JP7449711B2

JP7449711B2 - 吸音材構造

Info

Publication number: JP7449711B2
Application number: JP2020025564A
Authority: JP
Inventors: 大悟佐藤; 匡志豊原
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2040-02-18
Also published as: JP2021131424A

Description

本発明は、鉄道高架橋用防音壁又は各種の建築用壁材として用いられる吸音材構造に関する。

鉄道、自動車などの走行経路には、防音壁や防音パネル表面での反射音を低減するために、音源側表面に吸音パネルが設置されることが多い。
このような吸音パネルに使用される吸音材は、その吸音率が材料や厚さによって異なる他、異種材料を積層させることでも変化する。

このため、吸音材では、発生源となる音の特性に合った吸音率を有する材料を用いることが一般的であり、さらに背後／中間に空気層を設けることで、特に、低い周波数帯域にて吸音率を向上させる手法も採用されている。

例えば、吸音材に関する構造として、特許文献１に示される吸音性積層体が知られている。
特許文献１の吸音性積層体は、緻密な構造の表面材と、粗な構造の裏面材とを接合してなる積層構造体である。
この吸音性積層体の表面材は、平均繊維径１０～３０μｍの連続長繊維層と、平均繊維径０．５～７μｍ、目付１～３０ｇ／ｍ^２のメルトブロー微細繊維層とからなる積層構造であり、熱圧着により一体化した積層不織布で、該積層不織布の目付けが２０～２５０ｇ／ｍ^２、嵩密度が０．１～０．８ｇ／ｃｍ^３及び通気度が１００ｃｃ／ｃｍ^２／ｓｅｃ以下である。
また、上記吸音性積層体の裏面材は、平均繊維径１０～３０μｍ及び嵩密度０．００５～０．１５ｇ／ｃｍ^３である合成繊維不織布であり、かつ吸音性積層体の厚みが５～５０ｍｍ、目付けが１００～１０００ｇ／ｍ^２及び周波数４０００Ｈｚの吸音率が５０％以上である。

一方、流れ抵抗に着目した技術として特許文献２の複合吸音構造体が知られている。
この複合吸音構造体では、等価単繊維径が１１～３５μｍのポリエステル、ポリエチレン、ナイロンなどの高分子材料の不織布を１層以上重ねた表皮層（流れ抵抗が３．５×１０^５～７×１０^６Ｎ・ｓｅｃ／ｍ^４）と、高分子繊維系多孔質材料を主体とする母材層（流れ抵抗が０．５×１０^４～３．５×１０^４Ｎ・ｓｅｃ／ｍ^４）を、複合一体化した構造体であり、複合体の単位面積流れ抵抗が、１×１０^４～７×１０^４Ｎ・ｓｅｃ／ｍ^４に設定されている。

特開２００６－２８７０８号公報国際公開第２００９／１２５７４２号公報

ところで、特許文献１に示されるような吸音材では、通常、吸音材に入射した音が、吸音材中を伝搬する過程で減衰するとともに、一部が吸音材背面から透過し、残りの一部が吸音材背面から反射し、かつその反射音が再び吸音材内部を伝搬する。
さらに、この反射音は、吸音材の前表面で一部が透過し、残りの一部が再び反射音として吸音材内部を伝搬する。
そして、このような状況の中、上述した吸音材へ入射した音と、この音の反射音とが干渉し、一部の周波数帯域を中心に吸音率が減少してしまう現象が生じる。この現象は、吸音材背後に中間層となる空気層を設けた場合でも同様である。

また、高速鉄道の分野では、高速走行時に走行装置付近で発生する音が、人の聴感特性上、特に不快となる８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数付近で卓越するという現象が生じる。
このため、高速鉄道の分野で使用される吸音材では、８００Ｈｚで吸音率０．７以上の性能を実現するため、厚さ５０ｍｍ以上に設定することが多い。
しかしながら、吸音材としてグラスウールを用い、かつ厚さ５０ｍｍに設定した場合には、３０００Ｈｚ付近を中心に吸音率が減少し、厚さ７０ｍｍでは２０００Ｈｚ～２５００Ｈｚ付近を中心に吸音率が減少し、その結果、反射音の抑制効果が低下するといった課題がある。
一方、特許文献２では、吸音効果を高めるために、層状体の単位面積流れ抵抗を特定範囲に定める構成が示されているが、特に人が不快となる２０００Ｈｚ付近での吸音効果が十分とは言えず、この点において新たな対策が期待されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、全体の厚さを薄厚に保ちつつも、特に人が不快と感じる周波数帯において反射音による干渉を防止し、高い吸音効果を実現することができる吸音材構造を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明に示す吸音材構造では、音源に近い側に配置される第１層と、音源より遠い側に配置される第２層とを少なくとも有する積層体を具備し、前記第１層は音の伝搬方向に沿って前記第２層よりも厚く、かつ前記第２層よりも相対的に流れ抵抗が小さい繊維素材からなることを特徴とする。

