音速制御部材
【課題】本発明は、多孔質部材の物性と音響特性との相関を解明して、工業製品としての品質を安定に確保することが可能な音速制御部材を実現することを目的とする。
【解決手段】多孔部材の熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）を以下に示す式１および式２を満足させることによって、課題解決を図った。
【式１】Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ×Ｃｍ）
【式２】Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
【解決手段】多孔部材の熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）を以下に示す式１および式２を満足させることによって、課題解決を図った。
【式１】Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ×Ｃｍ）
【式２】Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は音速を低下させる音速制御部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
発泡ウレタン樹脂・グラスウール・ゼオライト・活性炭などの多孔質部材は、吸音材として、テレビ装置・カーステレオ・ホームシアターなどの音響装置に具備されているスピーカシステム、あるいはオーディオルーム・防音壁などの防音材に利用されている。
【０００３】
例えば、低反発性発泡ウレタン樹脂をスピーカボックスに充填して、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させるスピーカシステムが提案されている。これは、スピーカシステムに装着したスピーカユニットの振動板背面から放射された音圧エネルギーを、該ウレタン樹脂に内包されている空気との摩擦すなわち空気流摩擦と、該空気と接触している該ウレタン樹脂との摩擦すなわち粘性流動摩擦との両方によって熱エネルギーに変換させる現象を利用したものである（特許文献１）。
また、微細孔を有する活性炭をスピーカボックスに装填して、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させるスピーカシステムが提案されている。これは、活性炭による空気の物理的な吸着／脱着現象を利用して、スピーカボックスの容積拡大効果を図ったものである（特許文献２）。
【特許文献１】特許公開２００６−３５２６４７
【特許文献２】特許公開２００７−６４５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２には多孔質部材の物性と音響特性との相関については記載されていないため、多孔質部材の材料設計ができないと言う問題があった。したがって、所望の音響特性を有する多孔質部材を試行錯誤で探し出さねばならず、工業製品としての品質を安定に確保することが困難であった。
また、多孔質部材の音響特性に関する従来の研究は、多孔質部材内の気体および固体の多孔質部材を伝播する音波の振動伝播に関するものが多く、多孔質部材の物性面からの研究は少なかった（非特許文献１、２）。
【非特許文献１】M.A. Biot, “Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid”, The Journal of The Acoustical Society of America Vol.28, Num.2 ,p168-191 (1956)
【非特許文献２】中川博ほか「Biotの理論を用いた音響特性の予測・その１」、日本音響学会講演論文集、p８８５−８８６（２００２）
【０００５】
そこで本発明は、多孔質部材の物性と音響特性との相関を解明して、工業製品としての品質を安定に確保することが可能な音速制御部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の問題を解決して目的を達成するために、本発明の音速制御部材は、通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）が以下に示す式１および式２を満足させる構造体からなることを特徴とする。
「式１」Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ×Ｃｍ）
「式２」Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
このような構成にすることによって、構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させることが可能になる。
【０００７】
また、構造体の通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９の１０倍以上であることを特徴とする。このような構成にすることにより、音速をより低く低下させることが可能になる。
また、構造体の通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９の１００倍以上であることを特徴とする。このような構成にすることによって、音速をさらに低く低下させることが可能になる。
【０００８】
本発明のスピーカシステムは、上述の音速制御部材がスピーカボックスに具備されていることを特徴とする。このような構成にすることによって、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させることが可能になる。したがって、スピーカシステムの低音再現性の向上が図れる。
【０００９】
本発明の防音壁は、上述の音速制御部材を具備していることを特徴とする。このような構成にすることによって、低周波の音波を吸収することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の音速制御部材によれば、音速を低下させたい所望の周波数を設定するだけで音速制御部材の材料設計が可能になるため、音響部材を用いた工業製品の品質を安定に確保できる効果が得られる。
また、本発明のスピーカシステムによれば、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させる効果が得られる。
