(57)【要約】【課題】弾性を有し且つ通気性を有していない、本来吸音特性が低い独立発泡の多孔質材料を、吸音材料として有効に活用する吸音構造体を提供する。【解決手段】図中のＡは、連続気泡の振動体による特性を示し、図中のＢは、独立気泡の振動体による特性を示している。連続気泡の多孔質材料（Ａ）においては、高音域ほど吸音率が増大する特性を示し、低音域での吸音率が小さいのに対し、独立気泡の多孔質材料（Ｂ）においては、吸音のピークとなる周波数が比較的低い周波数にあり、その吸音率も大きな値を示すことが分かる。つまり、独立気泡の多孔質材料で振動体３０を形成した吸音構造体１０であっても、吸音作用を発揮する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立気泡の多孔質材料によって形成される振動体と、
前記振動体の背後に画成される空気層と、を具備する
ことを特徴とする吸音構造体。
【請求項２】
独立気泡の多孔質材料および連続気泡の多孔質材料を重ね合わせて形成される振動体と、
前記振動体のうち独立気泡の多孔質材料の背後に画成される空気層と、を具備する
ことを特徴とする吸音構造体。
【請求項３】
独立気泡の多孔質材料および通気性部材を重ね合わせて形成される振動体と、
前記振動体のうち独立気泡の多孔質材料の背後に画成される空気層と、を具備する
ことを特徴とする吸音構造体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１に記載の吸音構造体において、
前記独立気泡の多孔質材料は、その通気量が０．１ｄｍ3／ｓ未満である
ことを特徴とする吸音構造体。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１に記載の吸音構造体を複数組み合わせた
ことを特徴とする吸音構造体群。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１に記載の吸音構造体、または請求項５記載の吸音構造体群を有する
ことを特徴する音響室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音を吸収する吸音構造体、吸音構造体群および音響室に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、音を吸音する吸音構造体のうち、吸音材に連続気泡の多孔質材料（例えば、グラスウール等）を用いたものにあっては、音波の粒子速度に比例して吸音力が発生するため、高音域においては高い吸音力を発揮するものの、低音域においては低い吸音力となっていた。従って、低音域においても高い吸音力を発生させようとすると、λ／４程度の厚さ（例えば、２５０Ｈｚで３４ｃｍ）が必要となり、小空間では設置が困難であった。
一方、板状または膜状の振動体と、この振動体の背後の空気層とにより音を吸収する吸音構造体において、低音域で高い吸音力を発生させようとすると、例えば厚さ４ｍｍ程度の合板を背後空気層４５ｍｍで配置し、空気層内部にグラスウールを充填すれば、吸音率のピークが２５０Hz程度の低音域に発現するが、この吸音率のピークは０．６程度に留まる。
【０００３】
特許文献１には、連続気泡の多孔質材料（発泡体）を用いた吸音材が開示されており、多孔質材料の吸音材を用いる場合に、連続気泡を用いることは良く知られている技術である。
一方、特許文献２に示す吸音材は、連続気泡の多孔質材料および独立気泡の多孔質材料からなり、通気量が０．１ｄｍ3／ｓ以上となっている例が開示されている。この通気量が大きい場合には、多孔質材の表裏での音圧差が発生しなくなるため、板振動を励振することができなくなったり、板振動の吸音機構に基づく吸音効果が低減したりすることとなる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１６３６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、上述した背景の下になされたものであり、弾性を有し且つ通気性を有していない、本来吸音特性が低い独立発泡の多孔質材料を、吸音材料として有効に活用することを目的とする。