JP2008077045A - Vibration noise reducing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制振対象物の振動エネルギーや透過する騒音エネルギーを圧電素子により電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを共振回路を構成する電気回路により散逸させる騒音振動低減装置に関する。 The present invention relates to a noise vibration reduction device that converts vibration energy of a vibration control object and transmitted noise energy into electric energy by a piezoelectric element and dissipates the electric energy by an electric circuit constituting a resonance circuit.
壁面等の制振対象物(以下、壁面という。)を透過する音あるいは壁面から放射される音(本明細書においては、これを騒音振動又は単に騒音という。)を低減する技術分野において、近年、圧電材料を用いる方法が各種提案されている。
その方法は、次の2方法に大別することができる。
(1)圧電材料をアクチュエータとして壁面に設置し、そのアクチュエータに外部よりエネルギーを付加して壁面の振動を打ち消すように駆動させて騒音を低減する方法。
(2)圧電材料をエネルギー変換器として壁面に設置し、壁面に加わる振動エネルギーや騒音エネルギーを電気エネルギーに変換し、その圧電材料に接続した共振回路を構成する電気回路(シャント回路)によりその電気エネルギーを散逸させる方法。
In recent years in the technical field of reducing sound transmitted through a vibration control object such as a wall surface (hereinafter referred to as a wall surface) or sound radiated from the wall surface (in this specification, this is referred to as noise vibration or simply noise). Various methods using a piezoelectric material have been proposed.
The method can be roughly divided into the following two methods.
(1) A method of reducing noise by installing a piezoelectric material as an actuator on a wall surface and applying energy from the outside to the actuator so as to cancel vibration of the wall surface.
(2) A piezoelectric material is installed on the wall surface as an energy converter, and vibration energy and noise energy applied to the wall surface are converted into electric energy, and the electricity is generated by an electric circuit (shunt circuit) constituting a resonance circuit connected to the piezoelectric material. A way to dissipate energy.
(2)の方法は、エネルギー散逸型といわれ、圧電材料として一般的にPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やPVDF(ポリフッ化ビニリデン)等が用いられる。
PZTは、短冊状のセラミック(焼結材)であり、壁面に直接貼付して、壁面の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する用い方が一般的である。その際、エネルギー変換の効率を上げるためには、壁面の振動の「腹」の正確な位置にPZTを貼付することが必要である。
一方、PVDFの圧電特性は、PZTよりも小さいものの、膜状に取り付けることにより、騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換することが可能である。PVDF膜を曲面に成型することにより、広帯域において高い遮音性能が発揮できる技術が開示されている(例えば、特許文献1)。
The method (2) is said to be an energy dissipation type, and PZT (lead zirconate titanate), PVDF (polyvinylidene fluoride) or the like is generally used as a piezoelectric material.
PZT is a strip-shaped ceramic (sintered material), and is generally applied directly to a wall surface to convert vibration energy of the wall surface into electric energy. At that time, in order to increase the efficiency of energy conversion, it is necessary to attach PZT to the exact position of the “antinode” of the vibration of the wall surface.
On the other hand, although the piezoelectric characteristics of PVDF are smaller than those of PZT, it is possible to directly convert noise energy into electric energy by attaching it in the form of a film. A technique is disclosed that can exhibit high sound insulation performance in a wide band by molding a PVDF film into a curved surface (for example, Patent Document 1).
また、PVDFに代わり、音響デバイスとして市販されている圧電スピーカが持つ音響出力特性が逆に騒音エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる特性を利用して、音響−電気変換器として使用する薄型騒音振動低減システムも開発されている(例えば、特許文献2)。
しかしながら、圧電材料を用いる従来のエネルギー散逸型騒音振動低減システムにおいては、次のような問題があった。
1)圧電材料を壁面に直接貼付する騒音振動低減システム
上記従来技術の内、圧電材料を貼付したアルミニウムや鉄などの比較的大きい薄板を振動板として用いる場合は、振動モードが異なるごとに振動ピーク(腹)が離散的に現れる。そのため、広帯域音に対しては、そのまま適用することができない。
圧電材料を壁面に直接貼付して、壁面を透過する騒音振動を低減するシステムでは、壁面の振動モードを正確に把握し、振動の「腹」位置に的確に貼る必要があるが、貼付した圧電材料により壁面に質量や剛性が付加されるため、壁面の振動モードが変化し、「腹」位置も移動する可能性がある。さらに、壁面の取り付け状態や一部に荷重が付加されるなどにより、振動モードが変化した場合の対応が不可能である。
However, the conventional energy dissipative noise and vibration reduction system using a piezoelectric material has the following problems.
