JP3478899B2 - 吸遮音構造体 - Google Patents

吸遮音構造体

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、吸遮音構造体に関す
るものである。特に、一般の建築物の壁、間仕切又は窓
等に有用なものに係る。
【0002】
【従来の技術と課題】近年、騒音は、大きな社会問題と
なっており、人口密集地域や、高齢者の多い地域では、
生活騒音や音響機器の出力を大きくして聞く機会が増え
る等の理由から、近隣騒音の問題の解決が切望されてい
る。従来から、住宅等の建物に用いられる遮音材料とし
ては重量の大きい材料、たとえば鉛板又はコンクリート
等が用いられてきている。これら材料の音響透過損失
は、次の式で近似される。
【数4】
【0003】これは、質量則として知られているもので
あり、音響振動による材料の歪が10-6〜10-7のオー
ダーである小さな歪領域においては、材料の大部分は線
形弾性歪領域で作動し、その音響エネルギー損失を生ず
るものは物体の振動による運動エネルギーのみに基づく
ことから得られたものである。このような運動エネルギ
ーのみに基づく音響エネルギー損失には実用的にも大き
な制約があった。
【0004】これらとは別に、ロックウール,ガラスウ
ール等の多孔質繊維材料も吸音効果がある材料として一
般的に用いられている。しかしながら、この多孔質繊維
材料の場合には、ロックウールを用いた場合の図1の流
れ抵抗値と各周波数の垂直入射吸音率との関係、並びに
図2(a)に示したロックウールの場合の各周波数の垂
直入射吸音率及び図2(b)に示したセラミック処理し
たロックウール(図3(a)(b)はその顕微鏡写真)
の場合の各周波数の垂直入射吸音率から明らかなよう
に、500Hzを超える周波数領域では30〜50%の
吸音効果が得られるが、500Hz未満の低い周波数領
域においては、気媒体の振動速度が小さいため、材料
との相互作用が小さく、低周波数領域では、吸音効果が
認められなかった。このため、低周波数領域では、振幅
に比例して損失の発生する新しい吸遮音材料の実現が求
められていた。
【0005】また、二重壁からなる構造が通常の遮音壁
として使用されているが、この二重壁はその壁の質量と
その間の空気バネによって生じる共振現象および斜めに
入射した音と材料の曲げ固有振動との共振によるコイン
シデンス効果により、この測定例では図4に示したよう
に200Hz及び3200Hz近傍で音響透過損失が大
きく低下する。しかしながら、従来、この損失の低下を
防ぐための手段としては、前記のような質量則に従う質
量の大きな材料を使用する方法しかなく、建築構造およ
び施工上の問題となっていた。
【0006】このように、従来の各種の吸遮音手段には
各々の制約、問題があるため、より簡便に、かつ、軽量
材の使用によってより大きな吸遮音効果を実現すること
が重要な課題となっていた。そこでこの発明は、以上の
事情に鑑みてなされたものであって、既存の質量則に従
う重い吸遮音材料ではなく、施工の容易な軽量材料の使
が可能で、低周波成分の音をも効率良く吸音できる
しい吸遮音構造体を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、二重壁の内側に多孔質繊維吸音
材を設け、その多孔質繊維吸音材の間に一層又は複数層
の導電層を有する圧電フィルムを音響エネルギーにより
振動できる状態で設け、前記導電層と前記圧電フィルム
を、その圧電フィルムの振動時に発生する電荷を消費さ
せるように電気的に接続したことを特徴とする吸遮音構
造体を提供する(請求項1)。
【0008】前記圧電フィルムは、その機械的共振周波
数と電気接続による電気的共振周波数が一致されている
ことが望ましい(請求項2)。また、圧電フィルムは、
表面抵抗率が10-1〜105 Ω/cm2 であることが望
ましい(請求項3)。さらに、圧電フィルムは、これに
孔が設けられ、その表裏面に導電材料コーティングがさ
れているとともにその圧電フィルムの表裏が電気接続さ
れていることが望ましい(請求項4)。前記圧電フィル
ムの電気回路について、圧電フィルムの電気容量をC、
振動周波数をωとすると、次式
【数5】 を満たすように、前記導電材料コーティングによる抵抗
率と貫通孔の間隔とが設定されていることが望ましい
(請求項5)。さらにこの発明は、圧電フィルムに接続
された電気回路が、抵抗RとインダクタンスLとを含む
ことが望ましい(請求項6)。さらに、前記圧電フィル
ムに電気接続された電気回路は、圧電フィルムの電気容
量をC、振動周波数をω、インダクタンスLとすると、
次式
【数6】 を満たすことが望ましい(請求項7)。さらに、インダ
クタンスLの代わりにC、Rの共振回路を用い、その共
振周波数ωが、次式
【数7】 であることが好ましい(請求項8)。
【0009】
【作用】請求項1の発明では、上記構成によって、二重
壁の中に透過したすべての周波数を含む入射音は、二重
