JPWO2020036040A1 - 消音システム - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、ウレタンおよびポリエチレン等の吸音材を用いる場合には、800Hz以下の低周波音の吸収率が極端に低くなるため、吸収率を大きくするためには体積を大きくするが必要であるが、換気口、空調用ダクトなどの通気性を確保する必要があるため、吸音材の大きさには限度があり、高い通気性と防音性能とを両立することが難しいという問題があった。
このような通気スリーブの共鳴音を消音するために、特定の周波数の音を消音する共鳴型の消音器を用いることが提案されている。
また、特許文献2には、住宅、マンション等における外壁の厚さは、200〜400mm程度であり、この外壁に設けられるスリーブ管に生じる第一共鳴周波数(400〜700Hz)の周波数帯において遮音性能の低下が生じることが記載されている(図11参照)。
この点についてさらに検討を行ったところ、従来の共鳴型の消音器、あるいは、吸音材を用いる場合には、高い防音性能を発揮するためには体積を大きくする必要があるため、通気スリーブ内の開口率を大きく減少させる必要があるが、開口率を小さくすると通気性が悪くなってしまうため、気密性の高い室内の場合、および/または、換気用のファンを回すなどした場合に通気スリーブから空気が十分に入り込まず、室内が負圧になるため、ドアが開けにくくなることがわかった。
消音器が設置された通気スリーブの隙間相当面積をαAとし、通気スリーブの第一共鳴周波数が存在するオクターブバンドにおける規準化透過損失をTLとすると、
αA>10C−(0.1/P)×TL ・・・式(1)
を満たす消音システム。
なお、Cは消音器がない場合の測定系で決まる定数であり、Pは、透過効率係数である。
[2] 通気スリーブの中心軸に垂直な断面において、消音器が配置された位置における空間の断面積が、通気スリーブ単体の空間の断面積よりも大きい[1]に記載の消音システム。
[3] 消音器は、通気スリーブの内部空間に連通する空洞部を有し、
通気スリーブの内部空間および消音器の空洞部の合計体積は、通気スリーブ単体の内部空間の体積よりも大きい[1]または[2]に記載の消音システム。
[4] 通気スリーブの内部空間の合計体積が18000cm3以下である[3]に記載の消音システム。
[5] 消音器は、音エネルギーを熱エネルギーに変換する変換機構を有する[1]〜[4]のいずれかに記載の消音システム。
[6] 変換機構は、多孔質吸音材である[5]に記載の消音システム。
[7] 消音器は、通気スリーブの第一共鳴周波数の波長よりも小さい構造を有する[1]〜[6]のいずれかに記載の消音システム。
[8] 消音器が配置された通気スリーブ内における一方の空間側から他方の空間側までの最短距離が壁の厚みの1.9倍以下である[1]〜[7]のいずれかに記載の消音システム。
[9] 通気スリーブの、壁に平行な断面が、900cm2以下である[1]〜[8]のいずれかに記載の消音システム。
[10] 通気スリーブに消音器を配置した状態で、一方の空間側から通気スリーブを通して他方の空間側が視認できる[1]〜[9]のいずれかに記載の消音システム。
[11] 消音器は、壁と、壁から離間して配置される化粧板との間の、通気スリーブの端部に配置される[1]〜[10]のいずれかに記載の消音システム。
[12] 消音器は、通気スリーブの第一共鳴周波数で共鳴する構造を有さない[1]〜[11]のいずれかに記載の消音システム。
[13] 一方の空間は室内空間である[1]〜[12]のいずれかに記載の消音システム。
[14] 室内空間を換気するファンを有する[13]に記載の消音システム。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書において、「直交」および「平行」とは、本発明が属する技術分野において許容される誤差の範囲を含むものとする。例えば、「直交」および「平行」とは、厳密な直交あるいは平行に対して±10°未満の範囲内であることなどを意味し、厳密な直交あるいは平行に対しての誤差は、5°以下であることが好ましく、3°以下であることがより好ましい。
本明細書において、「同一」、「同じ」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」または「全面」などというとき、100%である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば99%以上、95%以上、または90%以上である場合を含むものとする。
本発明の消音システムは、
2つの空間を隔てる壁を貫通して設けられる通気スリーブに、一つ以上の消音器が配置された消音システムであって、
消音器が設置された通気スリーブの隙間相当面積をαAとし、通気スリーブの第一共鳴周波数が存在するオクターブバンドにおける規準化音響透過損失をTLとすると、
αA>10C−(0.1/P)×TL ・・・式(1)
を満たす消音システムである。
なお、Cは消音器がない場合の測定系で決まる定数であり、Pは、透過効率係数である。
また、ある周波数のオクターブバンドとは、その周波数を含む1オクターブの幅を持った周波数の帯域である。その周波数を中心とするオクターブバンドで式(1)を満たすのが好ましい。なお、オクターブバンドの中心周波数とは、周波数帯域の中央値ではなく、上限周波数=中心周波数×√2、下限周波数=中心周波数/√2を満たす周波数である。
消音器の具体的構成については後に詳述する。
まず、JIS C9603:1998相当の風量測定を行う。
基準として、図1に示すようにチャンバー90に通気スリーブ92(ポリ塩化ビニル製、内径10cm、長さ20cm)を接続する。チャンバー90内の圧力を変えて通気スリーブ92を通過する流量を測定し、風量と静圧の関係を求める。
次に、図2に示すように、通気スリーブ92に消音器を設置し、上記で求めた基準の圧力に対して、差圧が9.8Paとなる風量Q[m3/s]を、チャンバー内の圧力を種々変更して求める。
求めた風量Qに0.7を乗じて隙間相当面積αAが算出される。
αA=0.7×Q