特に吸音構造の総厚（多孔質材と背後空気層の合計厚）が５０ｍｍ程度の薄い吸音構造でも、低音域での吸音効果を発揮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために本発明が採用する吸音構造体の構造は、独立気泡の多孔質材料によって形成される振動体と、前記振動体の背後に画成される空気層と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明が採用する吸音構造体の別の構造は、独立気泡の多孔質材料および連続気泡の多孔質材料を重ね合わせて形成される振動体と、前記振動体のうち独立気泡の多孔質材料の背後に画成される空気層と、を具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明が採用する吸音構造体の他の構造は、独立気泡の多孔質材料および通気性部材を重ね合わせて形成される振動体と、前記振動体のうち独立気泡の多孔質材料の背後に画成される空気層と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
上記構成において、前記独立気泡の多孔質材料は、その通気量が０．１ｄｍ3／ｓ未満であることが望ましい。
【００１０】
上述した課題を解決するために本発明が採用する吸音構造体群の構造は、上記記載の吸音構造体を複数組み合わせたことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決するために本発明が採用する音響室の構造は、上記記載の吸音構造体、または上記記載の吸音構造体群を有することを特徴する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吸音構造体（板・膜振動型）において、弾性を有し且つ空気を遮断する独立気泡の多孔質材料を、空気層を覆う振動板に用いることにより、吸音特性を維持しつつ振動体の劣化を防止し、ひいては当該吸音構造体の信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜吸音構造体の構成＞
図１は本発明の実施形態に係る吸音構造体１０の斜視図、図２は吸音構造体１０の分解斜視図、図３は図１中の矢視III−III方向から見た縦断面図である。なお、図面においては、本実施形態の構成を分かりやすく図示するために、吸音構造体１０の実際の寸法とは異ならせている。
図に示したように、吸音構造体１０は、当該吸音構造体１０の基台をなす筐体２０と、この筐体２０の開口部２３を施蓋する振動体３０と、筐体２０と振動体３０によって筐体２０内に画成される空気層４０と、を具備する。
【００１４】
筐体２０は、矩形状で浅底の有底筒状に合成樹脂（例えば、ＡＢＳ樹脂）で形成され、底板２１、側壁２２、開口部２３を有する。底板２１は、開口部２３に対向する面に配置され、側壁２２は、開口部２３の周囲に配置される。振動体３０は、弾性を有する高分子化合物（例えば、発泡シリコーン、発泡ウレタン、発泡ポリエチレン、発泡エチレンプロピレンゴム等）により正方形の板状に形成され、周縁が筐体２０の開口部２３に接着固定される。当該吸音構造体１０の内部（振動体３０の背後）には、筐体２０の開口部２３に振動体３０が固定されることにより、密閉された空気層４０が画成される。
【００１５】
なお、本実施形態においては、振動体３０の形状は、板状ではなく膜状であってもよく、要は、振動体３０は、力を加えると変形し、弾性により復元力を発生して振動する形状・部材であればよい。
【００１６】
ここで、板状とは、直方体（立体）に対して相対的に厚さが薄く２次元的な広がりを持つ形状であり、膜状（フィルム状、シート状）とは、板状よりもさらに相対的に厚さが薄く、張力により復元力を発生するものである。
【００１７】
さらに、前記振動体３０は、該振動体３０以外の筐体２０に対して剛性が相対的に低い（ヤング率が低い、厚さが薄い、断面２次モーメントが小さい）、或いは機械インピーダンス（８×（曲げ剛性×面密度）1/2）が相対的に低い形状・部材で形成される。即ち、振動体３０は、筐体２０に対して弾性振動を起こし易くすることにより、振動体３０により当該吸音構造体１０の吸音作用を発揮するようになっている。
【００１８】
