JP2011514559A - 気体流システムにおける可聴音響周波数管理のためのプロセス - Google Patents

Abstract

遮音プロセスは、（ａ）第１の密度を有する第１の媒体に配置される構造体の実質的に周期的なアレイを備える少なくとも１つの音波バリアを提供する工程であって、アレイが、少なくとも２つの構造体の少なくとも１つの列を備え、構造体が、第１の密度よりも大きい第２の密度を有する第２の媒体で作製され、第２の媒体が、粘弾性媒体、弾性媒体、又はこれらの組み合わせであり、第１の媒体が、ガス状媒体である、工程と、（ｂ）構造体の列が、気体流の流れの方向に対して垂直の方向に延びるような態様で、少なくとも１つの音波バリアを、少なくとも１つの少なくとも部分的に閉鎖された気体流内に設置する工程と、を含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、両方とも２００８年３月３日に出願された、米国仮出願第６１／０３３，１７７号及び同第６１／０３３，１９８号の優先権を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本発明は、気体流からもたらされる可聴雑音を減衰するためのプロセスに関する。

フェイスマスク、建物、及び運搬用車両における空気送達システム等の気体流システムは、商業、産業、及び居住環境における、主要な許容不可能な騒音公害の原因となり得る。例えば、建物及び運搬用車両の暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）システムは、行き渡る強制空気ネットワーク又はダクトシステムと組み合わせて、空気移動デバイス（ファン等）を含む。ダクトシステムは、建物又は車両全体に調整空気（源空気）を分配するため、還気を換気又は再循環させるために使用される。この強制空気の層流、ファンの雑音、空気流のダクト壁に対する衝突（例えば、曲がり角、屈曲部、及び角部での）、及びダクトの壁（典型的に、シート金属）上で生じる振動モードは、そのようなシステムにおける可聴雑音の主源である。

そのような雑音を減衰するために、吸収体及び反射体（それぞれ、粘性散逸及び反射によって減衰する）等の従来の防音材が、気体流路内に設置されている。そのような従来の材料は、通常、周波数選択的な音波制御を提供することなく、広範囲の周波数にわたって機能する。能動的雑音消去装置は、周波数選択的な音波減衰を可能にするが、この装置は、典型的には閉じ込められた空間内で最も有効であり、電力及び制御を提供するために、電子機器に投資し該装置を作動させる必要がある。低速流ダクトに周波数選択的な音波制御を提供するために、ブラッグ散乱が提案されているが、その潜在的利益は、比較的低い透過損失に制限されると思われる。

材料からの音波透過損失が、概して、その質量及び剛性の関数であるため、従来の音波バリア（例えば、緻密な金属シート又はプレート）は比較的重く、かつ気密な傾向にある。いわゆる「質量則」（所定の周波数範囲内にて多くの従来の音響バリア材料に適用可能）は、材料の単位面積当たりの重量が２倍になると、材料を介した透過損失が６デシベル（ｄＢ）増大することを決定づける。より緻密な材料を使用することによって、又はバリア厚を増大させることによって、単位面積当たりの重量を増大することができる。少なくとも幾つかの気体流用途では、重量の追加は望ましくない可能性があるが、より重要なことに、そのような用途で使用する雑音減衰体は、一般に、気体流を大幅に遮断するべきではなく、又は過度の気体圧力低下をもたらすべきではない。

したがって、従来の音波吸収材料として気体流システムでしばしば使用されてきた音波吸収体（例えば、繊維性又は発泡体材料）は、一般に、比較的軽量であり、かつ比較的多孔質である。しかしながら、多孔質吸収体の孔内への水分の取り込み、及びその中での細菌増殖の可能性が結果として生じるため、多孔質音波吸収体は、特定の環境（例えば、ＨＶＡＣダクト）での使用に、それ程魅力的ではない可能性がある。これは、多孔質吸収体及びバリアを、そのようなダクト内でライナーとして使用することを事実上除外し得る。

米国では、通気口及びダクトは、典型的に、外部から隔離されているが、これの主な目的は断熱である。しかしながら、音響制御のために、ダクト長さの一部は、多くの場合、内部が音波吸収体材料で覆われており、また、適切な場合には、機械的音波減衰体又は消音体（例えば、羽根若しくはバッフル、及び／又は制振体を含む箱）が配管内に設置される。機械的減衰体及び消音体は高価であり得、有意な圧力低下を引き起こし得、エネルギー消費を増加させ得る。低周波数音波（例えば、約１０００ヘルツ（Ｈｚ）未満の周波数）は、吸収体及び機械的減衰体又は消音体（及び更には、天井タイル等の建物音響バリアを含む、第２の防衛線）が、多くの場合、この範囲に不適切であるため、特に問題となる場合がある。

したがって、好ましくは、比較的非多孔質であり（微生物増殖の可能性を低減又は最小限にするために）、及び／又は気体流を大幅に遮断せず、若しくは有意な圧力低下をもたらさない、音波バリアを利用する一方で、可聴音響周波数を減衰する（音波透過を低減する、又は好ましくは排除する）のに少なくとも部分的に効果的であり得る気体流システム内の雑音を管理又は制御するためのプロセスの必要性が存在することが認識される。好ましくは、プロセスは、比較的広範囲の可聴周波数（好ましくは、約１０００Ｈｚ未満のもの等の低周波数を含む）にわたり、少なくとも部分的に効果的にすることができ、及び／又は比較的単純にかつ費用効果的に実施することができる。

