(57)【要約】【課題】低周波数帯域まで吸音効果を高めることができながらも、部品点数の削減化及び薄型化が実現できる吸音構造体を提供する。【解決手段】筒状の空洞１を壁Ｗの内部に設け、該空洞内に吸音する音を取り込むための開口部を壁Ｗの表面に形成し、前記空洞１は、前記開口部１Ａから取り込まれた音により該空洞内に気柱共鳴が発生するよう構成され、前記開口部１Ａは、前記気柱共鳴により発生した定在波の粒子速度が大きくなる音圧振幅分布の節に相当する位置に形成され、該開口部１Ａに吸音材２を配置した。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の空洞を壁の内部に設け、該空洞内に吸音する音を取り込むための開口部を壁の表面に形成し、前記空洞は、前記開口部から取り込まれた音により該空洞内に気柱共鳴が発生するよう構成され、前記開口部は、前記気柱共鳴により発生した定在波の粒子速度が大きくなる音圧振幅分布の節に相当する位置に形成され、該開口部に吸音材を配置したことを特徴とする吸音構造体。
【請求項２】
基本振動の周波数に対して、前記空洞の縦方向及び横方向の寸法が、前記定在波の波長の半分以下の長さに決定され、長さ方向の寸法が、前記定在波の波長の１／４の長さに決定されることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造体。
【請求項３】
前記空洞が壁の内部に複数隣接して設けられ、隣接する空洞の開口部が隣接方向において互いに異なる位置に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸音構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸音効果を効率よく発揮できる吸音構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる吸音構造体としては、グラスウール等の繊維状物よりなる吸音材と、吸音材の両面のそれぞれに重ね合わせて配置される通気性保護材と、それら重ね合わせた通気性保護材及び吸音材の周縁部に装着してそれら３つの部材を一体化するための枠体とからなるものが既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の吸音構造体としては、空洞とその空洞に連通する空洞よりも幅狭な通孔からなるヘルムホルツの共鳴器と言われるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６０−７５５０９号公報（図１参照）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】前川純一他著、「建築・環境音響学」（第２版）、共立出版株式会社、第８５頁（単一共鳴器の吸音特性）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の構成によれば、吸音材の厚みによって吸音効果を向上させる構成であるため、低域の吸音効果を得るためには、吸音材の厚みを厚くしなければならない。このため、重量が重くなり、組み立て作業面において不利になっていた。また、吸音材以外の部品である通気性保護材や枠材等、多くの部品を必要とするため、組み立て作業面において更に不利になるだけでなく、コスト面においても不利になっていた。
【０００７】
また、上記非特許文献１の構成によれば、通孔の空気と空洞の空気とのバネ−マス振動系により生じるヘルムホルツ共鳴を利用したものであるため、単一の周波数でのみ吸音効果を発揮する。このため、広帯域での吸音効果を得ることができない不都合があった。また、小さな通孔の管壁と振動する空気の粒子の摩擦による吸音のため、大きな吸音効果が得られないという不都合もあった。
【０００８】
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、低周波数帯域まで吸音効果を高めることができながらも、部品点数の削減化及び薄型化が実現できる吸音構造体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の吸音構造体は、前述の課題解決のために、筒状の空洞を壁の内部に設け、該空洞内に吸音する音を取り込むための開口部を壁の表面に形成し、前記空洞は、前記開口部から取り込まれた音により該空洞内に気柱共鳴が発生するよう構成され、前記開口部は、前記気柱共鳴により発生した定在波の粒子速度が大きくなる音圧振幅分布の節に相当する位置に形成され、該開口部に吸音材を配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の構成によれば、開口部から取り込まれた音によって壁の内部に設けられた空洞内で特定の周波数で気柱共鳴が発生する。この気柱共鳴により発生する定在波が開口部位置で定在波の粒子速度が非常に大きい。この定在波の粒子速度の非常に大きな開口部に配置された吸音材内で空気の粒子が激しく振動することによって、音エネルギーが熱エネルギーとして消費され、吸音される。このように、吸音材内で空気の粒子が激しく振動して消費される熱エネルギーが大きくなるため、吸音効果が非常に大きくなる。しかも、空洞と吸音材とを設けるだけで、吸音することができることから、少ない部品点数で、薄型化を実現することができる吸音構造体を構成することができる。また、共鳴周波数が無限に存在するため、低い周波数から高い周波数まで効果的な吸音効果を発揮できる。一般的に、音響設計では、通常、無限にある気柱共鳴の周波数のうちの一番低い基本振動の周波数が重要となる。また、壁の内部の空間を空洞を設けるための空間として利用することによって、空洞を設置するスペースを別の場所に確保する必要がない。ここでいう壁とは、剛性を有するものをいう。
