JP5326946B2 - 音響構造体および音響室 - Google Patents

Description

本発明は、吸音及び音を散乱する技術に関する。

ホールや劇場等の音響空間においてフラッタエコー等の音響障害を除去するために、音を散乱させるための音響部材が設置される。例えば特許文献１には、１方向に延在する空洞が形成され、その空洞と外部空間とを連通させる開口部を有する部材が複数並べられた音響構造体が開示されており、その空洞に音波が入射すると、開口部から音響再放射されて散乱効果を得ることができる。

特開２００２−３０７４４号公報

住宅の居室や会議室、音楽室等の比較的小さい空間では、適度な散乱効果とともに吸音効果を得ることが求められる。そのために、散乱効果を得るための音響部材と、吸音効果を得るための音響部材とを別々に空間に設けようとするとスペースを取ってしまうし、フェルト等の多孔質吸音材を用いて低周波数帯域に対する吸音効果を高めようとすると、厚み方向へのサイズが大型化してしまい、空間をさらに狭めてしまう。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響部材のサイズの大型化を抑制しつつ、音を効果的に散乱させるとともに広い周波数帯で吸音効果を得ることである。

上述した課題を解決するために、本発明に係る第１の構成の音響構造体は、内部に一方向に延在する中空領域が形成され、前記中空領域を外部空間に連通させる開口部と、前記外部空間に面しており、当該開口部に隣接する反射面とを有する中空部材を備え、前記中空領域において、前記開口部に連なる近傍の空間領域が中間層となり、前記中空領域の一端から前記中間層までの間が共鳴体として構成され、前記中間層は、前記外部空間から前記中空部材の開口部及び反射面に音波が入射して、当該音波に応じた反射波を前記反射面が放射するときに、前記共鳴体の共鳴により生じる反射波であって前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射させ、且つそのときの前記開口部の比音響インピーダンスを、当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部をほぼ０とするように構成されている
ことを特徴とする。

本発明に係る第２の構成の音響構造体は、上記第１の構成の音響構造体において、前記中間層は、前記外部空間から前記中空部材の開口部及び反射面に音波が入射して、当該音波に応じた反射波を前記反射面が放射するときに、前記開口部の比音響インピーダンスを、当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満となるように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る第３の構成の音響構造体は、上記第１又は第２の構成の音響構造体において、前記中空部材は、前記中空領域の一端から前記中間層までの間が第１の共鳴体として構成され、前記中空領域の他端から前記中間層までの間が第２の共鳴体として構成されていることを特徴とする。
本発明に係る第４の構成の音響構造体は、上記第１又は第２の構成の音響構造体において、前記中空領域には１の前記共鳴体が構成されており、前記中間層は、前記１の前記共鳴体との境界面以外の面が前記中空部材の内側の面に隣接するか、又は前記開口部に面するように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る第５の構成の音響構造体は、上記第１〜４のいずれか１の構成の音響構造体において、前記中間層は、前記共鳴体が共鳴するときに音圧が一様に分布するように構成されていることを特徴とすることを特徴とする。
本発明に係る第６の構成の音響構造体は、上記第１〜５のいずれか１の構成の音響構造体において、前記共鳴体と前記中間層との境界面の面積は、前記開口部の面積よりも大きいことを特徴とする。
本発明に係る第７の構成の音響構造体は、上記第１〜６のいずれか１の構成の音響構造体において、前記中空領域が延在する方向と交わる方向に配列された複数の前記中空部材を備えることを特徴とする。
本発明に係る第８の構成の音響構造体は、上記第７の構成の音響構造体において、複数の前記中空部材の前記中空領域の一端から前記中間層までの長さがそれぞれ異なることを特徴とする。
また、本発明の音響室は、第１〜８のいずれか１の構成の音響構造体を備えることを特徴とする。

本発明によれば、音響部材のサイズの大型化を抑制しつつ、効果的に音を吸音・散乱させるとともに広い周波数帯で吸音・散乱効果を得ることができる。

音響構造体の外観を示す斜視図である。 音響構造体を図１の矢印II方向から見た図である。 図２の切断線III−IIIで切断したときの中空部材の断面を表している。 両端が開口端である中空部材の断面を表している。 共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。 共鳴時における中間層の挙動を説明する図である。 比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表したグラフである。 比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。 比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値の周波数特性を示したグラフである。 ｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒ_sとの関係を示したグラフである。 反射面の開口部付近における音波の挙動を説明する図である。 開口部の中心点からの距離と吸音率との関係の実測値を説明する図である。 中空部材の開口部付近における粒子速度の実測値を説明する図である。 （ａ）は中空部材の断面を表した図であり、（ｂ）は共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。 音響構造体の構成を示す図である。 図１５の切断線Ｖ−Ｖで切断したときの中空部材の断面を表している。 音響構造体の構成を示す図である。 中空部材の外観を示す斜視図である。 （ａ）は中空部材の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は中空部材を矢印VII方向から見た図である。 （ａ）は中空部材の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は中空部材を矢印VIII方向から見た図である。 音響構造体の構成を示す図である。

［実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、音響構造体１の外観を示す斜視図である。
同図に示すように、音響構造体１は、厚さ方向の長さが小さな直方体状の部材である。音響構造体１は、一方向に延在する角筒状の中空部材１０−１〜１０−１０が、それらの両端部の位置が一致するようにして、延在方向と垂直な方向に複数（ここでは、１０個）配列された構成となっている。音響構造体１は、隣り合う中空部材どうしが接着される等して一体の部材として構成されている。中空部材１０−１〜１０−１０は、それぞれアクリル樹脂等の、剛性率が比較的高い材質の反射性の材料で構成されている。また、音響構造体１は、中空部材１０−１〜１０−１０の側面部によって形成された、全体として平坦な「反射面２」を有している。反射面２は、音響構造体１の外部の空間に面しており、その外部空間から入射した音波に応じて反射波を放射する。また、音響構造体１にあっては、反射面２に隣接するように開口部１４−１〜１４−１０が設けられ、中空部材１０−１〜１０−１０のそれぞれに１つずつ開口部が形成されている。これら開口部１４−１〜１４−１０が、音が伝搬する外部空間に面するようになっている。
なお、ここでは、音響構造体１を構成する中空部材の数を「１０」としているが、この数は一例に過ぎず、さらに多くてもよいし、少なくてもよく、１つ以上であればよい。また、説明の便宜のために、以下では、中空部材１０−１〜１０−１０の延在方向を「ｙ方向」とし、それに直交し、中空部材１０−１〜１０−１０が並べられた方向を「ｘ方向」とする。また、反射面２から見た法線方向であって、ｘ、ｙ方向に直交する方向を「ｚ方向」とする。

図２は、音響構造体１を、反射面２に対して垂直な、図１に示す矢印II方向に見た図である。中空部材１０−１〜１０−１０はそれぞれ中空領域を有しており、同図に示す点線の位置に中空領域２０−１〜２０−１０が形成されている。中空領域２０−１〜２０−１０は、それぞれｙ方向に延在しており、その延在方向に交わる方向に配列された構成となっている。中空領域２０−１〜２０−１０は、中空部材１０−１〜１０−１０の両端までは達しておらず、両端で閉じている。また、各中空部材に形成された開口部１４−１〜１４−１０は、それぞれｙ方向に対する位置が異なる。この構成により、中空部材１０−１〜１０−１０の中空領域２０−１〜２０−１０において、中空領域の一端から後述する中間層１３までの長さがそれぞれ異なる。

続いて、中空部材１０−１〜１０−１０の構成について、より具体的に説明する。なお、中空部材１０−１〜１０−１０はそれぞれ同じ構造的特徴を有しており、図１，２に示すように、開口部（開口部１４−１〜１４−１０）の位置が異なっているだけである。よって、以下では、音響構造体１を構成する中空部材、開口部及び中空領域を、「中空部材１０」、「開口部１４」及び「中空領域２０」と総称して説明する。

図３は、図２の切断線III−III（ｙ方向に直交する平面）で切断したときの中空部材１０の断面を表している。
図２，３に示すように、中空部材１０の中空領域２０は、中空部材１０の内部において、ｙ方向に延在する直方体状に形成されている。また、中空領域２０の両端である端部１１２及び端部１２２はそれぞれ閉口端である。

