WO2017217475A1 - 耳用音響フィルター - Google Patents

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WO2017217475A1
WO2017217475A1 PCT/JP2017/022025 JP2017022025W WO2017217475A1 WO 2017217475 A1 WO2017217475 A1 WO 2017217475A1 JP 2017022025 W JP2017022025 W JP 2017022025W WO 2017217475 A1 WO2017217475 A1 WO 2017217475A1
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WO
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diaphragm
sound
ear
acoustic filter
weight
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Application number
PCT/JP2017/022025
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English (en)
French (fr)
Inventor
英樹 高祖
明 眞田
Original Assignee
英樹 高祖
岡山県
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F11/00—Methods or devices for treatment of the ears or hearing sense; Non-electric hearing aids; Methods or devices for enabling ear patients to achieve auditory perception through physiological senses other than hearing sense; Protective devices for the ears, carried on the body or in the hand
    • A61F11/06—Protective devices for the ears
    • A61F11/08—Protective devices for the ears internal, e.g. earplugs
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    • A61F11/00—Methods or devices for treatment of the ears or hearing sense; Non-electric hearing aids; Methods or devices for enabling ear patients to achieve auditory perception through physiological senses other than hearing sense; Protective devices for the ears, carried on the body or in the hand
    • A61F11/06—Protective devices for the ears
    • A61F11/08—Protective devices for the ears internal, e.g. earplugs
    • A61F11/085—Protective devices for the ears internal, e.g. earplugs including an inner channel
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • the present invention relates to an ear acoustic filter used by being inserted into the ear canal.
  • FIG. 2 of Patent Document 1 describes an earplug having a structure in which an internal space (forward chamber 29) is partitioned by a diaphragm (diaphragm 23).
  • FIG. 4 of Patent Document 2 proposes an earplug (earplug 2) having a structure in which a through-duct (16) is divided by a membrane element (26).
  • FIG. 2 of Patent Document 1 describes an earplug having a structure in which an internal space (forward chamber 29) is partitioned by a diaphragm (diaphragm 23).
  • FIG. 4 of Patent Document 2 proposes an earplug (earplug 2) having a structure in which a through-duct (16) is divided by a membrane element (26).
  • FIG. 2 of Patent Document 1 describes an earplug having a structure in which an internal space (forward chamber 29) is partitioned by a diaphragm (diaphragm 23).
  • FIG. 4 of Patent Document 2 proposes an earplug (ear
  • Patent Document 3 proposes an ear protector (ear protector 1) having a structure in which sound holes (sound channel 7) are partitioned by a membrane (membrane 5). Each of the earplugs of Patent Documents 1 to 3 can selectively pass a sound of a specific frequency band.
  • the earplug of Patent Document 1 uses electronic parts such as a microphone (microphone 31) and a coil (coil 22), it not only increases the cost but also tends to be heavy, causing a sense of incongruity when worn. It had the disadvantage of being easy.
  • the earplug of Patent Document 1 has a drawback that it is troublesome because it is necessary to connect a cable (cable 43) to exchange signals with an external circuit.
  • the earplugs of Patent Document 2 and the ear protection device of Patent Document 3 do not require the use of electronic components, and thus the above-mentioned problem that has occurred in the earplug filter of Patent Document 1 Does not have the disadvantages.
  • the earplugs of Patent Documents 2 and 3 have a drawback that it is difficult to set the frequency band of the sound to be passed within a target range and it is difficult to design and manufacture. This is because, in the earplug of Patent Document 2, the frequency band of the sound that passes through varies greatly depending on the material, size, shape, etc. of the membrane element (membrane element 26). This is because such adjustment is very difficult where fine adjustment is required. The same can be said for the ear protector of Patent Document 3.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to easily set the frequency band of sound to be passed to a target range while having a simple structure that does not use an electronic circuit. It is possible to provide an acoustic filter for an ear that can be easily designed and manufactured.
  • An ear acoustic filter used by inserting into the ear canal In the ear canal insertion part to be inserted into the ear canal, a sound hole for passing sound is provided, A predetermined location in the sound passage hole is blocked by the diaphragm, A weight portion is provided at a predetermined location on the diaphragm, This can be solved by providing an acoustic filter for an ear characterized in that only the sound in a specific frequency band can be selectively passed to the eardrum side by the resonance phenomenon of the diaphragm caused by the incident sound.
  • the diaphragm can be simply changed by changing the mass of the weight portion, the position where the weight portion is provided, etc. without changing the material and basic dimensions and shape of the diaphragm.
  • the resonance frequency of the sound can be changed, and the frequency band of the sound to be passed (hereinafter sometimes referred to as “pass band”) can be easily adjusted to the target range.
  • the resonance frequency of the diaphragm can be lowered and the center frequency of the pass band can be shifted to the lower frequency side.
  • the acoustic filter for ears of the present invention has a pass band of an alarm sound (usually set to a high frequency of 1000 Hz or more) or a human voice (usually about 200 to 4000 Hz). From the viewpoint of speech perception, not only around 500 Hz and around 1000 to 2500 Hz) but also various kinds of sounds can be easily customized. Therefore, the ear acoustic filter can be easily designed and manufactured.
  • the ear acoustic filter of the present invention it is also possible to maintain sound insulation performance in a frequency band lower than the pass band. This is because if the diaphragm is made of a soft material or thinned to shift the passband to the lower frequency side (lowering the resonance frequency of the diaphragm), the sound insulation performance in the lower frequency band will be reduced. When the diaphragm material and dimensions are changed, the sound insulation performance in the low frequency band of the diaphragm changes.
  • the ear acoustic filter of the present invention passes without changing the diaphragm material and dimensions. This is because the band (the resonance frequency of the diaphragm) can be changed.
  • the weight portion may be provided in an integrated state with the diaphragm such as locally increasing the thickness of a predetermined portion of the diaphragm (the weight portion and the diaphragm are made of the same member). May be formed).
  • the weight portion is preferably provided by fixing a weight member separate from the diaphragm to the diaphragm. This makes it possible to adjust the passband to the target range more easily. That is, it is possible to change the resonance frequency of the diaphragm by simply changing the weight member without changing the diaphragm itself. Also, if a plurality of types having different masses are prepared as weight members, the user can replace the weight members according to the application.
  • the weight portion when the weight portion is provided by a weight member separate from the diaphragm, there is no particular limitation as to how the weight member is fixed to the diaphragm.
  • the weight member has a rivet shape having a head portion and a body portion, and a fixing hole for inserting and fixing the body portion of the weight member is provided at a predetermined position on the diaphragm. Accordingly, it is possible to firmly fix the weight member to the diaphragm while having a simple structure.
  • the acoustic filter for ear it is also preferable to provide an orifice portion for reducing the cross-sectional area of the sound passage hole in the different portion at a portion different from the portion where the diaphragm is provided in the sound passage hole.
  • the width of the pass band can be widened or narrowed by adjusting the diameter and position of the opening in the orifice portion. Specifically, if the opening diameter in the orifice part is reduced, the width of the pass band can be increased, and if the opening diameter in the orifice part is increased, the width of the pass band can be reduced.
  • the ear acoustic filter of the present invention can easily change the center frequency of the passband by changing the mass of the weight portion. This makes it possible to easily change the width of the passband, so that the acoustic filter for the ear can be customized more flexibly according to the type of sound that needs to be heard by the earplug user. It becomes like this.
  • a diaphragm support member that can be fixed in the vicinity of the outer end of the sound hole in the ear canal insertion section is provided, and the diaphragm is inserted into the ear canal insertion section via the diaphragm support member. It is also preferable to be supported near the outer end of the sound passage hole. This is because, although the diaphragm is usually very thin, high accuracy is required for its thickness, so it is difficult to form the diaphragm integrally with the entire ear canal insertion portion. This is because a diaphragm with high dimensional accuracy can be easily provided.
  • the user can replace the diaphragm with the diaphragm support member in accordance with the application.
  • this orifice part is also provided in the diaphragm support part. This is because the orifice part can be easily replaced.
  • the reason why the above-described configuration in which the diaphragm supporting member is provided is preferable because it is easy to stabilize the filter performance of the ear acoustic filter.
  • the ear canal insertion part is often formed of a soft material such as silicon in consideration of the wearing feeling, and when the diaphragm is directly fixed to such a soft material, Since vibration is likely to be absorbed by the ear canal insertion part, it is possible to make it difficult for vibration of the diaphragm to be absorbed by the ear canal insertion part by fixing the diaphragm to the ear canal insertion part via the diaphragm support member. It is.
  • the diaphragm support member is formed of a material (hard resin or the like) that is harder than the ear canal insertion portion.
  • the frequency band of sound to be passed can be easily set within a target range while having a simple structure that does not use an electronic circuit, and can be easily designed and manufactured. It becomes possible to provide an acoustic filter for use.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the ear acoustic filter is cut along the X 1 -X 2 plane in FIG. 2; It is the perspective view which showed the state which decomposed
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which an acoustic filter for ears according to another embodiment is cut along a plane corresponding to the X 1 -X 2 plane in FIG. 2. It is the perspective view which showed the state which decomposed
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire ear acoustic filter of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a six-sided view showing the state of the ear acoustic filter according to the present embodiment as viewed from each direction.
  • FIG. 2 (a) is a front view
  • FIG. 2 (b) is a rear view
  • FIG. 4C is a plan view
  • FIG. 4D is a bottom view
  • FIG. 4E is a left side view
  • FIG. 4F is a right side view.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a part of the acoustic filter for ear according to the present embodiment in a cutaway manner.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire ear acoustic filter of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a six-sided view showing the state of the ear acoustic filter according to the present embodiment as viewed from each direction.
  • FIG. 2 (a) is a front view
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the ear acoustic filter of the present embodiment is cut along the X 1 -X 2 plane in FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the ear acoustic filter of the present embodiment is disassembled.
  • FIG. 6 is a graph showing how the passband shifts when the mass of the weight portion is changed.
  • FIG. 7 is a graph showing how the width W 0 of the pass band changes when the opening diameter of the orifice portion is changed.
  • the ear acoustic filter has an ear canal insertion section 10 as shown in FIG. 1, and the ear canal insertion section 10 is inserted into the user's ear canal (ear hole). It is to be used.
  • the ear canal insertion portion 10 may have a simple shape such as a columnar shape or a polygonal column shape, but in the acoustic filter for ears according to the present embodiment, it is formed in a shape that follows the ear canal. Specifically, from the outer end portion (end portion facing the outer side (y-axis direction negative side)) of the ear canal insertion portion 10 to the inner end portion (end portion facing the inner side of the ear (y-axis direction positive side)). The outer diameter is formed so as to be gradually reduced, and the outer peripheral surface of the ear canal insertion portion 10 is formed with undulations that follow the inner peripheral surface of the ear canal.
  • a flange portion 12 is provided at the outer end portion of the ear canal insertion portion 10. The flange portion 12 is a portion for attaching a diaphragm support member 40 described later.
  • the molding material of the external auditory canal insertion portion 10 is not particularly limited, but a soft material is usually used. Examples of such materials include rubbers such as silicone rubber, and elastomers made of thermoplastic resins such as polyolefin.
  • the ear canal insertion portion 10 is made of silicone rubber.
