JP2022054842A - 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 - Google Patents
発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022054842A JP2022054842A JP2020162078A JP2020162078A JP2022054842A JP 2022054842 A JP2022054842 A JP 2022054842A JP 2020162078 A JP2020162078 A JP 2020162078A JP 2020162078 A JP2020162078 A JP 2020162078A JP 2022054842 A JP2022054842 A JP 2022054842A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- absorbing material
- foamed resin
- sound absorbing
- biot
- model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 155
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 title claims abstract description 137
- 239000011347 resin Substances 0.000 title claims abstract description 94
- 229920005989 resin Polymers 0.000 title claims abstract description 94
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 32
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 claims description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 2
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 2
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011491 glass wool Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012900 molecular simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/162—Selection of materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B60R13/00—Elements for body-finishing, identifying, or decorating; Arrangements or adaptations for advertising purposes
- B60R13/08—Insulating elements, e.g. for sound insulation
- B60R13/0838—Insulating elements, e.g. for sound insulation for engine compartments
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/10—Noise analysis or noise optimisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
【課題】発泡樹脂製吸音材の設計を効率化する。【解決手段】発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法は、発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程(P1)と、発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程(P2)と、発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を、算出した音響特性に基づいて、同定する工程(P3)と、発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する工程(P4)と、Biotモデル法を用いて、設定した目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する工程(P5)と、関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する工程(P6)と、を備えている。【選択図】図1
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 2019年10月 4日に、公益社団法人自動車技術会 2019年秋季大会 講演予稿集にて発表
ここに開示する技術は、発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法に関する。
特許文献1には、多孔質構造体内を流れる気液2相の流れを、均質化法を用いて解析する方法が記載されている。
特許文献2には、均質化法を用いた材料の設計手法として、分子シミュレーション法と均質化法との結合解析により、材料を設計する方法が記載されている。
特許文献3には、グラスウール等の繊維系多孔質材料の音響性能を、Biotモデルを用いて計算できることが記載されている。
山本崇史「均質化法による吸音材微視構造の最適設計法」公益社団法事自動車技術会 2018年春季大会学術講演会予稿集、文献番号20185332
非特許文献1には、繊維系材料からなる多孔質吸音材の設計方法が記載されている。この設定方法は、均質化法と、Biotモデル法とを組み合わせている。
