JP6721456B2 - メタマテリアル反射体 - Google Patents

Description

本開示は、媒質中を伝播する音波の伝播特性を変化させることが可能なメタマテリアル反射体に関する。

媒質中における音波又は電磁波の伝播特性をコントロールすることは、様々な用途に利用可能である。例えば周辺環境に存在する騒音を低減するためには、可聴域の音波について強度を低下させたり、伝播方向や指向性を適切にコントロールすることが有効である。しかしながら、従来、このような伝播特性のコントロールは容易ではなく、例えば様々な産業機器を有するプラント設備における騒音対策としては、媒質中を伝播する音波が有する音エネルギを摩擦エネルギに変換して消費することにより消音作用を発揮する、いわゆるスプリッタ型の消音装置（サイレンサ）が普及している。

このようなスプリッタ型の消音装置の適用例として、例えば特許文献１及び２がある。特許文献１では、ダクト内に長手方向に沿って延びる吸音スプリッタを挿入することにより、ダクト内を伝播する音波を消音することが記載されている。また特許文献２には、発電プラントで稼働するガスタービンエンジンの下流側流路に吸音偏向板を設け、その更に下流側に吸音スプリッタを設置することにより消音を行う装置が開示されている。

一方、近年、媒質中の音波又は電磁波の伝播特性を変化させることができる新たな材質として、メタマテリアルが知られている。メタマテリアルは、媒質中の音波又は電磁波の波長より短い間隔で所定の遮蔽部材を配列することにより、透過する音波又は電磁波の電波特性を変化させることができる。非特許文献１では、このようなメタマテリアルに関する報告がなされており、媒質中に配列される複数の遮蔽部材の大きさに分布を与えることにより、透過する音波の指向性が高められることが記載されている。

特開平０６−０５１７８４号公報 特開２００３−０９７２９２号公報

Ｓｔｅｖｅｎ Ａ． Ｃｕｍｍｅｒ ｅｔ ａｌ， Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ８０，１７４３０３ （２００９）

スプリッタ型の消音装置では、上述したように、音波が有する音エネルギを摩擦エネルギに変換するため、音波又は電磁波の伝播経路において少なからず圧損が生じる。特にボイラやタービン等を含むプラント設備では、圧損はプラント性能に影響を与えやすいため、上記特許文献１及び２の技術を適用した場合、プラント性能の低下や流力騒音を引き起こすおそれがある。

一方、新たな材質であるメタマテリアルは、非特許文献１に示されるように透過音波の伝播特性のコントロールに有用であることが示されているものの、未だ実用化が十分ではなく、将来的な研究開発が有望視される分野である。

本発明の少なくとも１実施形態は上記事情に鑑みなされたものであり、メタマテリアルを利用することにより、適用対象の性能を低下させることなく、媒質中の伝播特性を精度よくコントロール可能なメタマテリアル反射体を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体は上記課題を解決するために、z音波又は電磁波の入射方向に向けて開口する開口部、及び、前記開口部に入射する前記音波又は前記電磁波に面するように前記開口部より奥側に配置される反射壁を含むハウジングと、前記ハウジング内に収容され、前記入射方向に沿って前記音波又は前記電磁波の波長より短い間隔で配列され、且つ、前記入射方向に対する単位面積当たりの開口率が不均一なクリアランスを有する複数の遮蔽部材と、を備える。

上記（１）の構成によれば、所定の入射方向を有する音波又は電磁波は、開口部からハウジングの内部に入射する。ハウジング内には複数の遮蔽部材が収容されており、入射方向に沿って音波又は電磁波の波長より短い間隔で配列されている。ここで複数の遮蔽部材は、音波又は電磁波が伝播する媒質に対して少なくとも密度及びヤング率のいずれか一方が異なる材料から形成されており、いわゆるメタマテリアルを構成している。そのため、ハウジングの内部に侵入した音波又は電磁波の速度は、遮蔽部材の配列構成に対応する所定値に変化する。ここで変化後の音波又は電磁波の速度は、複数の遮蔽部材の単位面積当たりの開口率に依存する。本構成では、単位面積当たりの開口率が不均一に設定されるため、音波又は電磁波の速度分布に少なからず偏りが生じ、その結果、所定の反射角度を有する反射波が生じる。

