JP2020091481A - 音響メタ構造の振動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の停止帯域を有することができ広い範囲で振動および騒音を遮断することができる音響メタ構造の振動低減装置を提供する。【解決手段】本発明の音響メタ構造の振動低減装置は、車体に装着されて前記車体を通じて伝達される振動を遮断する音響メタ構造を有する振動低減装置であって、前記車体に装着されて一定空間を一定領域に区画する十字形状のフレーム、および前記フレームによって区画される各領域のコーナー部に構成され、それぞれの固有振動数を有するように構成されて前記車体から前記フレームを通じて伝達される振動を遮断する振動子を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、音響メタ構造の振動低減装置に係り、より詳しくは車体の各種部品から発生する振動および前記振動による放射騒音を低減させることができる音響メタ構造の振動低減装置に関する。

一般に車両のエンジンルームと室内運転席の間にはダッシュパネルが位置し、前記ダッシュパネルの下端から車体後方側に室内床面を構成するフロアパネルが配置される。
特に、車両で加速時、前記ダッシュパネルおよびカウルパネルを通じた構造伝達音は非常に重要な問題であって、今まではこれを改善するためにパネル厚さを増加、曲面の増大、補強部材の追加、制振材（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｍｐｅｒ）などを追加手段として、エンジンルームから伝達される騒音と、地面から伝達されるロードノイズ（Ｒｏａｄ ｎｏｉｓｅ）を低減させて遮断してきた。（例えば、特許文献１参照）

しかし、部屋のような車体の振動を低減させる方法には、騒音改善と共に、製造単価が増加し、車両の重量の増加などの多くのデメリットを伴う。
このため、外部または車両の各種部品から車両室内に伝達される騒音を低減させることができる新たな方案が要求される。
この背景技術部分に記載された事項は発明の背景に対する理解を増進させるために作成されたものであって、この技術が属する分野における通常の知識を有する者に既に知られた従来の技術でない事項を含むことができる。

特願２００５−１４５１０２号公報

Ｃｌａｅｙｓ、Ｃ．Ｃ．、Ｖｅｒｇｏｔｅ、Ｋ．、Ｓａｓ、Ｐ．、＆ Ｄｅｓｍｅｔ、Ｗ．、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、３３２（６）、１４１８−１４３６（２０１３）

本発明の目的とするところは、複数の停止帯域を有することができ広い範囲で振動および騒音を遮断することができる音響メタ構造の振動低減装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の音響メタ構造の振動低減装置は、車体に装着され前記車体を通じて伝達される伝達音を遮断する音響メタ構造の振動低減装置であって、設定間隔で複数配列されて形成される単位構造体を含み、前記単位構造体は前記車体に装着されて一定空間を一定領域に区画する十字形状のフレーム、および前記フレームによって区画される各領域のコーナー部に構成され、それぞれの固有振動数を有するように構成されて前記車体から前記フレームを通じて伝達される振動を遮断する振動子を含むことを特徴とする。

前記フレームは一定空間を４個の領域に区画し、前記振動子は前記フレームによって区画される４個の領域にそれぞれ設置された状態で、対向する一対がそれぞれ同一の固有振動数を有するように構成できる。
前記固有振動数は、前記伝達音の問題周波数帯域の中心周波数と同様に設計されることがよい。

前記振動子は前記フレームのコーナー部に一端が固定され、他端が自由端として形成される連結部、および前記連結部の他端に形成されて前記車体から前記フレームを通じて伝達される振動によって振動する質量部を含むことが好ましい。
前記質量部は、一定高さを有する円柱形状に形成されて前記連結部と側面一側が連結されることがよい。

前記連結部は固有振動数が高いほど厚さが厚くなり、長さが短くなって前記質量部とフレームの間の距離が近くなるように形成され、前記質量部は固有振動数が高いほど直径が小さくなるように形成できる。
前記振動子は、前記フレームの上下方向を基準にして中央に配置されることがよい。

前記フレームは、前記振動子が連結された時より２倍以上の固有振動数を有するように設定されることがよい。
前記フレームと振動子はプラスチック材質から形成され一体に形成されることができる。
前記単位構造体の設定間隔は隣接した前記フレームとフレームの中心の間の距離が、遮断しようとする前記伝達音の波長長さの１／２と同じであるかまたは、１／２より小さく設定されることが好ましい。

