(57)【要約】【課題】コストや易制御性に優れ、汎用性及び実用性の高い能動型遮音パネルを提供する。【解決手段】本能動型遮音パネル１００は、矩形、薄板のパネル１０１と、パネル１０１の振動を検出する振動センサ１０２と、パネル１０１とコンクリートスラブ２間に介設されたバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３と、振動センサ１０２の検出信号に基づいてバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３を制御する制御システム１０４とを具備してなるものであって、所定面積単位でモジュール化されたものである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体から所定間隔を離間させて配設されるパネルと、該パネルの振動を検出する振動センサと、前記パネルと構造体間に介設されて該パネルを振動させるアクチュエータと、前記振動センサの検出信号に基づいて、前記パネルの振動を相殺又は減衰する振動を発生させるように前記アクチュエータを制御する制御手段とを具備してなる能動型遮音パネルにおいて、
当該能動型遮音パネルは、所定パネル面積単位でモジュール化されたものであることを特徴とする能動型遮音パネル。
【請求項２】
前記所定パネル面積単位が０．１乃至２平方メートルである請求項１に記載の能動型遮音パネル。
【請求項３】
前記アクチュエータがバイモルフ型圧電アクチュエータである請求項１又は２に記載の能動型遮音パネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集合住宅等の構造体の天井や壁等に遮音のための配設される能動型遮音パネルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マンション等の集合住宅においては、床への落下物による衝撃音や生活音等が、上下階や隣接する住戸に伝達して騒音となるが、このような騒音は、集合住宅の購入者が最も憂慮する事項であり、今や音環境は住宅性能を表す指標の一つとして定着している。例えば、上階からの騒音の発生は、上階の床への衝撃がコンクリートスラブの振動となり、該振動が階下の生活空間へ衝撃音波と伝達すると考えられる。
【０００３】
従来、このような騒音防止対策として、鉄筋コンクリート構造体のスラブ厚を厚くする、二重床や二重天井を採用する、二重天井等の空間に防音材を充填するというような所謂受動的な遮音方法が採用されてきた。しかし、スラブ厚を厚くすれば、打設するコンクリート量が増加し、養生期間も長くなる等、建設費用が増加するという不利益がある。また、スラブ厚は躯体そのものに関わることなので、既設の集合住宅のスラブ厚を事後的に厚くすることは困難であり、リフォーム等では使用し難い。一方、二重天井や防音材等は、高周波領域では遮音効果があるものの、例えば３００Ｈｚ以下の低周波領域での遮音性能は十分とはいえない。
【０００４】
他方、コンサート場や航空機等では、天井や隔壁等に発生した振動に対して、音波やアクチュエータにより該振動を相殺する振動を与えて消失させる所謂能動的な遮音方法も開発されており、集合住宅等における遮音方法としても着目されている。一例として、図５に示すように、構造体１のコンクリートスラブ２の下方の所定位置に、コンクリートスラブ２の全面を覆うパネル９０が配設され、該パネル９０に振動センサ９１及びアクチュエータ９２が複数配設され、該振動センサ９１及びアクチュエータ９２が制御システム９３と接続されてなる能動型遮音システムがある。制御システム９３は、振動センサ９１の検出値に基づいて、パネル９０に伝達された振動を相殺するような振動をアクチュエータ９２に発生させる。このような能動型遮音システムによれば、落下物Ｍ等によりコンクリートスラブ２から発せられた音波は、空気中を伝達してパネル９０を振動させるが、該振動を振動センサ９１が検出し、該検出値に基づいて制御システム９３がアクチュエータ９２を駆動させて、前記振動を相殺するような振動を発生させるので、パネル９０に発生した前記振動は消失する。これにより、コンクリートスラブ２からの音波は、パネル９０下方の居住空間に対して遮音される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような能動的な遮音方法は、未だ、集合住宅等における遮音方法として広く普及していない。その理由の一つとして、遮音効果に対するコストが、一般住宅に適用される程度に低くなっていないことが考えられる。また、住宅の天井は、一般に一部屋当り十乃至数十平方メートル程度であるが、該天井全体に前記パネル９０を配設した場合に、天井からの音波により生ずるパネル９０全体の振動は非常に複雑である。即ち、パネル９０に発生する振動は全体に渡って均等なものではなく、音源を中心として拡散、減衰し、また、パネル９０の撓みや共振等も作用する。このような複雑な振動を的確に検出するためには、振動センサ９１を多数配設することが必要であり、該振動を相殺させるためにはアクチュエータ９２も多数配設することが必要となるが、振動センサ９１及びアクチュエータ９２の数が増加すればコストも増え、施工作業も煩雑となる。また、パネル９０の複雑な振動を解析して、各アクチュエータ９２に適切な振動を発生させるための制御も複雑であり、振動モデルの解析等、振動制御に必要な演算を正確且つ実時間で行うためには、制御システム９３にも高い性能及び信頼性が要求される。
