共鳴機構設計装置、共鳴機構設計方法及びプログラム
【課題】一自由度系の等価パラメータでモデル化された共鳴機構の物理的構造を特定し、特定した物理的構造の共鳴機構を実際の制御対象の音場に配置して制御対象の固有振動の振幅値を低減し、制御対象である音（騒音）の音響エネルギーを低減させる。
【解決手段】設計装置は、共鳴機構が配置される位置をモデル化された音場において設定する。また、設計装置は、共鳴機構を等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化し、モデル化された共鳴機構をモデル化された音場に配置する。設計装置は、モデル化された音場の周波数特性を表示し、設計者の所望の周波数を特性を表示した時にモデル化された音場に配置されている共鳴機構の構造を、この共鳴構造の等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数から特定し、特定した構造の共鳴構造を音場に配置する。
【解決手段】設計装置は、共鳴機構が配置される位置をモデル化された音場において設定する。また、設計装置は、共鳴機構を等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化し、モデル化された共鳴機構をモデル化された音場に配置する。設計装置は、モデル化された音場の周波数特性を表示し、設計者の所望の周波数を特性を表示した時にモデル化された音場に配置されている共鳴機構の構造を、この共鳴構造の等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数から特定し、特定した構造の共鳴構造を音場に配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音場の固有振動を制御する共鳴機構の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
音場にＦＥＭ（Finite Element Method）を適用する発明として、特許文献１に開示された発明がある。特許文献１に開示された発明は、振動する構造体（例えば車両）と音場（例えば車室内空間）との間に吸音機能又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物に対してＦＥＭを適用するものであり、吸音機能又は遮音機能を有する部材を、構造体と音場の接点との間に配設されたバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６５４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、音場の周波数特性を制御する際には、吸音機能又は遮音機能を有する部材を音場に配置して周波数特性が制御されるが、特定の音について周波数特性を制御する際には、吸音機能又は遮音機能を有する部材を最適化する必要がある。特許文献１に開示された発明によれば、音場と、吸音機能又は遮音機能を有する部材とがモデル化され、音場の周波数特定が得られるが、周波数特性を得られるに止まり、音場の周波数特性を制御するのに最適化された部材を得ることはできていない。
【０００５】
本発明は、上述した背景の下になされたものであり、その目的は、音場に配置する一自由度系の等価パラメータでモデル化された共鳴機構の物理的構造を特定し、特定した物理的構造の共鳴機構を実際の音場に配置して音場の固有振動の振幅値を低減し、音場の音（騒音）の音響エネルギーを低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得するパラメータ取得手段と、前記共鳴機構の構造を、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段とを有し、前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計装置を提供する。
【０００７】
上記共鳴機構設計装置においては、前記共鳴機構は管型共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定する構成であってもよい。
【数１】
【０００８】
上記共鳴機構設計装置においては、前記共鳴機構は屈曲板共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定する構成であってもよい。
【数２】
【０００９】
上記共鳴機構設計装置においては、前記音場において前記共鳴機構が配置される位置を取得する配置位置取得手段と、前記音場において音の周波数特性を算定する位置を設定する算定位置取得手段と、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数の前記共鳴機構が前記配置位置取得手段で取得された位置に配置された前記音場について、前記算定位置取得手段で取得された位置における音の周波数特性を算定して表示する周波数特性表示手段とを有する構成であってもよい。
【００１０】
上記共鳴機構設計装置においては、複数種類の共鳴機構の中から前記音場に配置する共鳴機構の種類を選択する共鳴機構選択手段を有し、前記構造特定手段は、前記共鳴機構選択手段で選択された種類の共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構成であってもよい。
【００１１】
また、本発明は、コンピュータが、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得ステップと、コンピュータが、前記共鳴機構の構造を、前記取得ステップで取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定ステップとを有し、前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計方法を提供する。
【００１２】
また、本発明は、コンピュータを、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得手段と、前記共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と、前記共鳴機構の音場における配置位置として、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置を取得する配置位置取得手段として機能させるためのプログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一自由度系の等価パラメータでモデル化された共鳴機構の物理的構造を特定し、特定した物理的構造の共鳴機構を実際の制御対象の音場に配置して制御対象の固有振動の振幅値を低減し、制御対象である音（騒音）の音響エネルギーを低減させる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る設計装置１のハードウェア構成のブロック図である。
【図２】設計装置１が実行する処理の流れを示したフローチャートである。
【図３】音場の固有振動の一例を表した図である。
【図４】音場の周波数特性の算定結果を示した図である。
【図５】音場の周波数特性の算定結果を示した図である。
【図６】音場の周波数特性の測定結果を示した図である。
【図７】共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを表す式を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態］
（実施形態の概要）
従来、吸音機構を配設して音場の音を抑制する際には、吸音機構の数値解析モデルから求められる共鳴周波数を、抑制すべき音の周波数に合致させる方法が用いられているが、最適化のために吸音機構の詳細な形状を数値解析で表現しようとすると膨大な要素数が必要となり、モデルの作成に多大な時間を要するため現実的でなく、最適化はできない。
そこで本発明においては、音場の音を抑制する共鳴機構について、一自由度系の等価パラメータ、即ち、等価質量Ｍ、等価バネ定数Ｋ、損失を表す係数ｇで表現し、これらの等価パラメータを有する共鳴機構を設計して音場に配置する方法を提供する。共鳴機構を一自由度系の等価パラメータで表現すれば、ＦＥＭで音場の解析を行っても要素数が膨大とならず、ＦＥＭのモデル作成の時間を短縮できる。
【００１６】
なお、従来、制御対象とする音場はいわゆる拡散音場または拡散音場と見なせる音場であり、制御対象とする周波数帯域は当該帯域内で多数の固有振動がほぼ一様に分布する周波数帯域である。
