JP3944473B2 - 遮音性軽量構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、遮音性に優れた軽量構造部材に関するものである。

従来、多孔質成型体を金属板で挟んだ（サンドイッチ）構造部材において、両側の金属板の剛性を変えることにより遮音性能を改善したものがある。そして、建築・土木分野に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
また、軽金属、例えばアルミニウムからなるハニカム構造体（アルミハニカム）と表面板の間にクロロプレンゴムのようなゴム状弾性体を積層したものもある。そして、例えば車両用床板として使用されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−１２９８１５号公報（第５頁、第１図） 特開２００３−１４６２０８号公報（第３−５頁、第１図）

しかしながら、芯材がアルミハニカムからなる従来の構造部材は、全体として剛体となると考えられるため、単層構造に近似した遮音性、すなわち、以下の「課題を解決するための手段」に「質量則」を別途説明するが、遮音性が「質量則」に従う透過（遮音）損失を生じる。そのため、部屋内と部屋外、あるいは車内と車外との間の音の隔離、すなわち室内、あるいは車内の音環境を保持しにくいといった欠点があった。
アルミハニカムと表面板の間にクロロプレンゴムのようなゴム状弾性体を積層し、音（音波）が原因となる振動を遮断しても、ゴム状弾性体はアルミハニカムあるいは表面板と接着されていることにより、一体化した構造部材の効果を持つこととなり、同様に単層構造に似た遮音性（「質量則」に従う透過損失）となるといった欠点があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、軽量で高い遮音を図ることのできる構造部材であって、広く車両、建築、土木の各分野に用いられるものを提供するようにしたものである。

この技術的課題を解決するために、本発明の軽量構造部材における技術的手段は、芯材として多孔質成型体を用い、前記多孔質成型体の両面に接着一体化された金属板を備えてなる構造部材であって、前記多孔質成型体は少なくとも一方の面に前記金属板に覆われた単数若しくは複数の断面が凹形状である溝を有し、前記溝には繊維材料が充填されており、前記金属板における前記溝の開口端を覆う部分の溝側または外方側に前記溝の幅以下の幅を有する制振材料が接着一体化されていることを特徴とする。
前記繊維材料としてポリエステル繊維が使用され、周波数３１５〜６３０Ｈｚでの音の透過損失が周波数と透過損失の質量則からの透過損失を５〜８ｄＢ、同１０００〜２０００Ｈｚでの音の透過損失が同質量則からの透過損失を２ｄＢ、各々上回る。

なお、上記の透過損失の値は、後の［発明を実施するための最良の形態］で記載のように、断面が凹形状である溝を多孔質成型体の片面に設けたものの値である。以下の諸透過損失の値についても同様であるが、片面にだけ設けることに限定するものではない。
周波数１００〜４００Ｈｚでの音の透過損失の改善は最大５ｄＢである。
前記多孔質成型体が発泡アルミニウムであることが好ましい。前記繊維材料にグラスウールを使用することができる。
断面が凹形状の溝を有する多孔質成型体を芯材として、金属薄板をその両面に接着した構造部材にする。芯材に凹形状の溝を設けることで２重壁効果が得られ遮音性が向上する。また、凹形状の溝がある面は、多孔質成型体と金属板が全面で接着されていないため、音による振動が伝播しにくく遮音性には有効である。

凹形状の溝にグラスウールやポリエステル繊維などの繊維材料を挿入することで、金属板の板振動を制御し、板振動により発生する音を減衰させ広い周波数領域での遮音性が向上する。
なお、音の透過（遮音）損失は、遮音体（遮音構造部材）の単位当たりの重量が重い程大きくなる。また、周波数が高いほど透過損失は大きくなる。このことは、一般に「質量則」と称されている。

従来の芯材にアルミハニカムや凹加工しない多孔質成型体を用いた構造部材の遮音特性が周波数と透過損失の質量則に従うことに対して、本発明では広い周波数域において質量則を大きく上回る透過損失があって、そのため遮音性に優れた軽量構造部材となる。

以下、本発明の実施の形態を図面並びに表に基づいて説明する。
図１は、本発明の遮音性軽量構造部材１の部分的な横断面の模式図である。すなわち、切削加工により多孔質成型体に凹形状の溝６を加工した部分である。なお、切削加工に替えて、圧縮加工を採用することもできる。
すなわち、図１は、この多孔質成型体を芯材とし、両面に金属板を接着した構造部材である。なお、この構造部材では、多孔質成型体は発泡アルミニウム３（神鋼鋼線工業（株）製）で、金属板はアルミニウム板２である。