【００１１】
また、本発明の吸音構造体は、基本振動の周波数に対して、前記空洞の縦方向及び横方向の寸法が、前記定在波の波長の半分以下の長さに決定され、長さ方向の寸法が、前記定在波の波長の１／４の長さに決定されることが好ましい。
【００１２】
上記のように基本振動の周波数に対して、定在波の波長から空洞の寸法が決定されることから、大きな吸音効果を確実に発揮させることができる吸音構造体を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の吸音構造体は、前記空洞が壁の内部に複数隣接して設けられ、隣接する空洞の開口部が隣接方向において互いに異なる位置に形成されていてもよい。
【００１４】
上記のように隣接する空洞の開口部が隣接方向において互いに異なる位置に形成しておけば、面積効果を最大限利用することができ、その分吸音効果を向上させることができる。面積効果は、開口部に設けられた吸音材に直接入射する音エネルギーに対し、開口部の吸音材に周辺からも大きな音エネルギーが流入することが原因で発生する。
【発明の効果】
【００１５】
以上の如く、本発明によれば、空洞と吸音材とを設けるだけで、低周波数帯域まで吸音効果を高めることができながらも、部品点数の削減化及び薄型化が実現できる吸音構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は筒状の空洞内に発生する特定の共鳴周波数における定在波の粒子速度振幅分布を示す説明図であり、（ｂ）は筒状の空洞内に発生する特定の共鳴周波数における定在波の音圧振幅分布を示す説明図である。
【図２】筒状の空洞と空洞が結合された半無限空間とを示す図である。
【図３】半無限空間と筒状の空洞（直方体）とが結合されている場合の音場を示す図である。
【図４】図３の条件における布が無い場合の数値解析結果(相対値)の鳥瞰図表示（周波数が８５Ｈｚの場合）を示し、（ａ）は音圧振幅分布であり、（ｂ）は粒子速度振幅分布である。
【図５】布もしくは薄い多孔質吸音層のインピーダンスを誘導するための説明図である。
【図６】開口面に平行な方向に設置した空洞である。
【図７】図３及び図６で示した吸音構造体の吸音特性を計算で求めた値をプロットしたグラフを示し、グラフ中の（ａ）は、図３の吸音構造体の吸音特性を示し、グラフ中の（ｂ）は、図６の吸音構造体の吸音特性を示している。
【図８】図６で示した吸音構造体の開口部近傍の時間平均のエネルギー流を示す説明図である。
【図９】（ａ）は壁に多数の空洞を配置し、各空洞に形成した開口を閉じる布を張り付ける直前の吸音構造体の正面図を示し、（ｂ）は（ａ）の吸音構造体の正面に全ての空洞の開口を閉じる大きさの布を張り付けた状態を示す吸音構造体の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、気柱共鳴について説明すれば、図３に示すように一端（図では下端）が閉じられ、他端が開放された筒状の空洞を構成する管１を半無限空間に接続された状態で壁Ｗの内部に配置する。すると、管１内に開口部１Ａから音が取り込まれ、管１内で気柱共鳴が発生する。この気柱共鳴により定在波が発生し、発生した定在波の一例（後述の（５）式のｍが２の場合）の粒子速度振幅分布を、図１（ａ）に示し、また、前記定在波の音圧振幅分布を、図１（ｂ）に示している。図１（ａ），（ｂ）からわかるように、粒子速度振幅分布と音圧振幅分布は、それぞれの腹と節の位置が逆になっており、管１の開口部（開口端）１Ａにおいて定在波の粒子速度が最大になる。管１の開口部１Ａは、共鳴周波数における定在波の音圧振幅分布において節となり、共鳴周波数における定在波の粒子速度振幅分布において腹になっている。そして、図３に示すように、管１の開口部（開口端）１Ａに吸音材２を設けて、本発明の吸音構造体を構成することができる。
【００１８】
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【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