これに対して、本発明を適用する音場は非拡散音場または拡散音場とみなせない音場である。また、制御対象とする周波数帯域は当該帯域内で複数の固有振動が互いに孤立して分布する周波数帯域である。勿論、1つの固有振動（この場合は1次の一次元モード即ち当該音場の最低共振周波数）が独立して成立する周波数帯域であってもよい。
本発明は、これらの孤立した固有振動の内、特定の周波数の固有振動を制御対象として、この固有振動の振幅値を低減するものであり、具体的な制御対象とする周波数帯域は、例えば２ｍ程度の寸法を有する空間であれば、数百Ｈｚ以下の周波数帯域であり、一次元モード（軸波）や二次元モード（接線波）が主要な固有振動（ノーマルモード）であって、これらのモードが孤立して成立する周波数帯域である。
【００１７】
なお、本発明においては、共鳴機構としては、ヘルムホルツ共鳴を利用したヘルムホルツ型共鳴機構、管共鳴を利用した片閉管の管型共鳴機構、ピストン板共鳴機構、屈曲板共鳴機構を採用する。
ここで、ピストン板共鳴機構とは、背後空気層のバネで支持された板や膜等の振動部材の質量（マス）がピストン運動をする共鳴機構であり、いわゆるバネマス系でモデル化される。
これに対して、振動部材の面積が相対的に小さく、当該振動部材の支持条件（拘束条件）が強く当該振動部材に影響する系では、当該振動部材の固有の屈曲振動（即ち固有振動）が励起され、前記ピストン運動では説明できない複雑な共鳴周波数特性を、特に固有振動が孤立して成立している低い周波数帯域で、発生する場合がある。このような振動の態様を屈曲板振動と称し、この屈曲板振動による共鳴を発生する機構を、屈曲板共鳴機構と称して、前記ピストン板共鳴機構と区別する。
【００１８】
共鳴機構の仕様を決定するまでの流れとしては、まず、共鳴機構を配置する音場の形状や寸法、音場内の音源の位置などを設定し、設定された音場のモデルをＦＥＭで解析して音場の固有振動の態様（音場における定在波のパターン、即ち固有振動姿態）を得る。
次に、音場において音場の使用者に影響を与える固有振動の態様と、音場内において音圧の周波数特性を算定する評価位置とを設定し、評価位置における音圧の周波数特性を算定する。評価位置における音圧の周波数特性が得られると、当該周波数特性のピークの振幅値を低減する共鳴機構の配置位置と、当該共鳴機構の等価パラメータを設定し、ピークの音圧の音を低減するのに有効な等価パラメータを算定する。そして、共鳴機構の最適な等価パラメータ、即ち当該周波数特性のピークの振幅値を適切に低減し、所望の周波数特性を実現するために最適な等価パラメータを決定すると、決定した等価パラメータを実現する共鳴機構の仕様（共鳴機構の種類や寸法、材料、共鳴機構に使用する抵抗材など）を決定する。決定した仕様に基づいて製作した共鳴機構を音場に配置すれば、制御対象とする固有振動を最適に制御した音場が実現できる。
以上が、本発明に係る共鳴機構の設計方法の概要である。以下、この方法に係る設計装置の構成および動作について説明する。
【００１９】
（実施形態の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る設計装置１のハードウェア構成を示したブロック図である。設計装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２が記憶部１０５に記憶されているプログラムを実行することにより特定の機能が実現するコンピュータ装置であり、設計装置１の各部は、各部を接続するバス１０１を介して各部間で情報のやり取りを行う。なお、本実施形態においては、音場の音を減衰させる共鳴機構を設計する設計機能が実現する。
【００２０】
表示部１０７は、画像を表示する表示装置として液晶ディスプレイを備えており、ＣＰＵ１０２の制御の下、設計装置１を操作するための画面やＣＰＵ１０２の演算結果などを表示する。なお、表示装置は液晶ディスプレイに限定されるものではなく、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＥＬ（electroluminescence）を用いたディスプレイなど他の表示装置であってもよい。
操作部１０６は、設計装置１を操作するためのキーボードやマウスを備えている。ユーザがキーボードを操作したり、マウスを操作したりすることにより、設計装置１に対する各種入力が行われる。
【００２１】
記憶部１０５はハードディスク装置を具備しており、共鳴機構を設計する設計機能を実現するプログラムを記憶している。また、記憶部１０５は、共鳴機構の設計に用いる情報を記憶する。
【００２２】
ＲＯＭ（Read Only Memory）１０３は、ＩＰＬ（Initial Program Loader）を記憶している。ＣＰＵ１０２に対して図示せぬ電源から電力が供給されるとＲＯＭ１０３に記憶されているＩＰＬがＣＰＵ１０２により実行される。ＣＰＵ１０２がＩＰＬを実行すると、記憶部１０５に記憶されているプログラムが実行され、上述した設計機能が実現する。
【００２３】
（実施形態の動作）
図２は、設計装置１における処理の流れを示したフローチャートである。まず設計装置１においては、設計者により操作部１０６が操作され、設計装置１は、共鳴機構を配置する音場の形状や寸法、音場内の音源の位置などの情報を取得する（ステップＳＡ１）。なお、音場の形状や寸法については、予め複数の音場の形状や寸法の情報を音場毎に記憶部１０５に記憶させておき、記憶された情報のいずれかを設計者が選択して音場の形状や寸法を設定してもよい。また、音源の位置についても、予め複数の位置の情報を音場の情報に対応付けて記憶部１０５に記憶させておき、記憶された情報のいずれかを設計者が選択して音場内の音源の位置を設定してもよい。
【００２４】
音場の形状や寸法および音源の位置などの情報が取得された後、音場の視覚化を指示する操作が操作部１０６で行われると、設計装置１は、設定された情報から例えば音場の３次元形状を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ２）。
そして、音場の視覚化が終了した後、音場の固有振動の態様の解析を指示する操作が操作部１０６において行われると、設計装置１は、音場の固有振動の周波数（固有周波数）を求め、周波数軸上での分布を算定する。また設計装置１は、算定した各固有周波数の振動姿態（固有振動姿態）を算定し（ステップＳＡ３）、算定した音場の固有振動の態様を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ４）。
【００２５】
次に設計者は、この表示された固有振動の態様のうち、音場の使用者に影響を与える固有振動の態様、即ち、本装置で制御対象とする特定の一の固有振動の態様を操作部１０６を操作して選択する。設計者は、固有振動の態様を選択した後、音場内において周波数特性を算定する位置を設定する。
【００２６】
ここで、図３は、ステップＳＡ３でＦＥＭ解析により得られた音場の固有振動の態様を音圧の分布で例示した図であり、縦が１．８ｍ、横が１．８ｍ、高さが２．２ｍの直方体の音場における上下方向（即ち１次元モードである軸波）の２次の固有振動の態様を示している。なお、図３においては、音場の高さ方向に直交する線の間隔の広狭で音場内の音圧を示しており、線の間隔が狭いほど音圧が高く、間隔が広くなるに従って音圧が低いことを示している。
図３の態様においては、音場の高さ方向の中央部分に固有振動の腹が位置するため、音場で楽器を演奏する場合を想定すると、楽器に近い位置や椅子に座って演奏する演奏者の頭部近辺に固有振動の腹が位置することとなり、楽器演奏へ影響を与えることとなる。
【００２７】
この場合、設計者は、図３に示した固有振動の態様のうち、特定の１つの固有振動の態様を音場の利用者に影響を与える、即ち、本装置で制御対象とする固有振動の態様として設定し、設計装置１は、音場内において周波数特性を算定する評価位置として、音場の使用者の頭部に最も近い固有振動の腹の位置、例えば図３の態様であれば音場の高さ方向中央部の位置を取得する（ステップＳＡ５）。なお、この評価位置は、後述する共鳴機構の配置位置となる。そして、取得した位置における周波数特性の算定を設計者が操作部１０６から設計装置１に指示すると、周波数特性の算定が設計装置１において行われ、設計装置１は、算定した周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ６）。
ここで、図４は、図３の音場の高さ方向中央（評価位置）における音圧の周波数特性の算定結果を示したグラフであり、ラインＬ１０は、音場に共鳴機構を配置していない場合の周波数特性を示している。この図から、当該評価点において１５８Ｈｚ付近に音圧のピーク、即ち、固有振動の周波数（固有周波数）が空間固有の音場特性としてあることが分かる。