また、本発明の防音壁によれば、低周波数の音波を吸収する効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図６の図面を参照にして説明する。図１は、本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図である。図２は、本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。図３は、本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。図４は、本発明に係る音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。図５は、吸音構造の空気層のみの垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。図６は、本発明に係る他の音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。
【００１２】
(実施の形態１)
本発明に係る音速制御部材の一構成例について説明する。
〔音速制御部材の構成〕
本発明の音速制御部材は、通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きく、通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９より大きな物性を有する構造体から構成されている。ここで、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
熱容量（Ｃ）は、構造体の嵩密度（Ｄ）および比熱（Ｃｍ）を通常の測定方法で計測し、嵩密度（Ｄ）と比熱（Ｃｍ）とを乗算（Ｄ×Ｃｍ）して求めた計算値である。
熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きい構造体にすると、構造体内の通気孔中の気体は、周波数Ｆ〔Ｈｚ〕以下の気体の振動によって生ずる発熱あるいは冷却が速やかに構造体に伝達して吸収されるため、温度変化しない。したがって、ニュートン理論に則った定温状態で気体が振動するようになり、構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させる作用が発現される点で好ましい。
【００１３】
通気抵抗（Ｒ）は、単位厚さ（Ｄ）の構造体をＪＩＳＬ１０９６通気性Ａ法で測定した通気度（Ｑ）〔ｍ／ｓｅｃ〕を用いて、以下の算出式から求めた計算値である。
構造体内の通気孔中の気体が定温状態で振動するためには、１／Ｆ以下の時間内で気体の振動によって生ずる通気孔中の気体の温度変化を構造体に吸収する必要がある。ここで、通気孔の大きさ・形状分布から求めた通気孔の平均的な直径をＬ、気体の温度伝導率をａとして熱伝導方程式を解くと、音速を低下させたい所望の音波の周波数（Ｆ）と、Ｌとａとの関係は次式のように表せる。但し、πは円周率である。
ａ（π／Ｌ）２＞Ｆ〔ＨＺ〕・・・・・・・・・・・・（１）
また、通気度（Ｑ）はポワージュの法則により次式で表すことができる。但し、μは気体の粘性係数である。
Ｑ＝１２５〔Ｐａ〕÷Ｄ×Ｌ２÷３２÷μ・・・・・（２）
したがって、２式を１式に代入してＱを求めると、次式が得られる。但し、次式は、気体を空気として計算したものである。空気の温度伝達率（ａ）は０．０２×１０−３、空気の粘性係数（μ）は１．７９×１０−５〔Ｐａ／ｓｅｃ〕を用いた。また、構造体の単位厚さを１として計算した。
１／Ｑ＞Ｆ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕・・・・・・・・（３）
ここで、通気抵抗（Ｒ）を１／Ｑと定義すると、通気抵抗（Ｒ）は次式で表せる。
Ｒ＞Ｆ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕・・・・・・・・・・（４）
【００１４】
構造体の通気抵抗（Ｒ）をＦ／４２．９の１０倍以上、望ましくは１００倍以上にすると、通気孔中の気体の温度変化がより速やかに構造体に吸収されるため、特に周波数が１ｋＨｚ以下の低周波の音速をより低く低下させることができる点で好ましい。
【００１５】
構造体の通気抵抗（Ｒ）は、通気孔の構造、具体的には孔路長、孔径、孔路壁面の表面積などを調節することによって制御することができる。すなわち、孔路長を長くし、孔径を小さくし、孔表面積を大きくすることによって、通気抵抗（Ｒ）を大きくすることができる。
孔路長を長くしかつ孔路壁面の表面積を大きくするには、孔路を蛇行構造にするとよい。このような構造にすることによって、音波の入射方向に対する構造体の厚さを薄くすることができる点で好ましい。
【００１６】
〔構造体の構成〕
本発明に適用できる構造体としては、上述した熱容量と通気抵抗とを同時に満足する通気性の材料であればいずれでも用い得る。例えば、樹脂・合成ゴム・金属・セラミック・金属あるいはセラミックと樹脂とからなる複合材などからなる連続気泡発泡体あるいは独立気泡と連続気泡とが混在している半独立気泡発泡体などが適用できる。
【００１７】
具体的な構造体の材料としては、熱可塑性ポリウレタン・熱可塑性ポリオレフィン・熱可塑性ポリスチレンなどのエラストマ、ＮＢＲ・ＳＢＲ・シリコンゴム・エチレンプロピレンゴムなどの合成ゴム、ポリプロピレン樹脂・ポリエチレン樹脂などの樹脂、アルミニウムなどの金属、あるいはアルミナなどのセラミックを発泡させた発泡体が適用できる。また、アルミニウムなどの金属粒子・磁器などのセラミック粒子・ガラス粒子などの粒子を、スチレンブタジエン共重合体などの結着樹脂に分散した複合材が適用できる。
【００１８】
以上に説明した発泡体あるいは複合材からなる構造体は、孔路を蛇行構造に形成することができる点で好ましい。また、これらの構造体は、熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きく、かつ通気抵抗（Ｒ）の制御が容易である点で好ましい。通気抵抗（Ｒ）をＦ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕より大きくするには、発泡体の場合は発泡率を、また複合材の場合は粒子の粒度および粒子と結着材との混合比を最適化することによって成し得る。
【００１９】
(実施の形態２)
