JP5597913B2

JP5597913B2 - 吸音構造体

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Publication number: JP5597913B2
Application number: JP2008196493A
Authority: JP
Inventors: 廉人棚瀬
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP2010031582A

Description

本発明は、音を吸収する吸音構造体に関する。

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）吸音構造体がある（特許文献１）。この種の吸音構造体においては、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ρ₀[ｋｇ／ｍ³]、音速をｃ₀[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振動体が弾性を有して弾性振動をする場合には、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（ρ₀ｃ₀ 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依存する。このため、振動体以外の部材（筐体）は、弾性変形等を起こさない強度を有することが望ましい。特に、筐体のうち振動体と平行する底板が弾性振動してしまうと、この振動が空気層を介して振動体に伝わってしまい当該振動体の弾性変形に影響を及ぼしてしまう。よって、底板の強度を確保することは、吸音構造体における吸音特性を維持する上で大事な課題となる。

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、特に筐体の底部の強度を高めた吸音構造体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、前記筐体の底部には、リブを設け、前記リブは、前記底部から前記開口部に向けて延び、前記空気層を複数の空間に分割するように形成され、前記リブと前記振動体との間に隙間が形成され、前記複数の空間が前記隙間を介して連通することを特徴とする。

本発明によれば、吸音構造体（板・膜振動型）において、底部にリブを形成することにより、当該吸音構造体の吸音条件を変更することなく底部の強度を高めると共に、筐体自体の軽量化を図ることが可能となる。

＜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らせている。
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と、を具備する。

筐体２０は、矩形状で浅底の有底筒状に合成樹脂（例えば、ＡＢＳ樹脂）で形成され、底板２１、側壁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、側壁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、板状ではなく膜状であってもよく、要は、振動体３０は、力を加えると変形し、弾性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の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２および図３に示すように、筐体２０の底板２１に格子状のリブ２５が形成されている。
リブ２５は、底板２１から開口部２３に向けて立設された複数の板体２６を格子状に組み合わせることによって配置されたものである。このリブ２５は、底板２１に強度を持たせると共に、リブ２５の板体２６で仕切られた空間が空気層４０を分割するセル４１となる。リブ２５と振動体３０との間には振動体３０が振動した際に、リブ２５に当たるのを防止するために隙間４２が形成されており、各セル４１は、この隙間４２を介して連通される。

＜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音されることになる。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の音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、リブ２５を形成していない吸音構造体の特性線Ａ（実線）、リブ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、底体２１に格子状のリブ２５を形成し、このリブ２５によって空気層４０が複数個のセル４１に分割される。リブ２５は、板体２６によって振動体３０に向かって開口する矩形状の細管を底板２１に並べたような形状となる。このため、振動体３０の弾性振動によって発生する空気は、各セル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の振動体に直交する方向の厚さは実質的には厚くなる（増大する）ことになり、リブ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
各セル４１は、その壁面に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、管壁面に相当する板体２６での吸音による吸音特性も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
各セル４１は、振動体３０から発生する振動による空気の流れを、振動体３０に略直交する方向に整流するため、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、各セル４１がない場合では、振動体３０に並行する方向にも流れるが、各セル４１がある場合では、振動体３０に略直交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ことを防止する。

一方、吸音構造体１０は、底板２１から立設した板体２６から格子状のリブ２５を形成しているから、リブ２５が形成されていない場合に比べて、底板２１の強度（曲げ剛性）を高めることができる。この結果、リブ２５が形成されていない場合に比べて、底板２１の厚さを薄くすることができ、ひいては当該吸音構造体１０の軽量化を図ることができる。

＜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、リブ２５を板体２６によって格子状に形成する場合を例示したが、本発明はこれに限らず、種々のリブ形状とすることが可能である。
図５は、リブ２５Ａを底板２１から斜めにスリット状に形成した板体２６Ａを吸音構造体の横断面図を示している。板体２６Ａ間には、空気層４０をスリット状に分割するセル４１Ａが形成される。図６は、図５中の矢視VI−VI方向から見た縦断面図である。リブ２５Ａは底板２１から斜めに立設した板体２６Ａによって形成される。これにより、スリットの長さを、実施形態に比べて長く確保する。