中空部材１０の構成は、共鳴体１１,１２と、中間層１３と、開口部１４とに大別される。
共鳴体１１は、中空部材１０の一端である端部１１２から、中間層１３との境界面１１１までの間が共鳴体（第１の共鳴体）として構成され、共鳴体１２は、中空部材１０の他端である端部１２２から、中間層１３との境界面１２１までの間が共鳴体（第２の共鳴体）として構成されている。共鳴体１１，１２は共鳴周波数の音波が入射すると共鳴し、共鳴によって生じる反射波を、中間層１３及び開口部１４を介して外部空間に放射する。これら共鳴体１１，１２は、それぞれの中心軸が中心軸ｙ₀を共有するように、中間層１３を介して連結されたような構成となっている。
共鳴体１１のｙ方向の長さはｌ₁で、共鳴体１２のｙ方向の長さはｌ₂である。また、共鳴体１１として構成された中空領域２０と、中間層１３との境界である境界面１１１の面積はＳ_pであり、共鳴体１２として構成された中空領域２０と、中間層１３との境界である境界面１２１の面積もＳ_pである。共鳴体１１，１２は、中空領域２０の延在方向に垂直な、ｘｚ平面で切断したときの断面積がＳ_pとなるように構成されており、その断面のｘ，ｚ方向の長さは、共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ₁，λ₂に対して十分に短くされ、この方向に共鳴周波数の音波は分布しない。

中間層１３は、開口部１４近傍の中空領域（つまり、空間領域）であって、開口部１４に直接連なる中空領域のことである。中間層１３は、振動することにより音波を伝搬させる気体分子からなる層である。ここでは、図３に示すように、開口部１４に対して垂直方向に隣接する中空領域であって、共鳴体１１，１２を開口部１４と連通させる中空領域を、中間層１３と称している。すなわち、中間層１３の寸法は、開口部１４の寸法、及び共鳴体１１，１２の延在方向に直交する断面の寸法により定まる。中間層１３は、境界面１１１を介して共鳴体１１と面しており、境界面１２１を介して共鳴体１２と面している。これにより、面積Ｓ_pとなる境界面１１１,１２１は、矩形状の面状とみなすことになる。なお、ここでは、中間層１３において音波を伝搬する媒質は空気であり、中空領域２０及び外部空間において音波を伝搬する媒質も、同じく空気である。

開口部１４は、図１〜３に示すように正方形であり、中空領域２０にある中間層１３と外部空間とを連通させる。開口部１４の一辺の長さはｄであり、長さｄは、共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対応する波長λ₁，λ₂よりも十分に小さくなるよう、その長さが定められている。例えば、ｄ＜λ₁／６、且つ、ｄ＜λ₂／６である。この条件を満たすことにより、共鳴周波数に対応する波長λ₁，λ₂の音波が中間層１３を伝搬するときには（すなわち、共鳴体１１，１２が共鳴するときには）、中間層１３に音圧分布が生じないとみなすことができる。すなわち、共鳴周波数の音波が中間層１３を伝搬するときには、中間層１３の音圧の分布にばらつきが生じず、その全体で音圧が一様に分布するとみなせる。これは、中空領域２０の反射面２に垂直な方向（ｚ方向）の長さ、及び開口部１４の一辺の長さｄがそれぞれ波長λ₁，λ₂に対して十分に小さいが故に、中間層１３全体で位相のずれがほとんど生じないことによるものである。よって、本実施形態で、“中間層１３に音圧分布がない”ということは、音圧分布のばらつきが“ゼロ”であることを意味する。また、“中間層１３に音圧分布がない”ということは、中間層１３の寸法が、共鳴周波数に対応する音波の波長よりも短い閾値以下となり、そこでの音圧分布のばらつきが閾値以下に小さくなって中間層１３に実質的に音圧分布がない場合をも含んでいる。中間層１３に音圧分布のばらつきが生じなければ、共鳴体１１が共鳴したときには、境界面１１１における反射波の位相と、開口部１４における反射波に位相とは同じとなり、共鳴体１２が共鳴したときには、境界面１２１における反射波の位相と、開口部１４における反射波の位相とは同じとなる。

また、開口部１４の面積はＳ_oであり、Ｓ_p＞Ｓ_oという関係を満たしている。すなわと、境界面１１１，１２１の面積Ｓ_pは、開口部１４の面積Ｓ_oよりも大きい。なお、開口部１４は正方形状に限らず、円形や多角形等の別の形状であってもよい。開口部１４が正方形でない場合においては、開口部１４の面積Ｓ_oと同じ面積である正方形の一辺の長さｄを採用する。若しくは、開口部１４の形状を表す図形の外接矩形或いは内接矩形の一辺の長さｄを採用してもよい。

以上説明した構成を有する中空部材１０に対して、外部空間から音波（以下、「入射波」という。）が入射すると、その入射波には、反射面２に入射するものと、開口部１４に入射するものとが存在する。そのうちの開口部１４に入射する入射波は、開口部１４及び中間層１３を介して、共鳴体１１，１２に入射する。入射波の周波数帯に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が含まれるときには、共鳴体１１，１２はその入射波に応じて共鳴し、中空領域２０の延在方向（ｙ方向）のみに対して音圧分布が発生する。ここで、共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ₁，λ₂は、共鳴体１１，１２のｙ方向の長さｌ₁、ｌ₂を用いて、式（１）の関係を満たす。なお、式（１）において、ｎは１以上の整数であり、ここでは開口端補正を無視している。
ｌ_i＝（２ｎ−１）λ_i／４ （ｉ＝１，２） ・・・（１）

式（１）に示すように、一端が閉じ、他端が開いた中空領域を有する（いわゆる、閉管）の共鳴体１１，１２の長さｌ₁、ｌ₂は、共鳴周波数に対応する波長λ₁，λ₂の１／４の奇数倍の長さとなるから、目的とする共鳴周波数となるようにその長さが決められて、中空部材１０は設計されている。ところで、中空部材１０の端部１１２，１２２は共に閉じた構成となっているが、両端部の一方、或いは両方が開いた構成（いわゆる、開管）なっていてもよい。図４に示すように、端部１１２，１２２が共に開口端である場合には、両端が開口した中空領域を有する構成の共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対する波長λ₁，λ₂は、共鳴体１１，１２のｙ方向の長さｌ₁、ｌ₂を用いると、式（２）の関係を満たす。なお、ここでも開口端補正を無視しており、ｎは１以上の整数である。
ｌ_i＝ｎ・λ_i／２ （ｉ＝１，２） ・・・（２）

端部１１２，１２２が開口端である場合、式（２）に示すように、共鳴体１１，１２の長さｌ₁、ｌ₂は、共鳴周波数に対応する波長λ₁，λ₂の１／２の整数倍の長さとなるから、この場合も、意図する共鳴周波数となるよう中空部材１０は設計される。

ここで、ｌ₁＝ｌ₂とした場合には、共鳴体１１及び共鳴体１２の共鳴周波数は同じである。共鳴体１１及び共鳴体１２の共鳴周波数を一致させるときには、端部１１２，１２２のそれぞれが開口端であるか、或いは閉口端であるかに応じて、（Ｉ）〜（IV）を満たすように、それらの長さｌ₁、ｌ₂は決められる。なお、ｎ₁，ｎ₂はそれぞれ１以上の整数である。また、図３に示すように、端部１１２，１２２が共に閉じている場合には中空部材１０のように、ｌ₁＝ｌ₂という関係のみでなく、（IV）に示す関係を満たしていれば良いのはもちろんである。
（Ｉ）共鳴体１１の端部１１２が開口端であり、共鳴体１２の端部１２２が閉口端である場合
ｌ₁：ｌ₂＝２ｎ₁−１：２ｎ₂
（II）共鳴体１１の端部１１２が閉口端であり、共鳴体１２の端部１２２が開口端である場合
ｌ₁：ｌ₂＝２ｎ₁：２ｎ₂−１
（III）共鳴体１１の端部１１２が開口端であり、共鳴体１２の端部１２２が開口端である場合
ｌ₁：ｌ₂＝ｎ₁：ｎ₂
（IV）共鳴体１１の端部１１２が閉口端であり、共鳴体１２の端部１２２が閉口端である場合
ｌ₁：ｌ₂＝２ｎ₁−１：２ｎ₂−１
以下では特に断りのない限り、端部１１２，１２２が閉じている構成について説明するが、両端部の一方、又は両方が開口端であっても、共鳴体の長さと共鳴周波数との関係が異なるだけで、以下に説明する作用について同じである。

