(57)【要約】【課題】人の聴覚メカニズムに基づいて、新規且つ有用な音響特性を備える音波共鳴構造体を提供する。【解決手段】音波共鳴構造体（１）は、第１剛性を有する第１正方弾性膜（２）と、第２剛性を有する第２正方弾性膜（３）と、前記音波に基づく第１正方弾性膜（２）の振動の固定端となるように第１正方弾性膜（２）に固定された端面（５）と、前記音波に基づく第２正方弾性膜（３）の振動の固定端となるように第２正方弾性膜（３）に固定された端面（６）とを有する弾性円柱（４）とを備える。【選択図】図１
2020140138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波の進行方向に対して交差する方向に沿って配置されて第１剛性を有する第１弾性膜と、
前記進行方向に交差する方向に沿って配置されて前記第１剛性と異なる第２剛性を有する第２弾性膜と、
前記音波に基づく前記第１弾性膜の振動の固定端となるように前記第１弾性膜に固定された第１端面と、前記音波に基づく前記第２弾性膜の振動の固定端となるように前記第２弾性膜に固定された第２端面とを有する弾性柱部材とを備えたことを特徴とする音波共鳴構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の音波共鳴構造体を複数個備え、
前記第１及び第２弾性膜は、前記音波の進行方向に対して垂直な方向に沿って配置され、
各第１弾性膜が矩形形状を有し、
各第２弾性膜が各第１弾性膜と同一の矩形形状を有し、
各弾性柱部材の第１端面が各第１弾性膜の中央に固定され、
前記複数個の音波共鳴構造体がマトリックス状に配置されることを特徴とする音波共鳴構造体アレイ。
【請求項３】
前記第１及び第２弾性膜は、互いに異なる膜厚を有する請求項２に記載の音波共鳴構造体アレイ。
【請求項４】
前記音波の特定の周波数成分が前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間で共鳴するように、前記第１及び第２弾性膜の膜厚、弾性定数、前記弾性柱部材の寸法、および、前記音波共鳴構造体の弾性柱部材と隣接する音波共鳴構造体の弾性柱部材との間の間隔が設定される請求項２に記載の音波共鳴構造体アレイ。
【請求項５】
請求項２に記載の音波共鳴構造体アレイを備えた音波共鳴構造体応用部品であって、
前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間で共鳴する前記音波の特定の周波数成分を透過させることを特徴とする音波共鳴構造体応用部品。
【請求項６】
前記音波共鳴構造体アレイが配置されたシート状部材をさらに備え、
前記音波共鳴構造体応用部品が、前記音波の特定の周波数成分を透過させるカーテンである請求項５に記載の音波共鳴構造体応用部品。
【請求項７】
前記音波共鳴構造体アレイが配置された壁材をさらに備え、
前記音波共鳴構造体応用部品が、前記音波の特定の周波数成分を透過させる建築材料である請求項５に記載の音波共鳴構造体応用部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行する音波に共鳴する構造を有する音波共鳴構造体、音波共鳴構造体アレイ、及び音波共鳴構造体応用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
局所共鳴メタマテリアル（Locally resonant metamaterial、ＬＲＭ）及びフォノニック結晶（Phononic Crystal、ＰＣ）の音波伝搬に関する研究が知られている（非特許文献１）。このＬＲＭは、厚み１ｍｍのアルミニウム板から成り、８０％質量が加えられて５００Ｈｚに調整されたバネ−質量共鳴器が０．０５×０．０５ｍの周期的サブ波長寸法で取り付けられている。この０．０５×０．０５ｍのユニットセルの有限要素（Finite Element、ＦＥ）モデルは、１００個のシェルエレメントからなる。そして、板の外の屈曲波に音響的に関連する分散曲線（dispersion curves）がＩＢＣ（Irreducible Brillouin Contour）に沿って求められる（非特許文献１）。
