吸音構造、吸音構造群及び音響室
【課題】板・膜振動吸音構造（板振動又は膜振動をする吸音構造）において、構成の簡単な変更によってより低い周波数の音を吸音できるようにする。
【解決手段】本発明に係る吸音構造は、筐体と振動体により板・膜振動吸音構造を構成する。また、吸音構造は、筐体と振動体により形成される内部空間に、孔部を有する隔壁を設けたものである。かかる隔壁を設けた場合、これと異なる構成（比較例１〜３の構成）に比べ、共振周波数が低下し、吸音する周波数のピーク値が低下する。
【解決手段】本発明に係る吸音構造は、筐体と振動体により板・膜振動吸音構造を構成する。また、吸音構造は、筐体と振動体により形成される内部空間に、孔部を有する隔壁を設けたものである。かかる隔壁を設けた場合、これと異なる構成（比較例１〜３の構成）に比べ、共振周波数が低下し、吸音する周波数のピーク値が低下する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸音する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
板振動又は膜振動をする吸音構造が知られている。かかる吸音構造のことを、以下では「板・膜振動吸音構造」という。また、板・膜振動吸音構造において、振動体に孔部を設けることによってヘルムホルツ型の吸音構造を付加したものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合において、ヘルムホルツ型の吸音構造は、板・膜振動吸音構造に比べ、吸音する周波数が高いものである。
【特許文献１】特開２００５−１３４６５３号公報（図８〜図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、板・膜振動吸音構造において、構成の簡単な変更によってより低い周波数の音を吸音できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る吸音構造は、開口部を有し、内部空間を形成する筐体と、前記開口部を塞いで前記内部空間を外部空間と隔てる板状又は膜状の振動体と、前記内部空間を複数の部分空間に分割する隔壁であって、ある部分空間から他の部分空間への気体の流通を許容する孔部を有する隔壁とを備える構成を有する。
【０００５】
本発明に係る吸音構造は、前記隔壁が、前記振動体と対向するように設けられていてもよい。
また、本発明に係る吸音構造は、前記隔壁が、前記振動体を第１の部分空間に面する第１の部分と第２の部分空間に面する第２の部分とに分ける位置に設けられていてもよい。
なお、本発明は、かかる吸音構造を複数備える吸音構造群や、吸音構造又は吸音構造群を備える音響室としても特定され得る。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、板・膜振動吸音構造において、構成の簡単な変更によってより低い周波数の音を吸音することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態である吸音構造の外観を示す図である。この吸音構造１０は、柱状（直方体状）の形状を有し、筐体１１と振動体１２とを備える。筐体１１は、吸音構造１０のうちの５面（側面及び底面）を構成し、振動体１２は、吸音構造１０のうちの１面（上面）を構成する。なお、ここでいう「上面」は、面の方向を便宜的に表したものであって、この吸音構造１０が配置されるときに上方向を向くことを表したものではない。吸音構造１０は、その配置に際しては、必要に応じてどのような向きで配置されてもよい。また、本実施形態の吸音構造１０は角柱であるとするが、これを円柱としてもよい。
【０００８】
筐体１１は、振動体１２を支持する部材である。筐体１１は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂により形成されているが、振動体１２を支持可能な強度を有するものであれば、金属など他の材料であってもよい。また、筐体１１は、側面、底面及び振動体１２により囲まれる領域が空間を形成するように構成されている。この領域のことを、以下では「内部空間」という。筐体１１は、振動体１２により塞がれる開口部を有し、振動体１２により塞がれない場合においては、内部空間が外部の空間と隔てられていない状態となる。
【０００９】
振動体１２は、筐体１１の開口部を塞ぐように設けられる部材である。振動体１２は、板状又は膜状の部材であるが、その厚さは特に問わない。振動体１２は、例えば、合成樹脂により形成されているが、筐体１１に支持されて振動する程度の弾性を有するものであれば、紙、金属、繊維など他の材料であってもよい。振動体１２は、接着剤などにより筐体１１に取り付けられている。
【００１０】
図２は、吸音構造１０を図１中の一点鎖線の部分で切断した場合の断面図である。同図に示すように、吸音構造１０は、内部空間に隔壁１３を有する。隔壁１３は、内部空間を上部（上面側）と下部（底面側）とに分割する部材である。隔壁１３は、筐体１１と一体に成形されていてもよいし、筐体１１に取り付けられた独立の部材であってもよい。
なお、以下においては、説明の便宜上、内部空間のうちの上部を「第１空間」といい、内部空間のうちの下部を「第２空間」という。第１空間及び第２空間は、本発明の部分空間の一例である。
【００１１】
図３は、隔壁１３を上面側から示す図である。隔壁１３は、所定の位置に所定の大きさの孔部１３ａを有する。この孔部１３ａは、第１空間から第２空間（あるいはその逆）への気体の流通を許容するように設けられている。すなわち、隔壁１３は、内部空間を第１空間と第２空間に分割するものであるが、第１空間と第２空間とを気体が相互に流通しない独立の空間にするものではない。
【００１２】
吸音構造１０の構成は、以上のとおりである。吸音構造１０は、この構成のもと、その内部空間に気体が充填される。内部空間に充填される気体は、典型的には空気であり、本実施形態においても空気であるとするが、その他の気体であることを妨げない。この気体は、振動体１２に対向する気体層（空気層）を形成する。この気体層は、吸音構造１０において、いわゆる気体バネ（空気バネ）として機能する。
【００１３】
吸音構造１０は、板・膜振動吸音構造として機能する。具体的には、吸音構造１０にある音波が入射した場合に、振動体１２が振動するとともに、振動体１２の振動により気体層にも音波が入射して、気体層内の音響エネルギーが増加する。この音響エネルギーは、振動体１２の振動と、気体層の気体バネとしての作用と、振動体１２と気体層などの内部抵抗による振動を減衰させる作用とにより減衰し、やがて消散する。すなわち、吸音構造１０は、振動体１２を質量成分（マス）とし、気体層をバネ成分としたバネマス系を形成する。
【００１４】
本実施形態の吸音構造１０の各部は、以下の条件により設定される。
一般に、板状又は膜状の振動体と気体層とにより音を吸収する板・膜振動吸音構造において、吸音する周波数は、振動体の質量成分と気体層のバネ成分とによるバネマス系の共振周波数によって設定される。ここで、気体層の気体の密度をρ0（ｋｇ／ｍ3）、音速をｃ0（ｍ／ｓ）、振動体の密度をρ（ｋｇ／ｍ3）、振動体の厚さをｔ（ｍ）、気体層の厚さをＬ（ｍ）とすると、バネマス系の共振周波数は以下の式（１）で表される。
【数１】
【００１５】
また、板・膜振動型吸音構造において、振動体が弾性を有して弾性振動をする場合には、弾性振動による屈曲系の性質が加わる。建築音響の分野においては、長方形である振動体の対向する二辺の長さをａ（ｍ）、当該二辺と直交する二辺の長さをｂ（ｍ）、振動体のヤング率をＥ（Ｐａ）、振動体のポアソン比をσ、モード次数をｐ及びｑ（正の整数）とすると、以下の式（２）で板・膜振動型吸音構造の共振周波数を求め、求めた共振周波数を音響設計に利用することが行われている（周辺支持の場合）。
【数２】
【００１６】
本実施形態においては、１６０〜３１５Ｈｚバンド（１/３オクターブ中心周波数）を吸音するように、例えば、式（２）に基づいて以下のようにパラメータが設定される。
気体の密度ρ0 ：１．２２５（ｋｇ／ｍ3）
音速ｃ0 ：３４０（ｍ／ｓ）
振動体の密度ρ ：９４０（ｋｇ／ｍ3）
振動体の厚さｔ ：０．００１７（ｍ）
気体層の厚さＬ ：０．０３（ｍ）
筐体の長さａ ：０．１（ｍ）
筐体の長さｂ ：０．１（ｍ）
振動体のヤング率Ｅ：１．０（ＧＰａ）
ポアソン比σ ：０．４
モード次数 ：ｐ＝ｑ＝１
【００１７】
一方、式（２）においては、バネマス系の項（右辺第１項、すなわち式（１）の右辺）と屈曲系の項（右辺第２項）とが加算される。このため、式（２）により得られる共振周波数は、バネマス系の共振周波数より高いものとなり、吸音のピーク周波数を低く設定することが難しい場合がある。このような吸音構造においては、バネマス系による共振周波数と、板又は膜の弾性による弾性振動による屈曲系の共振周波数との関連性は十分に解明されておらず、低音域で高い吸音効果を奏する吸音構造が確立されていないのが実情である。
