JP2022047766A - アクティブノイズコントロールシステム - Google Patents

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Kohei OTO
裕介 河本
Yusuke Kawamoto
嘉延 梶川
Yoshinobu Kajikawa
雄祐 牧山
Yusuke MAKIYAMA
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Nitto Denko Corp
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Abstract

Figure 2022047766000001
【課題】消音可能な領域を大きくするのに適したアクティブノイズコントロールシステムを提供する。
【解決手段】
アクティブノイズコントロールシステム500は、構造物80と、複数の圧電スピーカー10と、を備える。複数の圧電スピーカー10は、構造物80の表面80s上に配置されている。各圧電スピーカー10の放射面は、第1方向D1と、第2方向D2と、に沿って拡がっている。第1方向D1は、隣り合う各圧電スピーカー10の放射面の中心間を結ぶ方向である。第2方向D2は、第1方向D1に直交する方向である。各圧電スピーカー10の放射面の第1方向D1の寸法L1は第2方向D2の寸法L2よりも短い。
【選択図】図1E

Description

本発明は、アクティブノイズコントロールシステムに関する。
アクティブノイズコントロールシステム(以下、ANCシステムと称することがある)が知られている。ANCシステムでは、騒音が、逆位相の音で低減される。特許文献1には、ANCシステムの例が記載されている。
国際公開第2019/103017号 特開2016-122187号公報
特許文献1のANCシステムでは、パーティションに、複数の圧電スピーカーが取り付けられている。ただし、消音可能な領域を大きくすることに関して、特許文献1の技術には改善の余地がある。
本発明は、
構造物と、
前記構造物の表面上に配置された複数の圧電スピーカーと、を備え、
各圧電スピーカーの放射面は、隣り合う各圧電スピーカーの放射面の中心間を結ぶ方向である第1方向と、前記第1方向に直交する第2方向と、に沿って拡がっており、
各圧電スピーカーの放射面の前記第1方向の寸法は前記第2方向の寸法よりも短い、
アクティブノイズコントロールシステムを提供する。
上記アクティブノイズコントロールシステムは、消音可能な領域を大きくするのに適している。
図1Aは、ANCシステムの上面図である。 図1Bは、ANCシステムの側面図である。 図1Cは、ANCシステムの正面図である。 図1Dは、ANCシステムの斜視図である。 図1Eは、ANCシステムの圧電スピーカーの放射面の配置を説明するための拡大図である。 図1Fは、隣り合う各圧電スピーカーの放射面の中心間距離と消音との関係について説明するための図である。 図1Gは、ANCシステムの圧電スピーカーの放射面の寸法を説明するための拡大図である。 図1Hは、ANCシステムの圧電スピーカーの放射面の形状の別例を説明するための拡大図である。 図1Iは、ANCシステムの圧電スピーカーの放射面の領域を説明するための拡大図である。 図2Aは、回折波を説明するための上面図である。 図2Bは、回折波を説明するための側面図である。 図2Cは、回折波を説明するための斜視図である。 図3Aは、ANCシステムの圧電スピーカーが形成する波面を説明するための上面図である。 図3Bは、ANCシステムの圧電スピーカーが形成する波面を説明するための側面図である。 図3Cは、ANCシステムの圧電スピーカーが形成する波面を説明するための斜視図である。 図4は、従来のダイナミックスピーカーが形成する波面の説明図である。 図5は、従来の平面スピーカーが形成する波面の説明図である。 図6Aは、圧電スピーカーの放射面の振動の説明図である。 図6Bは、圧電フィルムの支持構造の説明図である。 図7は、ANCシステムの説明図である。 図8は、消音効果の模式的な説明図である。 図9は、圧電スピーカーの厚さ方向に平行な断面における断面図である。 図10は、圧電スピーカーを固定面とは反対側から観察したときの上面図である。 図11は、別の構成例に係る圧電スピーカーを示す図である。 図12は、作製したサンプルの構造を説明するための図である。 図13は、サンプルを測定するための構成を説明するための図である。 図14は、サンプルを測定するための構成を説明するための図である。 図15は、出力系のブロック図である。 図16は、評価系のブロック図である。 図17Aは、サンプルの評価結果を示す表である。 図17Bは、サンプルの評価結果を示す表である。 図18は、介在層の拘束度と音が出始める周波数との関係を示すグラフである。 図19は、サンプルE1の音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 図20は、サンプルE2の音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 図21は、サンプルR1の音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 図22は、暗騒音の音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 図23は、参照ANC評価系の構成図である。 図24は、スピーカーOFF時の音圧分布を示す図である。 図25は、スピーカーOFF時の波面の伝搬を示す図である。 図26は、スピーカーOFF時の音圧分布を示す図である。 図27は、スピーカーOFF時の波面の伝搬を示す図である。 図28は、圧電スピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図29は、圧電スピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図30は、圧電スピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図31は、圧電スピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図32は、ダイナミックスピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図33は、ダイナミックスピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図34は、ダイナミックスピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図35は、ダイナミックスピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図36は、平面スピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図37は、平面スピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図38は、平面スピーカー由来の音圧分布を示す図である。 図39は、平面スピーカー由来の波面の伝搬を示す図である。 図40Aは、消音効果の説明図である。 図40Bは、消音効果の説明図である。 図40Cは、消音効果の説明図である。 図41Aは、消音効果の説明図である。 図41Bは、消音効果の説明図である。 図41Cは、消音効果の説明図である。 図42Aは、ANC評価系の構成図である。 図42Bは、圧電スピーカーの配置を説明するための上面図である。 図42Cは、圧電スピーカーの配置を説明するための側面図である。 図42Dは、圧電スピーカーの配置を説明するための正面図である。 図42Eは、圧電スピーカーの配置を説明するための斜視図である。 図42Fは、測定用水平断面及び測定用矢状断面の説明図である。 図43Aは、消音効果の説明図である。 図43Bは、消音効果の説明図である。 図44Aは、消音効果の説明図である。 図44Bは、消音効果の説明図である。 図45Aは、消音効果の説明図である。 図45Bは、消音効果の説明図である。 図46Aは、消音効果の説明図である。 図46Bは、消音効果の説明図である。
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明するが、以下は本発明の実施形態の例示に過ぎず、本発明を制限する趣旨ではない。以下では、「上」、「下」、「左」、「右」、「高さ」等の用語は、要素間の相互の配置を指定するために用いており、ANCシステムの使用時におけるこれらの要素の姿勢を限定する意図ではない。また、以下では、同一又は類似する構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
[アクティブノイズコントロールシステム]
図1A~図1Iに示すように、アクティブノイズコントロールシステム(ANCシステム)500は、構造物80と、複数の圧電スピーカー10と、を備えている。これらの圧電スピーカー10は、構造物80の表面80s上に配置されている。本実施形態では、複数の圧電スピーカー10は、第1圧電スピーカー10Aと、第2圧電スピーカー10Bと、を有している。
本実施形態では、構造物80は、板状体である。板状体である構造物80は、例えば、上下方向寸法が20cm~400cm(具体例では20cm~200cm)であり、左右方向寸法が25cm~200cm(具体例では50cm~120cm)であり、厚さ方向寸法が0.1cm~15cmである。ここで、上下方向、左右方向及び厚さ方向は、互いに直交している。上下方向寸法と左右方向寸法とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。
本実施形態では、構造物80は、パーティションである。
各圧電スピーカー10は、放射面15を有している。放射面15は、振動することによって、音波を放射する。この音波により、騒音が低減される。本実施形態では、放射面15は、ひとつながりの放射面である。
構造物80は、左端部81と、右端部82と、上端部83と、下端部84と、を有している。左端部81及び右端部82は、左右方向に対向している。上端部83及び下端部84は、上下方向に対向している。図示の例では、下端部84は、床に接する端部である。
ANCシステム500は、端部81、82及び83で生じる回折音を低減するのに適している。以下、この点について、図2A~図3Cを参照しながら説明する。念のため断っておくが、以下の説明において、波面は、波の位相の等しい点を連ねた面を指す。
図2A及び図2Bにおいて、符号200は、騒音源を表わす。構造物80の厚さ方向に関する騒音源200と構造物80の間の距離は、例えば0.3~5mである。また、騒音源200の高さは、例えば、0~4mである。この文脈において、高さは、上下方向の位置である。
図2A及び図2Bに示すように、騒音源200からの騒音が構造物80に向かって伝搬してきたとする。この場合、左端部81及び右端部82において、回折が生じうる。端部81及び82での回折により生じた波面は、構造物80の背後に回り込むように伝搬する。
この点、ANCシステム500は、端部81及び82でこのようにして生じる回折音を低減することに適している。なぜなら、ANCシステム500では、圧電スピーカー10の数が複数であり、このことは、消音可能な領域を大きくするのに寄与しうるためである。
図1Eに示すように、隣り合う各圧電スピーカー10の放射面15の中心間距離Lcは、例えば、160mm~3760mmである。中心間距離Lcを160mm~3760mmとすることは、消音可能な領域を大きくすることに適している。
中心間距離Lcは、2610mm以下であってもよく、660mm以下であってもよく、590mm以下であってもよく、430mm以下であってもよく、380mm以下であってもよい。中心間距離Lcは、200mm以上であってもよい。
具体的には、圧電スピーカー10の数が複数であり中心間距離Lcが160mm~3760mmであることは、中心間距離Lcに沿った方向について、消音可能な領域を大きくすることに適している。このため、例えば構造物80の背後にいる人の姿勢が変化しても、その人が感じる消音効果が変化し難い。
ここで、隣り合う各圧電スピーカー10の放射面15の中心間距離Lcが160mm~3760mmであるという表現について、詳細に説明する。この表現は、ある圧電スピーカー10の放射面15の幾何中心とその圧電スピーカー10に隣接する圧電スピーカー10の放射面15の幾何中心との間の距離が160mm~3760mmであるという関係性が、当該表現で言及されている複数の圧電スピーカー10について成立することを意味する。
また、上記の表現は、当該表現において言及されている圧電スピーカー10の数が3つ以上である場合において、中心間距離Lcにばらつきがあることを許容することを意図している。具体的には、複数の圧電スピーカー10が第2圧電スピーカー、第1圧電スピーカー及び第3圧電スピーカーをこの順に有している場合において、第2圧電スピーカー及び第1圧電スピーカーの間の中心間距離Lcを第1中心間距離と称し、第1圧電スピーカー及び第3圧電スピーカーの間の中心間距離Lcを第2中心間距離と称することとする。このとき、上記の表現は、第1中心間距離及び第2中心間距離がそれぞれ160mm~3760mmであることを意味するが、第1中心間距離及び第2中心間距離が同じであってもよく異なっていてもよいことを意味する。第1中心間距離及び第2中心間距離が同じである形態は、消音システム500の設計を容易にしうる。第1中心間距離及び第2中心間距離が異なる形態は、消音システム500の設計の自由度を高めうる。
図1Fを参照しながら、中心間距離Lcと消音との関係について、具体的に説明する。以下の説明において、「高さ」は、上下方向の位置を指す。図1Fを用いた定量的な説明は、例示的なものであり、ANCシステム500の限定的解釈に用いられるべきではない。
図1Fの例において、構造物80の右端部82に含まれた、高さの差がhである点P1及び点P2を考える。騒音源200から点P1までの距離a1と、騒音源200から点P2までの距離a2とは、異なる。距離a1と距離a2とに差があるため、騒音源200由来の騒音の位相は、点P1と点P2とで異なる。点P1の高さは、騒音源200の高さと同じである。構造物80の左右方向の中心位置は、騒音源200の左右方向の中心位置と同じである。図1Fにおいて、dは、構造物80の左右方向の寸法を指す。Lsは、構造物80の厚さ方向に関する構造物80と騒音源200との間の距離を指す。
ここで、仮に、上下方向の位置すなわち高さに関して点P1が放射面15の中心となるように圧電スピーカー10を1つだけ構造物80の表面80s上に配置したとする。このようにすると、構造物80の背後における高さが点P1と同じ領域については、良好な消音を実現しうる。しかし、構造物80の背後における高さが点P2と同じ領域については、良好な消音を実現するのは困難となる場合がある。なぜなら、上述の通り、騒音源200由来の騒音の点P2における位相は点P1における位相とは異なり、この位相差が構造物80の背後にも反映されるためである。特に、この位相差が180°である条件では、上記の困難性は顕著になり易い。この問題は、構造物80の右端部82における騒音の回折のみならず、構造物80の左端部81における騒音の回折によっても生じうる。
この点、本実施形態では、構造物80の表面80s上に配置されている圧電スピーカー10の数が、1つではなく複数である。このため、仮に上記の位相差が180°であったとしても、構造物80の背後における高さが点P1と同じ領域のみならず点P2と同じ領域においても良好な消音を実現できる。一具体例では、第1圧電スピーカー10Aをその放射面15の中心高さが点P1の高さと同じとなるように構造物80の表面80s上に配置した上で、第1圧電スピーカー10Aに構造物80の背後における高さが点P1と同じ領域の消音を担当させる。また、第2圧電スピーカー10Bをその放射面15の中心高さが点P2の高さと同じとなるように構造物80の表面80s上に配置した上で、第2圧電スピーカー10Bに構造物80の背後における高さが点P2と同じ領域の消音を担当させる。これにより、構造物80の背後における高さが点P1と同じ領域と点P2と同じ領域の両方において良好な消音を実現できる。
良好な消音を実現しうるANCシステム500の数値例について、図1Fを参照しながら説明する。
図1Fの例では、騒音源200が発する騒音の周波数は、50~3000Hzである。ANCシステム500は、50~3000Hzの帯域の消音用の音波を発することができるように構成されている。構造物80は、板状体である。構造物80の左右方向の寸法dは、0.25mである。構造物80の厚さ方向に関する騒音源200と構造物80の間の距離Lsは、0.3mである。
距離a1は、以下の数式1により計算される。
Figure 2022047766000002
距離a2は、以下の数式2により計算される。
Figure 2022047766000003
寸法d、距離a1及び距離a2は、数式3の関係を満たす。
Figure 2022047766000004
以下の数式4が成立する。数式4において、φは、同一時刻における、騒音源200由来の騒音の点P1における位相と点P2における位相の差である。λは、騒音源200由来の騒音の波長である。
Figure 2022047766000005
数式4のa2に数式3の(a1 2+h21/2を代入して得られる数式を変形することにより、以下の数式5が得られる。
Figure 2022047766000006
数式5に位相差φ=180°を代入することにより、以下の数式6が得られる。
Figure 2022047766000007
数式5に位相差φ=120°を代入することにより、以下の数式7が得られる。
Figure 2022047766000008
騒音源200由来の騒音の速度V、周波数F及び波長λは、数式8の関係を満たす。
Figure 2022047766000009
構造物80の左右方向の寸法dは、距離Lsが0.3mであり寸法dが0.25mである場合、数式1により、距離a1は0.33mと求まる。
