JP2023151643A - 音響メタマテリアル - Google Patents

Abstract

【課題】遮音性能に優れた音響メタマテリアルを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアルは、前記シートの面に立設した弾性を有する複数の多角形筒構造と、を備え、前記シートと前記複数の多角形筒構造とで構成された一体構造を有する。前記複数の多角形筒構造の各々の多角形筒構造は、隣接する多角形筒構造と共有する壁部を有し、前記複数の多角形筒構造が前記シートの前記面を敷き詰めるように配置されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、音響メタマテリアルに関し、特に、遮音性能に優れた音響メタマテリアルに関する。

現在においては、様々な場面で静粛性能が求められている。例えば、住宅、オフィスビル、ホテルやコンサートホール等の建物においては、自動車、鉄道や航空機等の交通手段が発する屋外の騒音や、設備から発生する音や人の声等の建物内部で発生する騒音を遮断して、静粛性能を高める様々な工夫がされている。一方、自動車、鉄道、航空機や船舶等の交通手段自体も、風切り音等の外部で発生する音やエンジン音等の交通手段自体が発生する音に対する車内での静粛性能を高めることが要求される。

このような防音材としては、薄くて、軽く、且つ遮音性能に優れた材料が求められる。近年、電磁波（光）を制御する技術の１つとして、メタマテリアルが知られている。「メタマテリアル」とは、電磁波の波長よりも細かな構造体を利用して、物質の電磁気学的な特性を人工的に操作した疑似物質である。最近、音響的性質を制御する技術として、音響メタマテリアルが提唱されている（特許文献１）。「音響メタマテリアル」とは、自然界に存在する物質が通常示さないような音響的性質を示すように設計された人工媒質である。

例えば、特許文献１には、弾性を有するシートと、シートを支持するとともにシートを区画部に区画する支持部と、を備え、区画部におけるシートの面剛性（ｋ）及びシートの面密度（ｍ）が、下記数式（１）の関係を満足する、音響メタマテリアルを用いた防音材が記載されている。

また、特許文献２には、複数の凸形状のゴム弾性を有する共振部と、共振部を支持するシート状の支持体とを有する遮音構造体が記載されている。この遮音構造体において、共振部が、ＩＳＯ６７２１－４に準じた動的粘弾性の合成曲線から得られる貯蔵弾性率Ｇ’が２５℃、１０ｋＨｚにおいて１００ＭＰａ以下であり、支持体の面密度が、１．０ｋｇ／ｍ^２以下であることが記載されている。

さらに、特許文献３には、ゴム弾性を有するシート、及び複数の共振部を少なくとも備え、共振部が、シートのシート面に接して設けられ、共振部が、基部及び錘部を備え、錘部は、基部に支持され且つ基部より大きな質量を有し、且つ、単一の部材で構成され、共振部の先端側において、錘部の少なくとも一部が、基部に埋設されているものである、遮音シート部材が記載されている。

特許６８７９３６９号公報 国際公開第２０１９／２０８７２７号 特開２０２０－０４２２７４号公報

本発明の一実施形態は、遮音性能に優れた音響メタマテリアルを提供することを目的の一つとする。

本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアルは、弾性を有するシートと、シートの面に立設した弾性を有する複数の多角形筒構造と、を備え、シートと複数の多角形筒構造とで構成された一体構造を有する。

複数の多角形筒構造の各々の多角形筒構造は、隣接する多角形筒構造と共有する壁部を有し、複数の多角形筒構造がシートの面を敷き詰めるように配置されてもよい。

シートと、複数の多角形筒構造とは、同一の材料が連続して配置された一体構造を有してもよい。

複数の多角形筒構造により囲まれたシートの面に、少なくとも１つの柱状構造をさらに備えてもよい。

複数の多角形筒構造により囲まれたシートの面に、２つ以上の柱状構造を備えてもよい。

複数の多角形筒構造は、六角形筒構造であってもよい。

本発明の一実施形態は、遮音性能に優れた音響メタマテリアルを提供することができる。

（Ａ）は本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル１００の上面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル１００を切断した断面端図である。 本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル１００の斜視図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル２００の上面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル２００を切断した断面端図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル３００の上面図を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル３００を切断した断面端図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、２つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル４００の上面図を示し、（Ｂ）は正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、３つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル４００の上面図を示す。 本発明の一実施形態に正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、６つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル６００の上面図を示す。図である。 （Ａ）は本発明の一実施形態に係る１つの柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００の上面図を示し、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００の上面図を示す。 本発明の一実施形態に係る正方形筒構造により囲まれたシートの面に、４つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル９００の上面図を示す。 本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル１０００の背面（シート１０１０）の斜視図である。 実施例１の音響メタマテリアル１００をモード１～５でシミュレーションした結果を示す。 実施例１の音響メタマテリアル１００をモード６～１０でのした結果を示す。 高さＨを５ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 高さＨを１０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 高さＨを２０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 多角形筒構造１５０の高さと、シート１１０が同位相で振動する固有値の関係を示す図である。 （Ａ）は、多角形筒構造１５０の高さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は、多角形筒構造１５０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。 Ｌを６ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 Ｌを８ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 六角形筒構造１５０の一辺の長さと、シート１１０が同位相で振動する固有値の関係を示す図である。 （Ａ）は六角形筒構造１５０の一辺の長さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は多角形筒構造１５０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。 実施例６の音響メタマテリアル３００のモード１～５でのシミュレーション結果を示す。 実施例６の音響メタマテリアル３００のモード６～１０でのシミュレーション結果を示す。 径φを１ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 径φを２ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 径φを３．８ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 音響メタマテリアル３００について、柱状構造３７０の径φに対する固有値を示す図である。 （Ａ）は柱状構造３７０の径が異なる音響メタマテリアル３００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は柱状構造３７０の径と音圧レベルの関係を示す図である。 高さＨｃを２ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 高さＨｃを１０ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 各音響メタマテリアル３００について、柱状構造３７０の径φに対する固有値を示す図である。 （Ａ）は柱状構造３７０の高さが異なる音響メタマテリアル３００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は柱状構造３７０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。 ２つの柱状構造４７０を有する音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。 ２つの柱状構造４７０を有する音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。 ３つの柱状構造５７０を有する音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。 ３つの柱状構造５７０を有する音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。 （Ａ）は柱状構造の数が異なる音響メタマテリアル３００～５００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は柱状構造の数と音圧レベルの関係を示す図である。 ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 ＰＰを用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。 各材料を用いた音響メタマテリアル１００について、モードに対する周波数を示す。 ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 ＰＰを用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。 各材料を用いた音響メタマテリアル１００について、モードに対する周波数を示す。 ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。 ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。 ＰＰを用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。 各材料を用いた音響メタマテリアル４００について、モードに対する周波数を示す。 ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。 ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。 ＰＰを用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。 各材料を用いた音響メタマテリアル５００について、モードに対する周波数を示す。 Ｌ＝６ｍｍの音響メタマテリアル２００のシミュレーション結果を示す。 Ｌ＝１０ｍｍの音響メタマテリアル２００のシミュレーション結果を示す。 各音響メタマテリアル２００について、モードに対する周波数を示す。 （Ａ）は、一辺の長さが異なる正方形筒構造２５０の音響メタマテリアル２００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は、正方形筒構造２５０の一辺の長さと音圧レベルの関係を示す図である。 １つの柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００のシミュレーション結果を示す。 ２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００のシミュレーション結果を示す。 ４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００のシミュレーション結果を示す。 （Ａ）は実施例１６及び１７の各音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す図であり、（Ｂ）は壁部及び柱状構造の振動開始周波数の関係を示す図である。 （Ａ）は、正方形筒構造において、柱状構造の数が異なる音響メタマテリアルの周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は、正方形筒構造に配置した柱状構造の数と音圧レベルの関係を示す図である。 音響メタマテリアル１０００のモード１～５でのシミュレーション結果を示す図である。 音響メタマテリアル１０００のモード６～１０でのシミュレーション結果を示す図である。 （Ａ）は凹凸形状１０８０の一辺の長さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は凹凸形状１０８０の一辺の長さがと音圧レベルの関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態の音響メタマテリアルについて、図面を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号（数字の後にＡ、Ｂなどを付しただけの符号）を付す。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、説明を簡潔にするためだけに用いられており、限定的に解釈されるべきではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル１００を示す模式図である。図１（Ａ）は音響メタマテリアル１００の上面図を示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル１００を切断した断面端図である。また、図２は、音響メタマテリアル１００の斜視図である。音響メタマテリアル１００は、弾性を有するシート１１０と、シート１１０の面１１１に立設した弾性を有する複数の多角形筒構造１５０を備える。音響メタマテリアル１００は、シート１１０と複数の多角形筒構造１５０で構成された一体構造を有する。