つまり、一態様では、本発明は、遮音プロセスを提供する。本プロセスは、（ａ）第１の密度を有する第１の媒体に配置される構造体の実質的に周期的なアレイを備える少なくとも１つの音波バリアを提供する工程であって、アレイが、少なくとも２つの構造体の少なくとも１つの列を備え、構造体が、第１の密度よりも大きい第２の密度を有する第２の媒体で作製され、第２の媒体が、粘弾性媒体、弾性媒体、又はこれらの組み合わせであり、第１の媒体が、ガス状媒体（好ましくは、空気）である、工程と、（ｂ）構造体の列が、気体流（好ましくは、気体流ダクト内の気体流）の流れの方向に対して垂直の方向に延びるような態様で、少なくとも１つの音波バリアを、少なくとも１つの少なくとも部分的に閉鎖された気体流内に設置する工程と、を含む。好ましくは、構造体の実質的に周期的なアレイは、二次元又は三次元アレイ（より好ましくは二次元アレイ）である。

第２の媒体は、好ましくは、弾性媒体、縦音波の伝搬速度と横音波の伝搬速度とを有し、縦音波の伝搬速度が、横音波の伝搬速度の少なくとも３０倍である粘弾性媒体、又はこれらの組み合わせである。弾性媒体は、例えば、耐久性を必要とする用途に好ましい場合がある。粘弾性媒体は、例えば、より低い重量及び／又は費用を必要とする用途に好ましい場合がある。驚くべきことに、粘弾性媒体は、しばしば問題となる低周波数音響範囲に対処するのに予想外に効果的であることがわかった。

上述の空間的に周期的なアレイを備える音波バリアを形成し、それを気体流システム内に設置することによって、可聴範囲（つまり、２０ヘルツ（Ｈｚ）〜２０キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲）の少なくとも一部分で、バンドギャップの形態の効果的な雑音減衰、又は少なくとも有意な可聴音響透過損失（例えば、２０デシベル（ｄＢ）より大きい）を得ることができることが発見された。音響産業では、約２０＋ｄＢの減衰は、音響パワーの１００パーセントの低減に近似する、非常に有意な透過損失である。

本発明のプロセスで使用される音波バリアは、ブラッグ散乱（実質的に周期的なアレイはフォノニック結晶構造体である）によって雑音低減を提供し、少なくとも幾つかの実施形態では、比較的軽量かつ比較的小型（例えば、約数センチメートル以下の外部寸法を有する）にすることができる。材料を選択する際、そのような設計パラメータを制御することによって、構造体の数、構造体の形状、構造体の格子又は配設の種類、構造体の間隔等、バンドギャップの数及び周波数並びにそれらの幅を調整することができるか、あるいは最低でも、周波数の関数として透過損失レベルを調節することができる。

選択周波数のみがバリアを通過できるように、フォノニック結晶系音波バリアを、気体流システム内に設置することができる（例えば、気体流（gas stream）又は気体流（gas flow）の横断面積の少なくとも一部にわたって延びるように）。バリアは、実質的に非多孔質の材料を含むことができ、したがって、微生物増殖が懸念される気体流システムに有用であり得る。加えて、バリアの構造体の実質的に周期的なアレイは、十分に低い充填率（気体流（gas stream）又は気体流（gas flow）の横断面積に対して）で効果的であり得、気体流は大幅に遮断されず、又は気体流に有意な圧力低下が生じない。

バリアは、受動的であるが周波数選択的に、音響バンドギャップを生成することができる。音響産業で使用される最も一般的な音波吸収体とは異なり、フォノニック結晶系バリアは、透過モードの音波を制御する。バンドギャップの周波数の範囲内で、構造を介した入射音波の透過は、本質的に存在しない可能性がある。バンドギャップは、常に完全である（つまり、音波透過がない）わけではないが、上述されるように、多くの場合、音波透過損失を約２０デシベル（ｄＢ）以上にすることができる。

選択周波数のみがバリアを通過できるように、フォノニック結晶系音波バリアを音波源と受信体との間に設置することができる。受信体はこうしてフィルターにかけられた音波を聴き、望ましくない周波数は遮断される。バリアを適切に構成することによって、透過される周波数を、受信体に集中させることができるか、又は望ましくない周波数を、反射して音波源に戻すことができる（周波数選択鏡と極めて類似する）。現行の音響材料とは異なり、フォノニック結晶系音波バリアは、音波を単に減衰又は反射するためというよりはむしろ、音波を実際に管理するために使用することができる。

