JP4245542B2 - 多孔板吸音構造体 - Google Patents

Description

本発明は、騒音発生源からの音を低減する多孔板吸音構造体に関する。

特許文献１には、外装板と多数の貫通穴を有した内装板とが対向配置して構成された多孔質防音構造体が記載されている。この多孔質防音構造体における内装板は、板厚、穴径及び開口率が貫通穴を流通する空気に粘性作用を発生させる設計条件を満足するように設定されている。そのため、その粘性作用による空気振動の熱エネルギーへの変換が促進され、広い周波数帯域幅で十分な吸音性能を発揮する多孔質防音構造体になる。

特開２００３−５０５８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の多孔質防音構造体においては、外装板と内装板との間の空気層に貫通穴から進入した吸音する特定周波数の音波が、空気層内で平面波となって空気層の延在方向に沿って進む。このとき、空気層の延在方向の幅が特定周波数の音波の波長のほぼ１／２で等しくなると、空気層内で共鳴現象が発生し、空気層内の空気が空気層の延在方向のみ運動することになる。これにより、空気層内に貫通穴を介して音波が進入しにくくなり、多孔質防音構造体の吸音性能が低下する。

そこで、本発明の目的は、吸音性能の低下を抑制する多孔板吸音構造体を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の多孔板吸音構造体は、外装板と多数の貫通穴を有した内装板とが対向配置され、前記内装板の板厚、前記貫通穴の直径及び開口率が、前記貫通穴を通過する空気に粘性減衰作用を発生させるように設定された多孔板吸音構造体において、前記外装板と前記内装板との間には、両者を連結する複数の隔壁が形成されており、前記複数の隔壁が、前記両者間を前記内装板の面方向に平行な方向に沿って複数の空気室に仕切り、複数の前記空気室の幅をＷ、吸音する音の特定周波数の波長をλとするとき、０．５ｎ（ｎ：正の整数）＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３の関係を満たす。

これによると、外装板と内装板との間を複数の空気室に仕切るように複数の隔壁が形成されているので、空気室の幅（隔壁間隔）が比較的短くなる。そのため、貫通穴から空気室に進入した吸音する特定周波数の音波による共鳴現象が、空気層の延在方向において生じなくなる。したがって、共鳴現象に起因した吸音性能の低下を抑制することができる。また、貫通穴から空気室に進入した吸音する特定周波数の音波による、空気室内での共鳴現象が確実に抑制されるとともに、効果的な吸音性能が得られる。

また、本発明において、複数の前記空気室が、吸音する音の複数の特定周波数の波長に対応してそれぞれ異なる幅を有していることが好ましい。これにより、複数の空気室内で同時に共鳴減少が発生しなくなり、吸音性能が効果的に向上する。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態の多孔板吸音構造体における外装板と内装板とが対向配置された状態を示す横断面図である。図１に示すように、本実施の形態の多孔板吸音構造体１０は、遮音側に配置された外装板１と、音源側に配置された内装板２と、外装板１と内装板２との間に複数の空気層（空気室）３を介在させるように配置された複数の隔壁５とを有している。また、外装板１と内装板２は対向配置されている。外装板１及び内装板２は、内装板２の面方向に平行な図１中左右方向に沿って平行に延在された矩形平面形状を有しているが、例えば、円形形状、楕円形状、三角形状、多角形状の平面を有していてもよい。

外装板１、内装板２及び複数の隔壁５は、共に、鉄やアルミニウムなどの金属、樹脂、など、その他様々な材料からなっていてよい。なお、リサイクル時の分別処理が不要になるように、これら外装板１、内装板２及び複数の隔壁５が同一材料からなるのが望ましい。

吸音対象となる音源側に配置された内装板２には、円形平面形状の貫通穴４が多数形成されている。なお、貫通穴４の平面形状は、楕円形状、三角形状、多角形状であってもよい。そして、内装板２の板厚ｔ、貫通穴４の直径φ、開口率β及び空気層３の層厚ｄは、貫通穴４を通過する空気に対して粘性減衰作用を生じさせるように設定されている。これにより、貫通穴４を通過する空気に粘性減衰作用が発生すると、空気振動が熱エネルギへと変換され、空気振動に減衰性が生じる結果、比較的広い周波数帯域で高い吸音効果を発揮できるようになる。