図５は、中空部材１０の共鳴体１１及び１２の共鳴周波数を含む所定周波数帯の入射波が中空部材１０に入射し、これに応じて共鳴体１１，１２が共鳴したときの、開口部１４付近の中空領域の挙動を説明する図である。
同図に示すように、境界面１１１における音圧はｐ₀であり、境界面１１１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ₁である。また、境界面１２１における音圧はｐ₀であり、境界面１２１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ₂である。ただし、以下では、境界面１１１における粒子速度ｕ₁を、共鳴体１１から中間層１３の方向に作用する場合には正の値で表し、中間層１３から共鳴体１１の方向に作用する場合には負の値で表す。また、境界面１２１における粒子速度ｕ₂は、共鳴体１２から中間層１３の方向に作用する場合は正の値で表し、中間層１３から共鳴体１２の方向に作用する場合は負の値で表す。すなわち、中間層１３の方向に作用する粒子速度を正の値で表している。中空部材１０において、ｌ₁＝ｌ₂となるように共鳴体１１，１２は構成されているから、それらの共鳴時において、粒子速度ｕ₁が正のときには、粒子速度ｕ₂は正となるし、粒子速度ｕ₁が負のときには、粒子速度ｕ₂は負となる。すなわち、共鳴体１１，１２から中間層１３に対して作用する粒子速度は、同位相の関係で変化する。

また、中間層１３と外部空間との境界面である開口部１４における音圧はｐ₀であり、開口部１４で法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ₀である。ただし、粒子速度ｕ₀は、開口部１４から外部空間の方向に作用する粒子速度を正の値で表し、外部空間から開口部１４の方向に作用する粒子速度を負の値で表す。ここで、境界面１１１，１２１及び開口部１４における音圧がｐ₀で一致しているのは、上述したように、共鳴体１１，１２が共鳴したときに、中間層１３全体で音圧分布が生じないよう中空部材１０が構成されているからである。

外部空間から入射する入射波により発生する開口部１４における音圧ｐ₀を、ｐ₀（ｔ）＝Ｐ₀・ｅｘｐ（ｊωｔ）という式で定義すると、境界面１１１，１２１における粒子速度ｕ₁，ｕ₂は、式（３）の関係を満たす。音圧ｐ₀は、入射波の音圧と、共鳴体１１，１２の共鳴によって中間層１３に生じた反射波の音圧とを合成させた音圧である。式（３）において、ｊは虚数単位を表し、Ｐ₀は音圧の振幅値を表し、ωは角速度を表し、ρｃは外部空間の媒質である空気の特性インピーダンス（ρ：空気の密度、ｃ：空気中での音速）を表し、ｋ（＝ω／ｃ）は波数を表し、ｔは時刻を表している。

また、中間層１３は、気体分子から成る気体層であるから、その体積が不変である「非圧縮性」を有する。すなわち、中間層１３は、共鳴に伴う弾性変形はするものの、内部の圧力を一定に保つように働き、その体積は一定となる。このような性質を有する中間層１３は、共鳴体１１，１２から境界面１１１及び１２１を介して作用された音圧を、そのまま開口部１４、すなわち中間層１３と外部空間との境界面に作用させる。このとき、中間層１３に対して境界面１１１，１２１から作用させられる体積速度の和は、中間層１３から開口部１４を介して外部空間に作用させられる体積速度と一致する。

図６は、粒子速度ｕ₁及び粒子速度ｕ₂が共に正のときの、共鳴時における中間層１３の挙動を説明する図である。
図６（ａ）に示すように、入射波が入射しないときの中間層１３は体積Ｖであって、同図（ａ）に示すような寸法及び形状となっている。これに対し、共鳴時において、粒子速度ｕ₁及び粒子速度ｕ₂が正の方向に作用するときには、中間層１３は同図（ｂ）に示すような状態となる。すなわち、中間層１３は、その粒子速度の作用によりｙ方向に対してΔｙだけ小さくなり、ｚ方向にΔｚだけ大きくなる。このとき、中間層１３が非圧縮性を有しているが故に、その体積Ｖは維持される。つまり、中間層１３は、共鳴時において、粒子速度ｕ₁及び粒子速度ｕ₂が共に正のときには、開口部１４から外部空間に作用する粒子速度ｕ₀は正となり、開口部１４を介して中空部材１０の外部空間に突出したようになる。このようにして共鳴時には、共鳴体１１，１２から中間層１３へ作用する体積速度が合算されて、中間層１３から中空部材１０の外部空間にその体積速度の作用が加わる。一方で、粒子速度ｕ₁及び粒子速度ｕ₂が共に負のときには、粒子速度ｕ₀は負の値で表され、開口部１４から中空領域２０に向かう方向へと作用する。よって、中間層１３は、ｙ方向に対して大きくなり、ｚ方向に対して小さくなる。このとき、開口部１４から外部空間に作用するｕ₀は負となり、中間層１３は、開口部１４に対して中空領域２０に引っ込んだようになる。

式（３）に示した粒子速度ｕ₁，ｕ₂を用いると、中間層１３の作用によって、開口部１４に対して垂直なｚ方向（反射面２の法線方向）に作用する気体分子の粒子速度ｕ₀は、式（４）の関係を満たす。

式（４）に示すように、粒子速度ｕ₀は、境界面１１１，１２１の面積Ｓ_pと、開口部１４の面積Ｓ_oとの面積比により決定付けられる。ここで、共鳴体１１，１２の共鳴周波数が同じで、且つ反射面２に垂直方向の断面積が同じであるときには、ｕ₁＝ｕ₂である。よって、２Ｓ_p／Ｓ_o＞１という関係を満たし、共鳴体１１，１２の断面積Ｓ_pが、開口部１４の面積積Ｓ_oの１／２以上であれば、式（４）の関係からも分かるように、粒子速度ｕ₁とｕ₂との和よりもさらに高い粒子速度ｕ₀が、開口部１４に生じ得る。中空部材１０にあっては、Ｓ_p＞Ｓ_oという関係を満たしているので、開口部１４における粒子速度ｕ₀は、ｕ₁とｕ₂との和よりも大きくなるための条件を満たしている。

また、式（４）を用いると、中空部材１０の開口部１４に対して、反射面２に対して垂直な方向（ｚ方向）に外部空間から入射波が入射したときの比音響インピーダンス比ζは、式（５）の関係を満たす。

式（５）に示すように、比音響インピーダンス比ζは、開口部１４の比音響インピーダンスｐ₀／ｕ₀を、外部空間の媒質であって、開口部１４の媒質（空気）の特性インピーダンスρｃ（固有音響抵抗）で除した値である。要するに、比音響インピーダンス比ζは、音場内の或る点の比音響インピーダンスと、その点の媒質の特性インピーダンスとの比を表す値である。開口部１４に対して垂直方向に共鳴周波数に属する入射波が入射すると、式（５）の関係を満たす比音響インピーダンス比ζの大きさに応じて、共鳴体１１，１２の共鳴によって生じる反射波が、中間層１３および開口部１４を介して外部空間に放射される。ここで、比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと定める。ｒは、比音響インピーダンス比ζの実数部（つまり、Ｒｅ（ζ））であり、比音響抵抗比と呼ばれることがある値である。ｘは、比音響インピーダンス比ζの虚数部（つまり、Ｉｍ（ζ））であり、比音響リアクタンス比と呼ばれることがある値である。次に、比音響インピーダンス比ζと反射波との関係について説明する。

（Ｉ）ζ＝０、すなわちｒ＝０かつｘ＝０の場合
ζ＝０（ｒ＝０かつｘ＝０）を満たす領域に対して入射波が入射すると、共鳴によって生じる反射波として、入射波と振幅が同じで、位相が１８０度変位した反射波がその領域から放射される。これにより、入射波と反射波との干渉により、互いの振幅を完全に打ち消しあうように作用する。このような共鳴を「完全共鳴」と呼ぶこととする。
（II）ζ＝１、すなわちｒ＝１かつｘ＝０の場合
ζ＝１（ｒ＝１かつｘ＝０）を満たす領域に対して入射波が入射すると、その領域からは反射波は放射されない。この現象を「完全吸音」と呼ぶこととする。
（III）ζ＝∞、すなわちｒ＝∞かつｘ＝０の場合
ζ＝∞（ｒ＝∞かつｘ＝０）を満たす領域（すなわち、剛体）に入射波が入射すると、反射によって生じる反射波として、入射波と振幅が同じで、位相の変位がない（位相の変位が０度の）反射波が放射される。この場合、入射波と反射波とが干渉して定在波が生じる。この現象を「完全反射」と呼ぶこととする。

