JP5262800B2

JP5262800B2 - 吸音構造体

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Publication number: JP5262800B2
Application number: JP2009033495A
Authority: JP
Inventors: 廉人棚瀬
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP2010191030A

Description

本発明は、音を吸収する吸音構造体、吸音構造体群および音響室に関する。

吸音構造体としては、底部と開口部を有する筐体と、前記開口部に設けられ、前記筐体内に空気層を画成する板状または膜状の振動体と、を具備した板・膜振動型のものがある（特許文献１）。この種の吸音構造体は、振動体のマス（質量（mass））成分と、空気層のバネ成分とによってバネマス系が形成される。
ここで、空気の密度をρ_０[ｋｇ／ｍ³]、音速をｃ_０[ｍ／ｓ]、振動体の密度をρ[ｋｇ／ｍ³]、振動体の厚さをｔ[ｍ]、空気層の厚さをＬ[ｍ]とすると、バネマス系の共振周波数ｆ[Ｈｚ]は数式１のようなる。

また、吸音構造体において、弾性を有した振動体が弾性振動する場合には、弾性振動による屈曲系の性質が加わることになる。
振動体の形状が長方形で一辺の長さをａ[ｍ]、もう一辺の長さをｂ[ｍ]、振動体のヤング率をＥ[Ｎ／ｍ²]、振動体のポアソン比をσ[−]、ｐ，ｑを正の整数とすると、以下の数式２に示すようにして板・膜振動型吸音構造体の共振周波数が求められる。そして、建築音響の分野においては、この求めた共振周波数を音響設計に利用している（例えば、非特許文献２参照）。

上記数式２において、共振周波数ｆは、バネマス系に係る項（ρ_０ｃ_０ ^２／ρｔＬ）と屈曲系に係る項（バネマス系の項の後に直列に加えられている項）とを加算した値となっている。この数式２に示すように、吸音構造体においては、振動体のバネマス系と、弾性振動による屈曲系とが、吸音条件を決める重要な要素となっている。

特開２００６−１１４１２号公報

木村翔著「建築音響と騒音防止計画」株式会社彰国社、1981年2月20日、p.150

前述した如く、吸音構造体の吸音特性（共振周波数ｆ）は、振動体のバネマス系、および弾性振動による屈曲系振動体に依存する。よって、振動体および筐体によって形成される空気層の厚さＬが決まった段階で、当吸音構造体による吸音特性が決まってしまうことになり、特性を変えることができなかった。

そこで、本発明は、上述した背景の下になされたものであり、板・膜振動型の吸音構造体において、当該吸音構造体の特性を変えることのできる吸音構造体、吸音構造体群および音響室を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明が採用する吸音構造体の構造は、底部および開口部を有する筐体と、前記開口部に設けられ、前記筐体内に密閉された空気層を画成する板状または膜状の振動体と、前記底部から前記開口部に向けて設けられ、前記空気層を前記振動体に対して斜めに仕切る仕切部と、を具備することを特徴とする。

上記構成において、前記仕切部と前記振動体との間に隙間が形成されていることが好ましい。

上記構成において、前記仕切部は、当該仕切部によって仕切られる空気層の容積が、対向する前記振動体の位置に応じて異なるように形成されることが好ましい。
また、上記構成において、前記仕切部は、当該仕切部によって仕切られる空気層の容積が、前記振動体の中央部分に対向する位置の部分が、他の部分に比べて大きくなるように形成されることが好ましい。

本発明によれば、振動体に対して斜めに仕切った仕切部によって、空気層を複数の空間に仕切られ、前記空気層の厚さを実質的に長くし、当該吸音構造体の吸音特性を変えることが可能となる。

実施形態による吸音構造体の分解斜視図である。図１の矢視II−II方向から見た横断面図である。図２の矢視III−III方向から見た縦断面図である。実施形態による吸音構造体による特性を示す特性線図である。変形例（１−１）による吸音構造体を示す縦断面図である。変形例（１−２）による吸音構造体を示す縦断面図である。変形例（１−２）による吸音構造体を示す縦断面図である。変形例（３）による特性を示す特性線図である。

