WO2022004273A1

WO2022004273A1 - 建材

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Publication number: WO2022004273A1
Application number: PCT/JP2021/021332
Authority: WO
Inventors: 彰一郎菅; 宏松田
Original assignee: 株式会社Lixil
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2022-01-06
Also published as: JP2022012181A

Abstract

建材１は、少なくとも一部が透明又は半透明な本体２と、本体２の透明又は半透明な部分に設けられ、透明又は半透明な材料で構成されたヘルムホルツ共振器３と、を備える。

Description

建材

　本開示は、建材に関する。

　住宅、施設、移動体などの居住空間において、外部からの音、温度、風などの影響を防ぎつつ、外部から採光したり外部を視認したりすることができるようにするために、ガラスや樹脂などの透明又は半透明な建材が使用されている。

　高い採光性や視認性が要求されない用途においては、建材に厚い吸音材などを設けることにより遮音性を向上させることができる。また、高い遮音性が要求されない用途においては、透過率の高い材料で薄い建材を構成することにより採光性や視認性を向上させることができる。

実開昭６３－０３４７７５号公報

　しかし、住宅の窓などの用途においては、高い採光性と高い遮音性の双方が要求される。したがって、建材の採光性と遮音性の双方を両立させるための技術が必要である。

　本開示は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、建材の採光性と遮音性を両立させることにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の建材は、少なくとも一部が透明又は半透明な本体と、本体の透明又は半透明な部分に設けられ、透明又は半透明な材料で構成されたヘルムホルツ共振器と、を備える。

実施の形態に係る建材の構成を示す図である。実施の形態に係る建材に設けられるヘルムホルツ共振器の構造を示す図である。実施の形態に係る建材の様々な例の断面を示す図である。実施の形態に係る建材の別の例の断面を示す図である。実施の形態に係る建材においてヘルムホルツ共振器を設ける密度の条件を説明するための図である。

　本開示の実施の形態として、遮音性に優れた透明又は半透明な建材について説明する。透明又は半透明な建材は、可動窓、固定窓、ドア、間仕切り、内装、外装、フェンス、屋根など、採光性や視認性が要求される用途に使用される。本実施の形態では、ガラスや樹脂など、可視光の少なくとも一部を透過する材料で構成された建材の採光性や視認性を維持しつつ、建材に遮音性を付与する技術を開示する。本実施の形態では、主に、窓に使用される板材について説明するが、本実施の形態の技術は、ドア、間仕切り、内装、外装、フェンス、屋根などに使用される建材にも適用可能である。

　図１は、実施の形態に係る建材の構成を示す。建材１は、ガラスの板材である本体２と、本体２の透明な部分に設けられたヘルムホルツ共振器３とを備える。ヘルムホルツ共振器３は、ガラスや樹脂など、可視光の少なくとも一部を透過する透明又は半透明な材料で構成される。これにより、建材１の採光性や視認性を維持しつつ、建材１に遮音性を付与することができる。

　図２は、実施の形態に係る建材に設けられるヘルムホルツ共振器３の構造を示す。ヘルムホルツ共振器３は、空洞部４と、空洞部４に気体を導入するための開口部５と、空洞部４と開口部５の間に設けられ空洞部４よりも内径の小さい首部６とを含む。ヘルムホルツ共振器３は、空洞部４の体積、開口部５の断面積、及び首部６の長さによって定まる共鳴周波数の音の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して吸音する。共鳴周波数ｆは、開口部５の断面の半径ｒ１、首部６の厚みｈ１、空洞部４の底面の半径ｒ２、空洞部４の厚みｈ２、音速ｖを用いて、次式で表される。

　ヘルムホルツ共振器３は、材料自体が音を吸収するのではなく、図２に示す構造によって音を吸収するので、吸音材などを設ける場合と異なり、任意の材料により構成することができる。したがって、建材１の用途や設置場所などに応じて、透過させたい波長の光の透過率が高い材料を選択したり、耐火性、耐湿性、耐候性、断熱性などの物理的特性が高い材料を選択したりすることができる。これにより、建材１の採光性、視認性、耐火性などの性能を高く保ちつつ、建材１の遮音性を向上させることができる。

