JPH0654436B2 - 音波の伝播方向制御装置 - Google Patents

音波の伝播方向制御装置

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JPH0654436B2
JPH0654436B2 JP61095208A JP9520886A JPH0654436B2 JP H0654436 B2 JPH0654436 B2 JP H0654436B2 JP 61095208 A JP61095208 A JP 61095208A JP 9520886 A JP9520886 A JP 9520886A JP H0654436 B2 JPH0654436 B2 JP H0654436B2
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JP
Japan
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control element
sound wave
control
control device
propagation direction
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JP61095208A
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一哲 梅岡
有三 奥平
光正 坂口
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は音波の伝播方向制御装置、さらに詳しくは、所
定の周波数帯域の音波の伝播方向を屈折させる音波の伝
播方向制御装置に関するものである。
[背景技術] 近年、鉄道の沿線や道路の沿道では車両の通過時に発生
する交通騒音が問題となっており、防音壁を設置するな
どの対策が行なわれているが、音波は回折するから、十
分な防音効果が得られていない。また、事務処理の機械
化、いわゆるOA化に伴なってコンピュータやワードプ
ロセッサ等の装置をオフィスで使用する機会が多くな
り、その出力装置としてはドットインパクトプリンタが
多用されている。このようなドットインパクトプリンタ
は作動時に騒音が大きく、しかも仕切壁等では音波の回
折を防止できないから、騒音によるオフィス環境が問題
となっている。さらに、空調装置のファンが風を切る音
やモータ音等も騒音源となっており、空調装置では空気
の出入口を塞いで壁で囲むこともできないから、遮音が
行なえないものである。このように、従来より提供され
ている遮音装置では音波の回折に対する十分な考慮がな
されていないものであり、その意味において遮音効果が
十分とはいえないものである。
一方、音波を透過させながらも音波の進行方向を屈折さ
せることにより、聞きたくない場所への音波の伝播を防
止する装置が考えられている。すなわち、第14図に示
すように、複数のバッフル板2を音波の進行方向および
音波の進行方向に直交する方向に互いに離間して配列す
ることにより、第15波の位相速度との違いを利用して
音波を屈折させるのである。この装置では音波の進行方
向に直交する面内でのバッフル板2の中心間の距離bが
通過音波に関係しており、たとえば500Hzの音波に
対して有効に作用させる場合にはその距離bを34cmに
設定する必要があり、全体として大型化するという問題
が生じる。また、バッフル板2の占有面積が大きくなっ
て開口率が低下するのであり、開口率を大きくとる必要
があるような音源(空調等の通気性が要求される場合な
ど)に対しては適応できないという問題がある。
[発明の目的] 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、その
主な目的とするところは、音波を特定の方向に屈折させ
ることにより、特定の場所でのみ音を聞くことができる
ようにし、聞きたくない場所への音波の伝播を回避する
音波の伝播方向制御装置を提供することにあり、他の目
的とするところは、比較的開口率を大きくとることがで
きる音波の伝播方向制御装置を提供することにある。
[発明の開示] (構成) 本発明に係る音波の伝播方向制御装置は、粘弾性を有し
た材料により薄肉に形成された直管状の中空管を音波の
位相速度を制御する制御要素とし、複数の制御要素を互
いの軸方向が略平行となるように配設するとともに、制
御要素の軸方向に直交する面内の一方向において通過音
波の位相速度が異なる制御要素を位相速度が順次大きく
なるように配設して成るものであり、この構成により比
較的大きな開口率に形成するとともに、音波を屈折させ
て不要な場所への音波の伝播を防止している。
(基本原理) まず、本発明の基本原理を説明する。以下の説明では、
第8図に示すように、制御要素1として直管状の中空の
円筒体が用いられるが、円筒体に限定されるものではな
く、他の断面形状の筒でもよい。このような制御要素1
内を音波が通過するときには、第8図に矢印で示すよう
に、制御要素1の管壁が振動する。しかるに、両端が開
放された中空体の単位長さ部分については、第9図のよ
うな等価電気回路として考えることができる。すなわ
ち、管内の気体のイナータンスLa、管内の気体の音響
キャパシタンスCa、管壁のイナータンスLw、管壁のコ
ンプライアンスCw、および管壁のコンダクタンスGwに
より、制御要素1の単位長さの音響特性が決定されるの