【００１８】
本発明の発明者らは、屈曲系の基本振動周波数の値をｆａ（式（２）の右辺第２項）、バネマス系の共振周波数の値をｆｂ（式（２）の右辺第１項）とした場合に、以下の式（３）の関係を満足するように上記パラメータを設定すれば、高い吸音効果が得られるという知見を得た。これにより、屈曲系の基本振動が背後の気体層のバネ成分と連成して、バネマス系の共振周波数と屈曲系の基本周波数との間の帯域に振幅の大きな振動が励振され（屈曲系共振周波数ｆａ＜ピーク周波数ｆ＜バネマス系基本周波数ｆｂ）、吸音率が高くなる。
【数３】
【００１９】
さらに、上記パラメータを以下の式（４）に設定する場合、ピーク周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さくなる。この場合、低次の弾性振動のモードにより屈曲系の基本周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さく、３００（Ｈｚ）以下の周波数の音を吸音する吸音構造として適しているという知見が得られた。
【数４】
このように、式（３）、（４）の条件を満足するように各種パラメータを設定することにより、ピーク周波数を低くした吸音構造を構成することができる。
【００２０】
また、本発明の発明者らは、筐体１１の内部空間に隔壁１３を設けると、これを設けない場合に比べて板・膜振動吸音構造としての共振周波数（すなわち吸音周波数）が低下する、という知見を得た。すなわち、本実施形態の吸音構造１０によれば、隔壁１３を追加するという変更を行うだけで、内部空間の容積や吸音構造１０全体としてのサイズを変えないでも共振周波数を低下させることが可能である。
【００２１】
図４は、本実施形態の隔壁１３の作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。同図に示すグラフにおいて、横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は吸音率である。ここにおいて、吸音率とは、２マイクロホン法（伝達関数法）により測定した垂直入射吸音率のことをいう。また、２マイクロホン法は、図５に示すスピーカＳＰ、マイクロホンＭＩＣ１、ＭＩＣ２及び音響管ＡＴを用いて、マイクロホンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の伝達関数に基づいて垂直入射吸音率を測定するものである。
【００２２】
本実験に用いた吸音構造１０は、上面及び底面が８０×８０ｍｍの正方形であり、側面の高さが２０ｍｍのものである。また、隔壁１３は、上面と底面の中間、すなわち上面又は底面から１０ｍｍの位置に設け、孔部１３ａの大きさ（直径）を４．５ｍｍとした。筐体１１及び隔壁１３には、厚さ３ｍｍのＡＢＳ材を用い、振動体１２には、比重９４０ｋｇ／ｍ3、厚さ０．８５ｍｍのポリオレフィン系高分子膜を用いた。
【００２３】
図４において、曲線Ｃ1は、本実施形態の隔壁１３を設けた吸音構造１０の吸音特性を示すものである。また、曲線Ｃ11は、吸音構造１０から隔壁１３を除いた板・膜振動吸音構造（以下「比較例１」という。）の吸音特性を示し、曲線Ｃ12は、吸音構造１０の隔壁１３に代えて孔部１３ａがない板を用いた板・膜振動吸音構造（以下「比較例２」という。）の吸音特性を示すものである。さらに、曲線Ｃ13は、比較例２の構成から第２空間側を除いた、高さが１０ｍｍの板・膜振動吸音構造（以下「比較例３」という。）の吸音特性を示すものである（図６参照）。
【００２４】
図４に示すとおり、本実施形態の吸音構造１０は、比較例１〜３の構成よりも吸音のピーク周波数が低くなる。吸音構造１０は、比較例１の構成、すなわち隔壁１３を設けない構成よりもピーク周波数が１００Ｈｚ以上低くなり、比較例２又は３の構成と比較すると、比較例１の場合よりもさらに大きな割合でピーク周波数を低下させる。したがって、吸音構造１０は、単に内部空間を複数の空間に隔てただけでは効果を奏さず、内部空間を隔てる隔壁に孔部を設けてこそ効果を奏する。
【００２５】
板・膜振動吸音構造における共振周波数は、気体層の厚さ（振動体１２と対向する方向の距離）と相関を有し、気体層が厚くなるほど共振周波数が低下する。したがって、板・膜振動吸音構造によって低い周波数の音を吸音しようとした場合、気体層を厚くするのが一般的な手法の一つである。しかし、吸音構造１０によれば、気体層の厚さを変えないでも共振周波数を低下させることが可能である。よって、本実施形態の吸音構造１０は、設置するスペース（特に厚さ）が制限される環境において低い周波数の音を吸音しようとする場合などに特に適したものである。
【００２６】
また、本実施形態の吸音構造１０は、孔部１３ａの大きさや数を異ならせることによって共振周波数や吸音率を異ならせることも可能である。つまり、この吸音構造１０によれば、隔壁１３の孔部１３ａを変更するだけで、内部空間の容積や吸音構造１０全体としてのサイズを変えることなく、共振周波数や吸音率を必要に応じて調整することが可能である。
【００２７】
図７及び図８は、本実施形態の孔部１３ａの作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。本実験においては、図４に示した実験と同様の吸音構造１０を用い、孔部１３ａの大きさを異ならせてその作用を検証した。だだし、振動体１２には比重１２１０ｋｇ／ｍ3、厚さ１．２５ｍｍの無機フィラー入りポリオレフィン系高分子膜の中央部に２．９ｇの集中質量を取り付けたものを用いた。
【００２８】
図７において、曲線Ｃ21、Ｃ22、Ｃ23は、それぞれ、孔部１３ａを直径２．０ｍｍ（Ｃ21）、３．０ｍｍ（Ｃ22）、４．５ｍｍ（Ｃ23）の円形とした吸音構造１０の吸音特性を示すものである。また、曲線Ｃ24、Ｃ25、Ｃ26は、それぞれ、上述した比較例１（Ｃ24）、比較例２（Ｃ25）、比較例３（Ｃ26）の吸音特性を示すものである。
【００２９】
これらの図に示すように、吸音のピーク周波数には、孔部１３ａの直径が小さくなるほど低下する傾向が認められた。一方、吸音率には、孔部１３ａの直径が大きくなるほど上昇する傾向が認められた。したがって、本実施形態の吸音構造１０は、孔部１３ａの大きさを異ならせることにより、種々の共振周波数や吸音率に対応することができるようになる。
【００３０】
なお、本実施形態の吸音構造１０は、上面のみならず底面をも振動板として作用させるものであってもよい。この場合においては、筐体１１の底面を側面とは異なる材料（例えば、振動板１２と同じ材料）で構成し、底面を振動しやすくさせてもよい。
【００３１】
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態である吸音構造を示す図であり、本発明に係る吸音構造を孔部を含む切断面で切断した場合を示す断面図である。同図において、吸音構造２０は、上述した第１実施形態と同様の筐体１１及び振動体１２を備える。隔壁２３は、孔部２３ａを有し、内部空間を第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とに分割する。本例において、隔壁２３は、気体層の厚さ方向に設けられており、上面である振動体１２と筐体１１の底面とに接している。すなわち、隔壁２３は、振動体１２を第１空間Ａ1に面する部分と第２空間Ａ2に面する部分とに分けるような位置に設けられている。この場合において、隔壁２３の位置は、第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とが同一の形状になる位置（両空間が対称性を有する位置）であってもよいし、そうでなくてもよい。
【００３２】
吸音構造２０の構成は、１つの内部空間を２つに分割したものとみなすこともできるが、もともと２つである内部空間を孔部２１ａによって連通させたものとみなすこともできる。すなわち、吸音構造２０の構成は、２つの板・膜振動吸音構造の１つの側面を共通の部材とし、孔部２３ａによって互いの内部空間の気体を流通させるようにした吸音構造群であるともいえる。
【００３３】
内部空間、すなわち気体層の気体は、筐体及び振動体からなる空間に密閉された場合、その流動性が制限される。このような場合において、気体層の厚さ（上面から底面までの距離）が薄くなると、流動性の制限される度合いが増す。気体層の気体バネのバネ定数は、気体層が薄くなるにつれて大きくなるため、気体層が薄い場合は、気体層の気体バネが硬くなる方向に作用し、共振周波数の低下を妨げたり、振動体の振動の振幅を抑制するなどの悪影響が発生する。かかる作用は、特に、気体層が薄くなるほど顕著となる。
