JP6591697B2 - 防音構造 - Google Patents
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Description
このように、従来のほとんどの防音構造は、構造の質量で遮音を行っていたために大きく重くなりまた低周波の遮蔽が困難という欠点があった。
このため、機器、自動車、及び一般家庭など様々な場面に対応する遮音材として軽くて薄い遮音構造が求められている。そこで、近年、薄く軽い膜構造に枠を取り付けて膜の振動を制御する遮音構造が注目されている(特許文献1、及び2参照)。
この構造の場合、遮音の原理が上記質量則と異なる剛性則となるため薄い構造でも低周波成分をより遮蔽できる。この領域は、剛性則と呼ばれ、枠部分で膜振動が固定されることによって膜が枠開口と一致する有限サイズのときと同様の振る舞いとなる。
特許文献1に開示の吸音体は、枠体の他方の面が施工面に接着固定されて枠体の貫通孔の他方の開口が閉じられ、枠体で囲まれた、一方の開口を覆う吸音材と施工面との間に背後空気層が形成された状態で用いられている。
特許文献1では、吸音周波数、及び吸音率は、共に背後空気層の厚み(枠体の厚み)、及び枠体の貫通孔の直径に相関があり、厚みが厚く、直径が大きいほど、吸音周波数は低下し、吸音率は増加する。このため、特許文献1に開示の吸音体は、大型化を招くことなく、低周波領域において高度な吸音効果を達成することができるとしている。
第1の吸音体は、双極子共振器用単一DMR(Decorated Membrane Resonator ;加飾膜共振器)と単極子共振器用一対の結合DMRとからなる正方形のフラットパネルである。ここで、結合DMRは、パネル中央に設けられた大径の短円管の両端開口を覆うように中央に錘の付いたゴム膜を貼り付けたものである。また、単一DMRは、パネル周辺部に設けられた小径の円形開口を覆うように中央に錘の付いたゴム膜を貼り付けたものである。この吸音体では、結合DMR及び単一DMRの共振周波数はほぼ一致し、両者の相互作用による相殺的干渉により、500Hzよりも低周波数において極めて高い吸音率を達成している。なお、この吸音体は、同サイズの正方形断面を持つサブ波長の短い正方形管に取り付けて用いられるので、通気のための開口はない。
第2の吸音体は、単極子共振用ハイブリッド膜共振器(HMR:Hybrid Membrane Resonator)と、双極子共振器用単一DMRとを有するものである。ここで、単極子共振用ハイブリッド膜共振器(HMR)は、正方形断面を持つ短い正方形管の側壁に取り付けられ、後方が閉塞した円筒室を、中央に錘の付いたゴム膜によってシールしたものである。また、双極子共振器用単一DMRは、正方形管中心に配置され、リムによって正方形管の内壁に支持される円板状パネルの中央に設けられた大径の円形開口を覆うように中央に錘の付いたゴム膜を貼り付けたものである。この吸音体でも、HMR及び単一DMRの共振周波数は近く、両者の相互作用による相殺的干渉により、500Hzよりも低周波数において極めて高い吸音率を達成している。なお、この吸音体は、円板状パネルの外周縁と、正方形管の内壁との間には隙間があるため、通気性がある。
また、特許文献1に開示の吸音体では、軽量で、吸音率のピーク値が、0.5以上と高く、ピーク周波数が500Hz以下の低周波領域において高度な吸音効果を達成することができるが、吸音材の選択の幅が狭く、難しいという問題があった。
更に、膜振動と背後空気層の連成による吸音を原理としているために、条件を満たすためには厚い枠と背後の壁が必要となっていた。このために、設置する場所や大きさに制限が大きかった。
また、このような吸音体の吸音材は、枠体の貫通孔を完全に塞ぐものであるため、風、及び熱を通す能力がなく、空気等を排気できず、熱がこもりがちとなる。このため、このような吸音材は、特許文献1に開示の、特に機器、及び自動車の騒音、又は通気性が要求されるダクト内騒音の遮音に向かないという問題があった。
また、非特許文献1に開示の吸音体では、500Hzよりも低い周波数で使用でき、極めて高い吸音率を達成できるが、膜に錘が必須であるため、以下のような問題があった。
錘が必要であるため、構造が重いものとなり機器、自動車、及び一般家庭などに用いることが難しい。
また、錘を各セル構造に配置するための容易な手段がなく、製造適性がない。
また、錘を用いることで錘の位置によって振動モードが変化するために、錘の位置に対して周波数が依存して調整が難しい。
即ち、錘の重さ、及び膜上での位置に遮蔽の周波数・大きさが強く依存するため、遮音材としてのロバスト性が低く安定性がない。
また、本発明の他の目的は、上記主目的に加え、更に、その形状に遮蔽周波数及び大きさ等の遮音特性が依存することなく、遮音材としてのロバスト性が高く、かつ安定性があり、機器、自動車、及び一般家庭の用途に適し、製造適性に優れた防音構造を提供することにある。
なお、本発明において、「防音」とは、音響特性として、「遮音」と「吸音」の両方の意味を含むが、特に、「遮音」を言う。ここで、「遮音」は、「音を遮蔽する」こと、即ち「音を透過させない」ことを言う。したがって、「防音」とは、音を「反射」すること(音響の反射)、及び音を「吸収」すること(音響の吸収)を含めて言う。(三省堂 大辞林(第三版)、及び日本音響材料学会のウェブページのhttp://www.onzai.or.jp/question/soundproof.html、並びにhttp://www.onzai.or.jp/pdf/new/gijutsu201312_3.pdf参照)
以下では、基本的に、「反射」と「吸収」とを区別せずに、両者を含めて「遮音」及び「遮蔽」と言う。しかしながら、両者を区別する時には、「反射」及び「吸収」と言う。
即ち、本発明の防音構造は、異なる種類の2種類以上の共振型吸音セルと、開放部とを有し、開放部は、異なる種類の2種類以上の共振型吸音セルの双方に接する位置に配置され、2つの共振型吸音セルが互いに隣接し、更にその少なくとも一方の共振型吸音セルに隣接する位置に配置される防音構造であって、一方の種類の第1共振型吸音セルの共振周波数と、第1共振型吸音セルと異なる他方の種類の第2共振型吸音セルの共振周波数とが一致するものであり、第1共振型吸音セルは、開口を持つ枠と、枠の開口の周囲に固定され、開口を覆う膜とを有するものであり、開放部は、第1共振型吸音セルの外側、及び第2共振型吸音セルの外側に設けられている空間であることを特徴とする。
また、膜を有する第1共振型吸音セルの第1共振周波数と、第2共振型吸音セルの共振周波数が一致することが好ましい。
また、開放部は、開口を持つ枠からなる開放セルであることが好ましい。
また、枠のサイズ(円相当半径)をa(m)、膜の厚みをt(m)、膜のヤング率をE(Pa)、膜の密度をd(kg/m3)とする時、下記式(1)で表されるパラメータBが、15.47以上235000以下であることが好ましい。
B=t/a2*√(E/d) …(1)
また、開放部は、筒状である、又は開放部の四方で音の動きが制限される長さを持つ壁状の構造で囲まれていることが好ましい。
また、第1共振型吸音セルと、その最も距離の近い第2共振型吸音セルとの間の距離が、共振周波数における波長をλとしたときにλ/4未満であるという条件を満たす第1共振型吸音セルが、全ての第1共振型吸音セルの中の60%以上を占めることが好ましい。
また、第2共振型吸音セルは、開口を持つ枠と、枠の開口の周囲に固定され、それぞれ開口を覆う少なくとも2層の膜とを有することが好ましい。
また、少なくとも2層の膜は、枠の開口の両側の周囲にそれぞれ固定され、それぞれ開口を覆う2層の膜であることが好ましい。
また、少なくとも2層の板は、枠の開口の両側の周囲にそれぞれ固定され、それぞれ開口を覆い、それぞれ貫通孔を有する2層の板であることが好ましい。
また、開放部は、更に、少なくとも2層の板がそれぞれ有する貫通孔を含むことが好ましい。
また、第2共振型吸音セルは、開口の両面を覆う2層の板にそれぞれ貫通孔を持ち、ヘルムホルツ共振に類似した共振を有する構造であることが好ましい。
また、開放部は、第1共振型吸音セルと第2共振型吸音セルとの間に設けられている空間を含むことが好ましい。
また、第1共振型吸音セルと第2共振型吸音セルとは、隣接した位置に配置され、開放部は、第1共振型吸音セルと第2共振型吸音セルとの隣接側の反対側の第1共振型吸音セルの外側、又は第2共振型吸音セルの外側に設けられている空間を含むことが好ましい。
また、第2共振型吸音セルは、ヘルムホルツ共振を有する構造であることが好ましい。
また、第1共振型吸音セルと、第2共振型吸音セルとは、間隔を開けて併設され、第2共振型吸音セルの板の貫通孔は、第1共振型吸音セルに対向する位置に配置され、開放部は、第1共振型吸音セルと第2共振型吸音セルとの間に設けられている部分を含むことが好ましい。
また、第1共振型吸音セル、及び第2共振型吸音セルは、ダクト内に配置されるものであり、開放部は、第1共振型吸音セル、及び第2共振型吸音セルとダクトの内壁との間の空間を含むことが好ましい。
また、第1共振型吸音セル及び第2共振型吸音セルにおいて一致する共振周波数は、10Hz〜100000Hzの範囲内に含まれることが好ましい。
また、開口を持つ少なくとも3つの枠を有し、その中の少なくとも1つの第1の枠には膜が取り付けられて第1共振型吸音セルとして機能し、第1の枠とは異なる少なくとも1つの第2の枠には膜、又は板が取り付けられて第2共振型吸音セルとして機能し、更に第1の枠、及び第2の枠とは異なる少なくとも1つの第3の枠からなるセル構造は開放部として機能することが好ましい。
その結果、本発明によれば、機器、自動車、及び一般家庭等の防音のためにファンダクト内に配置することができ、又は防音機能を備えたファンダクトとして用いることができる。
また、本発明によれば、その形状に遮蔽周波数及び大きさ等の遮音特性が依存することなく、遮音材としてのロバスト性が高く、かつ安定性があり、機器、自動車、及び一般家庭の用途に適し、製造適性に優れた防音構造を提供することができる。
本発明に係る防音構造は、50%超、好ましくは100%近い吸収率と、空気の通り道を残すことを両立させた構造である。
本発明においては、50%超、好ましくは100%近い吸収率を出す原理として、複数の共振型吸音セルの透過波同士で打ち消し合いの関係にある干渉を生じさせることで、透過波を干渉で消して吸収を増やすということを用いている。波長より小さいサイズ内に複数の共振型吸音セルが配置され、各セルの透過波同士が近接場領域で互いに打ち消し合いの干渉をして透過波を消す構造が望ましい。そのためには、透過波の位相が、2つの共振型吸音セルの間で反転していることが最も望ましい。少なくとも、打消し合いの位相関係になっている必要がある。