1) Noise / vibration reduction system in which piezoelectric material is directly attached to the wall When the relatively large thin plate such as aluminum or iron with piezoelectric material attached is used as the diaphragm among the above-mentioned conventional techniques, the vibration peak varies with the vibration mode. (Belly) appears discretely. Therefore, it cannot be applied as it is to broadband sound.
In a system that directly attaches piezoelectric material to the wall surface and reduces noise vibration that passes through the wall surface, it is necessary to accurately grasp the vibration mode of the wall surface and accurately apply it to the position of vibration “antinode”. Since the material adds mass and rigidity to the wall surface, the vibration mode of the wall surface changes and the “antinode” position may also move. Furthermore, it is impossible to cope with the case where the vibration mode is changed due to the attachment state of the wall surface or a load applied to a part thereof.
また、圧電材料に接続した電気回路により騒音エネルギーの一部が散逸された際には、圧電材料の振動減衰力が増大するという現象として現れる。壁面本体の振動特性が小さい場合は、圧電材料の減衰力が付加されることで、壁面の減衰特性も増大し、壁面透過音などを低減することができるが、積層板や厚板等、元々減衰特性が大きい壁面に圧電材料を貼付した場合は、圧電材料の減衰力増大によって壁面の減衰特性が増大する割合が小さくなり、消音効果を得ることができないという問題があった。
また、振動板に電気回路を接続する騒音振動低減装置において、電気回路としてインダクタンス回路を用いる場合は、基本的に単一周波数の騒音振動しか低減できない。よって、複数の周波数の騒音振動を低減したい場合は、振動板、電気回路ともに対象周波数分用意し、さらに騒音の伝播経路に積層する必要あるため、装置の薄型化に限界がある。
Further, when a part of noise energy is dissipated by the electric circuit connected to the piezoelectric material, it appears as a phenomenon that the vibration damping force of the piezoelectric material increases. When the vibration characteristics of the wall surface body are small, the damping force of the piezoelectric material is added, so that the wall wall damping characteristics also increase and the wall surface transmitted sound can be reduced. When a piezoelectric material is affixed to a wall surface having a large damping characteristic, the rate at which the wall wall damping characteristic increases due to an increase in the damping force of the piezoelectric material becomes small, and there is a problem that a silencing effect cannot be obtained.
In addition, in a noise vibration reduction apparatus in which an electric circuit is connected to a diaphragm, when an inductance circuit is used as the electric circuit, basically only noise vibration with a single frequency can be reduced. Therefore, when it is desired to reduce noise vibration of a plurality of frequencies, it is necessary to prepare the diaphragm and the electric circuit for the target frequency, and further stack them on the noise propagation path.
2)振動板に圧電スピーカを用いる騒音振動低減システム
圧電スピーカは既製品であって、現在使用可能なものは、1辺が50mm余りの角形スピーカである。そのため、150Hz以下は音響信号の出力が困難である。これは、電気信号を与えた際の圧電スピーカの振動板の振動特性に起因するものである。その結果、150Hz以下の騒音振動低減は困難であった。既製の圧電スピーカを使用する場合は、スピーカ特性を改善することはできないため、低周波の騒音振動低減に限界があった。さらに、圧電スピーカは、既製品であるため、振動板の特性を調整することが困難であった。
2) Noise vibration reduction system using a piezoelectric speaker as a diaphragm The piezoelectric speaker is an off-the-shelf product, and the one that can be used at present is a square speaker with a side of about 50 mm. Therefore, it is difficult to output an acoustic signal below 150 Hz. This is due to the vibration characteristics of the diaphragm of the piezoelectric speaker when an electric signal is applied. As a result, it was difficult to reduce noise and vibration at 150 Hz or less. When an off-the-shelf piezoelectric speaker is used, the speaker characteristics cannot be improved, and there is a limit to the reduction of low-frequency noise vibration. Furthermore, since the piezoelectric speaker is an off-the-shelf product, it has been difficult to adjust the characteristics of the diaphragm.
3)振動板にPVDFを用いる騒音振動低減システム
圧電材料としてPVDFを膜状に取り付ける騒音振動低減システムは、PVDFの音響−電気変換特性が小さいため、騒音エネルギーに対する電気エネルギーの変換効率が小さい。
3) Noise / vibration reduction system using PVDF as a diaphragm A noise / vibration reduction system in which PVDF is attached in the form of a film as a piezoelectric material has a low acoustic-electric conversion characteristic of PVDF, and therefore has low conversion efficiency of electric energy with respect to noise energy.