各々の多角形筒構造１５０は、隣接する多角形筒構造１５０と共有する壁部１３０を有し、複数の多角形筒構造１５０がシート１１０の面１１１を敷き詰めるように配置されている。換言すると、音響メタマテリアル１００は、隣接する多角形筒構造１５０が結合して、連続的に多角形筒構造１５０がシート１１０の面１１１に配置された構造体である。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）においては、音響メタマテリアル１００の一部を示している。

特許文献１に記載された防音材は、弾性を有するシートの区画部を、筒状セルを有する格子状構造体である支持部によって区画することによりシートの剛性を向上させて、振動しにくくしている。このため、特許文献１に記載された防音材は、シートは弾性を有する材料で構成されるが、格子状構造体はシートよりも剛性の高い材料で構成される。このため、特許文献１に記載された防音材は、異種材料で構成されるシートと格子状構造体を接合（接着）して形成され、シートによって、挿入損失が大きい周波数域を制御している。

一方、本実施形態に係る音響メタマテリアル１００は、シート１１０と、複数の多角形筒構造１５０が連続して配置された一体構造を有する。シート１１０と、複数の多角形筒構造１５０が一体構造を構成するため、シート１１０を構成する材料と、多角形筒構造１５０を構成する材料とは、同一の材料である。音響メタマテリアル１００は、シート１１０と、多角形筒構造１５０が一体構造を構成することにより、音響メタマテリアル１００全体が振動して、音を熱に変換することができる。なお、異材成形技術を用いることにより、例えば、多角形筒構造１５０を高密度の樹脂で形成し、シート１１０を低密度の樹脂で射出成型した一体構造としてもよい。

また、本実施形態に係る音響メタマテリアル１００は、シート１１０と、多角形筒構造１５０が一体構造を構成するため、組み立て作業や、接着剤が不要であり、リサイクルしやすい防音材である。また、本実施形態に係る音響メタマテリアル１００は、共振周波数が高いため、騒音となる周波数の領域において、特定の周波数での性能低下が生じ難い、即ち、コインシデンス効果が生じ難い。

多角形筒構造１５０は、正平面充填形を底面として規定可能な筒状構造体である。したがって、多角形筒構造１５０は、正三角形筒構造、正方形筒構造及び正六角形筒構造から選択することができる。図１においては、一例として、正六角形筒構造の多角形筒構造１５０を有する音響メタマテリアル１００を示す。

本明細書において、正六角形筒構造の一辺の長さ（筒構造の内側）をＬ、正六角形筒構造の対向する２つの辺（筒構造の内側）の距離をＷ、正六角形筒構造の高さ（シート１１０の面１１１から正六角形筒構造の開口部の先端までの距離）をＨ、壁部１３０の厚みをＴｗ、及びシート１１０の厚みをＴｂとする。これらの変数の大きさは、音響メタマテリアル１００を構成する材料や、遮蔽しようとする周波数の範囲に応じて設定可能である。一実施形態において、Ｌ＝２ｍｍ～２０ｍｍ、Ｗ＝３．５ｍｍ～３４．６ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ～１００ｍｍ、Ｔｗ＝０．５ｍｍ～５ｍｍ、及びＴｂ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍの範囲から設定可能である。

音響メタマテリアル１００を構成する材料としては、弾性を有する材料から選択することができ、例えば、０．００１～２００ＧＰａのヤング率を有する材料から選択することができる。本明細書において、樹脂のヤング率の値は、ＪＩＳ Ｋ７１６１－１（２０１４年）に準じて測定するものとする。金属のヤング率はＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１年）により測定するものとする。また、ゴムのヤング率はＪＩＳ Ｚ６２５１（２０１０年）に準じて測定するものとする。音響メタマテリアル１００を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン樹脂、酢酸ビニル樹脂、エチレン－酢酸ビニル樹脂、スチレン－ブタジエン樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、熱硬化型アクリル樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、レゾルシン樹脂、アルキルレゾルシン樹脂、エポキシ樹脂、及び熱硬化型ポリエステル等から選択される樹脂材料を用いることができる。または、これらの樹脂を生成するウレタン樹脂プレポリマー、尿素樹脂プレポリマー（初期縮合体）、フェノール樹脂プレポリマー（初期縮合体）、ジアリルフタレートプレポリマー、アクリルオリゴマー、多価イソシアナート、メタクリルエステルモノマー、ジアリルフタレートモノマー等のプレポリマー、オリゴマー、モノマー等の樹脂前駆体を用いてもよい。また、音響メタマテリアル１００を構成する材料として、例えば、銅及びアルミニウム等の金属材料を用いてもよい。また、音響メタマテリアル１００を構成する材料として、例えば、ラテックスゴム、クロロプレンゴム（ＣＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、及びアクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）等のゴム材料から選択することができる。