騒音の速度Vを345m/秒と近似すると、騒音の周波数Fが3000Hzの場合、数式8により騒音の波長λは0.115mと求まる。数式6に距離a1=0.33m及び波長λ=0.115mを代入することにより、周波数F=3000Hzかつ位相差φ=180°の場合に関する高さの差hが0.20mと求まる。
また、速度Vを345m/秒と近似すると、騒音の周波数Fが50Hzの場合、数式8により騒音の波長λは6.9mと求まる。数式6に距離a1=0.33m及び波長λ=6.9mを代入することにより、周波数F=50Hzかつ位相差φ=180°の場合に関する高さの差hが3.76mと求まる。
距離Lsが0.3mであり寸法dが0.25mである場合において、第1圧電スピーカー10Aの放射面の中心位置を点P1に設定し、第2圧電スピーカー10Bの放射面の中心位置を点P2に設定することを考える。さらに、これらの圧電スピーカー10A及び10Bの中心間距離Lcを、上記の計算から得られた高さの差hに基づいて設定することを考える。この場合、以下のことが言える。
(x1)中心間距離Lcを3.76m以下にすると、構造物80の背後における点P1よりも高く点P2よりも低い位置において、周波数Fが50Hzの騒音による回折音を消音し難い領域が生じ難い。
(y1)中心間距離Lcを0.20m以上にすると、周波数Fが50~3000Hzの騒音による回折音の抑制を、中心間距離Lcを必要以上に狭めるのを避けつつ行い易い。このことは、広い消音領域を確保する観点から有利である。
上述の説明では、位相差φ=180°のときの数値について議論した。位相差φ=120°のときの数値を議論することも、騒音の回折音の抑制する観点から有益である。なぜなら、高さに関して点P1が放射面15の中心となるように圧電スピーカー10を1つだけ構造物80の表面80s上に配置した場合において、構造物80の背後における高さが点P2と同じ領域の良好な消音を実現することは、位相差φ=120°の条件でも困難となりうるためである。
数式7に距離a1=0.33m及び波長λ=0.115mを代入することにより、周波数F=3000Hzかつ位相差φ=120°の場合に関する高さの差hが0.16mと求まる。数式7に距離a1=0.33m及び波長λ=6.9mを代入することにより、周波数F=50Hzかつ位相差φ=120°の場合に関する高さの差hが2.61mと求まる。
位相差φ=180°に基づいた項目(x1)及び(y1)と同様、位相差φ=120°に基づいて得られた上記数値から、以下のことが言える。
(x2)中心間距離Lcを2.61m以下にすると、構造物80の背後における点P1よりも高く点P2よりも低い位置において、周波数Fが50Hzの騒音による回折音を消音し難い領域が生じ難い。
(y2)中心間距離Lcを0.16m以上にすると、周波数Fが50~3000Hzの騒音による回折音の抑制を、中心間距離Lcを必要以上に狭めるのを避けつつ行い易い。このことは、広い消音領域を確保する観点から有利である。
項目(x1)及び(x2)に関し、50Hzは、人間の可聴域における周波数が低い領域に属する。そのため、中心間距離Lcの上限値を3.76mあるいは2.61mに設定すると、構造物80の背後における点P1よりも高く点P2よりも低い領域において、少なくとも、人間の可聴域における周波数が低い領域の騒音を消音し易い。
なお、上述の計算ではa1=0.33mという条件を用いて、3.76m及び2.61mという上限値を算出した。a1>0.33mという条件を採用すると、より大きい上限値が算出される。このことは、a1=0.33mの場合のみならずa1>0.33mの場合にも、中心間距離Lcの上限値を3.76mあるいは2.61mに設定することにより、人間の可聴域における周波数が低い領域の騒音を消音し易いという上記効果が得られることを意味する。例えば、距離Lsが5mであり寸法dが2mである場合、数式1により、距離a1が5.10mと求まる。この場合にも、中心間距離Lcの上限値を3.76mあるいは2.61mに設定することにより、上記効果が得られる。
可聴域における周波数がより高い領域における騒音の良好な消音も望まれることもある。その場合、中心間距離Lcをより小さくすることが考えられる。ただし、中心間距離Lcを過度に小さくすると、広い消音領域を確保し難い。このため、項目(y1)及び(y2)のように中心間距離Lcの下限値を0.16mあるいは0.20mに設定することには意義がある。
実際には、50Hzよりも高い周波数の騒音も良好に消音することが望まれる場合、その周波数を考慮して中心間距離Lcを設定することが可能である。例えば、ANCシステム500の規模、計算負荷等を考慮して、ANCシステム500の能力を最大限に発揮させるのではなく能力の一部のみを発揮させることが望まれる場合がある。その場合、その発揮させるべき能力を考慮して、抑制する騒音の周波数帯を選択し、その周波数帯に基づいて中心間距離Lcを設定することが可能である。
例えば、騒音の速度Vを345m/秒と近似すると、騒音の周波数Fが500Hzの場合、数式8により騒音の波長λは0.69mと求まる。数式6に距離a1=0.33m及び波長λ=0.69mを代入することにより、周波数F=500Hzかつ位相差φ=180°の場合に関する高さの差hが0.59mと求まる。中心間距離Lcを0.59m以下にすると、構造物80の背後における点P1よりも高く点P2よりも低い位置において、周波数Fが50~500Hzの騒音による回折音を消音し難い領域が生じ難い。
また、騒音の速度Vを345m/秒と近似すると、騒音の周波数Fが1000Hzの場合、数式8により騒音の波長λは0.35mと求まる。数式6に距離a1=0.33m及び波長λ=0.35mを代入することにより、周波数F=1000Hzかつ位相差φ=180°の場合に関する高さの差hが0.38mと求まる。中心間距離Lcを0.38m以下にすると、構造物80の背後における点P1よりも高く点P2よりも低い位置において、周波数Fが50~1000Hzの騒音による回折音を消音し難い領域が生じ難い。
なお、ANCシステム500の消音性能とは別の観点から、中心間距離Lcの範囲を設定することも可能である。例えば、中心間距離Lcの上限値を、構造物80の上下方向の寸法に基づいて決定することも可能である。この場合、中心間距離Lcの上限値は、例えば、4000mmに設定されうる。
図1Eに示すように、各圧電スピーカー10の放射面15は、中心間距離Lcに沿った第1方向D1と、第1方向D1に直交する第2方向D2と、に沿って拡がっている。各圧電スピーカー10の放射面15の第1方向D1の寸法L1は第2方向D2の寸法L2よりも短い。
L1<L2であることは、消音可能な領域を大きくすることに適している。具体的には、寸法L1は第1方向D1に関するものであり、その第1方向D1に関する放射面15の中心位置(具体的には、幾何中心位置)が異なるように複数の圧電スピーカー10が並べられている。このため、第1方向D1については、個々の放射面15の寸法L1が小さくても、複数の圧電スピーカー10が並べられていることにより、広い消音領域が得られうる。また、第2方向D2については、個々の放射面15の寸法L2を大きくすることにより広い消音領域が得られうる。また、L1<L2の設計の下では、寸法L1を小さくすることにより消音可能な音の周波数の上限を高め易い。
寸法L1に対する寸法L2の比率L2/L1は、1.2~6である。比率L2/L1がこの範囲にある場合、第1方向D1及び第2方向D2の両方について広い消音領域が得られ易い。比率L2/L1は、1.5~4であってもよい。
本実施形態では、第1方向D1は、鉛直方向である。第2方向D2は、鉛直方向に直交する水平方向である。この場合、第1方向D1に複数の圧電スピーカー10が並んでいることにより、構造物80の背後にいる背が高い人と背が低い人の間での消音効果のばらつきが抑制されうる。また、この場合、第1方向D1に複数の圧電スピーカー10が並んでいることにより、構造物80の背後にいる人が座っているときと立っているときで消音効果がばらつくのが抑制されうる。
ここで、放射面15の寸法L1及び寸法L2について、詳細に説明する。図1Gに示すように、第1方向D1に延びる辺及び第2方向D2に延びる辺を有する長方形12であって、放射面15を収容する最小の長方形12を考える。寸法L1は、長方形12の第1方向D1に延びる辺の長さである。寸法L2は、長方形12の第2方向D2に延びる辺の長さである。
図1Eの例では、第1方向D1及び第2方向D2は、それぞれ、長方形12の辺に沿う方向である。ただし、図1Gに示すように、第1方向D1及び第2方向D2は、それぞれ、長方形12の辺に沿う方向からずれた方向であってもよい。
図1Eの例では、第1方向D1は上下方向であり、第2方向D2は左右方向である。図1Eの例では、第1方向D1は各圧電スピーカー10の放射面15の短手方向であり、第2方向D2は、各圧電スピーカー10の放射面15の長手方向である。図1Eの例では、放射面15の形状は、第1方向D1に延びる短辺と第2方向D2に延びる長辺とを有する長方形である。
各圧電スピーカー10の放射面15の第1方向D1の寸法L1は、隣り合う各圧電スピーカー10の放射面15の中心間距離Lcと同じであってもよく、中心間距離Lcよりも小さくてもよい。本実施形態では、寸法L1は、160mm~3760mmである。寸法L1は、159~3759mmであってもよい。
寸法L1は、4000mm以下であってよく、3999mm以下であってよく、2610mm以下であってもよく、2609mm以下であってもよく、660mm以下であってもよく、659mm以下であってもよく、590mm以下であってもよく、589mm以下であってもよく、430mm以下であってもよく、429mm以下であってもよく、380mm以下であってもよく、379mm以下であってもよい。寸法L1は、199mm以上であってもよく、200mm以上であってもよい。
各圧電スピーカー10の放射面15の第1方向D1の寸法L1を調整して、消音可能な音の周波数を調整することも可能である。この観点から、寸法L1の上限を設定してもよい。例えば、寸法L1は、500mm以下である。このようにすれば、周波数の高い騒音を消音し易い。寸法L1は、400mm以下であってもよい。
各圧電スピーカー10の放射面15の第1方向D1の寸法L1の下限を設定してもよい。例えば、寸法L1は、150mm以上である。寸法L1は、200mm以上であってもよい。
本実施形態では、各圧電スピーカー10の放射面15の第2方向D2の寸法L2は、中心間距離Lcよりも長い。このことは、第2方向D2に関して広い消音領域を得る観点から有利である。
各圧電スピーカー10の放射面15の第2方向D2の寸法L2は、例えば、250mm以上である。寸法L2は、500mm以上であってもよい。
各圧電スピーカー10の放射面15の第2方向D2の寸法L2の上限は、特に限定されない。寸法L2は、例えば、2000mm以下である。寸法L2は、1200mm以下であってもよい。
放射面15の形状は、図1E等に示すような長方形に限定されない。例えば、放射面15の形状は、図1Hに示すような角丸長方形であってもよい。角丸長方形の角部の曲率半径Crは、例えば、0よりも大きく、角丸長方形の短手方向の長さの半分以下である。
以下、音波の伝搬方向及び位相に触れつつ、ANCシステム500が回折音を低減することに適していることについて、さらに説明する。
図1I、図2A及び図3Aから、ANCシステム500によれば、左端部81及び右端部82での回折により生じた回折音を低減できることが理解される。
具体的には、図2Aに示すように、左端部81での回折により生じた波面81w及び右端部82での回折により生じた波面82wは、軸80Xに近づくように伝搬する。図2Aにおいて、波面81wの伝搬方向を符号81dにより示し、波面82wの伝搬方向を符号82dにより示している。軸80Xは、左端部81及び右端部82の間を通り構造物80から離れる方向に延びる軸である。具体的には、図2Aの例では、軸80Xは、構造物80の表面80sに直交し、表面80sの中心を通っている。
一方、図1Iに示すように、各圧電スピーカー10の放射面15は、第2方向D2に沿って、第1領域15aと、第3領域15cと、第2領域15bと、をこの順に有する。具体的には、各圧電スピーカー10の放射面15において、第2方向D2に沿って、第1領域15aと、第3領域15cと、第2領域15bと、がこの順に並んでいる。隣り合う各圧電スピーカー10の第1領域15aは、第1方向D1に沿って隣り合っている。隣り合う各圧電スピーカー10の第2領域15bは、第1方向D1に沿って隣り合っている。隣り合う各圧電スピーカー10の第3領域15cは、第1方向D1に沿って隣り合っている。
図3Aに示すように、各圧電スピーカー10は、第1領域15aから基準軸10Xに近づくように伝搬する第1波面16aと、第2領域15bから基準軸10Xに近づくように伝搬する第2波面16bと、を形成する。具体的には、本実施形態では、放射面15が振動することによって、そのような第1波面16a及び第2波面16bが形成される。図3Aにおいて、第1波面16aの伝搬方向を符号13aにより示し、第2波面16bの伝搬方向を符号13bにより示している。基準軸10Xは、第3領域15cを通り放射面15から離れていくように延びる軸である。
典型例では、制御装置110による制御により、各圧電スピーカー10は、第1領域15aから基準軸10Xに近づくように伝搬する第1波面16aと、第2領域15bから基準軸10Xに近づくように伝搬する第2波面16bと、を形成する。一具体例では、制御装置110による制御により、各圧電スピーカー10が、第1領域15aから基準軸10Xに近づくように伝搬する第1波面16aと、第2領域15bから基準軸10Xに近づくように伝搬する第2波面16bと、を形成する状態が維持される。
本実施形態では、左端部81と右端部82とは第2方向D2について対向し、また、放射面15は第2方向D2に沿って第1領域15aと第3領域15cと第2領域15bとをこの順に有している。このため、本実施形態では、左端部81での回折由来の波面81w及び右端部82での回折由来の波面82wは、図3Aに示す基準軸10Xに近づくように伝搬するとも言える。このため、左端部81の回折由来の波面81w及び右端部82の回折由来の波面82wと、ANCシステム500由来の第1波面16a及び第2波面16bとには、伝搬方向に共通性がある。このことは、騒音が左端部81及び右端部82で回折して生じる回折音を低減することに適している。
本実施形態では、基準軸10Xは、非振動時における第3領域15cに直交している。基準軸10Xからの第1波面16aの伝搬方向の逸れ角θ1は、例えば5°~85°の範囲にあり、15°~75°の範囲にあってもよく、25°~65°の範囲にあってもよい。基準軸10Xからの第2波面16bの伝搬方向の逸れ角θ2は、例えば5°~85°の範囲にあり、15°~75°の範囲にあってもよく、25°~65°の範囲にあってもよい。第3領域15cは、非振動時において平面であってもよい。また、放射面15全体が、非振動時において平面であってもよい。基準軸10Xは、放射面15の中心を通る軸であってもよい。
図4は、従来のダイナミックスピーカー610の説明図である。ダイナミックスピーカー610は、その放射面から略半球面波を放射する。その略半球面波の波面610wもまた、略半球面状である。図4において、軸610Xは、ダイナミックスピーカー610の放射面を通りその放射面から離れていくように延びる軸である。
図5は、従来の平面スピーカー620の説明図である。平面スピーカー620は、その放射面から略平面波を放射する。その略平面波の波面620wもまた、略平面状である。図5において、軸620Xは、平面スピーカー620の放射面を通りその放射面から離れていくように延びる軸である。
図3A、図4及び図5から理解されるように、本実施形態に係る、第1領域15aから基準軸10Xに近づくように伝搬する第1波面16aと、第2領域15bから基準軸10Xに近づくように伝搬する第2波面16bと、の組み合わせは、従来のスピーカー610及び710では得られない。
図6Aは、本実施形態の各圧電スピーカー10の放射面15の振動の説明図である。本実施形態のスピーカー10は、図6Aに示すように、放射面15の端部も良好に振動できるように構成されている。放射面15は、全体として、振動の自由度が高い。詳細については今後の検討を待つ必要があるが、このことが、第1波面16a及び第2波面16bの形成に寄与している可能性がある。また、放射面15は、自由端振動モードにある程度近いモードで振動している可能性がある。具体的には、放射面15は、1次自由端振動モードにある程度近いモードで振動している可能性がある。
従来のスピーカー610及び710と比較したスピーカー10の消音効果の優位性は、騒音源200からの騒音の周波数が高いときに現れ易い傾向にある。
仮に、従来のスピーカー610又は710を用いて、第2方向D2に関して広い消音領域を得ることを考える。この場合、スピーカー610又は710から出る音の半端長毎に、スピーカー610又は710を並べる必要がある。これに対し、圧電スピーカー10を用いて第2方向D2に関して広い消音領域を得るべき場合、圧電スピーカー10の第2方向D2の寸法L2を大きくすればよい。スピーカーの数が少なくて済むこともまた、圧電スピーカー10を用いることの利点である。
一具体例では、第1領域15aに、放射面15の端部の一部が形成されている。第2領域15bに、放射面15の端部の一部が形成されている。
ここで、各圧電スピーカー10が振動しておらず、ANCシステム500がその消音機能を発揮していない状況(以下、非消音状況)を考える。非消音状況においては、構造物80のサイズ及び騒音源200からの騒音の波長にもよるが、図2Cに模式的に示すように、騒音源200からの騒音が構造物80において回折することにより、各圧電スピーカー10において、第1領域15aにおける音波の位相と第2領域15bにおける音波の位相の正負が同じであり、第1領域15aにおける音波の位相と第3領域15cにおける音波の位相の正負が逆であり、かつ、第2領域15bにおける音波の位相と第3領域15cにおける音波の位相の正負が逆である期間が現れうる。図2Cでは、第1圧電スピーカー10Aの第3領域15c、第2圧電スピーカー10Bの第1領域15a及び第2圧電スピーカー10Bの第2領域15bにハッチング11mが関連付けられており、このことはこれらの領域における音波の位相が正及び負の一方であることを模式的に表している。また、図2Cでは、第1圧電スピーカー10Aの第1領域15a、第1圧電スピーカー10Aの第2領域15b及び第2圧電スピーカー10Bの第3領域15cにハッチング11nが関連付けられており、このことはこれらの領域における音波の位相が正及び負の他方であることを模式的に表している。