図１は、本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図である。音速制御部材１０は、実施の形態１で説明した構造体１１と、例えばペルチェ素子などの冷却手段１２とから構成されている。冷却手段１２は、接着剤・取付金具などの担持手段によって、構造体１１の４面に担持されている。
尚、図１では冷却手段１２が構造体１１の４面に担持されているが、構造体１１の通気性が保持され、かつ構造体１１中の気体が冷却される構成であれば冷却手段２の担持方法は図１に限定されるものではない。
【００２０】
図１のように冷却手段１２で構造体１１を冷却すると、通気孔中の気体の振動によって音圧が高くなるときに生ずる発熱が冷却手段１２で迅速に吸収され、通気孔中の気体の温度が変化しないため、数十Ｈｚ以下の低音域の音速を効果的に低下させることができる。
尚、冷却手段１２に加えて構造体１１を加熱する加熱手段（図示せず）を設けて、音圧が低くなるときに生ずる熱吸収を加熱手段で迅速に加熱して通気孔中の気体の温度を変化しないようにすると、より効果的な音速低下効果を得ることができる。
したがって、本実施形態の音速制御部材は、低音再現性を重視したスピーカシステム、あるいは低音域の音波を吸収する防音システムなどに好適である。
【００２１】
（実施の形態３）
図２は、本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。本実施形態のスピーカシステム２０は、スピーカボックス２１と、スピーカボックス２１の一面に具備されたスピーカユニット２２と、実施の形態１もしくは実施の形態２で説明した音速制御部材２３とから構成されている。
このような構成にすることによって、スピーカユニット２２の背面から放射した音波の音速が低下するため、スピーカシステム２０の最低共振周波数を低下させることができる。
尚、音速制御部材２３の取付け位置は、スピーカボックス２１内の任意の位置でよく、図２の位置に限定されるものではない。
【００２２】
音速制御部材２３は音響抵抗部材としての機能を有する。音響抵抗部材の機能を発現させるためには、図２に示すように音速制御部材２３をスピーカユニット２２の近傍に取り付けると良い。具体的には、スピーカユニット２２の背面と音速制御部材２３とで囲まれる空間の体積Ｖ１と、音速制御部材２３の背面とスピーカボックス２１の内壁とで囲まれる空間の体積Ｖ２との比（Ｖ１／Ｖ２）が、１／２以下、好ましくは１／５以下になる位置に音速制御部材２３を設ける。
このような位置に音速制御部材２３を配置すると、スピーカシステム２０の制動抵抗の制御が可能になるため、スピーカシステム２０の最低共振周波数付近における音圧の平坦化と、最低共振周波数の低下とが同時に実現される点で好ましい。
【００２３】
尚、本実施形態では、スピーカシステム２０として密閉型スピーカシステムを例にして説明したが、バスレフ型スピーカシステム・ドロンコーン型スピーカシステムなど一般によく知られている他のスピーカシステムにも適用できることは勿論である。
【００２４】
（実施の形態４）
図３は、本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。本実施形態の密閉型スピーカシステムの基本構成は、図２に示すスピーカシステム２０と同じである。したがって、図２と同じ構成要素には同一の符号を付与し、詳しい説明は省略する。ここでは、図２と異なる構成についてのみ説明することにする。
【００２５】
図３に示す密閉型スピーカシステム３０は、図２に示すスピーカボックス２１内の任意の場所に調湿手段３１を設けた構成になっている。ここで、調湿手段３１とは、スピーカボックス２１内の湿度を所定値に制御する湿度制御手段である。
【００２６】
発明者等の実験によると、音速制御部材が放置されている雰囲気の湿度と、音速制御部材中の気体を伝播する音速との間に相関が得られた。すなわち、音速制御部材を低湿の雰囲気に放置した場合と、高湿の雰囲気に放置した場合とを比較すると、低湿の方が高湿より音速の低下効果が大きくなると言う結果が得られた。そこで、音速の低下効果が大きくなる湿度条件について詳しく実験で調べた結果、相対湿度が５０％以下、好ましくは３０％以下（但し、０％は除く）になると音速の低下効果が大きくなり、７０％以上になると音速の低下効果が著しく小さくなることが分かった。
【００２７】
音速制御部材が放置されている雰囲気の湿度と、音速制御部材中の気体を伝播する音速との間に相関が得られたのは、空気中の水蒸気（気体状態の水）による音速制御部材の通気孔の表面への吸着脱着が起きているからであると考えられる。すなわち、音速制御部材中を伝搬する音波の音圧が高くなると水蒸気の吸着が起こり、音圧が低くなると水蒸気の脱着が起こると推察される。以下に、その理由について詳しく説明する。
【００２８】
空気の状態方程式（PV=ｎRT）において、水蒸気の吸着脱着が起こると水蒸気のモル数が変化し、それが空気のモル数ｎの変化を引き起こす。空気のモル数の変化Δｎが、音圧変化ΔPと定数νとによってΔｎ＝−ν（ΔP／Ｐ）と関連付けられるとき、状態方程式を微分すると水蒸気の体積弾性率κはΓPとなる。ここで、Γは１／（１＋ν／ｎ）である。
【００２９】
そして、空気の音速は体積弾性率κと空気密度ρとの比（κ／ρ）の平方根となるので、吸着脱着があるときは、吸着脱着が無いときに比べΓの平方根（1より小さい）分だけ音速が遅くなる。
さらに、通気孔の中では、通気孔の壁面に接触する空気の粘性によって、空気の振動を制動する作用が働く。これは、空気密度ρが４／３倍に増えたのと等価となる。よって、音速は空気密度ρの逆数（１／ρ）の平方根に比例するので、請求項１における「式２」（Ｒ＞Ｆ／４２．９）の条件の下では、空気の音速は０．８６６
倍に低下する。
【００３０】
したがって、通気孔の中では、ニュートン理論に則った定温状態での気体の振動による音速低下と、水蒸気の吸着脱着による音速低下と、通気孔の壁面に接触する空気の粘性による音速低下とが重畳して起こるものと推察される。
【００３１】
本発明に適用できる調湿制御手段３１としては、スピーカボックス２１内の相対湿度を５０％以下、好ましくは３０％以下に保持するものであればいずれでも用い得る。
例えば、シリカゲル・活性炭・シラス・炭酸ナトリウム水・珪藻土などの調湿材、あるいは除湿機などが適用できる。中でも調湿材は、調湿制御手段３１の構成が簡単になる点で好ましい。
【００３２】
〔音速の求め方〕
以下に、音速制御部材の通気孔中を伝播する音波の音速の求め方について説明する。
本発明では、穴開きボードの背面に空気層を持つ吸音構造の垂直入射吸音率を測定し、穴開きボードの吸音率のピーク周波数から計算で音速を求めた。