このように生じる反射波は、単位面積当たりの開口率の分布に基づいて精度よくコントロールできる。反射波のコントロール対象となるパラメータとしては、伝播速度や反射角度（反射方向）をはじめ、反射率や指向性等も含まれる。これにより、所望の特性を有する反射波を生じさせることができる。

また、このようなメタマテリアル反射体は、従来のスプリッタ型の消音装置のように、音波が有する音エネルギを摩擦エネルギに変換することがないので、圧損を招くことなく適用対象の性能を良好に維持できる。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記開口率は、前記入射方向の交差方向に沿って単調に増加又は減少する。

上記（２）の構成によれば、開口率が交差方向に沿って単調に変化するため、反射波の速度に勾配が形成される。その結果、勾配に応じた反射角度を有する反射波を精度よく形成できる。

（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記ハウジングは、前記入射方向に沿って延在し、前記ハウジングの内部を複数の空間に仕切る少なくとも１の仕切部材を含み、前記複数の遮蔽部材は、前記空間の各々にそれぞれ設けられる。

上記（３）の構成によれば、ハウジングに入射する音波又は電磁波は、仕切部材によって仕切られた複数の空間においてそれぞれ反射される。各空間で生じる反射波が互いに干渉すると、その影響によって反射角度が設計値から乖離することが懸念されるが、本構成では、互いに仕切部材によって隔離されているため干渉することがない。そのため、精度のよい反射角度のコントロールが可能となる。

（４）幾つかの実施形態では上記（３）の構成において、前記少なくとも１の仕切部材は、前記交差方向に沿って互いに平行に配列される複数の板状部材からなる。

上記（４）の構成によれば、互いに平行に配列される板状部材を用いて、ハウジング内に複数の空間を効率的に構築できる。

（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、前記複数の遮蔽部材は、前記仕切部材に沿って延在し、前記仕切部材及び前記ハウジングの内壁の少なくとも一方との間に前記クリアランスを有するように形成される。

上記（５）の構成によれば、遮蔽部材は仕切部材に沿って延在することにより、仕切部材又はハウジングの内壁との間に、単位面積当たりの開口率に寄与するクリアランスが設けられる。すなわち、この構成では各クリアランスの大きさを設定することで、単位面積当たりの開口率の分布を良好にコントロールできる。

（６）幾つかの実施形態では上記（５）の構成において、前記複数の遮蔽部材は、互いに等しい幅を有する板状部材からなる。

上記（６）の構成によれば、各空間に収容される複数の遮蔽部材は、互いに等しい幅を有する板状部材からなる。すなわち、各遮蔽部材は同一部材として形成されるため、製造コストが安く、構造もシンプルで良好な信頼性が得られる。

（７）幾つかの実施形態では上記（５）の構成において、前記仕切部材は、前記複数の空間の各々のサイズが等しくなるように仕切る。

上記（７）の構成によれば、複数の遮蔽部材が収容される各空間が同サイズに形成されるため、製造コストが安く、構造もシンプルで良好な信頼性が得られる。

（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか１構成において、前記ハウジングのうち前記開口部が前記音波又は前記電磁波の伝播経路に面するように前記伝播経路の側方に配置される。

上記（８）の構成によれば、メタマテリアル反射体は音波の伝播経路に面するように伝播経路の側方に配置される。そのため、伝播経路における媒体の圧力エネルギを消費することがない。その結果、圧損を生じることがなく、適用対象の性能低下を効果的に抑制できる。

（９）幾つかの実施形態では上記（８）の構成において、前記複数の遮蔽部材は、前記入射方向に向けて前記音波又は前記電磁波を反射するように形成される。

上記（９）の構成によれば、メタマテリアル反射体によって音波又は電磁波を入射方向に向けて反射することで、伝播方向を精度よくコントロールし、周辺環境（特に入射方向側）への影響を効果的に低減できる。

本発明の少なくとも１実施形態は、メタマテリアルを利用することにより、適用対象の性能を低下させることなく、媒質中の伝播特性を精度よくコントロール可能なメタマテリアル反射体を提供できる。