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、その第一の課題は、振動板に電気回路を接続する騒音振動低減装置において、壁面の振動モードの影響を受けず、また、壁面の振動モードに影響を与えずに、振動板の形状及び特性が自由に設定でき、低周波域の効果的な騒音振動低減及び振動モードが変化した場合の対応が可能な騒音振動低減装置を提供することにある。第二の課題は、最小限の振動板により複数の周波数に対する騒音及び振動の低減が可能な騒音振動低減装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and a first problem thereof is that the noise vibration reduction apparatus for connecting an electric circuit to a diaphragm is not affected by the vibration mode of the wall surface, and Provided is a noise vibration reduction device that can freely set the shape and characteristics of a diaphragm without affecting the vibration mode, and can effectively reduce noise vibration in the low frequency range and cope with changes in the vibration mode. There is. A second problem is to provide a noise vibration reduction device capable of reducing noise and vibration for a plurality of frequencies with a minimum diaphragm.
上記第一の課題を解決するため、本発明に係る騒音振動低減装置は、小面積の薄板で形成された振動板に圧電材料を貼付した騒音振動低減モジュールを、複数個、各振動板の振動が互いに他の振動板に伝搬しないように面状に配置して騒音振動低減パネルを構成し、その騒音振動低減パネルに前記圧電材料に発生する電気エネルギーを散逸する電気回路を接続してなることを特徴している(請求項1)。 In order to solve the first problem, a noise vibration reduction apparatus according to the present invention includes a plurality of noise vibration reduction modules each having a piezoelectric material affixed to a diaphragm formed of a thin plate having a small area. A noise vibration reduction panel is configured by arranging in a plane shape so that they do not propagate to other diaphragms, and an electric circuit that dissipates the electric energy generated in the piezoelectric material is connected to the noise vibration reduction panel. (Claim 1).
前記騒音振動低減装置において、圧電材料はPZTであることが望ましい(請求項2)。また、振動板の面積は、その振動板の基本振動数又は基本振動数及び基本振動数の2倍以上の高調振動数で振動可能な大きさであることが望ましい(請求項3)。さらに、振動板の一部に質量を付加して、その振動板の振幅の大きい振動周波域を広めることが望ましい(請求項4)。さらに、騒音振動低減モジュールは、各振動板の縁の少なくとも一部を固定して支持するフレームを有することが望ましい(請求項5)。そして、そのフレームは、騒音振動低減モジュールの騒音透過側又は騒音入射側に突出されていることが望ましい(請求項6)。 In the noise vibration reducing apparatus, the piezoelectric material is preferably PZT. Further, it is desirable that the area of the diaphragm is such that it can vibrate at a fundamental frequency of the diaphragm or a fundamental frequency and a harmonic frequency more than twice the fundamental frequency. Furthermore, it is desirable to add mass to a part of the diaphragm to widen the vibration frequency range where the amplitude of the diaphragm is large. Furthermore, it is desirable that the noise vibration reduction module has a frame that fixes and supports at least a part of the edge of each diaphragm. The frame is preferably projected to the noise transmitting side or noise incident side of the noise vibration reduction module.
また、本発明に係る騒音振動低減装置は、上記いずれかの騒音振動低減パネルの騒音振動低減モジュールを壁材に取り付けて、騒音振動低減モジュールと壁材との間に空気層を設けることが望ましい(請求項7)。 In the noise vibration reduction device according to the present invention, it is desirable that the noise vibration reduction module of any one of the noise vibration reduction panels is attached to a wall material, and an air layer is provided between the noise vibration reduction module and the wall material. (Claim 7).
さらに、本発明に係る騒音振動低減装置は、上記いずれかの騒音振動低減パネルの騒音振動低減モジュールを壁面と一体的に取付けてなることを特徴としている(請求項8)。 Furthermore, the noise / vibration reduction apparatus according to the present invention is characterized in that the noise / vibration reduction module of any one of the above-described noise / vibration reduction panels is integrally attached to the wall surface (Claim 8).
そして、上記第二の課題を解決するため、本発明に係る騒音振動低減装置は、上記各騒音振動低減装置において、騒音振動低減モジュールの振動板を矩形の振動板とし、その2対の辺長をそれぞれ制振対象とする2つの周波数で固有振動するように設定し、それぞれの振動変位の最大付近に圧電材料を貼付したことを特徴としている(請求項9)。 And in order to solve said 2nd subject, the noise vibration reduction apparatus which concerns on this invention WHEREIN: In each said noise vibration reduction apparatus, the diaphragm of a noise vibration reduction module is made into a rectangular diaphragm, The two pairs of side length Are set so as to vibrate naturally at two frequencies to be controlled, and a piezoelectric material is attached in the vicinity of the maximum of each vibration displacement (claim 9).
