JP5541753B2 - 吸音特性構造物 - Google Patents
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Description
図5は現在のタイヤノイズの発生を示す図で、タイヤと路面との接触によって直接発生するものばかりでなく、ホイルハウスに反射して外部に出るものがある。一方、ホイルハウス側からすれば、タイヤノイズのみではなく、エンジンノイズ及び排気ノイズの一部を反射し、車外騒音の発生源となっている。
また、タイヤが跳ね上げた小石等の衝突、及び水溜まり走行時の泥水等の飛散、衝突等からフェンダーを保護するフェンダーライナには、合成樹脂の成形板を用いているのが一般的である。しかし、合成樹脂の成形板は吸音性能が低く、共鳴を起こすため遮音性能が低いことから、エンジンノイズ及びロードノイズが十分に低減されない。また、合成樹脂の成形板は、小石等の衝突及び泥水等の飛散、衝突等の衝撃を、人に聞こえ易い周波数域の音に変えるため、合成樹脂を用いたフェンダーライナは防音性能が低い。このため、フェンダーライナのフェンダー側となる表面のうちの所定箇所に、不織布等からなる吸音材を貼着し、防音性能を向上させたフェンダーライナも知られている。
そこで、特許文献2では、自動車の走行時にタイヤが跳ね上げた小石、土砂等の衝突音及び水溜まり走行時の泥水等の飛散、衝突によるスプラッシュノイズ等を緩和することができ、十分な剛性を有するため前輪側のフェンダーに取付けたときでも風圧に耐え、かつ、付着した水が凍って着氷したときでも氷が剥離し易いフェンダーライナを提供している。
また、特許文献2は、自動車の走行時にタイヤが跳ね上げた小石、土砂等の衝突音、及び水溜まり走行時の泥水等の飛散、衝突によるスプラッシュノイズなどを緩和することができ、風圧に耐えるフェンダーライナを提供しているが、ホイルハウス内での吸音を不織布材で対応するものであるから、このフェンダーライナは車内へのチッピングノイズ、ロードノイズの低減が主な目的であり、車外騒音に対する効果は期待できない。
そして、特許文献3は、複数の開口部を持つ板状体と、その板状体上に配置される薄膜からなる複合膜吸音材と、その複合膜吸音材に配置される多孔質吸音材とを有する吸音構造体とし、前記薄膜は厚みが2〜50μmであり、弾性率が1×106〜5×109Paとしたものであるから、実施する場合には、板状体面に形成する薄膜、当該薄膜に形成する複合膜吸音材の接合が必要となり、それらを張り合わせる多層構造の接着工程が必要となり、生産性が良くなかった。
ここで、表層の表面の一部に形成された微細孔と、前記微細孔と連通する連通路と、前記微細孔が形成された前記表層より深い内部の前記多孔質層に形成され、前記連通路と連通し、その容積を前記表層に形成された微細孔及び前記連通路の容積よりも大きな容積を有する多孔質層の音響空孔とは、前記表層の表面の一部に形成された微細孔の形成する容積と前記微細孔と連通する連通路との容積の和と多孔質層の音響空孔の容積との個々の比較において、個々の音響空孔の容積が大であることを特定するものである。なお、多孔質層に音響空孔が形成されるため、音響空孔の容積は一定ではなくランダムに複数種類有している。なお、ここでは前記微細孔及び前記連通路の容積を各々問うものではなく、両者が一体として存在すればそれで足りるものである。この意味で、表層は表面が存在するものであれば、その厚みは殆どゼロに近くてもよく、前記連通路の長さもゼロに近くても良い。この場合、ゼロに近い前記連通路の長さとは、前記微細孔と前記音響空孔との接触面にできた微小空間を意味する。
また、上記表層の表面の一部に形成された微細孔と、上記表面から内部に形成された前記表面の微細孔より大きなランダムな音響空孔は、単一の合成樹脂の発泡体で形成することもできるし、特定の板材の表面に穿設された微細孔に対して、前記表面の微細孔より大きなランダムな音響空孔の合成樹脂層を重ね合わせて形成することでもできる。そして、所定の微細孔を有するフィルムまたは薄い金属板を前記大きな音響空孔の層に重ね合わせることによっても構成できる。何れにせよ、本発明の吸音特性構造物の内部に多孔質の音響空孔が形成され、前記微細孔と前記内部音響空孔が一部で連通し、その微細孔より大きな音響空孔の構造であればよい。