ガラリ等のカバー部材、あるいは、レジスター等の風量調整部材を有する場合の隙間相当面積αAは、ガラリのみを設置した場合の隙間相当面積αA1、および、消音器のみを設置した場合の隙間相当面積αA2を求めて、ガラリ、および、消音器を設置した場合の隙間相当面積αAをαA=(1/(αA1)2+1/(αA2)2)-0.5の式から求めることができる。なお、ガラリのように屋外側に設置する部材の隙間相当面積αA1を求める際には、図3に示すように、ガラリをチャンバー90とは反対側の通気スリーブ92の開口面に設置し、チャンバー90内の圧力を負圧にして、通気スリーブ92からチャンバー90内に風が入るようにして風量Qを求めればよい。
ガラリ等のカバー部材、あるいは、レジスター等の風量調整部材については後に詳述する。
図4に示すように、2つの残響室98および99は厚み30cmの壁94によって隔てられている。壁94は2つの残響室98および99を連通するように貫通する通気スリーブ96を有する。2つの残響室98および99にはそれぞれ5つのマイクロフォンMPが設置されている。また、一方の残響室98には音源となるスピーカーSPが配置されている。通気スリーブ96に消音器を設置し(図示省略)、スピーカーSPから音を発生して、2つの残響室98および99に配置された10個のマイクロフォンMPそれぞれで音圧を測定し、スピーカーSPが配置された残響室98の音圧ともう一方の残響室99の音圧から規準化透過損失TLを算出する。
一般に、通気性と防音性はトレードオフ関係にある。その関係について定式化する。
まず、500Hzオクターブバンド(355Hz〜710Hz)における音響平均透過率Tと、開口面積Sとの関係を調べる。図5に示すような計算モデルを作成し、有限要素法による数値計算で、開口面積Sを種々変更して音響平均透過率Tを計算した。図5に示すように、計算モデルは、厚み300mmの壁16に直径Dの貫通孔(通気スリーブ12)が形成されたものとし、壁16に隔てられた一方の空間側に音波発生面(半径500mm)を設定し、他方の空間側に音波検出面を設定した。音波発生面から平面波(周波数355Hz〜710Hz)を発するものとして音波検出面で検出される音圧を、複数の直径Dで計算し、音響平均透過率Tを求めた。入射させる音波は単位体積あたりの振幅を1とした。
直径Dから通気スリーブ12の開口面積Sを算出して、開口面積Sと音響平均透過率Tとの関係を求めた。結果を図6に示す。
T=A1×SP ・・・式(2)
なお、A1は比例定数である。Pは透過効率係数と定義する。透過効率係数Pは開口面積依存性を持ち、実用上の範囲は0.65〜1の範囲である。開口面積Sと透過効率係数Pとの関係を図7に示す。
αA=0.7×Q
と表される。
風量Qは風速v[m/s]と開口面積S[m2]の積で表されることから
αA=0.7×v×S
となる。
αA=0.7×v×(T/A1)1/P
=0.7×(1/A1)1/P×v×(T)1/P
=A2×(T)1/P ・・・式(3)
となる。なお、A2は比例定数である。(A2=0.7×(1/A1)1/P×v)
TL=10×log10(1/T)
の関係で表される。この式を変形すると、
T=10−0.1×TL
である。
αA=A2×10−0.1×TL/P
となる。両辺の対数を取ると、
log10(αA)=log10(A2)+(−0.1×TL/P)
となる。
log10(αA)=C−0.1/P×TL ・・・式(4)
となる。
式(4)はlog10(αA)とTLのグラフに対して、傾き−0.1/P、切片Cの直線となる。傾き−0.1/Pは図7から求められる量である。切片Cは測定系に依存し実験的に決定する値で、消音システムが設置されていないとき(リファレンス)のαAとTLを測定して、このαAとTLの点を通る直線となるように設定される。
αA=10C−(0.1/P)×TL ・・・式(5)
が求められる。
αA>10C−(0.1/P)×TL ・・・式(1)
を満たす消音システムである。すなわち、
log10(αA)>C−0.1/P×TL ・・・式(6)
を満たす。式(6)はトレードオフ関係を表す式を超えて通気性および防音性の両方が高いことを意味する。すなわち、例えば、透過損失TL(防音性)が同じで、隙間相当面積αA(通気性)がトレードオフ関係から決まる隙間相当面積αAよりも大きいものである。このように式(1)を満たす、すなわち、透過損失TLと隙間相当面積αAとがトレードオフ関係を超えることによって、高い防音性能を発揮しつつ、通気性を高くすることができるため、換気用のファンを回すなどした際に通気スリーブから空気が十分に入り込むため、室内が負圧になることを抑制できる。そのため、ドアが開けにくくなる等の問題が生じることを防止できる。
また、通気スリーブの中心軸に垂直な断面において、消音器が配置された位置における空間の断面積が、通気スリーブ単体の空間の断面積よりも大きいことが好ましい。すなわち、消音器の外径が通気スリーブの外径よりも大きいことが好ましい。
図8は、本発明の消音システムの第一実施形態の好適な実施態様の一例を示す模式的な断面図である。
図8に示すように、消音システム10zは、2つの空間を隔てる壁16を貫通して設けられる、筒状の通気スリーブ12の外側の周面(外周面)に消音器21が配置された構成を有する。なお、以下の説明において通気スリーブを管状部材ともいう。
消音器21は、管状部材内に生じる第一共鳴の周波数を含む周波数の音を消音するものである。
消音器21は、管状部材12の半径方向に延在する略直方体形状で、内部に略直方体形状の空洞部30を有する。空洞部30の管状部材12側の端面には、空洞部30と外部とを連通する開口部32が形成されている。
消音器21の開口部32は、管状部材12の周面に形成された周面開口部12aと接続されている。開口部32が周面開口部12aに接続することによって、消音システム10aにおける管状部材12内に生じる第一共鳴の音場空間に開口部32が接続している。
ここで、空洞部30内の音波の進行方向は、シミュレーションにより求めることができる。図8に示す例においは、空洞部30は半径方向に延在しているため、空洞部30内の音波の進行方向は半径方向(図中上下方向)である。従って、空洞部30の深さLdは、半径方向における開口部32から空洞部30上端までの長さである。なお、位置によって空洞部30の深さが異なる場合には、空洞部30の深さLdは、各位置での深さの平均値である。
また、位置によって開口部32の幅が異なる場合には、開口部32の幅Loは、各位置での幅の平均値である。