【０００３】
そして、この非特許文献１が取り扱う音波伝搬を認識する人の聴覚メカニズムの研究が知られている（非特許文献２）。我々が感じ取っている音の源は、空気などの媒体を伝わっていくメカニカルな疎密波であり、それを我々は感覚細胞の一種である有毛細胞で感知している。感知のメカニズムは有毛細胞の上端に位置する聴毛の屈曲である（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Van Belle, C.Claeys, E. Deckers, and W. Desmet，Sound Transmission Loss of Locally Resonant Metamaterial and Phononic Crystal Plates, 12thInternational Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials 2018 Espoo, Finland, Aug. 27th - Sept. 1th 2018，p.413-415
【非特許文献２】和田  仁  東北文化学園大学  科学技術学部  知能情報システム学科, 「内・外有毛細胞のメカニクス」, Audiology Japan 59, 161〜169, 2016
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでの多くの研究者の研究成果により、上記有毛細胞の構造、及び有毛細胞における音の受容メカニズムが相当解明されている。この有毛細胞の構造及び受容メカニズムに基づいて、新規且つ有用な音波共鳴構造を備えた音波共鳴構造体を構成することができる可能性に本発明者らは着眼した。
【０００６】
本発明の一態様は、人の聴覚メカニズムに基づく新規且つ有用な音響特性を備える音波共鳴構造体、音波共鳴構造体アレイ、及び音波共鳴構造体応用部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る音波共鳴構造体は、音波の進行方向に対して交差する方向に沿って配置されて第１剛性を有する第１弾性膜と、前記進行方向に交差する方向に沿って配置されて前記第１剛性と異なる第２剛性を有する第２弾性膜と、前記音波に基づく前記第１弾性膜の振動の固定端となるように前記第１弾性膜に固定された第１端面と、前記音波に基づく前記第２弾性膜の振動の固定端となるように前記第２弾性膜に固定された第２端面とを有する弾性柱部材とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
この特徴によれば、音波の特定の周波数成分が第１弾性膜と第２弾性膜との間で共鳴し、上記以外の周波数成分が遮断される。このため、上記特定の周波数成分のみを透過する新規且つ有用な音響特性を備える音波共鳴構造体を提供することができる。
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る音波共鳴構造体アレイは、本発明に係る音波共鳴構造体を複数個備え、前記第１及び第２弾性膜は、前記音波の進行方向に対して垂直な方向に沿って配置され、各第１弾性膜が矩形形状を有し、各第２弾性膜が各第１弾性膜と同一の矩形形状を有し、各弾性柱部材の第１端面が各第１弾性膜の中央に固定され、前記複数個の音波共鳴構造体がマトリックス状に配置されることを特徴とする。
【００１０】
この特徴によれば、複数個の音波共鳴構造体がマトリックス状に配置される。このため、特定の周波数成分のみを透過する新規且つ有用な音響特性を備える音波共鳴構造体アレイを提供することができる。
【００１１】
本発明に係る音波共鳴構造体アレイは、前記第１及び第２弾性膜は、互いに異なる膜厚を有することが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、前記第１及び第２弾性膜の互いに異なる膜厚により、第１剛性と異なる第２剛性を実現することができる。
【００１３】
