JP2010097113A - 吸音体 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の薄型化や振動体の面積の縮小化を図りつつ、特に中低域の吸音性能を向上することができるようにすること。
【解決手段】吸音体１０は、筐体１１と、この筐体１１に取り付けられた振動体１２とを備えて構成されている。筐体１１は、内部に空気層１８を形成する周壁１４と、この周壁１４の一端側に連設された底壁１５と、周壁１４の他端側に連設されて面内に開口部１６Ａを形成する頂壁１６とを備えている。振動体１２は、開口部１６Ａの全領域をカバーする。平面視において、開口部１６Ａの開口面積は、空気層１８の面積より小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸音体に係り、更に詳しくは、特に中低域の吸音性能を向上することができる吸音体に関する。

従来より、種々の室内空間において、吸音体が利用されており、かかる吸音体は、快適な音場を作り出すため、周波数が２５０Ｈｚ前後の中低域での吸音が要求されている。このような要求を満たし得る吸音体として、不織布等の多孔質材が広く利用されているが、当該多孔質材は、中低域での吸音性能を良好に発揮するために、厚みや平面サイズを大きく設定することが不可欠となる。従って、多孔質材にあっては、自動車の室内等の比較的狭い空間で用いるには不向きとなる。

ここで、吸音体の他の構造としては、特許文献１に開示されているものが知られている。同文献の吸音体は、板状体及び筐体の間に設けられた弾性体からなる制振材を備え、当該制振材を介して板状体を振動させることで吸音作用が得られるようになっている。
同文献の吸音体によれば、多孔質材に比べて薄型化及びコンパクト化を達成することができる。

特開２００５−１３４６５３号公報

しかしながら、特許文献１の吸音体では、筐体と板状体の平面積が略同じとなる。このため、自動車の室内等の狭い空間では、音場に向けられる板状体だけでなく、筐体の平面積も小さくなり、吸音作用が得られ難くなる、という不都合がある。更に、車内の内装面にスイッチ類が装備されたり、内装の意匠上の制約によっても、筐体及び板状体の平面積が縮小化する傾向があり、吸音性能を十分に改善できなくなる、という不都合を招来する。

［発明の目的］
本発明は、このような不都合に基づいて案出されたものであり、その目的は、薄型化やコンパクト化、振動体の面積の縮小化を図りつつ、特に中低域の吸音性能を向上することができる吸音体を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、筐体に取り付けられた板状若しくは膜状の振動体を有する吸音体において、
前記筐体は、内部に空気層を形成する周壁と、この周壁の一端側に連設された底壁と、周壁の他端側に連設されて面内に開口部を形成する頂壁とを備え、
前記振動体は、前記開口部の全領域をカバー可能に設けられ、
平面視において、前記開口部の開口面積は、前記空気層の面積より小さく設定される、という構成を採っている。

本発明において、振動体は、表側又は裏側に膨出する形状に設けられる、という構成を採用してもよい。

また、前記開口部は、前記頂壁の面内中央よりずれた位置に設けられる、という構成を採ってもよい。

更に、前記底壁は、前記振動体に対して傾斜する方向に向けられる、という構成を採用することができる。

本発明によれば、開口部をカバーする振動体の面積を縮小しつつ、空気層の面積の拡大化を図ることができる。
ここで、本発明の吸音体では、音場の音響エネルギーによって、振動体の表裏に圧力差が生じる。この圧力差により、振動体が振動して音響エネルギーが振動体の振動エネルギーに変換され、これが消散されることによって吸音現象が発現する。空気層の面積を拡大したことで、振動体が吸音挙動をする際の空気層内の音圧が低下し易くなり、振動体が動き易くなって振動を大きくすることができる。つまり、振動体の振動エネルギーを大きくして、これに比例する消散エネルギーも大きくなり、空気層の拡張によって吸音効率を向上させることが可能となる。これにより、後述するように、前記中低域に吸音ピークを持たせたり、中低域での垂直入射吸音率を高めて中低域での吸音性能を向上させることができ、快適な音場を良好に維持することが可能となる。
しかも、多孔質材だけからなる吸音体に比べ、厚みを薄くしつつコンパクトなサイズとすることができる。これにより、自動車等の比較的狭い室内空間であっても、吸音体により前記室内空間が狭くなることを抑制でき、且つ、音場に向けられる振動体の面積の縮小化を通じて、スイッチ類の装備や内装デザインの自由度を高めることが可能となる。