上記理論による数値解析例として図３において布（吸音材）２が無い条件で空洞内部とその近傍の音場を（５）式でｍ＝１のときの共鳴周波数８５Ｈｚで数値計算した結果を図４（ａ），（ｂ）に鳥瞰図で示している。尚、図３では、ｄ=１ｍ、開口部１Ａの縦寸法０．２ｍ×横寸法０．２ｍである。図４（ａ），（ｂ）のいずれも、左手前が半無限空間、中央から右上方に伸びる値の盛り上がった大きな部分が空洞内部の分布であり、図４（ａ）が音圧振幅分布を示し、図４（ｂ）が粒子速度振幅分布を示している。半無限空間内の音場と比較し、空洞内部で非常に大きな音圧及び粒子速度が生じており、空洞内には、音響エネルギーが多く蓄積されていることがわかる。尚、共鳴周波数８５Ｈｚの音を吸音する場合には、（５）式に数値を代入すると、８５（Ｈｚ）＝３４０（ｍ／ｓ）／４ｄとなる。これを解くと、ｄ＝１（ｍ）となる。また、気柱共鳴波長λは、λ＝ｃ（音速）／ｆ（共鳴周波数）であることから、３４０（ｍ／ｓ）／８５（Ｈｚ）＝４（ｍ）となる。ここで、基本振動の周波数（ここでは８５Ｈｚ）に対して、空洞の縦方向及び横方向の寸法が、気柱共鳴波長の半分以下の長さに決定され、長さ方向の寸法が、前記気柱共鳴波長の１／４の長さに決定されるので、共鳴周波数８５Ｈｚの音を吸音する場合の空洞の縦方向及び横方向の寸法は、４（ｍ）／２＝２（ｍ）以下となる。尚、前記基本振動の周波数は、気柱共鳴により発生する振動の周波数の中で一番低い周波数である。また、共鳴周波数８５Ｈｚの音を吸音する場合の空洞の長さｄは、４（ｍ）／４＝１（ｍ）となる。因みに、共鳴周波数８５Ｈｚよりも低い周波数の音を吸音する場合には、空洞の長さｄは、１（ｍ）よりも長くすることになる。
【００２２】
共鳴周波数では、開口部（開口端）１Ａ（図３参照）において常に空気の粒子の振動速度振幅が最大となることから、この開口部１Ａに適切な流れ抵抗と面密度を持った布のような薄い吸音材２（図３参照）を設置すれば、激しく振動している空気の粒子と多孔材料の繊維との摩擦によって、空気の粒子の振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、音のエネルギーが吸収される。空洞内では、気柱共鳴によって音のエネルギー密度が高くなっているから、非常に効果的な吸音が可能となるところが本発明のポイントである。
【００２３】
開口部に設置する布あるいは薄い多孔質吸音材の理論的取り扱いに関しては、Kuttruffに従い、以下の様に取り扱う。このKuttruffは、H.Kuttruffの略で、書名が「Room Acoustics (4th Edition)」Spon Press、ｐ４６-５１、２０００年発行の著者である。
【００２４】
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【００２５】
図７の実線で示す（ａ）のグラフには、図３に示す同じ形状(ｄ=１ｍ、開口部寸法が０．２ｍ×０．２ｍ)の空洞１の開口部１Ａに布２が設置された場合の吸音率の周波数特性を示す。ここで言う吸音率とは、開口面に入射する音のエネルギーに対する開口面から空洞内部に侵入する音のエネルギーの割合である。数値解析の結果、ｍ＝１の振動モードのときに非常に大きな吸音特性を示すが、空洞の長さを変化させることにより種々の周波数帯域で吸音させることが可能であり音響設計に有用である。半無限空間・布・筒状の空洞の連成系となり境界条件が変化することから、最初の共鳴周波数は、（５）式ｍ＝１で計算された値より低域にシフトしている。尚、グラフにおいて、６０Ｈｚ付近の吸音率が最大ピーク部分であり、それぞれのピークは、（ａ）が２３．８で（ｂ）が１７．７である。また、設置した布の流れ抵抗は５００Ｎｓ／ｍ3、面密度は０．５ｋｇ／ｍ2である。
【００２６】
ところで、壁面の吸音性能を向上させるためには、筒状の空洞を壁の内部に多数設置することが要求される。そのためには、図６に示すように、剛な壁Ｗの表面と平行に配置し通常の厚さの壁Ｗの内部に収納できる吸音構造体とすることがスペースの点から望ましい。このような吸音構造体（開口部１Ａに吸音材２を設けている場合）の設置方法でも、図７の破線で示す（ｂ）のグラフに示すように、図３で配置した吸音構造体のものと吸音率（吸音性能）に大きな差が無いことは実際に用いる上で重要なポイントである。図７は、平面波が垂直入射する場合の結果であるが、乱入射条件における吸音率が要求される場合が多い。乱入射条件では、上半空間において等立体角間隔で入射する個々の平面波入射について入射エネルギーと吸収エネルギーを求め、全入射エネルギーに対する全吸収エネルギーの比を求めれば良い。
【００２７】
なお、図７の実線と破線の２つのグラフで吸音率が１を超えているのは、面積効果の影響による。面積効果とは、吸音面（開口部の布）に直接入射する音エネルギーに対し、開口部の布に周辺からも大きな音エネルギーが流入することが原因である。図６で示した吸音構造体を構成する布２は、流れ抵抗が５００Ns/m3、面密度が０．５kg/m2である。また、共鳴周波数が２２５Ｈｚのときの空洞１の開口部１Ａ近傍の時間平均のエネルギー流の方向と大きさを計算で求めた結果を図８の矢印で示し、開口部１Ａの布２に周辺からも大きなエネルギーが流入していることが図８から読み取れる。
【００２８】