したがって、少なくとも幾つかの実施形態では、本発明のプロセスは、好ましくは、比較的非多孔質であり（微生物増殖の可能性を最小限にするために）及び／又は気体流を大幅に遮断若しくは有意な圧力低下をもたらさない音波バリアを利用する一方で、可聴音響周波数を減衰するのに少なくとも部分的に効果的であり得る、気体流システム内の雑音を管理又は制御するためのプロセスの上述の必要性を満たすことができる。本発明のプロセスは、建物（例えば、家、事務所、病院等）のＨＶＡＣシステム、運搬用車両（例えば、自動車、ボート、及び飛行機）のＨＶＡＣシステム、気体（例えば、空気）送達用のフェイスマスク、ファンが収容された家庭用器具等、及びこれらの組み合わせを含む、様々な異なる気体流システムで、遮音を提供するために使用することができる。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点は、次の説明、添付した請求項及び添付した図面でよりよく理解されるであろう。
本発明のプロセスの実施形態で使用するための音波バリアを調製するために使用することができる個々の構造体又はアレイ構成要素の透視図。 本発明のプロセスの一実施形態の実施において、気体流ダクト内に設置された、図１の構造体の実質的に周期的なアレイを備える音波バリアの透視図。

これらの図は、理想化されており、一定の縮尺で描かれてはおらず、単に例証であり、かつ非限定的であることを意図する。
実施例１及び２に記載する本発明のプロセスの実施形態並びに比較例１に記載するプロセスの音圧レベル（ｄＢＡ）対周波数（Ｈｚ）のプロット。

材料
本発明のプロセスで使用される音波バリアの上記の粘弾性構成要素又は媒体として使用するのに好適な材料には、粘弾性固体及び液体が挙げられる。有用な粘弾性固体及び液体は、周囲温度（例えば、約２０℃）で、約５×１０^６パスカル（Ｐａ）以下の定常剪断プラトー弾性率（Ｇ^ｏ _Ｎ）を有するものを含み、この定常剪断プラトー弾性率は、好ましくは材料のガラス転移温度（Ｔ_ｇ）より−２４３℃（３０ケルビン度）〜約−１７３℃（１００ケルビン度）高い温度範囲にわたって存在する。好ましくは、粘弾性材料は、周辺温度（例えば、約２０℃）で、約１×１０^６Ｐａ以下（より好ましくは、約１×１０^５Ｐａ以下）の定常剪断プラトー弾性率を有する。好ましい粘弾性材料は、（好ましくは、少なくとも音響周波数の可聴範囲内で）その横音波の伝搬速度の少なくとも約３０倍（好ましくは少なくとも約５０倍、より好ましくは少なくとも約７５倍、最も好ましくは少なくとも約１００倍）である、縦音波の伝搬速度を有する。

有用な粘弾性材料の例には、エラストマー（例えば、熱可塑性エラストマー及びエラストマー発泡体を含む）、弾粘性液体等、及びこれらの組み合わせ（好ましくは、少なくとも幾つかの用途では、エラストマー及びこれらの組み合わせ）を含む、様々な形態のゴム状ポリマー組成物（例えば、軽く架橋したポリマー又は半結晶性ポリマーを含む）が挙げられる。有用なエラストマーには、両方とも無機及び有機ポリマーであるホモポリマー及びコポリマー（ブロック、グラフト及びランダムコポリマーを含む）の両方、並びにそれらの組み合わせ、並びに線状又は分枝状のポリマー、及び／又は相互侵入若しくは半相互侵入ネットワークの形態若しくは他の複合形態のポリマー（例えば、スターポリマー）が挙げられる。有用な弾粘性液体には、ポリマー溶解物、溶液、及びゲル（ヒドロゲル及びイオン性ポリマーゲルを含む）が挙げられる。

好ましい粘弾性固体には、シリコーンゴム（好ましくは約２０Ａ〜約７０Ａ、より好ましくは約３０Ａ〜約５０Ａのジュロ硬度を有する）、エピクロロヒドリンゴム（好ましくは、エピクロロヒドリン独立気泡発泡体）、（メタ）アクリレート（アクリレート及び／又はメタクリレート）ポリマー（好ましくは、イソオクチルアクリレート（ＩＯＡ）及びアクリル酸（ＡＡ）のコポリマー）、ブロックコポリマー（好ましくは、スチレン、エチレン、及びブチレンを含む）、セルロース系ポリマー（好ましくは、コルク）、有機ポリマー（好ましくは、ポリウレタン）及びポリジオルガノシロキサンポリアミドブロックコポリマー（好ましくは、シリコーンポリオキサミドブロックコポリマー）のブレンド、ネオプレン、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。好ましい粘弾性液体には、鉱油修飾ブロックコポリマー、ヒドロゲル、イオン性ポリマーゲル、及びこれらの組み合わせが挙げられる。

それらの粘弾性固体及び液体は、既知の方法によって調製することができる。多くは市販されている。

本発明のプロセスで使用される音波バリアの上記の弾性構成要素又は媒体として使用するのに好適な材料には、本質的に全ての弾性材料が挙げられる。しかしながら、好ましい弾性材料には、少なくとも毎秒約２０００メートル（ｍ／ｓ）の縦音速を有するものが挙げられる。

