JP5164779B2 - インパルス音源装置 - Google Patents

Description

本発明は、騒音対策や騒音予測およびその他の音響分野において、音の伝搬、回折などの特性を把握するために使用するインパルス音源装置に関する。

騒音対策や騒音予測の分野における、音の伝搬、回折などの特性を把握する方法として、音のインパルス応答を求める手法がある。例えば、高速道路脇に設置された防音壁による回折効果を実験的に把握するために、インパルス音の応答を実験的に計測することが多い。また、建築音響の分野においても、例えばコンサート・ホールの残響時間を把握するためにインパルス応答を実験的に計測することが多い。

このようなインパルス応答の計測は、通常、スピーカを用いてＭ系列信号や時間伸張パルスといった特殊な音を発生させ、この発生音、およびこの音によって引き起こされた応答音のデータを処理してインパルス応答を求める手法が用いられる。但し、これらのスピーカを用いてインパルス音を求める手法の問題点として、計測可能な周波数帯域は使用するスピーカに依存するため、十分な大きさで音を放射できるのはおおよそ１００Ｈｚ〜数ＫＨｚに限られる点がある。

また、音の大きさもスピーカやアンプの性能に依存するため、室内で計測する際には十分であるが、屋外で使用するには大音圧が必要となるため不向きである。特に、トンネル工事における発破音や、超音速で飛行する航空機から発生するソニックブームのように１００Ｈｚ以下の低周波音成分が主要周波数成分である場合の音の伝搬、家屋への透過音、建具のガタつき状況などを把握するための実験は、スピーカでは低い周波数成分まで十分な音域を再生できないために困難である。

そのため、低い周波数成分までを含んだインパルス音を人工的に再現性よく再生する装置が求められている。

例えば、特許文献１の「建具試験用低周波音源」に記載されるような、振動板をサーボ機構を備えた油圧アクチュエータによって振動させる方式も知られている。

また、非特許文献１では、山岳部における鉄道や道路のトンネル建設作業における発破音を模擬的に発生させる装置を提案している。すなわち、エアータンクに溜めておいた圧縮空気を電磁弁により瞬時に放出する構造をとることにより、実際にトンネル内で発生する発破音と同様の音を模擬的に発生させることが提案されている。

更に、非特許文献２においても、広帯域・高音響エネルギーレベルの衝撃性音源を得るため、屋外で使用できる簡易型の圧縮空気瞬時放出型の音源を製作している。
特開２００４−１４７０５１号公報 土肥哲也，加来治郎（小林理研），佐野昌伴，西ヶ谷忠明（施工総研）："模擬発破音源を用いたトンネル発破音の放射指向特性"，日本騒音制御工学会研究発表会講演論文集（平成１７年９月），ＰＰ．１８５−１８８ 横田考俊，土肥哲也，牧野康一（小林理研），岡田恭明，吉久光一（名城大・理工）："広帯域・高音響エネルギーレベル衝撃性音源の開発と伝搬実験への適用"，日本音響学会講演論文集（２００７年３月），ＰＰ．８１８−８１９

特許文献１に開示される「建具試験用低周波音源」は、屋内の使用を前提としており屋外での使用には不向きである。

また、非特許文献１あるいは２に示されている圧縮空気の瞬時開放を利用した音源装置は、オクターブバンド毎のエネルギーレベルでの評価を主たる目的としていた。したがって発生させる音の時間幅や波形などについてほとんど考慮されていなかった。このような音源装置を使用した場合、瞬時開放時の発生音のみでなく、この発生音が装置管内部で乱反射して発生した音や気流音も放出される。そのため、得られる波形は周波数特性が平坦でなくインパルス音としては不十分である。

上記課題を解決するため、本発明に係るインパルス音源は、エアータンク内の空気を圧縮し、この空気を瞬時開放することにより衝撃音を発生させるためのインパルス音源であって、前記エアータンク内に吸音機能を有する多孔質材料を充填することによって、発生させる音の時間幅を短くした。

また本発明に係る別のインパルス音源は、エアータンク内を減圧し、この負圧を瞬時開放することにより衝撃音を発生させるインパルス音源であって、前記エアータンク内に吸音機能を有する多孔質材料を充填することによって、発生させる音の時間幅を短くした。

