JP3027824B2 - 騒音及び振動防止用能動発泡プラスチック - Google Patents

騒音及び振動防止用能動発泡プラスチック

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、数層の埋込式湾曲PVDF（ポリふっ化ビニリ
デン）圧電材料を含む能動騒音及び振動消去発泡プラス
チックの生成に関する。
背景 低周波の音響及び振動を減衰させるために人は非常に
厚い何層もの発泡プラスチック減衰及び絶縁材料を必要
とする。本発明は発泡プラスチックの性質を変えるため
に種々のパターンで配置されたPVDFの埋込み層を持った
発泡プラスチックからなっている。PVDFは電子的に励振
される。
PVDFでの従来の仕事はチベルス（Tibbells）によって
なされて、米国特許第4,056,742号に図示されて説明さ
れた。チベルスはトランスデューサを作ることに関心を
持ち、PVDFのリップル付円筒セグメントシートを堅い枠
の上に置いた。目的はフィルムを有効に弾性的に安定さ
せて、高調波ひずみを打ち消すことである。
取付けた数層の発泡プラスチックによって音と振動を
減衰させることができる。しかし、成功は限られていた
ので、特に低周波の好ましくない騒音を減衰させるため
には絶縁物質の層を厚くすることになった。本発明にお
いて、音響吸収及び音響制御において音響放射を制御す
ると共に振動絶縁を制御するのに薄い層を使用できる。
本発明の主題の物質を形成する発泡プラスチックは埋込
式PVDF圧電材料の湾曲層を利用する。（PVDFは時変信号
で電気的に励振され、振動絶縁及び音響の放射と吸収に
関して発泡プラスチックの性質を適応させるのに用いら
れる。）湾曲PVDFは、まっすぐ又は平らなPVDFより面外
運動によく結合する。発泡プラスチックそれ自体はウレ
タンであるが別の同様な材料のものにすることができ
る。
総説 振動電圧をPVDFに加えると、その電圧はその材料に主
として面内でひずませる。PVDFを湾曲させることによっ
て面内運動が面外運動に結合する。したがって湾曲した
PVDFを発泡プラスチックに埋込むことによって発泡プラ
スチックの音響特性及び振動特性を改変できる。特に、
発泡プラスチックの低周波減衰特性を改良して発泡プラ
スチックをずっとコンパクトに作ることができる。発泡
プラスチック内のPVDFの形態を変えることによってPVDF
はまた発泡プラスチックが支持母材として働く分布スピ
ーカのように動作するようにさせることができる。
能動発泡プラスチック及び提案された分布PVDFアクチ
ュエータの可能な四つの用途が（ｉ）能動構造的放射と
防止、（ii）特殊音響効果のための分布スピーカ、（ii
i）能動音響反射防止、及び（iv）能動振動減衰と振動
絶縁である。能動発泡プラスチックの大きな塊を例えば
振動板などの振動構造体の表面に接着できる。次に能動
発泡プラスチックを励振して誤差平面内の板から放射さ
れた音響との間に180゜の位相角を有する音を発生でき
る。近場音響相互作用（又は消去）は遠場音圧を小さく
することになるであろう。分布PVDFアクチュエータ又は
能動発泡プラスチックの特殊分布スピーカとしての適用
は、発泡プラスチックの表面に取付けられたPVDFの非常
に大きな湾曲シートを壁に適用するか又はそれを非常に
薄いスピーカを作るように壁紙内に積層することによっ
て明かにされるであろう。分布PVDFアクチュエータの能
動音響反射防止における適用は、能動発泡プラスチック
で覆われた平坦な表面に入射する音波を考慮することに
よって例示できる。第１には、発泡プラスチックは、音
響反射を減らす傾向のあるずっと低い反射係数を持ち、
第２には能動発泡プラスチックの励振はほとんど又はま
ったく音響を反射しないようにする反射音波を打ち消す
音を発生する。能動発泡プラスチックは振動減衰または
絶縁のためにも使用できる。振動減衰の場合、能動発泡
プラスチックは構造的表面に取付けられて構造体の運動
を止めるように励振される。能動絶縁の場合、振動する
機械が能動発泡プラスチックのブロックに取付けられ
る。PVDFへの電気入力は機械から受振台への振動の伝達
を最小にするように制御装置によって調節される。
音響スピーカとしての湾曲PVDFアクチュエータからの
音響放射の特性を研究するために理論的及び実験的解析
が行われた。理論的解析から引き出された重要な結論は ・ PVDF音響アクチュエータの音響放射は、音響アク