【００３４】
一方、本実施形態の吸音構造２０のように孔部２３ａが設けられると、気体層の気体が第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とで密閉されている場合に比べ、気体層の気体の流動性の制限が緩和される。すなわち、吸音構造２０によれば、上述した悪影響を少なくすることが可能である。よって、この吸音構造２０は、気体層が比較的薄い場合（例えば、２０ｍｍ以下）において、特に有利な構成であるともいえる。
【００３５】
なお、部分空間は、そのすべてが振動体に面している必要はない。例えば、図１０に示すように、第２空間Ａ2の上面側に筐体２１が面するような構成とし、振動体２２が第１空間Ａ1のみに面するようにしてもよい。
また、図９に示す構成において、第１空間Ａ1に面する振動体と第２空間Ａ2に面する振動体とを異なる組成（材質、厚さなど）にしてもよい。
【００３６】
［第３実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態である吸音構造の外観を示す図である。本実施形態の吸音構造３０は、第２実施形態の吸音構造２０をさらに変形したものであり、内部空間を３以上の部分空間に分割するとともに、各々の部分空間に複数の孔部を備えるものである。吸音構造３０は、上述した第１実施形態と同様の筐体１１及び振動体１２を備える。なお、同図の破線は、後述する隔壁３３の位置を示している。
【００３７】
図１２は、吸音構造３０から振動体１２を除いたものを上面側から示す図である。すなわち、図１２は、吸音構造３０の内部空間を示す図である。筐体１１は、振動体１２とともに、吸音構造３０の内部空間を外部空間と隔てる部材であり、吸音構造３０の側面及び底面を構成する。すなわち、筐体１１は、その上面に開口部を有し、この開口部において振動体１２を支持する。隔壁３３は、内部空間を１６等分に区画する部材である。本実施形態の吸音構造３０は、隔壁３３により区画された１６個の領域が、それぞれ板・膜振動吸音構造として機能するものであるともいえる。なお、隔壁３３は、筐体１１と同様に、振動体１２と接してこれを支持している。
【００３８】
図１３は、吸音構造３０を図１２中のＡ−Ａ線で切断した場合の断面図である。隔壁３３は、同図に示すように、複数の孔部３３ａを有する。孔部３３ａは、隔壁３３の各辺に１２個ずつ設けられている。すなわち、孔部３３ａは、隔壁３３の全体に７２（１２×６）個設けられており、各々の部分空間は、６個、９個又は１２個の孔部３３ａにより他の部分空間と連通する。なお、図１２においてハッチングで示されている部分には、すべて孔部２３ａが設けられている。
【００３９】
本実施形態の吸音構造３０の各部の寸法は、次のとおりである。筐体１１は、上面からみたとき、３２１×３２１ｍｍの正方形であり、高さは１０ｍｍである。筐体１１及び隔壁３３の厚さは、３ｍｍである。すなわち、筐体１１又は隔壁３３を辺とする各区画は、７６．５ｍｍ四方の正方形である。孔部３３ａは、幅１５ｍｍ、高さ５ｍｍの長方形であり、１０ｍｍ間隔で設けられている。なお、振動体１２は、筐体１１の底面と同様の寸法であり、３２１×３２１ｍｍの正方形である。
【００４０】
図１４は、本実施形態の孔部３３ａの作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。なお、本実験は、第１実施形態の実験と同様の方法で実施したが、音響管の形状は吸音構造３０の寸法に合わせて変更している。また、本実験においては、比較例として、吸音構造３０からすべての孔部３３ａを除いたもの（すなわち、隔壁３３に代えて孔部がない隔壁を用いたもの）を用いた。ここにおいて、曲線Ｃ3は、本実施形態の吸音構造３０の吸音特性を示すものであり、曲線Ｃ31は、上述した比較例の吸音特性を示すものである。
【００４１】
図１４に示すように、本実施形態の構成においても、比較例の構成に比べ、吸音するピーク周波数の低下が認められた。また、本実施形態の構成においては、第１実施形態の場合と異なり、ピーク周波数が低下しても吸音率が低下せず、逆に上昇するという結果が得られた。すなわち、本実施形態の吸音構造３０は、ピーク周波数の低下と吸音率の向上を両立できるという効果が認められた。
なお、吸音する周波数帯などの具体的な吸音特性は、各部の寸法や孔部３３ａの数に応じて異なる。
【００４２】
［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態での実施が可能である。以下に示す変形例は、本発明に適用可能な変形の一例である。なお、これらの変形例は、必要に応じて、各々を適宜に組み合わせて実施されてもよい。また、以下の説明においては、上述した実施形態と共通する構成に対して同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４３】
（１）変形例１
本発明に係る吸音構造は、孔部の位置及び大きさを問わない。また、孔部の数も、所望する吸音特性に応じて異ならせてよい。さらに、本発明に係る吸音構造は、孔部の数や大きさを変えられる機構を有していると、より望ましい。
【００４４】
図１５は、孔部を調節する調節機構を示す図である。この調節機構４０は、円柱部材４１と、リング部材４２及び４３とを備える。リング部材４２及び４３は、その内部に空洞を有する。リング部材４２の空洞は、円柱部材４１を隙間なく嵌め込めるように構成されており、リング部材４３の空洞は、リング部材４２を隙間なく嵌め込めるように構成されている。また、リング部材４３の外径は、所定の孔部の直径と等しく、当該孔部に隙間なく嵌め込まれるように構成されている。
【００４５】
図１６は、上述した調節機構４０の適用例を示す図である。いま、図１６（ａ）に示すように、孔部４４ａを有する隔壁４４があり、この孔部４４ａは、その直径がリング部材４３の外径と等しいものとする。図１６（ｂ）に示すように、円柱部材４１及びリング部材４２が嵌め込まれたリング部材４３をこの孔部４４ａに嵌め込むと、孔部４４ａが塞がれ、気体の流通が行われないようになる。つまり、図１６（ｂ）に示す構成で調節機構４０を適用すれば、孔部を減らすことができる。
【００４６】
また、図１６（ｂ）の状態から円柱部材４１を取り外すと、図１６（ｃ）に示すように、調節機構４０を適用しない場合よりも小さい直径の孔部を形成することができる。さらに、この状態からリング部材４２を取り外せば、調節機構４０を適用しない場合よりも小さく、かつ、図１６（ｃ）に示す場合よりも大きい直径の孔部を形成することができる。
【００４７】
なお、本発明に係る調節機構は、図１５に示す構成に限らない。例えば、リング部材をより多重に構成し、孔部の直径をより詳細に調整できるようにしてもよい。また、調整機構を取り付ける構成は、嵌め込むものでなくてもよい。
【００４８】
（２）変形例２
本発明において、吸音構造の形状は、直方体状に限定されない。吸音構造の形状は、例えば、円柱状であってもよいし、ある一面を振動体としたピラミッド状の四面体（四角錐）や四角錐台であってもよい。また、上述した第２及び第３実施形態のように吸音構造を連結して設けるような場合にあっては、各々の吸音構造を蜂の巣状の六角柱にしてもよい。
【００４９】
また、吸音構造を群として複数設ける場合にあっては、目的の吸音特性に応じて、各々の吸音構造の大きさや形状を異ならせ、その内部の部分空間の容積を異ならせてもよい。例えば、直方体状の吸音構造と円柱状の吸音構造を組み合わせてもよいし、大小の相似形の吸音構造を組み合わせてもよい。
【００５０】
（３）変形例３
本発明において、孔部は、ヘルムホルツ共鳴器を構成するように変形してもよい。本発明に係る吸音構造をヘルムホルツ共鳴器としても機能させるためには、孔部に筒状の部材を設ければよい。
【００５１】
図１７は、本変形例に係る隔壁の構成を示す断面図であり、第１実施形態の隔壁１３を変形したものである。同図において、隔壁１３０は、第１実施形態の孔部１３ａに相当する位置に筒状部材１３１を備える点が隔壁１３と異なる。筒状部材１３１は、隔壁１３０がなす平面と交差する方向に延びる筒状の部材であり、孔部１３ａに嵌め込まれるようにして設けられている。筒状部材１３１は、所定の長さ及び断面積を有する。長さ及び断面積の値は、この吸音構造による共鳴周波数を決定付ける物理量の一部であり、目的の吸音特性に応じて適宜定められる。筒状部材１３１は、ヘルムホルツ共鳴器における頚部（ネック部）として機能する。
【００５２】