このため、本発明の防音構造は、2種類以上の共振型吸音セルを有している。本発明においては、この2種類以上の共振型吸音セルの内の隣接する種類の異なる2つの共振型吸音セルの一方の種類の第1共振型吸音セルの共振周波数と、第1共振型吸音セルと異なる他方の種類の第2共振型吸音セルの共振周波数とが一致している必要がある。この時、第1共振型吸音セルの共振周波数としては、例えば第1共振周波数であることが好ましい。また、第2共振型吸音セルの共振周波数としては、例えば第1共振周波数、又は高次の共振周波数であることが好ましく、2次共振周波数であることがより好ましい。
したがって、他方の共振型吸音セル(第2共振型吸音セル)は、透過波の位相が反転しない構造を使えばよいことになる。
具体的には、第2共振型吸音セルとして、以下の吸音セルを用いれば良い。
1.複数層の膜構造(以下、第1実施形態という)。例えば、それぞれの膜振動が逆向きに変位するモードを用いることで、第1共振型吸音セルと打消し合いの位相関係となる。
2.孔が開いた板を多層にした多層板構造(以下、第2実施形態という)。中央部に閉じ込められた空気の膨張圧縮により、両側に孔のあいたヘルムホルツ共振器のような構成(ヘルムホルツ共振に類似した共振を有する構造)となる。このとき、両側の板穴に逆向きに音が進行するモードを用いる。
3.横向きに配置されたヘルムホルツ共振器(ヘルムホルツ共振を有する構造)(以下、第3実施形態という)。
しかしながら、本発明はこれに限定されず、第1共振型吸音セルの透過波位相と、第2共振型吸音セルの透過波位相とが、互いに打ち消し合いの関係を満たしていればよい。例えば、第1共振型吸音セルが第1共振周波数ではなく高次の共振周波数であっても位相変化は生じ、その位相変化を打ち消す透過波位相となる第2共振型吸音セルを用いればよい。
また、本発明においては、2つの共振型吸音セルが隣接するとは、2つの共振型吸音セルが隙間なく接触して、例えば互いの共振型吸音セルの側面同士がずれることなく密着していることも意味する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、後述するように、2つの共振型吸音セルの位相の変化による干渉による音の打ち消し合いができれば、2つの共振型吸音セルが密着していなくても良く、間隔を開けて配置されていても良い。また、2つの共振型吸音セル同士、例えば互いの側面同士がずれていても良い。なお、2つの共振型吸音セルが少し間隔を開けて配置されている場合、空気、及び/又は熱が通過できれば、開放部の一部として機能する。
よって、本発明の防音構造では、上述した振動膜構造の第1共振型吸音セル、及び上述した第1実施形態、第2実施形態、又は第3実施形態に記載のそれぞれの第2共振型吸音セルを含む2種類以上の共振型吸音セルの他に、単純に開放された部分、例えば開放部、又は開放セルを有していても高い吸収率を達成することができる。即ち、本発明の防音構造は、風、及び熱を通す開放部からなる開放構造と、2つの共振型吸音セル構造の相互作用による共鳴吸収構造とを併せ持つ構造である。
なお、上述した第2実施形態の孔空き多層板構造を用いる場合には、開放部に加えて、両端の板に貫通孔があいているため、空気、及び熱の通り道をより良く確保できる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る防音構造の一実施例を模式的に示す断面図であり、図2は、図1に示す防音構造の模式的平面図であり、図3は、図1に示す防音構造の膜変位における局所速度を示す模式図である。
図1〜図3に示す本発明の第1実施形態の防音構造10は、本発明の一方の吸音セルである第1共振型吸音セルとして、振動膜構造を用い、本発明の他方の吸音セルである第2共振型吸音セルとして、上述した第1実施形態の構造を用いるものである。ここで、第1共振型吸音セルとしての振動膜構造は、その周囲が枠に固定された単層膜の変位によって位相が反転するものである。一方、第2共振型吸音セルとしての第1実施形態の構造は、それぞれの膜振動が逆向きに変位するモードを使用して、位相が反転しない複数層の振動膜構造である。
この第1実施形態の防音構造10は、隣接して配置される2種類の共振型吸音セル、例えば一方の第1共振型吸音セル(以下、単に第1吸音セル、又は吸音セルという)20aと、他方の第2共振型吸音セル(以下、単に第2吸音セル、又は吸音セルという)20bと、他方の第2吸音セル20bに隣接して配置される開放セル22と、を有する。開放セル22は、本発明の開放部を構成するものである。
なお、図1及び図2に示す例においては、枠14aと14bとは、隣接しており、隣接部において部材を共有しているし、枠14bと14cとは、隣接しており、隣接部において部材を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、それぞれの枠14a、14b、及び14cは、それぞれ独立していても良い。
第1吸音セル20aは、単層の振動膜構造の第1共振型吸音セルであって、枠14aの開口12aの一方の端部を覆う膜18aを備えており、開口12aの他方の端部は、開放されている。
第2吸音セル20bは、複数層の振動膜構造の第2共振型吸音セルであって、枠14bの開口12bの両方の端部を覆う2層膜18b(2枚の膜18b1、及び18b2)を備えている。
ここで、本発明の開放部は、オリフィスではなく、図示例の開放セル22のように筒状であることが好ましい。又は、本発明の開放部は、少なくともある程度の長さの間、開放部の四方で音の動きが制限される壁状の構造であることが好ましい。本発明の開放部は、換言すれば、開放部の四方で音の動きが制限される長さを持つ壁状の構造で囲まれていることが好ましい。
開放セル22は、その開口12によって熱及び/又は空気を通過させるものである。
本発明では、膜18(18a、及び18b)で覆われている面に平行な第1吸音セル20a、第2吸音セル20b、及び開放セル22の各面積の和に対する開放セル22の開口12の面積の比(百分率%)を開口率として定義する。即ち、開口率は、防音構造10全体の面積に対する開放されている開放部の面積の割合ということもできる。なお、開口率は、第1吸音セル20a、第2吸音セル20b、及び開放セル22のサイズから求めることができる。また、開口率は、第1吸音セル20aと第2吸音セル20bとの間に開放セル22がある場合には、第1吸音セル20a、及び第2吸音セル20bのサイズと、両吸音セル間の距離からも求めることができる。
開口率が、1%〜90%であることが好ましい理由は、開口率が、90%を超えると、膜18の共振状態に結合せずに開口12から流れていく音が大きくなり、共振周波数においても透過率が大きくなってしまうためである。特に、開口12が大面積であいている場合、無数の小さな開口12があるときと比べて開口12端部にあたる面積が小さくなる。開口12端部付近では空気の粘性による摩擦効果により開口12があっても音が通りにくくなるが、大面積で開いている場合は摩擦効果もあまり効かずに、音が透過してしまう。よって、開口率が90%を超えているような場合は共振周波数でも透過してしまい吸収量が小さくなることが問題となるからである。
また、開口率が、1%未満だと、上記課題において述べた、熱や風を通過させるという効果があまり得られないからである。
本発明では、第1、及び第2吸音セル20a、及び20bの共振周波数を一致させる必要があるので、枠14a及び14bと、膜18a及び膜18b(18b1、及び18b2)との少なくとも一方は、異なるものである。
即ち、2つの枠14aと14bとが同一である場合には、2つの膜18aと膜18bとは異なる。なお、膜18aと膜18bとが異なるとは、膜18b1と18b2とが同一で膜18aと異なる場合、膜18b1と18b2の一方が膜18aと同一で他方が膜18aと異なる場合、及び膜18b1と18b2のいずれも膜18aと異なる場合を含む。
また、膜18aと2つの膜18bとが同一(即ち膜18a、18b1、及び18b2とが全て同一)である場合には、2つの枠14aと14bとは異なる。
なお、2つの膜18aと膜18b2とが同一である場合には、両者を1枚のシート状の膜体で構成しても良い。
また、2つの枠14aと14bとが異なる場合にも、膜18aと膜18bとが異なっていても良いのは勿論である。
ここで、一致する共振周波数(例えば、第1吸音セルの第1共振周波数(基本共鳴)、及び第2吸音セルの共振周波数(合致共鳴)、即ち第1共振周波数、又は高次の共振周波数)は、共に人間の音波の感知域に相当する10Hz〜100000Hzにあることが好ましく、人間の音波の可聴域である20Hz〜20000Hzにあることがより好ましく、40Hz〜16000Hzにあることが更により好ましく、100Hz〜12000Hzにあることが最も好ましい。
一致する共振周波数(第1吸音セルの第1共振周波数、及び第2吸音セルの1次及び高次の共振周波数)が、10Hz〜100000Hzにあることが好ましい理由は、本発明の課題が人間の耳に聞こえる音、人間が感じる音を吸収によって防ぐことにあるため、この範囲の音を人間は感じることができるとされているからである。なお、20Hz〜20000Hzの範囲は、人間が聴こえる音(可聴域)とされているため、この範囲にあることがより望ましい。
第1吸音セルの第1共振周波数と、第2吸音セルの高次の共振周波数との差が、ΔF/F0が0.2以下を満たすことが好ましい理由は、本発明の原理が、2つの異なるセルの透過位相がそれぞれ異なる共振モード同士の干渉を用いるためである。即ち、共振周波数の差が上記条件を超えると、共振を生じる周波数同士が離れすぎるために、2つのセルに対してともに強い共振を励起する周波数がなくなり、片側のセルのみ強い共振状態をもつか、両方のセルが共振からほぼ外れた弱い共振状態しか励起できなくなるからである。なお、前者の場合は、片方のセルのみが共振状態であるため、共振同士の打ち消し合い干渉は生じない。また、後者の場合は、そもそも共振からほぼ外れているために音を共振によって引きつけて集める効果が小さく、開口の部分の方を音が透過する量が大きくなってしまうために透過率が大きくなってしまう。
本発明において、2つの枠14(14aと14bと)が異なるとは、枠形状(枠14の形状)、枠14の種類(物性、剛性、及び材質)、枠幅(枠14の構成部材の板厚:Lw)、枠厚(枠14の構成部材の長さ=開口12の両端間の距離:Lt)、及び枠サイズ(枠14のサイズ、又は枠14の開口12のサイズ(開口面積のサイズ、及び空間体積のサイズ))等の寸法の少なくとも1つが異なっていることを言う。
逆に、2つの枠14(14aと14bと)が同一であるとは、少なくとも、2つの枠14の形状、種類、及び寸法等の全てが同一であることを言う。
逆に、2つの膜18aと18b(18b1、及び18b2)とが同一であるとは、少なくとも、2つの膜の形状、種類、及び寸法等の全てが同一であることを言う。
具体的には、第1吸音セル20aの1層の膜18aの第1共振周波数と、第2吸音セル20bの高次モードの共振周波数のうち、図3に示す防音構造10周辺における局所速度分布のように、2層の膜18b1及び18b2の変位が反対方向に動く共振モードの共振周波数を一致させるように、枠14及び膜18の構成を調整したものである。