また、図９（ａ）に示すように、壁Ｗの内側に形成される空間内に、断面が矩形状の直方体でなる角筒状で縦向きの複数個の空洞３を横方向に隣接して設け、図９（ｂ）に示すように、壁Ｗの前面に全域に亘る面積の布４を張り付けることによって、全ての空洞３の壁Ｗの表面に形成された開口部３ａ，３ｂ，３ｃ（全部で１０個）を閉じて、吸音構造体を構成した場合を示している。図９（ａ），（ｂ）において左右両端には、上下方向に長い第１空洞３Ａ，３Ａを備え、それら第１空洞３Ａ，３Ａの間に、第１空洞３Ａ，３Ａの上下長さの半分の長さに形成された上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃの４組を左右方向に隣接して設けている。左端の第１空洞３Ａの開口部３ａが上端に形成され、右端の第１空洞３Ａの開口部３ａが下端に形成されている。また、４組の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃのうちの左端の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃの開口部３ｂ，３ｃが共に上下方向下端部に形成され、右端の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃの開口部３ｂ，３ｃが共に上下方向上端部に形成されている。また、残る中央に位置する２組の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃのうちの左側の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃの開口部３ｂ，３ｃが共に上下方向上端部に形成され、右側の上下一対の第２空洞３Ｂ，３Ｃの開口部３ｂ，３ｃが共に上下方向下端部に形成されている。このように左右方向で隣接する第１空洞３Ａの開口部３ａと第２空洞３Ｂ，３Ｃの開口部３ｂ，３ｃ及び左右方向で隣接する第２空洞３Ｂ，３Ｃ同士の開口部３ｂ，３ｃが左右方向（空洞の隣接方向）で重複することがない、つまり左右方向（空洞の隣接方向）で互いに異なる位置に形成することによって、各開口部３ａ又は３ｂ又は３ｃにおける面積効果を最大限利用することができ、その分吸音効果を向上させることができる。また、壁Ｗの内部の空間を空洞３Ａ，３Ｂ，３Ｃを設けるための空間として利用することによって、空洞３Ａ，３Ｂ，３Ｃを設置するスペースを別の場所に確保する必要がない。尚、前記壁としては、部屋の横側壁を構成する壁や天井を構成する壁の他、道路等に遮音するために設けられる遮音壁やトンネルを構成する壁であってもよい。また、開口部を空洞の長手方向一端又は他端に設ける他、空洞の長手方向中間部に設けてもよい。また、開口部を空洞に１個設けているが、開口部を空洞に２個以上設けることもできる。
【００２９】
上記のように構成された吸音構造体の開口部１Ａから音が取り込まれると、その取り込まれた音によって空洞１内で特定の周波数で気柱共鳴が発生する。この気柱共鳴により発生する定在波が開口部１Ａへ到達する位置で定在波の粒子速度が非常に大きい。この定在波の粒子速度の非常に大きな開口部１Ａに配置された吸音材２内で空気の粒子が激しく振動することによって、音エネルギーが熱エネルギーとして消費され、吸音される。このように、吸音材２内で空気の粒子が激しく振動して消費される熱エネルギーが大きくなるため、吸音効果が非常に大きくなる。しかも、空洞１と吸音材２とを設けるだけで、吸音することができることから、少ない部品点数で、薄型化を実現することができる吸音構造体を構成することができる。また、共鳴周波数が無限に存在するため、低い周波数から高い周波数まで効果的な吸音効果を発揮できる。
【００３０】
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３１】
前記実施形態では、吸音材としての布を用いたが、不織布でもよいし、グラスウールやロックウールなどの無機繊維からなる多孔質体や、各種の金属繊維からなる多孔質体などであってもよい。また、吸音材（布）の流れ抵抗５００Ns/m3、面密度０．５kg/m2のものを用いたが、流れ抵抗を２００〜２０００Ns/m3、面密度を０．３〜５．０kg/m2の範囲の任意の値に設定することが好ましい。
【００３２】
また、前記実施形態では、筒状の空洞を断面が角型のものから構成したが、断面が円形又は楕円形あるいは多角形等、どのような形状であってもよい。
【００３３】
また、前記実施形態では、図９（ｂ）で示したように、全ての開口部を閉じるように壁面の全域を覆う大きさの布４を設けたが、各開口部を閉じる大きさの布を設けてもよいし、複数の開口部を閉じる大きさの布を設けてもよい。
【００３４】
また、前記実施形態では、図９（ｂ）で示したように、全ての空洞を隙間なく隣接して設けたが、所定間隔（隙間）を置いて空洞を隣接して設けてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…管（空洞）、１Ａ…開口部（開口端）、２…吸音材、３…空洞、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…空洞、３ａ，３ｂ，３ｃ…開口部、４…布、Ａ…開口面（開口部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図４】
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【図８】
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