である。管の断面積をS、管の単位長さあたりの質量を
m(=2πrρw:ρwは管壁の密度)、管の内径をr、管の
肉厚をt、管壁のヤング率をE、管壁コンダクタンスの
比例定数をκ、管内の気体の密度をρ、管内気体の体積
弾性率をK、音波の角周波数をω(=2πf:fは音波の
周波数)とすれば、各パラメータはそれぞれ次式で表わ
される。
La=ρ/S Ca=S/K したがって、制御要素1の共振周波数frは次式で表わさ
れる。
上述した等価電気回路に次式で表わされる等価コンダク
タンスGeqと等価キャパシタンスCeqとを導入すれば、
第9図の等価電気回路をさらに第10図の等価電気回路
に置き換えることができる。
第10図の等価電気回路の位相定数βを求めれば、すな
わち管内を通過する音波の位相定数を求めたことにな
り、その位相定数βから位相速度Vpを定義することが
できる。
上述した式から明なかなように、等価コンダクタンスG
eqと、等価キャパシタンスCeqとは共振周波数において
特異点を有するから、第11図に示すように、共振周波
数付近では位相速度Vpは大きく変化することになる。
また、位相速度Vpは単位長さについて求めているか
ら、制御要素1の長さの関数となることは明らかであ
り、さらに、位相定数βには管壁の密度、ヤング率、内
径が折り込まれているから、それらの関数となることが
わかる。この制御要素1について位相速度の周波数特性
を実験的に求めた結果が第12図である。このように、
特定の周波数で位相速度が大きく変化することがわか
る。ここで、測定装置は、第13図に示すように、制御
要素1の一端から制御要素1内に音波を送出するスピー
カ11と、制御要素1内に挿入され制御要素1内の一所
での音を拾うプローブマイクロホン12と、スピーカ1
1に入力される電気信号を発生する信号発生回路13お
よび増幅回路14と、プローブマイクロホン12で拾っ
た音を増幅する計測用増幅回路15と、計測用増幅回路
15より出力される音の位相を検出する位相計16と、
信号発生回路13より出力する信号の周波数を制御する
とともに位相計16の出力を記録して制御要素1内の位
相速度を演算する演算制御装置17とで構成されてい
る。ここで、演算制御装置17はマイクロコンピュータ
等を用いて構成される。制御要素1としては、ヤング率
が7.0×10[N/m2](複素弾性率計測装置、すなわち
粘弾性スペクトロメータにより測定)で、かつ密度が1
190[kg/m3]のシリコン系ゴムにより形成されたもの
を用い、内径を25mm、管壁の厚みを0.3mmに設定し
た。
上述の特性を利用すれば、制御要素1内での位相速度と
制御要素1外での位相速度とに差が生じるから、この制
御要素を用いることで音波を屈折させることができるの
である。以下の実施例においては、上述した円筒形の制
御要素1を複数個用いることにより、音波の伝播方向を
制御するようにしている。
(実施例1) 第1図および第2図に示すように、複数個の制御要素1
が軸方向を互いに平行として配列され、音波が導入され
る制御要素1の一端面は同一面上に配設される。音波の
進行方向に直交する面内において横方向では軸方向の長
さの等しい制御要素1が列設され、また縦方向では下方
ほど軸方向の長さの長い制御要素1が列設される。制御
要素1は上述したように共振周波数以下では管内での位
相速度を管外の位相速度に比較して遅れさせるから、管
長が長いほど位相の遅れが大きくなるのであり、第2図
に示すように、制御要素1に導入される前には制御要素
1の軸方向に直交していた波面Wsiが、制御要素1を通
過した後には制御要素1の軸方向に対して傾斜した波面
Wsoとなり、音波が屈折されるのである。ここで、制御
要素1を実験で用いたものと同様に形成し、上下に並ぶ
制御要素1の外周面間の距離を5mm、上下に隣合う制御
要素1の長さの差を50mmとしたときに、500Hzの
音波の管内の位相速度は100m/sとなり、その屈折角
は下向きに40度となる。
制御要素の数は遮音を行ないたい部分の面積に応じて選
択されるのであり、最小単位では横方向では1列として
もよく、また、縦方向では2列以上あれば上記の作用を
奏することができる。
(実施例2) 本実施例では管壁の密度あるいはヤング率が異なる制御
要素1を配列することにより、実施例1と同様に音波を
屈折させている。すなわち、第3図に示すように、制御
要素1の軸方向の長さは同一長さに設定されており、管
壁の密度またはヤング率のみを変化させている。たとえ
ば、ヤング率を一定として密度のみを変える場合には、
縦方向において下方ほど密度が大きくなるように設定す
るのであり、逆に密度を一定としてヤング率のみを変え
る場合には、縦方向において下方ほどヤング率を小さく
する。ここで、横方向においては同一密度ないしヤング
率の制御要素1を並べることにする。制御要素1内での
位相速度は、共鳴周波数以下の領域では第4図に示すよ
うに管壁の密度が大きいほど小さく、第5図に示すよう
にヤング率が小さいほど小さくなる。したがって、上述
の構成では制御要素1を通過した音波の波面Wsoは実施
例1と同様に制御要素1の軸方向に対して下方に傾斜す
ることになる。ここで、第4図および第5図の計算にお
いて使用した制御要素1は、管壁の肉厚が1.6mm、管
の内径が20mmであり、第4図においてはヤング率が
4.6×106N/m2、第5図においては管壁の材料の密
度を1110kg/cm3とした。また、コンダクタンスの比
例定数は1.31×10-10として計算を行なった。