本発明の実施形態は、多重範囲の固有振動数を有するようにすることによって、広い範囲の振動および騒音を効果的に遮断することができる。
また、本発明の実施形態は、騒音を遮断しようとする部位に局部的に適用して重量を減らしながらも振動および騒音を遮断することができる。
その外に本発明の実施形態によって得られるか、または予測される効果については、本発明の実施形態に関する詳細な説明で直接的または暗示的に開示する。即ち、本発明の実施形態によって予測される多様な効果については後述する詳細な説明内で開示される。

本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置で波数ベクトルと周波数間の分散関係を示すグラフであり、（Ａ）は一般的な振動軽減装置、（Ｂ）は音響メタ構造の振動低減装置での様子を示す。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置に適用される単位構造体の斜視図である。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置に適用される単位構造体の平面図である。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の斜視図である。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置で波動が遮断される停止帯域を示すグラフである。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の効果を示す実験グラフである。 本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の効果を示す実験グラフである。

以下、添付した図面に基づいて本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は様々な形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一な図面符号を適用して説明する。

図１は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置で波数ベクトルと周波数間の分散関係を示すグラフであり、図２は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置に適用される単位構造体の斜視図であり、図３は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置に適用される単位構造体の平面図であり、図４は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の斜視図であり、図５は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置で波動が遮断される停止帯域を示すグラフであり、図６と図７は本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の効果を示す実験グラフである。

本発明の実施形態による振動低減装置は、車両のダッシュパネル、カウル、カウルトップパネル、ルーフパネルなどの各種パネルに選択的に適用されて各種パネルから伝達される伝達音、例えば、構造伝達音または空気伝達音を遮断するために適用される。
また、本発明の実施形態による振動低減装置は洗濯機、冷蔵庫、食器洗浄器、電子レンジ、エアコンおよび温風器のような電子製品の内部パネルまたは支持台に適用でき、モータ、圧縮器などのような回転体から伝播される振動を減少させることができる。

更に、本発明の実施形態による振動低減装置は道路の防音壁や建物の雨水排水管を支持する支持台または補強材に適用でき、ミーリング加工、切削加工、押出および成形を行う装置に適用されて振動と騒音を低減させることができる。
更にまた、本発明の実施形態による振動低減装置は発電所のポンプ、圧縮器およびタービンなどのような回転機器の支持台やハウジングに適用でき、コンピュータハードディスクの支持台に適用されるか、コンピュータ本体ケースに装着されて冷却ファンから伝播される振動を減らすことができ、各種電子機器に適用されてこれらから発生される振動および騒音を減らすことができる。

本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置の説明に先立ち、前記音響メタ構造の振動低減装置は音響メタ物質の性質を有する。
ここで、前記音響メタ物質は、自然系で見出されない特異な波動特性を有するように人為的に設計した構造を意味する。
即ち、前記音響メタ構造を有する物質は自然系で存在する物質と異なり、少なくとも特定周波数領域では負の有効動的質量を有する媒質をいう。

このような周波数帯域を停止帯域（Ｓｔｏｐ ｂａｎｄ）といい、このような周波数領域は前記局部共振効果によって発生する。
前記停止帯域では理論的に伝播される波動がないため、前記特定周波数領域では波動の電波を完全に遮断することができる。

図１に示したとおり、前記音響メタ構造で伝播する波動の特性は、波数と周波数の関係である分散関係を通じて解釈される。
図１の（Ａ）のように、一般的な平板構造の分散関係は全ての周波数帯域でそれに対応する波数が存在し全ての周波数帯域で波動が伝播される。
反面、図１の（Ｂ）のように、音響メタ構造の分散関係は局部共振効果によって特定周波数に対応する波数が空いている帯域が発生するのである。

本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置１００（図４参照）は、このような音響メタ構造の停止帯域に基づいて設計される。
言い換えれば、本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置１００は局部的に共振する構造が挿入された単位構造体１が周期的に配列されることによって、特定周波数で振動エネルギーを遮断して波動が伝播しない停止帯域特性を有するようになる。

図２に示したとおり、前記音響メタ構造の振動低減装置１００に適用される単位構造体１は、フレーム１０と振動子２０を含む。
まず、前記フレーム１０は、前記車体に直接的に装着される。
この時、前記フレーム１０は、接着剤または接着パッドなどによって前記車体に装着できる。

このようなフレーム１０は、十字形状に形成できる。
言い換えれば、前記フレーム１０は、中心点を基準にして放射状形態に一定間隔で配置されて連結される。
例えば、前記フレーム１０は、９０°間隔をおいて配置されて中心点で連結される。
このようなフレーム１０は、一定空間を一定領域に区画する。
例えば、前記フレーム１０は、一定空間を４個の領域に区画する。
そして、振動子２０は、前記フレーム１０によって区画される各領域のコーナー部に構成される。
即ち、前記振動子２０は、前記フレーム１０によって区画される４個の領域に対応して形成される。

