JP3242931B2 - 可変帯域幅を有するλ／４吸収器 - Google Patents

可変帯域幅を有するλ／４吸収器

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    • 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
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、共振器の開口部が音響反射面に隣接する多
数の管状λ/4共振器を備えた、機械から、とくに車両か
ら発生するような音響を吸収するためのλ/4吸収器に関
する。
現代の自動車および機械工業の努力は、機械または車
両から発生した騒音を低減または完全に消去することに
ある。今日では音響を吸収するために、本質的に繊維吸
音材または開放気孔型発泡材からなるマットが使用さ
れ、このマットが騒音源の周囲に配設され、または前記
音響源の直接周辺に取り付けられている。ところが汚れ
の激しい周囲環境における前記マットの使用は、油、水
または粉塵がこの開放気孔型材料に急速に堆積し、それ
により前記材料の吸音作用が失われるので、制約されて
いる。
また多数の異なる寸法を有するヘルムホルツ共鳴器か
らなる吸音器を配列することが知られている。このよう
なヘルムホルツ共鳴器は、実際上さまざまな理由から実
現されていない。とくにこのようなヘルムホルツ共鳴器
は、その寸法決めおよび／または製造が困難であり、汚
れの激しい周囲環境で使用できるようにするには不適切
である。
このため、すでに多数の管状の共振器からなる吸音器
が提案されている。この管状共振器は、発生する汚れま
たは水分がその中に侵入できないような方法で取り付け
ることができる。さらに前記管状共振器は、その音響動
作方式がヘルムホルツ共鳴器と異なり、専門家にはλ/4
共振器の名称で知られている。その違いは、本質的に、
共振器内に同時に発生する空気の質量および圧縮性にあ
り、とくにλ/4共振器の場合では共振周波数が直接定在
波により決定され、この定在波の波長が管状共振器の長
さの４分の１になるのに対し、ヘルムホルツ共鳴器の音
響動作方式と共振がばね質量系により説明および決定さ
れなければならないことで識別できる。
英国特許第２ 038 410号公報には、飛行機のエンジ
ンのための音響的に効果のある裏張りが記載されてお
り、かかる裏張りでは、多数のヘルムホルツ吸収器がλ
/4共振器に結合されている。これらの共振器は、最大の
吸収能力を達成するために、できるだけ隙間なく集めら
れている。これらの共振器の音響の開口は、外部の音響
領域との音響的な結合を改善するために、（比較的高い
音響的抵抗を有する）不織布または小孔が形成された金
属製シートで覆われている。なお、小孔によって、個々
の中空体を音響的に結合することが示唆されている。こ
の配置は、標準的なヘルムホルツ共振器と同様の効果を
有しているが、すべてのヘルムホルツ共振器は、音響エ
ネルギーを内部で浪費する。
ドイツ特許第94 08 118号公報には、多孔性吸収材
料が挿入された、複数の筒状を呈する凹部または通路を
有する音響吸収器が記載されている。個々のλ/4チュー
ブの開口は、多孔性泡状物、不織布または薄いホイルで
覆われている。好ましい実施例では、隙間の全体または
一部にさらに音響吸収材料が満たされている。
実際のヘルムホルツ共鳴器の実施態様では、共鳴周波
数を予測するために講じられるさまざまな前提条件を実
現することができない。たとえばヘルムホルツ共鳴器の
壁は、この壁が共鳴時の圧力変動下で変形しないような
剛性で取り付けることができず、また空気質量をヘルム
ホルツ共鳴器のネック部で正確に同定することができな
い。つまりヘルムホルツ共鳴器に比べλ/4共振器の長所
は、本質的に吸収作用の正確な予測性、少ない汚れの危
険、および簡易な寸法決めや製造に見ることができる。
このようなλ/4吸収器は、たとえば国際公開WO96/232
94号公報に記載されており、当該吸収器は多数の管状の
共振器を含み、その音響開口部は、個々の共振器開口部
の相互作用ゾーン（この中で発生する音波および個々の
共振器で形成された定在波が破壊的に干渉する）が可能
