(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される振動に対して共振する振動体と、
前記振動体の外周側を連続する長繊維の炭素繊維で周回する繊維部を含み、前記振動体を内側に収容する容器部材と、
前記振動体と前記容器部材との間に設けられ、前記振動体を振動可能に前記容器部材に支持する支持部と、
を備える音響メタマテリアル。
【請求項２】
前記振動体と前記容器部材との間に設けられ、前記容器部材の内側において前記振動体を収容する内筒部材をさらに、備え、
前記支持部は、前記内筒部材と前記容器部材との間に設けられている請求項１記載の音響メタマテリアル。
【請求項３】
前記内筒部材は、前記振動体の外周側を連続する長繊維の炭素繊維で周回する内側繊維部を含む請求項２記載の音響メタマテリアル。
【請求項４】
前記容器部材、前記支持部および前記内筒部材は、短繊維の炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックで継ぎ目なく一体に形成されている請求項２または３記載の音響メタマテリアル。
【請求項５】
２つ以上連結された請求項１から４のいずれか一項記載の音響メタマテリアルを備え、
隣り合う２つ以上の前記音響メタマテリアルは、任意に選択した一つの前記音響メタマテリアルにおいて前記振動体を周回する前記繊維部を仮想的に延長した延長線上に、隣り合う他の前記音響メタマテリアルの前記繊維部が位置している振動減衰装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自然界に存在し得ない性質を有する材料はメタマテリアルとして研究が進められている。音響メタマテリアルは、このようなメタマテリアルのうち、伝搬する音波や振動を制御するものである。音響メタマテリアルは、その特性を制御することによって、特定の周波数を吸収したり、伝搬する音波や振動を減衰したりすることができる。
例えば特許文献１の場合、繊維強化複合材料（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）に含まれる繊維は、振動を減衰することに着目し、その配置を規則化することを提案している。また、特許文献２の場合、ＦＲＰを構成する樹脂、繊維、空隙の比率を特定することにより、剛性および軽量化を維持しつつ音響特性の向上を図っている。
【０００３】
しかしながら、これら特許文献に開示されている発明は、いずれもＦＲＰに含まれる繊維によって音波および振動の制御することを開示しているにすぎない。すなわち、特許文献に開示されている発明は、いずれもＦＲＰに含まれる繊維の配置や形状について考察されていない。そのため、これらの特許文献の場合、車両や船舶といった大型かつ重量の大きな機器における音波や振動の制御には強度が不十分であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−２８４１９８号公報
【特許文献２】特開２０１７−１２０４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、強度が高く、音波または振動の周波数の制御が容易な音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置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】
【０００６】
上記の課題を解決するために一実施形態の音響メタマテリアルは、振動体を備えている。振動体は、入力される音波または振動に共振し、音波または振動を減衰する。入力される音波または振動の周波数に応じて共振する振動体を変更することにより、減衰の対象となる音波または振動の周波数は容易に制御される。また、振動体を収容する容器部材は、振動体の外周側を周回する繊維部を含んでいる。この繊維部は、連続する長繊維の炭素繊維によって構成されている。これにより、容器部材は、振動体の外周側において周方向で繊維部によって補強される。すなわち、周方向へ周回する長繊維の炭素繊維は、不規則に混入される繊維と比較して容器部材の強度の向上に寄与する。そのため、容器部材に繊維部を設けることにより、容器部材は繊維部に沿って入力される荷重に対する強度が向上する。したがって、強度を高めることができ、減衰する音波または振動の周波数を容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による音響メタマテリアルの平面視を示す模式図
【図２】図１のII−II線における断面図
【図３】図２のIII−III線における断面図
【図４】一実施形態による音響メタマテリアルを示す模式的な斜視図
【図５】一実施形態による音響メタマテリアルを連結した振動減衰装置の平面視を示す模式図
【図６】一実施形態による振動減衰装置における入力する周波数と伝達量との関係を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一実施形態による音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置を図面に基づいて説明する。