具体的には、繊維系材料からなる多孔質吸音材を、非接触パラレルファイバーモデルによってモデル化し、均質化法を用いて、複数のモデルの音響特性を算出する。また、算出した音響特性に基づいて、繊維系材料からなる多孔質吸音材のBiotパラメータと、前記モデルとの関係式を同定する。
そして、繊維系材料からなる多孔質吸音材のBiotパラメータであって、目標音響特性となるようなBiotパラメータを、Biotモデル法を用いて同定し、同定したBiotパラメータと前記の関係式とから、目標音響特性となるモデルを同定する。
均質化法を用いることによって、多孔質吸音材の微視構造から音響特性を予測することが可能である。しかしながら、均質化法を用いた音響特性の算出は計算負荷が高い。そのため、均質化法のみを用いて、多孔質吸音材の設計を行おうとしても、時間がかかりすぎてしまう。
Biotモデル法は、材料のマクロな特性を示すBiotパラメータを用いて、音響特性を算出する。Biotモデル法を用いると、音響特性を少ない計算コストによって算出できる。しかしながら、Biotモデル法は、多孔質吸音材の微視構造を扱うことができない。Biotモデル法のみを用いても、目標音響特性となる多孔質吸音材の微視構造を設計することは難しい。
これに対し、非特許文献1に記載されている均質化法と、Biotモデル法とを組み合わせた設計方法は、Biotパラメータと、多孔質吸音材のモデルとの関係式を、予め同定する。Biotモデル法を用いて、多孔質吸音材の音響特性を少ない計算コストによって算出することができる。また、目標音響特性となる多孔質吸音材のBiotパラメータが同定できれば、Biotパラメータと多孔質吸音材のモデルとの関係式を用いて、多孔質吸音材のモデルを同定できる。従って、非特許文献1に記載されている設計方法は、少ない計算コストによって、目標音響特性となる多孔質吸音材の微視構造を設計することができる。非特許文献1に記載されている設計方法を用いると、多孔質吸音材を効率的に設計できる。
ところが、非特許文献1に記載されている設計方法は、繊維系材料の多孔質吸音材の設計を対象としている。非特許文献1に記載されている設計方法は、例えばウレタン樹脂等の発泡樹脂製の多孔質吸音材の設計に、そのまま適用することができない。
ここに開示する技術は、発泡樹脂製吸音材の設計を効率化する。
具体的に、ここに開示する技術は、発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法に係る。この設計方法は、
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する工程と、
Biotモデル法を用いて、設定した前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する工程と、
前記関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する工程と、
を備えている。
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する工程と、
Biotモデル法を用いて、設定した前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する工程と、
前記関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する工程と、
を備えている。
この設計方法の各工程は、例えば汎用のコンピュータを利用することによって実現できる。
この設計方法は、均質化法とBiotモデル法とを組み合わせている。この設計方法においては先ず、設計対象の発泡樹脂製吸音材の微視構造モデルを設定する。設計対象の発泡樹脂製吸音材の内部構造を分析し、内部構造に適合する微視構造モデルを決定する。そして、当該微視構造モデルを特定するために必要なパラメータ等を、前記コンピュータに入力することによって、微視構造モデルは設定される。
発泡樹脂は、例えばウレタン樹脂としてもよい。
また、発泡樹脂製吸音材に対応する微視構造モデルは、例えばKelvinセルを用いたモデルとしてもよい。例えばウレタン樹脂は、気泡が連続していることが多い。Kelvinセルは、棒状のリガメントによる四角形と六角形とによって構成される。Kelvinセルは、ウレタン樹脂を含む発泡樹脂の微視構造モデルに適している。
微視構造モデルを設定すれば、均質化法を用いて、音響特性を算出する。この工程では、複数の微視構造モデルを、発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内においてサンプリングし、サンプリングした各々の微視構造モデルについて、音響特性を算出する。この工程では、例えば微視構造モデルにおけるユニットセルのサイズを異ならせた複数の微視構造モデル、及び/又は、空孔率を異ならせた複数の微視構造モデルのそれぞれについて、音響特性を算出してもよい。
ユニットセルのサイズ及び/又は空隙率として、異なる数値を前記コンピュータに入力することにより、複数の微視構造モデルをサンプリングできる。コンピュータがサンプリングされた各微視構造モデルの支配方程式を解くことにより、各微視構造モデルの音響特性は算出される。
サンプリングした複数の微視構造モデルについて音響特性を算出すれば、算出した音響特性に基づいて、Biotパラメータと微視構造モデルとの関係式を同定する。
具体的に、Biotパラメータの内、空隙率φは、微視構造モデルにおけるユニットセルの構造から直接導出することができる。
Biotパラメータの内、流れ抵抗σ、見かけのヤング率E、見かけのポアソン比νはそれぞれ、均質化法により直接導出することができる。
Biotパラメータの内、迷路度α∞、粘性特性長Λ、熱的特性長Λ’はそれぞれ、均質化法により、等価密度及び等価体積弾性率を求め、Biotモデル(Johnson-Champoux-Allard)式との比較から、最小二乗法を用いて同定できる。
前記コンピュータは、Biotパラメータと微視構造モデルとの関係式を同定することができる。また、前記コンピュータの記憶部は、同定した関係式を記憶する。ここまでの工程は、発泡樹脂製吸音材の設計をする前の準備に関する工程である。