［変形例１］
上述したように、多角形筒構造は、正平面充填形を底面として規定可能な筒状構造体である。一例として、正方形筒構造２５０を有する音響メタマテリアル２００について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル２００を示す模式図である。図２（Ａ）は音響メタマテリアル２００の上面図を示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル２００を切断した断面端図である。音響メタマテリアル２００は、弾性を有するシート２１０と、シート２１０の面２１１に立設した弾性を有する複数の正方形筒構造２５０を備える。音響メタマテリアル２００は、シート２１０と複数の正方形筒構造２５０で構成された一体構造を有する。

各々の正方形筒構造２５０は、隣接する正方形筒構造２５０と共有する壁部２３０を有し、複数の正方形筒構造２５０がシート２１０の面２１１を敷き詰めるように配置されている。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）においては、音響メタマテリアル２００の一部を示している。

本実施形態に係る音響メタマテリアル２００は、シート２１０と、複数の正方形筒構造２５０が連続して配置された一体構造を有する。シート２１０と、複数の正方形筒構造２５０が一体構造を構成するため、シート２１０を構成する材料と、正方形筒構造２５０を構成する材料とは、同一の材料である。音響メタマテリアル２００は、シート２１０と、正方形筒構造２５０が一体構造を構成することにより、音響メタマテリアル２００全体が振動して、音を熱に変換することができる。

また、本実施形態に係る音響メタマテリアル２００は、シート１１０と、正方形筒構造２５０が一体構造を構成するため、組み立て作業や、接着剤が不要であり、リサイクルしやすい防音材である。また、本実施形態に係る音響メタマテリアル２００は、共振周波数が高いため、騒音となる周波数の領域において、特定の周波数での性能低下が生じ難い、即ち、コインシデンス効果が生じ難い。

本明細書において、正方形筒構造の一辺の長さ（筒構造の内側）をＬ、正方形筒構造の高さ（シート２１０の面２１１から正方形筒構造の開口部の先端までの距離）をＨ、壁部２３０の厚みをＴｗ、及びシート２１０の厚みをＴｂとする。これらの変数の大きさは、音響メタマテリアル２００を構成する材料や、遮蔽しようとする周波数の範囲に応じて設定可能である。一実施形態において、Ｌ＝２ｍｍ～２０ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ～１００ｍｍ、Ｔｗ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍ、及びＴｂ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍの範囲から設定可能である。これら以外の構成は、上述した音響メタマテリアル１００と同様の構成であってもよく、詳細な説明は省略する。

また、上述したように、多角形筒構造１５０として、正三角形筒構造を選択することもできる。基本的な構成は、上述した音響メタマテリアル１００及び音響メタマテリアル２００と同様の構成であってもよく、詳細な説明は省略する。

［変形例２］
一実施形態において、多角形筒構造により囲まれたシートの面に、少なくとも１つの柱状構造を配置することができる。図４は、本発明の一実施形態に係る音響メタマテリアル３００を示す模式図である。図４（Ａ）は音響メタマテリアル３００の上面図を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線分ＡＡ’において音響メタマテリアル３００を切断した断面端図である。音響メタマテリアル３００は、弾性を有するシートと、シートの面３１１に立設した弾性を有する複数の多角形筒構造３５０を備える。また、音響メタマテリアル３００は、多角形筒構造３５０により囲まれたシートの面３１１に、１つの柱状構造３７０を有する。音響メタマテリアル３００は、シート、複数の多角形筒構造３５０及び柱状構造３７０で構成された一体構造を有する。

各々の多角形筒構造３５０は、隣接する多角形筒構造３５０と共有する壁部３３０を有し、複数の多角形筒構造３５０がシートの面３１１を敷き詰めるように配置されている。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）においては、音響メタマテリアル３００の一部を示している。

本実施形態に係る音響メタマテリアル３００は、シート、複数の多角形筒構造３５０及び柱状構造３７０が連続して配置された一体構造を有する。シート、複数の多角形筒構造３５０及び柱状構造３７０が一体構造を構成するため、シートを構成する材料と、複数の多角形筒構造３５０及び柱状構造３７０を構成する材料とは、同一の材料である。音響メタマテリアル３００は、シートと、複数の多角形筒構造３５０が一体構造を構成することにより、音響メタマテリアル３００全体が振動して、音を熱に変換することができる。また、多角形筒構造３５０により囲まれたシートの面３１１に配置された柱状構造３７０は、柱状構造３７０の軸方向ＢＢ’に対する回転モーメントにより、シートの変形モードを変更することができる。なお、軸方向ＢＢ’は、シートの面３１１に対して垂直又は概略垂直な方向である。

本実施形態においては、正六角形筒構造の中心に円筒形状の柱状構造３７０を配置する例を示した。柱状構造３７０の径をφ、高さをＨｃとすると、上述したＬ、Ｗ、Ｈ、Ｔｗ及びＴｂを含む変数の大きさは、音響メタマテリアル３００を構成する材料や、遮蔽しようとする周波数の範囲に応じて設定可能である。一実施形態において、Ｌ＝２ｍｍ～２０ｍｍ、Ｗ＝３．５ｍｍ～３４．６ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ～１００ｍｍ、Ｔｗ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍ、Ｔｂ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍ、φ＝０．５ｍｍ～２５ｍｍ、及びＨｃ＝０．５ｍｍ～１００ｍｍの範囲から設定可能である。

また、本実施形態においては、円筒形状の柱状構造３７０を配置する例を示したが、柱状構造３７０の形状は、これに限定されるものではない。柱状構造３７０の形状は、正多角柱、円錐及び多角錐から選択してもよい。

［変形例３］
変形例２においては、多角形筒構造により囲まれたシートの面に、１つの柱状構造を配置する例を示したが、２つ以上配置してもよい。図５（Ａ）は正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、２つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル４００の上面図を示し、図５（Ｂ）は正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、３つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル４００の上面図を示す。また、図６は正六角形筒構造により囲まれたシートの面に、６つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル６００の上面図を示す。