図１〜図４に示すように一実施形態による音響メタマテリアル１０は、振動体１１、容器部材１２、支持部１３、および内筒部材１４を備えている。振動体１１は、これを形成する材料の固有振動数に応じて入力される振動に共振する。振動体１１は、例えば金属をはじめとして、セラミックスなどの無機化合物や樹脂などの有機化合物など減衰を求める音波や振動の周波数に応じて任意に選択することができる。また、振動体１１は、図１〜図４に示す一実施形態のように円柱状に限らず、例えば多角柱形状、球状など任意の形状とすることができる。
【０００９】
容器部材１２は、振動体１１の外周側に設けられている。容器部材１２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）で形成されている。容器部材１２は、図１〜図３に示すように繊維部１５を有しており、この繊維部１５を除く部分が短繊維の炭素繊維を含むＣＦＲＰで形成されている。短繊維を含むＣＦＲＰは、例えばＯｎｙｘと称されている。容器部材１２は、繊維部１５を含んでおり、振動体１１の外周側を覆うことにより内側に振動体１１を収容する。繊維部１５は、振動体１１の外周側を連続して周回する長繊維の炭素繊維で構成されている。容器部材１２を図１〜図３に示すような平面視で矩形状に形成する場合、繊維部１５は、振動体１１の外周側を容器部材１２の外縁の近傍に沿って連続して包囲している。すなわち、容器部材１２は、容器部材１２の形状を構成する短繊維のＣＦＲＰの構造体に、振動体１１を包囲しつつ外縁に沿って連続する長繊維のＣＦＲＰからなる繊維部１５を含んでいる。
【００１０】
支持部１３は、振動体１１と容器部材１２との間に設けられている。支持部１３は、振動体１１を振動可能に容器部材１２に支持している。支持部１３は、容器部材１２から内側の振動体１１に向けて径方向へ突出している。支持部１３は、径方向において、一方の端部である外周側が容器部材１２に接続し、他方の端部である内周側に振動体１１を支持している。
【００１１】
一実施形態の場合、音響メタマテリアル１０は、内筒部材１４を備えている。内筒部材１４は、振動体１１と容器部材１２との間に設けられており、容器部材１２の内側つまり内周側において振動体１１を収容している。これにより、支持部１３は、容器部材１２と内筒部材１４との間に設けられている。すなわち、一実施形態の場合、振動体１１は、支持部１３によって直接支持されているのではなく、内筒部材１４を挟んで支持部１３によって支持されている。これにより、支持部１３は、径方向において、一方の端部である外周側が容器部材１２に接続し、他方の端部である内周側が内筒部材１４に接続している。
【００１２】
また、内筒部材１４は、図１〜図３に示すように内側繊維部１６を有しており、この内側繊維部１６を除く部分が短繊維の炭素繊維を含むＣＦＲＰで形成されている。内筒部材１４は、内側繊維部１６を含んでおり、内周側に振動体１１が設けられる。内側繊維部１６は、振動体１１の外周側を連続して周回する長繊維の炭素繊維で構成されている。内筒部材１４を図１〜図４に示すような平面視で円筒形状に形成する場合、内側繊維部１６は、内筒部材１４の周方向へ連続して包囲している。すなわち、内筒部材１４は、内筒部材１４の形状を構成する短繊維のＣＦＲＰの構造体に、振動体１１を包囲しつつ振動の周方向へ連続する長繊維のＣＦＲＰからなる内側繊維部１６を含んでいる。なお、音響メタマテリアル１０は、内筒部材１４に内側繊維部１６を設けなくてもよい。この場合、内筒部材１４は、短繊維を含むＣＦＲＰで全体が形成される。
【００１３】
支持部１３は、図１〜図４に示す一実施形態のように放射状に限らず、周方向へ連続する円環板形状など、任意の形状とすることができる。支持部１３は、放射状とする場合、１本以上であれば任意の本数とすることができる。また、支持部１３は、音響メタマテリアル１０の軸方向において、内筒部材１４の全長にわたって連続する板状に形成してもよく、任意の位置に設けられる棒状に形成してもよい。この場合も、支持部１３は、軸方向へ１本以上であれば任意の本数とすることができる。支持部１３の形状、本数および位置などは、減衰する音波や振動の周波数に応じて任意に設定される。
【００１４】
一実施形態の音響メタマテリアル１０では、これら繊維部１５を含む容器部材１２、支持部１３、および内側繊維部１６を含む内筒部材１４は、短繊維を含むＣＦＲＰによって継ぎ目なく一体に形成されている。すなわち、音響メタマテリアル１０は、例えば３Ｄプリンタなどを用いることによって、容器部材１２、支持部１３および内筒部材１４がＣＦＲＰによって一体に形成されている。そして、この一体に形成された音響メタマテリアル１０は、容器部材１２に長繊維のＣＦＲＰからなる繊維部１５、および内筒部材１４に長繊維のＣＦＲＰからなる内側繊維部１６を有している。
【００１５】
図５に示すように振動減衰装置２０は、上述の音響メタマテリアル１０を２つ以上連結して構成されている。この場合、振動減衰装置２０は、隣り合う音響メタマテリアル１０の繊維部１５が互いに仮想的に延長した延長線上に位置するように配置されている。すなわち、図５に示すように２つ以上の音響メタマテリアル１０が隣り合って配置されているとする。このとき、任意に選択した一つの音響メタマテリアル１０において振動体１１を周回する繊維部１５を仮想的に延長した延長線上に、隣り合う他の音響メタマテリアル１０の繊維部１５が位置している。その結果、２つ以上の音響メタマテリアル１０は、隣り合う繊維部１５が仮想的な同一の直線上に位置している。このように、隣り合う繊維部１５が同一の直線上に位置するように音響メタマテリアル１０を連結することにより、連結された音響メタマテリアル１０から構成される振動減衰装置２０は、図５の直線Ｘに示すようにこの仮想的な直線Ｘ方向における強度が増大する。すなわち、仮想的な直線Ｘ方向へ長繊維の繊維部１５が直列的に配置され、直線Ｘに沿った圧縮方向の強度が高められる。これにより、連結した音響メタマテリアル１０から構成される振動減衰装置２０は、この仮想的な直線Ｘ方向で重量物など加わる荷重が大きな物を支持することができる。