弾性固体の有用な部類には、金属（及びそれらの合金）、無機鉱物（例えば、パーライト及びエアロゲル）、ガラス状ポリマー（例えば、硬化したエポキシ樹脂）等、及びこれらの組み合わせ（例えば、ポリマー結合剤マトリックス中の金属粉末又は金属削屑の合成物等の金属−ポリマー合成物を含む）が挙げられる。弾性固体の好ましい部類には、金属、金属合金、ガラス状ポリマー、及びこれらの組み合わせ（より好ましくは、銅、アルミニウム、エポキシ樹脂、銅合金、アルミニウム合金、及びこれらの組み合わせ、更により好ましくは、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金、及びこれらの組み合わせ、なおより好ましくは、銅、銅合金、及びこれらの組み合わせ、最も好ましくは、銅）が挙げられる。

そのような弾性材料は、既知の方法によって調製又は得ることができる。多くは市販されている。

所望であれば、本発明のプロセスで使用される音波バリアは、所望により、他の構成要素材料を含むことができる。例えば、音波バリアは、２つ以上の粘弾性材料、及び／又は上述の弾性材料のうちの２つ以上を含むことができる。音波バリアの望ましい音響特徴が許容不可能に影響を受けないことを条件として、従来の添加材料を含めることができる（例えば、比較的高い温度でのポリマー安定性を向上させるために、酸化防止剤が存在してもよい）。

音波バリアの調製
本発明の遮音プロセスに使用される音波バリアは、第１の密度を有する第１の媒体に配置される構造体の実質的に周期的な（バンドギャップが生じることができるくらい十分に周期的な）アレイを備え、アレイは、少なくとも２つの構造体の少なくとも１つの列を備え、構造体は、第１の密度よりも大きい第２の密度を有する第２の媒体で作製され、第２の媒体は、粘弾性媒体、弾性媒体、又はこれらの組み合わせであり、第１の媒体は、ガス状媒体（好ましくは、空気）である。少なくとも幾つかの用途に対して、第２の密度対第１の密度の比は、好ましくは少なくとも約１０００であり得る。好ましくは、構造体の実質的に周期的なアレイは、二次元又は三次元アレイ（より好ましくは二次元アレイ）である。

第２の媒体は、好ましくは、弾性媒体、縦音波の伝搬速度と横音波の伝搬速度とを有し、縦音波の伝搬速度が、横音波の伝搬速度の少なくとも３０倍である粘弾性媒体、又はこれらの組み合わせである。弾性媒体は、例えば、耐久性を必要とする用途に好ましい場合がある。粘弾性媒体は、例えば、より低い重量及び／又は費用を必要とする用途に好ましい場合がある。上記のように（及び「音波バリアの使用」と題する項においてより詳細に以下に説明されるように）、粘弾性媒体は、しばしば問題となる低周波数音響範囲に対処するのに予想外に効果的であることがわかった。

アレイの構造体の露出面は、微生物増殖の可能性を低減する又は最小限にするために、好ましくは、実質的に滑らか及び／又は非多孔質（例えば、サイズが約１マイクロメートル以下の表面特長及び／又は孔径を有する）である。露出面は、好ましくは、１立方センチメートル当たり約１グラム以上の密度を有する材料を含む。したがって、露出面は、好ましくは、従来の発泡体若しくは繊維性吸収体材料以外の材料を含む、それらからなる、又は本質的にそれらからなる（あるいは、そのような多孔質材料が使用される場合、少なくとも材料の露出面は、表面粗さ及び／又は多孔性を低減するために、封止又は艶出し等の方法で処理される）。

また、特定の材料選択は、構造体の抗菌特徴を向上させることができる。例えば、銅を、その固有の抗菌特性のために選択することができる。

実質的に周期的なアレイを形成する際、構造体のための材料（第２の媒体）は、上記の密度特徴に従って、上記の粘弾性及び弾性材料から選択することができる。構造体は、中実であってもよく、又は少なくとも部分的に中空であってもよい（好ましくは、少なくとも部分的に中空）。構造体は、特定の密度、弾性、及び／又は粘弾性特徴が維持されることを条件として、他の材料を更に含むことができる。例えば、構造体は、１つ以上の非粘性流体を含むことができる（例えば、中空の構造体において、非粘性流体は、空芯の形態で存在することができる）。

アレイ内の構造体は、好ましくは実質的に同一である（例えば、形状、サイズ、組成等に関して）。しかしながら、アレイ内の構造体の数（及びサイズ）は、例えば、特定の気体流システム内の気体流の横断面積及び／又は特定の音響周波数を除去する望ましさ等の要因により、アレイによって大きく異なってもよい。

また、構造体の形状又は構成も、アレイによって大きく異なってもよく、中実の幾何学的形状（例えば、球形、中実方形、中実筒形、中実三角形、他の閉じた中実多角形等）及びそれらの少なくとも部分的に中空の形、環状構造体（例えば、外管内の内管又はロッド）等（好ましくは、球形、円筒、それらの少なくとも部分的に中空の形、及びそれらの組み合わせ、より好ましくは、円筒、少なくとも部分的に中空の円筒、及びこれらの組み合わせ、最も好ましくは、少なくとも部分的に中空の円筒）を含む。所望であれば、気体流システム内の気体圧力低下を最小限にするのを助長することができる空気力学的形状（例えば、翼等）を利用することができる。

