JP7186238B2 - 音響システム - Google Patents

Description

本発明は、ファン等の送風機のような、風、及び／又は熱を含む流体を流す構造とそれに取り付けられたダクトとを含む音響システムに関する。本発明は、特に、ファンがダクト内において発する特定周波数騒音を効果的に消音する音響システムに関する。

従来からビル、及び住宅等において、ファンが取り付けられた空調用ダクトなどの通風用ダクトが、室内の空調、換気、及び／又は送風のために幅広く使用されているが、屋内の快適性、及び静寂性等の要求により、低騒音化、及び小型化が強く望まれている。
具体的には、ファンの羽根の枚数と回転速度とによって決まる特定周波数で卓越した騒音がファンの騒音の大きな問題となっている。

そこで、ダクト内に通常の多孔質吸音体を用いることもできるが、音を全体的に下げるだけであって、上記特定周波数だけ騒音が大きいという相対的な関係は変化させることが難しい。卓越した特定周波数音は、耳につきやすいことは音響心理学分野で知られていることであり、特定音だけを強く下げる方法が求められているが、通常の多孔質吸音体では困難である。
また、多孔質吸音体が、繊維系吸音体、又は劣化する素材で構成されている場合、その繊維、又ははがれた欠片がファンの風に運ばれて埃として舞ってしまうため、機器に影響を与えたり、環境に放出されるため好ましくない。
また、機器の小型化、及び軽量化要求は、大きく、できるだけ軽量、かつコンパクトに消音することが求められる。特に、ダクトの長さが非常に短い場合も多いため、消音構造には、ダクト流路方向のコンパクトさも求められている。

例えば、特許文献１には、冷却ファンと冷却ダクトとを有する機器、例えば液晶プロジェクタ装置等の投射型表示装置で使用される冷却ファンの騒音を効果的に抑制する消音装置が開示されている。
特許文献１に開示の消音装置は、冷却ダクト内であって、冷却ファンの吸気面に対向する位置に、吸気面と略平行に形成されて、冷却ファンからの音を反射する反射板と、反射板を挟んで冷却ファンと反対側に設けられた空気室と、反射板に設けられ、空気室と連通する貫通穴とから構成される共鳴型消音器を有している。この消音装置においては、冷却ファンの吸気面と冷却ダクトの流路方向が直角であり、冷却ファンの吸気面と、共鳴型消音器の反射板、例えばヘルムホルツ共鳴器の吸音面、板状吸音器の板面、又は膜状吸音器の膜面が対向している。この消音装置では、ファンとダクトとが直角であるため、ダクトの遮断周波数以上で音の高次モードを発生できる周波数のみがファンから出てダクトの方向に流れていく。即ち、ダクトの径を小さくすることで、ダクトの径で決まる遮断周波数が大きくなり、その周波数以下の音はダクトの流路方向への進行波とならずに、ファンと対向共鳴面の間に閉じ込められて吸音する。特許文献１に開示の消音装置では、小型かつ低コストで消音効果の高い静音ダクトを提供することができるとしている。

特許文献２は、車両に設けられ、空調装置から車室に送られる空気を通すダクトであって、エンジン音、及びロードノイズ等の比較的低い周波数の音を吸音することが可能なダクトを開示している。
特許文献２に開示のダクトは、開口した中空領域を有する筐体と、筐体に設けられた第１及び第２の孔と、中空領域の開口部を塞ぐ膜状、又は板状の振動体とをそれぞれ備える複数の吸音構造体が、各々の中空領域が第１及び第２の孔を介して連通するように、連結されているものである。このダクトの吸音は、筐体と膜面との間の中空領域の空間に孔が設けられていて、膜面の幅（水平）方向の長さをλ／４に合わせることで共鳴を生じた音を膜で吸音するメカニズムである。
特許文献２に開示のダクトでは、簡易な構成の吸音構造体が、音波を振動に変換して、音波エネルギを機械エネルギとして消費して吸音を行うとしている。また、この吸音構造体は、例えばエンジン室等から到来して車室に侵入したり、空調装置から到来して車室に浸入する低周波数の音を吸音するのに適しているとしている。

特許第４２１５７９０号公報 特許第５４９９４６０号公報

ところで、上述のような特定周波数を有する騒音に対して、共鳴構造を用いて消音を検討することができる。共鳴構造として、例えば、特許文献１に開示のヘルムホルツ共鳴構造、又は気柱共鳴構造を検討することができるが、これらの構造の特徴は、開口部を有することである。ファンのような風を流す系において、これらの共鳴体を配置すると、この開口部において風切り音が発生するという問題があった。例えば、気柱共鳴の構造は、空力騒音の中のキャビティ騒音を起こす構造そのものであり、新たな騒音を発生させてしまう。また、ヘルムホルツ共鳴体においても、ペットボトル口部に息を吹くと特定の音で鳴るように、開口部で発生した風切り音が共鳴体の影響で特定の音を強く発する構造となってしまう。これらより、開口部を有する共鳴構造体はファンのような風を流す系に適用することは難しい。

このため、本発明者らは、特許文献１に開示のように、膜型共鳴構造を用いてファンの羽根による特定周波数音を消音することを検討した。膜型共鳴構造には開口部が必要ないため、ヘルムホルツ共鳴構造、又は気柱共鳴構造のような、風に対して新たな風切り音の発生源とはならない。この状態でファンの特定騒音を共鳴現象によって消音することができる。
しかしながら、特許文献１に開示の消音装置では、膜状吸音器は、ファンの吸気面に対向して設けられており、冷却ダクトは、吸気ダクトとなっており、ファンの吸気側の騒音を消音することができても、ファンから風等の気流と共にダクトの下流側に伝播される騒音は、消音することができないという問題があった。

仮に、特許文献１に開示の消音装置の膜状吸音器をファンの下流側に配置したとしても、構成上ファンの風が共鳴体に垂直に当たるため、また、膜面に風圧が大きくかかることで膜の張力が変化するため、実効的に膜が硬くなり膜振動吸音構造として実際上は機能しないと考えられるという問題があった。更に、この場合、ファンの風方向とダクト方向が垂直な配置となっているため、風を大きく流そうとするとファンの風量はさらに大きくする必要があり、このようにすると膜にかかる風圧が大きくなるという問題があった。
また特許文献１に記載の貫通穴に起因する風切り音もファンに非常に近いために問題となる。
また、特許文献１に開示の消音装置では、ダクトの径を小さくしなければならないため、大きな風量を流す系に適用することができないという問題があった。

特許文献２に開示のダクトの吸音構造体では、膜の背面は、開放されており、共鳴のための背面閉空間を備えておらず、大きな消音効果を得ることができないという問題があった。
また、この吸音構造体は、中空領域と車室との音圧差によって膜等の振動体が振動して、車室に発生する所定の周波数帯の音の音圧を低減させ、所定の周波数帯が、振動体のマス成分と中空領域のバネ成分とで構成されるバネマス系の共振周波数に基づいて設定されている。このため、膜の大きさも大きくならざるを得ないという問題があった。特許文献２では、送風機の排風音の音圧が特に高くなる周波数は、空調装置の仕様等により決まるから、空調装置が有する送風機の駆動により発生する音の波長を決めておき、それに応じた膜の幅方向の長さＷが設定されるとよいとしている。ファン等の送風機の回転音等を含む比較的低い周波数の音が５００Ｈｚで音圧が特に高くなっているので、膜の幅方向の長さを、この音の波長の１／４の長さである１６０ｍｍとしている。なお、例えば２ｋＨｚの音の波長は、約１７０ｍｍであるため、２ｋＨｚの消音のためには膜の大きさを約４３ｍｍとする必要がある。このように、膜を用いても波長／４のサイズが必要となるため、小型化することが難しい。

また、側壁の小孔から風が流れる構成である。風が孔を通ることで、風切り音が発生し、更に風切り音に対してλ／４共鳴が生じて特定周波数の風切り音が増幅されてしまうという問題もあった。
また、λ／４の長さを使うためにダクト流路に小孔部が周期的にある構成であるため、風量を増やすことは難しく、またダクト径が急峻に変わる部分において渦も発生するためにさらに大きな風量を流すには適さない構造である。また、小さい風量であってもダクトが大きくなってしまう問題もある。
また、特許文献２では、吸音構造体がファンの遠方場に配置される構成のみが開示されていて、また、幅方向の長さがλ／４ある膜構造を用いるため、たとえファンの近傍に配置しても位置の最適化の効果を得ることが難しいという問題もあった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、流路水平方向に、コンパクトな膜型共鳴構造を配置することによって、風が膜面に直接垂直に当たることがなく、また、貫通穴、又は孔を有さないために風切り音を無くすことができる音響システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは、膜型共鳴構造を用いてファンの羽による特定周波数音を消音することを検討し、以下の点を知見した。
膜型共鳴構造には開口部が必要ないため、風に対して新たな風切り音の発生源とはならない。この状態でファンの特定騒音を共鳴現象によって消音することができる。これらは、他の共鳴構造と比較した場合の膜型共鳴構造の優位性である。
更に、膜面を他のダクト面と合わせることで、ダクト壁における凹凸もない消音構造とすることができる。壁の凹凸は、風による空力騒音の発生源となるため、ない方が望ましい。
また、ダクト内部を風が流れていると、風圧によって吸音材に影響を与えることも課題であったが、ダクト壁に膜面を作ることで、風の流れる方向と膜の垂直方向がほぼ直角の関係となるため、風圧の影響をほとんど受けずに済み、風量が変わっても機能する。
これらのように、我々は膜型共鳴構造をファンダクトに適用することで、さまざまな課題を解決してファンの特定周波数騒音を狙って消音することができる。

本発明の第１の態様に係る音響システムは、流体を流す機能を有する筒状のダクトと、ダクトの上流側の内部、又はダクトの上流側の内部に連通するダクトの外周部に配置される内部の音源、又はダクトの端部から外部側に存在する外部の音源と、ダクトの壁の一部として構成され、音に対して振動する膜状部材と、を有する音響システムであって、膜状部材とその背面閉空間を含む構造によって音響共鳴を生じさせ、音源からダクト内を伝播され、ダクトの下流側の端部から放射される音を抑制するものであり、外部の音源は、ダクトの端部から外部側に音響共鳴の周波数における波長以内の距離に存在することを特徴とする。

ここで、流体は、気体であり、風、及び／又は熱を含む気流として上流側から下流側にダクトを流れ、ダクト内において、流体が流れる方向と、膜状部材の膜面とは平行であることが好ましい。なお、流体が流れる方向と、膜状部材の膜面の傾きは、４５°未満であっても良い。
また、音源が、少なくとも一つの特定周波数についての音圧が極大となる卓越音を発する音源であることが好ましい。
また、音源が、ファンであり、卓越音が、ファンを構成する羽根と回転速度とにより発生し、ファンから外部に出る音であることが好ましい。
また、膜状部材は、ダクトの壁の一部に設けられた開口に取り付けられることが好ましい。
また、膜状部材のエッジ部が、固定端となっていることが好ましい。
また、膜状部材が、ダクトの壁の一部を薄くすることで振動するように形成されていることが好ましい。

また、膜状部材とその背面閉空間を含む構造は、膜状部材と背面閉空間とによって共鳴周波数が決まる膜型共鳴構造であることが好ましい。
また、膜型共鳴構造は、基本振動における吸音率より高次振動における吸音率が大きい構造であることが好ましい。
また、膜状部材、又は膜型共鳴構造が、ダクトの流路方向について複数列配置されていることが好ましい。
また、膜状部材のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、背面空間の厚みをｄ（ｍ）とし、膜状部材が振動する領域の円相当直径をΦ（ｍ）とすると、
膜状部材の硬さＥ×ｔ^３（Ｐａ・ｍ^３）が、２１．６×ｄ^{－１．２５}×Φ^４．１５以下であることが好ましい。
また、膜状部材は、質量分布を有することが好ましい。
また、膜状部材に錘が取り付けられていることが好ましい。
また、錘は、膜状部材の背面に取り付けられていることが好ましい。