本発明に係る音波共鳴構造体アレイは、前記音波の特定の周波数成分が前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間で共鳴するように、前記第１及び第２弾性膜の膜厚、弾性定数、前記弾性柱部材の寸法、および、前記音波共鳴構造体の弾性柱部材と隣接する音波共鳴構造体の弾性柱部材との間の間隔が設定されることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、前記第１及び第２弾性膜の膜厚、弾性定数、前記弾性柱部材の寸法、および、前記音波共鳴構造体の弾性柱部材と隣接する音波共鳴構造体の弾性柱部材との間の間隔を設定することにより、音波共鳴構造体アレイが透過する特定の周波数を調整することができる。
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明に係る音波共鳴構造体応用部品は、本発明に係る音波共鳴構造体アレイを備えた音波共鳴構造体応用部品であって、前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間で共鳴する前記音波の特定の周波数成分を透過させることを特徴とする。
【００１６】
この特徴によれば、前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間で共鳴する前記音波の特定の周波数成分を透過させるので、新規且つ有用な音響特性を得ることができる。
【００１７】
本発明に係る音波共鳴構造体応用部品は、前記音波共鳴構造体アレイが配置されたシート状部材をさらに備え、前記音波共鳴構造体応用部品が、前記音波の特定の周波数成分を透過させるカーテンであることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、カーテンが特定の周波数成分を透過させるので、選択的な遮音効果のあるカーテンを得ることができる。
【００１９】
本発明に係る音波共鳴構造体応用部品は、前記音波共鳴構造体アレイが配置された壁材をさらに備え、前記音波共鳴構造体応用部品が、前記音波の特定の周波数成分を透過させる建築材料であることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、建築材料が特定の周波数成分を透過させるので、選択的な遮音効果のある建築材料を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、人の聴覚メカニズムに基づく新規且つ有用な音響特性を備える音波共鳴構造体、音波共鳴構造体アレイ、及び音波共鳴構造体応用部品を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る音波共鳴構造体の透視斜視図である。
【図２】上記音波共鳴構造体の通過特性及び反射特性を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、上記音波共鳴構造体に設けられた第１正方弾性膜及び第２正方弾性膜上の音圧分布を示す斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、上記音波共鳴構造体に設けられた第１正方弾性膜及び第２正方弾性膜上の音圧分布を示す側面図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、上記音波共鳴構造体に設定されたライン上の音圧分布を示すグラフであり、（ｆ）は上記音波共鳴構造体に設定されたラインを示す側面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、非共鳴周波数における上記第１正方弾性膜及び第２正方弾性膜上の音圧分布を示す斜視図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、他の非共鳴周波数における上記第１正方弾性膜及び第２正方弾性膜上の音圧分布を示す斜視図である。
【図８】上記第１正方弾性膜の膜厚を変化させたときの通過特性を示すグラフである。
【図９】上記第２正方弾性膜の膜厚を変化させたときの通過特性を示すグラフである。
