JP5509150B2 - 音響管及び音響特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸音試験材の吸音率や音響インピーダンスを測定する際に用いる音響管と、この音響管を備えた音響特性測定装置に関する。

図６に示すように、音響特性測定装置に備えられる音響管１００は、管本体１０１の一端部に吸音試験材Ｗを保持する保持部１０２が設けられていると共に、管本体１０１の他端部に、前記保持部１０２に保持される吸音試験材Ｗへ向けて音波を発生する音源部１０３が設けられている。また、保持部１０２と音源部１０３との間の管壁（周方向の壁部）に、管軸方向に並んで２個以上のマイクロフォン１０４（コンデンサマイクロフォン）が設けられている（非特許文献１参照）。

音響特性測定装置は、音響管１００の保持部１０２に吸音試験材Ｗを保持させた状態で、音源部１０３により平面波である音波を発生させ、各マイクロフォン１０４で採取される音圧から２点間の複素音圧伝達関数を求め、この複素音圧伝達関数を用いて吸音試験材Ｗの吸音率や音響インピーダンスの計算を行うようにする。
なお、音響管の管中央部に遮音試験材を保持させ、且つ遮音試験材と音源部との間の管壁にもマイクロフォンを設ける構成として、吸音試験材の吸音率だけではなく、遮音試験材の遮音率を同時又は選択的に測定できるようにした音響特性測定装置も提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−５４９８８号公報

ＪＩＳ Ａ １４０５−２：２００７ 「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」

従来から用いられている音響管を利用した音響特性測定装置によって測定できる最大（上限）周波数は、５ｋＨｚ（最高でも６．４ｋＨｚ）までであった。なぜなら、最大周波数を高く設定しようとすれば、音響管の管径を細くし、しかも２箇所以上設けるマイクロフォンの設置間隔も狭くする必要がある。例えば、最大周波数を１０ｋＨｚ以上に設定する場合を想定すると、音響管の管径（内径）は１９ｍｍ未満としなければならず、またマイクロフォン間隔（中心間距離）は１５ｍｍ未満としなければならない。

しかし、このように管径の細い音響管の管壁に対し、しかも狭い間隔でマイクロフォンを保持させることは困難を伴う。その結果、５ｋＨｚを超えるような高周波数域での吸音率やインピーダンスは測定することができなかったのが実情である。勿論、特許文献１で開示された音響特性測定装置でも、このような高周波数域の測定を可能とするものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、５ｋＨｚを超えるような高周波数域での吸音率や音響インピーダンス測定を行えるようにした音響管及び音響特性測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明は、管本体の一端部に吸音試験材を保持する保持部が設けられていると共に管本体の他端部に前記保持部に保持される吸音試験材へ向けて音波を発生する音源部が設けられ、且つ前記保持部と音源部との間の管壁に管軸方向に並んで２個以上の集音部が設けられた音響管において、前記集音部は、前記管本体の管壁を貫通する通孔と、この通孔の管壁外面側の開口周部を拡径するように設けられた凹部と、この凹部に埋め込まれたＭＥＭＳマイクロフォンとを有しており、前記管本体の管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォンとの間を連通する通孔の長さが、当該通孔内で前記音源部から発せられる音波の共鳴を起こす長さよりも短くなるように設定されていることを特徴とする。

具体的には、前記管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォンとの間を連通する通孔の長さが、次式を満たすＬ_bよりも短い寸法とされたものとするのがよい。
ｆ＝ｃ／４Ｌ_b
但し、ｆ：音源部から発せられる音波の最大周波数
ｃ：音速
すなわち、管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォンとの間を連通する通孔の長さをＬとおくとき、
Ｌ＜Ｌ_b
の関係が得られるようにする。