また、少なくとも一つの膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について膜状部材の中心が、音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、音源の位置から（ｍ×λ／２－λ／４）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／４）より小さい距離に位置していることが好ましい。
また、少なくとも一つの膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について前記膜状部材の中心が、音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとして、音源の位置からλ／４未満の距離に位置していることが好ましい。
また、ダクトが、音源の少なくとも一部を囲むケースであることが好ましい。
また、音源が、ファンであり、ダクトが、ファンを囲むファンケーシングであり、ファンケーシングに膜状部材が取り付けられていることが好ましい。

また、音源が発する音の音圧が極大となる周波数において、ダクト内で音源から高インピーダンス側にインピーダンス変化が生じる面によって少なくとも一部の音を反射する反射界面（となる高インピーダンス界面）と、音源と、膜状部材が存在することによって、反射界面と反対側への外部放射音を抑制することが好ましい。
また、少なくとも一つの膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について前記膜状部材の中心が、音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、音響インピーダンス変化を生じる反射界面からｍ×λ／２－λ／４より大きく、ｍ×λ／２＋λ／４より小さい距離に位置していることが好ましい。
また、少なくとも一つの膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について前記膜状部材の中心が、音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、高インピーダンス界面から±λ／４（ｍ＝０）以内の位置に位置していることが好ましい。
また、反射界面を含む反射部と、音源と、膜状部材とが、λ／２以内の距離に配置され、反射部と反対側への放射音を抑制することが好ましい。

本発明によれば、流路水平方向に、コンパクトな膜型共鳴構造を配置することによって、風が膜面に直接垂直に当たることがなく、また、貫通穴、又は孔を有さないために風切り音を無くすことができる。
また、本発明によれば、コンパクトな吸音構造を実現できるため、ファン騒音をコンパクトに消音するうえで優位性が大きい。
また、本発明によれば、ダクトを膜面で置き換えることで、ダクトを軽量化することができる。

本発明の一実施形態に係る音響システムの一例を模式的に示す斜視図である。 図１に示す音響システムを模式的に示す断面図である。 図１に示す音響システムを概念的に示す模式図である。 図１に示す音響システムに用いられるプロペラファンの一例の部分破断斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る音響システムの一例を概念的に示す模式図である。 シミュレーション１における音響システムの膜型共鳴構造の垂直入射吸音率のグラフである シミュレーション１において、図１０に示す垂直入射吸音率を示す膜型共鳴構造を１つ配置した音響システムの消音量を示すグラフである。 シミュレーション１において、図１０に示す垂直入射吸音率を示す膜型共鳴構造を４つ配置した音響システムの消音量を示すグラフである。 膜型共鳴構造をダクトに配置したシミュレーション１の構造の３次元斜視断面図である。 シミュレーション１における音響システムのダクトの内部の音圧振幅を対数化して濃淡で表示した音圧分布を示す図である。 シミュレーション１における音響システムのダクトの内部の局所速度を正規化して矢印で表示した局所速度分布を示す図である。 シミュレーション２における音響システムの膜型共鳴構造の位置と消音量との関係を示すグラフである。 シミュレーション２の音響システムの膜型共鳴構造の一つの位置における外部放射音圧、及び音源位置音圧の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション２の音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における外部放射音圧、及び音源位置音圧の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション２の音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における外部放射音圧、及び音源位置音圧の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション２の音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における外部放射音圧、及び音源位置音圧の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション３における音響システムの膜型共鳴構造の膜中心位置及び音源背面反射壁間の距離と膜型共鳴構造の消音量との関係を示すグラフである。 図２０の点Ｂに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 図２０の点Ａに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 図２０の点Ｃに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション４における音響システムの膜型共鳴構造の膜中心位置及び音源背面反射壁間の距離と膜型共鳴構造の消音量との関係を示すグラフである。 図２４の点Ａに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 図２４の点Ｂに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 図２４の点Ｃに示す距離における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション５における音響システムの膜型共鳴構造の膜中心位置及び音源位置間の距離と膜型共鳴構造の消音量との関係を示すグラフである。 シミュレーション５の音響システムの膜型共鳴構造の一つの位置における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション５の音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 シミュレーション５の音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における膜型共鳴構造の周波数に対する消音量を示すグラフである。 音響システムにおける消音メカニズムを説明する説明図である。 音響システムにおける増幅メカニズムを説明する説明図である。 音響システムの膜型共鳴構造の一つの位置における膜型共鳴体の音の吸収の有無による周波数に対する消音量を示すグラフである。 音響システムの膜型共鳴構造の他の位置における膜型共鳴体の音の吸収の有無による周波数に対する消音量を示すグラフである。 本発明の実施例において用いた音響ユニットの騒音を計測する実験系の上面図である。 図３６に示す実験系の音響ユニットの３つの膜型共鳴体の配置を示す断面図である。 図３６に示す実験系の音響ユニットの膜型共鳴体の膜状部材側表面を示す上面図である。 実施例１の周波数に対する計測音圧を示すグラフである。 膜型共鳴体の位置と波長との比に対する１１５０Ｈｚにおける透過損失を示すグラフである。 実施例２の音響ユニットの側面断面模式図である。 実施例２の音響ユニットの断面模式図である。 比較例１の音響ユニットの側面断面模式図である。 比較例１の音響ユニットの断面模式図である。 実施例２、及び比較例１の周波数に対するマイク位置音量を示すグラフである。 実施例４の音響ユニットの上面模式図である。 実施例１～３の周波数に対するマイク位置音量を示すグラフである。

本発明に係る音響システムを添付の図面に示す好適実施形態に基づいて以下に詳細に説明する。
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、「直交」および「平行」とは、本発明が属する技術分野において許容される誤差の範囲を含むものとする。例えば、「直交」および「平行」とは、厳密な直交あるいは平行に対して±２０°未満の範囲内であることなどを意味し、厳密な直交あるいは平行に対しての誤差は、１０°以下であることが好ましく、５°以下であることがさらに好ましく、３°以下であることがより好ましい。
本明細書において、「同一」、「同じ」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」または「全面」などというとき、１００％である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば９９％以上、９５％以上、または９０％以上である場合を含むものとする。

［音響システム］
本発明の音響システムの構成について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る音響システムの一例を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す音響システムを概念的に示す断面模式図である。なお、図３は、図１に示す音響システムを概念的に示す模式図である。図４は、図１に示す音響システムに用いられるプロペラファンの一例の部分破断斜視図である。
図３では、ファンの気流が正面から吹き出すようにファンをダクトに対して正面に向けて示しているが、ファンが設けられている位置を示している模式図であり、図１、及び図２に示すように、ファンの気流はダクトに平行であることは言うまでもない。以下でも、音響システムのファンを図３と同様に示すが、ファンからの気流の方向は、ダクトと平行になるものと解すべきである。
図１～図３に示すように、音響システム１０は、四角筒状のダクト１２と、音源となるファン１４と、膜型共鳴体１６と、を有する。膜型共鳴体１６は、膜状部材１８と、枠体２０とを有する。

［ダクト］
ダクト１２は、図１～図３に示すように、断面四角形の貫通孔１２ａを有し、下流側の一方の端部に開放端１２ｂを持つ筒状部材である。なお、音源となるファン１４が配置される上流側のダクト１２の端部は、図２～図３に示すように、開放端１２ｃとなっていても良いし、閉じられていても良い。
また、ダクト１２は、その壁１２ｄの一部に、膜状部材１８を取り付けるための開口１２ｅが設けられている。

ダクトは、ファン１４によって生成された風、ガス等の気体、及び気流等の流体、並びに流体の持つ熱等を流す機能を有するものである。また、ダクト１２は、同時にファン１４によって生成される音を伝搬するものでもある。
ダクト１２は、例えば、ファン１４が設けられる換気口、及び空調用ダクト等のダクトである。ダクト１２は、ファン１４が設けられていれば、特に制限的ではなく、ビル、家屋、自動車、電車、及び飛行機等の換気口、及び空調用ダクト、デスクトップパーソナルコンピュータ（ＰＣ、パソコン）、プロジェクタ、及びサーバー（計算機サーバーなど）等の電子機器、特に電子機器に用いられる冷却ファン用のダクト等、並びに換気扇、ドライヤー、掃除機、扇風機、送風機、食洗機等の家電機器、電気機器等の各種機器に用いられる一般的なダクト、通風口であってもよい。

また、ダクト１２の貫通孔１２ａの断面形状は、四角形状に限定はされず、円形状、楕円形状、三角形状等の多角形状等の種々の形状であってもよい。
また、図１～図３に示すダクト１２の貫通孔１２ａは、長さ方向に同一寸法であるが、本発明はこれに限定されず、貫通孔１２ａの断面形状が、縮小されていても良いし、拡大されていても良い。即ち、ダクト１２の貫通孔１２ａの内壁面は、傾斜していても良いし、図６に示す音響システム１０Ｂのように、段差が付いていても良い。
例えば、ドライヤー、及び掃除機においてはモーターファンの部分が大きく、開口部付近がより絞られた構造をしている場合が多いが、その構造は図６のように段差が付いたダクトとみなすことができる。

また、ダクト１２の長さは、音源となるファン１４をダクト１２の上流側の内部、又はダクト１２の上流側の外周部に配置できれば、特に制限的ではなく、図１～図３に示すように、下流側の開放端１２ｂまで十分な長さを有しても良い。即ち、ケーシング及びこれに繋がる筒状体がダクト１２を構成しても良い。また、図７に示す音響システム１０Ｃのように、ダクト１２は、ファン１４のケーシング２４を構成する筒体であっても良い。また、同じく図７のようにファン１４のケーシング２４自体がダクト１２を構成しても良い。
即ち、ダクト１２が、音源の少なくとも一部を囲むケーシングであることが好ましい。即ち、音源が、ファン１４であり、ダクト１２が、音源となるファンを囲むファンケーシング２４であり、ファンケーシング２４に膜状部材１８、及び枠体２０（膜型共鳴体１６）が取り付けられていることが構造全体をコンパクト化する観点から好ましい。

なお、ダクト１２の貫通孔１２ａの断面形状が円形の場合、貫通孔１２ａの直径(ダクト１２の内径）は、分解能を１ｍｍとして測定する。ダクトの断面形状が、円形ではない場合は、その面積を円相当面積として直径に換算して内径を求めることが好ましい。１ｍｍ未満の凹凸等の微細構造を有する場合には、これを平均化することが好ましい。
ダクト１２の材料としては、特に制限的ではないが、金属、又は樹脂であることが好ましく、金属としては、例えば、アルミニウム、銅、ブリキ、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、鉄、鋼鉄、チタン、マグネシウム、タングステン、クロム、溶融亜鉛めっき鋼、アルミニウム・亜鉛合金めっき鋼板（ガルバリウム鋼板（登録商標））、及び塩ビ被覆鋼等の金属や各種合金材料等を挙げることができる。樹脂としては、例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、塩化ビニル、ウレタン、発泡ウレタン（発泡体を用いることで軽量なダクトができる）、及びＰＶＣ（ポリ塩化ビニル樹脂）等の樹脂材料、及びそれらの合成樹脂等を挙げることができる。

