JP6480638B2 - 防音構造、開口構造、筒状構造、窓部材および仕切り部材 - Google Patents
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Description
例えば、風切り音などでは、ホワイトノイズのように低周波域から高周波域まで音圧がある騒音もあり、広帯域な騒音対策を行う必要がある。特に、各種機器(オフィス機器、自動車および電車など)内の騒音対策においては、機器の大きさが制限されるため、少ないスペースで防音できる防音構造が求められている。
膜振動を利用する防音構造は、膜振動の共振周波数で吸音が生じるものであるため、共振周波数で吸収が増大するが、その他の周波数では吸音が小さくなり、吸音する周波数帯域の広帯域化は難しい。
このようなヘルムホルツ共振を利用する防音構造は、外部から音が貫通孔に侵入するとき、貫通孔内の空気が音によって動かされる運動方程式に支配される部分と、閉空間内の空気が音によって膨張圧縮を繰り返すバネ方程式に支配される部分が、連結される構造となる。それぞれの方程式により、貫通孔内の空気の動きは、圧力位相が局所速度位相より90度進むコイル的振る舞いとなり、閉空間内の空気の動きは、圧力位相が局所速度位相より90度遅れるコンデンサ的振る舞いとなる。よって、ヘルムホルツ共振は全体として音の等価回路として、いわゆる、LC直列回路となり、貫通孔面積と長さ、閉空間の体積によって決定される共振を有する。この共振のときに、貫通孔を多数回音が往復することとなり、その間に貫通孔との摩擦によって特定周波数で強く吸音が生じる。
また、特許文献3は、枠となる区画壁で仕切られ、板状部材による後壁(剛壁)で閉じられ、前部が開口部を形成する空洞の開口部を覆う膜材(膜状吸音材)が被せられ、その上から押さえ板が載せられ、膜材の音波による変位が最も生じにくい領域である開口部の周縁部の固定端から膜状吸音材の面の寸法の20%の範囲内の領域(隅部分)にヘルムホルツ共鳴用の共鳴穴が形成された吸音体を開示している。この吸音体においては、共鳴穴を除いて、空洞は閉塞されている。この吸音体は、膜振動による吸音作用とヘルムホルツ共鳴による吸音作用を併せて奏する。
このような課題を解決するために複数の孔を厚み方向もしくは水平方向に複数設けたり、背面空間を複数設ける試みも行われているが、複数のセルを設ける必要があるためサイズが大きくなり、また作り分ける必要があるために構造や部品が複雑化し、部品点数も増加するという問題があった。
さらに、背後に閉空間が必須であるため、閉空間の体積分サイズが大きくなるという問題があり、また、通気性や排熱を確保することができないという問題もあった。
また、特許文献3では、膜振動による吸音作用とヘルツホルム共鳴による吸音作用を合わせて利用する必要があるので、枠となる区画壁の後壁は板状部材によって閉塞されており、特許文献1と同様に、風、及び熱を通す能力がなく熱がこもりがちとなり、機器及び自動車等の遮音に向かないという問題があった。
すなわち、以下の構成により上記目的を達成することができることを見出した。
膜は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
貫通孔の平均開口径が0.1μm以上250μm以下であり、
防音対象とする音源の方向に対して、膜の膜面の垂線方向が傾いて配置されている防音構造。
[2] 防音対象とする音源の方向に対して、膜の膜面の垂線方向の傾きが45度以上である[1]に記載の防音構造。
[3] 枠の枠孔部のサイズが防音対象とする音の中で最大の長さとなる波長よりも小さい[1]または[2]に記載の防音構造。
[4] 膜が、枠の枠孔部内に固定されている[1]〜[3]のいずれかに記載の防音構造。
[5] 膜から枠の両端面それぞれまでの距離が異なる[4]に記載の防音構造。
[6] 枠に、膜が二枚以上固定されている[1]〜[5]のいずれかに記載の防音構造。
[7] 枠の枠孔部の両端面に膜が固定されている[1]〜[6]のいずれかに記載の防音構造。
[8] 枠の枠孔部の一方の端面に膜が固定されている[1]〜[6]のいずれかに記載の防音構造。
[9] 枠の枠孔部の一方の端面に膜が固定され、もう一方の端面は開放されている[8]に記載の防音構造。
[10] 貫通孔の内壁面の表面粗さRaが0.1μm〜10.0μmである[1]〜[9]のいずれかに記載の防音構造。
[11] 貫通孔の内面壁が複数の粒子状形状で形成され、内壁面に形成された凸部の平均粒径が0.1μm〜10.0μmである[1]〜[9]のいずれかに記載の防音構造。
[12] 膜の形成材料が金属である[1]〜[11]のいずれかに記載の防音構造。
[13] 膜の形成材料がアルミニウムである[1]〜[12]のいずれかに記載の防音構造。
[14] 防音セルを複数有する[1]〜[13]のいずれかに記載の防音構造。
[15] 複数の防音セルが互いに連結されている[14]に記載の防音構造。
[16] 複数の防音セルが着脱可能に連結されている[15]に記載の防音構造。
[17] 貫通孔の平均開口径が0.1μm以上50μm以下である[1]〜[16]のいずれかに記載の防音構造。
[18] 少なくとも一部の貫通孔の形状が、貫通孔の内部で最大径となる形状である[1]〜[17]のいずれかに記載の防音構造。
[19] [1]〜[18]のいずれかに記載の防音構造と、
開口を有する開口部材とを有し、開口部材の開口内に、開口部材の開口断面に垂直な方向に対して膜の膜面の垂線方向が交差するように防音構造を配置し、開口部材に気体が通過する通気口となる領域を設けた開口構造。
[20] 防音構造は、開口部材の開口端から開口端補正距離以内に配置されている[19]に記載の開口構造。
[21] [1]〜[18]のいずれかに記載の防音構造と、
開口を有する筒状部材とを有し、
筒状部材の開口内に、筒状部材の開口断面に垂直な方向に対して膜の膜面の垂線方向が交差するように防音構造を配置し、筒状部材に気体が通過する通気口となる領域を設けた筒状構造。
[22] 防音構造は、筒状部材の開口端から開口端補正距離以内に配置されている[21]に記載の筒状構造。
[23] 筒状部材の開口内に2以上の防音構造を有する[21]または[22]に記載の筒状構造。
[24] 2以上の防音構造が互いに離間して配置され、
2以上の防音構造の配列方向における、隣接する防音構造の間の距離の少なくとも一部は、枠の幅の2倍以上である[23]に記載の筒状構造。
[25] [1]〜[18]のいずれかに記載の防音構造を有する窓部材。
[26] [1]〜[18]のいずれかに記載の防音構造を有する仕切り部材。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書において、例えば、「45°」、「平行」、「垂直」あるいは「直交」等の角度は、特に記載がなければ、厳密な角度との差異が5度未満の範囲内であることを意味する。厳密な角度との差異は、4度未満であることが好ましく、3度未満であることがより好ましい。
本発明の防音構造は、貫通する枠孔部を持つ枠と、枠孔部を覆うように枠に固定された膜と、を備える防音セルを有する防音構造であって、
膜は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
貫通孔の平均開口径が0.1μm以上250μm以下であり、
防音対象とする音源の方向に対して、膜の膜面の垂線方向が傾いて配置されている防音構造である。
また、好適な態様として、防音構造は、開口を有する開口部材の開口内に、開口部材の開口断面に垂直な方向に対して膜の膜面の垂線方向を傾けて、開口部材に気体が通過する通気口となる領域を設けた状態で配置される。
本発明の防音構造の構成について、図1〜図3を用いて説明する。
本発明において防音対象となる音とは、端的には本発明の防音構造20で消したい音と定義する。例えば、防音対象となる音とは、いわゆる騒音である。
「騒音」については、後述するようにWHOや辞典による定義を示したが、騒音以外にも、意図的に消したい音を含んでもよい。例えば、電車内での隣人の会話なども防音対象の音に選ぶことができる。また、防音対象の音の選び方としては、例えば、聞きたい音が会話で、別の騒音が存在する様な状況では、最も大きい音圧が人間の会話であり、その会話を妨げる音が会話よりも小さい音圧で存在する場合に、音圧としては最大ではないが後者を騒音として防音対象の音に選ぶことができる。
また、例えば、図5に示すように、音源Pと防音構造20とを直線的に結ぶ線が固定型パーティションHなどで遮られている場合には、防音対象となる音が音源Pから直線的に防音構造20に到達せず、回折により回り込んで防音構造20に到達する。このような場合には、「音源の方向q」は、音源Pから防音構造20への直線方向ではなく、防音構造20に防音対象となる音が向かってくる方向、図5においては、パーティションH上部などの回折が生じる方向から防音構造20に向かう方向qが「音源の方向q」となる。
このように、防音対象となる音源Pと本発明の防音構造20の配置位置との間に音が何らかの制限を受ける構造を持つ場合には、音源P自体の配置されている位置と防音構造2とを直線的に結ぶ方向ではなく、防音対象となる音が防音構造20へ向かう方向qを「音源の方向q」とする。したがって、本発明においては、このような「音源の方向q」に対して、膜を傾けて配置する。
3次元インテンシティプローブMI-6420は4本のマイクが四面体の頂点上に配置され、それぞれのマイクで音圧を取るとともに、それらの音位相の差から音の進行方向を決定し、3次元的に音圧と位相より音の進行方向を取得することができる。実際の処理は付属のソフトウェアで行われ、付属のカメラで取得した画像上に音圧と進行方向がマッピングされる。よって、本発明の防音構造を中心として、MI-6420で周囲をスキャンすることによって、周波数ごとに音の進行方向を測定することができる。これより、防音対象となる音の周波数を調べることによって「音源の方向」を決定することができる。MI-6420は測定が簡便であり、特に大きな空間で音源の方向を決定する際に効率よく測定することができる。一方で、取得できる周波数がマイク間距離に左右されるために、低周波測定をするためにはMI-6420自体が大きくなり、小さい空間での測定には適さない。その場合はPUプローブを使用することができる。
Microflown製のPUプローブは、音圧取得用のマイクと、粒子速度取得用の白金線二本で構成されたプローブであり、音圧pと局所粒子速度uの二つのパラメータを直接測定できるプローブである。付属のカメラとソフトウェアによって、マイクの3次元空間上の位置を取得し、それぞれの点における音圧と局所粒子速度をスキャンすることによって測定することができる。測定した音圧と粒子速度より、音響インテンシティ(RMS(Root Mean Square value))を取得することができ、音の進行方向を全てのスキャン点で決定することができる。よって、本発明の防音構造を中心として、PUプローブで周囲をスキャンすることによって、周波数ごとに音の進行方向を測定することができ、音源の方向を決定できる。PUプローブは粒子速度取得用のデバイスが小型のため、空間分解能がよく、また実際の大きさを小型化できる。そのため、狭い空間に本発明の防音構造を配置する場合はPUプローブを用いることによって音源の方向を測定することができる。
本発明においては、本発明の防音構造の配置位置を決定して、膜上の5mmの地点の音圧を測定し、まず膜の上での音の周波数情報を測定する。その上で防音対象となる音を決定する。
例えば、人間が最も音量が大きい音と感じる音を防音対象とする場合には、音の周波数情報から感度曲線であるA特性を加えて[dBA]に変換し、その中で最も大きな音を防音対象とすることができる。A特性とは、人間の聴覚を考慮した周波数への重みづけであり、一般の騒音計にも用いられる指標であり、JIS C 1509-1:2005およびJISC 1509-2:2005に定められている。よって、通常のマイクなどで膜上での音の周波数分布を取得し、それにA特性の感度曲線をかけ合わせることによって、可聴域における人間が感知する音の大きさが周波数ごとに分かる。よって、どの周波数の音が人間に一番影響を与えているかを示すことができる。それより、人間が最も騒音として知覚する音を防音対象として選ぶこともできる。