請求項1の発明によれば、騒音振動低減パネルは、圧電材料を貼付した小面積の薄板からなる騒音振動低減モジュールを、複数個、各振動板の振動が互いに他の振動板に伝搬しないように面状に配置して構成されているので、各振動板は、互いに他の振動板に振動を伝搬することなく、各振動板内において圧電材料により電気エネルギーに変換され、電気回路により散逸される。そして、各振動板の振動特性は、振動板を形成する薄板の厚さ、面積(半径又は1辺の長さ)、密度、ヤング率、ポアソン比などに依存するので、入射する振動の中心周波数に応じて、それぞれの振動板の振動特性の設計が可能である。従って、騒音振動低減装置は、広帯域の消音効果を発揮させることが可能である。
また、騒音振動低減パネルを単独又は壁面の騒音入射側に取り付ける場合は、振動板に入射する騒音エネルギーを圧電材料が直接電気エネルギーに変換するため、壁面の振動モードの影響を受けない。また、消音システムを壁面の騒音透過側に取り付ける場合は、空気層を介して取り付けることにより、壁面の振動モードに影響を与えずに、透過騒音を低減することができる。また、振動板にアルミニウムや鉄等の減衰特性が比較的小さい薄板を用いることにより、圧電材料の減衰力に伴う振動板全体の減衰特性を効果的に増大させることができる。さらに、振動板の形状及び特性が自由に設定できるため、数10Hz等の低周波域の消音も可能である。
According to the first aspect of the present invention, the noise vibration reduction panel includes a plurality of noise vibration reduction modules each made of a thin plate with a small area to which a piezoelectric material is attached so that the vibrations of each vibration plate do not propagate to each other vibration plate. Each diaphragm is converted into electrical energy by a piezoelectric material in each diaphragm and dissipated by an electric circuit without propagating vibration to other diaphragms. The The vibration characteristics of each diaphragm depend on the thickness, area (radius or length of one side), density, Young's modulus, Poisson's ratio, etc. of the thin plate forming the diaphragm. Accordingly, the vibration characteristics of each diaphragm can be designed. Therefore, the noise vibration reducing device can exhibit a broadband silencing effect.
Further, when the noise vibration reduction panel is mounted alone or on the noise incident side of the wall surface, the noise energy incident on the diaphragm is directly converted into electric energy by the piezoelectric material, so that it is not affected by the vibration mode of the wall surface. In addition, when the silencing system is attached to the noise transmission side of the wall surface, the transmission noise can be reduced without affecting the vibration mode of the wall surface by attaching via the air layer. Further, by using a thin plate such as aluminum or iron having a relatively small damping characteristic for the diaphragm, it is possible to effectively increase the damping characteristic of the entire diaphragm accompanying the damping force of the piezoelectric material. Furthermore, since the shape and characteristics of the diaphragm can be set freely, it is also possible to mute the low frequency range, such as several 10 Hz.
請求項2の発明によれば、圧電材料に最も圧電特性が高いPZTを使用するため、大きな電気エネルギーを得ることができ、その結果、高い消音効果を得ることができる。 According to the invention of claim 2, since PZT having the highest piezoelectric characteristics is used for the piezoelectric material, a large electric energy can be obtained, and as a result, a high silencing effect can be obtained.
請求項3の発明によれば、振動板の面積は、基本振動数又は基本振動数及び基本振動数の2倍以上の高調振動数で振動可能な大きさであるので、当該振動板の基本振動数で振動可能な場合は、振動板の全面が同じ位相で振動し、振動板の中心に最大振幅(腹)が現れるため、圧電材料による振動−電気変換効率が最も高く、効率の高い減衰効果を得ることができる。また、当該振動板の基本振動数及び基本振動数の2倍以上の高調振動数で振動可能な場合は、一つの節が現れるので、騒音振動減衰効果が低くなるが、従来技術よりも高い減衰効果を得ることができる。 According to the invention of claim 3, since the area of the diaphragm is such that it can vibrate at a fundamental frequency or a fundamental frequency and a harmonic frequency more than twice the fundamental frequency, the fundamental vibration of the diaphragm When vibration is possible, the entire vibration plate vibrates in the same phase, and the maximum amplitude (antinode) appears at the center of the vibration plate. Therefore, the vibration-electric conversion efficiency by the piezoelectric material is the highest, and the damping effect is high. Can be obtained. In addition, when vibration is possible at the fundamental frequency of the diaphragm and the harmonic frequency more than twice the fundamental frequency, one node appears, so the noise vibration attenuation effect is reduced, but the attenuation is higher than the conventional technology. An effect can be obtained.
請求項4の発明によれば、振動板の一部に質量を付加して、その振動板の振幅の大きい振動周波域を広めてあるので、入射する騒音振動の広い周波数帯に対して騒音振動低減効果が得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, mass is added to a part of the diaphragm, and the vibration frequency region having a large amplitude of the diaphragm is widened. A reduction effect is obtained.