［ファン］
ファン１４は、ダクト１２内を流す流体（風、及び／又は熱を含む気流）を生成すると共に、ダクト１２の上流側の内部、又はダクト１２の上流側の内部に連通するダクト１２の外周部に配置される内部の音源となるものである。
ファン１４は、内部音源として、少なくとも一つの特定周波数についての音圧が極大となる特定周波数音、即ち卓越音を発する音源となるものである。なお、卓越音の定義は、狭帯域音であって、そのピーク音圧がその帯域外の音に対して３ｄＢ以上大きいこととする。３ｄＢ差があると十分に検知できるためである。
ファン１４としては、ダクト１２内を流す流体を生成し、内部の音源となり、ダクト１２の上流側の内部、又はその外周部に配置できるものであれば、特に制限的では無く、従来公知のファンを用いることができる。ファン１４としては、例えば、プロペラファン、軸流ファン、ブロアファン、シロッコファン、クロスフローファン、斜流ファン、ラジアルファン、ターボファン、翼型ファン、横流ファン、プラグファン、及びエアフォイルファン等を挙げることができる。

例えば、ファン１４として用いられるプロペラファン、又は軸流ファンとしては、複数枚の羽根を有し、これらの複数枚の羽根が所定回転速度で回転することにより、ダクト１２内を流れる気流を生成すると共に、ファン１４を構成する羽根の枚数と回転速度により発生し、ファン１４から外部に出る特定周波数の卓越音を発生させる。羽根が対称に配置されている通常のファンにおいては、１／(羽根枚数)の回転をすると元の配置と同一になる。すなわち、１／(羽根枚数)の回転に対する対称性に起因する周期性を持つ。このとき、羽根枚数×回転速度（ｒｐｓ）によって卓越音の基本周波数（Ｈｚ）が決定される。この基本周波数と、その整数倍の周波数に卓越音が発生する。
このようなプロペラファンを図４に示す。図４に示すプロペラファン２２は、円形の貫通孔２４ａを有するケーシング２４と、ケーシング２４内に、中心の円形のハブ２６の外周に等間隔に取り付けられた複数枚、図４では５枚の羽根となるプロペラ２８からなるファン本体３０を有する。プロペラファン２２は、図中矢印に示すように図中右側から気体を吸引し、左側から送風される気流を生成すると共に、卓越音を発生する。この卓越音は、プロペラ２８の枚数である５枚とプロペラ２８の回転速度に依存する特定周波数のおとである。

なお、ファン１４として、例えば、ブロアファン、シロッコファン、又はクロスフローファンを用いる場合には、図８Ａ、及び図８Ｂに示す音響システム１０Ｄ、及び１０Ｅのように、ファン１４をダクト１２の外周部に取り付け、ファン１４の吹き出し口をダクト１２の外周部に設け、ダクト１２内の流体の流れる方向に垂直にダクト１２内に吹き出すようにしても良い。
また、図８Ｂに示すように、ファン１４をダクト１２の他方の端部側の外周部に取り付け、ダクト１２の他方の端部を閉塞端部１２ｆとしても良い。

本発明において、ダクト１２内に配置され、騒音を発生するファン１４は、最も重要な音源である。この他、例えば、換気扇、及びレンジフードなどでファンが付いていても、ファンがあり、風等が流れる場合であって、音源としてファンではなく外から入ってくる音が音源となる場合等が挙げられる。また、またファンが取り付けられた流路で、凹凸、又はダクト側壁開口部があり、内部で発生した風切り音自体も音源となる。
したがって、本発明において、音源としては、ダクト１２の内部、又はダクト１２の内部に連通するダクト１２の外周部に配置される内部の音源、又はダクト１２の端部から外部側に音響共鳴の周波数における波長以内の距離に存在する外部の音源等が挙げられる。

［膜型共鳴体］
膜型共鳴体１６は、ダクト１２の壁の一部として構成され、音に対して振動する膜状部材１８と、膜状部材１８の背面閉空間２０ａを構成する枠体２０とを有する。
膜型共鳴体１６は、膜状部材１８とその背面の枠体２０の背面閉空間２０ａを含む構造によって音響共鳴を生じさせ、音源となるファン１４からダクト１２内を伝播され、ダクト１２の下流側の端部から放射される音を抑制する。膜状部材１８とその背面閉空間２０ａを含む構造は、膜状部材１８と背面閉空間２０ａとによって共鳴周波数が決まる膜型共鳴構造（膜型吸音構造）であることが好ましい。即ち、膜型共鳴体１６は、膜状部材１８の膜振動を利用して、消音の機能を発現し、特定の周波数（周波数帯域）の音を選択的に消音するものである。

膜型共鳴体１６は、図１～図３に示す例では、断面４角形のダクト１２の１つの壁１２ｄに取り付けられているが、本発明はこれに限定されず、図５に示す音響システム１０Ａのように、図中上下の２つの壁１２ｄに取り付けられていても良いし、４つの壁１２ｄの全てに取り付けられていても良い。なお、ダクト１２が円筒状の場合にも、外周をいくつかに分割し、分割された部分のいくつかに、好ましくは対称に取り付けられていても良いし、全周に取り付けられていても良い。

また、膜型共鳴構造は、基本振動における吸音率より高次振動における吸音率が大きい構造であることが好ましい。
処で、背面閉空間の厚みを小さくすることで吸音率のピーク周波数は高周波化する。このとき、特に膜状部材１８が薄い（より正確には硬さが小さい）場合には、背面閉空間の厚みを小さくした時に連続的に高周波化するだけではなく、より高周波側に新たな吸音ピークが現れて、背面距離を小さくすると次第に低周波側ピークの吸音率より高周波側ピークの吸音率が大きくなる。即ち、吸音率の最大となる周波数を背面距離に対して示すと、不連続な飛びがある。この特性は、吸音率が最大となる振動モードが、基本振動モードから高次振動モード、もしくは高次振動モードの次数の高いモードに移行していることを示す。即ち、特に薄い膜によって高次振動モードが励起されやすい状態であると、背面空間の厚みを小さくすることで基本振動モードではなく高次振動モードによる吸音の効果が大きく現れる。よって、高周波域での大きな吸音率は、基本振動モードに起因するものではなく、高次振動モードによる共鳴に起因する。

膜型共鳴体１６の膜状部材１８は、ダクト１２の壁１２ｄの一部として構成され、音に対して振動するものである。この時、膜状部材１８の膜面は、ダクト１２内において流体が流れる方向と平行であることが好ましいが、流体が流れる方向に対して４５°未満であれば傾斜していても良い。この傾斜角度は、更に、３０°未満であることがより好ましく、１５°未満であることがさらに好ましく、１０°未満であることが最も好ましい。
また、膜型共鳴体１６の膜状部材１８の背面側（枠体２０側）には、枠体２０によって枠体２０と膜状部材１８とに囲まれた背面閉空間２０ａが形成されている。背面閉空間２０ａは、閉じられた空間である。

膜状部材１８は、薄い膜状、又は箔状の部材であり、ダクト１２の壁１２ｄの一部に設けられた開口１２ｅに、直接、又は枠体２０の開口端２０ｃに固定された上で取り付けられる。
また、膜状部材１８は、ダクト１２の壁１２ｄの一部を薄くすることによって振動するように形成されていても良い。こうすることにより、膜状部材１８をダクト１２の壁１２ｄに固定するために、接着剤等を使う必要がない。また、膜状部材１８がダクト１２の壁１２ｄと同じ素材であるために、耐久性等がダクトと同じく担保される。

図２に示すように、枠体２０の開口端２０ｃに固定された条件の場合には、膜状部材１８が枠体２０の開口部２０ｂを覆うように、膜状部材１８の周縁部（エッジ部）を、枠体２０の開口部２０ｂの開口端２０ｃに固定して作製した膜型共鳴体１６をダクト１２の壁１２ｄの開口１２ｅに固定することが好ましい。即ち、膜状部材１８の周縁部が、固定端となっていることが好ましい。この場合には、膜状部材１８の周縁部は、全て、枠体２０の開口端２０ｃに固定しても良いし、一部のみを固定するようにしても良い。こうして、枠体２０に振動可能に支持され、枠体２０は、ダクト１２の壁１２ｄに固定される。
図３に示すように、ダクト１２の壁１２ｄの開口１２ｅに直接膜状部材１８を取り付ける場合には、膜状部材１８の周縁部を開口１２ｅの端面に固定しても良いし、膜状部材１８の周縁部を開口１２ｅの周縁部の壁１２ｄの部分に固定しても良い。なお、この場合、膜状部材１８の周縁部（エッジ部）は、全て、開口１２ｅの端面、又は開口１２ｅの周縁部の壁１２ｄの部分に固定しても良いし、一部のみを固定するようにしても良い。こうして、膜状部材１８は、ダクト１２の壁１２ｄの開口１２ｅに振動可能に支持される。

なお、膜状部材１８の背面閉空間２０ａ側の背面には、図２に示すように、錘３２が取り付けられていることが特に低周波音に対する共鳴体とする場合には好ましい。即ち、膜状部材は、質量分布を有することが好ましい。錘３２を取り付けることにより、膜状部材に質量分布を持たせることで、振動モードを変えることができ、膜型共鳴体１６の共鳴周波数を変化させて調整することができ、特に低周波側に応答させやすくなる。なお、錘３２は、膜状部材１８の表面側に取り付けられていても良い。図２に示すように、錘３２がダクト１２内部と反対側（背面閉空間２０ａ側）に取り付けることでダクト１２側には錘による凹凸がなく、新たな風切り音を発生させることなしに錘３２付膜状部材１８を用いることができる。

膜状部材１８の材料は、膜状材料、又は箔状材料にした際に、上述した消音対象物に適用する際に適した強度を持ち、音響ユニット１０の消音環境に対して耐性があり、膜状部材１８が音波のエネルギを吸収、もしくは反射して消音するために膜振動することができるものであれば、特に制限的ではなく、音響ユニット１０及びその消音環境などに応じて選択することができる。例えば、膜状部材１８の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＭＰ（ポリメチルペンテン）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ゼオノア、ポリカーボネート、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＡＲ（ポリアリレート）、アラミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ナイロン、ＰＥｓ（ポリエステル）、ＣＯＣ（環状オレフィン・コポリマー）、ジアセチルセルロース、ニトロセルロース、セルロース誘導体、ポリアミド、ポリアミドイミド、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ポリロタキサン（スライドリングマテリアルなど）及び、ポリイミド等の膜状にできる樹脂材料、アルミニウム、チタン、ニッケル、パーマロイ、４２アロイ、コバール、ニクロム、銅、ベリリウム、リン青銅、黄銅、洋白、錫、亜鉛、鉄、タンタル、ニオブ、モリブデン、ジルコニウム、金、銀、白金、パラジウム、鋼鉄、タングステン、鉛、および、イリジウム等の各種金属材料、紙、セルロースなどその他繊維状の膜になる材質、天然ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ＥＰＤＭ、シリコーンゴム等ならびにこれらの架橋構造体を含むゴム類、不織布、ナノサイズのファイバーを含むフィルム、薄く加工したウレタン、シンサレートなどのポーラス材料、薄膜構造に加工したカーボン材料、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）およびＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）のような繊維強化プラスチック材料など、薄い構造を形成できる材質または構造等を挙げることができる。