本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体の構成を音波の入射方向側から示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図２の開口部近傍の拡大図である。 各空間における音波の音速比と、部材寸法比Ｒとの関係を示すグラフである。 メタマテリアル反射体による反射波の強度分布である。 図５Ａに対して仕切部材が存在しない点を除いて同等の構成を有する比較例による反射波の強度分布である。 図１の変形例に係るメタマテリアル反射体の構成を音波の入射方向側から示す平面図である。 図６のＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体を備えるプラント設備の一例を示す模式図である。 図８のプラント設備に対応する実機試験体の構成を示す模式図である。 図９の実機試験体を用いた実測結果と、該実機試験体に対応するＦＥＭ解析モデルを用いた解析結果とを比較して示すグラフである。 図９の実機試験体についてＦＥＭ解析による音波の強度分布を算出したシミュレーション結果である。 本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体を備えるプラント設備の他の例を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体は、所定の媒質中を伝播する音波又は電磁波を反射することにより、その伝播方向をコントロール可能な構造を有する。このような伝播方向のコントロールは、以下に説明するように、媒質に対して密度及びヤング率の少なくとも一方を異にする材質を、媒質中を伝播する音波又は電磁波の波長より短い間隔で周期的に形成してなる、いわゆるメタマテリアルを用いて構成することによって実現される。

図１は本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体１の構成を音波の入射方向側から示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図である。
尚、以下に説明する実施形態では、媒質として空気中を伝播する可聴域（典型的には、２０−２０ｋＨｚの周波数帯）の音波を例示的に取り扱うが、本願発明の適用対象は、他の媒体（気体、液体或いは真空を含む）を媒質として伝播する音波又は電磁波が広く含まれる。

メタマテリアル反射体１は、ハウジング２と、ハウジング２内に収容される複数の遮蔽部材４と、を含む。ハウジング２及び遮蔽部材４は、音波が伝播する媒質に対して密度及びヤング率の少なくとも一方が異なる材料から形成される。本実施形態では特に、ハウジング２や遮蔽部材４は加工性に優れた金属部材から形成されている場合を例示するが、例えば樹脂等でもよく、他の材料から形成されていてもよい。

ハウジング２は略直方体の外形状を有しており、音波の入射方向に向かう面には、凹状に開口部６が設けられている。開口部６の奥側には、開口部６から入射する音波に対して対向するように反射壁８が設けられている。メタマテリアル反射体１に向けて媒質中を伝播する音波は、開口部６からハウジング２の内側に侵入し、反射壁８によって反射された後、開口部６から外部に向けて射出される。

遮蔽部材４は、音波の入射方向から見て、開口部６の所定割合を占めることで、ハウジング２の内側に入射しようとする音波を部分的に遮蔽する。本実施形態では、遮蔽部材４は、音波の入射方向に対して面するとともに、入射方向に交差するように延在する板状部材として構成されている。

遮蔽部材４は、音波の入射方向に沿って複数段に亘って複数配列されている。入射方向に沿った遮蔽部材４の配列間隔は、音波の波長λに比べて短く設定される。これにより、ハウジング２及び遮蔽部材４からなる構造がメタマテリアルとして機能し、ハウジング２に入射した音波の伝播速度が変化する。

ここで、ハウジング２の内側は、少なくとも１の仕切部材１０によって複数の空間１２に仕切られている。仕切部材１０もまた、上述のハウジング２及び遮蔽部材４と同様に、音波が伝播する媒質に対して密度及びヤング率の少なくとも一方が異なる材料から形成されており、本実施形態では特に、加工性に優れた金属部材から形成されている場合を例示するが、例えば樹脂等でもよく、他の材料から形成されていてもよい。

図２の例では、ハウジング２は５つの仕切部材１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｅによって、６つの空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆに仕切られている。各仕切部材１０は、ハウジング２の内壁と略平行な面を有するとともに、音波の入射進行方向に沿って延在する板状部材として構成されている。

複数の空間１２ａ、１２ｂ，・・・１２ｆには、それぞれ音波の入射方向に沿って複数の遮蔽部材４が配列されるように収容されている。そのため、各空間１２ａ、１２ｂ，・・・１２ｆでは、入射した音波がそれぞれの空間１２に収容された複数の遮蔽部材４によって伝播速度が変化される。