そして、前記表層の微細孔並びに前記多孔質層は発泡させることが可能な合成樹脂が使用でき、合成樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。また、合成樹脂を発砲させる発泡剤としては有機発泡剤、無機発泡剤、マイクロカプセル、水和無機フィラー等の通常使用される発泡剤が使用できる。
更に、上記吸音特性及び/または遮音特性を持たせた表層の微細孔並びに前記多孔質層の前記連通路及び前記音響空孔の構造とは、例えば、前記表層の微細孔並びに前記多孔質層の前記連通路及び前記音響空孔によってヘルムホルツ共鳴体を、前記表層の微細孔並びに前記音響空孔によって膜共振体を、そして、前記多孔質層の前記音響空孔によって多孔質弾性体による空気振動と弾性体の相互作用によって生じる振動減衰体を形成することができる。
加えて、表層の表面の一部に形成された微細孔と多孔質層に形成された音響空孔は、各々前記表層または前記多孔質層に形成されたものであるが、前記微細孔及び前記音響空孔と連通する連通路は、前記表層及び/または前記多孔質層の何れに形成しても機能する。
ここで、可聴周波数領域の少なくとも1,000Hzを含む周波数帯域の吸音性能とは、人の可聴周波数20〜20,000Hzの範囲内で1,000Hz付近の周波数が特に人の聴覚に敏感であるから、その1,000Hzを含む周波数帯域の吸音性能を設定していることを意味する。
したがって、前記表面の一部に形成された微細孔から前記連通路を流通する表層部の空気の流体抵抗値を高め、これに続く音響空孔を流通する空気の流体抵抗値を弱めることができ、振動によって発生した音の伝播を吸音特性構造物の内部に取り入れて減衰させる吸音メカニズムが形成できる。また、大きな容積を持った音響空孔の中で、前記微細孔及び前記連通路に連通しないで、直接表層に接している部分では、振動によって発生した音が伝播すると前記表層が共鳴振動することで、伝播した音の振動が吸収される。これによっても音の伝播が減衰する。そして、音響空孔は多孔質層になっていることから伝播した音がこの多孔質層を移動する際に多孔質層が共振し、この共振によっても音は減衰する。更に、多孔質層の音響空孔は複数でランダムな容積を有している。故に、幅広い周波数域の吸音(遮音)が可能となり高い吸音特性を持たせることができる。そして、前記表面から内部に向かう空気の流体抵抗値を強め、前記表面から内部の空気の流体抵抗値を弱め、前記表面から内部への空気の流体抵抗を弱める構造としたものであるから、音響空孔に取り込んだ騒音は反射させることなく減衰させることができる。
よって、振動によって発生する音(騒音)を吸収または干渉(共鳴)して、周囲に対する騒音の拡散を抑制することができる吸音特性構造物となる。
14 音響空孔
16 連結孔
20 表層
20A 表面
21 微細孔
22 連通路
30 ベース
なお、本実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は、同一または相当する部分及び機能を意味するものであるから、ここでは重複する説明を省略する。
まず、図1を用いて本発明の吸音特性構造物を実施するための基本原理について模式図を使って説明する。
図1(a)において、多孔質層10は、複数のランダムな容積を有する音響空孔14を有している。ここでは説明上、音響空孔14を円柱状の大孔11、中孔12、小孔13として説明する。
音響空孔14がある多孔質層10の外側には多孔質層10に接して表層20が存在し、表層20には、その表面20Aに微細孔21が設けてある。この微細孔21は円形に限定にされるのではないが、説明上円形としている。この微細孔21の径は、複数でランダムな容積を有する音響空孔14の径よりも小さい。即ち、ランダムな微細孔21の算術平均した平均径は、ランダムな音響空孔14の算術平均した平均径よりも小さいことを意味する。
振動によって発生した音(騒音)が空気を伝って吸音特性構造体1に伝播すると、音の一部は図1(b)に示したように微細孔21の空気を振動させる。このとき微細孔21及び連通路22の径が音響空孔14の径より小さく、更に、微細孔21及び連通路22の容積が音響空孔14の容積より小さくなっている。つまり、音響空孔14内への通気は、音響空孔14に比べ通気しづらい(流れ抵抗値が高い)微細孔21及び連通路22を通過することになる。この通気しづらい微細孔21に音が伝播すると、微細孔21及び連通路22の空間と音響空孔14内の空間との相互作用によって共鳴が起こり、これによって伝播した音のうち、共鳴が起こった特定の周波数が減衰する(吸音、遮音される)。