  • the external auditory canal insertion portion 10 may be a foam in order to impart elasticity to it, but in this case, it is preferable to have a structure that does not have open air bubbles. If the external ear canal insertion portion 10 is formed of a foam having open air bubbles, sound passes through the open air bubbles, and the acoustic filter for ears may not be able to exhibit desired sound insulation characteristics. Because.
  • the external auditory canal insertion portion 10 is provided with a sound passage hole 11 for allowing sound to pass therethrough.
  • the sound hole 11 is provided so as to penetrate the ear canal insertion portion 10 along the insertion direction.
  • the diameter of the sound passage hole 11 is not particularly limited, but usually at least about 0.5 to 2 mm is secured.
  • the diameter of the sound passage hole 11 may be substantially constant from the sound incident side (y axis direction negative side) end of the sound passage hole 11 to the sound emission side (y axis direction positive side) end. However, it may be changed depending on the location.
  • the sound hole 11 may be provided in a state in which the external auditory canal insertion portion 10 is formed in a lump shape (solid) and penetrates the external auditory canal insertion portion 10.
  • the external ear canal insertion portion 10 is formed in a shell shape (shell shape) having openings at both ends, and an inner cavity portion thereof becomes a through hole 11. That is, all of the portion (hollow portion) of the outer ear canal insertion portion 10 except the thickness of about 1 to 3 mm of the peripheral wall portion is the sound hole 11. For this reason, the external auditory canal insertion portion 10 is lightweight and easily deforms according to the shape of the inner peripheral surface of the external auditory canal, and has a little uncomfortable feeling when inserted into the external auditory canal.
  • the sound hole 11 is provided in a state of penetrating the ear canal insertion part 10 (the entire cavity part of the ear canal insertion part 10 is the sound hole 11).
  • the predetermined portion in the sound hole 11 has a structure closed by the diaphragm 20.
  • the diaphragm 20 causes only the sound in a specific frequency band (pass band) out of the sound incident on the outer end side (sound incident side) of the sound hole 11 due to the resonance phenomenon generated therein.
  • the filter functions as a “filter” that passes through to the inner end side (sound emission side).
  • the frequency band (pass band) of the sound passing through the diaphragm 20 has a correlation with the resonance frequency of the diaphragm 20. Specifically, as shown in FIG. 6, when the resonance frequency of the diaphragm 20 is increased, the pass band is shifted to the high frequency side, whereas when the resonance frequency of the diaphragm 20 is decreased, the pass band is shifted to the low frequency side. shift.
  • the resonance frequency of the diaphragm 20 can be easily adjusted by changing the mass or the like of the weight portion 30 described later.
  • part of the sound hole 11 provided through the ear canal insertion part 10 is closed by the diaphragm 20, but in the vicinity of the outer end part (the end part on the sound incident side) of the sound hole 11. It is preferable to provide it. This is because it is not always easy to dispose the diaphragm 20 in the recessed portion of the sound hole 11. In addition, since the area of the diaphragm 20 affects the resonance frequency of the diaphragm 20, and thus the passband, there may be a case where it is desired to secure a large area of the diaphragm 20 depending on the use of the acoustic filter for ears.
  • the vicinity of the inner end portion of the ear canal insertion portion 10 is usually formed thinner than the vicinity of the outer end portion, it is not possible to secure a wide cross-sectional area in the vicinity of the inner end portion of the sound hole 11. This is because if the diaphragm 20 is disposed in a deep place in the sound hole 11, a large area of the diaphragm 20 cannot be secured. In other words, the diaphragm 20 having a large area can be easily arranged in the vicinity of the outer end portion of the sound hole 11.
  • the shape of the diaphragm 20 is not particularly limited as long as the target portion in the sound hole 11 can be blocked.
  • the shape of the diaphragm 20 is appropriately determined according to the target passband, the material or size of the diaphragm 20, the cross-sectional shape of the portion of the sound hole 11 where the diaphragm 20 is disposed, and the like.
  • a substantially circular flat plate is used as the diaphragm 20, but the shape of the diaphragm 20 is elliptical or polygonal (triangular, quadrangular, etc.). ) Or a combination of these.
  • the diaphragm 20 is provided with a fixing hole 21, which is closed by a weight member 30 described later.
  • the area of the diaphragm 20 varies depending on the target pass band, the material or shape of the diaphragm 20, and is not particularly limited. However, if the area of the diaphragm 20 is made too small, the dimensions of the weight portion 30 provided on the diaphragm 20 are inevitably small, and it may be difficult to provide the weight portion 30 on the diaphragm 20. For this reason, the area of the diaphragm 20 is usually 10 mm 2 or more. Area of the vibrating plate 20 is preferable to be 20 mm 2 or more, and more preferably 30 mm 2 or more.
  • the area of the diaphragm 20 is usually 1000 mm 2 or less. Area of the vibrating plate 20 is preferable to be 700 mm 2 or less, more preferably 500 mm 2 or less.
  • the thickness of the diaphragm 20 also varies depending on the target passband, the material or shape of the diaphragm 20, and is not particularly limited. However, if the diaphragm 20 is made too thin, there is a risk that it will be easy to pass through the diaphragm 20 even to a sound that is not in the pass band (sound insulation may be deteriorated), and the diaphragm 20 may not be provided with the required strength. . For this reason, the thickness of the diaphragm 20 is normally 0.01 mm or more. The thickness of the diaphragm 20 is preferably 0.03 mm or more, and more preferably 0.05 mm or more.
  • the thickness of the diaphragm 20 is normally 2 mm or less.
  • the thickness of the diaphragm 20 is preferably 1.5 mm or less, and more preferably 1 mm or less.
  • the material of the diaphragm 20 is not particularly limited as long as it has a required strength and causes a resonance phenomenon by incident sound.
  • the material of the diaphragm 20 is appropriately selected in consideration of the target passband and the shape or size of the diaphragm 20. As the density of the diaphragm 20 increases, the resonance frequency shifts to the lower frequency side, and the pass band of the diaphragm 20 also shifts to the lower frequency side. Conversely, as the density of the diaphragm 20 is smaller, the resonance frequency is shifted to the higher frequency side, and the passband of the diaphragm 20 is also shifted to the higher frequency side.
  • the vibrating plate 20 (about a density 1.1 ⁇ 1.5 g / cm 3) polyvinyl chloride and polypropylene (density 0.9 ⁇ 1.0 gm about 3) and polyethylene (density 0.9 ⁇ 1.0 gm
  • a plate material made of a synthetic resin such as about 3 ) or a plate material made of a metal such as aluminum (a density of about 2.5 to 2.8 gm 3 ) can be suitably used.
  • the diaphragm 20 may be formed integrally with the ear canal insertion portion 10.
  • the diaphragm 20 is usually formed thin, and the thickness of the diaphragm 20 affects the pass band. Therefore, the thickness of the diaphragm 20 requires high accuracy.
  • the ear canal insertion portion 10 is usually formed of a soft material such as silicon, when the diaphragm 20 is directly provided on the ear canal insertion portion 10, the vibration of the vibration plate 20 is caused to vibrate.
  • the diaphragm support member 40 is fixed to the outer end surface of the ear canal insertion part 10, and the diaphragm 20 It is fixed to the ear canal insertion part 10 via the plate support member 40.
  • the diaphragm support member 40 is made of a material harder than the ear canal insertion portion 10 so that vibration generated in the diaphragm 20 is not absorbed by the diaphragm support member 40.
  • the diaphragm 20 is provided with a weight part 30.
  • the weight portion 30 is used to adjust the resonance frequency of the diaphragm 20 and thus the pass band of the diaphragm 20. That is, as shown in FIG. 6, the resonance frequency of the diaphragm 20 can be increased and the pass band of the diaphragm 20 can be shifted to the high frequency side by exchanging the weight portion 30 with a smaller mass. On the other hand, by replacing the weight portion 30 with one having a large mass, the resonance frequency of the diaphragm 20 can be lowered, and the pass band of the diaphragm 20 can be shifted to the low frequency side. .
  • the resonance frequency of the diaphragm 20 can be adjusted (the pass band is shifted) by changing the mass of the weight portion 30.
  • the sound insulation performance (transmission loss) in the frequency band lower than the pass band can be maintained. This is because if the diaphragm 20 is made of a soft material or thinned in order to shift the pass band to the low frequency side, the sound insulation performance in the low frequency band is lowered. This is because the pass band (resonant frequency of the diaphragm) can be changed by changing only the mass of the weight portion 30 without changing the material and dimensions of the diaphragm 20.
  • the location in the diaphragm 20 where the weight portion 30 is provided varies depending on the target passband, the material or shape of the diaphragm 20, and is not particularly limited.
  • the weight part 30 may be provided only at one place of the diaphragm 20 or may be provided at a plurality of places.
  • the circular diaphragm 20 is used, and the weight portion 30 is provided at one center of the diaphragm 20.
  • the arrangement of the weight part 20 with respect to the circular diaphragm 20 is not limited to this, and the weight part 30 may be provided at a location deviated from the center of the diaphragm 20 (an eccentric location), or at a plurality of locations.
  • the weight part 30 may be provided.
  • the respective weight portions 30 are arranged rotationally symmetrically with respect to the center of the diaphragm 20.
  • the dimension of the weight part 30 is not particularly limited. However, if the weight portion 30 is too large relative to the diaphragm 20, the range in which the diaphragm 20 can vibrate becomes narrow, and the ear acoustic filter may not be able to exhibit the desired filter performance. For example, if the weight portion 30 occupies the entire surface of the diaphragm 20, the sound passage hole 11 is substantially closed by the weight portion 30, and the diaphragm 20 is used as an acoustic for ears. It makes little sense in relation to the filter performance of the filter. For this reason, it is preferable that the weight portion 30 is locally provided in a region of the diaphragm 20 that can vibrate (a region excluding a peripheral portion supported by other members).
  • the diameter of the vibrating region in the diaphragm 20 is “R 0 ” (FIG. 4), and the diameter of the weight portion 30 is “R”.
  • the ratio R 1 / R 0 of the diameter R 1 to the diameter R 0 preferably made to be 0.5 or less.
  • the ratio R 1 / R 0 is more preferably 0.4 or less, and further preferably 0.3 or less.
  • the ratio R 1 / R 0 particularly lower limit is not, when the ratio R 1 / R 0 is too small, the size of the weight section 30 is also inevitably reduced, itself providing the weight section 30 in the diaphragm 20 May become difficult.
  • the ratio R 1 / R 0 is normally set to 0.01 or more.
  • the ratio R 1 / R 0 is preferably 0.05 or more, and more preferably 0.1 or more. In the acoustic filter for ears of this embodiment, the ratio R 1 / R 0 is about 0.27.
  • the weight part 30 may be provided in an integrated state with the diaphragm 20 such as locally increasing the thickness of a predetermined portion of the diaphragm 20.
  • the diaphragm 20 itself must be replaced in order to replace the weight 30 with another mass or the like.
  • a member (weight member) separate from the diaphragm 20.
  • the weight member 30 is a rivet-shaped member having a head portion 31 and a trunk portion 32.
  • the weight member 30 is fixed to the diaphragm 20 by inserting the body portion 32 through a fixing hole 21 provided in the diaphragm 20.