上記（Ｉ）ではｒ＝０であり、中空部材１０が抵抗成分を有しない場合であるが、中空部材１０が抵抗成分を有している場合もある。この場合に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が中空領域２０に入射すると、例えば上記（II）、（III）の場合のように、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部ｒが０でない値をとることがある。このときに、開口部１４に対して垂直に入射波が入射すると、開口部１４から放射される共鳴によって生じる反射波にあっては、その振幅は中空部材１０が有する抵抗成分に応じて減衰する。このように、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが０となる完全共鳴の場合以外にも、共鳴体が共鳴による反射波を放射する「共鳴現象」が発生しているとみなすことができる場合がある。

ところで、或る部材上の領域の点における比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと、複素音圧反射係数Ｒ＝｜Ｒ｜ｅｘｐ（ｊφ）とは、Ｒ＝（ζ−１）／（ζ＋１）という関係を満たす。複素音圧反射係数は、空間のある１点における反射波と入射波の複素数比を表す物理量である。｜Ｒ｜は、入射波に対する反射波の相対的な振幅の大きさを表す値であり、その値が大きいほど、反射波の振幅が相対的に大きくなることを意味している。φは、入射波に対する反射波の位相の変化の大きさを表す値（以下、「位相変化量」という。）である。上記関係式からも明らかなように、比音響インピーダンス比ζ、及び複素音圧反射係数Ｒのうちの一方が定まれば、もう一方も一義的に定まる。例えば、ζ＝０（つまり、完全共鳴）の場合にはＲ＝−１となり、このときの反射波は、入射波に対して逆位相となり、且つ振幅は互いに同一である。ζ＝１（つまり、完全吸音）の場合にはＲ＝０となり、このときは反射波は放射されず、その振幅は０である。ζ＝∞（つまり、完全反射）の場合には、Ｒ＝１となり、このときの反射波は、入射波に対して同位相となり、且つ振幅は互いに同一である。

続いて、上記共鳴現象によって奏する吸音・散乱効果について、位相からの観点と、振幅からの観点とに分けてそれぞれ説明する。なお、吸音効果については、中空部材１０が開口部１４から放射する反射波によって奏する効果であり、散乱効果については、中空部材１０が開口部１４から放射する反射波と、反射面２から放射する反射波との相互作用によって奏する効果である。これら各効果を奏するための作用については詳しくは後述する。
まず、位相の観点から説明する。
図７は、比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表したグラフである。このグラフにおいて、横軸は比音響インピーダンス比ζの実数部であるｒ＝Ｒｅ（ζ）を表し、縦軸は比音響インピーダンス比ζの虚数部であるｘ＝Ｉｍ（ζ）を表している。同図においてζ＝∞の場合となる点では、原点からの距離が∞となる。このときには、上記完全反射が生じて、位相変化量φは０°となる。

｜ζ｜＜１となる場合は、図７にハッチングで示した領域で表され、この場合の位相変化量φは９０°よりも大きい。この条件を満たす場合、｜ζ｜の値が小さくなるほど位相変化量φは±１８０°に近づく。より具体的には、Ｉｍ（ζ）＞０であれば位相変化量φは１８０°に近づいていき、Ｉｍ（ζ）＜０であれば位相変化量φは−１８０°に近づいていく。また、横軸上に位置する点であり、０≦Ｒｅ（ζ）＜１、且つＩｍ（ζ）＝０となる場合は、上記完全共鳴が生じて位相変化量φは±１８０°となる。このように、図７に示すグラフでハッチングで示した領域であり、原点を中心とした半径が「１」の円の内側で表される領域（ただし、線上の領域を含まず。）で表されるζの値の場合には、入射波と反射波との位相干渉による吸音効果を、特に効果的に奏することができる。一方、例えば図７に破線で図示した領域のように、｜ζ｜の値が１以上となる場合には、位相変化量φが９０°よりも小さい。この領域においては、吸音効果を奏することはできるが、｜ζ｜の値が１未満となる場合よりは位相干渉による吸音効果は低くなる。また、上記散乱効果については、開口部１４から放射する反射波と、反射面２から放射する反射波とに同位相でない位相差があり、特に逆位相の関係に近いほど、より顕著にその効果を奏する。よって、この散乱効果の発現においても、｜ζ｜の値が１以上となる場合にもその効果を奏するが、｜ζ｜＜１となることが好ましく、更に好ましくは、｜ζ｜がなるべく０に近く、位相変化量φが±１８０°に近い条件が実現されるとよい。

すなわち、吸音・散乱効果を奏するための共鳴現象においては、φ＝±１８０°となるように、Ｉｍ（ζ）＝０となることが理想的であるが、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という関係を満たしており、すなわち｜ζ｜の値が１未満となっていれば、共鳴による吸音・散乱効果を効果的に奏する。また、｜ζ｜の値が１未満となる条件下において、より好ましくは、１３５°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１３５°という条件を満たし、更に好ましくは１６０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１６０°という条件を満たしているとよい。

続いて、振幅の観点から説明する。
図８は、比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。同図には、｜Ｒ｜＝０．０，０．１，０．３，０．５，０．７，０．８，０．９，１．０という各値をとるときのＲｅ（ζ）及びＩｍ（ζ）の値を示している。同図に示すように、Ｒｅ（ζ）＝１で、且つＩｍ（ζ）＝０の場合、｜Ｒ｜＝０となり、振幅が０で極小となる。つまり、上記完全吸音が生じており、反射波は生じない。
同図に破線で示した領域は、図７を用いて説明した｜ζ｜＝１となる領域であり、この内側の領域（ただし、線上の領域を含まず。）においては、共鳴現象より、入射波と反射波との間に９０°〜１８０°の位相差が生じている。また、この領域では、｜Ｒ｜＞０であるから反射波の振幅が０を超えている。

続いて、縦軸上の位置であり、Ｒｅ（ζ）＝０となる場合、Ｉｍ（ζ）の値とは無関係に｜Ｒ｜は１．０となる。このとき、入射波と同じ振幅の反射波が放射されるので、振幅の観点からは、入射波と反射波との位相が異なる条件下において、吸音・散乱効果を奏する場合において最も好ましい。同図から分かるように、Ｒｅ（ζ）＜１である条件では、Ｉｍ（ζ）を仮に一定とした場合に、Ｒｅ（ζ）の値が小さいほど｜Ｒ｜の値が大きくなっていることが分かる。つまり、比音響インピーダンス比ζの実数部Ｒｅ（ζ）の値が小さく、特にその値がほぼ０である場合には、Ｉｍ（ζ）の値に関係なく反射波の振幅が大きいから、入射波と反射波との位相が異なるときに、位相干渉により奏する吸音・散乱効果においては好適である。

この実施形態の中空部材１０において、開口部１４は中間層１３を介して共鳴体１１，１２と接続されている。よって、共鳴体１１，１２の各々の共鳴周波数付近の周波数では、開口部１４において｜Ｉｍ（ζ）｜＜１という条件を満たす。よって、この場合、開口部１４からの反射波の位相は入射波に対して９０°以上変位する。そして、例えばＲｅ（ζ）＝０．３０である場合、反射波の振幅｜Ｒ｜＝０．５４であるから、入射波の振幅に対して１／２以上の振幅の反射波が放射される。このように、開口部１４のＲｅ（ζ）とＩｍ（ζ）がともに十分に小さい場合には、開口部１４に隣接する反射面からの反射波に対して、開口部１４からは振幅が十分に大きく、且つ位相変化の大きな反射波が得られる。理想的には、Ｒｅ（ζ）＝０、且つＩｍ（ζ）＝０となれば、｜Ｒ｜＝１．０となり、入射波と反射波との振幅が同じになる上記完全共鳴が実現されるとよいが、｜Ｒ｜が１．０未満である場合について詳述すると、以下のとおりである。

