JP4227618B2 - 遮音構造体とこれを適用した構造物 - Google Patents

Description

本発明は、弾性反発力により音を遮断する遮音構造体とこれを適用した構造物に関する。

単層壁の遮音性能は、質量が大きいほど向上する。そのため、音の遮断にはコンクリート壁、ブロック壁、煉瓦壁、鉛、鉄板など質量の大きな材料が用いられる。壁の遮音性能を示す指標として音響透過損失が用いられる。単層壁に、音が壁面に対して垂直に入射したときの単層壁の音響透過損失ＴＬは次に示す式（１）で表される。

ここで、ωは角周波数、ρ₀は空気の密度、ｃ₀は空気の音速、ｒは壁の厚み方向の粘性抵抗、ｍは壁の質量、Ｙは壁の厚み方向の弾性率である。
図１６に式(１)より求めた音響透過損失ＴＬを対数周波数に対して示す。ここで、ｆrは次の式（２）に示す壁の厚み方向の共振周波数である。

音響透過損失ＴＬは、共振周波数ｆrより高周波数側で６ｄＢ/octで周波数に比例する。この領域は、式（１）の質量を含む項に起因し、質量則と言われる。一方、共振周波数ｆrより低周波数側では音響透過損失ＴＬは−６ｄＢ/octで周波数に反比例する。この領域は、式（１）の弾性率を含む項に起因し、一般にスティフネス制御といわれる。

従来の手法では、共振周波数ｆrは低周波領域に設けられている。そのため、可聴域での遮音壁の遮音性能は質量則に依存するので、壁の遮音性能は低周波音になるにつれて劣化する。厚み（面密度）を増すことによって遮音性能を上げることはできるが、２倍にしたところで音響透過損失の増加は高々６ｄＢである。また、面密度の小さな膜や板は遮音性能を殆ど有しないとされる。一方、原理的には、共振周波数ｆrより低周波の音に対しては、壁の弾性の作用によって遮音することができる。

このように、従来用いられる遮音方法の問題点として、低周波音になるにつれて遮音性能が劣化すること、遮音性能が面密度に依存し、集合住宅、交通機関などでは遮音対策を施すには限界が生じることが指摘されている。
スティフネス制御を利用した遮音方法は、質量によらないので、これまで十分に遮音対策を施せなかった場所に遮音対策を施すことが可能なだけでなく、低周波音に対する遮音が期待される。しかしながら、スティフネス制御を利用した遮音・吸音構造体は未だ実用化されていない。

そこで、スティフネス制御を視野に入れた遮音・吸音構造体として、枠体の両面に設けられた表面材とこれらの表面材の内側に充填された吸音材とからなり、透過損失周波数特性におけるスティフネス領域が、表面材の面密度と表面材の間隔で決まる共鳴透過周波数よりも高い周波数まで達するように表面材の剛性を大きくするため表面材を曲面状にした遮音構造体及び遮音吸音複合構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、枠体の両側に取り付けられた表面材とこれらの表面材の間に充填された吸音材とから構成され、枠体と表面材とで囲まれた空間を加圧または減圧することによって表面材を湾曲させ、剛性を高めると共に表面材の振動を抑えることにより、共鳴透過による遮音欠損を防ぐようにした遮音構造体が知られている（例えば、特許文献２参照）。

更に、外周部が固定され圧電性を有する圧電性物質と、この圧電性物質の両対面に設けた一対の電極と、この電極間を接続する負性容量回路とを備え、圧電性物質は湾曲した平板状であり、かつ負性容量回路の電気的特性が可変に構成され、これにより圧電性物質の弾性率及び損失率を変化させる可変吸音装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平５−９４１９５号公報 特開平６−１６１４６３号公報 特開平１１−１６１２８４号公報

しかし、特許文献１又は特許文献２に記載の発明は、面ずりの変形すなわち剛性を上げて遮音壁の曲げ共振によって生じる音響透過、いわゆるコインデンスを抑制するための手法であり、この曲げの共振周波数は、先に述べた厚み方向の共振周波数ｆrと別に、質量制御領域に見られる面ずり変形によるものである。従って、スティフネス制御による遮音を達成するためには共振周波数ｆrにすなわち面密度と面内伸縮の弾性について議論をする必要があるが、これらの発明は、共振周波数ｆrを取り扱っておらず我々の課題を解決するものではない。