  • the weight member 30 may be in a state in which the body portion 32 is simply inserted into the fixing hole 21 of the diaphragm 20, but in this case, the weight member 30 may fall off the diaphragm 20. For this reason, you may apply
  • the tip end portion of the trunk portion 32 is expanded in diameter, such as by crushing the tip end portion (end portion on the positive side in the y-axis direction) of the trunk portion 32 and caulking the weight member 20 to the diaphragm 20. It is also possible to adopt a structure in which the body part 32 does not come out of the fixing hole 21, such as by forming a screw with a screw and screwing a nut member from the front end side of the body part 32. In particular, the method using the nut member is preferable because the weight member 30 can be easily detached from the diaphragm 20 even after the weight member 30 is fixed to the diaphragm 20.
  • the weight member 30 is usually formed of a hard material such as metal or hard resin.
  • the mass of the weight member 30 is not particularly limited because it is appropriately determined in consideration of the target passband and the material or shape of the diaphragm 20. However, if the weight member 30 is too light, the weight member 30 has little influence on the resonance frequency of the diaphragm 20, and the significance of fixing the weight member 30 to the diaphragm 20 is reduced. For this reason, it is preferable that the weight member 30 is made somewhat heavier than the diaphragm 20. Specifically, when the mass of the vibrating region in the diaphragm 20 (the region indicated by “R 0 ” in FIG.
  • the ratio M 1 / M 0 of the mass M 1 to the mass M 0 is preferably 0.5 or more.
  • the ratio M 1 / M 0 is more preferable to be 1 or more and further preferably 2 or more.
  • the upper limit of the ratio M 1 / M 0 is not particularly limited, the ratio M 1 / M 0 is usually from 500 or less, in reality, it is 100 or less.
  • a plurality of types of weight members 30 having different masses are prepared, and the weight member 30 fixed to the diaphragm 20 can be exchanged according to the application (target passband) of the ear acoustic filter. preferable.
  • the diaphragm support member 40 is for supporting the diaphragm 20 with respect to the outer end surface of the ear canal insertion portion 10 (the end surface facing the negative side in the y-axis direction). ing. If the diaphragm support member 40 can exhibit such a function, the specific form is not specifically limited.
  • the diaphragm support member 40 is, as shown in FIG. 5, an annular diaphragm receiver 41 and a front side (y axis direction negative side) from the outer periphery of the diaphragm receiver 41.
  • the diaphragm receiving portion 41 is a portion for supporting the peripheral portion of the diaphragm 20 on one side (surface facing the negative side in the y-axis direction) side.
  • the peripheral wall portion 42 is a portion for protecting the peripheral portion of the diaphragm 20 supported by the diaphragm receiving portion 41.
  • the orifice forming portion 43 is a portion for forming an orifice portion 43a described later.
  • the vibration characteristics of the diaphragm 20 may be adversely affected. It is preferable to firmly fix the entire peripheral portion of the peripheral portion of the diaphragm 20 to the diaphragm receiving portion 41 so that the entire peripheral portion becomes a fixed end.
  • the peripheral portion of the diaphragm 20 may be completely fixed to the diaphragm support member 40 with an adhesive or the like, or may be detachably fixed with a fitting structure or the like.
  • the diaphragm 20 can be easily detached from the diaphragm support member 40 even after the diaphragm 20 is fixed to the diaphragm support member 40.
  • a plurality of types having different materials and thicknesses are prepared as the diaphragm 20, or a plurality of sheets having different masses and arrangements of the weight members 30 fixed to the same type of diaphragm 20 are provided. It is suitable for the case where the diaphragm 20 is prepared and the diaphragm 20 to be used can be selected from them.
  • the diaphragm support member 40 that supports the diaphragm 20 is detachably provided to the ear canal insertion portion 10, the diaphragm 20 is detachable from the diaphragm support member 40. There is no particular need to provide it.
  • the material of the diaphragm support member 40 is not particularly limited. However, as described above, it is preferable that the diaphragm support member 40 is formed of a material harder than the ear canal insertion portion 10 in order to make the vibration of the diaphragm 20 difficult to be absorbed by the diaphragm support member 40.
  • the material of the diaphragm support member 40 include metals such as aluminum in addition to synthetic resins such as acrylic, polyvinyl chloride, polypropylene, and polyethylene.
  • the diaphragm support member 40 is formed of the same type of synthetic resin as the diaphragm 20, and the dimensional accuracy of the diaphragm 20 can be maintained at a necessary level, the diaphragm support member 40 is formed by injection molding or the like.
  • the diaphragm 20 may be integrally formed.
  • the diaphragm receiving portion 41 has a rear surface (a surface facing the positive side in the y-axis direction) on the front surface (y-axis) of the flange portion 12 provided at the rear end portion of the ear canal insertion portion 10. It is fixed to the side facing the negative direction.
  • the structure for fixing the diaphragm support member 40 to the flange portion 12 (the ear canal insertion portion 10) is not particularly limited.
  • the diaphragm support member 40 may be completely fixed to the ear canal insertion portion 10 with an adhesive or the like, or may be fixed in a detachable state by a fitting structure or the like.
  • the weight member 30 is suitable when the weight member 30 can be exchanged together with the diaphragm 20 and the diaphragm support member 40.
  • the weight member 30 it is possible to replace the weight member 30 with another type by handling a relatively large part such as the diaphragm support member 40 without directly handling the fine part called the weight member 30, and vibration.
  • the pass band of the plate 20 can be easily adjusted.
  • the flange portion 12 may impair the flexibility of the ear canal insertion portion 10
  • the flange portion 12 may not be provided in the ear canal insertion portion 10.
  • the diaphragm support member 40 may be fixed in a fixing hole provided in the main body portion of the ear canal insertion portion 10.
  • the fixing hole in this case can be provided, for example, in the inner wall of the shell-like ear canal insertion portion 10 (the peripheral wall of the sound hole 11).
  • an orifice part 43 a for reducing the cross-sectional area of the sound hole 11 is provided.
  • This orifice 43a it is possible to adjust the Q value of the resonance of the vibration plate 20, it is possible to easily adjust the width W 0 of the pass band.
  • the width W 0 of the pass band can be widened or narrowed by adjusting the diameter R 2 (FIG. 4), position, etc. of the opening in the orifice portion 43a.
  • R 2 FIG. 7
  • the location where the orifice 43a is provided is not particularly limited as long as the location is different from the location where the diaphragm 20 in the sound hole 11 is provided.
  • the orifice portion 43 a can be provided on the outer side (y-axis direction negative side) than the diaphragm 20.
  • the diaphragm 20 is provided in the vicinity of the outer end portion (end on the negative side in the y-axis direction) of the sound hole 11 and is more than the diaphragm 20. Since there is no space for providing the orifice portion 43a on the outside, the orifice portion 43a is provided on the inner side (y-axis direction positive side) than the diaphragm 20.
  • the orifice portion 43 a may be provided at a location away from the diaphragm 20, but is preferably provided in the vicinity of the diaphragm 20.
  • the opening diameter R 2 (FIG. 4) of the orifice portion 43a tends to affect the passband width W 0 (FIG. 7), and the control operation of the passband width W 0 by the orifice portion 43a is easily obtained.
  • the orifice portion 43 a on the diaphragm support member 40.
  • the orifice part 43a is provided in the orifice formation part 43 formed in the diaphragm support member 40 as shown in FIG.
  • the opening diameter R of the orifice part 43a can be obtained by replacing the diaphragm support member 40. 2 can be changed. That is, not only the resonance frequency of the vibration plate 20, it becomes possible to obtain an acoustic filter for adjustable ear to a width W 0 of the pass band (Fig. 7).
  • FIG. 8 is a perspective view showing a cutaway part of an acoustic filter for ears according to another embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which the ear acoustic filter of another embodiment is cut along a plane corresponding to the X 1 -X 2 plane in FIG.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an exploded state of the ear acoustic filter according to another embodiment.
  • the opening diameter R 2 (FIG. 4) of the orifice portion 43 a is not particularly limited as long as it is smaller than the diameter R 0 (FIG. 4) of the vibrating region of the diaphragm 20.
  • the orifice portion 43a Significance of providing decreases. For this reason, when the orifice part 43a is provided, the ratio R 2 / R 0 of the opening diameter R 2 of the orifice part 43a to the diameter R 0 of the diaphragm 20 is normally 0.95 or less.
  • the ratio R 2 / R 0 is preferably 0.9 or less, more preferably 0.8 or less, and even more preferably 0.7 or less.
  • the ratio lower limit of R 2 / R 0 is not particularly limited, the ratio R 2 / R 0 is too small, inevitably, the opening diameter R 2 is also reduced, the size of the opening diameter R 2 of the orifice portion 43a There is a possibility that it may be difficult to provide the orifice portion 43a with high accuracy. For this reason, the ratio R 2 / R 0 is usually 0.01 or more, preferably 0.1 or more.
  • the ear acoustic filter according to the present invention changes the mass of the weight member 30 (weight part), thereby changing the resonance frequency (passband) of the diaphragm 20 as shown in FIG. ) Can be shifted. Further, if the configuration in which the diaphragm 20 is detachably provided to the ear canal insertion portion 10 and the diaphragm support member 20 is adopted, the pass band can be shifted by replacing the diaphragm 20. It has become.
  • the opening diameter R 2 of the orifice portion 43a also be modified As shown in FIG. 7, the width W 0 of the passband can be adjusted. Therefore, it is possible to adjust the pass band and its width W 0 according to the use of the acoustic filter for ears.
  • the use of the ear acoustic filter of the present invention is not particularly limited as long as it is used by being worn on the ear, but it can be suitably used as an earplug or an earphone.
  • the ear acoustic filter of the present invention can maintain the sound insulation performance in a frequency band lower than the pass band even when the pass band is shifted as shown in FIG.
  • the acoustic filter for ears of the present invention can be particularly suitably used as an earplug or earphone used in a place where noise in a low frequency band is generated.
  • a work site such as a factory is exemplified as a place where noise in a low frequency band is generated.
  • FIG. 11 is a diagram showing a calculation model used for the simulation.
  • the cavity shape of the ear canal was a cylindrical shape having a radius of a 2 and a length of L 2 .
  • the cross-sectional dimensions of the diaphragm and the cavity (the ear canal) were assumed to be sufficiently smaller than the wavelength of the sound wave, and the sound field of the cavity (the ear canal) was considered as a one-dimensional sound field.
  • the diaphragm support conditions were fixed.
  • the equation of motion of the thin flat plate is established in consideration of the reaction force due to the sound pressure in the cavity applied to the vibrating plate, the radiation resistance to the outer space, and the excitation by the incident sound wave.
  • vibration velocity v (r) is expressed as a mode expansion equation, it is expressed by the following equation (2) in consideration of modes up to the Nth order.
  • T represents transposition
  • ⁇ (r) represents a mode function vector
  • v represents a velocity mode vector, which are defined by the following equations (3) and (4).
  • the vibration mode can be expressed by the following equation (5).
  • J n is an n-th order first-class Bessel function
  • In is an n- th first-class modified Bessel function
  • An is a proportionality constant
  • r and ⁇ are polar coordinates of the space shown in FIG. .
  • K is given by the following formula (6).
  • Equation (9) is obtained.
  • K and M on the left side of the above equation (9) are N ⁇ N diagonal matrices from the orthogonality of the modes, and are represented by the following equations (10) and (11), respectively.