以上のように、制御要素1の管壁の材質の密度やヤング
率を変化させるとともに、実施例1と同様に制御要素1
の長さを変化させれば、音波を一層屈折させることがで
きるものである。
(実施例3) 本実施例では、内径が異なる制御要素1を用いることに
より、制御要素1内での位相速度を制御している。すな
わち、制御要素1の内径が大きいほど位相速度が小さい
ので、第6図に示すように、横方向においては同一の内
径を有する制御要素1を配列し、縦方向においては下方
ほど内径の大きい制御要素1を配置すれば、制御要素1
を通過した音波の波面Wsoは下方に屈折されることにな
る。制御要素1の内径を変化させて位相速度を計算する
と、第7図のような結果が得られる。ここで、管壁の肉
厚を1.6mm、ヤング率を4.6×106[Nm2]、密度
を1110kg/m3とし、コンダクタンスの比例定数は
1.31×10-10として計算を行なった。この計算結
果からわかるように、1kHz付近以下では管の内径が大
きいほど位相速度が小さくなるのである(800Hzにお
いて、半径が7mm、8mm、9mm、10mmのときに、位相
速度はそれぞれ295m/s、270m/s、260m/s、2
30m/sである)。したがって、800Hz付近では下方
に40度程度屈折することになる。
本実施例と実施例1や実施例2の構成とを組み合わせれ
ば一層屈折効果を大きくすることができることは勿論の
ことである。
以上の各実施例においては、位相速度が急激に変化する
共鳴周波数以下の周波数を対象として位相速度を制御し
ているから、共鳴周波数を高い周波数に設定すれば、屈
折可能な周波数帯域を広げることができる。また、共鳴
周波数以上の領域であっても周波数が高い領域では、管
壁のヤング率や密度、あるいは管の内径に対応して位相
速度が小さくなる領域が存在しているから、この領域で
使用するならば、低い周波数の領域以外でも音波を屈折
させることができるものである。
[発明の効果] 本発明は上述のように、粘弾性を有した材料により薄肉
に形成された中空管を音波の位相速度を制御する制御要
素とし、複数の制御要素を互いの軸方向が略平行となる
ように配設するとともに、制御要素の軸方向に直交する
面内の方向において通過音波の位相速度が異なる制御要
素を位相速度が順次大きくなるように配設しているの
で、音波の進行方向を屈折させることができ、その結
果、聞きたくない場所への音波の伝播を防止し、また必
要な方向にのみ音波を伝播させることができるようにな
るという利点を有するのである。また、制御要素が粘弾
性を有する材料で薄肉の直管状に形成されているから、
通気性がよいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1の概略構成図、第2図は同上
の側面図、第3図は本発明の実施例2の概略構成図、第
4図および第5図は同上の動作説明図、第6図は本発明
の実施例3の概略構成図、第7図は同上の動作説明図、
第8図は本発明に用いる制御要素を示す斜視図、第9図
および第10図は制御要素の等価電気回路図、第11図
および第12図は同上の動作説明図、第13図は同上に
使用する制御要素の測定装置を示す構成図、第14図は
従来の伝播方向制御装置を示す斜視図、第15図は同上
の動作説明図である。 1は制御要素である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粘弾性を有した材料により薄肉に形成され
    た直管状の中空管を音波の位相速度を制御する制御要素
    とし、複数の制御要素を互いの軸方向が略平行となるよ
    うに配設するとともに、制御要素の軸方向に直交する面
    内の一方向において通過音波の位相速度が異なる制御要
    素を位相速度が順次大きくなるように配設して成ること
    を特徴とする音波の伝播方向制御装置。
  2. 【請求項2】制御要素の軸方向に直交する面内の一方向
    において各制御要素の軸方向の長さを順次長くして成る
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の音波の
    伝播方向制御装置。
  3. 【請求項3】制御要素の軸方向に直交する面内の一方向
    において各制御要素の内径を順次大きくして成ることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
    音波の伝播方向制御装置。
  4. 【請求項4】制御要素の軸方向に直交する面内の一方向
    において各制御要素を形成する材料の密度を次第に大き
    くして成ることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第
    2項、または第3項に記載の音波の伝播方向制御装置。
  5. 【請求項5】制御要素の軸方向に直交する面内の一方向
    において各制御要素を形成する材料のヤング率を順次小
    さくして成ることを特徴とする特許請求の範囲第1項、
    第2項、第3項、または第4項に記載の音波の伝播方向
    制御装置。
JP61095208A 1986-04-24 1986-04-24 音波の伝播方向制御装置 Expired - Lifetime JPH0654436B2 (ja)

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