隔壁１３０を有する吸音構造は、板・膜振動吸音構造であると同時に、ヘルムホルツ共鳴器でもある。よって、かかる吸音構造は、板・膜振動吸音構造のみとして機能する構成や、ヘルムホルツ共鳴器のみとして機能する構成に比べ、吸音効率を向上させることが可能である。また、かかる吸音構造は、気体バネを形成する空間と共鳴をするための空間とを共通にするため、これらを別々に設ける場合や単純に組み合わせる場合に比べ、構成を簡素にし、全体の大型化を抑制することが可能である。
【００５３】
なお、複数の孔部を有する吸音構造に本変形例を適用する場合には、筒状部材の長さ又は断面積をそれぞれ異ならせたり、あるいは、筒状部材を有する孔部と筒状部材を有しない孔部とを設けたりしてもよい。
【００５４】
また、筒状部材は、これを伸縮可能な構成にしてもよい。このようにすれば、ヘルムホルツ共鳴器における頚部の長さが可変となるため、ヘルムホルツ共鳴器による共鳴周波数を必要に応じて異ならせることが可能となる。したがって、この構成によれば、吸音対象である音が状況に応じて変わる場合であっても、吸音構造自体を変えずに吸音特性のみを変えることが可能である。
【００５５】
図１８は、伸縮可能な筒状部材を例示する断面図である。この筒状部材１３１は、隔壁１３に固定された第１部材１３１１と、第２部材１３１２とにより構成される。第２部材１３１２は、例えば、ねじ山を設けるなどして、第１部材１３１１に嵌め込まれるように構成されており、図中の矢印が示す方向にその位置を変えることができる。なお、第２部材１３１２は、第１部材１３１１の内部においてスライドするように移動する構成であってもよい。この場合においては、第２部材１３１２の移動に対してある程度の抵抗が生じるようにし、第２部材１３１２が自然に移動することがないようにすることが望ましい。
【００５６】
（集中質量に関する記載）
（４）変形例４
本発明において、振動体は、その全体が一様な構成であってもよいし、その一部が他の部分と異なる質量を有する構成であってもよい。この構成において、当該一部は、他の部分と異なる密度を有するものであってもよいし、他の部分と同じ密度だが厚さが異なるものであってもよい。さらには、当該一部は、質量（集中質量）を付与するために他の部材を接着等により取り付けた構成であってもよい。なお、当該一部は、振動体の中央にあると望ましい。
【００５７】
図１９は、底面が１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形で厚さが１０ｍｍの空気層を形成する筐体１１に、１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形で厚さが０．８５ｍｍの振動体１２を固着し、振動体１２の中央部（大きさ２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）の面密度を変化させた際の吸音構造１０の吸音率のシミュレーション結果を示す図である。なお、シミュレーションは、ＪＩＳ Ａ１４０５−２（音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第２部：伝達関数法）に従って吸音構造１０を配置した音響室の音場を有限要素法により求め、その伝達関数より吸音特性を算出するものである。なお、本シミュレーションにおいては、振動体１２の質量成分による作用に注目し、隔壁１３の作用を除外することを目的に、隔壁１３を設けない構成を用いた。
【００５８】
図１９に示すシミュレーションに用いた振動体１２の構成は、以下のとおりである。なお、面密度及び平均密度の単位は、いずれも「ｇ／ｍ2」である。また、振動体１２のうち中央部を除いた部分の面密度は、いずれも７９９（ｇ／ｍ2）である。
（１）中央部の面密度：３９９．５、振動体の平均密度：７８３
（２）中央部の面密度：７９９、振動体の平均密度：７９９
（３）中央部の面密度：１１９９、振動体の平均密度：８１５
（４）中央部の面密度：１５９８、振動体の平均密度：８３１
（５）中央部の面密度：２２９７、振動体の平均密度：８６３
【００５９】
図１９に示すように、吸音率は、３００〜５００Ｈｚの間と、７００Ｈｚ付近において高くなっている。７００Ｈｚ付近の吸音率のピークは、振動体１２の質量成分と空気層のバネ成分によって形成されるバネマス系の共振によるものである。本シミュレーションの吸音構造においては、バネマス系の共振周波数での吸音率をピークとして音が吸音されており、中央部の面密度を大きくしても、振動体１２全体としての質量は大きく変わらないので、バネマス系の共振周波数も大きくは変わらない。
【００６０】
一方、３００〜５００Ｈｚの間での吸音率のピークは、振動体１２の屈曲振動によって形成される屈曲系の共振によるものである。本シミュレーションの吸音構造においては、屈曲系の共振周波数での吸音率が低音域側のピークとして表れており、中央部の面密度を異ならせると、屈曲系の共振周波数がバネマス系の共振周波数よりも大きく変化する。また、屈曲系の共振周波数は、図示のとおり、中央部の面密度が大きくなるほど低くなる。
【００６１】
一般に、屈曲系の共振周波数は、振動体１２の弾性振動を支配する運動方程式で決定され、振動体１２の密度（及び面密度）に反比例する。また、屈曲系の共振周波数は、固有振動の腹（振幅が極大値となる場合）の密度の影響を強く受ける。本シミュレーションにおいては、１×１の固有モードの腹となる領域（すなわち中央部）を異なる面密度で形成したことにより、屈曲系の共振周波数が変化したのである。
【００６２】
図１９に示すシミュレーション結果は、振動体１２の中央部の面密度をその他の部分の面密度より大きくすると、吸音のピークとなる周波数のうち、低音域側の吸音率のピークがさらに低音域側へ移動することを表している。したがって、中央部の面密度を変更すれば、吸音のピークとなる周波数の一部をさらに低音域側又は高音域側に移動（シフト）させることが可能である。
【００６３】
以上のことから、本発明に係る吸音構造においては、中央部の面密度を変えることによって、吸音のピーク周波数を変える（シフトさせる）ことができるといえる。すなわち、本発明に係る吸音構造によれば、振動体の中央部の質量を異ならせるだけで、吸音構造全体としての質量を大きく変えることなく、より低い周波数の音を吸音することができるようになる。これにより、本発明に係る吸音構造は、吸音対象の音の周波数が変化する場合においても、振動体の中央部の質量を変化させるだけで、音の変化に対応することが可能となる。
【００６４】
（５）変形例５
本発明は、上述した吸音構造又は吸音構造群を１又は複数備える音響室としても実施可能である。かかる音響室は、例えば、スピーカや防音室などの、楽音の聴取の用に供される物品や構造物である。また、船舶、飛行機、車両等の乗り物の壁面や、風呂などの構造物の壁面に本発明を適用し、音響室を構成するようにしてもよい。本発明は、特定の周波数の音が騒音として生じるような場所に適用するに好適なものであるため、かかる物品や構造物に用いると、騒音の抑制に一定の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】吸音構造の外観を示す図
【図２】吸音構造を示す断面図
【図３】隔壁を示す図
【図４】実験結果を示す図
【図５】２マイクロホン法（伝達関数法）による測定方法を示す図
【図６】吸音構造とその比較例を示す図
【図７】実験結果を示す図
【図８】実験結果を示す図
【図９】吸音構造を示す断面図
【図１０】吸音構造を示す断面図
【図１１】吸音構造の外観を示す図
【図１２】隔壁を示す図
【図１３】隔壁を示す断面図
【図１４】実験結果を示す図
【図１５】孔部を調節する調節機構を示す図
【図１６】調節機構の適用例を示す図
【図１７】筒状部材（ヘルムホルツ共鳴器）を有する隔壁を示す断面図
【図１８】伸縮可能な筒状部材を示す断面図
【図１９】吸音率のシミュレーション結果を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１０、２０、３０…吸音構造、１１、２１、３１…筐体、１２、２２、３２…振動体、１３、２３、３３、４４…隔壁、４０…調節機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸音する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
板振動又は膜振動をする吸音構造が知られている。かかる吸音構造のことを、以下では「板・膜振動吸音構造」という。また、板・膜振動吸音構造において、振動体に孔部を設けることによってヘルムホルツ型の吸音構造を付加したものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合において、ヘルムホルツ型の吸音構造は、板・膜振動吸音構造に比べ、吸音する周波数が高いものである。