【０００６】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、コストや易制御性に優れ、汎用性及び実用性の高い能動型遮音パネルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る能動型遮音パネルは、構造体から所定間隔を離間させて配設されるパネルと、該パネルの振動を検出する振動センサと、前記パネルと構造体間に介設されて該パネルを振動させるアクチュエータと、前記振動センサの検出信号に基づいて、前記パネルの振動を相殺又は減衰する振動を発生させるようにアクチュエータを制御する制御手段とを具備してなる能動型遮音パネルにおいて、当該能動型遮音パネルは、所定パネル面積単位でモジュール化されたものである。これにより、能動型遮音パネルの製造及び取付施工が定型化されて、汎用性及び実用性が向上されるとともにコストを低減することが可能となる。また、パネルの自由度が小さくなるので、モジュール単位の振動モデルが単純化され、制振のための制御が簡易となる。
【０００８】
また、前記所定パネル面積単位を０．１乃至２平方メートルとすることにより、制振のための制御が簡易となり、且つ本能動型遮音パネルの輸送や取り扱い等も簡便となるので好ましい。また、前記アクチュエータとして、バイモルフ素子や積層型圧電素子、ムービングコイル等を利用したアクチュエータを用いることが可能であるが、軽量性や保守性、信頼性を考慮すれば、バイモルフ素子を利用したバイモルフ型圧電アクチュエータが好適である。
なお、本発明において構造体とは、マンションやビル、戸建て住宅等の土地定着物に限られず、航空機や列車等の騒音を発生する動産的なものをも含む広い概念である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る能動型遮音パネルの構成を示す側面図であるが、図に示すように、本能動型遮音パネル１００は、矩形、薄板のパネル１０１と、パネル１０１の振動を検出する振動センサ１０２と、パネル１０１とコンクリートスラブ２間に介設されたバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３と、振動センサ１０２の検出信号に基づいてバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３を制御する制御システム１０４とを具備してなるものであって、所定面積単位でモジュール化されたものである。
【００１０】
前記パネル１０１は、縦横寸法が１ｍ×１ｍ、厚みが約０．５ｍｍの鋼板からなるものであり、コンクリートスラブ２の下方に所定間隔を離間させて配設されている。該所定間隔は、一般的な鉄筋コンクリート構造の集合住宅のスラブ厚が１５〜２０ｃｍ程度であることから１０ｃｍ以下が好適であり、５ｃｍ以下が特に好ましい。パネル１０１の素材としては、鋼板のように容易に撓まないもの、即ち剛性の高いものが好ましく、軽量であればなお好ましい。従って、鋼板の他に、アルミニウム板や合成樹脂板を用いることができ、剛性が不足する場合には、パネル１０１にエンボス加工を施したり、波板とすることで剛性を向上させてもよい。
【００１１】
前述したように、パネル１０１は１ｍ２単位とされているので、遮音すべきコンクリートスラブ２の面積に合せて本能動型遮音パネル１００を複数配設することとなる。従って、能動型遮音パネル１００の配設数を適宜変更することにより、種々の面積のコンクリートスラブ２に対応することが可能となる。パネル１０１の形状は矩形が好適であり、縦横の寸法は、汎用性や振動モード等を考慮して適宜設定される。また、パネル１０１の面積を小さくすれば、振動の制御が単純化され、取り扱いや輸送が簡便となる反面、あまりに小さいと、配設枚数が多くなって却って施工作業が煩雑となる。従って、パネル１０１の単位となる面積は、０．１〜２ｍ２が好適であり、略１ｍ２が最も好ましい。
【００１２】
前記振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３は、１枚のパネル１０１当り各５個配設されている。勿論、振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３の配設数を増減することが可能であるが、制御システム１０４の信頼性や簡便さを考慮すると、振動センサ１０２からの入力及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３への出力は少なくすることが好ましく、他方、パネル１０１の振動を正確に検出し、該振動を相殺又は減衰する振動を与えるためには、パネル１０１の各所に振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３を配設することが好ましい。これらを相互に勘案して、本実施の形態では、図２に示すように、単位面積が１ｍ２のパネル１０１に対して、その中央部Ｏと、該中央部Ｏと四隅とを結ぶ直線上にある周辺部Ｐとの５箇所に振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３を夫々配設している。