【００３３】
穴開きボードの吸音率のピーク周波数ｆは、５式に示すように、空気層のキャパシタンスＣｂの共振周波数ｆ〔Ｈｚ〕と等価になる。
ｆ＝１／（２π√ＭＣｂ）・・・・・・・・・・（５）
但し、Ｍは穴開きボードの穴の空気質量である。
一方、キャパシタンスＣｂは式６となる。
Ｃｂ＝Ｖ／（ρｃ２Ｓ）・・・・・・・・・・・（６）
但し、Ｖは該空気層の体積、ρは空気の密度、ｃは音速、Ｓは穴の総面積である。
したがって、該ピーク周波数ｆを測定することによって、式５および式６から該空気層の音速が求められる。
【００３４】
該空気層に音速制御部材を充填した場合の音速ｃ’を上述した方法で算出すると、空気層のみの音速ｃから音速ｃ’に変化する。よって、該空気層に音速制御部材を充填した場合の穴開きボードの吸音率のピーク周波数ｆ’は、ｆ×（ｃ’／ｃ）になる。
したがって、空気層のみの音速ｃは既知であるから、該空気層のみの吸音率のピーク周波数ｆと、該空気層に音速制御部材を充填したときの吸音率のピーク周波数ｆ’との比を求めることによって、音速制御部材内の音速ｃ’（ｃ’＝ｃ×ｆ’／ｆ）が求められる。
【００３５】
（具体的実施例１）
上述した「音速の求め方」に準拠して、以下に示す音速制御部材の垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図４に示す。図５は、空気層に音速制御部材を充填しないときの垂直入射吸音率を測定した測定結果である。
穴開きボード：ボード厚：０．２ｍｍ、穴径：直径０．２ｍｍ、穴の開口率：２％
音速制御部材：ブリヂストン社製の発泡ウレタン樹脂「ウレタンフォームＤＯＸ」（以下、略して「ＤＯＸ」と言う）
「ＤＯＸ」の熱容量：約２×１０３
「ＤＯＸ」の通気抵抗（Ｒ）：約１５００（通気度：約６．４×１０−４ｍ２／ｓｅｃ）
試料の体積：φ３０ｍｍ×３０ｍｍ
測定環境：２０℃、６０％ＲＨ
【００３６】
図４と図５との比較から判るように、「ＤＯＸ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約７０％低くなっている。したがって、図５の空気層の音速を約３４０ｍ／ｓｅｃとすると、「ＤＯＸ」の通気孔を伝播する音波の音速は約２８４ｍ／ｓｅｃになる。
【００３７】
（具体的実施例２）
音速制御部材として以下の発泡ウレタン樹脂を用い、具体的実施例１と同様の測定条件で垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図６に示す。
発泡ウレタン樹脂：ブリヂストン社製「ウレタンフォームＣＷＺＺ」（以下、略して「ＣＷＺＺ」と言う）
「ＣＷＺＺ」の熱容量：約２×１０３
「ＣＷＺＺ」の通気抵抗（Ｒ）：約１１０００（通気度：約０．８８×１０−４ｍ２／ｓｅｃ）
【００３８】
図６から判るように、「ＣＷＺＺ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約６０％低くなっている。したがって、図５の空気層の音速を約３４０ｍ／ｓｅｃとすると、「ＣＷＺＺ」の通気孔を伝播する音波の音速は約２０４ｍ／ｓｅｃになる。
【００３９】
（比較例１）
音速制御部材として以下の発泡ウレタン樹脂を用い、具体的実施例１と同様の測定条件で垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図７に示す。
発泡ウレタン樹脂：ブリヂストン社製「ウレタンフォームＤＯＸ」（以下、略して「ＶＰＸ」と言う）
熱容量：約２×１０３
通気抵抗（Ｒ）：約２４（通気度：約１．０４ｃｃ／ｓｅｃ）
【００４０】
図７から判るように、「ＶＰＸ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約１０％しか低くなっていない。したがって、「ＶＰＸ」は「ＤＯＸ」および「ＣＷＺＺ」と比較すると音速低下効果がほとんどないことが判る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る音速制御部材は、スピーカシステム・カーステレオ・テレビ装置などの音響機器、オーディオルーム・防音室などの防音壁材に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図。
【図２】本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図。
【図３】本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図。
【図４】本発明に係る音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図５】吸音構造の空気層のみの垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図６】本発明に係る他の音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図７】比較例１で用いた発泡ウレタン樹脂の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 音速制御部材
１１ 構造体
１２ 冷却手段
２０ スピーカシステム
２１ スピーカボックス
２３ 音速制御部材
３０ 密閉型スピーカシステム
３１ 調湿手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は音速を低下させる音速制御部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
発泡ウレタン樹脂・グラスウール・ゼオライト・活性炭などの多孔質部材は、吸音材として、テレビ装置・カーステレオ・ホームシアターなどの音響装置に具備されているスピーカシステム、あるいはオーディオルーム・防音壁などの防音材に利用されている。
【０００３】
例えば、低反発性発泡ウレタン樹脂をスピーカボックスに充填して、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させるスピーカシステムが提案されている。これは、スピーカシステムに装着したスピーカユニットの振動板背面から放射された音圧エネルギーを、該ウレタン樹脂に内包されている空気との摩擦すなわち空気流摩擦と、該空気と接触している該ウレタン樹脂との摩擦すなわち粘性流動摩擦との両方によって熱エネルギーに変換させる現象を利用したものである（特許文献１）。