この点、本実施形態によれば、以下に説明するように、第1領域15a、第2領域15b及び第3領域15cにおいて上記のような位相分布を有する騒音源200由来の騒音を、ANCシステム500由来の音により低減できる。
各圧電スピーカー10が形成する第1領域15aにおける音波を、第1音波と定義する。各圧電スピーカー10が形成する第2領域15bにおける音波を、第2音波と定義する。各圧電スピーカー10が形成する第3領域15cにおける音波を、第3音波と定義する。本実施形態では、図3Cに模式的に示すように、各圧電スピーカー10において、第1音波の位相と第2音波の位相の正負が同じであり、第1音波の位相と第3音波の位相の正負が逆であり、かつ、第2音波の位相と第3音波の位相の正負が逆である期間が現れる。本実施形態によれば、第1領域15a、第2領域15b及び第3領域15cにおいて上記のような位相分布を有する騒音源200由来の騒音を、ANCシステム500由来の音により低減できる。図3Cでは、第1圧電スピーカー10Aの第1領域15a、第1圧電スピーカー10Aの第2領域15b及び第2圧電スピーカー10Bの第3領域15cにハッチング11mが関連付けられており、このことはこれらの領域におけるANCシステム500由来の音波の位相が正及び負の一方であることを模式的に表している。また、図3Cでは、第1圧電スピーカー10Aの第3領域15c、第2圧電スピーカー10Bの第1領域15a及び第2圧電スピーカー10Bの第2領域15bにハッチング11nが関連付けられており、このことはこれらの領域におけるANCシステム500由来の音波の位相が正及び負の他方であることを模式的に表している。
典型例では、制御装置110による制御により、各圧電スピーカー10において、第1音波の位相と第2音波の位相の正負が同じであり、第1音波の位相と第3音波の位相の正負が逆であり、かつ、第2音波の位相と第3音波の位相の正負が逆である期間T1が現れうる。第1音波、第2音波又は第3音波の一周期をTpとしたとき、T1/Tpは、騒音源200にもよるが、例えば0.01~1である。また、騒音源200が正弦波を発する場合、期間T1は継続しうるあるいは周期的に現れうる。T1/Tpは、0.1~1であってもよく、0.5~1であってもよく、0.7~1であってもよく、0.9~1であってもよい。
上述のように、第1音波は、スピーカー10が形成する第1領域15aにおける音波である。第1音波は、第1領域15aに面する空間のうち、第1領域15aに限りなく近い位置の音波を包含する概念である。よって、第1音波の測定は、この「限りなく近い位置」の音波の測定により実現できる。第2音波及び第3音波についても同様である。
上記のような第1音波、第2音波及び第3音波の位相分布が得られるという事実は、放射面15を1次自由端振動モードにある程度近いモードで振動しているという仮定と整合する。
また、非消音状況においては、構造物80のサイズ及び騒音源200からの騒音の波長にもよるが、騒音源200からの騒音が構造物80において回折することにより、隣り合う各圧電スピーカー10の第1領域15aにおける音波の位相の正負が逆である期間が現れうる。具体的には、隣り合う各圧電スピーカー10の第1領域15aにおける音波の位相の正負が逆であり、隣り合う各圧電スピーカー10の第2領域15bにおける音波の位相の正負が逆であり、かつ、隣り合う各圧電スピーカー10の第3領域15cにおける音波の位相の正負が逆である期間が現れうる。
この点、本実施形態では、図3Cに模式的に示すように、隣り合う各圧電スピーカー10の第1音波の位相の正負が逆である期間が現れうる。具体的には、隣り合う各圧電スピーカー10の第1音波の位相の正負が逆であり、隣り合う各圧電スピーカー10の第2音波の位相の正負が逆であり、かつ、隣り合う各圧電スピーカー10の第3音波の位相の正負が逆である期間が現れうる。本実施形態によれば、第1領域15a、第2領域15b及び第3領域15cにおいて上記のような位相分布を有する騒音源200由来の騒音を、ANCシステム500由来の音により低減できる。
典型例では、制御装置110による制御により、隣り合う各圧電スピーカー10の第1音波の位相の正負が逆である期間T2が現れうる。具体的には、制御装置110による制御により、隣り合う各圧電スピーカー10の第1音波の位相の正負が逆であり、隣り合う各圧電スピーカー10の第2音波の位相の正負が逆であり、かつ、隣り合う各圧電スピーカー10の第3音波の位相の正負が逆である期間T2が現れうる。第1音波、第2音波又は第3音波の一周期をTpとしたとき、T2/Tpは、騒音源200にもよるが、例えば0.01~1である。また、騒音源200が正弦波を発する場合、期間T2は継続しうるあるいは周期的に現れうる。T2/Tpは、0.1~1であってもよく、0.5~1であってもよく、0.7~1であってもよく、0.9~1であってもよい。
図2B及び図3Bから、ANCシステム500によれば、上端部83での回折により生じた回折音を低減できることが理解される。
具体的には、図2Bでは、上端部83での回折により生じた波面83wと、波面83wの伝搬方向83dとが、模式的に示されている。図2Bに示すように、構造物80の背後において、構造物80の表面80sから同距離だけ離れているが上下方向の位置が異なる点Q1及び点Q2を考える。上端部83から点Q1までの距離と、上端部83から点Q2までの距離とは、互いに異なる。このため、波面83wの位相は、点Q1と点Q2とでずれる。このような位相ずれが存在する場合、単一の圧電スピーカー10により点Q1及び点Q2の両方で良好な消音を行うのは、必ずしも容易ではない。
この点、本実施形態では、第1方向D1は、上下方向である。その第1方向D1に関する放射面15の中心位置(具体的には、幾何中心位置)が異なるように、複数の圧電スピーカー10が並べられている。このことは、点Q1及び点Q2の両方において、良好な消音を行うことを可能にする。具体的には、図3Bに模式的に示すように、第1圧電スピーカー10Aによって点Q1を中心とする領域の消音を実現し、第2圧電スピーカー10Bによって点Q2を中心とする領域の消音を実現できる。より一般的には、本実施形態によれば、第1方向D1に関する互いに異なる位置において、良好な消音を行うことが可能となる。
本実施形態では、ANCシステム500は、制御装置110を備える。制御装置110は、スピーカー10から第1周波数範囲FR1の音を出力させることができるように構成されている。周波数範囲FR1は、例えば50Hz~3000Hzであり、100~2000Hzであってもよい。
一具体例において、制御装置110では、第2周波数範囲FR2が設定されうる。制御装置110は、スピーカー10から出力される音の周波数を、第2周波数範囲FR2内の値に制御する。第2周波数範囲FR2は、第1周波数範囲FR1よりも狭い。現実には、ANCシステム500の規模、計算負荷等を考慮して、ANCシステム500の能力を最大限に発揮させるのではなく能力の一部のみを発揮させることが望まれる場合がある。この具体例は、そのような場合に採用可能である。具体的には、この具体例によれば、第2周波数範囲FR2として所望の帯域を選択することができる。
図1Eに示すように、本実施形態では、構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、放射面15は、対向する左端部15j及び右端部15kを有する。構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、左端部15jと構造物80の端部の間の左マージンM1は、ゼロ以上基準波長の1/10以下である。構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、右端部15kと構造物80の端部の間の右マージンM2は、ゼロ以上基準波長の1/10以下である。ここで、基準波長は、第1周波数範囲FR1又は第2周波数範囲FR2の上限の音の波長である。このようにすることは、騒音が左端部81及び右端部82で回折して生じる回折音を低減することに適している。なお、1/10という比率は、一般的なANCの消音領域が制御対象となる騒音の波長の1/10であることに由来している。
なお、現実には、製品化の都合で、左マージンM1及び右マージンM2をある程度大きくするべき場合もある。これを考慮し、左マージンM1及び右マージンM2の上限を、基準波長の1/10よりも大きくしてもよい。回折音を低減する効果を得つつ無理のない製品化を行う観点から、例えば、左マージンM1を、ゼロ以上基準波長の1/3以下にすることができる。また、構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、右マージンM2を、ゼロ以上基準波長の1/3以下にすることができる。
左マージンM1は、例えば0cm~50cmであり、0cm~10cmであってもよい。右マージンM2は、例えば0cm~50cmであり、0cm~10cmであってもよい。
左マージンM1は、放射面15を平面視で観察したときの、左端部15jと左端部81との間の距離(具体的には最短距離)である。本実施形態では、右マージンM2は、放射面15を平面視で観察したときの、右端部15kと右端部82との間の距離(具体的には最短距離)である。
本実施形態では、構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、複数の圧電スピーカー10のうち最も上側に配置された圧電スピーカー10の放射面15の上端部15lと構造物80の端部の間の上マージンM3は、ゼロ以上、かつ、基準波長の1/10以下である。上マージンM3は、ゼロ以上、かつ、基準波長の1/3以下であってもよい。上マージンM3は、例えば0cm~50cmであり、0cm~10cmであってもよい。
上マージンM3は、表面80sを平面視で観察したときの、複数の圧電スピーカー10のうち最も上側に配置された圧電スピーカー10の放射面15の上端部15lと上端部83との間の距離(具体的には最短距離)である。
本実施形態では、構造物80の表面80s上に、第1方向D1に延びる圧電スピーカー10の列が構成されている。図示の例では、この列の数は、1つである。このことは、制御が複雑になることを避けつつ広い消音領域を確保する観点から有利である。ただし、この列の数は、複数であってもよい。
圧電スピーカーを用いたANCシステムでは、点音源又は線音源を用いたANCシステムに比べ、中心間距離を半波長とする騒音よりも高い周波数の騒音も低減し易い。これは、圧電スピーカーの放射面が、二次元的に拡がっているためである。
一例では、ANCシステム500は、複数の圧電スピーカー10が出力する音の周波数の上限が上限周波数である仕様を有する。この上限周波数は、中心間距離Lcを半波長とする音の周波数よりも高い。この例では、圧電スピーカーを用いたANCシステムは高い周波数の騒音も低減し易いという利点が活かされている。一具体例では、上限周波数は、上記の第2周波数範囲FR2の上限である。別の具体例では、上限周波数は、圧電スピーカー10の寸法によって定まる周波数であり、例えば第1周波数範囲FR1である。
本実施形態では、図7に示すように、ANCシステム500は、複数の誤差マイクロフォン140と、制御装置110と、を備えている。制御装置110は、複数の圧電スピーカー10から出力される音を、複数の誤差マイクロフォン140を用いて制御する。この構成は、消音可能な領域を大きくすることに適している。
具体的に、本実施形態では、複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140とは、一対一に対応付けられている。制御装置110は、各圧電スピーカー10から出力される音を、当該圧電スピーカー10に対応付けられた誤差マイクロフォン140を用いて制御してもよい。この構成は、誤差マイクロフォン140の数を抑えつつ消音可能な領域を大きくすることに適している。
本実施形態では、ANCシステム500の制御装置110は、複数の騒音制御フィルタ121を有する。複数の圧電スピーカー10と、複数の騒音制御フィルタ121とは、一対一に対応付けられている。制御装置110は、各圧電スピーカー10から出力される音を、当該圧電スピーカー10に対応付けられた騒音制御フィルタ121を用いて制御する。この構成によれば、制御装置110は、各圧電スピーカー10を独立して制御できる。このことは、広い領域において良好な消音を実現する観点から有利である。
本実施形態では、複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140と、複数の騒音制御フィルタ121とは、一対一に対応付けられている。騒音制御フィルタ121は、自身に対応付けられた誤差マイクロフォン140で感知される音が小さくなるように、具体的にはその音の大きさが極小値に近づくように、より具体的にはその音の大きさが極小値に収束するように、自身に対応付けられた圧電スピーカー10が音を出すように動作する。
誤差マイクロフォン140の数は、圧電スピーカー10の数よりも多くてもよい。この場合、後述するようにマルチチャネルANCシステムを構成できる。
誤差マイクロフォン140の数は、圧電スピーカー10の数よりも少なくてもよい。この場合、複数の圧電スピーカー10のうちの少なくとも2つが、同一の誤差マイクロフォン140を共用しうる。
本実施形態では、ANCシステム500は、少なくとも1つの参照マイクロフォン130を備える。制御装置110は、各圧電スピーカー110から出力される音を、少なくとも1つの参照マイクロフォン130を用いて制御する。参照マイクロフォン130によれば、非周期信号の消音が可能となる。
図8を用いて、本実施形態の消音効果を説明する。図8において、符号85aは、上下方向に垂直な基準面を表す。符号85bは、左右方向に垂直な垂直面を表す。本実施形態によれば、基準面85aの消音及び垂直面85bの消音の両方を実現できる。具体的に、図8の例では、上下方向は、鉛直方向である。基準面85aは、水平面である。また、垂直面85bは、矢状面である。
図1A~図1Iの例では、ANCシステム500における圧電スピーカー10の数は、2つである。ただし、ANCシステム500における圧電スピーカー10の数は、3つ以上、例えば4つであってもよい。
図1A~図1Iの例では、下端部84は、床に接している。ただし、下端部84よりも下方に空間が形成されるように構造物80を配置することも可能である。この場合、下端部84で生じる回折音を低減するように、ANCシステム500を構成できる。
一例において、構造物80の表面80sを平面視で観察したとき、複数の圧電スピーカー10のうち最も下側に配置された圧電スピーカー10の放射面15の下端部と構造物80の端部の間の下マージンは、ゼロ以上、かつ、基準波長の1/10以下である。下マージンは、ゼロ以上、かつ、基準波長の1/3以下であってもよい。下マージンは、例えば0cm~50cmであり、0cm~10cmであってもよい。
下マージンは、表面80sを平面視で観察したときの、複数の圧電スピーカー10のうち最も下側に配置された圧電スピーカー10の放射面15の下端部と下端部84との間の距離(具体的には最短距離)である。
なお、構造物80の表面80sのいずれの部分に複数の圧電スピーカー10を配置するかは、特に限定されない。
[フィードフォワードANCシステム]
一具体例では、ANCシステム500は、フィードフォワード制御を行う。以下、フィードフォワード制御を行うANCシステム500を、フィードフォワードANCシステム500と表記することがある。
フィードフォワードANCシステム500は、1つの参照マイクロフォン130と、複数の誤差マイクロフォン140と、制御装置110と、を備えている。制御装置110は、複数の騒音制御フィルタ121を有している。複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140と、複数の騒音制御フィルタ121とは、一対一に対応付けられている。
打ち消されるべき音波が、騒音源200から所定領域におけるある誤差マイクロフォン140の位置に到達し、その誤差マイクロフォン140の位置において波形Xを有するとする。その誤差マイクロフォン140に対応付けられた圧電スピーカー10は、その誤差マイクロフォン140の位置に到達したときに波形Xとは位相が逆の波形Yを有することとなる音波を放射する。これらの音波が、誤差マイクロフォン140の位置で互いに打ち消し合う。別の言い方をすると、これらの音波は誤差マイクロフォン140の位置で合成され、振幅がゼロ又は小さいレベルに低減された波形Zを有する合成音波が生成される。同様の現象が、互いに対応付けられた他の圧電スピーカー10及び誤差マイクロフォン140の組み合わせでも生じる。フィードフォワードANCシステム500では、このようにして消音が実現される。
フィードフォワードANCシステム500では、参照マイクロフォン130、複数の誤差マイクロフォン140及び制御装置110を用いたフィードフォワード制御がなされる。具体的には、参照マイクロフォン130は、圧電スピーカー10から見て騒音源200側に配置される。参照マイクロフォン130は、騒音源200からの音を感知する。複数の誤差マイクロフォン140は、上記所定領域に配置され、上記所定領域における音を感知する。制御装置110は、参照マイクロフォン130及び複数の誤差マイクロフォン140で感知した音に基づいて、複数の圧電スピーカー10から放射される音波を調整する。
フィードフォワードANCシステム500では、1つの圧電スピーカー10に、1つの誤差マイクロフォン140が対応付けられている。このようなフィードフォワードANCシステム500を、シングルチャネルANCシステム500と称することができる。
フィードフォワードANCシステム500において、1つの圧電スピーカー10に、複数の誤差マイクロフォン140が対応付けられていてもよい。このようなフィードフォワードANCシステム500を、マルチチャネルANCシステム500と称することができる。
シングルチャネルANCシステム500は、シンプルな制御を実現する観点から有利である。マルチチャネルANCシステム500によれば、各誤差マイクロフォン140の点において騒音を低減できる。複数の誤差マイクロフォン140により騒音を低減できる点(制御点)を複数設けることは、広い空間の消音を実現する観点から有利である。
