JP2015212790A

JP2015212790A - ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器

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Publication number: JP2015212790A
Application number: JP2014095851A
Authority: JP
Inventors: 増田　潔; Kiyoshi Masuda; 潔増田; 晃治山口; Koji Yamaguchi; ひかり田中; Hikari Tanaka
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: JP6327932B2

Abstract

【課題】簡単な構成変更で、共鳴周波数を低い周波数に変化させることができるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器を提供する。【解決手段】吸音器は、一面に複数の開口部２が形成された中空な箱状体１の表面に、中空な筒状体３が、その断面が開口部２を含むように設けられ、中空な筒状体３の開放端部１６の断面積が中空な筒状体３の断面積よりも小さくなるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明はヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器に関するものであり、さらに詳細には、吸音器の構造を大きく変えることなく、また、吸音器の材料を変えることなく、ヘルムホルツ共鳴を低い周波数に設定することができるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器に関するものである。

山岳トンネルの延伸工事においては、坑口側から順に坑内での発破を繰り返しながら、延伸工事おこなわれる場合があるが、この発破の際に生じる発破音は広帯域の周波音を含んでおり、さらに、音圧レベルもきわめて高いことが知られている。このような物理的特性を有する発破音が外部に漏れ出すと、周辺環境への騒音の問題が生じるだけでなく、発破音に含まれている周波数が５０Ｈｚ以下の低周波音が周辺建物を振動させるという問題もあった。

このように、トンネル発破音のうち、とくに周辺建物を振動させる低周波数帯域の音（低周波音）を消音させるトンネル発破音消音方法が特願２０１１−２５６６０９号公報（特許文献１）によって提案されている。

特許文献１によって提案されているトンネル発破音消音方法は、トンネルの坑口ないし坑内を所定の隔壁で閉塞して、それぞれ、経路長の異なる複数の管体をこの隔壁より切羽側に設置することによって、低周波音の消音を図るものであり、低周波音を消音させるために、その１／４波長の経路長を備えた管体を隔壁よりも切羽側に設置することを提案している。

また、特許第５３９８８８３号公報には、概略立方体の中空な箱形をなし、その１つの面に筒状部材を挿入可能な開口を備え、他の消音装置とは別個独立して形成される消音装置が開示されている。

特願２０１１−２５６６０９号公報特許第５３９８８８３号公報

特許文献１に提案されるように、１／４波長の経路長を備えた管体を用いて、たとえば、１０Ｈｚの低周波音を低減する場合には、約８．５ｍの長さの管体を必要であり、特許文献１はトンネル内に約８．５ｍの長さの管体を収めるために、管体を途中で屈曲させることを提案している。

しかしながら、様々な長さを有し、途中で屈曲された複数の管体をトンネル内という限られた空間内に収容する場合には、トンネル内で、複数の長さが異なり、屈曲された複雑な形状の管体が交錯し、トンネル内において、重機の設置スペースや作業員の通路を確保することが困難になるという問題があった。

また、特許文献２に開示された消音装置は、概略立方体の中空な箱形をなし、その１つの面に筒状部材を挿入可能な開口を備え、他の消音装置とは別個独立して形成されているが、かかるヘルムホルツ共鳴器において、共鳴周波数を変更するためには、長さが大きく異なる筒状部材に取り換えるか、筒状部材を抜き取って、開口を塞ぐなどの大幅な設計変更が必要となる。さらに、箱形体を嵌合して、奥行きを変化させることによって、共鳴周波数を変化させることも可能であるが、共鳴周波数を低くするためには、箱形体の容積を大きくする必要があるため，結果的に、箱形体の容積が大きくなり，トンネル通路の確保が困難になるという問題があった。

したがって、本発明は、従来のヘルムホルツ共鳴器のように、筒状部材の長さを変えたり、また箱形体の容積を大きくする必要もなく、簡単な構成変更で、共鳴周波数を低い周波数に変化させることができるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器を提供することを目的とするものである。

ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Fresは、次式によって与えられる。

ここに、coは音速、Vは箱状体の中空部分の容積、Gは伝達率で、一般のヘルムホルツ共鳴器では、G=ａ／（Ｉ_o＋Ｉ_e）であり、ａは筒状体の断面積、Ｉoは筒状体の長さ、Ｉeは端末補正値である。

