JP5866751B2 - 音響共鳴体及び音響室 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、共鳴体の寸法を増大させないで、音圧を低減させるとともに媒質粒子の運動速度を増大させる効果を、低周波数帯域において高めることである。
本発明の請求項5に係る音響室は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の音響共鳴体を備えることを特徴とする。
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、音響共鳴体10を示す図である。
音響共鳴体10の外観は、一方(図中左側)の端部で開口しており、他方(図中右側)の端部で閉じた管状を成している。音響共鳴体10の構成は、管状部材11と、抵抗材12とに大別される。管状部材11は、本発明の筐体の一例であり、材料として例えば金属やプラスチックを用いて円筒状に形成されている。管状部材11は、いわゆる一端開口の管状部材であり、ここでは1方向に延在している。抵抗材12は、円柱の両底面の中心付近を貫通するようにして、円柱状の空洞が開けられた形状の部材である。抵抗材12は、管状部材11の開口する端部付近において、円柱の外周面に相当する面が管状部材11の内側の面と接するように設けられている。抵抗材12は、材料として多孔質材の一例であるウレタンフォームを用いて形成され、気体粒子(ここでは、空気分子)の運動に対して抵抗となって、その気体粒子の運動を阻害する部材である。抵抗材12が配置される領域は、抵抗材12が配置されないときに比べて、気体粒子の運動に対する抵抗が増大する。また、この抵抗の抵抗値を定量的に表す物理量として、媒質の特性インピーダンスがある。
なお、管状部材11の中空領域113の直径は、例えば一次元音場の場合、直径方向にたつ定在波の波長の2分の1よりも小さい。すなわち、中空領域113は、中心軸xに沿って延在するとともに、その延在方向が長手方向となる領域である。これにより、管状部材11単体である場合、中空領域113に進む音波は、中心軸xに沿った方向に進む平面波のみとみなすことができる。よって、中空領域113において、中心軸xに沿った方向に対する位置が同じ領域、すなわち中心軸xに直交する断面に含まれる領域では、実質的に音圧が一様に分布する。
このように、高抵抗領域T1は、中空領域113の延在方向に対する一端である、抵抗材12の第1の面121と、中空領域113の延在方向に対する他端である、抵抗材12の第2の面122とを有している。第1の面121は、中空領域113の延在方向を向き、かつ、管状部材11の外部の空間に接する面である。第2の面122は、中空領域113の延在方向を向き、かつ、ここでは空間領域である低抵抗領域T2に接する面である。
なお、ここでは、第1の面121及び第2の面122の法線方向が中空領域113の延在方向にそれぞれ一致するが、それらが互いに交わっていてもよい。
なお、抵抗材12が設けられ、中空領域113における抵抗が高い領域は、本発明の第2の領域の一例であり、抵抗材12が設けられておらず、抵抗が低い領域は本発明の第1の領域の一例である。
以上が、音響共鳴体10の構成の説明である。
図4は、抵抗材12が設けられていない管状部材11(すなわち、管状部材11単体)を、中心軸xを含む平面で切断した場合の断面を表す図である。図4に示す二点鎖線は、管状部材11内において発生し得る定在波のうち、最も低い周波数(つまり、1次の共鳴周波数)の定在波SW1に関して、粒子速度分布(振幅の分布)を表している。
図4に示すように、管状部材11の中空領域113には、閉口端112での粒子速度がゼロとなる境界条件を満たすようにして定在波が生じる。つまり、定在波SW1にあっては、閉口端112の位置に粒子速度分布の「節」があり、粒子速度が極小となる。一方、開口端111の位置に粒子速度分布の「腹」があり、粒子速度が極大となる。なお、管状部材11が抵抗成分を有し、閉口端112が完全反射面でない場合には、この「腹」及び「節」の位置はそれぞれずれることがあるが、概ね図示の位置に存在する。また、開口端補正については、この明細書では無視する。
