JP2022094652A

JP2022094652A - 吸音構造体

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Publication number: JP2022094652A
Application number: JP2020207658A
Authority: JP
Inventors: 幸人中野; Yukihito Nakano; 英一西垣; Hidekazu Nishigaki; 直富田; Sunao Tomita; 拓也西村; Takuya Nishimura; 真琴瀬木; Makoto Seki
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-27
Anticipated expiration: 2040-12-15
Also published as: JP7474187B2

Abstract

【課題】音圧ピークを減衰させることができ、優れた吸音効果を発揮することが可能な吸音構造体を提供すること。
【解決手段】開口部を有する箱状部材１１と前記開口部を閉塞するように配置された蓋材１２とを備えており、
前記箱状部材１１の内側には、前記箱状部材１１と前記蓋材１２とによって囲まれた副気室空間が形成されており、
前記箱状部材１１の前記開口部に対向する面１３には、前記箱状部材１１の内側と外側とが連通するように直径２ｍｍ以下の連通孔１４が形成されており、
前記箱状部材１１がセルロース系繊維材料からなるものであり、
前記蓋材１２の曲げ剛性が５．０～１５０Ｎｍである、
ことを特徴とする吸音構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸音構造体に関し、より詳しくは、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音構造体に関する。

従来から、騒音対策として、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音構造体が、車両や建築物等の各種構造体に設置されている。

例えば、特開２０２０－５００３８号公報（特許文献１）には、中空の凸部と、前記凸部の内外を連通する連通部とを備える吸遮音部材が開示されており、この吸遮音部材において、前記凸部は、複数のセルロース系繊維が積層状態で一体化されている素材で構成されているとともに、前記セルロース系繊維が所定の厚みで積層されている一般部位と、前記一般部位よりも多量の前記セルロース系繊維が積層されている肉厚部位とを一体で有し、前記肉厚部位によって前記連通部の外径が形成されているとともに、前記連通部には、前記肉厚部位を厚み方向に貫通して前記凸部の内外を連通する通路部が設けられていることが記載されている。

また、特開２０２０－５２１３９号公報（特許文献２）には、吸遮音部材と、前記吸遮音部材と第一の音源の間に設けられた第一区画部材と、前記記吸遮音部材と第二の音源の間に設けられた第二画部材とを備えた吸遮音構造が開示されており、この吸遮音構造におい、前記吸遮音部材は、前記第一区画部材と前記第二画部材とを交互に当接するように曲げ形成されている板状部材であって、両区画部材の間の隙を埋めるように突出している中空の凸部を複数有し、前記第一区画部材と前記第二画部材との間には、前記第一区画部材で閉塞された前記凸部内の第一空間部と、隣り合う凸部同士の間に設けられ且つ前記第二画部材で閉塞された第二空間部とが形成されており、前記第一空間部と前記第二空間部は、前記凸部の一部で形成され且つ前記凸部の内外を連通する連通部にてつながっており、前記連通部の第二空間部側の開口は、前記第一区画部材と前記第二画部材の間に配置する前記凸部の側壁部に設けられていることが記載されている。

しかしながら、ヘルムホルツ共鳴を利用した従来の吸音構造体においては、音圧ピークを分割することはできるものの、減衰させることができず、十分な吸音効果が得られない場合があった。

特開２０２０－５００３８号公報特開２０２０－５２１３９号公報

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、音圧ピークを減衰させることができ、優れた吸音効果を発揮することが可能な吸音構造体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、開口部を有する箱状部材と前記開口部を閉塞するように配置された蓋材とを備える吸音構造体において、前記箱状部材の前記開口部に対向する面に所定の大きさの連通孔を形成し、前記箱状部材をセルロース系繊維材料により形成し、前記蓋材として所定の曲げ剛性を有する素材を用いることによって、音圧ピークを減衰させることが可能となり、優れた吸音効果が発揮されることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の吸音構造体は、開口部を有する箱状部材と前記開口部を閉塞するように配置された蓋材とを備えており、前記箱状部材の内側には、前記箱状部材と前記蓋材とによって囲まれた副気室空間が形成されており、前記箱状部材の前記開口部に対向する面には、前記箱状部材の内側と外側とが連通するように直径２ｍｍ以下の連通孔が形成されており、前記箱状部材がセルロース系繊維材料からなるものであり、前記蓋材の曲げ剛性が５．０～１５０Ｎｍである、ことを特徴とするものである。