チュエータの形状、すなわちアクチュエータの寸法、曲
率及びアクチュエータの厚さに従って与えられた電圧に
対してある周波数範囲で120dBもに高くすることができ
る。すなわち、PVDFアクチュエータは、かなりの音響を
放射できる。
・ PVDFは非常に柔軟なので、流体結合がPVDF音響ア
クチュエータを設計するのに重要な要因である。例え
ば、無限長のPVDFの円筒を考えると、円筒の半径を大き
くすると円筒の剛性が小さくなるので、円筒の音響放射
を決めるために流体の相互作用を考慮する必要がある。
しかし、曲率半径が10mm未満であれば、流体結合を可聴
周波数範囲内で考慮する必要はない。これはまた、能動
発泡プラスチックの動力学をモデル化すると、発泡プラ
スチックとPVDFの間の結合が考慮にいれられたことを意
味する。
PVDFアクチュエータから放射された音響を測定するた
めに実験的研究が行われた。その結果は、音源として湾
曲PVDFを使用できることを示めした。PVDFを湾曲させる
工程は、以下の通りである。のり又は同様の接着剤がま
ず取付け構造体に付けられる。PVDFの両端は構造体に取
付けられる。両端間の距離はいくつかの構造的湾曲が間
にあるかということと、これらの構造体の波の曲率に関
係する。一方のアクチュエータは、一つの湾曲を有し、
他方は二つ持っていてもよい。一つの湾曲を形成するに
は両端を支持構造体に単に貼り付けるだけでよい。二つ
の湾曲は、大きな湾曲の中心を構造体の表面に押し下げ
て、それを固定することによって形成できる。同様にし
て一つの大きな湾曲を二つの小さな湾曲に分けることに
よってもっと多くの湾曲を作ることができる。
実験から引き出された結論は、 ・ かなりの音響を湾曲PVDF音響アクチュエータから
放射できる。
・ 周波数応答は、波の数や波の曲率などのアクチュ
エータの形状に強く関係している。
・平らなPVDFは効率よく音響を放射しない。単純なPV
DFアクチュエータをプラスチック層で補強することはそ
れらの音響放射能力を著しく大きくする。
PVDFベースの能動発泡プラスチックのもっと改良され
た装置化を行うために発泡プラスチックの種々の曲率と
配置がまず上述のように決められる。次にPVDFは、PVDF
にマッチするのに適当な層と形に発泡プラスチックを切
断することによって発泡プラスチック内に埋められる。
次にPVDFは発泡プラスチックに接着され、次いで数層の
発泡プラスチックがPVDF/発泡プラスチック構成体を構
成するように再結合される。多層のPVDFが可能であり、
PVDFはまた制御アプローチ用のセンサとして使用でき
る。そのような形状において、発泡プラスチックはPVDF
をスピーカとして使用するための支持母材となるだけで
なく、PVDFを用いて発泡プラスチックの性質を積極的に
変えてそれの吸収及び絶縁特性を変えることができるよ
うにする。
したがって、有効な騒音及び振動減衰又は絶縁用発泡
プラスチックを提供することが本発明の目的である。
本発明のもう一つの目的は、遠場音圧に低減を生じさ
せる能動音響発泡プラスチックを提供することである。
本発明のそのほかの目的は振動絶縁手段としてPVDF埋
込式発泡プラスチックを用いることである。
本発明のそのほかの目的は、PVDF埋込式発泡プラスチ
ックを構造放射式スピーカとして用いることである。
本発明のもう一つの目的は、振動減衰のためにPVDFを
埋込んだ発泡プラスチックを用いることである。
もう一つの目的は湾曲した埋込式PVDFアクチュエータ
を備えた音響発泡プラスチックを提供することである。
本発明のそのほかの目的は能動音響反射防止に分布PV
DFアクチュエータを提供することである。
これら及びその他の目的は以下の添付図面を参照する
とき明かになる。
図１は、能動発泡プラスチックを備えた能動構造的音
響制御装置（ASAC）の切取り斜視図である。
図２は、ASACのための湾曲PVDFアクチュエータの形状
の最適化を示すグラフである。
図３は、連成及び非連成の音響解析の比較を示す音の
強さ対周波数のグラフプロットである。
図４は、湾曲PVDFあくチュエータを備えた水中ASACに
対する音の強さ対周波数のグラフである。
図５は、音圧対PVDF円筒からの距離のプロットであ
る。
図６は、音圧対電圧のプロットである。
図７は、種々の厚さのPVDFアクチュエータに対する音
の強さ対周波数のプロットである。
図８は、PVDFリングからの音量対周波数のプロットで