本発明によれば、全体の厚さを薄厚に保ちつつも、特に人が不快と感じる周波数帯において反射音による干渉を防止し、高い吸音効果を実現することができる。

（Ａ）本発明の実施形態に係る吸音材構造の概略構成図であり、（Ｂ）は図１Ａの変形例を示している。本発明に係る吸音材構造に０ｍｍ、１０ｍｍ及び２０ｍｍの背後空気層を介在させて、周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。比較例として厚さを２５ｍｍとしたグラスウール単体、ポリエステル材単体を用いて、周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。比較例として厚さを５０ｍｍとしたグラスウール単体、ポリエステル材単体を用いて、周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。比較例として厚さを７０ｍｍとしたグラスウール単体、ポリエステル材単体を用いて、周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。第１層の厚さを５０ｍｍ、第２層の厚さを２０ｍｍとした条件下で、特に、第１層及び第２層の流れ抵抗を様々設定した場合の周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。第１層の厚さを５０ｍｍ、第２層の厚さを２０ｍｍとした条件下で、特に、第１層の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４及び第２層の流れ抵抗を６５０００Ｎ・ｓ/ｍ^４とし、かつ背面空気層の厚さを様々設定した場合（０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍに設定した場合）の周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。第１層の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４及び第２層の流れ抵抗を１７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とした場合の周波数と垂直入射吸音率との関係を測定したグラフである。

本発明の実施形態に係る吸音材構造１００について、図１～図８を参照して説明する。
この吸音材構造１００は、図１（Ａ）に示されるように、音源Ａに近い側に配置される第１層１０と、音源Ａより遠い側に配置される第２層２０とを少なくとも有する積層体３０により構成される。
第１層１０は音の伝搬方向（矢印ａ方向）に沿って第２層２０よりも厚く、かつ第２層２０よりも相対的に流れ抵抗が小さい繊維素材から形成される。これにより、吸音材構造１００の全体において、特に人が不快と感じる周波数帯にて反射音による干渉を防止し、高い吸音効果を実現する。

具体的には、第１層１０は、流れ抵抗５０００～８０００Ｎ・ｓ/ｍ^４を有する厚さがおよそ５０ｍｍ（図１（Ａ）に符号ｄ１で示す）の繊維素材からなる。第２層２０は、流れ抵抗６００００～１７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４を有する厚さがおよそ２０ｍｍ（図１（Ａ）に符号ｄ２で示す）の繊維素材からなる。
なお、第１層１０の繊維素材としては、密度３２ｋｇ／ｍ^３のグラスウール（ＪＩＳＡ９５０４認証品）が使用される他、密度３０ｋｇ／ｍ^３のポリエステル材（東京防音社製、ＥＳＷ－１８００－１）が使用される。

また、第２層２０の繊維素材としては、ポリエステル材（３Ｍ社製シンサレート品番ＰＳＭ－２００Ｎを加工して流れ抵抗を可変させたもの）が使用される。このポリエステル材の実測密度は流れ抵抗６５０００Ｎ・ｓ/ｍ^４のとき約３４ｋｇ／ｍ^３、１１５０００Ｎ・ｓ/ｍ^４のとき約５８ｋｇ／ｍ³である。
また、上記材料に限らず、アクリル材、ポリプロピレン材等の化学繊維も候補となる。ただし、各層に用いる繊維素材の構造は、均質・等方であることが望ましい。

また、繊維素材を圧縮した吸音材の流れ抵抗（Ｒ_１）は、その繊維径（μ）と嵩密度（ρ_ｍ）に依存して、以下の数１のような関係にあると言われる。

なお、上記数１において、係数ｘは０．３～１．０であり、定数（Ｋ）は繊維径（μ）をμｍ、嵩密度（ρ_ｍ）をｋｇ／ｍ^３、流れ抵抗（Ｒ_１）をＮ・ｓ/ｍ^４のＭＫＳ単位系で表示したとき、「Ｋ＝３．１８×１０^３」となる。

また、上記吸音材構造１００では、第１層１０と第２層２０とを互いに密着した積層体３０により構成されるが、この積層体３０の後部と、壁体Ｗとの間には背後空気層４０を介在させても良い。なお、ここでの背後空気層４０は０～２０ｍｍの厚さに形成される。