枠体２０は、図１～図３に示す例では、一面に長方形状の開口部２０ｂが形成され、開口部２０ｂに対向する長方形状の底面、及び4つの側面は閉じられている直方体形状である。即ち、枠体２０は、一面が開放された有底の直方体形状である。
もしくは、枠体２０の前記開口部以外の４つの側面、もしくは背面板に小さい貫通孔（開口部）が設けられていることも好ましい。側面サイズに比べて十分に小さい穴が形成されていても音響現象としては略閉空間として扱うことができる。一方で、枠体２０の内外で通気することによって、気圧の変化、温度の変化等による圧力の内外差を解消することができる。圧力の内外差が生じると膜状部材１８に張力がかかり特性が変化する要因となるため、圧力の内外差は小さいことが望ましい。また、湿度によって結露することも防ぐことができる。ダクト流路側に配置される膜面に貫通孔を有すると風切り音の発生源となる可能性があるため、それ以外の面に貫通孔を有することで風切り音を防ぎつつ、圧力や温度等に対する耐久性やロバスト性を高めることができる。
枠体２０は、図２に示すように、膜状部材１８の周縁部を、開口部２０ｂを覆うように開口部２０ｂの開口端２０ｃに取り付けて、膜状部材１８の背面に背面閉空間２０ａを形成すると共に、膜状部材１８を振動可能に支持するものであることが好ましい。
また、枠体２０は、図３に示すように、膜状部材１８の周縁部が取り付けられたダクト１２の壁１２ｄの開口１２ｅを覆うように取り付けられて、膜状部材１８の背面に背面閉空間２０ａを形成すると共に、膜状部材１８を振動可能に支持するものであることが好ましい。

また、枠体２０、及びその開口部２０ｂの形状は、それぞれ、平面形状で、図１～図３に示す例では長方形であるが、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、二等辺三角形、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。また、枠体２０、及びその開口部２０ｂの形状は、共に図１～図３に示す例では長方形であるが、本発明においては、特に制限的ではなく、同じであっても、それぞれ異なっていても良い。

このような枠体２０、及びの開口部２０ｂのサイズは、特に制限的ではなく、本発明の音響システム１０が消音のために適用される消音対象物であるダクト１２、例えば、上述したファン１４が設けられるビル、家屋、自動車、電車、及び飛行機等の換気口、及び空調用ダクト等、デスクトップパソコン、プロジェクタ、及びサーバー（計算機サーバーなど）等の電子機器等、特に電子機器に用いられる冷却ファン用のダクト、並びに換気扇、ドライヤー、掃除機、扇風機、送風機、食洗機などの家電機器、及び電気機器等の各種機器に用いられる一般的なダクト、及び通風口などに応じて設定すればよい。
また、枠体２０、及びその開口部２０ｂのサイズは、平面視のサイズであり、円形または正方形のような正多角形の場合には、その中心を通る対向する辺間の距離、又は円相当直径と定義することができ、多角形、楕円又は不定形の場合には、円相当直径と定義することができる。本発明において、円相当直径および半径とは、それぞれ面積の等しい円に換算した時の直径および半径である。

枠体２０の材料は、膜状部材１８を支持でき、上述した音響ユニット１０に適用する際に適した強度を持ち、音響ユニット１０の消音環境に対して耐性があれば、特に制限的ではなく、消音対象物及びその消音環境に応じて選択することができる。例えば、枠体２０の材料としては、金属材料、樹脂材料、強化プラスチック材料、及び、カーボンファイバ等を挙げることができる。金属材料としては、例えば、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、銅、及び、これらの合金等の金属材料を挙げることができる。また、樹脂材料としては、例えば、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、ＡＢＳ樹脂(アクリロニトリル (Acrylonitrile)、ブタジエン (Butadiene)、スチレン (Styrene)共重合合成樹脂)、ポリプロピレン、及び、トリアセチルセルロース等の樹脂材料を挙げることができる。また、強化プラスチック材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、及び、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）を挙げることができる。また、天然ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエンゴム）、シリコーンゴム等、並びにこれらの架橋構造体を含むゴム類を挙げることができる。枠材料として、空気を含む構造体、すなわち、発泡材料、中空材料、多孔質材料等を用いることもできる。多数の膜型の防音構造体を用いる場合に各セル間で通気しないためには、例えば独立気泡の発泡材料などを用いて枠を形成することができる。例えば、独立気泡ポリウレタン、独立気泡ポリスチレン、独立気泡ポリプロピレン、独立気泡ポリエチレン、独立気泡ゴムスポンジなど様々な素材を選ぶことができる。
また、これらの枠体２０の材料の複数種を組み合わせて用いてもよい。

ところで、膜型共鳴体１６は、ダクト１２の開口１２ｅの周囲の壁１２ｄに対して着脱可能であり、ダクト１２に後から施工可能であることが好ましい。
また、膜型共鳴体１６は、ダクト１２の壁１２ｄの開口１２ｅにひっかける構造が付いていることが好ましい。こうすることで、膜型共鳴体１６を、例えば押し込むのみで壁１２ｄに取り付けることができる。
また、膜型共鳴体１６の枠体２０の背面部分を交換することで、消音周波数をカスタマイズできる。
また、膜状部材１８、枠体２０の素材をダクト素材の主成分とすることで、熱、及び／又は湿度に対する歪の影響を小さくすることができる。
また、膜状部材１８の膜面は、図９Ａ、及び図９Ｂに示す音響システム１０Ｆ、及び１０Ｇのように、ダクト１２の壁１２ｄに対して、凹凸、即ち凹み、及び／又は出っ張りを有していても良い。ここで、ダクト１２の壁１２ｄに対して、膜状部材１８の膜面の凹凸（凹み、及び／又は出っ張り）は、１０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがより好ましく、２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。こうすることにより、風切音を発生させないようにすることができる。

ここで、本発明者らは、音響システム１０の膜型共鳴体１６において高次振動モードが励起されるメカニズムについて検討した結果、以下のことが分かった。
膜状部材１８のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、背面閉空間２０ａの厚み（背面距離）をｄ（ｍ）とし、膜状部材１８が振動する領域の円相当直径、すなわち、膜状部材１８が枠体２０に固定されている場合には枠体２０の開口部２０ｂの円総長直径をΦ（ｍ）とすると、膜状部材１８の硬さＥ×ｔ³（Ｐａ・ｍ³）を、２１．６×ｄ^-1.25×Φ^4.15以下とすることが好ましい。更に、係数ａを用いて、ａ×ｄ^-1.25×Φ^4.15と表すと、係数ａが、１１．１以下、８．４以下、７．４以下、６．３以下、５．０以下、４．２以下、３．２以下と係数ａが小さくなるほど好ましい。
また、膜状部材１８の硬さＥ×ｔ³（Ｐａ・ｍ³）は、２．４９×１０^-7以上であることが好ましく、７．０３×１０^-7以上であることがより好ましく、４．９８×１０^-6以上であることがさらに好ましく、１．１１×１０^-5以上であることがよりさらに好ましく、３．５２×１０^-5以上であることが特に好ましく、１．４０×１０^-4以上であることが最も好ましいことがわかった。
膜状部材１８の硬さを上記範囲とすることで、音響システム１０の膜型共鳴体１６において高次振動モードを好適に励起することができる。

膜状部材のヤング率は、自由共振式固有振動法等の振動を用いた動的測定法、引張試験及び圧縮試験等の静的測定法を用いて測定できる。また、メーカー試験表等の物性値を用いても良い。
厚み測定については、ノギス、段差計、レーザー顕微鏡、又は光学顕微鏡のような各種一般的な測定方法で測定できる。また、メーカー試験表などの物性値を用いても良い。
背面空間厚みも、厚み測定と同様に測定できる。また、枠の背面距離を背面空間厚みとして用いる場合、枠の厚みをそのまま測ればよい。
膜の振動に関して、基本振動と高次振動があり、高次振動には当然次数が存在する。この次数が大きくなっていくと、次第に膜振動のモードがエネルギ的に近くなり、ついには見分けがつかなくなる。このとき、実際には膜のバネ性は共鳴に効かず、膜の質量（と背面距離の大きさ）のみが共鳴に寄与する。
この場合でも吸音が生じるが、吸収が小さくなる傾向にある。よって、基本振動、及び明確な高次振動（次数１０程度まで）が、吸収が高い膜型吸音体としては望ましい。

また、本発明においては、膜型共鳴構造を複数個ダクト内に配置することでより大きな消音効果を得ることができる。膜型共鳴構造の配置としては、ダクト断面内に膜型共鳴構造を複数配置しても良いし、ダクト流路方向に膜型共鳴構造を複数列配置しても良い。

また、膜状部材１８の中心が、ファン１４からなる音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、音源（ファン１４）の位置から（ｍ×λ／２－λ／４）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／４）より小さい距離に位置していることが好ましい。更に、（ｍ×λ／２－λ／８）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／８）より小さい距離であることがより好ましく、（ｍ×λ／２－λ／１２）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／１２）より小さい距離であることがさらに好ましい。
また、膜状部材１８の中心が、音源（ファン１４）が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとして、音源（ファン１４）の位置からλ／４未満の距離に位置していることが好ましい。また、膜状部材１８の中心が、λ／８未満の距離に位置していることがより好ましく、λ／１２未満の距離に位置していることがさらに好ましい。この場合、上記の整数ｍ＝０にあたる。
こうすることにより、膜状部材１８の中心を、音源（ファン１４）の位置から消音が困難である（２ｎ＋１）×λ／４（ｎは０以上の整数）の距離の位置からは外すことができ、消音に優れたｍ×λ／２（ｍは０以上の整数）の位置に近づけることができる。
膜状部材１８の中心に関しては、膜状部材（膜）１８の重心位置で決定することができる。重心位置を中心にして振動が生じるためである。
音源の位置の測定方法に関しては、スピーカーのように振動体から発生する音の場合、その振動面位置。ファン１４のように流動騒音の場合、ファン１４の中心位置(羽根の中心位置)、で決定することができる。

メカニズムについては以下のように考察できる。膜状部材を流路に対して略平行、例えば図３のようにして配置した場合、局所速度が大きく音圧は小さい界面となる。共鳴によって反射する場合、局所速度が自由端、圧力が固定端として反射する界面となる。そこから（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置においては、音圧が極大となる。音源位置での外部音圧が大きい場合、音源から発生する圧力振幅を大きくすることになるため、音を増幅するため消音効果が得られにくい。一方で、ｍ×λ／２の位置に膜状部材１８の中心がある場合、上記の場合と逆の関係になるために音源における音圧が極小となり、音を増幅しない配置となり、消音効果を得やすい配置となる。
また、後述する高インピーダンス界面と関係するが、特に軸流ファン、及びプロペラファンについては、その軸部分によってダクト径が狭まることによって高インピーダンス界面が音源であるファンの位置とほぼ同一となる。また、他の種類のファンも含めて、ファンが高速回転していることによって高インピーダンス界面反射が生じるため、特にファンの場合は、音源位置＝高インピーダンス反射界面となることが多いため、上述の位置依存性が大きく現れる。
なお、流路に対して膜面が略平行であれば、局所速度極大の音圧界面となるため、図３に示す例に限らず、他の図に記載された例でも当てはまる。

また、ファン１４等の音源が発する音の音圧が極大となる周波数（卓越音の特定周波数）において、ダクト１２内で音源から高インピーダンス側にインピーダンス変化が生じる面によって音の少なくとも一部を反射する反射界面と、音源と、膜状部材１８が存在することによって、反射界面と反対側への外部放射音を抑制することが好ましい。ダクト内で高インピーダンス界面は、例えば内部流体より硬さの硬い壁で塞がれている場合、ダクト径が小さくなる構造の場合、孔あき板、及び／又はパンチング構造がダクト面に配置された場合、ルーバーが配置された場合、並びに軸が中央部におかれた場合等を挙げることができる。
即ち、ダクト１２内に配置されて音源となるファン１４として、プロペラファン、又は軸流ファンを用いた場合には、ファン１４の背面側、開放端１２ｃ側においてケーシング等のために空間が狭くなるため、ファン１４等の音源から高インピーダンス側にインピーダンス変化が生じる面が存在することになり、その面が音を反射する反射界面となる。また、例えば軸流ファンの軸自体が流路を狭める剛体として機能するため、軸流ファン面自体も高インピーダンス界面として機能している。
また、ダクト１２内に配置されて音源となるファン１４として、ブロアファン、シロッコファン、又はクロスフローファンを用いた場合には、ファン１４の背面側は、図９に示すように、吸気部分以外は閉塞端部１２ｆとなって閉じている上に、回転するファンの羽によっても反射されるため、その閉塞端部１２ｆとファンの羽根が音を反射する反射界面となる。