構造体の寸法（例えば、高さ及び横断面積、並びに中空の構造体に関しては厚さ）は、特定の気体流用途の空間要件及び／又は音響要件により、アレイによって大きく異なってもよい（例えば、約数ミリメートルからメートル程度以上の範囲）。所望であれば、構造体は、多層構造体（例えば、同心環状構造体の形態の）であってもよい。

構造体は、任意の既知の又は以後開発される取り付け方法又は設置方法あるいは手法によって、気体流システムに、個々に又は集合的に取り付けることができる。しかしながら、好ましくは、音波バリアは、バリアを気体流システムの振動（例えば、バリアが挿入される気体流ダクトの振動）から効果的に分断することができる介在取り付け、設置、及び／又は格納構成要素（例えば、制振体、滑動部、スペーサ等、又はこれらの組み合わせを備えるフレーム）を更に含む。

結果として生じる音波バリアは、巨視的構成（例えば、約センチメートル未満の寸法規模を有する）であってもよい。所望であれば、バリアは、気体マトリックス（例えば、空気）によって囲まれる格子部位に、均一に寸法化されかつ均一に形状化された構造体を有する、空間的に周期的な格子の形態を取ることができる。そのようなバリアの設計パラメータには、格子の種類（例えば、正方形、三角形等）、格子部位間の間隔（格子定数）、単位格子の構成及び形状（例えば、構造体によって占有される単位格子の部分領域−「充填比」と称される、ｆとしても既知である）、利用される材料の物理的特性（例えば、密度、ポアソン比、係数等）、構造体の形状（例えば、ロッド、球形、中空ロッド、四角形支柱等）等が挙げられる。そのような設計パラメータを制御することによって、結果として生じるバンドギャップの周波数、ギャップの数、及びそれらの幅を調整することができる、又は最低でも周波数の関数として透過損失のレベルを調節することができる。

好ましいアレイには、約０．１〜約０．６５以上（より好ましくは約０．２〜約０．６、最も好ましくは約０．３〜約０．５５）の範囲の充填比を有するものが挙げられる。好ましい種類の格子には、音波バリアの存在による気体圧力低下を最小限にするために、（例えば、構造体の互い違いの列を有するものというよりはむしろ）比較的「開いた」ものが挙げられる。したがって、好ましい格子には、三角形以外のもの（より好ましくは、正方形格子、方形格子、及びこれらの組み合わせ）が挙げられる。

好ましくは、音波バリアは、気体マトリックスによって囲まれる正方形格子パターンの筒形構造体（中実又は少なくとも部分的に中空）の形態の二次元又は三次元アレイである（より好ましくは、二次元アレイ）。筒形構造体は、より好ましくは、円筒形構造体（中実又は少なくとも部分的に中空）であり、最も好ましくは、少なくとも１つの金属、少なくとも１つの粘弾性材料、又はこれらの組み合わせを含む中空の円筒形構造体である。

そのような音波バリアのアレイの構成要素構造体の総数は、例えば、２つと少なくから、数百以上と大きな数までの範囲に及ぶことができる。また、構造体の寸法も大きく異なってもよい（例えば、気体流サイズ及び／又は除去されることが望ましい音響周波数によって）が、好ましくは、約数センチメートル以下である。構造体のそのような寸法及び数は、約数センチメートル以下の寸法を有する音波バリアを提供することができる。所望であれば、１つ以上の他の層を追加する前に、多層構造体の種々の層を洗浄することができ（例えば、界面活性剤組成物又はイソプロパノールを使用して）、及び／又は所望により、１つ以上の結合剤（例えば、接着剤又は機械的締結具）を利用することができる（望ましい音響との有意な干渉がないことを条件として）。

好ましい音波バリアは、気体流の横断面積の少なくとも一部に及ぶことができる１〜約４列（より好ましくは、１〜３列、最も好ましくは、１又は２列）の２つ以上の構造体（好ましくは、中空の構造体）を含む。（一般に、音波バリアの存在により結果として生じる気体圧力低下を最小限にするために、特定の用途に望ましい音響効果を提供することができる最少数の列及び／又は縦列が好まれ得る。）構造体は、粘弾性材料（好ましくは、シリコーンゴム、アクリレートポリマー、又はこれらの組み合わせ）及び／又は弾性材料（好ましくは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの組み合わせ、より好ましくは、銅、銅合金、又はこれらの組み合わせ）を含むことができる。

所望により、本発明のプロセスで使用される音波バリアは、１つ以上の従来の若しくは以後開発される遮音材（例えば、従来の吸収体、従来のバリア、局部共振構造体等、及びこれらの組み合わせ、好ましくは、局部共振構造体）を含むことができ、及び／又は気体流の他の態様（例えば、濾過、熱管理等）に対処する１つ以上の構成要素を更に含むことができる。所望であれば、そのような従来の遮音材は、例えば音波バリアの周波数有効範囲を拡大するように層状にしてもよい。