したがって、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Fresを低くするためには、（１）箱状体の中空部分の容積を大きくするか、（２）筒状体の長さを長くするか（３）筒状体の断面積を小さくすることが必要である。

このうち、（１）と（２）は、ヘルムホルツ共鳴器のサイズが過大になってしまうため、特別の場合以外は採用することはできない。これに対して、（３）は筒状体の断面積を小さくすればいい。しかしながら、筒状体の断面積を小さくすると、共鳴周波数Fresを低くすることは可能になるものの、吸音量を最大化するのに必要な筒状体の抵抗値が非常に小さくなる。このため、筒状体の内壁と空気との摩擦の影響が大きくなり、抵抗部材をつけなくても、筒状体の抵抗値が理想の値を大幅に超えてしまい、共鳴はするものの、吸音率が低くなってしまうため、本発明の前記目的を達成することができなかった。

本発明者は、本発明の前記目的を達成し、かかる問題を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、中空な筒状体の断面積を変化させず、吸音率を最大化させる抵抗値を大きいまま維持しつつ、中空な筒状体の開放端部の断面積のみを小さくすることによって、伝達率Ｇを下げ、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Fresを低くし得ることを見出した。

本発明はかかる知見に基づくものであって、本発明にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器は、一面に複数の開口部が形成された中空な箱状体の表面に、中空な筒状体が、その断面が前記開口部を含むように設けられ、前記中空な筒状体の開放端部の断面積が前記中空な筒状体の断面積よりも小さいことを特徴とするものである。

ここに、本明細書においては、中空な筒状体の断面が開口部を含むとは、中空な筒状体の断面が開口部よりも大きい場合のみならず、中空な筒状体の断面が開口部と同じである場合を包含している。

本発明によれば、中空な筒状体の開放端部の断面積を小さくするのみで、吸音率を最大化する抵抗部材の抵抗値を全く変更することなく、吸音率を高く維持したまま、共鳴周波数Fresのみを低くすることが可能になる。

本発明の好ましい実施態様においては、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器において、前記中空な筒状体が、前記開口部より大きな断面を有し、その断面が前記開口部を含み、前記箱状体の内部に設けられている。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器において、前記中空な箱状体の前記開口部が形成された面を構成する面部材の厚さが前記中空な箱状体の他の５面を構成している面部材の厚さよりも厚くなるように構成されている。

本発明の別の好ましい実施態様においては、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器において、前記中空な筒状体が、前記開口部の周囲から前記箱状体の外部に延び、先端部に前記開口部よりも断面積が小さい開放端部が形成されている。

本発明は、５０Ｈｚ以下の低周波数帯域の音の減衰にとくに効果的であり、１０Ｈｚ以下の低周波数帯域の音の減衰にも効果的であることが確認されている。

図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。図３は、中空な筒状体の断面積が１００ｃｍ^２で、箱状体の開口部２を１００ｃｍ^２とした比較サンプル＃１、箱状体の開口部を３６ｃｍ^２としたサンプル＃１、箱状体の開口部を１６ｃｍ^２としたサンプル＃２および箱状体の開口部を４ｃｍ^２としたサンプル＃３の共鳴周波数と吸音率の関係を計算によって求めたグラフである。図４は、本発明の別の好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った略断面図である。図６は、本発明のさらに好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図である。図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。図８は、中空な筒状体の断面積が１００ｃｍ^２で、開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さを１ｍｍとした比較サンプル＃２、開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さを８０ｍｍとしたサンプル＃１１、開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さを６０ｍｍとしたサンプル＃１２、開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さを４０ｍｍとしたサンプル＃１３、開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さが２０ｍｍとしたサンプル＃１４および開口部が形成された箱状体の面を構成する面部材の厚さが１ｍｍとしたサンプル＃１５の共鳴周波数と吸音率の関係を計算によって求めたグラフである。

図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図１および図２に示されるように、本実施態様にかかる吸音器は、中空な箱状体１と、箱状体１の一面に形成された開口部２と、開口部２より大きな断面を有し、その断面が開口部２を含む中空な筒状体３を箱状体１の内部に備えている。また筒状体３の開口部２側と対向する端部には抵抗部材２６を備えている。抵抗部材２６としては、グラスウウール、ウールなどからなる粗毛フェルト、アセテートやナイロンなどの化学繊維系のもの、ウレタン系のものや、連続気泡多孔質材などを挙げることができる。