制御装置110は、第1プレアンプリファイア(以下、アンプリファイアをアンプと称することがある)と、第1ローパスフィルタと、第1アナログデジタルコンバータ(以下、ADコンバータと称することがある)と、第2プレアンプと、第2ローパスフィルタと、第2ADコンバータと、パワーアンプと、第3ローパスフィルタと、デジタルアナログコンバータ(以下、DAコンバータと称することがある)と、演算部と、を有する。
具体的には、第1プレアンプと、第1ローパスフィルタと、第1ADコンバータと、第2プレアンプと、第2ローパスフィルタと、第2ADコンバータと、パワーアンプと、第3ローパスフィルタと、DAコンバータと、演算部とは、複数の圧電スピーカー10から出力される音の制御に共用される。一方、誤差マイクロフォン140と同様、騒音制御フィルタ121は、各圧電スピーカー10につき1つずつ設けられている。
第1プレアンプは、参照マイクロフォン130の出力信号を増幅する。第1ローパスフィルタは、第1プレアンプの出力信号の低域成分を通過させる。第1ADコンバータは、第1ローパスフィルタの出力信号をデジタル信号に変換する。これにより、第1ADコンバータから、時刻nにおける参照信号x(n)が出力される。
第2プレアンプは、誤差マイクロフォン140の出力信号を増幅する。第2ローパスフィルタは、第2プレアンプの出力信号の低域成分を通過させる。第2ADコンバータは、第2ローパスフィルタの出力信号をデジタル信号に変換する。これにより、第2ADコンバータから、時刻nにおける誤差信号e(n)が出力される。
演算部は、参照信号x(n)及び誤差信号e(n)から、時刻nにおける制御信号y(n)を生成する。演算部は、例えば、DSP(Digital Signal Processor)又はFPGA(Field-Programmable Gate Array)等によって構成される。演算部は、例えば、filtered-xアルゴリズムに基づいて動作する。
具体的には、演算部は、騒音制御フィルタ121を有する。演算部は、誤差信号e(n)が小さくなるように、具体的には誤差信号e(n)が極小値に近づくように、より具体的には誤差信号e(n)が極小値に収束するように、騒音制御フィルタ121のフィルタ係数を更新する。
DAコンバータは、制御信号y(n)をアナログ信号に変換する。第3ローパスフィルタは、DAコンバータの出力信号の低域成分を通過させる。パワーアンプは、第3ローパスフィルタの出力信号を増幅する。パワーアンプから出力された信号が、制御信号として圧電スピーカー10に送信される。この信号に基づいて、放射面15から音が出力される。
以上の説明から理解されるように、フィードフォワードANCシステム500は、複数の誤差マイクロフォン140と、少なくとも1つの参照マイクロフォン130と、制御装置110と、を備える。少なくとも1つの参照マイクロフォン130と、構造物80と、複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140と、はこの順に並んでいる。制御装置110は、参照マイクロフォン130の出力信号及び複数の誤差マイクロフォン140の出力信号に基づいて、複数の圧電スピーカー10から出力される音を制御するフィードフォワード制御を実行する。フィードフォワード制御によれば、周期信号のみならず、非周期信号の消音も可能である。
[フィードバックANCシステム]
一具体例では、ANCシステム500は、フィードバック制御を行う。以下、フィードバック制御を行うANCシステム500を、フィードバックANCシステム500と表記することがある。
フィードバックANCシステム500は、複数の誤差マイクロフォン140と、制御装置110と、を備えている。制御装置110は、複数の騒音制御フィルタ121を有している。複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140と、複数の騒音制御フィルタ121とは、一対一に対応付けられている。
打ち消されるべき音波が、騒音源200から所定領域におけるある誤差マイクロフォン140の位置に到達し、その誤差マイクロフォン140の位置において波形Xを有するとする。その誤差マイクロフォン140に対応付けられた圧電スピーカー10は、その誤差マイクロフォン140の位置に到達したときに波形Xとは位相が逆の波形Yを有することとなる音波を放射する。これらの音波が、誤差マイクロフォン140の位置で互いに打ち消し合う。別の言い方をすると、これらの音波は誤差マイクロフォン140の位置で合成され、振幅がゼロ又は小さいレベルに低減された波形Zを有する合成音波が生成される。同様の現象が、互いに対応付けられた他の圧電スピーカー10及び誤差マイクロフォン140の組み合わせでも生じる。フィードバックANCシステム500では、このようにして消音が実現される。
フィードバックANCシステム500では、複数の誤差マイクロフォン140及び制御装置110を用いたフィードバック制御がなされる。具体的には、複数の誤差マイクロフォン140は、上記所定領域に配置され、上記所定領域における音を感知する。制御装置110は、複数の誤差マイクロフォン140で感知した音に基づいて、複数の圧電スピーカー10から放射される音波を調整する。
フィードバックANCシステム500では、1つの圧電スピーカー10に、1つの誤差マイクロフォン140が対応付けられている。このようなフィードバックANCシステム500を、シングルチャネルANCシステム500と称することができる。
フィードバックANCシステム500において、1つの圧電スピーカー10に、複数の誤差マイクロフォン140が対応付けられていてもよい。このようなフィードバックANCシステム500を、マルチチャネルANCシステム500と称することができる。
シングルチャネルANCシステム500は、シンプルな制御を実現する観点から有利である。マルチチャネルANCシステム500によれば、各誤差マイクロフォン140の点において騒音を低減できる。複数の誤差マイクロフォン140により制御点を複数設けることは、広い空間の消音を実現する観点から有利である。
制御装置110は、第2プレアンプと、第2ローパスフィルタと、第2ADコンバータと、パワーアンプと、第3ローパスフィルタと、DAコンバータと、演算部と、を有する。
具体的には、第2プレアンプと、第2ローパスフィルタと、第2ADコンバータと、パワーアンプと、第3ローパスフィルタと、DAコンバータと、演算部とは、複数の圧電スピーカー10から出力される音の制御に共用される。一方、誤差マイクロフォン140と同様、騒音制御フィルタ121は、各圧電スピーカー10につき1つずつ設けられている。
第2プレアンプは、誤差マイクロフォン140の出力信号を増幅する。第2ローパスフィルタは、第2プレアンプの出力信号の低域成分を通過させる。第2ADコンバータは、第2ローパスフィルタの出力信号をデジタル信号に変換する。これにより、第2ADコンバータから、時刻nにおける誤差信号e(n)が出力される。
演算部は、誤差信号e(n)から、時刻nにおける制御信号y(n)を生成する。演算部は、例えば、DSP又はFPGA等によって構成される。演算部は、例えば、filtered-xアルゴリズムに基づいて動作する。
具体的には、演算部は、騒音制御フィルタ121を有する。演算部は、誤差信号e(n)が小さくなるように、具体的には誤差信号e(n)が極小値に近づくように、より具体的には誤差信号e(n)が極小値に収束するように、騒音制御フィルタ121のフィルタ係数を更新する。
DAコンバータは、制御信号y(n)をアナログ信号に変換する。第3ローパスフィルタは、DAコンバータの出力信号の低域成分を通過させる。パワーアンプは、第3ローパスフィルタの出力信号を増幅する。パワーアンプから出力された信号が、制御信号として圧電スピーカー10に送信される。この信号に基づいて、放射面15から音が出力される。
以上の説明から理解されるように、フィードバックANCシステム500は、複数の誤差マイクロフォン140と、制御装置110と、を備える。構造物80と、複数の圧電スピーカー10と、複数の誤差マイクロフォン140と、はこの順に並んでいる。制御装置110は、複数の誤差マイクロフォン140の出力信号に基づいて、複数の圧電スピーカー10から出力される音を制御するフィードバック制御を実行する。フィードバック制御によれば、参照マイクロフォン130を必要とすることなく、周期信号を消音することが可能である。
フィードフォワードANCシステム500及びフィードバックANCシステム500に関する説明から理解されるように、ANCシステム500の制御装置110は、少なくとも1つのアンプを有しうる。制御装置110は、少なくとも1つのローパスフィルタを有しうる。制御装置110は、少なくとも1つのADコンバータを有しうる。制御装置110は、少なくとも1つのDAコンバータを有しうる。これらの要素は、圧電スピーカー10から出力される音の制御に寄与しうる。
ANCシステム500は、オフィス等に設けられうる。一具体例では、パーティションである構造物80に、圧電スピーカー10が取り付けられる。騒音源200は、ある会議スペースの人間である。上記所定領域は、別の会議スペースである。
[圧電スピーカー10の第1構成例]
図9及び図10を用いて、第1構成例に係る圧電スピーカー10を説明する。
圧電スピーカー10は、圧電フィルム35と、第1接合層51と、介在層40と、第2接合層52と、を備えている。第1接合層51と、介在層40と、第2接合層52と、圧電フィルム35とは、この順に積層されている。
圧電フィルム35は、圧電体30と、第1電極61と、第2電極62と、を含んでいる。
圧電体30は、フィルム形状を有している。圧電体30は、電圧が印加されることによって振動する。圧電体30として、セラミックフィルム、樹脂フィルム等を用いることができる。セラミックフィルムである圧電体30の材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、Bi層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、チタン酸バリウムとビスマスフェライトとの固溶体等が挙げられる。樹脂フィルムである圧電体30の材料としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸等が挙げられる。樹脂フィルムである圧電体30の材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンであってもよい。また、圧電体30は、無孔体であってもよく、多孔体であってもよい。
圧電体30の厚さは、例えば10μm~300μmの範囲にあり、30μm~110μmの範囲にあってもよい。
第1電極61及び第2電極62は、圧電体30を挟むように圧電体30に接している。第1電極61及び第2電極62は、フィルム形状を有している。第1電極61及び第2電極62は、それぞれ、図示しないリード線に接続されている。第1電極61及び第2電極62は、蒸着、めっき、スパッタリング等により圧電体30上に形成されうる。第1電極61及び第2電極62として、金属箔を用いることもできる。金属箔は、両面テープ、粘着剤、接着剤等によって圧電体30に貼り付け可能である。第1電極61及び第2電極62の材料としては、金属が挙げられ、具体的には、金、白金、銀、銅、パラジウム、クロム、モリブデン、鉄、錫、アルミニウム、ニッケル等が挙げられる。第1電極61及び第2電極62の材料として、炭素、導電性高分子等も挙げられる。第1電極61及び第2電極62の材料として、これらの合金も挙げられる。第1電極61及び第2電極62は、ガラス成分等を含んでいてもよい。
第1電極61及び第2電極62の厚さは、それぞれ、例えば10nm~150μmの範囲にあり、20nm~100μmの範囲にあってもよい。
図9及び図10の例では、第1電極61は、圧電体30の一方の主面全体を覆っている。ただし、第1電極61は、圧電体30の該一方の主面の一部のみを覆っていてもよい。第2電極62は、圧電体30の他方の主面全体を覆っている。ただし、第2電極62は、圧電体30の該他方の主面の一部のみを覆っていてもよい。
第1構成例では、介在層40は、圧電フィルム35と第1接合層51との間に配置されている。介在層40は、接着層及び粘着層以外の層であってもよく、接着層又は粘着層であってもよい。第1構成例では、介在層40は、多孔体層及び/又は樹脂層である。ここで、樹脂層はゴム層及びエラストマ層を含む概念であり、従って樹脂層である介在層40はゴム層又はエラストマ層であってもよい。樹脂層である介在層40としては、エチレンプロピレンゴム層、ブチルゴム層、ニトリルゴム層、天然ゴム層、スチレンブタジエンゴム層、シリコーン層、ウレタン層、アクリル樹脂層等が挙げられる。多孔体層である介在層40としては、発泡体層等が挙げられる。具体的には、多孔体層及び樹脂層である介在層40としては、エチレンプロピレンゴム発泡体層、ブチルゴム発泡体層、ニトリルゴム発泡体層、天然ゴム発泡体層、スチレンブタジエンゴム発泡体層、シリコーン発泡体層、ウレタン発泡体層等が挙げられる。多孔体層ではないが樹脂層である介在層40としては、アクリル樹脂層等が挙げられる。樹脂層ではないが多孔体層である介在層40としては、金属の多孔体層等が挙げられる。ここで、樹脂層は、樹脂を含む層を指し、樹脂を30%以上含んでいてもよく、樹脂を45%以上含んでいてもよく、樹脂を60%以上含んでいてもよく、樹脂を80%以上含んでいてもよい層を指す。ゴム層、エラストマ層、エチレンプロピレンゴム層、ブチルゴム層、ニトリルゴム層、天然ゴム層、スチレンブタジエンゴム層、シリコーン層、ウレタン層、アクリル樹脂層、金属層等についても同様である。また、圧電体30として採用されうる樹脂フィルム、セラミックフィルム等についても同様である。介在層40は、2種類以上の材料のブレンド層であってもよい。
介在層40の弾性率は、例えば10000N/m2~20000000N/m2であり、20000N/m2~100000N/m2であってもよい。
一例では、多孔体層である介在層40の孔径は、0.1mm~7.0mmであり、0.3mm~5.0mmであってもよい。別の例では、多孔体層である介在層40の孔径は、例えば0.1mm~2.5mmであり、0.2mm~1.5mmであってもよく、0.3mm~0.7mmであってもよい。多孔体層である介在層40の空孔率は、例えば70%~99%であり、80%~99%であってもよく、90%~95%であってもよい。
発泡体層である介在層40として、公知の発泡体を利用できる(例えば、特許文献2の発泡体を利用できる)。発泡体層である介在層40は、連続気泡構造を有していてもよく、独立気泡構造を有していてもよく、半独立半連続気泡構造を有していてもよい。連続気泡構造は、連続気泡率が100%である構造を指す。独立気泡構造は、連続気泡率が0%である構造を指す。半独立半連続気泡構造は、連続気泡率が0%よりも大きく100%よりも小さい構造を指す。ここで、連続気泡率は、例えば、発泡体層を水中に沈める試験を行い、式:連続気泡率(%)={(吸水した水の体積)/(気泡部分体積)}×100を用いて計算することができる。一具体例では、「吸水した水の体積」は、発泡体層を水中に沈めて-750mmHgの減圧下で3分間放置した後に、発泡体層の気泡中の空気と置換された水の質量を測り、水の密度を1.0g/cm3として体積に換算することで得られるものである。「気泡部分体積」は、式:気泡部分体積(cm3)={(発泡体層の質量)/(発泡体層の見かけ密度)}-{(発泡体層の質量)/(材料密度)}を用いて計算される値である。「材料密度」は、発泡体層を形成する母材(中実体)の密度である。
発泡体層である介在層40の発泡倍率(発泡前後の密度比)は、例えば5~40倍であり、10~40倍であってもよい。
非圧縮状態における介在層40の厚さは、例えば0.1mm~30mmの範囲にあり、1mm~30mmの範囲にあってもよく、1.5mm~30mmの範囲にあってもよく、2mm~25mmの範囲にあってもよい。典型的には、非圧縮状態において、介在層40は、圧電フィルム35よりも厚い。非圧縮状態において、圧電フィルム35の厚さに対する介在層40の厚さの比率は、例えば3倍以上であり、10倍以上であってもよく、30倍以上であってもよい。また、典型的には、非圧縮状態において、介在層40は、第1接合層51よりも厚い。
第1接合層51は、その表面により固定面17を形成している。第1接合層51は、構造物80に接合される層である。図9の例では、第1接合層51は、介在層40に接合している。
第1構成例では、第1接合層51は、粘着性又は接着性の層である。別の言い方をすると、第1接合層51は、接着層又は粘着層である。固定面17は、接着面又は粘着面である。第1接合層51は、構造物80に貼り付けられうる。図1の例では、第1接合層51は、介在層40に接している。
第1接合層51としては、基材と、基材の両面に塗布された粘着剤とを有する両面テープが挙げられる。第1接合層51として用いられる両面テープの基材としては、不織布等が挙げられる。第1接合層51として用いられる両面テープの粘着剤としては、アクリル樹脂を含む粘着剤等が挙げられる。ただし、第1接合層51は、基材を有さない粘着剤の層であってもよい。
第1接合層51の厚さは、例えば0.01mm~1.0mmであり、0.05mm~0.5mmであってもよい。
第2接合層52は、介在層40と圧電フィルム35との間に配置されている。第1構成例では、第2接合層52は、粘着性又は接着性の層である。別の言い方をすると、第2接合層52は、接着層又は粘着層である。具体的には、第2接合層52は、介在層40と圧電フィルム35とに接合している。
第2接合層52としては、基材と、基材の両面に塗布された粘着剤とを有する両面テープが挙げられる。第2接合層52として用いられる両面テープの基材としては、不織布等が挙げられる。第2接合層52として用いられる両面テープの粘着剤としては、アクリル樹脂を含む粘着剤等が挙げられる。ただし、第2接合層52は、基材を有さない粘着剤の層であってもよい。
第2接合層52の厚さは、例えば0.01mm~1.0mmであり、0.05mm~0.5mmであってもよい。
第1構成例では、圧電フィルム35に接着面又は粘着面が接触することによって、圧電フィルム35が固定面17側の層と一体化されている。具体的には、第1構成例では、当該接着面又は粘着面は、第2粘着層又は接着層52の表面により形成された面である。