  • K i and M i in the above formulas (10) and (11) represent mode rigidity and mode mass, respectively, and are given by the following formulas (12) and (13).
  • F i0 , F 0, and F out in the above equation (9) are given by the following equations (14), (15), and (16), respectively.
  • F i is the i-th mode excitation force due to the incident wave
  • F 0i is the i-th mode excitation force due to the air reaction that the diaphragm receives by the internal air
  • F outi is the air reaction that the diaphragm receives by the external air. Represents the i-th mode excitation force.
  • Z out in the above formula (22) represents a radiation impedance, and can be described by the following formula (23) in the case of a circular diaphragm with a radius a.
  • J 1 represents a first-order first-order Bessel function
  • K 1 represents a Struve function, which are represented by the following equations (24) and (25), respectively.
  • the sound field in the internal space is considered to be one-dimensional in the z direction.
  • the sound pressure p 1 and the particle velocity v 1 in the region A in FIG. 11 can be expressed by the following equations (29) and (30), considering sound waves traveling in the + direction and the ⁇ direction in the z direction.
  • P 1+ and P 1 ⁇ are the amplitudes of the sound waves traveling in the positive and negative directions in the region A, respectively.
  • the sound pressure p 2 and the particle velocity v 2 in the region B can be expressed by the following equations (31) and (32), respectively.
  • P 2+ and P 2 ⁇ are the amplitudes of sound waves traveling in the positive and negative directions in the region B, respectively.
  • the vibration velocity vector v of the diaphragm can be expressed by the following equation (41) from the above equation (28).
  • the ratio t r sounds thickness of the incident side sound pressure p i0 and eardrum surface can be obtained as the following equation (43).
  • the sound pressure loss level R [dB] of the eardrum surface relative to the incident-side sound pressure can be expressed by the following equation (44).
  • the weight portion has a mass point (concentrated mass) of mass m a and does not affect the rigidity of the diaphragm. Further, the mass m a of the weight portion is light compared to the mass of the diaphragm and does not affect the vibration mode shape of the diaphragm.
  • the equation of motion of the Konotoki diaphragm is given by the following equation (45).
  • [delta] is the Dirac delta function
  • the r M is a position vector of the point set up lumped mass (weight part).
  • each of K and M in the following formula (46) is a diagonal matrix, and represents a stiffness matrix and a mass matrix, respectively.
  • FIG. 12 is a graph showing the simulation results. Referring to FIG. 12, from model 1 without a weight part, model 2 with a weight part of 0.01 g, model 3 with a weight part of 0.03 g, and model 4 with a weight part of 0.05 g. Thus, as the mass of the weight part increases, the frequency at which the downward peak appears (resonance frequency of the diaphragm) and the band with less loss around the resonance frequency (pass band) shift to the lower frequency side. I understand.
  • the resonance frequency of the diaphragm in model 1 is 10,000 Hz or more
  • the resonance frequency of the diaphragm in model 2 is slightly over 6000 Hz
  • the resonance frequency of the diaphragm in model 3 is less than 4000 Hz
  • the resonance frequency of the diaphragm in model 4 is 3000 Hz. It has become strong. From this, it was confirmed by simulation that the ear acoustic filter of the present invention capable of changing the mass of the weight part can shift the passband.
  • the loss is about 60 dB in any of the models 1 to 4 in the frequency band lower than the pass band. From this, it was confirmed by simulation that the acoustic filter for ears of the present invention can maintain the sound insulation performance in the low frequency band even when the pass band is shifted.
  • FIG. 13 is a diagram showing an experimental method.
  • a sound source (speaker) is disposed at a location 1 m away from an iron cylindrical body (coupler) that looks like an insertion part of the ear canal, and a hollow portion (9 mm diameter cylindrical shape) in the coupler.
  • the first microphone was placed inside the cavity and the second microphone was placed outside the coupler where the distance from the speaker was equal to the first microphone.
  • a 1/4 inch microphone (Bruel Care 4958) was used.
  • the distance from the end of the coupler cavity (sound hole) on the speaker side to the sound collection part of the first microphone is substantially equal to the distance from the end on the sound source side to the eardrum in the actual acoustic filter for ears. And 15 mm.
  • the first microphone was supported by the coupler via an O-ring.
  • the cavity (sound hole) of the coupler closed the end on the speaker side with a diaphragm.
  • the periphery of the diaphragm was sealed with a sealing material.
  • FIG. 14 is a graph showing the experimental results. Referring to FIG. 14, from Example 1 where the mass of the weight part is 0.13 g, Example 2 where the mass of the weight part is 0.16 g, Example 3 where the mass of the weight part is 0.19 g, and so on. As the mass of the portion increases, it can be seen that the frequency at which a downward peak appears (resonance frequency of the diaphragm) and the band (pass band) with less loss around the resonance frequency shift to the lower frequency side. Specifically, the resonance frequency of the diaphragm in Example 1 is about 1136 Hz, the resonance frequency of the diaphragm in Example 2 is about 1000 Hz, and the resonance frequency of the diaphragm in Example 3 is about 888 Hz. From this, it was also confirmed by experiments that the ear acoustic filter of the present invention capable of changing the mass of the weight portion can shift the passband.

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Abstract

