JP6970880B2 - 音響メタマテリアル騒音制御法およびダクトシステムにおける装置 - Google Patents

Description

本発明の開示は一般的にはダクトからの騒音低減に関し、特には騒音低減に関連した音響メタマテリアルの使用に関する。

典型的にはHVAC（暖房、換気、空気調和）システムはビル暖房用の高温空気か、または冷房用の低温空気が通過する一連のダクトを使用する。伝統的にHVACダクト配管は第一にスチール鋼製であり、さらには二次加工として絶縁で包まれる。亜鉛メッキ軟鋼はダクト配管に製作において標準的で、かつ最も一般的に使用される材料である。従来の方法では、鋼板は標準幅が1.20〜1.50メートルの連続金属薄板のロールで供給される。ロールは手動で巻き戻して所望の長さにカットする。次に、この長さは矩形状にされ、ともに弯曲されて一緒に固定される。HVAC用途ではないが種々の形状を有するフレックスとして知られ、現在入手可能なフレキシブルダクトとしては、典型的には円形のフレキシブルダクトを製作する、金属線上のフレキシブルプラステックがある。しかし、かかるフレキシブルダクトでは雑音および断熱特性は不良である。軽量で雑音減衰および実装スピードが優良であることが、HVACダクトの最も所望される特徴である。

軽量複合HVACダクトでは音響抵抗の増加があり、軽量性および柔軟性の保持は困難である。音響は薄い複合のダクト壁からは容易に伝搬できる。したがって、かかるシステムからは騒音が多く出て、建物内の住居者の邪魔となり生活の質が低下する。HVACシステムは騒音を機械システム自身およびダクトで騒音を発生させる移動部品または他の機械部品を有する1台以上のポンプ、コンプレッサー、冷却装置、エアハンドラ、発電機を使用し得る。またダクト自身は乱流により起こる付加的な騒音を発生させる。

HVACダクト用の最も一般的に知られている音響減衰法はサイレンサ/マフラーである。ダクト経路への直接挿入時に、サイレンサはその内部に単一または二重の壁外個体シェルが設置された、一連の有孔シート金属バッフル（矩形状のサイレンサ）または弾丸（円形のサイレンサ）を使用して音響を減衰させる。吸音サイレンサは最も一般的に知られている型のサイレンサである。このサイレンサは有孔シート金属表面がある音響バッフルまたは音響弾丸空洞内で吸音線維材料を使用しており、この表面により音響エネルギーが線維フィルを通過するか、またはそれにより吸音される。これとは逆に反応性マフラーは、破壊的干渉および/または反射の現象を利用して騒音を低減している。一般的に反応性マフラーはある周波数で音響を低減させるように設計された一連の膨張チャンバーと反響チャンバーから成る。

マフラーの上記の型のいずれかでは、マフラー内で流速が速い時には有孔チューブが使用されて有効性が高い。排気流がマフラー内のチューブから出る時に、典型的には噴流が生じる。この効果の緩和するために、有孔チューブを使用して流れを安定させ、かつチャンバー全体に膨張するように流れを強制する。また有孔チューブは散逸要素とも言える。

有孔パネルもまた各種の騒音制御応用、例えばダクト、排気系、航空機エンジンなどでの音響の減衰に使用されている。そのような音響材料の利点の一つは、所望する目標に従って周波共鳴が調整可能であることである。穿孔をミリメートルサイズまたはサブミリメートル（微小穿孔）サイズに縮小した時に、このような材料は伝統的で付加的な吸音材料を用いずに、非常に興味深い吸音が可能である。

必要とされているのは出来る限りダクトを通る空気の流れの乱れを少なくしつつ、騒音フロー低減をより良く行うためにHVACダクトシステムに使用されている本技術のマフラーを改良させる方法である。