他に、本発明では防音対象となる音を、消したい音として任意に選ぶこともできる。
以上のようにして「音源の方向」を決定する。
また、防音対象である音が、複数の方向から本発明の防音構造に向かう場合もある。例えば、音が反射して防音構造に向かう場合などである。また、同種の防音対象となる音をだす複数の防音対象となる音源が、存在する場合もある。この場合、上記音源探査方法は音の方向だけでなく方向ごとの音圧も測定することができる。まず、防音対象となる音の周波数を上述の方法で決定し、次にPUプローブなどの空間での音源探査を行うことによって、その防音対象となる音の周波数の最も大きな音圧を持つ方向qを決定する。したがって、防音構造の配置は、その方向qに対して膜を傾けて配置することが望ましい配置である。さらには、複数方向から来る騒音源それぞれの方向に対して、防音構造の膜面が傾いた角度で配置されていることが望ましい。
また、望ましい生活環境における音レベルとして、55dBA以下が望ましく(高度に不快)、50dBA以下がさらに望ましく(少し不快)、35dBA以下がより望ましく、30dBA以下が最も望ましい(WHO環境騒音ガイドライン(1999)より)。よって、これらの音レベルを超える音源を騒音と感じるためこれらの音源に段階的に対応することが望ましい。
また、防音対象となる音の好ましい周波数帯域は、好ましくは1000Hz〜20000Hzであり、より好ましくは1500Hz〜15000Hzであり、さらに好ましくは2000Hz〜12000Hzである。
図2および図3に示すように、防音構造20は、貫通する枠孔部12を持つ枠14と、枠孔部12の片面を覆うように枠14に固定された膜16と、を備える防音セル18を1以上、図1に示す例では一列に3個配列されたものであって、膜16は平均開口径が0.1μm以上250μm以下の貫通孔17が複数形成されている。
筒状部材22は本発明における開口部材である。開口部材がダクトのような長さを有する筒状部材で、この筒状部材内に防音構造を配置する場合には、図6に示すように、音は、筒状部材22の開口内を開口断面に略垂直な方向に進行するので、開口断面に略垂直な方向sが音源の方向となる。したがって、筒状部材22の開口断面に垂直な方向sに対して膜12の膜面の垂線方向zを傾けて配置することによって、防音対象とする音源の方向に対して、膜面の垂線方向zが傾いた状態に配置される。すなわち、本発明の防音構造は、音が膜面に垂直に当たらずに、斜め方向あるいは平行に当たる音を吸収するものである。
このような課題を解決するために、複数の孔を厚み方向もしくは水平方向に複数設けたり、背面の閉空間を複数設ける試みも行われているが、複数のセルを設ける必要があるためサイズが大きくなり、また作り分ける必要があるために構造や部品が複雑化し、部品点数も増加するという問題があった。
さらに、背面に閉空間が必須であるため、閉空間の体積分サイズが大きくなるという問題があった。特に、低周波音を吸音するためには、閉空間の空気層の体積を大きくする必要がありサイズを大きくせざるを得ない。
また、背面に閉空間が必須であるため、通気性や廃熱を確保することができないという問題もあった。
本発明者らは、本発明の防音構造の吸音のメカニズムは、膜に形成された微細な貫通孔を音が通る際の、貫通孔の内壁面と空気との摩擦による、音のエネルギーの熱エネルギーへの変化であると推定した。
貫通孔の平均開口径が小さい場合は、同じ開口率の場合に平均開口径が大きい場合と比較して、開口面積に対する貫通孔の縁長さの比率が大きくなるため、貫通孔の縁部や内壁面で生じる摩擦を大きくすることができると考えられる。貫通孔を通る際の摩擦を大きくすることによって、音のエネルギーを熱エネルギーへと変換して、吸音することができる。
これに対して、本発明では、枠が存在することによって、枠面に向けて音が進行し枠によって音が回り込むことによって、膜の両面から枠端までの距離が異なる場合には、枠の両方から回り込む音の通る距離が異なるために、膜の両面の音場に位相差をつけ、また回折の効果により音の局所的な進行方向を変化させて、膜の垂線方向成分を作る効果があると考えられる。すなわち、枠を有することによって膜の両面における位相を変化させ、音圧と局所速度を異なる状態とし、空気を微細な貫通孔に通過させることができるので、貫通孔の内壁面と空気との摩擦により、音のエネルギーから熱エネルギーへの変換を生じさせて吸音することができる。
このメカニズムは貫通孔サイズが微細なことにより、貫通孔だけの特徴として生じるため、従来の膜の共振やヘルムホルツ共振といった共振によるメカニズムとは異なる。等価回路で考えたときに、従来の膜の共振やヘルムホルツ共振の共振現象は、インダクタンスLとコンデンサCの直列回路(膜の粘性などの抵抗を含めてLCR回路)で記述される。これに対して、本発明では貫通孔のインダクタンスLと摩擦によるRだけのLR回路で記述される。
貫通孔内を空気中の音として直接通過するパスは、いったん膜振動に変換されてから再び音として放射されるパスに比べて、インピーダンスが遥かに小さい。したがって、膜振動よりも微細な貫通孔のパスを音は通りやすい。その貫通孔部分を通過する際に、膜面上全体の広い面積から貫通孔の狭い面積へと音が集約されて通過する。孔の中で音が集まることによって局所速度が極めて大きくなる。摩擦は速度と相関するために、微細な貫通孔内で摩擦が大きくなり熱に変換されるものと考えられる。
このように、本発明の吸音のメカニズムでは、貫通孔の直径が小さいことが重要であり、膜の材質等には依存しない。従って、膜の材質は適宜選択することができる。
また、上述のように、本発明の防音構造は、音が貫通孔を通過する際の摩擦で吸音するので、音の周波数帯によらず吸音することができ、広帯域で吸音することができる。
また、膜の背面に閉空間を有さないため、また、開口部材に気体が通過する通気孔となる領域を設けた状態で配置されるので、通気性を確保できる。
また、貫通孔を有するため光を散乱しながら透過することができる。
また、微細な貫通孔を形成することによって機能するので、素材選択の自由度が高く、周辺環境の汚染や、耐環境性能の問題もその環境に合わせて素材を選択できるために問題を少なくすることができる。
吸音性能、通気性、すなわち通気孔を大きくとること、ファンなどの風を伴う騒音構造の場合に、膜面に当たる風の量を小さくすること、等の観点から、筒状部材22の開口断面に垂直な方向sに対する、防音構造22の膜12の膜面に垂線方向zの角度は、15度以上が好ましく、45度以上がより好ましく、75度以上がさらに好ましい。
ここで、開口が形成される領域を持ち、気体の通過を遮断する物体とは、2つの空間を隔てる部材、及び壁等を言い、部材としては、管体、筒状部材等の部材を言い、壁としては、例えば、家、ビル、工場等の建造物の構造体を構成する固定壁、建造物の部屋内に配置され、部屋内を仕切る固定間仕切り(パーティション)等の固定壁、建造物の部屋内に配置され、部屋内を仕切る可動間仕切り(パーティション)等の可動壁等を言う。
本発明において開口部材とは、窓枠、戸、出入り口、換気口、ダクト部、ルーバー部など通気や放熱、物質の移動を目的として開放部を有する部材である。すなわち、開口部材は、ダクトやホース、パイプ、導管等の管体、筒状部材であっても良いし、ルーバ、ガラリ等の取り付けられるような換気口部、窓等を取り付けるための開口を持つ壁自体であっても良いし、パーティション上部と天井や壁で構成される部分でもよく、壁に取り付けられる窓枠等の窓部材等であっても良い。すなわち、周辺が閉曲線で囲まれている部分が開口部であり、そこに本発明の防音構造が配置されることが好ましい。
窓部材やパーティションに取り付けられた場合、音源が膜の垂線方向ではない位置にある場合は、壁部材により音進行ベクトルが曲げられること、またエッヂ部での回折現象により、膜の水平方向に近い角度で音が進行する傾向がある。よって、空間内の壁等に用いられた場合でも、膜上を音が通過する配置となり、本発明に係る広帯域吸収効果が発現する。
また、ダクト等の筒状部材の場合では、ダクト自体が特に低周波音に対して音を平面波のみ導波させる音響管として機能する。例えば、内径40mmの筒では約4000Hz以下の音は平面波以外のモードはカットオフにより筒内に存在することができず、筒状部材内部で導波できる波は平面波のみとなる。よって、ダクト等の筒状部材の場合は音の進行ベクトルの決定は容易であり、本発明の防音構造はその進行ベクトルの方向に対して膜面の垂線方向を傾けて配置すればよい。
また、本発明の開口部材の材料としては、特に制限的ではなく、アルミニウム、チタン、マグネシウム、タングステン、鉄、スチール、クロム、クロムモリブデン、ニクロムモリブデン、これらの合金等の金属材料、アクリル樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリアミドイド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルフォン、ポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンテレフタラート、ポリイミド、トリアセチルセルロース等の樹脂材料、炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)、カーボンファイバ、及びガラス繊維強化プラスチック(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastics)、建造物の壁材と同様なコンクリート、モルタル、木材等の壁材等を挙げることができる。
なお、図8に示す例では、3つの枠孔部を有する構成としたが、これに限定はされず、2つの枠孔部を有する構成であってもよいし、4つ以上の枠孔部を有する構成であってもよい。あるいは、1つの枠孔部を有する構成であってもよい。すなわち、枠14は、一定の厚みの直方体状の棒状部材に、1個の枠孔部12が設けられて構成されたものであってもよい。
また、図1に示す例においては、複数の枠14は、一列に配置されているが、本発明はこれに限定されず、2次元的に配置されるものであっても良い。
独立した防音セル18を連結する構成とすることによって、防音セル18同士が着脱可能となり、用途に応じて防音セル18の数を変更することができる。
枠14は、貫通する枠孔部12を囲むように形成され、枠孔部12の一方の端面を覆うように膜16を固定し、かつ支持するためのものである。枠14は、膜16に比べて、剛性が高く、具体的には、単位面積当たりの質量及び剛性は、共に高いことが好ましい。
また、枠14の枠孔部12の貫通方向に垂直な断面形状は、図1に示す例では正方形であるが、本発明においては、特に制限的ではなく、例えば、長方形、ひし形、又は平行四辺形等の他の四角形、正三角形、2等辺三角形、又は直角三角形等の三角形、正五角形、又は正六角形等の正多角形を含む多角形、若しくは円形、楕円形等であっても良いし、不定形であっても良い。なお、枠14の枠孔部12は、枠14を厚み方向に貫通している。
なお、本実施形態の防音構造20において、枠14の枠孔部12のサイズは、全ての枠孔部12おいて、一定であっても良いが、異なるサイズ(形状が異なる場合も含む)の枠が含まれていても良く、この場合には、枠孔部12のサイズとして、枠孔部12の平均サイズを用いればよい。
また、この防音構造20自体をパーティションのように用いて、複数の騒音源からの音を遮る用途に用いることもできる。この場合も、枠14のサイズは対象となる騒音の周波数から選択することができる。
例えば、0.5mm〜300mmであることが好ましく、1mm〜100mmであることがより好ましく、10mm〜50mmであることが最も好ましい。
なお、枠14のサイズは、各枠14で異なるサイズが含まれる場合などは、平均サイズで表す。