また、振動体の形状や、開口部の位置、底壁の向きを前述したように設定した場合、各構成の形状等のバリエーションを増やして設計の自由度を高めることができ、室内空間等の様々な制約に容易に対応することが可能となる。また、条件によっては、吸音効率の向上も期待することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「平面視」とは、開口部を直交する方向から見た状態、すなわち、図１（Ｂ）に示される方向から見た状態を意味する。

［第１実施形態］
図１（Ａ）には、第１実施形態に係る吸音体を模式的に表した概略横断面図が示され、同図（Ｂ）には、前記吸音体の平面図が示されている。これらの図において、吸音体１０は、振動体よりも剛体が高い材料からなる筐体１１と、この筐体１１に取り付けられた一枚の膜状をなす振動体１２とを備えて構成されている。なお、図１では、説明の便宜上、吸音体１０を一体だけ図示しているが、図１（Ｂ）の上下左右方向に複数の吸音体１０を並設し、隣り合う吸音体１０と密接するように連結したユニットを構成してもよい。

前記筐体１１は、平面視略方形をなす周壁１４と、この周壁１４の一端側すなわち図１（Ａ）中下端側に連設された底壁１５と、周壁１４の他端側すなわち同図中上端側に連設され、前記振動体１２が取り付けられる頂壁１６とを備えている。周壁１４の内部には、空気層１８が形成される。この空気層１８の厚みＬは、振動体１２の裏面と底壁１５内面との間とされ、５ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍに設定されている。頂壁１６の面内中央部には、平面視略方形の開口部１６Ａが形成され、これにより、筐体１１が図１（Ａ）中上方を開放する有底容器状に設けられている。ここで、平面視において、開口部１６Ａの開口面積（図１（Ｂ）中点線で示される内側の方形で囲まれる面積）は、前記空気層１８の面積（同図中点線で示される外側の方形で囲まれる面積）より小さく設定されている。周壁１４、底壁１５及び頂壁１６の厚みは、１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは、２ｍｍ〜５ｍｍにそれぞれ設定されている。

筐体１１の平面形状は、本実施形態では、一辺の長さが３０ｍｍ〜３００ｍｍ（好ましくは５０ｍｍ〜２００ｍｍ）の正方形に設けられている。筐体１１の材質は、ＡＢＳ、ＰＰ、ＰＡ等の熱可塑性プラスチックおよびそれらのポリマーアロイ、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチック、熱可塑性プラスチックおよびそれらのポリマーアロイをマトリクスとした繊維強化プラスチック（ＦＲＴＰ）、エポキシ樹脂等の熱硬化性プラスチックをマトリクスとした繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が例示できる。

前記振動体１２は、平面視において、その面積が開口部１６Ａより若干大きく設定され、開口部１６Ａの全領域をカバー可能に設けられるとともに、前記空気層１８より小さい平面積に形成される。振動体１２は、前記頂壁１６に張設され、前記空気層１８を閉塞した空間として形成している。振動体１２の接合方法としては、超音波振動による振動体１２及び頂壁１６の局所的な摩擦熱による融着や、振動体１２及び頂壁１６の何れか一方に導電性の充填材を持たせた高周波加熱による融着、振動体１２及び頂壁１６のＣＯ_２ガスレーザー加熱による融着などを用いることができる。