消音器21の共鳴周波数F1において管状部材12内に生じる第一共鳴の透過音圧強度をより小さくして相互作用をより小さくできる観点から、管状部材12内に生じる第一共鳴の周波数F0と、消音器21の共鳴周波数F1は、1.17×F0<F1を満たすことが好ましく、1.22×F0<F1を満たすことがより好ましく、1.34×F0<F1を満たすことがさらに好ましい。上記条件を満たすことで、消音器21の共鳴周波数F1において管状部材12内に生じる第一共鳴の透過音圧強度がピーク値に対して20%以下、15%以下、10%以下となる。
この点については、他の実施形態においても同様である。
図9は、本発明の消音システムの好適な実施態様の一例を示す模式的な断面図である。また、図10は、消音器の空洞部の深さLdと幅Lwとを説明するための図である。なお、図10においては、壁16の図示を省略している。以降の図においても、壁16の図示を省略する場合がある。
管状部材12は例えば、換気口および空調用ダクト等の通気スリーブである。
消音器22は、軸方向に平行な断面において、軸方向に延在し、管状部材12の外周面に沿って湾曲した略直方体形状で、内部に軸方向に延在する略直方体形状の空洞部30を有する。また、消音器22の管状部材12側の面の、軸方向の一方の端部側には、空洞部30と外部とを連通する開口部32を有する。すなわち、消音器22は、L字型の空間を有する。この開口部32は、管状部材12の周面に形成された周面開口部12aと接続されている。開口部32が周面開口部12aに接続することによって、消音システム10aにおける管状部材12内に生じる第一共鳴の音場空間に開口部32が接続している。
なお、以下の説明において、図9に示すような消音器22をL字型の消音器ともいう。
音場空間について図11を用いて説明する。
図11は、2つの空間を隔てる壁16を貫通して設けられる管状部材12の第一共鳴モードにおける音圧の分布をシミュレーションによって求めたものである。図11からわかるように、管状部材12の第一共鳴の音場空間は、管状部材12内、および、開口端補正距離内の空間である。周知のとおり、開口端補正の距離だけ音場の定在波の腹が管状部材12の外側にはみ出している。なお、円筒形の管状部材12の場合の開口端補正距離は、大凡1.2×管直径で与えられる。
なお、図12に示す消音システム10bおよび図13に示す消音システム10cにおいて、消音器22は開口部32が管状部材12の中心軸側を向くように配置されている。なお、管状部材12の中心軸とは、管状部材12の断面における重心を通る軸である。
例えば、管状部材12の第一共鳴周波数の音波を消音する場合には、第一共鳴周波数の音波の音圧が高くなる位置、すなわち、軸方向における管状部材の中央に消音器22の開口部32を配置することで、より高い防音性能を発現することができる。
また、軸方向に平行な断面において、空洞部30の深さ方向に直交する方向の空洞部30の幅Lw(図10参照)は、後述する消音器内に配置された多孔質吸音材の流れ抵抗が7000[Pa・s/m2]以上の場合は、0.03×λ<Lw<0.15×λを満たすのが好ましく、0.035×λ<Lw<0.12×λを満たすのが好ましく、0.04×λ<Lw<0.1×λを満たすのがより好ましい。なお、図8においては、空洞部30の幅は、図中左右方向の長さであり、開口部32の幅Lwと一致している。
図14に示す消音システム10dのように、多孔質吸音材24は消音器22の空洞部30内の少なくとも一部に配置される構成とすればよい。あるいは、図15に示す消音システム10eのように、多孔質吸音材24は消音器22の開口部32の少なくとも一部を覆うように配置される構成としてもよい。
図16は、シミュレーションに用いた消音システムのモデルを模式的に表す断面図である。
図16に示すように、壁16の厚みは212.5mmとし、管状部材12の直径は100mmとした。消音器22は、入射側(図16中左側)の壁から100mm離間する位置に配置した。消音器22は、管状部材12の外周に管状に配置し、軸方向が深さ方向とした。消音器22の空洞部30の長さ(筒長)は42mmとした。幅は37mmとした。開口部32は管状部材12の周面方向にスリット状に配置した。開口部32は、軸方向において、入射側(図16中左側)に形成されるものとした。消音器22の空洞部30の全域に多孔質吸音材24を配置した。
また、管状部材12の、音波の入射側の開口部にはガラリ(カバー部材)が配置され、音波の出射側の開口部にはレジスター(風量調整部材)が配置される構成とした。
ガラリ、および、レジスターは、市販のものを参考にモデル化した。
結果を図17に示す。図17は、流れ抵抗と開口幅/筒長と規格化透過損失との関係を表すグラフである。なお、規格化透過損失は、透過損失が最大となる値を1として規格化した値である。
例えば、図19に示すように、3つの消音器22を有し、3つの消音器22が管状部材12の外周面に、周面方向に等間隔に配置されて回転対称となる構成としてもよい。なお、消音器22の数は3つに限定はされず、例えば、2つの消音器22が回転対称に配置される構成であってもよいし、4つ以上の消音器22が回転対称に配置される構成であってもよい。
これにより、隙間相当面積αAおよび透過損失TLが、上記式(1)を満たす構成とすることができる。従って、換気用のファンを回すなどした際に通気スリーブから空気が十分に入り込むため、室内が負圧になることを抑制できる。そのため、ドアが開けにくくなる等の問題が生じることを防止できる。
なお、実効外径は、円相当直径であり、断面が円形ではない場合、その断面積と同じ円の直径を実効外径とした。
これにより、消音システムの大型化を抑制して通気性を確保しつつ、高い防音性能を発現することができる。
例えば、図23に示す消音システム10iは、軸方向において、管状部材12の略中央部で、管状部材12の周面開口部12aに接続される消音器22aと、管状部材12の一方の端部近傍で周面開口部12aに接続される消音器22bとを有する。中央部側の消音器22aの空洞部30aの深さLdは、端部側の消音器22bの空洞部30bの深さLdが互いに異なる。
例えば、図24に示す消音システム10jは、軸方向において、管状部材12の略中央部で、管状部材12の周面開口部12aに接続される消音器22aと、管状部材12の一方の端部近傍で周面開口部12aに接続される消音器22bとを有する。中央部側の消音器22aの空洞部30aには多孔質吸音材24aが配置されており、端部側の消音器22bの空洞部30bには多孔質吸音材24bが配置されている。多孔質吸音材24aの吸音特性と多孔質吸音材24bの吸音特性とは互いに異なる。