ある。
図９は、湾曲PVDF音響アクチュエータの場合の音量対
周波数のプロットである。
図10は、代表的能動発泡プラスチックの斜視図であ
る。
図11は、湾曲した埋込式圧電材料を有する発泡プラス
チックの断面図である。
図12は、本発明を含む発泡プラスチックの適用の側面
図である。
図13は、本発明に従って構成された能動発泡プラスチ
ックの周波数応答を決めて、能動反射制御におけるそれ
の重要性を調べるのに用いられる定常波管装置のブロッ
ク図である。
図14は、能動発泡プラスチックの周波数応答関数を示
すチャートである。
図15は、スピーカ表面として用いられる本発明のPVDF
付発泡プラスチックの線図である。
図16は、周波数振動ダンパとして用いられる本発明を
示している。
詳細な説明 能動音響減衰（ASA）とは、制御音響が被制御音響に
対して異相音圧を有する場合に一つの音がもう一つの音
を打ち消すのに用いられる技術をいう。ASAは、最初193
4年にリューク（Lueg）によって論じられ、その時以来
多くの研究者の注意を引いた。しかし、ASA研究の初め
のころは、それの成功は電子技術と利用できるハードウ
ェアによって制限された。1970年代の精密電子装置の開
発につれて、飛行機の胴体などの大規模構造体の能動構
造的音響制御（ASAC）がASAで可能になった。
従来のASA技術は、1934年にリュークによって提案さ
れた形式のようなスピーカを制御音源として利用してい
る。これらの制御スピーカの幾何学的形と大きさはASA
の制御威力に著しく影響を与える。例えば、振動してい
る構造体からの音は制御音源がその音の波長より小さ
く、約λ/3からλ/4の距離で構造体に近づけて置かれて
いるかぎり、遠場内の何処ででもある程度小さくするこ
とができる（ワーナカ（Warnaka）、1982年）。ASAはま
た音の周波数に敏感である、すなわち、制御スピーカ装
置が適応性を与えられなければ広帯域騒音制御を行うこ
とは困難である。従来のASAに関連したもう一つの問題
は、制御スピーカが離散化され、音響場内に「無音点」
を作り、総合遠隔場音響低域が非常に顕著にならない可
能性があることである。したがって、大音響場を制御す
るには多数のスピーカが必要である。これらの問題を考
慮して、湾曲した分布PVDFアクチュエータを発泡プラス
チックの中に埋込んだASAの新規な装置が本明細書にお
いて提案されている。
提案された能動発泡プラスチック10（制御音源として
用いられる）は、総括的に図１に示されている。PZTやP
VDFなどの誘起ひずみアクチュエータ11がそれらの断面
を横切る電圧を受けると、面内運動を発生する。この面
内運動は、アクチュエータを12のところにおけるように
湾曲させたとき、面外運動に変換できる。面外運動は、
発泡プラスチックを励振し、音をもっと効率的に放射さ
せる。本発明のアクチュエータ形状はこの特性を利用す
る。
提案された分布PVDFアクチュエータの４つの適用は、
（ｉ）能動構造的音響制御、（ii）特殊音響効果用の分
布スピーカ、（iii）能動音響反射制御及び（iv）能動
減衰防振装置である。大きなPVDF片を図１に示されてい
るもののような波形に湾曲させ、ウレタン発泡プラスチ
ック13に埋込み、次に、発泡プラスチックを例えば14の
ような振動板などの振動構造体の表面に貼付けできる。
次に、分布PVDFアクチュエータ11を励振して近場にある
板から放射される音との間に180゜の位相角を持つ音を
発生する。近場音響相互作用（又は打消し）は遠場音圧
の減少を生じさせる。分布PVDFアクチュエータの特殊分
布スピーカとしての適用は非常に大きい湾曲PVDFシート
を壁に貼るか又はそれを壁紙に積層して非常に大きなス
ピーカを作ることによって証明される。分布PVDFアクチ
ュエータの能動音響反射制御における適用は、湾曲PVDF
フィルムで覆われた平らな面に入射する音波を考えるこ
とによって例示できる。第１に、PVDFは音響反射を小さ
くする傾向のあるずっと低い構造インピーダンスを持
ち、第２に、湾曲PVDFの励振は、反射音波を打消しほと
んど又は全く音響反射を生じさせない音を発生し、これ
はまたワーナカ（1982年）によって電子音響吸収器と呼
ばれている。
ASAC適用面において利用され得る誘起ひずみアクチュ
エータにはPTZ、PVDF及び電歪アクチュエータがある。
これらすべてのアクチュエータの材料を用いて加えられ