以上が、吸音構造体１０の基本的構成であるが、本実施形態による吸音構造体１０の特徴は、図３（ａ）に示すように、振動体３０を独立気泡の多孔質材料５０によって形成したことにある。この多孔質材料５０は、その通気量が０．１ｄｍ3／ｓ未満となり、空気の通過を遮断する。独立気泡の多孔質材料としては、例えば発泡シリコーン，発泡ポリエチレン，発泡エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等が用いられる。
【００１９】
ここで、比較のために、図４に独立気泡の多孔質材料と連続気泡の多孔質材料の断面を模式的に示す。
独立気泡の多孔質材料５０は、図４（ａ）に示すように、部材内に形成される各気泡５１は連通せずに殆どが重なり合わないで独立している。このため、独立気泡の多孔質材料は、一定の弾性を有し、振動板として一体に振動可能である。つまり、独立気泡の多孔質材料は、弾性を有し且つ通気性を持たない材料となる。
図４（ａ）では、気泡５１が整列したように模式的に図示したが、ランダムに配置されてもよく、要は各気泡５１が重なり合わないで、材料の表面と裏面間で空気が流通しない構造であればよい。
【００２０】
一方、連続気泡の多孔質材料６０は、図４（ｂ）に示すように、部材内に形成される各気泡６１は隣接して殆どが重なり合って連通する。このため、連続気泡の多孔質材料は、材質や気泡６１の大きさにもよるが、スポンジのような質感を持つ。図４（ｂ）では、気泡６１が整列したように模式的に図示したが、ランダムに配置されてもよく、要は各気泡６１が少なくとも隣り合う気泡６１と連通して、材料の表面と裏面間で空気が流通する構造であればよい。
【００２１】
＜吸音構造体の動作＞
一般に、この種の吸音構造体においては、振動体のマス（質量（mass））成分と、空気層のバネ成分とによってバネマス系が形成される。
ここで、空気の密度をρ0[ｋｇ／ｍ3]、音速をｃ0[ｍ／ｓ]、振動体の密度をρ[ｋｇ／ｍ3]、振動体の厚さをｔ[ｍ]、空気層の厚さをＬ[ｍ]とすると、バネマス系の共振周波数ｆ[Ｈｚ]は数式１のようなる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
また、吸音構造体において振動体が弾性を有して弾性振動をする場合には、弾性振動による屈曲系の性質が加わることになる。
振動体の形状が長方形で一辺の長さをａ[ｍ]、もう一辺の長さをｂ[ｍ]、振動体のヤング率をＥ[Ｎ／ｍ2]、振動体のポアソン比をσ[−]、ｐ，ｑを正の整数とすると、以下の数式２に示すようにして板・膜振動型吸音構造体の共振周波数が求められる。そして、建築音響の分野においては、この求めた共振周波数を音響設計に利用している。
【００２４】
【数２】
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上記数式２において、共振周波数ｆは、バネマス系に係る項（ρ0ｃ02／ρｔＬ）と屈曲系に係る項（バネマス系の項の後に直列に加えられている項）とを加算した値となっている。この数式２に示すように、吸音構造体においては、振動体のバネマス系と、弾性振動による屈曲系とが、吸音条件を決める重要な要素となっている。
【００２５】
ここで、本実施形態による吸音構造体１０においては、振動体３０の外側から加わる音圧と空気層４０側の音圧との差（即ち、振動体３０の前後の音圧差）によって振動体３０が弾性振動する。これにより、当該吸音構造体１０に到達する音波のエネルギーは、この振動体３０の振動により消費されて音が吸音されることになる。この際、振動体３０は、前記数式２に示すようにして設定される共振周波数ｆを中心とした周波数の音を吸音することになる。
【００２６】
＜実施形態における吸音構造体の効果＞
本実施形態における吸音構造体の効果を、図５〜図７による吸音特性の図に基づいて説明する。この特性線図は、実際の実験結果をグラフ化したものであり、実験対象となる吸音構造体に対し、周波数を適宜可変にした音を当てた際の、吸収率を垂直入射吸音率として記録したものです。
図５〜図７は、振動体に連続気泡のウレタン１０ｍｍ厚を使用した吸音構造体、振動体に独立気泡の発泡シリコーン１０ｍｍ厚を使用した吸音構造体による実験結果を示している。
