JP5056385B2 - 吸音体 - Google Patents

Description

この発明は膜振動による吸音作用とヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏する吸音体に関し、膜状吸音材に形成するヘルムホルツ共鳴用の共鳴穴が該膜状吸音材の膜振動を阻害しにくくしたものである。

膜振動による吸音作用とヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏する吸音体として下記特許文献１，２に記載されたものがあった。特許文献１に記載の吸音体は全面に穴（共鳴穴）を形成した膜状吸音材を空洞を形成しながら複数層積層したものである。膜状吸音材は空洞を背後空気層として膜振動による吸音作用を生じさせる。また空洞は共鳴穴を介して外気と連通しヘルムホルツ共鳴による吸音作用を生じさせる。特許文献２に記載の吸音体は肉厚のシート材の内部に複数の空洞を形成し、該シート材の表層部に各空洞の平面中央部に連通する共鳴穴を形成したものである。表層部は空洞を背後空気層として膜振動による吸音作用を生じさせる。また空洞は共鳴穴を介して外気と連通しヘルムホルツ共鳴による吸音作用を生じさせる。

特開平８−３０１０２４号公報 特許第３５８４４６５号公報

特許文献１，２記載の吸音体によれば、音波を受けて大きく変位（振動）すべき膜の箇所（背後空気層の平面中央部に相当する位置）に共鳴穴が形成されているため、音波は該共鳴穴を通り抜けてしまい、振動膜の変位が生じにくかった。このため共鳴孔が膜振動を阻害する問題があった。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、膜状吸音材に形成するヘルムホルツ共鳴用の共鳴穴が膜状吸音材の膜振動を阻害しにくくした吸音体を提供しようとするものである。

この発明の吸音体は開口部を有する空洞と、前記開口部を塞ぐ膜状吸音材とを具備し、前記膜状吸音材は前記開口部の周縁部に固定支持され、前記膜状吸音材の、前記開口部の周縁部の固定端から、該固定端とその対向する固定端との間の長さの２０％の範囲内の領域に限り、前記空洞との組み合わせによりヘルムホルツ共鳴を生じる共鳴穴を形成してなり、前記膜状吸音材の膜振動による吸音作用と前記ヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏するものである。

周縁部が固定支持された膜状吸音材が通常レベルの音波を受けて振動するとき、この振動による膜状吸音材の屈曲は通常、該膜状吸音材の周縁部の固定端から該膜状吸音材の面の寸法の１０〜１５％内側（中心側）に寄った所から始まる。つまりそれよりも外周側の領域は固定端に近いためほとんど変位しない。この発明は音波を受けてもほとんど変位しないこの外周側の領域近傍に共鳴穴を形成し、それよりも内周側の容易に変位する領域には共鳴穴を形成しないので、共鳴穴が膜状吸音材の膜振動を阻害しにくくなり、膜振動による高い吸音作用を生じさせることができる。

この発明は例えば前記膜状吸音材の平面形状が角形であり、前記共鳴穴が該角形の隅部に形成されているものとすることができる。これによれば角形の隅部は特に変位しにくいので、共鳴穴が膜状吸音材の膜振動をより阻害しにくくなり、膜振動によるより高い吸音作用を生じさせることができる。

この発明は例えば前記ヘルムホルツ共鳴の共鳴周波数を前記膜状吸音材の一次共振周波数と二次共振周波数の間に設定することができる。これによれば膜状吸音材の膜振動で吸音する一次共振周波数近辺の周波数領域と二次共振周波数近辺の周波数領域に挟まれた、膜振動による吸音効果を期待できない周波数領域をヘルムホルツ共鳴で吸音するので、一次共振周波数と二次共振周波数の間を補間して広帯域の吸音を行うことができる。

