JPH051890B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は材料の固有の標準音響インピーダンス
の非破壊測定に関するものである。

発明の背景 材料の固有の標準音響インピーダンス（本明細
書では「音響インピーダンス」と呼ぶ）から、そ
の材料の音響吸収と音響反射に関する情報が得ら
れる。このような知識は航空機のガスタービン・
エンジンの雑音制御に於いて重要である。更に、
音響インピーダンスは材料の構造と組成の関数で
あるので、品質管理試験に音響インピーダンスの
知識を使うことができる。

第１図には材料の音響インピーダンスを測定す
るためのインピーダンス管と呼ばれる従来技術に
よる装置２が示されている。この装置には円筒管
３が含まれ、円筒管３の一端には平面状の音波９
を発生する音源６が含まれている。被試験材料片
１２が管３と同じ直径になるように切断され、界
面１５Ａ，１５Ｂ、および１５Ｃでぴつたりはま
るように管３に挿入される。音響的に硬い（即ち
音を反射する）板１８が材料片１２の背後に管３
に固定されており、背板の役目を果す。音源６は
音響エネルギの平面波９を材料１２に対して発射
する。材料は表面２１で音響エネルギのうち幾分
かを反射する。エネルギの残りは材料片１２中を
通り、材料により部分的に吸収される。背板１８
に達した平面波エネルギは音源６に向つて反射さ
れる。表面２１および背板１８で反射された波は
入射波と相互干渉し、インピーダンス管の領域２
４の中に定在波パターン（図示しない）を形成す
る。

与えられた周波数における材料片１２の反射係
数は、２つの音響変換器２７および２９による測
定結果と、材料１２と変換器２７および２９との
間の距離３２および３４と、管内の空気の温度か
ら計算された音速とに基づいて、既知の方法で定
在波パターンから計算することができる。材料１
２の音響インピーダンスは反射係数から容易に導
き出される。このようなインピーダンス計算に関
する詳細については著者エー・エフ・セイバート
およびビー・セナルコによる論文「ダクト内のラ
ンダム音場を使用した音響パラメータの測定に適
用したスペクトル評価の誤差解析」（Journal of
the Acoustic Society of America、69巻、４
号、1981年 ４月）に述べられている。

第１図のインピーダンス管２を使う方法は、破
壊的な試験方法であるという欠点がある。すなわ
ち、インピーダンスを測定すべき部品から材料片
１２を切り取つて管にはめ込まなければならず、
部品が損傷を受けるという意味でこれは破壊的な
測定方法である。航空機部品の場合、このような
損傷による金銭的損失は多大である。

発明の目的 本発明の１つの目的は改良された新しい音響イ
ンピーダンス測定方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は改良された新しい非
破壊的な音響インピーダンス測定方法を提供する
ことである。

本発明の更にもう１つの目的は材料の品質管理
試験のための改良された新しい音響インピーダン
スの測定方法を提供することである。

発明の概要 本発明の一形式に於いては、開放端形音響イン
ピーダンス管を既知の音響インピーダンスを有す
る材料に接触させて、管内に定在波パターンがつ
くられる。定在波パターンに基づいて材料の第１
の見かけのインピーダンスが導き出される。既知
のインピーダンスと第１の見かけのインピーダン
スに基づいて補正係数が計算される。それから開
放端形インピーダンス管を被測定材料のサンプル
に接触させ、第２の見かけのインピーダンスを導
き出す。被測定材料の実際のインピーダンスは第
２の見かけインピーダンスと補正係数から推定さ
れる。

発明の詳しい説明 本発明の一形式では、第２図に示すインピーダ
ンス管６５が用いられる。インピーダンス管６５
は音源６８を有し、これは500Hzから22000Hzまで
の範囲の平坦な周波数応答を持つ30ワツト、16オ
ームのラウドスピーカーである。このようなスピ
ーカーはたとえば米国カリフオルニア州のアルテ
ツク社（ALTEC Corp.）の型番802Dスピーカー
である。

