JP5507132B2

JP5507132B2 - 超低周波音発生装置

Info

Publication number: JP5507132B2
Application number: JP2009158203A
Authority: JP
Inventors: 哲也土肥; 治郎加来; 景一郎岩永
Original assignee: 一般財団法人小林理学研究所
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011015237A

Description

本発明は、超低周波音を人工的に発生するための装置に関し、特に、電源がない屋外において低周波音による実験等を行うのに好適な超低周波音発生装置に関する。

山岳トンネルの工事で発生する発破音、ダムの放流による轟音、超音速で飛行する航空機から発生するソニックブーム、大型トレーラーが橋を渡るときの振動等には超低周波音成分が含まれているため、家屋の建具をガタつかせたり人間に対して圧迫感を与えたりするなどの環境問題を引き起こすことがある。

超低周波音が人体や建造物等に与える影響については依然として未解明な部分が多い。これらの影響を解明するためには人工的に類似した低周波音を発生する装置が必要であるが、特に２０Ｈｚ以下の超低周波音については人工的に発生することが難しかった。これまでに、密閉された空間内という制限された条件であれば、２０Ｈｚ以下の超低周波音を大音圧で発生できる装置が開発されている。しかし、このような室内に置いた装置で低周波音を発生させる実験では、音が屋外から伝搬してくるという実際の条件と異なるため、確からしいデータを集めることは困難であった。

上記の密閉された空間内における超低周波音の発生装置としては、たとえば特許文献１の「建具試験用低周波音源」に記載されるような、サーボ機構を備えた油圧アクチュエータによって振動板を駆動させる方式が知られている。この方式によれば、２０Ｈｚ以下の超低周波音を大音圧で発生することが可能である。しかし、屋内での密閉空間の特性を生かして大音圧の低周波音を発生させる方式であるため屋外での使用を前提にしていない。よって屋外で使用しようとした場合、油圧アクチュエータを駆動させるための電源の無い屋外では発動発電機で油圧コンプレッサーを稼動させる必要があり、このコンプレッサーが発する低周波音がノイズとなる。また、コンプレッサーの振動や振動板の駆動を原因とする振動を抑えるために強固な土台で固定する必要があり、装置を簡単に移動させることができなくなる。

超低周波音を発生するための他の手段として、通常音の発生に使用されているスピーカーを使用することも考えられるが、スピーカーは２０Ｈｚ以下の放射効率が悪い上に低周波領域では非常に大きな電源パワーを必要とするため屋外での使用には向いていない。以上の事情から、屋外で大音圧の超低周波音を発生することができる新しい装置が求められていた。

特開２００４−１４７０５１号公報

特許文献１に開示される「建具試験用低周波音源」は、上述の通り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。本発明は、屋外での使用を前提とした可搬型で、超低周波音を大音圧で効率よく安定して発生でき、かつ低周波ノイズを発生するおそれのある発電機等を動かすことなく実験を実施することができる超低周波音発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の超低周波音発生装置は圧縮空気によって駆動する振動板を備えたことを特徴とする。好ましくは、相対する２つの面にそれぞれ振動板を配置し、この２つの振動板を逆位相で駆動する形態とすることにより装置自身の振動を防止することができる。

上記超低周波音発生装置は、少なくとも振動板と、この振動板を駆動させるための空圧サーボアクチュエータと、このアクチュエータに圧縮空気を供給するためのエアータンクを備えていることが望ましい。また、動作時にエアーコンプレッサーを切り離すことで、屋外で使用するのに好適な可搬型とすることができる。

本発明の装置によれば、圧縮空気によって駆動する振動板によって超低周波音を発生させるため、圧縮空気さえ用意できれば屋外であっても超低周波音発生による建具のガタつき具合等を実験することができる。また、２つの振動板を逆位相で駆動する形体の装置とすれば、装置自身の振動を防止して安定した超低周波音を発生することができる。

本発明の装置を、振動板と、この振動板を駆動させるための空圧サーボアクチュエータと、このアクチュエータに圧縮空気を供給するためのエアータンクを備えた形体とすることにより、実験中に圧縮空気を発生させる必要がなく、発動機等によるノイズ振動を防止することができ、安定した超低周波音を発生することができる。

本発明の装置は、装置自身の振動や発動機等によるノイズ振動を防止することができるため、強固な土台を着けたり地面に固定したりする必要がない。したがって屋外に持ち出すことも、また、実験中に頻繁に移動させることも容易であり可搬型実験装置として使用することができる。

本発明の超低周波音発生装置の一例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図。本発明の超低周波音発生装置の駆動システムの一例を示すブロック・ダイヤグラム。表１記載の超低周波音発生装置に係る（ａ）１０Ｈｚの正弦波を発生させたときの振動板の変位、（ｂ）装置から４ｍ離れた位置で測定した音圧の時間変化を示す図。表１記載の超低周波音発生装置から４ｍの距離で測定した１０Ｈｚの放射音の周波数分析結果を示す図。表１記載の超低周波音発生装置から放射された低周波音の距離減衰特性の一例である、５Ｈｚの放射音についての測定結果を示す図。実施例の装置と家屋の位置関係、および家屋内外における超低周波音の測定位置を示す概略図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は実施例の屋外実験の結果を示す波形図。