図２は本発明の遮音性軽量構造部材１の正面の模式図であって、斜線部が発泡アルミニウム３に凹形状の溝６が複数設けられていることを示している。
次に、本発明の遮音性軽量構造部材１の諸元を示す。
［諸元］
構造部材：縦１ｍ、横１ｍ
多孔質成型体：発泡アルミニウム（神鋼鋼線工業（株）製）
多孔質成型体の厚み：２０ｍｍ
多孔質構造体の凹形状の溝：幅１６０ｍｍ、長さ９２０ｍｍ、深さ１０ｍｍ
金属板：アルミニウム
金属板の厚み：凹形状の溝側０．８ｍｍ、凹形状の溝を設けていない側１．０ｍｍ
繊維材料：ポリエステル繊維
制振材料：ブチルゴム
制振材料の形状：幅１２０ｍｍ（多孔質構造体の凹形状の幅の７５％）、厚み１ｍｍ
なお、アルミニウムである金属板の厚みを上記０.８ｍｍの替わりに０．５ｍｍの場合、繊維材料としてグラスウール、制振材料の形状として多孔質構造体（発泡アルミニウム）の凹形状の幅一杯である１６０ｍｍにした場合、いずれも遮音性には変わりは見られない。制振材料がブチルゴムに制限されるものでもない。なお、制振材料の厚みを１ｍｍを越えて、１ｍｍ〜３ｍｍとした場合、遮音性は変化する。

また、遮音性の試験は以下のように行った。すなわち、音源用残響室と受音用残響室の間の隣接壁面に、縦１ｍ、横１ｍの開口部を設け、その開口部に前記構造部材を設置した。そして、音源用残響室のスピーカーから音を発生させ、マイクロホンにより音源用残響室と受音用残響室の平均音圧レベルを測定することで透過損失を求めた。
図３は、前記諸元を持つ本発明の遮音性軽量構造部材１の状況、すなわち、断面が凹形状である溝を発泡アルミニウム３の片面に複数設け、その複数の溝内にポリエステル繊維４を充填した状況等を示している。そして、複数の溝６開口端を覆う前記金属板であるアルミニウム板２部分上に制振材料であるブチルゴム５を接着一体化してある。発泡アルミニウム３の片面における断面が凹形状である溝６の幅は１６０ｍｍで、長さ９２０ｍｍのものが４溝設けられている。

表１は、図３に示す本発明品の遮音性を示している。横軸には、周波数（Ｈｚ）、縦軸
には透過損失（ｄＢ）で、図中の直線は周波数と透過損失における質量則である。周波数３１５〜６３０Ｈｚにおいて５〜８ｄＢ、１０００〜２０００Ｈｚにおいて２ｄＢ程度は、質量則を各々上回る透過損失があり、遮音性に優れることがわかる。
なお、制振材料であるブチルゴム５は、アルミニウム板２部分の上であっても、アルミニウム板２部分の下、すなわち、アルミニウム板２とポリエステル繊維の間であっても、同様の結果であった。

次に、図３と同様の寸法の遮音性軽量構造部材１において、制振材料を接着していない状況において、繊維材料による遮音効果を表２に示す。なお、制振材料の接着の効果は、別途下記表３に示している。黒丸の破線は、繊維材料の充填がされていないもの、白丸の実線は繊維材料を充填したもので、各々の質量則とともに示している。
すなわち、溝６にポリエステル繊維４を挿入すると、挿入することにより２５０〜２０００Ｈｚの広域全周波数において遮音性が３〜１０ｄＢ改善されることがわかる。
次に、寸法が図３における遮音性軽量構造部材１における制振材料による遮音効果を示す。すなわち、発泡アルミニウムの凹形状の溝開口端を覆うアルミニウム板に制振材料を接着一体化している。その結果を表３に示す。

表３の白丸の実線は繊維材料を充填したもので、表２の白丸の実線に相当し、黒丸の破線は、制振材料を貼付けたものである。各々の質量則とともに示している。この貼付けたものは、表１の黒丸に示したものと同じものである。制振材料を接着することによる効果は、低周波域である４００Ｈｚ以下において遮音性が改善されることがわかる。

図３と同じ縦１ｍ横１ｍであって、凹形状の溝加工しない発泡アルミニウム３を金属板であるアルミミウム板２で挟んだ構造部材の遮音性を表４に示す。また、同様にアルミハニカムを金属板で挟んだ構造部材の遮音性を表５に示す。発泡アルミニウム、並びにアルミハニカムの厚みを２０ｍｍの替わりに１０ｍｍにおいても上記遮音性に変わりはみられなかった。
これらは、表４、５から単層構造に似た遮音特性、つまり質量則に従うことが示される。これら表４、５の結果は、従来からの考えを示したものであって、本発明に対する比較例として示した。

次に、発泡アルミニウム３における凹形状の溝６の寸法の違いによる遮音効果について確認を行った。すなわち、凹形状の溝６の幅（ｗ）、及び溝６の長さ（Ｌ）の違いについて比較した。なお、凹形状の溝６の深さは１０ｍｍに変わりはない。
凹形状の溝６の幅（ｗ）については、幅８０ｍｍと幅１６０ｍｍで遮音性を比較した。ただし、断面が凹形状である単数若しくは複数（ｎ、但しｎは１以上の整数）の溝６内に繊維材料であるポリエステル繊維材料４を充填した構造部材１において、溝６の幅（ｗ）並びに長さ（Ｌ）で構成される溝開口端全面積（Ｄ＝ｗ×Ｌ×ｎ）を一定値として検討した。