＜吸音構造体の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る吸音構造体１０の分解斜視図である。なお、図面においては、本実施形態の構成を分かりやすく図示するために、吸音構造体１０の実際の寸法とは異なる寸法で描画している。
図に示したように、吸音構造体１０は、当該吸音構造体１０の基台をなす筐体２０と、この筐体２０の開口部２３を施蓋する振動体３０と、筐体２０と振動体３０によって筐体２０内に画成される空気層４０（図３参照）と、を具備する。

筐体２０は、合成樹脂（例えば、ＡＢＳ樹脂）によって、矩形状で浅底の有底筒状に形成され、底板２１、側板２２、開口部２３を有する。底板２１は、開口部２３に対向する面に配置され、側板２２は、開口部２３の周囲に配置される。振動体３０は、弾性を有する高分子化合物（例えば、無機充填材入りオレフィン系共重合体）により正方形の板状に形成され、周縁が筐体２０の開口部２３に接着固定される。当該吸音構造体１０の内部（振動体３０の背後）には、筐体２０の開口部２３に振動体３０が固定されることにより、密閉された空気層４０が画成される。

なお、本実施形態においては、振動体３０の素材は合成樹脂としているが、振動体３０の素材は合成樹脂に限るものではなく、弾性振動が生じる素材であれば紙、金属、繊維板など他の素材であってもよい。また、振動体３０の形状は、板状に限らず膜状であってもよい。要は、振動体３０は、力を加えると変形し、弾性または張力により復元力を発生して振動する形状・部材であればよい。

ここで、板状とは、直方体（立体）に対して相対的に厚さが薄く２次元的な広がりを持つ形状であり、膜状（フィルム状、シート状）とは、板状よりもさらに相対的に厚さが薄く、張力により復元力を発生するものである。

さらに、前記振動体３０は、該振動体３０以外の筐体２０に対して剛性が相対的に低い（ヤング率が低い、厚さが薄い、断面２次モーメントが小さい）、或いは機械インピーダンス（８×（曲げ剛性×面密度）^1/2）が相対的に低い形状・部材で形成される。即ち、振動体３０は、筐体２０に対して弾性振動を起こし易くすることにより、振動体３０により当該吸音構造体１０が吸音作用を発揮する。

以上が、吸音構造体１０の基本的構造であるが、本実施形態による吸音構造体１０においては、図１乃至図３に示すように、筐体２０には、底板２１側から開口部２３に向けて略平行に配置された複数枚の隔壁２６，２６，…からなる仕切部２５が形成されている。これらの隔壁２６によって空気層４０は、複数の空間４１，４１…に仕切られる。
仕切部２５をなす各隔壁２６は、振動体３０に対して角度θ（例えば、３０°≦θ≦６０°）で傾いている。また、仕切部２５と振動体３０との間には隙間４２が形成され、仕切部２５と底板２１との間には隙間４３が形成され、この隙間４２，４３を介して各空間４１が互いに連通する。また、振動体３０側の隙間４２は、振動体３０と各隔壁２６とが接触しないようにして、振動体３０が振動する領域を確保する。

＜吸音構造体の動作＞
このように構成される吸音構造体１０においては、振動体３０の外側から加わる音圧と空気層４０側の音圧との差（即ち、振動体３０の前後の音圧差）によって振動体３０が弾性振動する。これにより、当該吸音構造体１０に到達する音波のエネルギーは、この振動体３０の振動により消費されて音が吸収されることになる。この際、振動体３０は、前記数式２に示すようにして設定される共振周波数ｆを中心とした周波数を吸音することになる。