なお、この設定を吸音率が０．３となる周波数帯域幅が共鳴周波数に対して１０％以上になるという条件にするのが好ましく、これによってより高い吸音率が得られる。

層厚ｄが１０ｍｍ〜５０ｍｍの場合において、開口率３％以下、板厚ｔが０．３ｍｍ以上及び貫通穴４の直径φが０．８ｍｍ以下の設計条件を基準として設定されている。なお、吸音率が０．３以上となる周波数帯域幅は、開口率βが小さく、板厚ｔが厚く、貫通穴４の直径φが小さくなるにつれて拡大する傾向にある。

具体的には、多孔板吸音構造体１０が層厚ｄが２５ｍｍ、開口率βが１％、板厚ｔが０．５ｍｍ及び貫通穴４の直径φが０．８ｍｍに設定された場合、図２に示すような吸音特性となる。

複数の隔壁５は、外装板１と内装板２とを連結している。これら隔壁５は、外装板１及び内装板２の延在方向に平行な方向に沿って互いに離隔しており、隔壁５どうしの間隔が所定間隔Ｗとなるように配設されている。所定間隔Ｗは、外装板１、内装板２及び隔壁５によって囲まれた各空気層３の幅となる。各空気層３の幅Ｗは、吸音する音の特定周波数の波長をλとすると、Ｗ≠０．５ｎ（ｎ：正の整数）λを満たすことが好ましい。これは、各空気層３の幅Ｗを、吸音する音の特定周波数における波長の一端から共鳴点までの長さ、すなわちλ／２の整数倍以外の長さにすることで、各空気層３において、吸音する音の特定周波数における共鳴が抑制され、その結果、多孔板吸音構造体１０の減音量が増加するという解析結果（図３参照）によるものである。図３は、本発明の一実施形態による多孔板吸音構造体１０の外装板１と内装板２との間に空気層３が２〜５個形成された状態における減音特性と、従来の仕切られていない空気層が１個形成された状態における減音特性とを比較したグラフである。なお、表１には、図３に示す解析番号Ｓ１〜Ｓ５の諸条件を示している。また、解析番号Ｓ１が仕切られていない空気層を有する従来の多孔板吸音構造体であり、解析番号Ｓ２〜Ｓ５が本発明による多孔板吸音構造体１０である。

表１に示すように、解析番号Ｓ１〜Ｓ５は、全長Ｌが同じ多孔板吸音構造体において、外装板１と内装板２との間が隔壁５によって１〜５等分に仕切られた空気層をそれぞれ有する多孔板吸音構造体となっている。つまり、解析番号Ｓ１では、空気層が１つだけなので、その幅が全長Ｌとほぼ同じ８２５ｍｍとなっており、解析番号Ｓ２では解析番号Ｓ１における空気層を２等分した２つの空気層となっているので、１つ当たりの空気層の幅Ｗが４１２．５ｍｍとなっており、解析番号Ｓ３では解析番号Ｓ１における空気層を３等分した３つの空気層となっているので、１つ当たりの空気層の幅Ｗが２７５ｍｍとなっており、解析番号Ｓ４、Ｓ５では、同様に解析番号Ｓ１における空気層を４等分、５等分しているので、１つ当たりの空気層の幅Ｗが２０６．２５mm、１６５ｍｍとなっている。解析番号Ｓ１〜Ｓ５の１つ当たりの空気層の幅Ｗは、吸音する音の特定周波数における波長のλ／２と、いずれも同じ値になっていない。例えば、吸音する音の特定周波数が、１０００Ｈｚの場合であれば、その波長の１／２長さ（λ／２）が１７０ｍｍであり、いずれもＷ≠１７０ｍｍとなっている。さらに、各解析番号Ｓ１〜Ｓ５における空気層の幅Ｗは、吸音する音の特定周波数におけるλ／２の整数倍以外の長さとなっており、Ｗ≠０．５ｎ（ｎ：正の整数）λを満たしている。これにより、Ｗ≠０．５ｎ（ｎ：正の整数）λを変換したＷ／λ≠０．５ｎも満たしていることになる。