【図１０】上記音波共鳴構造体に設けられた弾性円柱の長さを変化させたときの通過特性を示すグラフである。
【図１１】上記弾性円柱の半径を変化させたときの通過特性を示すグラフである。
【図１２】実施形態に係る音波共鳴構造体アレイの弾性柱部材の間の間隔を変化させたときの通過特性を示すグラフである。
【図１３】（ａ）はヒトの聴覚に係る有毛細胞を示す画像であり、（ｂ）は上記有毛細胞の膜構造を示す画像であり、（ｃ）は上記有毛細胞の膜構造の解析モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
（音波共鳴構造体１の構造と散乱特性）
図１は実施形態に係る音波共鳴構造体１の透視斜視図である。音波共鳴構造体１は、ｙ軸の正方向に向かう音波７の進行方向に対して垂直に配置されて第１剛性を有する正方形状の弾性膜２（第１弾性膜）と、前記進行方向に垂直に配置されて前記第１剛性と異なる第２剛性を有して弾性膜２と同じ正方形状の弾性膜３（第２弾性膜）と、音波７に基づく弾性膜２の振動の固定端となるように弾性膜２に接着で固定された円形の端面５と、音波７に基づく弾性膜３の振動の固定端となるように弾性膜３に接着で固定された円形の端面６とを有する円柱状の弾性円柱４とを備える。このように、弾性膜２・３及び弾性円柱４は一体化して構成される。
【００２５】
弾性膜２（soft membrane）は、一辺の長さ１０ｍｍであり、厚み０．５ｍｍであり、ＰＶＣ（polyvinyl chloride、ポリ塩化ビニル）の材質からなる。弾性膜３（hard membrane）は、一辺の長さ１０ｍｍであり、厚み１．０ｍｍであり、ＰＶＣの材質からなる。
【００２６】
弾性円柱４（elastic pillar）は、弾性膜２の中央と弾性膜３の中央とを接続し、長さ４ｍｍ、直径１ｍｍであり、ＰＶＣの材質からなる。
【００２７】
音波共鳴構造体１は、弾性膜２・３及び弾性円柱４からなる単位構造である。この音波共鳴構造体１の上下面９（ｘｙ面）と左右面１０（ｙｚ面）とに周期境界条件を適用することで、ｘ方向とｚ方向とに２次元的な無限の広がりを持つ構造を表す音波共鳴構造体アレイ８が定義される。
【００２８】
弾性膜２及び弾性膜３は、いずれも弾性円柱４に固定的に接続されている。シミュレーションではこれらの弾性膜２、弾性膜３、及び弾性円柱４を一体化するための処理を施している。
【００２９】
図２は、音波共鳴構造体１の通過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１を示すグラフである。この単位構造である音波共鳴構造体１を無限に並べた周期構造である音波共鳴構造体アレイ８に対して、弾性膜２から弾性膜３に向かう方向（ｙ軸の正方向）に音響平面波である音波７を与え、その通過特性Ｓ２１、および反射特性Ｓ１１を計算する。
【００３０】
図２に示すグラフより、周波数５８１０Ｈｚ付近に鋭い通過特性Ｓ２１が示されることが確認できる。また、それ以外の周波数の音波７は、音波共鳴構造体１の構造を通過することができず、音波共鳴構造体１により強い減衰を受けることになる。例えば、４０００Ｈｚ以下の周波数、あるいは６５００Ｈｚ以上の周波数では３０ｄＢ以上の減衰を受けることを、図２に示すグラフの通過特性Ｓ２１は示している。
【００３１】
（音圧分布）
図３（ａ）〜（ｄ）は、音波共鳴構造体アレイ８の音波共鳴構造体１に設けられた弾性膜２及び弾性膜３上の音圧分布を示す斜視図である。
【００３２】
このシミュレーションでは上記周期境界条件を適用している。そのため、音波共鳴構造体１を並べた音波共鳴構造体アレイ８の実際の構造は、ｚｘ面内に無限に広がる構造を有している。この音波共鳴構造体アレイ８の構造に生じる音圧分布が図３（ａ）〜（ｄ）に示されている。なお、紙面の都合により単位構造となる音波共鳴構造体１を３×３個並べた範囲の音圧分布を示す。共鳴周波数５８１０Ｈｚにおける弾性膜２・３膜上の音圧分布の様子を時間間隔Ｔ／４毎に描いたものが図３（ａ）〜（ｄ）に示されている。但し、Ｔは音波７の周期を意味する。
【００３３】