＜実施形態における吸音構造体の効果＞
本実施形態における吸音構造体の効果を図４による特性線図に基づいて説明する。
図４は、仕切部２５を形成していない吸音構造体の特性線Ａ（実線）、仕切部２５を形成した吸音構造体の特性線Ｂ（二点鎖線）を示した特性線図であり、横軸は周波数、縦軸は吸音率を示している。
特性線ＡとＢとを比較すると、（１）吸音率のピークを示す周波数ｆ０が同周波数ｆ０´に低下し、（２）吸音周波数帯域（例えば吸音率のピーク値の半分となる周波数帯域）Δｆが同周波数帯域Δｆ´に広がり、（３）吸音率のピーク値α０が同ピーク値α０´に上昇する、という効果が得られた。

以下、上記効果について理由について説明する。
（１）吸音周波数の低下
本実施形態に係る吸音構造体１０は、空気層４０に複数の傾斜した隔壁２６からなる仕切部２５を形成する。仕切部２５の各隔壁２６は、空気層４０を、振動体３０に対して角度θで傾斜した複数個の空間４１に仕切る。このため、振動体３０の弾性振動によって発生する空気の流れは、隙間４２を介して各空間４１に流れ込む。筐体２０の厚さは見かけ上は変わらないものの、空気層４０の各空間４１が角度θで傾斜するため、空気層４０の長さが実質的に長くなることになり、仕切部２５を有する吸音構造体１０は、吸音周波数ｆ０が下がることになる。

（２）吸音周波数帯域の広がり
各空間４１は、この空間４１を仕切る隔壁２６と空気との間に摩擦を発生させて吸音を行う管吸音による吸音特性を発揮する。この結果、当該吸音構造体１０は、振動体３０の弾性振動による吸音特性に加えて、管壁面に相当する隔壁２６での吸音による吸音特性を持たせることができ、吸音周波数の帯域幅Δｆを広げる。

（３）吸音率α０の上昇
各空間４１は、振動体３０から発生する振動による空気の流れを整流させる作用も有するため、空気層４０の空気バネとしての動作を制限することができ、吸音率α０のピークを高めることができる。即ち、振動体３０の振動により圧縮・膨張する空気層４０内の空気の流れは、仕切部２５がない場合では、振動体３０に平行する方向にも流れて拡がるが、仕切部２５がある場合では、空間４１の伸張方向に空気が流れようとするため、振動体３０に角度θで傾斜する方向の流れに制限される。このため、空気層４０の音響インピーダンスＺを、背後空気層の厚さＬ（実質的には、空間４１の伸張寸法）に依存する一定の値に固定することができ、共鳴周波数での吸音率α０のピークが低下するのを防止する。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。
＜変形例１＞
前記実施形態では、仕切部２５を傾斜した複数の隔壁２６によって形成する場合を例示したが、本発明はこれに限らず、種々の仕切部とすることが可能である。

＜変形例１−１＞
図５（ａ）に示す仕切部２５Ａは、振動体３０の中央部に対向した位置の空間４１Ａの容積を大きく、外側に広がるに従って容積が小さくなるように、各隔壁２６Ａを配置する。このように、空間４１Ａの容積を振動体３０の位置に応じて異なる空間とすることにより、振動体３０の振幅の大きいところでは空気バネの定数を大きくし、振幅の小さいところでは空気バネの定数を小さくでき、振動体３０の弾性振動を空気層４０により効率良く吸収することが可能となる。

さらに、図５（ａ）では、振動体３０に対して角度θを維持した形で隔壁２６Ａを配置するようにしたが、図５（ｂ）に示す隔壁２６Ａ′のように配置した仕切部２５Ａ′としてもよい。この仕切部２５Ａ′は、振動体３０の中央部に対向して略垂直方向に延びる隔壁２６Ａ′を中心として左右に位置した隔壁２６Ａ′が徐々に傾斜するように配置される。各隔壁２６Ａ′間には、空間４１Ａ′が形成される。
この仕切部２５Ａ′であっても、振動体３０の振幅の大きい部位となる中央部に対して空間４１Ａ′が他の空間４１Ａ′に比べて大きい容量となる。