準備に関する工程が完了すれば、発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する。目標音響特性は、例えば目標吸音率である。目標音響特性を前記コンピュータに入力することによって、目標音響特性は設定される。
目標音響特性を設定すれば、Biotモデル法を用いて、設定した目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する。Biotパラメータの同定には、様々な、公知のアルゴリズムを用いることができる。前記コンピュータは、予め設定されたアルゴリズムに従って、設定された目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する。Biotパラメータを同定する演算は、計算負荷が比較的低い。前記コンピュータは、比較的短時間で、目標音響特性を実現できるBiotパラメータを同定できる。
Biotパラメータが同定できれば、前記の関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する。つまり、目標音響特性を実現する微視構造モデルが同定できる。前記コンピュータは、記憶している関係式を用いることによって、微視構造モデルを同定できる。つまり、目標音響特性を実現できる発泡樹脂製吸音材の微視構造を特定できる。
前述したように、この設計方法は、Biotモデル法を用いることによって計算負荷を抑えることができる。また、均質化法を用いることによって目標音響特性を実現できる微視構造モデルを同定することができる。従って、この設計方法は、発泡樹脂製吸音材の設計を効率化できる。
前記Biotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式は、
で表される、としてもよい。
この関係式は、発泡樹脂製吸音材に対応する関係式である。
ここに開示する別の技術は、発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する装置に係る。この設計装置は、
演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、を備え、
前記記憶部は、前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと、前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルと、の関係式を記憶しており、
前記関係式は、前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法により算出した音響特性に基づいて特定され、
前記演算部は、
前記入力部を通じて入力された目標音響特性であって、前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である目標音響特性に基づき、Biotモデル法を用いて、前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定し、
同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを、前記関係式を用いて同定し、同定した微視構造モデルを、前記出力部を通じて出力する。
演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、を備え、
前記記憶部は、前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと、前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルと、の関係式を記憶しており、
前記関係式は、前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法により算出した音響特性に基づいて特定され、
前記演算部は、
前記入力部を通じて入力された目標音響特性であって、前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である目標音響特性に基づき、Biotモデル法を用いて、前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定し、
同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを、前記関係式を用いて同定し、同定した微視構造モデルを、前記出力部を通じて出力する。
この設計装置は、前述したように、発泡樹脂製吸音材の設計を、効率的に行うことができる。
ここに開示する技術は、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法に係る。この算出方法は、
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
音響特性を算出する対象の、発泡樹脂製吸音材の内部構造を特定する工程と、
前記関係式を用いて、特定した内部構造に対応するBiotパラメータを同定する工程と、
前記同定したBiotパラメータに対応する音響特性を、Biotモデル法を用いて算出する工程と、
を備えている。
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
音響特性を算出する対象の、発泡樹脂製吸音材の内部構造を特定する工程と、
前記関係式を用いて、特定した内部構造に対応するBiotパラメータを同定する工程と、
前記同定したBiotパラメータに対応する音響特性を、Biotモデル法を用いて算出する工程と、
を備えている。
この算出方法によると、発泡樹脂製吸音材の内部構造を特定すれば、均質化法を用いた演算と比べて短い時間で、当該発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出することができる。この算出方法の各工程は、例えば汎用のコンピュータを利用することによって実現できる。