た電圧の関数として面内運動を発生できる。次式は上述
のすべてのアクチュエータに対して成り立ち、発泡プラ
スチックに埋込むための湾曲PVDFの形を最適化するのに
用いることができる、 ここで、Ｖは、加えられた電圧、ｈは、アクチュエータ
の厚さ及びd31はアクチュエータのポーリング特性に関
する材料定数である。多くの論文がこれらの誘起ひずみ
アクチュエータについてペンウォールト（Pennwalt）社
（1989年）及びブキャナン（Buchanan）（1985年）など
によって発行された。
これらのアクチュエータの能動音響制御における現在
の適用は基本的には構造的アプローチである。PZTなど
のアクチュエータが構造体に取付けられるか又は、制御
励振源として合成体に埋込まれる。アクチュエータは外
部負荷によって生じた構造的振動を打消す振動を励振し
て、構造体の振動、したがって構造体からの総合音響放
射を全体として小さくする。PVDFは、現在、能動構造的
音響制御において動的センサ材料として用いられること
が多い。研究者によってはそれを能動構造的振動制御に
おけるPZTアクチュエータなどの構造的アクチュエータ
として用いている者がいる（アルバーツ（Alberts）と
コルビン（Colvin）、1991年）。しかし、PVDFは、現実
的構造体に一般的に焦点を合されたこわさを持った構造
体の構造的振動制御に用いられるために必要な構造的イ
ンピーダンスを持っていないと一般に考えられていた。
本明細書において論じられたPVDFアクチュエータは、空
気などの軽い流体と相互作用し、鋼板などの堅い固体と
は相互作用しないことをとくに述べておく必要がある。
最後に、PVDFは軽く、容易に湾曲させて構造体に取付け
ることができ、最も重要なことには、ある周波数範囲に
おいて大きな音量を放射できることを述べておく必要が
ある。
PVDFアクチュエータの最適化湾曲形状 長さＬの一片のPVDFが図２に示されているように曲げ
られ、長さ方向の全変形は±ΔＬである。±ΔＬに対応
するPVDFの変形した形はそれぞれ図２に示された曲線２
及び３である。音響的に最も効率の良い曲線は曲線２と
３によって閉じられた最大面積に対応するものであるこ
とが必要である。曲線２と３によって形成される面積は このとき であり、ここで、Ｒは曲線１（ｙ＝ｆ（ｘ））であり、 として表すことができる。
上式は、非常に非線形の振動方程式である。それらを
解くことは純粋に数学的である。
最も簡単な湾曲PVDFアクチュエータはリング又は円筒
である。そのような簡単なアクチュエータの形状の音響
放射の機構を研究することは、それが湾曲PVDFアクチュ
エータからどれだけの音を放射できるかなどの本質的問
題に答を与えるので、重要である。音圧分布はどうなっ
ているか及び流体結合がモデリングにおいて必要かどう
かである。これらの問題は以下のように取り扱われる。
PVDF円筒シェルのモデリング 円筒シェルのための運動方程式は、 によって与えられる。
面内力は、 によって与えられ、ここで、εinは式（１）から与えら
れるようなPVDFアクチュエータの誘起ひずみである。変
位に関して式（５）を書くと、 ここで、＝ρ（１−μ２）/E及び である。誘起ひずみは強制項として支配方程式に導入さ
れる。湾曲アクチュエータの動特性とそれらの誘起ひず
みに対する動応答を変数の分離を用いて解析できる（チ
モシンコ（Timoshenko）及びウォイノウスキー−クリー
ガ（Woinowsky−Krieger）、1959年）。
PVDF円筒シェルの定常状態応答は を仮定することによって解くことができ、次いで変位
ｕ、υ及びをω として表すことができる。単純支持境界条件の場合、以
下の仮定関数は自然境界条件及び幾何学的境界条件の両
方を満足する。
圧力及び誘起ひずみはまた として書くことができ、ここで、Dmn及びEmmは 及び によって与えられる。重み係数Amn、Bmn及びDmnを (｛Ｋ｝＋ｉω｛Ｉ｝−ω２｛Ｉ｝)｛Ｘ｝＝｛Ｆ｝ （14） から解くことができ、ここで ｛Ｘ｝＝｛AmnBmnCmn｝Ｔ （15） 及び ここで、｛Ｉ｝は単位行列であり、添え字‘T'は行列変
換を表す。
湾曲アクチュエータの固有値及び固有ベクトルを及
び｛Ｆ｝をゼロと仮定することによって方程式（14）か
ら解くことができる。一つのセット（m,n）に対応する
三つの固有値と固有ベクトルは、半径方向、軸方向及び
円周方向のモードの間に結合があるので、発見できる
