JP6955268B2

JP6955268B2 - 微小共鳴体及び微小共鳴装置

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Publication number: JP6955268B2
Application number: JP2018117610A
Authority: JP
Inventors: 康史堀井; 敏明北村; 文甲洪; 愛莉玉木
Original assignee: Kansai University
Current assignee: Kansai University
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: JP2019217065A

Description

本発明は、入射される音波の周波数に応じて共鳴する微小共鳴体に関する。

図１９（ａ）は人体の耳の構造を示す模式図であり、（ｂ）は上記耳の内耳９１に設けられた蝸牛９７の構造を示す模式図であり、（ｃ）は上記蝸牛９７内の中央階８４の構造を示す模式図であり、（ｄ）は上記中央階８４に配置された外有毛細胞８２の構造を示す模式図である。

人の聴覚システムは、図１９（ａ）に示すように、外耳９０、内耳９１、中耳９２から構成される。入射音は、空気の振動として耳介９３で受け取られ、外耳道９４を通って鼓膜９５へと運ばれる。この空気の振動は、鼓膜９５でメカニカルな振動に変換され、耳小骨９６へと導かれる。このメカニカルな振動は、前庭窓を通って、蝸牛９７の内部へと進む。蝸牛９７の内部はリンパ液に満たされており、メカニカルな振動は、図１９（ｂ）に示すように、蝸牛９７の前庭窓から蝸牛頂へと進み、先端の穴を通って鼓室階９８へと進む。この一連の過程において、液体の振動が図１９（ｃ）のライスネル膜９９と基底膜８０とを振動させて、コルチ器を揺らす。ヒトの場合、１個の内有毛細胞８１と３個の外有毛細胞８２とを一組として、約３５００列の感覚細胞が基底膜８０上に並んでおり、蝸牛９７の入口近くで高音を、頂上近くで低音を知覚していると言われている。図１９（ｄ）は外有毛細胞８２の拡大モデルである。この外有毛細胞８２は試験管のように底が丸い筒状の形状をしており、その先端には聴毛８３が伸びている。

聴覚メカニズムについては未だ完全な解明には至っていないが、入射された音波の振動がこれら有毛細胞を刺激して、有毛細胞を覆う蓋膜８５に聴毛８３が接触するとパルス信号が発生して、聴覚神経８６にパルス信号が流れるとされている。

堀井康史他，伝送線路理論から見るひとの聴覚メカニズム，輻射科学研究会資料，RS17-07

上記ヒトの聴覚メカニズムを信号伝送工学の観点から検証すると、全長３０ｍｍのコルチ器が３０ｍｍよりもはるかに長い波長の音波を解析することができている。その理由として、有毛細胞の周期配列が生み出すメタマテリアル的な界の局在化及び波長圧縮効果の存在、及び、個々の有毛細胞の共鳴による高分解能の周波数解析性能の存在に本発明者らは着目した。

上記蝸牛９７の内部の有毛細胞は、独自の共鳴周波数を持っており、有毛細胞内で共鳴に基づく音波の検出を行っていると考えられる。このため、上記有毛細胞の構造を応用して、微小共鳴体を構成することを本発明者らは着想した。

本発明の一態様は、長い波長の音波を解析することができる微小寸法の微小共鳴体を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る微小共鳴体は、両端が開放された筒状の共鳴部材と、前記共鳴部材の内壁に挿入されて第１ピンホールを有する第１パネルと、前記共鳴部材の内壁と前記第１パネルとで共鳴空間を形成するように前記内壁に挿入されて第２ピンホールを有する第２パネルと、前記共鳴部材の前記第１パネル側の一端を覆う第１共鳴膜と、前記共鳴部材の前記第２パネル側の他端を覆う第２共鳴膜とを備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る微小共鳴装置は、音波が入射される伝搬管と、前記伝搬管の内部に配置された複数個の請求項１に記載の微小共鳴体とを備え、前記複数個の微小共鳴体のうちの一つの共鳴周波数と、前記複数個の微小共鳴体のうちの他の一つの共鳴周波数とが異なっていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、長い波長の音波を解析することができる微小寸法の微小共鳴体を実現することができる。