なお、図３は、周波数を横軸に、その周波数に対する減音量を縦軸に示したグラフから、横軸の各周波数を波長λに変換しつつその波長λで空気層の幅Ｗを割った値（Ｗ／λ）を横軸に、そのＷ／λ値に対する減音量を縦軸に示したグラフである。このように整理した図３により、吸音する音の特定周波数における波長λの共鳴点となる０．５λの整数倍における減音量が一目で分かるようになっている。図３より、各解析番号Ｓ１〜Ｓ５は、Ｗ／λ＝０．５ｎ（例えば、ｎ＝１の場合では、Ｗ／λ＝０．５となり、ｎ＝２，３，４・・と増加すれば、Ｗ／λ＝１，１．５，２・・となる）のときに減音量が小さくなっているが、各解析番号Ｓ１〜Ｓ５はともに、ある程度の減音量を有している。解析番号Ｓ１においては、空気層の幅Ｗが全長Ｌと同じ長さであり非常に大きな幅となっているため、その多孔板吸音構造体における減音量の最大値が５ｄＢ以下という減音効果が小さなものとなっている。しかしながら、解析番号Ｓ２〜Ｓ５においては、それぞれの空気層の幅Ｗが全長Ｌを２〜５等分された長さとそれぞれ同じ長さとなっており、解析番号Ｓ１における空気層の幅Ｗよりも小さな幅Ｗとなっている。その結果、解析番号Ｓ２〜Ｓ５は、解析番号Ｓ１の減音量におけるよりも最大値が大幅に増大しており、解析番号Ｓ２〜解析番号Ｓ４までは、その空気層の数が多くなる方（すなわち、各解析番号Ｓ２〜Ｓ４における１つ当たりの空気層の幅Ｗが小さくなる方）が減音量が大きくなっている。そして、解析番号Ｓ５においては、解析番号Ｓ４ほど減音量の最大値が大きくないが、解析番号Ｓ３よりは減音量の最大値が大きくなっている。図３に示す結果より、多孔板吸音構造体１０は、空気層３の幅ＷがＷ≠０．５ｎλを満たし、且つ、外装板１と内装板２との間が複数の隔壁５によって複数の空気層３が形成されるように仕切られることで、空気層３内での共鳴が抑制され、吸音性能が向上する。

また、各空気層３の幅Ｗは、吸音する音の特定周波数の波長をλとすると、０．５ｎ（ｎ：正の整数）＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３を満足することがより好ましい。これは、図３に示すように、解析番号Ｓ１〜Ｓ５は、Ｗ／λ＝０．５ｎを基準として、その両側に減音量が増大する。つまり、Ｗ／λ＝０．５ｎに向かって減音量が減少していくことになる。ここで、解析番号Ｓ１〜Ｓ５において、１ｄＢ以上減音することが可能な領域を設定すると、図３に示すように、ｎ＝１のときにＷ／λが０．４７及び０．５３となり、ｎ＝２のときにＷ／λが０．９７及び１．０３となり、ｎ＝３，４・・のときに、Ｗ／λが１．４７，１．９７・・及び１．５３，２．０３・・となり、これらのときにおいて減音量が１ｄＢ以上となるので、Ｗ／λが、０．５ｎ−０．０３〜０．５ｎ＋０．０３の範囲内に属さないことが好ましい。つまり、上述したように０．５ｎ＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３を満足する空気層３の幅Ｗを設定することで、減音量が１ｄＢ以下となる領域がほとんど存在しない吸音性能を有する多孔板吸音構造体１０となる。したがって、多孔板吸音構造体１０は、Ｗ／λ≠０．５ｎの式を満足するよりも０．５ｎ＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３を満足する方が、より一層吸音性能が向上する。

