JP2019191343A

JP2019191343A - 騒音低減構造

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Publication number: JP2019191343A
Application number: JP2018083197A
Authority: JP
Inventors: 崇増田; Takashi Masuda
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: JP7107731B2

Abstract

【課題】例えば、建物の換気用開口部における騒音低減構造として、複数の共鳴器それぞれの共鳴周波数の設定方法を提供する。【解決手段】本発明に係る騒音低減装置１は、互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べた騒音低減構造であって、第ｎ番目の共鳴器の共鳴周波数をｆnとし、ｆnの共鳴周波数がｆn+1の共鳴周波数より小さい場合、Ｒn＝（ｆn+1／ｆn）１＜Ｒn≦２を満たすことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、建物の換気用開口部などからの騒音を低減する騒音低減構造に関する。

ダクトなどを伝搬する低周波騒音など、１次元的な伝搬をする音場において、ダクトの壁面に音響管を配置することで、それより下流側、すなわち騒音の出口側に伝搬する騒音を低減する方法が、特許文献１や特許文献２などで提案されている。

特許文献１（特許第３８３１２６３号公報）や特許文献２（特許第５４５４３６９号公報）記載の方法では、音響管の管長が波長の１／４と等しくなる周波数及びその奇数倍の周波数で騒音低減効果が得られる。

しかしながら、特許文献１や特許文献２記載の換気用開口部における騒音低減構造では、複雑な構造、構成部材の種類・数の多さ、装置の重量化、製造及び組み立てコストの増大などといった種々の問題があった。

そこで、発明者はこれらの諸問題を解決する騒音低減構造として、特許文献３（特開２０１７−１０１５３０号公報）に係る発明を提案した。
特許第３８３１２６３号公報特許第５４５４３６９号公報特開２０１７−１０１５３０号公報（特願２０１６−９９３１６）

特許文献３において提案している共鳴器を用いた騒音低減構造では、スリット状開口部を有する共鳴器の断面形状によって定まる共鳴周波数に近い周波数において大きな騒音低減効果が得られる。

一方で、騒音低減効果が得られる周波数範囲が狭く、共鳴周波数から離れた周波数では殆ど効果が得られないという課題がある。このような課題は、例えば道路騒音のような幅広い周波数範囲に成分を持つ騒音を低減しようとした場合に特に顕著になる。

すなわち、共鳴周波数に近い特定の限られた周波数の騒音を低減できても、それ以外の周波数の騒音が低減できないため、騒音全体に対する騒音低減効果は小さくなる。

このような課題を解決する為に、特許文献３においては、共鳴周波数の異なる複数の共鳴器を組み込んだ騒音低減構造を提案している。

しかしながら、複数の共鳴器の共鳴周波数をそれぞれどのように設定すれば効果的な騒音低減を行い得るかについての指針が示されておらず、問題であった。

この発明は、上記課題を解決するものであって、本発明に係る騒音低減構造は、互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べた騒音低減構造であって、第ｎ番目の共鳴器の共鳴周波数をｆ_nとし、ｆ_nの共鳴周波数がｆ_n+1の共鳴周波数より小さい場合、
Ｒ_n＝（ｆ_n+1／ｆ_n）
１＜Ｒ_n≦２
を満たすことを特徴とする。

また、本発明に係る騒音低減構造は、同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部が対向配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る騒音低減構造は、スリット状開口部から、共鳴器の内側の空間に延在する隔壁部が設けられることを特徴とする。

また、本発明に係る騒音低減構造は、共鳴器が、空気層を有さないことを特徴とする。

また、本発明に係る騒音低減構造は、共鳴器は、建物の開口部が設けられている壁面に、配されることを特徴とする。

本発明に係る騒音低減構造によれば、複数の共鳴器の共鳴周波数をそれぞれどのように設定すれば効果的な騒音低減を行い得るかについての指針が示される。

本発明の実施形態に係る騒音低減構造１に用いる共鳴器１０を説明する図である。本発明の実施形態に係る騒音低減構造１を説明する図である。実証実験に用いた乾式二重壁の寸法を示す図（１）である。実証実験に用いた乾式二重壁の寸法を示す図（２）である。実験のパターンを示す図である。実証実験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書は、本発明者による特願２０１６−９９３１６、特願２０１６−１０２０６２、特願２０１６−１８８０１０、特願２０１７−１８１９１５に記載された内容を参照して援用するものである。