各空間１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｆに収容される遮蔽部材４は、音波の入射方向から見て、隣り合うハウジング２の内壁又は仕切部材１０との間に、所定のクリアランスを有するように配置されている。すなわち、各空間１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｆは、それぞれ遮蔽部材４によって規定されるクリアランスが占める割合に応じた開口率が設定されている。

ここで各空間１２ａ、１２ｂ、・・・１２ｆにおける開口率を定量的に評価するための指標として、部材寸法比Ｒを導入する。部材寸法比Ｒは、図３に示されるように、空間１２の幅をＬ、遮蔽部材４の幅をａとすると、次式
Ｒ＝ａ／Ｌ
で規定される。

本願発明者の鋭意研究によれば、各空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆにおける音波の伝播速度は、部材寸法比Ｒに依存することが明らかになった。図４は各空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆにおける音波の音速比と、部材寸法比Ｒとの関係を示すグラフである。
尚、図４の縦軸に示される音速比は、メタマテリアル反射体１の外部媒質（空気）中を伝播する速度に対する、メタマテリアル反射体１の内部を伝播する速度の比率として規定されるパラメータである。

図４に示されるように、部材寸法比ａ／Ｌが大きくなるに従って音速比は減少する。すなわち、開口率が小さくなるに従ってメタマテリアル反射体１の内部における伝播速度は小さくなる。一方、部材寸法比ａ／Ｌが小さくなるに従って音速比は増加する。すなわち、開口率が大きくなるに従ってメタマテリアル反射体１の内部における伝播速度は大きくなる。

本実施形態に係るメタマテリアル反射体１では、音波の入射方向に対する単位面積当たりの開口率が不均一になるように設計されている。上述したように、音波の伝播速度は開口率と密接な関係を有するため、このように単位面積辺りの開口率が所定分布を有する場合、メタマテリアル反射体１によって反射される音波に対応する速度差が生じることになる。

本実施形態では特に、単位面積当たりの開口率が反射方向に沿って変化するように（言い換えれば、図２にて上方から下方に向けて部材寸法比Ｒが大きくなるように）設計されている。その結果、開口率が小さな（部材寸法比Ｒが大きな）上方側ほど音速が小さくなり、開口率が大きな（部材寸法比Ｒが小さな）下方側ほど音速が大きくなる。このように伝播速度に勾配が生じることにより、メタマテリアル反射体１による反射波は、所定の反射角度αを有することとなる。

また本願発明者の知見によれば、メタマテリアルによる音波の伝播速度の変化は、メタマテリアルを透過する音波に対する素材特性としては非特許文献１を引用して上述したように知られている。しかしながら、このようにメタマテリアルを利用して音波を反射させる際に、積極的に伝播速度に勾配を生じさせることにより、反射角度αを設定することについては従来に例がない。本実施形態では、上述したようにメタマテリアル反射体１の開口率分布によって反射角度αを設定できるため、反射特性を利用して音波の伝播方向を効果的にコントロールすることが可能となる。

特にメタマテリアル反射体１では、入射する音波が反射壁で反射されることにより、複数の遮蔽部材が配置される空間を往復する。そのため、音波には入射時と反射時の２度に亘って速度差が生じる。そのため、メタマテリアル反射体１はコンパクトな構成を有しながらも、効率的に反射角度αを形成できる。

尚、本願発明者の研究によれば、メタマテリアル反射体１による音波の反射角度αは、各空間１２に収容される遮蔽部材４の段数に依存することも明らかになった。具体的に言えば、遮蔽部材４の段数が増加するほど反射角度αは大きくなり、逆に、遮蔽部材４の段数が減少するほど反射角度αは小さくなる。

また各空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆで生じる反射波は、仕切部材１０によって互いに隔離されることにより干渉が防止されている。図５Ａはメタマテリアル反射体１による反射波の強度分布であり、図５Ｂは図５Ａに対して仕切部材１０が存在しない点を除いて同等の構成を有する比較例による反射波の強度分布である。
尚、図５Ａ及び図５Ｂでは、音圧が高い領域ほど白色に近くなるように表示するとともに、音圧が低い領域ほど黒色に近くなるように表示されている。