【００２８】
評価位置における周波数特性が得られると、次に設計者は、音圧のピークの音を抑制する（ピークの振幅値を低減する）共鳴機構の配置位置と、共鳴機構の等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋを、操作部１０６を操作して設定すると、これらの設定が設計装置１に取得される（ステップＳＡ７）。そして、設計者は、決定された等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋでモデル化された共鳴機構が配置された音場の評価位置における周波数特性の算定を設計装置１に指示する。なお、本実施形態においては、共鳴機構の配置位置は、設計者が操作部１０６を操作して固有振動の腹の位置のうち、音場の使用者の頭部に最も近い固有振動の腹の位置を指定する。また、この時点においては、共鳴機構の損失を表す係数ｇは０にされ、損失を表す係数ｇを考慮しない状態で周波数特性の算定が行われる。
【００２９】
設計装置１は、モデル化された音場において、モデル化された共鳴機構を配置し、モデル化された音場の周波数特性の算定が終了すると、設計装置１は、共鳴機構を音場に配置した時の評価位置における周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ８）。ここで、図４のラインＬ１１は、表示部１０７に表示された周波数特性の一例であり、音圧の周波数特性である。
設計者は、表示部１０７に表示されるグラフを参照し、音場の固有振動を抑えるのに有効な等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを設定する。
例えば、図４のグラフの場合、ラインＬ１１を見ると、共鳴機構を配置しない場合と比較して１６０Ｈｚ付近の音圧が低くなっているため、設計者は、ラインＬ１１の周波数特性を得られる共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを音場に配置する共鳴機構の等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋとして決定する（ステップＳＡ９；ＹＥＳ）。
なお、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋは、固有振動を抑えるのに適切な値があり、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋが適切な値と比較して大きいと音場に与える影響は少なく、当該等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋの共鳴機構を音場に配置しても音場の周波数特性は変化しない。一方、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋが適切な値と比較して小さいと、当該等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋの共鳴機構が音場と連成した結果、本来の共鳴周波数とは異なる周波数に共鳴のピークが移動し、音波の周波数特性のピークを低減できない。
設計者は、設定した等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋで所望の周波数特性が得られない場合は、ステップＳＡ７に戻り、再度等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを設定する。
【００３０】
設計者は、上述したステップで共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋとを決定すると、次に、操作部１０６を操作して共鳴機構の損失を表す係数ｇを入力する。すると、設計装置１は、共鳴機構の損失を表す係数ｇを取得する（ステップＳＡ１０）。そして、設計者は、先に決定した等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋおよび入力した損失を表す係数ｇでモデル化された共鳴機構が配置された音場の評価位置における音圧の周波数特性の算定を設計装置１に指示する。設計装置１は、視覚化された音場においてモデル化された共鳴機構を配置し、設計装置１において音圧の周波数特性の算定が終了すると、設計装置１は、算定した音圧の周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ１１）。
【００３１】
ここで、図５のラインＬ２１，Ｌ２２は、ステップＳＡ１１で表示部１０７に表示された周波数特性の一例である。なお、図５のラインＬ２０は、音場に共鳴機構を配置していない時の評価位置の周波数特性を示している。例えば、図５のグラフの場合、ラインＬ２１は、損失を表す係数ｇ＝０．０２の共鳴機構の周波数特性を示しており、ラインＬ２２は、損失を表す係数ｇ＝０．１５、の共鳴機構の周波数特性を示している。
ここで、損失を表す係数ｇ＝０．１５のラインＬ２２を見ると、共鳴機構を配置しない場合と比較して、１６０Ｈｚ付近の音圧のピーク値が低くなっており、損失を表す係数ｇ＝０．１５とした共鳴機構が音場の固有振動を抑えるのに有効であることが分かる。また、ラインＬ２２について、損失を表す係数ｇ＝０・０２のラインＬ２１と比較すると、損失を表す係数ｇ＝０．０２では１５０Ｈｚ付近と１６６Ｈｚ付近にピークが表れているのに対して、損失を表す係数ｇ＝０．１５では損失を表す係数ｇ＝０．０２より周波数特性が平坦となっており、音場の固有振動を抑えつつ、ピークの分割を抑えるのにも有効であることが分かる。設計者は、表示部１０７に表示されるグラフを参照し、音場の固有振動を抑えるのに有効な損失を表す係数ｇを設定する。なお、所望の周波数特性が得られない場合は、ステップＳＡ１０に戻り、再度損失を表す係数ｇを設定する。
【００３２】
設計者は、損失を表す係数ｇを決定すると（ステップＳＡ１２；ＹＥＳ）、決定した等価パラメータを有する共鳴機構の物理的構造を決定する（ステップＳＡ１３）。具体的には、まず設計者は、共鳴機構の種類として、ヘルムホルツ型共鳴機構、管型共鳴機構、ピストン板共鳴機構、屈曲板共鳴機構のいずれかを操作部１０６を操作して選択する。
共鳴機構の種類が選択されると、設計装置１は、上述したステップで設計者が決定した等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋから共鳴機構の仕様（物理的構造）を算定する。なお、設計装置１は、図７に示した等価質量Ｍと共鳴機構の仕様（物理的構造）との関係を示した式と、等価バネ定数Ｋと共鳴機構の仕様（物理的構造）との関係を示した式とを記憶している。設計装置１は、この式に基づいて共鳴機構の仕様（物理的構造）を算定し、共鳴機構の仕様（物理的構造）を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。これにより、決定および表示された仕様（物理的構造）に基づき共鳴機構を具体的に製作できる。
【００３３】
なお、図７の屈曲板共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数の式において、以下の数３の式は、モード関数を示しており、数４の式は、（１，１）モードと（１，３）縮退モードの振幅比を示している。また、数３のΨｍｎは板のモード関数を表している。また、図７のヘルムホルツ型共鳴機構と管型共鳴機構の式において、ΔｌとΔＬは開口端補正を表している。
【００３４】
【数３】
【数４】
【００３５】
また、損失を表す係数ｇについては、設計装置１は、例えば、ヘルムホルツ型共鳴機構や管型共鳴機構の場合、開口部に設ける抵抗材による損失を表す係数ｇを、抵抗材の種類や厚さ毎に予め記憶部１０５に記憶し、設計者が設定した損失を表す係数ｇと同じ損失を表す係数となる抵抗材の種類と厚さとを、記憶部１０５を検索して表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。
また、ピストン板共鳴機構や屈曲板共鳴機構の場合、振動する板の材質と、この材質の板を用いた場合の共鳴機構の損失を表す係数ｇを板の材質毎に予め記憶部１０５に記憶し、設計者が設定した損失を表す係数ｇと同じ損失を表す係数となる板の種類を、記憶部１０５を検索して表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。
【００３６】
設計者は、表示部１０７に共鳴機構の寸法や部材の材質など共鳴機構の物理的構造（仕様）に関する情報が表示されると、表示された情報に従って共鳴機構を作成し、作成した共鳴機構を音場に配置する。
