JP4564987B2 - 振動・騒音低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の壁面、建築物の壁面、機械自体又は機械の筐体などの比較的軽量物の振動又は騒音発生を抑制する振動・騒音低減装置に関する。
振動又は騒音発生の抑制の対象物を本明細書では抑制対象物という。
本発明は、周波数帯域が可聴領域の振動又は騒音を受けやすい環境に存在する抑制対象物の振動・騒音の低減にとくに好適である。

鉄道車両、その他の車両の壁面、建築物の壁面などの外来振動による振動又は騒音の発生もしくは外来音による振動の発生は、車両搭乗者又は建築物居住者などの閑静な生活を奪い、精神的安定を阻害し、健康を損なう場合がある。また、機械自体又はその筐体などの外来振動もしくは自己振動による騒音発生又は外来音による振動発生は、機械本来の機能の発揮を阻害するに止まらず、機械運転者や操作者の精神的安定を脅かして事故の危険度を高める。このため、車両や建築物の壁面、機械又はその筐体など比較的軽量物の振動又は騒音の発生を有効に抑制する技術が求められている。

従来の振動・騒音低減装置のうち、振動又は騒音を電気に変換するためのエネルギー変換系と、変換された電気を熱エネルギーとして消費するエネルギー消費手段とから構成されているシステムにおいては、エネルギー変換系には、騒音−電気変換器として一般にマイクロホンを用い、振動−電気変換器として最近では圧電材料を用いるものが知られている。エネルギー消費手段としては、コイルと抵抗器を含むシャント回路が用いられ、圧電材料の静電容量Ｃとシャント回路のコイルインダクタンスＬと抵抗器Ｒとで共振回路が構成されている。このシャント回路の抵抗器に電流を流してジュール熱を放出させることによりエネルギー消費をするものである（例えば、非特許文献１参照）

Journal of Sound & Vibration Vol.146 No.2 p24,52,68 1991

上記従来の振動・騒音低減装置には、上記エネルギー変換系とエネルギー消費手段とにそれぞれ次のような問題点があった。
（１）エネルギー変換系の問題点
マイクロホンを用いるエネルギー変換系は、マイクロホンを取り付けた位置付近の微小範囲の空間中の音圧を電気信号に変換するだけであり、かつ、侵入音が持つ音響エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができない。すなわち、エネルギー変換可能な地域的範囲が狭く、さらに変換効率が低い。
また、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換器として圧電セラミックス等の圧電材料を用いる場合、圧電材料自体が持っている特性により、変換できる周波数領域が狭い。つまり、圧電材料はエネルギー変換性能に対する周波数依存性が高い。車両や建築物の壁体又は原動機やその筐体等の抑制対象物の種類によっては、あるいは音響的な環境により、それに伝達する振動又は騒音の周波数やレベルは、種々様々である。従って、実際上、現場で広帯域の振動又は騒音を広周波領域のまま変換性能を発揮することは期待できない。

（２）エネルギー消費手段の問題点
エネルギー消費手段を構成する従来の共振回路は、一般的にコイルが持つインダクタンスＬと圧電素子が持つ静電容量Ｃとにより構成されており、１／（２π√（ＬＣ））による周波数で共振が発生する。すなわち、ＬとＣにより決定される共振周波数近傍においてはエネルギー消費用の抵抗器で効果的に電力を散逸することが可能であるが、それ以外の周波数では電力の散逸が小さい（共振回路の電流増幅に関する周波数依存性）。抑制対象物に伝達する振動又は騒音の周波数帯域は、環境により広範囲に渡る場合がある。従って、共振回路を構成する従来のシャント回路を用いる振動・騒音低減装置は、広帯域の振動又は騒音に対して十分なエネルギー消費効果を発揮することはできない。

（３）個別信号変換器の使用の必要性
これまでの信号あるいはエネルギー変換器は、騒音−電気、振動−電気それぞれ単一系の変換器であるために、騒音と振動を電気に変換する場合は、それぞれの専用変換器を使用する必要がある。