第1構成例に係る圧電スピーカー10を複数用いて、ANCシステム500を構成可能である。圧電スピーカー10は、ダイナミックスピーカーに比べ、自身に電気信号が届いてから音が出るまでにかかる時間(以下、遅延時間と称することがある)が短い。このため、圧電スピーカー10は、自身のサイズが小さい点のみならず、参照マイクロフォン130と圧電スピーカー10との距離を短くできる点でも、小型のANCシステムの構成に適している。例えば、参照マイクロフォン130、制御装置110及び圧電スピーカー10を1つのパーティションに取り付けることも可能である。
圧電スピーカー10が構造物80に固定された状態で、電圧が、リード線を介して、圧電フィルム35に印加される。これにより、圧電フィルム35が振動し、圧電フィルム35から音波が放射される。
圧電スピーカー10及び圧電スピーカー10が適用されたANCシステム500について、さらに説明する。
圧電スピーカー10は、固定面17によって、構造物80に固定されうる。そのようにして、圧電スピーカー10を用いたANCシステム500を構成できる。ANCシステム500では、介在層40は、圧電フィルム35と構造物80との間に配置される。
作用の詳細については今後の検討を待つ必要があるが、圧電フィルム35の片方の主面を介在層40によって適度に拘束することにより、圧電フィルム35から可聴音域における低周波側の音が発生し易くなっている可能性がある。これを考慮すると、圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の25%以上の領域において介在層40が配置されるようにすることができる。圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の50%以上の領域において介在層40が配置されるようにしてもよく、圧電フィルム35の面積の75%以上の領域において介在層40が配置されるようにしてもよく、圧電フィルム35の全領域において介在層40が配置されるようにしてもよい。また、圧電スピーカー10における固定面17とは反対側の主面38の50%以上を圧電フィルム35よって構成することができる。主面38の75%以上を圧電フィルム35によって構成してもよく、主面38全体を圧電フィルム35によって構成してもよい。
第1構成例では、第2接合層52によって、圧電フィルム35と介在層40との分離が防止されている。上記の「適度な拘束」の観点からは、圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の25%以上の領域において第2接合層52及び介在層40が配置されるようにすることができる。圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の50%以上の領域において第2接合層52及び介在層40が配置されるようにしてもよく、圧電フィルム35の面積の75%以上の領域において第2接合層52及び介在層40が配置されるようにしてもよく、圧電フィルム35の全領域において第2接合層52及び介在層40が配置されるようにしてもよい。
ここで、介在層40が多孔体である場合、介在層40が配置される領域の比率は、その多孔質構造に由来する細孔を考慮した微視的な観点ではなく、より巨視的な観点から規定されるものである。例えば、圧電フィルム35、多孔体である介在層40及び第2接合層52が平面視で共通の輪郭を有する板状体である場合、圧電フィルム35の面積の100%の領域において第2接合層52及び介在層40が配置されていると表現される。
第1構成例では、介在層40の拘束度は、5×109N/m3以下である。介在層40の拘束度は、例えば、1×104N/m3以上である。介在層40の拘束度は、好ましくは5×108N/m3以下であり、より好ましくは2×108N/m3以下であり、さらに好ましくは1×105~5×107N/m3である。ここで、介在層40の拘束度(N/m3)は、以下の式のように、介在層40の弾性率(N/m2)と介在層40の表面充填率との積を介在層40の厚さ(m)で割ることによって得られる値である。介在層40の表面充填率は、介在層40における圧電フィルム35側の主面の充填率(1から空孔率を引いた値)である。介在層40の孔が均等に分布している場合、表面充填率は、介在層40の3次元的な充填率に等しいとみなすことができる。
拘束度(N/m3)=弾性率(N/m2)×表面充填率÷厚さ(m)
拘束度は、介在層40による圧電フィルム35の拘束の程度を表すパラメータと考えることができる。介在層40の弾性率が大きいほど拘束の程度が大きくなることが、上記の式で表されている。介在層40の表面充填率が大きいほど拘束の程度が大きくなることが、上記の式で表されている。介在層40の厚さが小さいほど拘束の程度が大きくなることが、上記の式で表されている。介在層40の拘束度と圧電フィルム35から発生する音との関係については今後の検討を待つ必要があるが、拘束度が過度に大きい場合には、低周波側の音を出すのに必要な圧電フィルム35の変形が妨げられている可能性がある。逆に、拘束度が過度に小さい場合には、圧電フィルム35がその厚さ方向に十分に変形せず、その面内方向(厚さ方向に垂直な方向)のみに伸縮し、低周波側の音の発生が妨げられている可能性がある。介在層40の拘束度を適度な範囲に設定することによって、圧電フィルム35の面内方向の伸縮が厚さ方向の変形に適度に変換され、圧電フィルム35が全体として適切に屈曲し、低周波側の音が発生し易くなっていると考えることができる。
上述の説明から理解されるように、圧電フィルム35と固定面17との間に、介在層40とは異なる層があってもよい。当該異なる層は、例えば、第2粘着層52である。
介在層40に比べ、構造物80は、大きい拘束度を有していてもよい。この場合であっても、介在層40の寄与により、圧電フィルム35から低周波側の音が発生しうる。ただし、構造物80は、介在層40と同じ拘束度を有していてもよく、介在層40よりも小さい拘束度を有していてもよい。ここで、構造物80の拘束度(N/m3)は、構造物80の弾性率(N/m2)と構造物80の表面充填率との積を構造物80の厚さ(m)で割ることによって得られる値である。構造物80の表面充填率は、構造物80における圧電フィルム35側の主面の充填率(1から空孔率を引いた値)である。
典型的には、介在層40に比べ、構造物80は、大きい剛性(ヤング率と断面2次モーメントの積)、大きいヤング率及び/又は大きい厚さを有する。ただし、構造物80は、介在層40と同じ剛性、ヤング率及び/又は厚さを有していてもよく、介在層40よりも小さい剛性、ヤング率及び/又は厚さを有していてもよい。構造物80のヤング率は、例えば1GPa以上であり、10GPa以上であってもよく、50GPa以上であってもよい。構造物80のヤング率の上限は特に限定されないが、例えば1000GPaである。
図示の例では、圧電フィルム35は、介在層40によって完全に包囲されているわけではない。図示の例では、介在層40及び圧電フィルム35をこの順に通りその後介在層40を経由せずにスピーカー10の外部に至る仮想直線が存在する。ここで、「仮想直線が存在する」とは、そのような直線を引くことができるという意味である。図示の例では、介在層40は、圧電フィルム35から見て固定面17側のみに拡がっている。
図示の例では、圧電フィルム35における固定面17とは反対側の主面38が、放射面15を構成している。つまり、圧電フィルム35における介在層40とは反対側の主面38が、放射面15を構成している。この構成において圧電フィルム35における介在層40側の主面が介在層40により拘束されることにより、圧電フィルム35の面内方向の伸縮が厚さ方向の変形に適度に変換されうる。ただし、他の形態も採用されうる。
具体的には、圧電フィルム35における介在層40とは反対側に、第1の層が設けられていてもよい。例えば、第1の層は、圧電フィルム35の保護に用いられる。この場合、第1の層の主面が、放射面15を構成しうる。あるいは、第1の層とは別の第2の層が、放射面15を構成しうる。
第1の層の厚さは、例えば、0.05mm~5mmである。第1の層の材料は、例えば、ポリエステル系の材料である。ここで、ポリエステル系の材料は、ポリエステルを含む材料を指し、ポリエステルを30%以上含んでいてもよく、ポリエステルを45%以上含んでいてもよく、ポリエステルを60%以上含んでいてもよく、ポリエステルを80%以上含んでいてもよい材料を指す。一例では、介在層40の材料と第1の層の材料とは異なる。介在層40の材料と第1の層の材料とが異なる場合、圧電フィルム35における介在層40側の主面が拘束される程度と、圧電フィルム35における第1の層側の主面が拘束される程度と、に差をつけることができる。このことは、圧電フィルム35の面内方向の伸縮を厚さ方向の変形に適度に変換することを可能にしうる。介在層40の拘束度と第1の層の拘束度とは異なっていてもよい。ここで、第1の層の拘束度(N/m3)は、第1の層の弾性率(N/m2)と第1の層の表面充填率との積を第1の層の厚さ(m)で割ることによって得られる値である。第1の層の表面充填率は、第1の層における圧電フィルム35側の主面の充填率(1から空孔率を引いた値)である。介在層40の拘束度と第1の層の拘束度とが異なることは、圧電フィルム35の面内方向の伸縮を厚さ方向の変形に適度に変換することを可能にしうる。一具体例では、介在層40の拘束度は、第1の層の拘束度よりも大きい。第1の層は、フィルム形状を有していてもよい。第1の層は、不織布であってもよい。
第1構成例では、圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の少なくとも一部が固定面17と重複する(図9の例では第1接合層51と重複する)ように、固定面17が配置されている。圧電スピーカー10を構造物80に安定して固定する観点からは、圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の50%以上の領域において固定面17が配置されるようにすることができる。圧電フィルム35を平面視で観察したときに、圧電フィルム35の面積の75%以上の領域において固定面17が配置されるようにしてもよく、圧電フィルム35の全領域において固定面17が配置されるようにしてもよい。
第1構成例では、圧電フィルム35と固定面17との間に存在する互いに隣接する層は接合されている。ここで、「圧電フィルム35と固定面17との間」は、圧電フィルム35及び固定面17を含む。具体的には、第1接合層51と介在層40は接合されており、介在層40と第2接合層52は接合されており、第2接合層52と圧電フィルム35とは接合されている。このため、構造物80への取付姿勢によらず、圧電フィルム35を安定して配置でき、しかも構造物80への取付が容易である。さらに、介在層40の寄与により、取付姿勢によらず、圧電フィルム35から音が出る。従って、第1構成例では、これらが相俟って、使い勝手がよい圧電スピーカーが実現される。なお、「互いに隣接する層は接合されている」は、互いに隣接する層が全体的又は部分的に接合されていることを意味する。図示の例では、圧電フィルム35の厚さ方向に沿って延び圧電フィルム35、介在層40及び固定面17をこの順に通る所定領域において、互いに隣接する層が接合されている。
第1構成例では、圧電フィルム35及び介在層40は、それぞれ、厚さが実質的に一定である。このことは、圧電スピーカー10の保管、使い勝手、圧電フィルム35から出る音の制御等の種々の観点から有利である場合が多い。なお、「厚さが実質的に一定」は、例えば、厚さの最小値が最大値の70%以上100%以下であることを指す。圧電フィルム35及び介在層40は、それぞれ、厚さの最小値が最大値の85%以上100%以下であってもよい。
ところで、樹脂は、セラミック等に比べ、クラックが発生し難い材料である。一具体例では、圧電フィルム35の圧電体30は樹脂フィルムであり、介在層40は圧電フィルムとしては機能しない樹脂層である。このようにすることは、圧電体30又は介在層40でクラックを生じさせることなく圧電スピーカー10をハサミ、人の手等で切断する観点から有利である(圧電スピーカー10がハサミ、人の手等で切断可能であることは、ANCシステム500の設計自由度向上に寄与し、また、ANCシステム500の構築を容易にする)。また、このようにすれば、圧電スピーカー10を曲げても圧電体30又は介在層40でクラックが生じ難くなる。また、圧電体30が樹脂フィルムであり介在層40が樹脂層であることは、圧電体30又は介在層40でクラックを生じさせることなく湾曲面上に圧電スピーカー10を固定する観点から有利である。
図9の例では、圧電フィルム35、介在層40、第1接合層51及び第2接合層52は、平面視で輪郭が一致している。ただし、これらの輪郭がずれていても構わない。
図9の例では、圧電フィルム35、介在層40、第1接合層51及び第2接合層52は、平面視で短手方向及び長手方向を有する長方形である。ただし、これらは、正方形、円形、楕円形等であってもよい。
また、圧電スピーカー10は、図9に示す層以外の層を含んでいてもよい。図9に示す層以外の層は、例えば、上述の第1の層及び第2の層である。
[圧電スピーカー10の第2構成例]
以下、図11を用いて第2構成例に係る圧電スピーカー110を説明する。以下では、第1構成例と同様の部分については、説明を省略することがある。
圧電スピーカー110は、圧電フィルム35と、固定面117と、介在層140と、を備えている。固定面117は、圧電フィルム35を構造物80に固定することに利用可能である。
介在層140は、圧電フィルム35と固定面117との間(ここで、「間」は固定面117を含む。第1構成例についても同様である)に配置されている。固定面117は、介在層140の表面(主面)により形成されている。
介在層140は、多孔体層及び/又は樹脂層である。介在層140は、粘着層又は接着層である。介在層140として、アクリル樹脂を含む粘着剤を用いることができる。介在層140として、他の粘着剤、例えば、ゴム、シリコーン又はウレタンを含む粘着剤を用いてもよい。介在層140は、2種類以上の材料のブレンド層であってもよい。
介在層140の弾性率は、例えば10000N/m2~20000000N/m2であり、20000N/m2~100000N/m2であってもよい。
非圧縮状態における介在層140の厚さは、例えば0.1mm~30mmの範囲にあり、1mm~30mmの範囲にあってもよく、1.5mm~30mmの範囲にあってもよく、2mm~25mmの範囲にあってもよい。典型的には、非圧縮状態において、介在層140は、圧電フィルム35よりも厚い。非圧縮状態において、圧電フィルム35の厚さに対する介在層140の厚さの比率は、例えば3倍以上であり、10倍以上であってもよく、30倍以上であってもよい。
第2構成例では、介在層140の拘束度は、5×109N/m3以下である。介在層140の拘束度は、例えば、1×104N/m3以上である。介在層140の拘束度は、好ましくは5×108N/m3以下であり、より好ましくは2×108N/m3以下であり、さらに好ましくは1×105~5×107N/m3である。拘束度の定義は、先に説明した通りである。
第2構成例では、圧電フィルム35に接着面又は粘着面が接触することによって、圧電フィルム35が固定面117側の層と一体化されている。具体的には、第2構成例では、当該接着面又は粘着面は、介在層140により形成された面である。
圧電スピーカー110も、固定面117によって、構造物80に固定されうる。そのようにして、第2構成例に係る圧電スピーカー110を複数用いたANCシステム500を構成できる。
少なくとも1つの第1構成例に係る圧電スピーカー10と、少なくとも1つの第2構成例に係る圧電スピーカー10と、を用いてANCシステム500を構成してもよい。
[実験例]
実験例により、本発明を詳細に説明する。ただし、以下の実験例は、本発明の一例を示すものであり、本発明は以下の実験例に限定されない。
(サンプルE1)
固定された支持部材680に圧電スピーカー10の固定面17を貼り付けることによって、図12に示す構造を作製した。具体的には、支持部材680として、厚さ5mmのステンレス平板(SUS平板)を用いた。第1接合層51として、不織布の両面にアクリル系粘着剤を含侵させた、厚み0.16mmの粘着シート(両面テープ)を用いた。介在層40として、エチレンプロピレンゴムとブチルゴムとを含む混和物を約10倍の発泡倍率で発泡させた、厚さ3mmで独立気泡型の発泡体を用いた。第2接合層52として、基材が不織布でありその基材の両面に無溶剤型のアクリル樹脂を含む粘着剤が塗布された、厚さ0.15mmの粘着シート(両面テープ)を用いた。圧電フィルム35として、両面に銅電極(ニッケルを含む)が蒸着されたポリフッ化ビニリデンフィルム(総厚み33μm)を用いた。サンプルE1の第1接合層51、介在層40、第2接合層52及び圧電フィルム35は、平面視で横37.5mm×縦37.5mmの寸法を有しており、平面視で輪郭が重複した非分割かつ非枠状の板状形状を有している(後述のサンプルE2~E17及びR1でも同様である)。支持部材680は、平面視で横50mm×縦50mmの寸法を有しており、第1接合層51を全体的に覆っている。このようにして、図12に示す構成を有するサンプルE1を作製した。
(サンプルE2)
介在層40として、エチレンプロピレンゴムを含む混和物を約10倍の発泡倍率で発泡させた、厚さ3mmで半独立半連続気泡型の発泡体を用いた。この発泡体は、硫黄を含むものである。それ以外は、サンプルE1と同様のサンプルE2を作製した。
(サンプルE3)
サンプルE3では、介在層40として、サンプルE2の介在層40と同一材料かつ同一構造の、厚さ5mmの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE2と同様のサンプルE3を作製した。
(サンプルE4)
サンプルE4では、介在層40として、サンプルE2の介在層40と同一材料かつ同一構造の、厚さ10mmの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE2と同様のサンプルE4を作製した。
(サンプルE5)
サンプルE5では、介在層40として、サンプルE2の介在層40と同一材料かつ同一構造の、厚さ20mmの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE2と同様のサンプルE5を作製した。