この発明は前記膜状吸音材の前記共鳴穴を形成する箇所の膜厚を該膜状吸音材の中央部を含む振動動作の主要部（音波を受けて大きく振動する領域）の膜厚と異ならせたものとすることができる。これによれば共鳴穴を形成する箇所の膜厚を変えると共鳴穴の軸方向の長さが変わるので、ヘルムホルツ共鳴周波数が変化する。また膜状吸音材の膜振動の共振周波数は振動動作の主要部の膜厚（膜の単位面積あたりの質量）に応じて変化する。したがって膜状吸音材の共鳴穴を形成する箇所の膜厚を該膜状吸音材の中央部を含む振動動作の主要部の膜厚と異ならせることにより、ヘルムホルツ共鳴周波数と膜振動の共振周波数を独立に設定することができ、吸音体全体として所望の吸音特性に設定することができる。このような構造は、共鳴穴を形成する箇所の膜厚を膜状吸音材の振動動作の主要部の膜厚よりも大きく設定する場合は、例えば前記膜状吸音材の前記共鳴穴を形成する箇所に別途膜材または板材による片を貼り合わせ、該膜状吸音材および該片を貫通して前記共鳴穴を形成することにより実現することができる。

この発明の吸音体はまた、平面状に配列され区画壁で相互に仕切られた複数の空洞を有し、前記各空洞は背部が後壁で閉じられ前部が開口部を形成し、前記各開口部は膜状吸音材でそれぞれ塞がれ、前記各膜状吸音材は前記開口部の周縁部にそれぞれ固定支持され、前記各膜状吸音材の、前記開口部の周縁部の固定端から、該固定端とその対向する固定端との間の長さの２０％の範囲内の領域に限り、前記空洞との組み合わせによりヘルムホルツ共鳴を生じる共鳴穴をそれぞれ形成してなり、前記膜状吸音材の膜振動による吸音作用と前記ヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏するものとして構成することができる。これによれば区画壁で仕切られた各領域ごとに膜振動による吸音作用とヘルムホルツ共鳴による吸音作用を生じさせることができ、吸音体全体として各領域による吸音効果を合算した吸音効果を得ることができる。

この発明の実施の形態を以下説明する。図２はこの発明による吸音体の実施の形態を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図３はこの吸音体の分解斜視図を示す。この吸音体１０は所定板厚の１枚の平板状の板状部材１２の前面に区画壁１４（剛壁）を突出形成したパネル体１６を具えている。板状部材１２と区画壁１４はアルミ等の金属あるいはプラスチックによる一体成型品で作られている。あるいは板状部材１２と区画壁１４を別体で構成した後、接着剤あるいはねじ等の接合材で接合してパネル体１６を構成することもできる。後者の場合は板状部材１２および区画壁１４をアルミ等の金属、プラスチック、木材等で構成することができる。区画壁１４は縦方向の区画壁および横方向の区画壁がそれぞれ均一の間隔に配置された井桁状に形成されている。これにより板状部材１２の前面側には区画壁１４で仕切られた同一形状および同一寸法の矩形状の複数（この例では１６個）の空洞１８が平面状に配置形成されている。各空洞１８は背部が板状部材１２による後壁（剛壁）で閉じられ前部が開口部１８ａを形成している。

区画壁１４の上には１６個の空洞１８全体を覆うように１枚の膜材（シート材）２０が被せられ、その上から押さえ板２２が載せられている。膜材２０は各空洞部分で膜状吸音材を構成するもので、塩ビフィルム、カンバス、ゴムシート等の有機シート構成され、膜厚は０．５〜２ｍｍ程度である。押さえ板２２はアルミ等の金属、プラスチック、木材等で構成される。押さえ板２２は区画壁１４と一致する横断面形状を有し、区画壁１４による開口部１８ａと一連となる開口部２２ａが形成されている。区画壁１４と押さえ板２２とは、押さえ板２２の上端面の各部（この例では井桁の縦と横の各交点）に形成された穴２４（図１、図３）にその上方からねじ２６を差し込んで膜材２０を貫通して区画壁１４の上端面に形成された穴２８（図１、図３）にねじ込むことにより相互に連結される。このとき膜材２０は区画壁１４と押さえ板２２とで強く挟まれて固定された状態となる。これにより各空洞１８の開口部１８ａは該開口部１８ａの周縁部で固定支持された膜材２０でそれぞれ塞がれる。該膜材２０は各空洞１８において膜状吸音材として機能し、膜振動による吸音作用を奏する。