本発明に係る騒音低減構造１では、図１に示す背後に密閉された空洞を持つスリット構造による共鳴現象が生じる共鳴器１０を基本単位として利用する。まず、この共鳴器１０について説明する。

図１（Ａ）は共鳴器１０の斜視図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の共鳴器１０のスリット状開口部５０の長手方向を垂直で切って見た断面図である。

図１に示すように、本発明に係る騒音低減構造１に用いる共鳴器１０は、基本的に、内側の空間が中空である四角柱状の筐体４０から構成されている。共鳴器１０を構成する筐体４０の一面には、長手状のスリット状開口部５０と、このスリット状開口部５０の両側に配され、共鳴器１０の内側の空間に延在する隔壁部６０と、を有することを特徴としている。ここで、共鳴器として機能する共鳴器１０の各寸法は図２に示す記号で表す。なお、スリット状開口部５０が構成されている筐体４０の一面と、隔壁部６０とは互いに直交している。

共鳴器１０の各寸法が波長に対して十分に小さい場合、スリット状開口部５０における音響インピーダンス比Ｚは次式（１）で求めることができる。

ただし、ｆは騒音の周波数、ｃは音速、ρは媒質（空気）密度を表す。また、Ｖ_nは、スリット状開口部５０と隔壁部６０とで囲まれた、図２（Ｂ）の斜線部以外の空間の体積で、開口端補正を考慮して次式（２）で計算される。なお、式（２）における[ ]内の第２項が、開口端補正に関連する項である。また、図１（Ｂ）で斜線部の空間は、共鳴器として機能する共鳴器１０の空気層に相当する。

また、Ｖは共鳴器１０の空洞部の体積（空気層の体積）で、次式（３）で計算される。

また、Ｓは、スリット状開口部５０（スリット開口）の面積で、次式（４）で計算される。

式（１）の右辺第１項のｒは、共鳴器として機能する共鳴器１０の隔壁部６０表面と空気の間に生じる摩擦などの音響抵抗である。隔壁部６０を金属など表面が平滑な材料で構成する場合、音響抵抗ｒは極めて小さな値となり、次式を満足する共鳴周波数ｆにおいてスリット状開口部５０の開口における音響インピーダンス比Ｚがほぼ０となる。

このような共鳴器として機能する、２つの共鳴器１０を、例えば換気用開口部１００の上下の内壁１１０に沿って対向配置する（図５参照）と、上記の周波数ｆにおいては対向するスリット状開口部５０が音響的に“ソフト”な状態となり、上流側から伝搬してきた周波数ｆの騒音は上流側へ反射され下流側に伝搬しない。

本発明に係る騒音低減構造１では、上記のような共鳴器１０として寸法が異なり、したがって、共鳴周波数も異なるものを複数用いることを前提としている。そして、本発明では、複数の共鳴器１０の共鳴周波数の設定を行う際において、複数の共鳴器１０の共鳴周波数の設定をどのように行えば、効果的な騒音低減を行い得るかを示している。

図２は本発明の実施形態に係る騒音低減構造１を説明する図である。図２のいずれの図においても、図１で説明した共鳴器１０の断面構造を示している。添え字ｎを用いて共鳴器１０_nの表記により互いを区別し、寸法の異なる共鳴器を表現することとする。また、共鳴器１０_nの共鳴周波数をｆ_nとする。本発明は、このような複数の長尺状スリット共鳴器共鳴器１０_nを用いた騒音低減法に対して、幅広い周波数範囲に成分を持つ騒音を効果的に低減する為の共鳴周波数の設定法を提供する。