（ａ）は実施形態１に係る微小共鳴体を伝搬管内に配置した態様を示す断面斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体の拡大断面斜視図であり、（ｃ）は上記微小共鳴体を伝搬管内に配置した態様を透視した斜視図であり、（ｄ）は上記微小共鳴体に設けられた共鳴部材の断面斜視図であり、（ｅ）は上記微小共鳴体に設けられた第１及び第２パネルと第１及び第２共鳴膜との断面斜視図である。（ａ）は上記第１及び第２パネルに形成された第１及び第２ピンホールの直径を変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホールの直径を示す断面斜視図である。（ａ）は上記第１及び第２ピンホールの長さを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホールの長さを示す断面斜視図である。（ａ）は、上記微小共鳴体に形成された共鳴空間の長さを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の長さを示す断面斜視図である。（ａ）は上記共鳴空間の直径を変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の直径を示す断面斜視図である。（ａ）は上記伝搬管内に配置された微小共鳴体の透視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体の通過特性と反射特性とを示すグラフであり、（ｃ）は上記微小共鳴体の共鳴周波数における上記微小共鳴体の共鳴部材の円筒中心軸上の音圧分布を示すグラフであり、（ｄ）は上記共鳴周波数における音圧分布を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、上記微小共鳴体が配置された伝搬管内を音波が伝搬する様子を表す流線図である。（ａ）は上記伝搬管内に上記微小共鳴体を複数個並べた構造を示す図であり、（ｂ）は上記構造を有する微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｃ）（ｄ）は上記微小共鳴体の３連構造を透視的に示す斜視図である。上記構造の音圧分布を示す図である。（ａ）は実施形態２に係る微小共鳴体を伝搬管内に配置した態様を示す断面斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体の拡大断面斜視図であり、（ｃ）は上記微小共鳴体を伝搬管内に配置した態様を透視した斜視図である。（ａ）は上記微小共鳴体の第１及び第２パネルに形成された第１及び第２ピンホールの直径を変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホールの直径を示す断面斜視図である。（ａ）（ｂ）は上記第１及び第２ピンホールの長さを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｃ）は上記第１及び第２ピンホールの深さを示す断面斜視図である。（ａ）は、上記微小共鳴体に形成された共鳴空間の長さを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の長さを示す断面斜視図である。（ａ）は上記微小共鳴体に設けられた共鳴空間の直径を変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の直径を示す断面斜視図である。（ａ）は上記微小共鳴体に設けられた自由端反射仕切部材と第１、第２パネルとの間の距離を変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記距離を示す断面斜視図である。（ａ）は上記自由端反射仕切部材の厚みを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記厚みを示す断面斜視図である。（ａ）は上記伝搬管内に配置された微小共鳴体の構造を透視的に示す斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体の通過特性と反射特性とを示すグラフであり、（ｃ）は上記微小共鳴体の共鳴周波数における上記微小共鳴体の共鳴部材の円筒中心軸上の音圧分布を示すグラフであり、（ｄ）は上記共鳴周波数における音圧分布を示す図である。（ａ）は上記第１ピンホールの長さを固定し、第２ピンホールの長さを変化させたときの上記微小共鳴体の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホールの長さを示す断面斜視図である。（ａ）は人体の耳の構造を示す模式図であり、（ｂ）は上記耳の内耳に設けられた蝸牛の構造を示す模式図であり、（ｃ）は上記蝸牛内の中央階の構造を示す模式図であり、（ｄ）は上記中央階に配置された有毛細胞の構造を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

〔実施形態１〕
（微小共鳴体１の構成）
図１（ａ）は実施形態１に係る微小共鳴体１を伝搬管１３内に配置した態様を示す断面斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体１の拡大断面斜視図であり、（ｃ）は上記微小共鳴体１を伝搬管１３内に配置した態様を透視した斜視図であり、（ｄ）は上記微小共鳴体１に設けられた共鳴部材２の断面斜視図であり、（ｅ）は上記微小共鳴体１に設けられた第１及び第２パネル３・４と第１及び第２共鳴膜７・８との断面斜視図である。

微小共鳴体１は、両端が開放された筒状の共鳴部材２を備える。共鳴部材２の内壁１０に円盤状の第１パネル３が挿入される。第１パネル３の中央に第１ピンホール５が形成される。共鳴部材２の内壁１０と第１パネル３とで共鳴空間１１を形成するように、円盤状の第２パネル４が共鳴部材２の内壁１０に挿入される。第２パネル４の中央に第２ピンホール６が形成される。

共鳴部材２の第１パネル３側の一端を覆うように第１共鳴膜７が設けられる。共鳴部材２の第２パネル４側の一端を覆うように第２共鳴膜８が設けられる。

第１及び第２ピンホール５・６の寸法、並びに、共鳴空間１１の寸法に基づく共鳴周波数を有する音波１２の入射に応じて、共鳴空間１１の内部の音圧が上昇する。

（微小共鳴体１の特性）
（基本特性）
（第１及び第２共鳴膜７・８の基本特性）
シミュレーションでは第１及び第２共鳴膜７・８として、厚さ１０μｍのポリ塩化ビニル（polyvinyl chloride、PVC）を想定して解析を行っている。これは、市販のキッチンラップでの実験を想定したものである。