(サンプルE6)
介在層40として、エチレンプロピレンゴムを含む混和物を約10倍の発泡倍率で発泡させた、厚さ20mmで半独立半連続気泡型の発泡体を用いた。この発泡体は、硫黄を含まないものであり、サンプルE2~E5の介在層40として用いた発泡体に比べて柔軟である。それ以外は、サンプルE1と同様のサンプルE6を作製した。
(サンプルE7)
介在層40として、エチレンプロピレンゴムを含む混和物を約20倍の発泡倍率で発泡させた、厚さ20mmで半独立半連続気泡型の発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE1と同様のサンプルE7を作製した。
(サンプルE8)
介在層40として、金属多孔体を用いた。この金属多孔体は、材料がニッケルであり、孔径が0.9mmであり、厚みが2.0mmのものである。第2接合層52として、サンプルE1の第1接合層51と同じ粘着層を用いた。それ以外は、サンプルE1と同様のサンプルE8を作製した。
(サンプルE9)
サンプルE1の第1接合層51及び第2接合層52を省略し、圧電フィルム35と構造物80との間に介在層140のみを介在させた。介在層140として、アクリル系粘着剤によって構成された、厚さ3mmの基材レス粘着シートを用いた。それ以外は、サンプルE1と同様の、図12の支持部材680に図11の積層体が取り付けられた構成を有する、サンプルE9を作製した。
(サンプルE10)
介在層40として、サンプルE9の介在層140と同じ介在層を用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE10を作製した。
(サンプルE11)
介在層40として、厚さ5mmのウレタンフォームを用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE11を作製した。
(サンプルE12)
介在層40として、厚さ10mmのウレタンフォームを用いた。このウレタンフォームは、サンプルE11の介在層40として用いたウレタンフォームに比べて孔径が小さいものである。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE12を作製した。
(サンプルE13)
介在層40として、厚さ5mmで独立気泡型のアクリルニトリルブタジエンゴムの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE13を作製した。
(サンプルE14)
介在層40として、厚さ5mmで独立気泡型のエチレンプロピレンゴムの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE14を作製した。
(サンプルE15)
介在層40として、天然ゴムとスチレンブタジエンゴムとがブレンドされた厚さ5mmで独立気泡型の発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE15を作製した。
(サンプルE16)
介在層40として、厚さ5mmで独立気泡型のシリコーンの発泡体を用いた。それ以外は、サンプルE8と同様のサンプルE16を作製した。
(サンプルE17)
介在層40として、サンプルE1の介在層40と同一材料かつ同一構造の、厚さ10mmの発泡体を用いた。第2接合層52として、サンプルE1と同じ粘着シートを用いた。圧電フィルム35の圧電体30として、厚さ35μmのトウモロコシ由来のポリ乳酸を主原料とした樹脂シートを用いた。圧電フィルム35の第1電極61及び第2電極62は、それぞれ、厚さ0.1μmのアルミニウム膜であり、蒸着によって形成した。こうして、総厚みが35.2μmの圧電フィルム35を得た。それ以外は、サンプルE1と同様のサンプルE17を作製した。
(サンプルR1)
サンプルE1の圧電フィルム35を、サンプルR1とした。地面に平行な台上に、接着せずにサンプルR1を置いた。
サンプルE1~E17及びR1を、以下のようにして評価した。
<介在層の厚さ(非圧縮状態)>
介在層の厚さは、厚みゲージを用いて測定した。
<介在層の弾性率>
介在層から、小片を切り出した。切り出した小片に対して、引張試験機(TA Instruments社製「RSA-G2」)を用いて、常温で圧縮試験を行った。これにより、応力-ひずみ曲線を得た。応力-ひずみ曲線の初期傾きから、弾性率を算出した。
<介在層の孔径>
顕微鏡により、介在層の拡大画像を得た。この拡大画像を画像解析することにより、介在層の孔径の平均値を求めた。求めた平均値を、介在層の孔径とした。
<介在層の空孔率>
介在層から直方体の小片を切り出した。切り出した小片の体積及び質量から見かけの密度を求めた。見かけの密度を、介在層を形成する母材(中実体)の密度で除した。これにより、充填率を算出した。さらに1から充填率を差し引いた。これにより、空孔率を得た。
<介在層の表面充填率>
サンプルE2~16については、上述の充填率を表面充填率とした。サンプルE1及び17では、介在層は表面スキン層を有しているため、表面充填率は100%とした。
<サンプルの音圧レベルの周波数特性>
サンプルE1~E8及びE10~E17を測定するための構成を、図13に示す。圧電フィルム35の両面の角部に、厚さ70μmであり横70mm×縦5mmである導電性銅箔テープ70(3M社製のCU-35C)を取り付けた。また、これらの導電性銅箔テープ70のそれぞれに、みのむしクリップ75を取り付けた。導電性銅箔テープ70及びみのむしクリップ75は、圧電フィルム35に交流電圧を印加するための電気経路の一部を構成する。
サンプルE9を測定するための構成を、図14に示す。図14の構成には、図13の第1接合層51及び第2接合層52がない。図14の構成には、介在層140がある。
サンプルR1を測定するための構成は、図13及び図14に倣ったものである。具体的には、図13及び図14に倣って、圧電フィルム35の両面の角部に導電性銅箔テープ70を取り付け、これらのテープ70にみのむしクリップ75を取り付けた。こうして得られたアセンブリを、地面に平行な台上に接着せずに置いた。
図15及び図16に、サンプルの音響特性を測定するためのブロック図を示す。具体的に、図15は出力系を示し、図16は評価系を示す。
図15に示す出力系では、音声出力用パーソナルコンピュータ(以下、パーソナルコンピュータをPCと簡略化して記載することがある)401と、オーディオインターフェース402と、スピーカーアンプ403と、サンプル404(サンプルE1~E17及びR1の圧電スピーカー)と、をこの順に接続した。スピーカーアンプ403からサンプル404への出力を確認できるように、スピーカーアンプ403をオシロスコープ405にも接続した。
音声出力用PC401には、WaveGeneがインストールされている。WaveGeneは、テスト用音声信号を発生させるためのフリーソフトである。オーディオインターフェース402として、ローランド株式会社製のQUAD-CAPTUREを用いた。オーディオインターフェース402のサンプリング周波数は、192kHzとした。スピーカーアンプ403として、オンキヨー株式会社製のA-924を用いた。オシロスコープ405として、テクトロニクス社製のDPO2024を用いた。
図16に示す評価系では、マイクロフォン501と、音響評価装置(PULSE)502と、音響評価用PC503と、をこの順に接続した。
マイクロフォン501として、B&K社製のType4939-C-002を用いた。マイクロフォン501は、サンプル404から1m離れた位置に配置した。音響評価装置502として、B&K社製のType3052-A-030を用いた。
このように出力系及び評価系を構成し、音声出力用PC401からオーディオインターフェース402及びスピーカーアンプ403を介してサンプル404に交流電圧を印加した。具体的には、音声出力用PC401を用いて、20秒間で周波数が100Hzから100kHzまでスイープするテスト用音声信号を発生させた。この際、スピーカーアンプ403から出力される電圧を、オシロスコープ405により確認した。また、サンプル404から発生した音を、評価系で評価した。このようにして、音圧周波数特性測定試験を行った。
出力系及び評価系の設定の詳細は、以下の通りである。
[出力系の設定]
・周波数範囲:100Hz~100kHz
・スイープ時間:20秒
・実効電圧:10V
・出力波形:サイン波
[評価系の設定]
・測定時間:22秒
・ピークホールド
・測定範囲:4Hz~102.4kHz
・ライン数:6400
<音が出始める周波数の判断>
暗騒音よりも3dB以上音圧レベルが大きい周波数域(音圧レベルが暗騒音+3dB以上に保たれる周波数範囲がピーク周波数(音圧レベルがピークとなる周波数)の±10%に満たないような急峻なピーク部を除く)の下端を、音が出始める周波数と判断した。
サンプルE1~17及びサンプルR1の評価結果を、図17A及び図17Bに示す。サンプルE1~17に関する拘束度と音が出始める周波数の関係を図18に示す。図18において、E1~E17はサンプルE1~17に対応する。図19、図20及び図21に、サンプルE1、E2及びR1に関する音圧レベルの周波数特性を示す。図22に、暗騒音の音圧レベルの周波数特性を示す。
[参考ANCシステムの評価]
平面視の寸法を横50cm×縦35cmとしたこと以外はサンプルE1の圧電スピーカー10と同様の圧電スピーカー10を用いて、図23に示すANC評価系800を構成した。参考ANC評価系800で用いた圧電スピーカー10の数は、1つである。
圧電スピーカー10を、パーティション780の表面780sに取り付けた。騒音源700と、参照マイクロフォン730と、パーティション780の中心と、圧電スピーカー10の中心と、誤差マイクロフォン735と、がこの順に直線上に並ぶように、これらを配置した。また、パーティション780からみて圧電スピーカー10側に、制御領域790を設定した。制御領域790に、測定用マイクロフォン740を配置した。
図23において、x方向は、制御領域790の横方向である。y方向は、制御領域790の縦方向である。z方向は、制御領域790の奥行方向である。x方向、y方向及びz方向は、互いに直交する方向である。
z方向は、騒音源700と、参照マイクロフォン730と、パーティション780の中心と、圧電スピーカー10の中心と、誤差マイクロフォン735と、が並ぶ方向でもある。z方向は、圧電スピーカー10の放射面15が面する方向でもある。
騒音源700として、富士通テン株式会社製のEclipse TD508MK3を用いた。パーティション780として、有限会社ミハシ工芸製のデスクサイドスクリーンRを用いた。参照マイクロフォン730として、ソニー株式会社製のECM-PC60を用いた。誤差マイクロフォン735として、ソニー株式会社製のECM-PC60を用いた。測定用マイクロフォン740としてソニー株式会社製のECM-PC60を用いた。
騒音源700と参照マイクロフォン730との間隔は5cmである。参照マイクロフォン730とパーティション780との間隔は60cmである。圧電スピーカー10の放射面15と誤差マイクロフォン735との間隔は17.5cmである。これらの間隔は、z方向の寸法である。
パーティション780は、平面視で長方形の板状形状を有する。パーティション780の寸法は、横60cm×縦45cm×厚さ0.5cmである。制御領域790の寸法は、横60cm×縦45cm×奥行60cmである。これらの横方向は、x方向である。これらの縦方向は、y方向である。これらの厚さ方向又は奥行方向は、z方向である。
また、圧電スピーカー10の横方向すなわち50cmの方向は、x方向である。圧電スピーカー10の縦方向すなわち35cmの方向は、y方向である。圧電スピーカー10の厚さ方向は、z方向である。
左マージンM1は、5cmである。右マージンM2は、5cmである。マージンM1及びM2は、x方向の寸法である。
ANC評価系800では、出力信号PC(パーソナルコンピュータ)750と、測定用PC760と、制御装置710と、を用いた。出力信号PC750を、騒音源700及び測定用PC760に接続した。
出力信号PC750は、騒音源700に、騒音信号を送信する。これにより、出力信号PC750は、騒音源700に、正弦波を放射させる。また、出力信号PC750は、測定用PC760に、トリッガー信号を送信する。トリッガー信号により、各測定データに、共通する基準時を与えることができる。具体的には、後述する176個の測定点について、時間軸の揃った音圧データを得ることが可能となる。このことは、後述する図24~図39に示す音圧分布のマッピングを可能にする。
参照マイクロフォン730は、騒音源700からの音を感知する。参照マイクロフォン730の出力信号は、制御装置710に送信される。
誤差マイクロフォン735は、制御領域790における音を感知する。誤差マイクロフォン735の出力信号は、制御装置710に送信される。
制御装置710は、参照マイクロフォン730及び誤差マイクロフォン735の出力信号に基づいて、圧電スピーカー10に制御信号を送信する。これにより、制御装置710は、圧電スピーカー10から放射される音波を制御する。
測定用マイクロフォン740は、自身が配置された位置における音を感知する。測定用マイクロフォン740の出力信号は、測定用PC760に送信される。
測定用PC760は、出力信号PC750からのトリッガー信号と、測定用マイクロフォン740の出力信号と、を受信する。
制御領域790は、x方向及びz方向に延びる測定用断面790CSを有する。ANC評価系800では、測定用断面790CSに、176個の測定点が設けられている。具体的には、測定用断面790CSは、x方向に均等に11分割され、z方向に均等に16分割されている。176個という測定点の数は、x方向の分割数11と、z方向の分割数16との積である。測定用断面790CSのy方向の位置は、放射面15のy方向の中心位置と同じである。測定用断面790CS上に、誤差マイクロフォン735が設けられている。
ANC評価系800では、測定用マイクロフォン740を、176個の測定点に順次移動させる。こうして、マイクロフォン740は、測定用PC760と協働して、176個の測定点における音圧を測定する。具体的には、測定用PC760は、176個の測定点における音圧の分布をマッピングする。このマッピングにより、測定用断面790CSの音場が可視化される。
以下、図24~図41Cを参照しつつ、実測したデータに基づいた説明を行う。なお、図24~図41Cにおいて、図23に示す制御領域790におけるパーティション780から遠い一部分の図示が省略されている。図24、図26、図28、図30、図32、図34、図36及び図38において、カラーバーの数値は、音圧レベルを指し、その単位はパスカル(Pa)である。この数値が正であることは音圧が正であることを意味し、この数値が負であることは音圧が負であることを意味する。
(第1参考例:回折音の測定)
圧電スピーカー10が音を発しておらず、かつ、騒音源700が正弦波を放射している状況で、測定用断面790CSの176個の測定点における音圧を測定し、マッピングした。図24~図27に、マッピングにより得た音圧分布を示す。なお、図24~図27では、回折音の測定を行っていることが直感的に理解され易くなるように、圧電スピーカー10の図示は省略している。しかし、第1参考例の測定は、後述の第2参考例と同様、圧電スピーカー10がパーティション780に取り付けられた状態で行った。
具体的には、図24は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合における、ある時刻に関する、騒音源700由来の音圧分布を示す。図25の一連の線は、500Hzの正弦波を放射する騒音源700によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。図26は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合における、ある時刻に関する、騒音源700由来の音圧分布を示す。図27の一連の線は、800Hzの正弦波を放射する騒音源700によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。
図25では、一連の線の各々は、互いに異なる時刻における「ある波面」の位置を示している。概括的にいうと、図25では、互いに隣接する2つの線のうち、パーティション780からより離れているものが、より進んだ時刻における「ある波面」を表している。図25のブロック矢印は、波面の伝搬方向を示す。一連の線及びブロック矢印に関するこれらの説明は、図27、図29、図31、図33、図35、図37及び図39についても同様である。
なお、図25は、以下の手順で作成した。まず、図24と同様の、互いに異なる時刻に関する実測に基づく音圧分布図を複数取得した。次に、それら複数の音圧分布図の各々において、ある波面に対応する線を、手作業で引いた。次に、線を引いた後の複数の音圧分布図を重ね合わせた。これにより、図25に示す、波面の伝搬を表す一連の線が描かれた図を得た。図の作成手順に関するこれらの説明は、図27、図29、図31、図33、図35、図37及び図39についても同様である。
図24~図27は、パーティション780における対向する端部において、回折が生じていることを示している。また、図24~図27は、これらの端部での回折により生じた波面が、パーティション780の背後に回り込むように伝搬していることを示している。具体的には、図24~図27は、これらの端部での回折により生じた波面が、パーティション780の中心を通りz方向に延びる軸に近づくように伝搬していることを示している。図24~図27に示す波面の伝搬の仕方は、図2A~図2Cと同様である。
(第2参考例:圧電スピーカー10が発する音の測定)
第1参考例と同様に騒音源700が正弦波を放射している状態で、制御装置710を用いて圧電スピーカー10を振動させ、圧電スピーカー10から消音用の音波を発生させた。この際に、制御装置710に、圧電スピーカー10に送信する制御信号を記憶させた。その後、騒音源700が音を放射していない状態で、制御装置710に、記憶させた制御信号を圧電スピーカー10に送信させた。このようにして、騒音源700が音を放射していない状態で圧電スピーカー10の振動を再現し、測定用断面790CSの176個の測定点における音圧を測定し、マッピングした。図28~図31に、マッピングにより得た音圧分布を示す。