図６は、設計装置１で得られた仕様の管共鳴機構を実際の音場に配置した時の評価位置における周波数特性の測定結果を示したグラフである。ここで、図６のラインＬ３１は、損失を表す係数ｇ＝０．０３で作成した共鳴機構の周波数特性を示している。また、ラインＬ３２は、損失を表す係数ｇ＝０．１２で作成した共鳴機構の周波数特性を示している。なお、図６のラインＬ３０は、音場に共鳴機構を配置していない時の評価位置の周波数特性を示している。損失を表す係数ｇ＝０．０３の共鳴機構の周波数特性は、設計装置１において損失を表す係数ｇ＝０．０２とした時の共鳴機構の周波数特性に近い周波数特性となっている。また、損失を表す係数ｇ＝０．１２の共鳴機構の周波数特性は、設計装置１において損失を表す係数ｇ＝０．１５とした時の共鳴機構の周波数特性に近い周波数特性となっており、設計装置１により設計した共鳴機構が、音場内の音圧を低減させ実際の音場において特定の固有振動の音圧の腹の振幅を抑えるのに有効であることが示されている。なお、音場内の音圧を低減させることにより音場外への音漏れも低減される。
また、本実施形態においては、従来の方法と比較すると、図７の式により、等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋから各共鳴機構の物理的な構造を具現化することが可能となっており、さらに損失を表す係数ｇから特定の固有振動の音圧の腹の振幅を抑えるのに有効な共鳴機構の構造を特定できるようになっている。
【００３７】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。
【００３８】
上述した実施形態においては、音場の固有振動の態様を得る際にはＦＥＭによる解析で固有振動の態様を得ているが、予め音場の形状及び寸法と、当該音場の固有振動の態様を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている態様から選択するようにしてもよい。また、予め音場の形状及び寸法と、実際の測定により得た当該音場の固有振動の態様とを対応付けて記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている態様から選択するようにしてもよい。
また、評価位置における周波数特性を得る際にも、予め音場の複数位置における周波数特性を算定して記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている周波数特性から選択するようにしてもよい。また、周波数特性については、実際の測定により得た音場の周波数特性を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている周波数特性から選択するようにしてもよい。
また、共鳴機構の配置位置についても、設計者が操作部１０６を操作して、予め評価者の評価領域（例えば、音場の使用者の頭部）に最も近い固有振動の腹の位置を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている配置位置を選択して配置位置を設定してもよい。
【００３９】
本発明においては、共鳴機構の配置位置を設定する際には、固有振動の腹を構成する全ての腹の位置に共鳴機構を配置する設定としてもよい。
本発明においては、共鳴機構の仕様を決定する際には、予め等価パラメータの組み合わせと、この組み合わせを実現する共鳴機構の仕様とを対応づけてテーブルとして記憶部１０５に記憶させておき、決定した等価パラメータの組み合わせに対応した共鳴機構の仕様を検索して表示するようにしてもよい。
【００４０】
上述した実施形態では、音場の固有振動の態様において音圧をその物理量として算定しているが、音圧に替えて粒子速度（空気の粒子速度）を対象として、その固有振動の態様を算定して表示するようにしてもよい。要するに、固有振動を表現する物理量は、「音圧」でもよいし「粒子速度」でもよい。なお、振動体であれば、振動速度と振動変位がある。
また、粒子速度の態様を使用する際には、音圧の周波数特性に替えて粒子速度の周波数特性を算定すればよい。
【００４１】
上述した実施形態または変形例に係る共鳴機構は、音響特性を制御する各種の音響室に配置することが可能である。ここで各種音響室とは、例えば、防音室、ホール、劇場、音響機器のリスニングルーム、会議室等の居室、各種輸送機器の空間、スピーカや楽器などの筐体などがある。
【００４２】
上述した実施形態においては、４種類の共鳴機構のいずれかから共鳴機構を選択しているが、予め定められた一つの共鳴機構についてのみ等価質量Ｍと等価バネ定数の式を記憶し、記憶した式により共鳴機構の構造を特定するようにしてもよい。
また、本発明においては、複数種類の共鳴機構の中から音場に配置する共鳴機構を選択する場合、４種類未満または５種類以上の共鳴機構の中から音場に配置する共鳴機構を選択してもよい。
【００４３】
上述した実施形態では、例えば、等価質量Ｍと等価バネ定数をある値に設定すると、図４においてラインＬ１１で示したように音圧のピークとして２つのピークが表れる。設計装置１は、共鳴機構を配置しない場合の音圧のピーク値の周波数をｆres０、等価質量Ｍと等価バネ定数が設定された共鳴機構を配置した時にｆres０の両側に表れる新たな音圧のピーク値の周波数をｆres１、ｆres２（ｆres１＜ｆres２）とした場合、ｆres２／ｆres０≒ｆres０／ｆres１、要するにｌｏｇ（ｆres０−ｆres１）とｌｏｇ（ｆres２−ｆres０）とが略同じ値となる値を求め、求めた値をそれぞれ最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋとして決定してもよい。
また、設計装置１においては、この構成に替えて、最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋを決定する際、ｆres１の音圧のピーク値≒ｆres２の音圧のピーク値、要するに、ｆres１とｆres２とで一方の周波数のピーク値が突出しないような状態となるように、最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋを算定して決定してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・設計装置、１０１・・・バス、１０２・・・ＣＰＵ、１０３・・・ＲＯＭ、１０４・・・ＲＡＭ、１０５・・・記憶部、１０６・・・操作部、１０７・・・表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音場の固有振動を制御する共鳴機構の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
音場にＦＥＭ（Finite Element Method）を適用する発明として、特許文献１に開示された発明がある。特許文献１に開示された発明は、振動する構造体（例えば車両）と音場（例えば車室内空間）との間に吸音機能又は遮音機能を有する部材が配設されている構造物に対してＦＥＭを適用するものであり、吸音機能又は遮音機能を有する部材を、構造体と音場の接点との間に配設されたバネ・マス・ダンパモデルとしてモデル化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６５４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、音場の周波数特性を制御する際には、吸音機能又は遮音機能を有する部材を音場に配置して周波数特性が制御されるが、特定の音について周波数特性を制御する際には、吸音機能又は遮音機能を有する部材を最適化する必要がある。特許文献１に開示された発明によれば、音場と、吸音機能又は遮音機能を有する部材とがモデル化され、音場の周波数特定が得られるが、周波数特性を得られるに止まり、音場の周波数特性を制御するのに最適化された部材を得ることはできていない。
【０００５】
本発明は、上述した背景の下になされたものであり、その目的は、音場に配置する一自由度系の等価パラメータでモデル化された共鳴機構の物理的構造を特定し、特定した物理的構造の共鳴機構を実際の音場に配置して音場の固有振動の振幅値を低減し、音場の音（騒音）の音響エネルギーを低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得するパラメータ取得手段と、前記共鳴機構の構造を、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段とを有し、前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計装置を提供する。