図25および図26に示す消音システムは、2つの消音器23が管状部材12の外周面に沿って配置されている。消音器23の空洞部30は、開口部32から管状部材12の周面方向に沿って延在している。すなわち、消音器23は開口部32から周面方向に深さを有する。
このような構成とすることで、消音器の軸方向の長さを短くすることができる。
図28に本発明の消音システムの他の一例の模式的な断面図を示す。
図28に示す消音システム10kは、管状部材12の一方の端面側に、管状部材12を通過する音を消音する消音装置14が設置された構成を有する。
消音器22は、挿入部26の端面に配置される以外は、上述のL字型の消音器22と同様の構成を有する。また、消音器22は、挿入部26の内径を塞がないように、挿入部26の周面に沿って配置されている。また、消音器22はその開口部32が挿入部26の中心軸(管状部材12の中心軸)を向くように配置されている。なお、挿入部26の中心軸とは、挿入部26の断面における重心を通る軸である。
例えば、消音装置14が挿入部を有さず、壁16に接着剤等で貼り付ける構成としてもよい。
あるいは、図29に示す消音システム10pのように、消音装置14の挿入部26の内径を壁16に配置された管状部材12の外径と略同じ径として、消音装置14の挿入部26内に管状部材12を挿入して、消音装置14を設置する構成としてもよい。挿入部26は、管状部材12と壁16との間に配置される。
あるいは、消音装置14の挿入部26の内径を管状部材12の外径よりも大きくして、挿入部26が壁16内に配置される構成としてもよい。
図29に示すような構成にすることにより、挿入部26を管状部材12に挿入することによる開口率の低下を抑制でき、管状部材12の通気性を向上できる。
複数の消音器22を有する場合には、周面方向に等間隔に配置されて回転対称となる構成としてもよい。
あるいは、図30に示す消音システム10lのように軸方向に複数の消音器22を有し、軸方向の少なくとも2箇所以上の位置に、複数の消音器22の開口部32が配置される構成としてもよい。
例えば、図30に示す消音装置は、軸方向に挿入部26側から消音器22aと消音器22bとを有する。消音器22aの空洞部30aの深さLdは、消音器22bの空洞部30bの深さLdが互いに異なる。
例えば、図30に示す消音装置は、軸方向に挿入部26側から消音器22aと消音器22bとを有する。消音器22aの空洞部30aには多孔質吸音材24aが配置されており、消音器22bの空洞部30bには多孔質吸音材24bが配置されている。多孔質吸音材24aの吸音特性と多孔質吸音材24bの吸音特性とは互いに異なる。
図31に示す消音装置は、軸方向に挿入部26側から消音器22aと消音器22bとを有する。消音器22aの空洞部30aおよび空洞部30b内にはそれぞれ3つの多孔質吸音材24c、24dおよび24eが配置されている。各空洞部内において、多孔質吸音材24c〜24eは、空洞部の深さ方向に積層されている。
空洞部内に複数の吸音材を配置する構成とすることで、製造の際に、吸音材を開口部から空洞部内に充填しやすくなり、また、メンテナンスの際に、吸音材を交換しやすくなる。
また、空洞部の形状に合わせて成型された吸音材が複数に分割されているのがより好ましい。
空洞部内に異なる種類の吸音材を複数配置することで、消音器による消音を、消音器(空洞部)の形状、および、吸音対象の音等に適した吸音性能に制御することが容易となる。
例えば、コンクリート壁と化粧板との間の距離はさまざまで、同じマンションであっても場所によって異なったり、施工会社によって異なったりする。コンクリート壁と化粧板との間の距離に応じて、そのつど消音装置を設計して作製するとコストがかかる。また全ての距離に適用できるよう消音装置を薄く設計すると、防音性能が低くなってしまう。そこで、消音装置をコンクリート壁と化粧板との間に設置する場合に、コンクリート壁と化粧板との間の距離に応じて分離された複数の消音器を適宜組み合わせて設置することで、低コストで防音性能を最大化することができる。
また、消音装置14は、管状部材12の室内側の端面、および、室外側の端面のどちらに設置してもよいが、室内側の端面に設置されるのが好ましい。
また、カバー部材および風量調整部材は、管状部材の消音装置が設置された側の端面に設置されてもよいし、消音装置が設置されていない側の端面に設置されてもよい。
また、例えば、図33に示すように、風量調整部材20が消音装置14側に設置される場合には、軸方向から見た際に、風量調整部材20が消音装置14を全て覆うように設置されるのが好ましい。カバー部材が消音装置14側に設置される場合も同様である。
カバー部材および風量調整部材を有していてもよい点については他の実施形態においても同様である。
化粧板40の貫通孔に消音装置14を挿通させる構成とすることで、消音装置の設置、交換等が容易になる。
ここで、図34に示すように、消音装置14は化粧板40側の端面が、化粧板40の壁12とは反対側の面と面一に配置される構成の場合には、消音器22のサイズが大きいと、化粧板40側にレジスターのような風量調整部材20を設置しても、室内から化粧板40に形成した貫通孔(消音装置14と化粧板40との境界)が視認されてしまうおそれがある。従って、図34に示すように、風量調整部材20と化粧板40および消音装置14との間に、境界カバー42を設置するのが好ましい。これにより、室内側(風量調整部材20側)から見た際に、図35に示すように、化粧板40の貫通孔が境界カバー42によって隠れるので、意匠性を高めることができる。
消音器22部分の内径を管状部材12の内径よりも大きくすることで、管状部材12の径よりも大きい径の管状部材用の、大きな風量調整部材20を用いることができる。大きな風量調整部材20を用いることで、化粧板40の貫通孔が風量調整部材20によって隠れるので、意匠性を高めることができる。
図33等に示すように、市販のレジスター等の風量調整部材20は、差込部を有し、差込部を消音装置14に差し込んで設置される。しかしながら、市販のレジスターの差し込み部は、接続時の剛性および密閉性確保のため、長さが5cm程度あり、消音装置14の設計が制限されるおそれがある。これに対して、消音装置14と風量調整部材20とを一体化することで、消音装置14の設計自由度が高くなり、また、施工も簡易化される点で好ましい。