外耳道に挿入される外耳道挿入部（１０）に、音を通過させるための通音孔（１１）を設け、通音孔（１１）における所定箇所を振動板（２０）によって塞いで、振動板２０における所定箇所に錘部（３０）を設け、入射音による振板２０の共振現象によって特定の周波数帯域の音のみを選択的に鼓膜側へ通過させることができる様に構成された、通過させる音の周波数帯域を目的の範囲に容易に設定することができて設計や製造の容易な耳用音響フィルターを提供する。

Description

耳用音響フィルター
　本発明は、外耳道に挿入して用いる耳用音響フィルターに関する。
　大きな騒音が発生する状況下では、耳栓等によって耳を保護する必要がある。しかし、従来の耳栓では、全ての周波数帯域の音が聞こえなくなってしまうため、耳栓の使用者に不都合が生じる虞があった。例えば、工場等の作業現場では、機械が発生する騒音（低周波数帯域の音）は、聞こえない方が好ましい一方で、警報音（ある程度高い周波数の音）まで聞こえなくなってしまうと、作業者が危険に巻き込まれる虞がある。また、同作業現場において、電話の呼出音や、周囲の人が指示する声まで聞こえなくなってしまうと、業務に支障が生ずる虞もある。
　このような実状に鑑みてか、これまでには、特定の周波数帯域の音のみを選択的に鼓膜側へ通過させることができるようにした耳栓等の耳用音響フィルターが提案されている。例えば、特許文献１の図２には、内部の空間（forward chamber 29）を振動板（diaphragm 23）で仕切った構造の耳栓（earplug）が記載されている。また、特許文献２の図４には、貫通ダクト（through duct 16）を膜要素（membrane element 26）で仕切った構造の耳栓（earplug 2）が提案されている。さらに、特許文献３の図１には、通音孔（sound channel 7）を膜（membrane 5）で仕切った構造の耳保護具（ear protector 1）が提案されている。特許文献１～３の耳栓等は、いずれも特定の周波数帯域の音を選択的に通過させることができるものとなっている。
米国特許第４９８５９２５号 国際特許公開第２００１／０７６５２０号 国際特許公開第２０１１／０７８６５９号
　しかし、特許文献１の耳栓は、マイクロホン（microphone 31）やコイル（coil 22）等の電子部品を用いるものであったため、コストが高くなるだけでなく、重くなりがちで、装着時に違和感を生じやすいという欠点も有していた。また、特許文献１の耳栓は、外部回路と信号のやりとりをするため等に、ケーブル（cable 43）を接続する必要があり、煩わしいという欠点も有していた。
　これに対し、特許文献２の耳栓や、特許文献３の耳保護具は、電子部品を特に使用する必要のないものとなっているため、引用文献１の耳栓フィルターでは問題となった上記の欠点を有さない。しかし、その一方で、特許文献２，３の耳栓等は、通過させる音の周波数帯域を目的の範囲に設定しにくく、設計や製造が困難であるという欠点を有していた。というのも、特許文献２の耳栓において、通過する音の周波数帯域は、膜要素（membrane element 26）の材質や寸法や形状等によって大きく変化するため、膜要素の材質や寸法や形状等に微妙な調整が要求されるところ、このような調整は非常に困難であるからである。特許文献３の耳保護具についても、これと同様のことが言える。
　本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、電子回路を使用しない簡素な構造を有するものでありながら、通過させる音の周波数帯域を目的の範囲に容易に設定することができ、設計や製造の容易な耳用音響フィルターを提供するものである。
　上記課題は、
　外耳道に挿入して用いる耳用音響フィルターであって、
　外耳道に挿入する外耳道挿入部に、音を通過させるための通音孔が設けられ、
　通音孔における所定箇所が、振動板によって塞がれるとともに、
　振動板における所定箇所に、錘部が設けられ、
　入射音による振動板の共振現象によって、特定の周波数帯域の音のみを選択的に鼓膜側へ通過させることができるようにした
ことを特徴とする耳用音響フィルター
を提供することによって解決される。
　このように、振動板に錘部を設けることにより、振動板の材質や基本的な寸法や形状を変更することなく、錘部の質量や錘部を設ける位置等を変更させるだけで、振動板の共振周波数を変化させることが可能になり、通過させる音の周波数帯域（以下において、「通過帯域」と呼ぶことがある。）を目的の範囲に容易に調整することが可能になる。具体的には、錘部の質量を小さくすることで、振動板の共振周波数を高くして、通過帯域の中心周波数を高周波数側にシフトさせることができる一方、錘部の質量を大きくすることで、振動板の共振周波数を低くして、通過帯域の中心周波数を低周波数側にシフトさせることができる。このため、本発明の耳用音響フィルターは、その通過帯域を、警報音（通常、１０００Ｈｚ以上の高周波数に設定されることが多い。）や、人の声（通常、２００～４０００Ｈｚ程度であり、音声知覚の観点からは５００Ｈｚ周辺及び１０００～２５００Ｈｚ周辺）だけでなく、様々な種類の音に対して容易にカスタマイズすることが可能なものとなっている。したがって、耳用音響フィルターの設計や製造を容易に行うことも可能になる。
　また、本発明の耳用音響フィルターでは、通過帯域よりも低い周波数帯域における遮音性能を維持することも可能である。というのも、通過帯域を低周波数側へシフトさせる（振動板の共振周波数を低くする）ために、振動板を柔らかい素材で形成したり薄くしたりすると、低周波数帯域の遮音性能が低下する等、振動板の材質や寸法等を変化させると、振動板の低周波数帯域での遮音性能が変化するところ、本発明の耳用音響フィルターは、振動板の材質や寸法を変更することなく、通過帯域（振動板の共振周波数）を変化させることができるからである。
　本発明の耳用音響フィルターにおいて、錘部は、振動板における所定箇所の厚みを局所的に大きくする等、振動板に一体化した状態で設けても（錘部と振動板とを同一部材で形成しても）よい。しかし、錘部は、振動板とは別体の錘部材を振動板に固定することによって設けると好ましい。これにより、通過帯域を目的の範囲にさらに容易に調整することが可能になる。すなわち、振動板自体には何ら変更を施さず、錘部材を交換するだけで、振動板の共振周波数を変化させることが可能になる。また、錘部材として質量の異なる複数種類を用意しておけば、用途に応じて使用者が錘部材を交換するといったことも可能になる。
　本発明の耳用音響フィルターにおいて、振動板とは別体の錘部材によって錘部を設ける場合、錘部材を如何なる構造によって振動板に固定するかは特に限定されない。しかし、錘部材を、頭部及び胴部を有するリベット状を為すものとし、振動板における所定箇所に、錘部材の胴部を挿通して固定するための固定孔を設けると好ましい。これにより、簡素な構造でありながら、振動板に対して錘部材をしっかりと固定することが可能になる。
　本発明の耳用音響フィルターにおいては、通音孔における振動板が設けられた箇所とは別の箇所に、当該別の箇所における通音孔の断面積を縮小するオリフィス部を設けることも好ましい。これにより、振動板の共振のＱ値を容易に変化させることが可能になり、通過帯域の幅を容易に調節することが可能になる。通過帯域の幅は、オリフィス部における開口の径や位置等を調整することによって、広くすることも、狭くすることも可能である。具体的には、オリフィス部における開口径を小さくすれば、通過帯域の幅を広げることができ、オリフィス部における開口径を大きくすれば、通過帯域の幅を狭くすることができる。本発明の耳用音響フィルターが、錘部の質量を変化させることで通過帯域の中心周波数を容易に変化させることができるものであることについては、既に述べた通りであるが、オリフィス部を設けることによって、通過帯域の幅まで容易に変化させることも可能になるため、耳栓の使用者に聞かせる必要のある音の種類に応じて、耳用音響フィルターをより柔軟にカスタマイズすることができるようになる。
　本発明の耳用音響フィルターにおいては、外耳道挿入部における通音孔の外端部近傍に固定可能な振動板支持部材を備えたものとし、振動板が、振動板支持部材を介して外耳道挿入部における通音孔の外端部近傍に支持されるようにすることも好ましい。というのも、振動板は、通常、非常に薄いながらも、その厚さには高い精度が要求されるため、外耳道挿入部の全体と一体的に成形することは難しいところ、かかる構成を採用することにより、寸法精度の高い振動板を容易に設けることが可能になるからである。振動板が固定された振動板支持部材を予め複数種類用意しておけば、使用者が、用途等に応じて、振動板を振動板支持部材ごと交換することも可能になる。通気孔に上記のオリフィス部を設ける場合には、このオリフィス部も振動板支持部に設けると好ましい。これにより、オリフィス部も容易に交換することが可能になるからである。
　また、振動板支持部材を設ける上記構成が好ましい理由としては、耳用音響フィルターのフィルター性能を安定させやすくなることも挙げられる。というのも、外耳道挿入部は、装着感等を考慮して、シリコン等の柔らかい素材で形成されることが多く、このような柔らかい素材に対して振動板を直接的に固定すると、振動板の振動が外耳道挿入部に吸収されやすくなるところ、振動板支持部材を介して振動板を外耳道挿入部に固定することによって、振動板の振動が外耳道挿入部に吸収されにくくすることが可能になるからである。この場合、振動板支持部材は、外耳道挿入部よりも硬質な材料（硬質樹脂等）によって形成される。
　以上のように、本発明によって、電子回路を使用しない簡素な構造を有するものでありながら、通過させる音の周波数帯域を目的の範囲に容易に設定することができ、設計や製造の容易な耳用音響フィルターを提供することが可能になる。
耳用音響フィルターの全体を示した斜視図である。 耳用音響フィルターを各方向から見た状態を示した六面図である。 耳用音響フィルターの一部を破断して示した斜視図である。 耳用音響フィルターを図２におけるＸ１－Ｘ２面で切断した状態を示した断面図である。 耳用音響フィルターを分解した状態を示した斜視図である。 錘部の質量を変化させたときの通過帯域のシフトの様子を示したグラフである。 オリフィス部の開口径を変化させたときの通過帯域の幅の変化の様子を示したグラフである。 他の実施態様の耳用音響フィルターの一部を破断して示した斜視図である。 他の実施態様の耳用音響フィルターを図２におけるＸ１－Ｘ２面に相当する面で切断した状態を示した断面図である。 他の実施態様の耳用音響フィルターを分解した状態を示した斜視図である。 シミュレーションに用いた計算モデルを示した図である。 質量の異なる錘部を有する複数種類の耳用音響フィルターの損失レベルについてのシミュレーション結果を示したグラフである。 実験方法を示した図である。 質量の異なる錘部を有する複数種類の耳用音響フィルターの損失レベルについての実験結果を示したグラフである。
　本発明の耳用音響フィルターの好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。
１．耳用音響フィルター
　図１は、本実施態様の耳用音響フィルターの全体を示した斜視図である。図２は、本実施態様の耳用音響フィルターを各方向から見た状態を示した六面図であり、同図（ａ）には正面図を、同図（ｂ）には背面図を、同図（ｃ）には平面図を、同図（ｄ）には底面図を、同図（ｅ）には左側面図を、同図（ｆ）には右側面図を、それぞれ表している。図３は、本実施態様の耳用音響フィルターの一部を破断して示した斜視図である。図４は、本実施態様の耳用音響フィルターを図２におけるＸ１－Ｘ２面で切断した状態を示した断面図である。図５は、本実施態様の耳用音響フィルターを分解した状態を示した斜視図である。図６は、錘部の質量を変化させたときの通過帯域のシフトの様子を示したグラフである。図７は、オリフィス部の開口径を変化させたときの通過帯域の幅Ｗ０の変化の様子を示したグラフである。
１．１　外耳道挿入部
　耳用音響フィルターは、図１に示すように、外耳道挿入部１０を有するものとなっており、この外耳道挿入部１０を使用者の外耳道（耳の穴）に挿入して用いられるものとなっている。
　外耳道挿入部１０は、円柱状や多角柱状等、単純な形態としてもよいが、本実施態様の耳用音響フィルターにおいては、外耳道に倣った形状に形成している。具体的には、外耳道挿入部１０における外端部（耳の外側（ｙ軸方向負側）を向く端部）から内端部（耳の内側（ｙ軸方向正側）を向く端部）にかけて、外径が徐々に小さくなるように形成するとともに、外耳道挿入部１０の外周面には、外耳道の内周面に倣った起伏を形成している。このため、外耳道挿入部１０を外耳道に挿入した際に、外耳道挿入部１０の外周面と外耳道の内周面との間に隙間が形成されにくくし、耳用音響フィルターに所望の遮音特性を発揮させることが可能となっている。また、外耳道挿入部１０を外耳道に挿入した際の違和感を軽減して、耳用音響フィルターの装着感を向上させることも可能となっている。外耳道挿入部１０の外端部には、フランジ部１２が設けられている。このフランジ部１２は、後述する振動板支持部材４０を取り付けるための部分となっている。
　外耳道挿入部１０は、その成形材料を特に限定されるものではないが、通常、軟質な材料が用いられる。このような材料としては、シリコーンゴム等のゴムや、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂からなるエラストマー等が例示される。本実施態様の耳用音響フィルターにおいて、外耳道挿入部１０は、シリコーンゴムで形成されたものとなっている。外耳道挿入部１０は、それに弾力性を付与するため、発泡体としてもよいが、この場合には、連通気泡を有さない構造とすると好ましい。外耳道挿入部１０が、連通気泡を有する発泡体で形成されていると、その連通気泡を通じて音が通過するようになり、耳用音響フィルターに所望の遮音特性を発揮させることができなくなる虞があるからである。