ここで、図61に示すように、枠14のフレーム肉厚は、枠14の開口面における厚みの最も薄い部分の厚みd1である。また、枠14の高さは、枠孔部の貫通方向における高さh1である。
例えば、枠14のフレーム肉厚は、枠孔部12のサイズが、0.5mm〜50mmの場合には、0.5mm〜20mmであることが好ましく、0.7mm〜10mmであることがより好ましく、1mm〜5mmであることが最も好ましい。
枠14のフレーム肉厚が、枠14のサイズに対して比率が大きくなりすぎると、全体に占める枠14の部分の面積率が大きくなり、デバイスが重くなる懸念がある。一方、上記比率が小さくなりすぎると、その枠14部分において接着剤などによって膜を強く固定することが難しくなってくる。
また、枠14のフレーム肉厚は、枠孔部12のサイズが、50mm超、300mm以下の場合には、1mm〜100mmであることが好ましく、3mm〜50mmであることがより好ましく、5mm〜20mmであることが最も好ましい。
また、枠14の高さ、即ち枠孔部12の貫通方向の厚さは、0.5mm〜200mmであることが好ましく、0.7mm〜100mmであることがより好ましく、1mm〜50mmであることが最も好ましい。
なお、枠14のフレーム肉厚および高さは、各枠14で異なるフレーム肉厚および高さが含まれる場合などは、それぞれ平均肉厚および平均高さで表すことが好ましい。
例えば、枠14の数は、機器内騒音遮蔽(反射及び/又は吸収)の場合には、1個〜10000個であることが好ましく、2〜5000であることがより好ましく、4〜1000であることが最も好ましい。
なお、1つの防音セル18は、1つの枠14を構成単位とするので、本実施形態の防音構造20の枠14の数は、防音セル18の数ということができる。
また、これらの枠14の材料の複数種を組み合わせて用いてもよい。
吸音材を配置することによって、吸音材による吸音効果により、遮音特性をより向上できる。
吸音材としては、特に限定はなく、従来公知の吸音材が適宜利用可能である。例えば、発泡ウレタン等の発泡材料、ならびに、グラスウール、および、マイクロファイバー(3M社製シンサレートなど)等の不織布等の種々の公知の吸音材が利用可能である。
この際、貫通孔を通過し、摩擦が生じるメカニズムを阻害しないために、膜16の膜面から3mm以上離して吸音材を配置することが望ましい。一方で、吸音材を膜と接触させて配置することで、膜の振動を抑制することができる。開口率が低い場合、および、枠のサイズが小さい場合などの膜が振動しやすい構成では、膜が振動することで、音が貫通孔を通過することによる吸音の効果を十分に発揮できない場合がある。これに対して、吸音材を膜と接触させて配置して膜の振動を抑制することによって、音が貫通孔を通過することによる吸音の効果を十分に発揮することができる。
また、本発明の防音構造を、発泡ウレタン等の発泡材料、ならびに、グラスウール、および、マイクロファイバー(3M社製シンサレートなど)等の不織布等の種々の公知の吸音材と一緒に、ダクト等の管体を含む開口部材に入れていても良い。
以上のように、本発明の防音構造内に、又は防音構造と共に、公知の吸音材を組み合わせて用いることにより、本発明の防音構造による効果と、公知の吸音材による効果との両方の効果を得ることができる。
膜16は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔17を有し、枠14の枠孔部12を覆うように枠14に抑えられるように固定されるものである。膜16に形成される複数の貫通孔の平均開口径は0.1μm以上250μm以下である。
また、平均開口径の下限値は、0.5μm以上が好ましく、1μm以上がより好ましく、2μm以上がさらに好ましい。平均開口径が小さすぎると貫通孔を通過する際の粘性抵抗が高すぎて十分に音が通らないため開口率を高くしても吸音効果が十分に得られない。
よって、貫通孔の平均開口率は0.5%〜15%が好ましく、1%〜12%がより好ましく、2%〜10%がさらに好ましい。
なお、開口径は、貫通孔部分の面積をそれぞれ計測し、同一の面積となる円に置き換えたときの直径(円相当直径)を用いて評価した。すなわち、貫通孔の開口部の形状は略円形状に限定はされないので、開口部の形状が非円形状の場合には、同一面積となる円の直径で評価した。従って、例えば、2以上の貫通孔が一体化したような形状の貫通孔の場合にも、これを1つの貫通孔とみなし、貫通孔の円相当直径を開口径とする。
これらの作業は、例えば「Image J」(https://imagej.nih.gov/ij/)を用いて、Analyze Particlesにより円相当直径、開口率などを全て計算することができる。
音の回折に関しては、貫通孔が周期的に配列されていると、その貫通孔の周期に従って音の回折現象が生じ、音が回折により曲がり、騒音の進む方向が複数に分かれる懸念がある。ランダムとは、完全に配列したような周期性を持たない配置になっている状態であり、各貫通孔による吸収効果が現れる一方で、貫通孔間最小距離による回折現象は生じない配置となる。
また、本発明の実施例では、ロール状の連続処理中でのエッチング処理により作製したサンプルもあるが、大量生産のためには、周期的配列を作製するプロセスよりも表面処理など一括でランダムなパターンを形成する方が容易であるため、生産性の観点からもランダムに配列されていることが好ましい。
完全に周期構造であるときには強い回折光が現れる。また、周期構造のごく一部だけ位置が異なるなどしても、残りの構造によって回折光が現れる。回折光は、周期構造の基本セルからの散乱光の重ね合わせで形成される波であるため、ごく一部だけ乱されても残りの構造による干渉が回折光を生じるというメカニズムである。
よって、周期構造から乱れた基本セルが多くなればなるほど、回折光を強めあう干渉をする散乱光が減っていくことにより、回折光の強さが小さくなる。
よって、本発明における「ランダム」とは、少なくとも全体の10%の貫通孔が周期構造からずれた状態であることを示す。上記の議論より、回折光を抑制するためには周期構造からずれた基本セルが多いほど望ましいため、全体の50%がずれている構造が好ましく、全体の80%がずれている構造がより好ましく、全体の90%がずれている構造がさらに好ましい。
撮影した画像において、一つの貫通孔に着目し、その周囲の貫通孔との距離を測定する。最近接である距離をa1、第二、第三、第四番目に近い距離をそれぞれa2、a3、a4とする。このとき、a1からa4の中で二つ以上の距離が一致する場合(例えば、その一致した距離をb1とする)、その貫通孔はb1の距離について周期構造を持つ孔として判断できる。一方で、a1からa4のどの距離も一致しない場合、その貫通孔は周期構造からずれた貫通孔として判断できる。この作業を画像上の全貫通孔に行い判断を行う。
ここで、上記「一致する」は着目した貫通孔の孔径をΦとしたときにΦのずれまでは一致したとする。つまり、a2−Φ<a1<a2+Φの関係であるとき、a2とa1は一致したとする。これは、回折光が各貫通孔からの散乱光を考えているため、孔径Φの範囲では散乱が生じていると考えられるためである。
次に、例えば「b1の距離について周期構造を持つ貫通孔」の個数を数えて、画像上の全貫通孔の個数に対する割合を求める。この割合をc1としたとき、割合c1が周期構造を持つ貫通孔の割合であり、1−c1が周期構造からずれた貫通孔の割合となり、1−c1が上記の「ランダム」を決める数値となる。複数の距離、例えば「b1の距離について周期構造を持つ貫通孔」と「b2の距離について周期構造を持つ貫通孔」が存在した場合、b1とb2についてはそれぞれ別にカウントする。b1の距離について周期構造の割合がc1、b2の距離について周期構造の割合がc2であったとすると、(1−c1)と(1−c2)がともに10%以上である場合にその構造は「ランダム」となる。
一方で、(1−c1)と(1-c2)のいずれかが10%未満となる場合、その構造は周期構造を持つことになり「ランダム」ではない。このようにして、いずれの割合c1、c2、…に対しても「ランダム」の条件を満たす場合に、その構造を「ランダム」と定義する。
生産性としては、上記のランダム配列と同じく、大量にエッチング処理を行う観点から開口径にばらつきを許容した方が、生産性が向上する。また、耐久性の観点としては、環境によってほこりやごみのサイズが異なるため、もし1種類の開口径の貫通孔とすると、主要なゴミのサイズが貫通孔の開口径とほぼ合致するときに、全ての貫通孔に影響を与えることとなる。複数種類の開口径の貫通孔を設けておくことによって、様々な環境において適用できる防音構造となる。
貫通孔の最表面の直径より大きなゴミは貫通孔内に侵入せず、一方直径より小さなゴミは内部直径が大きくなっていることよりそのまま貫通孔内を通過できる。
これは、逆の形状で内部がすぼまっている形状を考えると、貫通孔の最表面を通ったゴミが内部の直径が小さい部分に引っかかり、ゴミがそのまま残りやすいことと比較すると、内部で最大径となる形状がゴミの詰まり抑制では有利に機能することがわかる。
また、いわゆるテーパー形状のように、膜のどちらか一方の表面が最大径となり、内部直径が略単調減少する形状においては、最大径となる方から「最大径>ゴミのサイズ>もう一方の表面の直径」の関係を満たすゴミが入った場合に、内部形状がスロープのように機能して途中で詰まる可能性がさらに大きくなる。
ここで、表面粗さRaは貫通孔内をAFM(Atomic Force Microscope)で計測することによって測定を行うことができる。AFMとしては、例えば、株式会社日立ハイテクサイエンス社製 SPA300を用いることができる。カンチレバーはOMCL−AC200TSを用い、DFM(Dynamic Force Mode)モードで測定することができる。貫通孔の内壁面の表面粗さは、数ミクロン程度であるため、数ミクロンの測定範囲および精度を有する点から、AFMを用いることが好ましい。
なお、図19は、後述する実施例1のサンプルに関して、SEM写真を撮影したものである。
具体的には、2000倍で撮影したSEM画像をImage Jに取り込み、凸部が白となるように白黒に二値化し、その各凸部の面積をAnalyze Particlesにて求める。その各面積と同一面積となる円を想定した円相当直径を各凸部について求めて、その平均値を平均粒径として算出した。このSEM画像の撮影範囲は100μm×100μm程度となる。
例えば、後述する実施例1の粒径は1〜3μm程度に分布しており、平均すると2μm程度である。この凸部の平均粒径は0.1μm以上10.0μm以下であることが好ましく、0.15μm以上5.0μm以下であることがより好ましい。
後述する実施例1に対応する設計のシミュレーションで計算後に貫通孔内の速度を算出した。貫通孔内の速度は音圧が1[Pa](=94dB)のときに5×10-2(m/s)程度、60dBのときに1×10-3(m/s)程度となる。
周波数2500Hzの音を吸音するとき、局所速度より、音波を媒介する媒質の局所的な移動速度が分かる。それより、もし貫通孔の貫通方向に粒子が振動していると仮定して、移動距離を求めた。音は振動しているため、その距離振幅は半周期内に移動できる距離となる。2500Hzでは、一周期が1/2500秒であるため、その半分の時間は同じ方向にできる。局所速度から求められる音波半周期での最大移動距離(音響移動距離)は、94dBで10μm、60dBで0.2μmとなる。よって、この音響移動距離程度の表面粗さを持つことによって摩擦が増加するため、上述した表面粗さRaの範囲、および、凸部の平均粒径の範囲が好ましい。
また、貫通孔の平均開口径が100μm以上250μm以下の場合には、貫通孔の平均開口率rhoが0.005から0.010の間であるのが好ましい。この点については、後述する実施例で詳細に説明する。
本発明の防音構造に用いられる、微細な貫通孔を有する膜を壁表面や目に見えるところに配置する場合、貫通孔自体が見えてしまうとデザイン性を損ない、見た目として孔があいていることが気になるため、貫通孔が見えにくいことが望ましい。部屋内の防音壁、調音壁、防音パネル、調音パネル、および、機械の外装部分など様々なところで貫通孔が見えてしまうと問題になる。