（ユンガー（Yunnger）及びファイト、（Feit）、1986
年）。
流体結合された音響解析 PVDFは極めて柔軟（薄くて低剛性率）なので、流体結
合解析は音響媒体が空気であっても必要である。この場
合に、方程式（７）におけるｑは音響波動方程式から解
くことのできるアクチュエータに作用する音圧である。
我々の解析を簡単にするために、無限PVDF円筒を仮定す
る。軸方向の進行波は考えない。薄くて無限のPVDF円筒
の場合、支配方程式を として方程式（７）から簡単化できる。音波方程式は であり、ここでcfは流体内における音速である。
Φ＝Ψｅｉωｔ （20） とすることによって ▽ψ＋λ２Ψ＝０ （21） によって与えられるヘルムホルツ方程式を生じ、ここで である。
を仮定する。今度はヘルムホルツ方程式は として書かれる。基本解を として解くことができ、ここで、Jn（λτ）は、第１種
のベッセル関数であり、Hn（λτ）は第１種のハンケル
関数である。未知の積分係数Bn及びCnを である境界条件から求めることができる。無限長の円筒
の場合、半径方向の変位及び誘起ひずみは、軸方向進行
波を考慮しなければ、以下の形を持つと仮定できる。
及び 方程式（25）における積分係数は次に として決定できる。次に波動関数Ψを として決定できる。音圧を波動関数から 又は ｐ（τ）＝−ｉωρｆΨ （32） として導出でき、ここでρｆは乱されていない音媒体の
密度である。このとき内側及び外側音圧を として書いてもよい。PVDFに作用する音圧は、方程式
（33）から解いて方程式（18）に代入して を与える。方程式（34）によって与えられる変位係数
ｎを方程式（33）に逆に代入して音圧を計算する。上に
導出した式は表面に離散化したPZTパッチを取付けた円
筒などのように、統合誘導ひずみアクチュエータの付い
ている円筒の音響放射を計算する。構造体全体がここで
論じられているPVDFなどの誘起ひずみ材料で作られてい
れば、方程式（28）の第１項だけが零でない。これは第
１モード（均一な半径方向の膨張・収縮コード）だけを
励起できること、すなわちすべての加法の第１項だけが
零でないことを示している。したがって、PVDF円筒の半
径方向変位の振幅を として表すことができる。薄いPVDF円筒の共鳴周波数を として方程式（35）から求めることができる。いったん
音圧を方程式（33）から求めると、円筒の外側の粒子速
度（半径方向）を から解くことができる。時間平均音の強さを として定義し、ここで“conj"は共役複素数を表し、“R
e"は複素数の実数部を表している。次に音の強さを式
（39）として陽に表すことができる。
音の強さにおける変数は、PVDFに加えられた電圧、ア
クチュエータの半径と厚さ及び励振周波数である。
結果及び解析 本明細書においてモデル化されたPVDF円筒の材料特性
が表１に挙げられている。このPVDFは市販されている。
110Vの一定電圧がアクチュエータに加えられると仮定さ
れている。音の圧力又は強さは円筒から1mのところで測
定される。PVDF円筒の厚さは別に指定がなければ、110
μｍであると仮定されている。損失係数は0.018として
与えられる。減衰がＥ（１＋ｉ・tanδ）である複素引
張弾性係数を取ることによってモデルにおいて加えら
れ、一方、方程式（18）の減衰係数、Ｃ、は零であると
仮定する。
図３には音の強さが周波数の関数として示されてい
る。実線は流体負荷の影響を考慮した連成解析からのも
のである。破線は流体相互作用を考慮していない非連成
解析からのものである。PVDF円筒が方程式（36）によっ
て与えられる唯一の共鳴周波数を持っているので、解析
が非流体結合に基づいていれば、ただ一つのピークしか
見出すことができない。第１のPVDF円筒（半径＝0.02
m）の場合、それの共鳴周波数は、連成及び非連成解析
の両方から分かるように、約8.8kHzである。連成解析に
基づいて計算された第２及び第３のピーク（11kHz及び1
9kHzにある）は、明かに流体結合によっている。非連成
解析は、共鳴周波数の付近を除いて連成解析と非常に良
く一致する。模擬された第２のPVDF円筒は0.01mの半径
を持ち、それの共鳴周波数は約で17.5kHzである。非連
成解析からの結果は、共鳴周波数より下でよく合う。上
の解析から一つの重要な結論を引き出すことができる。
すなわち、湾曲したPVDFアクチュエータの曲率半径が0.