本開示技術は騒音を低減させるHVACシステムの空気ダクトと一致するメタマテリアルブロックを提供することで騒音を低減する。音響的に硬い材料の少なくとも3枚の有孔シートの積層は空気ダクトから出るか、または空気ダクトへ入る非等方的空気流を形成する周囲媒質と、各々を通過する少なくとも3枚の有孔シートの通過の間に設置される。周囲媒質は空気であり得る。本開示技術の態様においては、有孔シートは厚さ2mm以下である。本開示技術の態様においては、有孔シートのそれぞれの穿孔の直径は0.1mmから0.4mmである。本開示技術の態様においては、少なくとも3枚の有孔シートのそれぞれは有孔シートが少なくとも相互に0.5mmから0．55mmの間隙を有する。少なくとも3枚の有孔シートの間隙を介する距離と、各穿孔の直径は詳しい説明の項に記載された式で定義されたジャコビアン変換式に基づいて測定できる。

本明細書の目的のために、「実質的に」および「実質的に示される」は「少なくとも90%」と定義されるか、別途に記載される。デバイスは請求項の範囲で限定される、記載されたデバイス「を含む」か、「から成る」ものである。

用語「および/または」の使用は「aおよびb」、「aまたはb」、「a」、「b」を含むように包括的に定義されると理解されるべきである。

本開示技術の態様において使用される非等方的慣性を有する音響メタマテリアルの略図を示す。 本開示技術の態様において、騒音を低減させるのにダクトの終わり部分に設置された矩形状のマフラーを有する、音響メタマテリアル騒音制御システムの略図を示す。 図2Aのマフラーの矩形状の領域の断面図を示す。 本開示技術の態様において、音響を低減させるのにダクトの終わり部分に設置された円形のマフラーを有する図2Bの略図を示す。 図3Aのマフラーの円形の領域の断面図を示す。 本開示技術の態様において使用されるミクロ有孔パネルの周期的積層により形成された音響メタマテリアルブロック示す。 ミクロ有孔シートにより形成された音響メタマテリアルライナーを示す。

本開示技術の態様での音響メタマテリアル騒音制御システムは、HVACダクト内またはHVACダクトから発生する音響放射の有意な低減の結果として、吸音材料と音響メタマテリアル原理とを結合している。ダクトの終わり部分に設置された騒音制御システムにあたった音波は、音波を騒音制御システムの開始へと後方反射させ、また吸音コア内で音波により吸音される。これは吸音用のミクロ有孔パネル（MPPs）を使用して達成される。本開示の目的のためにMPPは0.1mmから0.4mmの孔径を有し、厚さ2mm以下の薄い平板を含み、またはから成り、吸音および音の強さ低減に使用するデバイスと定義される。

音響メタマテリアルにおける穿孔は、音響メタマテリアルの非等方的（方向依存性）特性を提供する。音響メタマテリアル原理を使用して、騒音制御システムは低周波数において、また当業者に周知の領域より広い周波数領域においても動作可能である。音響メタマテリアルは付加ダイナミクスによるか、または波の散乱により、材料の音響特性を改良する埋め込まれた周期的共鳴または非共鳴要素を含む、工学的な材料システムである。最高領域を10,000Hzとして周波数の典型的な従来技術の領域は100Hzである一方で、これは最低領域を100Hzとする本技術の周波数領域に類似する。しかし従来の等方性音響理論に従い、本技術は低周波数領域（＜500Hz）において厳しい限界があり、この解決には厚さの増加および/または吸音材料の別のパラメータの変更しかないので、結果的に高価で、重く、購入困難となる。

音響メタマテリアル騒音制御システムはダクトの始まり部分と終わり部分に位置付けられるか、または設置されてHVACダクトの終わり部分から放射する騒音を低減させる。内部空間の周りのメタマテリアル騒音制御システム内に周期的に設置された吸音ライニング（厚さが0.1mmから5mmの材料のシートと定義される）は、広域帯周波数領域上の騒音低減を更に強化する。

以下の原則は開示技術の態様と併せて使用される。変換音響理論は材料パラメータを完全に指定する数学ツールであり、これは材料中の波動伝搬の制御に必要とされる。これにより非等方的特性を伴っている2次元音響空間の制御が可能になる。(x、y、z)座標により記述される実(r)空間から、(u、v、w)座標により特定され所望される仮想(v)空間への変換を下に示す。