な限り全面を覆いながら分布し、それと同時に本質的に
重なり合わないような平面上にて隣接する。このような
λ/4共振器は、基本的にその共振周波数foの狭い周波数
帯域で吸収する。この周波数の帯域幅は、共振器の共振
の鋭さＱに依存し、または共振器に発生するエネルギー
損失の量に依存する。λ/4吸収器は、前記国際公開WO96
/23294号公報に記載されているように、たとえば金属、
プラスチック、セラミックまたはガラスのような反響性
の高密度材料に埋め込むことができる。このような吸収
器の実際上の適用では、多数の共振器でより広い周波数
帯域を達成しなければならない場合、簡易な方法でその
エネルギー損失に影響を与えることができることが重要
である。特定の実施態様において、たとえば一枚のプレ
ートが補完されている深絞り半管の場合ではエネルギー
損失が非常に小さい。すなわち共振の鋭さＱと終端イン
ピーダンスが非常に高くなる。これは望ましくない狭い
共振吸収曲線をもたらす。
このため本発明の目的は、音響的に高効率の可変帯域
幅を有するλ/4吸収器を簡易な方法で製造できるように
することである。
これは本発明に基づき請求の範囲第１項の特徴を有す
るλ/4吸収器により達成される。とくにλ/4共振器の開
口部領域の音響インピーダンスＺ開口を小穴をあけたヘ
ッド部により高め、または底部領域の追加のエネルギー
損失を、軟質材および／または熱交換材を挿入すること
により発生させてZTを低減することにより達成される。
すなわちこれは、圧力変動が非常に大きくなる共振器の
底部領域で空気との大きな接触面を有するヒートシンク
が具備されることにより達成できる。このようなヒート
シンクは、圧力変動により発生した空気の温度変化から
熱を吸収および排出することができる任意の材料により
形成される。防音分野の専門家は、このような材料を充
分に多く知っている。このほかの実用的な方法は密閉気
孔型粘弾性発泡材からなる詰め物の使用に見られる。
もう１つ別の方法は−低い−空気流れ抵抗、たとえば
“格子”を取り付けながら、開口部領域のエネルギー損
失を発生させることである。カバープレートを備えた深
絞りフィルムからなる実施態様では開口端を取り除か
ず、小穴をあけることのみで前述のような“格子”を作
ることができる。
開口部領域の空気の流れを阻止することにより、λ/4
吸収器は基本的にその吸収性能が損なわれず、これによ
り吸収が共振周波数応答の大きい帯域幅で達成できると
いう驚くべきことが判明している。
すなわち本発明は、初めて効率的なλ/4吸収器を工業
的に、すなわちコスト的に好ましい製造を可能にする。
さらに本発明は、広い共振周波数帯域を形成する複数の
さまざまに寸法決めされたλ/4共振器を開口部領域およ
び／または底部領域で本発明に基づく高い音響エネルギ
ー損失と組み合せながら、簡易な方法で多周波吸収器の
配列を可能にする。
以下、本発明を図面と実施例を利用してより詳しく説
明する。各図面はつぎのとおりである。
図１はλ/4共振器の動作方式の原理図、 図2aは本発明に基づくλ/4吸収器の吸収特性図、 図2bは本発明に基づく多周波吸収器の吸収特性図、 図3aは本発明に基づくλ/4吸収器のためのスリット付
ヘッド部を備えた共振器の第１実施態様の斜視図、 図3bは本発明に基づくλ/4吸収器のためのスリット付
ヘッド部を備えた共振器の第２実施態様の斜視図、 図3cは本発明に基づくλ/4吸収器のための底部領域で
熱交換材を使用した共振器のもう１つ別の実施態様の斜
視図、 図3dは開口部領域および底部領域が互いに傾斜してい
る共振器の特別の実施態様の斜視図、および 図４は本発明に基づくλ/4吸収器の実用上の一実施態
様の斜視図である。
本発明に基づくλ/4吸収器１の原理上の動作方式を、
図１を利用してより詳しく説明する。この図から、λ/4
共振器２の開口部が音響反射面Ａにあることがわかる。
以下、ZOは空気の特性インピーダンスを表すものとす
る。底部領域３の音響インピーダンスは、以下、ZTで表
し、この簡略化したモデルでは、共振器内部の全ての音
響エネルギー損失を含む（ZTは共振の鋭さＱに比例す
る）。λ/4共振器２の所定の長さｌおよび所定の断面積