　図３は、実施の形態に係る建材の様々な例の断面を示す。図３（ａ）は、単層のガラス板材７に同一形状の複数のヘルムホルツ共振器３が設けられた例を示す。単層の透明弾性体に同一形状の複数のヘルムホルツ共振器３が設けられてもよい。首部６が設けられたガラス板材と空洞部４が設けられたガラス板材とが接着されて単層のガラス板材７とされてもよい。ヘルムホルツ共振器３が設けられたガラス板材とヘルムホルツ共振器３の開口部５を覆うためのガラス板材とが接着されて単層のガラス板材とされてもよい。ヘルムホルツ共振器３の首部６が、空洞部４よりガラス板材７の表面に近づいて設置されてもよい。楽器、冷蔵庫、空調機器など、特定の周波数の音を継続的に発生する装置や機械などが設置された部屋から音が漏れないように防音するためには、窓、ドア、内装、間仕切り、外装などに使用される建材が、室内で発生される特定の周波数の音を吸音するように構成すればよい。このような場合には、同一の形状を有し、同一の共鳴周波数を有するヘルムホルツ共振器３が、ガラス板材７を覆うように設けられる。

　図３（ｂ）は、単層のガラス板材７に、複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂが設けられた例を示す。共鳴周波数の異なる複数のヘルムホルツ共振器３ａ及び３ｂを設けることにより、広い帯域の音を吸音して遮音することができる。単層の透明弾性体に複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂが設けられてもよい。複数の異なる形状の首部６が設けられたガラス板材と空洞部４が設けられたガラス板材とが接着されて単層のガラス板材７とされてもよい。複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂが設けられたガラス板材とヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂの開口部５を覆うためのガラス板材とが接着されて単層のガラス板材とされてもよい。共鳴周波数の異なる複数のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂの首部６が、空洞部４より板材７の表面に近づいて設置されても良い。本図では、２種類の形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂが設けられた例を示すが、３種類以上の形状のヘルムホルツ共振器が設けられてもよい。ヘルムホルツ共振器３の形状は、建材１が設置される場所において多く発生する音の周波数を消音することが可能な形状であってもよい。例えば、車両、電車、飛行機、船舶などの移動体が発生する音や、人間、動物、昆虫などの生物が発生する音などが屋内に侵入しないように遮音するためには、窓、ドア、外装などに使用される建材が、屋外で発生される音と同じ帯域の音を吸音するように構成すればよい。このような場合には、屋外で発生される音と同じ帯域の共鳴周波数を有する複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂが、ガラス板材７を覆うように設けられる。

　図３（ｃ）は、複層のガラス板材７ａ、７ｂに同一形状の複数のヘルムホルツ共振器３が設けられた例を示す。２枚のガラス板材７ａ及び７ｂを含む複層ガラス板材のガラス板材７ｂに同一形状の複数のヘルムホルツ共振器３が設けられる。これにより、建材の断熱性を高く保ちつつ、建材の遮音性を向上させることができる。なお、建材としての耐久性を持たせたり、耐火性、耐湿性、耐候性、断熱性などの物理的特性を向上させたりするために、３層以上のガラス板が積層された複層構造としてもよい。

　図３（ｄ）は、複数のガラス板材７ａ、７ｂ、７ｃに同一形状の複数のヘルムホルツ共振器３が隙間８を空けて設けられた例を示す。後述するように、ヘルムホルツ共振器３の間に隙間８があったとしても、隙間８の体積とヘルムホルツ共振器３の空洞部４の体積とが所定の条件を満たしていれば、隙間８を通過する音も消音することができる。これにより、建材１の遮音性を高く保ちつつ、建材１の採光性や視認性を向上させることができる。また、ヘルムホルツ共振器３を設けるガラス板材が、複層ガラス建材の内部の仕切り板材を兼ねることができるので、建材の厚みや製造コストの増大を抑えつつ、建材の遮音性を向上させることができる。