ここでρは流動質量密度であり、κは流体体積弾性率であり、また添字のｒおよびｖは実空間と仮想空間を示し、Jはジャコビアン変換式である。

図1は本開示技術の態様において使用される、非等方的慣性を持つ音響メタマテリアルの略図を示す。変換音響理論（TA）のアプローチを用いて、構造物上における2次元での密度および体積弾性率は非等方的であるように設計できる。図1において120は、112（x軸）と114（y軸）との2つの方向に沿って2つの異なる密度ρ_１，ρ_２を伴っている非等方的特性の2次元のメタマテリアルブロックを示す。従来の等方性音響理論では、これらの密度は2方向で同じと仮定される。102および104は102が1つの流体媒質（例えば、空気）である一方で、層104がアルミニウムか、または102と比べて大きく異なる音響インピーダンスを有するプラスティックなどの異なる材料で出来ている層状媒質を示す。

図2Aは本開示技術の態様において、音響を低減させるのにダクトの終わり部分に設置された矩形状のマフラーを有する音響メタマテリアル騒音制御システムの略図を示す。図2Bは図2Aのマフラーの矩形状の領域の断面図を示す。HVACシステムのファン、モータ、羽根車、その他の移動または回転部などの騒音源202は音波204をダクト206と通じてメタマテリアル構造208へ伝搬する。メタマテリアル設計は、音を支える流体（例えば、空気）により分離されて周囲の媒質の特性インピーダンスと比較してほぼ無限の音響インピーダンス（1 * 10^7 kg/(m2s)より大きい）を持つ表面と定義される、音響的に硬い材料の有孔シート210の積層を含む。プレートの積層の基本成分部分は２D剛性ホールアレイであり、回析の開始近傍での音響を遮蔽する。このことから、この様な構造は非等方的変数を達成することができるミクロ有孔パネル（MPPs）を加工することで実用化できる。

図3Aは本開示技術の態様において、音響を低減させるのにダクトの終わり部分に設置された円形のマフラーを有する図2Bの略図を示す。図3Bは図3Aのマフラーの円形の領域の断面図を示す。ここにおいて図2Aおよび図2Bの要素は100の増分がなされている。このことから、騒音発生領域302は音波304発生させて、HVACダクトを通してマフラー308に流れる。この態様においてマフラー308は一連の有孔シート310からなる円形の断面である。

図4は本開示技術の態様において使用されるミクロ有孔パネルの周期的積層により形成された音響メタマテリアルブロック示す。狭い角度範囲内で動作するフィッシュネット電磁メタマテリアルとは異なり、有孔積層を有するメタマテリアルブロックは広角の負の屈折を示す。さらに提案されたメタマテリアルはフェノン結晶とは対照的に、負の屈折の達成において回析には依存しない。この図中の有孔層のそれぞれは、通常は空気などの周囲の媒質である隣接層と比べて音響インピーダンスがより高い（「1000倍を超える」と定義）、硬質材料または面でできた層を示す。この層において302は特定の直径の孔および隣の孔からの間隔を示す一方で、304は硬質材料または層の穴のあけられていない部分を示す。

図5はミクロ有孔シートにより形成された音響メタマテリアルマフラーの形状を示す。表面シート406には複数の穿孔があり、複数の有孔シート402は表面シート406と裏面シート408の間の格子の形成において互いに平行で、かつ垂直に延在している。

メタマテリアルパネルのための材料パラメータが変換関数の第1の偏導関数により与えられているので、均一な有孔MPPを得るためにパネル変換関数は線形である。ここで考察される矩形物体に好適な1つのかかる選択は以下である：

ｖの表示は変換ドメイン全体の中では線形でなくてもよいことを理解すべきである。これによればメタマテリアルパネルの各々の半分において同じ材料パラメータであるが、材料パラメータテンソルが斜め方向である方向と定義される主軸の異なる方向である。定数ｗ_ｚは製造単純化に関する性能のトレードオフを可能にさせる自由度を表す。