図37に示す消音システムのように、消音装置14は、消音装置14の中心軸が、中心軸に垂直な方向に管状部材12の中心軸とずれるように配置されていてもよい。
消音装置14の中心軸と管状部材12の中心軸とが一致する構成は通気性の点で好ましい。一方、消音装置14の中心軸と管状部材12の中心軸とがずれている場合は、音の反射が増えるため防音性能が向上する点で好ましい。特に直進性の高い高周波領域で効果がある。
なお、消音装置14の中心軸が、中心軸に垂直な方向に管状部材12の中心軸とずれるように配置されている場合には、壁に垂直な方向から見た際に、一方の空間側から通気スリーブを通して他方の空間側が視認できることが好ましい。すなわち、消音器を配置した通気スリーブ内の通気可能な空間、すなわち、通風路は、通気スリーブの中心軸に垂直な断面の面方向において少なくとも一部が直線上にあることが好ましい。これにより、通風路の折れ曲がりによる圧力損失を低減できる。
また、消音器が配置された通気スリーブ内における一方の空間側から他方の空間側までの最短距離が壁の厚みの1.9倍以下であることが好ましい。
一方、住宅用の壁は、全体の厚み(コンクリート壁と化粧板との合計厚み)は最大で400mmであり、コンクリート壁が少なくとも100mmであるため、空洞部の幅Lwは、住宅のコンクリート壁と化粧板との間の空間に配置可能な観点から、300mm以下であるのが好ましく、さらに汎用性の観点から200mm以下であるのがより好ましく、150mm以下であるのがさらに好ましい。
一方、消音器は径方向において住宅の柱と柱の間に配置される。住宅の柱と柱の間は最大で450mm程度であり、通気スリーブは少なくとも100mm程度である。従って、空洞部の深さLdは、住宅の柱と柱の間の空間に配置可能な観点から、175mm以下(=(450mm−100mm)/2)であるのが好ましく、130mm以下であるのがより好ましく、100mm以下であるのがさらに好ましい。
図38に、シミュレーションモデルの模式図を示す。
図38に示すように、シミュレーションにおいて管状部材の長さは200mm、直径は100mmとした。消音器22は、管状部材12の外周に管状に設置した。軸方向において管状部材12の音波の入射側の端面と消音器22との間の距離は100mmとした。消音器22の開口部32は管状部材の周面方向にスリット状に配置した。開口部32の幅は15mmとした。空洞部30の軸方向の長さは60mm、軸方向に垂直な方向の幅は33mmとした。
図38に示すように、軸方向に平行なある断面で見た際に、空洞部30内を9分割し、9分割した領域p1〜p9の各領域に流れ抵抗13000[Pa・s/m2]の多孔質吸音材24が配置されるものとして、シミュレーションを行った。p1が開口部32に最も近い領域であり、p2およびp3は、半径方向においてp1よりも開口部32から遠い領域である。また、p4およびp7は、軸方向においてp1よりも開口部32から遠い領域である。p5およびp8は、軸方向においてp2よりも開口部32から遠い領域である。p6およびp9は、軸方向においてp3よりも開口部32から遠い領域である。
また、図40には、p1〜p9の各領域に吸音材を配置した場合の、500Hzバンドの透過損失を表すグラフを示す。500Hzバンドの透過損失は、354Hz以上707Hz以下の周波数での透過損失の平均値を求めたものである。
図42には、pz1〜pz3の各領域に吸音材を配置した場合の、500Hzバンドの透過損失を表すグラフを示す。
図44には、ph1〜ph3の各領域に吸音材を配置した場合の、500Hzバンドの透過損失を表すグラフを示す。
図45に示す消音システムにおいては、消音器22の空洞部30を構成する壁面の、開口部32を有する面と対面する面に第2空洞部38を有する。管状部材12内に生じる第一共鳴の音場空間に接続しない位置に、空洞部30と連通する第2開口部38を有する構成とすることで、隙間相当面積αAおよび透過損失TLが、上記式(1)を満たす構成とすることができる。
図46は、本発明の消音システムの他の一例の模式的断面図である。また、図47は、図46のD−D線断面図である。
図46および図47に示すように、浸入防止板34は、管状部材12内の鉛直方向の下方に、管状部材12の径方向に立設している板状の部材である。
浸入防止板34の鉛直方向の高さは、5mm以上40mm以下が好ましい。
図48は、本発明の消音システムの他の一例の模式的断面図である。また、図49は、図48のE−E線断面図である。
図48および図49に示すように、消音器22の開口部32の鉛直方向の下側の領域を蓋部36で塞ぐ構成とすることによって、外部から管状部材12内に浸入した雨水が消音器22の空洞部30に浸入するのを防止できる。
ここで、消音器22および消音装置14は、排気口等に利用可能な点から、難燃材料より耐熱性の高い材料からなることが好ましい。耐熱性は、例えば、建築基準法施行令の第百八条の二各号を満たす時間で定義することができる。建築基準法施行令の第百八条の二各号を満たす時間が5分間以上10分間未満の場合が難燃材料であり、10分間以上20分間未満の場合が準不燃材料であり、20分間以上の場合が不燃材料である。ただし耐熱性は各分野ごとで定義されることが多い。そのため、消音システムを利用する分野に合わせて、消音器22および消音装置14を、その分野で定義される難燃性相当以上の耐熱性を有する材料からなるものとすればよい。
消音器22の空洞部30内に空気が流入可能な構成の場合には、直管の場合に比べて、消音システム全体としての圧力損失が大きくなる。そのため、通気量が少なくなってしまうおそれがある。これに対して、各消音器22の開口部32を防風用フィルム44で覆う構成とすることで、防風用フィルム44が音波を透過するため、消音器22による消音の効果は得られ、かつ、防風用フィルム44が空気を遮蔽するため、空洞部30内に空気が流入するのを抑制して圧力損失を低減することができる。
非通気の防風用フィルム44の材料としては、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)などのアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリアミドイド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルフォン、ポリブチレンテレフタラート、ポリイミド、トリアセチルセルロース等の樹脂材料、が利用可能である。