　図３（ｅ）は、複数のガラス板材７ａ、７ｂ、７ｃに複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｃが設けられた例を示す。ガラス板材７ｂには、ヘルムホルツ共振器３ａが設けられ、ガラス板材７ｃには、ヘルムホルツ共振器３ａとは異なる共鳴周波数を有するヘルムホルツ共振器３ｃが設けられる。これにより、建材１の外側から伝達された音がガラス板材７ｂを通過するときにヘルムホルツ共振器３ａの共鳴周波数の音域を吸音し、ガラス板材７ｃを通過するときにヘルムホルツ共振器３ｃの共鳴周波数の音域を吸音することができるので、ガラス板材７の全域にわたって、広い帯域の音を遮音することができる。

　図３（ｆ）は、複数のガラス板材７ａ、７ｂ、７ｃに複数の異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｃが設けられた例を示す。図３（ｅ）の例では、同一形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｃがそれぞれ設けられたガラス板材が複数枚積層されたが、図３（ｆ）の例では、異なる複数の形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｃが設けられた、遮音周波数特性がそれぞれ異なるガラス板材が複数枚積層される。この場合も、建材１の外側の音が内側に伝達される経路上に、共鳴周波数の異なる複数のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｃが設けられるようにガラス板材７ｂ、７ｃが配置されるのが好ましい。これにより、ガラス板材７の全域にわたって、広い帯域の音を遮音することができる。

　図３（ｇ）は、ガラス板材７ｂの両側にヘルムホルツ共振器３ａが設けられた例を示す。これにより、建材１の厚みの増大を抑えつつ、建材１の遮音性を向上させることができる。また、ガラス板材７ｂの両側にヘルムホルツ共振器３を概ね同軸に配置することにより、遮音効果を向上させることができる。

　図３（ｈ）は、ガラス板材７ｂの両側にヘルムホルツ共振器３ａ、３ｄが設けられた例を示す。図３（ｇ）の例では、同一形状のヘルムホルツ共振器３がガラス板材７ｂの両側に対称的に設けられたが、図３（ｈ）の例では、異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｄがガラス板材７ｂの両側に非対称的に設けられる。これにより、建材１の厚みの増大を抑えつつ、広い帯域の音を遮音することができる。

　ヘルムホルツ共振器３は、開口部５が建材１の外部と連通しないように設けられるのが好ましい。これにより、開口部５から空洞部４の内部に水分や異物が侵入するのを防ぐことができるので、防水性や防塵性を向上させることができる。

　ヘルムホルツ共振器３は、本体２の透明な部分の全体を覆うように設けられてもよい。この場合、ヘルムホルツ共振器３の空洞部４の断面は、平面充填可能な形状を有してもよい。ヘルムホルツ共振器３の空洞部４の断面は、例えば、正三角形、正方形、正六角形、平行四辺形、平行六辺形、三角形、四角形であってもよい。異なる複数の断面形状の空洞部４を有するヘルムホルツ共振器３が混在してもよい。

　ヘルムホルツ共振器３の空洞部４は、円柱、角柱、円錐台、又は角錐台の形状を有してもよい。また、空洞部４の断面と首部６の断面が異なる形状を有してもよい。また、空洞部４の内部の形状にテーパーをつけてもよい。これにより、ヘルムホルツ共振器３の遮音周波数特性を広帯域化することができるので、より広い帯域の音を遮音することができる。

　ヘルムホルツ共振器３の表面に、反射材がコーティングされてもよい。これにより、ヘルムホルツ共振器３の内部に進入した光の屈折や回折などを抑え、本体２を透過する光の量を高く保つことができるので、建材１の採光性や視認性を向上させることができる。

　ヘルムホルツ共振器３の形状は、遮音したい音の周波数、建材１のサイズ、厚み、加工性などを考慮して調整するのが好ましい。例えば、窓に使用されるガラス板材の場合、ヘルムホルツ共振器３の厚みは、標準的な窓に使用されるガラス板材の厚みよりも薄いことが好ましい。また、複層ガラス板材の場合、ヘルムホルツ共振器３の厚みは、標準的な窓に使用される複層ガラス板材の内部空間の厚みよりも薄いことが好ましい。この観点から、ヘルムホルツ共振器３の厚み、すなわち図２に示したｈ１とｈ２の和は、例えば、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１ｍｍ以下であってもよい。