【００１６】
次に、上記の構成による音響メタマテリアル１０および振動減衰装置２０の製造方法の一例について説明する。
音響メタマテリアル１０は、ＦＤＭ方式の３Ｄプリンタによって形成される。具体的には、音響メタマテリアル１０は、長繊維の炭素繊維からなる繊維部１５、繊維部１５を除く容器部材１２、支持部１３、長繊維の炭素繊維からなる内側繊維部１６、および内側繊維部１６を除く内筒部材１４が３Ｄプリンタによって継ぎ目なく一体的に形成される。このとき、繊維部１５を除く容器部材１２、支持部１３、および内側繊維部１６を除く内筒部材１４は、短繊維の炭素繊維を含むＣＦＲＰで一体的に形成される。
【００１７】
一体的に形成された音響メタマテリアル１０は、内筒部材１４の内周側に振動体１１が取り付けられる。振動体１１は、内筒部材１４の内側に圧入や挿入などによって取り付けられる。使用する３Ｄプリンタによっては、予め設けた振動体１１をインサートして、振動体１１の周囲に音響メタマテリアル１０の構造部分を形成する構成としてもよい。
【００１８】
また、振動減衰装置２０は、３Ｄプリンタによって形成された音響メタマテリアル１０を接着などによって連結してもよく、３Ｄプリンタによって任意の個数を連結した状態で一体的に形成してもよい。
【００１９】
次に、一実施形態による音響メタマテリアル１０を用いた振動減衰装置２０の実施例および実験結果を説明する。
実施例では、図５に示すように５つの音響メタマテリアル１０を一体的に連結した振動減衰装置２０を用いた。音響メタマテリアル１０および振動減衰装置２０は、Markforged社製のMark Two ３Ｄプリンタを用いて作成した。振動減衰装置２０は、３Ｄプリンタによって５つの音響メタマテリアル１０を連結した状態で形成した。音響メタマテリアル１０の一辺の長さは３７ｍｍに設定し、これを５つ連結した振動減衰装置２０の長手方向の全長は１８５ｍｍとした。
【００２０】
得られた振動減衰装置２０は、入力した振動に対して出力される振動の減衰量（ｄＢ）で振動減衰能力を評価した。すなわち、振動減衰装置２０は、長手方向である直線Ｘ方向の一方の端部から特定の振動数の振動を入力振動として入力する。そして、この入力振動に対して、他方の端部から出力される振動を出力振動として測定した。周波数を変化させながら、入力振動に対する出力振動の減衰量を測定した。この結果、図６に示すように、用いた振動減衰装置２０は、４０００Ｈｚ付近において顕著な振動の減衰を示した。このように、振動体１１および音響メタマテリアル１０の構造を適宜設定することにより、任意の周波数における出力振動を低減することができる。
【００２１】
以上説明した一実施形態では、音響メタマテリアル１０は、振動体１１を備えている。振動体１１は、入力される音波または振動に共振し、音波または振動を減衰する。入力される音波または振動の周波数に応じて共振する振動体１１を変更することにより、減衰の対象となる音波または振動の周波数は容易に制御される。また、振動体１１を収容する容器部材１２は、振動体１１の外周側を周回する繊維部１５を含んでいる。この繊維部１５は、連続する長繊維の炭素繊維によって構成されている。これにより、容器部材１２は、振動体１１の外周側を周方向で繊維部１５によって補強する。すなわち、長繊維の炭素繊維は、不規則に混入される短繊維の繊維と比較して容器部材１２の強度の向上に寄与する。そのため、容器部材１２に繊維部１５を設けることにより、容器部材１２は繊維部１５に沿って入力される荷重に対する強度が向上する。したがって、強度を高めることができ、減衰する音波または振動の周波数を容易に制御することができる。
【００２２】
また、一実施形態の振動減衰装置２０は、音響メタマテリアル１０が２つ以上連結されている。そして、この音響メタマテリアル１０の連結方向は、音響メタマテリアル１０に含まれる繊維部１５の周回方向に応じて設定されている。そのため、音響メタマテリアル１０が複数連結された振動減衰装置２０は、繊維部１５によって一定の方向の強度が高められる。したがって、例えば車両や船舶といった輸送用機器、およびこれに用いられる内燃機関などの重量の大きな構造物を支持しつつ、音波や振動の減衰を図ることができる。
【００２３】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００２４】
図面中、１０は音響メタマテリアル、１１は振動体、１２は容器部材、１３は支持部、１４は内筒部材、１５は繊維部、１６は内側繊維部、２０は振動減衰装置を示す。
【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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