（４）取付方法に関する問題点
一般に、振動・騒音低減装置を抑制対象物に取り付ける場合は、その装置を抑制対象物に接着するか、ねじ等で機械的に取り付けることが一般的であった。抑制対象物によっては又はその使用環境によっては、振動又は音の強度や侵入方向が変わる場合がある。このような場合は振動・騒音低減装置の取り付け位置の変更や移動が望まれるが、従来は、一旦取り付けた後は取り外すことができないか、ねじ等を緩めて取り外すなど手間がかかった。

（５）制振効果上の問題点
既に市販されている制振材及び各種ＡＮＣシステム（Active Noise Control System）はそれぞれ狭帯域毎に使用され、単一システムでの制振効果のみが発揮される。一般的に制振材は高周波領域のみ、またＡＮＣシステムは低周波領域において効果的である。従って、車両の壁面、高速道路や鉄道線路や公共通報用スピーカなどの付近の建築物の壁面などが広周波数帯域の振動又は騒音を受ける場合に、満足的な制振効果又は防音効果が得られるためには、複数種類の振動・騒音低減装置の設置が必要となり、コスト高になるため、実現は困難であった。

本発明は、以上の各問題に鑑みてなされたものであり、解決しようとする課題は、上記エネルギー変換系の問題点を解決するとともに、上記取付方法に関する問題点を解決すること、すなわち、可及的に広い面積に渡って、かつ、広い周波数範囲の振動又は騒音を電気エネルギーに効率的に変換可能であって、振動・騒音低減装置の取り付け位置の変更や移動及び追加が求められた場合に取付位置の変更や移動が容易にできる振動・騒音低減装置を提供することにある。（エネルギー変換可能な地域的範囲の拡大と変換効率の向上及び取付位置の変更・移動の容易性）

上記課題を解決するため、本発明は、振動又は騒音を電気に変換するためのエネルギー変換系と、変換された電気を熱エネルギーとして消費するエネルギー消費手段とからなる振動・騒音低減装置において、（ａ）前記エネルギー変換系は、圧電セラミックス等で構成された振動板を弾性支持体に支持し、その振動板に電極を接続してなる複数個の圧電式スピーカにより構成され、かつ、（ｂ）前記複数個の圧電式スピーカが予めシート状の磁石に平面的に取り付けられており、（ｃ）そのシート状の磁石が磁性体である抑制対象物に磁気吸着力により取り付けられていることを特徴としている（請求項１）。

本発明の他の特徴は、シート状の磁石に平面的に取り付けられる圧電式スピーカが、複数の圧電式スピーカを重ね合わせて構成されていることである（請求項２）。上記振動・騒音低減装置においては、抑制対象物に直接取り付ける圧電式スピーカの振動板と前記抑制対象物との間にのみ支柱を介在させ、重ね合わせる圧電式スピーカの振動板同士の間には支柱を介在させていないことが望ましい（請求項３）。

本発明のさらに他の特徴は、前記抑制対象物が音響用圧電式スピーカであり、その音響用圧電式スピーカの裏側に、複数個の圧電式スピーカが取り付けられているシート状の磁石を取り付けて、音響用圧電式スピーカの裏側に発生する不必要な騒音を抑制するようにしたことである（請求項４）。

請求項1の発明によれば、第1に、本来、音響スピーカとして使用されることを前提に製作される広い周波数帯域を持つ圧電式スピーカをエネルギー変換器として使用するので、従来用いられてきた圧電素子では達成できなかった広い面積に渡って、かつ広い周波数帯域において効率的に電気エネルギーに変換することができる。従って、広周波帯域において制振又は吸音効果を発揮することができる。第２に、圧電式スピーカは、従来のエネルギー変換系と異なって薄肉であるので、車両の壁面、建築物の壁面、機械自体又は機械の筐体などの比較的軽量物の振動又は騒音発生を抑制する振動・騒音低減装置として有用である。第３に、圧電式スピーカを予めシート状磁石に平面的に取り付け、その磁石を磁性体である抑制対象物に磁気吸着力により取付けるので、取付け・取り外しが容易にでき、必要に応じて容易に移動又は追加が可能である。