図７は、リブ２５Ｂを底板２１からハニカム状に形成した板体２６Ｂを吸音構造体の横断面図を示している。板体２６Ｂ間には、空気層４０を六角形状に分割するセル４１Ｂが形成される。ハニカム状のリブ２５Ｂは、格子状のリブ２５に比べて、高さ方向の強度が高くなると共に、整流作用を高めることができる。

図８は、径寸法の異なった複数の筒体２６Ｃ，２６Ｃ，・・・を同心円状に配置したリブ２５Ｃが形成された吸音構造体の横断面図を示している。筒体２６Ｃ間には、空気層４０を環状に分割するセル４１Ｃが形成される。
また、同心円状のリブ２５Ｃを構成する筒体の形状は、図９（ａ）に示す筒体２６Ｃ１のように鉛直方向に延びる筒体であっても、図９（ｂ）に示す筒体２６Ｃ２のように截頭円錐形状（頂上を平に切った円錐形）筒体であっても、図９（ｃ）に示す筒体２６Ｃ３のように外側から内側に配置された筒体の高さを順次低く形成した筒体であってもよい。
図９（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。

図１０は、格子状に配置した各板体２６Ｄの間隔が、振動体３０の中央部に対向した位置が大きく、外側に広がるに従って小さくなるように形成したリブ２５Ｄが形成された吸音構造体の横断面図を示している。板体２６Ｄの間には、空気層４０を分割するセル４１Ｄが形成され、その容積が振動体３０の中央部に対向した位置が大きく、外側に広がるに従って小さくなる。
このように、セル４１Ｄの容積を振動体３０の位置に応じて異ならせることにより、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できる。

なお、図９（ｃ）では、截頭円錐形状の筒体２６Ｃ３を、振動体３０の中央部に向かうに従ってその高さが低くなる場合を図示したが、図３に示す格子状の板体２６において、振動体３０の中央部に向かうに従って、その対向する板体２６の高さを低くなるように形成しても、図６に示すスリット状の板体２６Ａにおいて、振動体３０の中央部に向かうに従って、その対向する板体２６Ａの高さを低くなるように形成しても、図７に示すハニカム状の板体２６Ｂにおいて、振動体３０の中央部に向かうに従って、その対向する板体２６Ｂの高さを低くなるように形成しても、図９（ａ）のような鉛直方向に延びる筒体２６Ｃ１に対して、その高さを変えるようにしても、図１１に示す板体２６Ｄにおいて、振動体３０の中央部に向かうに従って、その対向する板体２６Ｄの高さを低くなるように形成してもよい。

＜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。

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音する吸音構造として適していることも検証した。

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。

＜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。
また、振動体３０に対して振動条件を変更するための集中質量を、振動体３０の中央部に設けるようにしてもよい。

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形成されている。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１２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／ｍ²]、（２）７９９[ｇ／ｍ²]、（３）１１９９[ｇ／ｍ²]、（４）１５９８[ｇ／ｍ²]、（５）２２９７[ｇ／ｍ²]とし、周縁部材の面密度を７９９[ｇ／ｍ²]とし、振動体３０の平均密度を、（１）７８３[ｇ／ｍ²]、（２）７９９[ｇ／ｍ²]、（３）８１５[ｇ／ｍ²]、（４）８３１[ｇ／ｍ²]、（５）８６３[ｇ／ｍ²]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、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、板体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。

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）による吸音構造体の横断面図である。図５の矢視VI−VI方向から見た縦断面図である。変形例（１）による吸音構造体の他の構成を示す横断面図である。変形例（１）による吸音構造体の他の構成を示す横断面図である。図８に示す吸音構造体に対応した縦断面図である。変形例（１）による吸音構造体の別の構成を示す横断面図である。図１０の矢視XI−XI方向から見た縦断面図である。変形例（３）による特性を示す特性線図である。

符号の説明

１０・・・吸音構造体、２０・・・筐体、２１・・・底板、２２・・・側壁、２３・・・開口部、２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ・・・リブ、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｄ・・・板体、２６Ｃ・・・筒体、３０・・・振動体、４０・・・空気層、４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ・・・セル

Claims

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、
前記筐体の底部には、リブを設け、
前記リブは、前記底部から前記開口部に向けて延び、前記空気層を複数の空間に分割するように形成され、
前記リブと前記振動体との間に隙間が形成され、前記複数の空間が前記隙間を介して連通する
ことを特徴とする吸音構造体。