音源６８は音響導波管７２に固定されている。
音響導波管７２は直径７５が1.25インチ（3.175
cm）で高さ76が９インチ（22.86cm）の円筒管で
ある。音源とは反対側の端で導波管７２に固着さ
れているのは柔軟な硬質ゴムのフランジ７７であ
る。導波管７２には２つの圧力変換器７９および
８１が取り付けられ、これらの圧力変換器は管６
５の端８７からそれぞれ1.5インチ（3.81cm）の
距離８３および0.7インチ（1.778cm）の距離８５
だけ隔たつている。端８７は開放している。この
ような変換器は、たとえば米国カルフオルニア州
のエンデブコ社（ENDEVCO Corp.）から入手
できる型番8510−15変換器であり、15psigの範
囲、０−300mvの出力動作範囲、21＋6mv／psi
の応答特性を有する。

本発明者はインピーダンスを測定しようとする
材料９１に、第２図に示すように、インピーダン
ス管６５を接触させた。フランジ７７は導波管７
２を材料９１に対して音響的に密封する助けをな
す。音源６８は材料９１の表面９７に向けて平面
波９４を発射し、第１図の領域２４の定在波パタ
ーンと同様に定在波パターン（図示しない）を領
域１０１に作る。しかし、第２図には第１図の導
波管領域３６に類似した構造はないので、第２図
の領域１０３には著しい横方向の伝搬が生じ得る
（横方向の伝搬については後述の「一般的考察」
の項の所で説明する）。この横方向の伝搬は、通
常、変換器７９および８１により得られたデータ
から計算されるインピーダンス測定結果を変異さ
せる。すなわち横方向の伝搬はインピーダンスの
計算に誤差を生じさせる。

本発明では、この誤差を補正するため、補正係
数を求め、これを第２図の開放端を有する管によ
つて収集された測定値から計算されたインピーダ
ンスに適用する。本発明では補正係数を求めるた
め、第４図の平行線で陰影を付けた円形部分１０
８で示すような基準材料１０４の表面上の１つの
位置に、開放端形インピーダンス管６５を配置し
て、１つの「見かけ」のインピーダンスの測定を
行う。（第４図ではインピーダンス管２を円１０
８に接するように配置した場合を示していない）。

本発明では更に第１図の従来技術のインピーダ
ンス管を使つて基準材料１０４の破壊的なインピ
ーダンス測定を行う。この測定は、基準材料１０
４から円形部分１０８を切り取つて、この切り取
つた部分について行われる。破壊的なインピーダ
ンス測定によつて「実際の」インピーダンス測定
値が得られ、これは開放端形インピーダンス管で
測定して得られた見かけのインピーダンス値とは
異なつている。

（破壊的に測定された）実際のインピーダンス
と見かけのインピーダンスの比をとることによつ
て補正係数が計算される。即ち、（補正係数）＝
（実際のインピーダンス）／（見かけのインピー
ダンス）。次に、この補正係数を用いて、そのイ
ンピーダンスを試験しようとするサンプル材料に
対して、第４図の開放端形インピーダンス管によ
る測定を繰り返す。これらの測定では、開放端形
インピーダンス管を材料表面上にランダムに位置
決めし、変換器７９および８１から測定値を得
て、変換器のデータと第２図の寸法８３および８
５から見かけのインピーダンスを計算する。次に
見かけのインピーダンスに補正係数を乗算する。
その結果は材料の実際のインピーダンスの推定値
であり、実験した結果、この値は第１図の装置で
破壊的に測定したときの実際のインピーダンスと
非常に相関があることが判つた。

繰り返して言うと、本発明の開放端形インピー
ダンス管を使つて、基準材料の見かけのインピー
ダンスが非破壊的に測定される。次に、同じ材料
の破壊的なインピーダンス測定が公知の方法で行
われる。実際のインピーダンスと見かけのインピ
ーダンスは一般に相異なる。補正係数は実際のイ
ンピーダンスの見かけとインピーダンスとの比で
ある。次に、開放端形インピーダンス管を再び使
つてサンプル材料の見かけのインピーダンスを測
定する。この見かけのインピーダンスに補正係数
を乗算することにより、サンプルの実際のインピ
ーダンスの推定値を得る。勿論、サンプルの構
造、組成は基準材料と若干似ているものとする。
というのは、たとえば発泡ポリスチレンの実際の
インピーダンスの見かけのインピーダンスの測定
値から補正係数を求めた後、粘土れんがの見かけ
のインピーダンス測定値に補正係数を乗算するこ
とによりれんがのインピーダンスを推定するのは
何の意味もないからである。