以下、人間の目の分解能が視力1の場合において議論する。
視力1の定義は1分角を分解して見えることである。これは30cmの距離で87μmが分解できることを示す。視力1の場合の距離と分解能との関係を図63に示す。
貫通孔が見えるかどうかは、上記視力に強く関係する。視力検査をランドルト環のギャップ部分の認識で行うように、二点及び/又は二線分間の空白が見えるかは分解能に依存する。すなわち、目の分解能未満の開口径の貫通孔は、貫通孔のエッヂ間の距離が目で分解ができないため視認が困難となる。一方で目の分解能以上の開口径の貫通孔の形状は認識できる。
視力1の場合、100μmの貫通孔は35cmの距離から分解できるが、50μmの貫通孔は18cm、20μmの貫通孔は7cmの距離まで近づかないと分解することができない。よって、100μmの貫通孔では視認できて気になる場合でも、20μmの貫通孔を用いることで1/5の極めて近い距離に近づかない限り認識できない。よって、開口径が小さい方が貫通孔の隠ぺいに有利となる。防音構造を壁や車内に用いたときに観察者からの距離は一般的に数10cmの距離となるが、その場合は開口径100μm程度がその境目となる。
一方で、ランダムに配列した場合は上記の回折現象が生じない。後述する実施例で作製した微細な貫通孔を形成したアルミニウム膜はいずれも、蛍光灯にすかしてみても回折光による色み変化は見えないことを確認した。また、反射配置で眺めても見た目は通常のアルミニウム箔と同等の金属光沢を有し、回折反射が生じていないことを確認した。
吸音性能、小型化、通気性および光の透過性の観点から、膜の厚みは、5μm〜500μmが好ましく、10μm〜300μmがより好ましく、20μm〜100μmが特に好ましい。
接着剤を用いる方法は、接着剤を枠14の枠孔部12を囲む表面(端面)上に接着剤を塗布し、その上に膜16を載置し、膜16を接着剤で枠14に固定する。接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤(アラルダイト(登録商標)(ニチバン(株)社製)等)、シアノアクリレート系接着剤(アロンアルフア(登録商標)(東亞合成(株)社製)など)、アクリル系接着剤等を挙げることができる。
物理的な固定具を用いる方法としては、枠14の枠孔部12を覆うように配置された膜16を枠14と棒等の固定部材との間に挟み、固定部材をネジやビス等の固定具を用いて枠14に固定する方法等を挙げることができる。
また、両面テープ(例えば日東電工(株)製、3M製のもの)を枠の枠孔部サイズに合わせて切り取り、その上から膜16を固定することもできる。
ヤング率が高く、厚みが薄くても振動が起きにくく、微小な貫通孔での摩擦による吸音の効果が得られやすい等の観点から、金属材料を用いるのが好ましい。なかでも、軽量である、エッチング等により微小な貫通孔を形成しやすい、入手性やコスト等の観点からアルミニウムを用いるのが好ましい。
さらに、少なくとも貫通孔の内表面に金属めっきを施すことによって、貫通孔の平均開口径をより小さい範囲に調整してもよい。
また、膜の材料として金属材料を用いることによって、耐熱性を高くできる。また、耐オゾン性を高くすることができる。
金属に複数の微細な貫通孔が開いた構造は、周波数のハイパスフィルターとして機能することが知られている。例えば、電子レンジの金属の網目がついた窓は、高周波である可視光は通しながら、電子レンジに用いられるマイクロ波に対しては遮蔽する性質を持つ。この場合、貫通孔の孔径をΦ、電磁波の波長をλとしたときに、Φ<λの関係の長波長成分は通さず、Φ>λである短波長成分は透過するフィルターとして機能する。
ここで、輻射熱に対する応答を考える。輻射熱とは、物体から物体温度に応じて遠赤外線が放射され、それが他の物体に伝えられる伝熱機構である。ヴィーンの放射法則(Wien's radiation law)から、室温程度の環境における輻射熱はλ=10μmを中心として分布し、長波長側にはその3倍程度の波長まで(30μmまで)は実効的に熱を輻射で伝えることに寄与していることが知られている。上記ハイパスフィルターの孔径Φと波長λの関係を考えると、Φ=20μmの場合はλ>20μmの成分を強く遮蔽する一方で、Φ=50μmの場合はΦ>λの関係となり輻射熱が貫通孔を通って伝搬してしまう。すなわち、孔径Φが数10μmであるために孔径Φの違いによって輻射熱の伝搬性能が大きく変わり、孔径Φ、すなわち、平均開口径が小さいほど輻射熱カットフィルターとして機能することが分かる。従って、輻射熱による伝熱を防ぐ断熱材としての観点からは、膜に形成される貫通孔の平均開口径は20μm以下が好ましい。
上記アルマイト処理と合わせることで、さまざまな色みやデザインをつけることができる。
枠14と膜16とが一体となった構成は、圧縮成形、射出成形、インプリント、削り出し加工、および3次元形状形成(3D)プリンタを用いた加工方法などの単純な工程で作製することができる。
膜として用いられるアルミニウム基材は、特に限定はされず、例えば、JIS規格H4000に記載されている合金番号1085、1N30、3003等の公知のアルミニウム基材を用いることができる。なお、アルミニウム基材は、アルミニウムを主成分とし、微量の異元素を含む合金板である。
アルミニウム基材の厚みとしては、特に限定はないが、5μm〜1000μmが好ましく、5μm〜200μmがより好ましく、10μm〜100μmが特に好ましい。
次に、複数の貫通孔を有する膜の製造方法について、アルミニウム基材を用いる場合を例に説明する。
アルミニウム基材を用いた膜の製造方法は、
アルミニウム基材の表面に水酸化アルミニウムを主成分とする皮膜を形成する皮膜形成工程と、
皮膜形成工程の後に、貫通孔形成処理を行って貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
貫通孔形成工程の後に、水酸化アルミニウム皮膜を除去する皮膜除去工程と、
を有する。
皮膜形成工程と貫通孔形成工程と皮膜除去工程とを有することにより、平均開口径が0.1μm以上250μm以下の貫通孔を好適に形成することができる。
膜の製造方法は、図14A〜図14Eに示すように、アルミニウム基材11の一方の主面に対して皮膜形成処理を施し、水酸化アルミニウム皮膜13を形成する皮膜形成工程(図14Aおよび図14B)と、皮膜形成工程の後に電解溶解処理を施して貫通孔17を形成し、アルミニウム基材11および水酸化アルミニウム皮膜13に貫通孔を形成する貫通孔形成工程(図14Bおよび図14C)と、貫通孔形成工程の後に、水酸化アルミニウム皮膜13を除去し、貫通孔17を有する膜16を作製する皮膜除去工程(図14Cおよび図14D)と、を有する製造方法である。
また、膜の製造方法は、皮膜除去工程の後に、貫通孔17を有する膜16に電気化学的粗面化処理を施し、膜16の表面を粗面化する粗面化処理工程(図14Dおよび図14E)を有しているのが好ましい。
本発明において、板状部材の製造方法が有する皮膜形成工程は、アルミニウム基材の表面に皮膜形成処理を施し、水酸化アルミニウム皮膜を形成する工程である。
上記皮膜形成処理は特に限定されず、例えば、従来公知の水酸化アルミニウム皮膜の形成処理と同様の処理を施すことができる。
皮膜形成処理としては、例えば、特開2011−201123号公報の[0013]〜[0026]段落に記載された条件や装置を適宜採用することができる。
硝酸、塩酸を含む電解液中で電気化学的処理を行う場合には、アルミニウム基材と対極との間に直流を印加してもよく、交流を印加してもよい。アルミニウム基材に直流を印加する場合においては、電流密度は、1〜60A/dm2であるのが好ましく、5〜50A/dm2であるのがより好ましい。連続的に電気化学的処理を行う場合には、アルミニウム基材に、電解液を介して給電する液給電方式により行うのが好ましい。
貫通孔形成工程は、皮膜形成工程の後に電解溶解処理を施し、貫通孔を形成する工程である。
上記電解溶解処理は特に限定されず、直流または交流を用い、酸性溶液を電解液に用いることができる。中でも、硝酸、塩酸の少なくとも1以上の酸を用いて電気化学処理を行うのが好ましく、これらの酸に加えて硫酸、燐酸、シュウ酸の少なくとも1以上の混酸を用いて電気化学的処理を行うのが更に好ましい。
また、上記酸を主体とする水溶液には、鉄、銅、マンガン、ニッケル、チタン、マグネシウム、シリカ等のアルミニウム合金中に含まれる金属が溶解していてもよい。好ましくは、酸の濃度0.1〜2質量%の水溶液にアルミニウムイオンが1〜100g/Lとなるように、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム等を添加した液を用いることが好ましい。
本発明においては、硝酸を主体とする電解液を用いた電気化学的溶解処理(以下、「硝酸溶解処理」とも略す。)により、容易に、平均開口径が0.1μm以上250μm以下となる貫通孔を形成することができる。
ここで、硝酸溶解処理は、貫通孔形成の溶解ポイントを制御しやすい理由から、直流電流を用い、平均電流密度を5A/dm2以上とし、かつ、電気量を50C/dm2以上とする条件で施す電解処理であるであるのが好ましい。なお、平均電流密度は100A/dm2以下であるのが好ましく、電気量は10000C/dm2以下であるのが好ましい。
また、硝酸電解における電解液の濃度や温度は特に限定されず、高濃度、例えば、硝酸濃度15〜35質量%の硝酸電解液を用いて30〜60℃で電解を行ったり、硝酸濃度0.7〜2質量%の硝酸電解液を用いて高温、例えば、80℃以上で電解を行うことができる。
また、上記硝酸電解液に濃度0.1〜50質量%の硫酸、シュウ酸、燐酸の少なくとも1つを混ぜた電解液を用いて電解を行うことができる。
本発明においては、塩酸を主体とする電解液を用いた電気化学的溶解処理(以下、「塩酸溶解処理」とも略す。)によっても、容易に、平均開口径が1μm以上250μm以下となる貫通孔を形成することができる。
ここで、塩酸溶解処理は、貫通孔形成の溶解ポイントを制御しやすい理由から、直流電流を用い、平均電流密度を5A/dm2以上とし、かつ、電気量を50C/dm2以上とする条件で施す電解処理であるのが好ましい。なお、平均電流密度は100A/dm2以下であるのが好ましく、電気量は10000C/dm2以下であるのが好ましい。
また、塩酸電解における電解液の濃度や温度は特に限定されず、高濃度、例えば、塩酸濃度10〜35質量%の塩酸電解液を用いて30〜60℃で電解を行ったり、塩酸濃度0.7〜2質量%の塩酸電解液を用いて高温、例えば、80℃以上で電解を行うことができる。
また、上記塩酸電解液に濃度0.1〜50質量%の硫酸、シュウ酸、燐酸の少なくとも1つを混ぜた電解液を用いて電解を行うことができる。
皮膜除去工程は、化学的溶解処理を行って水酸化アルミニウム皮膜を除去する工程である。
上記皮膜除去工程は、例えば、後述する酸エッチング処理やアルカリエッチング処理を施すことにより水酸化アルミニウム皮膜を除去することができる。
上記溶解処理は、アルミニウムよりも水酸化アルミニウムを優先的に溶解させる溶液(以下、「水酸化アルミニウム溶解液」という。)を用いて水酸化アルミニウム皮膜を溶解させる処理である。
ジルコニウム系化合物としては、例えば、フッ化ジルコンアンモニウム、フッ化ジルコニウム、塩化ジルコニウムが挙げられる。
チタン化合物としては、例えば、酸化チタン、硫化チタンが挙げられる。
リチウム塩としては、例えば、フッ化リチウム、塩化リチウムが挙げられる。
セリウム塩としては、例えば、フッ化セリウム、塩化セリウムが挙げられる。
マグネシウム塩としては、例えば、硫化マグネシウムが挙げられる。
マンガン化合物としては、例えば、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カルシウムが挙げられる。
モリブデン化合物としては、例えば、モリブデン酸ナトリウムが挙げられる。