前記振動子２０は、前記フレーム１０の上下方向を基準にして中央に配置される。
即ち、前記振動子２０は入力される振動によって上下方向に振動し、これにより、前記フレーム１０は前記振動子２０の振動範囲を収容できるように上下方向の長さが長く形成されるのが好ましい。
このような振動子２０は、連結部２１と質量部２３を含んで構成される。
前記連結部２１は、一端が前記フレーム１０のコーナー部に固定されるように前記コーナー部の形状と対応するように形成される。
また、前記連結部２１は、他端が自由端として形成されて以下で説明する質量部２３の側面と対応するように形成される。

即ち、前記連結部２１は、一端が尖った三角形状に形成され、他端が凹屈曲を有するように形成される。
そして、前記質量部２３は、側面一側で前記連結部２１の他端に連結されて振動するように形成される。
前記質量部２３は、一定高さを有する円柱形状に形成される。
このような連結部２１と質量部２３は、固有振動数によってサイズが可変する。

図３に示したとおり、前記連結部２１と質量部２３からなる振動子２０は、相互対向する一対が同一な固有振動数を有するように形成される。
即ち、前記振動子２０は、２種類の停止帯域を有し、相互対向する２つが一対になって同一な固有振動数を有するように形成される。
この時、前記固有振動数は、伝達音の問題周波数帯域の中心周波数と同様に設計されてもよい。

また、前記振動子２０は、前記固有振動数が高く設計されなければならないほど、前記連結部２１の長さ（ｌ）が短くなって前記質量部２３が前記フレーム１０と近くなる。
これとともに、前記振動子２０は、固有振動数が高く設計されなければならないほど前記連結部２１の厚さ（ｔ）が厚くなる。
また、前記振動子２０は、固有振動数が高く設計されなければならないほど前記質量部２３の直径（ｒ）が小さくなるように形成される。

ここで、“振動子の固有振動数”は、全周波数帯域で同一な基底刺激が存在する時、前記振動子の振動応答が最も高くなる振動数を意味する。
固有振動数が高いということは、入力される複数の周波数のうち、反応する周波数の領域が高いという意味であり、高い周波数領域で振動することを意味する。

前記のような単位構造体１を設計する方法は、次の通りである。
ここでは、前記単位構造体１は、振動遮断が必要な部品である車両のダッシュパネルに付着されるものを例として挙げて説明する。
即ち、前記単位構造体１は、ダッシュパネルに装着されて前記ダッシュパネルを通じて伝達される伝達音を遮断するものである。

まず、前記ダッシュパネルを構造音響試験を通じて測定して、振動が最も多く発生する位置と、その位置に対応する伝達音の問題周波数を導出する。
ここで、前記構造音響試験とは、騒音が発生する騷音源、即ち、エンジン近所でスピーカーで音響を発射し、前記振動遮断装置の付着が必要な構造物、即ち、ダッシュパネルでレーザ振動計センサーを用いてそれによる振動を測定することである。

次いで、前記単位構造体１のフレーム１０および振動子２０は前記問題周波数によって設計され、前記設計結果は非特許文献１で説明される単位構造体分析法によって分析される。
この時、前記単位構造体１の停止帯域が目標にする問題周波数帯域と同一であれば、作業を終了し、異なれば、前記フレーム１０、および振動子２０の寸法を変更して測定を繰り返す。

図４に示したとおり、このような単位構造体１は複数集まって振動低減装置１００を構成する。
言い換えれば、前記振動低減装置１００は、一定パターンで配列された複数の単位構造体１の集合体である。
この時、前記単位構造体１は、そのフレーム１０の中心と、隣接した他の単位構造体１のフレーム１０の中心の間の距離（ｄ）が、遮断しようとする構造伝達音または空気伝達音波動の波長の１／２以内に小さくなければならない。
これとともに、前記振動低減装置１００は、前記単位構造体１の個数が多いほど波動が遮断される周波数帯域幅とその遮断量が大きくなる。

図５は、構造音響試験を通じてダッシュパネルの振動が最も多く発生する位置を測定し、その位置の問題周波数が９００Ｈｚと１２５０Ｈｚ付近であることを確認した後、前記問題周波数に対応する単位構造体１を設計して停止帯域を測定したグラフである。
前記のとおり形成された単位構造体１から構成された振動低減装置１００をダッシュパネル上に付着して停止帯域を確認した結果、２個の問題周波数、即ち、８００〜１１５０Ｈｚと１１５０〜１３００Ｈｚで停止帯域が現れたのを確認することができる。