また、特許文献３に記載の発明は、原理的に膜を湾曲させると音の減衰量を増大させることが出来ることを述べている。しかしながら、共振周波数ｆr以下では、膜の弾性反発力（スティフネス制御）による遮音が達成されること、遮音性能が膜の質量、周囲の長さ、弾性率および張力に依存すること、およびこれを考慮した遮音・吸音構造体について述べておらず、我々の課題を解決するものではない。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スティフネス制御によって音を遮断又は吸収することができる遮音・吸音構造体及び遮音・吸音装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、ポリマーフィルムや金属箔などの膜部材をドーム形状、かまぼこ形状などの曲率を有する形状に形成し、この曲率を有する膜部材の周囲を膜部材よりバネ定数の高い他の構造体に固定し、前記曲率を有する膜部材の凸方向を維持して面内伸縮の共振周波数を遮断したい目的周波数よりも高い周波数に設定することにより、遮断対象音に対して膜部材に面内の弾性伸縮変形を誘起させるようにし、この弾性伸縮変形による膜部材の弾性反発力によって音を遮断するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の遮音構造体において、前記膜部材の周囲を固定する他の構造体は、格子状、ハニカム状、または輪状に形成されるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の遮音構造体において、前記膜部材が曲率を有する形状に保持されるための保持具を備えた。

請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の遮音構造体において、前記膜部材に張力を与えた。
これにより、

請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の遮音構造体において、前記膜部材の代わりに、プラスチック板、金属板、ベニア板などの板部材をドーム形状、かまぼこ形状などの曲率を有する形状に成形して用いた。

請求項６に係る発明は、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の遮音構造体において、前記膜部材または前記板部材と、これらを固定する枠体を一体に形成した。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の遮音構造体を適用した、自動車、電車などの車両、航空機、船舶およびその他の輸送機器（乗物）、パネル、パーティションおよびその他の建築材料、遮音壁、防音壁、建造物、室、電気機器、機械、音響機器などの構造物である。

請求項１に係る発明によれば、膜部材を直接膜部材よりバネ定数の高い構造体に固定することによって、スティフネス制御により音を遮断することができる。

請求項２に係る発明によれば、軽量な膜部材と、格子状、ハニカム状や輪状など少なくとも１つの開口を持つ枠体からなり、膜部材の周囲を枠体で固定し、スティフネス制御により音を遮断することができる。

請求項３に係る発明によれば、保持具によって膜部材に張力とドーム状などの曲率を有する形状を与えて保持することができ、スティフネス制御による音の遮断を行うことができる。

請求項４に係る発明によれば、膜部材に張力を与えることによってスティフネス制御による音の遮断をより効果的に行うことができる。

請求項５に係る発明によれば、軽量な板部材と、格子状、ハニカム状や輪状など少なくとも１つの開口を持つ枠体からなり、板部材の周囲を枠体で固定し、板部材の枠体で囲われた部分にドーム状や蒲鉾状など曲率を有する形状に形成し、その部分の面内伸縮振動の共振周波数を、遮断したい目的周波数よりも高い周波数に設定することによって、スティフネス制御により音を遮断することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面（図１〜図１５）に基づいて説明する。
本発明に係る遮音構造体は、ドーム状や蒲鉾状などの曲率を有する形状に形成された従来遮音性能が殆どないとされる軽量な膜部材または板部材と、その周辺を固定する枠体から成る。膜部材または板部材は、平板形状では音圧による歪みが小さく、弾性による遮音性能および弾性損失による吸音性能をほとんど有さない。

しかしながら、ドーム状や蒲鉾状などの曲率を有する形状にすると、膜部材または板部材は音圧によって曲率を増減させながら、面内の伸縮振動を生じるようになる。音圧によって膜部材または板部材の面内の伸縮振動を生じさせることにより、膜部材または板部材の弾性による遮音および弾性損失による吸音が可能となる。