例えば｜Ｒ｜＝０．５の場合、およそ１／４のエネルギーが開口部１４から放射されて、この場合も、吸音・散乱効果を効果的に得ることができる。なお、Ｉｍ（ζ）＝０である場合には、Ｒｅ（ζ）≒０．３３５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ１３９．０２５Ｋｇ／ｍ²・ｓｅｃ以下となる。より好ましくは、｜Ｒ｜＝０．７という条件を満たしているとよく、この場合、およそ１／２のエネルギーが開口部１４から放射され、上述の効果をより強く奏する。この場合にＩｍ（ζ）＝０であれば、Ｒｅ（ζ）≒０．１７５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ７２．６２５Ｋｇ／ｍ²・ｓｅｃ以下となる。さらに好ましくは、｜Ｒ｜＝０．９という条件を満たしているとよく、この場合、およそ４／５のエネルギーが開口部１４から放射され、吸音・散乱効果を顕著に得ることができる。この場合にＩｍ（ζ）＝０とであれば、Ｒｅ（ζ）≒０．０５５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ２２．８２５Ｋｇ／ｍ²・ｓｅｃ以下となる。
例えば、図８に示したように、好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．７である場合には、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．１７５以下となるし、さらに好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．９である場合には、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．０５５以下となるから、これらの結果に鑑みても、Ｒｅ（ζ）の値をほぼ０とするように中空部材１０の中間層１３を構成することが、良好な吸音・散乱効果を奏するためには好適であることが分かる。

ところで、上述した式（５）の関係からも分かるように、境界面１１１及び１２１の面積Ｓ_pと開口部１４の面積Ｓ_oとの面積比Ｓ_o／Ｓ_p（面積比＝ｒ_s）を変化させることにより、比音響インピーダンス比ζの絶対値｜ζ｜は変化する。
図９は、ｌ₁＝３００ｍｍ，ｌ₂＝４８５ｍｍとした場合の、比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値｜Ｉｍ（ζ）｜の周波数特性を示したグラフである。同図は、ｒ_s＝０．２５，１．０，４．０とした場合の、それぞれの｜Ｉｍ（ζ）｜の計算値を示している。ただし、ここではｌ₁≠ｌ₂である。ここで｜Ｉｍ（ζ）｜を示した理由は、図７に示したように、｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる範囲では、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という値をとるから、図９中でこの範囲を直観的に分かるようにするためである。なお、｜Ｉｍ（ζ）｜＝∞となるのは、反共鳴（反共振）が生じるときであり、この周波数を境界として、当該周波数の両側でＩｍ（ζ）の符号が反転する。

同図から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓ_pが、開口部１４の面積Ｓ_oに対して大きく、面積比ｒ_sが小さくなるほど、０≦｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる周波数帯域が広くなっている。また、面積比ｒ_sが小さくなるほど、Ｉｍ（ζ）＝１．０の直線と、Ｉｍ（ζ）を表すグラフとによって囲まれる領域の面積が大きくなっている。換言すれば、開口部１４に入射する入射波に応じて、“共鳴現象が生じるとみなせる”周波数帯域が広くなり、且つ完全共鳴（ζ＝０）に近い現象がより広い周波数帯域で発現する。

また、同図から分かるように、面積比ｒ_s＜１．０とすれば、面積比ｒ_s＝１．０となる従来構成の音響管に対して上記作用効果の度合いが大きくなる。好ましくは、面積比ｒ_s≦０．５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．２倍もの大きさに広がっており、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が、従来のおよそ半分以下になっていることを確認した。これにより、より強い吸音・散乱効果を奏し得る。更に好ましくは、面積比ｒ_s≦０．２５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．５倍もの大きさに広がっており、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が従来のおよそ１／４以下になっており、顕著な吸音・散乱効果を奏し得る。
以上のように、音響構造体１にあっては、面積比ｒ_sを規定して、中間層１３の作用により、開口部１４における比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜が｜ζ｜＜１となるようにし、さらにζの実数部ｒ＝Ｒｅ（ζ）がほぼ０となるようにすれば、共鳴現象によって効果的な吸音・散乱効果を奏する。

ところで、中空部材１０にあっては、中間層１３や開口部１４に気体分子の運動を阻害する抵抗材などの部材が設けられていない。また、面積比ｒ_sの設定によって、共鳴体１１，１２の共鳴により生じる大きな粒子速度を開口部１４に生み出すことができる。また、開口部１４に隣接する共鳴体１１，１２の共鳴により、開口部１４では｜ζ｜＜１という条件を満たしているから、その場所での音圧は、共鳴現象によって発現する位相干渉によりかなり低くなる（理想的には０）。このように、中空部材１０にあっては、気体分子の粒子速度が大きく、且つ音圧が低いという現象を共鳴体１１，１２の共鳴により開口部１４において発現させることにより、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部ｒ＝Ｒｅ（ζ）がほぼ０となるという条件を実現する。上述のように、Ｒｅ（ζ）の値は０に近いほど好ましいが、中空部材１０の構成によれば、共鳴体１１，１２の共鳴によってその条件を実現し得る。

ここで、図１０は、０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの周波数帯域において、｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒ_sとの関係を示したグラフである。図１０（ａ）は、横軸を｜Ｉｍ（ζ）｜とし、縦軸を周波数割合［％］及び位相変化量［度（°）］としたグラフであり、図１０（ｂ）は横軸を面積比ｒ_sとし、縦軸を周波数割合［％］としたグラフである。なお、図１０（ａ）には、｜Ｉｍ（ζ）｜毎に反射波の位相変化量の下限を破線で表している。この周波数割合とは、０Ｈｚから１０００Ｈｚという周波数帯域の帯域幅に対する、｜Ｉｍ（ζ）｜が上記或る値となる帯域幅の占める割合である。ここで、｜Ｉｍ（ζ）｜の上記或る値を、それぞれ０．１，０．２，０．４，０．６，０．８，１．０とする。なお、図１０においては、Ｒｅ（ζ）＝０とした計算結果を表し、ここでもｌ₁＝３００ｍｍ，ｌ₂＝４８５ｍｍとしている。
図１０（ａ）から明らかなように、面積比ｒ_sが小さいほど(つまり、開口部１４の面積が小さいほど)、反射波の位相変化量が或る一定値以上大きくなる割合が増している。例えば、ｒ_s＝０．２５の場合には、｜Ｉｍ（ζ）｜＜０．２となる周波数割合はおよそ７０％である。一方、従来方式であるｒ_s＝１．０の場合の同周波数割合は、およそ２７％であり、例えば位相変化量が１５７．４°以上である周波数帯域は約３倍もあることが分かる。また、図１０（ｂ）から明らかなように、例えば｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満となる周波数割合は、面積比ｒ_sが小さいほど増加している。図１０の結果からも、面積比ｒ_sが小さいほど反射波の位相変化量が大きくなる周波数帯域が増していることが分かる。

続いて、吸音効果及び散乱効果を奏するための作用について説明する。
図１１は、中空部材１０の開口部１４周辺の外部空間をｙｚ平面に直交する方向（ｘ方向）から見たときの、共鳴時における反射波の挙動を説明する図である。同図は、反射面２及び開口部１４に対して垂直に入射波の音圧が極大となる「山」が反射面２及び開口部１４に到達し、それに対応する反射波が生成される様子を示している。ただし、ここでは、開口部１４の比音響インピーダンス比ζ＝０であり、上述した“完全共鳴”が生じるものとする。また、同図には、反射波を実線と破線とで示しているが、実線は、反射波の音圧が極大となる「山」の位置を表しており、破線は、音圧が極小（「山」とは逆位相）となる「谷」の位置を表している。

中空部材１０の中空領域２０に対して、共鳴周波数に属する入射波が、開口部１４に垂直方向に入射すると、共鳴によって生じる反射波として、入射波に対して位相が１８０°変位した反射波が、開口部１４からｚ方向に向かって放射される。よって、同図に示すように、開口部１４での反射波は「谷」となり、そこでの音圧は極小となっている。一方で、中空部材１０は、上述したようにアクリル樹脂等の剛性率の高い材質のもので形成されているから、その比音響インピーダンス比はかなり大きい。よって、反射面２から放射される反射波の位相は、入射波の位相に対する変位はほとんどない（図１１の領域Ｃ３，Ｃ４）。反射面２を剛体とみなすと、上述した“完全反射”が生じ、反射面２から放射される反射波の位相は、入射波の位相に対する変位がゼロで、入射波と同位相の反射波となる。すなわち、開口部１４の比音響インピーダンス比ζがゼロで完全共鳴し、反射面２の比音響インピーダンス比が∞で完全反射した場合には、開口部１４からの反射波と反射面２からの反射波とは、それらの振幅が同じで、互いの位相が１８０°異なる関係となる。この現象により、開口部１４と反射面２との境界のｚ方向にある領域（空間）では、図１１に楕円で示したように、反射面２からの反射波と開口部１４からの反射波とが互いに隣接する領域Ｃ１，Ｃ２では、両者の反射波の位相が不連続となる現象が発生する。