マグネシウム化合物としては、例えば、フッ化マグネシウム・五水和物が挙げられる。
バリウム化合物としては、例えば、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウム、塩素酸バリウム、塩化バリウム、フッ化バリウム、ヨウ化バリウム、乳酸バリウム、シュウ酸バリウム、過塩素酸バリウム、セレン酸バリウム、亜セレン酸バリウム、ステアリン酸バリウム、亜硫酸バリウム、チタン酸バリウム、水酸化バリウム、硝酸バリウム、あるいはこれらの水和物等が挙げられる。
上記バリウム化合物の中でも、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウムが好ましく、酸化バリウムが特に好ましい。
ハロゲン単体としては、例えば、塩素、フッ素、臭素が挙げられる。
酸濃度としては、0.01mol/L以上であるのが好ましく、0.05mol/L以上であるのがより好ましく、0.1mol/L以上であるのが更に好ましい。上限は特にないが、一般的には10mol/L以下であるのが好ましく、5mol/L以下であるのがより好ましい。
浸せき処理の時間は、10分以上であるのが好ましく、1時間以上であるのがより好ましく、3時間以上、5時間以上であるのが更に好ましい。
アルカリエッチング処理は、上記水酸化アルミニウム皮膜をアルカリ溶液に接触させることにより、表層を溶解させる処理である。
本発明において、膜の製造方法が有していてもよい任意の粗面化処理工程は、水酸化アルミニウム皮膜を除去したアルミニウム基材に対して電気化学的粗面化処理(以下、「電解粗面化処理」とも略す。)を施し、アルミニウム基材の表面ないし裏面を粗面化する工程である。
なお、上記実施形態では、貫通孔を形成した後に粗面化処理を行う構成としたが、これに限定はされず、粗面化処理の後に貫通孔を形成する構成としてもよい。
あるいは、塩酸を主体とする電解液を用いた電気化学的粗面化処理(以下、「塩酸電解」とも略す。)によっても、粗面化することができる。
本発明において、膜の製造方法は、上述した電解溶解処理により形成された貫通孔の平均開口径を0.1μm〜20μm程度の小さい範囲に調整できる理由から、上述した皮膜除去工程の後に、少なくとも貫通孔の内壁を含むアルミニウム基材の表面の一部または全部をアルミニウム以外の金属で被覆する金属被覆工程を有しているのが好ましい。
ここで、「少なくとも貫通孔の内壁を含むアルミニウム基材の表面の一部または全部をアルミニウム以外の金属で被覆する」とは、貫通孔の内壁を含むアルミニウム基材の全表面のうち、少なくとも貫通孔の内壁については被覆されていることを意味しており、内壁以外の表面は、被覆されていなくてもよく、一部または全部が被覆されていてもよい。
上記置換処理は、少なくとも貫通孔の内壁を含むアルミニウム基材の表面の一部または全部に、亜鉛または亜鉛合金を置換めっきする処理である。
置換めっき液としては、例えば、水酸化ナトリウム120g/L、酸化亜鉛20g/L、結晶性塩化第二鉄2g/L、ロッセル塩50g/L、硝酸ナトリウム1g/Lの混合溶液などが挙げられる。
また、市販のZnまたはZn合金めっき液を使用してもよく、例えば、奥野製薬工業株式会社製サブスターZn−1、Zn−2、Zn−3、Zn−8、Zn−10、Zn−111、Zn−222、Zn−291等を使用することができる。
このような置換めっき液へのアルミニウム基材の浸漬時間は15秒〜40秒であるのが好ましく、浸漬温度は20〜50℃であるのが好ましい。
上述した置換処理により、アルミニウム基材の表面に亜鉛または亜鉛合金を置換めっきして亜鉛皮膜を形成させた場合は、例えば、後述する無電解めっきにより亜鉛皮膜をニッケルに置換させた後、後述する電解めっきにより各種金属を析出させる、めっき処理を施すのが好ましい。
無電解めっき処理に用いるニッケルめっき液としては、市販品が幅広く使用でき、例えば、硫酸ニッケル30g/L、次亜リン酸ソーダ20g/L、クエン酸アンモニウム50g/Lを含む水溶液などが挙げられる。
また、ニッケル合金めっき液としては、りん化合物が還元剤となるNi−P合金めっき液やホウ素化合物が還元剤となるNi−Bメッキ液などが挙げられる。
このようなニッケルめっき液やニッケル合金めっき液への浸漬時間は15秒〜10分であるのが好ましく、浸漬温度は30℃〜90℃であるのが好ましい。
電解めっき処理として、例えば、Cuを電気めっきする場合のめっき液は、例えば、硫酸Cu60〜110g/L、硫酸160〜200g/Lおよび塩酸0.1〜0.15mL/Lを純水に加え、さらに奥野製薬株式会社製 トップルチナSFベースWR 1.5〜5.0mL/L、トップルチナSF−B 0.5〜2.0mL/L及びトップルチナSFレベラー 3.0〜10mL/Lを添加剤として加えためっき液が挙げられる。
このような銅めっき液への浸漬時間は、Cu膜の厚さによるため特に限定されないが、例えば、2μmのCu膜をつける場合は、電流密度2A/dmで約5分間浸漬するのが好ましく、浸漬温度は20℃〜30℃であるのが好ましい。
本発明においては、上述した各処理の工程終了後には水洗を行うのが好ましい。水洗には、純水、井水、水道水等を用いることができる。処理液の次工程への持ち込みを防ぐためにニップ装置を用いてもよい。
周知のように、RtoRとは、長尺な原材料を巻回してなるロールから、原材料を引き出して、長手方向に搬送しつつ、表面処理等の各種の処理を行い、処理済の原材料を、再度、ロール状に巻回する製造方法である。
上述のようなアルミニウム基材に貫通孔を形成する製造方法は、RtoRによって、20μm程度の貫通孔を容易に効率よく形成することができる。
例えば、膜としてPETフィルム等の樹脂フィルムを用いる場合には、レーザー加工などのエネルギを吸収する加工方法、もしくはパンチング、針加工などの物理的接触による機械加工方法で貫通孔を形成することができる。
図15に示す筒状構造10は、1つの防音セル18を有する防音構造20を2個、筒状部材22の開口22a内に配置した構成を有する。図15に示すように、2つの防音構造20は、開口22aの軸方向(開口断面に垂直な方向)に互いに離間して配置されている。
また、2つの防音構造20間の距離には限定はないが、図15に示すように、2つの防音構造20の間の距離L1は、枠14の幅W1の2倍以上であるのが好ましい。
前述のとおり、本発明の防音構造においては、枠が音場を回り込ませて、膜の両面側で圧力差を持たせることによって、貫通孔内を通る音場を作り出していると考えられる。つまり、枠は音場を乱す作用をする。防音セルが連結されている場合には、枠部分による音場の乱れが、1つ目の防音セルにも2つ目以降の防音セルにも影響できる。
しかしながら、例えば、2つの防音構造を開口断面に垂直な方向に配列して配置する場合には、2つの防音構造の間の間隙に音場が回り込んで進行方向が変化してしまうため、2つ目の防音構造の防音セルに対する影響が小さくなる場合がある。そこで、2つの防音構造20間の距離L1を防音セルの幅(枠の幅)W1の2倍以上離間して配置することによって、回折による音場が十分に元に戻り、2つ目の防音構造の枠部分による音場の乱れが、連結状態と同様となる。これにより、2つ目の防音構造による吸音の効果を十分に発現することができる。
膜を設置した面、および、枠孔部の開口面が開口部材等の他の構造に接触しない状態とし、開口部材等の他の構造により塞がれないように配置することによって、音が膜の貫通孔を適正に通過することができ、吸音の効果を十分に発現することができる。
[難燃性]
建材や機器内防音材として本発明の防音構造を持つ防音部材を使用する場合、難燃性であることが求められる。
そのため、膜は、難燃性のものが好ましい。膜としては、例えば難燃性のPETフィルムであるルミラー(登録商標)非ハロゲン難燃タイプZVシリーズ(東レ株式会社製)、テイジンテトロン(登録商標)UF(帝人株式会社製)、及び/又は難燃性ポリエステル系フィルムであるダイアラミー(登録商標)(三菱樹脂株式会社製)等を用いればよい。
また、枠も、難燃性の材質であることが好ましく、アルミニウム、ニッケル、タングステンおよび銅等の金属、セラミックなどの無機材料、ガラス材料、難燃性ポリカーボネート(例えば、PCMUPY610(タキロン株式会社製))、及び/又はや難燃性アクリル(例えば、アクリライト(登録商標)FR1(三菱レイヨン株式会社製))などの難燃性プラスチックなどが挙げられる。
さらに、膜を枠に固定する方法も、難燃性接着剤(スリーボンド1537シリーズ(株式会社スリーボンド社製))、半田による接着方法、又は2つの枠で膜を挟み固定するなどの機械的な固定方法が好ましい。
環境温度変化にともなう、本発明の防音構造の構造部材の膨張伸縮により防音特性が変化してしまう懸念があるため、この構造部材を構成する材質は、耐熱性、特に低熱収縮のものが好ましい。
膜は、例えばテイジンテトロン(登録商標)フィルム SLA(帝人デュポンフィルム株式会社製)、PENフィルム テオネックス(登録商標)(帝人デュポンフィルム株式会社製)、及び/又はルミラー(登録商標)オフアニール低収縮タイプ(東レ株式会社製)などを使用することが好ましい。また、一般にプラスチック材料よりも熱膨張率の小さいアルミニウム等の金属膜を用いることも好ましい。
また、枠は、ポリイミド樹脂(TECASINT4111(エンズィンガージャパン株式会社製))、及び/又はガラス繊維強化樹脂(TECAPEEKGF30(エンズィンガージャパン株式会社製))などの耐熱プラスチックを用いること、及び/又はアルミニウム等の金属、又はセラミック等の無機材料やガラス材料を用いることが好ましい。
さらに、接着剤も、耐熱接着剤(TB3732(株式会社スリーボンド社製)、超耐熱1成分収縮型RTVシリコーン接着シール材(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製)、及び/又は耐熱性無機接着剤アロンセラミック(登録商標)(東亞合成株式会社製)など)を用いることが好ましい。これら接着を膜または枠に塗布する際は、1μm以下の厚みにすることによって、膨張収縮量を低減できることが好ましい。
屋外や光が差す場所に本発明の防音構造を持つ防音部材が配置された場合、構造部材の耐侯性が問題となる。
そのため、膜は、特殊ポリオレフィンフィルム(アートプライ(登録商標)(三菱樹脂株式会社製))、アクリル樹脂フィルム(アクリプレン(三菱レイヨン株式会社製))、及び/又はスコッチカルフィルム(商標)(3M社製)等の耐侯性フィルムを用いることが好ましい。
また、枠材は、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリル(アクリル)などの耐侯性が高いプラスチックやアルミニウム等の金属、セラミック等の無機材料、及び/又はガラス材料を用いることが好ましい。
さらに、接着剤も、エポキシ樹脂系のもの、及び/又はドライフレックス(リペアケアインターナショナル社製)などの耐侯性の高い接着剤を用いることが好ましい。
耐湿性についても、高い耐湿性を有する膜、枠、及び接着剤を適宜選択することが好ましい。吸水性、耐薬品性に関しても適切な膜、枠、及び接着剤を適宜選択することが好ましい。
長期間の使用においては、膜表面にゴミが付着し、本発明の防音構造の防音特性に影響を与える可能性がある。そのため、ゴミの付着を防ぐ、または付着したゴミ取り除くことが好ましい。
ゴミを防ぐ方法として、ゴミが付着し難い材質の膜を用いることが好ましい。例えば、導電性フィルム(フレクリア(登録商標)(TDK株式会社製)、及び/又はNCF(長岡産業株式会社製))などを用いることによって、膜が帯電しないことにより、帯電によるゴミの付着を防ぐことができる。また、フッ素樹脂フィルム(ダイノックフィルム(商標)(3M社製))、及び/又は親水性フィルム(ミラクリーン(ライフガード株式会社製)、RIVEX(リケンテクノス株式会社製)、及び/又はSH2CLHF(3M社製))を用いることでも、ゴミの付着を抑制できる。さらに、光触媒フィルム(ラクリーン(株式会社きもと社製))を用いることでも、膜の汚れを防ぐことができる。これらの導電性、親水性、及び/又は光触媒性を有するスプレー、及び/又はフッ素化合物を含むスプレーを膜に塗布することでも同様の効果を得ることができる。