材料の同じ領域、たとえば第４図に示す部分１
０８に対して見かけのインピーダンスと実際のイ
ンピーダンスの測定を行うことが重要である。発
明者が発見したことろによれば、一般に、領域１
０８Ｂ乃至１０８Ｈのような相異なる領域の見か
けの音響インピーダンスは相異なる。更に（破壊
的な測定による）これらの領域の実際のインピー
ダンスも相異なつている。しかし、発明者の発見
したところによれば、特定の１つの領域（たとえ
ば領域１０８）における実際のインピーダンスと
見かけのインピーダンスとの比は別の異なる領域
（たとえば領域１０８Ｂ）における比とほぼ同じ
である。この発見により上記補正係数を使うこと
が可能になつた。これに対して、領域１０８のよ
うな１つの領域の実際のインピーダンスと、領域
１０８Ｂのような別の異なる領域の見かけのイン
ピーダンスとの比として求めた別の第２の補正係
数を用いると、上記の補正係数を使つた場合とは
異なる結果が生じる。この別の補正係数の使用は
好適実施例では考えない。

対比により本発明を更に詳しく説明すると、領
域１０８Ｂ乃至１０８Ｈの見かけのインピーダン
スの平均値のような見かけのインピーダンスの平
均値を表わす代表値を求め、これを領域１０８の
見かけのインピーダンスを表わすものとして扱う
ことができる。続いて、領域１０８のような領域
の実際のインピーダンスとこの代表値の見かけの
インピーダンスとの比を第３の補正係数として使
うことができる。しかし、発明者の発見したとこ
ろによれば、単一の領域（たとえば領域１０８）
に於ける実際のインピーダンスと見かけのインピ
ーダンスとの比の方がより正確な補正係数を与え
る。したがつて、本明細書で最初に述べた補正係
数が好ましい。

本発明に関連する原理のいくつかについてのも
つと一般的な説明を以下に行う。

一般的考察 第１図の音響平面波９は材料１２の内部を通る
とき導波管（即ち管３の領域３６）内に拘束され
ている。この導波管は平面波が材料の外側の領域
２４を通る導波管と合同している（即ち、断面の
寸法と形状が同じである）。換言すれば、進行波
が材料１２に入るとき進行波から見た導波管（管
３）は変わらない。

従つて、領域２４と３６の両方で平面波を維持
している各分子は材料１２の表面２１に対して垂
直な方向（即ち法線方向）に前後に振動している
ものと見なすことができる。即ち、点３９で表わ
された分子は矢印４０Ａおよび４０Ｂで示された
方向に動き、矢印４２Ａおよび４２Ｂの方向には
（×印で示したように）動かないものと考えられ
る。見方を変えれば、音響伝搬方向はいつでも矢
印４６に示すように材料１２に対し垂直である
（即ち表面２１に垂直である）。導波管領域２４と
３６が合同であるため、横方向（即ち垂直でない
方向）の伝搬（矢印４８）は殆んどない。

材料によつては、インピーダンス管２の導波管
と合同する自蔵導波管をそなえた材料もある。た
とえば、第３図に示すように、積層ハニカム材料
４８は外側薄層５２の間に円形ハニカム形セル５
０を含有する。インピーダンス管２が図示の如く
セル５０の１つと（軸６９に対して）同軸に揃え
て、薄層３２と接するように配置された（接触状
態は図示していない）場合、そのセル５０インピ
ーダンス管２と合同であると、ハニカム材料４８
の一部を必らずしも第１図のようにインピーダン
ス管２に挿入するため切り取る必要はなく、した
がつてインピーダンス測定のために管２をセル５
０と同軸になるように材料に接触されることがで
きる。このような場合、セル５０の壁自身が第１
図の導波管領域３６と同様の役目を果し、横方向
の伝搬を妨げる。