【特許文献１】特開２００５−１３４６５３号公報（図８〜図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、板・膜振動吸音構造において、構成の簡単な変更によってより低い周波数の音を吸音できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る吸音構造は、開口部を有し、内部空間を形成する筐体と、前記開口部を塞いで前記内部空間を外部空間と隔てる板状又は膜状の振動体と、前記内部空間を複数の部分空間に分割する隔壁であって、ある部分空間から他の部分空間への気体の流通を許容する孔部を有する隔壁とを備える構成を有する。
【０００５】
本発明に係る吸音構造は、前記隔壁が、前記振動体と対向するように設けられていてもよい。
また、本発明に係る吸音構造は、前記隔壁が、前記振動体を第１の部分空間に面する第１の部分と第２の部分空間に面する第２の部分とに分ける位置に設けられていてもよい。
なお、本発明は、かかる吸音構造を複数備える吸音構造群や、吸音構造又は吸音構造群を備える音響室としても特定され得る。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、板・膜振動吸音構造において、構成の簡単な変更によってより低い周波数の音を吸音することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態である吸音構造の外観を示す図である。この吸音構造１０は、柱状（直方体状）の形状を有し、筐体１１と振動体１２とを備える。筐体１１は、吸音構造１０のうちの５面（側面及び底面）を構成し、振動体１２は、吸音構造１０のうちの１面（上面）を構成する。なお、ここでいう「上面」は、面の方向を便宜的に表したものであって、この吸音構造１０が配置されるときに上方向を向くことを表したものではない。吸音構造１０は、その配置に際しては、必要に応じてどのような向きで配置されてもよい。また、本実施形態の吸音構造１０は角柱であるとするが、これを円柱としてもよい。
【０００８】
筐体１１は、振動体１２を支持する部材である。筐体１１は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂により形成されているが、振動体１２を支持可能な強度を有するものであれば、金属など他の材料であってもよい。また、筐体１１は、側面、底面及び振動体１２により囲まれる領域が空間を形成するように構成されている。この領域のことを、以下では「内部空間」という。筐体１１は、振動体１２により塞がれる開口部を有し、振動体１２により塞がれない場合においては、内部空間が外部の空間と隔てられていない状態となる。
【０００９】
振動体１２は、筐体１１の開口部を塞ぐように設けられる部材である。振動体１２は、板状又は膜状の部材であるが、その厚さは特に問わない。振動体１２は、例えば、合成樹脂により形成されているが、筐体１１に支持されて振動する程度の弾性を有するものであれば、紙、金属、繊維など他の材料であってもよい。振動体１２は、接着剤などにより筐体１１に取り付けられている。
【００１０】
図２は、吸音構造１０を図１中の一点鎖線の部分で切断した場合の断面図である。同図に示すように、吸音構造１０は、内部空間に隔壁１３を有する。隔壁１３は、内部空間を上部（上面側）と下部（底面側）とに分割する部材である。隔壁１３は、筐体１１と一体に成形されていてもよいし、筐体１１に取り付けられた独立の部材であってもよい。
なお、以下においては、説明の便宜上、内部空間のうちの上部を「第１空間」といい、内部空間のうちの下部を「第２空間」という。第１空間及び第２空間は、本発明の部分空間の一例である。
【００１１】
図３は、隔壁１３を上面側から示す図である。隔壁１３は、所定の位置に所定の大きさの孔部１３ａを有する。この孔部１３ａは、第１空間から第２空間（あるいはその逆）への気体の流通を許容するように設けられている。すなわち、隔壁１３は、内部空間を第１空間と第２空間に分割するものであるが、第１空間と第２空間とを気体が相互に流通しない独立の空間にするものではない。
【００１２】
吸音構造１０の構成は、以上のとおりである。吸音構造１０は、この構成のもと、その内部空間に気体が充填される。内部空間に充填される気体は、典型的には空気であり、本実施形態においても空気であるとするが、その他の気体であることを妨げない。この気体は、振動体１２に対向する気体層（空気層）を形成する。この気体層は、吸音構造１０において、いわゆる気体バネ（空気バネ）として機能する。
【００１３】
吸音構造１０は、板・膜振動吸音構造として機能する。具体的には、吸音構造１０にある音波が入射した場合に、振動体１２が振動するとともに、振動体１２の振動により気体層にも音波が入射して、気体層内の音響エネルギーが増加する。この音響エネルギーは、振動体１２の振動と、気体層の気体バネとしての作用と、振動体１２と気体層などの内部抵抗による振動を減衰させる作用とにより減衰し、やがて消散する。すなわち、吸音構造１０は、振動体１２を質量成分（マス）とし、気体層をバネ成分としたバネマス系を形成する。
【００１４】
本実施形態の吸音構造１０の各部は、以下の条件により設定される。
一般に、板状又は膜状の振動体と気体層とにより音を吸収する板・膜振動吸音構造において、吸音する周波数は、振動体の質量成分と気体層のバネ成分とによるバネマス系の共振周波数によって設定される。ここで、気体層の気体の密度をρ0（ｋｇ／ｍ3）、音速をｃ0（ｍ／ｓ）、振動体の密度をρ（ｋｇ／ｍ3）、振動体の厚さをｔ（ｍ）、気体層の厚さをＬ（ｍ）とすると、バネマス系の共振周波数は以下の式（１）で表される。
【数１】
【００１５】
また、板・膜振動型吸音構造において、振動体が弾性を有して弾性振動をする場合には、弾性振動による屈曲系の性質が加わる。建築音響の分野においては、長方形である振動体の対向する二辺の長さをａ（ｍ）、当該二辺と直交する二辺の長さをｂ（ｍ）、振動体のヤング率をＥ（Ｐａ）、振動体のポアソン比をσ、モード次数をｐ及びｑ（正の整数）とすると、以下の式（２）で板・膜振動型吸音構造の共振周波数を求め、求めた共振周波数を音響設計に利用することが行われている（周辺支持の場合）。
【数２】
【００１６】
本実施形態においては、１６０〜３１５Ｈｚバンド（１/３オクターブ中心周波数）を吸音するように、例えば、式（２）に基づいて以下のようにパラメータが設定される。
気体の密度ρ0 ：１．２２５（ｋｇ／ｍ3）
音速ｃ0 ：３４０（ｍ／ｓ）
振動体の密度ρ ：９４０（ｋｇ／ｍ3）
振動体の厚さｔ ：０．００１７（ｍ）
気体層の厚さＬ ：０．０３（ｍ）
筐体の長さａ ：０．１（ｍ）
筐体の長さｂ ：０．１（ｍ）
振動体のヤング率Ｅ：１．０（ＧＰａ）
ポアソン比σ ：０．４
モード次数 ：ｐ＝ｑ＝１
【００１７】
一方、式（２）においては、バネマス系の項（右辺第１項、すなわち式（１）の右辺）と屈曲系の項（右辺第２項）とが加算される。このため、式（２）により得られる共振周波数は、バネマス系の共振周波数より高いものとなり、吸音のピーク周波数を低く設定することが難しい場合がある。このような吸音構造においては、バネマス系による共振周波数と、板又は膜の弾性による弾性振動による屈曲系の共振周波数との関連性は十分に解明されておらず、低音域で高い吸音効果を奏する吸音構造が確立されていないのが実情である。
【００１８】
本発明の発明者らは、屈曲系の基本振動周波数の値をｆａ（式（２）の右辺第２項）、バネマス系の共振周波数の値をｆｂ（式（２）の右辺第１項）とした場合に、以下の式（３）の関係を満足するように上記パラメータを設定すれば、高い吸音効果が得られるという知見を得た。これにより、屈曲系の基本振動が背後の気体層のバネ成分と連成して、バネマス系の共振周波数と屈曲系の基本周波数との間の帯域に振幅の大きな振動が励振され（屈曲系共振周波数ｆａ＜ピーク周波数ｆ＜バネマス系基本周波数ｆｂ）、吸音率が高くなる。
【数３】
【００１９】
さらに、上記パラメータを以下の式（４）に設定する場合、ピーク周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さくなる。この場合、低次の弾性振動のモードにより屈曲系の基本周波数がバネマス系の共振周波数より十分に小さく、３００（Ｈｚ）以下の周波数の音を吸音する吸音構造として適しているという知見が得られた。
【数４】
このように、式（３）、（４）の条件を満足するように各種パラメータを設定することにより、ピーク周波数を低くした吸音構造を構成することができる。
【００２０】
また、本発明の発明者らは、筐体１１の内部空間に隔壁１３を設けると、これを設けない場合に比べて板・膜振動吸音構造としての共振周波数（すなわち吸音周波数）が低下する、という知見を得た。すなわち、本実施形態の吸音構造１０によれば、隔壁１３を追加するという変更を行うだけで、内部空間の容積や吸音構造１０全体としてのサイズを変えないでも共振周波数を低下させることが可能である。