本発明の吸音構造体においては、前記箱状部材が、セルロース系繊維が積層されて一体化したものであることが好ましく、また、１つの前記箱状部材と１つの前記蓋材とが１つの前記副気室空間を形成していることは好ましい。

本発明によれば、音圧ピークを減衰させることができ、優れた吸音効果を発揮することが可能な吸音構造体を得ることが可能となる。

本発明の吸音構造体の好適な一実施態様を模式的に示す斜視図である。本発明の吸音構造体の好適な一実施態様を模式的に示す断面図である。曲げ剛性が小さい蓋材を用いた吸音構造体を模式的に示す断面図である。実施例１で作製した吸音構造体を示す写真である。吸音試験に使用した吸音構造体の蓋材裏面を示す写真である。吸音試験時に吸音構造体を装着した自動車の車室内天井を示す写真である。実施例１で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度を示すグラフである。実施例２で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度を示すグラフである。実施例３で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度を示すグラフである。比較例１で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度を示すグラフである。比較例２で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は前記図面に限定されるものではない。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合もある。

図１に、本発明の吸音構造体の好適な一実施態様を示す。本発明の吸音構造体１０は、開口部を有する箱状部材１１と前記開口部を閉塞するように配置された蓋材１２とを備えるものである。

〔箱状部材〕
本発明に用いられる箱状部材１１は、４つの側壁部と１つの天井壁部とから形成されており、底面が開口部であり、内部が空洞である。前記箱状部材１１の形状としては特に制限はなく、例えば、図１に示すような四角錐台のほか、立方体や直方体であってもよい。

また、本発明に用いられる箱状部材は、セルロース系繊維材料からなるものである（すなわち、前記側壁部及び前記天井壁部がセルロース系繊維材料からなるものである）ことが必要であり、セルロース系繊維が積層されて一体化したもの（例えば、パルプモールド成形品）であることが好ましい。このようなセルロース系繊維材料からなる箱状部材を用いることによって、箱状部材の内壁と空気との間の摩擦抵抗が大きくなるため、音圧ピークの減衰量が増大して吸音性能が向上するとともに、吸音構造体を軽量化することが可能となる。

さらに、本発明に用いられる箱状部材１１においては、図１に示すように、前記開口部に対向する面１３（すなわち、前記天井壁部）に、箱状部材１１の内側と外側とが連通するように連通孔１４が形成されていることが必要である。このような連通孔１４は、前記開口部に対向する面１３（すなわち、前記天井壁部）の中央部に形成されていることが好ましいが、これに限定されるものではない。

また、本発明に用いられる箱状部材においては、前記連通孔の直径が２ｍｍ以下であることが必要である。連通孔の直径を前記範囲内とすることによって、音圧ピークが十分に減衰され、優れた吸音効果が発揮される。一方、連通孔の直径が前記上限を超えると、音圧ピークは分割するものの、減衰せず、吸音効果が得られない。さらに、前記連通孔の直径としては、音圧ピークの減衰量が増大し、吸音効果が向上するという観点から、１．５ｍｍ以下が好ましく、１．２ｍｍ以下がより好ましく、１．０ｍｍ以下が特に好ましい。また、前記連通孔の直径の下限としては特に制限はないが、生産時の歩留りが向上するという観点から、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、０．８ｍｍ以上が特に好ましい。

前記箱状部材を構成する前記側壁部及び前記天井壁部の厚さとしては特に制限はないが、吸音構造体の強度を確保するという観点から、１．０～３．０ｍｍが好ましく、１．５～２．５ｍｍがより好ましい。