したがって、膜状部材１８の中心が、ファン１４等の音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、音響インピーダンス変化を生じる反射界面からｍ×λ／２－λ／４より大きく、ｍ×λ／２＋λ／４より小さい距離に位置していることが好ましい。膜状部材１８の中心が、更に、（ｍ×λ／２－λ／８）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／８）より小さい距離であることがより好ましく、（ｍ×λ／２－λ／１２）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／１２）より小さい距離であることがさらに好ましい。
こうすることにより、膜状部材１８の中心を、音響インピーダンス変化を生じる反射界面から消音が困難である（２ｎ＋１）×λ／４（ｎは０以上の整数）の距離の位置からは外すことができ、消音に優れたｍ×λ／２（ｍは０以上の整数）の位置に近づけることができる。

メカニズムは以下のように考察できる。膜状部材１８を含む共鳴構造が共鳴を生じる場合、膜状部材１８が含まれる界面は音響インピーダンスが極小となる位置となる。即ち、局所速度が自由端、音圧が固定端の反射を生じる。一方で、上述の高インピーダンス界面との境界面反射は、局所速度が固定端、音圧が自由端の反射を生じる。このとき、上述の共鳴体による低インピーダンス界面と、上述の高インピーダンス界面の距離が（２ｎ＋１）×λ／４となるとき、この二つの界面の距離と音波の振幅が一致して、それぞれ自由端-固定端の端部を持つ共鳴管となる。このようにダクト内に共鳴現象が生じる場合、その内部音圧は増幅するため、外部放射音も増幅する傾向になる。よって、膜状部材１８による消音効果と、ダクト内共鳴による増幅効果が相殺しあうため、消音効果が得られにくい配置となる。
ダクト内での配置として、高インピーダンス反射界面、音源、膜状部材、及び開放部の順であってもよいし、音源、高インピーダンス反射界面、膜状部材、及び開放部の順であってもよい。前者の場合は、背面にルーバーがついて、ファンがあり、前方に風を出す開口部がある構造、又は背面が絞られている構造などが挙げられる。後者の場合の高インピーダンス反射界面は、例えばファンの前部にルーバー、固定翼構造、及び／又は整流板が取り付けられている場合が挙げられる。

一方で、ｍ×λ／２の位置に膜状部材が配置された場合、ダクト内の共鳴現象が最も生じにくい配置となるため、膜状部材１８による消音効果が強く現れて、放射音の消音効果を最も得やすい配置となる。
また、上述の高インピーダンス反射界面を含む反射部と、ファン１４等の音源と、膜状部材１８とが、λ／２以内の距離に配置され、反射部と反対側への放射音を抑制することが好ましい。
こうすることにより、音響ユニット１０をコンパクトにすることができる。
上述の範囲はλ／４以内がより望ましく、λ／６以内がさらに望ましい。

［シミュレーション１］
本発明の音響システム１０の膜型共鳴体１６（膜型共鳴構造）の効果を確認するために、膜振動を実装するために３次元モデルを構築して、有限要素法計算ソフトＣＯＭＳＯＬ ｖｅｒ.５．３（ＣＯＭＳＯＬ ｉｎｃ．）を用いて、音響シミュレーションを行なった。

［ダクトモデル］
図２に示す音響システム１０として、断面が正方形のダクト１２(１辺７５ｍｍ）で、内部音源位置からダクト１２の端部（開放端１２ｂ）までの長さが１２０ｍｍあるダクトモデルで計算を行った。ダクト１２の端部から自由空間の開放されるモデルとした。自由空間へ開放される端部界面（開放端１２ｂの開口面）は、ダクト内の相対的に高い音響インピーダンス側から、自由空間の相対的に低い音響インピーダンスへの音響インピーダンス変化が生じる界面であるため、そのインピーダンス差に従った低インピーダンス界面による反射と透過が生じる面となる。
本発明の目的は、このダクト１２の開放部（開放端１２ｂ）から空間に放射される音を抑制することにある。

内部音源の背面側について、ファン１４としての軸流ファンの軸を模擬したダクト中央を中心軸とする直径３０ｍｍの円筒状の剛体壁（ハブ２６）を配置した。ダクト１２内でその円筒壁１２ｄの外周部（1辺７５ｍｍ正方形で中央部３０ｍｍΦ以外の部分）は音が流れる。この中心軸によってダクト１２の流路径は狭くなるため、その場所の音響インピーダンスが大きくなる。よって、内部音源位置において、ダクトの狭まりによる低インピーダンスから高インピーダンスへのインピーダンス変化が生じて反射界面ができる。
このように、ダクトは、ダクト端部の高インピーダンスから低インピーダンス（外）に変化する反射界面と、内部音源の背面側において低インピーダンス側から高インピーダンス（狭くなったダクト）に変化する反射界面を有する。今回のモデルは軸流ファンを模擬しているが、軸流ファンに限らず様々なファンでこのようなインピーダンスの高低による反射界面の形成がなされる。

［音源］
内部音源は、ファン１４として軸流ファンを模擬した点音源を用いた。８枚の羽根を模擬した８点の点音源を、ダクト１２の音源位置断面内で直径６０ｍｍの円周上に等間隔かつ回転対称に配置した。円の中心位置は、軸の中心、ダクト１２の断面の中心とそれぞれ一致している。この８点の点音源（８回対称位置）から同位相で音が放射される。これは８枚羽根のファンからの放射音を模擬している。

［膜型共鳴構造］
このシミュレーションでは、主に２ｋＨｚ付近の消音を対象とした。膜型共鳴構造をとして、膜状部材（以下、単に膜とも言う。）１８は、厚み１００μｍのＰＥＴフィルムとし、枠体２０の１辺３０ｍｍの正方形開口部２０ｂに膜状部材１８であるＰＥＴフィルムの四端を固定拘束し、膜状部材１８の背面閉空間２０ａの厚みを５ｍｍとして、その背面は壁で閉じられている膜型共鳴体１６を用いた。四端が固定されたＰＥＴフィルムの薄膜の振動と、背面閉空間２０ａを介して枠体２０の背面壁での反射によって共鳴構造が得られる。

この膜型共鳴体１６の設計は、高次振動の吸音率を基本振動の吸音率より大きくしている設計であることにも特徴がある。基本振動を高周波化するためには，膜状部材１８の厚みを大きくするなどして膜体を硬くする必要があるが、硬く振動し難い膜になると吸音、及び／又は位相変化が生じにくい問題があり、基本振動を用いて高周波化かつ消音効果の大きい膜型共鳴構造を得ることが難しかった。それに対して、高次振動共鳴を使うことで膜状部材１８として柔らかく薄い膜を用いることができるため、高い共鳴の効果を高周波側でも得ることができる利点がある。

この膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造の垂直入射吸音率を図１０に示した。基本振動による吸音は１ｋＨｚ付近にあるが、吸音の最大値は高次振動による２ｋＨｚ付近にある。更に、図１に示したように複数の周波数で共鳴が生じることが膜型共鳴構造の特徴である。また、この膜型共鳴構造には、開口した孔がないため、ファン１４の風に対して新たな風切り音を生じない特徴がある。

［膜型共鳴構造をダクトに配置］
次に、膜型共鳴構造をダクトに配置したシミュレーション構造を図１３に示す。
図１３に示すように、この膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造を、ダクト１２の内部音源３４から外部放射側に１０ｍｍ離れた位置に配置した。この時、膜型共鳴体１６の中心位置と内部音源３４の位置のダクト流路方向間隔は、２５ｍｍである。なお、内部音源３４は、８回対称配置とした。
四角形状ダクト１２の１面にだけ膜型共鳴構造を配置した場合と、図１３に示すように、四角形状ダクト１２の４面すべてに対称に４つの膜型共鳴構造を配置した場合の消音量の計算を行った。内部音源３４の背面側は、内部音源位置から１０ｍｍダクト流路方向に離れた部分が壁（反射壁３６：図１４Ａ、及び図１４Ｂ参照）であり、音を反射する系として計算を行った。

図１１、及び図１２に、それぞれ１つの膜型共鳴構造を配置した場合、及び４つの膜型共鳴構造を配置した場合の消音量を示した。消音量は、膜型共鳴構造を配置しない場合の外部への放射音量と、膜型共鳴構造を配置した場合の外部への放射音量との差分として求めた。まずは、計算によって共鳴体の理想的な効果をみるために膜構造の吸音がない状態とした。これは、数値的には膜のヤング率の実部のみ数字を持ち、虚部を０とすることで設定できる。即ち、共鳴による音波の位相、及び／又は進行方向の変化はあるが、共鳴による音の吸収はない条件で計算を行った。どちらの条件であっても、膜型共鳴構造の無い場合と比べて放射音量が小さくなり、消音量が鋭く大きくなる部分が存在し、鋭く大きな消音効果が現れている。
図１１、及び図１２に示すように、最も共鳴効果が大きい２ｋＨｚにおいて、最も大きい消音効果が現れる。また、他の膜振動共鳴周波数である1ｋＨｚ付近、及び３．５ｋＨｚ付近においても消音効果が現れている。即ち、本発明では、複数周波数の消音を単一デバイスで消音できる。これは、本発明で用いた膜型共鳴構造が基本振動、複数の高次振動による複数の共鳴を有することに対応する。
このようにして、膜型共鳴構造をダクト１２の壁１２ｄに配置することで、特定周波数に対して大きな消音が生じることが分かった。

メカニズムを明らかにするために、ダクト１２の内部の音圧と局所速度とを計算した。図１４Ａに音圧振幅を対数化して濃淡で表示した音圧分布（ｌｏｇ１０（Ｐ）として対数表示）の図を示し、図１４Ｂに局所速度を正規化して矢印で表示した局所速度分布の図を示した。大きな消音効果が得られた１．９４５ｋＨｚにおける結果である。図１４Ａでは、白点３４は、音源３４（ファン１４の羽根による）を示し、色の白い方は音圧が高く、色が黒く濃い方は音圧が低いことを表わしている。
図１４Ａに示す音圧分布から、内部音源から放射された音は、膜型共鳴構造の存在する付近までしか伝搬せずに、ダクト１２の内部に閉じ込められていることが分かる。また、膜型共鳴構造付近とダクト１２の中央部の間に音圧が局所的に小さくなっている部分がある。これは、膜型共鳴構造とダクト１２の中心部付近の音が干渉で打ち消し合っていることを示す。図１４Ｂに示す局所速度分布からも、膜型共鳴構造付近で局所速度の方向が反転して、打ち消し合いの干渉を起こしていることが分かる。よって、膜型共鳴構造の共鳴によって位相が変化した音が、内部音源からの直接放射音と互いに打ち消しあう干渉が生じて、ダクト１２の外部へ放射される音が消音されるというメカニズムが明らかになった。
即ち、膜型共鳴構造と、音源、及び音源背面（反射壁、軸等）との相互作用によって打ち消しあいの干渉が起きている。両者間の距離が近いと、近接場干渉が起きており、両者間の距離が遠いと、伝搬波での干渉が起きている。