前記振動体１２の材質は、有機高分子又は無機高分子を主成分とし、有機低分子（加硫剤、可塑剤、架橋剤、架橋促進剤、老化防止剤、酸化防止剤）や、無機充填材を入れた複合素材も含む。有機高分子は、ＣＰＥ、ＰＶＣ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰ、ポリエステル、合成ゴム（イソプレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、ブタジエンスチレン共重合体、その他共重合体ポリマー）、ＰＡ（ポリアミド）、およびこれらのポリマーのアロイが例示でき、無機高分子は、シリコンゴム等が例示できる。加硫剤としては、硫黄、過酸化物、ＱＯ、可塑剤としては、フタル酸エステル系可塑剤、架橋促進剤としては、スルフェンアミド系ＤＣＢＳ、老化防止剤、酸化防止剤としては、ビスフェノール系ＴＢＭＴＢＰ、無機充填材としては、炭酸カルシュウム、珪酸カルシュウム、雲母（マイカ）、カーボンブラック、ＰＺＴ、シリカ等が例示できる。
振動体１２の厚みは、０．３ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜２ｍｍにそれぞれ設定され、音が入射したときに、その内部損失により音のエネルギーを消費可能に設けられている。
なお、振動体１２は板状としてもよく、この場合の振動体１２の材質は、前述した筐体１１の材質の何れかを採用することができる。

以上の構成において、音場から振動体１２に伝わる音圧と、空気層１８側の音圧との差（即ち、振動体１２の表裏の音圧差）によって振動体１２が駆動される。これにより、当該吸音体１０に到達する音波のエネルギーは、この振動体１２の振動により消費されて音が吸音されることになる。即ち、吸音体１０は、音圧駆動により励振された振動により吸音効果を発揮する。

従って、このような第１実施形態によれば、平面視での吸音体１０の全領域に対し、振動体１２の領域が部分的となり、自動車の室内等の狭い空間における吸音体１０の納まり上の要請を満たす限られた振動体１２の面積で吸音作用を得ることができる。
また、筐体１１の厚みを薄くすることで、吸音体１０全体の薄型化を図ることができ、これにより、比較的狭い個室、車室、スピーカ内、電子機器内等において有効利用されることが期待できる。

［吸音体の設定条件］
一般に、板状または膜状の振動体と空気層により音を吸収する吸音構造について、減衰させる周波数は、振動体の質量成分（マス成分）と空気層のバネ成分とによるバネマス系の共振周波数によって設定される。空気の密度をρ_０[ｋｇ／ｍ^３]、音速をｃ_０[ｍ／ｓ]、振動体の密度をρ[ｋｇ／ｍ^３]、振動体の厚さをｔ[ｍ]、空気層の厚さをＬ[ｍ]とすると、バネマス系の共振周波数は数１の式で表される。

また、板・膜振動型吸音構造において振動体が弾性を有して弾性振動をする場合には、弾性振動による屈曲系の性質が加わる。建築音響の分野においては、振動体の形状が長方形で一辺の長さをａ[ｍ]、もう一辺の長さをｂ[ｍ]、振動体のヤング率をＥ[Ｐａ]、振動体のポアソン比をσ[−]、ｐ，ｑを正の整数とすると、以下の数２の式で板・膜振動型吸音構造の共振周波数を求め、求めた共振周波数を音響設計に利用することも行われている（周辺支持の場合）。

そして、上記数式から１６０〜３１５Ｈｚバンド（１/３オクターブ中心周波数）を吸音するよう、以下のようにパラメータを設定することが好ましい。
空気の密度ρ_０ ；１．２２５[ｋｇ／ｍ^３]
音速ｃ_０ ；３４０[ｍ／ｓ]
振動体の密度ρ ；９４０[ｋｇ／ｍ^３]
振動体の厚さｔ ；０．００１７[ｍ]
空気層の厚さＬ ；０．０３[ｍ]
振動体の一辺の長さａ；０．１[ｍ]
振動体のもう一辺の長さｂ；０．１[ｍ]
振動体のヤング率Ｅ ；０．６４ [ＧＰａ]
ポアソン比をσ ；０．４
モード次数 ；ｐ＝ｑ＝１