【０００７】
上記共鳴機構設計装置においては、前記共鳴機構は管型共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定する構成であってもよい。
【数１】
【０００８】
上記共鳴機構設計装置においては、前記共鳴機構は屈曲板共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定する構成であってもよい。
【数２】
【０００９】
上記共鳴機構設計装置においては、前記音場において前記共鳴機構が配置される位置を取得する配置位置取得手段と、前記音場において音の周波数特性を算定する位置を設定する算定位置取得手段と、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数の前記共鳴機構が前記配置位置取得手段で取得された位置に配置された前記音場について、前記算定位置取得手段で取得された位置における音の周波数特性を算定して表示する周波数特性表示手段とを有する構成であってもよい。
【００１０】
上記共鳴機構設計装置においては、複数種類の共鳴機構の中から前記音場に配置する共鳴機構の種類を選択する共鳴機構選択手段を有し、前記構造特定手段は、前記共鳴機構選択手段で選択された種類の共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構成であってもよい。
【００１１】
また、本発明は、コンピュータが、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得ステップと、コンピュータが、前記共鳴機構の構造を、前記取得ステップで取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定ステップとを有し、前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計方法を提供する。
【００１２】
また、本発明は、コンピュータを、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得手段と、前記共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と、前記共鳴機構の音場における配置位置として、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置を取得する配置位置取得手段として機能させるためのプログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一自由度系の等価パラメータでモデル化された共鳴機構の物理的構造を特定し、特定した物理的構造の共鳴機構を実際の制御対象の音場に配置して制御対象の固有振動の振幅値を低減し、制御対象である音（騒音）の音響エネルギーを低減させる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る設計装置１のハードウェア構成のブロック図である。
【図２】設計装置１が実行する処理の流れを示したフローチャートである。
【図３】音場の固有振動の一例を表した図である。
【図４】音場の周波数特性の算定結果を示した図である。
【図５】音場の周波数特性の算定結果を示した図である。
【図６】音場の周波数特性の測定結果を示した図である。
【図７】共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを表す式を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態］
（実施形態の概要）
従来、吸音機構を配設して音場の音を抑制する際には、吸音機構の数値解析モデルから求められる共鳴周波数を、抑制すべき音の周波数に合致させる方法が用いられているが、最適化のために吸音機構の詳細な形状を数値解析で表現しようとすると膨大な要素数が必要となり、モデルの作成に多大な時間を要するため現実的でなく、最適化はできない。
そこで本発明においては、音場の音を抑制する共鳴機構について、一自由度系の等価パラメータ、即ち、等価質量Ｍ、等価バネ定数Ｋ、損失を表す係数ｇで表現し、これらの等価パラメータを有する共鳴機構を設計して音場に配置する方法を提供する。共鳴機構を一自由度系の等価パラメータで表現すれば、ＦＥＭで音場の解析を行っても要素数が膨大とならず、ＦＥＭのモデル作成の時間を短縮できる。
【００１６】
なお、従来、制御対象とする音場はいわゆる拡散音場または拡散音場と見なせる音場であり、制御対象とする周波数帯域は当該帯域内で多数の固有振動がほぼ一様に分布する周波数帯域である。
これに対して、本発明を適用する音場は非拡散音場または拡散音場とみなせない音場である。また、制御対象とする周波数帯域は当該帯域内で複数の固有振動が互いに孤立して分布する周波数帯域である。勿論、1つの固有振動（この場合は1次の一次元モード即ち当該音場の最低共振周波数）が独立して成立する周波数帯域であってもよい。
本発明は、これらの孤立した固有振動の内、特定の周波数の固有振動を制御対象として、この固有振動の振幅値を低減するものであり、具体的な制御対象とする周波数帯域は、例えば２ｍ程度の寸法を有する空間であれば、数百Ｈｚ以下の周波数帯域であり、一次元モード（軸波）や二次元モード（接線波）が主要な固有振動（ノーマルモード）であって、これらのモードが孤立して成立する周波数帯域である。
【００１７】
なお、本発明においては、共鳴機構としては、ヘルムホルツ共鳴を利用したヘルムホルツ型共鳴機構、管共鳴を利用した片閉管の管型共鳴機構、ピストン板共鳴機構、屈曲板共鳴機構を採用する。
ここで、ピストン板共鳴機構とは、背後空気層のバネで支持された板や膜等の振動部材の質量（マス）がピストン運動をする共鳴機構であり、いわゆるバネマス系でモデル化される。
これに対して、振動部材の面積が相対的に小さく、当該振動部材の支持条件（拘束条件）が強く当該振動部材に影響する系では、当該振動部材の固有の屈曲振動（即ち固有振動）が励起され、前記ピストン運動では説明できない複雑な共鳴周波数特性を、特に固有振動が孤立して成立している低い周波数帯域で、発生する場合がある。このような振動の態様を屈曲板振動と称し、この屈曲板振動による共鳴を発生する機構を、屈曲板共鳴機構と称して、前記ピストン板共鳴機構と区別する。
【００１８】
共鳴機構の仕様を決定するまでの流れとしては、まず、共鳴機構を配置する音場の形状や寸法、音場内の音源の位置などを設定し、設定された音場のモデルをＦＥＭで解析して音場の固有振動の態様（音場における定在波のパターン、即ち固有振動姿態）を得る。
次に、音場において音場の使用者に影響を与える固有振動の態様と、音場内において音圧の周波数特性を算定する評価位置とを設定し、評価位置における音圧の周波数特性を算定する。評価位置における音圧の周波数特性が得られると、当該周波数特性のピークの振幅値を低減する共鳴機構の配置位置と、当該共鳴機構の等価パラメータを設定し、ピークの音圧の音を低減するのに有効な等価パラメータを算定する。そして、共鳴機構の最適な等価パラメータ、即ち当該周波数特性のピークの振幅値を適切に低減し、所望の周波数特性を実現するために最適な等価パラメータを決定すると、決定した等価パラメータを実現する共鳴機構の仕様（共鳴機構の種類や寸法、材料、共鳴機構に使用する抵抗材など）を決定する。決定した仕様に基づいて製作した共鳴機構を音場に配置すれば、制御対象とする固有振動を最適に制御した音場が実現できる。
以上が、本発明に係る共鳴機構の設計方法の概要である。以下、この方法に係る設計装置の構成および動作について説明する。
【００１９】
（実施形態の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る設計装置１のハードウェア構成を示したブロック図である。設計装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２が記憶部１０５に記憶されているプログラムを実行することにより特定の機能が実現するコンピュータ装置であり、設計装置１の各部は、各部を接続するバス１０１を介して各部間で情報のやり取りを行う。なお、本実施形態においては、音場の音を減衰させる共鳴機構を設計する設計機能が実現する。
【００２０】
