(57)【要約】【課題】  複合構造パネルを用いた能動型遮音パネルにおいて、遮音効果を向上させる手段を提供する。【解決手段】  本能動型遮音パネル１００は、内空に吸音材１１が充填されたハニカム形状のコア材１０の表裏に表皮材１２が夫々貼設されてなり、コンクリートスラブ１から所定間隔を離間させて配設された複合構造パネル１０１と、複合構造パネル１０１の振動を検出する振動センサ１０２と、複合構造パネル１０１とコンクリートスラブ１間に介設されて複合構造パネル１０１を振動させるバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４と、振動センサ１０２の検出信号に基づいて複合構造パネル１０１の振動を相殺又は減衰する振動を発生させるようにバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を制御する制御システム１０５とを具備するものである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内空に吸音材が充填されたハニカム形状のコア材の表裏に表皮材が夫々貼設されてなり、構造体から所定間隔を離間させて配設された複合構造パネルと、該複合構造パネルの振動を検出する振動センサと、前記複合構造パネルと構造体間に介設されて該複合構造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、前記複合構造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するものであることを特徴とする能動型遮音パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に配設される能動型遮音パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、集合住宅の居住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して伝達すると考えられる。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が、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、リフォーム等では採用し難い。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３００ヘルツ以下の低周波領域での遮音性能は十分とはいえない。
【０００３】
これに対し、本発明者らは、コンクリートスラブの振動から生じた騒音振動を検出し、該騒音振動を相殺又は減衰する振動をパネルに付与して、パネルを無振動とすることにより遮音する能動型遮音パネルを提案している（特許文献１，２参照）。該能動型遮音パネルは、図５に示すように、薄板のパネル９０１と、パネル９０１の振動を検出する振動センサ９０２と、パネル９０１とコンクリートスラブ９０３間に介設されたバイモルフ型圧電アクチュエータ９０４と、振動センサ９０２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９０４を制御する制御システム９０５とを具備してなるものである。このように構成された能動型遮音パネル９００では、コンクリートスラブ９０３の振動から生じた音波は、パネル９０１の騒音振動として捕捉され、該騒音振動は振動センサ９０２により検出される。パネル９０１の振動は、例えば、パネル９０１が平板状態のまま上下方向に振動する並進運動モード（図６（ａ））、パネル９０１のいずれかを軸線として平板状態のまま回動する回転運動モード（図６（ｂ））、パネル９０１がうねるように振動する柔軟曲げモード（図６（ｃ））がある。
【０００４】
制御システム９０５は、このようなパネル９０１の振動を複数の振動センサ９０２の検出値に基づいて判断し、各種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９０４に発生させる。バイモルフ型圧電アクチュエータ９０４の制御振動はパネル９０１へ伝達され、騒音振動と相殺されることにより、複合構造パネル１０１が無振動となる。これにより、能動型遮音パネル９００より下方の空間に対する遮音が実現される。
【０００５】
【特許文献１】特願２００２−１９７０７６号
【特許文献２】特願２００３−０９４２８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パネル９０１は軽量且つ強度の高いものが好適であるが、例えばプラスチックパネルは軽量ではあるが柔軟性もあるので、前述した柔軟曲げモードの振動が生じる。図７は、柔軟曲げモードの振動パターンの一例を等高線状に示したものであるが、このように振動の節が少ない低次の振動は、例えばパネル９０１の中央とその周囲の４箇所の計５箇所に配設した振動センサ９０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ９０４で制御することが可能である。
【０００７】
他方、パネル９０１として、図８に示すように、ハニカム形状のコア材９０６の両側に表皮材９０７を貼設した複合構造パネルが、軽量且つ強度の高いパネルとして検討されている。しかし、このような複合構造パネルは、パネル全体として前述したような各種振動が音波により発生する他に、図に示すように、コア材９０６のハニカム形状の単位空間毎に表皮９０７が振動する。このようなハニカム形状の単位空間毎の振動は、前述したような５箇所の振動センサ９０２及びバイモルフ型圧電アクチュエータ９０４で捕捉して制御することは不可能であり、該振動がパネル９０１の下方の空間に伝達されるため、遮音が完全でないという問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、複合構造パネルを用いた能動型遮音パネルにおいて、遮音効果を向上させる手段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】
【０００９】
本発明に係る能動型遮音パネルは、内空に吸音材が充填されたハニカム形状のコア材の表裏に表皮材が夫々貼設されてなり、構造体から所定間隔を離間させて配設された複合構造パネルと、該複合構造パネルの振動を検出する振動センサと、前記複合構造パネルと構造体間に介設されて該複合構造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、前記複合構造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するものである。