一方、上記数２において、バネマス系の項（ρ_０ｃ_０ ^２／ρｔＬ）と屈曲系の項（バネマス系の項の後に直列に加えられている項）とが加算される。このため、上記式で得られる共振周波数は、バネマス系の共振周波数より高いものとなり、吸音のピークとなる周波数を低く設定することが難しい場合がある。

このような吸音体においては、バネマス系による共振周波数と、板の弾性による弾性振動による屈曲系の共振周波数との関連性は十分に解明されておらず、低音域で高い吸音力を発揮する板吸音体の構造が確立されていないのが実情である。
そこで、発明者達は鋭意実験を行った結果、屈曲系の基本振動周波数の値をｆａ、バネマス系の共振周波数の値をｆｂとし場合、以下の数３の関係を満足するように、上記パラメータを設定すればよいことがわかった。これにより、屈曲系の基本振動が背後の空気層のバネ成分と連成して、バネマス系の共振周波数と屈曲系の基本周波数との間の帯域に振幅の大きな振動が励振されて（屈曲系共振周波数ｆａ＜吸音ピーク周波数ｆ＜バネマス系基本周波数ｆｂ）、吸音率が高くなる。

さらに、以下の数４に設定する場合、吸音ピークの周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さくなる。この場合、低次の弾性振動のモードにより屈曲系の基本周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さく、３００[Ｈｚ]以下の周波数の音を吸音する吸音構造として適していることも分かった。

このように、上記した数３，４の条件を満足するように各種パラメータを設定することにより、吸音のピークとなる周波数を低くした吸音体を構成できる。
さらに本願においては、平面視において開口部の面積すなわち振動体の面積が空気層の面積より小さく設定される。これにより、中低域に吸音ピークを持たせたり、中低域での垂直入射吸音率を高めて中低域での吸音性能を向上させることができる。すなわち、吸音体１０は例えば次のように設定できる。
空気の密度ρ_０ ； １．２２５［ｋｇ／ｍ^３］
音速ｃ_０ ； ３４０［ｍ／ｓ］
振動体の密度ρ ； ９４０［ｋｇ／ｍ^３］
振動体の厚さｔ ； ０．００１７［ｍ］
空気層の厚さＬ ； ０．０３［ｍ］
開口部の一辺の長さａ１ ； ０．０８［ｍ］
開口部のもう一辺の長さｂ１ ； ０．０８［ｍ］
空気層の一方の長さＡ ； ０．１［ｍ］
空気層のもう一方の長さＢ ； ０．１［ｍ］
振動体のヤング率Ｅ ； ０．６４［ＧＰａ］
ポアソン比をσ ； ０．４
モード次数 ； ｐ＝ｑ＝１

［振動体の面密度、集中質量］
また、振動体１２に対して振動条件を変更するための集中質量を、振動体１２の中央部に設けることが望ましい。
吸音体１０は、先にも説明した通り、バネマス系と屈曲系で吸音メカニズムが形成されている。ここで、発明者達は、振動体１２の面密度を変えた際の共振周波数における吸音率のシミュレートを行った。
図２は、空気層１８の平面視のサイズが１００ｍｍ×１００ｍｍの方形、厚みＬが１０ｍｍの筐体１１に振動体１２の平面視のサイズが８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍを固着し、中央部（大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）の面密度を変化させた際の吸音体１０の垂直入射吸音率のシミュレート結果を示した図である。なお、シミュレート手法は、ＪＩＳ Ａ １４０５−２（音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第２部：伝達関数法）に従って、上記吸音体１０を配置した音響室の音場を有限要素法により求め、その伝達関数より吸音特性を算出した。

