電スピーカを透過する音響エネルギーｔＮが広帯域に低減される。なお、加振周波数の電気エネルギーは共振回路２内の抵抗器で熱エネルギーとして消費する。

この方法は、梁等の部材の振動にも適用可能である。その例を図３に示す。部材５には圧電素子６を接着しておき、部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換させる。圧電素子は前例と同様に共振特性を持つ共振回路２を構成しておき、例えば信号発生器３とアンプ４を用いて外部より共振周波数で強制加振を行う。その結果、圧電素子６を介し部材５の振動エネルギーが加振周波数の電気エネルギーに集約され、加振周波数前後の周波数帯域の振動エネルギーが加振周波数のエネルギーに変換される（請求項１）。

共振回路２は、圧電材料（１又は６）を１つの静電容量を持つコンデンサーとして見なすため、共振回路２内にさらにコンデンサーを接続し、コイルのインダクタンスを調整することにより、圧電材料の特性に応じて任意の共振周波数に調整することができる（請求項２）。

本発明装置では、加振周波数において外部からの強制加振エネルギーと近傍周波数帯域から引き込まれるエネルギーが重畳するため、加振周波数では、圧電材料が逆にアクチュエータとして動作し、大きな振動・騒音エネルギーを放出させることになる。これは振動・騒音低減システムとしては問題であり、加振周波数における振動・騒音の抑制が必要となる。以下に、その強制加振により増大する振動・騒音（以下、強制加振音という。）を抑制するための対策を説明する。

ある壁面からの透過音を低減させたい場合、制御対象とする壁面（板）に圧電材料を取り付け、前述の共振回路を接続する。制御対象板自体も振動特性を持ち、ある加振力を与えた場合に振動が大きい共振周波数とともに、逆に振動が非常に小さい「反共振」の周波数が現れる。この反共振の周波数と圧電材料の加振周波数を合わせると、圧電材料から加振力が加えても制御対象板は振動しにくいため、結果的に制御対象板から外部へ騒音放出を抑えることが可能である。制御対象板の本発明による強制加振時の反共振による制御前と制御後の振動特性は図４に示されるとおりであり、制御効果は図５のグラフに示される通りである。
これは、梁に圧電素子を取り付けた場合も同様である。一般に単純梁は１次固有振動の際、梁の中央が振動の腹、梁の両端付近が振動の節となるが、２次固有振動では梁の中央が節になる。そこで、梁の中央に圧電素子を取り付け上記共振回路に２次固有振動数で強制加振を行った場合は、共振回路内で１次固有振動数の振動エネルギーは２次固有振動数の振動エネルギーに引き込まれるため、１次固有振動数の振動レベルは低減する。共振回路内では２次固有振動数の電気エネルギーは増大するが、圧電素子が２次固有振動数で梁を加振させても梁の中央での加振では振動しにくいため、結果的に１次固有振動数の振動レベルが低減し、かつ２次固有振動数でも梁の振動は現れないこととなる。

このように、圧電材料の反共振の特性を利用することで、加振周波数における振動・騒音エネルギーの放出を抑制することができる（請求項３）。なお、この反共振の周波数は圧電材料で制御対象部材を全周波数帯域に加振し、制御対象部材からの振動・騒音特性を測定することで、簡単に確認することが可能である。

圧電材料から放出される加振周波数の振動・騒音エネルギーを抑制する他の方法は、圧電材料に弾性材料等の追加等を行うことである。前項では加振周波数における圧電材料の動作特性はそのままであったが、本システムにおいては圧電材料の静電容量を利用し電気的に共振回路を構成することができれば、圧電材料のアクチュエータとしての動作特性は問われない。よって、圧電材料に弾性材料等の制振部材を追加するなどして、加振周波数におけるアクチュエータとしての動作特性を悪化させることで、振動・騒音エネルギーの放出を抑制することができる。

例えば、圧電スピーカにより透過音低減を行うシステムを考えた場合、圧電スピーカは騒音エネルギーを電気エネルギーに変換する周波数特性が高いため、極力その特性は損なわない必要がある。よって、図６のように圧電スピーカ１の中央部に小さな弾性材料７を取り付けると、制御対象板５Ｅ−弾性部材７−圧電スピーカ１の振動系が持つ振動特性において、ある周波数においては圧電スピーカの振動が抑制される反共振の周波数が現れる。この反共振の周波数、すなわち、弾性材料７の弾性特性を共振回路の加振周波数に調整することで、圧電スピーカからの騒音放射の抑制が可能である（請求項４）。