低通気性の防風用フィルム44の材料としては、上記樹脂からなる多孔質フィルム、多孔質金属箔(多孔質アルミニウム箔等)、不織布(レジンボンド不織布、サーマルボンド不織布、スパンボンド不織布、スパンレース不織布、ナノファイバー不織布)、織布、紙等が利用可能である。
なお、多孔質フィルム、多孔質金属箔、不織布、織布を用いた場合には、それらが有する貫通孔部によって吸音効果を得ることができる。すなわち、これらは音エネルギーを熱エネルギーに変換する変換機構としても機能する。
防風用フィルム44の厚みは、材質にもよるが、1μm〜500μmが好ましく、3μm〜300μmがより好ましく、5μm〜100μmがより好ましい。
例えば、管状部材12の一方の端部には、本発明における消音装置14が配置され、管状部材12の内部には、内挿型消音器が配置される構成としてもよい。
また、管状部材12の一方の端部には、本発明における消音装置14が配置され、管状部材12の他方の端部には、野外設置型の防音フードが配置される構成としてもよい。
あるいは、管状部材12の一方の端部には、本発明における消音装置14が配置され、管状部材12の内部には、内挿型消音器が配置され、管状部材12の他方の端部には、野外設置型の防音フードが配置される構成としてもよい。
このように、他の防音部材と組み合わせることで、より広い帯域で高い防音性能を得られる。
この点については、他の実施形態においても同様である。
野外設置型の防音フードとしては、種々の公知の防音スリーブが利用可能である。例えば、株式会社ユニックス製:防音フード(SSFW-A10M等)、株式会社シルファー製:防音型フード(BON-TS等)等を用いることができる。
しかしながら、折れ曲がり部を曲面にしたり、折れ曲がり部に整流板を設けた場合には、通気性が向上するものの、音波の透過率も高くなってしまう。
密度の小さい不織布としては、株式会社巴川製紙所:ステンレス繊維シート(トミーファイレックSS)、通常のティッシュペーパーなどが挙げられる。厚みと密度の小さい膜としては、市販の各種ラップフィルム、シリコーンゴムフィルム、金属箔などが挙げられる。
隙間相当面積αAおよび透過損失TLが、上記式(1)を満たす構成とするために、図54に示すような構成であってもよい。
図54は、本発明の消音システムの第二実施形態の好適な実施態様の一例を示す模式的な断面図である。図55は、図54のB−B線断面図である。
図54に示す例では、消音システム10uは、壁16と、壁16から所定距離離間して、壁16に平行に設けられた化粧板40と、壁16および化粧板40を貫通する通気スリーブ12と、壁16と化粧板40の間の空間の通気スリーブ12の外周部に配置される消音器60とを有する。
また、図54および図55に示すように、消音器60は、通気スリーブ12の外周部の周方向の全周に開口部32および空洞部30を有する。すなわち、消音システム10uでは、通気スリーブ12の軸方向において、消音器60の位置で通気スリーブ12の直径よりも大きな径となる。
消音器60の開口部32が通気スリーブ12内と連通することによって、消音システム10uにおける通気スリーブ12内に生じる第一共鳴の音場空間に開口部32が接続している。
0.06×λ≦L1<0.45×λ
を満たし、消音器60の空洞部30の深さL2は、
0.14×λ≦L2<0.22×λ
を満たす構成とする。
すなわち、空洞部30の幅L1は、λ/2よりも小さく、また、空洞部30の深さL2は、λ/4よりも小さい。従って、消音器60は、共鳴によって消音するものではない。
なお、位置によって空洞部30の深さが異なる場合には、空洞部30の深さL2は、各位置での深さの平均値である。
また、位置によって開口部32の幅が異なる場合には、開口部32の幅L1は、各位置での幅の平均値である。
なお、幅L1、深さL2は分解能を1mmとして測定すればよい。すなわち、1mm未満の凹凸等の微細構造を有する場合には、これを平均化して幅L1、深さL2を求めればよい。
また、この消音の原理は共鳴を利用しないので、風切り音を増幅することがない。
図56に示すモデルを用いて、消音器60の空洞部30の幅L1および深さL2を種々変更して計算を行なった。
図57に、シミュレーションの結果を、L1/λとL2/λと500Hzバンドの透過損失との関係のグラフとして示す。なお、500Hzバンドの透過損失は、355Hz以上710Hz以下の周波数での透過損失の平均値を求めたものである。
また、図58には、L2/λが0.15の場合のL1/λと通気スリーブの第一共鳴音が存在する500Hzバンドの透過損失との関係を表すグラフを示し、図59には、L1/λが0.15の場合のL2/λと500Hzバンドの透過損失との関係を表すグラフを示す。
355Hz〜710Hzの領域を1/24オクターブバンドの周波数間隔で透過音圧強度を計算し、足し算したものをΣIとすると、500バンドの透過損失TL500は、
TL500=10×log(ΣIref/ΣI)
で求めた。なお、ΣIrefは、ストレート管のΣIである。
また、500Hzバンドにおいてより高い防音性能が得られる観点から、空洞部30の幅L1は、0.07×λ以上0.44×λ×λ以下であるのが好ましく、0.08×λ以上0.42×λ以下であるのがより好ましく、0.09×λ以上0.40×λ以下であるのがさらに好ましい。
また、500Hzバンドにおいてより高い防音性能が得られる観点から、空洞部30の深さL2は、0.145×λ以上0.215×λ以下であるのが好ましく、0.15×λ以上0.21×λ以下であるのがより好ましく、0.155×λ以上0.205×λ以下であるのがさらに好ましい。
一方、住宅用の壁は、全体の厚み(コンクリート壁と化粧板との合計厚み)は最大で400mmであり、コンクリート壁が少なくとも100mmであるため、空洞部の幅L1は、住宅のコンクリート壁と化粧板との間の空間に配置可能な観点から、300mm以下であるのが好ましく、さらに汎用性の観点から200mm以下であるのがより好ましく、150mm以下であるのがさらに好ましい。
一方、消音器は径方向において住宅の柱と柱の間に配置される。住宅の柱と柱の間は最大で450mm程度であり、通気スリーブは少なくとも100mm程度である。従って、空洞部の深さL2は、住宅の柱と柱の間の空間に配置可能な観点から、175mm以下(=(450mm−100mm)/2)であるのが好ましく、130mm以下であるのがより好ましく、100mm以下であるのがさらに好ましい。