図３（ｂ）は、「D. J. Lim, "Functional structure of the organ of Corti: a review," Hearing Research, Vol. 22, Issues 1-3, pp.117-146, 1986.」に基づく。
【００３４】
このシミュレーションのためのソフトウェアは、コムソル社のマルチフィジックス（COMSOL Multiphysics（登録商標））５．３ａに音響モジュール及び構造力学モジュールを組み込んで使用している。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｄ）からわかるように、弾性膜２が弾性膜３よりも大きく振動している。弾性膜２は、弾性円柱４と接合されているため、その接合部では入射する音波７に対して振動しにくいものの、接合部から遠ざかるにつれて振動しやすくなる。弾性円柱４は、入射する音波７の音圧に対して持ちこたえようとする力、すなわち弾性力を弾性膜２よりも強く生み出すため、音波７のエネルギーを受け取りｙ軸方向に沿った伸縮運動を繰り返す。一方、弾性円柱４に接合される弾性膜３は、弾性膜２ほど大きく振動はしない。これは弾性膜３の膜厚を弾性膜２の膜厚の２倍に設定しているため、弾性膜３の剛性が弾性膜２の剛性よりも高いためであると考えられる。
【００３６】
図４（ａ）〜（ｄ）は、音波共鳴構造体アレイ８の音波共鳴構造体１に設けられた弾性膜２及び弾性膜３上の音圧分布を示す側面図である。共鳴周波数５８１０Ｈｚにおける弾性膜２及び弾性膜３上の音圧分布の様子が図４（ａ）〜（ｄ）に時間間隔Ｔ／４毎に描かれており、この図４（ａ）〜（ｄ）は図３（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応している。側面から音波共鳴構造体アレイ８を見ると、弾性膜２がｙ軸方向に沿って前後に大きく変位していることが分かる。同時に、弾性膜３もわずかにｙ軸方向に沿って移動している。これは、弾性円柱４のｙ軸方向の長さが時間とともに変わっており、弾性円柱４がｙ軸方向に沿った伸縮運動を繰り返していることを意味している。
【００３７】
興味深い点は、弾性膜２がその中立位置から左に膨らむと、弾性膜３はその中立位置から右に膨らむことである。このとき弾性膜２と弾性膜３とによって挟まれた空間の音圧は低下すると考えられる。一方、弾性膜２がその中立位置から右に膨らむと、弾性膜３はその中立位置から左に膨らむ。このとき弾性膜２と弾性膜３とによって挟まれた空間の音圧は増大すると考えられる。これは弾性膜２、弾性膜３、および弾性円柱４によって形作られた一体構造による現象であり、弾性膜２・３及び弾性円柱４を含む弾性体の運動エネルギーと、上記弾性体に蓄積されるエネルギーとが交互にキャッチボールを繰り返すことで共鳴が起こると考えられる。
【００３８】
図５（ａ）〜（ｅ）は、音波共鳴構造体１に設定された音圧観測ライン１１上の音圧分布を示すグラフであり、（ｆ）は音波共鳴構造体１に設定された音圧観測ライン１１を示す側面図である。音波共鳴構造体１を真横から見たときに、図５（ｆ）に音圧観測ライン１１で示される位置の音圧が図５（ａ）〜（ｅ）のグラフに描かれている。
【００３９】
共鳴周波数５８１０Ｈｚでの音圧分布が図５（ｃ）に示されており、この共鳴周波数５８１０Ｈｚに加えて、その±２％、±１％の周波数での音圧分布が図５（ａ）（ｂ）（ｄ）（ｅ）にそれぞれ表わされている。図５（ａ）〜（ｅ）のグラフの横軸２１ｍｍ〜２５ｍｍに相当する位置に、弾性膜２と弾性膜３とによって挟まれた空間内の音圧が示されている。これら２枚の弾性膜２・３で挟まれた共鳴領域では、共鳴周波数に対応する図５（ｃ）のＡ部において顕著に音圧の増加がみられる。一方、非共鳴周波数においては、図５（ａ）（ｂ）（ｄ）（ｅ）に示されるように、弾性膜２・３で挟まれた領域に十分な音圧の集中は見られなかった。図５（ｃ）に示されるように、特に共鳴周波数５８１０Ｈｚの２１ｍｍの位置における音波の音圧と、２５ｍｍの位置における音波の音圧とがほぼ同じ値を示していることがわかる。このことは、音波共鳴構造体１の構造により直列ＬＣ共振回路的な動作が現れることを意味している。