〔蓋材〕
本発明に用いられる蓋材は、５．０～１５０Ｎｍの範囲内の曲げ剛性を有する板状部材である。前記範囲内の曲げ剛性を有する蓋材を用いることによって、音圧ピークが十分に減衰され、優れた吸音効果が発揮される。一方、蓋材の曲げ剛性が前記下限未満になると、音圧ピークが減衰せず、吸音効果が得られない。また、蓋材の曲げ剛性としては、１０～１２０Ｎｍが好ましく、５０～１００Ｎｍがより好ましい。なお、蓋材の曲げ剛性は、蓋材に使用した材料のヤング率Ｅ及びポアソン比ν、蓋材の厚さｔを用いて、下記式：
Ｄ＝Ｅｔ^３／［１２（１－ν^２）］
により求めることができる。

前記蓋材に使用する材料としては特に制限はなく、例えば、鋼（ヤング率Ｅ＝２０６ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．２９）、セルロース（ヤング率Ｅ＝２０ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．１９）、ナイロン（ヤング率Ｅ＝５．９ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．３８）等が挙げられる。

また、前記蓋材の厚さとしては、蓋材の材料が鋼の場合には０．７～２ｍｍが好ましく、０．９～１．４ｍｍがより好ましく、セルロースの場合には１．５～２０ｍｍが好ましく、１．９～５．０ｍｍがより好ましく、ナイロンの場合には２．１～２０ｍｍが好ましく、２．５～１０ｍｍがより好ましい。蓋材の厚さが前記範囲内にあると、蓋材の曲げ剛性が所定の範囲内となる。一方、蓋材の厚さが前記下限未満になると、蓋材の曲げ剛性が所定の範囲より小さくなり、音圧ピークが減衰せず、吸音効果が得られない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、吸音構造体の取扱性が低下する傾向にある。

さらに、前記蓋材の密度としては、蓋材の材料が鋼の場合には７３００～７９００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、セルロースの場合には１２００～１７００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、ナイロンの場合には１１００～１４００ｋｇ／ｍ^３が好ましい。蓋材の密度が前記範囲内にあると、ヘルムホルツ共鳴による吸音効果が十分に発現する。一方、蓋材の密度が前記下限未満になると、蓋材の曲げ剛性が低下して吸音効果が低下する傾向にある。

〔吸音構造体〕
図１に示すように、本発明の吸音構造体１０は、前記箱状部材１１と前記蓋材１２とを備えるものである。また、本発明の吸音構造体１０においては、図２に示すように、前記箱状部材１１の内側に、前記箱状部材１１と前記蓋材１２とによって囲まれた副気室空間２１が形成されている。特に、本発明の吸音構造体１０においては、１つの前記箱状部材１１と１つの前記蓋材１２とが１つの副気室空間２１を形成している。このような副気室空間の容積としては３７００～３００００ｍｍ^３が好ましい。

本発明の吸音構造体１０においては、曲げ剛性が大きい蓋材１２を用いているため、図２に示すように、副気室空間２１が変形しにくく、副気室空間２１内の空気がバネとしての役割を有し、質量としての役割を有する連通孔１４内の空気が振動することによって、バネ－マス１自由度振動系を形成し、下記式：
ｆ＝（ｃ／２π）（Ｓ／Ｖ（Ｌ＋ｈａ））^１／２
〔式中、ｆは固有振動数、ａは連通孔の半径、Ｓは連通孔の断面積（＝πａ^２）、Ｌは連通孔の長さ（＝前記天井壁部の厚さ）、Ｖは副気室空間の容積、ｃは音速、ｈは開口端補正係数（０．６～２．０）を表す、〕
で表される固有振動数ｆで副気室空間２１内が共鳴し、吸音構造体１０を設置した空間の共鳴時の音圧が低減され、吸音効果が得られる。

一方、曲げ剛性が小さい蓋材を用いた場合には、図３に示すように、副気室空間２１が変形するため、連通孔１４内の空気の振動に対する復元力が得られず、副気室空間２１内の空気がバネとして作用しない。このため、副気室空間２１内では共鳴が起こらず、吸音構造体１０を設置した空間の音圧が低減されず、吸音効果が得られない。