しかし、インピーダンスを測定しようとする材
料がこのような円形ハニカム構造になつていて、
各セルがインピーダンス管の導波管と合同である
ということは滅多にない。更に、たとえそうであ
つても、第２図に示すようにインピーダンス管を
セル５０と同軸に揃えることは難しい。というの
は、セルが外側薄層５２によつて隠されているか
らである。

もつと一般的な積層構造が第５図に示されてい
る。第５図の積層材料は外側薄層６１および６２
（薄層６２は穿孔されている）、ならびに中間マト
リツクス６５を含む。この中間マトリツクスはハ
ニカム形芯体として示されている。ハニカム形セ
ル７０は六角形であり、したがつて円筒状の導波
管３とは合同でない。

円筒形の導波管３と六角形のハニカム形セル７
０とが合同でないことによる１つの結果として、
導波管３を進行する平面波は、中間マトリツクス
６５に入つたとき、直ちに新しい断面形状と断面
寸法を持つ導波管に入る。これは第６図にもつと
明確に示されている。第６図では、７個の六角形
セル７０の集合体１１５よりなる擬似的な導波管
に円筒形の管３が接して配置されている。第６図
ではわかりやすくするため、第５図の外側薄層６
２は省略してある。第６図には平面図も示してあ
る。集合体１１５に入つた平面波（図示しない）
は横方向（矢印１１６）の速度成分を生じる。空
気分子はもはやハニカム材料の表面（この表面は
第６図には示されていない）に対して垂直に振動
しない。したがつて、円筒形の管から７個の六角
形の管の集合に移る点１１９に於ける導波管形状
の変化はインピーダンスの測定に影響を与える。

第５図と第６図の構造と事象は次のように特徴
を表わすことが出来る。すなわち、中間マトリツ
クス６５はハニカム材料であり、セル壁１２１を
有するセル７０を含んでいる。第５図の薄層６１
は音響的に硬く、第１図の背板１８にかわる役目
を持つている。インピーダンス管３と集合体１１
５の厚い境界とは断面の寸法と形状が異なつてい
るので、材料の外側の導波管（即ち管３）は中間
マトリツクスの中の導波管（即ち六角形の集合体
１１５）と整合しない。マトリツクスの中には、
(1)法線方向（矢印１２３）に伸び、(2)セルの壁面
で構成され、かつ(3)管３の断面の寸法および形状
が類似している、導波管の境界はない。管３と合
同である、点線で示した円筒形境界１２５は、こ
の３つの条件を満たす。しかし、点線で示した境
界１２５は物理的部品としては存在しない。これ
は仮想境界である。したがつて、第１図の状況と
は異なり、点線で示した境界１２５を横切つて、
横方向の伝搬が生じ得る。第１図では横方向の伝
搬を低減するための手段（即ち、導波管領域３
６）が用いられている。

注意しなければならないのは、材料の中に合同
の導波管がないという理由以外の理由で横方向の
伝搬が起り得るということである。たとえば、第
３図の状況に於いてもセルの壁に孔１２６等の孔
が存在すれば、孔１２６によつて横方向の伝搬が
生じ、インピーダンス測定の確度が低下する。こ
のような孔は雨水の排水等の目的で航空機のハニ
カム部品に設けらている。

次に本発明のもつと特定の一面について述べる
と、音響インピーダンスのこの非破壊的な測定方
法を材料製造の品質管理検査に使うことができ
る。たとえば、構造と組成が既知である基準材料
をまず非破壊的に試験して、開放端形インピーダ
ンス管によつて材料表面上の指示された位置にお
ける見かけの音響インピーダンスを求め、次に、
破壊的に試験して、第１図のインピーダンス管２
によつて上記指示された位置における実際のイン
ピーダンスを求める。次いで前述したように補正
係数が求められる。次に、別の、即ちサンプル材
料の見かけのインピーダンスが本発明を使つて非
破壊的に測定される。この見かけのインピーダン
スに補正係数を乗算することにより、サンプルの
実際のインピーダンスの推定値が求められる。サ
ンプルの実際のインピーダンスの推定値が基準材
料の実際のインピーダンスの測定値からずれてい
ると、これはサンプルの構造または組成が基準材
料のそれと一致していないことを表わしている。
たとえば、薄層６１および６２に対する中間マト
リツクス６５のハニカム構造の接着固定が良くな
い場合、接着剤が多すぎて穿孔１２９が接着剤で
ふさがつたり、あるいは接着剤が少なすぎて接合
が弱くなつたりすることがある。これらの状況の
いずれも音響インピーダンスに影響を及ぼし、こ
の変化は前述の開放端インピーダンス管によつて
測定することができる。