はじめに、この測定の前提となる事項について説明する。まず、各種類の音響共鳴体について、管状部材11の構成を同一のものとする。管状部材11の寸法は、計算上の共鳴周波数が223Hzとなるように、L=380mmとした。粒子速度の測定については、図5に示すように、開口端111の中心となる位置(中心軸x上の位置)に粒子速度検出センサを設け、10〜500Hzの周波数の音波を開口端111に入射して、その位置での粒子速度を周波数ごとに測定した。損失係数gについては、粒子速度の測定結果を用いて、半値幅法の演算により算出した。具体的には、損失係数gは、粒子速度のピーク値よりも3dB低い周波数f1,f2をそれぞれ特定し、f1−f2の値を共鳴周波数f0の値で除した値である。損失係数gは、粒子速度のピーク値付近における周波数特性の鋭さを表す指標となる値であり、その値が小さいほど鋭い特性を示す。
図6のグラフにおいて、横軸は周波数[Hz]を表し、縦軸は開口端111に入射する音波の音圧で基準化した粒子速度[m/s/Pa]を表している。図7は、これら各種類の音響共鳴体について1次の共鳴周波数f0及び損失係数gを表したグラフである。図7のグラフにおいて、横軸は共鳴体の種類を表し、縦軸は1次の共鳴周波数f0[Hz]、及び損失係数gをそれぞれ表している。なお、共鳴周波数f0については、黒丸のプロット及び実線で図示しており、損失係数gについては白丸のプロット及び実線で図示している。図6には、図4に示す管状部材11単体である音響共鳴体の測定結果と、図1に示す音響共鳴体10の測定結果と、図8に示す音響共鳴体の測定結果を表している。図8は、中心軸xに直交する方向から開口端111を見た様子、及び中心軸xに直交する平面で管状部材11を切断した場合の断面をそれぞれ表す図である。ここでは、図8に示すように、開口端111を全部塞ぐようにして、l0=30mmとなる円柱状のウレタンフォームを管状部材11に設けた。この音響共鳴体を、便宜上、「音響共鳴体300」と称する。図7においては、「音響共鳴体300(l0=30mm)」と付した測定結果に対応する。なお、図7において「音響共鳴体300(l0=10mm)」と示した測定結果は、音響共鳴体300において、l0=10mmとした場合の測定結果を表す。音響共鳴体10については、l0=30mmとした場合の測定結果を表す。
以上の結果から、音響共鳴体10の構成によると、管状部材11単体の場合よりも、共鳴周波数とその周波数幅に関して、音圧の低減及び粒子速度の増大の効果を増大させることができることが分かった。
図9に示すように、抵抗材12の長さl0が大きいほど、共鳴周波数がより低周波数側にシフトしていることが分かる。例えば、l0=0mmであるとき(つまり、抵抗材12が設けられていないとき)には共鳴周波数はほぼ175Hzであるが、l0=262mmとすると、およそ90Hzまで低下した。損失係数gにあっては、抵抗材12の長さl0が大きいほど、損失係数gが増大する傾向を示す。例えば、管状部材11単体であるl0=0のときには0.02であるが、l0=262mmとしたときには、およそ0.3である。このような結果から、抵抗材12の長さl0が大きいほど、共鳴周波数の低周波数側へのシフト量が増大するとともに、損失係数が増大することが確認できた。
上述のように、管状部材11単体の場合には、中心軸xに沿った方向に平面波が伝搬するとみなすことができるから、中心軸xに直交する方向に対しては、音圧が一様に分布するとみなすことができる。これに対し、音響共鳴体10のように、中空領域113に抵抗材12を設けた場合には、この現象に変化が生じる。図10に示すように、中空領域113には高抵抗領域T1と低抵抗領域T2とが含まれるが、開口端111側から閉口端112の方向に進む音波において、高抵抗領域T1を進む音波は、低抵抗領域T2を進む音波よりも、気体粒子の運動が妨げられる分だけその伝搬速度が小さくなる。この高抵抗領域T1と低抵抗領域T2との音波の伝搬速度の差異により、各領域を進む音波の波面に位相差が生じる。この位相差が生じると、中心軸xに直交する平面での高抵抗領域T1と低抵抗領域T2との境界における波面が不連続となるから、この位相面の異なりを解消しようとする気体分子の流れが新たに発生する。この気体分子の流れにより、例えば図10に矢印で示す方向に音波のエネルギーの流れが生じて、各音波の相互干渉によって音響エネルギーの損失が生じると考えられる。以上の理由から、高抵抗領域T1と低抵抗領域T2とは、中心軸xに直交する平面と平行な方向に気体の移動があるような隣接関係にあるとよいと考えられる。