以上説明したように、この設計方法、設計装置、及び算出方法によると、均質化法とBiotモデル法とを組み合わせることによって、発泡樹脂製吸音材の音響特性を短時間で算出できると共に、目標音響特性を実現する発泡樹脂製吸音材の微視構造モデルを、効率的に特定できる。
以下、ここに開示する吸音材の設計方法、設計装置、及び、吸音材の音響特性の算出方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで説明する方法及び装置は例示である。
(吸音材の設計方法の説明)
先ず図1を参照しながら、吸音材の設計方法を説明する。設計対象の吸音材は、発泡樹脂製の吸音材である。
先ず図1を参照しながら、吸音材の設計方法を説明する。設計対象の吸音材は、発泡樹脂製の吸音材である。
吸音材は、エンジンカバーに取り付けられる。エンジンカバー3は、例えば図4に例示するように、エンジンルーム2に搭載されたエンジン10の上部を覆う。吸音材は、詳細な図示は省略するが、エンジンカバー3の基材に取り付けられて、エンジンカバー3の基材と、エンジン10との間に介在する。吸音材は、エンジン10から発せられる音及び振動を吸収する。
吸音材には、低質量・低容積で、高い吸音率が求められる。例えばエンジンカバーに取り付けられる吸音材には、エンジンルーム内の狭い空間の中で,効率的に吸音,断熱することが求められている。つまり、当該吸音材には、薄い厚みで、高い吸音率が求められる。
以下に説明する設計方法及び設計装置は、エンジンカバー用の発泡樹脂製吸音材を設計対象とする。具体的にここでは、設計対象の発泡樹脂製吸音材として、ウレタン樹脂を採用する。
尚、設計対象の吸音材は、エンジンカバー用の吸音材に限らない。自動車における様々な箇所に用いられる吸音材であってもよい。また、設計対象の吸音材は自動車に限らず、例えば、様々な建築物に用いられる吸音材であってもよい。さらに、設計対象の吸音材は、各種の機械の吸音のために用いられる吸音材であってもよい。
発泡樹脂製の吸音材は、特にウレタン樹脂は、図示は省略するが、基材となる固体相と、数μm~数百μmの径の流路からなる流体相とが混在した構造を有している。吸音特性は、発泡樹脂の微視構造に依存する。目標吸音特性が得られる吸音材の微視構造を解析的に特定すれば、吸音材を効率的に設計することができる。
ここに開示する吸音材の設計方法は、均質化法と、Biotモデル法とを利用する。先ず、均質化法について簡単に説明し、次いで、Biotモデル法について簡単に説明する。その後、均質化法とBiotモデル法とを組み合わせた設計方法(つまり、ハイブリッド法)について説明する。
(均質化法)
均質化法では、解析対象の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定し、微視構造モデルにおける固体相及び流体相のそれぞれについての支配方程式を解く。このことによって、吸音率を含む、解析対象の音響特性を求める。
均質化法では、解析対象の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定し、微視構造モデルにおける固体相及び流体相のそれぞれについての支配方程式を解く。このことによって、吸音率を含む、解析対象の音響特性を求める。
より具体的に、均質化法においては先ず、図1の下段に示すように、SEM(Scanning Electron Microscope)、CT(Computed Tomography)等によって、解析対象の内部構造を分析する。解析対象は、ここでは、発泡性多孔質材、つまり、発泡樹脂製吸音材である。
構造分析の結果に基づいて、解析対象の内部構造に対応する微視構造モデルを設定する。微視構造モデルは、ユニットセルを設定すると共に、当該ユニットセルを周期的かつ均質に集合させることによって構成される。
吸音材として使用される発泡樹脂、例えばここで採用するウレタン樹脂は、気泡が連続していることが多い。そこで、ユニットセルは、図2に例示するように、Kelvinセルとする。Kelvinセルは、棒状のリガメントによる四角形と六角形とによって構成される。ここでは、ユニットセルの三辺の長さが同じ(wx=wy=wz=wf)でかつ、四角形、及び、六角形の空孔の大きさはそれぞれ、およそ1/3wf、及び、2/3wfとする。
微視構造モデルが設定されれば、周波数と吸音率α及び/又は透過損失TLとの関係(つまり、音振動性能)を求めることができる。具体的に、均質化法では、ミクロスケールにおける固体相と流体相との支配方程式を解いて得られた解を体積平均することによって、等価密度等のマクロ特性を得ることができる。また、ミクロスケールにおける支配方程式を平均化することによって、マクロスケールにおける固体相と流体相との支配方程式をそれぞれ導出することができ、これらを解くことによって、吸音率等の音響的性能を求めることができる。
尚、多孔質吸音材に適用できるよう拡張した均質化法の詳細は、下記の文献に記載されている。
Yamamoto, T., Maruyama, S., Terada, K., Izui, K. and Nishiwaki, S. A generalized macroscopic model for sound-absorbing poroelastic media using a homogenization method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.200,(2011), pp.251-264.
この文献は、繊維系材料からなる多孔質吸音材に関するが、発泡樹脂、より具体的にウレタン樹脂についても、前記文献に記載された均質化法を用いることによって、周波数と吸音率α及び/又は透過損失TLとの関係を求めることができる。
Yamamoto, T., Maruyama, S., Terada, K., Izui, K. and Nishiwaki, S. A generalized macroscopic model for sound-absorbing poroelastic media using a homogenization method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.200,(2011), pp.251-264.