［参考］
このシミュレーション１では、内部音源（図２に示すファン１４）の背面側（開放端１２ｃ側）に反射壁（反射界面）３６（図１４Ａ、及び図１４Ｂ参照）を設置した。これはファン１４の場合の特有の現象を模擬しようとしている。ファン１４の場合に特定周波数の卓越音が生じる原因は、ファン１４の羽根の枚数と回転速度である周波数の音が位相をそろえて放射され続けることにある。つまり、ファン１４の羽根は、卓越音周波数に同期して動いている状態となっている。このとき、ダクト１２内で反射してきた音がファン１４の羽根の部分に戻ると、その周波数と同期して動いている羽根の回転があるため、その羽根と音が相互作用しやすい状況になっている。この場合、相互作用が大きいことよりファン１４の位置で反射しやすい。
よって、ファン１４を騒音源とした卓越音周波数に関しては、ファン１４の背面側空間が物理的に開放されていた場合であっても、羽根の動きによって卓越音に関しては高インピーダンス反射壁（反射界面）３６が形成されたような音の振る舞いとなる。内部音源の背面側に反射壁３６を配置したモデルは、このファン１４の卓越音による減少を模擬する意図で作成した。

［シミュレーション２］
次に、本発明の音響システム１０の膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造の位置と消音量との関係を確認するために、シミュレーション１と同じ条件（膜型共鳴構造を４つの場合）で、その膜型共鳴構造の位置を変化させて消音量の変化を計算した。内部音源（３４）位置と膜型共鳴構造（１６）の下端の距離を５ｍｍから８５ｍｍまで変化させて、共鳴周波数である１．９４５ｋＨｚにおける消音量をそれぞれの条件で計算した。その結果を図１５に示した。
図１５に示すように、膜型共鳴構造の位置によって消音量は変化する。特に、図１５に示すグラフ上の距離２０ｍｍ、即ち内部音源と膜状部材１８の中心の距離が３５ｍｍであって、内部音源の背面側反射壁と膜状部材１８の中心の距離が４５ｍｍの場合に、消音効果がほぼ見られない条件があることが分かった。

この現象のメカニズムを明らかにするために、内部音源位置での音圧の大きさを計算した。内部音源位置での音圧が大きいほど、音源からの音の放射量が大きくなることが知られている。図１６に位置５ｍｍの場合（近接場干渉領域）、図１７に位置２０ｍｍの場合（極端な内部音源位置増幅領域）、図１８に４０ｍｍの場合、図１９に８０ｍｍの場合の外部放射音の消音量と、内部音圧位置の消音量とを示した。即ち、膜型共鳴構造のない条件を基準にして、膜型共鳴構造を置いた効果を差分で表した。
図１７は、外部放射音の消音がほぼ生じていない条件である。この場合、膜構造の共鳴周波数においては、内部音源の位置において非常に大きな音圧の増幅（図１７中では、マイナス方向）が生じている。このため、音源から放射される音は強く（３０ｄＢ以上）増幅されていて、膜型共鳴構造による外部放射音の消音効果と相殺しあって、結果的に消音効果がなくなっていることが分かった。

一方で、他の位置（図１６、図１８、及び図１９）においては、膜型共鳴構造の共鳴周波数において内部音源位置の音圧について大きく増幅されることはない。よって、膜型共鳴構造による消音効果が相殺されることなく、外部放射音を消音したと考えられる。特に図８Ａの場合、共鳴近辺において外部放射音が増幅される周波数がほぼなく、全域にわたって消音効果を得られる特徴がある。このとき、内部音源位置が増幅される周波数はほぼないことがわかる。
このようにして、膜型共鳴構造自体の共鳴特性と、内部音源位置音圧の増減による音圧放射量の変化の双方によって、外部への放射音量が決まることが分かった。

図１７に示す位置２０ｍｍの場合をさらに考察する。この場合、音源（３４）の背面側の反射壁（３６）と膜状部材１８の中央位置のダクト流路方向距離が４５ｍｍである。
膜型共鳴構造は、共鳴周波数において位相変化が生じるために反射も示す。この膜型共鳴構造によって反射された音が、音源背後の壁（３６）で再反射されて、また膜型共鳴構造の位置に戻ってくる。さらに膜型共鳴構造位置でまた反射される。この膜型共鳴構造による反射音同士の位相がそろっていると反射同士が重ねあわされて強い共振を起こす。即ち、ダクト１２内に膜型共鳴構造（１６）の位置と音源背後の壁（３６）の位置による音の共振器が形成される。

音源（３４）背後の反射壁（３６）位置では低インピーダンスから高インピーダンスへの界面のため音圧の腹となり音圧反射波の位相反転はない、即ち音圧について位相変化０である。膜型共鳴位置ではその共鳴の特徴のために音圧の節になる。よって、音圧反射波は位相反転する、即ち音圧について位相変化はλ／２である。このとき、音源（３４）背面の反射壁（３６）位置と膜型共鳴構造（１６）位置の距離がλ／４であれば、膜型共鳴構造位置における反射波同士の位相差がλ（往復による位相変化λ／２＋共鳴器における位相変化λ／２）となり、増幅する重ね合わせの関係となる。即ち、距離がλ／４となるときに膜型共鳴構造（１６）と音源背面の反射壁（３６）で強い共振器を形成する条件となることが分かる。
２ｋＨｚの波長におけるλ／４は約４３ｍｍである。図１７の条件の場合、音源背面の反射壁（３６）と膜型共鳴構造（１６）の距離４５ｍｍの条件であるため、この共振条件に非常に近く、ダクト内に強い共振器が形成される。このとき、共振器内を中心としてダクト内音圧は共振現象によって非常に大きく増幅される。このシミュレーション配置では、共振器内に内部音源があるため、その内部音源位置の音圧も増幅される。このようにして、内部音源の音圧が共振器によって高まることで、音源からの放射音量が大きくなり、膜型共鳴構造による消音効果と相殺しあう効果になったことが分かった。

［シミュレーション３］
次に、本発明の音響システム１０の膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造をより現実的な系として効果を確認するために、音源（３４）と背面反射壁（３６）との距離を１０ｍｍとし、膜型共鳴構造に吸音も追加した計算を行った。即ち、シミュレーション２と同じ構造で、膜構造のヤング率に虚部を導入して、現実的な系として膜状部材１８が吸音する構造とした。膜型共鳴構造の位置を変化させた場合の消音量を計算した。その結果を図２０に示す。この図では横軸に膜状部材１８の中心位置と音源背面の反射壁（３６）の距離を取った。
図１５と比較すると、膜状部材１８に吸音があっても同様にして、膜型共鳴構造の位置によって消音量が変化することが分かる。消音量が最も小さくなるのは距離４５ｍｍの場合であり、この点は、シミュレーション２での検討結果と一致する。即ち、背面の反射界面（３６）と膜型共鳴構造（１６）の中心間の距離がλ／４の共振器を形成する長さのとき、内部増幅で消音量は最も小さくなる。図２１に、この場合（図２０の点Ｂ）の消音量スペクトルを示した。外部放射音をほとんど消音していないことが分かる。

一方で、音源背面の反射壁（３６）、音源（３４）と膜状部材１８をより近づけた距離２０ｍｍの場合(図２２；図２０の点Ａ：近接場)、及び音源背面の反射壁（３６）、音源（３４）と膜状部材１８を遠ざけた距離９５ｍｍの場合(図２３；図２０の点Ｃ：遠方場)には、５ｄＢを超える大きな消音効果が得られる。即ち、距離がλ／４になるのを避けた場合に消音量が大きくなり、それが極大となるのは、略ｍ＊λ／２(ｍは０以上の整数)となる場合であることが明らかになった。この条件を満たすときに、膜型共鳴構造の反射波同士は重なり合わない位相関係になるため、最もダクト１２内に共振器ができにくい条件である。そのために音源位置の音圧が増幅されることもなく、膜型共鳴構造による消音効果を最も得られている。
特にｍ＝０付近での消音は、λ／４未満の近接場領域に配置しても消音効果が得られることを示していて、ダクト１２の長さが非常に小さい場合でも配置が可能であることを示すため、実用上重要である。

［シミュレーション４］
次に、本発明の音響システム１０の膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造をシミュレーション３と同様により現実的な系として効果を確認するために、音源（３４）と背面反射壁（３６）との距離を２０ｍｍとし、膜型共鳴構造に吸音も追加した計算を行った。
シミュレーション３に対して、音源（３４）と背面反射壁（３６）との距離を１０ｍｍではなく２０ｍｍとした。膜型共鳴構造の位置を変化させた場合の消音量の変化を図２４に示した。音源から背面の反射壁までの距離を変えた場合であっても、シミュレーション３と同様にして、反射壁と膜型共鳴構造の距離がλ／４になるときに最も消音効果が小さくなり、その両側で消音効果が大きくなっていくことが分かった。図２５から図２７にそれぞれの位置における消音スペクトルを示した。図２５に示した点音源の真横に膜型共鳴構造を配置した場合（図２４の点Ａ）、すなわちｍ＝０の場合にも大きな消音効果が現れていることが分かる。この位置では原理的にはダクト長さを必要とせず、ファン１４のケーシングの大きさ程度でも消音できることにつながり、実用上重要になる。
このようにして、背面に壁という高いインピーダンス界面が（図２４の点Ｂ）ある場合、図２６に示すように、音源背面壁と膜型共鳴構造の距離がλ／４になった場合に、共振器が形成されて消音効果が小さくなり、一方で、図２５、及び図２７に示すように、ｍ×λ／２となる場合（図２４の点Ａ、及び点Ｃ）に消音効果が大きくなることが明らかになった。

［シミュレーション５］
次に、本発明の音響システム１０の膜型共鳴体１６の膜型共鳴構造の効果を確認するために、音源（３４）の背面反射壁（３６）を無くし、膜型共鳴構造に吸音も追加した計算を行った。
シミュレーション４と同様の系であって、音源（３４）の背面の反射壁（３６）が無く、外に音を放射する系に変更して、同様の計算を行った。この場合にシミュレーション４と同様にして、膜型共鳴構造の位置を変化させた時の消音量変化を図２８に示した。距離は、音源（３４）位置と膜型共鳴構造（１６）の中心位置との距離とした。音源の背面側が開放されている場合においても膜型共鳴構造の位置で消音量は変化する。音源位置と膜１８の中央部位置の距離が約λ／４となる場合に消音量が一番小さくなる。また、約ｍ×λ／２の位置にあるときに消音量が極大化する。

内部音源の背面が開放されていても、軸部分が反射壁として存在しているため内部音源位置においてダクトが狭まっているため、音源位置が高インピーダンス界面となる。よって、シミュレーション３、及び４で計算した完全な反射壁でなくても、高インピーダンス界面の存在によって消音量の位置依存性が大きく現れることが分かった。図２９（距離０ｍｍ：音源真横位置の近接場）、図３０（距離５０ｍｍ）、及び図３１（距離１００ｍｍ）にはそれぞれの消音スペクトルを示した。
このようにして、音源の背面の反射壁がない場合であっても、音源自体の形状によって高インピーダンス側への界面が生じるために、膜型共鳴構造の位置の最適な位置が現れることが分かった。特に、図２９に示すように、ｍ＝０（距離０ｍｍ）の場合が、音源の真横に膜型共鳴構造を配置するだけで消音効果が得られるため、コンパクト化に大きな意味がある。図３０に示すように、距離がλ／４に近い５０ｍｍの場合には、消音量が小さくなる。図３１に示すように、距離がλ／２に近い１００ｍｍの場合には、消音量が極大化することが分かる。

シミュレーション１～４の場合のように、内部音源３４、反射壁３６、及び膜型共鳴体１６がある系では、共鳴が二つ存在し、それが消音と増幅にそれぞれ寄与するメカニズムが存在する。これらのメカニズムについて考察を行った。
消音メカニズム（膜型共鳴体単体）は、以下の通りである。
図３２に示すように、音源３４から直接出て行く音（実線）と、膜型共鳴体１６で位相変化して再放出される音（点線）とが、反転位相となって打消し合いの干渉を生じる。ここでは、音源３４と膜型共鳴体１６の距離に依らずに、膜型共鳴体１６の特性で反転位相化する。このため、膜型共鳴体１６単体で、周波数が決まる。したがって、膜型共鳴体１６単体の共鳴による透過波の位相変化が重要である。