図11に示すグラフから、中空領域113において開口端111から遠ざかり、管位置の値が大きい位置であるほど、音圧が高くなる傾向にあることが分かる。この測定結果からも、音響共鳴体10で共鳴するときに、中空領域113の延在方向に対する位置に応じて共鳴周波数の音圧が変化する領域が、その中空領域113に含まれることが明らかである。このような音圧の変化は、上述したように管状部材11単体でなる共鳴体で生じることが知られているから、音響共鳴体10においても、これと同様の作用により中空領域113に対する位置に応じて共鳴周波数の音圧が変化すると考えられる。
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。
[変形例1]
上述した実施形態において、中空領域113の抵抗材12が設けられる断面において高抵抗領域T1が低抵抗領域T2の周囲を囲むようにして、管状部材11の内周面に沿って高抵抗領域T1が構成されるようにしていた。これに対し、実施形態で説明した音響現象の作用によると、中心軸xに直交する平面で切断した場合の断面であって抵抗材12が設けられた断面において、高抵抗領域T1及び低抵抗領域T2の両方が構成されており、且つそれらが互いに隣接していれば、同質の音響現象が生じて、音圧を低減させるとともに、粒子速度を増大させる効果を奏する。よって、音響共鳴体の構成を以下のようにしてもよい。
図12に示すように、管状部材11の内周面以外の領域に抵抗材12を設ける構成としてもよい。図12(a)の左側の図は、開口端111側から音響共鳴体を見たときの様子を表している。図12(a)に示す音響共鳴体は、音響共鳴体10の高抵抗領域T1と低抵抗領域T2とを入れ替えた構成と同等である。すなわち、中空領域113の延在方向に直交する平面で切断した場合の断面において、高抵抗領域T1の周囲が低抵抗領域T2によって囲まれるように、抵抗材12が設けられている。このとき、抵抗材12は、共鳴現象の妨げとならないように、固定具などを用いて管状部材11によって支持されるとよい。なお、抵抗材12の固定に係る構成については、管状部材11によって支持する構成に限らず、例えば、音響共鳴体が設置される設置される場所付近の壁部などで支持してもよく、図12(a)に示す位置に抵抗材12が配置されていればよい。
なお、管状部材11が延在する中空領域を有している場合、その延在方向はその方向に直交する断面の中心どうしを結ぶ中心線に沿った方向である。よって、中空領域113が湾曲していれば、中心線上の各位置における延在方向は、曲線である中心線の接線方向に等しい。また、このように、管状部材11を曲げた構成とする場合、中空領域113の断面の面積がほぼ一定であり、かつ、入射波と反射波との音波の伝搬距離の差(行路差)が問題とならない範囲とすることが好ましい。
上述した実施形態において、開口端111の形状、及び管状部材11の中心軸xに沿った方向に直交する断面は円形であったが、これ以外の形状であってもよい。図15は、音響共鳴体を開口端側から見た様子を表す図である。図15(a)の各構成において、それぞれの管状部材11に対する抵抗材12の配置の態様は同じである。
例えば、図15(a)に示すように、開口端が正方形(長方形)に構成された管状部材11を用いてもよい。この構成においても、変形例1で説明したような、高抵抗領域T1、及び低抵抗領域T2の位置関係を採用することができる。ここでは、低抵抗領域T2が正方形(長方形)となるように抵抗材12を設けているが、管状部材11の中空領域の断面形状と、低抵抗領域T2や高抵抗領域T1の断面形状とがそれぞれ相違していてもよい。また、図15(b)に示すように、管状部材11を底面が六角形となる柱状に構成し、その形状に併せて高抵抗領域T1及び低抵抗領域T2が構成されてもよい。このとき、図15(b)に示すように、各音響共鳴体を積み重ねることが可能である。