図3の局所速度分布から、1層(単層)の膜18aを有する吸音セル20aにおいては、入射音圧により膜18aに対して通常の第1共振周波数モードが励起され、中央部に大きな振動状態が生じていることが分かる。一方、2層の膜18b1及び18b2を有する吸音セル20bにおいては、入射音圧により、2層の膜18b1及び18b2の変位が反対方向に動く共振モードの膜の変位が生じていることが分かる。これは、図3に示すように、吸音セル20aと20bとは、入射音圧により、同時に膜18aと膜18b1とが押される。しかしながら、吸音セル20bでは、音波の出射側(即ち音波の入射方向とは逆側)において吸音セル20aの位相とは音波の位相が反転している。これによって膜18aと膜18b2との間において、膜18aを透過した波と、膜18b2を透過した波が打消し合いの干渉をする関係になる。図3から、吸音セル20aの膜18aを透過した音波、及び開放セル22を透過した音波は、吸音セル20bの膜18b2に吸引されるような局所速度分布を示す。これは、吸音セル20bの透過位相と他の吸音セル20aの透過位相とが打消し合いの干渉を起こすような位相関係になっていることを示す。その結果、膜18aを透過した音波が、膜18b2を透過した音波と打ち消し合いを起こして、最終的に遠方まで伝わる透過波が小さくなることがわかる。
即ち、吸音セル20aの1層の膜18aの第1共振周波数と、吸音セル20bの2層の膜18b1及び18b2による高次の共振周波数を一致させることで、本実施形態の防音構造10では、吸音セル20aと吸音セル20bとを打消し合いの干渉関係で相互作用をさせることができる。その結果、例えば吸音セル20の枠サイズが、音波の波長の1/10未満の大きさで構成されているとしても、50%を遥かに超える音の吸収率を獲得することができることがわかる。また、本実施形態の防音構造10では、第1共振周波数に挟まれた領域で透過波同士の打ち消し合いが生じることにより透過損失を大きくすることができる。
即ち、例えば、後述する図5に示すように、単独の吸音セル20aと開放セル22とからなる比較例1の防音構造、及び単独の吸音セル20b及び開放セル22とからなる比較例2の防音構造でそれぞれ達成されるピーク吸収率は、40%及び49%である。これに対し、図1及び2に示す本実施形態の防音構造10は、1層の膜18aの第1共振周波数と、2層の膜18bの高次の共振周波数を一致させるように設計されている。その結果、単独の吸音セル20a及び20bと開放セル22とからなる防音構造では達成できない50%を遥かに超える音の吸収率(例えば、図5に示す実施例1のように、80%もの音の吸収率)を達成することができる。なお、この50%を遥かに超える音の吸収率は、例えば吸音セル20の枠14の枠サイズまたは枠厚、2層間(膜間)の距離等が音波の波長の1/4未満の大きさで構成されていても達成される。
これは、下記に示す音波の圧力の連続の式により導かれる吸収率からもわかる。
吸収率A(Absorptance)は、A=1−T−Rとして決められる。
透過率T(Transmittance)と反射率R(Reflectance)とを透過係数tと反射係数rで表わし、T=|t|2、R=|r|2とする。
1層の膜の構造体と相互作用をする音波の基本式である、圧力の連続の式は、入射音圧pI、反射音圧pR、透過音圧pT(pI、pR、pTは複素数)としたとき、pI=pT+pRとなる。t=pT/pI、r=pR/pIであるため、圧力の連続の式は以下のように表わされる。
1=t+r
これらより、吸収率Aを求める。Reは複素数の実部、Imは複素数の虚部を示す。
A=1−T−R=1−|t|2−|r|2=1−|t|2−|1-t|2
=1−(Re(t)2+Im(t)2)−((Re(1-t))2+(Im(1-t))2)
=1−(Re(t)2+Im(t)2)−(1-2Re(t)+Re(t)2+Im(t))2)
=−2Re(t)2+2Re(t)−2Im(t)2
=2Re(t)×(1−Re(t))−2Im(t)2<2Re(t)×(1−Re(t))
上記式は2x×(1−x)の形の式で、かつ0 ≦ x ≦ 1の範囲を取る。
この場合、x=0.25のときに最大値となり、2x(1−x) ≦ 0.5であることが分かる。よって、A<Re(t)×(1−Re(t)) ≦0.5となり、単一の構造での吸収率は、最大でも0.5となることを示すことができる。
また、2層の膜の構造体(第2防音セル)の場合にも、例えば、2層間(膜間)の距離が音の波長の大きさよりも非常に小さい場合(具体的には、1/4未満である場合)、2層それぞれの透過波が互いに打ち消し合う位相とすることが困難であるため、音の吸収率は50%程度に留まる。このことは、後述する比較例2の防音構造の吸音特性を示す図5において、2層の膜を有する吸音セル20bに対応する第1共振周波数が1440Hzに存在するが、その周波数に対応する音の吸収率が49%であり、50%程度であることからもわかる。
このように、本実施形態の防音構造によれば、例えば、枠サイズの変更や枠厚の調整のみであっても、従来の吸収率を遥かに超える音の吸収率を獲得することができる。
図1、図6、及び図7に示す防音構造10、10a、及び10bにおいては、第1吸音セル20a、第2吸音セル20b、及び開放セル22のサイズは、同じであるが、本発明はこれに限定されない。これらセルの少なくとも1つのセルのサイズ(例えば枠サイズ等のセルの寸法)が他のセルのサイズと異なっていても良いし、勿論、全てのセルが異なるサイズであっても良い。
図8A及び図8Bに、図1に示す開放部が端部にある防音構造10と、図7に示す開放部が中央にある防音構造10bとを、それぞれ開放部の大きさ(開口率、及び2セル間の距離)を変化させてピーク吸収率(最大吸収率)の変化を調べた結果を示す。なお、図8A及び図8Bに示す例は、2つの吸音セル間距離がλ/4未満からλ/4以上の領域に及ぶ領域におけるピーク吸収率の変化を示しており、いずれも、ピーク吸収率を示す吸収ピーク周波数は、約1400Hzとなるようにしている。図8A及び図8Bのグラフにおいて、正方形で示す点は、詳しくは後述するが、図1に示す防音構造10の実施例1〜10のピーク吸収率を示す。
図8A及び図8Bに示すように、入射音波に対して相互作用をする2つの吸音セル20a及び20bは、近くに配置されることが望ましいと言えることが分かる。
第1吸音セル20aと第2吸音セル20bのそれぞれで位相を変化させて、それがそのまま干渉することが最も打消し合いの効率が良くなる。2つの吸音セル20a及び20bの間に距離があると、その距離分位相が変化してしまうため、元々つけた位相差から変化してしまう。このため、2つの吸音セル間の距離の大きさは共鳴周波数の波長と関連付けられることが分かる。
以上から、本発明においては、第1共振型吸音セルと、これに最も近い距離にある第2共振型吸音セルとの間の距離が、共振周波数における波長をλとしたときに、λ/4未満であるという条件を満たす第1共振型吸音セルが、全ての第1共振型吸音セルの中の少なくとも60%以上の割合を占めることが好ましい。
ここで、2つの吸音セル間の距離はλ/4未満であることが望ましく、λ/6以下であることがより望ましく、λ/8以下であることが更により望ましく、λ/12以下であることが最も望ましい。
また、割合は、60%以上であることが望ましく、70%以上であることがより望ましく、80%以上であることが更により望ましく、90%以上であることが最も望ましい。
図9及び図10に示す音の吸収特性、及び透過特性を求めた防音構造10bは、20mm角の正方形の開口12をもつ第1吸音セル20a、及び第2吸音セル20bと、その間の開放部となる開放セル22の開口12の長方形の大きさ(サイズ)を、1辺を20mmとして、他方の辺を2mm毎に2mm〜18mmに変更した構造と、開放部が無い構造である。なお、枠14(14a、14b、及び14c)の枠幅(Lw)は、1mmである。
図9に示すように、入射音波に対して相互作用をする2つの吸音セル20a、及び20bの間に開放された穴(開放部)が設けられていても、吸収率はほぼ変化せず、共鳴周波数(吸収ピーク周波数1420Hz)での高いピーク吸収率はほぼ変化しないことが分かる。即ち、本発明の防音構造10bでは、ピーク吸収率は、開放部のサイズが大きくなるほどにわずかに小さくなるが、70%以上のピーク吸収率を示し、ほとんど変化しないことが分かる。
このため、本発明の防音構造では、高開口率、かつ高吸収を実現できる。
図10に示すように、本発明の防音構造10bでは、音の透過率は、開放部のサイズが小さくなるにつれて少しずつ小さくなるが、音のバリー(valley)(最小)透過率も、10数%以下で、開放部のサイズが小さくなるほどにわずかに小さくなり、0%に近づくことが分かる。
このため、本発明の防音構造では、2つの吸音セル間距離がλ/12未満の領域を細かく見ると、この領域では2つの吸音セル間距離が変化しても吸収率は高いまま変化しないことから、開口率が高くても、音の低い透過、即ち高い遮断を実現できる。
例えば、図11に示す防音構造10cのように、図1に示す防音構造10を3組組み合わせた構造であっても良いし、図12に示す防音構造10dのように、図1に示す防音構造10を2組用い、2組の防音構造10の間に図6に示す防音構造10aを1組組み入れるように組み合わせた構造であっても良い。なお、図11に示す防音構造10cも、図12に示す防音構造10dも、防音特性には、ほとんど差がないと言える。
また、図示しないが、本発明の防音構造は、図1、図6及び図7に示す防音構造10、10a及び10bを全て組み合わせる構造であっても良いし、2つ防音構造を組み合わせる構造であっても良いし、組み合わせる組数も、上述した3組に限定されず、2組であっても良いし、4組以上であっても良いことは勿論である。
枠14は、厚みのある板状部材である枠部材で環状に囲むように形成された、内部に開口12を有する。ここで、枠14a及び14bは、それぞれ、一方の側、及び両方の側において開口12を覆うように膜18(18a、18b1及び18b2:以下では、両者を区別して説明する必要がある場合を除いて、参照符号18で表すものとする)を固定するためのもので、この枠14に固定された膜18の膜振動の節となるものである。したがって、枠14は、膜18に比べて、剛性が高く、具体的には、単位面積当たりの質量及び剛性は、共に高い必要がある。
なお、開放セル22の枠14cは、熱及び/又は空気等の気体を通過させることができる開口12を形成できれば、枠14a及び14bと同一であっても異なっていても良い。
例えば、開放セル22の枠14cは、図1、図6、及び図7に示す開放セル22と異なり、角形(角筒)、又は円形(円筒)の形状のダクト等であっても良い。この場合には、枠14cとなるダクト内に配置された吸音セル20a及び20bとダクト内壁との間の空間(隙間)が、開放セル22の開口12となる。
また、枠14のサイズは、平面視のサイズであり、その開口12のサイズとして定義できる。例えば、図1及び図2に示す正方形のような正多角形、又は円形の場合には、その中心を通る対向する辺間の距離、又は円相当直径と定義することができ、多角形、楕円又は不定形の場合には、円相当直径と定義することができる。本発明において、円相当直径及び半径とは、それぞれ面積の等しい円に換算した時の直径及び半径である。