また、本発明の吸音構造体においては、上述したように、前記式で表される固有振動数ｆで副気室空間内が共鳴するため、連通孔の半径ａ、連通孔の長さＬ、副気室空間の容積Ｖを適宜調整することによって、任意の周波数の騒音を低減することができる。特に、本発明の吸音構造体においては、一般的な吸音材により吸音することが困難な低周波（２０～１０００Ｈｚ）の騒音を低減することが可能である。

本発明の吸音構造体においては、１つの吸音構造体に１つの副気室空間が形成されているため、吸音が必要な場所に必要な数の吸音構造体を最適に設置することができ、ロバストな効果と効率的な配置によって吸音効果を得ることが可能である。

本発明の吸音構造体は、吸音器として独立している（すなわち、他の構造体に組込まれていない）ため、自動車や建築物等の様々な構造体の任意の位置（例えば、自動車の車室内の天井部（特に、天井外板と内装材との間）や建築物の室内の天井部（天井の裏側）等）に公知の固定（接着）手段によって設置することができる。このため、本発明の吸音構造体においては、前記蓋材の裏面に両面テープやシール材層、接着剤層、面ファスナー等が設けられていてもよい。

また、本発明の吸音構造体は、サイズが小さく、軽量であるため、自動車内装材の隙間等の小スペースにも設置することが可能である。

さらに、本発明の吸音構造体は、吸音器として独立しているため、例えば、自動車の内装材組立時に取付けたり、或いは、自動車の内装材を取外して（すなわち、後付けで）取付けることも可能である。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、蓋材の合成は下記式に基づいて算出した。

＜蓋材の曲げ剛性＞
Ｄ＝Ｅｔ^３／［１２（１－ν^２）］
式中、Ｅはヤング率を表し、セルロース繊維材料ではＥ＝２０ＧＰａであり、ナイロンではＥ＝５．９ＧＰａであり、νはポアソン比を表し、セルロース繊維材料ではν＝０．１９であり、ナイロンではν＝０．３８であり、ｔは蓋材の厚さを表す。

（実施例１）
図１に示すような、連通孔１４を有する箱状部材１１と蓋材１２とからなる吸音構造体１０を作製した。具体的には、先ず、所定量の古紙パルプを水に投入してスラリーを調製し、このスラリーを用いてパルプモールド成形により、箱状部材１１（Ｌ_１＝７０ｍｍ、Ｄ_１＝２５ｍｍ、Ｌ_２＝６５ｍｍ、Ｄ_２＝２０ｍｍ、側壁部及び天井壁部の厚さ＝２．０ｍｍ）を作製した。また、図１に示すように、箱状部材１１の開口部に対向する面１３（すなわち、天井壁部）の中央部には直径０．９７ｍｍの連通孔１４を形成した。

次に、このようにして作製した箱状部材１１に、蓋材１２としてナイロン製固定板（厚さ＝５ｍｍ、曲げ剛性：７１．８Ｎｍ）を、箱状部材１１の開口部を閉塞するように接着し、図４に示す吸音構造体を作製した。

（実施例２）
蓋材としてナイロン製固定板（厚さ＝２．１ｍｍ、曲げ剛性：５．３Ｎｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして吸音構造体を作製した。

（実施例３）
蓋材としてセルロース製固定板（厚さ＝２．０ｍｍ、曲げ剛性：１３．８Ｎｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして吸音構造体を作製した。

（比較例１）
蓋材としてセルロース製固定板（厚さ＝１．４ｍｍ、曲げ剛性：４．７Ｎｍ）を用いた以外は実施例１と同様にして吸音構造体を作製した。

（比較例２）
連通孔１４の直径を２．２ｍｍに変更した以外は実施例１と同様にして吸音構造体を作製した。

〔吸音試験〕
図５に示すように、作製した吸音構造体の蓋材裏面５１に面ファスナー（マジックテープ（登録商標））のフック側５２を接着した。この面ファスナーのフックを利用して、図６に示すように、９６個の吸音構造体１０を自動車（５人乗りハッチバック）の車室内天井のファブリック製内装材に装着した。