具体的には、図28は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合における、ある時刻に関する、圧電スピーカー10由来の音圧分布を示す。図29の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合において圧電スピーカー10によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。図30は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合における、ある時刻に関する、圧電スピーカー10由来の音圧分布を示す。図31の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合において圧電スピーカー10によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。
図28~図31は、圧電スピーカー10の放射面15の中央領域を挟む2つの外側領域から、中央領域を通りz方向に延びる軸に近づくように、波面が伝搬していることを示している。図28~図31に示す波面の伝搬の仕方は、図3A~図3Cと同様である。具体的には、騒音源700からの騒音がパーティション780で回折して生じる回折波の波面と、圧電スピーカー10由来の波面とは、上記軸に近づきながら伝搬している点で、共通している。後述の実施例1においても、圧電スピーカー10A及び10Bは、同様の波面を形成すると考えられる。
また、図24~図27から、パーティション780での回折により、第1領域15aにおける音波の位相と第2領域15bにおける音波の位相の正負が同じであり、第1領域15aにおける音波の位相と第3領域15cにおける音波の位相の正負が逆であり、かつ、第2領域15bにおける音波の位相と第3領域15cにおける音波の位相の正負が逆である期間が現れていることが把握される(領域15a,15b及び15cについては、図1A~3C及び関連する説明を参照されたい)。図28~図31から、圧電スピーカー10により、第1音波の位相と第2音波の位相の正負が同じであり、第1音波の位相と第3音波の位相の正負が逆であり、かつ、第2音波の位相と第3音波の位相の正負が逆である期間が現れていることが把握される(第1音波、第2音波及び第3音波については、図1A~3Cを参照して行った説明を参照されたい)。第1領域15a、第2領域15b及び第3領域15cにおける位相分布についても、騒音源700由来の騒音と圧電スピーカー10由来の音とで共通性が見られる。後述の実施例1においても、圧電スピーカー10A及び10Bは、同様の位相分布を形成すると考えられる。
(第3参考例:ダイナミックスピーカー610が発する音の測定)
第2参考例の圧電スピーカー10を、ダイナミックスピーカー610に置き換えた。このダイナミックスピーカー610は、フォスター電機株式会社製のFostex P650Kである。この置き換えをしたこと以外は、第2参考例と同様にして、ダイナミックスピーカー610に由来する、測定用断面790CSの176個の測定点における音圧を測定し、マッピングした。図32~図35に、マッピングにより得た音圧分布を示す。なお、ダイナミックスピーカー610は、パーティション780に埋め込まれている。
具体的には、図32は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合における、ある時刻に関する、ダイナミックスピーカー610由来の音圧分布を示す。図33の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合においてダイナミックスピーカー610によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。図34は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合における、ある時刻に関する、ダイナミックスピーカー610由来の音圧分布を示す。図35の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合においてダイナミックスピーカー610によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。
図32~図35は、ダイナミックスピーカー610の放射面から略半球面波が放射され、その略半球面波の波面もまた略半球面状であることを示している。図32~図35に示す波面の伝搬の仕方は、図4と同様である。
(第4参考例:平面スピーカー620が発する音の測定)
第2参考例の圧電スピーカー10を、平面スピーカー620に置き換えた。この平面スピーカー620は、株式会社エフ・ピー・エス製のFPS2030M3P1Rである。この置き換えをしたこと以外は、第2参考例と同様にして、平面スピーカー620に由来する、測定用断面790CSの176個の測定点における音圧を測定し、マッピングした。図36~図39に、マッピングにより得た音圧分布を示す。
具体的には、図36は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合における、ある時刻に関する、平面スピーカー620由来の音圧分布を示す。図37の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合において平面スピーカー620によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。図38は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合における、ある時刻に関する、平面スピーカー620由来の音圧分布を示す。図39の一連の線は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合において平面スピーカー620によって生じる、時間経過に伴うある波面の伝搬を示す。
図36~図39は、平面スピーカー620の放射面から略平面波が放射され、その略平面波の波面もまた略平面状であることを示している。図36~図39に示す波面の伝搬の仕方は、図5と同様である。
(消音効果)
図40A~62Cを用いて、第2参考例と第4参考例の消音効果の相違を説明する。以下の説明では、スピーカーON時及びスピーカーOFF時という用語を用いることがある。スピーカーON時は、スピーカーから消音用の音が放射されている時を指す。スピーカーOFF時は、スピーカーから消音用の音が放射されていない時を指す。
図40A及び図41Aのカラーマップは、騒音源700から正弦波が放射されているある時刻の消音状態を示す。図40A及び図41Aにおいて、左のカラーマップは、第2参考例の圧電スピーカー10による消音状態を示す。右のカラーマップは、第4参考例の平面スピーカー620による消音状態を示す。図40Aは、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合における、ある時刻の音圧分布を示す。図41Aは、騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合における、ある時刻の音圧分布を示す。
図40A及び図41Aにおいて、カラーバーの右側の数値は、増幅率を指し、その単位はdBである。増幅率がXであることは、スピーカーOFF時を基準として、スピーカーON時の音圧がXdB増幅されたことを表している。増幅率が負であることは、消音効果が現れていることを示す。増幅率が正であることは、反対に、騒音が増幅されていることを示す。リダクションエリア(R.A)は、測定用断面790CSにおいて増幅率が-6dB以下である領域(すなわち消音効果が良好に現れている領域)占める割合を示す。アンプリフィケーションエリア(A.A)は、測定用断面790CSにおいて増幅率が0dBよりも大きい領域(すなわち騒音が増幅されている領域)が占める割合を示す。カラーバー、リダクションエリア及びアンプリフィケーションエリアに関する説明は、後述の図43A、65A、66A及び67Aについても同様である。
図40Bは、図40Aにおける増幅率が0dBよりも小さい領域に細かいハッチングを付し、増幅率が0よりも大きい領域に荒いハッチングを付したものである。図41Bは、図41Aにおける増幅率が0dBよりも小さい領域に細かいハッチングを付し、増幅率が0よりも大きい領域に荒いハッチングを付したものである。つまり、図40B及び図41Bでは、騒音が低減されている領域に細かいハッチングを付し、アンプリフィケーションエリアに荒いハッチングを付している。なお、図40B及び図41Bにおけるハッチングは、図40A及び図41Aの目視に基づいて手作業で付した大まかなものである。目視に基づいて手作業で付した点は、後述の図40C、図41C、図43B、図44B、図45B及び図46Bについても同様である。
図40Cは、図40Aにおける増幅率が-6dB以下である領域に細かいハッチングを付し、増幅率が0よりも大きい領域に荒いハッチングを付したものである。図41Cは、図41Aにおける増幅率が-6dB以下である領域に細かいハッチングを付し、増幅率が0よりも大きい領域に荒いハッチングを付したものである。つまり、図40C及び図41Cでは、リダクションエリアに細かいハッチングを付し、アンプリフィケーションエリアに荒いハッチングを付している。この点は、後述の図43B、図44B、図45B及び図46Bについても同様である。
図40A~図41Cに示すように、第2参考例の圧電スピーカー10を用いた場合には、第4参考例の平面スピーカー620を用いた場合に比べ、騒音が低減されている領域及びリダクションエリアが大きく、アンプリフィケーションエリアが小さい。
具体的には、第2参考例の圧電スピーカー10を用いた場合には、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合、リダクションエリアは約58%であり、アンプリフィケーションエリアは約18%である。騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合、リダクションエリアは約27%であり、アンプリフィケーションエリアは約18%である。
一方、第4参考例の平面スピーカー620を用いた場合には、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzである場合、リダクションエリアは約38%であり、アンプリフィケーションエリアは約21%である。騒音源700が放射する正弦波の周波数が800Hzである場合、リダクションエリアは約13%であり、アンプリフィケーションエリアは約61%である。
図40A~図41Cから、圧電スピーカー10の平面スピーカー620に対する消音効果の優位性は、騒音源700が放射する正弦波の周波数が500Hzのときよりも800Hzのときのほうが顕著に表れている。
なお、第3参考例のダイナミックスピーカー610を用いた場合には、第4参考例の平面スピーカー620を用いた場合よりも、騒音が低減されている領域及びリダクションエリアが小さくなり、アンプリフィケーションエリアが大きくなることが予想される。
[ANCシステムにおける水平面及び矢状面の消音性評価]
図23~図41Cを参照して説明した参考ANC評価系800では、上述のように、x方向及びz方向に延びる測定用断面790CSについて、良好な消音が実現されうる。しかし、本発明者らの検討によれば、参考ANC評価系800では、y方向及びz方向に延びる面すなわち測定用断面790CSに直交する面については、良好な消音を実現するのは容易ではない。本発明者らのさらなる検討によれば、測定用断面790CSに直交する面について良好な消音を実現するには、複数の圧電スピーカーを用いることが有効である。以下、この点について、比較例1及び実施例1により説明する。
比較例1及び実施例1では、x方向は左右方向であり、y方向は上下方向である。x方向及びz方向に延びる平面は、水平面である。水平面である測定用断面を、測定用水平断面と称することがある。この水平面に対して垂直な垂直面(y方向及びz方向に延びる平面)である測定用断面は、パーティション及び圧電スピーカーの組み合わせを左右対称に切る断面である。このため、垂直面である測定用断面を、測定用矢状断面と称することがある。
実施例1では、図42A~図42Fに示すように、ANC評価系900を構成した。比較例1のANC評価系は、実施例1のANC評価系900から、圧電スピーカー10Bと、圧電スピーカー10Bに対応付けられた誤差マイクロフォン735と、を削除したものである。以下、比較例1及び実施例1について、図42A~図42Fを参照しながら詳細に説明する。
(比較例1)
比較例1のANC評価系では、平面視の寸法を横80cm×縦34cmとしたこと以外はサンプルE1の圧電スピーカー10と同様の圧電スピーカー10を用いた。比較例1のANC評価系で用いた圧電スピーカー10の数は、1つである。比較例1では、この圧電スピーカー10を、圧電スピーカー10Aと称する。
パーティション980を、その下端部984が床に接するように配置した。圧電スピーカー10Aを、パーティション980の表面980sに取り付けた。騒音源700を、床から120cm離して配置した。騒音源700と、参照マイクロフォン730と、パーティション980と、圧電スピーカー10Aの中心と、誤差マイクロフォン735と、がこの順に直線上に並ぶように、これらを配置した。また、パーティション980からみて圧電スピーカー10A側に、制御領域990を設定した。制御領域990に、測定用マイクロフォン740を配置した。
図42A~図42Fにおいて、x方向は、制御領域990の横方向である。y方向は、制御領域990の縦方向である。z方向は、制御領域990の奥行方向である。x方向、y方向及びz方向は、互いに直交する方向である。
z方向は、騒音源700と、参照マイクロフォン730と、パーティション980と、圧電スピーカー10Aの中心と、誤差マイクロフォン735と、が並ぶ方向でもある。z方向は、圧電スピーカー10Aの放射面15が面する方向でもある。
パーティション980は、実験用に試作したものである。騒音源700、参照マイクロフォン730、誤差マイクロフォン735及び測定用マイクロフォン740は、参考ANC評価系800で用いたものと同様である。
騒音源700と参照マイクロフォン730との間隔は20cmである。参照マイクロフォン730とパーティション980との間隔は100cmである。圧電スピーカー10Aの放射面15と誤差マイクロフォン735との間隔は50cmである。これらの間隔は、z方向の寸法である。
パーティション980は、平面視で長方形の板状形状を有する。パーティション980の寸法は、横100cm×縦180cm×厚さ5cmである。制御領域990の寸法は、横70cm×縦70cm×奥行60cmである。これらの横方向は、x方向である。これらの縦方向は、y方向である。これらの厚さ方向又は奥行方向は、z方向である。パーティション980のy方向の一端は、床に接している。
また、圧電スピーカー10Aの横方向すなわち80cmの方向は、x方向である。圧電スピーカー10Aの縦方向すなわち34cmの方向は、y方向である。圧電スピーカー10Aの厚さ方向は、z方向である。
左マージンM1は、10cmである。右マージンM2は、10cmである。マージンM1及びM2は、x方向の寸法である。
y方向に関する圧電スピーカー10Aの中心は、パーティション980の下端部84から上に120cmの位置にある。下マージンM4は、103cmである。下マージンM4は、y方向の寸法である。
参考ANC評価系800と同様、比較例1のANC評価系では、出力信号PC750と、測定用PC760と、制御装置710と、を用いた。出力信号PC750を、騒音源700及び測定用PC760に接続した。
比較例1のANC評価系における参照マイクロフォン730、誤差マイクロフォン735、出力信号PC750、測定用PC760及び制御装置710の動作は、参考ANC評価系800と同様である。
図42Fから理解されるように、制御領域990は、測定用水平断面990CSHと、測定用矢状断面990CSVと、を有する。測定用水平断面990CSHは、x方向及びz方向に延びる。測定用矢状断面990CSVは、y方向及びz方向に延びる。
比較例1のANC評価系では、測定用水平断面990CSHに、56個の測定点が設けられている。具体的には、測定用水平断面990CSHは、x方向に均等に8分割され、z方向に均等に7分割されている。56個という測定点の数は、x方向の分割数8と、z方向の分割数7との積である。測定用水平断面990CSHのy方向の位置は、圧電スピーカー10Aの放射面15のy方向の中心位置と同じである。
比較例1のANC評価系では、測定用矢状断面990CSVに、56個の測定点が設けられている。具体的には、測定用矢状断面990CSVは、y方向に均等に7分割され、z方向に均等に8分割されている。56個という測定点の数は、y方向の分割数7と、z方向の分割数8との積である。測定用水平断面990CSHのx方向の位置は、圧電スピーカー10Aの放射面15のx方向の中心位置と同じである。
誤差マイクロフォン735は、測定用水平断面990CSHと測定用矢状断面990CSVとが交差する部分に設けられている。
比較例1のANC評価系では、測定用マイクロフォン740を、測定用水平断面990CSHにおける56個の測定点に順次移動させる。こうして、マイクロフォン740は、測定用PC760と協働して、測定用水平断面990CSHにおける56個の測定点における音圧を測定する。具体的には、測定用PC760は、これらの測定点における音圧の分布をマッピングする。このマッピングにより、x-z方向に拡がる測定用水平断面990CSHの音場が可視化される。
比較例1のANC評価系では、測定用マイクロフォン740を、測定用矢状断面990CSVにおける56個の測定点に順次移動させる。こうして、マイクロフォン740は、測定用PC760と協働して、測定用矢状断面990CSVにおける56個の測定点における音圧を測定する。具体的には、測定用PC760は、これらの測定点における音圧の分布をマッピングする。このマッピングにより、y-z方向に拡がる測定用矢状断面990CSVの音場が可視化される。