＜変形例１−２＞
図６（ａ）および図７に示す仕切部２５Ｂは、その外形が円錐体の頭部を切り取った截頭円錐状の隔壁２６Ｂによって構成される。この隔壁２６Ｂは、空気層４０を、隔壁２６Ｂの内側，外側に容積の異なる空間４１Ｂ１，空間４１Ｂ２に仕切る。隔壁２６Ｂは振動体３０から底板２１に向けて拡径する形状となっているため、振動体３０の振動によって発生する空気の流れを空間４１Ｂ１側に流れ込みやすくなる。これにより、上述した実施形態同様に、（１）吸音率のピークを示す周波数ｆ０が同周波数ｆ０´に低下し、（２）吸音周波数帯域（例えば吸音率のピーク値の半分となる周波数帯域）Δｆが同周波数帯域Δｆ´に広がり、（３）吸音率のピーク値α０が同ピーク値α０´に上昇する、という効果を奏する。

また、図７に二点鎖線で示す４枚の区切板２６Ｂ１を設けるようにしてもよい。区切板２６Ｂ１は、隔壁２６Ｂの外形から径方向外側に筐体２０内側まで延び、略台形状に形成される。この区切板２６Ｂ１は、隔壁２６Ｂの外側に位置する空間を四等分に分けた分割空間４１Ｂ２を形成する。この分けられた分割空間４１Ｂ２の容積は、内側の空間４１Ｂ１の容積よりも小さくなる。

そして、振動体３０の振幅の大きいところでは空気バネの定数を大きくし、振幅の小さいところでは空気バネの定数を小さくでき、振動体３０の弾性振動を空気層４０により効率良く吸収することが可能となる。なお、本変形例では、区切板２６Ｂ１は隔壁２６Ｂ外側と筐体２０内側に画成される空間を４分割に分割する場合を例示したが、これに限らず、区切板２６Ｂ１を１，２，３，５枚以上としてもよい。要は、隔壁２６Ｂの外側に画成される分割空間４１Ｂ２一つの容量が、隔壁２６Ｂ内側に画成される空間２６Ｂ１よりも小さくなればよい。

図６（ｂ）に示す仕切部２５Ｃは、同心円状に配置され、径寸法の異なった截頭円錐状の隔壁２６Ｃ，２６Ｃ，・・・によって構成される。この隔壁２６Ｃは、空気層４０を、環状の空間４１Ｃ，４１Ｃ，・・・に仕切る。

また、同心円状の仕切部２５Ｃを構成する筒体の形状は、図６（ｃ）に示す隔壁２６Ｄのように外側から内側に配置された各隔壁の高さを順次低く形成した形状であってもよい。
図６（ｃ）のように、筒体の高さを振動体３０の中央部に向かうに従ってその高さを低くする理由は、振動体３０が振動する際に振幅の大きくなる部分が筒体に当たるのを防止するためである。

一方、実施形態および変形例１では、仕切部２５と底板２１との間に隙間４３を形成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、隙間４３を無くして仕切部２５を底板２１に形成してもよい。

さらに、隔壁２６は傾きや筐体２０の厚さ方向に対する隔壁２６（仕切部２５）の配置位置は外部から変更・移動可能な機構を設けることにより、吸音構造体１０を設置した後であっても、共振周波数の変更を可能にする。

＜変形例２＞
このように構成される吸音構造体においては、バネマス系による共振周波数と、板の弾性による弾性振動による屈曲系の共振周波数との関連性については、前記数式２によって一義的に決められるものの、実際には十分に解明されておらず、低音域で高い吸音力を発揮する吸音構造体の構造が確立されていないのが実情である。

そこで、発明者達は鋭意実験を行った結果、屈曲系の基本振動周波数の値をｆａ、バネマス系の共振周波数の値をｆｂとし場合、以下の数式３の関係を満足するように、上記パラメータを設定する。これにより、屈曲系の基本振動が背後の空気層のバネ成分と連成して、バネマス系の共振周波数と屈曲系の基本周波数との間の帯域に振幅の大きな振動が励振されて（屈曲系共振周波数ｆａ＜吸音ピーク周波数ｆ＜バネマス系基本周波数ｆｂ）、吸音率が高くなるという事実を検証した。
（数３）
０．０５≦ｆａ／ｆｂ≦０．６５