【００４０】
図６（ａ）〜（ｄ）は、非共鳴周波数における弾性膜２及び弾性膜３上の音圧分布を示す斜視図である。非共鳴周波数である５７５０Ｈｚにおける弾性膜２・３上の音圧分布が、Ｔ／４毎に変化する様子が示されている。入射する音波による弾性膜２・３の振動は、確認できるが、共鳴周波数５８１０Ｈｚにおける図３（ａ）〜（ｄ）に示される弾性膜２・３の振動に比べて大幅に小さくなっている。図２に示される通過特性Ｓ２１および反射特性Ｓ１１からもわかるように、非共鳴周波数である５７５０Ｈｚの非通過帯域を音波共鳴構造体アレイ８が形成していることが確認できる。
【００４１】
図７（ａ）〜（ｄ）は、他の非共鳴周波数における弾性膜２及び弾性膜３上の音圧分布を示す斜視図である。非共鳴周波数である５８７０Ｈｚにおける弾性膜２・３上の音圧分布が、Ｔ／４毎に変化する様子が示されている。入射する音波による弾性膜２・３の振動は、確認できるが、共鳴周波数５８１０Ｈｚにおける図３（ａ）〜（ｄ）に示される弾性膜２・３の振動に比べて大幅に小さくなっている。図２に示される通過特性Ｓ２１および反射特性Ｓ１１からもわかるように、非共鳴周波数である５７５０Ｈｚよりも高域側において非通過帯域を音波共鳴構造体アレイ８が形成していることが確認できる。
【００４２】
（基本的な動作）
図１に示される音波共鳴構造体１において、一片の長さ１０ｍｍ、膜厚０．４ｍｍ、材質ＰＶＣの弾性膜２と、一片の長さ１０ｍｍ、膜厚０．８ｍｍ、材質ＰＶＣの弾性膜３と、弾性膜２と弾性膜３とを中央で接続する、長さ４ｍｍ、直径１ｍｍ、材質ＰＶＣの弾性円柱４とからなる一体構造を基本モデルとして、特定の構造パラメータを変化させたときの通過特性を計算した結果を説明する。
【００４３】
図８は弾性膜２の膜厚を変化させたときの音波共鳴構造体アレイ８の通過特性を示すグラフである。弾性膜２の膜厚は０．４ｍｍから０．６ｍｍの範囲で変化させた。弾性膜２の膜厚を０．６ｍｍから０．４ｍｍに薄くすると、図８に示されるように、加速度的に共鳴周波数が下がることが確認できる。
【００４４】
図９は弾性膜３の膜厚を変化させたときの音波共鳴構造体アレイ８の通過特性を示すグラフである。弾性膜３の膜厚は０．６ｍｍから０．８ｍｍの範囲で変化させた。弾性膜３の膜厚を多少変化させても、図９に示されるように、共振周波数に大きな変化は見られない。やはり、より薄い弾性膜２の膜厚が共鳴周波数を決めているといえる。
【００４５】
図１０は音波共鳴構造体１に設けられた弾性円柱４の軸方向の長さを変化させたときの通過特性を示すグラフである。弾性円柱４の長さは４．０ｍｍ、５．０ｍｍとした。弾性円柱４の長さを４．０ｍｍから５．０ｍｍに長くすることで、弾性膜２・３の間を支える弾性円柱４の効果が弱くなり、図１０に示されるように、共鳴周波数が高周波数帯域側に移動したものと考えられる。
【００４６】
図１１は弾性円柱４の半径を変化させたときの通過特性を示すグラフである。弾性円柱４の半径は０．５ｍｍから０．７ｍｍの範囲で変化させた。弾性円柱４の半径を０．５ｍｍから０．７ｍｍに太くすると、図１１に示されるように、共鳴周波数が高周波数帯域側に移動する。これは、より太くなった弾性円柱４が弾性膜２の可動範囲をより制限するので、共鳴周波数が高域側に移動したものと考えられる。
【００４７】
図１２は音波共鳴構造体アレイ８の弾性円柱４の間の間隔を変化させたときの通過特性を示すグラフである。弾性円柱４の間の間隔によって表される音波共鳴構造体アレイ８の構造の周期は１０ｍｍ、１２ｍｍとした。音波共鳴構造体アレイ８の構造の周期を１０ｍｍの基本モデルと１２ｍｍに変更したモデルとの比較をおこなった結果、図１２に示されるように、周期を大きくすると、共鳴周波数が低域側に大きく移動することが確認できる。
【００４８】
音波共鳴構造体アレイ８に入射する音波７が伝搬する空間は、空気中であっても良いが、液体中であってもよい。例えば、音波共鳴構造体アレイ８は、その寸法を別途調整すれば、水中に配置されてもよく、水中を伝搬する音波７が音波共鳴構造体アレイ８に入射するように構成してもよい。
【００４９】