具体的には、中央部の面密度を、（１）１３９９［g／ｍ^２］、（２）２０９９［g／ｍ^２］、（３）２７９９［g／ｍ^２］、（４）４１９８［g／ｍ^２］とし、周辺部材の面密度を１３９９［g／ｍ^２］とし、振動体１２の平均面密度を、（１）１３９９［g／ｍ^２］、（２）１４２４［g／ｍ^２］、（３）１４４９［g／ｍ^２］、（４）１４９８［g／ｍ^２］とした場合のシミュレーション結果である。
シミュレートの結果を見ると、２５０〜３５０[Ｈｚ]の間において吸音率が高くなっている。
また、２５０〜３５０[Ｈｚ]の間で吸音率が高くなっているのは、振動体１２の屈曲振動によって形成される屈曲系の共振によるものである。吸音体１０においては、屈曲系の共振周波数での吸音率が低音域側のピークとして表れており、中央部の面密度を大きくしてゆくと屈曲系の共振周波数だけが低くなっていることが分かる。

一般に、屈曲系の共振周波数は、振動体１２の弾性振動を支配する運動方程式で決定され、振動体１２の密度（面密度）に反比例する。また、前記共振周波数は、固有振動の腹（振幅が極大値となる場合）の密度により大きく影響される。このため、上記シミュレーションでは、１×１の固有モードの腹となる領域を中央部で異なる面密度に形成したので、屈曲系の共振周波数が変化したものである。
このように、シミュレーション結果は、中央部の面密度を周縁部の面密度より大きくすると、吸音のピークとなる周波数のうち、低音域側の吸音率のピークがさらに低音域側へ移動することを表している。従って、中央部の面密度を変更することにより吸音のピークとなる周波数の一部をさらに低音域側または高音域側に移動（シフト）させることができることを表している。
上述した吸音体１０においては、中央部の面密度を変えるだけで、吸音される音のピークの周波数を変える（シフトさせる）ことができるため、振動体１２を吸音体１０全体と同じ素材で板状に形成し、吸音体１０全体の質量を重くして吸音する音を変更する場合と比較して、吸音体１０全体の質量を大きく変えることなく吸音させる音を低くできる。
このように、室内の吸音力の変更（人や荷物の数量、形状の変化等）や発生音の変更により室内の騒音特性の変化に対応できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図３を用いて説明する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一若しくは同等の構成部分については必要に応じて同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。

第２実施形態の吸音体１０は、前記空気層１８内に多孔質材２４を設けたものである。
多孔質材２４は、不織布等の繊維類のように毛細管を持つ材料や、発泡体等の連続気泡を持つ材料からなり、音が入射したときに、その細孔中で音波が周壁との摩擦や粘性抵抗及び材料小繊維の振動などによって、音のエネルギーの一部を熱エネルギーとして消費可能に設けられている。具体的には、グラスウール、吸音ウレタンスポンジ、不織布状の有機繊維（ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＶＡ、ＰＶＣ、ＰＰ等）及びそれらの組合せが例示できる。

このような第２実施形態によれば、第１実施形態の吸音体１０による吸音性能だけでなく、多孔質材２４による吸音性能も得られるようになる。これにより、良好な吸音作用が得られる音域の拡大化を図ることができ、快適な音場が作り出されることが期待できる。

以下に本発明の実施例を比較例とともに説明する。

［実施例、比較例］
実施例１では、前記第１実施形態と同じ形態の吸音体１０を作製した。筐体１１の材質をＡＢＳとし、筐体１１の平面形状を１０６ｍｍ×１０６ｍｍの方形、周壁１４、底壁１５及び頂壁１６の各厚みを３ｍｍ、空気層１８の厚みＬを１０ｍｍ、空気層１８の平面形状を１００ｍｍ×１００ｍｍの方形、開口部１６Ａの平面形状を８０ｍｍ×８０ｍｍの方形とした。振動体１２は、厚み１．７ｍｍのオレフィン系シートとし、頂壁１６における開口部１６Ａに沿う位置で融着した。
比較例は、図４に示されるように、実施例１に対し、頂壁１６の構成を省略した。また、空気層１８の平面形状を８０ｍｍ×８０ｍｍの方形、すなわち、実施例１の開口部１６Ａの平面形状と同じに設定した。