このような構成の音響管を備えることにより、吸音率及び／又は音響インピーダンスが測定可能な音響特性測定装置を構成することができる。

本発明に係る音響管及び音響特性測定装置では、５ｋＨｚを超えるような高周波数域での吸音率やインピーダンス測定を行うことができる。

本発明に係る音響管を備えた音響特性測定装置の装置構成図である。 音響管の集音部を示した拡大断面図である。 （ａ）は吸音試験材を剛壁とした場合の音響インピーダンスの実数部を示したグラフであり、（ｂ）は吸音試験材を剛壁とした場合の音響インピーダンスの虚数部を示したグラフである。 （ａ）は吸音試験材をフエルト材とした場合の音響インピーダンスの実数部を示したグラフであり、（ｂ）は吸音試験材をフエルト材とした場合の音響インピーダンスの虚数部を示したグラフである。 本発明に係る音響管（変形例）を備えた音響特性測定装置の装置構成図である。 （ａ）は従来の音響管を示した側断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る音響特性測定装置３を示したものである。
音響特性測定装置３は、本発明に係る音響管１と、この音響管１から得られたデータ（音圧データ）の分析を行う演算部２とを有する。
音響管１は、管本体５の一端部に吸音試験材Ｗを保持する保持部６が設けられている。また、管本体５の他端部には、保持部６に保持される吸音試験材Ｗへ向けて音波を発生する音源部７が設けられている。保持部６と音源部７との間の管壁に、管軸方向に並んで２個以上（図例では２個）の集音部８が設けられている。

管本体５は、金属やプラスチックなどで形成されるか又は管壁内面が気密性を確保するために被覆処理されたストレート管（直管）であって、保持部６は、吸音試験材Ｗを周隙間無く嵌め入れて、振動を生じさせない状態に保持できるように管本体５の管端で開口する構造となっている。
音響管１（管本体５）の内径ｄは、５ｋＨｚを超えるような高周波数域での吸音率や音響インピーダンスの測定を可能にするため、８ｍｍ≦ｄ≦１９ｍｍの範囲で形成されている。また、集音部８はマイクロフォンを設置する部分であるが、５ｋＨｚを超えるような高周波数域での吸音率やインピーダンスの測定を可能にするという同じ理由から、この集音部８の相互間隔（マイクロフォンの中心間距離）Ｓは、７ｍｍ≦Ｓ≦１５ｍｍの範囲としてある。

なお、音源部７は、言うまでもなく５ｋＨｚを超えるような高周波数域（例えば１０ｋＨｚ）の音波を発生可能とされたものである。この音源部７は、前記したように管本体５が細く形成されていることに伴い、スピーカ１０を管本体５の外部に配置させてあり、このスピーカ１０に連結させたホース１１を介して、スピーカ１０からの音波を管本体５内へ導かせるようにしてある。

図２に示すように、集音部８は、管本体５の管壁を貫通する通孔１５と、この通孔１５の管壁外面側の開口周部を拡径するように設けられた凹部１６と、この凹部１６に埋め込まれたＭＥＭＳマイクロフォン１７とを有している。
ＭＥＭＳマイクロフォン１７は、一辺が約４ｍｍ、厚さが約１ｍｍの角片状の小型マイクロフォンであって、管本体５の管内へ向けられる面の中央部に、内蔵するダイヤフラム部へ音圧を導くための小孔１８が設けられている。ＭＥＭＳマイクロフォン１７は、半導体製造技術の応用により製造される微小マイクロフォンであり、小型で耐熱性に優れた微小電気機械素子である。

このようなＭＥＭＳマイクロフォン１７の埋め込みを可能にするように、凹部１６の開口形状（円形又は角形）や開口寸法ｂが設定されており、またＭＥＭＳマイクロフォン１７の小孔１８と合致するように、凹部１６の中央部に通孔１５が配置されるようになっている。また、この凹部１６の深さは、管本体５の管壁厚さと通孔１５の長さＬ（管本体５の管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォン１７との間の距離）とによって支配されるものであり、この通孔１５の長さＬは、後述のように設定する。

なお、ＪＩＳ Ａ １４０５−２によれば、マイクロフォンは音響管の管壁内面と同じ高さとなるように取り付けるものとされている。しかし、本出願人は、管本体５の管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォン１７との間に通孔１５を設けても、通孔１５の長さを、通孔１５内で音波の共鳴が起こる長さよりも短くなるように設定しておけば、ＭＥＭＳマイクロフォン１７による音圧の測定値に悪影響が出ないことを知見し、本願発明に想到するに至っている。