【００２１】
図４は、本実施形態の隔壁１３の作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。同図に示すグラフにおいて、横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は吸音率である。ここにおいて、吸音率とは、２マイクロホン法（伝達関数法）により測定した垂直入射吸音率のことをいう。また、２マイクロホン法は、図５に示すスピーカＳＰ、マイクロホンＭＩＣ１、ＭＩＣ２及び音響管ＡＴを用いて、マイクロホンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の伝達関数に基づいて垂直入射吸音率を測定するものである。
【００２２】
本実験に用いた吸音構造１０は、上面及び底面が８０×８０ｍｍの正方形であり、側面の高さが２０ｍｍのものである。また、隔壁１３は、上面と底面の中間、すなわち上面又は底面から１０ｍｍの位置に設け、孔部１３ａの大きさ（直径）を４．５ｍｍとした。筐体１１及び隔壁１３には、厚さ３ｍｍのＡＢＳ材を用い、振動体１２には、比重９４０ｋｇ／ｍ3、厚さ０．８５ｍｍのポリオレフィン系高分子膜を用いた。
【００２３】
図４において、曲線Ｃ1は、本実施形態の隔壁１３を設けた吸音構造１０の吸音特性を示すものである。また、曲線Ｃ11は、吸音構造１０から隔壁１３を除いた板・膜振動吸音構造（以下「比較例１」という。）の吸音特性を示し、曲線Ｃ12は、吸音構造１０の隔壁１３に代えて孔部１３ａがない板を用いた板・膜振動吸音構造（以下「比較例２」という。）の吸音特性を示すものである。さらに、曲線Ｃ13は、比較例２の構成から第２空間側を除いた、高さが１０ｍｍの板・膜振動吸音構造（以下「比較例３」という。）の吸音特性を示すものである（図６参照）。
【００２４】
図４に示すとおり、本実施形態の吸音構造１０は、比較例１〜３の構成よりも吸音のピーク周波数が低くなる。吸音構造１０は、比較例１の構成、すなわち隔壁１３を設けない構成よりもピーク周波数が１００Ｈｚ以上低くなり、比較例２又は３の構成と比較すると、比較例１の場合よりもさらに大きな割合でピーク周波数を低下させる。したがって、吸音構造１０は、単に内部空間を複数の空間に隔てただけでは効果を奏さず、内部空間を隔てる隔壁に孔部を設けてこそ効果を奏する。
【００２５】
板・膜振動吸音構造における共振周波数は、気体層の厚さ（振動体１２と対向する方向の距離）と相関を有し、気体層が厚くなるほど共振周波数が低下する。したがって、板・膜振動吸音構造によって低い周波数の音を吸音しようとした場合、気体層を厚くするのが一般的な手法の一つである。しかし、吸音構造１０によれば、気体層の厚さを変えないでも共振周波数を低下させることが可能である。よって、本実施形態の吸音構造１０は、設置するスペース（特に厚さ）が制限される環境において低い周波数の音を吸音しようとする場合などに特に適したものである。
【００２６】
また、本実施形態の吸音構造１０は、孔部１３ａの大きさや数を異ならせることによって共振周波数や吸音率を異ならせることも可能である。つまり、この吸音構造１０によれば、隔壁１３の孔部１３ａを変更するだけで、内部空間の容積や吸音構造１０全体としてのサイズを変えることなく、共振周波数や吸音率を必要に応じて調整することが可能である。
【００２７】
図７及び図８は、本実施形態の孔部１３ａの作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。本実験においては、図４に示した実験と同様の吸音構造１０を用い、孔部１３ａの大きさを異ならせてその作用を検証した。だだし、振動体１２には比重１２１０ｋｇ／ｍ3、厚さ１．２５ｍｍの無機フィラー入りポリオレフィン系高分子膜の中央部に２．９ｇの集中質量を取り付けたものを用いた。
【００２８】
図７において、曲線Ｃ21、Ｃ22、Ｃ23は、それぞれ、孔部１３ａを直径２．０ｍｍ（Ｃ21）、３．０ｍｍ（Ｃ22）、４．５ｍｍ（Ｃ23）の円形とした吸音構造１０の吸音特性を示すものである。また、曲線Ｃ24、Ｃ25、Ｃ26は、それぞれ、上述した比較例１（Ｃ24）、比較例２（Ｃ25）、比較例３（Ｃ26）の吸音特性を示すものである。
【００２９】
これらの図に示すように、吸音のピーク周波数には、孔部１３ａの直径が小さくなるほど低下する傾向が認められた。一方、吸音率には、孔部１３ａの直径が大きくなるほど上昇する傾向が認められた。したがって、本実施形態の吸音構造１０は、孔部１３ａの大きさを異ならせることにより、種々の共振周波数や吸音率に対応することができるようになる。
【００３０】
なお、本実施形態の吸音構造１０は、上面のみならず底面をも振動板として作用させるものであってもよい。この場合においては、筐体１１の底面を側面とは異なる材料（例えば、振動板１２と同じ材料）で構成し、底面を振動しやすくさせてもよい。
【００３１】
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態である吸音構造を示す図であり、本発明に係る吸音構造を孔部を含む切断面で切断した場合を示す断面図である。同図において、吸音構造２０は、上述した第１実施形態と同様の筐体１１及び振動体１２を備える。隔壁２３は、孔部２３ａを有し、内部空間を第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とに分割する。本例において、隔壁２３は、気体層の厚さ方向に設けられており、上面である振動体１２と筐体１１の底面とに接している。すなわち、隔壁２３は、振動体１２を第１空間Ａ1に面する部分と第２空間Ａ2に面する部分とに分けるような位置に設けられている。この場合において、隔壁２３の位置は、第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とが同一の形状になる位置（両空間が対称性を有する位置）であってもよいし、そうでなくてもよい。
【００３２】
吸音構造２０の構成は、１つの内部空間を２つに分割したものとみなすこともできるが、もともと２つである内部空間を孔部２１ａによって連通させたものとみなすこともできる。すなわち、吸音構造２０の構成は、２つの板・膜振動吸音構造の１つの側面を共通の部材とし、孔部２３ａによって互いの内部空間の気体を流通させるようにした吸音構造群であるともいえる。
【００３３】
内部空間、すなわち気体層の気体は、筐体及び振動体からなる空間に密閉された場合、その流動性が制限される。このような場合において、気体層の厚さ（上面から底面までの距離）が薄くなると、流動性の制限される度合いが増す。気体層の気体バネのバネ定数は、気体層が薄くなるにつれて大きくなるため、気体層が薄い場合は、気体層の気体バネが硬くなる方向に作用し、共振周波数の低下を妨げたり、振動体の振動の振幅を抑制するなどの悪影響が発生する。かかる作用は、特に、気体層が薄くなるほど顕著となる。
【００３４】
一方、本実施形態の吸音構造２０のように孔部２３ａが設けられると、気体層の気体が第１空間Ａ1と第２空間Ａ2とで密閉されている場合に比べ、気体層の気体の流動性の制限が緩和される。すなわち、吸音構造２０によれば、上述した悪影響を少なくすることが可能である。よって、この吸音構造２０は、気体層が比較的薄い場合（例えば、２０ｍｍ以下）において、特に有利な構成であるともいえる。
【００３５】
なお、部分空間は、そのすべてが振動体に面している必要はない。例えば、図１０に示すように、第２空間Ａ2の上面側に筐体２１が面するような構成とし、振動体２２が第１空間Ａ1のみに面するようにしてもよい。
また、図９に示す構成において、第１空間Ａ1に面する振動体と第２空間Ａ2に面する振動体とを異なる組成（材質、厚さなど）にしてもよい。
【００３６】
［第３実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態である吸音構造の外観を示す図である。本実施形態の吸音構造３０は、第２実施形態の吸音構造２０をさらに変形したものであり、内部空間を３以上の部分空間に分割するとともに、各々の部分空間に複数の孔部を備えるものである。吸音構造３０は、上述した第１実施形態と同様の筐体１１及び振動体１２を備える。なお、同図の破線は、後述する隔壁３３の位置を示している。
【００３７】
図１２は、吸音構造３０から振動体１２を除いたものを上面側から示す図である。すなわち、図１２は、吸音構造３０の内部空間を示す図である。筐体１１は、振動体１２とともに、吸音構造３０の内部空間を外部空間と隔てる部材であり、吸音構造３０の側面及び底面を構成する。すなわち、筐体１１は、その上面に開口部を有し、この開口部において振動体１２を支持する。隔壁３３は、内部空間を１６等分に区画する部材である。本実施形態の吸音構造３０は、隔壁３３により区画された１６個の領域が、それぞれ板・膜振動吸音構造として機能するものであるともいえる。なお、隔壁３３は、筐体１１と同様に、振動体１２と接してこれを支持している。