S2に対して、反射面Ａに相互作用ゾーンS1が形成され、
この相互作用ゾーンS1で、外来の音波が共振器２で形成
された定在波と破壊的に干渉する。この相互作用ゾーン
S1は、“等価吸収面”としても知られている。吸収率が
100％の場合は、本質的に相互作用ゾーンS1の領域の音
響インピーダンスは、空気の特性インピーダンスZOに相
当することになろう。さらにλ/4共振器２の開口部領域
４の吸収率が100％の場合、音圧と粒子の流れが連続的
であると仮定すると、簡単な次式を立てることができ
る。
S1/S2＝ZT/ZO この式は、前述の国際公開WO96/23294号公報に記載さ
れているように、平面に対して垂直になる共振器のみな
らず、同様に平面に隣接してまたはその中に組み込まれ
た共振器にも同様に当てはまる。前記式が満たされない
場合、その吸収率は100％にならない。すなわち反射面
Ａでの反射または共振器底部３での反射のいずれかに支
配される残響となる。つまり吸収性能の高い吸収器１を
構成しようとするならば、S1、S2およびZTは自由に選択
可能ではなく、互いに調整されていなければならない。
さらに周波数応答の望ましい帯域幅はZTの値を決定す
る。これによりZTとともに共振器内のエネルギー損失を
所望の方法で調整できるようにすることが重要である。
これは本発明に基づき、λ/4共振器の底部領域に軟質
の、すなわち粘弾性の密閉気孔形の発泡材またはその他
の熱交換材を使用することで達成することができる。前
記材料は圧力変動が高い場合、エネルギーを散逸させる
すべての材料から選択することができる。
たとえば面積比がS1/S2＝25になる共振器２を選択す
ると、100％吸収するためのインピーダンス比はZT/ZO＝
25になる。ZOは空気の特性インピーダンスに相応するの
で、すなわち約400Ns/m3の値を有するので、底部領域に
必要な音響インピーダンスZTは、約25×400Ns/m3にな
る。残念ながらこのように高い値のインピーダンスは今
日まだ実現することが困難である。
さらに本発明は、共振周波数において底部領域３のイ
ンピーダンス比ZT/ZOと、開口部領域４のインピーダン
ス比ZO/Z開口についてつぎの関係が当てはまるという認
識が利用されている。
ZT/ZO＝ZO/Z開口 この式は、λ/4共振器２の底部領域３のエネルギー損
失を増加させる代りに、同様に前記λ/4共振器の開口部
領域４のエネルギー損失を増加してもよいという驚くべ
き見解をもたらしている。
これによりS1/S2＝25が選択されている前記例では、
インピーダンス比ZO/Z開口＝25またはＺ開口＝1/25×ZO
＝1/25×400Ns/m3が生じる。この値は、たとえば目の粗
い格子（金網）の流れ抵抗または音響インピーダンスに
相当し、これにより簡易な方法で、すなわち工業的に実
現することができる。
しかし基本的に共振器の各箇所に適切な空気の流れ抵
抗を挿入することにより、所望のエネルギー散逸を引き
起こすことができる。
前述した考察は、図2aに示したように、実験による測
定で実証することができる。図2aの曲線Ｃは、深さ84mm
および内径14mmを有する、面積比S1/S2＝50を有するλ/
4吸収器の周波数応答を示し、この周波数応答は音響エ
ネルギー損失を増加させるための手段をもたない。この
共振器の周波数応答または吸収特性は、わずか5.1％の
帯域幅BCを有する。
図2aの曲線Ｄは、本発明に基づき音響的に最適化され
たλ/4吸収器の周波数応答を示す。この吸収器では、面
積比がS1/S2＝25を有し、音響特性は約11％の帯域幅BD
になる。
この曲線は、共振器２の開口部領域４および／または
底部領域３の空気の流れ抵抗または音響インピーダンス
を変化させることにより周波数応答域Ｂに影響を及ぼす
ことができると同時に、ほぼ100％の吸収率を実現する
ことができる。
図2bは本発明に基づく多周波吸収器の吸収特性を明確
に示す。さまざまな共振周波数をもつ従来のλ/4共振器
（狭帯域吸収器）を使用する場合、曲線Ｖが示すような
吸収特性を示す。曲線Ｖは、個々の狭帯域吸収器により
発生した吸収特性S1、S2およびS3の合計から生じる。こ
の曲線Ｖは、従来の狭帯域吸収器により作られた多周波
吸収器の欠点を明らかに示す。この曲線Ｖは、個々の熱