また、微細孔を有する活性炭をスピーカボックスに装填して、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させるスピーカシステムが提案されている。これは、活性炭による空気の物理的な吸着／脱着現象を利用して、スピーカボックスの容積拡大効果を図ったものである（特許文献２）。
【特許文献１】特許公開２００６−３５２６４７
【特許文献２】特許公開２００７−６４５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２には多孔質部材の物性と音響特性との相関については記載されていないため、多孔質部材の材料設計ができないと言う問題があった。したがって、所望の音響特性を有する多孔質部材を試行錯誤で探し出さねばならず、工業製品としての品質を安定に確保することが困難であった。
また、多孔質部材の音響特性に関する従来の研究は、多孔質部材内の気体および固体の多孔質部材を伝播する音波の振動伝播に関するものが多く、多孔質部材の物性面からの研究は少なかった（非特許文献１、２）。
【非特許文献１】M.A. Biot, “Theory of Propagation of Elastic Waves in a Fluid-Saturated Porous Solid”, The Journal of The Acoustical Society of America Vol.28, Num.2 ,p168-191 (1956)
【非特許文献２】中川博ほか「Biotの理論を用いた音響特性の予測・その１」、日本音響学会講演論文集、p８８５−８８６（２００２）
【０００５】
そこで本発明は、多孔質部材の物性と音響特性との相関を解明して、工業製品としての品質を安定に確保することが可能な音速制御部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の問題を解決して目的を達成するために、本発明の音速制御部材は、通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）が以下に示す式１および式２を満足させる構造体からなることを特徴とする。
「式１」Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ×Ｃｍ）
「式２」Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
このような構成にすることによって、構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させることが可能になる。
【０００７】
また、構造体の通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９の１０倍以上であることを特徴とする。このような構成にすることにより、音速をより低く低下させることが可能になる。
また、構造体の通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９の１００倍以上であることを特徴とする。このような構成にすることによって、音速をさらに低く低下させることが可能になる。
【０００８】
本発明のスピーカシステムは、上述の音速制御部材がスピーカボックスに具備されていることを特徴とする。このような構成にすることによって、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させることが可能になる。したがって、スピーカシステムの低音再現性の向上が図れる。
【０００９】
本発明の防音壁は、上述の音速制御部材を具備していることを特徴とする。このような構成にすることによって、低周波の音波を吸収することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の音速制御部材によれば、音速を低下させたい所望の周波数を設定するだけで音速制御部材の材料設計が可能になるため、音響部材を用いた工業製品の品質を安定に確保できる効果が得られる。
また、本発明のスピーカシステムによれば、スピーカシステムの最低共振周波数を低下させる効果が得られる。
また、本発明の防音壁によれば、低周波数の音波を吸収する効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図６の図面を参照にして説明する。図１は、本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図である。図２は、本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。図３は、本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。図４は、本発明に係る音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。図５は、吸音構造の空気層のみの垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。図６は、本発明に係る他の音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図である。
【００１２】
(実施の形態１)
本発明に係る音速制御部材の一構成例について説明する。
〔音速制御部材の構成〕
本発明の音速制御部材は、通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きく、通気抵抗（Ｒ）がＦ／４２．９より大きな物性を有する構造体から構成されている。ここで、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
熱容量（Ｃ）は、構造体の嵩密度（Ｄ）および比熱（Ｃｍ）を通常の測定方法で計測し、嵩密度（Ｄ）と比熱（Ｃｍ）とを乗算（Ｄ×Ｃｍ）して求めた計算値である。
熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きい構造体にすると、構造体内の通気孔中の気体は、周波数Ｆ〔Ｈｚ〕以下の気体の振動によって生ずる発熱あるいは冷却が速やかに構造体に伝達して吸収されるため、温度変化しない。したがって、ニュートン理論に則った定温状態で気体が振動するようになり、構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させる作用が発現される点で好ましい。