壁の間で繰り返し反射される間に、高周波成分が多孔質
繊維吸音材により吸収され、残った低周波成分は圧電フ
ィルムを良く振動させ、圧電フィルムの振動・電気変換
及び電気回路の抵抗による熱エネルギー消費によって吸
収される。また、圧電フィルムの振動時に発生する電荷
により生じる応力に基づく圧電フィルムの非線形振動
(マックスウェル効果)により、音の低い周波数が高次
側に変換され、この高い周波数の音は多孔質繊維吸音材
により効率的に吸収される。 すなわち、この発明では、
二重壁の内側の多孔質繊維吸音材の間に圧電フィルムを
自由振動可能に配置して、入射する音響エネルギーによ
り圧電フィルムを振動させ、音響エネルギーの一部は直
接熱エネルギーに変換して消費させ他は非線形効果に
より高い周波数の音響エネルギーを変換し、これを二重
壁の多孔質繊維吸音材により熱エネルギー変換して吸収
させる。
【0010】電気回路に接続された圧電フィルムの吸音
効果は、既知のように、二重壁の機械振動と電気回路の
共振周波数が一致したときに最大となる。
【0011】また、請求項3の発明のように、圧電フィ
ルムの導電材料の抵抗値が10-1〜105 Ω/cm2
ある場合は、抵抗値が電気共振周波数に合わせ易く、熱
損失に最適であるため、発生する電荷が抵抗体により消
費される効率が大きい。例えば圧電高分子フィルムPV
DFの電極抵抗と損失(PVDF(d31)30μm厚)
を示した図5は、電気的に低抵抗で圧電フィルムの表裏
の導電層を接続したものであるが、抵抗値が100 Ω/
cm2 以下では抵抗損失が小さく、また105 Ω/cm
2 以上では電荷が移動しにくくなるため、やはり損失が
小さくなる。最適抵抗値としては、圧電高分子フィルム
の等価回路とその一次側に換算した等価回路を示した図
6に従い、圧電フィルムの振動部分の機械的等価インピ
ーダンスとして電気容量C0 、インダクタンスL0 、抵
抗R0 、負荷抵抗RL 、負荷容量CL に対して、
【数8】 を満足するように電気抵抗値を選択するとよい。このた
め、圧電フィルムに適当な間隙で孔をあけ、導電材料を
コートするときに同時に電気的な接続をすることが良
い。これにより、振動損失が大きい圧電フィルムが得ら
れる。また、この時、図6からもわかるように、抵抗体
と並列又は直列にインダクタとキャパシタを挿入し、必
要とされる周波数で特に透過損失を大きくすることも有
効である。
【0012】なお,図7(a)(b)は、高分子圧電フ
ィルム(PVDFd31:30μm厚)の周波数とtan
δとの関係、そして振動損失の理論式による結果を示し
ている。さらにまた、この発明では、圧電フィルムは小
片として使用してもよい。この場合には、等価回路のL
0 、R0 が小さくなるため、音響損失低下する低い周
波数で必要とされる抵抗値が大きくてもよく、Al、A
u等のスパッタ膜を使用する必要がなく、安価な印刷抵
抗が使用できる。小片の圧電フィルムとロックウール等
を混ぜて使用すると便利である。
【0013】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。
【0014】
【実施例】実施例1 この発明の圧電型吸遮音構造体を用いて、残響室におけ
る音響透過損失の測定を行った。この実施例で用いた圧
電型吸遮音構造体は図8に例示するとり、厚さ9mm
の2枚の石膏ボード(1)と中間吸音材として厚さ15
mmのセラミック処理されたロックウール(2a)およ
び通常の5mm厚のロックウール(2b)と厚さ30μ
mの2枚の導電抵抗が1Ω/cmである圧電フィルム
(3)とそれら圧電フィルム(3)間に接続された外部
抵抗(4)、(5)とからなる圧電型吸遮音構造体であ
って、そのロックウール(2)の両端から内側に5mm
程度離した位置に圧電フィルム(3)を石膏ボード
(1)に平行に配設している。また、リード線(6)に
外部抵抗(4)、(5)を取り付けてある。
【0015】この構造において、外部抵抗の抵抗値を
1)0.6Ω、2)1.3Ω、3)2.8Ωの3つの場
合に変化させた。その結果は図9に示したが、図中の黒
丸は、外部抵抗を0.6Ωとした時の結果を表わし、白
抜き四角は、外部抵抗を1.3Ωとした時の結果を表わ
し、白抜き丸は、外部抵抗を2.8Ωとした時の結果を
表わしている。さらに、実線は比較としての質量則を用
いた時の結果を表わしたものである。
【0016】この図9より、測定した全周波数におい
て、この発明の構造体の場合、従来のような質量則から
得られる値よりも透過損失が大きく、音響透過損失に優
れていることがわかる。
【0017】比較例 PETフィルムを吸音材料に用いて、残響室における音
響透過損失の測定を行った。
【0018】この場合の吸音構造体は、図10に例示し
た通り、厚さ9mmの2枚の石膏ボード(1)と中間吸
音材である厚さ15mmのセラミック処理したロックウ
ール(2c)および通常の厚さ5mmのロックウール
(2b)と厚さ30μmの2枚のPETフィルム(7)