すなわち、通孔１５内で音波の共鳴が起こるときの通孔１５の長さをＬ_bとおいたとき、この長さＬ_bにより決定される最大周波数ｆは、次式のように示すことができる。

ｆ＝ｃ／４Ｌ_b (1)
但し、ｆ：音源部から発せられる音波の最大周波数
ｃ：音速

従って、実際に採用する通孔１５の長さＬは、式(１)で算出されるＬ_bよりも短い寸法（Ｌ＜Ｌ_b）とすればよいことになる。

Ｌ＜Ｌ_bとする代わりに、式(１)のｆを、実際に測定しようとする上限周波数より高い周波数に設定してもよい。例えば、上限周波数を１０ｋＨｚとする場合には、最大周波数ｆを２０ｋＨｚなどとおいてＬ_bを求め、このＬ_bに基づいて通孔１５の長さＬを決定するようにするとよい。
なお、ＭＥＭＳマイクロフォン１７を管本体５の管壁内面と同じ高さになるように取り付けたと仮定すると（即ち、Ｌ＝０）、凹部１６の内周面とＭＥＭＳマイクロフォン１７の外周部との周隙間を完全に密封することが困難となることから、この周隙間を介した音漏れが起こるおそれがある。このような音漏れが起こると正確な測定ができないため、この点で、通孔１５を設けること（即ち、通孔１５の長さＬを所定長さ以上にすること）は必要と言える。

具体例として、前記のように最大周波数ｆを２０ｋＨｚとおく場合は、Ｌ_bが４ｍｍより少し長い程度となる。そこで、長さＬの上限を４ｍｍとする。また、ＪＩＳ Ａ １４０５−２において音響管の管壁厚さは、音響信号による振動を生じず、且つ振動共振を生じないことの条件として管外径Ｄ（ｍｍ）の５％が推奨されている。そこで、長さＬ（ｍｍ）の下限も、音響管１（管本体５）の管外径Ｄの５％を採用するものとした。すなわち、通孔１５の長さＬは、次式、
０．０５Ｄ≦Ｌ≦４ｍｍ
で設定するものとした。

図３は、本発明に係る音響管１の第２実施形態と、この音響管１に対して演算部２が接続されて成る音響特性測定装置３を示している。
演算部２はＦＦＴ分析器などで構成されており、音響管１のマイクロフォンからの信号が入力される。演算部２では、ＪＩＳ Ａ 1４０５−２に規定された手法などに基づき、吸音試験材Ｗの吸音率や音響インピーダンスを算出可能となっている。なお、演算部２は、パソコンで構成することも可能であり、その場合、Ａ／Ｄ変換ボードとＦＦＴ分析ソフトが必要となる。

以下、本発明に係る音響管１を用いて、ＪＩＳ Ａ １４０５−２に基づき、吸音試験材Ｗの音響インピーダンスを測定した実施例を示す。
使用した音響管は、長さ１５８ｍｍ、内径１６ｍｍ、マイクロフォン中心間距離１５ｍｍ、通孔１５の長さ３．５ｍｍである。
図３は、吸音試験材Ｗを「深さ１０ｍｍの剛壁」とした場合であり、音響インピーダンスを１０ｋＨｚまで測定した結果を示している。

この図３においては、伝達マトリックス法による理論値を実線で示し、本発明に係る音響管１を用いて１０ｋＨｚまでの音響インピーダンスを測定した結果を一点鎖線で示し、従来の５ｋＨｚ用音響管（内径３３ｍｍ）を用いて５ｋＨｚまでの音響インピーダンスを測定した結果を破線で示している。また、記号Ｚは音響インピーダンスであり、ρｃは空気の特性インピーダンス（４０８ｋｇ／ｍ²ｓｅｃ）である。