音波バリアの使用
音波バリアのうちの１つ以上を、気体流システム内（好ましくは、気体流ダクト内）の少なくとも部分的に閉鎖された気体流内に設置することによって、本発明の遮音プロセスの実施において、上述の音波バリアを使用することができる。そのような気体流システムには、建物及び運搬用車両のＨＶＡＣダクトシステム、排気ライン等が挙げられる。好ましくは、音波バリアを、バリアが気体流の横断面積の少なくとも一部に及ぶような態様で、気体流内に設置することができる。

概括的に言えば、そのような使用法には、音響源（好ましくは、可聴音響周波数の源）と音響受信体（好ましくは、可聴音響周波数の受信体）との間に、音波バリアを間置又は設置することを挙げることができる。気体流システム内の一般的な音響源には、気体流による雑音、ファン雑音等（好ましくは、可聴成分を有する雑音又は他の音波、より好ましくは、約２５０Ｈｚ〜約１０，０００Ｈｚの範囲の周波数成分を有する雑音又は他の音波）が挙げられる。音響受信体は、例えば人の耳、任意の様々な記録デバイス等であってよい（好ましくは人の耳）。

上記の音波バリアは、比較的広範囲の可聴周波数に対処するのに特に効果的であり得る。しかしながら、所望であれば、バリアは、より広範囲の濾過作用を提供するために、１つ以上の局部共振構造体と組み合わせて使用することができる（特に、例えば約１０００Ｈｚ未満等の低周波数において）。

本発明のプロセスは、音波バリアのうちの１つ以上を、気体流システムの気体流内の本質的に任意の適切な位置に設置することによって、実施することができる。例えば、図１及び図２を参照すると、本発明のプロセスの一実施形態では、空芯１２及び弾性（例えば、金属）又は粘弾性殻１４を含む中空の構造体１０（図１に示される）の実質的に周期的なアレイを含む音波バリア２０（図２に示される）は、気体ダクト４０（図２に示される）を通って流れる気体流３０内に設置される。音波バリアは、気体流システムにおける複数の音波バリアの必要性を低減するために、好ましくは、気体流システムの音響源の比較的近く（例えば、ＨＶＡＣシステムの炉の比較的近く）に設置することができる。

本発明のプロセスは、可聴範囲の比較的大きな部分にわたる透過損失を達成するために使用することができる（好ましい実施形態では、約８００Ｈｚ〜約１０，０００Ｈｚの範囲にわたり、約２０ｄＢ以上の透過損失を提供し、より好ましい実施形態では、約５００Ｈｚ〜約１０，０００Ｈｚの範囲にわたり、約２０ｄＢ以上の透過損失を提供し、更により好ましい実施形態では、約２５０Ｈｚ〜約１０，０００Ｈｚの範囲にわたり、約２０ｄＢ以上の透過損失を提供し、最も好ましい実施形態では、約５００Ｈｚ〜約１０，０００Ｈｚの範囲の少なくとも一部にわたり、実質的に完全な透過損失を提供する）。多孔質吸収体材料を使用することなく、及び／又は有意な気体圧力低下なく（例えば、約２５パーセント未満、好ましくは約１０パーセント未満）、そのような透過損失を達成することができる。

驚くべきことに、粘弾性媒体は、しばしば問題となる低周波数音響範囲に対処するのに予想外に効果的であることがわかった。中空の構造体の実質的に周期的なアレイを形成する際に粘弾性媒体が第２の媒体として使用される場合、結果として生じる音波バリアは、フォノニックバンドギャップを示すことができるだけでなく、驚くべきことに、低周波数（１５００Ｈｚ未満。例えば、フォノニックバンドギャップのブラッグ周波数よりも約２桁分小さい）において、より狭い局部共振バンドギャップも示すことができることが発見された。したがって、そのような音波バリアは、フォノニックバンドギャップのより高い周波数における遮音を提供することに加えて、気に障る離散的な低周波数を標的にするのに有用であり得る。

本発明の目的及び利点は、以下の実施例によって更に例示されるが、これらの実施例において列挙された特定の材料及びその量は、他の諸条件及び詳細と同様に本発明を過度に制限するものと解釈されるべきではない。実施例における部、百分率、比等は全て、特に記載しない限り、重量基準である。使用される溶媒及びその他の試薬は、特に記載しない限り、Ｓｉｇｍａ−ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯより入手した。

実施例１及び２並びに比較例１
実験用のＨＶＡＣダクトシステムを構成した。本システムは、０．０９ｍ×０．２６ｍの寸法の方形断面の長さ０．９１ｍ（３フィート）のシート金属（アルミニウム）ダクトを備え、３Ｍ（商標）Ｔｈｉｎｓｕｌａｔｅ（商標）Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎで外部から覆い、０．０１９ｍ（３／４インチ）厚の端部が開口した合板箱内に設置した。ダクトに空気を均等に分布させるのを補助するために、ディフューザーを箱の一方の端部に取り付けた。