請求項5の発明によれば、騒音振動低減モジュールは、各振動板の縁の少なくとも一部を固定して支持するフレームを有するので、第一には、独立した振動板からなる騒音振動低減モジュールの取り扱いが容易にでき、第二に、振動板は形と大きさと弾性特性と密度とヤング率とに基づいて決まる基本振動数を維持するため、入射する騒音振動の周波数に的確に対応することができる。振動板の縁が固定されない場合の基本振動数は、固定された場合よりも低くなる。 According to the invention of claim 5, since the noise vibration reduction module has a frame for fixing and supporting at least a part of the edge of each diaphragm, first, the noise vibration reduction module comprising an independent diaphragm. Secondly, the diaphragm maintains the fundamental frequency determined based on shape, size, elastic properties, density, and Young's modulus, so it can accurately respond to the frequency of incident noise vibration. Can do. The fundamental frequency when the edge of the diaphragm is not fixed is lower than when it is fixed.
請求項6の発明によれば、フレームが騒音振動低減モジュールの騒音透過側又は騒音入射側に突出されているので、騒音振動低減モジュールを壁材に固定する場合、又は壁面に取り付ける場合に、騒音振動低減パネルと壁材又は壁面との間に空気層を設けることが容易である。 According to the sixth aspect of the present invention, since the frame protrudes to the noise transmitting side or the noise incident side of the noise vibration reduction module, noise is reduced when the noise vibration reduction module is fixed to a wall material or attached to a wall surface. It is easy to provide an air layer between the vibration reducing panel and the wall material or the wall surface.
請求項7の発明によれば、騒音振動低減パネルは、騒音振動低減モジュールを壁材に取り付けて、騒音振動低減モジュールと壁材との間に空気層を設けてあるので、騒音振動低減パネル自体を壁面の騒音透過側又は入射側に設けるだけで、すなわち、壁面に何も手を加えずに、高い消音効果を得ることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the noise vibration reduction panel has the noise vibration reduction module attached to the wall material, and the air layer is provided between the noise vibration reduction module and the wall material. Is provided only on the noise transmitting side or the incident side of the wall surface, that is, a high noise reduction effect can be obtained without any modification to the wall surface.
請求項8の発明による騒音振動低減装置は、請求項1〜7のいずれか1項の騒音振動低減パネルの騒音振動低減モジュールを壁面と一体化してなるので、壁面である壁面自体の騒音振動減衰効果が得られる。 The noise vibration reduction apparatus according to the invention of claim 8 is formed by integrating the noise vibration reduction module of the noise vibration reduction panel of any one of claims 1 to 7 with the wall surface, so that the noise vibration attenuation of the wall surface itself which is a wall surface is achieved. An effect is obtained.
請求項9の発明による騒音振動低減装置は、騒音振動低減モジュールの振動板を矩形の振動板とし、その2対の辺長をそれぞれ制振対象とする2つの周波数で固有振動するように設定し、それぞれの振動変位の最大付近に圧電材料を貼付したので、1枚の振動板で2つの周波数を対象とすることができるため、振動板数を半減することができ、装置の薄型化を進めることができる。 The noise vibration reduction device according to the invention of claim 9 is configured such that the vibration plate of the noise vibration reduction module is a rectangular vibration plate, and the two pairs of side lengths are set to vibrate naturally at two frequencies to be controlled. Since the piezoelectric material is pasted in the vicinity of the maximum of each vibration displacement, two frequencies can be targeted with one diaphragm, so the number of diaphragms can be halved and the apparatus can be made thinner. be able to.
続いて、本発明の実施の形態について、図面を用いながら説明する。
図1は、騒音振動低減パネルの一例を示す平面図である。この騒音振動低減パネルPは、複数個の騒音振動低減モジュール1と、その騒音振動低減モジュールに接続された電気回路2とから構成されている。
騒音振動低減モジュール1は、アルミニウム又は鋼もしくは鉄の小さな薄板で形成された振動板11に圧電材料12を貼付してなるものであり、騒音振動低減パネルPは、この騒音振動低減モジュール1を複数個、平面状に配置して構成されている。
振動板11の形は、特に限定されないが、大きさは、一つの振動板の全平面が同位相で振動できる大きさ、すなわち、基本振動数で振動の腹が一つ現れる大きさが最も好ましい。一つの振動板の全平面が同位相で振動する場合は、振幅が最大になり、振動板の中心において最大振幅が得られるからである。従って、圧電素子12は、その振動板11の中心に貼付される。
振動板11の大きさが、基本振動数よりも高い振動数、すなわち、高調振動数で振動できる大きさの場合は、1又はそれ以上の節が現れ、振動板の位相が逆の部分が互いに打ち消し合って振動板の変位が小さくなり、騒音的効果が低められ、振動吸収能力が下がるので、好ましくない。しかし、壁面の環境によっては、振動板の大きさが、基本振動数及び基本振動数の2倍以上の高調振動数で振動可能な大きさのものでも、有意な減衰効果が得られる場合がある。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an example of a noise vibration reduction panel. The noise vibration reduction panel P is composed of a plurality of noise vibration reduction modules 1 and an electric circuit 2 connected to the noise vibration reduction modules.