　ｈ１＝１ｍｍ、ｈ２＝４ｍｍとした例におけるヘルムホルツ共振器３の形状を、数１を用いて考察する。１００Ｈｚの音を遮音するためのヘルムホルツ共振器３のｒ１とｒ２の関係は、数１に上記の値を代入することにより、ｒ２＝２７０ｒ１となる。標準的な窓の最大辺は１８０ｃｍ程度であるので、ｒ２≦９０ｃｍとすると、ｒ１≦３．３ｍｍとなる。この観点から、ヘルムホルツ共振器３の開口部５の断面の半径は、例えば、１０ｍｍ以下、９ｍｍ以下、８ｍｍ以下、７ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下、３．３ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２．５ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１．５ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下であってもよい。

　２０ｋＨｚの音を遮音するためのヘルムホルツ共振器３のｒ１とｒ２の関係は、数１に上記の値を代入することにより、ｒ２＝１．３５ｒ１となる。ガラス板材にヘルムホルツ共振器３を加工する際の精度や、加工の際に出たくずによる目詰まりや、ヘルムホルツ共振器３内に流入する空気の粘性などの影響を考慮して、ｒ１≧０．５ｍｍとすると、ｒ２≧０．６７ｍｍとなる。この観点から、ヘルムホルツ共振器３の空洞部４の断面の半径は、例えば、０．２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上、０．４ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、０．６ｍｍ以上、０．６７ｍｍ以上、０．７ｍｍ以上、０．８ｍｍ以上、０．９ｍｍ以上、１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上、２ｍｍ以上であってもよい。

　図４は、実施の形態に係る建材の別の例の断面を示す。図４に示した例では、ガラス板材７ｂの両側に高音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｅが設けられ、ガラス板材７ｄの両側に中音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｆが設けられ、ガラス板材７ｃの両側に低音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｇが設けられる。ガラス板材７ｃの両側に設けられた低音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｇは、ガラス板材７ｃに隣接して設けられたガラス板材７ｂ及び７ｄを空洞部４の側面として利用し、ガラス板材７ｂ及び７ｄに設けられた孔５ｇを開口部５として利用する。すなわち、低音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｇの内部に高音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｅ及び中音遮蔽用のヘルムホルツ共振器３ｆが設けられる。これにより、建材の厚みの増大を抑えつつ、広い帯域の音を効果的に遮音することができる。ガラス板材７ｂ及び７ｄに設けられた孔５ｇは、弾性部材などによって塞がれてもよい。これにより、ガラス板材７ａとガラス板材７ｂの間の空間と、ガラス板材７ｂとガラス板材７ｃの間の空間との間で空気が環流するのを防ぐことができるので、複層ガラス板材の断熱性能を高く保ちつつ、遮音性を向上させることができる。

　図５は、実施の形態に係る建材においてヘルムホルツ共振器を設ける密度の条件を説明するための図である。図５（ａ）は、同一形状のヘルムホルツ共振器３がガラス板材７ａとガラス板材７ｂの間に設けられた例を示す。ヘルムホルツ共振器３が消音できる空気の体積は、空洞部４の内部の体積に概ね等しい。したがって、ヘルムホルツ共振器３が設けられたガラス板材７ａとガラス板材７ｂの間の空間のうち、ヘルムホルツ共振器３の周囲の空間の体積Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃと、ヘルムホルツ共振器３の空洞部４の内部の空間の体積Ｖ２との関係が、Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ≦Ｖ２となっていれば、隣接するヘルムホルツ共振器３の間に隙間があっても、ガラス板材７ａの外側から伝達される音を遮音することができる。