から構成し、平行して配設された石膏ボード(1)の間
にロックウール(2)を挾み、そのロックウール(2)
の両端から内側に5mm程度離した位置にPETフィル
ム(7)を石膏ボード(1)に平行に配設している。
【0019】測定の結果を図11に示した。図中の黒丸
は、PETフィルムを用いた吸音材の結果で、実線は質
量則から得られる結果である。この図11と図9の比較
より、測定した全周波数において、PETフィルムは質
量則によるものに比べて優れているものの、この発明の
圧電型吸遮音構造体は、PETフィルムの場合よりもさ
らに低周波領域での透過損失が大きく、音響透過損失に
優れており、コインシデンス効果による損失も認められ
ないことがわかる。
【0020】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
れば、高周波成分の音はもちろん、低周波成分の音でも
効率よく吸収が可能な、軽量吸遮音構造体が実現され
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】厚さ2.5cmのロックウールを用いた時の流
れ抵抗値と各周波数の垂直入射吸音率との関係を示した
図である。
【図2】(a)(b)は、厚さ2.5cmのロックウー
ルと、セラミック処理したロックウールを用いた時の各
周波数の垂直入射吸音率を示した図である。
【図3】(a)(b)は、セラミック処理したロックウ
ールの図面に代わる顕微鏡写真である。
【図4】各周波数と音響透過損失との関係を示した図で
ある。
【図5】各周波数とtanδとの関係を示した図であ
る。
【図6】(a)(b)は、圧電フィルムの等価回路を示
した図である。
【図7】(a)(b)は、圧電フィルム(PVDFd3
1:30μm厚)の周波数とtanδとの関係、並びに
振動損失理論式の結果を示した図である。
【図8】この発明の実施例として用いた圧電型吸遮音構
造体の概略を示した断面図である。
【図9】この発明の実施例として、周波数と音響透過損
失との関係を示した図である。
【図10】比較例に用いた吸音材料構造体の概略を示し
た断面図である。
【図11】比較例としての周波数と音響透過損失との関
係を示した図である。
【符号の説明】
1 石膏ボード 2a、2c セラミック処理ロックウール 2b 通常ロックウール 3 圧電フィルム 4 外部抵抗 5 外部抵抗 6 リード線 7 PETフィルム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳島 忠夫 静岡県浜松市泉1−18−1 (56)参考文献 特開 平6−12081(JP,A) 特開 平4−168497(JP,A) 特開 昭57−124398(JP,A) 特開 平6−149272(JP,A)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二重壁の内側に多孔質繊維吸音材を設
    け、その多孔質繊維吸音材の間に一層又は複数層の導電
    層を有する圧電フィルムを音響エネルギーにより振動で
    きる状態に設け、前記導電層と前記圧電フィルムを、そ
    の圧電フィルムの振動時に発生する電荷を消費させるよ
    うに電気的に接続したことを特徴とする吸遮音構造体。
  2. 【請求項2】 圧電フィルムは、その機械的共振周波数
    と電気接続による電気的共振周波数が一致されているこ
    とを特徴とする請求項1の吸遮音構造体。
  3. 【請求項3】 圧電フィルムは、表面抵抗率が10-1
    105 Ω/cm2 である請求項1または2の吸遮音構造
    体。
  4. 【請求項4】 圧電フィルムは、これに孔が設けられ、
    その表裏面に導電材料コーティングがされているととも
    に前記圧電フィルムの表裏が電気接続されていることを
    特徴とする請求項1、2または3の吸遮音構造体。
  5. 【請求項5】 圧電フィルムの電気接続について、圧電
    フィルムの電気容量をCとし、振動周波数をωとする
    と、次式 【数1】 を満たすように導電材料コーティングによる抵抗率と貫
    通孔の間隔とが設定されている請求項4の吸遮音構造
    体。
  6. 【請求項6】 圧電フィルムに接続された電気回路は、
    抵抗RとインダクタンスLとを含むことを特徴とする請
    求項1ないし5のいずれかの吸遮音構造体。
  7. 【請求項7】 圧電フィルムに接続された電気回路は、
    圧電フィルムの電気容量をCとし、振動周波数をωと
    し、インダクタンスをLとすると、次式 【数2】 を満たす請求項6の吸遮音構造体。
  8. 【請求項8】 請求項7におけるインダクタンスLの代
    わりに電気容量C、抵抗Rの分布定数共振回路を用い、
    その共振周波数ωが、次式 【数3】 を満たすことを特徴とする吸遮音構造体。
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