The noise vibration reduction module 1 is formed by sticking a
The shape of the
When the size of the
圧電材料12には、セラミック圧電素子、とくにPZTは振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が大きいので、PZTを用いることが好ましい。振動板11は、基本振動数で振動する場合は、形に関わらず、その中心の振幅が最大になるので、その中心部分をPZTが覆うように貼付される。
As the
振動板11は、各振動板の振動が互いに他の振動板に伝搬しないように、換言すると、互いに独立振動可能なように、面状に配置される。それにより、各振動板の振動モードが互いに影響されない。その振動モードは、振動板の境界が自由か固定か、構成物質の弾性特性に依存する。そして、振動板の基本振動数は、板の厚さ、半径(円形振動板の場合)又は1辺の長さ(矩形振動板の場合)、表面密度、ヤング率などを関数とする。また、振動板の基本振動数は、振動板11の縁が固定されていない場合は、固定される場合より13%程度低くなることが知られている。従って、本発明の実施の形態においては、騒音振動低減モジュール1における振動板11を、独立振動可能なように平面状に配置するために、各振動板をフレーム13により支持しているが、フレームに対する支持態様は、騒音振動低減パネルPの適用対象における減衰対象である騒音振動周波数に対応して、振動板の縁を固定する態様と、固定しない態様のいずれかが選択される。
The
フレーム13は、振動板11の形に応じて、任意の形態とすることができる。振動板が矩形の場合は縦材と横材を格子状に組合せたもの、振動板が円形又は正六角形その他の多角形の場合は、ハニカム構造状に形成したものなどを使用することができる。
The
そして、騒音振動低減モジュール1における各振動板11の圧電素子12は、導線14により直列あるいは並列に接続され、その導線14の末端は電気回路2に接続されている。電気回路2は、各圧電素子12において騒音エネルギーから変換されて導線14を経て入力する電気エネルギーを散逸するためのものであり、次のようなものを使用することができる。
(a)圧電素子の両電極の間に直列接続されたコイルと抵抗器とを含むシャント回路で構成されたもの。(b)圧電素子の両電極の間に直列接続された圧電素子全体が有する静電容量とほぼ等価な負性静電容量と抵抗器を含むシャント回路で構成されたもの。
特開2005−10270号公報に記載されているように、前記シャント回路の後段には、そのシャント回路により取り出される電気エネルギーを蓄電し又は回生する既知の蓄電・回生回路が備えられても良い。そして、そのシャント回路は、圧電素子に接続された電極間に直列接続された第1のコイル及び抵抗器を有し、蓄電・回生回路は第2のコイルと整流器とを有して、第1のコイルと第2のコイルはそれぞれ変圧器の1次巻線と2次巻線とを形成するものとすることができる。また、蓄電・回生回路は、圧電素子全体が有する静電容量とほぼ等価な負性静電容量を生成する回路を駆動するために使用するために用いることが好ましい。
And the
(A) A shunt circuit including a coil and a resistor connected in series between both electrodes of the piezoelectric element. (B) A circuit composed of a shunt circuit including a negative capacitance substantially equivalent to the capacitance of the entire piezoelectric device connected in series between both electrodes of the piezoelectric device and a resistor.
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-10270, a known power storage / regeneration circuit that stores or regenerates electric energy extracted by the shunt circuit may be provided in the subsequent stage of the shunt circuit. The shunt circuit includes a first coil and a resistor connected in series between the electrodes connected to the piezoelectric element, and the storage / regeneration circuit includes a second coil and a rectifier, The second coil and the second coil may form the primary winding and the secondary winding of the transformer, respectively. The power storage / regeneration circuit is preferably used for driving a circuit that generates a negative capacitance substantially equivalent to the capacitance of the entire piezoelectric element.