ただし、本発明はこれに限定されず、可聴周波数の音波（２０Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚ）に対して、エネルギーの吸収（損失）が少なく、振動しやすい材料であれば良い。なお、本実施形態では、空気中に微小共鳴体１が置かれているものとし、液体中に置かれている場合を含まないものと仮定する。もし液体中で同等な特性を得ようとする場合は、別途、液体に適した性質の共鳴膜に変更する必要がある。

（第１及び第２ピンホール５・６付き第１及び第２パネル３・４の基本特性）
第１パネル３、第２パネル４は、剛体の板に微小な貫通穴（第１ピンホール５、第２ピンホール６）をあけたものであり、微小共鳴体１の共鳴周波数を決める重要なパーツである。この共鳴周波数は、主に第１及び第２ピンホール５・６の長さと直径、及び、第１及び第２ピンホール５・６を有する剛体板（第１及び第２パネル３・４）で挟まれた共鳴空間１１の容積によって決まる。すなわち、以下のような関係を持つ。

図２（ａ）は上記第１及び第２パネル３・４に形成された第１及び第２ピンホール５・６の直径を変化させたときの上記微小共鳴体１の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の直径を示す断面斜視図である。

図２（ｂ）に示される第１ピンホール５の直径Ｒ_１、第２ピンホール６の直径Ｒ_２を小さくすると、図２（ａ）に示されるように、微小共鳴体１の共鳴空間１１は低い周波数で共鳴する。第１ピンホール５の直径Ｒ_１、第２ピンホール６の直径Ｒ_２の減少は、等価回路的には直列に接続されたＬ（インダクタンス）成分とＣ（コンデンサ）成分とのうちのＬ成分が増加することに相当する。

図３（ａ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の長さを変化させたときの上記微小共鳴体１の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の長さを示す断面斜視図である。

図３（ｂ）に示される第１ピンホール５の長さＤ_１、第２ピンホール６の長さＤ_２を長くすると、図３（ａ）に示されるように、微小共鳴体１の共鳴空間１１は低い周波数で共鳴する。第１ピンホール５の長さＤ_１、第２ピンホール６の長さＤ_２の増大は、等価回路的には直列に接続されたＬ成分とＣ成分とのうちのＬ成分が増加することに相当する。

（共鳴空間１１の基本特性）
共鳴空間１１の形状については、図１に示した円柱状の他、球形、立方体、円すい等、形状は問わないが、共鳴空間１１の両端に、共鳴膜とピンホールとで構成した構造が1対以上必要である。

図４（ａ）は、上記微小共鳴体１に形成された共鳴空間１１の長さを変化させたときの上記微小共鳴体１の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間１１の長さを示す断面斜視図である。

図４（ｂ）に示される円柱状の共鳴空間１１の長さ（キャビティー長）Ｄ_ｃａｖを大きくとると共鳴空間１１の容積が増加し、図４（ａ）に示されるように、微小共鳴体１は低い周波数で共振する。共鳴空間１１の容積の増加は、等価回路的には直列に接続されたＬ成分とＣ成分とのうちのＣ成分が増加することに相当する。

図５（ａ）は上記共鳴空間１１の直径を変化させたときの上記微小共鳴体１の散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間１１の直径を示す断面斜視図である。

図５（ｂ）に示される共鳴空間１１の直径Ｒ_ＵＣを増大させて共鳴空間１１の容積を増すと、図５（ａ）に示されるように微小共鳴体１は低い周波数で共振する。直径Ｒ_ＵＣの増大による共鳴空間１１の容積の増加は、等価回路的には直列に接続されたＬ成分とＣ成分とのうちのＣ成分が増加することに相当する。

（基本特性から分かる微小共鳴体１の動作原理）
（第１及び第２ピンホール５・６のＬ（インダクタンス）としての特性）
音波は、縦波の平面波であり、理論的にはカットオフ周波数（これ以上低い周波数は通過できないとする最低周波数）がないため、孔径の小さなピンホールであっても孔径に関係なく通過することができる。しかしながら、空間に広がりをもって伝わってくる音波を、突然、径の小さな第１及び第２ピンホール５・６に効率よく導くことは難しい。そのため、入射する音波は、「急激にピンホールの径が小さくなるほどピンホールを通りにくくなる」ことから、第１及び第２ピンホール５・６を等価的にインダクタとみなすことができる。