以上説明した各部材の断面形状は一例に過ぎず、更に多くの頂点を有する多角形など、どのような形状であってもよい。また、抵抗材12の形状においても、管状部材11の内周面に合わせた形状に限らず、円筒形や角筒形のほか、ハニカム状や格子状などであってもよい。また、1つの音響共鳴体において、管状部材11に対する抵抗材12の配置の態様が、管状部材11ごとに異なっていてもよい。
また、中心軸x方向に対する各位置で音響共鳴体を切断したときに、管状部材11の形状や寸法が各位置で同じである構成に限らず、互いに相違する構成であってもよい。また、管状部材11に相当する音響共鳴体の筐体の形状は、管状に限らず、角筒形などの別の他の形状であってもよい。このように、本発明の筐体に相当するのものはいわゆる音響管に適用可能な部材であればよく、要するに、一方向に延在する中空領域と、その中空領域を外部空間に通じさせる開口端とが構成されたものであればよい。
上述した実施形態においては、管状部材11によって音響共鳴体10の筐体が構成されていたが、複数の筐体の組み合わせにより音響共鳴体の中空領域が構成されてもよい。その一例を図16に示す。図16は、この変形例の音響共鳴体を開口端側から見た様子を表す図である。この音響共鳴体は、紙面垂直方向に延びる筐体11aと、その筐体の内側に設けられた抵抗材12とにより構成された共鳴部材100を複数組み合わせてなる。図16に示すように、筐体11aは、その延在方向に沿って一方向(図中右側)に開放する側方を有しており、ここでは開口端側から見た形状が「コ」字状となっている。なお、共鳴部材100をそれぞれ区別する場合には、図中最も左側の部材を共鳴部材100−1とし、右側に向かって、共鳴部材100−2、・・・、100−n(n;自然数)とする。抵抗材12は、部材部分を開口端側から見た形状が「コ」字状となる形状であり、部材部分の内側の領域(ここでは、空間)は、その側方(図中右側)にて開放している。抵抗材12は、各筐体11aの内側の面に設けられ、部材部分の内側の領域が筐体11aと同じ方向に開放するように設けられている。また、筐体11aには、その開放側に取付部114aが設けられている。筐体11aの2つの取付部114aどうしの間に、別の筐体11aにおける開放側と反対側の側方が嵌め込まれるようにして、複数の共鳴部材100が連結される。図16の例では、共鳴部材100−1と100−2とが結合されることにより、抵抗材12の部材部分の内側の領域の開放側が塞がれる。これにより、紙面垂直方向に延在する中空領域113aが構成されて、音響共鳴体が構成される。なお、この結合がなされたときには、手動ないし自動で両者が容易に離脱しないようにされることが好ましい。また、ここでも、中空領域113aの一端側で開口し、他端側で閉口するように筐体11aは構成されている。
なお、上記構成において、筐体11aの開口端側から見た形状を「コ」字状にする以外に、例えば「U」字状にしてもよく、その形状については様々に変形可能である。また、筐体が、複数方向に開放した側方を有し、これら各方向に筐体を連結していくことによって音響共鳴体を構成してもよい。
共鳴管を用いた共鳴体において、或る程度広い周波数帯域で共鳴による作用効果を奏するようにするために、共鳴周波数がそれぞれ異なる複数の共鳴体を並べて配置することがある。この場合、従来においては、共鳴周波数に応じた複数の管長を設定してこれら管長の異なる複数の管を一体にするなどしていた。これに対し、本発明の音響共鳴体によれば、例えば図17に示す構成でこれと同等の音圧低減、及び粒子速度の増大の効果を奏するようにすることができる。