【００１３】
また、コンクリートスラブ２からの音波により生じたパネル１０１の振動（騒音振動）を相殺又は減衰する振動（制御振動）を、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３によりパネル１０１に与えてパネル１０１の騒音振動を消失させるには、振動センサ１０２の振動検出位置と、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３により振動発生位置とが略同位置であることが好ましい。
【００１４】
前記振動センサ１０２は所謂加速度センサであり、一方、前記バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３は、矩形板状のバイモルフ素子３０がコンクリートスラブ２とパネル１０１間に振動可能に介設されてなるものである。図３は、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３の詳細な構成を示す拡大側面図であるが、図に示すように、バイモルフ素子３０は、極性の異なる２枚の圧電素子３１、３２と、該圧電素子３１、３２の表面及びその間に夫々接合された電極板３３とからなるものであり、いわば、２枚の圧電素子３１、３２を３枚の電極板３３で挟み込むように積層されたものである。
【００１５】
なお、圧電素子３１、３２と電極板３３との接合方法は公知且つ任意の方法による。また、圧電素子３１、３２の素材としては、例えば、ジルコンチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やこれに金属酸化物等の添加物を配合して焼成した磁器の他、水晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の単結晶等、公知且つ任意の圧電性材料を用いることをができる。
【００１６】
また、前記バイモルフ素子３０の両端部には補強板３４が接合されている。該補強板３４は、バイモルフ素子３０の機械的強度を向上させるべく、特に曲げモーメントによる集中応力が発生する部位、即ち、バイモルフ素子３０が固定される両端部の各表面に夫々接合されており、これにより、パネル１０１の振動等によりバイモルフ素子３０の両端部に集中応力が作用する場合でも、バイモルフ素子３０の破損等を防止することができる。
【００１７】
なお、補強板３４の素材として、ポリエチレン等の合成樹脂や、アルミニウム、銅、銀、金、白金等の金属等、低剛性且つ高延性のものを用いることにより、前記集中応力に対してクラックが発生し難く、バイモルフ素子３０の機械的強度がより高くなるので好ましい。また、補強板３４と電極板３３との接合は、接着剤による接合やプラズマ接合等、公知且つ任意の方法により行うことができる。また、バイモルフ素子３０の表面全体に渡って補強板３４を接合するようにしてもよいが、バイモルフ素子３０の曲げ剛性が高められると単位電圧当りの曲げ変位が小さくなるので、本実施の形態のように、曲げモーメントによる集中応力が発生する部位の周辺にのみ補強板３４を接合することが好ましい。
【００１８】
このように構成されたバイモルフ素子３０は、スラブ側固定部材３５及びパネル側固定部材３６により固定されてコンクリートスラブ２及びパネル１０１間に介設されている。詳細には、スラブ側固定部材３５は、コンクリートスラブ２の下面に、コンクリート釘やタッピングビス等により固定されたものであり、その先端部において、補強板３４で補強されたバイモルフ素子３０の一端部を、バイモルフ素子３０の長手方向が略水平となるように挟持している。
【００１９】
一方、パネル側固定部材３６は、パネル１０１の上面にボルト等により固定されたものであり、その先端部には、挟持部３６ａが、水平方向の軸３６ｂにより回動可能に枢支されている。該挟持部３６ａは、補強板３４で補強されたバイモルフ素子３０の他端部を挟持しており、これにより、パネル１０１は、実質的にバイモルフ素子３０によりコンクリートスラブ２に吊り下げられた状態となっている。従って、バイモルフ素子３０に特定周波数の電圧が印加されることによりバイモルフ素子３０が振動し、該振動がパネル１０１へ伝達されるようになる。
【００２０】
なお、前述した構成によれば、コンクリートスラブ２からの音波によりパネル１０１が振動すれば、該振動がバイモルフ素子３０に伝達されることとなる。従って、該振動をバイモルフ素子３０により電気信号として検出することができるので、バイモルフ素子３０を振動センサとして機能させることも可能である。
【００２１】