すなわち、溝開口端全面積（Ｄ）は、構造部材１の材料強度からも決定される値であって、自ずと適正値が存在する。あまり大きい値であると、縦（横）方向の圧力に対して横（縦）方向に変形を起こす現象である座屈等を生じ易くなる。
また、断面が凹形状である複数（ｎ）の溝６の幅（ｗ）と長さ（Ｌ）は、全ての溝の各面積（ｗ×Ｌ）は同じとし、制振材料５は使用しない状況で確認した。
すなわち、幅８０ｍｍの状況を図４に、幅１６０ｍｍの状況は図１と同様の状況である。その結果の表６（幅８０ｍｍ）、表７（幅１６０ｍｍ）から、凹形状の溝６の幅（ｗ）の広い方が遮音性に優れているのが示される。

次に、凹形状の溝６の幅８０ｍｍにおいて、その深さ１０ｍｍと１５ｍｍとで遮音性を比較した。発泡アルミニウム３の厚みは２０ｍｍである。表８の白丸の実線は、深さ１０ｍｍのもので、表６と同様である。一方、表８の黒丸の破線は、深さ１５ｍｍのもである。深さを変えることで遮音特性が異なることが判る。１００〜３１５Ｈｚの低周波における遮音性を重視する場合には、凹形状の溝を深くすることが好ましい。

更に、凹形状の溝の長さ（Ｌ）の分割が遮音性に及ぼす程度について比較した。凹形状の溝６の幅（ｗ）を１６０ｍｍとし、長手方向に２分割（図５）、４分割（図６）した場合で遮音性を比較した。表９に、２分割、表１０に４分割した場合の遮音特性を示す。なお、分割部分（例えば、図６の４分割では、1本の溝に２０ｍｍの分割部分が３箇所）には、凹形状の溝は形成されていない。従って、溝開口端全面積（Ｄ）は、分割部分の面積だけ少なくなる。そのような複数溝について、溝の形状が、例えば図７（ａ）のような溝の形状が同じものではなくて、同（ｂ）のように、分割されたものを含み、溝の形状が異なっていても、上記の結果に含まれるものである。

すなわち、表７、表９、表１０に示すように、分割すれば、遮音性が悪くなることがわかる。つまり、凹形状の溝の長さ（Ｌ）は、分割されずに長いままの方が遮音性に優れる。
なお、上記のデータは、音以外に重量を７．９〜１２Ｋｇ／ｍ2、剛性では１ｍ×１ｍの構造部材でその支点間距離０．９７５ｍの中央集中荷重６０Ｋｇｆの試験でたわみ量１ｍｍ程度を実現している構造部材のものです。床以外の土木・建築用構造部材には床のほか壁や天井などがありますが、床ほどの剛性を必要としないため、上述以上の設計の自由度があり、たとえば天井材などではさらに透過損失を改善できるものである。

さらに、凹形状の溝は、結果的に、その開口端が円形状等になる場合もあって、所謂長方形等に限定するものではない。

本発明は、例えば鉄道車両の床構造、さらに建築用の構造部材に係り、少なくとも片面に凹加工した金属発泡体を芯材とし、両面に金属板を接合したもので、外部からの音の内部への侵入等を防ぐのに好適な遮音性軽量構造部材に関するものである。

遮音性軽量構造部材の横断面の模式図である。 遮音性軽量構造部材の正面の模式図である。 遮音性軽量構造部材の正面図である。 遮音性軽量構造部材の別の正面図である。 凹形状の溝を２分割した図である。 凹形状の溝を４分割した図である。 （ａ）は溝の形状が同じもの、（ｂ）は溝の形状が異なっているものの、各 模式図である。

符号の説明

１ 遮音性軽量構造部材
２ 金属板（アルミニウム板）
３ 多孔質成型体（発泡アルミニウム）
４ 繊維材料（ポリエステル繊維材料）
５ 制振材料（ブチルゴム）
６ 溝

Claims (5)

1. 芯材として多孔質成型体を用い、前記多孔質成型体の両面に接着一体化された金属板を備えてなる構造部材であって、
   前記多孔質成型体は少なくとも一方の面に前記金属板に覆われた単数若しくは複数の断面が凹形状である溝を有し、
   前記溝には繊維材料が充填されており、
   前記金属板における前記溝の開口端を覆う部分の溝側または外方側に前記溝の幅以下の幅を有する制振材料が接着一体化されている
   ことを特徴とする遮音性軽量構造部材。
2. 前記繊維材料としてポリエステル繊維が使用され、
   周波数３１５〜６３０Ｈｚでの音の透過損失が周波数と透過損失の質量則からの透過損失を５〜８ｄＢ、同１０００〜２０００Ｈｚでの音の透過損失が同質量則からの透過損失を２ｄＢ、各々上回る
   請求項１記載の遮音性軽量構造部材。
3. 前記繊維材料としてポリエステル繊維が使用され、
   周波数１００〜４００Ｈｚでの音の透過損失の改善が最大５ｄＢである
   請求項１記載の遮音性軽量構造部材。
4. 前記多孔質成型体が発泡アルミニウムである
   請求項１ないし請求項３のいづれか１項に記載の遮音性軽量構造部材。
5. 前記繊維材料がグラスウールである
   請求項１記載の遮音性軽量構造部材。

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