0088mより小さければ、可聴周波数範囲（20〜20,000H
z）においてアクチュエータとの相互作用を考える必要
がない。
このような装置の水中ASACにおける適用も研究されて
きて、模擬結果は図４に示されている。PVDF円筒に作用
する外部音圧は約13Paである。図６にはPVDFアクチュエ
ータから1mのところで測定された音の強さが加えられた
電圧の関数として示されている。PVDFの電気的インピー
ダンスが非常に高く見えてさえ、極めて高い電圧によっ
てアーキング及び抵抗加熱を生ずる可能性がある。
図７には同じ半径（0.02m）であるが異なる厚さの二
つのPVDF円筒の連成解析が示されている。PVDF円筒の厚
さを減らすことはそれらの共鳴周波数を変えない（方程
式（36）参照）。これは二つの曲線の第１のピークの周
波数が同じままである（それらの差は減衰と流体結合が
原因となっている）図７から分かる。しかし第２のピー
クの周波数は、PVDF円筒の構造インピーダンスが減る場
合、流体結合を大きくする結果として約1,000Hzだけ異
なる。共鳴周波数の周りを除いて、PVDF円筒の厚さは電
圧を変えるのとほとんど同じように円筒の音響挙動に影
響を与える（方程式（１）参照）。
湾曲PVDFアクチュエータの音源としての有効性を実証
するために実験を行った。0.16x0.02mPVDF片をリング
（半径＝0.025m）に曲げて小さなブラケットに吊るし
た。交流電圧をアクチュエータに加えた。音量をPVDFリ
ングから1mのところで周波数と加えられた電圧の関数と
して測定した。PVDFの厚さは28μｍである。この実験で
用いられたPVDF片はセンサとして用いられるために設計
され、誘起ひずみの量を小さくする傾向のあるプラスチ
ックシールドを持っていたことに注意されたい。しか
し、プラスチックシールドはリングのこわさを大きくす
ることができる。プラスチックシールドを適用すること
が湾曲PVDFアクチュエータの音響放射効率を減少するか
又は増加するかどうかを調べるためには詳細な解析を必
要とする。PVDFリングの断面を横切って加えられる開回
路電圧は100Vであった。周波数の関数としての音響レベ
ルは図８にプロットされている。第１の音響レベルのピ
ークは4kHzにおいて観測され、音響レベルは78dBであ
る。これはリングの共鳴周波数に対応する。第２のピー
クは12kHzにおいて起こり、第２のレベルは100dBもの高
さに達する。PVDFリングは，このような装置の適用を制
限する2,000Hz未満で応答しない。しかし、湾曲PVDFア
クチュエータの応答はアクチュエータの形状に大きく依
存している。例えば、リングの半径がそれの第１の共鳴
周波数が2,000Hzにあるように大きくすれば、PVDFリン
グの2,000Hz未満の周波数応答を改良できる。
センサ形PVDFには単純PVDFアクチュエータより音を放
射することにおいてずっと多くの威力のあることが分か
った。単純PVDFの厚さは約50μｍであり、一方、センサ
形PVDFの厚さはほんの約28μmdeである。センサ形PVDF
アクチュエータ用のプラスチック層の厚さは約86μｍで
ある（センサ形PVDFの全厚さは約200μｍである）。単
純PVDFアクチュエータに加えられたと同じ電圧におい
て、センサ形PVDFの誘起ひずみの量がプラスチック層に
拘束されて小さくなることがあるが、アクチュエータの
構造的インピーダンスが大きくなって音響放射量が増加
した。単純PVDFアクチュエータから放射される最大音は
（それの共鳴周波数及び100Vにおいて）約75dBである。
センサ形PVDFアクチュエータから放射される音は図９に
示されているように同じ電圧で105dBもの高さになる可
能性がある。
図10は柔軟な圧電材料51、52の多重層を埋め込まれた
能動発泡プラスチック50の一つの形状を示している。こ
のような発泡プラスチックは騒音減衰の目的に受動及び
能動絶縁体として使用できる。
図11はパネル60にのせて音の放射／吸収において用い
られている多重層の圧電材料61、62の断面図を示してい
る。反射又は放射された波63又は反射された波64を圧電
材料への電気入力を調節することによって制御できる。
圧電材料をトレッタ（Tretter）の米国特許第5,091,953
号に記載されているもののような適当な制御アルゴリズ
ムと併せてアクチュエータ又はセンサの両方として使用
できる。
図12は、圧電層72、73を中に備えた能動発泡プラスチ
ック71の上に取付けられた振動機械70を示している。こ
の組立体は柔軟な台74の上にある。伝えられる振動を圧
電材料に入る能動電気入力によって低減できる。圧電材
料はまた適当な制御アルゴリチズムと併せてアクチュエ
ータ又はセンサとしてのいずれかに使用できる。
能動発泡プラスチックの形のPVDF（音響的）アクチュ
エータを能動音響減衰技術において利用する可能性を調
査するために予備調査を行った。実験と理論的解析の両
方がPVDFアクチュエータの制御音源としての有効性を実
証している。連成音響解析は、湾曲PVDFアクチュエータ
の曲率半径が0.01mより大きい場合には流体結合解析
（可聴周波数範囲における）が必要であることを示して