以上の作用により、吸音効果は、開口部１４付近の領域での共鳴現象により発現する。散乱効果は、反射面２に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって生じるものであり、これを原因として開口部１４付近で気体分子の流れが生じて、音が散乱する。このように、開口部１４からの反射波と反射面２からの反射波とは、それらの位相角度が異なり、その位相差に応じて異なる現象が領域Ｃ１〜Ｃ４という近接した空間で発現するので、音響構造体１によれば、音の散乱、及び吸音を同時に発現させることができる。

さらに、式（４）に示す関係から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓ_pが、開口部１４の面積Ｓ_oに対して大きい（すなわち、面積比ｒ_sが小さい）ほど、開口部１４での粒子速度ｕ₀はさらに大きくなる。よって、Ｓ_p＞Ｓ_oという関係を満たすことにより、開口部１４付近で気体分子の振動が更に増大して、その付近の外部空間での吸音効果、及び散乱効果はより一層高まる。以上説明したように、開口部１４付近の外部空間では、反射面２からの反射波と開口部１４からの反射波との位相差により、高い吸音効果と散乱効果を得ることができる。
また、式（５）から分かるように、比音響インピーダンス比ζは中間層１３の寸法（面積比ｒ_s）に依存するものであるため、反射面２における反射波と、開口部１４における反射波との位相差の関係も、面積比ｒ_sに依存することとなる。反射面２が完全反射して、共鳴体１１，１２が完全共鳴するときに、中間層１３に音圧分布のばらつきが生じない理想的な状態であれば、反射面２における反射波と開口部１４における反射波とは逆位相の関係になる。また、中間層１３に微小な音圧分布のばらつきが生じていたとしても、両者の反射波がほぼ逆位相の関係になるように、中間層１３が構成されていれば、上述した作用により、吸音効果及び散乱効果は発現する。

図１２は、開口部１４の中心点Ｏからの距離と、開口部１４付近での吸音率との関係を求めた実験結果を示す図である。同図（ａ）は、開口部１４付近を上側（ｘｙ平面に直交する方向）から見た図であり、同図（ｂ）は、開口部１４の中心点Ｏからの距離と、開口部１４付近での吸音率との関係を示すグラフである。なお、ここでは、ｌ₁＝４５８ｍｍであり、端部１１２が開口端である共鳴体１１と、ｌ₂＝３６９ｍｍであり、端部１２２が閉口端である共鳴体１２からなる中空部材１０を用いた。また、音響構造体１の反射面２の面積は、９００ｍｍ（ｙ方向）×６００ｍｍ（ｘ方向）である。また、ここでは、開口部１４の一辺の長さｄは５０ｍｍである。このような測定条件のもと、反射面２からｚ方向に１ｍ離れた位置に設置したスピーカからピンクノイズを発生させ、図１２（ａ）に示すように、反射面２から高さ０ｍ（反射面２上）における開口部１４の中心点Ｏからのｘｙ平面上での距離と、吸音率との関係を表す実測値が、同図（ｂ）である。

図１２（ｂ）に示すように、開口部１４の中心点Ｏから、ｘｙ平面上でおよそ２５ｍｍ〜１００ｍｍ（特に、５０ｍｍ）の反射面２上（ｚ＝０）において高い吸音率を得られていることが分かる。この位置は、領域Ｃ１，Ｃ２付近であって、開口部１４付近の反射面２上の位置である。この結果からも、開口部１４付近の外部空間において気体分子の流れが生じて高い散乱効果が得られ、反射面２からの反射波のエネルギーの一部が、領域Ｃ１，Ｃ２の方へ流れ込むことにより、開口部１４の中心点Ｏからおよそ１００ｍｍも離れた位置において、高い吸音効果が発現していることが分かる。

図１３は、上記測定条件における粒子速度の実測値を示した図である。同図（ａ）は、開口部１４付近を上側（ｘｙ平面に直交する方向）から見た図である。同図（ｂ），（ｃ）において、ｘ軸は、開口部１４の中心点Ｏから見たｘ方向の位置を表し、縦軸は開口部１４の中心点Ｏから見たとしたｚ方向の位置を表す。また、矢印の向きは、粒子速度が作用する向きを表しており、その長さは粒子速度の大きさを意味している。また、同図において、（ａ）は共鳴体１１の共鳴周波数２４８Ｈｚのときの粒子速度を表し、（ｂ）は共鳴体１２の共鳴周波数３４９Ｈｚのときの粒子速度を表している。
同図に示すように、開口部１４付近の外部空間で粒子速度が特に大きくなっており、反射面２上よりも４０ｄＢ程度も高くなっていることを、発明者らは確認した。また、入射波が開口部１４に対して垂直方向（ｚ方向）に入射しているのに対し、ｘ、ｙ方向に対する成分を持つ高い粒子速度が発生する。この作用によって、開口部１４付近の反射面２上の広い領域で、高い吸音効果及び散乱効果を得ることができる。

以上説明した音響構造体１によれば、反射面２に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって、反射面２及び開口部１４に直交しない斜め方向に気体分子の運動エネルギーの流れが発生して散乱効果が得られる。更に、共鳴現象により開口部１４付近の外部空間において、開口部１４からの反射波が、開口部１４への入射波を位相差により振幅を打ち消すことによる吸音効果も得られる。これにより、広い周波数帯域で、開口部１４付近の広い領域で吸音効果及び散乱効果を得ることができる。特に、Ｓ_p＞Ｓ_oという関係を満たしていると、開口部１４での比音響インピーダンス比ζはさらに小さくなり、吸音効果が発揮される周波数帯がさらに広くなるので、吸音効果及び散乱効果をより一層高めることができる。

また、音響構造体１を構成する中空部材１０−１〜１０−１０のそれぞれで、開口部１４−１〜１４−１０の位置が異なっているから、各々の中空部材の共鳴周波数は異なり、低周波数帯域を含む広い周波数帯で高い吸音効果を得られる。これらに加えて、音響構造体１の厚さ方向（ｚ方向）の大きさは、共鳴周波数の波長に比べてかなり小さく、音響構造体１が設置される空間を狭めてしまうこともない。
このような音響構造体１によれば、サイズの大型化を抑制した音響部材により、音を効果的に吸音・散乱させるとともに、広い周波数帯で良好な吸音・散乱効果を得ることができる。また、本発明によれば抵抗材のような気体分子の振動を抑制する部材を敢えて用いずに、高い粒子速度を生じさせることで吸音効果が得られるにしており、開口部１４から離れた反射面２上の位置での吸音効果に特に優れている。また、発明者らは、音響構造体１を用いて、ｘｙｚの各軸方向に対する寸法を９００ｍｍ×６００ｍｍ×２８ｍｍとしたパネルを構成し、そのパネルを１０枚並べて残響室法吸音率を実測した結果、１２５Ｈｚ〜４０００Ｈｚまでの周波数帯域でおよそ０．２５〜０．４０の値となり、グラスウールパネルや合板などを用いた音響構造体では得ることのできない、平坦な吸音特性を得られることを確認した。よって、本発明によって得られる知見に基づいた、今後の音響部材の開発への応用にも期待される。

［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施することが可能である。また、以下に示す変形例は、各々を適宜に組み合わせてもよい。なお、以下の変形例においても、特に断りのない限り、中空部材１０の端部１１２，１２２に相当する端部は、閉口端であってもよいし、開口端であってもよい。
［変形例１］
上述した実施形態では、音響構造体１は、それぞれ別の部材である中空部材１０−１〜１０−１０によって構成され、その各々が中空領域を有することにより、音響構造体１に中空領域２０−１〜２０−１０が形成されていた。これに対し、音響構造体１は、内部に一方向に延在する大きな直方体状の中空領域が形成されて、その中空領域にｙ方向に延在する仕切部材を設けることにより、実施形態と同等の構成の中空領域２０−１〜２０−１０が形成されていてもよい。このような構成の音響構造体であっても、実施形態の音響構造体１と同じ作用効果を得ることができる。
また、実施形態では、音響構造体１の１つの面を反射面２としていたが、その面の反対側の面にも開口部１４を設けて、音響構造体１の両面で実施形態で述べたような、吸音効果及び散乱効果を得られるようにしてもよい。また、開口部１４は、音圧透過性及び通気性（粒子速度透過性）があって、抵抗成分が媒質（空気）の固有音響抵抗に対して十分小さい不織布状の布材や、ネット、メッシュ等によって覆われていてもよく、開口部１４を介して外部空間及び中空領域２０の間を音波が伝搬するように構成されていればよい。