押さえ板２２の上には必要に応じてサランネット等の音響透過性クロス２７が装飾用に被せられる。またパネル体１６の板状部材１２の四隅にはこの吸音体１０を室の壁面、天井等に固定する（板状部材１２の裏面を壁面、天井面等に当接させた状態に固定する）ためのねじを差し込む穴２９が形成されている。

膜材２０には予め各開口部１８ａの１つの隅部に対応する位置に適宜の膜厚の片２８が接着等により貼り合わされている。片２８は膜材２０と同じ塩ビフィルム、カンバス、ゴムシート等の有機シートによる可撓性の膜材またはその他の材料による板材で構成される。可撓性の膜材を使用すると膜材２０の振動に対する阻害量を極力低減できる。膜材２０と各片２８とが積層された領域にはこの積層部分を貫通する共鳴穴３０がそれぞれ形成されている。各空洞１８は共鳴穴３０を介して外気に連通する。これにより各空洞１８は共鳴穴３０を通してヘルムホルツ共鳴を生じ、ヘルムホルツ共鳴による吸音作用を奏する。

吸音体１０の１つの空洞部分の構造を図１に拡大して示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。（ａ）において共鳴穴３０は、開口部１８ａにおける膜状吸音材２０の横方向の固定端３２から膜状吸音材２０の面の横の長さＬ１の２０％の範囲内の領域Ｓ１、あるいは膜状吸音材２０の縦方向の固定端３４から膜状吸音材２０の面の縦の長さＬ２の２０％の範囲内の領域Ｓ２に形成される。この例では共鳴穴３０をＳ１かつＳ２の領域Ｓ１＊Ｓ２に形成している。この領域Ｓ１＊Ｓ２は平面矩形状の膜状吸音材２０の隅部であり、音波による変位が最も生じにくい領域であるので、膜状吸音材２０の膜振動を特に阻害しにくくなる。また膜材２０と片２８を貼り合わせた領域は膜材２０のみの領域よりも変位しにくくなるので、この貼り合わせた領域も領域Ｓ１，Ｓ２のいずれかまたは領域Ｓ１＊Ｓ２内に収めて配置するのが望ましい。この例ではこの貼り合わせた領域を領域Ｓ１＊Ｓ２内に収めて配置している。

図１（ｂ）において、膜状吸音材２０の膜振動による共振周波数は膜状吸音材２０の背後空気層（空洞１８）の層厚ｄ１あるいは膜状吸音材２０の膜厚ｄ２で調整できる。すなわち背後空気層１８の層厚ｄ１を厚くしあるいは膜状吸音材２０の膜厚ｄ２を厚くすることにより共振周波数は低くなり、背後空気層１８の層厚ｄ１を薄くしあるいは膜状吸音材２０の膜厚ｄ２を薄くすることにより共振周波数は高くなる。

一方、ヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_resは次式で与えられる。

ｆ_res＝（Ｃ／２π）・｛Ｓ／（ｌ・Ｖ）｝^1/2
但し、Ｃ：音速
Ｓ：共鳴穴３０の軸直角方向の断面積
ｌ：共鳴穴３０の軸方向長さ（開口端補正した値）
Ｖ：空洞１８の容積

これによれば、背後空気層１８の層厚ｄ１（つまり空洞１８の容積）および膜状吸音材２０の膜厚ｄ２が決められた条件の下では、ヘルムホルツ共鳴周波数は共鳴穴３０の軸方向の長さと軸直角方向の断面積で調整できることがわかる。すなわち共鳴穴３０の軸方向の長さを長くしあるいは軸直角方向の断面積を小さくすれば共鳴周波数は低くなり、共鳴穴３０の軸方向の長さを短くしあるいは軸直角方向の断面積を大きくすれば共鳴周波数は高くなる。この例では共鳴穴３０の軸方向の長さは膜状吸音材２０の膜厚ｄ２と片２８の膜厚ｄ３の加算値ｄ２＋ｄ３で与えられるから、膜状吸音材２０の膜厚ｄ２が決められた条件の下では片２８の膜厚ｄ３と共鳴穴３０の軸直角方向の断面積によりヘルムホルツ共鳴周波数を調整することができる。すなわち片２８の膜厚ｄ３についていえば、膜厚ｄ３を厚くすれば共鳴穴３０の軸方向の長さが長くなるからヘルムホルツ共鳴周波数は低くなり、膜厚ｄ３を薄くすれば共鳴穴３０の軸方向の長さが短くなるからヘルムホルツ共鳴周波数は高くなる。