図５Ａ及び図５では、メタマテリアル反射体１は外壁（不図示）に設けられた支持物２０の先端部に取り付けられており、左方から右方に向けて伝播する音波Ｓに対向するように設置されている。音波Ｓはメタマテリアル反射体１により反射されることで、反射波が生じている。図５Ａ及び図５では、反射波は音圧の強度分布として表されているが、反射波の伝播方向が代表的に符号Ｒ１及びＲ２で示されている。

またメタマテリアル反射体１による反射角度の設計値α０は、上述したようにハウジング２、遮蔽部材４及び仕切部材１０を含む各種寸法に基づいて、予め幾何学的に設定されている。図５Ａ及び図５Ｂでは、この設計値α０に対応する反射波の伝播方向が符号Ｒ０で示されている。本検証では、設計値α０が６６度に設定されたメタマテリアル反射体１を使用した。

検証の結果、図５Ａに示されるように、反射波Ｒ１の反射角度α１（＝５７度）は設計値α０に比較的近い値として得られた。一方で、図５Ｂに示されるように、反射波Ｒ２の反射角度α２（＝４５度＜α１）は設計値α０から離れた値として得られた。これは仕切部材１０があることによって各空間１２で生じる反射波間の干渉が抑制された結果、反射角度αの設計精度が向上したことを示している。言い換えれば、仕切部材１０を設けることによって、メタマテリアル反射体１による伝播方向のコントロール精度が向上できることを示している。

また図５Ａでは図５Ｂに比べて反射波の強度分布が集中しており、反射波の指向性が高いことが示されている。一方、図５Ｂでは反射波の強度分布が広い角度に拡がる傾向があり、反射波の指向性が低いことが示されている。これは、図５Ａでは仕切部材１０を有することにより、複数の空間からの反射波同士が干渉しないことにより、反射波の指向性が低下することが抑制されていることを示している。

また本実施形態では、各空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆに収容される遮蔽部材４は、互いに同形状（同サイズ）を有することにより、製造コストを低減するとともに、構造をシンプルにすることで優れた信頼性を与えている。一方、ハウジング２の内側を複数の空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆに仕切っている仕切部材１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｅは、反射角度αに対応する反射波の速度分布を得るための開口率が設定されるように、非等間隔に配置されている。具体的には、上方から下方に向けて反射波の速度が大きくなるように、仕切部材の配置間隔を次第に増加させることで、対応する開口率の分布が構成されている。

続いて図６は図１の変形例に係るメタマテリアル反射体１’の構成を音波の入射方向側から示す平面図であり、図７は図６のＢ−Ｂ’線断面図である。この変形例では、上述のメタマテリアル反射体１に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

メタマテリアル反射体１’が有するハウジング２の内側は、上記実施形態と同様に、仕切部材１０ａ、１０ｂ、・・・１０ｅによって複数の空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆに仕切られているが、本変形例では特に、仕切部材１０ａ、１０ｂ、・・・１０ｅの配置間隔（すなわちＬ）が等しいことにより、空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆの形状（サイズ）が同じになるように構成されている。このように空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆを形成することで、製造コストを低減するとともに、構造をシンプルにすることで優れた信頼性を与えている。

一方、各空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆに収容される各遮蔽部材４は、反射角度αに対応する反射波の速度分布を得るための開口率が設定されるように、音波の伝播方向から見た開口部６における占有割合が変化するように、異なる幅ａを有している。具体的には、ＢからＢ’に向けて反射波の速度が大きくなるように、遮蔽部材４の幅ａを次第に減少させることで、対応する開口率の分布が形成されている。

尚、上述のメタマテリアル反射体１及び１’では、ハウジング２の内側に、板状部材である遮蔽部材４を所定パターンで配列する構成を有しているが、例えば開口部６の全体にわたる板状部材に開孔を所定パターンで設けたパンチングメタルを、音波の入射方向に沿って複数段に配列することで、同等の構成を実現してもよい。この場合、パンチングメタルの面上における開孔の配列パターンや径を変化させることにより、単位面積当たりの開口率を不均一に形成できる。このような構成によっても、開口率の分布に応じて反射波の速度分布に勾配を持たせることで、反射波の伝播方向をコントロールすることができる。