図３から明らかなように、本発明に係る音響管１では、１０ｋＨｚまでの周波数域において理論値と略一致していることが判る。これは音響管１を細くすると共にＭＥＭＳマイクロフォン１７の相互間隔を狭くし、そのうえで管本体５の管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォン１７との間に設ける通孔１５を共鳴の起こらない長さＬとしていることにより、５ｋＨｚ以上の高周波数域であっても、音響管１の管軸方向のみに平面波を発生できているためと考察される。

これに対し、従来の５ｋＨｚ用音響管では、５ｋＨｚまでは理論値と略一致しているものの、５ｋＨｚを超えると理論値と全く合わなくなっていることが判る。これは５ｋＨｚ用音響管の内径が３３ｍｍであるために、５ｋＨｚを超えた高周波数域では平面波が成立しておらず、またマイクロフォン間隔が長い設定のままであることが原因しているからと考察される。

図４は、吸音試験材Ｗを厚み１２ｍｍのフェルト材として、図３と同じ音響管１を用い同条件で音響インピーダンスを１０ｋＨｚまで測定した結果を示している。
図４において、本発明に係る音響管１を用いて１０ｋＨｚまでの音響インピーダンスを測定した結果を実線で示し、従来の５ｋＨｚ用音響管（内径３３ｍｍ）を用いて５ｋＨｚまでの音響インピーダンスを測定した結果を破線で示す。

図４から明らかなように、本発明に係る音響管１では、５ｋＨｚまでの周波数域で従来の音響管とほぼ一致する結果が得られているうえ、５ｋＨｚを超える高周波数域でも、音響インピーダンスを正しく測定できていることが確認できる。
なお、測定下限周波数は、ＪＩＳ Ａ 1４０５−２と同じくマイクロフォン間隔と分析システムの精度に依存する。一般的な指針として、マイクロフォン間隔は波長の５％を上回る必要があり、通常の場合、測定下限周波数は測定上限周波数×０．１程度である。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、音響管１において、管本体５は円形管であることに限定されず角形管としてもよい。
また、図５に示されるように、音響管１は、管本体５に対して吸音試験材Ｗを保持する保持部６の背後を延長させて延長管部２０を形成し、この延長管部２０に可動式のピストン２１を設けた構成としてもよい。このピストン２１を管本体５の管軸方向に沿って位置変更させることで、保持部６に保持させる吸音試験材Ｗの「背後空気層長さ」を変更することができ、これによって試験条件を変えられる利点がある。

１ 音響管
２ 演算部
３ 音響特性測定装置
５ 管本体
６ 保持部
７ 音源部
８ 集音部
１０ スピーカ
１１ ホース
１５ 通孔
１６ 凹部
１７ ＭＥＭＳマイクロフォン
１８ 小孔
２０ 延長管部
２１ ピストン
１００ 音響管
１０１ 管本体
１０２ 保持部
１０３ 音源部
１０４ マイクロフォン
Ｗ 吸音試験材

Claims (3)

1. 管本体の一端部に吸音試験材を保持する保持部が設けられていると共に管本体の他端部に前記保持部に保持される吸音試験材へ向けて音波を発生する音源部が設けられ、且つ前記保持部と音源部との間の管壁に管軸方向に並んで２個以上の集音部が設けられた音響管において、
   前記集音部は、前記管本体の管壁を貫通する通孔と、この通孔の管壁外面側の開口周部を拡径するように設けられた凹部と、この凹部に埋め込まれたＭＥＭＳマイクロフォンとを有しており、
   前記管本体の管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォンとの間を連通する通孔の長さが、当該通孔内で前記音源部から発せられる音波の共鳴を起こす長さよりも短くなるように設定されている
   ことを特徴とする音響管。
2. 前記管壁内面とＭＥＭＳマイクロフォンとの間を連通する通孔の長さが、次式を満たすＬ_bよりも短い寸法とされていることを特徴とする請求項１に記載の音響管。
   
   ｆ＝ｃ／４Ｌ_b
   但し、ｆ：音源部から発せられる音波の最大周波数
   ｃ：音速
   
3. 請求項１又は２に記載された音響管を備えることを特徴とする音響特性測定装置。