更に、吸音特性構造体1に伝播した残りの音は、図1(c)に示したように、音響空孔14に接した表層20を共振させる。この共振によっても伝播した音の特定の周波数は減衰する(吸音、遮音される)。
このとき、微細孔21等の空間による共鳴による吸音と、表層20の共鳴による吸音の音を吸収する周波数が異なり、また、多孔質層10で吸音される周波数も異なる。したがって、騒音中に含まれる音の周波数のうち幅広い範囲の周波数を吸収し、効率の良い吸音特性が得られる。
なお、表層20の表面20Aに形成された微細孔21と多孔質層10に形成された音響空孔14は、図1では表層20または多孔質層10に形成したものであるが、本発明を実施する場合、微細孔21及び音響空孔14と連通する連通路22は、表層20及び/または多孔質層10の何れに形成してもよい。
次に、図2及び図3を用いて本発明の実施の形態1における吸音特性構造物1について説明する。
本発明の形態1における吸音特性構造物1は、合成樹脂を主成分とし、これに発泡剤を含有させた組成物を加熱・発泡させることで得られる。これが発泡性合成樹脂組成物である。更に詳細に説明すると、合成樹脂としてブロックウレタン樹脂にイソシアネートを用いた1液ウレタン樹脂に発泡剤を配し、必要により界面活性剤等の添加剤や炭酸カルシュウム等の充填材を添加して混合させた組成物を作製する。したがって、発泡性合成樹脂組成物は液状材料である。作製した組成物を、騒音を抑制したい部位(被塗物)、例えば、自動車のホイルハウスを構成するフェンダーライナ等に塗装ロボット等の塗装装置を用いて塗布する。その後、加熱処理を行うことで1液ウレタン樹脂の硬化が進行するとともに、組成物中に含有させた発泡剤が熱分解して発泡ガスを発生させ、最終的に図2に示した表面状態と図3に示した断面を有するウレタン樹脂の発泡構造物(吸音特性構造物1)が出来上がる。そして、ウレタン樹脂の発泡体であるため吸音特性構造物1の内部は弾性を有した多孔質層となっている。
なお、本実施の形態では外部からの加熱によって発泡剤の分解(発泡)を行っているが、2液ウレタン等の反応によって発熱を生じる合成樹脂を使用する合成樹脂を使用するときは、この反応熱によって発泡剤を発泡させることもできる。
図4から分かるように、本実施形態の実施品は従来品のフェルトに比べて薄膜でも吸音特性が優れていることが確認できる。
また、厚みが5mmでも800Hz以上の人の可聴領域でフェルト以上の吸音特性を示し、フェルトの13mmより厚みが10mmと薄いが1000Hz以上で格段の吸音効果を示している。ここで5000Hz以上ではフェルトの吸音率が良くなっているが、エンジンノイズやロードノイズ等の車内音、車外音の中心ノイズからは外れていおり、人間の聞き取りやすい周波数の特性からは、離れる傾向にあるから、実施品5t(厚み5mm)及び実施品10t(厚み10mm)の特性が優れていることが明確である。
殊に、PTFEの冷却の際に、表面が最初に固まり、内部は、特に、ベース30側はベース30自体に熱を蓄熱しており、徐々に固化されるから内部にも空洞、即ち、音響空孔14が形成される。音響空孔14は自然に形成されるので、場所によっては、大孔11、中孔12、小孔13、・・・等の微細孔21の径よりも大きくなる。
このとき、多孔質層10の上層である微細孔21の多孔質層10の表面20Aに形成された微細孔21と、微細孔21と連通する連通路22と、微細孔21が形成された表面20Aより深い内部に形成され、連通路22と連通し、その容積を表面20Aに形成された微細孔21及び微細孔21の容積よりも大きく形成したランダムな大きさの音響空孔14とによって構成している。
殊に、PTFEの冷却の際に、表面が最初に固まり、内部は、特に、ベース30側はベース30自体に熱を蓄熱しており、徐々に固化されるから内部にも空洞、即ち、音響空孔14が形成される。音響空孔14は自然に形成されるので、場所によっては、大孔11、中孔12、小孔13、・・・等の微細孔21の径よりも大きくなる。
このとき、多孔質層10の上層である微細孔21の多孔質層10の表面20Aに形成された微細孔21と、微細孔21と連通する連通路22と、微細孔21が形成された表面20Aより深い内部に形成され、連通路22と連通し、その容積を表面20Aに形成された微細孔21及び微細孔21の容積よりも大きく形成したランダムな大きさの音響空孔14とによって構成している。