続いて上記各実施形態のメタマテリアル反射体１を特定の用途に適用した実施例について説明する。図８は本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体１を備えるプラント設備１００の一例を示す模式図である。

プラント設備１００は、不図示の燃料供給装置から供給される燃料を、外部から供給される空気と混合して燃焼させて発電を行う発電プラントである。図８には、プラント設備１００に外部から空気を取り込むための誘引通風機(ＩＤＦ:Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ）１０２と、誘引通風機１０２の下流側に設けられた吸気ダクト１０４と、が示されている。誘引通風機１０２は、不図示の電力系統からの電力により駆動され、外部から取り込んだ空気を吸気ダクト１０４を介して下流側に送る。

駆動時に誘引通風機１０２から発される音波は可聴帯域を含むため、誘引通風機１０２は騒音源のひとつとなっている。この種のプラント設備では、従来、誘引通風機１０２の下流側にスプリッタ型のサイレンサを配置することにより、音波が有する音エネルギを摩擦エネルギに変換して消音効果を得ていた。そのため、音波の伝播経路において少なからず圧損が生じ、プラント性能の低下や流力騒音が問題となっていた。

このような問題を解決するために、図８に示されるプラント設備では、吸気ダクト１０４の側面に沿って、上記構成を有するメタマテリアル反射体１が配置されている。本実施形態では、吸気ダクト１０４の側方に複数のメタマテリアル反射体１が配置されており、各メタマテリアル反射体１は、開口部６が吸気ダクト１０４の内側を向くように（すなわち、音波の伝播経路に面するように）取り付けられている。そのため、吸気ダクト１０４の中心側はメタマテリアル反射体１が存在していないため、誘引通風機１０２から送られる吸気の妨げにならないようになっている。このように、メタマテリアル反射体１は圧損の要因とならないため、プラント性能の低下や流力騒音を引き起こすことがない。

吸気ダクト１０４を伝播する音波は、メタマテリアル反射体１に対して所定の入射角度で入射する。メタマテリアル反射体１に入射した音波は、開口部６からメタマテリアル反射体１の内側に侵入し、所定の反射角度αで反射される。反射角度αはメタマテリアル反射体１における単位面積当たりの開口率に基づいて予め設定されており、本実施形態では特に、反射波が吸気ダクト１０４の上流側に向かうように設定されている。そのため、吸気ダクト１０４を伝播する音波は、メタマテリアル反射体１より下流側への伝播が抑制され、騒音が低減される。

続いて上述の騒音低減効果について、実機試験体１５０を用いて検証を行った結果について説明する。図９は図８のプラント設備１００に対応する実機試験体１５０の構成を示す模式図である。
尚、図９に示される実機試験体１５０には、図８のプラント設備１００に対応する構成については共通の符号が付されている。

実機試験体１５０は、音波の伝播方向に沿って長手方向を有する略直方体形状（Ｌ１×Ｌ２×Ｌ３）の吸気ダクト１０４を有する。吸気ダクト１０４の側面には、互いに対向するように一対のメタマテリアル反射体１が設けられている。メタマテリアル反射体１は、吸気ダクト１０４の上端から距離Ｌ４の距離に、開口部６が吸気ダクト１０４の内側を向くようにそれぞれ配置されており、長手方向に沿って長さＬ５を有する。具体的には、Ｌ１＝０・７ｍ、Ｌ２＝０．３ｍ、Ｌ３＝２、８１ｍ、Ｌ４＝１．４７ｍ、Ｌ５＝０．８４ｍの実機試験体１５０を用いて検証を行った。またメタマテリアル反射体１は、複数の空間１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｆにおける部材寸法比ａ／Ｌが０．４８〜０．９８のものを用いた。また吸気ダクト１０４を伝播する音波として、基本波周波数が２０００Ｈｚ、第２次高調波周波数が４０００Ｈｚ、第３次高調波周波数が６０００Ｈｚを含む音波を用いた。