見かけの音響インピーダンスの測定中、硬質ゴ
ムのフランジ７７は導波管と材料サンプル表面と
の間の音の漏れを最小限にするのを助ける。柔軟
なフランジ７７によつて、若干湾曲した表面につ
いても測定を行うことが可能になる。半径が約43
インチ（109.22cm）の全体的に円筒形の表面に対
して測定を行うことが出来た。

これまで、材料の現場での非破壊的な推定式音
響インピーダンス測定に関して本発明を説明し
た。本発明によれば、指示された位置に材料に接
触させた導波管の中に定在波パターンをつくるこ
とによつて基準材料の見かけの音響インピーダン
スが測定される。本発明によれば、次に同じ材料
を指示された位置の所で切り取り、公知の破壊的
測定方法でその実際の音響インピーダンスが測定
される。この２つのインピーダンスの比が計算さ
れる。この比は特定の設計の基準材料に対する補
正係数となる。同じ設計の各サンプル材料に関し
て見かけのインピーダンスの測定を繰り返すこと
により、各サンプル材料の見かけのインピーダン
スを求める。これらの見かけのインピーダンスは
補正係数で補正され、その補正された結果が、イ
ンピーダンス管内で破壊的に測定された基準材料
のインピーダンスと比較される。本発明は航空機
エンジンのナセル等の材料の吸音特性の測定およ
び製造中の積層材料の品質管理試験にとつて有用
である。更に、本発明は積層構造以外の材料に適
用することができる。例として３つの材料の名前
を挙げると発泡シート、音響タイル、およびじゆ
うたんに対しても適用することができる。

これまで、音響インピーダンスという用語を使
つてきた。音響インピーダンスは材料の反射係数
から非常に容易に導き出すことができる。また、
特許請求の範囲の解釈にあたつては、材料の反射
係数の測定はインピーダンスの測定と同等と考え
ることができる。したがつて、特許請求の範囲で
音響インピーダンスの測定と言つているものは反
射係数の測定をも包含するものと考えられる。

見かけの音響インピーダンスの測定とは別に、
実際の音響インピーダンスを求めるための材料の
破壊的測定についても述べた。しかし、この測定
は必らずしも必要ではない。この目的は実際のイ
ンピーダンスを知ることだからである。実際のイ
ンピーダンスは製造者から聞くが、又は他の方法
で知ることも可能な場合がある。