２つの音波バリア（一方を「小型チューブアセンブリ」と呼び、他方を「大型チューブアセンブリ」と呼ぶ）を中空の銅パイプ（ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ Ｉｎｃ．，Ｅｌｍｈｕｒｓｔ，ＩＬから入手可能な円筒）から構成した。「小型チューブアセンブリ」を、０．０２８５７５ｍ（１ １／８インチ）の外径（Ｏ．Ｄ．）、０．０２６９４９ｍ（１．０６１インチ）の内径（Ｉ．Ｄ．）、Ｍｃ−Ｍａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ、部品番号８９６７Ｋ１１１、０．０００８１２８ｍ（０．０３２インチ）の壁厚、０．９１４ｍ（３フィート）の長さ（ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒから注文した通り）の銅管（直管）である、中空の銅パイプから構成した。「大型チューブアセンブリ」を、０．０５０８００ｍ（２インチ）のＯ．Ｄ．、０．０４９１７４ｍ（１．９３６インチ）のＩ．Ｄ．、Ｍｃ−Ｍａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ、部品番号８９６７Ｋ７７、０．０００８１２８ｍ（０．０３２インチ）の壁厚、０．９１４ｍ（３フィート）の長さ（ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒから注文した通り）の銅管（直管）である、中空の銅パイプから構成した。

両方のアセンブリでは、パイプの頂部及び底部において２つの０．００３１７５ｍ（０．１２５インチ）厚のアルミニウムプレートによってエッジボルトと一緒に保持される二次元の実質的に周期的なアレイに銅管を配設した。プレートは、所望の格子構造内に個々のパイプを保持するように切られた、０．００２３６２ｍ（０．０９３インチ）厚の円形溝を有した。バリアは、ダクト内に比較的ぴったりと適合するように、０．２６ｍよりもわずかに小さい幅及び０．０９ｍよりもわずかに小さい高さを有した。

小型チューブアセンブリ（実施例１）は、０．０２９９９７ｍ（１．１８１インチ）の格子パラメータを有する正方形格子パターンに配設された３列のパイプ（各列は、ダクト幅に完全に及ぶように、中心に沿った７つの全体パイプ及び２つの端部における２つの部分パイプからなる）を有した。大型チューブアセンブリ（実施例２）は、０．０５９９９４８ｍ（２．３６２インチ）の格子パラメータを有する正方形格子パターンに配設された３列のパイプ（各列は、ダクト幅に完全に及ぶように、中心に沿った２つの全体パイプ及び２つの端部における２つの部分パイプからなる）を有した。

各音波バリアを検査するために、音波バリアをダクトの非ディフューザー端部から０．３０４８ｍ（１２インチ）の所に設置した。本質的に全ての空気が音波バリアの周囲に漏れるよりもむしろ音波バリアを通って移動することを確実にするために、３Ｍ（商標）Ｔｈｉｎｓｕｌａｔｅ（商標）Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎを音波バリアに巻いた。Ｌａｒｓｏｎ Ｄａｖｉｓ（商標）モデル２９００Ｂ Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＲＴＡ）に接続されたＬａｒｓｏｎ Ｄａｖｉｓ（商標）システム８２４ Ｓｏｕｎｄ Ｌｅｖｅｌ Ｍｅｔｅｒ（ＳＬＭ）（両方ともＬａｒｓｏｎ Ｄａｖｉｓ，Ｉｎｃ．，ＰＣＢ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｉｖ．，３４２５ Ｗａｌｄｅｎ Ａｖｅｎｕｅ，Ｄｅｐｅｗ，ＮＹ １４０４３−２４９５，ＵＳＡから入手可能）を、音波バリアと同じ端部（非ディフューザー端部）上のダクトの端部から０．１１４３ｍ（４．５インチ）挿入した。可能な限り周囲雑音を低減するために、箱及びＳＬＭを３Ｍ（商標）Ｔｈｉｎｓｕｌａｔｅ（商標）Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎで覆った。

ダクト内に空気流を導入するために、圧縮空気ホースを使用した。ホースをダクト口の底部にあるディフューザーに０．０５０８ｍ（２インチ）挿入した。圧縮空気のスイッチを入れ、全ての騒音レベルを測定している間継続させた。各測定は、ＳＬＭでの１０秒間の記録からなる。この記録手順を、小型チューブアセンブリ（実施例１）、大型チューブアセンブリ（実施例２）、及び対照（音波バリアのないダクト、比較例１）のそれぞれに対して、合計５回の測定のために繰り返した。周波数（Ｈｚで）の関数として結果として生じる音圧レベル測定値（ｄｂＡ、即ち、Ａ特性周波数重み付けデシベル尺度で）を記録し、平均値を求め、プロットし、結果として生じるグラフィックデータを図３に示す。

本明細書で引用した特許、特許文献、及び公報に含まれる参照された記述内容は、その全体が、それぞれが個々に組み込まれているかのように、参照により組み込まれる。本発明に対する様々な予見できない修正及び変更が、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく当業者に明らかとなるであろう。本発明は、本明細書に記載した例示的な実施形態及び実施例によって過度に限定されるものではなく、かかる実施例及び実施形態は、一例として表されているだけであり、本発明の範囲は、以下のように本明細書に記載した請求項によってのみ限定されることを意図するものと理解されるべきである。

Claims (25)