【００３８】
図１３は、吸音構造３０を図１２中のＡ−Ａ線で切断した場合の断面図である。隔壁３３は、同図に示すように、複数の孔部３３ａを有する。孔部３３ａは、隔壁３３の各辺に１２個ずつ設けられている。すなわち、孔部３３ａは、隔壁３３の全体に７２（１２×６）個設けられており、各々の部分空間は、６個、９個又は１２個の孔部３３ａにより他の部分空間と連通する。なお、図１２においてハッチングで示されている部分には、すべて孔部２３ａが設けられている。
【００３９】
本実施形態の吸音構造３０の各部の寸法は、次のとおりである。筐体１１は、上面からみたとき、３２１×３２１ｍｍの正方形であり、高さは１０ｍｍである。筐体１１及び隔壁３３の厚さは、３ｍｍである。すなわち、筐体１１又は隔壁３３を辺とする各区画は、７６．５ｍｍ四方の正方形である。孔部３３ａは、幅１５ｍｍ、高さ５ｍｍの長方形であり、１０ｍｍ間隔で設けられている。なお、振動体１２は、筐体１１の底面と同様の寸法であり、３２１×３２１ｍｍの正方形である。
【００４０】
図１４は、本実施形態の孔部３３ａの作用を示すために行われた実験の結果を示す図である。なお、本実験は、第１実施形態の実験と同様の方法で実施したが、音響管の形状は吸音構造３０の寸法に合わせて変更している。また、本実験においては、比較例として、吸音構造３０からすべての孔部３３ａを除いたもの（すなわち、隔壁３３に代えて孔部がない隔壁を用いたもの）を用いた。ここにおいて、曲線Ｃ3は、本実施形態の吸音構造３０の吸音特性を示すものであり、曲線Ｃ31は、上述した比較例の吸音特性を示すものである。
【００４１】
図１４に示すように、本実施形態の構成においても、比較例の構成に比べ、吸音するピーク周波数の低下が認められた。また、本実施形態の構成においては、第１実施形態の場合と異なり、ピーク周波数が低下しても吸音率が低下せず、逆に上昇するという結果が得られた。すなわち、本実施形態の吸音構造３０は、ピーク周波数の低下と吸音率の向上を両立できるという効果が認められた。
なお、吸音する周波数帯などの具体的な吸音特性は、各部の寸法や孔部３３ａの数に応じて異なる。
【００４２】
［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態での実施が可能である。以下に示す変形例は、本発明に適用可能な変形の一例である。なお、これらの変形例は、必要に応じて、各々を適宜に組み合わせて実施されてもよい。また、以下の説明においては、上述した実施形態と共通する構成に対して同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４３】
（１）変形例１
本発明に係る吸音構造は、孔部の位置及び大きさを問わない。また、孔部の数も、所望する吸音特性に応じて異ならせてよい。さらに、本発明に係る吸音構造は、孔部の数や大きさを変えられる機構を有していると、より望ましい。
【００４４】
図１５は、孔部を調節する調節機構を示す図である。この調節機構４０は、円柱部材４１と、リング部材４２及び４３とを備える。リング部材４２及び４３は、その内部に空洞を有する。リング部材４２の空洞は、円柱部材４１を隙間なく嵌め込めるように構成されており、リング部材４３の空洞は、リング部材４２を隙間なく嵌め込めるように構成されている。また、リング部材４３の外径は、所定の孔部の直径と等しく、当該孔部に隙間なく嵌め込まれるように構成されている。
【００４５】
図１６は、上述した調節機構４０の適用例を示す図である。いま、図１６（ａ）に示すように、孔部４４ａを有する隔壁４４があり、この孔部４４ａは、その直径がリング部材４３の外径と等しいものとする。図１６（ｂ）に示すように、円柱部材４１及びリング部材４２が嵌め込まれたリング部材４３をこの孔部４４ａに嵌め込むと、孔部４４ａが塞がれ、気体の流通が行われないようになる。つまり、図１６（ｂ）に示す構成で調節機構４０を適用すれば、孔部を減らすことができる。
【００４６】
また、図１６（ｂ）の状態から円柱部材４１を取り外すと、図１６（ｃ）に示すように、調節機構４０を適用しない場合よりも小さい直径の孔部を形成することができる。さらに、この状態からリング部材４２を取り外せば、調節機構４０を適用しない場合よりも小さく、かつ、図１６（ｃ）に示す場合よりも大きい直径の孔部を形成することができる。
【００４７】
なお、本発明に係る調節機構は、図１５に示す構成に限らない。例えば、リング部材をより多重に構成し、孔部の直径をより詳細に調整できるようにしてもよい。また、調整機構を取り付ける構成は、嵌め込むものでなくてもよい。
【００４８】
（２）変形例２
本発明において、吸音構造の形状は、直方体状に限定されない。吸音構造の形状は、例えば、円柱状であってもよいし、ある一面を振動体としたピラミッド状の四面体（四角錐）や四角錐台であってもよい。また、上述した第２及び第３実施形態のように吸音構造を連結して設けるような場合にあっては、各々の吸音構造を蜂の巣状の六角柱にしてもよい。
【００４９】
また、吸音構造を群として複数設ける場合にあっては、目的の吸音特性に応じて、各々の吸音構造の大きさや形状を異ならせ、その内部の部分空間の容積を異ならせてもよい。例えば、直方体状の吸音構造と円柱状の吸音構造を組み合わせてもよいし、大小の相似形の吸音構造を組み合わせてもよい。
【００５０】
（３）変形例３
本発明において、孔部は、ヘルムホルツ共鳴器を構成するように変形してもよい。本発明に係る吸音構造をヘルムホルツ共鳴器としても機能させるためには、孔部に筒状の部材を設ければよい。
【００５１】
図１７は、本変形例に係る隔壁の構成を示す断面図であり、第１実施形態の隔壁１３を変形したものである。同図において、隔壁１３０は、第１実施形態の孔部１３ａに相当する位置に筒状部材１３１を備える点が隔壁１３と異なる。筒状部材１３１は、隔壁１３０がなす平面と交差する方向に延びる筒状の部材であり、孔部１３ａに嵌め込まれるようにして設けられている。筒状部材１３１は、所定の長さ及び断面積を有する。長さ及び断面積の値は、この吸音構造による共鳴周波数を決定付ける物理量の一部であり、目的の吸音特性に応じて適宜定められる。筒状部材１３１は、ヘルムホルツ共鳴器における頚部（ネック部）として機能する。
【００５２】
隔壁１３０を有する吸音構造は、板・膜振動吸音構造であると同時に、ヘルムホルツ共鳴器でもある。よって、かかる吸音構造は、板・膜振動吸音構造のみとして機能する構成や、ヘルムホルツ共鳴器のみとして機能する構成に比べ、吸音効率を向上させることが可能である。また、かかる吸音構造は、気体バネを形成する空間と共鳴をするための空間とを共通にするため、これらを別々に設ける場合や単純に組み合わせる場合に比べ、構成を簡素にし、全体の大型化を抑制することが可能である。
【００５３】
なお、複数の孔部を有する吸音構造に本変形例を適用する場合には、筒状部材の長さ又は断面積をそれぞれ異ならせたり、あるいは、筒状部材を有する孔部と筒状部材を有しない孔部とを設けたりしてもよい。
【００５４】
また、筒状部材は、これを伸縮可能な構成にしてもよい。このようにすれば、ヘルムホルツ共鳴器における頚部の長さが可変となるため、ヘルムホルツ共鳴器による共鳴周波数を必要に応じて異ならせることが可能となる。したがって、この構成によれば、吸音対象である音が状況に応じて変わる場合であっても、吸音構造自体を変えずに吸音特性のみを変えることが可能である。
【００５５】
図１８は、伸縮可能な筒状部材を例示する断面図である。この筒状部材１３１は、隔壁１３に固定された第１部材１３１１と、第２部材１３１２とにより構成される。第２部材１３１２は、例えば、ねじ山を設けるなどして、第１部材１３１１に嵌め込まれるように構成されており、図中の矢印が示す方向にその位置を変えることができる。なお、第２部材１３１２は、第１部材１３１１の内部においてスライドするように移動する構成であってもよい。この場合においては、第２部材１３１２の移動に対してある程度の抵抗が生じるようにし、第２部材１３１２が自然に移動することがないようにすることが望ましい。
【００５６】
（集中質量に関する記載）
（４）変形例４
本発明において、振動体は、その全体が一様な構成であってもよいし、その一部が他の部分と異なる質量を有する構成であってもよい。この構成において、当該一部は、他の部分と異なる密度を有するものであってもよいし、他の部分と同じ密度だが厚さが異なるものであってもよい。さらには、当該一部は、質量（集中質量）を付与するために他の部材を接着等により取り付けた構成であってもよい。なお、当該一部は、振動体の中央にあると望ましい。