なお、本発明の防音構造10、10a及び10bにおいて、吸音セル20毎に膜18を貼り付ける枠14のサイズは、全ての枠14、又は同一の種類の吸音セル20の全ての枠14において、一定であっても良いが、異なるサイズ(形状が異なる場合も含む)の枠が含まれていても良い。異なるサイズの枠が含まれている場合には、同一の種類の吸音セル20の枠14のサイズとして、枠14の平均サイズを用いればよい。
また、この防音構造10自体をパーティションのように用いて、複数の騒音源からの音を遮る用途に用いることもできる。この場合も、枠14のサイズは対象となる騒音の周波数から選択することができる。もちろん、パーティションの外枠となる枠14c内に、2種類の吸音セル20a、及び20bを一体化して、又は別々に配置して、本発明の防音構造としても良い。
また、枠14(14a及び14b)の平均サイズは、上記2種類の吸音セル20(20a及び20b)による防音構造10の吸収ピーク周波数(以下、単に、ピーク周波数ともいう)における回折による音の漏れを防止するために、ピーク周波数に対応する波長サイズ以下であることが好ましい。
例えば、枠14のサイズは、特に制限的ではなく、吸音セル20及び開放セル22に応じて選択すればよい。枠14のサイズは、枠14a及び14bであっても、枠14cであっても、0.5mm〜200mmであることが好ましく、1mm〜100mmであることがより好ましく、2mm〜30mmであることが最も好ましい。なお、開放セル22の枠14cがダクトなどである場合には、枠14a及び14bを内部配置できる大きさであれば良い。
なお、枠14のサイズは、同一種類の吸音セル20、又は開放セル22において、各枠14で異なるサイズが含まれる場合などは、それぞれの種類において、平均サイズで表しても良い。
なお枠14cの幅及び厚さも、2種類の吸音セル20と組み合わせることができれば、特に制限的ではないが、例えば、枠14cのサイズに応じて設定することができる。
例えば、枠14の幅は、枠14のサイズが、0.5mm〜50mmの場合には、0.5mm〜20mmであることが好ましく、0.7mm〜10mmであることがより好ましく、1mm〜5mmであることが最も好ましい。
枠14の幅が、枠14のサイズに対して比率が大きくなりすぎると、全体に占める枠14の部分の面積率が大きくなり、デバイスとしての防音構造10が重くなる懸念がある。一方、上記比率が小さくなりすぎると、その枠14部分において接着剤などによって膜を強く固定することが難しくなってくる。
また、枠14の厚さは、0.5mm〜200mmであることが好ましく、0.7mm〜100mmであることがより好ましく、1mm〜50mmであることが最も好ましい。
なお、枠14の幅及び厚さは、各枠14で異なる幅及び厚さが含まれる場合などは、それぞれ平均幅及び平均厚さで表すことが好ましい。
ここで、図1、図6、及び図7に示す例では枠体16を構成する枠14の数は3個であり、図11及び12に示す例では枠体16を構成する枠14の数は9個である。しかしながら、本発明の防音構造10の枠14の数は、本発明では、特に制限的ではなく、本発明の防音構造10の上述した防音対象物に応じて設定すればよい。もしくは、上述した枠14のサイズは、上述した防音対象物応じて設定されているので、枠14の数は、枠14のサイズに応じて設定すればよい。
例えば、枠14の数は、機器内騒音遮蔽の場合には、1個〜10000個であることが好ましく、2〜5000であることがより好ましく、4〜1000であることが最も好ましい。
なお、1つの吸音セル20は、3つの枠14を構成単位とするので、本発明の防音構造10の枠14の数は、吸音セル20の数と開放セル22の数との和である。
また、これらの枠14の材料の複数種を組み合わせて用いてもよい。
多孔質吸音体としては、特に限定はなく、従来公知の多孔質吸音体が適宜利用可能である。例えば、発泡ウレタン、軟質ウレタンフォーム、木材、セラミックス粒子焼結材、フェノールフォーム等の発泡材料および微小な空気を含む材料;グラスウール、ロックウール、マイクロファイバー(3M社製シンサレート(商標)など)、フロアマット、絨毯、メルトブローン不織布、金属不織布、ポリエステル不織布、金属ウール、フェルト、インシュレーションボードおよびガラス不織布等のファイバー、及び不織布類材料;木毛セメント板;シリカナノファイバーなどのナノファイバー系材料;石膏ボード;種々の公知の多孔質吸音体が利用可能である。
ところで、膜18は、枠14を節として膜振動する必要があるので、枠14に確実に抑えられるように固定され、膜振動の腹となり、音波のエネルギを吸収、もしくは反射して防音する必要がある。このため、膜18は、可撓性のある弾性材料製であることが好ましい。
このため、膜18の形状は、枠14の開口12の形状であり、また、膜18のサイズは、枠14のサイズ、より詳細には枠14の開口12のサイズであるということができる。
図1、図6、図7、図11、及び図12に示す防音構造10、10a〜10dにおいては、2種類の吸音セル20(20a及び20b)の枠14(14a及び14b)に固定された互いに異なる2種類の膜18(18a及び18b)は、それぞれ最も低次の固有振動モードの周波数(固有振動周波数)として、透過損失が極小(例えば0dB)となる、互いに異なる第1共振周波数を持つ。一方、吸音セル20bの枠14bの両側に固定された2枚の膜18b1及び18b2は、一体化した膜18bとして、吸音セル20aの枠14aの片側に固定された膜18aの第1共振周波数と一致する高次(例えば2次)の共振周波数を持つ。なお、ここでは、膜18bは、2枚の膜18b1及び18b2を一体化したものを意味するが、膜18b1及び18b2を代表とするものとして考えることもできる。
即ち、本発明では、吸音セル20aの単層膜18aの第1共振周波数、並びに吸音セル20bの一体化膜18b(2層膜18b1、及び18b2)の高次(例えば2次)の共振周波数においては、音を透過させる。勿論、開放セルも、これらの周波数においては、音を透過させる。
なお、本発明の防音構造においては、サイズ、厚さ及び/又は種類(の物性)が異なる2種類以上の膜、及び/又は、サイズ、幅、厚さ及び/又は種類(の物性)が異なる2種類以上の枠を有する。更に、それに加えて、一方の第1共振周波数と他方の高次の共振周波数とが一致する2種類以上の吸音セルを有する。これにより、2種類の吸音セルの一致する共振周波数に吸収がピークとなる吸収ピーク周波数を有する。
まず、本発明の防音構造の2種類の吸音セルの枠−膜構造の内、一方の種類の吸音セルの枠−膜構造は、上述したように、膜面が共鳴的に振動して音波が大きく透過する周波数である第1共振周波数を持つ。これに対し、他方の種類の吸音セルの枠−膜構造は、一方の種類の吸音セルの枠−膜構造の第1共振周波数と一致する高次の共振周波数を持つ。これらの第1共振周波数、及び高次の共振周波数は、上述した膜の厚み、膜の種類(ヤング率、密度等の物性)、及び/又は枠のサイズ(開口、膜のサイズ)、幅、厚さ等の実効的な堅さによって決定され、堅い構造ほど高周波数に共振点を持つ。
このような一方の種類の吸音セルの枠−膜構造の第1共振周波数の領域では、枠に固定された膜は同位相で振動し、この時膜を通過する音波の位相は大きく変化せず、キャパシタ的な振る舞いをするということができる。他方の種類の吸音セルの枠−膜構造の高次の共振周波数の領域では、2層膜は互いに反転して振動し、このとき膜を通過する音波の位相は反転し、インダクタンス的な振る舞いをするということができる。即ち、2種類の枠−膜構造の組み合わせは、キャパシタ(コンデンサ)とインダクタンス(コイル)とを接続したものと見做すことができる。
これが、本発明の防音構造の防音の原理である。
このような本発明の特徴は、2種類以上の堅さの異なる枠−膜構造(吸音セル)があればよく、膜の材質や厚みを用途に応じてさまざまに選択できるということである。したがって、本発明の防音構造では、枠に貼る膜として、種々の特性を持つ膜を用いることができるので、例えば、容易に、難燃性、光透過性、及び/又は断熱性等の他の物性又は特性との組み合わせた機能を持つ防音構造とすることもできる。
例えば、膜18の厚さは、枠14のサイズが0.5mm〜50mmの場合には、0.005mm(5μm)〜5mmであることが好ましく、0.007mm(7μm)〜2mmであることがより好ましく、0.01mm(10μm)〜1mmであることが最も好ましい。
また、膜18の厚さは、枠14のサイズが、50mm超、200mm以下の場合には、0.01mm(10μm)〜20mmであることが好ましく、0.02mm(20μm)〜10mmであることがより好ましく、0.05mm(50μm)〜5mmであることが最も好ましい。
なお、膜18の厚みは、1つの膜18で厚みが異なる場合、又は各膜18で異なる厚さが含まれる場合などは、平均厚さで表すことが好ましい。
なお、膜18の第1固有振動モードを特徴づけるパラメータとしては、同種材料の膜18の場合は、膜18の厚み(t)と枠14のサイズ(a)(例えば、正四角形の場合には一辺の大きさ、又は円形の場合には半径の大きさ)の2乗との比[a2/t]を用いることができる。ここで、この比[a2/t]が等しい場合(例えば、(t、a)が、(50μm、7.5mm)の場合と(200μm、15mm)の場合)とは、上記第1固有振動モードが同じ周波数(即ち同じ第1共振周波数)となる。即ち、比[a2/t]を一定値にすることにより、スケール則が成立し、適切なサイズを選択することができる。
例えば、膜18(18a及び18b)のヤング率は、1000Pa〜3000GPaであることが好ましく、10000Pa〜2000GPaであることがより好ましく、1MPa〜1000GPaであることが最も好ましい。
また、膜18(18a及び18b)の密度も、両者で異なっていても、音波のエネルギを吸収、もしくは反射して防音するために膜振動することができるものであれば、特に制限的ではない。膜18の密度は、例えば、10kg/m3〜30000kg/m3であることが好ましく、100kg/m3〜20000kg/m3であることがより好ましく、500kg/m3〜10000kg/m3であることが最も好ましい。
また、膜18の材料としては、上記樹脂材料の他、シクロオレフィンポリマー(COP)、ゼオノア、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、アラミド、ポリエーテルサルフォン(PES)、ナイロン、ポリエステル(PEs)、環状オレフィン・コポリマー(COC)、ジアセチルセルロース、ニトロセルロース、セルロース誘導体、ポリアミド、ポリオキシメチレン(POM)、及びポリロタキサン(スライドリングマテリアルなど)等の樹脂材料等が利用可能である。
更に、膜18の材料としては、薄膜ガラスなどのガラス材料、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)、及びガラス繊維強化プラスチック(GFRP)のような繊維強化プラスチック材料を用いることもできる。又は、それらを組合せたものでもよい。