さらに、以下の数式４に設定する場合、吸音ピークの周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さくなる。この場合、低次の弾性振動のモードにより屈曲系の基本周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さく、３００[Ｈｚ]以下の周波数の音を吸収する吸音構造として適していることも検証した。
（数４）
０．０５≦ｆａ／ｆｂ≦０．４０
このように、上記した数式３，４の条件を満足するように各種パラメータを設定することにより、吸音のピークとなる周波数を低くした吸音構造体が構成できる。
前記各種パラメータとは、数２に示した共振周波数ｆを設定するパラメータであり、気体の密度ρ_0、音速ｃ_0、振動体の密度ρ、振動体の厚さｔ、気体層の厚さＬ、、筐体の長さａ、筐体の長さｂ、振動体のヤング率Ｅ、ポアソン比σ、モード次数ｐ，ｑ等である。

＜変形例３＞
さらに、吸音構造体１０の構成は、矩形状の筐体２０、筐体２０の開口部２３を閉塞する振動体３０と、筐体２０内に画成される空気層４０と、を具備する構成としたが、本発明による筐体の形状は矩形状に限らず円形状、多角形状であってもよい。
上記例においては、振動体を一様な構成として記載したが、振動体３０のその一部が他の部分と異なる密度となるように形成したり、その一部が他の部分よりも異なる厚さに形成したり、その一部に錘を付与して形成したりして、振動体３０の一部が他の部分と異なる質量を有するように形成してもよい。このように振動体３０を形成することによって、振動体３０に対して振動条件を変更することが可能となる。

吸音構造体１０は、先にも説明した通り、バネマス系と屈曲系で吸音メカニズムが構成される。ここで、発明者達は、振動体３０の面密度を変えた際の共振周波数における吸音率の実験を行った。

図８は、空気層４０の縦と横の大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍで厚さが１０ｍｍの筐体２０に振動体３０（大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）を固着し、中央部（大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）の面密度を変化させた際の吸音構造体１０の垂直入射吸音率のシミュレート結果を示した図である。なお、シミュレート手法は、ＪＩＳＡ１４０５−２（音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第２部：伝達関数法）に従って、上記吸音構造体１０を配置した音響室の音場を有限要素法により求め、その伝達関数より吸音特性を算出した。

具体的には、中央部の面密度を、（１）３９９．５[ｇ／ｍ^２]、（２）７９９[ｇ／ｍ^２]、（３）１１９９[ｇ／ｍ^２]、（４）１５９８[ｇ／ｍ^２]、（５）２２９７[ｇ／ｍ^２]とし、周縁部材の面密度を７９９[ｇ／ｍ^２]とし、振動体３０の平均密度を、（１）７８３[ｇ／ｍ^２]、（２）７９９[ｇ／ｍ^２]、（３）８１５[ｇ／ｍ^２]、（４）８３１[ｇ／ｍ^２]、（５）８６３[ｇ／ｍ^２]とした場合のシミュレーション結果である。
シミュレートの結果を見ると、３００〜５００[Ｈｚ]の間と、７００[Ｈｚ]付近において吸音率が高くなっている。

７００[Ｈｚ]付近で吸音率が高くなっているのは、振動体３０のマスと空気層４０のバネ成分によって形成されるバネマス系の共振によるものである。吸音構造体１０においては上記バネマス系の共振周波数での吸音率をピークとし音が吸音されており、中央部の面密度大きくしても、振動体３０全体のマスは大きく変わらないので、バネマス系の共振周波数も大きく変わらないことが分かる。

また、３００〜５００[Ｈｚ]の間で吸音率が高くなっているのは、振動体３０の屈曲振動によって形成される屈曲系の共振によるものである。吸音構造体１０においては、屈曲系の共振周波数での吸音率が低音域側のピークとして表れており、振動体３０が屈曲振動をする際に腹となる領域に相当する中央部の面密度を大きくしてゆくと屈曲系の共振周波数だけが低くなっていることが分かる。