図６は、ダッシュパネルに吸遮音材を付着したサンプル１と、前記ダッシュパネルと吸遮音材の間に前記振動低減装置１００を介在したサンプル２を比較して測定した振動伝達関数を示した実験グラフである。
この時、前記サンプル２の吸遮音材の厚さはサンプル１に比べて、１．５ｔから１．０ｔに薄くすることによって、全体重量を低減した。
図６に示したとおり、サンプル２がサンプル１に比べて、２個の問題周波数を全て含む停止帯域、即ち、８００〜１１５０Ｈｚと１１５０〜１５００Ｈｚで振動が約５〜６ｄＢ低減されたのを確認することができる。
これは前記振動低減装置１００を適用する場合、重量が低減されながらも振動低減効果が優れるのを確認することができる。

図７は、前記サンプル１とサンプル２を簡易無響室でスピーカー加振およびマイクロホン応答を測定して音響伝達関数の一種である挿入損失（Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）を求めた結果を示すグラフである。
図７に示したとおり、前記サンプル２がサンプル１に比べて全領域で騒音遮断効果が改善され、特に８００〜１１５０Ｈｚと１１５０〜１５００Ｈｚの２個の停止帯域で３〜４ｄＢで最も大きい騒音遮断が改善された効果を示すことを確認することができる。
このように、前記音響メタ構造の振動低減装置１００は構造伝達音を遮断する構造であるため、該当パネルの振動および前記パネルから放射される騒音を同時に低減する効果を実現することができる。

従って、本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置は２つの固有振動数を有するように設計することによって、振動および騒音遮断を効果的に行うことができる。
また、本発明の実施形態による音響メタ構造の振動低減装置は従来の吸遮音材などを削除または厚さを減らすことができて部品数および重量を低減することができ、局部的に付着することにより軽量化が可能であるという利点がある。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲で本発明を多様に修正および変更できることを理解することができる。

１：単位構造体
１０：フレーム
２０：振動子
２１：連結部
２３：質量部
１００：振動低減装置
ｄ：単位構造体のフレームの中心の間の距離
ｌ：連結部の長さ
ｒ：質量部の直径
ｔ：連結部の厚さ

Claims (10)

1. 車体に装着されて前記車体を通じて伝達される伝達音を遮断する音響メタ構造の振動低減装置であって、
   設定間隔で複数配列されて形成される単位構造体を含み、
   前記単位構造体は
   前記車体に装着されて一定空間を一定領域に区画する十字形状のフレーム、および
   前記フレームによって区画される各領域のコーナー部に構成され、それぞれの固有振動数を有するように構成されて前記車体から前記フレームを通じて伝達される振動を遮断する振動子、
   を含むことを特徴とする音響メタ構造の振動低減装置。
2. 前記フレームは、一定空間を４個の領域に区画し、
   前記振動子は、前記フレームによって区画される４個の領域にそれぞれ設置された状態で、対向する一対がそれぞれ同一な固有振動数を有するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
3. 前記固有振動数は
   前記伝達音の問題周波数帯域の中心周波数と同様に設計されることを特徴とする請求項２に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
4. 前記振動子は
   前記フレームのコーナー部に一端が固定され、他端が自由端として形成される連結部、および
   前記連結部の他端に形成されて前記車体から前記フレームを通じて伝達される振動によって振動する質量部、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
5. 前記質量部は
   一定高さを有する円柱形状に形成されて前記連結部と側面一側が連結されることを特徴とする請求項４に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
6. 前記連結部は、固有振動数が高いほど厚さが厚くなり、長さが短くなって前記質量部とフレームの間の距離が近くなるように形成され、
   前記質量部は、固有振動数が高いほど直径が小さくなるように形成されることを特徴とする請求項４に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
7. 前記振動子は
   前記フレームの上下方向を基準にして中央に配置されることを特徴とする請求項１に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
8. 前記フレームは
   前記振動子が連結された時より２倍以上の固有振動数を有するように設定されることを特徴とする請求項１に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
9. 前記フレームと振動子は
   プラスチック材質から形成され一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の音響メタ構造の振動低減装置。
10. 前記単位構造体の設定間隔は
    隣接した前記フレームとフレームの中心の間の距離が、遮断しようとする前記伝達音の波長長さの１／２と同じであるかまたは、１／２より小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の音響メタ構造の振動低減装置。