図17は、この変形例の音響共鳴体を示す断面図である。図17に示すように、ここでは5本の同一の管長を有する音響共鳴体が開口端111及び閉口端112の位置がそれぞれ隣接するように、一列に配置されて、音響共鳴体が構成されている。抵抗材12については、音響共鳴体ごとにそれぞれの中空領域の延在方向に対する長さが異なっている。図17の例では、音響共鳴体10b−1〜10b−5の順で長くなっている。これを図6の測定結果に照らし合わせると、管状部材11の構成は同一であるが、図中上から下へと順に次第に共鳴周波数が低くなるので、より広い周波数帯域で音圧の低減、及び粒子速度の増大の効果を奏することができる。このようにすれば、抵抗材12の構成(例えば、中空領域113の延在方向に対する長さ)で共鳴周波数を異ならせることができ、共鳴周波数に応じて管状部材11を作り分ける必要がないため、製造コストや製造の容易性の観点から好適である。また、管長に相違がないため、意匠的な観点からも好適である。また、音響共鳴体の共鳴周波数を変更したい場合などにおいても、抵抗材12を取り替えればよいだけである。
上述した実施形態では、開口端111の領域を含む位置に抵抗材12を設けていたが、これ以外の構成にすることもできる。実施形態では、開口端111に1次の共鳴周波数の定在波の粒子速度分布の腹が位置するという理由からも、開口端111に抵抗材を設けていた。これに対し、倍音ではこの「腹」の場所が異なることがある。例えば、図18(a)に示すように、2次の共鳴周波数の場合、定在波の粒子速度分布の腹は、開口端111の位置と、開口端111からL×2/3の位置とにある。よって、2次の共鳴周波数を低周波数側にシフトさせたい場合には、開口端111、及び開口端111からL×2/3の位置にある粒子速度分布の腹の位置に、抵抗材12を設けるとよい。図18(b)に示すように、3次の共鳴周波数の場合、定在波の粒子速度分布の腹は、開口端111の位置と、開口端111からL×2/5の位置と、開口端111からL×4/5の位置とにある。よって、3次の共鳴周波数を低周波数側にシフトさせたい場合には、管状部材11の開口端111、及び開口端111からL×2/5、及びL×4/5の位置にある粒子速度分布の腹の位置に、抵抗材12を設けるとよい。どのような倍音であっても、粒子速度分布の腹の位置に、抵抗材12を設けることで、その共鳴周波数を基準としてそれを低周波数側へよりシフトさせやすくすることができると考えられる。
なお、粒子速度分布の腹となる場所以外に抵抗材12を設けてもよい。粒子速度が大きいほど、上記音響現象が顕著になり、共鳴周波数のシフトや損失係数の増大の点において好適であると考えられるが、それ以外の場所であっても、同質の音響現象の発現に寄与する。
上述した実施形態では、本発明の筐体が、いわゆる一端開口の管状部材である場合について説明したが、いわゆる両端開口の管状部材であってもよい。この場合、管状部材にあっては、両端部が開かれた開端構成(いわゆる、開管)である。両端開口の管状部材の1次の共鳴周波数は、中空領域の両端間の長さの2倍の波長に相当するから、一端開口の管状部材よりも同じ周波数の共鳴周波数を実現するための寸法が大きくなってしまう。しかしながら、抵抗材12の作用により、実施形態の場合と同質の音響現象が発現するであるので、共鳴周波数を低周波数側へシフトさせつつ、損失係数を増大させることができる。
上述した実施形態において、低抵抗領域T2は、抵抗材に相当する部材が設けられて
いない空間(空洞)であったが、抵抗材などの部材で充填する構成を妨げるものではない。少なくとも、低抵抗領域T2における気体粒子の運動に対する抵抗が高抵抗領域T1における抵抗よりも小さければ、上述した実施形態の構成の場合と同質の音響現象が生じると考えられるからである。また、高抵抗領域T1は、1種類の材料からなる領域に限定されない。例えば高抵抗領域T1は、複数の抵抗材によって構成されてもよい。この場合、低抵抗領域T2に隣接する位置から遠くなるに従って、次第に抵抗が高くなる構成を採用することができる。また、高抵抗領域T1は、各位置で段階的、或いは連続的に抵抗が変化する領域であり、この領域が1種類の材料からなる抵抗材により実現されてもよい。