音波共鳴構造体アレイ８に入射する音波７は、可聴域の音波であってもよいが、その寸法を別途調整すれば、超音波であってもよい。
【００５０】
（ヒトの聴覚メカニズムとの関連性）
図１３（ａ）はヒトの聴覚に係る有毛細胞ＨＣを示す画像であり、（ｂ）は有毛細胞ＨＣの膜構造を示す画像であり、（ｃ）は有毛細胞ＨＣの膜構造の解析モデルを示す図である。
【００５１】
有毛細胞（Hair Cell）ＨＣの表面の膜構造の概念が図１３（ａ）に表わされており、その断面を写した画像が図１３（ｂ）に示されている。有毛細胞ＨＣの表面は、層状の構造を有しており、細胞膜ｐｍ（Plasma Membrane）、Pillarを含むラティス構造（Cortical Lattice）ｃｌ、および厚みのある内側膜（Lateral Cisternae）ｌｃを備える。この層状の構造の内部にはミトコンドリアｍが分布する。このような有毛細胞ＨＣの表面層状構造に対して、シミュレーションモデルを次のように対応付ける。すなわち、細胞膜ｐｍを弾性膜２に対応付け、内側膜ｌｃを弾性膜３に対応付け、ラティス構造ｃｌに含まれるPillarを弾性円柱４に対応付ける。
【００５２】
弾性膜２・３及び弾性円柱４のそれぞれの構造パラメータ（膜厚、長さ、半径、周期間隔）が音波共鳴構造体アレイ８の通過特性に与える影響を図８〜図１２を参照して前述したが、音波共鳴構造体アレイ８のシミュレーションモデルの寸法を有毛細胞ＨＣの寸法に近づけるように音波共鳴構造体アレイ８の小型化を図った場合の共鳴周波数の変化を表１にまとめる。
【００５３】
【表１】
2020140138.tif 000003
【００５４】
シミュレーションモデルの小型化により、（表１）中の項目（１）弾性膜２の薄膜化、項目（３）弾性円柱４の長さの短縮、項目（４）弾性円柱４の径の削減は共鳴周波数を下げる効果を持つのに対して、項目（５）弾性円柱４の周期間隔の削減は共鳴周波数を上げる効果があり、これらのバランスを取りながらシミュレーションモデルの小型化を行えば、シミュレーションモデルの寸法が音波７の波長に比べて極めて小さい寸法であっても音波７に対する共鳴を作り出せる可能性があることが容易に推察できる。
【００５５】
特に、図８に示したシミュレーションモデルの弾性膜２の厚みは０．４ｍｍと厚く、実際の有毛細胞ＨＣの細胞膜の膜厚が数１０ｎｍであることを考え合わせると、項目（１）弾性膜２の薄膜化により共鳴周波数が大幅に低くなることが期待される。一方で、項目（５）弾性円柱４の周期間隔の削減が共鳴周波数に関して逆効果を持つことから、低周波信号の処理を受け持つ有毛細胞ＨＣと高周波信号の処理を受け持つ有毛細胞ＨＣのPillarの周期性について、さらなる調査が必要であると考えられる。
【００５６】
（応用分野）
（１）工学的応用
音波共鳴構造体アレイ８により音波の周波数選択性のある薄膜を作ることができる。ほとんどの周波数帯域の音波を遮断し、特定の音波、例えばサイレン等の警告音、小鳥のさえずり等を選択的に通すような薄膜建材、あるいはカーテンができる。
【００５７】
周期性（弾性円柱４の周期間隔）を変化させることで、さまざまな周波数特性を実現できる可能性があり、音響空間のデザインにも音波共鳴構造体アレイ８を利用できる。
【００５８】
（２）ヒトの聴覚システムの解明
ヒトの有毛細胞の表面は、図１３を参照して紹介したように複雑な構造をしている。この構造が特定の周波数の音波と共鳴するというのが本発明者らの説であり、ここで紹介した構造は、ヒトの聴覚細胞における共鳴現象にもっとも近い形を表現していると考えている。
【００５９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６０】
１  音波共鳴構造体
２  弾性膜（第１弾性膜）
３  弾性膜（第２弾性膜）
４  弾性円柱（弾性柱部材）
５  端面（第１端面）
６  端面（第２端面）
７  音波
８  音波共鳴構造体アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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