ドーム状などに成形された膜部材による遮音は、面内の伸縮振動の共振周波数ｆｒより低周波数帯域で達成される。式（２）より軽量かつ弾性率の大きな膜部材用いれば、容易に共振周波数ｆｒを可聴周波数帯域以上に設定することができる。なお、共振周波数ｆｒは、膜の曲率半径、膜部材の厚み、膜部材に与えた張力、枠体で固定された部分の長さに依存するので、共振周波数ｆｒを目的の周波数に設定するために、これらを適切に決める必要がある。

周囲が固定され、曲率が与えられた膜部材の音響透過損失ＴＬ及び吸音率αは、次に示す式（３）〜式（５）で与えられる。

ここで、Ｙ’は膜部材の面内の弾性率、Ｙ”は膜部材の面内の弾性損失、ωは角周波数、ρは膜部材の密度、ｈは膜部材の厚さ、Ｒは膜部材の曲率半径、ρ_０は空気の密度、ｃ_０は空気の音速である。
式（３）〜式（５）によれば、音響透過損失ＴＬ及び吸音率αは、Ｒに反比例するので、膜部材が平板状の時（Ｒ＝∞）のときに最小で、Ｒが小さくなるにつれて増加する。

なお、本発明に係る遮音構造体は、上記原理をしばしば大面積が要求される遮音構造体として具現化するため、最適な構造、材料、手法を提供するものであり、音に対して剛な枠体と曲率が与えられた膜部材または板部材を組み合わせたものである。枠体が平板状の場合には、音によって枠体自身に撓みが生じ、遮音性能が劣化することがある。枠体を湾曲させれば、音による枠体の撓みを減少させることができ、遮音性能の劣化を防ぐことができる。

本発明に係る遮音構造体の第１実施の形態は、図１に示すように、ドーム状の曲率を有する形状に形成された膜部材１と、膜部材１の縁部を両面から挟持して固定する輪状の枠体２からなる。膜部材１としては、アルミ箔などの金属箔又はポリエチレンフィルムなどのポリマーフィルムなど用いられる。縁部を枠体２で固定された膜部材１の形状としては、ドーム状の他、蒲鉾状などの曲率を有する形状でもよい。また、枠体２の形状としては輪状の他、四角形状（格子状）や六角形状（ハニカム状）などでもよく、枠体２の材質としてはプラスチックや金属などでもよい。

膜部材の代わりとして、アクリルやポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック板、アルミなどの金属板、ベニア板などの板部材を、ドーム形状、かまぼこ形状などの曲率を有する形状に成形して用いることもできる。
また、遮音構造体の第２実施の形態は、図２に示すように、４箇所にドーム状などの曲率を持つ形状を形成した膜部材３と、それぞれの曲率を持つ形状の周りを両面から挟持して固定する四角形状（格子状）の枠体４から構成することもできる。なお、膜部材３に形成されるドーム状などの曲率を持つ形状の個数は、４個に限らず複数であってよい。そして、膜部材３に形成されるドーム状などの曲率を持つ形状の個数に合うように枠体４を形成すればよい。

更に、遮音構造体の第３実施の形態は、図３に示すように、ドーム状や蒲鉾状などに形成した保持具としての金属メッシュ５に、輪状の枠体２で両面から挟持された膜部材１をあてがい、膜部材１に張力とドーム状などの曲率を持つ形状を与えて構成することもできる。

図４に示す遮音構造体の第４実施の形態は、ドーム状に形成した複数の金属メッシュ５に、格子状の枠体４で両面から挟持された膜部材３をあてがい、膜部材３に張力とドーム状の曲率を持つ形状を与えて構成した場合である。
また、図５に示す遮音構造体の第５実施の形態は、第３実施の形態において膜部材１と金属メッシュ３との間に保護材としてスポンジなどの弾性体６を設けたものである。