いる。他の場合には非連成解析を適用できる。これは、
図１に示されたような複雑な形状の音響放射の理論的解
析を簡単にする。理論的モデルはまた分布PVDFアクチュ
エータをさらに調査するのに有用な道具となる。
図13は装置100の定常波管の概略図を示すブロック線
図である。PVDFフィルム101がウレタン発泡プラスチッ
ク構造体102の中に種々の形と寸法で埋込まれている。P
VDFの形は正弦波、方形波及び多重層形状を含んでい
る。定常波管104は能動合成発泡プラスチックの音響吸
収を評価するのに用いられる。入射波及び反射波は二つ
のマイクロホン105とアナログ波分解回路106を用いて測
定される。フィルタド−xLMS適応アルゴリズムがコンピ
ュータ107を介して反射波成分の調波制御を達成する。
Ｂ＆Ｋアナライザ108が回路109を介して増幅された回路
106からの信号を検査する。PVDFの制御が低域フィルタ1
10を通過してPVDF101を励振する前に111において増幅さ
れるコンピュータ107からの信号によって達成される。
種々の試験の結果が制御された反射波及び制御されない
反射波の強さを含む能動発泡プラスチックの周波数応答
関数を示す図14に示されている。周波数が高い方が制御
が大きくなっていることに注意されたい。反射騒音の低
減は音響学の多くの領域に対して重要である。PVDFフィ
ルムなどの新しい材料の反射音の能動制御における用途
を捜すことが望まれている。ウレタン発泡プラスチック
が埋込まれたPVDFフィルムで構成された合成体が受動的
技術が限られている低周波においてさえ有効な減衰装置
となる。結果は従来の発泡プラスチックよりずっと高い
音の吸収を示している。この音の低減は非常に薄いフィ
ルムの材料で達成できる。
図15は支持構造体132の上に取付けられた発泡プラス
チック131によって支持されたPVDFフィルム130を持った
拡声器として用いられている本発明を示している。この
形状においてPVDFフィルムの励振がフィルムにスピーカ
として作用させ133におけるように音を放射させる。
図16は壁142に取付けられたビーム141の振動たわみを
制御するために用いられている本発明を示している。通
常は、部材における振動がビーム141において143に示さ
れているようなたわみを生ずる。１本の能動発泡プラス
チック144をビームの長さに沿って置くことによって143
におけるたわみを能動減衰を介して最小にできる。発泡
プラスチック144には１層のPVDF145が埋込まれている。
上の各例は発泡プラスチックを横運動を能動的に作っ
て制御するために使用できる。これらの属性は図12にお
けるような能動絶縁戦略を作るために利用できる。発泡
プラスチックはまた制御入力を適当に調節することによ
って能動減衰を作るために同様に使用できる。
本発明を多数の好ましい実施例に関して説明したが、
当業者は本発明が添付請求の範囲の精神と範囲内で変更
して実施できることを理解するであろう。
フロントページの続き (72)発明者 ロジャーズ、クレイグ エー アメリカ合衆国バージニア州24060 ブ ラックスバーグ ホイット ストリート 1509 (72)発明者 リアン、チェン アメリカ合衆国バージニア州24060 ブ ラックスバーグ ゴルフビュー ドライ ブ 1105 (56)参考文献 特開 平６−12081（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−293342（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−103626（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10K 11/162 - 11/168 G10K 11/178 H04R 17/00

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】能動発泡プラスチック装置であって、前記
    装置が 所定の幅と長さを有する第１の発泡プラスチック部材
    と、 所定の幅と長さを有する第２の発泡プラスチック部材
    と、 所定の幅と長さを有し、少なくとも１つの軸方向に沿っ
    て正弦波形の複数の交番凹凸湾曲隣接セクションを有
    し、音を生成できるアクチュエータ手段とを備え、 前記アクチュエータ手段は前記第１の発泡プラスチック
    部材の底面と第２の発泡プラスチック部材の上面の間に
    埋め込まれており、前記アクチュエータ手段に電圧を加
    えると、前記複数の交番凹凸湾曲隣接セクションは、位
    相外れで動き、前記第１の発泡プラスチック部材と前記
    第２の発泡プラスチック部材の上面は前記アクチュエー
    タ手段のものと同じ正弦波形を有し、 前記発泡プラスチック部材は音響的及び振動的特性を有
    し、前記アクチュエータ手段は、電気的に付勢される
    と、振動して面外外部運動に結合し、前記発泡プラスチ
    ック部材の音響的及び振動的特性を変更し、 第１及び第２の発泡プラスチック部材の所定の幅と長さ