また吸気ダクト１０４の下端側には、音波の強度を検知するための複数の音響センサ１０６が配置されている。複数の音響センサ１０６は吸気ダクト１０４の最端面上にランダムに配置されており、各音響センサ１０６の検知結果は、不図示の計測装置に送信され、処理される。

図１０は図９の実機試験体１５０を用いた実測結果と、図９の実機試験体１５０に対応するＦＥＭ解析モデルを用いた解析結果とを比較して示すグラフである。図１０では、実機試験体１５０を用いた実測結果として、各音響センサ１０６の実測平均値を丸シンボルで示している。また、実機試験体１５０に対応するＦＥＭ解析モデルを用いたシミュレーション結果を四角シンボルで示している。

図１０によれば、実機試験体１５０を用いた実測検証による結果とＦＥＭ解析モデルを用いた解析結果は、基本周波数（２０００Ｈｚ）では前者が１１．２ｄＢに対して後者は１２．７ｄＢであった。また第２次高調波周波数（４０００Ｈｚ）では前者が５．８ｄＢであるのに対して、後者は５．１ｄＢであった。また第３次高調波周波数（６０００Ｈｚ）では、前者が６．７ｄＢであるのに対して、後者は８、６ｄＢであった。このように、いずれの周波数において両者の結果は良好に整合することが示された。これは、メタマテリアル反射体１における反射角度αのコントロールが、メタマテリアル反射体１が備える各部材の設計寸法によって精度よく行われていることを反映している。

特に基本波周波数における減音量（１１．２ｄＢ）は、吸気ダクト１０４を通過する吸気に対して同等の開口率（４８．５％）を有する従来のスプリッタ型の消音装置に比べて優れた値が得られた（尚、同等の開口率を有する従来のスプリッタ型の消音装置における減音量は９．９ｄＢであった）。これは、メタマテリアル反射体１による音波の反射特性が機能することにより、吸気ダクト１０４の下流側に対して十分な消音効果が得られることが示されている。

また図１１は図９の実機試験体１５０についてＦＥＭ解析による音波（音圧）の強度分布を算出したシミュレーション結果である。尚、図１１では、音圧が高い領域ほど白色に近くなるように表示するとともに、音圧が低い領域ほど黒色に近くなるように表示されている。
この図に示されるように、吸気ダクト１０４を伝播する音波は、途中に配置されるメタマテリアル反射体１によって上流側に反射されるため、強度が大きな領域は上流側に集中していることが示されている。一方、メタマテリアル反射体１より下流側では強度が小さくなっており、メタマテリアル反射体１によって音波伝播が抑制され、良好な消音作用が得られることが示された。

尚、本実施形態では、プラント設備１００における騒音源の一例として誘引通風機１０２を示したが、例えば、類似のファン又はブロワである、押込通風機（ＦＤＦ：Ｆｏｒｃｅｄ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ）、一時空気通風機（ＰＡＦ：Ｐｒｉｍａｒｙ Ｄｒａｆｔ Ｆａｎ）、昇圧通風機（ＢＵＦ：Ｂｏｏｓｔ Ｕｐ Ｆａｎ）、ガス再循環送風機（ＧＲＦ：Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆａｎ）、ドライウェルクーラ（ＤＷＣ：Ｄｒｙｗｅｌｌ Ｃｏｏｌｅｒ）、廃熱回収ファン、集塵ファン、排ガスファン、換気ファン等にも同様に適用可能である。

また上述のメタマテリアル反射体１は、その他の用途に適用してもよい。図１２は本発明の少なくとも１実施形態に係るメタマテリアル反射体を備えるプラント設備の他の例を示す模式図である。この図では、車両が通行する道路２００に立設される防音壁２０２にメタマテリアル反射体１を適用した例が示されている。道路２００の両側には、それぞれ防音壁２０２Ａ及び２０２Ｂが設けられており、一方の防音壁２０２Ａがメタマテリアル反射体１が開口部６が道路２００側を向くように配置されて構成されている。道路２００上にある騒音源（例えば車両）２０４から右方向に向けて発せられる音波は、防音壁２０２Ａによって予め設定される反射角度αで反射される。この反射角度αは、図１２に示されるように設定されることで、反射波が再び道路２００に向けて進行するように設定されている。道路２００に戻された反射波は、騒音源２０４から左方向に向けて発せられる音波とともに、他方の防音壁２０２Ｂに向かい、再び反射された後、外部に放たれる。尚、防音壁２０２Ｂは、メタマテリアル反射体１ではない従来の防音材で形成されており、音波は少なからず減衰されるものの通常の反射角度で反射がなされる。