帯域吸収器の周波数応答に沿い、対応する共振周波数
f1、f2およびf3のあいだで大幅に減少する。すなわち前
記中間領域における吸収がわるくなる。これに対し本発
明に基づくλ/4吸収器により、一定の高い吸収性能を有
する広い吸収帯域Ｗを提供することができる。図2bか
ら、本発明に基づくλ/4吸収器は、従来の狭帯域吸収器
に比べ、より大きい帯域幅Ｂをもつことが明らかであ
る。これは、多周波吸収器で個々の共振周波数f1、f2お
よびf3のあいだにある領域で個々のλ/4吸収器の吸収特
性T1、T2およびT3の充分な重なりを生じさせる。この重
なりは、本発明に基づく各個別の吸収器で発生した吸収
T1、T2およびT3の合計Ｗが共振周波数f1、f2およびf3の
あいだの領域でもほぼ100％の吸収率を生ぜしめる。こ
のことを曲線Ｗが明らかに示す。またこれにより、本発
明に基づくλ/4吸収器で任意の吸収特性を有する多周波
吸収器を構成できることが明らかである。
図3a、3b、3cおよび3dは、本発明に基づくλ/4吸収器
の実施態様を示す。図3aから、共振器２がヘッド部５を
有し、このヘッド部の中に多数の小穴、とくにスリット
６を組み込んでいることがわかる。前記ヘッド部５の代
りにまたは前記ヘッド部を補完して、本発明に基づき共
振器２の底部領域３に軟質材または熱交換材７を取り付
けることができる（図3a、3c）。格子状のヘッド部５の
もう１つ別の実施態様で、スリット状の小穴６の代りに
穴８を設けることもできる（図3b）。共振器２の幾何学
形状、熱交換材７の選択および小穴６、８の形状、寸法
および数は、当業者の実施の範囲内にある。図3dに、λ
/4共振器が２つの台形状の側面を有する中空体として形
成されている特別の実施態様を示す。これは、開口部領
域４の開口面および底部領域３の底面を互いに傾斜させ
ている。これにより、たとえば所定の方法で底部領域３
の平面を拡大でき、それとともに前記底部領域の散逸作
用に影響を与えることができる。このような方法で開口
部領域４の平面を傾斜させることができる。適切なエネ
ルギー散逸材料７として空気に対し比較的大きい熱容量
と可能な限り大きい表面積を有する材料、たとえば小室
を有する開放気孔形発泡材、綿状の繊維材料、粒子状の
材料または多孔セラミック材料のような材料が考慮され
ている。軟質材として密閉気孔形の粘弾性発泡材または
その他の材料が考慮され、これらの材料は高い圧力変動
によってエネルギーを散逸する。
図４は、多数の異なる寸法を有する共振器２を備え
た、もう１つ別の工業的に簡易な方法で実現できる多周
波吸収器９を示す。これは好ましい一実施態様におい
て、ウール繊維または発泡材から製造された支持層10を
有し、この支持層の中に管状の凹部11が成形される。こ
の管状の凹部11は、一方でこの領域において支持層10の
小孔を密閉し、他方でこの支持層10にカバーフィルム13
を固定するために、接着層12で被覆することができる。
本発明に基づく穴８またはスリット６は、このカバーフ
ィルム13に設けることができる。特定用途向けには、成
形された支持層10をカバーフィルム13で覆う代りに、固
定した外層パネルまたはエンジンフードに取り付け、成
形した支持層10の領域14に小穴８、６を取り付けること
も考慮されている。
本発明に基づくλ/4吸収器は、簡易な方法で工業的に
製造することができる。とくにこの吸収器は、たとえば
第２プレートでカバーされる管状の凹部を有する押出成
形プレートとして製造される公知の方法で押出成形する
ことができる。それぞれの適用範囲に応じて、本発明に
基づく前記吸収器は、深絞りまたは射出成形技術を利用
しても製造することができる。もう１つ別の製造形態で
は、本発明に基づく小穴を設けた段ボール状の材料を使
用することができる。
当然ながら、それぞれの用途に応じて本発明に基づく
λ/4共振器は、適切な方法で寸法決めし、および／また
は広帯域吸収器を形成するためにさまざまに寸法決めさ
れたλ/4共振器を互いに組み合わせることもできる。ま
た当然ながら、本発明に基づく共振器は、個々に、また
は同種の共振器（単一周波吸収器）を備えたグループと
して、またはさまざまな寸法を有する共振器（多周波吸