（第１及び第２共鳴膜７・８のＣ（コンデンサ）としての特性）
音波が膜を通過する際、膜は周波数が低いほど大きく振動することが知られている。そのため、周囲を固定した膜に低周波音が入ると、膜全体が大きく振動しようとするものの、膜の周囲が固定（拘束）されているために思ったように振動ができず、低周波音は膜を通過しにくくなる。一方、周波数が上がると膜は小刻みに振動するだけで良く、膜の周囲が固定されていても、膜の中央付近を震わせるだけで音は通過してしまう。このような特性は、回路素子のコンデンサがもつ「低い周波数の音を通しにくく、高い周波数の音をよく通す」という特性に似ていることから、第１及び第２共鳴膜７・８を等価的にコンデンサとして扱うことができる。

（共鳴空間１１（キャビティ―）のＣ（コンデンサ）としての特性）
キャビティーは一定の容積を持つ空間であり、この容積の大小により、共振周波数が大きく変わることが、前述した図４及び図５に関する検討の結果わかった。このことは、膜が作るＣとピンホールが作るＬとが直列共振を起こして共鳴するのではなく、むしろキャビティーの容積が作るＣとピンホールが作るＬとが直列共振を起こし、共鳴現象を起こすことを意味している。

今回使用した膜は、容量Ｃが大きすぎるため、音波は膜を素通りし、膜の効果よりもキャビティーの効果が支配的になったものと考えられる。本来、膜がもつ容量Ｃを利用するには、より低い周波数でＬＣ共振が起こるような条件設定を行う必要があるといえる。

（直列ＬＣ共振回路の形成）
以上の検討により、実施形態１の構造では、第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６とを直列に接続した構造によりコンデンサＣとコイルＬとの直列接続を作ったものとみることはできず、むしろ、共鳴空間１１（キャビディー）と第１及び第２ピンホール５・６とを直列に接続した構造によりコンデンサＣとコイルＬとの直列共振回路を作ったとみるのが正しい解釈である。第１及び第２共鳴膜７・８を使用しているからと言って、メタマテリアルにおける「異常音響伝搬現象」が起こっているというものではないことに注意しなければいけない。

（直列ＬＣ共振回路による共鳴の詳細）
図６（ａ）は伝搬管１３内に配置された微小共鳴体１の透視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体１の通過特性と反射特性とを示すグラフであり、（ｃ）は上記微小共鳴体１の共鳴周波数における上記微小共鳴体１の共鳴部材２の円筒中心軸上の音圧分布を示すグラフであり、（ｄ）は上記共鳴周波数における音圧分布を示す図である。

図６（ａ）は、円筒状の共鳴部材２の両端に第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６を取り付け、その内側に共鳴空間１１を設けた微小共鳴体１を、直径の大きい円筒状の伝搬管１３内に配置した構成を示している。伝搬管１３の一方の入口から縦波平面波の音波１２を励振し、もう一方の出口へと伝搬させる。図６（ａ）は、微小共鳴体１が音波１２にさらされたときに生じる現象を解析するためのモデルとして構築したものである。

図６（ｂ）は、伝搬管１３内を伝わる音波１２の入出力特性を表しており、通過特性│Ｓ_２１│|は入力から出力にどれだけの音波が伝わるか、また、反射特性│Ｓ_１１│|は入射した音波が途中の微小共鳴体１の影響で反射して、どれだけの音波が入射側に戻るかをｄＢ値で表したものである。

２３０．５Ｈｚ付近において、通過特性│Ｓ_２１│を表す曲線ｅ１に著しい変化がみられるが、それ以外の周波数ではほぼ０ｄＢを表している。これは、伝搬管１３の入射側に与えられた音波１２が減衰することなく出力側に伝搬することを意味している。一方、２３０．５Ｈｚにおいて通過特性｜Ｓ_２１｜を表す曲線ｅ１が減少し、反射特性｜Ｓ_１１｜を表す曲線ｅ２が０ｄＢ近くにまで上昇している。これは、伝搬管１３の入射側に与えられた音波１２が出力側に伝わらず、入射側にほとんど反射することを意味している。

このときの音波１２の流れを「流線」で見たのが、図７（ａ）〜（ｃ）である。図７（ａ）は共鳴を起こさない周波数２００Ｈｚにおける流線の図で、入射した音波１２は微小共鳴体１を避けるように流れ、共鳴空間１１の内部への流れ込みや音圧の集中、上昇は一切見られない。

これに対して、共鳴周波数（この例では２３０．５Ｈｚ）では、図７（ｂ）のように微小共鳴体１の共鳴空間１１内に音波１２が吸い込まれるように流れ、かつ内部で音圧が増強されていることが確認できる。また、図７（ｃ）は２３１．５Ｈｚのもので同様に共鳴状態にあると考えられる。