以下に本発明の実施の形態を図によって詳細に説明する。図１において、超低周波音発生装置１は振動板２、空圧サーボアクチュエータ３および後述のエアータンク９を備えている。

そして、アクチュエータ３はその中心部を貫通するエアーシリンダー４によって振動板２と結合されている。ここで、振動板２の数は１枚以上あれば良く、複数枚の場合は実用的な枚数の範囲であれば上限はない。

ただし、図１に示すように２枚の振動板２，２を２台のアクチュエータ３，３を用いて互いに逆位相で振動させると、呼吸球に近い振動形態を実現でき、またアクチュエータ３，３にかかる反力を相殺することができる。このため、装置を固定したり土台を据え付けたりする等の配慮をしなくても安定した使用が可能となる。

アクチュエータ３を４枚、６枚等、複数枚使用して相対するアクチュエータ３を逆位相とすれば上記２枚使用の場合と同様の効果を得ることができる。また、呼吸球スピーカーの外見と同様の正五角形の振動板２を複数枚組み合わせて球形とすることによってもアクチュエータ３にかかる反力を相殺することができる。

振動板２の形状および材質については、超低周波音発生実験の規模や環境条件によって適宜変更可能であるが、例えば一片が約１ｍの立方体型発生装置とするのであれば、向かい合う２面に１ｍ×１ｍのアルミニウム製ハニカム振動板２，２をそれぞれ設置する。振動板２，２の作動を妨げないよう、振動板２，２の端縁部にはゴム等のフレキシブルな材質で形成したサラウンド５を取り付けておくと良い。

本発明の係る空圧サーボアクチュエータ３は、電磁エアーバルブとエアーシリンダー４が一体化されたものであり、電磁エアーバルブによりエアーシリンダー４が作動し振動板２を振動させることができる。また、側面に付設されたダクト６は装置１内部に発生する圧力変位を緩和させるためのものであり、例えば直径６０ｃｍで１５ｍ^３以上の容積を付加することのできるダクト６を設ければ±７０ｍｍの最大変位に対応することができる。

次に、図２を用いて本発明の装置１による超低周波音発生の手順を説明する。超低周波音発生装置１は電源がない屋外での使用を想定している。このため、実験場に持って行く前に、あらかじめ発電機７とエアーコンプレッサー８を用いてエアータンク９内に圧縮空気を溜めておく。こうすることにより屋外実験場では発電機を動かす必要がないため電源を確保する必要がなく、また発電機によるノイズ低周波音発生の心配もなくなる。

実験場の所定位置に本装置１を置き実験を開始する。まず、エアータンク９内の圧縮空気を空圧サーボアクチュエータ３に送る。そのためには、ノート型ＰＣ等から制御信号（電圧信号）をアクチュエータ３の電磁エアーバルブに送り、バルブに接続されているエアーシリンダー４を動かす。なお、電磁エアーバルブを駆動させるためのバッテリーは別途用意しておく。

上記手順で制御信号に従ってエアーシリンダー４に接続されている振動板２が駆動し超低周波音が発生する。振動板２およびシリンダー４が制御信号通りに動いているかどうかをチェックするため時々刻々、変位計１０を使って計測し制御信号にフィードバックさせると良い。

表１に、低周波音発生装置１の基本仕様の例を示す。

また図３に、表１に基づいた装置１を使用した場合の、（ａ）１０Ｈｚの正弦波を発生させたときの振動板２の変位と、（ｂ）装置１から４ｍはなれた位置で測定した音圧の時間変化を示す。

音圧の計測には、低周波音レベル計（ＲＩＯＮＸＮ−１Ｇ：周波数特定１〜５００Ｈｚ）を使用した。（ａ）の振動板２の変位と（ｂ）の音圧波形に関して解析すると、いずれも正弦波とみなせる波形が示されており、変位フィードバックを用いた空圧サーボシステムによって振動板２を適正に制御できていることが分かる。

図４は、表１に基づいた装置１を使用した場合の、装置から４ｍの距離で測定した１０Ｈｚの放射音の周波数分析結果を示したものである。本図によれば、１０Ｈｚ（超低周波音）以外の高周波成分も観測されているが、１０Ｈｚ成分に比べて２０ｄＢ以上レベルが低く、建具試験等においては測定結果に対して有意な影響を及ぼすことはないものと判断できる。

図５に、装置１から放射された低周波音の距離減衰特性の一例として、５Ｈｚの放射音についての測定結果を示す。装置１の近傍では減衰が緩やかになっているが、装置から３〜４ｍ離れた以降は、２倍の距離当たりにして６ｄＢの、点音源としての減衰特性が示されている。無風条件下で、屋外環境における２０Ｈｚ以下の超低周波音成分の暗騒音は６０〜６５ｄＢであるため、この装置１から放射した試験音は、建具試験に使用するに好適であることはもちろん、さらに数百ｍ遠方までの伝搬実験にも使用できるとものと推察される。