一般に、屈曲系の共振周波数は、振動体３０の弾性振動を支配する運動方程式で決定され、振動体３０の密度（面密度）に反比例する。また、前記共振周波数は、固有振動の腹（振幅が極大値となる場合）の密度により大きく影響される。このため、上記シミュレーションでは、１×１の固有モードの腹となる領域を中央部で異なる面密度に形成したので、屈曲系の共振周波数が変化したものである。

このように、シミュレーション結果は、中央部の面密度を周縁部の面密度より大きくすると、吸音のピークとなる周波数のうち、低音域側の吸音率のピークがさらに低音域側へ移動することを表している。従って、中央部の面密度を変更することにより吸音のピークとなる周波数の一部をさらに低音域側または高音域側に移動（シフト）させることができることを表している。

上述した吸音構造体１０においては、中央部の面密度を変えるだけで、吸音される音のピークの周波数を変える（シフトさせる）ことができるため、振動体３０を吸音構造体１０全体と同じ素材で板状に形成し、吸音構造体１０全体の質量を重くして吸音する音を変更する場合と比較して、吸音構造体１０全体の質量を大きく変えることなく吸音させる音を低くできる。

＜変形例４＞
また、吸音構造体１０の空気層４０内には、多孔質吸音材（例えば、発泡樹脂、フェルト，ポリエステルウール等の綿状繊維）を充填することにより、吸音率ピーク値を増加させてもよい。

＜変形例５＞
さらに、隔壁２６の表面に摩擦材（例えば、薄い織物のような、音波による空気振動に対して抵抗を有する部材）を貼り付けることにより、当該吸音構造体１０の吸音力をさらに増大させることが可能となる。

＜変形例６＞
また、本発明においては、吸音構造体群を形成する場合、上述した実施形態または変形例のいずれか一種類の吸音構造体を複数組み合わせて吸音構造体群とするだけでなく、例えば、吸音特性の異なった吸音構造体を組み合わせたり、３種類以上の吸音特性の異なった吸音構造体を組み合わせたりするというように、異なった吸音特性を有する吸音構造体を組み合わせて吸音構造体群としてもよい。

また、本発明に係る吸音構造体および吸音構造体を組み合わせた吸音構造体群は、音響特性を制御する各種の音響室に配置することが可能である。ここで、各種音響室とは、防音室、ホール、劇場、音響機器のリスニングルーム、会議室等の居室、車両など各種輸送機器の空間、スピーカや楽器などの筐体などである。

１０・・・吸音構造体、２０・・・筐体、２１・・・底板、２２・・・側板、２３・・・開口部、２５，２５Ａ，２５Ａ′，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ・・・仕切部（仕切手段）、２６，２６Ａ，２６Ａ′，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ・・・隔壁、３０・・・振動体、４０・・・空気層、４１，４１Ａ，４１Ａ′，４１Ｂ１，４１Ｃ，４１Ｄ・・・空間、４１Ｂ２…分割空間、４２，４３・・・隙間。

Claims

底部および開口部を有する筐体と、
前記開口部に設けられ、前記筐体内に密閉された空気層を画成する板状または膜状の振動体と、
前記底部から前記開口部に向けて設けられ、前記空気層を前記振動体に対して斜めに仕切る仕切部と、を具備する
ことを特徴とする吸音構造体。
前記仕切部と前記振動体との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造体。
請求項１または請求項２に記載の吸音構造体において、
前記仕切部は、当該仕切部によって仕切られる空気層の容積が、対向する前記振動体の位置に応じて異なるように形成される
ことを特徴とする吸音構造体。
請求項１または請求項２に記載の吸音構造体において、
前記仕切部は、当該仕切部によって仕切られる空気層の容積が、前記振動体の中央部分に対向する位置の部分が、他の部分に比べて大きくなるように形成される
ことを特徴とする吸音構造体。