請求項２の発明によれば、抑制対象物に入力する騒音の量が多い場合に、複数の圧電式スピーカが前段の圧電式スピーカを通過した騒音を順次電気エネルギーに変換し、先のスピーカを透過した騒音は後のスピーカでさらに電気エネルギーに変換されるため、エネルギー変換効率がさらに向上する。
請求項３の発明によれば、抑制対象物に直接取り付ける圧電式スピーカに支柱を取り付けることで抑制対象物の振動エネルギーを主に圧電式スピーカにより電気エネルギーに変換し、その上の圧電式スピーカには支柱を取り付けないことにより音響エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となり、それぞれ別のエネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。

請求項４の発明によれば、音響用圧電式スピーカの裏側に音響−電気変換器としての圧電式スピーカを容易に取り付けることができる。また、音響用圧電式スピーカの裏側に音響−電気変換器としての圧電式スピーカを取り付けて音響用圧電式スピーカの裏側に発生する不必要な騒音を抑制することができるので、音響用圧電式スピーカの表側には雑音の影響を受けない明晰な音を出すことができる。

次に、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施の形態の基本構成を示す概念図、図２は圧電スピーカとエネルギー消費手段の一例を示す回路図、図３は圧電スピーカとエネルギー消費手段の等価回路を示す回路図、図４は負性静電容量の一つの実現例を示す回路図、図５は負性静電容量の他の実現例を示す回路図、図６は蓄電手段の一例を示す電気回路図、図７は圧電スピーカの取付構造の一例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図、図８は振動低減効果を比較例とともに示すグラフ、図９は圧電式スピーカを重ねて取り付ける場合の取付構造を示す図であり、（ａ）は圧電式スピーカを単に重ねて取り付けた場合の概念図、（ｂ）は最初の圧電式スピーカに支柱を備えた場合の概念図、図１０は圧電素子と圧電式スピーカの圧電性能の周波数依存性を示すグラフ（圧電素子と圧電式スピーカのエネルギー変換特性グラフ）である。

図１において、１は抑制対象物であり、２は抑制対象物１に取付けられた、音響又は振動を電気エネルギーに変換する圧電式スピーカであり、３はその圧電式スピーカ２により取出された電気エネルギーを消費するエネルギー消費手段である。

抑制対象物１は鉄道車両その他の車両の壁面、建築物の壁面、機械自体又は機械の筐体などの比較的軽量の物体又は部材であり、本発明の効果を有効に発揮するのは、これらの抑制対象物１が比較的広帯域の周波数の振動又は騒音を受けやすい環境に存在する場合である。

圧電式スピーカ２は、圧電セラミックス等で構成された振動板２１を弾性支持体２２に支持し、その振動板に電極を接続したものであり、本来のスピーカとしての使用する場合は、電極を介して音声信号を受けると所定周波数で振動して音波を発生するのであるが、本発明においては、圧電式スピーカの振動板２１の圧電効果（機械的振動を受けると電荷を発生する現象）を利用して、受けた振動又は騒音による歪みを電気エネルギーに変換する一種のエネルギー変換系として用いる。

図１０は、圧電素子と圧電式スピーカの出力の周波数特性を示すグラフであり、細線が圧電素子の出力、太線が圧電式スピーカの出力である。同図に示されるように、圧電素子は５００Ｈｚ近辺、１０００〜２０００Ｈｚにおいて出力レベルが低いのに対し、圧電式スピーカは７５０〜１１００Ｈｚ、１７００〜２０００Ｈｚの狭い範囲では出力レベルがやや低いが、それ以外の広い範囲で良好な出力が得られることが判る。
そのため、上記構成において、基本的に圧電式スピーカは抑制対象物上あるいは空間内に平面的に敷設され外来の又は自己発生の振動又は騒音を広周波数帯域において効率的に電気エネルギーに変換して出力する。その電気エネルギーはエネルギー消費手段３により熱エネルギーに変換されて消費される。

抑制対象物１に圧電式スピーカ２を取付ける方法の一つには、前記弾性支持板２２又は圧電式スピーカ２の筐体を壁体などに直接貼り付ける方法又は粘着テープ等を用いて固定する方法、あるいは、ねじなどの固着具を用いて固定する方法等があり得る。
音響エネルギーあるいは振動エネルギーを電気エネルギーに変換するのに、従来、圧電素子を使用することが提案されているが、この圧電素子は図１０に示すように、一般に形状により決まる固有周波数（１００〜３００Ｈｚ）付近では効率的にエネルギー変換が行われるが、その他の周波数では慨してエネルギー変換効率が低い。