遮音構造体の第６実施の形態は、図６に示すように、支持板７の上に弾性体６と膜部材３を積層し、その上から格子状の枠体４を押し付けることにより、弾性体６と膜部材３を枠体４と支持板７によって挟み、膜部材３に張力を与えると共に、膜部材３をドーム状の曲率を持つ形状に形成して構成した。

また、図７に示す遮音構造体の第７実施の形態は、弾性体６を２枚の膜部材１で挟み、更に枠体２で弾性体６と２枚の膜部材１を挟んで、２枚の膜部材１に張力を与えると共に、２枚の膜部材１をドーム状の曲率を持つ形状に形成して構成した。

弾性体６として、ガラスウールやロックウールなど吸音性を持つ材料（吸音材）を用いることで、吸音効果を付加することができる。また、膜部材１の代わりに、プラスチックプレート、金属板やベニア板などの板部材をドーム状や蒲鉾状などの曲率を持つ形状に成形して用いてもよい。

図１〜図７に示すいずれの遮音構造体も、遮音性能および吸音性能は枠体２，４で囲まれた部分における膜部材１，３の面内伸縮振動の共振周波数ｆｒに依存する。この共振周波数ｆｒが可聴周波数帯域又はそれ以上となるように、膜部材１，３の面密度と弾性率、枠体２，４で囲われた部分の長さと曲率半径と張力を設定することが重要である。

また、遮音構造体を構成する膜部材１，３として、圧電性を有する材料（圧電体）を用い、その両面に電極を設け、負性容量を呈する電気回路（負性容量回路）を、負の容量を持つコンデンサが並列又は直列接続となることと等価になるように接続すれば、膜部材１，３の弾性率を電気的に変えることによって、遮音特性および吸音特性を人為的に変えることができる遮音・吸音装置を構成することができる。

圧電体としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン系共重合体、ポリ乳酸、ポリ酢酸ビニル、セルロースなどの圧電性ポリマー、ＰＺＴなどの圧電性セラミックまたは圧電材料とポリマー材料の複合材料などが挙げられる。

図８に負性容量回路８ａ，８ｂ，８ｃを示す。図８（ａ）に示す負性容量回路８ａでは圧電体９の弾性率を上げることができ、図８（ｂ）と図８（ｃ）に示す負性容量回路８ｂ，８ｃでは弾性率を下げることができる。いずれの負性容量回路８ａ，８ｂ，８ｃを接続した場合でも、圧電体９の弾性率は、圧電体９と負性容量回路８ａ，８ｂ，８ｃの電気的損失がほぼ一致した周波数で変化する。

図８に示す素子Ｚ０は、抵抗とコンデンサで構成された素子である。コンデンサとして圧電材料と同じ材料で作製されたコンデンサを用いれば、周波数によらず一様に圧電体９の弾性率を変化させることができる。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す素子Ｚ１および素子Ｚ２は、抵抗、コンデンサおよびコイルの少なくとも一つで構成される。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す負性容量回路８ａ，８ｂの容量は、素子Ｚ０の容量と、素子Ｚ２と素子Ｚ１のインピーダンス比（Ｚ２／Ｚ１）の積で表される。

また、図８（ｃ）に示す負性容量回路８ｃでは、素子Ｚ０に、−Ｚ３×Ｚ５／Ｚ４で表される素子が並列接続されている。負性容量回路８ｃの容量は、素子Ｚ０に、−Ｚ３×Ｚ５／Ｚ４で表される素子が並列接続された容量と、インピーダンス比（Ｚ２／Ｚ１）の積で表される。素子Ｚ１およびＺ２を一つの可変抵抗で構成すれば、負性容量回路８ａ，８ｂ，８ｃの容量を可変とすることができる。

負性容量回路８ａ，８ｂ，８ｃに接続される圧電体９には、図９に示すように、素子１１，１２，１３が接続される。素子１１〜素子１３は抵抗、コンデンサ、コイルのうち１つ以上で構成されるか、素子１１を開放し、素子１２と素子１３を短絡することもできる。

本発明に係る遮音構造体に関する遮音特性の評価結果を図１０に示す。平坦な形状を持つポリマーフィルムと、背後より金属メッシュをあてがい１０ｃｍまたは５ｃｍの曲率半径を与えたポリマーフィルムについて、音響管を用いて垂直入射透過損失を測定した。