図５は、振動体の背後に形成した空気層の厚さを１０ｍｍ厚とした場合の実験結果であり、図６は、空気層の厚さを２０ｍｍ厚とした場合の実験結果であり、図７は、空気層の厚さを３０ｍｍ厚とした場合の実験結果である。図中のＡは、連続気泡の振動体による特性を示し、図中のＢは、独立気泡の振動体による特性を示している。
【００２７】
図５〜図７のＡとＢとを見ると、連続気泡の多孔質材料（Ａ）においては、高音域ほど吸音率が増大する特性を示し、低音域での吸音率が小さいのに対し、独立気泡の多孔質材料（Ｂ）においては、吸音のピークとなる周波数が比較的低い周波数にあり、その吸音率も大きな値を示すことが分かる。つまり、独立気泡の多孔質材料で振動体３０を形成した吸音構造体１０であっても、吸音作用を発揮している。なお、独立気泡の密度は２５０ｋｇ／ｍ3、連続気泡の密度は３５ｋｇ／ｍ3となる。
【００２８】
さらに、図８〜図１０は、振動体に連続気泡のウレタン１０ｍｍ厚を使用した吸音構造体、振動体に独立気泡のＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）１０ｍｍ厚を使用した吸音構造体による実験結果を示している。図８は空気層の厚さを１０ｍｍ厚、図９は空気層の厚さを２０ｍｍ厚、図１０は空気層の厚さを３０ｍｍ厚とした場合の実験結果である。また、図中のＡは、連続気泡の振動体による特性を示し、図中のＢは、独立気泡の振動体による特性を示している。
この独立気泡のＥＰＤＭを振動体に用いた吸音構造体であっても、図５〜図７に示す特性と同様に、吸音のピークとなる周波数が比較的低い周波数にあり、その吸音率も大きな値を示すことが分かる。
【００２９】
このように、独立気泡の多孔質材料５０を振動体３０に用いた場合にあっては、振動体３０と空気層４０の合計厚が５０ｍｍ以下の薄い吸音構造体であっても、比較的低い音域を吸音することが可能となる。
しかも、独立気泡の多孔質材料５０は、空気の通過を遮断するため、当該吸音構造体１０を塵埃の比較的多い音場に設置した場合であっても、振動体３０が空気層４０への空気の流入を阻止することになる。この結果、塵埃によって空気層４０内が汚れるのを防止することができる。
また、独立気泡の多孔質材料５０は、その構造から、空気や湿気の材料内への浸入を防止することができるため、振動体３０の耐久性を高め、ひいては当該吸音構造体１０の信頼性を高めることができる。
【００３０】
一方、独立気泡の多孔質材料５０は、連続気泡の多孔質材料６０に比べて製造コストが低いため、当該吸音構造体１０のコストを低廉安価に押さえることができる。また、独立気泡の多孔質材料５０は、連続気泡の多孔質材料６０に比べて裁断等の加工がし易いため、生産性を高めることができる等、種々の効果を奏する。
【００３１】
＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。
＜変形例１＞
前記実施形態では、振動体３０に独立気泡の多孔質材料５０を用いた場合を例示したが、本発明はこれに限らず、振動体に独立気泡の多孔質材料５０を用いた種々の構成が可能である。
【００３２】
図３（ｂ）は、独立気泡の多孔質材料５０の表側（音波の入射側）に連続気泡の多孔質材料６０を積層した振動体３１を用いた吸音構造体の縦断面図を示している。そして、この振動体３１は、独立気泡の多孔質材料５０の背面に空気層４０が来るように、筐体２０に固定される。
図３（ｃ）は、独立気泡の多孔質材料５０の表側（音波の入射側）にメッシュ、クロス、植毛等の繊維性の通気性部材７０を積層した振動体３２を用いた吸音構造体の縦断面図を示している。そして、この振動体３２は、独立気泡の多孔質材料５０の背面に空気層４０が来るように、筐体２０に固定される。
このように構成される吸音構造体とすると、前記実施形態の吸音効果を得ることができる。しかも、振動体３０の表側に連続気泡の多孔質材料６０或いは通気性部材７０を配置したから、音がこの部材に吸収される作用も付加することができる。
【００３３】
さらに、上記例に限るものではなく、振動体は、独立気泡の多孔質材料５０に連続気泡の多孔質材料６０を３層以上に積層したものであっても、通気性部材７０、連続気泡の多孔質材料６０、独立気泡の多孔質材料５０の順に積層したものであってもよく、要は、独立気泡の多孔質材料５０が使用して、外部と空気層４０との間で空気を遮断する構造となればよい。
【００３４】
＜変形例２＞