音響メタマテリアル４００は、弾性を有するシート４１０と、シートの面４１１に立設した弾性を有する複数の正六角形筒構造４５０を備える。また、音響メタマテリアル４００は、正六角形筒構造４５０により囲まれたシートの面４１１に、２つの柱状構造４７０を有する。音響メタマテリアル４００は、シート、複数の正六角形筒構造４５０及び正六角形筒構造４５０の内側に配置された２つの柱状構造４７０で構成された一体構造を有する。

音響メタマテリアル５００は、弾性を有するシート５１０と、シートの面５１１に立設した弾性を有する複数の正六角形筒構造５５０を備える。また、音響メタマテリアル５００は、正六角形筒構造５５０により囲まれたシートの面５１１に、３つの柱状構造５７０を有する。音響メタマテリアル５００は、シート、複数の正六角形筒構造５５０及び正六角形筒構造５５０の内側に配置された３つの柱状構造５７０で構成された一体構造を有する。

また、音響メタマテリアル６００は、弾性を有するシートと、シートの面６１１に立設した弾性を有する複数の正六角形筒構造６５０を備える。また、音響メタマテリアル６００は、正六角形筒構造６５０により囲まれたシートの面６１１に、６つの柱状構造６７０を有する。音響メタマテリアル６００は、シート、複数の正六角形筒構造６５０及び正六角形筒構造６５０の内側に配置された６つの柱状構造６７０で構成された一体構造を有する。

音響メタマテリアル４００～６００において、柱状構造４７０、５７０及び６７０は、それぞれ、正六角形の頂点と中心との中点に配置される。換言すると、柱状構造４７０、５７０及び６７０は、それぞれ、正六角形の対角線上に配置される。音響メタマテリアル４００～６００においては、柱状構造を２つ以上配置することにより、それぞれの回転モーメントを打ち消しあって、遮音性能を向上させることができる。

［変形例４］
変形例１で説明したように、多角形筒構造として、正方形筒構造を選択可能である。一実施形態において、正方形筒構造により囲まれたシートの面に、少なくとも１つの柱状構造を配置することができる。図７（Ａ）は本発明の一実施形態に係る１つの柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００の上面図を示し、図７（Ｂ）は本発明の一実施形態に係る２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００の上面図を示す。また、図８は、本発明の一実施形態に係る４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００の上面図を示す。

音響メタマテリアル７００は、弾性を有するシートと、シートの面７１１に立設した弾性を有する複数の正方形筒構造７５０を備える。また、音響メタマテリアル７００は、正方形筒構造７５０により囲まれたシートの面７１１に、１つの柱状構造７７０を有する。音響メタマテリアル７００は、シート、複数の正方形筒構造７５０及び柱状構造７７０で構成された一体構造を有する。

各々の正方形筒構造７５０は、隣接する正方形筒構造７５０と共有する壁部７３０を有し、複数の正方形筒構造７５０がシートの面７１１を敷き詰めるように配置されている。図７（Ａ）においては、音響メタマテリアル７００の一部を示している。

本実施形態に係る音響メタマテリアル７００は、シート、複数の正方形筒構造７５０及び柱状構造７７０が連続して配置された一体構造を有する。シート、複数の正方形筒構造７５０及び柱状構造７７０が一体構造を構成するため、シートを構成する材料と、複数の正方形筒構造７５０及び柱状構造７７０を構成する材料とは、同一の材料である。音響メタマテリアル７００は、シートと、複数の正方形筒構造７５０が一体構造を構成することにより、音響メタマテリアル７００全体が振動して、音を熱に変換することができる。また、正方形筒構造７５０により囲まれたシートの面７１１に配置された柱状構造７７０は、柱状構造７７０の軸方向に対する回転モーメントにより、シートの変形モードを変更することができる。なお、軸方向は、シートの面７１１に対して垂直又は概略垂直な方向である。

本実施形態においては、正方形筒構造７５０の中心に円筒形状の柱状構造７７０を配置する例を示した。柱状構造７７０の径をφ、高さをＨｃとすると、上述したＬ、Ｈ、Ｔｗ及びＴｂを含む変数の大きさは、音響メタマテリアル７００を構成する材料や、遮蔽しようとする周波数の範囲に応じて設定可能である。一実施形態において、Ｌ＝２ｍｍ～２０ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ～１００ｍｍ、Ｔｗ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍ、Ｔｂ＝０．０５ｍｍ～５ｍｍ、φ＝０．５ｍｍ～１５ｍｍ、及びＨｃ＝０．５ｍｍ～１００ｍｍの範囲から設定可能である。

また、本実施形態においては、円筒形状の柱状構造７７０を配置する例を示したが、柱状構造７７０の形状は、これに限定されるものではない。柱状構造７７０の形状は、正多角柱、円錐及び多角錐から選択してもよい。

図７（Ｂ）は正方形筒構造により囲まれたシートの面に、２つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル８００の上面図を示し、図８は正方形筒構造により囲まれたシートの面に、４つの柱状構造を配置した音響メタマテリアル９００の上面図を示す。

音響メタマテリアル８００は、弾性を有するシートと、シートの面８１１に立設した弾性を有する複数の正方形筒構造８５０を備える。また、音響メタマテリアル８００は、正方形筒構造８５０により囲まれたシートの面７１１に、２つの柱状構造８７０を有する。音響メタマテリアル８００は、シート、複数の正方形筒構造８５０及び正方形筒構造８５０の内側に配置された２つの柱状構造８７０で構成された一体構造を有する。

音響メタマテリアル９００は、弾性を有するシートと、シートの面９１１に立設した弾性を有する複数の正方形筒構造９５０を備える。また、音響メタマテリアル９００は、正方形筒構造９５０により囲まれたシートの面９１１に、４つの柱状構造９７０を有する。音響メタマテリアル９００は、シート、複数の正方形筒構造９５０及び正方形筒構造９５０の内側に配置された４つの柱状構造９７０で構成された一体構造を有する。

音響メタマテリアル８００～９００において、柱状構造８７０及び９７０は、それぞれ、正方形の頂点と中心との中点に配置される。換言すると、柱状構造８７０及び９７０は、それぞれ、正方形の対角線上に配置される。音響メタマテリアル８００～９００においては、柱状構造を２つ以上配置することにより、それぞれの回転モーメントを打ち消しあって、遮音性能を向上させることができる。