【００１３】
通気抵抗（Ｒ）は、単位厚さ（Ｄ）の構造体をＪＩＳＬ１０９６通気性Ａ法で測定した通気度（Ｑ）〔ｍ／ｓｅｃ〕を用いて、以下の算出式から求めた計算値である。
構造体内の通気孔中の気体が定温状態で振動するためには、１／Ｆ以下の時間内で気体の振動によって生ずる通気孔中の気体の温度変化を構造体に吸収する必要がある。ここで、通気孔の大きさ・形状分布から求めた通気孔の平均的な直径をＬ、気体の温度伝導率をａとして熱伝導方程式を解くと、音速を低下させたい所望の音波の周波数（Ｆ）と、Ｌとａとの関係は次式のように表せる。但し、πは円周率である。
ａ（π／Ｌ）２＞Ｆ〔ＨＺ〕・・・・・・・・・・・・（１）
また、通気度（Ｑ）はポワージュの法則により次式で表すことができる。但し、μは気体の粘性係数である。
Ｑ＝１２５〔Ｐａ〕÷Ｄ×Ｌ２÷３２÷μ・・・・・（２）
したがって、２式を１式に代入してＱを求めると、次式が得られる。但し、次式は、気体を空気として計算したものである。空気の温度伝達率（ａ）は０．０２×１０−３、空気の粘性係数（μ）は１．７９×１０−５〔Ｐａ／ｓｅｃ〕を用いた。また、構造体の単位厚さを１として計算した。
１／Ｑ＞Ｆ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕・・・・・・・・（３）
ここで、通気抵抗（Ｒ）を１／Ｑと定義すると、通気抵抗（Ｒ）は次式で表せる。
Ｒ＞Ｆ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕・・・・・・・・・・（４）
【００１４】
構造体の通気抵抗（Ｒ）をＦ／４２．９の１０倍以上、望ましくは１００倍以上にすると、通気孔中の気体の温度変化がより速やかに構造体に吸収されるため、特に周波数が１ｋＨｚ以下の低周波の音速をより低く低下させることができる点で好ましい。
【００１５】
構造体の通気抵抗（Ｒ）は、通気孔の構造、具体的には孔路長、孔径、孔路壁面の表面積などを調節することによって制御することができる。すなわち、孔路長を長くし、孔径を小さくし、孔表面積を大きくすることによって、通気抵抗（Ｒ）を大きくすることができる。
孔路長を長くしかつ孔路壁面の表面積を大きくするには、孔路を蛇行構造にするとよい。このような構造にすることによって、音波の入射方向に対する構造体の厚さを薄くすることができる点で好ましい。
【００１６】
〔構造体の構成〕
本発明に適用できる構造体としては、上述した熱容量と通気抵抗とを同時に満足する通気性の材料であればいずれでも用い得る。例えば、樹脂・合成ゴム・金属・セラミック・金属あるいはセラミックと樹脂とからなる複合材などからなる連続気泡発泡体あるいは独立気泡と連続気泡とが混在している半独立気泡発泡体などが適用できる。
【００１７】
具体的な構造体の材料としては、熱可塑性ポリウレタン・熱可塑性ポリオレフィン・熱可塑性ポリスチレンなどのエラストマ、ＮＢＲ・ＳＢＲ・シリコンゴム・エチレンプロピレンゴムなどの合成ゴム、ポリプロピレン樹脂・ポリエチレン樹脂などの樹脂、アルミニウムなどの金属、あるいはアルミナなどのセラミックを発泡させた発泡体が適用できる。また、アルミニウムなどの金属粒子・磁器などのセラミック粒子・ガラス粒子などの粒子を、スチレンブタジエン共重合体などの結着樹脂に分散した複合材が適用できる。
【００１８】
以上に説明した発泡体あるいは複合材からなる構造体は、孔路を蛇行構造に形成することができる点で好ましい。また、これらの構造体は、熱容量（Ｃ）が１．２×１０３より大きく、かつ通気抵抗（Ｒ）の制御が容易である点で好ましい。通気抵抗（Ｒ）をＦ／４２．９〔ｓｅｃ／ｍ〕より大きくするには、発泡体の場合は発泡率を、また複合材の場合は粒子の粒度および粒子と結着材との混合比を最適化することによって成し得る。
【００１９】
(実施の形態２)
図１は、本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図である。音速制御部材１０は、実施の形態１で説明した構造体１１と、例えばペルチェ素子などの冷却手段１２とから構成されている。冷却手段１２は、接着剤・取付金具などの担持手段によって、構造体１１の４面に担持されている。
尚、図１では冷却手段１２が構造体１１の４面に担持されているが、構造体１１の通気性が保持され、かつ構造体１１中の気体が冷却される構成であれば冷却手段２の担持方法は図１に限定されるものではない。
【００２０】
図１のように冷却手段１２で構造体１１を冷却すると、通気孔中の気体の振動によって音圧が高くなるときに生ずる発熱が冷却手段１２で迅速に吸収され、通気孔中の気体の温度が変化しないため、数十Ｈｚ以下の低音域の音速を効果的に低下させることができる。
尚、冷却手段１２に加えて構造体１１を加熱する加熱手段（図示せず）を設けて、音圧が低くなるときに生ずる熱吸収を加熱手段で迅速に加熱して通気孔中の気体の温度を変化しないようにすると、より効果的な音速低下効果を得ることができる。
したがって、本実施形態の音速制御部材は、低音再現性を重視したスピーカシステム、あるいは低音域の音波を吸収する防音システムなどに好適である。
【００２１】
（実施の形態３）
図２は、本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。本実施形態のスピーカシステム２０は、スピーカボックス２１と、スピーカボックス２１の一面に具備されたスピーカユニット２２と、実施の形態１もしくは実施の形態２で説明した音速制御部材２３とから構成されている。
このような構成にすることによって、スピーカユニット２２の背面から放射した音波の音速が低下するため、スピーカシステム２０の最低共振周波数を低下させることができる。
尚、音速制御部材２３の取付け位置は、スピーカボックス２１内の任意の位置でよく、図２の位置に限定されるものではない。
【００２２】
音速制御部材２３は音響抵抗部材としての機能を有する。音響抵抗部材の機能を発現させるためには、図２に示すように音速制御部材２３をスピーカユニット２２の近傍に取り付けると良い。具体的には、スピーカユニット２２の背面と音速制御部材２３とで囲まれる空間の体積Ｖ１と、音速制御部材２３の背面とスピーカボックス２１の内壁とで囲まれる空間の体積Ｖ２との比（Ｖ１／Ｖ２）が、１／２以下、好ましくは１／５以下になる位置に音速制御部材２３を設ける。
このような位置に音速制御部材２３を配置すると、スピーカシステム２０の制動抵抗の制御が可能になるため、スピーカシステム２０の最低共振周波数付近における音圧の平坦化と、最低共振周波数の低下とが同時に実現される点で好ましい。