例えば、図45、及び図46にそれぞれ示す防音部材30a、及び30bのように、膜16上に所定の距離離間して膜を覆うようにカバー32を配置することによって、膜16上に直接風やゴミが当たらないようにできる。なお、カバーは少なくとも一部が枠に固定されるのが好ましい。また、大きな網目のメッシュなど隙間があるカバーは、スプレーのり等を用いて膜に直接張り付けて配置してもよい。これにより、膜が破けにくくなる。
付着したゴミを取り除く方法としては、膜の共鳴周波数の音を放射し、膜を強く振動させることによって、ゴミを取り除くことができる。また、ブロワー、又はふき取りを用いても同様の効果を得ることができる。
強い風が膜に当たることによって、膜が押された状態となり、共鳴周波数が変化する可能性がある。そのため、膜上に、不織布、ウレタン、及び/又はフィルムなどでカバーすることによって、風の影響を抑制することができる。上記のゴミの場合と同様に、図45、及び図46にそれぞれ示す防音部材30a、及び30bのように、膜16上にカバー32を設けて、膜16上に直接風が当たらないように、配置することが好ましい。
また、図47に示す防音部材30cのように、膜が音波に対し傾いている構造では、直接風Wが膜16に当たるのを防ぐ風防止枠34を膜16の上部に設けることが好ましい。
さらに、最も望ましい風よけの形態として、図48に示したように膜16上にカバー32を設け、それらの間を閉塞するように風防止枠34で囲むことによって、膜16に対して垂直方向から当たる風も、平行方向から当たる風も防ぐことができる。
さらに、図49に示す防音部材30dのように、防音部材側面で風Wをさえぎることによる乱流の発生による影響(膜への風圧、風切り音)を抑制するため、防音部材側面に風Wを整流する整流板等の整流機構35を設けることが好ましい。
前述のとおり、複数の防音セルを有する場合には、複数の枠14が連続した1つの枠体によって構成される構成であってもよく、あるいは、1つの枠とそれに取り付けられた1枚の膜とを持つ単位ユニットセルとしての防音セルを複数有するものであっても良い。即ち、本発明の防音構造を有する防音部材は、必ずしも1つの連続した枠体によって構成されている必要はなく、単位ユニットセルとして枠構造とそれに取り付けられた膜構造とを持つ構造を持つ防音セルであっても良く、このような単位ユニットセルを独立に使用する、もしくは複数の単位ユニットセルを連結させて使用することもできる。
複数の単位ユニットセルの連結の方法としては、後述するが、枠体部にマジックテープ(登録商標)、磁石、ボタン、吸盤、及び/又は凹凸部を取り付けて組み合わせてもよいし、テープなどを用いて複数の単位ユニットセルを連結させることもできる。
本発明の防音構造を有する防音部材を壁等に簡易に取り付け、又は取外しできるようにするため、防音部材に磁性体、マジックテープ(登録商標)、ボタン、吸盤などからなる脱着機構が取り付けられていることが好ましい。例えば、図50に示すように、防音部材(防音セルユニット)30eの枠部材の外側の枠14の底面に脱着機構36を取付けて置き、防音部材30eに取り付けられた脱着機構36を筒状部材22内に取付けて、防音部材30eを筒状部材22内に配置するようにしても良いし、図51に示すように、防音部材30eに取り付けられた脱着機構36を筒状部材22から取り外して、防音部材30eを筒状部材22から離脱させるようにしても良い。
また、防音セルに凹凸部を設け、例えば図53に示すように、防音セル31dに凸部42aを設け、かつ防音セル31eに凹部42bを設け、それらの凸部42aと凹部42bとをかみ合わせで防音セル31dと防音セル31eとの脱着を行ってもよい。複数の防音セルを組み合わせることができれば、1つの防音セルに凸部及び凹部の両方を設けても良い。
更に、上述した図52に示す脱着機構40と、図53に示す凸部42a及び凹部42bとを組み合わせて防音セルの着脱を行うようにしても良い。
本発明の防音構造を有する防音部材のサイズが大きくなるにつれ、枠が振動しやすくなり、膜振動に対し固定端としての機能が低下する。そのため、枠の高さを増して枠剛性を高めることが好ましい。しかし、枠の厚みを増すと防音部材の質量が増し、軽量である本防音部材の利点が低下していく。
そのため、高い剛性を維持したまま質量の増加を低減するために、枠に孔や溝を形成することが好ましい。例えば、図54に示す防音セル44の枠46に対して、図55に側面図として示すようにトラス構造を用いることによって、高い剛性かつ軽量を両立することができる。又は、図56に示す防音セル48の枠50に対して、図57に図56のA−A線矢視図として示すようにラーメン構造を用いることによって、高い剛性かつ軽量を両立することができる。
こうすることにより、高剛性化と軽量化を両立することができる。
なお、上述した図45〜図60においては、各膜16に形成される貫通孔の図示は省略している。
図16に示す防音パーティション62は、開口部材となるパーティションの枠体64の開口64a内に防音構造20を4つ並列に配置したものである。
例えば、図17に示す防音パーティション70は、パーティション本体72の上端側に防音構造20を4つ並列に配置した構成を有する。各防音構造20は、膜面がパーティション本体72の最大面と略同一面上になるように配置されている。
このように、パーティション本体72の上端側に防音構造20を配置する構成とした場合でも、音源Pの方向qに対して、防音構造20の膜16の膜面の垂線方向zが傾くように防音パーティション70を設置することによって、防音することができる。
例えば、本発明の防音構造を持つ防音部材としては、
建材用防音部材:建材用として使用する防音部材、
空気調和設備用防音部材:換気口、空調用ダクトなどに設置し、外部からの騒音を防ぐ防音部材、
外部開口部用防音部材:部屋の窓に設置し、室内又は室外からの騒音を防ぐ防音部材、
天井用防音部材:室内の天井に設置され、室内の音響を制御する防音部材、
床用防音部材:床に設置され、室内の音響を制御する防音部材、
内部開口部用防音部材:室内のドア、ふすまの部分に設置され、各部屋からの騒音を防ぐ防音部材、
トイレ用防音部材:トイレ内またはドア(室内外)部に設置、トイレからの騒音を防ぐ防音部材、
バルコニー用防音部材:バルコニーに設置し、自分のバルコニーまたは隣のバルコニーからの騒音を防ぐ防音部材、
室内調音用部材:部屋の音響を制御するための防音部材、
簡易防音室部材:簡易に組み立て可能で、移動も簡易な防音部材、
ペット用防音室部材:ペットの部屋を囲い、騒音を防ぐ防音部材、
アミューズメント施設:ゲームセンター、スポーツセンター、コンサートホール、映画館に設置される防音部材、
工事現場用仮囲い用の防音部材:工事現場を覆い周囲に騒音の漏れを防ぐ防音部材、
トンネル用の防音部材:トンネル内に設置し、トンネル内部および外部に漏れる騒音を防ぐ防音部材、等を挙げることができる。
<貫通孔を有する膜の作製>
平均厚さ20μm、大きさ210mm×297mm(A4サイズ)のアルミニウム基材(JIS H−4160、合金番号:1N30−H、アルミニウム純度:99.30%)の表面に、以下に示す処理を施し、複数の貫通孔17を有する膜16を作製した。
50℃に保温した電解液(硝酸濃度10g/L、硫酸濃度6g/L、アルミニウム濃度4.5g/L、流量0.3m/s)を用いて、上記アルミニウム基材を陰極として、電気量総和が1000C/dm2の条件下で20秒間、電解処理を施し、アルミニウム基材に水酸化アルミ皮膜を形成した。なお、電解処理は、直流電源で行った。電流密度は、50A/dm2とした。
水酸化アルミニウム皮膜形成後、スプレーによる水洗を行った。
次いで、50℃に保温した電解液(硝酸濃度10g/L、硫酸濃度6g/L、アルミニウム濃度4.5g/L、流量0.3m/s)を用いて、アルミニウム基材を陽極として、電気量総和が600C/dm2の条件下で24秒間、電解処理を施し、アルミニウム基材及び水酸化アルミ皮膜に貫通孔を形成した。なお、電解処理は、直流電源で行った。電流密度は、25A/dm2とした。
貫通孔の形成後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させた。
次いで、電解溶解処理後のアルミニウム基材を、水酸化ナトリウム濃度50g/L、アルミニウムイオン濃度3g/Lの水溶液(液温35℃)中に32秒間浸漬させた後、硝酸濃度10g/L、アルミニウムイオン濃度4.5g/Lの水溶液(液温50℃)中に40秒間浸漬させることにより、水酸化アルミニウム皮膜を溶解し、除去した。
その後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させることにより、複数の貫通孔17を有する膜16を作製した。
作製した膜の貫通孔の平均開口径および平均開口率を測定したところ、平均開口径24μm、平均開口率5.3%であった。
結果を図18に示す。
また、貫通孔の内壁面のSEM写真を撮影したものを図19に示す。
図18および図19より、貫通孔の内壁面が粗面化されていることがわかる。また、Raは、0.18(μm)であった。この場合の比表面積は49.6%であった。
アクリル板を加工して、20mm×20mm×20mmの立方体で、一辺が16mmの正方形状の枠孔部12を有する枠14を作製した。枠孔部12は貫通している。すなわち、枠孔部12を形成した面の外形が20mm×20mmで、枠孔部12の貫通方向の枠14の高さが20mmである。枠14のフレーム肉厚は2mmである。
作製した膜16を枠14の外形サイズに合わせて、20mm×20mmの大きさに切り取り、日東電工株式会社製の両面テープを用いて、枠14の枠孔部12の一方の端面を覆って膜16を枠14に固定し、防音セル18を作製した。
以下の説明においては、この枠孔部12の一方の端面に膜16を固定した構造を防音セルAという。
3つの防音セルAを、各防音セルAの膜16が同一面上となるように同じ方向に向けて、枠14部分をテープで固定して、直列に配列された3つの防音セルからなる実施例1の防音構造を作製した。
<音響特性>
作製した防音構造の音響特性を、自作のアクリル製音響管に4本のマイクを用いて伝達関数法により測定した。この手法は「ASTM E2611-09: Standard Test Method for Measurement of Normal Incidence Sound Transmission of Acoustical Materials Based on the Transfer Matrix Method」に従う。この測定法は、例えば、日本音響エンジニアリング株式会社が提供しているWinZacを用いた4本マイク測定法と同一の測定原理である。この方法で広いスペクトル帯域において音響透過損失を測定することができる。特に、透過率と反射率を同時に測定し、吸収率を1−(透過率+反射率)として求めることによって、サンプルの吸収率も正確に測定した。100Hz〜4000Hzの範囲で音響透過損失測定を行った。音響管の内径は40mmであり、4000Hz以上までは十分に測定することができる。
防音構造を音響管内に配置し、垂直音響透過率、反射率、吸収率を測定した。なお、以下の説明では、垂直音響透過率、反射率、吸収率をまとめて音響特性ともいう。なお、防音構造は、音響管の軸方向に対して、膜面が平行になるように配置した。
測定した結果を図20に示す。高周波になるにつれて吸収率の割合が上昇し、4000Hzにおいては69%に達することがわかる。
国際公開WO2016/060037号、および、国際公開WO2016/017380号を参考にして、実施例1における膜の作製条件を種々変更し、平均開口径および平均開口率の異なる膜を有する防音構造を作製した。
なお、比較例1の防音構造は、膜を有さない、枠孔部を有する枠のみからなる防音セルを3つ有する構造である。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図20に示す。