（実施形態１に係る基本特性の応用）
図８（ａ）は伝搬管１３内に微小共鳴体１を複数個並べた構造を示す図であり、（ｂ）は上記構造を有する微小共鳴体１の散乱特性を示すグラフである。図９は上記構造の音圧分布を示す図であり、（ｃ）（ｄ）は上記微小共鳴体１の３連構造を透視的に示す斜視図である。

実施形態１に係る微小共鳴体１は、共鳴周波数において共鳴空間１１に非常に強い音圧分布を作り出す性質がある。そのため、共鳴空間１１内部に微小な音圧センサー１５を装着して、その増強された音圧を受信することにより、非常に高い周波数選択性を持った状態で、特定の周波数の音波を高感度に受信することができる。そのため、ピンホールの直径を少しずつ変えた微小共鳴体１を複数個円筒状の伝搬管１３内に図８（ａ）に示すように並べれば、それぞれの共鳴周波数に相当する音波が入射すると、これに対応する微小共鳴体１が反応して音波を受信する微小共鳴装置１４を構成することができる。

１０個の微小共鳴体１を伝搬管１３の中に直列に並べ、それぞれの１０個の共振周波数を２１２．６Ｈｚ、２１６．８Ｈｚ，２２１．２Ｈｚ，２２５．８Ｈｚ，２３０．２Ｈｚ，２３４．６Ｈｚ，２３９．０Ｈｚ，２４３．４Ｈｚ，２４７．６Ｈｚ，及び、２５１．８Ｈｚのように設計する。これらの微小共鳴体１を内部に並べた円筒状の伝搬管１３を備える微小共鳴装置１４の構造図を図８（ａ）に、またこのときの散乱特性│Ｓ_２１│、│Ｓ_１１│を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示されるように共鳴周波数で音波がトラップされ、１０個の共鳴周波数で散乱特性に影響が出ていることが確認できる。一方、励振周波数を、個々の微小共鳴体１の共鳴周波数に合わせて順次微小共鳴装置１４の構造を励振すると、内部の音圧分布は図９のように、この共鳴周波数に対応する微小共鳴体１の内部にのみ、強い音圧分布が発生することが確認できる。一方、微小共鳴体１の共鳴周波数に関係のない２００Ｈｚ、あるいは２６０Ｈｚの音波を励振したときは、図９に示すように、微小共鳴体１における音圧集中は見られなかった。

以上のような特性を用いることにより、特定の周波数を目的に周波数選択性の高い、高感度な信号受信が可能な微小共鳴装置１４を実現することができると考えられる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

（微小共鳴体１Ａの構成）
図１０（ａ）は実施形態２に係る微小共鳴体１Ａを伝搬管１３内に配置した態様を示す断面斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体１Ａの拡大断面斜視図であり、（ｃ）は上記微小共鳴体１Ａを伝搬管１３内に配置した態様を透視した斜視図である。

実施形態２に係る微小共鳴体１Ａが、前述した実施形態１の微小共鳴体１と異なる点は、微小共鳴体１Ａが自由端反射仕切部材９を備える点である。この自由端反射仕切部材９は第１パネル３と第２パネル４との間に配置される。そして、自由端反射仕切部材９は、第１パネル３の第１ピンホール５を通って共鳴空間１１に入射された音波１２の第２ピンホール６への伝搬を遮断するとともに、第１ピンホール５を通って共鳴空間１１に入射された音波１２を自由端反射する。また、自由端反射仕切部材９は、第２パネル４の第２ピンホール６を通って共鳴空間１１に入射された音波１２の第１ピンホール５への伝搬を遮断するとともに、第２ピンホール６を通って共鳴空間１１に入射された音波１２を自由端反射する。

本明細書において、「自由端反射」とは、反射波が入射波を反射面で面対称に折り返した形になる反射を意味する。この場合上記反射面は、振動可能な自由端を構成する。これに対して、「固定端反射」とは、反射波が入射波を反射面の反射点を中心に点対称に写した形になる反射を意味する。この場合上記反射面は、振動しない固定端を構成する。

第１パネル３の第１ピンホール５の寸法、及び、第１共鳴膜７の物理特性に基づく共鳴周波数を有する音波１２の入射に応じて、第１パネル３と第１共鳴膜７との間の音圧が上昇する。

自由端反射仕切部材９は、入射する音波に対して振動可能で自由端反射を引き起こす柔軟性を有する材料によって構成することができ、例えば、膜状部材、スポンジ状部材によって構成することができる。また、自由端反射仕切部材９は、複数の膜状部材を重ねた積層構造によって構成することができる。この複数の膜状部材を重ねた積層構造は、聴覚細胞(有毛細胞)の内壁にはっきりと確認することができる。この有毛細胞は、独自の共鳴周波数を持っており、有毛細胞内で共鳴に基づく音波の検出を行っていると考えられる。この有毛細胞の構造を応用して、自由端反射仕切部材９を構成することを本発明者らは着想した。