このように構成される吸音構造体においては、バネマス系による共振周波数と、板の弾性による弾性振動による屈曲系の共振周波数との関連性については、前記数式２によって一義的に決められるものの、実際には十分に解明されておらず、低音域で高い吸音力を発揮する吸音構造体の構造が確立されていないのが実情である。
【００３５】
そこで、発明者達は鋭意実験を行った結果、屈曲系の基本振動周波数の値をｆａ、バネマス系の共振周波数の値をｆｂとし場合、以下の数式３の関係を満足するように、上記パラメータを設定する。これにより、屈曲系の基本振動が背後の空気層のバネ成分と連成して、バネマス系の共振周波数と屈曲系の基本周波数との間の帯域に振幅の大きな振動が励振されて（屈曲系共振周波数ｆａ＜吸音ピーク周波数ｆ＜バネマス系基本周波数ｆｂ）、吸音率が高くなるという事実を検証した。
【数３】
2010047942.tif 000005
【００３６】
さらに、以下の数式４に設定する場合、吸音ピークの周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さくなる。この場合、低次の弾性振動のモードにより屈曲系の基本周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さく、３００[Ｈｚ]以下の周波数の音を吸音する吸音構造として適していることも検証した。
【数４】
2010047942.tif 000006
このように、上記した数式３，４の条件を満足するように各種パラメータを設定することにより、吸音のピークとなる周波数を低くした吸音構造体が構成できる。
【００３７】
＜変形例３＞
さらに、吸音構造体１０の構成は、矩形状の筐体２０、筐体２０の開口部２３を閉塞する振動体３０と、筐体２０内に画成される空気層４０と、を具備する構成としたが、本発明による筐体の形状は矩形状に円形状、多角形状であっても、振動体３０に対して振動条件を変更するための集中質量を、振動体３０の中央部に設けるようにしてもよい。
【００３８】
吸音構造体１０は、先にも説明した通り、バネマス系と屈曲系で吸音メカニズムが形成されている。ここで、発明者達は、振動体３０の面密度を変えた際の共振周波数における吸音率の実験を行った。
【００３９】
図１１は、空気層４０の縦と横の大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍで厚さが１０ｍｍの筐体２０に振動体３０（大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）を固着し、中央部（大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）の面密度を変化させた際の吸音構造体１０の垂直入射吸音率のシミュレート結果を示した図である。なお、シミュレート手法は、ＪＩＳ Ａ １４０５−２（音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第２部：伝達関数法）に従って、上記吸音構造体１０を配置した音響室の音場を有限要素法により求め、その伝達関数より吸音特性を算出した。
【００４０】
具体的には、中央部の面密度を、（１）３９９．５[ｇ／ｍ2]、（２）７９９[ｇ／ｍ2]、（３）１１９９[ｇ／ｍ2]、（４）１５９８[ｇ／ｍ2]、（５）２２９７[ｇ／ｍ2]とし、周縁部材の面密度を７９９[ｇ／ｍ2]とし、振動体３０の平均密度を、（１）７８３[ｇ／ｍ2]、（２）７９９[ｇ／ｍ2]、（３）８１５[ｇ／ｍ2]、（４）８３１[ｇ／ｍ2]、（５）８６３[ｇ／ｍ2]とした場合のシミュレーション結果である。
シミュレートの結果を見ると、３００〜５００[Ｈｚ]の間と、７００[Ｈｚ]付近において吸音率が高くなっている。
【００４１】
７００[Ｈｚ]付近で吸音率が高くなっているのは、振動体３０のマス成分と空気層４０のバネ成分によって形成されるバネマス系の共振によるものである。吸音構造体１０においては上記バネマス系の共振周波数での吸音率をピークとし音が吸音されており、中央部の面密度大きくしても、振動体３０全体のマスは大きく変わらないので、バネマス系の共振周波数も大きく変わらないことが分かる。
【００４２】