　図５（ｂ）は、異なる形状のヘルムホルツ共振器３ａ、３ｂがガラス板材７ａとガラス板材７ｂの間に設けられた例を示す。この場合も、ヘルムホルツ共振器３ａの周囲の空間の体積Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃがヘルムホルツ共振器３ａの空洞部の内部の体積Ｖ２以下で、ヘルムホルツ共振器３ｂの周囲の空間の体積Ｖ１ａ’＋Ｖ１ｂ’＋Ｖ１ｃ’がヘルムホルツ共振器３ｂの空洞部の内部の体積Ｖ２’以下となっていれば、隣接するヘルムホルツ共振器３ａと３ｂの間の隙間も消音することができる。Ｖ１ｂ、Ｖ１ｃ、Ｖ１ａ’、Ｖ１ｂ’の値は、ヘルムホルツ共振器３ａと３ｂの間の空間をどこで区切るかによって変化しうるが、要は、Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ａ’＋Ｖ１ｂ’＋Ｖ１ｃ’≦Ｖ２＋Ｖ２’となっていればよい。ヘルムホルツ共振器３が多数設置される場合も、同様に、（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ）＋（Ｖ１ａ’＋Ｖ１ｂ’＋Ｖ１ｃ’）＋（Ｖ１ａ’’＋Ｖ１ｂ’’＋Ｖ１ｃ’’）＋・・・≦Ｖ２＋Ｖ２’＋Ｖ２’’＋・・・となっていればよい。

　このような構造によれば、建材の外側の音を効果的に遮音しつつ、ヘルムホルツ共振器３の隙間から光を透過させることができるので、建材の遮音性と採光性の双方を向上させることができる。

　以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

　本開示は、建材に利用可能である。

　１　建材、２　本体、３　ヘルムホルツ共振器、４　空洞部、５　開口部、６　首部、７　ガラス板材、８　隙間。

Claims

　少なくとも一部が透明又は半透明な本体と、
　前記本体の透明又は半透明な部分に設けられ、透明又は半透明な材料で構成されたヘルムホルツ共振器と、
を備える建材。
　前記ヘルムホルツ共振器は、遮音周波数特性の異なる複数の種類のヘルムホルツ共振器を含む請求項１に記載の建材。
　前記本体は複数の板材を含み、
　前記複数の板材のそれぞれにヘルムホルツ共振器が設けられる請求項１又は２に記載の建材。
　前記複数の板材は、それぞれ異なる遮音周波数特性を有する請求項３に記載の建材。
　前記複数の板材のうち内側の板材にヘルムホルツ共振器が設けられる請求項３又は４に記載の建材。
　前記ヘルムホルツ共振器は、空洞部と、前記空洞部に気体を導入するための開口部と、を含み、前記開口部は前記本体の外部と連通しないように設けられる請求項１から５のいずれかに記載の建材。
　前記ヘルムホルツ共振器が設けられた空間のうち前記ヘルムホルツ共振器の周囲の空間の体積が前記ヘルムホルツ共振器の空洞部の内部の体積以下である請求項１から６のいずれかに記載の建材。
　前記ヘルムホルツ共振器は、空洞部と、前記空洞部に気体を導入するための開口部と、前記開口部と前記空洞部の間に設けられ前記空洞部よりも内径の小さい首部と、を含み、前記空洞部と前記首部を合わせた厚みが２０ｍｍ以下である請求項１から７のいずれかに記載の建材。
　少なくとも１つのヘルムホルツ共振器の開口部の半径が１０ｍｍ以下である請求項１から８のいずれかに記載の建材。
　少なくとも１つのヘルムホルツ共振器の空洞部の断面の半径が０．２ｍｍ以上である請求項１から９のいずれかに記載の建材。
　前記ヘルムホルツ共振器の表面に反射材が設けられる請求項１から１０のいずれかに記載の建材。
　前記本体の両側に共鳴周波数が同じ又は異なるヘルムホルツ共振器がそれぞれ設けられる請求項１から１１のいずれかに記載の建材。
　前記本体に設けられたヘルムホルツ共振器の内部に、そのヘルムホルツ共振器よりも共鳴周波数が高い別のヘルムホルツ共振器が設けられる請求項１から１２のいずれかに記載の建材。
　前記ヘルムホルツ共振器の空洞部は、円柱、角柱、円錐台、又は角錐台の形状を有する請求項１から１３のいずれかに記載の建材。