また、複数の消音器を軸方向に配置する構成とする場合には、各消音器の開口部および空洞部等の寸法は互いに異なっていてもよい。
消音器を通気スリーブと別部材とした場合には、消音器を通気スリーブ(壁)の端面に接着剤等の公知の固定方法で固定すればよい。その際、消音器は通気スリーブに着脱可能に設置されるのが好ましい。これにより、消音器の交換、あるいはリフォーム等を簡単に行うことができる。
また、第一実施形態と同様に、消音器は、通気スリーブ(壁)の室内側の端面、および、室外側の端面のどちらに設置してもよいが、室内側の端面、すなわち、コンクリート壁と化粧板との間に設置されるのが好ましい。また、消音器を分離可能に構成されていてもよい。
隙間相当面積αAおよび透過損失TLが、上記式(1)を満たす構成とするために、図60に示すような構成であってもよい。
図60は、本発明の消音システムの第三実施形態の好適な実施態様の一例を示す模式的な断面図である。図61は、図60のB−B線断面図である。
図60に示す例では、消音システム10vは、壁16と、壁16から所定距離離間して、壁16に平行に設けられた化粧板40と、壁16および化粧板40を貫通する通気スリーブ12と、壁16と化粧板40の間の空間の通気スリーブ12の外周部に配置される消音器62とを有する。
図60および図61に示すように、ケース部28は、通気スリーブ12の外周部の周方向の全周に開口部32および空洞部30を有する。すなわち、消音システム10vでは、通気スリーブ12の軸方向において、消音器62の位置で通気スリーブ12の直径よりも大きな径となっている。
ケース部28の開口部32が通気スリーブ12内と連通することによって、消音システム10における通気スリーブ12内に生じる第一共鳴の音場空間に開口部32が接続している。
周知のとおり、多孔質吸音材は、内部を通過する音の音エネルギーを熱エネルギーに変換することで吸音するものである。
−1.0<log(α/λ)<0.3
を満たす。
なお、上記式において、logは自然対数である。
また、周波数f1における消音器内の実効音響伝搬長とは、多孔質吸音材が配置された状態で空洞部内を周波数f1の音が伝搬すると考えた場合の実効音響伝搬長である。
α0=1/Re[γ]
で求められる。ただし、γは伝搬定数である。また、Re[γ]は、伝搬定数の実部を意味する。
音響材料の伝搬定数は、音響管と2本のマイクを用いた伝達関数法による測定を行うことで求めることができる。この手法はJIS A1405-2、ISO 10534-2、ASTM E 1050の規格に従うものである。
音響管としては、例えば日東紡音響エンジニアリング株式会社製のWinZacと同一の測定原理であるものを用いることができる。この方法で広いスペクトル帯域において伝搬定数を測定することができる。
消音器内の実効音響伝搬長αは、多孔質吸音材がケース部の空洞部内全体に充填される場合は、多孔質吸音材の実効音響伝搬長α0と一致する。また、多孔質吸音材がケース部の空洞部内の一部に充填される場合は、多孔質吸音材の実効音響伝搬長α0と多孔質吸音材が配置されていない空間の長さとの合計が消音器内の実効音響伝搬長αとなる。なお、以下の説明においては、基本的に多孔質吸音材がケース部の空洞部内全体に充填される構成として説明を行なっている。従って、多孔質吸音材の実効音響伝搬長α0と消音器内の実効音響伝搬長αとを区別せずに説明する場合がある。
また、この消音の原理は共鳴を利用しないので、風切り音を増幅することがない。
なお、位置によって空洞部30の深さが異なる場合には、空洞部30の深さL2は、各位置での深さの平均値である。
また、位置によって開口部32の幅が異なる場合には、開口部32の幅L1は、各位置での幅の平均値である。
なお、幅L1、深さL2は分解能を1mmとして測定すればよい。すなわち、1mm未満の凹凸等の微細構造を有する場合には、これを平均化して幅L1、深さL2を求めればよい。
また、複数の消音器を軸方向に配置する構成とする場合には、各消音器の開口部および空洞部等の寸法は互いに異なっていてもよい。
また、1つの空洞部に複数の吸音材を配置する構成としてもよい。
消音器を通気スリーブと別部材とした場合には、消音器を通気スリーブ(壁)の端面に接着剤等の公知の固定方法で固定すればよい。その際、消音器は通気スリーブに着脱可能に設置されるのが好ましい。これにより、消音器の交換、あるいはリフォーム等を簡単に行うことができる。
また、第一実施形態と同様に、消音器は、通気スリーブ(壁)の室内側の端面、および、室外側の端面のどちらに設置してもよいが、室内側の端面、すなわち、コンクリート壁と化粧板との間に設置されるのが好ましい。また、消音器を分離可能に構成されていてもよい。
実施例1として、図62に示すように、管状部材12の一方の開口面に消音装置14を配置した構成(第一実施形態の構成)について、隙間相当面積αAおよび透過損失TLをそれぞれ上述の方法で測定した。なお、透過損失TLは500Hzオクターブバンドで測定した。
通気スリーブ12は内径100mmとした。
消音装置14は、アクリル製で、2つの消音器22および挿入部26を有する。消音器22は、L字型の消音器であり、周面方向において管状部材12の外周面の全周に沿った円環状であり、開口部32が周面方向に沿ったスリット状に形成された形状である。また、2つの消音器は、軸方向に配列される構成とした。また、2つの消音器22の空洞部内には多孔質吸音材24が配置される構成とした。また、管状部材12の消音装置14が設置された側とは反対側の開口面にはガラリ18が配置される構成とした。
また、多孔質吸音材24は、空洞部30の全域に充填されるものとした。多孔質吸音材24としてシンサレート(3M社製)を用いた。以下の実施例においても特に記載がない場合は、多孔質吸音材24は空洞部30の全域に充填されるものとした。
また、ガラリはユニックス社製 横ガラリ AG100A-ALを用いた。
消音装置14の構成を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、隙間相当面積αAおよび透過損失TLを求めた。
なお、実施例3の多孔質吸音材は東京防音株式会社製のホワイトキューオンとした。
消音装置14に代えて、市販の消音器(ユニックス社製サイレンサーUSP100SA)を配置した以外は実施例1と同様にして、隙間相当面積αAおよび透過損失TLを求めた。