［変形例５］
変形例５として、シート１０１０の背面に凹凸形状１０８０を有する音響メタマテリアル１０００について説明する。図９は、音響メタマテリアル１０００の背面（シート１０１０）の斜視図である。音響メタマテリアル１０００においては、壁部１０３０が配置したシート１０１０の面とは反対側の面１０１５に凹凸形状１０８０が配置される。凹凸形状１０８０はシート１０１０の面１０１５から陥入した構造であり、溝、円錐又は多角錐等の形状であってもよい。凹凸形状１０８０の深さｄは、０．２ｍｍ～１ｍｍの範囲にあることが好ましい。

変形例５の音響メタマテリアル１０００は、シート１０１０の背面に凹凸形状１０８０を有することにより、凹凸形状１０８０に応じた変形モードを有する。また、音響メタマテリアル１０００においては、シート１０１０の最大変形量が半減し、シート１０１０よりも壁部１０３０が振動しやすい構造を有する。

［実施例１］
上述した実施形態に係る音響メタマテリアル１００を、Ｌ＝４ｍｍ、Ｗ＝６．９３ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ、Ｔｗ＝０．４ｍｍ、及びＴｂ＝０．４ｍｍで設計し、シミュレーションによる固有値解析を行った。固有値解析には、ＣａｌｃｕｌｉＸを用いた。モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図１０は、モード１～５でのシミュレーション結果を示し、図１１は、モード６～１０でのシミュレーション結果を示す。また、各モードの固有値を表１に示す。

図１０及び図１１のシミュレーション結果より、音響メタマテリアル１００においては、モード１～５では、主に多角形筒構造１５０が振動し、モード６～１０では、主にシート１１０が振動することが示された。また、モード５では、シート１１０が同位相で振動することが示され、音響メタマテリアル１００から平面波が生じることが予測された。この結果より、音響メタマテリアル１００の固有値は、１６ｋＨｚと高いことが示された。

［実施例２］
実施例２として、多角形筒構造１５０の高さＨが固有値に与える影響を検討した。多角形筒構造１５０の高さＨを５ｍｍ、１０ｍｍ及び２０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００について、シミュレーションによる固有値解析を行った。なお、多角形筒構造１５０の高さＨ以外のサイズは、実施例１の音響メタマテリアル１００と同じサイズとした。実施例２の音響メタマテリアル１００について、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図１２は、高さＨを５ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示し、図１３は、高さＨを１０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示し、図１４は、高さＨを２０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。また、各音響メタマテリアル１００について、各モードの固有値を表２に示す。なお、高さＨを１０ｍｍに設定した実施例１の結果を表２に再掲する。

図１２～図１４のシミュレーション結果より、Ｈを５ｍｍに及び１０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００は、モード１でシート１１０が同位相で振動することが示された。また、Ｈを１５ｍｍ及び２０ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００は、モード５でシート１１０が同位相で振動することが示された。得られた結果を図１５にまとめる。図１５は、多角形筒構造１５０の高さと、シート１１０が同位相で振動する固有値の関係を示す図である。音響メタマテリアル１００においては、多角形筒構造１５０の高さが高くなるにつれて、音響メタマテリアル１００の固有値が高くなることが示された。

［実施例３］
実施例３として、上述した実施例１及び２の音響メタマテリアル１００を、ＮＯＶＡ３ＤのＵＶ硬化レジンを用いて製造した。製造した７０ｍｍ角の実施例３の音響メタマテリアル１００について、遮音性能を評価した。具体的には、７０ｍｍ角の箱に音源を設置し、多角形筒構造１５０側を開口部に向けて、音響メタマテリアル１００で開口を覆った。開口から５０ｍｍの位置にマイクを設置し、音量を測定した。１／３オクターブバンドで周波数特性を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。評価結果を図１６に示す。図１６（Ａ）は、多角形筒構造１５０の高さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、図１６（Ｂ）は、多角形筒構造１５０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。

図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）の結果から、多角形筒構造１５０の高さが高くなるにつれて、音圧レベルも高くなることが示された。この結果は、実施例２に示したシミュレーションの結果に対応していることが明らかとなった。

［実施例４］
実施例４として、多角形筒構造１５０の一辺の長さＬが遮音性能に与える影響について検討した。多角形筒構造１５０の一辺の長さＬを６ｍｍ及び８ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００について、シミュレーションによる固有値解析を行った。なお、多角形筒構造１５０の一辺の長さＬ以外のサイズは、実施例１の音響メタマテリアル１００と同じサイズとした。実施例４の音響メタマテリアル１００について、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図１７は、Ｌを６ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示し、図１８は、Ｌを８ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。また、各音響メタマテリアル１００について、各モードの固有値を表３に示す。なお、Ｌを４ｍｍに設定した実施例１の結果を表３に再掲する。

図１７～図１８のシミュレーション結果より、Ｌを４ｍｍに及び８ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００は、モード５でシート１１０が同位相で振動することが示された。また、Ｌを６ｍｍに設定した音響メタマテリアル１００は、モード４でシート１１０が同位相で振動することが示された。得られた結果を図１９にまとめる。図１９は、六角形筒構造１５０の一辺の長さと、シート１１０が同位相で振動する固有値の関係を示す図である。音響メタマテリアル１００においては、六角形筒構造１５０の一辺の長さが短くなるにつれて、音響メタマテリアル１００の固有値が高くなることが示された。

［実施例５］
実施例５として、上述した実施例４の音響メタマテリアル１００を、ＮＯＶＡ３ＤのＵＶ硬化レジンを用いて製造した。製造した７０ｍｍ角の実施例３の音響メタマテリアル１００について、実施例３と同様の方法により、遮音性能を評価した。１／３オクターブバンドで周波数特性を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。評価結果を図２０に示す。図２０（Ａ）は、六角形筒構造１５０の一辺の長さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、図２０（Ｂ）は、多角形筒構造１５０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。

図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）の結果から、六角形筒構造１５０の一辺の長さが短くなるにつれて、音圧レベルも高くなることが示された。この傾向は、実施例４に示したシミュレーションの結果に類似していることが明らかとなった。

［実施例６］
上述した変形例２の音響メタマテリアル３００を、Ｌ＝４ｍｍ、Ｗ＝６．９３ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ、Ｔｗ＝０．４ｍｍ、Ｔｂ＝０．４ｍｍ、及び柱状構造３７０の径φ＝２ｍｍ、高さＨｃ＝５ｍｍで設計し、実施例１と同様にモード１～モード１０を用いた、シミュレーションによる固有値解析を行った。

図２１は、モード１～５でのシミュレーション結果を示し、図２２は、モード６～１０でのシミュレーション結果を示す。また、各モードの固有値を表４に示す。

図２１及び図２２のシミュレーション結果より、音響メタマテリアル３００においては、実施例１の音響メタマテリアル１００の固有値が１６ｋＨｚから、６ｋＨｚへと低下し、シートの変形モードが変化することが明らかとなった。また、音響メタマテリアル３００においては、柱状構造３７０が左右に揺れ、壁部３３０はほとんど振動しなかった。