また、金属材料を用いる場合には、錆びの抑制等の観点から、表面に金属めっきを施してもよい。
ここで、防音構造10の複数の吸音セル20aの枠14aの開口12の同じ側に全ての膜18aが設けられていても良い。又は、複数の吸音セル20aの枠14aの開口12の一方の側に一部の膜18aが設けられ、複数の吸音セル20aの枠14aの残りの一部の開口12の他方の側に残りの膜18aが設けられていても良い。もしくは、更に、複数の吸音セル20aの枠14aの開口12一方の側、及び他方の側に設けられた膜が混在していても良い。
接着剤を用いる方法は、枠14の開口12を囲む表面上に接着剤を塗布し、その上に膜18を載置し、膜18を接着剤で枠14に固定する。接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤(アラルダイト(登録商標)(ニチバン社製)等)、シアノアクリレート系接着剤(アロンアルフア(登録商標)(東亜合成社製)など)、アクリル系接着剤等を挙げることができる。
また、枠体や膜体と同様に耐熱、耐久性、耐水性の観点から選択することができる。例えば、セメダイン社「スーパーX」シリーズ、スリーボンド社「3700シリーズ(耐熱)」、太陽金網株式会社製耐熱エポキシ系接着剤「Duralcoシリーズ」など、また両面テープとしてはスリーエム製高耐熱両面粘着テープ9077など、要求する特性に対して様々な固定方法を選択することができる。
物理的な固定具を用いる方法としては、枠14の開口12を覆うように配置された膜18を枠14と棒等の固定部材との間に挟み、固定部材をネジやビス等の固定具を用いて枠14に固定する方法等を挙げることができる。
上述したように、膜18の第1固有振動モードを特徴づけるパラメータとしては、同種材料の膜18の場合は、膜18の厚み(t)と枠14のサイズ(a:円相当半径、又は正方形相当辺)の2乗との比[a2/t]を用いることができる。
そこで、本発明者は、本発明の防音構造10において、防音セル20(20a)の枠14(14a)のサイズ(円相当半径)をa(m)、膜18(18a)の厚みをt(m)、膜18のヤング率をE(Pa)、膜18の密度をd(kg/m3)とする時、パラメータB(√m)は、下記式(1)で表されることを知見した。また、本発明者は、このパラメータB(√m)と、防音構造10の枠14及び膜18からなる構造の防音セル20の第1固有振動周波数(Hz)とは、防音セル20の円相当半径a(m)、膜18の厚みt(m)、膜18のヤング率E(Pa)、膜18の密度d(kg/m3)を変化させた時にも略線形な関係にあることを知見した。更に、本発明者は、パラメータB(√m)と、第1固有振動周波数(Hz)とは、図22に示すように、下記式(2)で表される式で表されることを知見した。
B=t/a2*√(E/d) …(1)
y=0.7278x0.9566 …(2)
ここで、yは、第1固有振動周波数(Hz)であり、xは、パラメータBである。
なお、図22は、後述する実施例の実験前の設計段階におけるシミュレーションの結果から得られたものである。
第1固有振動周波数を10Hzから100000Hzまでの間の複数の値に対するパラメータBの値を表2に示す。
以上のように規格化されたパラメータBを用いることにより、本発明の防音構造の防音セル(第1防音セル)において遮蔽ピーク周波数の高周波側の上限となる第1固有振動周波数を決定することができる。また、逆に、このパラメータBを用いることにより、選択的に遮音すべき周波数帯域の中心となる遮蔽ピーク周波数を持つことができる第1固有振動周波数を有する本発明の防音構造を設定することができる。
本発明の第1実施形態に係る防音構造は、基本的に以上のように構成される。
図13は、本発明の第2実施形態に係る防音構造の一例を模式的に示す断面図である。
図13に示す第2実施形態の防音構造10eは、図1に示す第1実施形態の防音構造10の第2吸音セル20bの代わりに、第2吸音セル20cを用いる構造であり、第2吸音セル20cを除いて同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の番号を付し、その説明は省略する。
ここで、第1吸音セル20a、及び第2吸音セル20cは、それぞれ本発明の第1共振型吸音セル、及び第2共振型吸音セルとして機能するもので、第1吸音セル20aの第1共振周波数と、第2吸音セル20cの高次(好ましくは2次)の共振周波数とが一致するものである。したがって、吸音セル20a、及び吸音セル20cは、吸音セル20a、及び吸音セル20bと同様に、区別の必要がない場合には、吸音セル20として説明する。
なお、第2吸音セル20cは、開口12を持つ枠14bと、それぞれ、貫通孔24を備え、枠14bの開口12の周囲に固定され、かつ開口12の両端部を覆う2層板(穿孔板)26(26a、及び26b)とを有するものである。
なお、図13に示す例では、第2吸音セル20cは、それぞれ開口12の両端部を覆う2層の穿孔板26(26a及び26b)を有するものであるが、本発明はこれに限定されない。本発明は、枠14bの開口12の周囲に固定され、開口12を覆い、貫通孔24を有する穿孔板であれば、3層以上の穿孔板を有していても良い。即ち、本実施形態の第2吸音セル20cは、少なくとも2層の多層(穿孔)板を有していれば良い。
即ち、貫通孔24aを持つ穿孔板26aと貫通孔24bを持つ穿孔板26bとは一体化して音波に作用し、一方の板の貫通孔(例えば穿孔板26aの貫通孔24a)に入射した共振周波数の音波はヘルムホルツ型の共鳴によって共振し、他方の板の貫通孔(例えば穿孔板26bの貫通孔24b)から出射した共振周波数の音波は位相を反転させてヘルムホルツ型の共鳴によって共振する。
ここで、穿孔板26aの貫通孔24a及び穿孔板26bの貫通孔24bは、第2吸音セル20cの内部空間と外部空間とを連通しているので、本発明の開放部の一部を構成することになる。即ち、本実施形態では、本発明の開放部は、開放セル22の開口12と、連通する貫通孔24a及び貫通孔24bとを含む。
ここで、穿孔板26aは、貫通孔24aを有し、貫通孔24aを除いて、自身の背面に枠14c及び他方の穿孔板26bによって形成される空間を穿孔板26bの貫通孔24bを除いて閉じられた擬似的な閉空間とするためのものである。逆に、穿孔板26bは、貫通孔24bを有し、貫通孔24bを除いて、自身の背面に枠14c及び他方の穿孔板26aによって形成される空間を穿孔板26aの貫通孔24aを除いて閉じられた擬似的な閉空間とするためのものである。
このような穿孔板26は、その貫通孔24が共鳴孔として背面の擬似的な閉空間と外気と連通してヘルムホルツ共鳴に類似したヘルムホルツ型の共鳴による吸音作用を生じさせることができれば良いので、図1に示す吸音セル20bの膜18bのように、膜振動をする必要はない。したがって、穿孔板26は、図1に示す吸音セル20bの膜18bに比べて高い剛性を有する部材であっても良いし、厚さも厚い部材であっても良い。
図13に示す例では、穿孔板26が用いられているが、本発明はこれに限定されず、ヘルムホルツ型の共鳴による吸音の効果を生じさせることができれば、膜材料からなる貫通孔有膜であっても良い。ヘルムホルツ型防音セルとして用いられる吸音セル20cに用いられる膜は、ヘルムホルツ共鳴周波数においてヘルムホルツ型共鳴による吸音より膜振動による吸音が小さければ、又は膜振動による吸音を生じさせることがなければ、上述した振動膜型防音セルである図1に示す吸音セル20bの膜18bの膜材料と同様な膜材料を用いることができる。しかしながら、吸音セル20cに用いられる膜は、吸音セル20bの膜18bの膜材料より高い剛性を有する膜とする必要があり、厚さも厚い膜である必要がある。
なお、ヘルムホルツ型防音セルである吸音セル20cとして、貫通孔有膜を用いる場合には、膜の厚みが薄いときはヘルムホルツ型共鳴の共振周波数が高周波側になってしまうことと、膜振動とお互いに邪魔しあってしまうため、板材料からなる穿孔板26を用いることが好ましい。
ここで、穿孔板26に穿孔される貫通孔24は、図13に示すように、枠14bの開口12を覆う穿孔板26内に1個又は2個以上穿孔されていれば良い。また、貫通孔24の穿孔位置は、図13に示すように穿孔板26内の真中であっても良いが、本発明はこれに限定されず、穿孔板26の真中である必要はなく、どの位置に穿孔されていても良い。
即ち、単に、貫通孔24の穿孔位置が変わっただけでは、吸音セル20cの吸音特性は変化しない。
図13に示す例では、穿孔板26aの貫通孔24aと、穿孔板26bの貫通孔24bとは、通気性の点から、風としての空気を通り易くするために、同じ位置に設けられているが、本発明はこれに限定されない。
ここで、吸音セル20cにおいて、2つの穿孔板26に穿孔される貫通孔24は、通気性の点からは、1つの貫通孔24で構成することが好ましい。その理由は、一定の開口率の場合、風としての空気の通り易さは、一つの孔が大きく境界での粘性が大きく働かない場合の方が大きいためである。
本実施形態においては、穿孔板26内の貫通孔24の開口率(面積率)は、特に制限的ではなく、吸音特性に応じて適宜設定すれば良いが、0.01%〜50%であることが好ましく、0.05%〜30%であることがより好ましく、0.10%〜10%であることが更に好ましい。貫通孔24の開口率を上記範囲に設定することにより、選択的に防音するべき防音周波数帯域の中心となる吸音ピーク周波数を適切に調整できる。
このため、穿孔板26内の1個の貫通孔24、又は、複数個の貫通孔24を同一サイズとすると、レーザ加工、パンチング、又は針加工で穴をあける場合に、加工装置の設定や加工強度を変えることなく連続して穴をあけることができる。
貫通孔24のサイズは、上述した加工方法で適切に穿孔できれば、どのようなサイズでも良く、特に限定されない。
しかしながら、貫通孔24のサイズは、その下限側では、レーザの絞りの精度等のレーザ加工の加工精度、又はパンチング加工もしくは針加工などの加工精度や加工の容易性などの製造適性の点からは、2μm以上でも可能である。しかしながら、貫通孔24のサイズが小さすぎると、貫通孔24の透過率が小さすぎるために摩擦が生じる前に音が侵入せず、吸音効果が十分に得られないために、貫通孔24のサイズ、即ち口径は、0.25mm以上であることが好ましい。
本発明では、枠14bのサイズは0.5mm〜200mmであることが好ましいので、貫通孔24のサイズ(口径)の上限値も200mm未満となる。しかしながら、貫通孔24が大きすぎると、貫通孔24のサイズ(口径)が大きすぎて貫通孔24の端部で生じる摩擦の効果が小さくなるので、枠14bのサイズが大きい場合でも、貫通孔24のサイズ(口径)の上限値は、mmオーダとしておくことが好ましい。通常、枠14bのサイズはmmオーダであることが多いので、貫通孔24のサイズ(口径)の上限値もmmオーダとなることが多い。