前記制御システム１０４は、図１に示すように、各バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３に特定周波数の電圧を印加するアンプ４０と、前記振動センサ１０２の検出されたパネル１０１の振動（騒音振動）から、該騒音振動を相殺又は減衰する振動（制御振動）を求め、該制御振動をバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３に発生させるように前記アンプ４０を制御する制御部４１とを具備してなるものである。なお、アンプ４０は、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３に印加すべき電圧や周波数特性等を考慮して、最適なアンプを使用することができるが、低い電流値と低周波数領域の特性からインバータ型ＰＷＭ方式アンプが好適である。また、制御部４１には、コンピュータ等を用いる。
【００２２】
このように構成された能動型遮音パネル１００によれば、コンクリートスラブ２の振動から生じた音波は、パネル１０１の騒音振動として捕捉され、該騒音振動は振動センサ１０２により検出される。制御システム１０４は、振動センサ１０２の検出値に基づいて騒音振動を相殺又は減衰する振動を演算して、該制御振動をバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３に発生させる。これにより、制御振動がパネル１０１に伝達されて騒音振動を消失又は減衰させる。その結果、パネル１０１は、ほぼ無振動となって、能動型遮音パネル１００より下方の空間において遮音が実現される。
【００２３】
図４は、縦横が３ｍ×４ｍの面積のコンクリートスラブ２に１２個の能動型遮音パネル１００を配設した状態を模式的に示したものであるが、図に示すように、コンクリートスラブ２上、即ち階上で発生した衝撃音等は、コンクリートスラブ２の特定箇所Ｓを振動させ、階下へ向けては、該特定箇所Ｓから音波が放射的に拡散、減衰していく。ここで、従来のように、コンクリートスラブ２の全面に渡って１枚のパネルを配設した場合には、前記音波により該パネルに生ずる騒音振動は複雑なものとなり、該騒音振動の特性を実時間で解析することは困難であるが、本能動型遮音パネル１００は１ｍ２単位でモジュール化されており、各パネル１０１に生ずる騒音振動をパネル１０１単位で解析して制御振動を発生させるので、騒音振動のモデリング等が単純化されて制御システム１０４への負担が軽減する。また、振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３の配設数を低減でき、その結果、制御システム１０４への負担はさらに軽減される。また、能動型遮音パネル１００を１ｍ２単位でモジュール化することにより、遮音すべき種々の構造体に対して能動型遮音パネル１００を統一化することができ、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、アクチュエータとしてバイモルフ素子３０を用いたものを示したが、積層型圧電素子やムービングコイル等、電気的又は電磁気的に振動を発生させることが可能な他のアクチュエータで代替できることは勿論である。また、本実施の形態では、コンクリートスラブが居住空間の天井となるような場合を例に説明したが、本発明に係る機能型遮音パネルの利用はこれに限定されるものではなく、例えば、壁面等に設置しても効果を発揮させることが可能であり、また、オフィスビルや木造住宅、コンサート場、映画館、航空機、列車等にも利用可能である。
【００２５】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、能動型遮音パネルを所定パネル面積単位でモジュール化したので、能動型遮音パネルの配設数を適宜変更することにより、種々の構造体の遮音に使用することができ、また、リフォーム等、既設の集合住宅等に使用することも可能となり、汎用性及び実用性が向上される。また、パネル単位で振動を解析して消失又は減衰させるので、騒音振動の解析や制御振動の演算等が単純化され、その結果、振動センサ及びアクチュエータの配設数が低減され、制御手段の要求される性能も平易となって、能動型遮音パネルのコストダウンに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【符号の説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る能動型遮音パネル１００の構成を示す概略側面図である。
【図２】振動センサ１０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０３の配設位置を示す概略平面図である。
【図３】バイモルフ型圧電アクチュエータ１０３の詳細な構成を示す拡大側面図である。
【図４】能動型遮音パネル１００を複数配設した例を示す模式図である。
【図５】
従来の能動型遮音システムの構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１００　能動型遮音パネル
１０１　パネル
１０２　振動センサ
１０３　バイモルフ型圧電アクチュエータ（アクチュエータ）
１０４　制御システム（制御手段）
【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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