また、各実施例および比較例の平均開口径および平均開口率、ならびに、4000Hzの周波数における吸収率の測定結果を表1に示す。
膜の作製条件を変更し、平均開口径15μm、平均開口率3.7%の貫通孔を有する膜を作製し、この膜を枠に固定して防音セルBを作製した。
防音セルBの数1個〜6個それぞれで、防音セルBを直列に固定し防音構造を作製した。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。実施例5、7、10の測定結果を図21に示す。また、各実施例の平均開口径、平均開口率および防音セル数、ならびに、4000Hzの周波数における吸収率の測定結果を表2に示す。
また、防音セルの数が3個の実施例7と、実施例1〜4との対比から、平均開口径および平均開口率が小さいほどより吸収率が高くなることがわかる。
枠の高さを10mmにした以外はそれぞれ、実施例7および10と同様にして防音構造を作製した。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。実施例7、10〜12の平均開口径、平均開口率、防音セル数および枠の高さ、ならびに、4000Hzの周波数における吸収率の測定結果を表3に示す。
実施例7のように枠の厚みが20mmのときは、枠によって回折した音が枠を回り込んで膜面に到達するまでに往復40mm程度の位相ずれを生じる。これは4000Hzにおける音の波長約86mmの半分の長さに近く、膜の両面の位相差がほぼ1/2波長分の差となり、効果的に音が貫通孔を通過して圧力差が生じると考えられる。一方で、実施例11のように枠の厚みが10mmの場合は、回折による回り込みで生じる位相差が1/4波長程度でしかなく、効率的に貫通孔を音が通過していないために実施例7と比べて吸収率が小さいと考えられる。
膜の作製条件を変更し、平均開口径20μm、平均開口率4.2%の貫通孔を有する膜を作製した。
実施例13では、この膜を枠の片面に固定して防音セルを作製し、3つの防音セルを直列に固定して防音構造を作製した。
実施例14では、この膜を枠の両面に固定して防音セルを作製し、3つの防音セルを直列に固定して防音構造を作製した。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図22に示す。また、各実施例の平均開口径、平均開口率、防音セル数、枠厚みおよび膜配置、ならびに、4000Hzの周波数における吸収率の測定結果を表4に示す。
実施例15は、枠の枠孔部の大きさを20mm×20mmとし、枠の高さを12mmとし、実施例5と同様の膜を、枠の片面に固定する構成として防音セルを作製し、6つの防音セルを直列に連結して防音構造を作製した。
実施例16は、枠の両面に膜を固定する構成とした以外は実施例15と同様とした。
実施例17は、枠の高さを18mmとした以外は実施例16と同様とした。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図23に示す。また、各実施例の平均開口径、平均開口率、防音セル数、枠孔部サイズ、枠の高さおよび膜の配置、ならびに、4000Hzの周波数における吸収率の測定結果を表5に示す。
比較例2は、貫通孔を空けていない厚さ20μmのアルミニウム基材を膜として用いた以外は実施例7と同様にした。
比較例3は、厚さ20μmのアルミニウム基材の略中央に穴あけポンチを用いて直径3.5mmの貫通孔を形成したものを膜として用いた以外は実施例7と同様にした。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図24に示す。また、各実施例および比較例の平均開口径、平均開口率、防音セル数、枠孔部サイズ、枠の高さおよび膜の配置を表6に示す。
これに対して、実施例7は、比較例に比して広帯域で吸音しているのがわかる。これは、本発明の防音構造の吸音原理は、膜振動よりも、音が微細な貫通孔を通過する際の摩擦による吸音現象が支配的となっており、微細な貫通孔を通る吸音現象が共鳴現象を用いないために広帯域に渡って機能するためであると考えられる。
実施例18は、図9に示すように、一方の枠の側面に直径5mmの貫通した凹部を有し、他方の枠の側面に直径5mm、高さ2mm凸部を有し、凹部と凸部とを嵌合させて2つの防音セルを連結する構成とした以外は、実施例6と同様とした。
実施例19は、アクリル板を加工して、40mm×20mm×20mmの直方体で、40mm×20mmの面に、一辺が16mmの正方形状の枠孔部を2つ有する枠を作製し、2つの枠孔部それぞれを覆って膜を固定した以外は実施例6と同様とした。すなわち、2つの枠が一体的に形成された枠を用いる構成とした。
実施例20は、枠の形成材料としてアルミニウムを用いた以外は、実施例6と同様とした。
ここで、騒音源の方向に対する膜面の垂線方向の傾きと吸収率の関係を調べた。
実施例1における膜の作製条件を変更し、平均開口径20μm、平均開口率3.7%の貫通孔が形成された、厚み20μm、材質アルミニウムの膜を作製した。
作製した膜を実施例1と同様の枠(枠孔部16mm×16mm、枠の高さ20mm)に取り付け周囲を固定した防音セルを1セル有する防音構造を作製した。膜は枠の片側に取り付けた。
測定結果を図26に示す。
これに対して、音響管の開口断面に垂直な方向に対する膜面の垂線方向の角度を45度〜90度とした場合では、膜は揺れにくく、回り込みによる貫通孔での摩擦が生じやすいため、広い周波数帯域で吸収率が高くなる。よって、広帯域での吸音のためには45度〜90度の、直交も含む傾けた配置が望ましい。
次に、上記と同じ膜を枠の両面に固定した防音セルを1つ有する防音構造を作製した。
作製した防音構造を上記と同様に音響管の開口断面に垂直な方向に対する膜面の垂線方向の角度を変えて音響管内に配置し、吸収率の測定を行った。
結果を図27に示す。
図27から、膜を枠の片面に固定した防音構造と同様に、音響管の開口断面に垂直な方向に対する膜面の垂線方向の角度が45度〜90度の場合の方が、45度未満の傾き角度の場合よりも吸収率が広帯域でかつ高周波領域で大きくなることがわかる。
実施例21は、図12に示すように、膜を固定した面が互いに反対側の面となるように防音セルを連結した以外は、実施例6と同様とした。
実施例22は、図13に示すように、膜を固定した面が互いに90°異なる面となるように防音セルを連結した以外は、実施例6と同様とした。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図28に示す。測定結果から、実施例6、21、22の吸音率の測定結果はほぼ一致することがわかる。すなわち、防音セルを連結する際の各防音セルの膜は、同一平面上になくてもよく、各防音セルの膜の向きは任意の向きでよいことがわかる。
実施例23〜26は、実施例6の防音セル2つを連結させずに防音セル間の距離をそれぞれ、10mm、20mm、30mm、40mmあけて音響管内に配置した構成とした。
作製した各防音構造について、実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図29および図30に示す。
図29および図30に示すように、防音セル間の距離が10mm〜30mmの実施例23〜25は、防音セルを連結した実施例6よりも全体的に吸収率が低くなるのがわかる。防音セル間の距離が40mmの実施例26では、防音セルを連結した実施例6と同程度の吸収率となるのがわかる。すなわち、防音セルを離間して配置する場合には、枠幅の2倍以上離すのが好ましいことがわかる。
ここまでの実施では、音響管を用いた平面波入射による吸収特性を測定した。実際のダクトなどに防音材として用いる場合は、より高周波も問題となり、ダクトサイズによっては平面波とは限らない騒音を防音する必要がある。
それを模擬するために、大きな模擬ダクト(筒内部が150mm×53mmの断面形状を有する長方形ダクト)100内に、図31に示すような防音構造20を2つ配置して、2000Hzから6500Hzまでの測定を行った。なお、音響管測定ではないため、吸収率の測定ではなく、模擬ダクトから出てきた音量をマイクロフォンで測定し透過損失を測定した。ダクトの端部に配置された騒音源102側は、騒音源の模擬ダクトの反対側を塞がれた構造となっている。マイクロフォンは模擬ダクトの騒音源と反対側の端部から200mm離した位置に固定した。
図31に示す防音構造は、実施例14の防音セルを2×3の計6個連結した構成である。
実施例27は、図32および図69に示すように、この防音構造2つを60mm離間して模擬ダクト内に配置した。図32は、2つの防音構造が配置された模擬ダクトの開口方向に垂直な断面の模式図であり、図69は、2つの防音構造が配置された模擬ダクトの模式的な斜視図である。なお、図69において説明のため、模擬ダクト内に配置される防音構造を実線で示している。また、貫通孔の図示を省略している。
比較例4は、防音構造に代えて、防音構造と同サイズのアクリル板2枚を模擬ダクト内に配置した。
実施例27は、2000Hz〜6500Hzという非常に広帯域な周波数に渡って消音でき、最大で15dB以上の消音を達成することがわかる。また、比較例4との比較から、微細な貫通孔を有する膜を枠に固定する構成により、ただの障害物がダクトの開口率を下げた効果以上に吸音効果が現れていることがわかる。この結果から、音響管測定だけではなく、実際のダクト構造などの一般の騒音に対しても本発明の防音構造が広帯域で吸音して効果的であることが分かる。
実施例28は、図34に示すように、2つの防音構造それぞれの一方の膜面側をそれぞれ模擬ダクトの内壁面に接して配置した以外は実施例27と同様にした。
実施例29は、図35に示すように、2つの防音構造を一方の膜面同士を密着させて中央に配置した以外は実施例27と同様にした。
作製した各防音構造について、実施例27と同様にして透過損失を測定した。測定結果を図36に示す。
図36に示すとおり、実施例27の配置が最も消音効果が大きく、強い透過損失ピークを複数示した。したがって、防音構造の膜面が壁と密着していたり、膜面同士が密着している配置よりも、防音構造の膜面を他のものから離した配置のほうが、消音効果がより大きくなることがわかる。
図37に示すように、防音構造を3つ配置する構成とした以外は、実施例27と同様とした。防音構造間の間隔は30mmとした。
作製した防音構造について、実施例27と同様にして透過損失を測定した。測定結果を図38に示す。防音構造の数を多くすることによって消音効果がより大きくなり、最大20dB以上の透過損失と、広帯域な消音効果が得られることがわかる。
実施例31として、膜の作製条件を変更して平均開口径46.5μm、平均開口率7.3%の貫通孔を有する膜とし、枠の高さを25mmとした以外は実施例1と同様にして防音構造を作製した。
また、実施例32として、図62に示すように、枠孔部内に吸音材を配置する構成とした以外は実施例31と同様にして防音構造を作製した。
作製した各防音構造について実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図64に示す。
また、枠は、ABS樹脂(アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂)製で3Dプリンター(XYZプリンティング社製)を用いて作製した。
実施例33として、枠の両端面に膜を固定した以外は実施例31と同様にして防音構造を作製した。
また、実施例34として、枠の両端面に膜を固定した以外は実施例32と同様にして防音構造を作製した。
作製した各防音構造について実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図65に示す。
実施例35として、膜の作製条件を変更して平均開口径16.4μm、平均開口率2.8%の貫通孔を有する膜とした以外は実施例31と同様にして防音構造を作製した。