なお、貫通孔24が、ヘルムホルツ型共鳴による吸引作用を生じさせる共鳴孔として機能させる必要があるので、貫通孔24のサイズは、ヘルムホルツ型共鳴による吸引作用を生じさせる必要がある。したがって、ヘルムホルツ型共鳴が生じる口径0.25mm以上であることが好ましく、上限は、枠14のサイズ未満である必要があるが、10mm以下がより好ましく、5mm以下が更に好ましい。
以上から、貫通孔24のサイズは、口径で、0.25mm〜10mmであることがより好ましく、0.3mm〜10mmであることが更に好ましく、0.5mm〜5mmであることが最も好ましい。
図14及び15に示すように、ヘルムホルツ型の共鳴孔となる貫通孔24a及び24bの他に、開放セル22の大きな開口12を設けても、50%超の吸収率が維持されることが分かる。
なお、この時、最大吸収周波数は、第1吸音セル20aと第2吸音セル20cとで一致する周波数に略等しいと言うことができる。なお、図14及び図15には、防音特性として、吸収率に加えて、透過率T及び反射率Rも示されている。
また、図17に、図16に菱形で示すピーク吸収率Aを、横軸を開放距離から開口率に変換して示す。図17に示す吸収率は、図16に菱形で示すピーク吸収率Aの20個の点に対する開放セル22の開口12の開放距離を、防音構造10eの表面積に対する開放セル22の開口12、及び貫通孔24a(又は24b)の面積の和の比として表される開口率に変換したものである。
図16及び図17に示すように、大きくとった開放セル22の開口12に、更に貫通孔24a(又は24b)を加えて、開放部を大きくとっても、ヘルムホルツ型の共鳴による共振時の吸収特性は、50%超であり、高い状態で維持されることが分かる。
図18は、図13に示す防音構造10eの第1吸音セル20aと、第2吸音セル20cとの配置を入れ替えた構造の防音構造10fを示す。なお、図18に示す防音構造10fと図13に示す防音構造10eとの差異は、図1に示す防音構造10と図6に示す防音構造10aとの差異と同様であるので、その説明は省略する。
なお、本実施形態において、図7に示す防音構造10bと同様に、図示しないが、開放セル22を第1吸音セル20aと、第2吸音セル20cとの間に配置しても良い。
図19の膜変位の局所速度から、1層(単層)の膜18aを有する吸音セル20aにおいては、通常の第1共振周波数モードの膜の変位、即ち入射音圧により、膜18aの中央部に大きな振動状態が生じていることが分かる。また、2層穿孔板26a及び26bを有する吸音セル20cにおいては、入射音圧により、穿孔板26aの貫通孔24a及び穿孔板26bの貫通孔24bの外側の空気が反対方向に動く共振モードのヘルムホルツ型共鳴による共振が生じていることが分かる。これは以下のように説明できる。図19に示すように、吸音セル20aと20cとは、入射音圧により、同時に膜18aが押され、穿孔板26aの貫通孔24a内に空気が押し込まれる。しかしながら、吸音セル20cでは、音波の出射側、即ち音波の入射方向とは逆側において音波の位相が反転して、膜18aと穿孔板26bの貫通孔24bとの間において、膜18aを透過した波と、貫通孔24bを透過したヘルムホルツ型共鳴による波が干渉する関係になるからである。図19から、吸音セル20aの膜18aを透過した音波、及び開放セル22を透過した音波は、吸音セル20cの穿孔板26bの貫通孔24bに吸引され、それぞれその位相が反転して吸音セル20cの穿孔板26bの貫通孔24bに入射し、貫通孔24bを透過した音波と打ち消し合いを起こして透過波が小さくなることがわかる。
図20は、本発明の第3実施形態に係る防音構造の一例を模式的に示す断面図である。
図20に示す第3実施形態の防音構造10gは、図7に示す第1実施形態の防音構造10bの第2吸音セル20bの代わりに、ヘルムホルツ共鳴器である第2吸音セルを用いる構造であり、第2吸音セルを除いて同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の番号を付し、その説明は省略する。但し、第2吸音セルのヘルムホルツ共鳴器の共鳴孔が貫通孔として第1吸音セル20aの膜18aの膜面に垂直に配置された穿孔板に穿孔されており、この穿孔板が開放セル22の枠を構成する点でも異なると言える。即ち、第2吸音セルは、ヘルムホルツ共鳴器を、共鳴孔を開放セル22側に向けて、横向きに配置したものである。
ここで、第1吸音セル20a、及び第2吸音セル20dは、それぞれ本発明の第1共振型吸音セル、及び第2共振型吸音セルとして機能するものである。更に、第1吸音セル20aの第1共振周波数と、第2吸音セル20dの高次(好ましくは2次)の共振周波数とが一致するものである。したがって、吸音セル20a、及び吸音セル20dは、吸音セル20a、及び吸音セル20bと同様に、区別の必要がない場合には、吸音セル20として説明する。
なお、第2吸音セル20dは、開口12を持つ枠14dと、それぞれ、貫通孔28を備え、枠14dの開口12の周囲に固定され、かつ開口12の一方の端部を覆う穿孔板30と、枠14dの開口12の周囲に固定され、かつ開口12の他方の端部を覆う背面板32と、を有するものである。なお、本発明の第2吸音セル20dにおいて、貫通孔28を備える穿孔板30を固定する枠14dと、枠14dの開口12の他方の端部を覆う背面板32とは、穿孔板30を固定し、穿孔板30の背面の閉空間を構成する筐体34を構成するものである。即ち、吸音セル20dは、共鳴孔となる貫通孔28の開いた穿孔板30、又は膜の背面に閉空間体積(空洞)があり、この空洞が共鳴孔を介して外気と連通しヘルムホルツ共鳴による吸音作用を生じさせて吸音するヘルムホルツ防音セルである。
枠14dは、図1及び図13に示す防音構造10及び10eの吸音セル20a、20b、及び開放セル22、並びに吸音セル20cの枠14a、14b、及び14cと同様の構成を有するものであれば良いので、その説明は省略する。
穿孔板30は、貫通孔28が共鳴孔として背面の閉空間と外気と連通してヘルムホルツ共鳴による吸音作用を生じさせることができれば良いので、図1に示す吸音セル20bの膜18bのように、膜振動をする必要はない。したがって、穿孔板30は、図1に示す吸音セル20bの膜18bに比べて高い剛性を有する部材であっても良いし、厚さも厚い部材であっても良い。
図20に示す例では、穿孔板30が用いられているが、本発明はこれに限定されず、ヘルムホルツ共鳴による吸音の効果を生じさせることができれば、膜材料からなる貫通孔有膜であっても良い。ヘルムホルツ防音セルとして用いられる吸音セル20dに用いられる膜は、ヘルムホルツ共鳴周波数においてヘルムホルツ共鳴による吸音より膜振動による吸音が小さければ、又は膜振動による吸音を生じさせることがなければ、上述した振動膜型防音セルである図1に示す吸音セル20bの膜18bの膜材料と同様な膜材料を用いることができる。しかしながら、吸音セル20dに用いられる膜は、吸音セル20bの膜18bの膜材料より高い剛性を有する膜とする必要があり、厚さも厚い膜である必要がある。
なお、ヘルムホルツ防音セルである吸音セル20dとして、貫通孔有膜を用いる場合には、膜の厚みが薄いときはヘルムホルツ共鳴の共振周波数が高周波側になってしまうことと、ヘルムホルツ共鳴と膜振動とを互いに邪魔しあってしまうため、板材料からなる穿孔板30を用いることが好ましい。
ここで、穿孔板30に穿孔される貫通孔28は、ヘルムホルツ共鳴による吸引作用を生じさせることができるものであり、図13及び図18に示す吸音セル20cの穿孔板26に穿孔される貫通孔24と同様な上述した構成とすればよい。
本実施形態において、貫通孔28は、第1吸音セル20aの膜18aの膜面に垂直な開放セル22に配置された穿孔板30に穿孔されているので、開放セル22の内壁面に形成されていることになる。即ち、吸音セル20dは、枠14dを枠14aと直交するように配置し、かつ貫通孔28が開放セル22の内壁面に形成されるように、横向きに配置されるが、本発明はこれに限定されない。吸音セル20dは、貫通孔28が形成された穿孔板30が第1吸音セル20aの膜18aの膜面と平行になるように配置しても良いし、他の位置になるように配置しても良い。
また、背面板32は、穿孔板30の背面に枠14dによって形成される空間を閉空間とするための板状部材であるので、枠14dと一体化されていても良いし、同一材料によって一体的に形成しても良い。
図21に示すように、図1、及び図7に示す2層膜18bを用いる2層膜構造の第2吸音セル20bを用いた防音構造10、又は図13に示す貫通孔24を有する2層穿孔板26を用いる2層板孔構造の第2吸音セル20cを用いた防音構造10eの代わりに、ヘルムホルツ共鳴孔となる貫通孔28を横置きにした横置きヘルムホルツ構造の第2吸音セル20dを用いた防音構造10gを用いたとしても、単層膜18aとの打ち消し合い干渉を生じさせることができる。
また、本発明の防音構造では、可聴域内の低〜中周波数の任意の周波数を強く吸収する技術として、錘などの余分な構造物を付け加える必要がなく、最もシンプルな構成として枠と膜のみで構成される枠−膜構造、及び/又は枠−穿孔板構造からなるので、製造適性に優れ、コストの観点からも優位性がある。
また、本発明の防音構造では、膜の物性のうちの堅さ、密度、及び/又は膜の厚みによって防音効果が決めることができ、他の物性に依存する必要がないため、及び/又は枠の物性及び寸法によっても、防音効果が決めることができるため、難燃性、高透過性、生体適合性、断熱性、及び電波透過性など様々な他の優れた物性と組み合わせることができる。例えば、電波透過性に関しては、アクリルなど電気伝導度のない枠材質と誘電体膜の組み合わせでは電波透過性が確保され、一方で、アルミニウムなど電気伝導度の大きな枠材質や金属膜で全面を覆うことにより、電波を遮蔽できる。
[難燃性]
建材や機器内防音材として本発明の防音構造を持つ防音部材を使用する場合、難燃性であることが求められる。
そのため、膜は、難燃性のものが好ましい。膜としては、例えば難燃性のPETフィルムであるルミラー(登録商標)非ハロゲン難燃タイプZVシリーズ(東レ社製)、テイジンテトロン(登録商標)UF(帝人社製)、及び/又は難燃性ポリエステル系フィルムであるダイアラミー(登録商標)(三菱樹脂社製)等を用いればよい。
また、枠も、難燃性の材質であることが好ましく、アルミニウム等の金属、セミラックなどの無機材料、ガラス材料、難燃性ポリカーボネート(例えば、PCMUPY610(タキロン社製))、及び/又は難燃性アクリル(例えば、アクリライト(登録商標)FR1(三菱レイヨン社製))などの難燃性プラスチックなどが挙げられる。
さらに、膜を枠に固定する方法も、難燃性接着剤(スリーボンド1537シリーズ(スリーボンド社製))、半田による接着方法、又は2つの枠で膜を挟み固定するなどの機械的な固定方法が好ましい。
環境温度変化にともなう、本発明の防音構造の構造部材の膨張伸縮により防音特性が変化してしまう懸念があるため、この構造部材を構成する材質は、耐熱性、特に低熱収縮のものが好ましい。
膜は、例えばテイジンテトロン(登録商標)フィルム SLA(帝人デュポン社製)、PENフィルム テオネックス(登録商標)(帝人デュポン社製)、及び/又はルミラー(登録商標)オフアニール低収縮タイプ(東レ社製)などを使用することが好ましい。また、一般にプラスチック材料よりも熱膨張率の小さいアルミニウム等の金属膜を用いることも好ましい。