［実施例７］
実施例７として、柱状構造３７０の径φが固有値に与える影響を検討した。実施例６の音響メタマテリアル３００において、径φを１ｍｍ、２ｍｍ及び３．８ｍｍに設定して、シミュレーションによる固有値解析を行った。なお、柱状構造３７０の径φ以外のサイズは、実施例６の音響メタマテリアル３００と同じサイズとした。実施例７の音響メタマテリアル３００について、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図２３は、径φを１ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示し、図２４は、径φを２ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示し、図２５は、径φを３．８ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。また、各音響メタマテリアル３００について、柱状構造３７０の径φに対する固有値を図２６に示す。

図２６の結果より、柱状構造３７０の径φは、音響メタマテリアル３００の固有値には、あまり影響しないことが予測された。

［実施例８］
実施例８として、上述した実施例７の音響メタマテリアル３００を、ＮＯＶＡ３ＤのＵＶ硬化レジンを用いて製造した。実施例３と同様の方法により、実施例８の音響メタマテリアル３００の遮音性能を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。評価結果を図２７に示す。図２７（Ａ）は、柱状構造３７０の径が異なる音響メタマテリアル３００の周波数特性を示す図であり、図２７（Ｂ）は、柱状構造３７０の径と音圧レベルの関係を示す図である。

図２７（Ａ）及び図２７（Ｂ）の結果から、柱状構造３７０の径が、音響メタマテリアル３００の固有値には、あまり影響しないことが明らかとなった。

［実施例９］
実施例９として、柱状構造３７０の高さＨｃが固有値に与える影響を検討した。実施例６の音響メタマテリアル３００において、高さＨｃを２ｍｍ、５ｍｍ及び１０ｍｍに設定して、シミュレーションによる固有値解析を行った。なお、高さＨｃ以外のサイズは、実施例６の音響メタマテリアル３００と同じサイズとした。実施例９の音響メタマテリアル３００について、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図２８は、高さＨｃを２ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示し、図２９は、高さＨｃを１０ｍｍに設定した音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。また、各音響メタマテリアル３００について、柱状構造３７０の径φに対する固有値を図３０に示す。なお、高さＨｃを５ｍｍに設定した実施例６の音響メタマテリアル３００の固有値を用いた。

図３０の結果より、柱状構造３７０の高さＨｃが低い方が、音響メタマテリアル３００の固有値が高くなることが予測された。ここで、柱状構造３７０の径φが２ｍｍであり、高さＨｃがそれぞれ２ｍｍ、５ｍｍ及び１０ｍｍであることから、これらの径φに対する高さＨｃの割合（ｈ／ｄ）は、１、２．５及び５であることから、無次元突起高さｈ／ｄ＞１のときシートの振動は上下方向からロール方向になることが示された。

［実施例１０］
実施例８として、上述した実施例６及び９の音響メタマテリアル３００を、ＮＯＶＡ３ＤのＵＶ硬化レジンを用いて製造した。実施例３と同様の方法により、実施例１０の音響メタマテリアル３００の遮音性能を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。評価結果を図３１に示す。図３１（Ａ）は、柱状構造３７０の高さが異なる音響メタマテリアル３００の周波数特性を示す図であり、図３１（Ｂ）は、柱状構造３７０の高さと音圧レベルの関係を示す図である。

図３１（Ａ）及び図３１（Ｂ）の結果から、柱状構造３７０の高さは、音響メタマテリアル３００の音圧レベルには、あまり影響しないことが明らかとなり、シミュレーションとは異なる結果を示した。柱状構造３７０の高さｈｃ又は径φを調整することにより、１／３オクターブバンド（周波数特性）を調整可能であることが示された。

［実施例１１］
実施例１１として、柱状構造の数が固有値に与える影響を検討した。実施例６の音響メタマテリアル３００に基づいて、２つの柱状構造４７０を有する音響メタマテリアル４００と、３つの柱状構造５７０を有する音響メタマテリアル５００のシミュレーションによる固有値解析を行った。なお、柱状構造の数以外のサイズは、実施例６の音響メタマテリアル３００と同じサイズとした。実施例９の音響メタマテリアル４００と音響メタマテリアル５００について、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図３２及び図３３は、２つの柱状構造４７０を有する音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示し、図３４及び図３５は、３つの柱状構造５７０を有する音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。また、実施例６の音響メタマテリアル３００、実施例１１の音響メタマテリアル４００及び音響メタマテリアル５００の遮音性能を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。図３６（Ａ）は、柱状構造の数が異なる音響メタマテリアル３００～５００の周波数特性を示す図であり、図３６（Ｂ）は、柱状構造の数と音圧レベルの関係を示す図である。

図３２及び図３３の結果より、２つの柱状構造４７０を有する音響メタマテリアル４００においては、モード１～６（４８４５～６２８７Ｈｚ）では、２つの柱状構造４７０が互いに回転モーメントを打ち消しあっていることが明らかとなった。また、３つの柱状構造５７０を有する音響メタマテリアル５００においては、モード１～６（４２４５～５６３７Ｈｚ）では、３つの柱状構造５７０が互いに回転モーメントを打ち消しあっていることが明らかとなった。さらに、図３６の結果より、柱状構造の数が多い方が、音響メタマテリアルの、１／３オクターブバンド（周波数特性）及び音圧が高くなることが予測された。

［実施例１２］
実施例１２として、本発明に係る音響メタマテリアルにおいて、材料が与える影響について検討した。上述した実施例３等で用いたＮＯＶＡ３ＤのＵＶ硬化レジンに物性値が最も近いＡＢＳ樹脂と、ナイロン６（ＰＡ６）及びポリプロピレン（ＰＰ）を用いた固有値解析を行った。それぞれの材料の物性値を表５に示す。

固有値（共振周波数）に対する物性値の影響を検討すると、密度が小さいほど周波数が上がる傾向にあり、ヤング率が大きいほど周波数が上がる傾向にある。梁の縦振動の共振周波数ｆは、下記式（１）により表される。

式（１）において、Ｌは梁の長さ、Ｅはヤング率、ρは密度、λは端部の固定方法（境界条件）と柱の梁の断面形状で決まる定数である。
また、板の縦振動の共振周波数ｆは、下記式（２）により表される。