表示部１０７は、画像を表示する表示装置として液晶ディスプレイを備えており、ＣＰＵ１０２の制御の下、設計装置１を操作するための画面やＣＰＵ１０２の演算結果などを表示する。なお、表示装置は液晶ディスプレイに限定されるものではなく、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＥＬ（electroluminescence）を用いたディスプレイなど他の表示装置であってもよい。
操作部１０６は、設計装置１を操作するためのキーボードやマウスを備えている。ユーザがキーボードを操作したり、マウスを操作したりすることにより、設計装置１に対する各種入力が行われる。
【００２１】
記憶部１０５はハードディスク装置を具備しており、共鳴機構を設計する設計機能を実現するプログラムを記憶している。また、記憶部１０５は、共鳴機構の設計に用いる情報を記憶する。
【００２２】
ＲＯＭ（Read Only Memory）１０３は、ＩＰＬ（Initial Program Loader）を記憶している。ＣＰＵ１０２に対して図示せぬ電源から電力が供給されるとＲＯＭ１０３に記憶されているＩＰＬがＣＰＵ１０２により実行される。ＣＰＵ１０２がＩＰＬを実行すると、記憶部１０５に記憶されているプログラムが実行され、上述した設計機能が実現する。
【００２３】
（実施形態の動作）
図２は、設計装置１における処理の流れを示したフローチャートである。まず設計装置１においては、設計者により操作部１０６が操作され、設計装置１は、共鳴機構を配置する音場の形状や寸法、音場内の音源の位置などの情報を取得する（ステップＳＡ１）。なお、音場の形状や寸法については、予め複数の音場の形状や寸法の情報を音場毎に記憶部１０５に記憶させておき、記憶された情報のいずれかを設計者が選択して音場の形状や寸法を設定してもよい。また、音源の位置についても、予め複数の位置の情報を音場の情報に対応付けて記憶部１０５に記憶させておき、記憶された情報のいずれかを設計者が選択して音場内の音源の位置を設定してもよい。
【００２４】
音場の形状や寸法および音源の位置などの情報が取得された後、音場の視覚化を指示する操作が操作部１０６で行われると、設計装置１は、設定された情報から例えば音場の３次元形状を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ２）。
そして、音場の視覚化が終了した後、音場の固有振動の態様の解析を指示する操作が操作部１０６において行われると、設計装置１は、音場の固有振動の周波数（固有周波数）を求め、周波数軸上での分布を算定する。また設計装置１は、算定した各固有周波数の振動姿態（固有振動姿態）を算定し（ステップＳＡ３）、算定した音場の固有振動の態様を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ４）。
【００２５】
次に設計者は、この表示された固有振動の態様のうち、音場の使用者に影響を与える固有振動の態様、即ち、本装置で制御対象とする特定の一の固有振動の態様を操作部１０６を操作して選択する。設計者は、固有振動の態様を選択した後、音場内において周波数特性を算定する位置を設定する。
【００２６】
ここで、図３は、ステップＳＡ３でＦＥＭ解析により得られた音場の固有振動の態様を音圧の分布で例示した図であり、縦が１．８ｍ、横が１．８ｍ、高さが２．２ｍの直方体の音場における上下方向（即ち１次元モードである軸波）の２次の固有振動の態様を示している。なお、図３においては、音場の高さ方向に直交する線の間隔の広狭で音場内の音圧を示しており、線の間隔が狭いほど音圧が高く、間隔が広くなるに従って音圧が低いことを示している。
図３の態様においては、音場の高さ方向の中央部分に固有振動の腹が位置するため、音場で楽器を演奏する場合を想定すると、楽器に近い位置や椅子に座って演奏する演奏者の頭部近辺に固有振動の腹が位置することとなり、楽器演奏へ影響を与えることとなる。
【００２７】
この場合、設計者は、図３に示した固有振動の態様のうち、特定の１つの固有振動の態様を音場の利用者に影響を与える、即ち、本装置で制御対象とする固有振動の態様として設定し、設計装置１は、音場内において周波数特性を算定する評価位置として、音場の使用者の頭部に最も近い固有振動の腹の位置、例えば図３の態様であれば音場の高さ方向中央部の位置を取得する（ステップＳＡ５）。なお、この評価位置は、後述する共鳴機構の配置位置となる。そして、取得した位置における周波数特性の算定を設計者が操作部１０６から設計装置１に指示すると、周波数特性の算定が設計装置１において行われ、設計装置１は、算定した周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ６）。
ここで、図４は、図３の音場の高さ方向中央（評価位置）における音圧の周波数特性の算定結果を示したグラフであり、ラインＬ１０は、音場に共鳴機構を配置していない場合の周波数特性を示している。この図から、当該評価点において１５８Ｈｚ付近に音圧のピーク、即ち、固有振動の周波数（固有周波数）が空間固有の音場特性としてあることが分かる。
【００２８】
評価位置における周波数特性が得られると、次に設計者は、音圧のピークの音を抑制する（ピークの振幅値を低減する）共鳴機構の配置位置と、共鳴機構の等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋを、操作部１０６を操作して設定すると、これらの設定が設計装置１に取得される（ステップＳＡ７）。そして、設計者は、決定された等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋでモデル化された共鳴機構が配置された音場の評価位置における周波数特性の算定を設計装置１に指示する。なお、本実施形態においては、共鳴機構の配置位置は、設計者が操作部１０６を操作して固有振動の腹の位置のうち、音場の使用者の頭部に最も近い固有振動の腹の位置を指定する。また、この時点においては、共鳴機構の損失を表す係数ｇは０にされ、損失を表す係数ｇを考慮しない状態で周波数特性の算定が行われる。
【００２９】
設計装置１は、モデル化された音場において、モデル化された共鳴機構を配置し、モデル化された音場の周波数特性の算定が終了すると、設計装置１は、共鳴機構を音場に配置した時の評価位置における周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ８）。ここで、図４のラインＬ１１は、表示部１０７に表示された周波数特性の一例であり、音圧の周波数特性である。
設計者は、表示部１０７に表示されるグラフを参照し、音場の固有振動を抑えるのに有効な等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを設定する。
例えば、図４のグラフの場合、ラインＬ１１を見ると、共鳴機構を配置しない場合と比較して１６０Ｈｚ付近の音圧が低くなっているため、設計者は、ラインＬ１１の周波数特性を得られる共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを音場に配置する共鳴機構の等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋとして決定する（ステップＳＡ９；ＹＥＳ）。
なお、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋは、固有振動を抑えるのに適切な値があり、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋが適切な値と比較して大きいと音場に与える影響は少なく、当該等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋの共鳴機構を音場に配置しても音場の周波数特性は変化しない。一方、等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋが適切な値と比較して小さいと、当該等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋの共鳴機構が音場と連成した結果、本来の共鳴周波数とは異なる周波数に共鳴のピークが移動し、音波の周波数特性のピークを低減できない。
設計者は、設定した等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋで所望の周波数特性が得られない場合は、ステップＳＡ７に戻り、再度等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋを設定する。
【００３０】