前記インパルス音源用のエアータンクは、例えば、内部の空気を加圧または減圧するための通気口と、インパルス音をエアータンク外部に発するための圧開放口と、この圧開放口を塞いでおき衝撃音発生時に破裂させる膜とを備える。

また前記エアータンクを中空円形状の管とし、この管の内径と前記膜の直径とを一致させることで、さらに大きなインパルス音を発生させることが可能である。

本発明によれば、エアータンク内の音の乱反射や気流音によるノイズを解消することで発生音の波形を改善し、時間幅が短くインパルスに近い音圧波形が、大音量、広帯域で再生可能となるため、インパルス応答を用いた伝達関数理論に基づく伝搬予測が可能になる。また屋外での低周波成分を含む音響実験が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明のインパルス音源装置の正面図、（ｂ）は側断面図、図２は同インパルス音源装置の斜視外観図である。

インパルス音源装置１は、エアータンク２と、エアータンク２内部の空気を加圧または減圧するための通気口３と、衝撃音をエアータンク２の外部に発するための圧開放口４と、この圧開放口４を塞いでおき衝撃音発生時に破裂させるための膜５とを備えている。

また、エアータンク２内部には吸音機能を有する多孔質材料６が充填されている。この多孔質材料６は、エアータンク２内の音の乱反射や気流音によるノイズを減衰、減少させてインパルス音の時間幅を短くすることを目的としている。

多孔質材料６の材質は特に制限がなく、発泡ウレタン等のスポンジ、織布、不織布、チップ材、その他吸音性能を有する材料であり、かつ空気を通すものであればどのようなものでもよい。多孔質材料６の充填方法としても特に制限はなく、エアータンク２内全体に詰め込むこともできるし、タンク内壁のみを覆うことも可能である。さらに、インパルス音発生時に外部に飛び出すことが無いよう、タンク内壁に固定しておくこともできる。

エアータンク２は、中空円形状の管であることが、対象物あるいは対象施設に対する指向性を有する点および耐圧性の点で優位である。しかし、インパルス音源装置の使用目的によっては、別の形状を有するほうが有利であることがある。例えば、多方向にインパルス音を送りたい場合には多頭式とすることもできるし、振動数の異なるインパルス音を同時に発生したい場合は連頭式とすることもできる。また、角型の外形とすればインパルス音源装置１の設置が容易となる。

エアータンク２の材質についても、圧縮空気の圧力あるいは減圧に耐えられるものであればどのようなものでも良い。アルミニウム製あるいはプラスチック製の管は、軽量で取り扱いが容易であるため、エアー圧力に耐えられる肉厚および形状を有するものであれば最も好ましい。

エアータンク２の圧縮空気あるいは減圧を瞬時開放する方式についても制約はない。図１に示した膜５を破裂させる方式は大音量のインパルス音を発生させることができる点で優位である。別の方式として、膜５に代えて電磁弁を使用すれば大音量は出難くなるものの膜５を張り替える必要がないため短時間に再使用したり、インパルス音を連続的に発生させたりする場合に便利である。また、膜５に代えて圧力調整弁を使っても、やはり短時間内の再使用が可能となる。

図１に示すように、膜５を破裂させる方式を採用した場合には、エアータンク２の端部にゴムパッキン７ａを敷き、ここへ膜５を置き、さらに膜５の上にゴムパッキン７ｂを敷き、最後にリング８で押さえてボルト９で固定する。膜５の破裂する部分の直径をエアータンク２の内径と一致する程度まで大きくすることで、さらに効率よく大きな音圧レベルのインパルス音を発生させることができる。

上記の膜５の材質に制限はないが、加圧または減圧時に一挙に破裂することができるよう、ポリエステル等の硬質のプラスチックシート、無機質薄板あるいは金属箔シートを使用することが好ましい。