特許請求の範囲に従つて本発明の趣旨と範囲か
ら離れることなく多数の変形と変更を行えること
は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による音響インピーダンス管
を示す概略図、第２図は本発明の一形式で用いら
れるインピーダンス管の概略図、第３図および第
５図は２つの相異なる形式のハニカム形セルの積
層構造を示す斜視図、第４図は本発明の一形式を
用いる態様を示す斜視図、第６図は六角形導波管
の集合体に接触させた円筒形導波管を示す概略図
である。 （主な符号の説明）、２……インピーダンス管、
３……円筒形導波管、６１……薄層、６２……外
側薄層、６５……中間マトリツクス、６８……音
源、７０……ハニカム形セル、７２……音響導波
管、９１……インピーダンスを測定しようとする
材料、１０４……基準材料、１１５……六角形セ
ルの集合体、１２１……セルの壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音響インピーダンスが既知である基準材料と
   構造および組成が類似したサンプル材料の実際の
   音響インピーダンスを推定する方法に於いて、(a)
   導波管を第１のサンプル材料に接触させるステツ
   プ、(b)導波管を介して第１のサンプル材料に向け
   て音響エネルギを発射させて、導波管内に定在波
   パターンを作るステツプ、(c)ステツプ(b)の定在波
   パターンに基づいて第１のサンプル材料の第１の
   見かけの音響インピーダンスを導き出すステツ
   プ、(d)既知の音響インピーダンスとステツプ(c)の
   第１の見かけのインピーダンスの比として補正係
   数を導き出すステツプ、(e)第２のサンプル材料に
   対しステツプ(b)および(c)を反復することにより第
   ２のサンプル材料の第２の見かけのインピーダン
   スを導き出すステツプ、および(f)ステツプ(e)の第
   ２の見かけインピーダンスおよびステツプ(d)の補
   正係数の関数としてステツプ(e)の第２のサンプル
   材料の実際のインピーダンスを推定するステツ
   プ、を含むことを特徴とする音響インピーダンス
   を推定する方法。 ２ 積層材料中に擬似的導波管を含み、この擬似
   的な導波管が全体的に音響導波管と同じ方向に伸
   びているが音響導波管とは横断面の寸法と形状が
   異なつているような前記積層材料の音響インピー
   ダンスを、上記音響導波管を伝搬する音響エネル
   ギを使つて測定する方法に於いて、(a)音響導波管
   を材料の１つの基準位置に接触させて、音響導波
   管内に音響エネルギの定在波パターンを作ること
   を含む手順により積層材料の見かけのインピーダ
   ンスを測定するステツプ、(b)材料の一部を切り取
   つてインピーダンス管の中に挿入し、インピーダ
   ンス管内に定在波パターンを作ることを含む手順
   によりステツプ(a)の上記基準位置における材料の
   実際のインピーダンスを測定するステツプ、(c)実
   際のインピーダンスと見かけのインピーダンスの
   比として補正係数を計算するステツプ、(d)音響導
   波管をサンプル材料に接触させ、この導波管内に
   音響エネルギの定在波パターンを作ることを含む
   手順により材料のサンプル位置の見かけのインピ
   ーダンスを測定するステツプ、および(e)補正係数
   とサンプル材料の見かけのインピーダンスの関数
   として(d)のサンプル位置の実際のインピーダンス
   を計算するステツプ、を含むことを特徴とする積
   層材料の音響インピーダンス測定方法。 ３ 垂直方向と横方向をその中で定義でき、第１
   の音響的に硬い外側の面、第２の外側の面および
   内部のセル状マトリツクスを有する積層材料のサ
   ンプルであつて、(イ)セルの壁を含み、(ロ)垂直方向
   に伸び、(ハ)横方向の音響伝搬を低減し、(ニ)横断面
   の大きさと形状が音響導波管に類似している、境
   界がマトリツクスの中に存在しないような積層材
   料のサンプルの音響インピーダンスを音響導波管
   を使つて測定する方法に於いて、(a)構造と組成が
   サンプル材料に類似した基準材料の実際の音響イ
   ンピーダンスを測定するステツプ、(b)横方向の音
   響伝搬を低減する積極的な手段を何ら用いること
   なく基準材料の見かけの音響インピーダンスを測
   定するステツプ、(c)実際の音響インピーダンスと
   見かけの音響インピーダンスの比として補正係数
   を導き出すステツプ、(d)ステツプ(b)の測定と同じ
   方法でサンプル材料の見かけの反射係数を測定す
   るステツプ、および(e)所定の式に従つてステツプ
   (d)の見かけの反射係数とステツプ(c)の補正係数と
   からサンプル材料の実際の音響インピーダンスを
   推定するステツプ、を含むことを特徴とする積層
   材料のサンプルの音響インピーダンス測定方法。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、
   前記ステツプ(e)の実際の反射係数が前記ステツプ
   (d)の見かけの反射係数に補正係数を乗算すること
   によつて導き出される方法。 ５ 材料内に発生する横方向の音響伝搬を補償し
   て、材料の音響インピーダンス測定方法におい
   て、(a)材料内の横方向音響伝搬を低減させるため
   の手段を用いて、基準材料の実際の音響インピー
   ダンスを測定するステツプ、(b)材料内の横方向音
   響伝搬を低減させる手段を用いずに基準材料の見
   かけの音響インピーダンスを測定するステツプ、
   (c)実際の反射係数と見かけの反射係数比として補
   正係数を導き出すステツプ、(d)サンプル材料に対
   してステツプ(b)と同様の測定を反復するステツ
   プ、および(e)測定した見かけの反射係数に補正係
   数を適用するステツプ、を含むことを特徴とする
   方法。