本発明において、粒子速度分布の腹となる領域(つまり、粒子速度が極大となる領域)の抵抗を相対的に大きくすることが好適であるが、この腹となる領域については、周知の粒子速度検出センサを用いて直接測定するほかに、以下のように特定してもよい。例えば、マイクロホンを用いて音響共鳴体10内の各場所で音圧を測定し、測定した音圧から間接的に粒子速度を特定してもよい。例えば、平面進行波において音圧を粒子速度で除して媒質の特性インピーダンスが求まることが知られているから、音圧と特性インピーダンス(抵抗値)とが既知であれば、粒子速度を一意に特定することができる。また、図18からも分かるように、音響管が一端開口であるか両端開口であるかという条件と管長とに基づいて演算により共鳴周波数を算出して、粒子速度分布の腹を理論的に特定(推測)することも可能であると考えられる。
また、中空領域113における各位置の抵抗値は、周知の測定器を用いて実測することで特定されてもよいし、又は、抵抗材の素材の種類や素材の疎密などで抵抗値が異なるから、抵抗材の素材や粗密などの条件から複数ある各領域の抵抗値の大小関係が特定可能であれば、その抵抗値を実測しなくてもよい。
上述した実施形態又は変形例に係る音響共鳴体は、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、室空間を有している音響室であり、例えば防音室、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。
部屋などの室空間においては、二重壁の内側や、床下などへの設置が可能である。電車や航空機、船舶、自動車、宇宙ステーションなどの乗り物にあっては、乗車者が入室する車室のほか、機械室や荷物室などの室空間に音響共鳴体を設けてもよい。また、ヘッドフォン、イヤホン、補聴器などの聴取に用いられる器具に形成された室空間における共鳴を減衰させるために、これらの器具に本発明の音響共鳴体の構成を適用してもよい。また、乗り物や建造物に設けられる空調装置などのダクトの室空間に音響共鳴体を設けてもよい。また、オートバイなどの乗り物の給排気管を室空間として音響共鳴体を設けてもよい。つまり、静粛性を高めるための種々の室空間に、音響共鳴体を設けることができる。
Claims (5)
- 開口する一端と、開口し、又は閉口する他端とを有し、前記一端と前記他端との間で延在する中空領域が構成された筐体と、
前記中空領域に設けられ、第1の領域と、媒質粒子の運動に対する抵抗が前記第1の領域よりも大きく、前記中空領域の延在方向に直交する平面で当該中空領域を切断した場合の断面において、前記第1の領域の周囲を囲む第2の領域とで構成された抵抗材と
を備え、
前記第2の領域は、前記延在方向に対する一端の位置が、前記筐体の一端の位置と同じ位置又は当該筐体の外部にあり、他端の位置が、前記中空領域において前記筐体の他端に接しない位置にあり、
前記中空領域は、前記延在方向に対して前記第2の領域の他端と前記筐体の他端との間が、前記抵抗材が存在しない空間領域で構成され、更に、当該空間領域が、前記第1の領域を介して前記筐体外部の空間と通じ、
共鳴時には、前記延在方向に対する位置に応じて共鳴周波数の音圧が変化する領域が前記中空領域に含まれる
ことを特徴とする音響共鳴体。 - 前記抵抗材は、前記第2の領域の少なくとも一部が連続気泡の多孔質材で構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の音響共鳴体。 - 前記第1の領域は、空間領域である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の音響共鳴体。 - 前記第2の領域は、前記中空領域に生じる定在波の粒子速度分布の腹となる領域を含む
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の音響共鳴体。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の音響共鳴体を備えることを特徴とする音響室。
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