（実施例）
本発明の超低周波音発生装置１（表１に基づく装置）を使用し、簡易家屋を対象とした屋外実験を実施した。

〔概要〕
本発明の超低周波音発生装置１を用いて屋外実験を行い、現場試験用の音源としての実用性を検証した。この種の試験のために製作した簡易家屋１１から３ｍはなれた位置に装置１を設置し、家屋１１に超低周波音を入射させて家屋１１の応答を調査した。図６に、装置１と家屋１１の位置関係、および家屋内外における超低周波音の測定位置を示す。

試験に用いた簡易家屋１１は広さが２ｍ×４ｍ、高さ２ｍの木造で、前面に１．８ｍ×１．８ｍの掃出窓（アルミサッシ、ガラス厚５ｍｍ）１２が取り付けられている。この窓１２に対して低周波音が４５度方向から入射するように装置１を配置した。音圧の計測は窓ガラスの前面１３（窓面から１５ｃｍ離れ）と家屋内中央１４の２点で行った。なお、窓のガタつきの発生状況を確認するために、アルミサッシと窓ガラスの振動をそれぞれ小型振動ピックアップとレーザー変位計で計測した。

〔試験結果〕
図７（ａ）には、５Ｈｚの純音を試験音とし、振動板２の変位を徐々に増大させていき、窓ガラスのガタつき音が聞こえ始めた時の振動板２の変位を示す。また、（ｂ）および（ｃ）には、ガラス前面１３および家屋内中央１４の音圧波形をそれぞれ示す。さらに、（ｄ）には、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を、（ｅ）には、ガラス中央の変位をレーザー変位計で計測した結果を示す。

図７（ｂ）、（ｃ）について家屋内中央１４と窓ガラス前面１３の音圧波形を比較すると、図から明らかなように、屋内１４では屋外１３に比べて圧力が小さくなるだけでなく波形も変化しており、５Ｈｚという超低周波音に対しても明確な家屋存在の影響を認めることができる。

次に、窓のガタつきの具合を眺めてみると、窓ガラスの変位（ｅ）は入射音の音圧波形に対応していること、また、サッシの加速度波形（ｄ）に見られる鋭いパルスに対応してガタつきが発生していることから、この窓は入射音の正圧時（窓ガラスを外から内側に押すとき）にガタつきが発生しやすいことが分かる。なお、ガタつきが始まる時の窓ガラス前面１３の音圧レベル、すなわちガタつきの閾値は９５ｄＢであった。

本発明の装置１は、ＰＣ等からの制御信号（電圧信号）を使用してエアーシリンダー４の動きを自在に変動させることができるため、周波数や試験音の発生レベルを自由にコントロールすることができ、しかも本実施例で使用した装置１では入射音圧レベルも最大で１１０ｄｂまでの大音圧を発生させることができた。

以上の結果から、本発明の装置１を使用すれば、比較的ガタつきにくいとされるアルミサッシや、その他の様々な建具について周波数別のガタつき閾値を比較的容易に調査することが可能となるものと推察される。特に、本装置１は可搬型として使えるため、例えば建具のガタつきが問題になっている実際の家屋でガタつき閾値を求め、このガタつきを発生させない低減目標値を把握する等の実験が可能となる。

また、本発明者らが開発して既に特許出願したインパルス音源（特願２００８−２６３５５８号公報参照）を併用すれば、低周波音領域における家屋の遮音性能やガタつきの発生における定常音と衝撃音の違いについても検討することが可能となる。

本発明の超低周波音発生装置は、スピーカーなどでは再生できなかった５〜２０Ｈｚの超低周波音を発生することができる持ち運び可能な装置であるため、これまで実施できなかった実際の低周波音暴露条件に近い自由空間で建具等の対象物に超低周波音を入射することができ、より実態に即した建具等のガタつき閾値を調べることが可能となった。また、本装置は建具だけでなく、トンネル発破音や砲撃音などの任意の衝撃性超低周波音の再生が可能となる。

１…超低周波音発生装置、２…振動板、３…空圧サーボアクチュエータ、４…エアーシリンダー、５…サラウンド、６…ダクト、７…発電機、８…エアーコンプレッサー、９…エアータンク、１０…変位計、１１…簡易家屋、１２…掃出窓、１３…窓ガラス前面、１４…家屋内中央。

Claims

ボックス状をなす音発生装置の相対する２つの面にそれぞれ圧縮空気によって駆動する振動板を配置し、前記２つの面とは異なる面に音発生装置内に圧力変位を緩和させるダクト等が接続され、逆位相となるように音発生装置内に配置された空圧サーボアクチュエータにて前記２つの振動板が駆動されることを特徴とする超低周波音発生装置。
屋外で使用可能な可搬型であることを特徴とする請求項１に記載の超低周波音発生装置。