増幅メカニズム（長さによる共振器）は、以下の通りである。
図３３に示すように、膜型共鳴体１６と音源背後の反射壁３６との間の距離が波長と適合すると、共振器として共振が生じる。
このとき、キャビティの長さは、波長の４分の１（λ／４）となる。ここでは、音源２４の位置の音圧が増加することで、音源３４から音が強く放射される。このため、外部放射音も大きくなる。これは、反射壁３６と膜型共鳴体１６で形成されるキャビティの共振特性にもとづくものである。したがって、反射壁３６と膜型共鳴体１６との間の距離がλ／４となるとき共振効果は大である。このため、膜型共鳴体１６の反射位相と、背面反射壁３６との距離が重要である。
なお、膜型共鳴体１６の共鳴付近の周波数で消音メカニズムと増幅メカニズムとの両方のメカニズムが生じる。

また、シミュレーション３、及び４のような膜型共鳴体１６において、膜振動吸音をして音の吸収がある現実的な場合と、シミュレーション１、及び２のような膜型共鳴体１６において音の吸収の無い理想的な場合とについて考察を行った。
上述したように、膜型共鳴体１６において膜振動吸音をする場合については、膜１８のヤング率に虚部を導入、実際の吸収もある膜１８として計算を行った。この場合には、背面反射壁３６と膜１８の中心との距離と消音量との関係は、上述の図２０のようになる。
この背面反射壁３６と膜１８の中心との距離が、３０ｍｍの場合、及び１０５ｍｍの場合について、膜型共鳴体１６において音の吸収がある場合と、音の吸収が無い場合における周波数と消音量との関係を図３４、及び図３５に示す。
図３４、及び図３５に示されるように、膜１８に強いダンピングが入り、音の吸収があると、実線で示すように、消音も増幅も、音の吸収が無い場合に見られた点線で示す強いピークはなくなる。その結果、図３４、及び図３５に実線で示されるように、ブロード化する。しかしながら、吸収がない点線の場合と、消音量の極大極小位置は変わらない。

以上のシミュレーション結果をまとめると、以下のようになる。
背面閉空間のある膜型共鳴体の共鳴に従って、消音効果が現れる。高次振動のある場合は、基本振動も高次振動も消音効果が現れる。
一方で膜型共鳴体と背面反射壁によってキャビティ共振器が形成される条件があり、増幅に寄与している。
よって、共鳴器（膜型共鳴体）消音とキャビティ共振器による増幅が取り合いとなり、共鳴器の位置依存性が現れる。
実用的には、反射壁と膜型共鳴体の距離がλ／４となる場合が、キャビティ共振器が形成されて音圧の増幅効果が強く消音効果が小さい。したがって、このλ／４の距離を避けて、膜型共鳴体を配置すべきである。
膜型共鳴体を音源、及び／又は壁により近付けて、近接場干渉によっても大きな消音効果が現れる。この場合には、非常にコンパクトなサイズで消音ができる。
以上のようにして、シミュレーションによって、膜型共鳴体をダクトの壁に配置した音響ユニットを構成することで、音源の卓越音を狙って消音することができることを明らかにした。

以下に、本発明の音響ユニットを実施例に基づいて詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。

（実施例１）
まず、図３７、及び図３８に示すように、６０ｍｍ×６０ｍｍの断面正方形の貫通孔１２ａを持ち、厚さ１０ｍｍの壁１２ｄからなる８０ｍｍ×８０ｍｍの外形寸法を持ち、長さが１４５ｍｍであるダクト１２の一方の端面の上面、及び両側面に、それぞれ、図３８に示す幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×幅１０ｍｍの膜型共鳴体１６を嵌めこみ、図３７に示す断面配置のダクト１２の一方の端面を構成した。次に、このようにして構成されたダクト１２の一方の端面に、６０ｍｍ×６０ｍｍの正方形状厚み２８ｍｍのファン１４を取り付けて、ダクト１２の貫通孔１２ａをファン１４で覆うように構成して、音響ユニット１０を構成した。
ファン１４の吸気側には、同一寸法の貫通孔１３ａを持ち、厚さ１０ｍｍのウレタンゴム１３ｂで内張りされた断面寸法２００ｍｍ×６０ｍｍ×長さ６０ｍｍのダクト１３を取り付けた。

また、音響ユニット１０の図中左側のダクト１２の他方の開放端１２ｂの中心から２００ｍｍ下流側の位置から直角に１４０ｍｍ離れた位置にマイクロフォン３８を取り付けて、音響ユニット１０の騒音を計測する実験系を構成した。
ファン１４は、Ｓａｎ Ａｃｅ ６０，Ｍｏｄｅｌ：９ＧＡ０６１２Ｐ１Ｊ０３（三洋電気社製）を用いた。
膜型共鳴体１６は、図３８に示すように、長軸５．６ｍｍ、短軸２．６ｍｍの楕円形状の開口部２０ｂを持ち、幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ２ｍｍの上面アクリル板と、厚さ２ｍｍのアクリル板を用いて、底面、４側面を構成し、全体を幅３０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×幅１０ｍｍの直方体枠体２０を構成し、開口部２０ｂを覆うように、厚さ１２５μｍのＰＥＴ（ペット：ポリエチレンテレフタレート）製の膜状部材１８を上面アクリル板の上面に貼り付けた。

このようにして構成された図３６に示す音響ユニット１０の騒音の計測系においては、３つの膜型共鳴体１６をファン１４の位置に対して下流側に移動することができるようにして、音源（ファン１４）に対する膜型共鳴体１６の中心位置（ダクト流路方向断面において、ファン１４の羽根の中心位置と膜型共鳴体１６の中心位置との間の距離）を変えて、ファン１４を１３８００ｒｐｍの回転速度で回転させた時の本発明の音響ユニット１０のダクトから放射される騒音の音圧をマイクロフォン３８で計測した。
こうして計測された音圧と周波数との関係を、ファン１４に対する膜型共鳴体１６の中心位置が、λ／２である実施例１について、図３９に示す。ここで、波長λは、２９６ｍｍである。なお、図３９には、膜型共鳴体１６を配置しない場合の音圧をリファレンスとして示す。また、図３９には膜型共鳴体１６が消音器として機能した時の消音器消音による吸収も示す。
また、図４０には、ファン１４に対する膜型共鳴体１６の中心位置／λと、１１５０Ｈｚにおける透過損失との関係を示す。すなわち、１１５０Ｈｚにおける膜型共鳴体１６を各位置に配置した場合のマイク音圧と、膜型共鳴体を配置していないリファレンスのマイク音圧を比較し、透過損失として表現した結果となる。図４０に示す点は、全て本発明の実施例である。

図３９では、実施例１の太実線の方が、リファレンスの点線より、音圧が大幅に低くなっており、リファレンスに対して消音効果が大きいことを示している。即ち、膜型共鳴体１６の位置がλ／２である実施例１は、消音効果が大きいことが分かる。
また、図４０から、位置／λが０．２５である、すなわち位置がλ／４の場合、及びその前後点は、透過損失はあるが、透過損失が小さいのに対して、位置／λが０．５である実施例１、すなわち位置がλ／２の場合、及びその前後点は、透過損失がより大きいことが分かる。
つまり、膜型共鳴体を配置する場所によって消音効果は変化し、特にファンからλ／２の位置で効果が大きいことが分かった。
さらに、図４０から、ファンとの距離をλ／４より近づけた場合に注目すると、透過損失量が大きくなっていくことが分かる。最も近づけた場合は０．１２λの位置であり、透過損失が４ｄＢを上回っている。このように、透過損失を大きくするための最適値は０．５λの位置だけではなく、０．２５λより膜型共鳴体１６をファンに近づけていった方向にも存在することが明らかになった。これは、上記シミュレーションと合わせると、透過損失の最適値が、位置ｍ×λ／２（ｍは０以上の整数）となることを示唆している。
以上から、膜型共鳴体１６の消音効果には、膜型共鳴体１６の位置依存性があり、膜型共鳴体１６の位置をλ／４から遠ざけ、０、もしくはλ／２に近づける方が望ましいことが分かる。

＜実施例２、比較例１＞
実施例１と同様の測定系であって、マイクロフォン３８を２００ｍｍ下流側の位置から直角に１４０ｍｍ離れた位置ではなく、１００ｍｍ下流側の位置から直角に１００ｍｍ離れた位置に配置した。
ファン１４の卓越音を１５００Ｈｚとなるように電流量を調整した。このとき、流量計で測定した端部風速は７．８ｍ／ｓであった。この測定系に対して、図４１Ａ，及び図４１Ｂに示す膜型共鳴体１６を備える実施例２の音響ユニット１０ａと、図４２Ａ，及び図４２Ｂに示すヘルムホルツ共鳴体５２を備える比較例１の音響ユニット５０との比較を行った。

実施例２の音響ユニット１０ａの膜型共鳴体１６としては、図４１Ａ，及び図４１Ｂに示したようなΦ２６ｍｍの膜型固定部を有する膜型共鳴体を、ダクト１２の断面内に一面６つ（３側面に各側面２つずつ合計６つ）配置する構造とした。膜型共鳴体１６の膜状部材１８は、１２５μｍ厚みのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）であり、背面距離は５ｍｍである。この構造の音響ユニット１０ａの共鳴周波数は１５００Ｈｚとなる。
膜型共鳴体１６の代わりに、比較するヘルムホルツ共鳴体５２を用いた以外は、実施例２の音響ユニット１０ａと同様にして、比較例１の音響ユニット５０を構成した。即ち、ヘルムホルツ共鳴体５２の数、及び配置位置は、実施例２の膜型共鳴体１６と同一であった。比較するヘルムホルツ共鳴体５２は、膜型共鳴体１６と体積が同一になるように設計した。即ち、表面板５４の厚みが２ｍｍ、背面距離を３ｍｍとして、背面はΦ２６ｍｍの円柱状空洞であり、表面板５４には孔径２．５ｍｍ、厚み２ｍｍの貫通穴（共鳴穴）５６が存在する。この共鳴周波数も１５００Ｈｚとなる。それぞれの枠体、及びヘルムホルツ共鳴体５２の表面板５４などの構造体は、アクリル板をレーザーカッターで加工することで作成した。

膜型共鳴体１６、及びヘルムホルツ共鳴体５２の配置位置は、排気側ファン端部につけることとした。即ち、図３６のようにファン１４のケーシングと接する位置に膜型共鳴体１６、及びヘルムホルツ共鳴体５２の枠部分が接する配置とした。
こうして、実施例２の音響ユニット１０ａ、比較例１の音響ユニット５０、及び膜型共鳴体１６、及びヘルムホルツ共鳴体５２等の共鳴体が無いダクト１２のみの音響ユニット６０場合の音響測定を行った。その結果を、図４３、及び表１に示す。

図４３に、共鳴体の配置がないとき（参考例１）、膜型共鳴体１６配置（実施例２）、ヘルムホルツ共鳴体５２配置（比較例１）のファンピーク音付近のマイク位置音圧を示した。
表１に示すように、ピーク同士の音圧から透過損失を求めると、実施例２では１０ｄＢ以上のピーク消音量がある一方で、比較例１では４ｄＢのピーク消音量しかなく、同一体積の共鳴体では膜型共鳴体１６の方がヘルムホルツ共鳴体５２より大きなピーク音透過損失を示した。
更に、図４３によると、膜型共鳴体１６では低周波側を中心にピーク音以外の音も小さくしていて、基本的に共鳴体のないときより音を増やしていはいない。