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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る能動型遮音パネルによれば、複合構造パネルのコア材の内空に吸音材が充填されたので、コア材の単位空間毎の振動が表皮材間で伝達されない。したがって、制御手段により、複合構造パネルがほぼ無振動となるようにアクチュエータを制御することにより、能動型遮音パネルの下方をほぼ完全に遮音できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、複合構造複合構造パネル１０１と、複合構造パネル１０１の振動を検出する振動センサ１０２と、ケーシング１０３に挟入されて複合構造パネル１０１とコンクリートスラブ（構造体）１間に介設されたバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４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１０４を制御する制御システム１０５とを具備してなるものである。
【００１２】
前記複合構造パネル１０１は、図２に示すように、ハニカム形状のコア材１０の内空に吸音材１１が充填され、該コア材１０の表裏に表皮材１２が夫々貼設されてなる平板状のものである。コア材１０は、難燃性の紙やプラスチック材等を貼り合わせ等によりハニカム形状に形成したものであり、ハニカム形状の単位空間は六角形が典型であるが、他の多角形状や円形等であってもよい。該コア材１０のハニカム形状の単位空間は、所望の強度及び重量となるように適宜大きさを設定すればよいが、概ね１，２ｃｍ程度の径とするのが好適である。吸音材１１は、グラスウールやロックウール、発砲ウレタン等の周知の吸音材を用いることができ、コア材１０のハニカム形状に合わせて変形可能な柔軟性を有するものが好適である。表皮材１２は、カーボンファイバやステンレスからなる薄膜状のものであり、コア材１０のハニカム形状の開口を塞ぐように張り付けられており、側面にも張り付けられている。このように複数の部材から構成された複合構造パネル１０１は、厚みが約５〜１０ｍｍ程度のものであって、コンクリートスラブ１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、１０ｃｍ以下が好適であり、５ｃｍ以下が特に好ましい。また、複合構造パネル１０１は、遮音すべきコンクリートスラブ１に対して適宜分割したものを複数配設することが好適である。例えば、複合構造パネル１０１の単位面積０．１〜２ｍ２程度の矩形のものとして、特に好ましくは０．８〜１．０ｍ２程度の正方形のものとすれば、配設数を適宜変更することにより、種々の面積及び形状のコンクリートスラブ１に対応することが可能となる。また、複合構造パネル１０１の面積を適度に小さくすれば、振動の制御が単純化され、取り扱いや輸送が簡便となる。
【００１３】
前記振動センサ１０２は所謂加速度センサである。複合構造パネル１０１の振動を正確に検出して該振動を相殺又は減衰する振動を与えるためには、図１に示すように複合構造パネル１０１の複数箇所に振動センサ１０２を配設することが好ましい。また、コンクリートスラブ１からの音波により生じた複合構造パネル１０１の振動（騒音振動）を相殺又は減衰する振動（制御振動）を、前記バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４により複合構造パネル１０１に与えて複合構造パネル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１０４による振動発生位置とが略同位置であることが好ましい。
【００１４】
前記バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４は、バイモルフ素子４０からなり、該バイモルフ素子４０は、図３に示すように、極性の異なる２枚の圧電素子４１，４２と、該圧電素子４１，４２の表面及びその間に夫々接合された電極板４３とからなるものであり、いわば、２枚の圧電素子４１，４２を３枚の電極板４３で挟み込むように積層されたものである。圧電素子４１，４２と電極板４３との接合方法はプラズマ接合等の公知且つ任意の方法による。また、圧電素子４１，４２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ができる。
【００１５】
前記ケーシング１０３は、図に示すように、前記バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を挟入するために上下に分離可能なケーシング本体１０３Ａ及び蓋体１０３Ｂからなるものである。該ケーシング本体１０３Ａには、コンクリートスラブ１と固着される固着部３０と複合構造パネル１０１と回動自在に接続される接続部３１が一体的に形成されており、また、蓋体１０３Ｂとともに補強振動部３２を構成するようになっている。
【００１６】
前記固着部３０は、ケーシング本体１０３Ａの一端側から、振動補強部３２により挟持されるバイモルフ型アクチュエータ１０４の面方向に対して略垂直となるように起立したものであり、該固着部３０の上端面がコンクリートスラブ１の表面と接して、コンクリート釘等の固着具により、振動補強部３２の長手方向を略水平としてコンクリートスラブ１に固定される。なお、固着部３０によりケーシング１０３をコンクリートスラブ１に固定する際には、必要に応じて下地材や内装部材等を固定部３０とコンクリートスラブ１との間に介在させてもよい。
【００１７】
前記接続部３１は、ケーシング本体１０３Ａの固着部３０と反対側の側端から略水平方向へ突出しものであり、支軸３３を介して複合構造パネル１０１が接続されることにより、複合構造パネル１０１は、ケーシング１０３に枢支されてコンクリートスラブ１から吊り下げられた状態となる。
【００１８】
前記補強振動部３２は、ケーシング本体１０３Ａの略中央に、前記バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を嵌装可能に形成されたものであり、ケーシング本体１０３Ａと蓋体１０３Ｂとで該バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を挟入することにより、振動方向に対するバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４の強度を補強し、且つバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４が振動した場合に該振動に従動して振動するものとなっている。