これに対して、圧電式スピーカ２は音響スピーカとして使用されることを前提に製作され、音響放射の周波数帯域が広くなるよう設計されている。この圧電式スピーカ２を歪み−電気変換器として用いる場合も、図１０に示すように５０〜１７００Ｈｚの広い周波数帯域の振動又は騒音による歪みを電気に変換することが可能であるという特長がある。本発明は、広周波数帯域を持つ圧電式スピーカをエネルギー変換器として使用することで、音響エネルギーおよび振動エネルギーを広帯域で電気エネルギーに変換できるようにしてある。

抑制対象物１に加わる振動又は騒音の強さが大きい場合は、複数枚の圧電式スピーカを使用し、それぞれの圧電式スピーカの正極と負極を並列又は直列に結合することとなる。

電気エネルギー消費手段３は、図２に例示するように、圧電式スピーカ２の振動板２１に接続された両電極の間に直列接続されたコイル３１と抵抗器３２を含む周知のシャント回路Ｓ１で構成することができる。圧電式スピーカ２にシャント回路Ｓ１が接続されていることにより、振動板２１の静電容量（Ｃ）とコイル３１のインダクタンス（Ｌ）と抵抗器３２の抵抗（Ｒ）によりＬＣＲ共振回路が構成されている。
上記構成により、抑制対象物１に外来振動又は騒音が侵入した時は、その振動又は騒音が圧電式スピーカ２の振動板２１に伝達され、その振動板に発生する歪みが電荷に変換されて、シャント回路Ｓ１に共振電流が流れ、その電流は抵抗器３２においてジュール熱に変換されて、大気中に放出されることにより、エネルギーが消費される。

上述のように、共振回路を構成するシャント回路Ｓ１を用いる場合は、抑制対象物１が共振周波数と同一の周波数で振動する場合には圧電式スピーカ２から最大の電流がシャント回路Ｓ１に流れるので、良い振動減衰効果が得られるが、それ以外の周波数の振動を受けた場合には、振動減衰効果が低くなる。

図３は、上記の難点を解消した実施の形態を示している。すなわち、この実施の形態では、シャント回路Ｓ２が圧電式スピーカ２が持っている静電容量Ｃとほぼ等価な負性静電容量（−Ｃ）と、負性静電容量に直列に抵抗Ｒｅを接続して構成されている。
負性静電容量（−Ｃ）は、一例として、図４に示すように、オペアンプからなる反転回路３３と、その反転回路の出力を積分する積分回路３４とで生成することができ、また、図５に示すような回路を用いて生成することもできる。
圧電式スピーカ２が持っている静電容量（Ｃ）と、この静電容量とほぼ等価な負性静電容量（−Ｃ）を結合すると、全周波数帯域で合成インピーダンスが０となるため、理論的には周波数特性がなくなり、圧電式スピーカ２から効率的に電流を抵抗器３２に流すことが可能となる。従って、この実施の形態によれば、質量則以上の制振効果又は消音効果が期待できる。

また、所要の面積をカバーしたり、重ね合わせて取り付ける場合など、複数の圧電式スピーカを使用する場合は、その圧電式スピーカの合成静電容量に合う負性静電容量を接続することで、シャント回路を１つあるいは最小個数とすることが可能である。

上記の実施の形態では、圧電スピーカより取出された電気エネルギーを抵抗器３２（Ｒｅ）により熱エネルギーに変換して消費してしまったが、その電気エネルギーを消費せずに、図６に示すように、シャント回路Ｓ３に蓄電手段４を接続して、蓄電することが可能である。蓄電手段４は、第２コイル４１と整流器４２と蓄電池４３とを有するものであり、シャント回路Ｓ３の第１コイル３１と第２コイル４１とでそれぞれ変圧器４４の一次巻線及び二次巻線を形成している。
蓄電手段４を備えた場合は、この蓄電手段４を負性静電容量を生成する回路を駆動するための電源として利用することができる。すなわち、圧電式スピーカを複数枚用い、そのいずれかに図４又は図５の圧電式スピーカ全体の有する静電容量とほぼ等価な負性静電容量と抵抗器を含むシャント回路Ｓ２を接続し、他の圧電式スピーカには、図６のシャント回路Ｓ１及び蓄電手段４を接続して、蓄電手段の蓄電器４３から負性静電容量を生成する回路、例えば図４の反転回路３３及び積分回路３４に駆動電源を供給することができる。