一方で、ヘルムホルツ共鳴体５２を配置した比較例１では、表示した全帯域、特に高周波側において共鳴体のないときより音量が増大している。その差分は、最大１０ｄＢ程度に達する。このヘルムホルツ共鳴体５２による音量の増大は、ヘルムホルツ共鳴体５２がもたらす風切り音によるものである。すなわち、ダクト内に音とともに風が流れていることで、ヘルムホルツ共鳴体５２の開口部で風切り音が発生する。より具体的には、開口部エッジ部で流体渦が発生し、それが原因となって風切り音成分が現れる。この風切り音成分自体は周波数特性の小さなホワイトノイズ的なものであるが、この発生した風切り音成分がヘルムホルツ共鳴体５２と相互作用する。この場合、ヘルムホルツ共鳴の共鳴周波数付近で風切り音成分が共鳴体にトラップされて増強される。この増強された成分がヘルムホルツ共鳴体から開口部を通して再放射されることによって、周波数に特徴を持った強い風切り騒音源となる。この効果によって、ヘルムホルツ共鳴周波数付近では音量の増大がみられている（これはまさに、ペットボトルに息を吹きかけたときに生じている現象と同じことである）。

つまり、ヘルムホルツ共鳴体を用いてファン騒音を消音しようとしてファンピーク騒音に共鳴周波数を合わせると、必然的にその共鳴周波数において風切り音が増大されてしまい消音効果の一部を打消す。さらに一般的にファンピーク音よりヘルムホルツ共鳴の方が周波数幅が広いため、ファンピーク音周辺の周波数で大きな風切り音によって騒音量を増やす結果となっている。
一方で、膜型共鳴体ではピーク音周辺周波数も含めて、風切り音を発生させていない。よって、音量を増やすことなく、ピーク音周波数においては大きな消音効果を得ることができた。よって、開口部を有しない膜型共鳴体の方が、ヘルムホルツ共鳴のような開口部を有する共鳴構造より、消音に適していることが分かった。

＜実施例３、４＞
実施例２と同じ測定系において、ダクト流路方向に膜型共鳴体１６の配置数を１列ではなく、２列（実施例３）、４列（実施例４）と配置することでより大きな消音効果を得る実験を行った。図４４に４列配置した場合のイメージ図を示した。それらの結果を図４５に示した。
図４５にそれぞれの膜型共鳴体１６の配置条件で測定したマイク位置音量スペクトルを示した。また、表１に実施例２の結果も含めて、ピーク音量の比較を示した。膜型共鳴体１６をダクト流路方向に複数列配置することによって、より大きな消音効果を得られることが分かった。４列並べた場合は１５ｄＢ以上の消音効果を得ることができた。
また、実施例２、実施例３、及び実施例４のそれぞれにおいて流量計で風速を測定したところ、全て７．８ｍ／ｓであることが分かった。これは膜型共鳴体１６を配置しない場合の風速と同一であり、壁面に膜型共鳴体１６を配置することで風量が損なわれないことが分かった。
以上の結果より本発明の効果は明らかである。

以上、本発明に係る音響システムについての種々の実施形態および実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施形態および実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良、又は変更をしてもよいのはもちろんである。

１０、１０ａ、５０、６０ 音響システム
１２、１３ ダクト
１２ａ、１３ａ 貫通孔
１２ｂ、１２ｃ、２０ｃ 開放端
１２ｄ 壁
１２ｅ 開口
１２ｆ 閉塞端部
１３ｂ ウレタンゴム
１４ ファン
１６ 膜型共鳴体（膜型共鳴構造）
１８ 膜状部材（膜）
２０ 枠体
２０ａ 背面閉空間
２０ｂ 開口部
２２ プロペラファン
２４ ケーシング
２６ ハブ
２８ プロペラ
３０ ファン本体
３２ 錘
３４ 音源（内部音源）
３６ 反射壁
３８ マイクロフォン
５２ ヘルムホルツ共鳴体
５４ 表面板
５６ 貫通穴（共鳴穴）

Claims (23)

1. 流体を流す機能を有する筒状のダクトと、前記ダクトの内部、又は前記ダクトの内部に連通する前記ダクトの外周部に配置される内部の音源、又は前記ダクトの端部から外部側に存在する外部の音源と、前記ダクトの壁の一部として構成され、音に対して振動する膜状部材と、を有する音響システムであって、前記膜状部材とその背面に形成された略閉空間で構成された背面空間を含む構造によって音響共鳴を生じさせ、前記音源から前記ダクト内を伝播され、前記ダクトの他方の端部から放射される音を抑制するものであり、前記外部の音源は、前記ダクトの端部から外部側に前記音響共鳴の周波数における波長以内の距離に存在し、少なくとも1つの前記膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について、前記膜状部材の中心が、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、前記音源の位置から（ｍ×λ／２－λ／４）より大きく、（ｍ×λ／２＋λ／４）より小さい距離に位置していることを特徴とする音響システム。
2. 前記流体は、気体であり、風、及び／又は熱を含む気流として前記ダクトを流れ、
   前記ダクト内において、前記流体が流れる方向と、前記膜状部材の膜面とは、垂直ではない請求項１に記載の音響システム。
3. 前記音源が、少なくとも一つの特定周波数についての音圧が極大となる卓越音を発する音源である請求項１、又は２に記載の音響システム。
4. 前記音源が、ファンであり、
   前記卓越音が、前記ファンを構成する羽根と回転速度とにより発生し、前記ファンから外部に出る音である請求項３に記載の音響システム。
5. 前記膜状部材は、前記ダクトの壁の一部に設けられた開口に取り付けられる請求項１～４のいずれか１項に記載の音響システム。
6. 前記膜状部材のエッジ部が、固定端となっている請求項５に記載の音響システム。
7. 前記膜状部材が、前記ダクトの壁の一部を薄くすることで振動するように形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の音響システム。
8. 前記膜状部材の中心は、０以上の整数をｎとして、前記音源の位置から、（２ｎ＋１）×λ／４の距離の位置からは外れ、ｍ×λ／２の距離の位置に近づいた位置であり、
   前記膜状部材と前記背面空間を含む構造は、前記膜状部材と前記背面空間とによって共鳴周波数が決まる膜型共鳴構造である請求項１～７のいずれか１項に記載の音響システム。
9. 前記膜型共鳴構造は、基本振動における吸音率より高次振動における吸音率が大きい構造である請求項８に記載の音響システム。
10. 前記膜状部材のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、前記背面空間の厚みをｄ（ｍ）とし、前記膜状部材が振動する領域の円相当直径をΦ（ｍ）とすると、前記膜状部材の硬さＥ×ｔ^３（Ｐａ・ｍ^３）が、２１．６×ｄ^{－１．２５}×Φ^４．１５以下である請求項８、又は９に記載の音響システム。
11. 流体を流す機能を有する筒状のダクトと、前記ダクトの内部、又は前記ダクトの内部に連通する前記ダクトの外周部に配置される内部の音源、又は前記ダクトの端部から外部側に存在する外部の音源と、前記ダクトの壁の一部として構成され、音に対して振動する膜状部材と、を有する音響システムであって、前記膜状部材とその背面を含む構造によって音響共鳴を生じさせ、前記音源から前記ダクト内を伝播され、前記ダクトの他方の端部から放射される音を抑制するものであり、前記外部の音源は、前記ダクトの端部から外部側に前記音響共鳴の周波数における波長以内の距離に存在し、前記膜状部材の背面空間が、略閉空間で構成され、前記膜状部材とその背面を含む構造は、前記膜状部材と前記背面空間とによって共鳴周波数が決まる膜型共鳴構造であり、前記膜状部材のヤング率をＥ（Ｐａ）とし、厚みをｔ（ｍ）とし、前記背面空間の厚みをｄ（ｍ）とし、前記膜状部材が振動する領域の円相当直径をΦ（ｍ）とすると、前記膜状部材の硬さＥ×ｔ^３（Ｐａ・ｍ^３）が、２１．６×ｄ^{－１．２５}×Φ^４．１５以下であることを特徴とする音響システム。
12. 前記膜状部材が、前記ダクトの流路方向について複数列配置されている請求項１～１１のいずれか1項に記載の音響システム。
13. 前記膜状部材は、質量分布を有する請求項１～１２のいずれか１項に記載の音響システム。
14. 前記膜状部材に錘が取り付けられている請求項１～１３のいずれか１項に記載の音響システム。
15. 前記錘は、前記膜状部材の背面に取り付けられている請求項１４に記載の音響システム。
16. 少なくとも1つの前記膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について、前記膜状部材の中心が、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとして、前記音源の位置からλ／４未満の距離に位置している請求項１～１５のいずれか１項に記載の音響システム。
17. 前記ダクトが、前記音源の少なくとも一部を囲むケースである請求項１～１６のいずれか１項に記載の音響システム。
18. 前記音源が、ファンであり、
    前記ダクトが、前記ファンを囲むファンケーシングであり、
    ファンケーシングに前記膜状部材が取り付けられている請求項１～１７のいずれか１項に記載の音響システム。
19. 前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数において、前記ダクト内で前記音源から高インピーダンス側にインピーダンス変化が生じる面によって少なくとも一部の音を反射する反射界面となる高インピーダンス界面と、前記音源と、前記膜状部材が存在することによって、ダクトから出る外部放射音を抑制する請求項１～１８のいずれか１項に記載の音響システム。
20. 少なくとも1つの前記膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について、前記膜状部材の中心が、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、前記音響インピーダンス変化を生じる前記反射界面からｍ×λ／２－λ／４より大きく、ｍ×λ／２＋λ／４より小さい距離に位置している請求項１９に記載の音響システム。
21. 流体を流す機能を有する筒状のダクトと、前記ダクトの内部、又は前記ダクトの内部に連通する前記ダクトの外周部に配置される内部の音源、又は前記ダクトの端部から外部側に存在する外部の音源と、前記ダクトの壁の一部として構成され、音に対して振動する膜状部材と、を有する音響システムであって、前記膜状部材とその背面に形成された略閉空間で構成された背面空間を含む構造によって音響共鳴を生じさせ、前記音源から前記ダクト内を伝播され、前記ダクトの他方の端部から放射される音を抑制するものであり、前記外部の音源は、前記ダクトの端部から外部側に前記音響共鳴の周波数における波長以内の距離に存在し、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数において、前記ダクト内で前記音源から高インピーダンス側にインピーダンス変化が生じる面によって少なくとも一部の音を反射する反射界面となる高インピーダンス界面と、前記音源と、前記膜状部材が存在することによって、ダクトから出る外部放射音を抑制し、少なくとも1つの前記膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について、前記膜状部材の中心が、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、０以上の整数をｍとして、前記音響インピーダンス変化を生じる前記反射界面からｍ×λ／２－λ／４より大きく、ｍ×λ／２＋λ／４より小さい距離に位置していることを特徴とする音響システム。
22. 少なくとも1つの前記膜状部材、又は少なくとも一つの膜型共鳴構造について、前記膜状部材の中心が、前記音源が発する音の音圧が極大となる周波数から決定される波長をλとし、高インピーダンス界面から±λ／４以内の位置に位置しており、かつ０以上の整数をｎとして、前記音源の位置から、（２ｎ＋１）×λ／４の距離の位置からは外れ、ｍ×λ／２の距離の位置に近づいた位置に位置している請求項２０、又は２１に記載の音響システム。
23. 前記反射界面を含む反射部と、前記音源と、前記膜状部材とが、λ／２以内の距離に配置され、前記反射部と反対側への放射音を抑制する請求項１９～２２のいずれか１項に記載の音響システム。

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