以下、図43A~図44Bを用いて、測定用水平断面990CSH及び測定用矢状断面990CSVにおける消音効果を説明する。なお、図43A~図44Bでは、測定用水平断面990CSH及び測定用矢状断面990CSVの一部が示されている。
図43Aのカラーマップは、測定用水平断面990CSHにおける音圧分布を示す。図44Aのカラーマップは、測定用矢状断面990CSVにおける音圧分布を示す。具体的には、図43A及び図44Aのカラーマップは、騒音源700から騒音が放射されているある時刻の音圧分布を示す。具体的には、この騒音は、白色ノイズを150~650Hz帯域制限フィルタを通過させることにより生成したものである。より具体的には、帯域制限フィルタを通過した白色ノイズは、150~650Hzの各周波数成分を実質的に均等に含む。
図43A~図44Bに示すように、測定用水平断面990CSHでは、リダクションエリアが大きく、アンプリフィケーションエリアが小さい。具体的には、リダクションエリアは23.2%であり、アンプリフィケーションエリアは5.4%である。しかし、測定用矢状断面990CSVでは、リダクションエリアが小さく、アンプリフィケーションエリアが大きい。具体的には、リダクションエリアは5.4%であり、アンプリフィケーションエリアは46.4%である。
(実施例1:ANC評価系900)
図42A~図42Eに示すように、ANC評価系900を構成した。ANC評価系900は、比較例1のANC評価系に、圧電スピーカー10Bと、圧電スピーカー10Bに対応付けられた誤差マイクロフォン735と、を追加することにより構成されている。このため、ANC評価系900では、圧電スピーカー10の数が2つである。また、ANC評価系900では、誤差マイクロフォン735の数が2つである。
なお、図42A及び図42Bでは、誤差マイクロフォン735が2つあることを示すために誤差マイクロフォン735が2つ描かれているが、実際には、2つの誤差マイクロフォン73のx方向及びz方向の位置は同じである。この点は、後述の図45A及び図45Bについても同様である。
圧電スピーカー10Bは、圧電スピーカー10Aと同一の圧電スピーカーである。圧電スピーカー10Bを、z方向に面するようにパーティション980に取り付けた。圧電スピーカー10Bに対応付けられた誤差マイクロフォン735は、圧電スピーカー10Aに対応付けられた誤差マイクロフォン735と同じである。パーティション980と、圧電スピーカー10Bの中心と、圧電スピーカー10Bに対応付けられた誤差マイクロフォン735と、がこの順にz方向に直線上に並ぶように、これらを配置した。
上述のように、圧電スピーカー10Aの放射面15と、圧電スピーカー10Aに対応付けられた誤差マイクロフォン735との間隔は、50cmである。同様に、圧電スピーカー10Bの放射面15と、圧電スピーカー10Bに対応付けられた誤差マイクロフォン735との間隔は、50cmである。これらの間隔は、z方向の寸法である。
圧電スピーカー10Aと同様、圧電スピーカー10Bの横方向すなわち80cmの方向は、x方向である。圧電スピーカー10Bの縦方向すなわち34cmの方向は、y方向である。圧電スピーカー10Bの厚さ方向は、z方向である。
圧電スピーカー10Bの端部とパーティション980の左マージンM1は、10cmである。圧電スピーカー10Bの端部とパーティション980の右マージンM2は、10cmである。マージンM1及びM2は、x方向の寸法である。
y方向に関する圧電スピーカー10Bの中心は、パーティション980の上端部83から下に22cmの位置にある。上マージンM3は、5cmである。上マージンM3は、y方向の寸法である。
圧電スピーカー10Aの放射面15と圧電スピーカー10Bの放射面15との中心間距離Lcは、40cmである。
ANC評価系900は、比較例1のANC評価系と同じ位置に、測定用水平断面990CSHと、測定用矢状断面990CSVと、を有する(図42F参照)。実施例1では、比較例1と同様にして、測定用水平断面990CSH及び測定用矢状断面990CSVの音圧分布を得た。
以下、図45A~図46Bを用いて、測定用水平断面990CSH及び測定用矢状断面990CSVにおける消音効果を説明する。図45B及び図46Bは、それぞれ、図45A及び図46Aのリダクションエリアに細かいハッチングを付し、アンプリフィケーションエリアに荒いハッチングを付したものである。
図45Aのカラーマップは、測定用水平断面990CSHにおける音圧分布を示す。図46Aのカラーマップは、測定用矢状断面990CSVにおける音圧分布を示す。具体的には、図45A及び図46Aのカラーマップは、騒音源700から騒音が放射されているある時刻の音圧分布を示す。具体的には、この騒音は、白色ノイズを150~650Hzの帯域制限フィルタを通過させることにより生成したものである。より具体的には、帯域制限フィルタを通過した白色ノイズは、150~650Hzの各周波数成分を実質的に均等に含む。
図45A~図46Bに示すように、測定用水平断面990CSH及び測定用矢状断面990CSVの両方において、リダクションエリアが大きく、アンプリフィケーションエリアが小さい。具体的には、測定用水平断面990CSHでは、リダクションエリアは25%であり、アンプリフィケーションエリアは1.8%である。測定用矢状断面990CSVでは、リダクションエリアは64.3%であり、アンプリフィケーションエリアは1.8%である。
[圧電フィルムの支持構造と振動の自由度]
本発明による圧電スピーカーの支持構造の一例を参照する。図6A、図9、図11、図12及びこれらに関連する説明から理解されるように、圧電スピーカー10では、圧電フィルム35の全面が接合層51、52及び介在層40を介して構造物80に固定されている。
圧電フィルム35の振動が構造物80により阻害されないようにするためには、圧電フィルム35の一部を支持して構造物80から離間させることも考えられる。この設計思想に基づく支持構造を図6Bに例示する。図6Bに示した仮想的な圧電スピーカー108では、枠体88が構造物80から離れた位置で圧電フィルム35の周縁部を支持している。
予め一方に湾曲させて湾曲の向きが固定された圧電フィルムからは十分な音量を確保しやすい。このため、例えば圧電スピーカー108において、圧電フィルム35、枠体88及び構造物80に囲まれた空間48に上面が凸面となった厚みが一定でない介在物を配置し、圧電フィルム35の中央部を上方に押し上げておくことが考えられる。しかし、このような介在物は、圧電フィルム35の振動を阻害することがないように圧電フィルム35と接合されることがない。したがって、空間48に介在物を配置したとしても、圧電フィルム35をその振動を規定する態様で支持しているのは枠体88のみである。
上述のとおり、図6Bに示す圧電スピーカー108では、圧電フィルム35の局部的な支持構造が採用されている。これに対し、図6A等の圧電スピーカー10では圧電フィルム35が特定の部分で支持されていない。意外なことに、圧電スピーカー10は、圧電フィルム35の全面が構造物80に固定されているにも関わらず、実用的な音響特性を示す。具体的には、圧電スピーカー10では、圧電フィルム35の周縁部までが上下に振動しうる。圧電フィルム35は、その全体が上下に振動することも可能である。したがって、圧電スピーカー108と比較すると、圧電スピーカー10はその振動の自由度が高く、良好な発音特性の実現には相対的に有利である。
図6Aを参照して説明したように、振動の自由度の高さは、第1波面16a及び第2波面16bの形成に寄与している可能性がある。なお、図6Aでは、スピーカー10が図9に示す圧電スピーカー10である場合が描かれている。図6Aにおいて、第1接合層51及び第2接合層52の図示は省略されている。振動の高い自由度は、スピーカー10が図11に示す圧電スピーカー110である場合も得られうる。
本発明者らの検討によれば、介在層が多孔体層及び/又は樹脂層であることは、振動の自由度の確保に適している。事実、介在層が多孔体層及び/又は樹脂層であるサンプルE1~E17では、圧電フィルム35の全面が支持部材680に固定されているにも関わらず、実用的な音響特性が発揮されている。ANC評価系900において圧電スピーカー10をサンプルE1のサイズ違い品からサンプルE2~E17のサイズ違い品に変更したとしても、図45A~図46Bと同様の傾向の音圧分布が現れると考えられる。
10,10A,10B,110,610,620 スピーカー
10X,80X、610X,620X 軸
11m,11n ハッチング
12 長方形
15 放射面
15a,15b,15c 領域
15j,15k,81,82,83,84,981,982,983,984 端部
16a,16b,81w,82w,610w,620w 波面
17,117 固定面
30 圧電体
35 圧電フィルム
38 主面
40,140 介在層
51,52 接合層
61,62 電極
70 導電性銅箔テープ
75 みのむしクリップ
80 構造物
80s 表面
81d,82d,83d 波面の伝搬方向
81w,82w,83w 波面
110 制御装置
121 騒音制御フィルタ
130,140,501,730,735,740 マイクロフォン
200,700 騒音源
300 領域
401 音声出力用PC
402 オーディオインターフェース
403 スピーカーアンプ
404 サンプル
405 オシロスコープ
502 音響評価装置
503 音響評価用PC
500 ANCシステム
680 支持部材
750 出力信号PC
760 測定用PC
780,980 パーティション
780s,980s 表面
790,990 制御領域
790CS 測定用断面
800 参考ANC評価系
900 ANC評価系
990CSH 測定用水平断面
990CSV 測定用矢状断面
Cr 曲率半径
D1,D2 方向
M1,M2,M3,M4 マージン
L1,L2 寸法
Lc 中心間距離
Ls 騒音源と構造体の間の距離
P1,P2 点
1,a2 距離
d 左右方向寸法
h 高さの差
θ1,θ2 角度

Claims (16)

  1. 構造物と、
    前記構造物の表面上に配置された複数の圧電スピーカーと、を備え、
    各圧電スピーカーの放射面は、隣り合う各圧電スピーカーの放射面の中心間を結ぶ方向である第1方向と、前記第1方向に直交する第2方向と、に沿って拡がっており、
    各圧電スピーカーの放射面の前記第1方向の寸法は前記第2方向の寸法よりも短い、
    アクティブノイズコントロールシステム。
  2. 各圧電スピーカーの放射面は、第1領域を有し、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第1領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    各圧電スピーカーが形成する前記第1領域における音波を第1音波と定義したとき、隣り合う各圧電スピーカーの前記第1音波の位相の正負が逆である期間が現れる、
    請求項1に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  3. 各圧電スピーカーの放射面は、前記第2方向に沿って、第1領域と、第3領域と、第2領域と、をこの順に有し、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第1領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第2領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第3領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    各圧電スピーカーが形成する前記第1領域における音波を第1音波と定義し、各圧電スピーカーが形成する前記第2領域における音波を第2音波と定義し、各圧電スピーカーが形成する前記第3領域における音波を第3音波と定義したとき、隣り合う各圧電スピーカーの前記第1音波の位相の正負が逆であり、隣り合う各圧電スピーカーの前記第2音波の位相の正負が逆であり、かつ、隣り合う各圧電スピーカーの前記第3音波の位相の正負が逆である期間が現れる、
    請求項1又は2に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  4. 各圧電スピーカーの放射面は、前記第2方向に沿って、第1領域と、第3領域と、第2領域と、をこの順に有し、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第1領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第2領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    隣り合う各圧電スピーカーの前記第3領域は、前記第1方向に沿って隣り合っており、
    各圧電スピーカーが形成する前記第1領域における音波を第1音波と定義し、各圧電スピーカーが形成する前記第2領域における音波を第2音波と定義し、各圧電スピーカーが形成する前記第3領域における音波を第3音波と定義したとき、各圧電スピーカーにおいて、前記第1音波の位相と前記第2音波の位相の正負が同じであり、前記第1音波の位相と前記第3音波の位相の正負が逆であり、かつ、前記第2音波の位相と前記第3音波の位相の正負が逆である期間が現れる、
    請求項1から3のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  5. 各圧電スピーカーの放射面は、前記第2方向に沿って、第1領域と、第3領域と、第2領域と、をこの順に有し、
    各圧電スピーカーにおいて前記第3領域を通り前記放射面から離れていくように延びる軸を基準軸と定義したとき、各圧電スピーカーは、前記第1領域から前記基準軸に近づくように伝搬する第1波面と、前記第2領域から前記基準軸に近づくように伝搬する第2波面と、を形成する、
    請求項1から4のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  6. 隣り合う各圧電スピーカーの放射面の中心間距離は、160mm~3760mmである、
    請求項1から5のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  7. 構造物と、
    前記構造物の表面上に配置された複数の圧電スピーカーと、を備え、
    隣り合う各圧電スピーカーの放射面の中心間距離は、160mm~3760mmである、
    アクティブノイズコントロールシステム。
  8. 前記中心間距離は、660mm以下である、
    請求項6又は7に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  9. 各圧電スピーカーの放射面は、前記中心間距離に沿った第1方向と、前記第1方向に直交する第2方向と、に沿って拡がっており、
    各圧電スピーカーの放射面の前記第2方向の寸法は、前記中心間距離よりも長い、
    請求項1から8のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  10. 各圧電スピーカーの放射面の前記中心間距離に沿う第1方向の長さは、160mm~3760mmである、
    請求項1から9のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  11. 前記アクティブノイズコントロールシステムは、複数の誤差マイクロフォンと、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記複数の圧電スピーカーから出力される音を、前記複数の誤差マイクロフォンを用いて制御する、
    請求項1から10のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  12. 前記複数の圧電スピーカーと、前記複数の誤差マイクロフォンとは、一対一に対応付けられており、
    前記制御装置は、各圧電スピーカーから出力される音を、当該圧電スピーカーに対応付けられた前記誤差マイクロフォンを用いて制御する、
    請求項11に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  13. 前記アクティブノイズコントロールシステムは、制御装置を備え、
    前記制御装置は、複数の騒音制御フィルタを有し、
    前記複数の圧電スピーカーと、前記複数の騒音制御フィルタとは、一対一に対応付けられており、
    前記制御装置は、各圧電スピーカーから出力される音を、当該圧電スピーカーに対応付けられた前記騒音制御フィルタを用いて制御する、
    請求項1から12のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  14. 前記アクティブノイズコントロールシステムは、少なくとも1つの参照マイクロフォンと、制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、各圧電スピーカーから出力される音を、前記少なくとも1つの参照マイクロフォンを用いて制御する、
    請求項1から13のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  15. 各圧電スピーカーは、圧電フィルムと、前記圧電フィルムと前記構造物との間に配置された介在層と、を有し、
    前記介在層は、多孔体層及び/又は樹脂層である、
    請求項1から14のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
  16. 前記アクティブノイズコントロールシステムは、前記複数の圧電スピーカーが出力する音の周波数の上限が上限周波数である仕様を有し、
    前記上限周波数は、前記中心間距離を半波長とする音の周波数よりも高い、
    請求項1から15のいずれか一項に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
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