自動車を時速３０ｋｍ（スピードメーターの読取り値）の一定速度で直進させ、走行中、１秒間の音圧計測を連続して５回実施した（計測中の走行距離：約４２ｍ）。具体的には、自動車走行時の車室内の音圧を、図６に示すように左前席のヘッドレストの右側に取付けたマイクロホン６１を用いて計測し、得られた計測信号を、ラゲッジルームに搭載した多チャンネルＦＦＴアナライザを用いて、表１に示すサンプリング周波数で表１に示す上限周波数までサンプリングし、得られたデータを、窓関数としてハニングウィンドウを用いて解析した。この走行試験を３回実施し、合計１５回の音圧計測データを平均した。図７～図１１は、実施例１～３及び比較例１～２で作製した吸音構造体を装着した場合の各周波数における音圧パワースペクトル密度（合計１５回の音圧計測の平均値）を示すグラフである。なお、各グラフには吸音構造体を装着しなかった場合の結果も示した。

図７～図９に示したように、連通孔の直径が０．９７ｍｍ、蓋材の曲げ剛性が所定の範囲内にある吸音構造体を装着した場合（実施例１～３）には、周波数２３０Ｈｚ付近の音圧ピークを減衰でき、吸音効果が得られることが確認された。また、蓋材の曲げ剛性が７１．８Ｎｍの場合（実施例１）には、周波数が約２３０Ｈｚの音圧ピークを分割できることも確認された。

一方、図１０に示したように、蓋材の曲げ剛性が所定の範囲より小さい吸音構造体を装着した場合（比較例１）には、いずれの周波数においても音圧ピークの減衰が見られず、吸音効果が得られなかった。

また、図１１に示したように、連通孔の直径が２．２ｍｍの吸音構造体を装着した場合（比較例２）には、周波数が３８５Ｈｚ付近の音圧ピークを分割することはできたが、減衰することはできなかった。

図７～図１１に示した結果に基づいて、周波数が２３０Ｈｚ付近（実施例１～３及び比較例１）又は３８５Ｈｚ付近（比較例２）の音圧パワースペクトル密度の減衰量（単位：ｄＢ）及び音響エネルギーの減衰量（単位：％）を求めた。それらの結果を表１に示す。

表１に示したように、連通孔の直径及び蓋材の曲げ剛性が所定の範囲内にある吸音構造体を装着した場合（実施例１～３）には、蓋材の曲げ剛性が所定の範囲より小さい吸音構造体を装着した場合（比較例１）並びに連通孔の直径が所定の範囲より大きい吸音構造体を装着した場合（比較例２）に比べて、吸音対象周波数における、音圧パワースペクトル密度の減衰量及び音響エネルギーの減衰量が大きく、連通孔の直径及び蓋材の曲げ剛性を所定の範囲内とすることによって、吸音効果に優れた吸音構造体が得られることがわかった。

以上説明したように、本発明によれば、音圧ピークを減衰させることができ、優れた吸音効果を発揮することが可能な吸音構造体を得ることが可能となる。したがって、本発明の吸音構造体は、自動車の車室内や建築物の室内の騒音等を低減するための吸音器等として有用である。

１０：吸音構造体
１１：箱状部材
１２：蓋材
１３：箱状部材１１の開口部に対向する面
１４：連通孔
２１：副気室空間
４１：接着剤
５１：蓋材１２の裏面
５２：面ファスナー（マジックテープ（登録商標））のフック側
６１：マイクロホン

Claims

開口部を有する箱状部材と前記開口部を閉塞するように配置された蓋材とを備えており、
前記箱状部材の内側には、前記箱状部材と前記蓋材とによって囲まれた副気室空間が形成されており、
前記箱状部材の前記開口部に対向する面には、前記箱状部材の内側と外側とが連通するように直径２ｍｍ以下の連通孔が形成されており、
前記箱状部材がセルロース系繊維材料からなるものであり、
前記蓋材の曲げ剛性が５．０～１５０Ｎｍである、
ことを特徴とする吸音構造体。
前記箱状部材が、セルロース系繊維が積層されて一体化したものであることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造体。
１つの前記箱状部材と１つの前記蓋材とが１つの前記副気室空間を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸音構造体。