図２（Ａ）は共鳴周波数の異なる２つの共鳴器１０₁、１０₂を用いた場合を説明する図である。同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部５０₁（又は５０₂）が対向配置されている。

本実施形態のように、例えば共鳴周波数の異なる２つの共鳴器１０₁、１０₂を用いる場合、それぞれ共鳴周波数をｆ₁、ｆ₂と表記する。なお、２つの共鳴周波数のうち、小さい方をｆ₁、大きい方をｆ₂とする。

本発明においては、効果的な共鳴周波数の設定法として、２つの共鳴周波数の比を規定する。

具体的には、図２（Ａ）の囲み内に示すように、２つの共鳴周波数の比をＲ＝ｆ₂／ｆ₁として、１＜Ｒ≦２とする。なお、Ｒ＝１はｆ₁とｆ₂が同じ周波数であること、Ｒ＝２はｆ₂がｆ₁の２倍の周波数であること、すなわち、共鳴器１０₂の共鳴周波数ｆ₂が、共鳴器１０₁の共鳴周波数ｆ₁に対して１オクターブ異なることを意味する。

なお、本明細書では、上記のようなＲを「共鳴周波数比」とも称する。

図２（Ｂ）は共鳴周波数の異なる２つの共鳴器１０₁、１０₂、１０₃を用いた場合を説明する図である。本実施形態においても、同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部５０₁（又は５０₂又は５０₃）が対向配置されている。

本実施形態のように、共鳴周波数の異なる３つの共鳴器１０₁、１０₂、１０₃を組み込んだ場合は、図２（Ｂ）の囲み中に示すように、共鳴周波数の小さい方からｆ₁、ｆ₂、ｆ₃として、その比Ｒ₁＝ｆ₂／ｆ₁、Ｒ₂＝ｆ₃／ｆ₂を１＜Ｒ₁≦２、１＜Ｒ₂≦２とする。

同様に、共鳴周波数が異なる４つ以上の共鳴器を組み込んだ場合においても、共鳴周波数を小さい方から順に並べた際に隣り合う周波数の比Ｒを１＜Ｒ≦２とする。これを以下のように一般化する。

図２（Ｃ）は共鳴周波数の異なる２つの共鳴器１０₁、１０₂、・・・、１０_n+1を用いた場合を説明する図であり、本発明の概念を一般化したものである。本実施形態においても、同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部５０が対向配置されている。

本発明は以下のように定義することができる。すなわち、互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べた騒音低減構造であって、第ｎ番目の共鳴器の共鳴周波数をｆ_nとし、ｆ_nの共鳴周波数がｆ_n+1の共鳴周波数より小さい場合（すなわち、ｆ₁＜ｆ₂＜・・・＜ｆ_n＜ｆ_n+1の場合）、
Ｒ_n＝（ｆ_n+1／ｆ_n）
１＜Ｒ_n≦２
を満たすことを特徴とする。

このように、本発明に係る騒音低減構造によれば、複数の共鳴器の共鳴周波数をそれぞれどのように設定すれば効果的な騒音低減を行い得るかについての指針が示される。

なお、これまで説明した実施形態では、同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部が「対向配置」されている場合を例に説明したが、対向配置されず、片側のみに共鳴器を並べた配置（「片側（並列）配置」ともいう。図２で例えば、紙面上側にスリット状開口部をもつ共鳴器のみを並べたような配置例）も実施の態様に含むことができる。

共鳴器１０を「対向配置」する方法は、他の配置方法と比較して騒音低減方法として有効であることを確認しているが、「片側（並列）配置」などの配置方法にも十分な騒音低減効果を期待することができる。レイアウトなどの都合上、「片側（並列）配置」しか採用し得ない場合には、このような配置を適宜採用することもできる。

このような「片側（並列）配置」も、先のような定義の下に、互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べるように構成する。

また、これまで説明した実施形態では、同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部が「対向配置」されている場合を例に説明したが、異なる共鳴周波数を有する共鳴器を対で用いる実施形態も、本発明の騒音低減構造１の範疇に含まれるものである。