自由端反射仕切部材９の周縁は、共鳴部材２の内壁１０に固定されていてもよいし、また、自由端反射仕切部材９の周縁を共鳴部材２の軸方向に沿って挟むストッパを共鳴部材２の内壁１０に設け、自由端反射仕切部材９の周縁も入射する音波に応じて振動可能に構成してもよい。

（微小共鳴体１Ａの特性）
（基本特性）
（第１及び第２共鳴膜７・８の基本特性）
実施形態１と同様、シミュレーションでは厚さ１０μｍのポリ塩化ビニル（polyvinyl chloride,PVC）を想定して解析を行っている。これは、市販のキッチンラップでの実験を想定したものである。ただし、本発明はこれに限定されず、可聴周波数の音波（２０Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚ）に対して、エネルギーの吸収（損失）が少なく、振動しやすい材料であればよい。

（第１及び第２ピンホール５・６付き第１及び第２パネル３・４の基本特性）
実施形態１と同様、剛体の板に微小な貫通穴（第１ピンホール５、第２ピンホール６）をあけたものであり、微小共鳴体１Ａの共鳴周波数を決める重要なパーツである。共鳴周波数は、主に第１及び第２ピンホール５・６の長さと直径、および第１及び第２共鳴膜７・８の特性によって決まる。

（自由端反射仕切部材９の基本特性）
縄跳びの縄を揺らせてサイン波をつくるとき、先端を固定して縄を揺らすと固定端の反射が起こる。一方、縄の先端を持たずに自由にしておくと、自由端の反射が起こる。このことを念頭に置いて考えると、通常、入射音波に対して剛体の壁は固定端として動作して全反射を起こす。一方、膜などの柔らかいものを配置して、これにより反射を起こさせる場合は自由端のような反射が起こる。

ここでは、自由端反射を起こす材料として自由端反射仕切部材９（ソフトパーティション）を微小共鳴体１Ａ内部に配置した構造を想定して解析を行っている。ソフトパーティションは、音波の入射する面に対してソフト境界と呼ばれる自由端反射面を設定したものである。具体的な例としては、聴覚細胞の壁面に見られる第３層の構造subsurface cisternaeがそれにあたる。

このソフトパーティションを置くことにより、微小共鳴体１Ａが、第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６で作る共鳴を壊すことなく音波を共鳴体内部に導くことができるというもので、この自由端反射仕切部材９を通常の剛体で設計すると共鳴特性を得ることはできない。

（共鳴空間１１）
実施形態２は、実施形態１の構造をもとにしているため、共鳴空間１１を残しているが、重要なのは自由端反射仕切部材９（ソフトパーティション）であり、実施形態２において共鳴空間１１は特に意味をなさない。

（第１及び第２ピンホール５・６付き第１及び第２パネル３・４の基本特性）
図１１（ａ）は上記微小共鳴体１Ａの第１及び第２パネル３・４に形成された第１及び第２ピンホール５・６の直径を変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の直径を示す断面斜視図である。

図１１（ｂ）に示される第１ピンホール５の直径Ｒ_１、第２ピンホール６の直径Ｒ_２を小さくすると、図１１（ａ）に示されるように、微小共鳴体１Ａの第１パネル３と第１共鳴膜７との間の空間、及び、第２パネル４と第２共鳴膜８との間の空間は低い周波数で共鳴する。第１ピンホール５の直径Ｒ_１、第２ピンホール６の直径Ｒ_２の減少は、等価回路的には直列に接続されたＬ成分とＣ成分とのうちのＬ成分が増加することに相当する。

図１２（ａ）（ｂ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の長さを変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｃ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の長さを示す断面斜視図である。

図１２（ｃ）に示される第１ピンホール５の長さＤ_１、第２ピンホール６の長さＤ_２を小さくすると、図１２（ａ）（ｂ）に示されるように、微小共鳴体１Ａの第１パネル３と第１共鳴膜７との間の空間、及び、第２パネル４と第２共鳴膜８との間の空間は低い周波数で共鳴する。第１ピンホール５の長さＤ_１、第２ピンホール６の長さＤ_２の増大は、等価回路的には直列に接続されたＬ成分とＣ成分とのうちのＬ成分が増加することに相当する。

図１３（ａ）は、上記微小共鳴体１Ａに形成された共鳴空間の長さを変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の長さを示す断面斜視図である。