また、３００〜５００[Ｈｚ]の間で吸音率が高くなっているのは、振動体３０の屈曲振動によって形成される屈曲系の共振によるものである。吸音構造体１０においては、屈曲系の共振周波数での吸音率が低音域側のピークとして表れており、中央部の面密度を大きくしてゆくと屈曲系の共振周波数だけが低くなっていることが分かる。
【００４３】
一般に、屈曲系の共振周波数は、振動体３０の弾性振動を支配する運動方程式で決定され、振動体３０の密度（面密度）に反比例する。また、前記共振周波数は、固有振動の腹（振幅が極大値となる場合）の密度により大きく影響される。このため、上記シミュレーションでは、１×１の固有モードの腹となる領域を中央部で異なる面密度に形成したので、屈曲系の共振周波数が変化したものである。
【００４４】
このように、シミュレーション結果は、中央部の面密度を周縁部の面密度より大きくすると、吸音のピークとなる周波数のうち、低音域側の吸音率のピークがさらに低音域側へ移動することを表している。従って、中央部の面密度を変更することにより吸音のピークとなる周波数の一部をさらに低音域側または高音域側に移動（シフト）させることができることを表している。
【００４５】
上述した吸音構造体１０においては、中央部の面密度を変えるだけで、吸音される音のピークの周波数を変える（シフトさせる）ことができるため、振動体３０を吸音構造体１０全体と同じ素材で板状に形成し、吸音構造体１０全体の質量を重くして吸音する音を変更する場合と比較して、吸音構造体１０全体の質量を大きく変えることなく吸音させる音を低くできる。
【００４６】
さらに、吸音構造体１０の空気層４０内には、多孔質吸音材（例えば、発泡樹脂、フェルト，ポリエステルウール等の綿状繊維）を充填することにより、吸音率のピーク値を増加させてもよい。
【００４７】
＜変形例４＞
また、本発明においては、吸音構造体群を形成する場合、上述した実施形態または変形例のいずれか一種類の吸音構造体を複数組み合わせて吸音構造体群とするだけでなく、例えば、吸音特性の異なった吸音構造体を組み合わせたり、３種類以上の吸音特性の異なった吸音構造体を組み合わせたりするというように、異なった吸音特性を有する吸音構造体を組み合わせて吸音構造体群としてもよい。
【００４８】
また、本発明に係る吸音構造体および吸音構造体を組み合わせた吸音構造体群は、音響特性を制御する各種の音響室に配置することが可能である。ここで、各種音響室とは、防音室、ホール、劇場、音響機器のリスニングルーム、会議室等の居室、車両など各種輸送機器の空間、スピーカや楽器などの筐体などである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施形態による吸音構造体の斜視図である。
【図２】実施形態による吸音構造体の分解斜視図である。
【図３】図１の矢視III−III方向から見た縦断面図である。
【図４】独立気泡の多孔質材料、連続気泡の多孔質材料を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図６】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図７】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図８】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図９】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図１０】実施形態による特性を示す特性線図である。
【図１１】変形例（３）による特性を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・吸音構造体、２０・・・筐体、２１・・・底板、２２・・・側壁、２３・・・開口部、３０，３１，３２・・・振動体、４０・・・空気層、５０・・・独立気泡の多孔質材料、５１，６１・・・気泡、６０・・・連続気泡の多孔質材料、７０・・・通気性部材。
【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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