これまで説明した実施形態では、共鳴器１０は、スリット状開口部５０の両側に配され、共鳴器１０の内側の空間に延在する隔壁部６０を有するものであった。しかしながら、このような両側の隔壁部６０必ずしも必須ではない。隔壁部６０は、スリット状開口部５０の片側に１つの構成とすることもできるし、全くない構成とすることもできる。

スリット部５０の両側の隔壁部６０が省かれた共鳴器１０を採用する場合、スリット部５０が含まれる共鳴器１０の前面の板に板厚が厚いもの（例えば、板厚ｌのもの）を用いるとよい。

このような板厚ｌにより、本実施形態で用いる共鳴器１０においても、先の実施形態で説明したＶ_nが生じることとなる。これにより、隔壁部６０が省かれた共鳴器１０が用いられる本実施形態に係る騒音低減構造１によっても、これまで説明した騒音低減構造１と同様の効果を享受することが可能となる。

これまで説明した実施形態で用いた共鳴器１０は、図１（Ｂ）の斜線部で示す空気層を有するものであった。しかしながら、このような空気層を有する共鳴器１０も、本発明では必須のものではない。

長手方向に対する断面構造でみて、４方向のうち３方向が板で仕切られたような略Ｕ字型の共鳴器、即ち背後に空気層を持たない共鳴器は、音響管として機能する。このような背後に空気層を持たない共鳴器においても、先のような定義の下に、互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べるように構成する。

本発明に係る騒音低減構造１について実験による実証を行った。以下に、本発明による共鳴周波数の設定法を適用した騒音低減法の効果を遮音実験により実証した結果を示す。換気用開口部１００を設ける部材として乾式二重壁を採用し、その内装壁１１０側に種々の共鳴器を取り付けて実験を行った。また、実験はＪＩＳＡ１４１６：２０００「実験室における建築部材の空気音遮断性能の測定方法」に記載のＴＹＰＥII実験室において行った。

実験においては、図３、４に示す幅１００ｍｍ、奥行き３００ｍｍ、高さ１，６００ｍｍのスリット状の換気用開口部１００を設けた乾式二重壁の音響透過損失をＪＩＳＡ１４１６：２０００に記載の方法に従い測定した。

実験パターンを図５に示す。図５は乾式二重壁の換気用開口部１００付近の平断面の略図である。実験では、乾式二重壁受音室側の換気用開口部１００の左右の両側に、長さ１，６００ｍｍの長尺状の共鳴器を設置する。以下、それぞれの実験パターンを説明する。
ｃａｓｅＡ：
共鳴周波数５００Ｈｚの同じ共鳴器を対向配置したパターン。下記ｃａｓｅＢ〜ｃａｓｅＥの比較対象として、単一の共鳴周波数を持つ共鳴器を用いた例。
ｃａｓｅＢ：
５００Ｈｚと６３０Ｈｚの２つの共鳴周波数を持つ共鳴器を対向配置したパターン。特願２０１６−０９９３１６の図１２に記載の実施形態に相当する。共鳴周波数比はＲ＝１．２６であり、１／３オクターブに相当する。
ｃａｓｅＣ：
４００Ｈｚと８００Ｈｚの２つの共鳴周波数を持つ共鳴器を対向配置したパターン。特願２０１６−０９９３１６の図１２に記載の実施形態に相当する。共鳴周波数比はＲ＝２であり、１オクターブに相当する。
ｃａｓｅＤ：
共鳴周波数が５００Ｈｚと６３０Ｈｚの共鳴器を対向配置したパターン。共鳴周波数比はＲ＝１．２６であり、１／３オクターブに相当する。
ｃａｓｅＥ：
共鳴周波数が５００Ｈｚと１ｋＨｚの共鳴器を対向配置したパターン。共鳴周波数比はＲ＝１．２６であり、１／３オクターブに相当する。
ｃａｓｅＯ：
共鳴器を配置しない場合で比較対象して用いたパターン。ｃａｓｅＡ〜ｃａｓｅＥと換気用開口部１００の奥行きが変わることによる影響を避ける為に、単純な長尺状の箱体を配置。