また、実施例36として、枠孔部内に吸音材を配置する構成とした以外は実施例35と同様にして防音構造を作製した。吸音材は実施例32の吸音材と同様である。
作製した各防音構造について実施例1と同様にして吸収率を測定した。測定結果を図66に示す。
実施例37として、膜の材料をニッケルとし、平均開口径19.5μm、平均開口率6.2%の貫通孔を有する膜とした以外は、実施例31と同様にして防音構造を作製した。
実施例38として、枠の両端面に膜を固定する構成とした以外は実施例37と同様にして防音構造を作製した。
また、実施例39として、枠孔部内に吸音材を配置する構成とした以外は実施例37と同様にして防音構造を作製した。吸音材は実施例32の吸音材と同様である。
まず、シリコン基板に対してフォトリソグラフィーによるエッチング法を用いて、シリコン基板の表面に直径19.5μmの円柱形状の凸部を複数、所定の配列パターンで形成した。隣接する凸部間の中心間距離は70μmとし、配列パターンは、正方格子配列とした。このとき、凸部の占める面積割合は約6%となる。
次に、ニッケル電鋳法を用いて、凸部を形成したシリコン基板を原型としてニッケルをシリコン基板に電着させて厚み20μmのニッケル膜を形成した。その後、ニッケル膜をシリコン基板から剥離して、表面研磨を行った。これにより複数の貫通孔が正方格子配列で形成されたニッケル製の膜を作製した。
作製した膜をSEMを用いて評価したところ、平均開口径19.5μm、平均開口率6.2μm、厚み20μmであった。また、貫通孔が膜を厚み方向に完全に貫通していることも確認した。
図67および図68から、膜の材料をニッケルとした場合でも吸音性能を発揮できることがわかる。これは本発明の防音構造は膜に微細な貫通孔を複数形成されていることによって機能するため、膜の材料によらず効果を発揮できるためである。
また、図68から枠孔部内に吸音材を配置することで広い周波数帯で吸収率が高くなることがわかる。
<視認性>
次に、実施例1で作製したアルミニウム膜と、実施例37で作製したニッケル膜について貫通孔の視認性の評価を行った。
具体的には、図70に示すように、板状部材12を厚み5mmのアクリル板T上に載置し、アクリル板Tの主面から板状部材12とは反対方向に垂直に50cm離間した位置に点光源L(Nexus5(LGエレクトロニクス社製)の白色ライト)を配置した。また、板状部材12の主面から垂直に30cm離間した位置にカメラC(iPhone5s(Apple社製))を配置した。
次に、カメラで透過光を撮影した。撮影された結果は目視の場合と同様のものであることを確認した。
図71には、ニッケル膜の撮影結果を示し、図72には、アルミニウム膜の撮影結果を示す。
前述のとおり、実施例37で作製したニッケル膜においては、貫通孔が規則的に配列されている。そのため、図71に示すように、光の回折により虹色に広がりが見えてしまう。一方、実施例1で作製したアルミニウム膜においては、貫通孔がランダムに配列されている。そのため、図72に示すように、光の回折がなく白色光源がそのまま見える。
前述のとおり、本発明者らは、本発明の防音構造の吸音の原理が、微細な貫通孔を音が通過する際の摩擦であると推察した。
そのため、膜の微細な貫通孔の平均開口径と平均開口率を、摩擦が強まるように最適設計することが吸収率を大きくするために重要である。なぜならば、特に高周波領域では、膜振動も小さくなるために枠部材に取り付けた影響は大きくなく、貫通孔+膜自体の吸音特性で音を吸収していると考えられるからである。
そのために、微細な貫通孔による摩擦熱に関してシミュレーションを行った。
まず、実験との比較として実施例1で用いた貫通孔を有する膜単体に関して、実施例1で用いた音響管に緩く固定することによって膜としての吸収率を測定した。すなわち、枠に取り付けることなしにできるだけ固定端の影響を小さくなるようにして膜自体の評価を行うようにした。吸収率の測定結果を図39に参考例として示した。
シミュレーションでは、アルミニウムの物性値としてCOMSOLのライブラリの値を用いて、貫通孔内を熱音響モジュールで計算するようにし、膜振動と貫通孔内の摩擦による吸音を計算した。シミュレーション上で、膜の端部はローラ固定とすることによって膜が膜平面に垂線方向には自由に動くようにし、膜単体の系を再現するようにした。結果を図39にシミュレーションとして示した。
この結果によりシミュレーションが実験結果を再現することを担保できた。
また、吸収率の大きくなる平均開口率の範囲は、最適な平均開口率を中心にしてなだらかに広がっていることが分かる。
貫通孔の平均開口径が小さいときは、最適な平均開口率は膜の厚みによって異なるが、貫通孔の平均開口径が100μm程度以上では0.5%〜1.0%という、非常に小さい平均開口率が最適値となる。
上記、貫通孔の平均開口径に対する最適な平均開口率で、平均開口径が100μm以下の場合の計算を詳細に行った。厚み10μm、20μm、30μm、50μm、70μmのそれぞれに関して、貫通孔の平均開口径ごとの最適な平均開口率を示した結果を図43に両対数グラフで示した。グラフより、最適な平均開口率は貫通孔の平均開口径に対して、ほぼ−1.6乗で変化することを発見した。
、板状部材の厚みをt(μm)としたとき、最適な平均開口率は、
rho_center=a×phi-1.6、
a=2+0.25×tで決定されることを明らかにした。
このようにして、特に貫通孔の平均開口径が小さい場合には、最適な平均開口率は膜の厚みと貫通孔の平均開口径によって決定される。
どの平均開口径においても、吸収が最大となる最適な平均開口率を中心として吸収が大きい。特徴として、貫通孔の平均開口径が小さい方が、吸収率が大きくなる平均開口率の範囲が広い範囲に渡っている。また、最適な平均開口率よりも高い平均開口率側の方が、吸収率が大きくなる平均開口率の範囲が広い。
rho_center-0.085×(phi/20)-2
が下限の平均開口率であり、
rho_center+0.35×(phi/20)-2
が上限の平均開口率の範囲に入ることが必要である。ただし、平均開口率は0より大きく1より小さい範囲に制限される。
rho_center-0.24×(phi/10)-2
が下限の平均開口率であり、
rho_center+0.57×(phi/10)-2
が上限の平均開口率となる範囲であることが望ましい。ここで、できるだけ誤差を小さくするために、貫通の平均開口径の基準を10μmとした。
rho_center-0.185×(phi/10)-2
が下限の平均開口率であり、
rho_center+0.34×(phi/10)-2
が上限の平均開口率となる範囲であることがさらに望ましい。
以上のように、シミュレーションを用いて、貫通孔内の摩擦による吸音現象の特徴を明らかにした。
12 枠孔部
14、46、50、56 枠
14a 凸部
14b 凹部
16 膜
17 貫通孔
18、31a〜31e、44、48、54 防音セル
20 防音構造
22 筒状部材
22a、64a 開口
24 吸音材
30a〜30h、52 防音部材
32 カバー
34 風防止枠
35 整流機構
40 着脱機構
42a 凸部
42b 凹部
58 枠体
58a 両外側及び中央の枠材
58b その他の部分の枠材
61 空間
62、70 防音パーティション
64 枠体
100 模擬ダクト
72 パーティション本体
102 開口(騒音源)
Claims (26)
- 貫通する枠孔部を持つ枠と、前記枠孔部を覆い、かつ前記枠に対して固定された少なくとも1枚の膜と、を備える防音セルを有する防音構造であって、
前記膜は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔の平均開口径が0.1μm以上250μm以下であり、
防音対象とする音源の方向に対して、前記膜の膜面の垂線方向が傾いて配置されていることを特徴とする防音構造。 - 防音対象とする音源の方向に対して、前記膜の膜面の垂線方向の傾きが45度以上である請求項1に記載の防音構造。
- 前記枠の前記枠孔部のサイズが防音対象とする音の中で最大の長さとなる波長よりも小さい請求項1または2に記載の防音構造。
- 前記膜が、前記枠の前記枠孔部内に固定されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記膜から前記枠の両端面それぞれまでの距離が異なる請求項4に記載の防音構造。
- 前記枠に、前記膜が二枚以上固定されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記枠の前記枠孔部の両端面に前記膜が固定されている請求項1〜6のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記枠の前記枠孔部の一方の端面に前記膜が固定されている請求項1〜6のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記枠の前記枠孔部の一方の端面に前記膜が固定され、もう一方の端面は開放されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記貫通孔の内壁面の表面粗さRaが0.1μm〜10.0μmである請求項1〜9のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記貫通孔の内壁面が複数の粒子状形状で形成され、前記内壁面に形成された凸部の平均粒径が0.1μm〜10.0μmである請求項1〜9のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記膜の形成材料が金属である請求項1〜11のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記膜の形成材料がアルミニウムである請求項1〜12のいずれか一項に記載の防音構造。
- 前記防音セルを複数有する請求項1〜13のいずれか一項に記載の防音構造。
- 複数の前記防音セルが互いに連結されている請求項14に記載の防音構造。
- 複数の前記防音セルが着脱可能に連結されている請求項15に記載の防音構造。
- 前記貫通孔の平均開口径が0.1μm以上50μm以下である請求項1〜16のいずれか一項に記載の防音構造。
- 少なくとも一部の前記貫通孔の形状が、前記貫通孔の内部で最大径となる形状である請求項1〜17のいずれか一項に記載の防音構造。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の防音構造と、
開口を有する開口部材とを有し、前記開口部材の開口内に、前記開口部材の開口断面に垂直な方向に対して前記膜の膜面の垂線方向が交差するように前記防音構造を配置し、前記開口部材に気体が通過する通気口となる領域を設けた開口構造。 - 前記防音構造は、前記開口部材の開口端から開口端補正距離以内に配置されている請求項19に記載の開口構造。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の防音構造と、
開口を有する筒状部材とを有し、
前記筒状部材の開口内に、前記筒状部材の開口断面に垂直な方向に対して前記膜の膜面の垂線方向が交差するように前記防音構造を配置し、前記筒状部材に気体が通過する通気口となる領域を設けた筒状構造。 - 前記防音構造は、前記筒状部材の開口端から開口端補正距離以内に配置されている請求項21に記載の筒状構造。
- 前記筒状部材の開口内に2以上の前記防音構造を有する請求項21または22に記載の筒状構造。
- 2以上の前記防音構造が互いに離間して配置され、
2以上の前記防音構造の配列方向における、隣接する防音構造の間の距離の少なくとも一部は、前記枠の幅の2倍以上である請求項23に記載の筒状構造。 - 請求項1〜18のいずれか一項に記載の防音構造を有する窓部材。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の防音構造を有する仕切り部材。
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