このようにしてメタマテリアル反射体１を防音壁２０２に適用することで、道路２００上の騒音源２０４から発せられる音波の伝播方向を適切にコントロールできる。その結果、住宅地域などの生活領域を騒音の伝播先から回避することができ、実質的な消音作用を得ることができる。この場合、メタマテリアル反射体１によって音波の反射方向を変化させることに加えて、音波の指向性が高めることで、より効果的に周囲に対して消音作用を発揮することもできる。またメタマテリアル反射体１は防音壁２０２に適用した際にも、道路２００側に張り出すことなく設置が可能なため、道路２００を通行する車両にとっても障害となることもない。

尚、メタマテリアル反射体１の他の用途としては、上述した防音用途に限らず、音波又は電磁波の伝播方向、指向性等のコントロールが求められる用途において広く適用可能である。例えば車両内に侵入する外音、ピアノ部屋やコンサートホールの音響、発変電所における低音雑音等をコントロールするために用いることができる。

以上説明したように本発明の少なくとも１実施形態によれば、メタマテリアルを利用することにより、適用対象の性能を低下させることなく、媒質中の伝播特性を精度よくコントロール可能なメタマテリアル反射体を提供できる。

本開示は、媒質中を伝播する音波の伝播特性を変化させることが可能なメタマテリアル反射体に利用可能である。

１ メタマテリアル反射体
２ ハウジング
４ 遮蔽部材
６ 開口部
８ 反射壁
１０ 仕切部材
１２ 空間
２０ 支持物
１００ プラント設備
１０２ 誘引通風機
１０４ 吸気ダクト
１０６ 音響センサ
１５０ 実機試験体
２００ 道路
２０２ 防音壁
２０４ 騒音源

Claims (9)

1. 音波の入射方向に向けて開口する開口部、及び、前記開口部に入射する前記音波に面するように前記開口部より奥側に配置される反射壁を含むハウジングと、
   前記ハウジング内に収容され、前記入射方向に沿って前記音波の波長より短い間隔で配列され、且つ、前記入射方向に対する単位面積当たりの開口率が不均一なクリアランスを有する複数の遮蔽部材と、
   を備える、メタマテリアル反射体。
2. 前記開口率は、前記入射方向の交差方向に沿って単調に増加又は減少する、請求項１に記載のメタマテリアル反射体。
3. 前記ハウジングは、前記入射方向に沿って延在し、前記ハウジングの内部を複数の空間に仕切る少なくとも１の仕切部材を含み、
   前記複数の遮蔽部材は、前記空間の各々にそれぞれ設けられる、請求項２に記載のメタマテリアル反射体。
4. 前記少なくとも１の仕切部材は、前記交差方向に沿って互いに平行に配列される複数の板状部材からなる、請求項３に記載のメタマテリアル反射体。
5. 前記複数の遮蔽部材は、前記仕切部材に沿って延在し、前記仕切部材及び前記ハウジングの内壁の少なくとも一方との間に前記クリアランスを有するように形成される、請求項４に記載のメタマテリアル反射体。
6. 前記複数の遮蔽部材は、互いに等しい幅を有する板状部材からなる、請求項５に記載のメタマテリアル反射体。
7. 前記仕切部材は、前記複数の空間の各々のサイズが等しくなるように仕切る、請求項５に記載のメタマテリアル反射体。
8. 前記ハウジングのうち前記開口部が前記音波の伝播経路に面するように前記伝播経路の側方に配置される、請求項１から７のいずれか１項に記載のメタマテリアル反射体。
9. 前記複数の遮蔽部材は、前記入射方向に向けて前記音波を反射するように形成される、請求項８に記載のメタマテリアル反射体。