【００２３】
尚、本実施形態では、スピーカシステム２０として密閉型スピーカシステムを例にして説明したが、バスレフ型スピーカシステム・ドロンコーン型スピーカシステムなど一般によく知られている他のスピーカシステムにも適用できることは勿論である。
【００２４】
（実施の形態４）
図３は、本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図である。本実施形態の密閉型スピーカシステムの基本構成は、図２に示すスピーカシステム２０と同じである。したがって、図２と同じ構成要素には同一の符号を付与し、詳しい説明は省略する。ここでは、図２と異なる構成についてのみ説明することにする。
【００２５】
図３に示す密閉型スピーカシステム３０は、図２に示すスピーカボックス２１内の任意の場所に調湿手段３１を設けた構成になっている。ここで、調湿手段３１とは、スピーカボックス２１内の湿度を所定値に制御する湿度制御手段である。
【００２６】
発明者等の実験によると、音速制御部材が放置されている雰囲気の湿度と、音速制御部材中の気体を伝播する音速との間に相関が得られた。すなわち、音速制御部材を低湿の雰囲気に放置した場合と、高湿の雰囲気に放置した場合とを比較すると、低湿の方が高湿より音速の低下効果が大きくなると言う結果が得られた。そこで、音速の低下効果が大きくなる湿度条件について詳しく実験で調べた結果、相対湿度が５０％以下、好ましくは３０％以下（但し、０％は除く）になると音速の低下効果が大きくなり、７０％以上になると音速の低下効果が著しく小さくなることが分かった。
【００２７】
音速制御部材が放置されている雰囲気の湿度と、音速制御部材中の気体を伝播する音速との間に相関が得られたのは、空気中の水蒸気（気体状態の水）による音速制御部材の通気孔の表面への吸着脱着が起きているからであると考えられる。すなわち、音速制御部材中を伝搬する音波の音圧が高くなると水蒸気の吸着が起こり、音圧が低くなると水蒸気の脱着が起こると推察される。以下に、その理由について詳しく説明する。
【００２８】
空気の状態方程式（PV=ｎRT）において、水蒸気の吸着脱着が起こると水蒸気のモル数が変化し、それが空気のモル数ｎの変化を引き起こす。空気のモル数の変化Δｎが、音圧変化ΔPと定数νとによってΔｎ＝−ν（ΔP／Ｐ）と関連付けられるとき、状態方程式を微分すると水蒸気の体積弾性率κはΓPとなる。ここで、Γは１／（１＋ν／ｎ）である。
【００２９】
そして、空気の音速は体積弾性率κと空気密度ρとの比（κ／ρ）の平方根となるので、吸着脱着があるときは、吸着脱着が無いときに比べΓの平方根（1より小さい）分だけ音速が遅くなる。
さらに、通気孔の中では、通気孔の壁面に接触する空気の粘性によって、空気の振動を制動する作用が働く。これは、空気密度ρが４／３倍に増えたのと等価となる。よって、音速は空気密度ρの逆数（１／ρ）の平方根に比例するので、請求項１における「式２」（Ｒ＞Ｆ／４２．９）の条件の下では、空気の音速は０．８６６
倍に低下する。
【００３０】
したがって、通気孔の中では、ニュートン理論に則った定温状態での気体の振動による音速低下と、水蒸気の吸着脱着による音速低下と、通気孔の壁面に接触する空気の粘性による音速低下とが重畳して起こるものと推察される。
【００３１】
本発明に適用できる調湿制御手段３１としては、スピーカボックス２１内の相対湿度を５０％以下、好ましくは３０％以下に保持するものであればいずれでも用い得る。
例えば、シリカゲル・活性炭・シラス・炭酸ナトリウム水・珪藻土などの調湿材、あるいは除湿機などが適用できる。中でも調湿材は、調湿制御手段３１の構成が簡単になる点で好ましい。
【００３２】
〔音速の求め方〕
以下に、音速制御部材の通気孔中を伝播する音波の音速の求め方について説明する。
本発明では、穴開きボードの背面に空気層を持つ吸音構造の垂直入射吸音率を測定し、穴開きボードの吸音率のピーク周波数から計算で音速を求めた。
【００３３】
穴開きボードの吸音率のピーク周波数ｆは、５式に示すように、空気層のキャパシタンスＣｂの共振周波数ｆ〔Ｈｚ〕と等価になる。
ｆ＝１／（２π√ＭＣｂ）・・・・・・・・・・（５）
但し、Ｍは穴開きボードの穴の空気質量である。
一方、キャパシタンスＣｂは式６となる。
Ｃｂ＝Ｖ／（ρｃ２Ｓ）・・・・・・・・・・・（６）
但し、Ｖは該空気層の体積、ρは空気の密度、ｃは音速、Ｓは穴の総面積である。
したがって、該ピーク周波数ｆを測定することによって、式５および式６から該空気層の音速が求められる。
【００３４】
該空気層に音速制御部材を充填した場合の音速ｃ’を上述した方法で算出すると、空気層のみの音速ｃから音速ｃ’に変化する。よって、該空気層に音速制御部材を充填した場合の穴開きボードの吸音率のピーク周波数ｆ’は、ｆ×（ｃ’／ｃ）になる。
したがって、空気層のみの音速ｃは既知であるから、該空気層のみの吸音率のピーク周波数ｆと、該空気層に音速制御部材を充填したときの吸音率のピーク周波数ｆ’との比を求めることによって、音速制御部材内の音速ｃ’（ｃ’＝ｃ×ｆ’／ｆ）が求められる。
【００３５】
（具体的実施例１）
上述した「音速の求め方」に準拠して、以下に示す音速制御部材の垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図４に示す。図５は、空気層に音速制御部材を充填しないときの垂直入射吸音率を測定した測定結果である。
穴開きボード：ボード厚：０．２ｍｍ、穴径：直径０．２ｍｍ、穴の開口率：２％
音速制御部材：ブリヂストン社製の発泡ウレタン樹脂「ウレタンフォームＤＯＸ」（以下、略して「ＤＯＸ」と言う）
「ＤＯＸ」の熱容量：約２×１０３
「ＤＯＸ」の通気抵抗（Ｒ）：約１５００（通気度：約６．４×１０−４ｍ２／ｓｅｃ）
試料の体積：φ３０ｍｍ×３０ｍｍ
測定環境：２０℃、６０％ＲＨ
【００３６】
図４と図５との比較から判るように、「ＤＯＸ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約７０％低くなっている。したがって、図５の空気層の音速を約３４０ｍ／ｓｅｃとすると、「ＤＯＸ」の通気孔を伝播する音波の音速は約２８４ｍ／ｓｅｃになる。
【００３７】
（具体的実施例２）
音速制御部材として以下の発泡ウレタン樹脂を用い、具体的実施例１と同様の測定条件で垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図６に示す。