［変形例２］
上述した実施形態では、音響構造体１の中空部材１０が、２つの共鳴体１１，１２を備える構成であったが、共鳴体を１つだけ備える構成としてもよい。図１４は、本変形例の音響構造体を成す中空部材１０ａの断面（図２の切断線III−IIIで切断したときの断面）を表した図である。
図１４（ａ）に示すように、中空部材１０ａは、ｙ方向に延在する中空領域２０ａを有し、閉口端である端部１１２ａから中間層１３ａまでの間に共鳴体１１ａが構成されている。また、中空部材１０ａの他端の端部１２２ａに隣接する反射面を有する側面部には、開口部１４ａが設けられ、この中空部材１０ａにおいて、開口部１４ａ近傍の中空領域２０ａが中間層１３ａである。この構成において、同図（ａ），（ｂ）に示すように、中空領域２０ａの他端である端部１１２ａから中間層１３ａまでの間に１の共鳴体が構成される。中間層１３ａについては、共鳴体との境界面以外の面が中空部材１０ａの内側の面に隣接するか、又は開口部１４ａに隣接するように構成されている。この構成においても、中間層１３ａとの境界面１１１ａから中間層１３ａに共鳴による音圧が作用すると、その体積速度の大きさに応じて、中間層１３ａは、開口部１４ａを介して外部空間に音圧を作用させる。これにより、開口部１４周辺の外部空間には、実施形態と同じ作用が発現する。
したがって、このような構成の中空部材１０ａを音響構造体に適用しても、吸音効果、及び散乱効果を得ることができる。ただし、この場合、共鳴体から中間層１３ａに作用する体積速度は、実施形態の構成の場合よりも小さくなるので、開口部１４ａでの粒子速度は小さくなりやすく、吸音効果及び散乱効果が低下してしまうことがある。これに対し、音響構造体のサイズをさらに小さくすることができるという利点もあるので、音響空間に音響構造体を設置しやすくなり、音響構造体の設計の自由度を高めるという効果を得ることができる。

［変形例３］
上述した実施形態では、中空部材１０がＳ_p＞Ｓ_o（すなわち、ｒ_s＜１）という関係を満たすように構成されていたが、この関係を満たしていなくてもよい。この関係を満たすことにより、式（５）の関係から分かるように比音響インピーダンス比ζがゼロに近づいて、吸音効果が発現する周波数帯域が広くなり、式（４）の関係から分かるように、開口部１４付近の外部空間でより高い粒子速度が生じて、それによる良好な散乱効果及び吸音効果の発現に寄与していた。これに対し、Ｓ_p≦Ｓ_oという関係であっても、比音響インピーダンス比ζの絶対値｜ζ｜が１未満という関係を満たしていれば、共鳴体１１，１２の共鳴現象が発生して吸音効果は得られるし、開口部１４における高い粒子速度に起因する気体分子の流れにより散乱効果を得られる。

［変形例４］
また、音響構造体の構成を以下のようにしてもよい。
図１５は、本変形例の音響構造体１ｂを、図１の矢印II方向と同じ方向から見た図である。なお、図１５では、中空領域の図示を省略しているが、図２に示した位置と同じようにして、ｙ方向に延在する複数の直方体状の中空領域が形成される。
同図に示すように、音響構造体１ｂは複数の中空部材１０ｂ−１〜１０ｂ−１０からなる。中空部材１０ｂ−１〜１０ｂ−１０はそれぞれ両端が閉じているとともに、両端付近の反射面２には、開口部１４２ｂ，１４３ｂが設けられている。さらに、ｙ方向に対する中心付近の位置には開口部１４１ｂが設けられている。また、音響構造体１ｂには、図１５の点線で示すように、各開口部どうしの間に、中空領域をｙ方向に複数の中空領域に隔てるための隔壁１５１ｂ，１５２ｂが設けられている。なお、図が煩雑になるのを防ぐため、中空部材１０ｂ−１のみに開口部１４１ｂ〜１４３ｂ、及び隔壁１５１ｂ，１５２ｂという符号を付しているが、その他の中空部材についても、開口部及び隔壁の位置は異なるものの、同等の構成が設けられている。また、中空部材１０ｂ−１〜１０ｂ−１０はそれぞれ同じ構造的特徴を有するため、以下では、「中空部材１０ｂ」と総称してその構成を説明する。

図１６は、図１５に示す中空部材１０ｂを、切断線V−V（すなわち、反射面に対して垂直な面）で切断したときの断面を表している。同図に示すように、中空部材１０ｂには隔壁１５１ｂ，１５２ｂが設けられているから、その中空領域（中空部材１０ｂ）の延在方向に対して隔絶された、３つの中空領域が形成されている。ここで、隔壁１５１ｂ，１５２ｂは、中空部材１０ｂと一体となった部材であってもよいし、別の部材であってもよい。このような構成の中空部材１０ｂにおいて、その一方の端部側には、中空部材１０ａの端部１６１と共鳴体１１ｂとの間に中間層１３１ｂが構成され、他端部側には、中空部材１０ｂの端部１６２と共鳴体１２ｂとの間に中間層１３２ｂが構成されている。また、中空部材１０ｂの中央部であって、隔壁１５１ｂと隔壁１５２ｂとの間に形成された中空領域においては、隔壁１５１ｂと中間層１３３ｂとの間に共鳴体１６ｂが構成され、隔壁１５２ｂと中間層１３３ｂとの間に共鳴体１７ｂが構成されている。
このように、中空部材１０ｂにおいては、隔壁により、中空領域がその延在方向に対して複数の中空領域に隔絶されて、中空部材の端部と中間層との間に共鳴体が構成されるようにするとともに、隔壁と中間層との間に共鳴体が構成されるようにしている。この構成により、例えば中空部材１０ｂには４つの共鳴体が存在しており、実施形態で述べた構成よりも多い共鳴体を確保することができる。よって、このような音響構造体１ｂによれば、音響構造体１よりも、さらに広い周波数帯での吸音効果及び散乱効果を得ることができる。また、中空部材１０ｂにおいて、隔壁の数を更に多くして、中空部材が更に多くの数の中空領域を備えるようにしてもよい。

［変形例５］
上述した実施形態では、音響構造体１の開口部１４−１〜１４−１０が、外部空間である音響空間に面するよう音響室の内壁面や天井面に設置されていた。これに対し、音響構造体１は、壁面内部や天井内部に埋め込まれることにより設置されていてもよい。また、反射面２以外の音響構造体１の側面にキャスタ等の移動手段を設ける等して、移動可能なパネル体として構成されていてもよい。
また、複数の中空部材１０の延在方向が一致するように並べられていなくてもよく、その設置方向は任意である。例えば、図１７に示すように、平板状の支持パネル３０上に、中空部材１０の延在方向を様々にして配置するようにしてもよい。平板状の支持パネル３０上に多数の中空部材１０を設置する場合には、当該支持パネル上での各中空部材１０の設置位置を変更できるような構成としてもよい。１枚の平板状の支持パネル３０上に各中空部材１０を設置する場合には、当該パネルに移動手段を取り付けるようにして移動可能にしてもよい。

［変形例６］
上述した実施形態の中空部材１０は、２つの共鳴体１１，１２の中心軸が中心軸ｙ₀を共有する構成であったが、各共鳴体の中心軸が共通しなくてもよく、例えば、「Ｌ」字型や「Ｖ」字型をなすように所定の角度をなしてもよい。図１８は、このような構成の中空部材１０ｃの一例を示した図である。同図に示すように、共鳴体１１ｃと１２ｃとがなす角度（すなわち、共鳴体１１ｃの中心軸ｙ₁と共鳴体１２ｃの中心軸ｙ₂とが成す角度）はθであるが、この値はいくつであってもよい。実施形態の中空部材１０は、θ＝１８０°の場合の構成である。このような中空部材１０ｃを備えた音響構造体であっても、開口部１４ｃと、それぞれの共鳴体１１ｃ，１２ｃとの間に構成される中間層が、実施形態と同じ条件を満たすことにより、吸音効果及び散乱効果が発現する。