圧電式スピーカをエネルギー変換系として用いる場合は、抑制対象物から圧電式スピーカの振動板への振動伝達の良否が制振効果又は吸音効果を左右する。好ましい実施の形態においては、図７に示すように、振動板２１の好ましくは中心と抑制対象物の間に支柱５を設けて、抑制対象物１の振動を圧電式スピーカ２の振動板２１に直接伝達するようにしている。この支柱５は金属などの剛体とゴムなどの弾性体いずれも考えられる。
圧電式スピーカ単体では、基本的に印加される音響エネルギーのみが電気エネルギーに変換されるが、圧電式スピーカ２の振動板２１と抑制対象物１を支柱５で結合することにより抑制対象物１の振動エネルギーを圧電式スピーカ２の振動板２１に直接伝達することができるため、エネルギー変換効率の向上が見込まれる。さらに、抑制対象物の振動が印加される音響エネルギーによって励振される成分のみならず、他要因による振動の固体伝搬振動も合わせて電気エネルギーに変換することが可能である。
図８に示すように、振動板２１と抑制対象板１の間に支柱５を設けない場合の出力（同図（ａ））と、設けた場合の出力（同図（ｂ））を比較すると、支柱ありの場合は抑制対象板の振動に忠実に追従した出力が得られることが判る。

複数の圧電式スピーカ２を使用する場合、抑制対象物１の対象面に平面的に貼り付けるだけでなく、図９（ａ）に例示するように、圧電式スピーカ２ａ，２ｂ，２ｃを重ねて使用することが可能である。エネルギーの変換効率を上げるために、同一面上に重ねて圧電スピーカを取り付けることで、音響入射方向に対し振動又は騒音を複数段階で電気エネルギーに変換することが可能となり、全体のエネルギー変換効率が向上する。

前述の通り圧電式スピーカを重ねて使用する場合は、図９（ｂ）に例示するように、抑制対象物１に直接貼る圧電式スピーカ２ａには支柱５を取り付け、その上に貼り付けた圧電式スピーカ２ｂは支柱なしで使用することが良い。
抑制対象物１に直接取り付ける圧電式スピーカ２ａに支柱５を取り付けることで抑制対象物１の振動エネルギーを主に圧電式スピーカ２ａにより電気エネルギーに変換し、その上の圧電式スピーカ２ｂには支柱を取り付けないことにより音響エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となり、それぞれ別のエネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。

圧電式スピーカ２の取付構造に関し、上述の例はいずれも抑制対象物１に直接を貼り付けた。しかし、抑制対象物によっては又はその使用環境によっては、振動又は音の強度や侵入方向が変わる場合がある。このような場合は、振動・騒音低減装置の取り付け位置の変更や移動が望まれるが、上記のような取付構造では、一旦取り付けた後は取り外すことができないか、ねじ等を緩めて取り外すなど手間がかかる。
そこで、本発明では、次のような取付構造を採用している。この取付構造は、抑制対象物１が鉄板などの磁性体である場合に、採用することができるものであり、図１、図８に示すように、圧電式スピーカ２をシート状の磁石６に貼り付け、その磁石６を抑制対象物１に磁気的に吸着させて固定するようにした。圧電式スピーカ２をシート状の磁石６に取り付け、これを抑制対象物１に磁気的に吸着させるので、専用の取り付け具（ネジなど）を使用せず、簡単に取り付けることが可能となる。また、振動源、音源の移動又は増減に応じて圧電式スピーカ２の配設位置の移動又は増減が容易にできる利点がある。