特に、PTFEのように音響空孔14が網で形成されると、ヘルムホルツ共鳴体の音響空孔14内部の網片を機械的に振動させ、音声を熱エネルギとして消費するから効率のよい吸音部材となる。
更に、架橋性樹脂においても同様に形成することができる。
上記実施の形態1及び本実施の形態2と同様、本実施の形態3は、多孔質層10と表層20を単一の材料で形成したものである。
架橋性樹脂とは、特に、加熱時にガスを封じ、連通構造を形成できる粘度特性を持つ液状樹脂で、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、液状ゴムを主剤とするものであればよい。例えば、ブロックウレタン樹脂のイソシアネート類において吸音効果の高い内部セルを形成するためには、TDI(トリレンジイソシアネート)またはMDI(ジフェニルメタンジイソシアネート)が好ましく、よりTDIが好ましい。
また、ブロックウレタン樹脂の分子量は、発泡ガスを効率よく内包させるためには、重量平均分子量Mw(Molecular weight)1,000〜30,000が好ましく、10,000〜20,000がより好ましい。分子量が1,000を下回ると、硬化時にガスを閉じ込めることができず、30,000を上回ると吸音効果の高い構造体が得られない。添加量は5〜90%重量部、より好ましくは10〜50%重量部である。
また、ADCA(アゾジカルボンアミド)、OBSH(オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド)等の有機分解型発泡剤、炭酸水素ナトリウム等の無機発泡剤を単独または併用で用いることができる。OBSHの場合、ウレタン樹脂に対する重量比3%〜30%が好ましく、5%〜20%がより好ましい。必要に応じて発泡助剤を添加するとよい。例えば、尿素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸バリウム、二塩基性亜燐酸塩、酸化鉛等の金属塩、ジメチルジチオカルバミン酸などの加硫促進剤、ステアリン酸やオレイン酸等の長鎖アルキル酸、ジエタノールアミンやジシクロヘキシルアミン等の有機アミンを対発泡剤量比で10〜100%の添加量となる。
以上、本発明の実施の形態の吸音特性構造物1は、表面20Aに形成された微細孔21を有する表層20と、微細孔21に連通する連通路24と、表層20よりも深い内部に形成され、微細孔21及び連通路24の容積よりも大きな容積を有する多孔質層10の音響空孔14とを具備し、音響空孔14の一部が連通路24を通じて微細孔21に連通し、表層20の微細孔21並びに連通路24及び音響空孔14によって吸音特性及び/または遮音特性を持たせた吸音特性構造物1を発泡性合成樹脂組成物で形成したものである。
以上のように、本発明を上記実施の態様に則して説明したが、本発明は上記態様にのみ限定されるものではなく、本発明の原理に準ずる各種態様を含むものである。
Claims (3)
- 表面の一部に形成された微細孔を有する表層と、前記微細孔に連通する連通路と、前記表層よりも深い内部に形成され、前記微細孔及び前記連通路の容積よりも大きな容積を有する多孔質層の音響空孔とを吸音特性及び/または遮音特性を持たせたい部位に具有した吸音特性構造物であって、
前記音響空孔の一部が前記連通路を通じて前記微細孔に連通し、前記表層の微細孔並びに前記連通路及び前記音響空孔によって、並びに、音響空孔に接した表層によって、吸音特性及び/または遮音特性を持たせる発泡性合成樹脂組成物を、前記吸音特性及び/または遮音特性を持たせる部位に塗布し、発泡させて形成してなることを特徴とする吸音特性構造物。 - 前記表層の前記微細孔並びに前記連通路及び前記音響空孔による吸音特性及び/または遮音特性が、前記微細孔の表面空孔面積率を0.1〜10%とすることで前記微細孔から前記音響空孔へ連通する空間共鳴と、前記表層及びその微細孔並びに前記音響空孔による膜共振により人の可聴周波数領域の少なくとも1000Hzを含む周波数帯域の吸音特性を持たせたことを特徴とする請求項1に記載の吸音特性構造物。
- 前記表層の密度を、前記多孔質層の密度より高くしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の吸音特性構造物。
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