　外耳道挿入部１０には、図３及び図４に示すように、音を通過させるための通音孔１１が設けられている。通音孔１１は、外耳道挿入部１０をその挿入方向に沿って貫通するように設けられている。通音孔１１の直径は、特に限定されないが、通常、少なくとも０．５～２ｍｍ程度は確保される。通音孔１１の直径は、通音孔１１の音入射側（ｙ軸方向負側）の端部から音出射側（ｙ軸方向正側）の端部にかけて略一定となるようにしてもよいし、場所によって変化させてもよい。通音孔１１は、外耳道挿入部１０を塊状（ソリッド状）に形成し、その外耳道挿入部１０を貫通する状態に設けてもよいが、本実施態様の耳用音響フィルターにおいては、外耳道挿入部１０を両端に開口部を有する殻状（シェル状）に形成し、その内側空洞部分が貫通孔１１となるようにしている。すなわち、外耳道挿入部１０における、その周壁部分の肉厚１～３ｍｍ程度を除いた部分（空洞部）の全てが通音孔１１となっている。このため、外耳道挿入部１０は、軽量で、且つ、外耳道の内周面の形状に応じて変形しやすいものとなっており、外耳道に挿入した際の違和感が少ないものとなっている。
１，２　振動板
　既に述べた通り、通音孔１１は、外耳道挿入部１０を貫通する状態に設けられている（外耳道挿入部１０の空洞部全体が通音孔１１となっている）が、この通音孔１１における所定箇所は、図３及び図４に示すように、振動板２０によって塞がれた構造となっている。この振動板２０は、それに生ずる共振現象によって、通音孔１１の外端側（音入射側）に入射された音のうち、特定の周波数帯域（通過帯域）の音のみを、通音孔１１の内端側（音出射側）へと通過させる「フィルター」としての機能を発揮するものとなっている。振動板２０を通過する音の周波数帯域（通過帯域）は、振動板２０の共振周波数と相関関係を有している。具体的には、図６に示すように、振動板２０の共振周波数が高くなると、通過帯域が高周波数側にシフトする一方、振動板２０の共振周波数が低くなると、通過帯域が低周波数側にシフトする。振動板２０の共振周波数は、後述する錘部３０の質量等を変更することによって、容易に調整することができるようになっている。
　外耳道挿入部１０を貫通して設けられた通音孔１１におけるどの箇所を振動板２０で塞ぐのかは、特に限定されないが、通音孔１１の外端部（音入射側の端部）近傍に設けると好ましい。というのも、通音孔１１における奥まった箇所に振動板２０を配することは、必ずしも容易ではないからである。また、振動板２０の面積は、振動板２０の共振周波数、ひいては通過帯域に影響を及ぼすため、耳用音響フィルターの用途等によっては、振動板２０の面積を広く確保したい場合もあり得るのに対して、外耳道挿入部１０の内端部付近は、通常、外端部付近よりも細く形成されるため、通音孔１１における内端部付近の断面積を広く確保することができず、通音孔１１における奥まった箇所に振動板２０を配すると、振動板２０の面積を広く確保できないからである。逆に言うと、通音孔１１の外端部近傍であれば、面積の広い振動板２０を容易に配することができる。
　振動板２０の形状は、通音孔１１における目的の箇所を塞ぐことができるのであれば、特に限定されない。振動板２０の形状は、目的の通過帯域や、振動板２０の材質又は寸法や、通音孔１１における振動板２０を配する箇所の断面形状等に応じて、適宜決定される。本実施態様の耳用音響フィルターにおいては、図５に示すように、振動板２０として、略円形の平板を用いているが、振動板２０の形状は、楕円形や多角形（三角形や四角形等）やこれらを組み合わせた形状としてもよい。本実施態様の耳用音響フィルターにおいて、振動板２０には、固定孔２１が設けられているが、この固定孔２１は、後述する錘部材３０によって塞がれる。
　振動板２０の面積は、目的の通過帯域や、振動板２０の材質又は形状等によって異なり、特に限定されない。しかし、振動板２０の面積を狭くしすぎると、それに設けられる錘部３０の寸法も必然的に小さくなり、振動板２０に錘部３０を設けにくくなる虞がある。このため、振動板２０の面積は、通常、１０ｍｍ２以上とされる。振動板２０の面積は、２０ｍｍ２以上であると好ましく、３０ｍｍ２以上であるとより好ましい。一方、振動板２０の面積を広くしすぎると、耳用音響フィルター自体の寸法も大きくする必要が生じ、耳用音響フィルターを耳に装着した際に違和感を生じやすくなる虞もある。このため、振動板２０の面積は、通常、１０００ｍｍ２以下とされる。振動板２０の面積は、７００ｍｍ２以下であると好ましく、５００ｍｍ２以下であるとより好ましい。
　振動板２０の厚さも、目的の通過帯域や、振動板２０の材質又は形状等によって異なり、特に限定されない。しかし、振動板２０を薄くしすぎると、通過帯域ではない音まで振動板２０を通過しやすくなる虞（遮音性が悪くなる虞）や、振動板２０に必要な強度が付与できなくなる虞がある。このため、振動板２０の厚さは、通常、０．０１ｍｍ以上とされる。振動板２０の厚さは、０．０３ｍｍ以上であると好ましく、０．０５ｍｍ以上であるとより好ましい。一方、振動板２０を厚くしすぎると、通過帯域の音が振動板２０を十分に通過できなくなる虞がある。このため、振動板２０の厚さは、通常、２ｍｍ以下とされる。振動板２０の厚さは、１．５ｍｍ以下であると好ましく、１ｍｍ以下であるとより好ましい。
　振動板２０の材質は、必要な強度を有し、かつ、入射音によって共振現象を生ずるものであれば、特に限定されない。振動板２０の材質は、目的の通過帯域と、振動板２０の形状又は寸法等とを考慮して、適宜選択する。振動板２０は、その密度が大きいものであればあるほど、共振周波数が低周波数側へシフトして、振動板２０の通過帯域も低周波数側へシフトする。逆に、振動板２０は、その密度が小さいものであればあるほど、共振周波数が高周波数側へシフトして、振動板２０の通過帯域も高周波数側へシフトする。振動板２０としては、ポリ塩化ビニル（密度１．１～１．５ｇ／ｃｍ３程度）や、ポリプロピレン（密度０．９～１．０ｇｍ３程度）や、ポリエチレン（密度０．９～１．０ｇｍ３程度）等の合成樹脂からなる板材や、アルミニウム（密度２．５～２．８ｇｍ３程度）等の金属からなる板材を好適に用いることができる。
　振動板２０は、外耳道挿入部１０に対して一体的に形成したものであってもよい。しかし、上述したように、振動板２０は、通常、薄く形成されることに加えて、その厚さは、通過帯域に影響を及ぼすため、振動板２０の厚さには、高い精度が要求される。この点、寸法精度の高い振動板２０を、射出成形等により、外耳道挿入部１０と一体的に形成することは、必ずしも容易ではない。また、上述したように、外耳道挿入部１０は、通常、シリコン等の柔らかい素材で形成されるため、外耳道挿入部１０に対して振動板２０を直接的に設けると、振動板２０の振動が外耳道挿入部１０に吸収されて、耳用音響フィルターに所望のフィルター性能を発揮させにくくなる虞がある。このため、本実施態様の耳用音響フィルターにおいては、図５に示すように、外耳道挿入部１０の外端面に、振動板支持部材４０を固定するようにしており、振動板２０は、この振動板支持部材４０を介して外耳道挿入部１０に固定されるようになっている。振動板支持部材４０は、外耳道挿入部１０よりも硬質な材料によって形成しており、振動板２０に生じた振動が振動板支持部材４０で吸収されないようにしている。
１．３　錘部
　振動板２０には、図１に示すように、錘部３０が設けられている。この錘部３０は、振動板２０の共振周波数、ひいては振動板２０の通過帯域を調整するためのものとなっている。すなわち、図６に示すように、錘部３０を、質量の小さなものに交換することによって、振動板２０の共振周波数を高くして、振動板２０の通過帯域を高周波数側にシフトさせることができる一方、錘部３０を、質量の大きなものに交換することによって、振動板２０の共振周波数を低くして、振動板２０の通過帯域を低周波数側にシフトさせることができるようになっている。
　また、本実施態様の耳用音響フィルターのように、錘部３０の質量を変更することによって振動板２０の共振周波数を調整（通過帯域をシフト）できるようにしたことによる特筆すべき利点は、図６に示すように、通過帯域よりも低い周波数帯域における遮音性能（透過損失）を維持できる点が挙げられる。というのも、通過帯域を低周波数側へシフトさせるために、振動板２０を柔らかい素材で形成したり薄くしたりすると、低周波数帯域の遮音性能が低下するところ、本実施態様の耳用音響フィルターでは、振動板２０の材質や寸法を変更することなく、錘部３０の質量のみを変更することによって、通過帯域（振動板の共振周波数）を変化させることができるからである。
　振動板２０におけるどの箇所に錘部３０を設けるかは、目的の通過帯域や、振動板２０の材質又は形状等によって異なり、特に限定されない。錘部３０は、振動板２０の１箇所のみに設けてもよいし、複数箇所に設けてもよい。本実施態様の耳用音響フィルターでは、上述したように、円形の振動板２０を用いているところ、この振動板２０の中心の１箇所に、錘部３０を設けている。しかし、円形の振動板２０に対する錘部２０の配置は、これに限定されず、振動板２０の中心からずれた箇所（偏心した箇所）に、錘部３０を設けてもよいし、複数箇所に錘部３０を設けてもよい。錘部３０を複数箇所に設ける場合には、それぞれの錘部３０を、振動板２０の中心に対して回転対称に配すると好ましい。
　錘部３０の寸法は、特に限定されない。しかし、振動板２０に対して錘部３０が大きすぎると、振動板２０における振動できる範囲が狭くなり、耳用音響フィルターが所望のフィルター性能を発揮できなくなる虞がある。例えば、錘部３０が、振動板２０の全面を占めるようなものであると、通音孔１１は、実質的に、錘部３０によって塞がれた状態となり、振動板２０は、耳用音響フィルターのフィルター性能との関係で殆ど意味を為さないものとなってしまう。このため、錘部３０は、振動板２０における振動可能な領域（他の部材によって支持される周縁部等を除いた領域）に局所的に設けると好ましい。
　具体的には、振動板２０における振動可能な領域の直径（振動板２０が非円形である場合には等価円直径）を「Ｒ０」（図４）とし、錘部３０の直径を「Ｒ１」（図４）としたときに、直径Ｒ０に対する直径Ｒ１の比Ｒ１／Ｒ０が、０．５以下となるようにすると好ましい。比Ｒ１／Ｒ０は、０．４以下であるとより好ましく、０．３以下であるとさらに好ましい。一方、比Ｒ１／Ｒ０に、特に下限はないが、比Ｒ１／Ｒ０が小さすぎると、錘部３０の寸法も必然的に小さくなり、振動板２０に錘部３０を設けること自体が困難になる虞もある。このため、比Ｒ１／Ｒ０は、通常、０．０１以上とされる。比Ｒ１／Ｒ０は、０．０５以上であると好ましく、０．１以上であるとより好ましい。本実施態様の耳用音響フィルターにおいて、比Ｒ１／Ｒ０は、約０．２７となっている。
　錘部３０は、振動板２０における所定箇所の厚みを局所的に大きくする等、振動板２０に一体化した状態で設けてもよい。しかし、この場合には、錘部３０を他の質量等のものに交換するためには、振動板２０自体を交換しなければならなくなる。このため、錘部３０は、振動板２０とは別体の部材（錘部材）によって形成すると好ましい。これにより、振動板２０自体を交換しなくても、錘部３０のみを交換することによって、振動板２０の通過帯域を調整することが可能になる。本実施態様の耳用音響フィルターにおいても、図３及び図４に示すように、振動板２０とは別体からなる部材（錘部材３０）を振動板２０に固定することによって、錘部３０を設けている。
　具体的には、図５に示すように、錘部材３０を、頭部３１及び胴部３２を有するリベット状の部材としている。この錘部材３０は、その胴部３２を振動板２０に設けられた固定孔２１に挿通されることによって、振動板２０に固定される。錘部材３０は、その胴部３２を振動板２０の固定孔２１に挿し込んだだけの状態としてもよいが、この場合には、錘部材３０が振動板２０から脱落する虞がある。このため、頭部３１や胴部３２における振動板２０と接触する部分には、接着剤等を塗布してもよい。また、胴部３２の先端部（ｙ軸方向正側の端部）を押し潰して、錘部材２０を振動板２０にかしめる等、胴部３２の先端部を拡径させたり、胴部３２をネジによって形成して、胴部３２の先端側からナット部材を螺合したりする等、胴部３２が固定孔２１から抜けない構造を採用することもできる。特に、上記のナット部材を用いる方法は、振動板２０に錘部材３０を固定した後でも、振動板２０から錘部材３０を容易に取り外すことができるため、好適である。
　錘部材３０は、通常、金属や硬質樹脂等の硬質材料によって形成される。錘部材３０の質量は、目的の通過帯域と、振動板２０の材質又は形状等とを考慮して適宜決定されるため、特に限定されない。しかし、錘部材３０を軽くしすぎると、錘部材３０が振動板２０の共振周波数に殆ど影響を及ぼさなくなり、錘部材３０を振動板２０に固定する意義が低下する。このため、錘部材３０は、振動板２０に対してある程度重くした方が好ましい。具体的には、振動板２０における振動可能な領域（図４において「Ｒ０」で示される領域）の質量を「Ｍ０」とし、錘部材３０の質量を「Ｍ１」としたときに、質量Ｍ０に対する質量Ｍ１の比Ｍ１／Ｍ０が、０．５以上となるようにすると好ましい。比Ｍ１／Ｍ０は、１以上であるとより好ましく、２以上であるとさらに好ましい。比Ｍ１／Ｍ０の上限は、特に限定されないが、比Ｍ１／Ｍ０は、通常、５００以下とされ、現実的には、１００以下とされる。錘部材３０は、質量の異なる複数種類を用意しておき、振動板２０に固定する錘部材３０を、耳用音響フィルターの用途（目的の通過帯域）に応じて、交換できるようにしておくと好ましい。
１．４　振動板支持部材