上記の圧電素子12を備えた複数の振動板11をフレーム13に平面状に配置してなる騒音振動低減パネルPは、図2に示すように、振動板11の片面からの突出量の少ないフ レーム13の各構成部材を、壁面Wの騒音入射側又は騒音透過側に直接貼り付けて、使用することができる。しかし、壁面Wの騒音入射側又は騒音透過側に空間的余裕がある場合は、図3に示すように、フレーム13の少なくとも周辺のフレーム材13eの、振動板11の片面からの突出量を大きくして、取り付けた壁面Wと振動板11との間に空気層15を形成することが望ましい。この空気層15により壁面Wの振動モードの影響を受けることなく振動板11で入射する騒音を低減することができるため、より大きな減衰効果をもたらす。
As shown in FIG. 2, the noise vibration reduction panel P in which a plurality of
図2又は図3に示された騒音振動低減パネルPは、圧電素子12が貼付された振動板11を、壁面Wに取りけることにより、圧電素子及び振動板が壁面の振動モードに影響を与えず、また、騒音振動低減モジュール1の振動モードが壁面から影響を受けずに、取り付けられるものである。しかし、壁面の表面形状や構造などにより、騒音振動低減パネルPのフレームの壁面に対する取付けが容易でない場合があり得る。
The noise / vibration reduction panel P shown in FIG. 2 or FIG. 3 has the
これに対して、図4に示す実施の形態は、図3に示された、振動板11の片面側に突出されているフレーム材13eに壁材16を接続して、その壁材16と振動板11との間に空気層15eを有する空気層内蔵型の騒音振動低減パネルPEとして実現したものである。この実施の形態においては、振動板11から又は壁材16から空気層15eに透過する騒音は、振動板11及び圧電素子12による散逸減衰により格段の減衰効果が得られる。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 4, the wall material 16 is connected to the
この騒音振動低減パネルPEは、騒音振動低減モジュール1と壁材16を一体に有するユニットとして構成されるので、このユニットを壁面Wの騒音入射側又は騒音透過側に簡単に取り付けて、騒音振動低減装置Aを構成することにより、高い消音効果を発揮させることができる。また、形態がユニットとして完成しているので、このユニットのみを壁代わりに空間仕切材として用いることにより、防音壁又は遮音壁を構成することが可能である。 Since this noise vibration reduction panel PE is configured as a unit having the noise vibration reduction module 1 and the wall material 16 integrally, this unit can be easily attached to the noise incident side or noise transmission side of the wall surface W to reduce noise vibration. By configuring the device A, a high silencing effect can be exhibited. Moreover, since the form is completed as a unit, it is possible to constitute a soundproof wall or a sound insulating wall by using only this unit as a space partition material instead of a wall.
振動板11の入射する騒音振動による振動レベルは、図5のグラフに細線で示すように、その振動板11の基本振動数が当該振動板の固有振動周波数と共鳴したときに最大になる。また、圧電素子12の起電力は、共振周波数において最大になる。しかしながら、振動板11の振動レベルが最大になる周波数帯域は制限されるため、対象とする周波数帯域が狭くなり、単一周波数音に近い騒音にしか適用できない。そこで、本発明の好ましい実施の形態においては、図6及び図7に例示するように、振動板11の一部に質量17を付加することにより、図5のグラフに太線で示すように、最大の振動レベルが現れる周波数域を拡大した。これにより、壁面Wに入射する騒音振動又は壁面から放射される騒音振動の広い周波数に対応した低減効果が得られるという利点がある。
As shown by a thin line in the graph of FIG. 5, the vibration level due to the incident noise vibration of the
質点17を設ける位置は、入射する騒音振動が単一周波数の場合は、振動板11の中心、すなわち、図6に例示するように、圧電素子12と同じ位置でよい。入射する騒音振動が広い周波数の場合は、振動板の中心以外の位置に質点を設けることがよい。図7は、振動板の圧電素子12の貼付位置以外の部分に小さな質点17を設けた例である。質点付加位置の決定方法は、一例を挙げれば、圧電素子12を設けた振動板11に音を入射し、各周波数における圧電素子からの出力電圧を測定し、できるだけ大きい測定値が得られた位置、すなわち、振動板の振動の腹を見つければよい。
The position where the
以上は、一つの振動板が単一周波数を制振対象とする場合の説明である。続いて、本発明の本質を展開して、使用する振動板数の削減を狙いとして、一つの振動板で2つの周波数を制振対象とする場合について、図8を参照して説明する。図8は、一つの振動板の各辺長の中心に圧電材料を貼付した状態を示す平面図である。
対象とする騒音あるいは振動が複数の周波数f1、f2・・・にピークを持っているとする。図8に例示するように、振動板11は、長辺Lx、短辺Lyの矩形で、周辺が固定されているとした場合、振動板の固有周波数Fは、次の数式で求められる。
It is assumed that the target noise or vibration has peaks at a plurality of frequencies f1, f2,. As illustrated in FIG. 8, when the