平坦なポリマーフィルムの場合では、音響透過損失は数ｄＢ程度で遮音性能を示さないのに対し、１０ｃｍの曲率半径を与えたポリマーフィルムの場合では、音響透過損失は１０〜２０ｄＢ以上増加し、スティフネス制御に特有な低周波数になるにつれて増加する傾向を示した。

更に、ポリマーフィルムの曲率半径を１０ｃｍから５ｃｍにすると、音響透過損失は更に５ｄＢ程度増加した。このように、ポリマーフィルムに曲率を与えると、スティフネス制御の遮音特性を示すようになり、曲率半径が小さくなるにつれて遮音効果が増大することが分かる。

次に、ドーム状に成形され、かつ張力が与えられた厚み１２ミクロン、４０ミクロンおよび８０ミクロンのポリマーフィルムにおける音響透過損失の周波数特性を図１１に示す。音響透過損失はポリマーフィルムが厚くなるにつれて増加した。

次に、２．５ｃｍ×２．５ｃｍの正方形の格子を縦横１０×１０に配列した枠体にポリマーフィルムを固定し、各格子に囲まれたポリマーフィルムにドーム状に成形した金属メッシュを圧入して、ポリマーフィルムをドーム状に成形し、ドーム状に成形したポリマーフィルムを２次元に配列した遮音構造体を作製し、この遮音構造体の挿入損失を、小型残響箱を用いて測定した。併せて、板厚１ｃｍの平板ベニア板、前記遮音構造体に板厚１ｃｍのベニア板を張り合わせて２重壁とした遮音・吸音構造体についても評価を行った。

図１２に評価結果を示す。本発明に係る遮音構造体の挿入損失は、スティフネス制御に特有の周波数が低くなるにつれて大きくなる傾向を示した。一方、ベニア板の挿入損失は、質量則に特有の周波数が高くなるにつれて大きくなる傾向を示した。これらを組み合わせた２重壁では、１００Ｈｚから２０ｋＨｚにかけて２０ｄＢ以上の挿入損失が得られた。

図１３は、ドーム形状に成型した硬質プラスチックを用いたパネルの遮音性能を周波数に対して示したグラフである。２０ｃｍ×３０ｃｍサイズの長方形アルミ板（厚さ１ｃｍ）の中央に１４ｃｍ×２４ｃｍの長方形の開口部を設け、高さ３ｃｍのドーム形状に成型した厚さ１．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）板を挿入した。板の周囲を２枚のアルミ枠で両方向より挟み固定した。
１ｋＨｚ以上では高周波になるにつれて遮音性能が向上する、いわゆる板の質量による遮音の傾向が見られる。一方、１ｋＨｚ以下では、遮音性能に周波数依存性が見られず約３０ｄＢで一定となる結果が得られた。これは、ドーム形状に成形したプラスチック板の弾性による遮音が働いているためである。

図１４は，前記パネルのプラスチック板をＰＶＤＦ膜とし、更に負性容量回路によって制御を与えたことによる遮音性能制御の結果である。前述の硬質プラスチックに比べ膜の弾性力が小さい分、面内伸縮振動の共振周波数が低周波側に移る。膜本来の遮音性能は３００Ｈｚ以上で質量による効果を、３００Ｈｚ以下で弾性効果に特有な低周波になるにつれて遮音性能が上昇する傾向を示す。回路制御によって、パネルの遮音性能は１００Ｈｚから１ｋＨｚにかけて最大２０ｄＢ増加した。

図１５にドーム形状の硬質プラスチックを２次元に配列した大型パネルの遮音性能の周波数特性を示す。パネルの外周寸法は約１．２ｍ×１．６ｍである。これに４ｃｍ×４ｃｍの正方形、曲率半径４ｃｍのドーム形状に成形した厚さ１．５ｍｍのＰＥＴ板を２次元に配列した。２０ｃｍ×３０ｃｍサイズのＰＥＴ板にドーム形状を５行×３列となるように１５カ所設け、各々のドーム形状をアルミ枠で固定した。これを１ユニットとし、更に６行×５列となるように３０ユニット配列した。大型パネルの遮音性能は、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚで２０ｄＢ以上の遮音性能を維持することを示した。