続いて、外装板１と内装板２との間に隔壁５によって仕切られていない１つの空気層を有する従来の多孔板吸音構造体１５と、外装板１と内装板２との間に複数の隔壁５によって５つの空気層３が介在するように等分に仕切られた多孔板吸音構造体１０′との一端部側の検査面７上における音圧について、以下に説明する。

図４（ａ）は、表１に示す解析番号Ｓ１の諸条件に該当する多孔板吸音構造体１５の模式図を示しており、（ｂ）は表１に示す解析番号Ｓ５の諸条件に該当する多孔板吸音構造体１０の模式図を示している。なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す多孔板吸音構造体１０′，１５は前述した多孔板吸音構造体１０とほぼ同じ構成であり、空気層の形成数が異なるだけである。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、解析番号Ｓ１，Ｓ５のそれぞれの多孔板吸音構造体１０′，１５において、左下端部の加振点１１から１００Ｈｚから１０００Ｈｚまでの単一周波数を図中の厚みＲが４５ｍｍの吸音対象空間６に加え、右端部の音圧検査面（無反射端面）７における音圧積分値を数値解析で求めた。その結果を図５に示す。図５に示すように、解析番号Ｓ１の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１５では、１次共鳴数端数である２０６Ｈｚ付近とその整数倍の周波数において、外装板１と内装板２との間の空気層１６での共鳴の影響により、音圧検査面７での減音量がほとんど０ｄＢとなって管内の音圧がほとんど減音されていないが、解析番号Ｓ５の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１０´では、複数の隔壁５が設けられていることで共鳴発生周波数が高周波方向へシフトするため、特に８００Ｈｚ前後の周波数域での音圧検査面７における減音量は３０ｄＢ程度と大きくなり、管内の音圧がよく減音されている。図５より、外装板１と内装板２との間に複数の隔壁５が設けられ、複数の空気室３が両者間に介在されるように仕切られていることで、多孔板吸音構造体１０′の吸音性能が向上する。

図６は図４（ａ）における多孔板吸音構造体１５内における音圧の大きさを示す説明図である。図７は図４（ｂ）における多孔板吸音構造体１０´内における音圧の大きさを示す説明図である。なお、音圧の大きさは円で示しており、円が大きくなるに連れて音圧が上昇している。図６に示すように、解析番号Ｓ１の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１５は、左端部（加振点１１側）から右端部（検査面７側）に亘る全域において、音圧の大きさに比例する円が無数に存在し、その円の大きさが左端から右端に向けて大きくなったり小さくなったり変化している。図６中の音圧を示す円が比較的大きな円となっている場所は、空気層１６内で生じる共鳴発生部分であり、吸音対象空間６の音を空気層１６内でほとんど吸音できていないことを表している。このように、多孔板吸音構造体１５は、空気層１６内での共鳴により音圧がほとんど低下していないことがわかる。これに対して、図７に示すように、解析番号Ｓ５の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１０′は、左端部（加振点側）から右端部（検査面側）に近づくに連れて、音圧が極めて小さくなり、その途中からは音圧を示す円が無くなっている。これは、５つの空気層３が、その内部で共鳴の発生が抑制されるように形成されているので、図７中左端に存在する空気層３から順に吸音対象空間６の音を吸音しているからである。このように、空気層３の内部での共鳴が抑制されると、空気層３内に吸音対象空間６の音が進入しやすくなり、吸音対象空間６の音を多数の貫通穴４を有した内装板２と空気層３からなる多孔板吸音構造で吸音する。