　振動板支持部材４０は、上述したように、外耳道挿入部１０の外端面（ｙ軸方向負側を向く端面）に対して振動板２０を支持させるためのものとなっている。振動板支持部材４０は、斯様な機能を発揮できるのであれば、その具体的な形態を特に限定されない。本実施態様の耳用音響フィルターにおいて、振動板支持部材４０は、図５に示すように、円環状の振動板受け部４１と、振動板受け部４１の外周部から前方（ｙ軸方向負側）に突出して設けられた円環状の周壁部４２と、振動板受け部４２の後方（ｙ軸方向正側）に設けられたオリフィス形成部４３とを備えたものとなっている。振動板受け部４１は、その片面（ｙ軸方向負側を向く面）側で、振動板２０の周縁部を支持するための部分となっている。周壁部４２は、振動板受け部４１に支持された振動板２０の周縁部を保護するための部分となっている。オリフィス形成部４３は、後述するオリフィス部４３ａを形成するための部分となっている。
　ところで、振動板２０の周縁部における一部が、振動板受け部４１から浮いたような状態であると、振動板２０の振動特性に悪影響を及ぼす虞があるため、振動板２０の周縁部における全周部が固定端となるように、振動板２０の周縁部における全周部を振動板受け部４１にしっかり固定すると好ましい。振動板２０の周縁部は、振動板支持部材４０に対して、接着剤等により、完全に固定してもよいし、嵌合構造等によって、着脱自在に固定してもよい。後者の場合には、振動板２０を振動板支持部材４０に固定した後であっても、振動板２０を振動板支持部材４０から容易に取り外すことが可能になる。この構成は、振動板２０として、材質や厚さの異なる複数種類を用意して、又は、同種類の振動板２０であってもそれに固定された錘部材３０の質量や配置が異なる複数枚の振動板２０を用意して、それらのなかから、使用する振動板２０を選択できるようにする場合に適している。ただし、後述するように、振動板２０を支持する振動板支持部材４０自体を外耳道挿入部１０に対して着脱自在に設ける場合には、振動板２０を振動板支持部材４０に対して着脱可能に設ける必要は特にない。
　振動板支持部材４０の材質は、特に限定されないが、上述したように、振動板２０の振動が振動板支持部材４０によって吸収されにくくするため、外耳道挿入部１０よりも硬い材質で形成すると好ましい。振動板支持部材４０の材質としては、アクリルやポリ塩化ビニルやポリプロピレンやポリエチレン等の合成樹脂のほか、アルミニウム等の金属等が例示される。振動板支持部材４０を振動板２０と同一種類の合成樹脂によって形成する場合であって、振動板２０の寸法精度を必要なレベルに維持できる場合には、射出成形等によって、振動板支持部材４０に振動板２０を一体的に形成してもよい。
　本実施態様の耳用音響フィルターにおいて、振動板受け部４１は、その後面（ｙ軸方向正側を向く面）を外耳道挿入部１０の後端部に設けられたフランジ部１２の前面（ｙ軸方向負側を向く面）に固定されるようになっている。フランジ部１２（外耳道挿入部１０）に対する振動板支持部材４０の固定構造は、特に限定されない。振動板支持部材４０は、外耳道挿入部１０に対して、接着剤等によって完全に固定してもよいし、嵌合構造等によって、着脱可能な状態で固定してもよい。後者は、錘部材３０を振動板２０や振動板支持部材４０ごと交換できるようにする場合に適している。これにより、錘部材３０という微細な部品を直接取り扱うことなく、振動板支持部材４０という比較的大きな部品を取り扱うことで、錘部材３０を他の種類のものへ交換することが可能になり、振動板２０の通過帯域を容易に調整することができるようになる。また、フランジ部１２によって、外耳道挿入部１０の柔軟性が損なわれることが懸念される場合には、外耳道挿入部１０にフランジ部１２を設けなくてもよい。例えば、外耳道挿入部１０の本体部分に設けた固定穴に振動板支持部材４０を固定するようにしてもよい。この場合の固定穴は、例えば、シェル状の外耳道挿入部１０の内壁（通音孔１１の周壁）に設けることができる。
１．５　オリフィス部
　本実施態様の耳用音響フィルターでは、図３及び図４に示すように、通音孔１１の断面積を縮小するためのオリフィス部４３ａが設けられている。このオリフィス部４３ａによって、振動板２０の共振のＱ値を調整することが可能になり、通過帯域の幅Ｗ０を容易に調節することが可能になる。通過帯域の幅Ｗ０は、オリフィス部４３ａにおける開口の径Ｒ２（図４）や位置等を調整することによって、広くすることも、狭くすることも可能である。具体的には、図７に示すように、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２を小さくすれば、通過帯域の幅Ｗ０を広げることができ、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２を大きくすれば、通過帯域の幅Ｗ０を狭くすることができる。
　オリフィス部４３ａを設ける箇所は、通音孔１１における振動板２０が設けられた箇所とは別の箇所であれば、特に限定されない。振動板２０を通気孔１１の奥まった箇所に設ける場合には、オリフィス部４３ａは、振動板２０よりも外側（ｙ軸方向負側）に設けることもできる。しかし、本実施態様の耳用音響フィルターでは、既に述べた通り、振動板２０を通音孔１１における外端部（ｙ軸方向負側の端部）近傍に設けており、振動板２０よりも外側には、オリフィス部４３ａを設けるスペースがないため、振動板２０よりも内側（ｙ軸方向正側）に、オリフィス部４３ａを設けている。
　オリフィス部４３ａは、振動板２０から離れた箇所に設けてもよいが、振動板２０の近傍に設けると好ましい。これにより、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２（図４）が通過帯域の幅Ｗ０（図７）に影響を及ぼしやすくなり、オリフィス部４３ａによる通過帯域の幅Ｗ０の制御作用が得られやすくなる。また、オリフィス部４３ａを、振動板支持部材４０に設けることも可能になる。本実施態様の耳用音響フィルターにおいても、オリフィス部４３ａは、図５に示すように、振動板支持部材４０に形成したオリフィス形成部４３に設けている。このため、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２（図４）が異なる複数種類の振動板支持部材４０を用意しておけば、振動板支持部材４０を交換することによって、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２を変更することが可能となっている。すなわち、振動板２０の共振周波数だけでなく、通過帯域の幅Ｗ０（図７）までも調整可能な耳用音響フィルターを得ることが可能になる。
　例えば、振動板支持部材４０として、図３～５に示すように、開口径Ｒ２（図４）が大きなオリフィス部４３ａが設けられたものと、図８～１０に示すように、開口部Ｒ２が小さなオリフィス部４３ａが設けられたものとの２種類を用意しておけば、振動板支持部材４０を図３～５に示されたものと、図８～１０に示されたものとで交換することによって、通過帯域の幅Ｗ０（図７）を調整することが可能になる。図８は、他の実施態様の耳用音響フィルターの一部を破断して示した斜視図である。図９は、他の実施態様の耳用音響フィルターを図２におけるＸ１－Ｘ２面に相当する面で切断した状態を示した断面図である。図１０は、他の実施態様の耳用音響フィルターを分解した状態を示した斜視図である。
　オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２（図４）は、振動板２０における振動可能な領域の直径Ｒ０（図４）よりも小さければ、特に限定されない。しかし、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２が振動板２０の直径Ｒ０に近すぎると、通過帯域の幅Ｗ０（図７）がオリフィス部４３ａを設けない場合と略同じとなり、オリフィス部４３ａを設ける意義が低下する。このため、オリフィス部４３ａを設ける場合には、振動板２０の直径Ｒ０に対するオリフィス部４３ａの開口径Ｒ２の比Ｒ２／Ｒ０は、通常、０．９５以下とされる。比Ｒ２／Ｒ０は、０．９以下とすると好ましく、０．８以下とするとより好ましく、０．７以下とするとさらに好ましい。一方、比Ｒ２／Ｒ０の下限は、特に限定されないが、比Ｒ２／Ｒ０が小さすぎると、必然的に、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２も小さくなり、開口径Ｒ２の寸法精度が高い状態でオリフィス部４３ａを設けることが難しくなる虞がある。このため、比Ｒ２／Ｒ０は、通常、０．０１以上とされ、好ましくは、０．１以上とされる。
１．６　小括
　以上のように、本発明の耳用音響フィルターは、錘部材３０（錘部）の質量を変更することによって、図６に示すように、振動板２０の共振周波数（通過帯域）をシフトさせることが可能なものとなっている。また、振動板２０を外耳道挿入部１０や振動板支持部材２０に対して着脱可能に設ける構成を採用すれば、振動板２０を交換することによっても、通過帯域をシフトさせることが可能なものとなっている。さらに、振動板支持部材４０にオリフィス部４３ａを設ける等、オリフィス部４３ａを、外耳道挿入部１０に対して着脱可能に設ける構成を採用すれば、オリフィス部４３ａの開口径Ｒ２も変更することが可能となり、図７に示すように、通過帯域の幅Ｗ０を調整することも可能なものとなっている。したがって、耳用音響フィルターの用途等に応じて、通過帯域やその幅Ｗ０を調整することも可能となる。
　本発明の耳用音響フィルターは、耳に装着して使用するものであれば、その用途を特に限定されるものではないが、耳栓やイヤホンとして好適に用いることができる。特に、本発明の耳用音響フィルターでは、図６に示すように、通過帯域をシフトさせた場合であっても、通過帯域よりも低い周波数帯域における遮音性能を維持することが可能である。このため、本発明の耳用音響フィルターは、低周波数帯域の騒音が発生する場所で使用する耳栓やイヤホンとして特に好適に用いることができる。低周波数帯域の騒音が発生する場所としては、工場等の作業現場が例示される。
２．シミュレーション
　本発明の耳用音響フィルターの性能を評価するため、シミュレーションを行った。まず、シミュレーション方法について説明する。図１１は、シミュレーションに用いた計算モデルを示した図である。外耳道の空洞部形状は、単純化のため、半径がａ２で長さがＬ２の円柱形とした。また、振動板や空洞部（外耳道）の断面寸法は、音波の波長よりも十分小さいとし、空洞部分（外耳道部分）の音場は一次元音場として考えた。振動板の支持条件は固定とした。
　振動板に加わる空洞部内の音圧による反力、外側空間に対する放射抵抗、及び、入射音波による加振を考慮して、薄肉平板（振動板）の運動方程式を立てる。入射音による振動板の表面上の音圧をpi0ejωt（入射音波の振幅をpiとすると、pi0＝2pi）とし、振動板の背後の音圧をp0+ejωtとし、該部振動板上に振動によって発生する音圧をpoutejωtとすると、振動板の運動方程式は、下記式(1)で記述できる。下記式(1)において、Dは、曲げ剛性を表し、減衰を損失係数として、D=D'(1+jη) の形で導入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　次に、振動速度v(r)をモード展開式として表すと、N次までのモードを考慮し、下記式(2)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ただし、Tは転置、Ψ(r)はモード関数ベクトル、vは速度モードベクトルを表し、下記式(3)，(4)で定義される。下記式(3)，(4)において、ψi(r)はi次固有関数を、viはi次複素速度モード振幅を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここでは、周縁が固定された半径aiの振動板を考えるので、振動モードは下記式(5)により表すことができる。ただし、Jnはn次第一種ベッセル関数であり、Inはn次第一種の変形されたベッセル関数であり、Anは比例定数であり、rとθは、図１１に示す空間の極座標である。また、kは下記式(6)で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　音波が振動板に垂直に入射する場合には、直径方向の節をもった振動モードは励振されないため、考慮する必要がある振動モードは、下記式（７）で記述することができる。ただし、λiは、境界条件から、下記式（８）の解として与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　上記式(2)を上記式(1)に、速度と変位の関係式を用いて代入し、両辺に左からΨをかけ、試料面の領域Sで積分すると、上記式(1)は、下記式(9)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　上記式(9)の左辺のK及びMは、モードの直交性から、N×Nの対角行列となり、それぞれ、下記式(10)，(11)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ただし、上記式(10)，(11)におけるKi及びMiは、それぞれ、モード剛性及びモード質量を表し、下記式(12)，(13)で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　また、上記式(9)におけるFi0、F0及びFoutは、それぞれ下記式(14)，(15)，(16)で与えられる。ただし、Fiは入射波によるi次モード加振力を、F0iは振動板が内部空気によって受ける空気反作用によるi次モード加振力を、Foutiは振動板が外部空気によって受ける空気反作用によるi次モード加振力を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　ここで、Z0+面における音圧は、振動板の振動速度の空間平均「vバー」（vの上に横棒）を用いて、下記式(17)で記述することができるため、下記式(17)より下記式(18)が得られる。ただし、下記式(18)におけるBは、下記式(19)で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　上記式(18)，(19)から、上記式(14)，(15)は、それぞれ、下記式(20)，(21)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　次に、外側空間の振動板上に振動によって生じる音圧について考える。板の振動の平均速度を考え、放射抵抗が近似的にピストン板の場合と同様と考えると、poutは、下記式(22)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　ただし、上記式(22)におけるZoutは、放射インピーダンスを表し、半径aの円形の振動板の場合、下記式(23)で記述することができる。ただし、kは波数（k＝2πf/C）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　また、上記式(23)において、J1は一次第一種Bessel関数を、K1はStruve関数を意味し、それぞれ下記式(24)，(25)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