各実施例及び各比較例の吸音体を評価するにあたって、垂直入射吸音率を評価指標として用いた。各実施例及び各比較例の垂直入射吸音率の結果を図５のグラフに示す。

図５のグラフにおいて、周波数が２５０Ｈｚ〜３１５Ｈｚにおいて、比較例より実施例の方が垂直入射吸音率も高くなる。つまり、実施例は比較例に比べ、中低域の周波数で吸音性能が良好となることが理解できる。
また、実施例は比較例に比べ、空気層１８内の音圧が４％減、振動体１２の振幅が１．３倍となることが数値解析により確認でき、これによっても、実施例の方が優れた吸音性能を有すると言える。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、特定の実施の形態に関して特に図示し、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上に述べた実施形態、実施例に対し、形状、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

例えば、筐体１１の平面形状は、種々の変更が可能であり、長方形、円形、楕円形、多角形やそれらを組み合わせた形状等としてもよい。この場合、筐体１１の平面サイズは、第１実施形態の筐体１１の平面サイズに収まるように設定されることが好ましい。

また、底壁１５は、図６に示されるように、振動体１２に対して傾斜する方向に向けてもよい。

更に、前記実施形態では、振動体１２をフラットな形状としたが、これに限られず、図７に示されるように、球面状或いは円筒面状に形成して表側に膨出する形状に設けてもよい。なお、振動体１２の膨出する方向は、図７とは反対に裏側（同図中下側）に設定してもよい。

また、開口部１６Ａの形状は、図８（Ａ）に示されるように円形にする等、種々の変更が可能であり、円形の他、正方形、長方形、楕円形、多角形やそれらを組み合わせた形状等としてもよい。
更に、図８（Ｂ）に示されるように、開口部１６Ａは、同図中頂壁１６の左半分領域に設ける等、頂壁１６の面内中央よりずれた位置に設けてもよい。また、図８（Ｃ）に示されるように、筐体１１の平面形状を二つの長方形を連結してＴ字状に設けた場合、何れか一方の長方形部分に開口部１６Ａ及び振動体１２を設けてもよい。

（Ａ）は、第１実施形態に係る吸音体を模式的に表した概略横断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の吸音体の平面図。 振動体の面密度を変えたシミュレート結果を示す図 第２実施形態に係る吸音体の図１（Ａ）と同様の横断面図。 比較例に係る吸音体の図１（Ａ）と同様の横断面図。 実施例及び比較例の吸音率を表すグラフ。 変形例に係る吸音体の図１（Ａ）と同様の横断面図。 他の変形例に係る吸音体の図１（Ａ）と同様の横断面図。 （Ａ）〜（Ｃ）は、更に他の変形例に係る吸音体の図１（Ｂ）と同様の平面図。

符号の説明

１０・・・吸音体、１１・・・筐体、１２・・・振動体、１４・・・周壁、１５・・・底壁、１６・・・頂壁、１６Ａ・・・開口部、１８・・・空気層

Claims (4)

1. 筐体に取り付けられた板状若しくは膜状の振動体を有する吸音体において、
   前記筐体は、内部に空気層を形成する周壁と、この周壁の一端側に連設された底壁と、周壁の他端側に連設されて面内に開口部を形成する頂壁とを備え、
   前記振動体は、前記開口部の全領域をカバー可能に設けられ、
   平面視において、前記開口部の開口面積は、前記空気層の面積より小さく設定されていることを特徴とする吸音体。
2. 前記振動体は、表側又は裏側に膨出する形状に設けられていることを特徴とする請求項１記載の吸音体。
3. 前記開口部は、前記頂壁の面内中央よりずれた位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の吸音体。
4. 前記底壁は、前記振動体に対して傾斜する方向に向けられていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の吸音体。

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