    は、前記アクチュエータの幅と長さにほぼ等しいことを
    特徴とする振動絶縁、音の吸収又は音の放射を行う能動
    発泡プラスチック装置。
  2. 【請求項２】前記アクチュエータ手段の湾曲セクション
    が電気的に付勢されると、音を放射して前記発泡プラス
    チック部材に音を放射させる請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記アクチュエータ手段がPVDFアクチュエ
    ータである請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記アクチュエータ手段がPZT又はPVDFな
    どの誘起ひずみアクチュエータである請求項１に記載の
    装置。
  5. 【請求項５】前記能動発泡プラスチック装置の近場内の
    不当な騒音又は振動との近場音響相互作用が遠場音響圧
    力に減少を生じさせる請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記アクチュエータ手段が複数の分布スピ
    ーカからなる請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記アクチュエータ手段は前記第２の発泡
    プラスチック部材が取付けられる音響放射機械の構造イ
    ンピーダンスより低い構造インピーダンスを持っている
    請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記アクチュエータ手段が前記アクチュエ
    ータ手段の断面を横切る電圧を受けるとき面外運動を発
    生する請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】前記埋込まれたアクチュエータ手段が前記
    アクチュエータ手段の断面を横切る所定の電気入力に対
    する横変位を強めるような具合に湾曲している請求項１
    に記載の装置。
  10. 【請求項１０】所望の音を生じさせる能動スピーカ装置
    であり、前記装置が 一方の側が平らで他方の側が正弦波形の第１の波形に構
    成されている第１の発泡プラスチック層と、 前記第１の発泡プラスチック層の前記第１の波形に一致
    する正弦波形の第２の波形に成形されている底面とほぼ
    平らな上面とを有する第２の発泡プラスチック層と、 前記第１の発泡プラスチック層の上面と前記第２の発泡
    プラスチック層の底面の間に埋め込まれ、前記第１の波
    形及び前記第２の波形に一致する正弦波形の第３の波形
    を有し、振動を生ずるように電気的に励振される能動フ
    ィルム手段と、 前記能動フィルム手段の面内運動を制限する前記第１の
    発泡プラスチック層のほぼ平らな底面に係合する支持手
    段と を備えることを特徴とする所望の音を作る能動スピーカ
    装置。
  11. 【請求項１１】前記能動フィルム手段がPVDFフィルムで
    ある請求項10に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記発泡プラスチック層がウレタンで作
    られている請求項10に記載の装置。
  13. 【請求項１３】振動絶縁を生じさせる能動装置であり、
    前記装置が 正弦波形に成形された上面及び底面を有する所定の長さ
    の第１の発泡プラスチック層と、 上面及び正弦波形に成形された底面を有する所定の長さ
    の第２の発泡プラスチック層と、 前記第１の発泡プラスチック層の正弦波形に成形された
    上面と前記第２の発泡プラスチック層の正弦波形に成形
    された下面の間に埋め込まれた複数の交番凹凸湾曲隣接
    セクションを備える音を発生できる正弦波形に成形され
    た能動フィルム手段と、 前記能動フィルム手段に作動可能に接続された電気的制
    御手段と を備え、 前記能動フィルム手段が電気的に励振されると、凸湾曲
    セクションに前記複数の交番凹凸湾曲隣接セクションの
    隣接凹湾曲セクションに対して横方向に位相の外れた運
    動をさせるように電圧を正弦波形の能動フィルム手段に
    加えることによって前記正弦波形能動フィルム手段の軸
    線に対して横方向に面外運動を生じさせ、この場合に、
    前記第１の発泡プラスチック層の上面の正弦波形及び前
    記第２の発泡プラスチック層の下面の正弦波形は、前記
    能動フィルム手段の正弦波形と一致しており、 前記装置が振動構造体にしっかり固定され、前記制御手
    段の作用によって前記振動構造体の振動を減衰させるこ
    とを特徴とする 振動絶縁を生じさせる能動装置。
  14. 【請求項１４】前記発泡プラスチックがウレタンである
    請求項13に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記フィルムがPVDFである請求項13に記
    載の装置。
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