ガラリのみを設置して消音装置14を設置しない構成に変更した以外は実施例1と同様にして、隙間相当面積αAおよび透過損失TLを求めた。
各部の寸法、構成、求めた隙間相当面積αAおよび透過損失TLを表1に示す。また、各実施例、比較例およびリファレンスの隙間相当面積αAおよび透過損失TLをプロットしたグラフを図63に示す。
実施例1〜3および比較例1について評価を行った。
図64に示すような3つの部屋とリビングダイニング、キッチンを有し、自然吸気口(通気スリーブ)を5つ、電動給気シャッター付きの自然吸気口を1つ、強制排気口(レンジフード)を1つ有する住宅を想定し、5つの自然吸気口に実施例および比較例の消音器を配置した場合の住宅内の圧力(負圧)を評価した。
5つの自然吸気口(通気スリーブ)、および、電動給気シャッター付きの自然吸気口は、いわゆる24時間換気システムに相当する。
5つの自然吸気口には、消音器に加えて、室外側にガラリ(ユニックス社製 横ガラリ AG100A-AL)、および、室内側にレジスター(ユニックス社製 PRP100AWL)を配置した。前述のとおり、ガラリの隙間相当面積は118cm2である。レジスターの隙間相当面積はカタログ値から13.4cm2であった。
電動給気シャッター付きの自然吸気口には、室外側にガラリ(ユニックス社製 横ガラリ AG150A-AL)、および、室内側に電動給気シャッター(ユニックス社製 UKD150BFH)を配置した。ガラリの隙間相当面積を上記と同様の方法で測定したところ、135.2cm2であった。電動給気シャッターの開口時の隙間相当面積はカタログ値から81.4cm2であった。
これらから、各実施例および比較例における自然吸気口1つ分の隙間相当面積αA、および、電動給気シャッター付きの自然吸気口の隙間相当面積αAを算出すると、それぞれ表2に示す値であった。
なお、実施例1の消音器はサッシ等級でT2相当の防音性である。実施例2の消音器はT1相当、実施例3はT3相当、比較例1はT1相当の防音性である。
室内負圧=ρ/2×Q/3600×(10000/αAa)2
の式から求めた。
なお、ρは、空気の密度で約1.2kg/m3である。αAaは、5つの自然吸気口の隙間相当面積、電動給気シャッター付き自然吸気口の隙間相当面積、および、住戸隙間面積を合計した、住宅全体の隙間相当面積である。Qはレンジフードの風量Q3、自然吸気口の風量Q1、電動給気シャッター付き自然吸気口の風量Q2、の合計の風量である。
住戸隙間面積、レンジフードの風量Q3、自然吸気口の風量Q1、電動給気シャッター付き自然吸気口の風量Q2は、一般的に計算に使用されている値を用いて計算を行った(Q3=420m3/h、Q1=Q2=20m3/h)。
各実施例および比較例の隙間相当面積、風量、ならびに、算出した室内負圧の値を表3に示す。
以上の結果より本発明の効果は明らかである。
12、92、96 管状部材(通気スリーブ)
14 消音装置
16、96 壁
18 カバー部材
20 風量調整部材
21、22、22a、22b、23、60、62 消音器
24、24a〜24e 多孔質吸音材
26 挿入部
28 ケース部
30、30a、30b 空洞部
32、32a、32b 開口部
34 浸入防止板
36 蓋部
38 第2開口部
40 化粧板
42 境界カバー
44 非通気フィルム
46 膜状部材
54 仕切り部材
56 音響透過壁
90 チャンバー
Claims (14)
- 2つの空間を隔てる壁を貫通して設けられる通気スリーブに、一つ以上の消音器が配置された消音システムであって、
前記消音器が設置された前記通気スリーブの隙間相当面積をαAとし、前記通気スリーブの第一共鳴周波数が存在するオクターブバンドにおける規準化透過損失をTLとすると、
αA>10C−(0.1/P)×TL ・・・式(1)
を満たす消音システム。
なお、Cは前記消音器がない場合の測定系で決まる定数であり、Pは、透過効率係数である。 - 前記通気スリーブの中心軸に垂直な断面において、前記消音器が配置された位置における空間の断面積が、前記通気スリーブ単体の空間の断面積よりも大きい請求項1に記載の消音システム。
- 前記消音器は、前記通気スリーブの内部空間に連通する空洞部を有し、
前記通気スリーブの内部空間および前記消音器の空洞部の合計体積は、前記通気スリーブ単体の内部空間の体積よりも大きい請求項1または2に記載の消音システム。 - 前記通気スリーブの内部空間の合計体積が18000cm3以下である請求項3に記載の消音システム。
- 前記消音器は、音エネルギーを熱エネルギーに変換する変換機構を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記変換機構は、多孔質吸音材である請求項5に記載の消音システム。
- 前記消音器は、前記通気スリーブの第一共鳴周波数の波長よりも小さい構造を有する請求項1〜6のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記消音器が配置された前記通気スリーブ内における一方の空間側から他方の空間側までの最短距離が前記壁の厚みの1.9倍以下である請求項1〜7のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記通気スリーブの、前記壁に平行な断面が、900cm2以下である請求項1〜8のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記通気スリーブに前記消音器を配置した状態で、一方の空間側から前記通気スリーブを通して他方の空間側が視認できる請求項1〜9のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記消音器は、前記壁と、前記壁から離間して配置される化粧板との間の、前記通気スリーブの端部に配置される請求項1〜10のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記消音器は、前記通気スリーブの第一共鳴周波数で共鳴する構造を有さない請求項1〜11のいずれか一項に記載の消音システム。
- 一方の前記空間は室内空間である請求項1〜12のいずれか一項に記載の消音システム。
- 前記室内空間を換気するファンを有する請求項13に記載の消音システム。
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