1. （ａ）第１の密度を有する第１の媒体に配置される構造体の実質的に周期的なアレイを備える少なくとも１つの音波バリアを提供する工程であって、前記アレイが、少なくとも２つの前記構造体の少なくとも１つの列を備え、前記構造体が、前記第１の密度よりも大きい第２の密度を有する第２の媒体で作製され、前記第２の媒体が、粘弾性媒体、弾性媒体、又はこれらの組み合わせであり、前記第１の媒体が、ガス状媒体である、工程と、（ｂ）構造体の前記列が、気体流の流れの方向に対して垂直の方向に延びるような態様で、前記少なくとも１つの音波バリアを、少なくとも１つの少なくとも部分的に閉鎖された気体流内に設置する工程と、を含む、プロセス。
2. 前記アレイが、二次元アレイ、三次元アレイ、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記アレイが、０．１〜０．６５の範囲の充填比を有する、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記ガス状媒体が、空気である、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記第２の媒体が、弾性媒体、縦音波の伝搬速度と横音波の伝搬速度とを有し、縦音波の前記伝搬速度が、横音波の前記伝搬速度の少なくとも３０倍である粘弾性媒体、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載のプロセス。
6. 前記第２の媒体が、粘弾性媒体である、請求項１に記載のプロセス。
7. 前記粘弾性媒体が、少なくとも音響周波数の可聴範囲内で、その横音波の伝搬速度の少なくとも３０倍である縦音波の伝搬速度を有する、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記粘弾性媒体が、粘弾性固体、粘弾性液体、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項６に記載のプロセス。
9. 前記粘弾性固体及び粘弾性液体が、２０℃で５×１０^６Ｐａ以下の定常剪断プラトー弾性率を有する、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記定常剪断プラトー弾性率が、前記粘弾性固体又は前記粘弾性液体のガラス転移温度より−２４３〜−１７３℃（３０〜１００ケルビン度）高い温度範囲にわたって存在する、請求項９に記載のプロセス。
11. 前記粘弾性固体及び前記粘弾性液体が、ゴム状ポリマー組成物及びこれらの組み合わせから選択される、請求項８に記載のプロセス。
12. 前記ゴム状ポリマー組成物が、エラストマー、弾粘性液体、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１１に記載のプロセス。
13. 前記第２の媒体が、弾性媒体である、請求項１に記載のプロセス。
14. 前記弾性媒体が、少なくとも毎秒２０００メートルの縦音波の伝搬速度を有する、請求項１に記載のプロセス。
15. 前記弾性媒体が、金属、金属合金、無機鉱物、ガラス状ポリマー、及びこれらの組み合わせから選択される弾性固体である、請求項１３に記載のプロセス。
16. 前記構造体が、球形、円筒、少なくとも部分的に中空の円筒、及びこれらの組み合わせから選択される構成を有する、請求項１に記載のプロセス。
17. 前記構造体が、中空である、請求項１に記載のプロセス。
18. 前記構造体が、発泡体又は繊維性材料以外の材料を含む露出面を有する、請求項１に記載のプロセス。
19. 前記少なくとも部分的に閉鎖された気体流が、気体流ダクト内にある、請求項１に記載のプロセス。
20. 前記プロセスが、８００Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの範囲にわたって、２０ｄＢ以上の透過損失を提供する、請求項１に記載のプロセス。
21. 前記音波バリアが、少なくとも１つの局部共振構造体を更に備える、請求項１に記載のプロセス。
22. （ａ）第１の密度を有する気体マトリックスによって囲まれる正方形格子パターン内に、固体又は少なくとも部分的に中空の筒形構造体の実質的に周期的な二次元又は三次元アレイを備える少なくとも１つの音波バリアを提供する工程であって、前記アレイが、少なくとも２つの前記構造体の少なくとも１つの列を備え、前記構造体が、前記第１の密度よりも大きい第２の密度を有する第２の媒体で作製され、前記第２の媒体が、粘弾性媒体、弾性媒体、又はこれらの組み合わせである、工程と、（ｂ）構造体の前記列が、気体流の流れの方向に対して垂直の方向に延びるような態様で、前記少なくとも１つの音波バリアを、少なくとも１つの気体流ダクト内の少なくとも１つの気体流内に設置する工程と、を含む、プロセス。
23. 前記アレイが、二次元アレイであり、前記筒形構造体が、円筒形構造体であり、前記円筒形構造体が、発泡体又は繊維性材料以外の材料を含む露出面を有し、前記気体流ダクトが、建物のＨＶＡＣシステム、運搬用車両のＨＶＡＣシステム、気体送達用のフェイスマスク、ファンが収容された家庭用器具、又はこれらの組み合わせの一部である、請求項２２に記載のプロセス。
24. 前記アレイが、１〜４列の少なくとも２つの前記円筒形構造体を備え、前記構造体が、シリコーンゴム、アクリレートポリマー、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、及びこれらの組み合わせから選択される材料を含む中空の構造体であり、前記構造体が、前記気体流の横断面積の少なくとも一部にわたって延びる、請求項２３に記載のプロセス。
25. 前記構造体が、少なくとも１つの金属、少なくとも１つの粘弾性材料、又はこれらの組み合わせを含む中空の円筒形構造体である、請求項２３に記載のプロセス。

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