設計者は、上述したステップで共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋとを決定すると、次に、操作部１０６を操作して共鳴機構の損失を表す係数ｇを入力する。すると、設計装置１は、共鳴機構の損失を表す係数ｇを取得する（ステップＳＡ１０）。そして、設計者は、先に決定した等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋおよび入力した損失を表す係数ｇでモデル化された共鳴機構が配置された音場の評価位置における音圧の周波数特性の算定を設計装置１に指示する。設計装置１は、視覚化された音場においてモデル化された共鳴機構を配置し、設計装置１において音圧の周波数特性の算定が終了すると、設計装置１は、算定した音圧の周波数特性を表示部１０７に表示させる（ステップＳＡ１１）。
【００３１】
ここで、図５のラインＬ２１，Ｌ２２は、ステップＳＡ１１で表示部１０７に表示された周波数特性の一例である。なお、図５のラインＬ２０は、音場に共鳴機構を配置していない時の評価位置の周波数特性を示している。例えば、図５のグラフの場合、ラインＬ２１は、損失を表す係数ｇ＝０．０２の共鳴機構の周波数特性を示しており、ラインＬ２２は、損失を表す係数ｇ＝０．１５、の共鳴機構の周波数特性を示している。
ここで、損失を表す係数ｇ＝０．１５のラインＬ２２を見ると、共鳴機構を配置しない場合と比較して、１６０Ｈｚ付近の音圧のピーク値が低くなっており、損失を表す係数ｇ＝０．１５とした共鳴機構が音場の固有振動を抑えるのに有効であることが分かる。また、ラインＬ２２について、損失を表す係数ｇ＝０・０２のラインＬ２１と比較すると、損失を表す係数ｇ＝０．０２では１５０Ｈｚ付近と１６６Ｈｚ付近にピークが表れているのに対して、損失を表す係数ｇ＝０．１５では損失を表す係数ｇ＝０．０２より周波数特性が平坦となっており、音場の固有振動を抑えつつ、ピークの分割を抑えるのにも有効であることが分かる。設計者は、表示部１０７に表示されるグラフを参照し、音場の固有振動を抑えるのに有効な損失を表す係数ｇを設定する。なお、所望の周波数特性が得られない場合は、ステップＳＡ１０に戻り、再度損失を表す係数ｇを設定する。
【００３２】
設計者は、損失を表す係数ｇを決定すると（ステップＳＡ１２；ＹＥＳ）、決定した等価パラメータを有する共鳴機構の物理的構造を決定する（ステップＳＡ１３）。具体的には、まず設計者は、共鳴機構の種類として、ヘルムホルツ型共鳴機構、管型共鳴機構、ピストン板共鳴機構、屈曲板共鳴機構のいずれかを操作部１０６を操作して選択する。
共鳴機構の種類が選択されると、設計装置１は、上述したステップで設計者が決定した等価質量Ｍと等価バネ定数Ｋから共鳴機構の仕様（物理的構造）を算定する。なお、設計装置１は、図７に示した等価質量Ｍと共鳴機構の仕様（物理的構造）との関係を示した式と、等価バネ定数Ｋと共鳴機構の仕様（物理的構造）との関係を示した式とを記憶している。設計装置１は、この式に基づいて共鳴機構の仕様（物理的構造）を算定し、共鳴機構の仕様（物理的構造）を表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。これにより、決定および表示された仕様（物理的構造）に基づき共鳴機構を具体的に製作できる。
【００３３】
なお、図７の屈曲板共鳴機構の等価質量Ｍと等価バネ定数の式において、以下の数３の式は、モード関数を示しており、数４の式は、（１，１）モードと（１，３）縮退モードの振幅比を示している。また、数３のΨｍｎは板のモード関数を表している。また、図７のヘルムホルツ型共鳴機構と管型共鳴機構の式において、ΔｌとΔＬは開口端補正を表している。
【００３４】
【数３】
【数４】
【００３５】
また、損失を表す係数ｇについては、設計装置１は、例えば、ヘルムホルツ型共鳴機構や管型共鳴機構の場合、開口部に設ける抵抗材による損失を表す係数ｇを、抵抗材の種類や厚さ毎に予め記憶部１０５に記憶し、設計者が設定した損失を表す係数ｇと同じ損失を表す係数となる抵抗材の種類と厚さとを、記憶部１０５を検索して表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。
また、ピストン板共鳴機構や屈曲板共鳴機構の場合、振動する板の材質と、この材質の板を用いた場合の共鳴機構の損失を表す係数ｇを板の材質毎に予め記憶部１０５に記憶し、設計者が設定した損失を表す係数ｇと同じ損失を表す係数となる板の種類を、記憶部１０５を検索して表示部１０７に表示する（ステップＳＡ１４）。
【００３６】
設計者は、表示部１０７に共鳴機構の寸法や部材の材質など共鳴機構の物理的構造（仕様）に関する情報が表示されると、表示された情報に従って共鳴機構を作成し、作成した共鳴機構を音場に配置する。
図６は、設計装置１で得られた仕様の管共鳴機構を実際の音場に配置した時の評価位置における周波数特性の測定結果を示したグラフである。ここで、図６のラインＬ３１は、損失を表す係数ｇ＝０．０３で作成した共鳴機構の周波数特性を示している。また、ラインＬ３２は、損失を表す係数ｇ＝０．１２で作成した共鳴機構の周波数特性を示している。なお、図６のラインＬ３０は、音場に共鳴機構を配置していない時の評価位置の周波数特性を示している。損失を表す係数ｇ＝０．０３の共鳴機構の周波数特性は、設計装置１において損失を表す係数ｇ＝０．０２とした時の共鳴機構の周波数特性に近い周波数特性となっている。また、損失を表す係数ｇ＝０．１２の共鳴機構の周波数特性は、設計装置１において損失を表す係数ｇ＝０．１５とした時の共鳴機構の周波数特性に近い周波数特性となっており、設計装置１により設計した共鳴機構が、音場内の音圧を低減させ実際の音場において特定の固有振動の音圧の腹の振幅を抑えるのに有効であることが示されている。なお、音場内の音圧を低減させることにより音場外への音漏れも低減される。
また、本実施形態においては、従来の方法と比較すると、図７の式により、等価質量Ｍおよび等価バネ定数Ｋから各共鳴機構の物理的な構造を具現化することが可能となっており、さらに損失を表す係数ｇから特定の固有振動の音圧の腹の振幅を抑えるのに有効な共鳴機構の構造を特定できるようになっている。
【００３７】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。
【００３８】
上述した実施形態においては、音場の固有振動の態様を得る際にはＦＥＭによる解析で固有振動の態様を得ているが、予め音場の形状及び寸法と、当該音場の固有振動の態様を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている態様から選択するようにしてもよい。また、予め音場の形状及び寸法と、実際の測定により得た当該音場の固有振動の態様とを対応付けて記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている態様から選択するようにしてもよい。
また、評価位置における周波数特性を得る際にも、予め音場の複数位置における周波数特性を算定して記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている周波数特性から選択するようにしてもよい。また、周波数特性については、実際の測定により得た音場の周波数特性を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている周波数特性から選択するようにしてもよい。
また、共鳴機構の配置位置についても、設計者が操作部１０６を操作して、予め評価者の評価領域（例えば、音場の使用者の頭部）に最も近い固有振動の腹の位置を記憶部１０５に記憶させておき、記憶部１０５に記憶されている配置位置を選択して配置位置を設定してもよい。
【００３９】
本発明においては、共鳴機構の配置位置を設定する際には、固有振動の腹を構成する全ての腹の位置に共鳴機構を配置する設定としてもよい。
本発明においては、共鳴機構の仕様を決定する際には、予め等価パラメータの組み合わせと、この組み合わせを実現する共鳴機構の仕様とを対応づけてテーブルとして記憶部１０５に記憶させておき、決定した等価パラメータの組み合わせに対応した共鳴機構の仕様を検索して表示するようにしてもよい。
【００４０】
上述した実施形態では、音場の固有振動の態様において音圧をその物理量として算定しているが、音圧に替えて粒子速度（空気の粒子速度）を対象として、その固有振動の態様を算定して表示するようにしてもよい。要するに、固有振動を表現する物理量は、「音圧」でもよいし「粒子速度」でもよい。なお、振動体であれば、振動速度と振動変位がある。
また、粒子速度の態様を使用する際には、音圧の周波数特性に替えて粒子速度の周波数特性を算定すればよい。
【００４１】