この文献は、繊維系材料からなる多孔質吸音材に関するが、発泡樹脂、より具体的にウレタン樹脂についても、前記文献に記載された均質化法を用いることによって、周波数と吸音率α及び/又は透過損失TLとの関係を求めることができる。
均質化法を用いると、解析対象の微視構造と音響特性との対応を確認できる。しかしながら、均質化法において支配方程式を解くことは、コンピュータの計算負荷が高い。均質化法において音響特性を得るためには、長い計算時間が必要であり、均質化法のみを用いて発泡樹脂製吸音材の設計を行うことは、効率的でない。
(Biotモデル法)
Biotモデル法では、解析対象の材料のマクロな特性を示すBiotパラメータを実験的に同定し、波動方程式を解く。
Biotモデル法では、解析対象の材料のマクロな特性を示すBiotパラメータを実験的に同定し、波動方程式を解く。
具体的には、図1の上段に示すように、特殊な実験装置を使って、解析対象の固体相及び流体相に関するBiotパラメータを、実験的に求める。流体相に関するBiotパラメータは、具体的に、流れ抵抗σ、空隙率φ、迷路度(Tortuosity)α∞、粘性特性長Λ、熱的特性長Λ’である。固体相に関するBiotパラメータは、ヤング率E、損失係数η、ポアソン比νである。
発泡樹脂、より具体的にウレタン樹脂についてのBiotパラメータを計測すれば、そのBiotパラメータを用いることにより、比較的軽い計算負荷によって、周波数と吸音率α及び/又は透過損失TLとの関係(つまり、音振動性能)を求めることができる。
Biotモデル法を用いると、解析対象の音響特性を、比較的低い計算コストによって得ることができる。しかしながら、Biotモデル法においては、解析対象の微視構造を扱うことができない。
(ハイブリッド法)
前述したように、均質化法は、解析対象の微視構造を直接扱うことができるという利点があるが、計算負荷が高いという欠点がある。一方、Biotモデル法は、計算負荷が低いという利点があるが、解析対象の微視構造を扱うことができないという欠点がある。
前述したように、均質化法は、解析対象の微視構造を直接扱うことができるという利点があるが、計算負荷が高いという欠点がある。一方、Biotモデル法は、計算負荷が低いという利点があるが、解析対象の微視構造を扱うことができないという欠点がある。
そこで、ここに開示するハイブリッド法は、均質化法とBiotモデル法とを組み合わせることによって、低い計算負荷で音響特性を算出することを可能にしつつ、解析対象の微視構造を取り扱うことを可能にする。その結果、このハイブリッド法は、発泡樹脂製吸音材の設計を効率化できる。
具体的にハイブリッド法は、図1における破線で囲まれた工程P1~P6を有している。このハイブリッド法の各工程P1~P6は、例えば汎用のコンピュータを利用することによって実現できる。
最初の工程P1は、解析対象である発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程である。この工程P1は、前記の均質化法における、微視構造モデルを設定する工程と同じである。具体的に、解析対象がウレタン樹脂製吸音材であれば、図2に例示するように、Kelvinセルを用いた微視構造モデルを設定することができる。微視構造モデルを特定するために必要なパラメータ等を、コンピュータに入力することによって、微視構造モデルは設定される。
次の工程P2は、発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程である。この工程P2も、前記の均質化法における工程と同じである。ユニットセルのサイズ、及び/又は、空隙率として、異なる数値をコンピュータに入力することにより、複数の微視構造モデルをサンプリングできる。
この工程P2では、サンプリングされた複数の微視構造モデルのそれぞれにおいて、微視構造モデルにおける固体相及び流体相のそれぞれの支配方程式を解きかつ、マクロ特性を得ると共に、ミクロスケールの支配方程式から導出したマクロスケールにおける固体相及び流体相のそれぞれの支配方程式を解くことによって音響的性能を求める。工程P2は、前記コンピュータを用いて実行できる。
工程P2は、計算負荷が高く、長い計算時間が必要となる。但し、この工程P2は、後述するように、Biotパラメータと微視構造モデルとの関係式を算出するために行う工程であって、発泡樹脂製吸音材の設計を行う上での準備工程である。ハイブリッド法では、実際に設計を行う際に、この計算負荷が高い工程を行わないため、設計に要する時間は短縮できる。
微視構造モデルのサンプリング数は、適宜の数に設定することができる。一例として、サンプリング数は、数十~数百としてもよい。より具体的に、エンジンカバー3に適用できるウレタン樹脂の、セルサイズwf及び空隙率φ(又は骨格径d)の設計範囲として、1μm≦wf≦1mm、0.905≦φ≦0.992とした場合、サンプリング数は、例えば50としてもよい。
次の工程P3は、サンプリング毎に算出した音響特性に基づいて、発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を、同定する工程である。Biotパラメータと微視構造モデルとの関係式を同定する手法は、前述した文献(Yamamoto et al.(2011))、及び、非特許文献1(山本(2018))に記載されている。尚、これらの文献に記載されている手法は、繊維系材料の吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を同定する手法である。同手法は、発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式の同定する際にも、適用が可能である。工程P3も、コンピュータを用いて実行できる。
具体的に、空隙率φは、ユニットセルの構造、つまり、図2に示すように、セルサイズwfと、骨格径dとから直接導出することができる。
流れ抵抗σ、見かけのヤング率E、見かけのポアソン比νはそれぞれ、均質化法により直接導出することができる。
迷路度α∞、粘性特性長Λ、熱的特性長Λ’はそれぞれ、均質化法により、等価密度及び等価体積弾性率を求め、Biotモデル(Johnson-Champoux-Allard)式との比較から、最小二乗法を用いて同定できる。
工程P3を行うことにより、発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式が同定される。発泡樹脂製吸音材、より具体的にウレタン樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式は、以下のように同定できる。