図１３（ｂ）に示される共鳴空間の長さＤ_ｃａｖを長くとっても、図１４（ａ）に示されるように微小共鳴体１Ａの共鳴周波数への変化は無い。

図１４（ａ）は上記微小共鳴体１Ａに設けられた共鳴空間の直径を変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記共鳴空間の直径を示す断面斜視図である。

図１４（ｂ）に示される微小共鳴体１Ａの直径Ｒｕｃを大きくすると、共鳴空間が大きくなることによる共鳴周波数の変化ではなく、図１４（ａ）に示されるように、第１及び第２共鳴膜７・８の面積が増大することによる影響が強く出ている。この結果、実施形態２では第１及び第２共鳴膜７・８の影響が極めて大きいことが確認できる。

図１５（ａ）は上記微小共鳴体１Ａに設けられた自由端反射仕切部材９と第１パネル３との間の距離、及び、自由端反射仕切部材９と第２パネル４との間の距離を変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記距離を示す断面斜視図である。

図１５（ｂ）に示される自由端反射仕切部材９と第１パネル３との間の距離Ｄ_ｍｐ、及び、自由端反射仕切部材９と第２パネル４との間の距離Ｄ_ｍｐを変化させても、微小共鳴体１Ａの散乱特性は図１５（ａ）に示されるように変化がほとんど見られない。第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６が共鳴周波数を決定づけており、自由端反射仕切部材９と第１パネル３との間の空間の体積、及び、自由端反射仕切部材９と第２パネル４との間の空間の体積は関係ないようである。

図１６（ａ）は上記自由端反射仕切部材９の厚みを変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記厚みを示す断面斜視図である。

図１６（ｂ）に示される共鳴空間内に配置した自由端反射仕切部材９（ソフトパーティション）の厚みＤ_ｓｏｆｔを変化させても、微小共鳴体１Ａの散乱特性への変化は図１６（ａ）に示されるようにほとんど見られない。やはり、第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６とが共鳴周波数を決めているといえる。

（基本特性から分かる微小共鳴体１Ａの動作原理）
実施形態２では、第１及び第２共鳴膜７・８の特性が共鳴特性に大いに生かされており、第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２ピンホール５・６が共鳴周波数を決定づけている。

図１７（ａ）は伝搬管１３内に配置された微小共鳴体１Ａの構造を透視的に示す斜視図であり、（ｂ）は上記微小共鳴体１Ａの通過特性と反射特性とを示すグラフであり、（ｃ）は上記微小共鳴体１Ａの共鳴周波数における上記微小共鳴体１Ａの共鳴部材２の円筒中心軸上の音圧分布を示すグラフであり、（ｄ）は上記共鳴周波数における音圧分布を示す図である。

図１７（ａ）に示される構造において、音波１２を励振すると、図１７（ｂ）のような散乱特性を得る。微小共鳴体１Ａの寸法は、基本的に実施形態１の微小共鳴体１と等しいが、共鳴周波数は３７Ｈｚ付近に得られることから、実施形態１の場合に比べて実施形態２の共鳴周波数が低域側に大きくシフトしていることがわかる。この共鳴は、微小共鳴体１・１Ａの構造の体積や長さといった分布定数的な寸法に依存するものではないことから、実施形態２の共鳴周波数の調整についての自由度は極めて高いといえる。共鳴周波数において、円筒状の共鳴部材２の中心軸上の音圧分布を図１７（ｃ）に、また、微小共鳴体１Ａの構造内の音圧分布を図１７（ｄ）にそれぞれ示す。実施形態１とは異なり、第１及び第２共鳴膜７・８と第１及び第２パネル３・４とが作る空間のそれぞれに音圧の集中がみられることが確認できる。

（実施形態２に係る基本特性の応用）
図１８（ａ）は第１ピンホール５の長さを固定し、第２ピンホール６の長さを変化させたときの上記微小共鳴体１Ａの散乱特性を示すグラフであり、（ｂ）は上記第１及び第２ピンホール５・６の長さを示す断面斜視図である。

実施形態１では、第１及び第２ピンホール５・６（Ｌ）と共鳴空間１１の容量（Ｃ）とが共鳴周波数を決めていたため、微小共鳴体１が複数の共鳴周波数を持つことはできなかった。これに対して、実施形態２では、円筒状の共鳴部材２の一端側に配置した第１共鳴膜７と第１ピンホール５との一組と、共鳴部材２の他端側に配置した第２共鳴膜８と第２ピンホール６との一組とはそれぞれ個別に動作している。そのため、第１及び第２ピンホール５・６の長さをどちらもＤ_１＝Ｄ_２＝１．０ｍｍにしたときには共鳴条件が同一になり、周波数３７Ｈｚでともに音圧の増強が確認できた。一方、Ｄ_１＝１．０ｍｍに固定し、もう一方の第２ピンホール６の長さＤ_２を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍのように変化させると、図１８（ａ）に示されるように共鳴周波数が変化した。従って、２種類の共鳴周波数で動作する微小共鳴体１Ａを設計できる。