また、枠は、ポリイミド樹脂(TECASINT4111(エンズィンガージャパン社製))、及び/又はガラス繊維強化樹脂(TECAPEEK GF30(エンズィンガージャパン社製))などの耐熱プラスチックを用いること、及び/又はアルミニウム等の金属、又はセラミック等の無機材料やガラス材料を用いることが好ましい。
さらに、接着剤も、耐熱接着剤(TB3732(スリーボンド社製)、超耐熱1成分収縮型RTVシリコーン接着シール材(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製)、及び/又は耐熱性無機接着剤アロンセラミック(登録商標)(東亜合成社製)など)を用いることが好ましい。これらの接着剤を膜または枠に塗布する際は、1μm以下の厚みにすることで、膨張収縮量を低減できることが好ましい。
屋外や光が差す場所に本発明の防音構造を持つ防音部材が配置された場合、構造部材の耐侯性が問題となる。
そのため、膜は、特殊ポリオレフィンフィルム(アートプライ(登録商標)(三菱樹脂社製))、アクリル樹脂フィルム(アクリプレン(三菱レイヨン社製))、及び/又はスコッチカルフィルム(商標)(3M社製)等の耐侯性フィルムを用いることが好ましい。
また、枠材は、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリル(アクリル)などの耐侯性が高いプラスチックやアルミニウム等の金属、セラミック等の無機材料、及び/又はガラス材料を用いることが好ましい。
さらに、接着剤も、エポキシ樹脂系のもの、及び/又はドライフレックス(リペアケアインターナショナル社製)などの耐侯性の高い接着剤を用いることが好ましい。
耐湿性についても、高い耐湿性を有する膜、枠、及び接着剤を適宜選択することが好ましい。吸水性、耐薬品性に関しても適切な膜、枠、及び接着剤を適宜選択することが好ましい。
長期間の使用においては、膜表面にゴミが付着し、本発明の防音構造の防音特性に影響を与える可能性がある。そのため、ゴミの付着を防ぐ、または付着したゴミを取り除くことが好ましい。
ゴミを防ぐ方法として、ゴミが付着し難い材質の膜を用いることが好ましい。例えば、導電性フィルム(フレクリア(登録商標)(TDK社製)、及び/又はNCF(長岡産業社製))などを用いることで、膜が帯電しないことで、帯電によるゴミの付着を防ぐことができる。また、フッ素樹脂フィルム(ダイノックフィルム(商標)(3M社製))、及び/又は親水性フィルム(ミラクリーン(ライフガード社製)、RIVEX(リケンテクノス社製)、及び/又はSH2CLHF(3M社製))を用いることでも、ゴミの付着を抑制できる。さらに、光触媒フィルム(ラクリーン(きもと社製))を用いることでも、膜の汚れを防ぐことができる。これらの導電性、親水性、及び/又は光触媒性を有するスプレー、及び/又はフッ素化合物を含むスプレーを膜に塗布することでも同様の効果を得ることができる。
付着したゴミを取り除く方法としては、膜の共鳴周波数の音を放射し、膜を強く振動させることで、ゴミを取り除くことができる。また、ブロワー、又はふき取りを用いても同様の効果を得ることができる。
[風圧]
強い風が膜に当たることで、膜が押された状態となり、共鳴周波数が変化する可能性がある。そのため、膜上に、不織布、ウレタン、及び/又はフィルムなどでカバーすることで、風の影響を抑制することができる。
本発明の防音構造は、基本的に以上のように構成される。
例えば、本発明の防音構造を持つ防音部材としては、
建材用防音部材:建材用として使用する防音部材、
空気調和設備用防音部材:換気口、空調用ダクトなどに設置し、外部からの騒音を防ぐ防音部材、
外部開放部用防音部材:部屋の窓に設置し、室内又は室外からの騒音を防ぐ防音部材、
天井用防音部材:室内の天井に設置され、室内の音響を制御する防音部材、
床用防音部材:床に設置され、室内の音響を制御する防音部材、
内部開放部用防音部材:室内のドア、ふすまの部分に設置され、各部屋からの騒音を防ぐ防音部材、
トイレ用防音部材:トイレ内またはドア(室内外)部に設置、トイレからの騒音を防ぐ防音部材、
バルコニー用防音部材:バルコニーに設置し、自分のバルコニーまたは隣のバルコニーからの騒音を防ぐ防音部材、
室内調音用部材:部屋の音響を制御するための防音部材、
簡易防音室部材:簡易に組み立て可能で、移動も簡易な防音部材、
ペット用防音室部材:ペットの部屋を囲い、騒音を防ぐ防音部材、
アミューズメント施設:ゲームセンター、スポーツセンター、コンサートホール、映画館に設置される防音部材、
工事現場用仮囲い用の防音部材:工事現場を覆い周囲に騒音の漏れを防ぐ防音部材、
トンネル用の防音部材:トンネル内に設置し、トンネル内部および外部に漏れる騒音を防ぐ防音部材、等を挙げることができる。
本発明の防音構造について遮音特性の解析を行った。以下に、実施例1〜13を示す。
(実施例1)
図1に示すように、20mm角の開口12を持つ枠14aを作製し、膜18aとして188μmのPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム(東レ株式会社 ルミラー)を用い、その周縁部を枠14aに固定し、接着して第1吸音セル20a(セルA)を製作した。枠14aの奥行方向厚み(枠厚Lt)は、15mmであり、セルAではPETフィルムは、片側のみに固定される。枠14aのフレーム部分の厚み(枠幅Lw)は0.5mmであった。
また、枠14aと同様に、20mm角の開口12を持ち、同一厚みの枠14bに、膜18bとして100μmのPETフィルム(東レ株式会社 ルミラー)を用い、その周縁部を枠14bの両端に固定し、接着して第1吸音セル20b(セルB)を製作した。即ち、PETフィルム同士の距離は、15mmとなる。
このセルAとセルBとを組み合わせ、更に、本発明の開放部として20mm角の開口12を持ち、膜18を取り付けずに開放された状態の枠14cからなる開放セル22を組み合わせて、本発明の防音構造10である実施例1の防音構造を作製した。この時、開口率は、フレーム厚み(枠幅Lw)も考慮して28%となった。
一般にマイク間距離が大きいほど低周波は測定ノイズが小さくなり、一方で、高周波側で波長/2よりマイク間距離が長くなると原理上測定ができなくなる。よって、マイク間距離を変えながら複数回測定した。また、音響管が太いことで、高周波側で高次モードの影響で測定ができなくなるため、音響管の径も複数種類使用して測定を行った。
得られた吸収率、透過率、及び反射率を図4に示した。また、表2に、実施例1の開口率、吸収ピーク周波数、及びピーク吸収率を示した。
図4及び表2から、吸収率が1420Hzを中心にして、50%を大きく超えて、79%の吸収率を示していることが分かる。
上記セルAと開放部(開放セル22)のみで測定を行った。開放部の開口率を28%となるように調整した。
(比較例2)
上記のセルBと開放部(開放セル22)のみで測定を行った。開放部の開口率を28%となるように調整した。比較例1及び2の吸収率を実施例1の吸収率と比較した。結果を図5に示した。また、表2に、比較例1及び2の開口率、吸収ピーク周波数、及びピーク吸収率を示した。
図5及び表2から、比較例1、及び比較例2ともに、吸収率の最大値は50%を超えないことが分かる。よって、音の近接場干渉がもしなかったとしたら、実施例1のようにセルAとセルBを同一平面上に並べただけの構成では50%程度の吸収率にしかならないはずである。
この防音構造の系は、膜振動と空気中の音波の相互作用系であるため、音響と振動の連成解析を用いて解析を行った。具体的には、有限要素法の解析ソフトウェアであるCOMSOLver5.0の音響モジュールを用いて設計を行った。まず、固有振動解析によって第1固有振動周波数を求めた。次に、周期構造境界中で周波数スイープによる音響構造連成解析を行って、正面から入射する音波に対する各周波数における音響特性を求めた。
この設計に基づいて、サンプルの形状や材質を決定した。実験結果における吸収ピーク周波数とシミュレーションからの予測はよく一致した。
(参考例1)
上記セルAとセルBを組み合わせただけの、開放部を有さない構造を作成した。この場合、開口率がゼロとなる。表2に、参考例1の開口率、吸収ピーク周波数、及びピーク吸収率を示した。表2から、音に関しては、参考例1は、実施例1と同様の干渉による打消し合いが生じ、1420Hzで87%の吸収を示すことが分かる。
実施例1において、開放部(開放セル22の開口12)の大きさを調整して開口率を変化させた構造を作成した。実施例1では、20mm角の枠14cの開口12を開放部として用いたが、その代わりに、開放部(開放セル22の開口12)の一辺は20mmと固定し、もう一辺を10mmから100mmまで10mmごとに変化させた(20mmが実施例1、10mmが実施例2、30mmが実施例3、以下大きさN×10mm(Nは、4〜9の整数)の順番に実施例Nとし、100mmが実施例10となる。)。
比較例3として、比較例2に用いたセルBと開放部のみで構成される構造を作製した。
実施例1〜10、及び参考例1では、開口12の全ての大きさの水準で、吸収ピーク周波数は、1420Hzとなった。実施例1〜10、比較例1〜3、及び参考例1のピーク吸収率を表2に示した。実施例1〜10では、開放部(開口12)が大きくなり、開口率が大きくなるほどにピーク吸収率は小さくなるが、50%以上の吸収率を示し、開口率を55%と大きくとった場合においても、吸収率61%と高い吸収率を示すことが分かる。これに対し、比較例1〜3では、ピーク吸収率は、それぞれ40%、49%、及び42%となり50%未満で50%を超えず、本発明の複合防音構造と比較すると小さな吸収率であったことが分かる。
図8A及び図8Bに示す結果から明らかなように、開放部が端部にある防音構造10では、開口率が20%程度で吸収率は80%を超えており、開口率が60%程度でも吸収率は50%を超えている。これに対し、開放部が中央にある防音構造10bでは、開口率が20%程度でも吸収率は75%程度で80%を下まわっており、開口率が60%程度では吸収率は30%を下まわっている。
図8A及び図8Bに示すように、開放部(開放セル22)が端部にあっても、中央にあっても、開口率が大きくなるほどにピーク吸収率は小さくなるが、入射音波に対して相互作用する第1吸音セル20aと第2吸音セル20bとは、近くに配置されることが好ましいことが分かる。
なお、図8Bから、周波数1400Hzでは、波長λは、0.243m(24.3cm)となるため、2セル間の距離が、λ/4、即ち0.0608m(6.08cm)以上では、開放部が端部にある場合も、開放部が中央にある場合も、吸収率が低下していることから、2セル間の距離は、λ/4未満であることが好ましいことが分かる。
図8A、及び図8Bより明らかなように、本発明の防音構造では、高開口率、かつ高吸収を実現でき、開口率が60%程度以上と高い状態においても、大きな吸収率を実現できる。