本発明をさらに詳細に説明するため、以下に実施例を示す。

本実施例は本発明のインパルス音源を作製し、これを使用して簡易家屋を用いたフィールド実験を行ったものである。
１．インパルス音源
図１および２に示した装置であり、インパルス音発生方法は圧縮エアーの瞬時開放によった。エアータンクは、アルミニウム管の背面をアルミニウム板で塞いで形成し、前面に０．１ｍｍ厚のポリエステルシート製の膜を貼った。その直径は１７０ｍｍ、長さは２０００ｍｍ、エアータンク容量は０．０４５ｍ^３（４５Ｌ）であった。また、吸音材としての多孔質材料は発泡ウレタンを採用し、タンク内に配置した。
２．インパルス音の発生予備実験
エアータンク背面のアルミニウム板に開けられた通気口を通じて圧縮空気を供給し、タンク内の圧力を高めた。約２、５気圧になったところでポリエステル膜は圧力に耐え切れなくなり破裂し大音量のインパルス音が発生した。

上記吸音材を使用した本発明の音圧波形と周波数分布を図３（ａ）および（ｂ）に、また比較例として、吸音材を使用しなかった場合の音圧波形を図４に示した。これらのデータはいずれも音源から斜め５ｍ離れた場所で採取したものである。計測は超低周波音圧レベル計（ＲＩＯＮ ＸＮ１２Ａ；周波数特性０．２〜１ｋＨｚ）を用いて行い、出力信号を２４ｋＨｚサンプリングでＡ／Ｄ変換した。また周波数分布はコンピュータ上でオクターブバンドのディジタルフィルターを通して行った。

吸音材を使用した本発明の装置を使用した場合、図３に示したように観測された音波波形のパルス幅は１ミリ秒程度と非常に短く、音源から斜め５ｍ離れた場所で観測した最大音圧振幅は約６００Ｐａ（ピークＳＰＬは１５０ｄＢ。）と非常に大きかった。また音圧波形はほぼ一つの山で形成されていることからインパルス音と見なせるものであった。周波数特性としては、１Ｈｚの超低周波成分から今回使用した機器で計測可能な１０００Ｈｚまでのすべての成分が含まれていた。特に１〜２５０Ｈｚ付近では周波数にほぼ比例しており、横軸をリニアスケール（図３（ｂ）は対数スケール）にすればインパルス音源の持つ平坦な周波数特性を持つことが確認された。

一方、吸音材を使用しなかった場合、図４に示すように音波波形のパルス幅はダラダラと長くなっていてインパルス音とは言えないものであった。これは、膜５が破裂したときの発生音が装置管内部で乱反射して発生した音や気流音が、そのまま外部に発射されたためである。
３．簡易家屋を用いたフィールド試験
今回開発したインパルス音源を用いてフィールド試験を行い音源の実用性を確認した。試験は施工技術総合研究所で実施し、平坦で広い敷地に試験用の簡易家屋を設置して家屋にインパルス音が入射した際のガラス窓変位や室内音圧などの応答を測定した。

音源と簡易家屋の配置図を図５に示す。試験に用いた簡易家屋１０は大きさが２ｍ×４ｍ、高さ２ｍの木造で前面に１．８ｍ×１．８ｍのガラス窓１１（アルミサッシ、ガラス厚５ｍｍ）が取り付けられている。家屋１０は音源１から見て４５度方向、距離１０ｍに配置し、ガラス窓１１に対してインパルス音が４５度方向で入射するようにした。音圧の計測は室内中央（窓１１から１ｍ離れ）と、家屋１０を配置していない４５度方向のモニター点１２で行い両者を比較することで家屋あり無しの差を評価した。

図６にインパルス音が家屋に入射した際の計測結果を示す。図６（ａ）は家屋を設置していない側のモニター点１２で計測した音圧波形であり、左右４５度同士の音圧レベル差は無視できることを別途確認しているため家屋１０に入射したインパルス音と見做せる。図６（ｂ）は家屋内で計測した音であり、最大振幅は入射音に比べて１／３０と小さくなる一方で継続時間が長くなる様子が見て取れる。

図６（ａ）と（ｂ）に示した音圧波形を各々周波数分析し、家屋有り無しの差と見做して評価した結果を図７に示す。図７には別途スピーカを用いて実験した定常音（ピンクノイズ）の結果も併記してあり、スピーカで再生可能な２０Ｈｚ以上ではインパルス音源の結果と傾向が一致している。今回は室内の一点で評価したため、この結果を家屋の遮音性能と見なすことはできないが、この音源を用いて低周波成分を含む遮音測定が現地で可能であると言える。スピーカでは再生できない２０Ｈｚ以下の結果に着目すると、８Ｈｚではわずかにレベルが逆転している。これは、家屋に取り付けたガラス窓の固有振動数は９，５Ｈｚであり、インパルス音により励起された窓の自由振動が８Ｈｚのオクターブバンド成分の音を増幅させたためと考えられる。