また、ヒトの聴覚システムを見ると、蝸牛内部の基底膜上に有毛細胞が規則正しく並んだ構造が存在する。有毛細胞は聴覚細胞とも呼ばれ、音波の高さや大きさを詳細に解析する機能を有する。実施形態２はこの有毛細胞を模した構造ともいえる。有毛細胞は特定の高さの音に対して選択的に応答する細胞であるが、そのメカニズムは十分に解明されていない。しかし、細胞膜周辺の構造に着目すると、第１層の細胞膜、第２層のラティス構造、第３層のクッション構造が実施形態２に酷似しており、その急峻な動作も似ているといえる。

今後、一層の研究が必要であるが、ヒトの聴覚メカニズムを説明する新しいモデルとしての可能性も大いにあると考えられる。

（まとめ）
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る微小共鳴体は、両端が開放された筒状の共鳴部材と、前記共鳴部材の内壁に挿入されて第１ピンホールを有する第１パネルと、前記共鳴部材の内壁と前記第１パネルとで共鳴空間を形成するように前記内壁に挿入されて第２ピンホールを有する第２パネルと、前記共鳴部材の前記第１パネル側の一端を覆う第１共鳴膜と、前記共鳴部材の前記第２パネル側の他端を覆う第２共鳴膜とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る微小共鳴体は、前記第１及び第２ピンホール、並びに、前記共鳴空間の寸法に基づく共鳴周波数を有する音波の入射に応じて、前記共鳴空間の内部の音圧が上昇することが好ましい。

本発明の一態様に係る微小共鳴体は、前記第１ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波の前記第２ピンホールへの伝搬を遮断するとともに、前記第１ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波を自由端反射するために、前記第１パネルと前記第２パネルとの間に配置された自由端反射仕切部材をさらに備えることが好ましい。

本発明の一態様に係る微小共鳴体は、前記第１ピンホールの寸法、及び、前記第１共鳴膜の物理特性に基づく共鳴周波数を有する音波の入射に応じて、前記第１パネルと前記第１共鳴膜との間の音圧が上昇することが好ましい。

本発明の一態様に係る微小共鳴体は、前記自由端反射仕切部材は、前記第２ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波の前記第１ピンホールへの伝搬を遮断するとともに、前記第２ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波を自由端反射することが好ましい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１微小共鳴体
２共鳴部材
３第１パネル
４第２パネル
５第１ピンホール
６第２ピンホール
７第１共鳴膜
８第２共鳴膜
９自由端反射仕切部材
１０内壁
１１共鳴空間
１２音波
１３伝搬管
１４微小共鳴装置
１５音圧センサー

Claims

両端が開放された筒状の共鳴部材と、
前記共鳴部材の内壁に挿入されて第１ピンホールを有する第１パネルと、
前記共鳴部材の内壁と前記第１パネルとで共鳴空間を形成するように前記内壁に挿入されて第２ピンホールを有する第２パネルと、
前記共鳴部材の前記第１パネル側の一端を覆う第１共鳴膜と、
前記共鳴部材の前記第２パネル側の他端を覆う第２共鳴膜とを備えることを特徴とする微小共鳴体。
前記第１及び第２ピンホール、並びに、前記共鳴空間の寸法に基づく共鳴周波数を有する音波の入射に応じて、前記共鳴空間の内部の音圧が上昇する請求項１に記載の微小共鳴体。
前記第１ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波の前記第２ピンホールへの伝搬を遮断するとともに、前記第１ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波を自由端反射するために、前記第１パネルと前記第２パネルとの間に配置された自由端反射仕切部材をさらに備える請求項１に記載の微小共鳴体。
前記第１ピンホールの寸法、及び、前記第１共鳴膜の物理特性に基づく共鳴周波数を有する音波の入射に応じて、前記第１パネルと前記第１共鳴膜との間の音圧が上昇する請求項３に記載の微小共鳴体。
前記自由端反射仕切部材は、前記第２ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波の前記第１ピンホールへの伝搬を遮断するとともに、前記第２ピンホールを通って前記共鳴空間に入射された音波を自由端反射する請求項３に記載の微小共鳴体。
音波が入射される伝搬管と、
前記伝搬管の内部に配置された複数個の請求項１に記載の微小共鳴体とを備え、
前記複数個の微小共鳴体のうちの一つの共鳴周波数と、前記複数個の微小共鳴体のうちの他の一つの共鳴周波数とが異なっていることを特徴とする微小共鳴装置。