以上のように、多孔板吸音構造体１０、１０´によると、外装板１と内装板２との間に複数の隔壁５によって複数の空気層３が形成されていることで、空気層３の幅Ｗが比較的短くなる。そのため、貫通穴４から複数の空気層３に進入した吸音する特定周波数の音波による共鳴現象が、空気層３の延在方向において生じにくくなる。したがって、空気層３内の共鳴現象に起因した吸音性能の低下を抑制することができる。また、複数の空気層３の幅をＷ、吸音する音の特定周波数の波長をλとするとき、Ｗ／λ≠０．５ｎの関係を満たしているので、吸音する特定周波数の音波による、空気層３内での共鳴現象がより抑制される。加えて、多孔板吸音構造体１０、１０´が、０．５ｎ＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３の関係を満すことで、減音量が１ｄＢ以上となる吸音性能が得られる。

本実施の形態における多孔板吸音構造体１０の空気層３の幅Ｗは、当該多孔板吸音構造体１０内において、すべて同じ長さとなっているが、図８に示すように空気層３０の幅Ｗが互いに異なっていてもよい。図８は、本発明の一実施形態の多孔板吸音構造体の変形例を示す横断面図である。図８に示すように、本変形例における多孔板吸音構造体２０は、空気層３０の幅がすべて異なる長さに形成されているだけで、その他は前述した多孔板吸音構造体１０とほぼ同様である。なお、前述したものと同様なものについては同符号で示し説明を省略する。

多孔板吸音構造体２０は、外装板１と内装板２との間に４つの隔壁５が配置されており、これら隔壁５によって５つの空気層３０が外装板１と内装板２との間に介在している。５つの空気層３０の幅Ｗは、左端から順に、８５ｍｍ、１２０ｍｍ、１６０ｍｍ、２１０ｍｍ、２５０ｍｍとされており、多孔板吸音構造体２０の全長Ｌが８２５ｍｍとなっている。そして、空気層３０の厚層ｄが２５ｍｍ、吸音対象空間６の厚みＲが４５ｍｍとなっている。このように、多孔板吸音構造体２０の空気層３０の幅Ｗが互いに異なる幅となっていることで、５つの空気層３０において同時に共鳴が発生しなくなる。

本実施の形態において、５つの空気層３０の幅Ｗは、吸音する５つの特定周波数における波長の１／２長さといずれも異なる長さとなっており、Ｗ≠０．５ｎλを満たしている。つまり、多孔板吸音構造体２０は、上述の多孔板吸音構造体１０のようにＷ／λ≠０．５ｎを満たしていることになるので、多孔板吸音構造体１０と同様な効果を得ることができる。

また、空気層３０の幅Ｗが互いに異なる幅とされ、且つ吸音する５つの特定周波数に対応した波長の１／２長さと、いずれも異なる長さにすることが好ましい。これは、広帯域の周波数特性を有する音に対して、急激な減音量の落込がなくなるという実験結果（図９参照）によるものである。

図９は、解析番号Ｓ１の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１５、解析番号Ｓ５の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１０′及び本変形例による多孔板吸音構造体２０の減音特性を示すグラフである。図８に示す、多孔板吸音構造体２０の左下端の加振点１１から１００Ｈｚから１５００Ｈｚまでの単一周波数を図８中の吸音対象空間６に加え、右端部の音圧検査面（無反射端面）７における音圧積分値を数値解析で求め、その結果を図９に示す。また、これと同様な数値解析を図４（ａ）、（ｂ）に示す２つの多孔板吸音構造体１０′，１５に行い、その結果を図９に併せて示す。図９に示すように、解析番号Ｓ１の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１５では、上述と同様な現象が繰り返されており、検査面音圧がほとんど減音されていない。これに対して、解析番号Ｓ５の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１０′では、複数の隔壁５が設けられていることで共鳴発生周波数が高周波方向へシフトするため、特に８００Ｈｚ前の周波数域での検査面音圧はよく減音されているが、１０３０Ｈｚの周波数域で急激な減音量の落込が生じている。一方、本変形例による多孔板吸音構造体２０では、解析番号Ｓ５の諸条件を満たす多孔板吸音構造体１０′と同様に複数の隔壁５が設けられ且つ空気層３０の幅Ｗが互いに異なっていることで共鳴発生周波数が高周波方向へシフトし、特に８００Ｈｚ〜１３００Ｈｚの周波数域での検査面音圧がよく減音されている。つまり、多孔板吸音構造体２０の空気層３０の幅Ｗを互いに異なる幅にすることで、各空気層３０内で共鳴が発生しなくなり、１０３０Ｈｚ近傍の減音量の急激な落込がなくなる。