これらの結果は、本発明が小型の構造体のみならず大型の遮音壁に至るまで、ドーム型の膜または板の弾性力による遮音を実現した遮音構造体を提供することを意味している。

本発明によれば、軽量な膜部材と、格子状、ハニカム状や輪状など少なくとも１つの開口を持つ枠体からなり、膜部材の周囲を枠体で固定し、膜部材の枠体で囲われた部分をドーム状や蒲鉾状など曲率を有する形状に形成し、その部分の面内伸縮の共振周波数を遮断したい目的周波数よりも高い周波数に設定し、膜の面内伸縮方向のスティフネスによって音を遮断することができる。
また、遮音構造体及び遮音装置は、自動車、電車などの車両、航空機、船舶およびその他の輸送機器（乗物）、パネル、パーティションおよびその他の建築材料、遮音壁、防音壁、建造物、室、電気機器、機械、音響機器など、音の遮断が要求されるあらゆる構造物に適用することができる。

本発明に係る遮音構造体の第１実施の形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 本発明に係る遮音構造体の第２実施の形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図 本発明に係る遮音構造体の第３実施の形態の断面図 本発明に係る遮音構造体の第４実施の形態の断面図 本発明に係る遮音構造体の第５実施の形態の断面図 本発明に係る遮音構造体の第６実施の形態の断面図 本発明に係る遮音構造体の第７実施の形態の断面図 負性容量を呈する電気回路の構成図を示し、（ａ）は圧電体と負性容量を並列接続した場合、（ｂ）及び（ｃ）は圧電体と負性容量を直列接続した場合である。 負性容量回路に接続される圧電体と素子の構成図 ポリマーフィルムの曲率半径をパラメータとした音響透過損失の周波数特性 ポリマーフィルムの厚みをパラメータとした音響透過損失の周波数特性 遮音構造体の挿入損失の周波数特性 ドーム形状に成型した硬質プラスチックを用いたパネルの音響透過損失の周波数特性 ＰＶＤＦ膜を負性容量回路で制御した場合の音響透過損失の周波数特性 ドーム形状の硬質プラスチックを２次元に配列した大型パネルの音響透過損失の周波数特性 音響透過損失を対数周波数に対して示すグラフ

符号の説明

１，３…膜部材、２，４…枠体、５…金属メッシュ、６…弾性体、７…支持板、８ａ，８ｂ，８ｃ…負性容量回路、９…圧電体。

Claims (6)

1. ポリマーフィルムや金属箔などの膜部材をドーム形状、かまぼこ形状などの曲率を有する形状に形成し、この曲率を有する膜部材の周囲を膜部材よりバネ定数の高い他の構造体に固定し、前記曲率を有する膜部材の凸方向を維持して面内伸縮の共振周波数を遮断したい目的周波数よりも高い周波数に設定することにより、遮断対象音に対して膜部材に面内の弾性伸縮変形を誘起させるようにし、この弾性伸縮変形による膜部材の弾性反発力によって音を遮断することを特徴とする遮音構造体。
2. 請求項１に記載の遮音構造体において、前記膜部材の周囲を固定する他の構造体は、格子状、ハニカム状、または輪状に形成されることを特徴とする遮音構造体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の遮音構造体において、前記膜部材が曲率を有する形状に保持されるための保持具を備えたことを特徴とする遮音構造体。
4. 請求項１又は請求項２に記載の遮音構造体において、前記膜部材に張力を与えたことを特徴とする遮音構造体。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の遮音構造体において、前記膜部材の代わりに、プラスチック板、金属板、ベニア板などの板部材をドーム形状、かまぼこ形状などの曲率を有する形状に成形して用いたことを特徴とする遮音構造体。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の遮音構造体において、前記膜部材または前記板部材と、これらを固定する枠体を一体に形成したことを特徴とする遮音構造体。