図３は、中空な筒状体の断面積が１００ｃｍ^２で、開口部２と対向する端部に抵抗部材２６が設けられ、箱状体１の開口部２を１００ｃｍ^２とした比較サンプル、箱状体１の開口部２を３６ｃｍ^２としたサンプル＃１、箱状体１の開口部２を１６ｃｍ^２としたサンプル＃２および箱状体１の開口部２を４ｃｍ^２としたサンプル＃３の共鳴周波数と吸音率の関係を計算によって求めたグラフである。

図３に示されるように、吸音率が最大の１．０になる共鳴周波数は、比較サンプルの場合に比較して、本発明かかるサンプル＃１ないし＃３の場合は低くなり、箱状体１の開口部２の断面積が小さくなるほど、吸音率が最大の１．０になる共鳴周波数が低くなり、箱状体１の開口部２を４ｃｍ^２としたサンプル＃３の共鳴周波数は、比較サンプルの共鳴周波数の約１／２であることがわかる。

図４は、本発明の別の好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図であり、図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った略断面図である。

図４および図５に示されるように、本実施態様にかかる吸音器は、中空な箱状体１１と、箱状体１の一面に形成された開口部１２と、開口部１２の周囲から箱状体１１の外部に延び、先端部１５に開口部１２よりも断面積が小さい開放端部１６が形成された中空な筒状体１３を備えている。

図６は、本発明のさらに好ましい実施態様にかかるヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器の略斜視図であり、図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。

図６および図７に示されるように、本実施態様にかかる吸音器は、図１および図２に示された吸音器と同様に、中空な箱状体２１と、箱状体２１の一面に形成された開口部２２と、開口部２２より大きな断面を有し、その断面が開口部２２を含む中空な筒状体２３を箱状体１の内部に備えている。また、筒状体２３の開口部２２と対向する端部には抵抗材２６を備えている。本実施態様においては、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さが、箱状体２１の他の五面を構成する面部材の厚さより大きく設定されている。

図８は、中空な筒状体の断面積が１００ｃｍ^２で、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さを１ｍｍとした比較サンプル＃２、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さを８０ｍｍとしたサンプル＃１１、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さを６０ｍｍとしたサンプル＃１２、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さを４０ｍｍとしたサンプル＃１３、開口部２２が形成された箱状体３１の面を構成する面部材２５の厚さが２０ｍｍとしたサンプル＃１４および開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材２５の厚さが１ｍｍとしたサンプル＃１５の共鳴周波数と吸音率の関係を計算によって求めたグラフである。

図８に示されるように、吸音率が最大の１．０になる共鳴周波数は、比較サンプル＃２の場合に比較して、本発明かかるサンプル＃１１ないし＃１５の場合は低く、開口部２２が形成された箱状体２１の面を構成する面部材の厚さが厚いほど、吸音率が最大の１．０になる共鳴周波数が低くなることが判明した。

本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１中空な箱状体
２開口部
３中空な筒状体
１１中空な箱状体
１２開口部
１３中空な筒状体
１５筒状体の先端部
１６筒状体の開放端部
２１中空な箱状体
２２開口部
２３中空な筒状体
２５面部材
２６抵抗部材

Claims

一面に複数の開口部が形成された中空な箱状体の表面に、中空な筒状体が、その断面が前記開口部を含むように設けられ、前記中空な筒状体の開放端部の断面積が前記中空な筒状体の断面積よりも小さいことを特徴とするヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器。
前記中空な筒状体が、前記開口部より大きな断面を有し、その断面が前記開口部を含み、前記箱状体の内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器。
前記中空な筒状体が、前記開口部の周囲から前記箱状体の外部に延び、先端部に前記開口部よりも断面積が小さい開放端部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器。
前記中空な箱状体の前記開口部が形成された面を構成する面部材の厚さが前記中空な箱状体の他の５面を構成している面部材の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１または２に記載のヘルムホルツ共鳴を利用した吸音器。