【００１９】
なお、ケーシング１０３の素材として、ポリエチレン等の合成樹脂や、マグネシウム、すず、アルミニウム、銅、銀等の金属等、低剛性且つ高延性のものを用いることにより、圧電素子４１，４２にクラックが発生し難く、機械的強度がより高くなるので好ましい。また、ケーシング本体１０３Ａ及び蓋体１０３Ｂとバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４の電極板４３との接合は、接着剤の他、プラズマ接合等の公知且つ任意の方法を採用することができる。また、補強振動部３２の厚みは、複合構造パネル１０１の騒音振動を相殺するに十分な制御振動が、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４の振動により補強振動部３２に生じ、且つバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を挟入した補強振動部３２が所望の強度となるように、ケーシング１０３の素材の剛性等を考慮して適宜設定する。
【００２０】
前記制御システム１０５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１０４に特定周波数帯域の電圧を印加するアンプ５０と、前記振動センサ１０２により検出された複合構造パネル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１０４に発生させるように前記アンプ５０を制御する制御部５１とを具備してなるものである。なお、アンプ５０は、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４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例えばインバータ型ＰＷＭ方式アンプが好適である。また、制御部５１には、コンピュータ等を用いる。
【００２１】
このように構成された能動型遮音パネル１００によれば、図４に示すように、コンクリートスラブ１の振動から生じた音波は、複合構造パネル１０１に到達することにより複合構造パネル１０１に騒音振動を発生させる。該騒音振動のうち、並進運動モードや回転運動モード、低次の柔軟曲げモードのように複合構造パネル１０１が一体として振動する騒音振動Ｖ１は、複合構造パネル１０１に適宜配設された複数の振動センサ１０２により検出される。制御システム１０５は、各振動センサ１０２の検出値に基づいて騒音振動Ｖ１のパターンや振幅等を算出して該騒音振動Ｖ１を相殺又は減衰する制御振動を演算し、該制御振動をバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４に発生させる。バイモルフ型圧電素子１０４に特定周波数の電圧が印加されることにより発生した制御振動に従動して、ケーシング１０３の補強振動部３２も振動し、該振動が接続部３１を介して複合構造パネル１０１へ伝達される。これにより、前述した複合構造パネル１０１の騒音振動Ｖ１を消失又は減衰させることができる。
【００２２】
一方、図に示すように、複合構造パネル１０１のコンクリートスラブ１側の表皮材１２Ａが、コア材１１の単位空間毎に振動する高次の騒音振動Ｖ２は、前記振動センサ１０２では捉えられないが、コア材１１の単位空間に充填された吸音材１２が、コンクリートスラブ１側の表皮材１２Ａから室内側の表皮材１２Ｂへ騒音振動Ｖ２が伝達されることを防ぐ。その結果、複合構造パネル１０１は、室内側では騒音振動Ｖ１，Ｖ２とも消失して無振動となり、該能動型遮音パネル１００より下方の室内空間において遮音が実現される。このように、軽量且つ強度が高い複合構造パネル１０１により、能動型遮音パネル１００を軽量且つ剛性の高いものとできる一方、従来の複合構造パネルの欠点であった高次の騒音振動Ｖ２の伝達を防止して、能動型遮音パネル１００による遮音を完全なものとすることができる。
【００２３】
なお、前述した構成によれば、コンクリートスラブ１からの音波により複合構造パネル１０１が振動すれば、該振動がバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４に伝達されることとなる。従って、該振動をバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４により電気信号として検出することができるので、バイモルフ型圧電アクチュエータ１０４を振動センサとして機能させることも可能である。
【００２４】
また、本実施の形態では、アクチュエータとしてバイモルフ型圧電アクチュエータを採用した例を説明したが、本発明に係るアクチュエータとして、例えばスピーカ等に用いられるムービングコイルのような他のアクチュエータを採用してもよい。また、本発明に係る能動型遮音パネルは居住空間の天井だけでなく、例えば、壁面等に設置しても効果を発揮でき、オフィスビルや木造住宅、コンサート場、映画館、航空機、列車等に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る能動型遮音パネル１００の概略構成を示す図である。
【図２】複合構造パネル１０１の構成を示す斜視図である。
【図３】ケーシング１０３及びバイモルフ型圧電アクチュエータ１０４の概略構成を示す正面図である。
【図４】複合構造パネル１０１の騒音振動を示す概略断面図である。
【図５】従来の能動型遮音パネルの概略構成を示す概略図である。
【図６】パネル９０１の振動モードを示す模式図である。
【図７】低次の柔軟曲げモードの振動パターンを示す模式図である。
【図８】複合構造パネルの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  コア材
１１  吸音材
１２  表皮材
１００  能動型遮音パネル
１０１  複合構造パネル
１０２  振動センサ
１０４  バイモルフ型圧電アクチュエータ
１０５  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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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