ところで、圧電スピーカは表裏の両面から同一の騒音を出力するために、図７（ａ）に示すように、強制加振音（ｃＮ）が騒音侵入側にも放出されることになる。そこで、図７（ｂ）の通り、上記の対策、すなわち、弾性材料７の付加、及び強制加振を圧電スピーカの表裏に施すことにより、圧電スピーカ１を中心に対称形の構造とすることが望ましい。その結果、表側、裏側ともに強制加振音（ｃＮ）が出力されなくなる（請求項５）。
なお、図７（ｂ）において、両側の５Ｅ´は制御対象部材であっても良いし、制御対象部材とは別の制振板を設けてモジュールを構成してもよい。

圧電スピーカからの強制加振音の抑制のために、制御対象板あるいは弾性材料等の追加に代えて、図８に示すように、圧電スピーカ１を取り付け、従来からあるコイルＬあるいは負性静電容量回路８による吸音システムにより、強制加振音（ｃＮ）を抑制することもできる（請求項６）。

図２及び図３に示す通り、透過音に適用する場合は圧電材料を壁面状に配置し、また部材の振動低減の場合には圧電素子を部材と一体で振動するよう貼付することになる。いずれも共振回路を接続し、外部より加振周波数の信号で強制加振する。

参考として、圧電スピーカをアルミ１．０ｍｍ板に取り付け、約５００Ｈｚで強制加振した時の透過音低減効果を図５に示す。強制加振なしと強制加振ありでの差が制御効果である。５００Ｈｚは大きくマイナス値（騒音増大方向）であるが、３００〜４００Ｈｚから高周波までの制御効果が得られている（３００から４００Ｈｚは元々の騒音レベルが低い帯域であった。）。

本発明装置において圧電材料を強制加振する場合の周波数引き込み現象を説明するためのイメージ図。 圧電材料として圧電スピーカを用いる場合の本発明装置の基本構成を示すブロック図。 制御対象部材が梁である場合の本発明装置の適用例を示すブロック図。 強制加振のための発振周波数の制御と制振効果の関係を示すグラフ。 反共振の効果について説明するグラフ。 圧電スピーカに弾性材料を追加した例を示す断面図。 圧電スピーカに対する片面対策の例と両面対策の例を示す断面図。 圧電スピーカの両面対策にさらに吸音システムを付加した例を示す断面図。

符号の説明

１ 圧電材料（圧電スピーカ）
２ 共振回路
５，５Ｅ 制御対象部材
５Ｅ´ 制振板
６ 圧電素子
７ 圧電材料
ｃＮ 強制加振音

Claims (6)

1. 制御対象部材に取付けられる圧電材料を一つの静電容量を持つ電子部品として用い、その圧電材料にコイルあるいはコイルと同一の働きをする共振回路を接続して発振回路を構成し、その発振回路に外部より前記共振回路の共振周波数の信号を入力することにより強制的に発振させて、周波数引き込み現象によって前記発振回路の発振周波数近傍の電気エネルギーを前記発振周波数に周波数変換を行い、前記発振周波数以外の広帯域の騒音・振動を低減することを特徴とする振動・騒音低減装置。
2. 圧電材料に接続した共振回路内にさらにコンデンサーを追加し、そのコンデンサーに可変コンデンサを用いるか、又は前記共振回路のコイルのインダクタンス調整手段を備えて、発振回路の発振周波数を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の振動・騒音低減装置。
3. 発振回路の発振周波数を前記発振回路を構成する圧電材料が持つ振動の反共振周波数に合わせることにより、前記圧電材料からの振動あるいは放射音の外部への放出を抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動・騒音低減装置。
4. 発振回路の発振周波数における圧電材料からの振動あるいは放射音が小さくなるように、前記圧電材料の形状、構造又は材質を変更し、あるいは前記圧電材料に制振部材を追加したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の振動・騒音低減装置。
5. 発振回路の圧電材料に圧電スピーカを用い、その圧電スピーカの表裏に弾性材料を前記圧電スピーカの振動板を中心として対称的に配置したことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の振動・騒音低減装置。
6. 発振回路の圧電材料に圧電スピーカを用い、前記発振回路を構成する圧電スピーカの表裏に圧電材料を取り付け、前記圧電材料に接続したコイルあるいは負性静電容量回路による吸音システムにより強制加振音を抑制することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５に記載の振動・騒音低減装置。

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