膜状吸音材２０が通常レベルの音波を受けたときの振動動作を図４に模式的に示す。点線は振動の中立位置の状態、実線は振動の振幅の端部位置の状態である。これによれば膜状吸音材２０の振動による屈曲は膜状吸音材２０の周縁部の固定端３２（３４）から膜状吸音材２０の面の寸法Ｌ１（Ｌ２）の１０〜１５％内側（中心側）に寄った所から始まり、それよりも外周側の領域は固定端３２（３４）に近いためほとんど変位していない。共鳴穴３０はこのほとんど変位しない領域に形成されているので、膜状吸音材２０の振動にほとんど影響しない。したがって共鳴穴３０がない場合と同等の膜振動が得られ、膜振動による高い吸音効果が得られる。また共鳴穴３０は膜状吸音材２０の振動にほとんど影響しないので、膜振動による吸音効果とヘルムホルツ共鳴による吸音効果を容易に予測することができ、吸音体１０の設計を容易に行える。

図１の１つの空洞部分による吸音率特性を図５に示す。Ａは膜状吸音材２０の膜振動による特性、Ｂはヘルムホルツ共鳴による特性、Ｃは両特性を合わせた吸音体１０全体の特性である。膜振動による特性Ａは共振周波数ｆ１（一次共振周波数），ｆ２（二次共振周波数）で比較的鋭いピークを持ち、最大吸音率も大きい。ピーク以外の周波数では吸音率は急激に小さくなる。そこでヘルムホルツ共鳴の基本共鳴周波数ｆ３を膜振動による一次、二次共振周波数ｆ１，ｆ２の中間の周波数に調整する。これにより全体の特性Ｃは、膜振動による特性Ａの一次、二次共振周波数ｆ１，ｆ２間を補間して広帯域で吸音効果が得られる特性となる。

《実施例》
図１に示す吸音体１０の１つの空洞部分の各部の寸法の設計例を以下に示す。この設計例では膜状吸音材２０および片２８は同一膜厚の塩ビフィルム等で構成できる。

膜状吸音材２０の面の横、縦の長さ（Ｌ１，Ｌ２）：各１００ｍｍ
背後空気層１８の容積：３×１０^-4ｍ³
背後空気層１８の層厚（ｄ１）：３ｃｍ
膜状吸音材２０の膜厚（ｄ２）：０．８ｍｍ
片２８の膜厚（ｄ３）：０．８ｍｍ
固定端３２，３４から共鳴穴３０の中心までの距離：１５ｍｍ
共鳴穴３０の直径：５ｍｍ
共鳴穴３０の軸方向の長さ（ｄ２＋ｄ３）：１．６ｍｍ

上記設計例によれば図５の特性図において膜状吸音材２０の膜振動による吸音率のピークは一次共振周波数ｆ１が２４０Ｈｚ付近、二次共振周波数ｆ２が４８０Ｈｚ付近に生じる。このとき３５０Ｈｚ付近は吸音ピークの間となるため、吸音率が小さい周波数域となる。一方ヘルムホルツ共鳴による基本共鳴周波数ｆ３は３４６Ｈｚとなり、膜振動による吸音ピークの間を埋めることができる。因みにヘルムホルツ共鳴周波数は共鳴穴３０の軸方向の長さ（ｄ２＋ｄ３）に応じて次のように変化する。