開放セル22の開口12のサイズは、開口12の長方形の大きさ(サイズ)を、1辺を20mmとし、他方の辺を2mm毎に2mm〜18mmに変更した。また、開放部が無い構造の音の吸収特性、及び透過特性も求めた。なお、枠14(14a、14b、及び14c)の枠幅(Lw)は、1mmである。
図9に示すように、本発明の防音構造10bでは、開口12のサイズを変更しても、吸収率は、ほぼ変化せず、共鳴周波数(吸収ピーク周波数1420Hz)での高いピーク吸収率はほぼ変化しないことが分かる。即ち、本発明の防音構造10bでは、ピーク吸収率は、開放部のサイズが大きくなるほどにわずかに小さくなるが、70%以上を示し、ほとんど変化しないことが分かる。
図10に示すように、本発明の防音構造10bでは、音の透過率は、開放部のサイズが小さくなるにつれて少しずつ小さくなるが、音のバリー(valley)(最小)透過率も、10数%以下で、開放部のサイズが小さくなるほどにわずかに小さくなり、0%に近づくことが分かる。
図13に示すように、アクリル板2mm厚みを用意し、実施例1における枠14の開口12と一致するようにレーザーカッターで加工した。そのアクリル板中央部にレーザーカッターによって直径2mmの円形の貫通孔24を形成した。この構造を2枚作製した。
20mm角の枠14の開口12を作製し、枠14の奥行方向(枠厚)は4.5mmとした。その両面に貫通孔24を形成したアクリル板からなる穿孔板26の端部を枠14の両方の開口12の周辺部に固定し、接着した。即ち、4.5mmの距離をあけて、貫通孔24を備える2枚の穿孔板26が向かい合う構造の吸音セル20c(セルC)を作製した。その隣の枠14aの開口12に、実施例1と同様にPET188μmの単層膜18aを取り付けた構造の吸音セル20a(セルA)を作製した。
このセルAとセルCが隣り合う構造とし、更に隣接した部分に開放セル22を設けた。開口12は、一辺20mmの正方形とし、全体の開口率は30%となるようにした。この開放セル22付き防音構造10cの音響管測定を行った。その結果を表2及び図14に示した。
表2及び図14から、吸収率は、ピーク(極大)を持ち、1450Hzにおいて70%の吸収を示した。
実施例11と同様に、セルAとセルCが隣り合う構造に、更に隣接した部分に開放セル22を設けた。開放セル22の開口12は、40mm×20mmの長方形開口とし、全体の開口率は47%となるようにした。この開放セル22付き防音構造10cの音響管測定を行った。その結果を表2及び図15に示した。
吸収率は、ピーク(極大)を持ち、1440Hzにおいて64%の吸収を示した。
図15から、実施例11及び12より、単層膜18aと貫通孔24付穿孔板26の組合せ防音構造10bに関して、大きな開放セル22の開口12を設けても吸収率が50%を超える状態は維持されることが分かる。
実施例11と同様に、セルAとセルCとが隣り合う構造とし、更に隣接した部分に、開口12の大きさ(サイズ)の異なる開放セル22を設けた。開放セル22の開口12は、一辺20mmとし、他の辺を5mmから100mmまで、5mm刻みで変化させた。他の辺が20mmの場合、開放距離は20mmであり、全体の開口率は30%であった。この開放セル22付き防音構造10cの音響管測定を他の辺の長さを変えながら行った。その結果を図16及び図17に示した。
図16及び図17に示すように、大きくとった開放セル22の開口12に、更に貫通孔24a(又は24b)を加えて、開放部を大きくとっても、ヘルムホルツ型の共鳴による共振時の吸収特性は、50%超であり、高い状態で維持されることが分かる。
図20に示すように、実施例11で用いた、直径2mmの貫通孔28有アクリル板を穿孔板30として用意し、それを一辺20mmの枠14dの開口12に取り付けた。背面厚みを5mmとして、背面側を貫通孔のないアクリル板からなる背面板32で閉じ切った防音構造10fとした。この防音構造10fは、貫通孔の背後に閉空間のある、いわゆるヘルムホルツ共鳴構造として機能する。このセルをセルDとする。
セルAとセルDを組み合わせて配置する。その際に、セルDは背面板32が壁に設置するように配置して音響管内の音の進行方向と、穿孔板30が平行になるような配置で用いる。セルAとの距離を12mmとして、これらの組合せの音響管測定を行った。この際の開口率は39%となる。その結果を表2及び図21に示した。
図21に示すように、吸収率は極大を持ち、69%の吸収を示した。このような構造においても、50%を超える吸収が現れた。
単層膜を通過するときの位相変化と、複数層や横置きの共鳴構造を通過するときの位相変化がそれぞれ打ち消し合うような関係となるため、共鳴同士の透過波がお互いを打ち消し合い、吸収が増大するメカニズムであることが分かる。
以上から、本発明の防音構造の効果は、明らかである。
12 開口
14、14a、14b、14c、14d 枠
16 枠体
18、18a、18b、18b1、18b2 膜
20、20a、20b、20c、20d 吸音セル
22 開放セル
24、24a、24b、28 貫通孔
26、26a、26b、30 穿孔板
32 背面板
34 筺体
Lt 枠厚
Lw 枠幅
Claims (21)
- 異なる種類の2種類以上の共振型吸音セルと、開放部とを有し、
前記開放部は、異なる種類の2種類以上の共振型吸音セルの内の2つの共振型吸音セルの双方に接する位置に配置され、又は前記2つの共振型吸音セルが互いに隣接し、更にその少なくとも一方の前記共振型吸音セルに隣接する位置に配置される防音構造であって、
一方の種類の第1共振型吸音セルの共振周波数と、前記第1共振型吸音セルと異なる他方の種類の第2共振型吸音セルの共振周波数とが一致するものであり、
前記第1共振型吸音セルは、開口を持つ枠と、該枠の前記開口の周囲に固定され、前記開口を覆う膜とを有するものであり、
前記開放部は、前記第1共振型吸音セルの外側、及び前記第2共振型吸音セルの外側に設けられている空間であることを特徴とする防音構造。 - 前記膜は、単層膜である請求項1に記載の防音構造。
- 前記膜を有する前記第1共振型吸音セルの第1共振周波数と、前記第2共振型吸音セルの共振周波数が一致する請求項1、又は2に記載の防音構造。
- 前記枠のサイズである円相当半径をam、前記膜の厚みをtm、前記膜のヤング率をEPa、前記膜の密度をdkg/m3とする時、下記式(1)で表されるパラメータBが、15.47以上235000以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の防音構造。
B=t/a2*√(E/d) …(1) - 前記開放部は、開口を持つ枠からなる開放セルである請求項1〜4のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記開放部は、筒状である、又は前記開放部の四方で音の動きが制限される長さを持つ壁状の構造で囲まれている請求項1〜5のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記第1共振型吸音セルと、その最も距離の近い前記第2共振型吸音セルとの間の距離が、前記共振周波数における波長をλとしたときにλ/4未満であるという条件を満たす前記第1共振型吸音セルが、全ての前記第1共振型吸音セルの中の60%以上を占める請求項1〜6のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記第2共振型吸音セルは、開口を持つ枠と、該枠の前記開口の周囲に固定され、それぞれ前記開口を覆う少なくとも2層の膜とを有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記少なくとも2層の膜は、前記枠の前記開口の両側の周囲にそれぞれ固定され、それぞれ前記開口を覆う2層の膜である請求項8に記載の防音構造。
- 前記第2共振型吸音セルは、開口を持つ枠と、それぞれ、貫通孔を備え、前記枠の前記開口の周囲に固定される少なくとも2層の板とを有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記少なくとも2層の板は、それぞれ前記貫通孔を備え、前記枠の前記開口の両側の周囲にそれぞれ固定され、それぞれ前記開口を覆う2層の板である請求項10に記載の防音構造。
- 前記開放部は、更に、前記少なくとも2層の板がそれぞれ有する前記貫通孔を含む請求項10、又は11に記載の防音構造。
- 前記第2共振型吸音セルは、前記開口の両側を覆う前記2層の板にそれぞれ前記貫通孔を持ち、ヘルムホルツ共振に類似した共振を有する構造である請求項10〜12のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記開放部は、前記第1共振型吸音セルと前記第2共振型吸音セルとの間に設けられている空間を含む請求項1〜13のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記第1共振型吸音セルと前記第2共振型吸音セルとは、隣接した位置に配置され、
前記開放部は、前記第1共振型吸音セルと前記第2共振型吸音セルとの隣接側の反対側の前記第1共振型吸音セルの外側、又は前記第2共振型吸音セルの外側に設けられている空間を含む請求項1〜13のいずれか1項に記載の防音構造。 - 前記第2共振型吸音セルは、貫通孔を有する単層の板と、該板を固定し、前記板の背面の閉空間を構成する筐体とを有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の防音構造。
- 前記第2共振型吸音セルは、ヘルムホルツ共振を有する構造である請求項16に記載の防音構造。
- 前記第1共振型吸音セルと前記第2共振型吸音セルとは、間隔を開けて併設され、
前記第2共振型吸音セルの前記板の前記貫通孔は、前記第1共振型吸音セルに対向する位置に配置され、
前記開放部は、前記第1共振型吸音セルと前記第2共振型吸音セルとの間に設けられている部分を含む請求項16、又は17に記載の防音構造。 - 前記第1共振型吸音セル、及び前記第2共振型吸音セルは、ダクト内に配置されるものであり、
前記開放部は、前記第1共振型吸音セル、及び前記第2共振型吸音セルと前記ダクトの内壁との間の空間を含む請求項1〜18のいずれか1項に記載の防音構造。 - 前記第1共振型吸音セル及び前記第2共振型吸音セルにおいて一致する前記共振周波数は、10Hz〜100000Hzの範囲内に含まれる請求項1〜19のいずれか1項に記載の防音構造。
- 開口を持つ少なくとも3つの枠を有し、その中の少なくとも1つの第1の枠には膜が取り付けられて前記第1共振型吸音セルとして機能し、前記第1の枠とは異なる少なくとも1つの第2の枠には膜、又は板が取り付けられて前記第2共振型吸音セルとして機能し、更に前記第1の枠、及び第2の枠とは異なる少なくとも1つの第3の枠からなるセル構造は前記開放部として機能する請求項1〜20のいずれか1項に記載の防音構造。
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