尚、前述の通り、φ:空隙率、wf:セルサイズ、α∞:迷路度、σ:流れ抵抗、Λ: 粘性特性長、Λ’: 熱的特性長、E:見かけのヤング率、E0:材料のヤング率、ν:ポアソン比である。各式には、φ及びwfが含まれており、Biotパラメータと微視構造モデルとが関係づけられている。
関係式が同定できれば、準備工程が完了する。関係式は、例えばコンピュータの記憶部に記憶される。
図1の工程P4から工程P6は、設計工程に相当する。先ず工程P4では、発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する。つまり、目標の周波数と吸音率αとが設定される。この工程P4において、吸音材の厚みも設定される。目標の周波数及び吸音率α、並びに、吸音材の厚みに関するパラメータがそれぞれ、コンピュータに入力される。
次の工程P5では、Biotモデル法を用いて、設定した目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定すると共に、工程P6では、関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する。具体的に、コンピュータは、所定のアルゴリズム、例えば遺伝的アルゴリズムを用いて、前記の関係式について、目的関数を最大にする微視構造モデル(つまり、空隙率φ、及び/又は、セルサイズwf)を求める。エンジンカバー用の発泡樹脂製吸音材の設計において、目的関数は、例えば1kHz~5kHzにおける垂直入射吸音率の平均値としてもよい。また、例えばセルサイズwfのみを設計変数としてもよい。こうして、工程P5及びP6によって、目標音響特性を実現する微視構造モデルを同定することができる。
工程P5及び工程P6の演算は、工程P2の演算と比較して、計算負荷が低い。設計に要する時間が短縮でき、目標音響特性を実現する微視構造モデル、つまり、セルサイズwf、及び/又は、空隙率φを、比較的短時間で同定できる。このハイブリッド法を利用することによって、設計者は、発泡樹脂製の多孔質吸音材の設計を効率的に行うことができる。
(設計装置の構成)
図3は、設計装置1の構成を例示している。設計装置1は、前述したハイブリッド法を用いて、発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する。
図3は、設計装置1の構成を例示している。設計装置1は、前述したハイブリッド法を用いて、発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する。
設計装置1は、演算部11、記憶部12、入力部13、及び、出力部14を備えている。
記憶部12は、前述した発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと、発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルとの関係式121を記憶している。関係式121は、例えば前記の式である。
記憶部12はまた、発泡樹脂製吸音材の設計に用いるアルゴリズム122を記憶している。アルゴリズム122は、前述したように、例えば遺伝的アルゴリズムである。
入力部13は、演算部11に対して、発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を入力する。入力部13は、例えば、設計者の操作に応じて目標音響特性の値を入力する入力装置、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等であってもよい。入力部13は、これらの入力装置には限定されない。
演算部11は、入力部13によって入力された目標音響特性に基づき、記憶部12が記憶している関係式121を用いて、目標音響特性を実現する微視構造モデルを同定する。具体的に演算部11は、記憶部12が記憶しているアルゴリズム122を用いて、関係式について、目的関数を最大にする微視構造モデルを求める。
出力部14は、演算部11が求めた、目的関数を最大にする微視構造モデルを出力する。出力部14は、例えば設計者に対して視覚情報を出力する表示装置、例えばフラットパネルディスプレイ等としてもよい。出力部14は、これらの表示装置には限定されない。設計者は、出力部14を通じて、特定された微視構造モデルを把握できる。
前記の構成の設計装置1は、均質化法とBiotモデル法とを組み合わせたハイブリッド法によって、発泡樹脂製の多孔質吸音材の設計を効率的に行うことができる。
(他の実施形態)
尚、前述した均質化法とBiotモデル法とを組み合わせたハイブリッド法は、発泡樹脂製吸音材の設計に限らず、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出することに用いることができる。この算出方法は、図1において、
発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程(P1)と、
発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程(P2)と、
発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程(P3)と、
音響特性を算出する対象の、発泡樹脂製吸音材の内部構造、例えば空隙率φ、及び、セルサイズwfを特定する工程(P7)と、
前記の関係式を用いて、特定した内部構造に対応するBiotパラメータを同定する工程(P8)と、
前記同定したBiotパラメータに対応する音響特性を、Biotモデル法を用いて算出する工程(P9)と、
を備えている。
尚、前述した均質化法とBiotモデル法とを組み合わせたハイブリッド法は、発泡樹脂製吸音材の設計に限らず、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出することに用いることができる。この算出方法は、図1において、
発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程(P1)と、
発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程(P2)と、
発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程(P3)と、
音響特性を算出する対象の、発泡樹脂製吸音材の内部構造、例えば空隙率φ、及び、セルサイズwfを特定する工程(P7)と、
前記の関係式を用いて、特定した内部構造に対応するBiotパラメータを同定する工程(P8)と、
前記同定したBiotパラメータに対応する音響特性を、Biotモデル法を用いて算出する工程(P9)と、
を備えている。