式（２）において、ａ、ｂは辺長、ｈは板厚である。

共振周波数ｆの式から、
・密度が１／２になれば、周波数は√２倍になる。
・ヤング率が２倍になれば、周波数は√２倍になる。
梁と板のそれぞれの共振周波数ｆの式から、定数Ｘ、Ｙを導入すれば、下記式（４）で表される。

式（４）より、ヤング率と密度を変更した場合（材料を変更）、共振周波数ｆは√（Ｅ／ρ）から予測可能である。予測結果及びそのときのＡＢＳ樹脂を１とした比を表５に掲載する。

実施例１２の音響メタマテリアル３００について、シミュレーションによる固有値解析を行った。なお、物性値以外は、実施例１の音響メタマテリアル１００と同じサイズとした。図３７は、ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示し、図３８は、ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示し、図３９は、ＰＰを用いた音響メタマテリアル１００のシミュレーション結果を示す。また、図４０に、各材料の音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す。表６に、各材料の音響メタマテリアルのモード１～１０での周波数の平均値（Ｈｚ）を示す。

図３７～図４０及び表６の結果より、材料が変わっても、振動モードは変わらないことが示された。また、材料が変わると、周波数が変わるが、ＡＢＳ樹脂に対して一定の変化率となることが示された。さらに、周波数の変化率は予測値とよく一致することが示された。

［実施例１３］
実施例１３として、柱状構造３７０を１つ有する音響メタマテリアル３００について、材料が与える影響をシミュレーションによる固有値解析により評価した。なお、物性値以外は、実施例３の音響メタマテリアル３００と同じサイズとした。図４１は、ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示し、図４２は、ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示し、図４３は、ＰＰを用いた音響メタマテリアル３００のシミュレーション結果を示す。また、図４４に、各材料の音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す。表７に、各材料の音響メタマテリアルのモード１～１０での周波数の平均値（Ｈｚ）を示す。

図４１～図４４及び表７の結果より、材料が変わっても、振動モードは変わらないことが示された。また、材料が変わると、周波数が変わるが、ＡＢＳ樹脂に対して一定の変化率となることが示された。さらに、周波数の変化率は予測値とよく一致することが示された。

［実施例１４］
実施例１４として、柱状構造４７０を２つ有する音響メタマテリアル４００について、材料が与える影響をシミュレーションによる固有値解析により評価した。なお、物性値以外は、実施例１１の音響メタマテリアル４００と同じサイズとした。図４５は、ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示し、図４６は、ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示し、図４７は、ＰＰを用いた音響メタマテリアル４００のシミュレーション結果を示す。また、図４８に、各材料の音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す。表８に、各材料の音響メタマテリアルのモード１～１０での周波数の平均値（Ｈｚ）を示す。

図４５～図４８及び表８の結果より、材料が変わっても、振動モードは変わらないことが示された。また、材料が変わると、周波数が変わるが、ＡＢＳ樹脂に対して一定の変化率となることが示された。さらに、周波数の変化率は予測値とよく一致することが示された。

［実施例１５］
実施例１５として、柱状構造５７０を３つ有する音響メタマテリアル５００について、材料が与える影響をシミュレーションによる固有値解析により評価した。なお、物性値以外は、実施例１１の音響メタマテリアル５００と同じサイズとした。図４９は、ＡＢＳ樹脂を用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示し、図５０は、ＰＡ６を用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示し、図５１は、ＰＰを用いた音響メタマテリアル５００のシミュレーション結果を示す。また、図５２に、各材料の音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す。表９に、各材料の音響メタマテリアルのモード１～１０での周波数の平均値（Ｈｚ）を示す。

図４５～図４８及び表８の結果より、材料が変わっても、振動モードは変わらないことが示された。また、材料が変わると、周波数が変わるが、ＡＢＳ樹脂に対して一定の変化率となることが示された。さらに、周波数の変化率は予測値とよく一致することが示された。

実施例１２～１５の結果より、本発明に係る音響メタマテリアルは、材料を変更しても、シミュレーションによる固有値解析におけるモード１～１０の形状に差異は生じないことが示された。この結果より、材質による１／３オクターブバンド（周波数特性）への影響は小さいと予想された。一方、材料により密度ρは異なるので、ＳＰＬ（音圧レベル）には、影響すると予想された。つまり、密度ρが大きな材料で音響メタマテリアルを形成すると（質量則により）、遮音性に優れることが明らかとなった。また、共振周波数は変化するものの、用いる材料の密度とヤング率から予測可能であることが示された。

［実施例１６］
実施例１６として、上述した実施形態に係る音響メタマテリアル２００を、Ｌ＝６ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ、Ｔｗ＝０．４ｍｍ、及びＴｂ＝０．４ｍｍで設計した。また、Ｌ＝１０ｍｍに変更した音響メタマテリアル２００も設計した。これらの音響メタマテリアル２００について、シミュレーションによる固有値解析を行った。実施例１と同様の方法により、モード１～モード１０を用いた解析を行った。

図５３は、Ｌ＝６ｍｍの音響メタマテリアル２００のシミュレーション結果を示し、図５４は、Ｌ＝１０ｍｍの音響メタマテリアル２００のシミュレーション結果を示す。また、図５５に、各音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を示す。

図５３～図５５の結果より、音響メタマテリアル２００においては、壁部２３０だけ振動し、シート２１０は振動しないことが示された。このような挙動から、正方形筒構造２５０を有する音響メタマテリアル２００は、正六角形筒構造１５０を有する音響メタマテリアル１００とは異なる振動の傾向を有することが示唆された。

実施例１６の音響メタマテリアル２００の遮音性能を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。図５６（Ａ）は、一辺の長さが異なる正方形筒構造２５０の音響メタマテリアル２００の周波数特性を示す図であり、図５６（Ｂ）は、正方形筒構造２５０の一辺の長さと音圧レベルの関係を示す図である。

図５６（Ａ）の結果より、正方形筒構造２５０の一辺の長さを６ｍｍとすることにより、６．３ｋＨｚ～１２．５ｋＨｚでの１／３オクターブバンド（周波数特性）が向上することが示された。一方、正方形筒構造２５０の一辺の長さは、音圧にはほとんど影響しないことが示された。

［実施例１７］
実施例１７として、柱状構造の数が固有値に与える影響を検討した。Ｌ＝１０ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ、Ｔｗ＝０．４ｍｍ、Ｔｂ＝０．４ｍｍ、及び柱状構造の径φ＝２ｍｍ、高さＨｃ＝５ｍｍで柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００を設計した。また、同様のサイズで、２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００及び４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００を設計した。実施例１６と同様にモード１～モード１０を用いた、シミュレーションによる固有値解析を行った。