上述した実施形態または変形例に係る共鳴機構は、音響特性を制御する各種の音響室に配置することが可能である。ここで各種音響室とは、例えば、防音室、ホール、劇場、音響機器のリスニングルーム、会議室等の居室、各種輸送機器の空間、スピーカや楽器などの筐体などがある。
【００４２】
上述した実施形態においては、４種類の共鳴機構のいずれかから共鳴機構を選択しているが、予め定められた一つの共鳴機構についてのみ等価質量Ｍと等価バネ定数の式を記憶し、記憶した式により共鳴機構の構造を特定するようにしてもよい。
また、本発明においては、複数種類の共鳴機構の中から音場に配置する共鳴機構を選択する場合、４種類未満または５種類以上の共鳴機構の中から音場に配置する共鳴機構を選択してもよい。
【００４３】
上述した実施形態では、例えば、等価質量Ｍと等価バネ定数をある値に設定すると、図４においてラインＬ１１で示したように音圧のピークとして２つのピークが表れる。設計装置１は、共鳴機構を配置しない場合の音圧のピーク値の周波数をｆres０、等価質量Ｍと等価バネ定数が設定された共鳴機構を配置した時にｆres０の両側に表れる新たな音圧のピーク値の周波数をｆres１、ｆres２（ｆres１＜ｆres２）とした場合、ｆres２／ｆres０≒ｆres０／ｆres１、要するにｌｏｇ（ｆres０−ｆres１）とｌｏｇ（ｆres２−ｆres０）とが略同じ値となる値を求め、求めた値をそれぞれ最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋとして決定してもよい。
また、設計装置１においては、この構成に替えて、最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋを決定する際、ｆres１の音圧のピーク値≒ｆres２の音圧のピーク値、要するに、ｆres１とｆres２とで一方の周波数のピーク値が突出しないような状態となるように、最適な等価質量Ｍおよび最適な等価バネ定数Ｋを算定して決定してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・設計装置、１０１・・・バス、１０２・・・ＣＰＵ、１０３・・・ＲＯＭ、１０４・・・ＲＡＭ、１０５・・・記憶部、１０６・・・操作部、１０７・・・表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得するパラメータ取得手段と、
前記共鳴機構の構造を、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と
を有し、
前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計装置。
【請求項２】
前記共鳴機構は管型共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴機構設計装置。
【数１】
【請求項３】
前記共鳴機構は屈曲板共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴機構設計装置。
【数２】
【請求項４】
前記音場において前記共鳴機構が配置される位置を取得する配置位置取得手段と、
前記音場において音の周波数特性を算定する位置を設定する算定位置取得手段と、
前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数の前記共鳴機構が前記配置位置取得手段で取得された位置に配置された前記音場について、前記算定位置取得手段で取得された位置における音の周波数特性を算定して表示する周波数特性表示手段と
を有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の共鳴機構設計装置。
【請求項５】
複数種類の共鳴機構の中から前記音場に配置する共鳴機構の種類を選択する共鳴機構選択手段を有し、
前記構造特定手段は、前記共鳴機構選択手段で選択された種類の共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定すること
を特徴とする請求項４に記載の共鳴機構設計装置。
【請求項６】
コンピュータが、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得ステップと、
コンピュータが、前記共鳴機構の構造を、前記取得ステップで取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定ステップと
を有し、
前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計方法。
【請求項７】
コンピュータを、
等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得手段と、
前記共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と、
前記共鳴機構の音場における配置位置として、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置を取得する配置位置取得手段
として機能させるためのプログラム。
【請求項１】
等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得するパラメータ取得手段と、
前記共鳴機構の構造を、前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と
を有し、
前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計装置。
【請求項２】
前記共鳴機構は管型共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴機構設計装置。
【数１】
【請求項３】
前記共鳴機構は屈曲板共鳴機構であり、前記等価質量をＭ、前記等価バネ定数をＫとしたとき、次式で表される当該Ｍと当該Ｋに基づき、前記共鳴機構の物理的構造を特定することを特徴とする請求項１に記載の共鳴機構設計装置。
【数２】
【請求項４】
前記音場において前記共鳴機構が配置される位置を取得する配置位置取得手段と、
前記音場において音の周波数特性を算定する位置を設定する算定位置取得手段と、
前記パラメータ取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数の前記共鳴機構が前記配置位置取得手段で取得された位置に配置された前記音場について、前記算定位置取得手段で取得された位置における音の周波数特性を算定して表示する周波数特性表示手段と
を有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の共鳴機構設計装置。
【請求項５】
複数種類の共鳴機構の中から前記音場に配置する共鳴機構の種類を選択する共鳴機構選択手段を有し、
前記構造特定手段は、前記共鳴機構選択手段で選択された種類の共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定すること
を特徴とする請求項４に記載の共鳴機構設計装置。
【請求項６】
コンピュータが、等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得ステップと、
コンピュータが、前記共鳴機構の構造を、前記取得ステップで取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定ステップと
を有し、
前記共鳴機構の音場における配置位置は、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置であることを特徴とする共鳴機構設計方法。
【請求項７】
コンピュータを、
等価質量、等価バネ定数および損失を表す係数でモデル化された共鳴機構の前記等価質量、前記等価バネ定数および前記係数を取得する取得手段と、
前記共鳴機構の構造を、前記取得手段で取得された等価質量、等価バネ定数および係数から特定する構造特定手段と、
前記共鳴機構の音場における配置位置として、前記音場の特定の固有振動姿態の腹の位置を取得する配置位置取得手段
として機能させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−５９８２９（Ｐ２０１１−５９８２９Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０６４９８（Ｐ２００９−２０６４９８）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]