【００５７】
図１９は、底面が１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形で厚さが１０ｍｍの空気層を形成する筐体１１に、１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形で厚さが０．８５ｍｍの振動体１２を固着し、振動体１２の中央部（大きさ２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）の面密度を変化させた際の吸音構造１０の吸音率のシミュレーション結果を示す図である。なお、シミュレーションは、ＪＩＳ Ａ１４０５−２（音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第２部：伝達関数法）に従って吸音構造１０を配置した音響室の音場を有限要素法により求め、その伝達関数より吸音特性を算出するものである。なお、本シミュレーションにおいては、振動体１２の質量成分による作用に注目し、隔壁１３の作用を除外することを目的に、隔壁１３を設けない構成を用いた。
【００５８】
図１９に示すシミュレーションに用いた振動体１２の構成は、以下のとおりである。なお、面密度及び平均密度の単位は、いずれも「ｇ／ｍ2」である。また、振動体１２のうち中央部を除いた部分の面密度は、いずれも７９９（ｇ／ｍ2）である。
（１）中央部の面密度：３９９．５、振動体の平均密度：７８３
（２）中央部の面密度：７９９、振動体の平均密度：７９９
（３）中央部の面密度：１１９９、振動体の平均密度：８１５
（４）中央部の面密度：１５９８、振動体の平均密度：８３１
（５）中央部の面密度：２２９７、振動体の平均密度：８６３
【００５９】
図１９に示すように、吸音率は、３００〜５００Ｈｚの間と、７００Ｈｚ付近において高くなっている。７００Ｈｚ付近の吸音率のピークは、振動体１２の質量成分と空気層のバネ成分によって形成されるバネマス系の共振によるものである。本シミュレーションの吸音構造においては、バネマス系の共振周波数での吸音率をピークとして音が吸音されており、中央部の面密度を大きくしても、振動体１２全体としての質量は大きく変わらないので、バネマス系の共振周波数も大きくは変わらない。
【００６０】
一方、３００〜５００Ｈｚの間での吸音率のピークは、振動体１２の屈曲振動によって形成される屈曲系の共振によるものである。本シミュレーションの吸音構造においては、屈曲系の共振周波数での吸音率が低音域側のピークとして表れており、中央部の面密度を異ならせると、屈曲系の共振周波数がバネマス系の共振周波数よりも大きく変化する。また、屈曲系の共振周波数は、図示のとおり、中央部の面密度が大きくなるほど低くなる。
【００６１】
一般に、屈曲系の共振周波数は、振動体１２の弾性振動を支配する運動方程式で決定され、振動体１２の密度（及び面密度）に反比例する。また、屈曲系の共振周波数は、固有振動の腹（振幅が極大値となる場合）の密度の影響を強く受ける。本シミュレーションにおいては、１×１の固有モードの腹となる領域（すなわち中央部）を異なる面密度で形成したことにより、屈曲系の共振周波数が変化したのである。
【００６２】
図１９に示すシミュレーション結果は、振動体１２の中央部の面密度をその他の部分の面密度より大きくすると、吸音のピークとなる周波数のうち、低音域側の吸音率のピークがさらに低音域側へ移動することを表している。したがって、中央部の面密度を変更すれば、吸音のピークとなる周波数の一部をさらに低音域側又は高音域側に移動（シフト）させることが可能である。
【００６３】
以上のことから、本発明に係る吸音構造においては、中央部の面密度を変えることによって、吸音のピーク周波数を変える（シフトさせる）ことができるといえる。すなわち、本発明に係る吸音構造によれば、振動体の中央部の質量を異ならせるだけで、吸音構造全体としての質量を大きく変えることなく、より低い周波数の音を吸音することができるようになる。これにより、本発明に係る吸音構造は、吸音対象の音の周波数が変化する場合においても、振動体の中央部の質量を変化させるだけで、音の変化に対応することが可能となる。
【００６４】
（５）変形例５
本発明は、上述した吸音構造又は吸音構造群を１又は複数備える音響室としても実施可能である。かかる音響室は、例えば、スピーカや防音室などの、楽音の聴取の用に供される物品や構造物である。また、船舶、飛行機、車両等の乗り物の壁面や、風呂などの構造物の壁面に本発明を適用し、音響室を構成するようにしてもよい。本発明は、特定の周波数の音が騒音として生じるような場所に適用するに好適なものであるため、かかる物品や構造物に用いると、騒音の抑制に一定の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】吸音構造の外観を示す図
【図２】吸音構造を示す断面図
【図３】隔壁を示す図
【図４】実験結果を示す図
【図５】２マイクロホン法（伝達関数法）による測定方法を示す図
【図６】吸音構造とその比較例を示す図
【図７】実験結果を示す図
【図８】実験結果を示す図
【図９】吸音構造を示す断面図
【図１０】吸音構造を示す断面図
【図１１】吸音構造の外観を示す図
【図１２】隔壁を示す図
【図１３】隔壁を示す断面図
【図１４】実験結果を示す図
【図１５】孔部を調節する調節機構を示す図
【図１６】調節機構の適用例を示す図
【図１７】筒状部材（ヘルムホルツ共鳴器）を有する隔壁を示す断面図
【図１８】伸縮可能な筒状部材を示す断面図
【図１９】吸音率のシミュレーション結果を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１０、２０、３０…吸音構造、１１、２１、３１…筐体、１２、２２、３２…振動体、１３、２３、３３、４４…隔壁、４０…調節機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有し、内部空間を形成する筐体と、
前記開口部を塞いで前記内部空間を外部空間と隔てる板状又は膜状の振動体と、
前記内部空間を複数の部分空間に分割する隔壁であって、ある部分空間から他の部分空間への気体の流通を許容する孔部を有する隔壁と
を備えることを特徴とする吸音構造。
【請求項２】
前記隔壁が、前記振動体と対向するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造。
【請求項３】
前記隔壁が、前記振動体を第１の部分空間に面する第１の部分と第２の部分空間に面する第２の部分とに分ける位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の吸音構造を複数備えることを特徴とする吸音構造群。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の吸音構造又は請求項４に記載の吸音構造群を備えることを特徴とする音響室。
【請求項１】
開口部を有し、内部空間を形成する筐体と、
前記開口部を塞いで前記内部空間を外部空間と隔てる板状又は膜状の振動体と、
前記内部空間を複数の部分空間に分割する隔壁であって、ある部分空間から他の部分空間への気体の流通を許容する孔部を有する隔壁と
を備えることを特徴とする吸音構造。
【請求項２】
前記隔壁が、前記振動体と対向するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造。
【請求項３】
前記隔壁が、前記振動体を第１の部分空間に面する第１の部分と第２の部分空間に面する第２の部分とに分ける位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の吸音構造。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の吸音構造を複数備えることを特徴とする吸音構造群。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の吸音構造又は請求項４に記載の吸音構造群を備えることを特徴とする音響室。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−９７１４５（Ｐ２０１０−９７１４５Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０３２３（Ｐ２００８−２７０３２３）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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