この算出方法によると、発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと微視構造モデルとの関係式を利用することによって、発泡樹脂製吸音材の内部構造に対応する音響特性を、均質化法を用いた演算と比べて短い時間で算出することができる。
1 設計装置
11 演算部
12 記憶部
13 入力部
14 出力部
121 関係式
122 アルゴリズム
11 演算部
12 記憶部
13 入力部
14 出力部
121 関係式
122 アルゴリズム
Claims (6)
- 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法であって、
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である、目標音響特性を設定する工程と、
Biotモデル法を用いて、設定した前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定する工程と、
前記関係式を用いて、同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを同定する工程と、
を備えている設計方法。 - 請求項1に記載の設計方法において、
前記微視構造モデルは、Kelvinセルを用いたモデルである
設計方法。 - 請求項1又は2に記載の設計方法において、
前記発泡樹脂は、ウレタン樹脂である
設計方法。 - 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する装置であって、
演算部と、記憶部と、入力部と、出力部と、を備え、
前記記憶部は、前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと、前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルと、の関係式を記憶しており、
前記関係式は、前記発泡樹脂製吸音材の設計を行う範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法により算出した音響特性に基づいて特定され、
前記演算部は、
前記入力部を通じて入力された目標音響特性であって、前記発泡樹脂製吸音材の設計目標である目標音響特性に基づき、Biotモデル法を用いて、前記目標音響特性を実現するBiotパラメータを同定し、
同定したBiotパラメータに対応する微視構造モデルを、前記関係式を用いて同定し、同定した微視構造モデルを、前記出力部を通じて出力する
設計装置。 - 発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法であって、
前記発泡樹脂製吸音材の内部構造と等価な構造であって、周期的かつ均質な構造の微視構造モデルを設定する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する範囲内でサンプリングした、複数の前記微視構造モデルのそれぞれについて、均質化法を用いて、音響特性を算出する工程と、
前記発泡樹脂製吸音材のBiotパラメータと前記微視構造モデルとの関係式を、算出した前記音響特性に基づいて、同定する工程と、
音響特性を算出する対象の、発泡樹脂製吸音材の内部構造を特定する工程と、
前記関係式を用いて、特定した内部構造に対応するBiotパラメータを同定する工程と、
前記同定したBiotパラメータに対応する音響特性を、Biotモデル法を用いて算出する工程と、
を備えている算出方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020162078A JP2022054842A (ja) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 |
US17/480,996 US20220100934A1 (en) | 2020-09-28 | 2021-09-21 | Method of designing internal structure of foamed resin sound absorbing material, device of designing the same, and method of calculating acoustic characteristics of foamed resin sound absorbing material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020162078A JP2022054842A (ja) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022054842A true JP2022054842A (ja) | 2022-04-07 |
Family
ID=80823707
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020162078A Pending JP2022054842A (ja) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220100934A1 (ja) |
JP (1) | JP2022054842A (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3470592A1 (fr) * | 2017-10-13 | 2019-04-17 | Saint-Gobain Isover | Panneau acoustique en laine de verre et procede de fabrication d'un tel panneau |
EP3470565A1 (fr) * | 2017-10-13 | 2019-04-17 | Saint-Gobain Isover | Panneau acoustique en laine minerale et procede de fabrication d'un tel panneau |
-
2020
- 2020-09-28 JP JP2020162078A patent/JP2022054842A/ja active Pending
-
2021
- 2021-09-21 US US17/480,996 patent/US20220100934A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20220100934A1 (en) | 2022-03-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Syam et al. | Design and analysis of strut-based lattice structures for vibration isolation | |