発泡ウレタン樹脂：ブリヂストン社製「ウレタンフォームＣＷＺＺ」（以下、略して「ＣＷＺＺ」と言う）
「ＣＷＺＺ」の熱容量：約２×１０３
「ＣＷＺＺ」の通気抵抗（Ｒ）：約１１０００（通気度：約０．８８×１０−４ｍ２／ｓｅｃ）
【００３８】
図６から判るように、「ＣＷＺＺ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約６０％低くなっている。したがって、図５の空気層の音速を約３４０ｍ／ｓｅｃとすると、「ＣＷＺＺ」の通気孔を伝播する音波の音速は約２０４ｍ／ｓｅｃになる。
【００３９】
（比較例１）
音速制御部材として以下の発泡ウレタン樹脂を用い、具体的実施例１と同様の測定条件で垂直入射吸音率を測定した。その測定結果を図７に示す。
発泡ウレタン樹脂：ブリヂストン社製「ウレタンフォームＤＯＸ」（以下、略して「ＶＰＸ」と言う）
熱容量：約２×１０３
通気抵抗（Ｒ）：約２４（通気度：約１．０４ｃｃ／ｓｅｃ）
【００４０】
図７から判るように、「ＶＰＸ」の吸音率のピーク波長は、空気層のみの吸音率のピーク波長と比較して約１０％しか低くなっていない。したがって、「ＶＰＸ」は「ＤＯＸ」および「ＣＷＺＺ」と比較すると音速低下効果がほとんどないことが判る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る音速制御部材は、スピーカシステム・カーステレオ・テレビ装置などの音響機器、オーディオルーム・防音室などの防音壁材に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る音速制御部材の一構成例を示す断面概略図。
【図２】本発明に係るスピーカシステムの一構成例を示す概略断面図。
【図３】本発明に係る密閉型スピーカシステムの一構成例を示す概略断面図。
【図４】本発明に係る音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図５】吸音構造の空気層のみの垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図６】本発明に係る他の音速制御部材の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【図７】比較例１で用いた発泡ウレタン樹脂の垂直入射吸音率を示す吸音特性図。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 音速制御部材
１１ 構造体
１２ 冷却手段
２０ スピーカシステム
２１ スピーカボックス
２３ 音速制御部材
３０ 密閉型スピーカシステム
３１ 調湿手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）が以下に示す式１および式２を満足させる構造体からなり、前記構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させる音速制御部材。
「式１」Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ・Ｃｍ）
「式２」Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
【請求項２】
前記構造体の通気抵抗（Ｒ）が、Ｆ／４２．９の１０倍以上である請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項３】
前記構造体の通気抵抗（Ｒ）が、Ｆ／４２．９の１００倍以上である請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項４】
前記構造体に冷却手段が具備されている請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の音速制御部材がスピーカボックス内に具備されているスピーカシステム。
【請求項６】
前記スピーカボックス内に調湿手段が具備されている請求項５に記載のスピーカシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の音速制御部材が具備されている防音壁。
【請求項１】
通気性を有し、かつ熱容量（Ｃ）および通気抵抗（Ｒ）が以下に示す式１および式２を満足させる構造体からなり、前記構造体内の気体中を伝播する音波の音速を低下させる音速制御部材。
「式１」Ｃ＞１．２×１０３（Ｃ＝Ｄ・Ｃｍ）
「式２」Ｒ＞Ｆ／４２．９
但し、Ｄは構造体の嵩密度、Ｃｍは構造体の比熱、Ｆは音速を低下させたい所望の音波の周波数である。
【請求項２】
前記構造体の通気抵抗（Ｒ）が、Ｆ／４２．９の１０倍以上である請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項３】
前記構造体の通気抵抗（Ｒ）が、Ｆ／４２．９の１００倍以上である請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項４】
前記構造体に冷却手段が具備されている請求項１に記載の音速制御部材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の音速制御部材がスピーカボックス内に具備されているスピーカシステム。
【請求項６】
前記スピーカボックス内に調湿手段が具備されている請求項５に記載のスピーカシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の音速制御部材が具備されている防音壁。
【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２００９−１７５４６９（Ｐ２００９−１７５４６９Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４３９６（Ｐ２００８−１４３９６）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（５００１１９９１６）ビバコンピュータ株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（５００１１９９１６）ビバコンピュータ株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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