ｄ２＋ｄ３（ｍｍ） 共鳴周波数（Ｈｚ）
０．７ ５２２
１．０ ４３７
１．４ ３６９
１．６ ３４６
１．８ ３２６
４．２ ２１３

なお前記実施の形態では吸音体１０は各空洞部分の構造を共通にしたが、各空洞部分ごとに背後空気層１８の層厚あるいは膜状吸音材２０の膜厚等を異ならせることにより空洞部分ごとに膜振動の共振周波数を異ならせたり、各空洞部分ごとに共鳴穴３０の直径や軸方向の長さ（片２８の膜厚）を異ならせることにより空洞部分ごとにヘルムホルツ共鳴周波数を異ならせることもできる。また前記実施の形態では各空洞の膜状吸音材の平面形状を矩形としたが、これに限らず矩形以外の角形その他様々な平面形状に形成することができる。また前記実施の形態では１枚の連続した膜材２０を用いて個々の空洞部分の膜状吸音材２０を構成したが、空洞部分ごとに独立した膜材で膜状吸音材を構成することもできる。また前記実施の形態では後壁を板状部材１２で構成したが、板状部材１２をなくして空洞１８の背部を開口させて、吸音体１０を該背部側が室の壁面、天井面等に当接した状態で固定することにより背部を室の壁面、天井面等で塞ぐようにすることもできる。この場合は室の壁面、天井等が空洞の背部を閉じる後壁を構成する。また前記実施の形態では１つの空洞につき１つの共鳴穴を形成したが、これに限らず１つの空洞につき複数の共鳴穴を形成することもできる。また前記実施の形態ではヘルムホルツ共鳴の基本共鳴周波数を膜振動による一次、二次共振周波数の中間の周波数に設定したが、該基本共鳴周波数を膜振動による二次共振周波数よりも高い周波数あるいはあるいは膜振動による一次共振周波数よりも低い周波数に設定することもできる。また前記実施の形態では吸音体を複数の空洞を配列した場合について説明したが、この発明は単一の空洞を有する吸音体として構成することもできる。

図２の吸音体の１つの空洞部分の構造を拡大して示す平面図および断面図である。 この発明による吸音体の実施の形態を示す正面図および断面図である。 図２の吸音体の分解斜視図である。 図１の１つの空洞の膜状吸音材が通常レベルの音波を受けたときの振動動作を模式的に示す断面図である。 図１の１つの空洞部分による吸音率特性を示す図である。

符号の説明

１０…吸音体、１２…後壁、１４…区画壁、１８…空洞（背後空気層）、１８ａ…開口部、２０…膜材（膜状吸音材）、２８…片、３０…共鳴穴、３２，３４…膜状吸音材固定端

Claims (6)

1. 開口部を有する空洞と、
   前記開口部を塞ぐ膜状吸音材とを具備し、
   前記膜状吸音材は前記開口部の周縁部に固定支持され、
   前記膜状吸音材の、前記開口部の周縁部の固定端から、該固定端とその対向する固定端との間の長さの２０％の範囲内の領域に限り、前記空洞との組み合わせによりヘルムホルツ共鳴を生じる共鳴穴を形成してなり、
   前記膜状吸音材の膜振動による吸音作用と前記ヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏する吸音体。
2. 平面状に配列され区画壁で相互に仕切られた複数の空洞を有し、
   前記各空洞は背部が後壁で閉じられ前部が開口部を形成し、
   前記各開口部は膜状吸音材でそれぞれ塞がれ、
   前記各膜状吸音材は前記開口部の周縁部にそれぞれ固定支持され、
   前記各膜状吸音材の、前記開口部の周縁部の固定端から、該固定端とその対向する固定端との間の長さの２０％の範囲内の領域に限り、前記空洞との組み合わせによりヘルムホルツ共鳴を生じる共鳴穴をそれぞれ形成してなり、
   前記膜状吸音材の膜振動による吸音作用と前記ヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏する吸音体。
3. 前記膜状吸音材の平面形状が角形であり、前記共鳴穴が該角形の隅部に形成されている請求項１または２記載の吸音体。
4. 前記ヘルムホルツ共鳴の共鳴周波数を前記膜状吸音材の一次共振周波数と二次共振周波数の間に設定してなる請求項１から３のいずれか１つに２記載の吸音体。
5. 前記膜状吸音材の前記共鳴穴を形成する箇所の膜厚を該膜状吸音材の中央部を含む振動動作の主要部の膜厚と異ならせてなる請求項１から４のいずれか１つに記載の吸音体。
6. 前記膜状吸音材の前記共鳴穴を形成する箇所に別途膜材または板材による片を貼り合わせ、該膜状吸音材および該片を貫通して前記共鳴穴を形成してなる請求項５記載の吸音体。

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