次に、ガラス窓１１について、図６（ｃ）に窓枠に取り付けた振動加速度ピックアップで計測した振動加速度を示す。また、図６（ｄ）にガラス中央の変位をレーザー変位計で測定した結果を示す。インパルス音が窓に入射した時刻０に加速度が最大となり（図６（ｃ））、同時に窓が動き出している（図６（ｄ））、ガラス窓にかかる外力は入射音の約１ミリ秒の間だけであるが、ガラスの動きは０．1秒を超えても続いており窓変位のインパルス応答には低周波成分を含んでいることが分かる。

図６（ｄ）の図中に示した矢印の間隔１０．５ミリ秒はガラス窓の固有振動数９．５Ｈｚの周期であり、先に述べたとおりインパルス音によりガラス窓の自由振動が励起されたことが変位波形からも確認できる。

窓のガタつき予測の可能性について、今回得られた窓変位の測定結果を見ると（図６（ｄ））、ガラス窓１１はインパルス音の時間幅１ミリ秒に比べて十分長い周期で変動しており、インパルス音源を用いて窓の変位についてのインパルス応答が計測できていると考えられる。一般的に窓のガタつきは、窓の変位がある閾値を超えた際に発生することが考えられることから、例えば発破音の波形とインパルス応答を畳み込むことで発破音が入射した際の窓の変位波形を計算すれば、ガタつきの有無が予測できる可能性がある。

本発明のインパルス音源は、小型で運搬が容易でありながら大音量のインパルスを発生させることができるため、既設の橋梁、ダム、擁壁等の周辺のように、立ち入りが困難な場所においても、低周波音の影響を調査することができる。

（ａ）は本発明のインパルス音源装置の正面図、（ｂ）は側断面図 同インパルス音源装置の斜視外観図 （ａ）はインパルス音源装置による音圧波形を示すグラフ、（ｂ）は周波数分布を示すグラフ 吸音材を使用しなかった比較例の音圧波形を示すグラフ 実施例に係る音源と簡易家屋の配置図。 実施例のインパルス音が家屋に入射した際の計測結果のうち、（ａ）は家屋を設置していない側のモニター点で計測した音圧波形、（ｂ）は家屋内で計測した音、（ｃ）は窓枠に取り付けた振動加速度ピックアップで計測した振動加速度、（ｄ）はガラス中央の変位をレーザー変位計で測定した結果を示すグラフ 家屋有り無しの差を示す周波数分析を示すグラフ

符号の説明

１…インパルス音源、２…エアータンク、３…通気口、４…圧開放口、５…膜、６…多孔質材料、７ａ、７ｂ…ゴムパッキン、８…押さえリング、９…ボルト、１０…簡易家屋、１１…ガラス窓、１２…家屋を設置していない側のモニター点。

Claims (4)

1. エアータンク内の空気を圧縮し、この空気を瞬時に開放することにより衝撃音を発生させるインパルス音源であって、前記エアータンク内に吸音機能を有する多孔質材料を充填することによって、発生させる音の時間幅を短くしたことを特徴とするインパルス音源装置。
2. エアータンク内を減圧し、この負圧を瞬時に開放することにより衝撃音を発生させるインパルス音源であって、前記エアータンク内に吸音機能を有する多孔質材料を充填することによって、発生させる音の時間幅を短くしたことを特徴とするインパルス音源装置。
3. 前記エアータンクは、内部の空気を加圧または減圧するための通気口と、インパルス音をエアータンク外部に発するための圧開放口と、この圧開放口を塞いでおき衝撃音発生時に破裂させる膜とを備えることを特徴とする請求項１または２記載のインパルス音源装置。
4. 前記エアータンクが中空円形状の管であって、この管の内径と前記膜の直径とを一致させたことを特徴とする請求項３記載のインパルス音源装置。