以上のように、多孔板吸音構造体２０によると、外装板１と内装板２との間の複数の空気層３０の幅Ｗが、互いに異なる幅とされ、且つ吸音する５つの特定周波数に対応した波長の１／２長さと、いずれも異なる長さになっているので、吸音する音の５つの特定周波数において、対応するそれぞれの空気層３０内で同時に共鳴現象が生じなくなる。そのため、いずれかの空気層３０において共鳴現象が発生しても、その他の空気層３０で吸音されるため、広い周波数帯域に関して吸音することが可能になり、多孔板吸音構造体２０の吸音性能が向上する。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、上述した実施形態における多孔板吸音構造体１０においては、各空気層３の幅Ｗが、当該多孔板吸音構造体１０内において互いに同じ幅Ｗを有しているが、少なくとも２以上が同じ幅Ｗとなる組になった空気層組を有していてもよい。つまり、仮に１０個の空気層を有する多孔板吸音構造体においては、同じ幅Ｗを有する空気層が２つずつ形成され、５種類の空気層の幅Ｗが存在していてもよい。したがって、空気層の幅Ｗの種類は様々なバリエーションが考えられ、またそれを適用することができる。これにより、吸音する音の種々の特定周波数に対応させることが可能になり、対応するそれぞれの空気層内での共鳴の同時発生を抑制することができる。

また、本実施の形態における多孔板吸音構造体１０，２０の空気層の幅Ｗは、空気層３の延在方向に沿った幅Ｗとなっているが、その延在方向と交差する方向に関する空気層の幅についても、上述と同様に吸音する音の特定周波数の波長のλ／２の整数倍以外の長さにすることで、上述した実施形態と同様な効果を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態の多孔板吸音構造体における外装板と内装板とが対向配置された状態を示す横断面図である。 吸音特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態による多孔板吸音構造体の外装板と内装板との間に空気層が２〜５個形成された状態と、従来の仕切られていない空気層が１個形成された状態とにおける減音特性を示したグラフである。 （ａ）は、表１に示す解析番号Ｓ１の諸条件に該当する多孔板吸音構造体の模式図を示しており、（ｂ）は表１に示す解析番号Ｓ５の諸条件に該当する多孔板吸音構造体の模式図を示している。 減音特性を示すグラフである。 図４（ａ）における多孔板吸音構造体内における音圧の大きさを示す説明図である。 図４（ｂ）における多孔板吸音構造体内における音圧の大きさを示す説明図である。 本発明の一実施形態の多孔板吸音構造体の変形例を示す横断面図である。 減音特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 外装板
２ 内装板
３，３０ 空気層（空気室）
４ 貫通穴
５ 隔壁
１０，１０´，２０ 多孔板吸音構造体

Claims (2)

1. 外装板と多数の貫通穴を有した内装板とが対向配置され、前記内装板の板厚、前記貫通穴の直径及び開口率が、前記貫通穴を通過する空気に粘性減衰作用を発生させるように設定された多孔板吸音構造体において、
   前記外装板と前記内装板との間には、両者を連結する複数の隔壁が形成されており、
   前記複数の隔壁が、前記両者間を前記内装板の面方向に平行な方向に沿って複数の空気室に仕切り、
   複数の前記空気室の幅をＷ、吸音する音の特定周波数の波長をλとするとき、０．５ｎ（ｎ：正の整数）＋０．０３＜Ｗ／λ＜０．５（ｎ＋１）−０．０３の関係を満たすことを特徴とする多孔板吸音構造体。
2. 複数の前記空気室が、吸音する音の複数の特定周波数の波長に対応してそれぞれ異なる幅を有していることを特徴とする請求項１に記載の多孔板吸音構造体。

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