次に、上記吸音材構造１００の比較試験について図２～図８を参照して説明する。
なお、以下の垂直入射吸音率（α）の測定試験では、図１（Ａ）に符号Ｓで示すような一定径のサンプルを作成し、これを筒状の測定器内に入れ、軸方向に所定周波数の音を入射させることで、周波数と垂直入射吸音率との関係を調べた。

図２に示す吸音材構造１００では、第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ４としかつ厚さを５０ｍｍとした繊維素材が使用され、第２層２０の流れ抵抗を１２００００Ｎ・ｓ/ｍ４としかつ厚さを２０ｍｍとした繊維素材が使用されている。
さらに、図２に示す吸音材構造１００では、第１層１０の厚さを５０ｍｍとし、かつ第２層２０の厚さを２０ｍｍとした上で（合計厚さ７０ｍｍ）、背後空気層４０が「０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ」からなる３つのサンプルを作成した。
そして、これらのサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べたところ（測定結果を図２に符号２ａ，２ｂ，２ｃで示す）、いずれの場合も、特に人が不快と感じる８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数において、垂直入射吸音率０．９以上の高い吸音効果を実現することが確認された。

一方、図３～図５に示す比較例となる吸音材構造ではグラスウール又はポリエステル材の単一材料により、厚さ２５ｍｍ／５０ｍｍ／７０ｍｍに形成したサンプルが示されている。
そして、これらのサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べたところ、いずれの場合も、特に人が不快と感じる８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数において、垂直入射吸音率（α）が部分的に０．９以下の低い値となることが確認された（測定結果を図３に符号３ａ，３ｂで示し、図４に符号４ａ，４ｂで示し、図５に符号５ａ，５ｂで示す）。
すなわち、図３～図５に示す単一の繊維素材を使用した吸音材構造では、図２に示すような第１層１０と第２層２０とからなる本発明の吸音材構造１００と比較して、８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの周波数帯において明らかに垂直入射吸音率（α）が低くなることが確認された。

次に、図２及び図６～図８を参照して、第１層１０及び第２層２０の流れ抵抗を各種設定した吸音材構造１００に関し、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた比較試験について説明する。
なお、これら試験で使用する吸音材構造１００では、第１層１０にて厚さを５０ｍｍとしたポリエステル材が使用され、第２層２０にて厚さを２０ｍｍとしたポリエステル材が使用されている。

前述したように図２の試験では、第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４としかつ第２層２０の流れ抵抗を１２００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とし、かつ背後空気層４０を「０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ」とした３つの吸音材構造のサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた（測定結果を図２に符号２ａ，２ｂ，２ｃで示す）。

また、図６の試験では、第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４としかつ第２層２０の流れ抵抗を７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とした吸音材構造のサンプル（２回測定）により、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた（測定結果を図６に符号６ａ，６ｂで示す）。
なお、図６において符号６ｃで示すものは、本願発明となる「第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４としかつ第２層２０の流れ抵抗を７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とした吸音材構造のサンプル」の順序を入れ替えた比較例としての試験結果を示している。
具体的には、図６に符号６ｃに示すものは、第１層１０について厚さ２０ｍｍ、流れ抵抗を７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とし、かつ第２層２０について厚さ５０ｍｍ、流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４とした吸音材構造のサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた比較例である。

また、図７の試験では、第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４としかつ第２層２０の流れ抵抗を６５０００Ｎ・ｓ/ｍ^４とし、かつ背後空気層４０を「０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ」とした３つの吸音材構造のサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた（測定結果を図７に符号７ａ，７ｂ，７ｃで示す）。

また、図８の試験では、第１層１０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ^４としかつ第２層２０の流れ抵抗を１７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４とした上で、背後空気層４０を０ｍｍとした吸音材構造のサンプルにより、周波数（Ｈｚ）と垂直入射吸音率（α）との関係を調べた。

そして、以上述べた図２及び図６～図８に示す試験では、図６に符号６ｃで示される第１層１０の流れ抵抗を７００００Ｎ・ｓ/ｍ４としかつ第２層２０の流れ抵抗を７５００Ｎ・ｓ/ｍ４とした吸音材構造のサンプル以外、全てのサンプルで、特に人が不快と感じる８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数にて、垂直入射吸音率０．９以上の高い吸音効果を実現することが確認された。
なお、上記比較試験では、一部の流れ抵抗についてのみ周波数と垂直入射吸音率（α）との関係を測定した。
しかし、上記比較実験以外においても、第１層１０の厚さを５０ｍｍ、第２層２０の厚さを２０ｍｍとした条件下で、特に、第１層１０の流れ抵抗が５０００～８０００Ｎ・ｓ/ｍ４で、かつ第２層２０の流れ抵抗が６００００～１７００００Ｎ・ｓ/ｍ４の範囲にある場合に、いずれも、８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの周波数帯で垂直入射吸音率（α）が低くなることが確認されている。