メタマテリアルMPPパネル内の材料パラメータ、つまり質量密度の擬テンソルおよび体積弾性率は下の式で与えられる。（下記の式）

式中、ρ₀ = 1.29 kg/ｍ^３およびB₀ = 0.15 MPaは空気のパラメータであり、Jはジャコビアン変換式である。

座標変換理論に基づき、上で与えられた写像関数は下の材料パラメータのようになる：

ここでK₁，K₂，K₃は定数である。非等方的メタマテリアルを得るために、有孔プラスティック板が使用される。穿孔の寸法および形状はプレートに直角に伝搬する波で生成される剛体プレート上の運動量を決定することから、この波から観察される相応する質量密度成分の制御に使用できる。この特性はより高い密度成分の取得に使用される。他方、波が板に平行に伝搬する場合は、この特性に対して影響が極めて小さいので、結果的に波はバックグランド流体の密度に近い密度が見込まれる。第2の有効パラメータ、体積弾性率により定量されるセルの圧縮率はプラスティック板で占められる部分体積により制御される。

別の言い方をすれば、非等方的メタマテリアルシステムにおいて音響吸音層および空気ギャップを有する有孔シートの使用は有孔シートの穿孔の寸法および形状により操作される。シートの間は0.5mmから55mmの空間であり、シートの厚さは0.1mmから0.5mmである。有孔シートにおける開孔率は0.1%から2%の間である。また厚さが0.5mmから55mmの吸音層を使用できる。これで設計および最適化されたシートに直角に伝搬する波で生成されるシート内の空気粒子の運動量を測定する。下記のメタマテリアルの原理を使用して音響吸音層の厚さおよび枚数も最適化される。図1に示すように特定の厚さから成る有孔の非等方的メタマテリアル層および吸音層は周期的に配列されて、表面シートのすぐ隣にある領域において流体の非等方的特性を達成する（図4および5参照）。このようにして空気中の音は実現可能な変換音響デバイスを使用して完全に、かつ効果的に操作可能である。上記の式に基づく数値シミュレーションを用いて、有孔層および吸音層の全ての幾何学的パラメータは決定される。必要とされる材料パラメータは高非等方的であるが、このアプローチは騒音減衰の促進を目的とした音波を制御および操作するダクト騒音制御システム設計に使用可能である。

ダクト騒音制御システムの別の革新的特徴としては、騒音ブロックおよび/または反射（すなわち有孔層）と、空気ギャップで分離された吸音MPP層との周期的配列を用いて設計できることである。システムの各構成要素のパラメータは穴径、シート厚、穴間隔、POA（開孔率）、吸音層シートの厚さであり、吸音層パラメータには有孔性、ねじれ、流れ抵抗率、密度、粘性および熱特性長などが挙げられる。各MPP層と吸音層厚さの間隔は本明細書に記載されるメタマテリアル理論で決定される。騒音ブロックおよび/または反射、または騒音吸音MPP層の音響的特性はメタマテリアル理論を用いて、好適に設計された孔パターンにより決定される。

本開示技術が特に上記の態様に関連して実践されているが、当業者は変更が開示技術の趣旨および範囲から逸脱することなく、形式上および細部において成され得ると認識する。前述の態様はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。上述の方法および装置の任意の組み合わせも考慮され、本発明の範囲内である。

Claims (3)

1. 音響メタマテリアル騒音制御システムを成すメタマテリアルマフラーであって、
   少なくとも3枚の有孔シートの各々を通過する空気ダクトからの非等方的空気流、または少なくとも3枚の有孔シートの各々を通過する空気ダクトへの非等方的空気流を形成する周囲媒質の間の、音響的に硬い材料の少なくとも3枚の有孔シートで構成される複数のマイクロ有孔パネルの積層を備え、
   前記マフラーは、騒音源からの音波の伝搬方向に沿ったダクトの終わり部分に設置され、前記ダクトの内部と連通する連通孔を取り囲む筒状の形状を有し、
   少なくとも3枚の有孔シートの各有孔シートの厚さが2mm以下であり、
   各有孔シートのそれぞれの穿孔の直径が0.1mmから0.4mmであり、
   少なくとも3枚の有孔シートのそれぞれの有孔シートが少なくとも相互に0.5mmから0．55mmの間隙を有する、メタマテリアルマフラー。
2. 周囲の媒質が空気であり、かつ音波伝搬を担持する流体である、請求項1に記載のメタマテリアルマフラー。
3. 少なくとも3枚の有孔シートの間隙の距離および各穿孔の直径は、以下の式で定義されるジャコビアン変換式を用いて、変換音響に基づいて測定される、請求項1に記載のメタマテリアルマフラー。
   

   

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