　振動板の寸法よりも波長が十分長い場合には、ka<<2であるので、上記式(23)におけるZoutは、下記式(26)のように近似することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
　上記式(16)に上記式（22）を代入すると、Foutは、下記式(27)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　上記式(9)に、上記式(20)，(21)，(27)を代入して整理すると、下記式(28)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
　続いて、内部空間の音場について考える。内部空間のz方向に垂直な断面寸法は、波長に比べて十分小さいと考えられるため、内部空間の音場はz方向の一次元と考える。この場合、図１１の領域Ａにおける音圧p1及び粒子速度v1は、z方向の＋方向、－方向に進行する音波を考え、それぞれ下記式(29)，(30)で表すことができる。　ただし、P1+及びP1-は、それぞれ、領域Ａにおいて正負方向に進む音波の振幅である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
　領域Ｂにおける音圧p2及び粒子速度v2についても同様に、それぞれ下記式(31)，(32)で表すことができる。ただし、P2+及びP2-は、それぞれ、領域Ｂにおいて正負方向に進む音波の振幅である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
　鼓膜面（Z＝L1+L2）のインピーダンスが十分高いとすると、近似的に粒子速度を0（剛壁）とみなすことができ、上記式(32)より、下記式(33)となり、下記式(34)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
　断面１（Z＝L1）における体積速度の連続性から、下記式(35)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
　また、音圧の連続性より下記式(36)を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
　さらに、振動板速度とZ＝+0面上の体積速度の連続性から、下記式(37)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
　したがって、上記式(37)に上記式(2)を代入し、上記式(19)を用いると、下記式(38)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
　これらの音場の境界条件を考慮して、P1+、P1-、P2+及びP2-、を求めると、最終的に、p2(t,z)は、下記式(39)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
　よって、鼓膜面（z＝L1+L2）の音圧は、下記式(40)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000040
　ここで、振動板の振動速度ベクトルvは、上記式(28)より、下記式(41)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000041
　上記式(41)を上記式(40)に代入すると、下記式(42)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000042
　よって、入射側音圧pi0と鼓膜面の音厚の比trは、下記式(43)のように求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000043
　また、入射側音圧に対する鼓膜面の音圧の損失レベルR[dB]は、下記式(44)によって表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000044
　ここまでは、平板（振動板）上に付加質量（錘部）を設けない場合について説明したが、以下においては、振動板上に微小な錘部を設置し、振動板の共振周波数を変化させる場合について考える。錘部は、質量maの質点（集中質量）とし、振動板の剛性に影響を及ぼさないものとする。また、錘部の質量maは、振動板の質量と比較して軽く、振動板の振動モード形状に影響を及ぼさないものとする。ことのきの振動板の運動方程式は、下記式(45)で与えられる。下記式(45)において、δはディラックのデルタ関数であり、rMは集中質量（錘部）を設置した点の位置ベクトルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000045
　振動板に錘部を設けない場合と同様に、振動速度vをモード展開式として記述し、モードの直交性により整理すると、下記式(46)が得られる。下記式(46)におけるK及びMは、いずれも対角行列であり、それぞれ剛性マトリクス及び質量マトリクスを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000046
　上記式(46)における剛性マトリクスKのi次対角成分Ki及び質量マトリクスMのi次対角成分Miは、それぞれ下記式(47)，(48)で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000047
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000048
　本シミュレーションでは、上記式(44)に基づいて、振動板に錘部が設けられていない場合（後述するモデル１の場合）と、振動板に錘部が設けられている場合（後述するモデル２～４の場合）との双方について、透過損失を計算した。後者の場合には、上記式(13)におけるMiを上記式(48)のMiで置き換えて計算を行った。本シミュレーションで用いた４種類のモデル１～４を下記表１に示す。これら４種類のモデルにおいては、振動板を板厚０．１ｍｍの金属（アルミニウム）板で統一した。また、いずれのモデルにおいても、図１１における領域Ａの半径a1及び領域Ｂの半径a2を４．５ｍｍとし、領域Ａと領域Ｂの長さの合計L1＋L2を１５ｍｍとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000049
　図１２は、シミュレーション結果を示したグラフである。図１２を見ると、錘部のないモデル１から、錘部の質量が０．０１ｇのモデル２、錘部の質量が０．０３ｇのモデル３、錘部の質量が０．０５ｇのモデル４というように、錘部の質量が増加するにつれて、下向きのピークが表れる周波数（振動板の共振周波数）や、その共振周波数周辺における損失が少ない帯域（通過帯域）が低周波数側にシフトしていくことが分かる。具体的に、モデル１における振動板の共振周波数は１００００Ｈｚ以上、モデル２における振動板の共振周波数は６０００Ｈｚ強、モデル３における振動板の共振周波数は４０００Ｈｚ弱、モデル４における振動板の共振周波数は３０００Ｈｚ強となっている。このことから、錘部の質量を変更可能な本発明の耳用音響フィルターが、通過帯域をシフトできるものであることが、シミュレーションにより確認された。
　また、図１２を見ると、通過帯域よりも低い周波数帯域では、モデル１～４のいずれにおいても、損失が６０ｄＢ程度となっていることが分かる。このことから、本発明の耳用音響フィルターは、通過帯域をシフトさせても、低周波数帯域の遮音性能が維持されるものであることが、シミュレーションにより確認された。
３．実験
　本発明の耳用音響フィルターの効果を確認するため、実験も行った。図１３は、実験方法を示した図である。本実験では、図１３に示すように、外耳道挿入部に見立てた鉄製の円筒体（カプラー）から１ｍ離れた箇所に音源（スピーカー）を配するとともに、カプラー内の空洞部（直径９ｍｍの円柱状の空洞部。外耳道挿入部に設けた通音孔に相当。）内に第一マイクを、カプラー外部における、スピーカーからの距離が第一マイクと等しくなる場所に第二マイクを配した。第一マイクと第二マイクには、いずれも、１／４インチマイクロホン（ブリュエル・ケアー社４９５８）を用いた。カプラーの空洞部（通音孔）のスピーカー側の端部から第一マイクの集音部までの距離は、実際の耳用音響フィルターにおける音源側の端部から鼓膜までの距離と略等しくなるように、１５ｍｍとした。第一マイクは、Ｏリングを介してカプラーに支持した。カプラーの空洞部（通音孔）は、スピーカー側の端部を振動板で塞いだ。振動板の周辺部は、シール材によってシールした。
　この状態で、スピーカーからホワイトノイズを発生させ、第一マイクに入射したホワイトノイズの音響レベルと第二マイクに入射したホワイトノイズの音響レベルとの差から、振動板の共振による損失を測定した。振動板には、板厚０．２ｍｍの樹脂板（塩化ビニル板）を用いた。この実験を、振動板に固定する錘部の質量を変えながら行った。錘部の質量は、下記表２の実施例１～３に示す３種類とした。また、比較のため、錘部も振動板も設けない場合（比較例１）についても同様の測定を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000050
　図１４は、実験結果を示したグラフである。図１４を見ると、錘部の質量が０．１３ｇの実施例１から、錘部の質量が０．１６ｇの実施例２、錘部の質量が０．１９ｇの実施例３というように、錘部の質量が増加するにつれて、下向きのピークが表れる周波数（振動板の共振周波数）や、その共振周波数周辺における損失が少ない帯域（通過帯域）が低周波数側にシフトしていくことが分かる。具体的に、実施例１における振動板の共振周波数は１１３６Ｈｚ程度、実施例２における振動板の共振周波数は１０００Ｈｚ程度、実施例３における振動板の共振周波数は８８８Ｈｚ程度となっている。このことから、錘部の質量を変更可能な本発明の耳用音響フィルターが、通過帯域をシフトできるものであることが、実験によっても確認された。
　また、図１４を見ると、図１２のシミュレーション結果とは異なり、錘部の質量が大きくなるにつれて、通過帯域よりも低い周波数帯域での遮音性能に低下がみられることが分かる。しかし、振動板のない比較例１と比較すると、それでもなお、低周波数帯域での遮音性能が維持されていることが分かる。このことから、本発明の耳用音響フィルターは、通過帯域をシフトさせても、低周波数帯域の遮音性能が維持されるものであることが、実験によっても確認された。
　　１０　　外耳道挿入部
　　１１　　通音孔
　　１２　　フランジ部
　　２０　　振動板
　　２１　　固定孔
　　３０　　錘部材（錘部）
　　３１　　頭部
　　３２　　胴部
　　４０　　振動板支持部材
　　４１　　振動板受け部
　　４２　　周壁部
　　４３　　オリフィス形成部
　　４３ａ　オリフィス部
　　　Ｒ０　振動板における振動可能な領域の直径
　　　Ｒ１　錘部の直径
　　　Ｒ２　オリフィス部の開口径
　　　Ｗ０　通過帯域の幅

Claims (5)

  1. 　外耳道に挿入して用いる耳用音響フィルターであって、
    　外耳道に挿入する外耳道挿入部に、音を通過させるための通音孔が設けられ、
    　通音孔における所定箇所が、振動板によって塞がれるとともに、
    　振動板における所定箇所に、錘部が設けられ、
    　入射音による振動板の共振現象によって、特定の周波数帯域の音のみを選択的に鼓膜側へ通過させることができるようにした
    ことを特徴とする耳用音響フィルター。
  2. 　錘部が、振動板とは別体の錘部材を振動板に固定することによって設けられた請求項１記載の耳用音響フィルター。
  3. 　錘部材が、頭部及び胴部を有するリベット状を為し、
    　振動板における所定箇所に、錘部材の胴部を挿通して固定するための固定孔が設けられた
    請求項２記載の耳用音響フィルター。
  4. 　通音孔における振動板が設けられた箇所とは別の箇所に、当該別の箇所における通音孔の断面積を縮小するオリフィス部が設けられた請求項１～３いずれか記載の耳用音響フィルター。
  5. 　外耳道挿入部における通音孔の外端部近傍に固定可能な振動板支持部材を備え、
    　振動板が、振動板支持部材を介して外耳道挿入部における通音孔の外端部近傍に支持される
    請求項１～４いずれか記載の耳用音響フィルター。
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