対象周波数をf1 、f2 、ただしf1 <f2 、とすると、各辺長Lx,Lyは次の通り求めることができる。まず、短辺Lyを単位長さ1と置き、上式より周波数f1 、f2 における長辺Lxを求める。次に、長辺Lxを1と置き、周波数f2 における短辺Lyを求める。この長辺Lxと短辺Lyを持つ矩形の振動板11は、周波数f1 では長辺Lxに対する1次振動モードが、また、周波数f2 では短辺Lyに対する1次振動モードが現れる。そこで、周波数f1 、f2 においてそれぞれ振動変位が最大となる、いわゆる「振動の腹」にf1 用圧電材料12a又はf2 用圧電材料12bを貼付し、圧電材料に接続した電気回路(図示省略)でエネルギー散逸を行うことにより振動変位を抑制する。
If the target frequencies are f1 and f2, where f1 <f2, the side lengths Lx and Ly can be obtained as follows. First, the short side Ly is set as the unit length 1, and the long side Lx at the frequencies f1 and f2 is obtained from the above formula. Next, the long side Lx is set to 1, and the short side Ly at the frequency f2 is obtained. In the
周波数f1 では、長辺Lxの中心付近が振動の腹となるため、振動板の中心付近にf1 用圧電材料圧電材料12aを貼付する。その結果、振動板は中心付近が振動の節となり、2つの振動範囲に分かれることになる。1次振動モードの平板からの放射音は、その中心付近からの寄与が大きいため、中心付近の振動を抑制することで、周波数f1 における振動板透過音を低減することができる。
At the frequency f1, since the vicinity of the center of the long side Lx is the antinode of vibration, the
次に、周波数f2 における振動を考察すると、短辺Lyの中心付近が振動の腹となって振動する。よって、「振動の腹」のそれぞれにf2 用圧電材料12bを貼付し、電気回路を接続することで周波数f2 の騒音及び振動を低減することができる。
Next, considering the vibration at the frequency f2, the vicinity of the center of the short side Ly vibrates as a vibration antinode. Therefore, by attaching the
なお、周波数f2 における長辺側の振動状態を考察すると、Lx>>Lyの場合は、長辺側に2次モード以上の振動が発生するため、振動の腹の位置が多数となり、圧電材料の的確な貼付位置が確定しにくくなる。よって、周波数f1 、f2 共に一次振動モードとなるように、長辺Lx、短辺Lyの比率は、(Ly×1)<Lx<(Ly×2)程度が望ましいと考えられる。 When the vibration state on the long side at the frequency f2 is considered, in the case of Lx >> Ly, vibrations of the second mode or higher are generated on the long side, so that there are many antinode positions of the vibration. It is difficult to determine the exact position of application. Therefore, it is considered that the ratio of the long side Lx and the short side Ly is preferably about (Ly × 1) <Lx <(Ly × 2) so that both the frequencies f1 and f2 are in the primary vibration mode.
圧電材料12a,12bに接続する電気回路は、全ての圧電材料に一つの回路を接続する方法と、長辺中心のf1 用圧電材料12aと短辺中心のf2 用圧電材料12bのそれぞれに別々の特性を持つ回路を接続する方法が考えられる。全ての圧電材料に一つの回路を接続する場合は、周波数f1 とf2 で振動ならびに圧電材料の特性が異なるため、両周波数を適切に制御できる定数を設定する必要がある。
The electric circuit connected to the
本発明の騒音振動低減装置は、何らかの騒音発生装置の筐体や建物壁面、鉄道車両あるいは航空機、自動車等の床板/又は内装板などに、汎用の騒音振動低減装置として広く適用することができる。また、変圧器、リアクトル等の変電設備の本体表面に取り付けることで、防音壁等の設置が不要となる。あるいは、既設の防音壁に追設すれば、防音性能を向上することができる。 The noise / vibration reducing apparatus of the present invention can be widely applied as a general-purpose noise / vibration reducing apparatus to a casing of a certain noise generating apparatus, a building wall surface, a floor board / interior board of a railway vehicle, an aircraft, an automobile, or the like. Moreover, the installation of a soundproof wall etc. becomes unnecessary by attaching to the main body surface of transformer facilities, such as a transformer and a reactor. Alternatively, the soundproofing performance can be improved by adding the soundproofing wall to an existing soundproofing wall.
P,PE 騒音振動低減パネル
1 騒音振動低減モジュール
11 振動板
12 圧電素子(圧電材料)
12a f1 用圧電材料
12b f2 用圧電材料
13 フレーム
14 導線
A 騒音振動低減装置
15,15e 空気層
16 壁材
17 質点
2 電気回路
W 壁面(制振対象物)
P, PE Noise vibration reduction panel 1 Noise
12a
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