ｃａｓｅＡ、Ｂ、Ｃの１／３オクターブ帯域ごとの音響透過損失の測定結果を図６（Ａ）に示す。

ｃａｓｅＡは、共鳴器の共鳴周波数である５００Ｈｚ帯域付近でｃａｓｅＯと比較して音響透過損失が大きく向上していることがわかる。これがスリット共鳴器による騒音低減効果である。

共鳴周波数比がＲ＝１．２６であるｃａｓｅＢは、ｃａｓｅＡと比較して効果の最大値は低下するものの、より幅広い周波数帯域で騒音低減効果が得られていることが確認できる。

道路騒音のように、幅広い周波数範囲に成分を持つ騒音を低減したい場合には、ピンポイントの周波数で効果の最大値が大きいことより効果の得られる周波数範囲が広いことの方が騒音全体を低減する観点からは効果的である場合が多い。

一方で共鳴周波数比がＲ＝２であるｃａｓｅＣは、効果の得られる周波数範囲は更に広がる。

ｃａｓｅＡ、Ｄ、Ｅの１／３オクターブ帯域ごとの音響透過損失の測定結果を図６（Ｂ）に示す。

上記と同様に、ｃａｓｅＡと比較して、共鳴周波数比がＲ＝１．２６であるｃａｓｅＤは、効果の最大値は低下するものの、より幅広い周波数帯域で騒音低減効果が得られていることが確認できる。

また、この結果は、片側配置の応用として共鳴周波数比が１＜Ｒ≦２である２つの共鳴器を対向して配置する実施形態が効果的であることを示す。

一方で共鳴周波数比がＲ＝２であるｃａｓｅＥは、効果の得られる周波数範囲は更に広がる。

以上のように、本発明に係る、長尺状のスリット状開口部５０を有する共鳴器１０を用いた騒音低減法において、騒音低減効果の得られる周波数範囲を拡げることができることが確認できた。

また、本発明に係る騒音低減構造１によれば、周波数特性全体として、安定した騒音低減効果が得られる。

また、本発明に係る騒音低減構造１によれば、道路騒音のような、幅広い周波数範囲に成分を持つ騒音を低減したい場合に、効果的な共鳴周波数の組み合わせの設定とそれを実現する共鳴器の設計が可能となる。

以上、本発明に係る騒音低減構造によれば、複数の共鳴器の共鳴周波数をそれぞれどのように設定すれば効果的な騒音低減を行い得るかについての指針が示される。

なお、上記の実施形態では、本発明に係る騒音低減構造１を建物の壁面の開口部に適用する例に基づいて説明を行ったが、本発明は、建物の扉、ルーバー、ダブルスキン構造の開口部等にも適用可能である。

１・・・騒音低減構造
１０、１０₁、１０₂、１０_n・・・共鳴器
４０・・・筐体
５０・・・スリット状開口部
６０・・・隔壁部
１００・・・換気用開口部
１１０・・・内装壁
１２０・・・外装壁

Claims

互いに共鳴周波数が異なるスリット状開口部を有する（ｎ+１）個の共鳴器（ただし、ｎは自然数）を並べた騒音低減構造であって、
第ｎ番目の共鳴器の共鳴周波数をｆ_nとし、ｆ_nの共鳴周波数がｆ_n+1の共鳴周波数より小さい場合、
Ｒ_n＝（ｆ_n+1／ｆ_n）
１＜Ｒ_n≦２
を満たすことを特徴とする騒音低減構造。
同一の共鳴周波数を有する共鳴器を対で用い、対の共鳴器同士のスリット状開口部が対向配置されることを特徴とする請求項１に記載の騒音低減構造。
スリット状開口部から、共鳴器の内側の空間に延在する隔壁部が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の騒音低減構造。
共鳴器が、空気層を有さないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の騒音低減構造。
共鳴器は、建物の開口部が設けられている壁面に、配されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の騒音低減構造。