また、図１９（ａ）に示す中空部材１０ｄのように、中空領域が「Ｔ」字状に構成され、３つ以上の共鳴体が構成されていてもよい。図１９（ｂ）は、中空部材１０ｄを、矢印VII方向に見た図である。同図に示すように、中空部材１０ｄは、中空部材１０ｄのそれぞれの端部と、開口部１４に連なる中間層との間に構成された、３つの共鳴体１１ｄ，１２ｄ，１６ｄを有する。これら共鳴体１１ｄ，１２ｄ，１６ｄは、開口部１４近傍の中空領域２０ｄである中間層を介して開口部１４ｄと連通している。また、この構成においても、各々の共鳴体の中心軸どうしが成す角度も任意でよい。また、中空部材は、中間層１３にさらに多くの共鳴体が面するように構成されていてもよい。また、各共鳴体が同一平面（ｘｙ平面）上に構成されていなくてもよく、各共鳴体の延在方向はｘｙｚ空間内においてどの方向であってもよい。

［変形例７］
上述した実施形態では、中空部材１０は角筒状の部材であり、その中空領域２０は直方体状であった。これに対し、音響構造体を構成する中空部材は、円柱状や底面が多角形の柱状に構成されていてもよい。また、中空領域を中心軸に対して垂直に切断したときの断面においても、円状や多角形状であってもよく、その形状は実施形態で述べた形状に限定されるものではない。要するに、中空領域が一方向に延在し、その中空領域が、共鳴体によって実現される機能と、中間層１３とによって実現される機能とを有していればよい。また、中空領域２０をｘｚ平面で切断したときの断面の形状も他の形状でもよく、それらは延在方向に一様でなくても良く、その中空領域において共鳴体としての機能及び中間層としての機能とが実現されればよい。

図２０（ａ）は、管状（円筒状）の中空部材１０ｅの外観を示した図である。同図に示すように、中空部材１０ｅの側面部には円形の開口部１４ｅが設けられ、その側面部が反射面として機能する。同図（ｂ）は、中空部材１０ｅを矢印VIII方向から見た図で、点線で示す位置に円筒状の中空領域２０ｅが設けられている。同図（ｂ）に示すように、中空部材１０ｅは、開口部１４ｅを介して外部空間と中空領域２０ｅを連通させる。このような構成であっても、実施形態で述べた作用による吸音効果及び散乱効果を得ることができる。また、中空部材１０ｅをその延在方向に複数並べた音響構造体を構成した場合、それらの側面からなる反射面全体として平らな面とならないが、管状部材１０ｅに対して入射波が入射すると、曲面上の反射面から反射波が放射されるから、共鳴時において開口部１４により生じる反射波によって、実施形態と同質の作用により散乱効果を得ることもできる。

［変形例８］
上述した実施形態では、音響構造体１の中空領域２０−１〜２０−１０の延在方向（ｙ方向）の長さは一致していたが、それぞれの長さが異なっていてもよい。図２１に示すように、中空部材１０ｆ−１〜１０ｆ−１０の外形は中空部材１０とそれぞれ同じで、共鳴体の実現したい共鳴周波数に応じて、同図に示す中空領域２０ｆ−１〜２０ｆ−１０のように、それぞれの中空領域の直線方向の長さが異なっていてもよい。このような構成によれば、各中空部材が備える共鳴体の共鳴周波数をより自在に決めることができ、音響構造体の設計の自由度が高まる。また、中空部材そのものの長さがそれぞれ異なっていてもよいのはもちろんである。

［変形例９］
上述した実施形態では、共鳴体１１，１２の長さｌ₁＝ｌ₂であるが故に、境界面１１１における粒子速度ｕ₁，境界面１２１における粒子速度ｕ₂は同位相で変化する。これにより、或る周波数帯での開口部１４の気体分子の粒子速度を大きくし、その周波数帯での吸音効果及び散乱効果を増大させることには好適であった。これに対し、共鳴体１１，１２の長さｌ₁≠ｌ₂でとした場合には、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となり、吸音効果及び散乱効果が発現する周波数帯が広がる。この場合、式（５）に示す関係に基づいて、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが周波数の変化に対して不規則に変化する。これにより、ひとつひとつの比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となる周波数帯は、ｌ₁＝ｌ₂の場合よりも狭くなることがあっても、その条件を満たす周波数帯を合算すると、ｌ₁≠ｌ₂である場合の方がその条件を満たす周波数帯が広くなる、ということである。このようになるのは、比音響インピーダンス比ζ＝０の完全共鳴だけでなく、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となって共鳴現象とみなせる現象を生じさせることで、音響構造体１が、吸音効果及び散乱効果を発揮するからこその効果ということもできる。また、この場合であっても、Ｓ_p＞Ｓ_oという条件をみなせば、ｕ₀＞ｕ₁＋ｕ₂という、粒子速度の増大の効果が得られる。

［変形例１０］
また、音響構造体１を成す中空部材１０−１〜１０−１０の両端を開口端として、中空部材１０の相互間で連成振動を生じさせるようにしてもよい。この場合、開口端から放射される音波は、開口端を回折してエネルギーを放射する。そのエネルギーの一部は相互に隣接する中空部材１０の開口端を介してから中空領域に入射する。このようにして連成振動を生じさせると、複数の中空部材１０間でエネルギーの授受が行なわれる。この連成振動の際に、中空部材１０の内壁面での摩擦が生じたり、開口端での気体分子間の粘性作用が生じるので、音響エネルギーを消費し、さらに吸音効果を高めることができる。

［変形例１１］
上述した実施形態又は変形例に係る音響構造体は、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、各種輸送機器の空間、スピーカや楽器などの筐体等である。

１，１ｂ…音響構造体、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ…中空部材、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１２，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１６ｂ，１６ｄ，１７ｂ…共鳴体、１１１，１２１…境界面、１１２，１２２…端部、１３，１３ａ，１３ｄ…中間層、１４，１４ａ，１４ｃ，１４ｃ、１４ｄ，１４ｅ，１４１ｂ，１４２ｂ，１４３ｂ…開口部、１５１ａ，１５１ｂ…隔壁、２，２ｄ…反射面、２０，２０ａ，２０ｄ，２０ｅ…中空領域。

Claims (9)

1. 内部に一方向に延在する中空領域が形成され、前記中空領域を外部空間に連通させる開口部と、前記外部空間に面しており、当該開口部に隣接する反射面とを有する中空部材を備え、
   前記中空領域において、前記開口部に連なる近傍の空間領域が中間層となり、前記中空領域の一端から前記中間層までの間が共鳴体として構成され、
   前記中間層は、
   前記外部空間から前記中空部材の開口部及び反射面に音波が入射して、当該音波に応じた反射波を前記反射面が放射するときに、前記共鳴体の共鳴により生じる反射波であって前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射させ、且つそのときの前記開口部の比音響インピーダンスを、当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部をほぼ０とするように構成されている
   ことを特徴とする音響構造体。
2. 前記中間層は、
   前記外部空間から前記中空部材の開口部及び反射面に音波が入射して、当該音波に応じた反射波を前記反射面が放射するときに、前記開口部の比音響インピーダンスを、当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満となるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響構造体。
3. 前記中空部材において、前記中空領域の一端から前記中間層までの間が第１の共鳴体として構成され、前記中空領域の他端から前記中間層までの間が第２の共鳴体として構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響構造体。
4. 前記中空領域には１の前記共鳴体が構成されており、
   前記中間層は、前記共鳴体との境界面以外の面が前記中空部材の内側の面に隣接するか、又は前記開口部に隣接するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響構造体。
5. 前記中間層は、前記共鳴体が共鳴するときに音圧が一様に分布するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響構造体。
6. 前記共鳴体と前記中間層との境界面の面積は、前記開口部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音響構造体。
7. 前記中空領域が延在する方向と交わる方向に配列された複数の前記中空部材を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の音響構造体。
8. 複数の前記中空部材の前記中空領域の一端から前記中間層までの長さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項７に記載の音響構造体。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の音響構造体を備えることを特徴とする音響室。

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