以上の説明において、抑制対象物１が外来騒音により振動したり音を発生したりする場合の制振及び騒音を低減する装置を考察してきたが、本発明は、圧電式スピーカ２の音響−電気変換又は振動−電気変換（圧電効果）を利用して制振防音を行うことを基本原理とするので、抑制対象物１が自ら振動又は騒音を発生する場合にも適用できることはいうもでもない。本発明の技術的思想をさらに展開すれば、抑制対象物１が本来の音響発生の用途に供される圧電式スピーカである場合にも適用すると、その音響発生用圧電式スピーカの機能の一層の向上を図ることができる。すなわち、抑制対象物に相当する音響発生用圧電式スピーカの裏面に、騒音抑制用圧電式スピーカを取り付けたシート状の磁石を設け、後者の騒音抑制用スピーカの振動板に電極を介してエネルギー消費手段及び又は蓄電手段を接続することにより、音響発生用スピーカの裏側に放射される逆位相の音、すなわち雑音を低減することができ、これにより音響発生用スピーカの表側には雑音の無い又は非常に少ない、澄んだ明晰な音響が供給される。エネルギー消費手段及び又は蓄電手段に代えて、低減対象周波数に対応する共振周波数を設定するためのリアクタンス（Ｌ）又は抵抗値（Ｒ）を調整する制御回路を接続することにより、音響発生用スピーカの裏側から放射される必要範囲以外の騒音の抑制又は消滅させることができる。

第１の実施の形態の基本構成を示す概念図。 圧電スピーカとエネルギー消費手段の一例を示す回路図。 圧電スピーカとエネルギー消費手段の等価回路を示す回路図。 負性静電容量の一つの実現例を示す回路図。 負性静電容量の他の実現例を示す回路図。 蓄電手段の一例を示す電気回路図。 圧電スピーカの抑制対象物に対する取付構造の一例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図。 振動板と抑制対象板の間に支柱を設けない場合（ａ）と設けた場合（ｂ）の出力の差異を示す測定グラフ。 圧電式スピーカを重ねて取り付ける場合の取り付け構造を示す図であり、（ａ）は圧電式スピーカを単に重ねて取り付けた場合の概念図、（ｂ）は最初の圧電式スピーカに支柱を備えた場合の概念図。 圧電素子と圧電式スピーカの出力比較図。

１ 抑制対象物
２ 圧電式スピーカ
３ エネルギー消費手段
Ｓ１，Ｓ２ シャント回路
３１ コイル
３２ 抵抗器
Ｃ 静電容量
−Ｃ 負性静電容量
４ 蓄電手段
４２ 整流器
４３ 蓄電器
４４ 変圧器
３１ 第１コイル
４１ 第２コイル
５ 支柱
６ 磁気シート

Claims (4)

1. 振動又は騒音を電気に変換するためのエネルギー変換系と、変換された電気を熱エネルギーとして消費するエネルギー消費手段とを含む振動・騒音低減装置において、
   前記エネルギー変換系は、圧電セラミックス等で構成された振動板を弾性支持体に支持し、その振動板に電極を接続してなる複数個の圧電式スピーカにより構成され、かつ、前記複数個の圧電式スピーカが予めシート状の磁石に平面的に取り付けられており、
   そのシート状の磁石が磁性体である抑制対象物に磁気吸着力により取り付けられていることを特徴とする振動・騒音低減装置。
2. シート状の磁石に平面的に取り付けられる圧電式スピーカは、複数の圧電式スピーカを重ね合わせて構成されていることを特徴とする請求項１に記載された振動・騒音低減装置。
3. 請求項２に記載された振動・騒音低減装置において、抑制対象物に直接取り付ける圧電式スピーカの振動板と前記抑制対象物との間にのみ支柱を介在させ、重ね合わせる圧電式スピーカの振動板同士の間には支柱を介在させていないことを特徴とする振動・騒音低減装置。
4. 請求項1、２又は３に記載された振動・騒音低減装置において、前記抑制対象物は音響用圧電式スピーカであり、その音響用圧電式スピーカの裏側に、複数個の圧電式スピーカが取り付けられているシート状の磁石を取り付けて、音響用圧電式スピーカの裏側に発生する不必要な騒音を抑制するようにしたことを特徴とする振動・騒音低減装置。

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