収器）を備えたグループとして製造および使用すること
ができる。もちろん本発明に基づく吸収器は、従来の繊
維または発泡材を用いた吸収器とも組み合わせることが
でき、とくに前記吸収器を吸収の減少する低周波領域で
効率的となるように調整することができる。前記吸収器
の好ましい適用は、変圧器、発電器、変速機またはその
他各種の機械と同様に、陸上車両および航空機にも考慮
されている。
自動車の構造における適用は、とくにエンジンフー
ド、フロントウォールおよびホイールハウスの吸収部材
に、とくにエンジン側、ルーフライニング、ドアライニ
ングまたはドア中空体およびトランクリッドに、商用車
またはトラックの積載領域におけるルーフまたはウォー
ルなどである。当然ながら前記吸収器は、高層建築また
は道路建設にも使用することができる。とくに住宅およ
び作業空間の壁および天井、工場ホール、スポーツ施
設、トンネルまたは道路沿いまたは鉄道沿線の防音スク
リーンに使用することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10K 11/16 B60R 11/02 E01F 8/00 E01F 8/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】外来の音波がλ/4共振器２で形成された定
    在波と破壊的に干渉する、個々の共振器の開口部の相互
    作用ゾーンが、できる限り音響反射面を覆うとともに互
    いにオーバーラップしないように、前記個々のλ/4共振
    器の開口部が互いに離間するλ/4共振器であって、共振
    器の開口部が音響を反射する平面Ａに隣接する複数の管
    状λ/4共振器２を備え、機械から、とくに自動車から発
    生する音響を吸収するためのλ/4吸収器であり、 前記個々のλ/4共振器２の共振周波数応答Ｃ、Ｄの帯域
    幅Ｂを調整するために、前記共振器が音響エネルギー損
    失を変化させる手段を開口部領域４に具備しており、該
    手段が、目の粗い格子の空気流れ抵抗とほぼ等しい低い
    空気流れ抵抗を有するλ/4吸収器。
  2. 【請求項２】前記開口部領域４のエネルギー損失を変化
    させるための手段６が、複数のスリット状の小穴６を有
    するヘッド部５を含む請求の範囲第１項記載のλ/4吸収
    器。
  3. 【請求項３】前記開口部領域４のエネルギー損失を変化
    させるための手段８が、複数の穴状の小穴８を有するヘ
    ッド部５を含む請求の範囲第１項記載のλ/4吸収器。
  4. 【請求項４】前記開口部領域４のエネルギー損失を変化
    させるための手段６、８が、格子状のヘッド部５を含む
    請求の範囲第１項記載のλ/4吸収器。
  5. 【請求項５】前記ヘッド部５が、λ/4吸収器２に組み込
    む構成要素である請求の範囲第２項、第３項または第４
    項記載のλ/4吸収器。
  6. 【請求項６】前記λ/4共振器２の底部領域３でエネルギ
    ー損失を変化させるための手段７が具備されている請求
    の範囲第１項記載のλ/4吸収器。
  7. 【請求項７】前記底部領域３でエネルギー損失を変化さ
    せるための手段７が、共振器２の底部に具備された軟質
    材および／または熱交換材を含む請求の範囲第６項記載
    のλ/4吸収器。
  8. 【請求項８】前記開口部領域４および底部領域３が互い
    に傾斜している請求の範囲第１項、第２項、第３項、第
    ４項、第５項、第６項または第７項記載のλ/4吸収器。
  9. 【請求項９】多周波吸収器としての請求の範囲第１項、
    第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項また
    は第８項記載のλ/4吸収器の使用方法。
  10. 【請求項１０】単一周波吸収器としての請求の範囲第１
    項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項
    または第８項記載のλ/4吸収器の使用方法。
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