以上説明したように本発明に係る吸音材構造１００では、音源Ａに近い側に配置される第１層１０と、音源Ａより遠い側に配置される第２層２０とを少なくとも有する積層体３０を具備し、第１層１０は第２層２０よりも厚く、かつ第２層２０よりも相対的に流れ抵抗が小さい繊維素材からなる。
より具体的には、本発明に係る吸音材構造１００では、音源Ａ側に、音を効果的に材料中へ進入させ、かつ材料中での反射音を抑制することを目的に、流れ抵抗５０００～８０００（Ｎ・ｓ/ｍ⁴）を有する厚さ５０ｍｍの繊維素材を第１層１０に配置し、その背面に流れ抵抗６００００～１７００００（Ｎ・ｓ/ｍ⁴）を有する厚さ２０ｍｍの繊維素材を第２層２０に配置した構造とする。

これにより、本発明に係る吸音材構造１００では、高速鉄道走行時の走行装置付近で発生する走行音のうち、人の聴感特性上、特に不快と感じる８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数において、垂直入射吸音率０．９以上を実現することができる。
特に、図２及び図６～図８に示した例では、１０００Ｈｚ～３１５０Ｈｚでの垂直入射吸音率０．９６以上を実現することができる。

すなわち、本発明の吸音材構造１００では、流れ抵抗の異なる所定厚さの第１層１０及び第２層２０からなる吸音材を、予め定めた順序で配置することにより、音の干渉による吸音効率低下を緩和することができる。
その結果、本発明の吸音材構造１００では、全体の厚さを薄厚に保ちつつも、特に人が不快と感じる周波数帯において、高い吸音効果を実現することができる。

なお、上記実施形態に示す吸音材構造１００では、図１（Ａ）に示すように第１層１０と第２層２０とからなる積層体３０の後部と、壁体Ｗとの間に背後空気層４０を介在させるようにした。
しかし、上記吸音材構造１００では、背後空気層４０とともに又は当該背後空気層４０に代えて、図１（Ｂ）に示されるような、積層体３０内の第１層１０と第２層２０との間に、０～２０ｍｍの厚さを有する中間空気層５０を介在させるようにしても良い。
そして、このような中間空気層５０が、背後空気層４０とともに又は当該背後空気層４０に代えて存在した場合にも、８００Ｈｚから３１５０Ｈｚの１／３オクターブバンド中心周波数において、垂直入射吸音率０．９以上を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０第１層
２０第２層
３０積層体
４０背後空気層
５０中間空気層
１００吸音材構造
Ｗ壁体

Claims

壁体と音源との間であって、該音源に近い側に配置される第１層と、前記音源より遠い側に配置される第２層とを少なくとも有する積層体を具備し、
前記第１層は音の伝搬方向に沿って前記第２層よりも厚く、かつ前記第２層よりも相対的に流れ抵抗が小さい繊維素材からなり、
前記第１層は、流れ抵抗５０００～８０００Ｎ・ｓ/ｍ^４を有する繊維素材からなり、
前記第２層は、流れ抵抗６００００～１７００００Ｎ・ｓ/ｍ^４を有する繊維素材からなり、
前記第１層は前記音源へ向けて露出することを特徴とする吸音材構造。
前記第１層は、厚さがおよそ５０ｍｍであり、前記第２層は、厚さがおよそ２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の吸音材構造。
前記第１層と前記第２層とからなる前記積層体の後部と前記壁体との間には背後空気層が介在されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の吸音材構造。
前記背後空気層は０ｍｍを超え２０ｍｍまでの厚さに形成されることを特徴とする請求項３に記載の吸音材構造。
前記積層体内の前記第１層と前記第２層とは互いに密着して積層されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の吸音材構造。
前記積層体内の前記第１層と前記第２層との間には中間空気層が介在されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の吸音材構造。
前記中間空気層は０ｍｍを超え２０ｍｍまでの厚さに形成されることを特徴とする請求項６に記載の吸音材構造。
前記第１層及び／又は前記第２層の繊維素材としてグラスウール材、ポリエステル材、ポリプロピレン材、アクリル材の少なくともいずれかが使用されることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の吸音材構造。