Scerrato et al. | On the effect of shear stiffness on the plane deformation of linear second gradient pantographic sheets | |
Horstemeyer | Multiscale modeling: a review | |
Cho | Energy flow analysis of coupled structures | |
De Giorgi et al. | Aluminium foams structural modelling | |
Simsek et al. | Parametric studies on vibration characteristics of triply periodic minimum surface sandwich lattice structures | |
KR20060063976A (ko) | 최적의 감쇠 처리 레이아웃 및 패널 형상 레이아웃을결정하기 위한 방법 | |
Contrafatto et al. | Meso-scale simulation of concrete multiaxial behaviour | |
JP2022054842A (ja) | 発泡樹脂製吸音材の内部構造を設計する方法及び設計装置、並びに、発泡樹脂製吸音材の音響特性を算出する方法 | |
Gao et al. | Crack identification of cantilever plates based on a Kriging surrogate model | |
Karsh et al. | Stochastic impact responses analysis of functionally graded plates | |
Chen et al. | Localized method of fundamental solutions for acoustic analysis inside a car cavity with sound-absorbing material | |
Carpinteri et al. | Scaling laws and multiscale approach in the mechanics of heterogeneous and disordered materials | |
Hassan et al. | A review on buckling analysis of functionally graded plates under thermo-mechanical loads | |
Niu et al. | Analytical solution and experimental study of effective Young's modulus of selective laser melting-fabricated lattice structure with triangular unit cells | |
Santoni et al. | Computation of the Alpha Cabin sound absorption coefficient by using the finite transfer matrix method (FTMM): inter-laboratory test on porous media | |
Kramberger et al. | Damage and failure modeling of lotus-type porous material subjected to low-cycle fatigue | |
Perrot et al. | An overview of microstructural approaches for modelling and improving sound proofing properties of cellular foams: Developments and prospects | |
Yang et al. | Effect of thermal aging on the transport and acoustic properties of partially reticulated polyurethane foams | |
Fadeel | Development and application of a computational modeling scheme for periodic lattice structures | |
Zimar et al. | Non-linear behaviour of open-cell metal foam under tensile loading | |
Abuzayed et al. | Time domain homogenisation of elastic and viscoelastic metamaterials | |
Kumar et al. | Vibration response of exponentially graded plates on elastic foundation using higher-order shear deformation theory | |
Duval et al. | Novel technique for the introduction of curved trims in SEA/Virtual SEA models using poroelastic finite elements in the middle (and high) frequency range | |
Lomte et al. | Effect of geometrical defects on the acoustical transport properties of periodic porous absorbers manufactured using stereolithography |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20201027 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230718 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240508 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240521 |