図５７は、１つの柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００のシミュレーション結果を示し、図５８は、２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００のシミュレーション結果を示し、図５９は、４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００のシミュレーション結果を示す。

図５７のシミュレーション結果より、１つの柱状構造７７０を有する音響メタマテリアル７００においては、モード１で壁部７３０の振動が始まり、モード４で柱状構造７７０の振動が始まることが示された。また、図５８のシミュレーション結果より、２つの柱状構造８７０を有する音響メタマテリアル８００においては、モード１で壁部８３０の振動が始まり、モード２で柱状構造８７０の振動が始まることが示された。さらに、図５９のシミュレーション結果より、４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００においては、モード１で壁部９３０の振動が始まり、モード５で柱状構造９７０の振動が始まることが示された。即ち、音響メタマテリアル７００～９００においては、柱状構造と壁部は同時に振動しないことが示された。また、複数の柱状構造（２、４本）を有する音響メタマテリアルにおいては、複数の柱状構造が互いに打ち消しあうように振動することが示された（４つの柱状構造９７０を有する音響メタマテリアル９００でのモード１０を除く）。

実施例１６及び１７の各音響メタマテリアルについて、モードに対する周波数を図６０（Ａ）に示す。また、壁部及び柱状構造の振動開始周波数の関係を図６０（Ｂ）に示す。図６０（Ａ）の結果より、柱状構造の数が増えるほど周波数が低下することが示された。また、図６０（Ｂ）の結果より、柱状構造の数は壁部が振動を開始する周波数には影響しないことが示され、柱状構造の数が増えるほど、柱状構造の振動が開始する周波数が下がることが示された。

実施例１６及び１７の音響メタマテリアルの遮音性能を評価した。また、音圧レベル（ＳＰＬ）を評価した。図６１（Ａ）は、正方形筒構造において、柱状構造の数が異なる音響メタマテリアルの周波数特性を示す図であり、図６１（Ｂ）は、正方形筒構造に配置した柱状構造の数と音圧レベルの関係を示す図である。

図６１（Ａ）の結果より、正方形筒構造に配置した柱状構造の数が、５ｋＨｚ～１６ｋＨｚでの１／３オクターブバンド（周波数特性）に影響することが示された。一方、正方形筒構造に配置した柱状構造の数が増えると、音圧レベルが僅かに向上することが示された。

［実施例１７］
変形例１７として、シートの背面に配置した凹凸形状が固有値に与える影響を検討した。Ｌ＝４ｍｍ、Ｗ＝６．９３ｍｍ、Ｈ＝１５、Ｔｗ＝０．４ｍｍ、Ｔｂ＝０．５５ｍｍ、及び凹凸形状１０８０の深さｄ＝０．１６ｍｍを有する音響メタマテリアル１０００を設計した。実施例１と同様にモード１～モード１０を用いた、シミュレーションによる固有値解析を行った。図６２は、モード１～５でのシミュレーション結果を示し、図６３は、モード６～１０でのシミュレーション結果を示す。

また、実施例１の音響メタマテリアル１００と、実施例１７の音響メタマテリアル１０００（ｔｅｘｔｕｒｅ ｆｉｎｅ：凹凸形状１０８０の三角形の１辺が２ｍｍ）及び（ｔｅｘｔｕｒｅ ｍｉｄ：凹凸形状１０８０の三角形の１辺が４ｍｍ）についてのシミュレーションを図５９に示す。図６４（Ａ）は、凹凸形状１０８０の一辺の長さが異なる音響メタマテリアル１００の周波数特性を示す図であり、図６４（Ｂ）は、凹凸形状１０８０の一辺の長さがと音圧レベルの関係を示す図である。

図６２～図６４の結果より、凹凸形状１０８０は、音響メタマテリアル１０００の遮音性能には影響しないことが示された。この結果より、遮音性に影響しない細かい凹凸形状１０８０であれば、内装トリムの表面シボとして利用可能であることが示された。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態の品質管理システム又は品質管理プログラムを基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。さらに、上述した各実施形態は、相互に矛盾がない限り適宜組み合わせが可能であり、各実施形態に共通する技術事項については、明示の記載がなくても各実施形態に含まれる。

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１００ 音響メタマテリアル、１１０ シート、１１１ 面、１３０ 壁部、１５０ 多角形筒構造、２００ 音響メタマテリアル、２１０ シート、２１１ 面、２３０ 壁部、２５０ 正方形筒構造、３００ 音響メタマテリアル、３１１ 面、３３０ 壁部、３５０ 多角形筒構造、３７０ 柱状構造、４００ 音響メタマテリアル、４１０ シート、４１１ 面、４５０ 正六角形筒構造、４７０ 柱状構造、５００ 音響メタマテリアル、５１０ シート、５１１ 面、５５０ 正六角形筒構造、５７０ 柱状構造、６００ 音響メタマテリアル、６１１ 面、６５０ 正六角形筒構造、６７０ 柱状構造、７００ 音響メタマテリアル、７１１ 面、７３０ 壁部、７５０ 正方形筒構造、７７０ 柱状構造、８００ 音響メタマテリアル、８１１ 面、、８３０ 壁部、８５０ 正方形筒構造、８７０ 柱状構造、９００ 音響メタマテリアル、９１１ 面、９３０ 壁部、９５０ 正方形筒構造、９７０ 柱状構造、１０００ 音響メタマテリアル、１０１０ シート、１０１５ 面、１０３０ 壁部、１０８０ 凹凸形状

Claims (6)

1. 弾性を有するシートと、
   前記シートの面に立設した弾性を有する複数の多角形筒構造と、を備え、
   前記シートと前記複数の多角形筒構造とで構成された一体構造を有する、音響メタマテリアル。
2. 前記複数の多角形筒構造の各々の多角形筒構造は、隣接する多角形筒構造と共有する壁部を有し、
   前記複数の多角形筒構造が前記シートの前記面を敷き詰めるように配置される、請求項１に記載の音響メタマテリアル。
3. 前記シートと、前記複数の多角形筒構造とは、同一の材料が連続して配置された前記一体構造を有する、請求項１に記載の音響メタマテリアル。
4. 前記複数の多角形筒構造により囲まれた前記シートの前記面に、少なくとも１つの柱状構造をさらに備える、請求項１に記載の音響メタマテリアル。
5. 前記複数の多角形筒構造により囲まれた前記シートの前記面に、２つ以上の柱状構造を備える、請求項１に記載の音響メタマテリアル。
6. 前記複数の多角形筒構造は、六角形筒構造である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の音響メタマテリアル。