音響構造体、プログラムおよび設計装置
【課題】音響部材の大型化を抑制しつつ、広い周波数帯で吸音させ、音を散乱させる。
【解決手段】吸音効果は、開口部１４に入射する入射波と、その入射波に応じて中空部材１０内で共鳴して開口部１４から放射する反射波との干渉により奏するもので、例えば開口部１４の正面方向に吸音領域が形成される。音を散乱させる効果は、上記干渉と、上記入射波と開口部１４から放射される音波との干渉との相互作用によって奏するもので、例えば、吸音領域近傍に散乱領域が形成される。かかる散乱効果は、開口部１４及び反射面２００のそれぞれから放射される音波の位相が異なることで、それらに直交しない斜め方向に気体分子の運動エネルギーの流れが発生することで奏すると考えられる。音響構造体１の厚さ方向（ｚ方向）の大きさは、共鳴周波数の波長に比べて十分に小さく、設置空間を大幅に狭めることがない。
【解決手段】吸音効果は、開口部１４に入射する入射波と、その入射波に応じて中空部材１０内で共鳴して開口部１４から放射する反射波との干渉により奏するもので、例えば開口部１４の正面方向に吸音領域が形成される。音を散乱させる効果は、上記干渉と、上記入射波と開口部１４から放射される音波との干渉との相互作用によって奏するもので、例えば、吸音領域近傍に散乱領域が形成される。かかる散乱効果は、開口部１４及び反射面２００のそれぞれから放射される音波の位相が異なることで、それらに直交しない斜め方向に気体分子の運動エネルギーの流れが発生することで奏すると考えられる。音響構造体１の厚さ方向（ｚ方向）の大きさは、共鳴周波数の波長に比べて十分に小さく、設置空間を大幅に狭めることがない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸音及び音を散乱する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホールや劇場等の音響空間においてフラッタエコー等の音響障害を除去するために、音を散乱させるための音響構造体が設置される。例えば特許文献１には、１方向に延在する空洞が形成され、その空洞と外部空間とを連通させる開口部を有する部材が複数並べられた音響構造体が開示されており、その空洞に音波が入射すると、開口部から音響再放射されて散乱効果を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
住宅の居室や会議室、音楽室等の比較的小さい空間では、適度な散乱効果とともに吸音効果を得ることが求められる。しかし、散乱効果を得るための音響構造体と、吸音効果を得るための音響構造体とを別々に空間に設けようとするとスペースを取ってしまうし、また、フェルト等の多孔質吸音材を用いて低周波数帯域に対する吸音効果を高めようとすると、厚み方向へのサイズが大型化してしまい、空間をさらに狭めてしまう。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響構造体のサイズの大型化を抑制しつつ、音を効果的に散乱させるとともに広い周波数帯で吸音効果を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的を達成するために、本発明に係る音響構造体は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面とを備え、前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部がほぼ０であることを特徴とする。
【０００６】
本発明の好ましい態様において、前記入射した音波に応じた反射波を前記反射面が放射し、前記共鳴体が前記共鳴による反射波を放射するときに、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の好ましい態様において、本発明に係る別の音響構造体は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面とを備え、前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記共鳴体の中空領域と前記開口部との間に音圧が一様に分布する気体層が構成され、前記開口部における媒質粒子の運動速度の絶対値は、当該中空領域と前記気体層との境界面における媒質粒子の運動速度の絶対値よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るプログラムは、コンピュータに、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出させるためのプログラムであって、前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出するステップを実行させるためのものである。
【０００９】
本発明に係る設計装置は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出する算出手段であって、前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出する算出手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、音響部材の大型化を抑制しつつ、広い周波数帯で吸音させ、音を散乱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】音響構造体の外観を示す斜視図である。
【図２】音響構造体を図１の矢印II方向から見た図である。
【図３】図２の切断線III−IIIで切断したときの中空部材の断面を表す図である。
【図４】共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。
【図５】共鳴時における中間層の挙動を説明する図である。
【図６】比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表したグラフである。
【図７】比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。
【図８】比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値の周波数特性を示したグラフである。
【図９】｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒsとの関係を示したグラフである。
【図１０】中空部材の開口部から放射する共鳴によって生じる反射波と、反射面が放射する反射波とを説明する図である。
【図１１】共鳴時における中空部材の開口部周辺の反射波の挙動を説明する図である。
【図１２】変形例１の音響構造体を示す図である。
【図１３】変形例１の音響構造体を示す図である。
【図１４】変形例２の音響構造体を示す図である。
【図１５】変形例３の音響構造体を示す図である。
【図１６】変形例４の音響構造体を示す図である。
【図１７】変形例５の音響構造体を示す図である。
【図１８】変形例６の音響構造体を示す図である。
【図１９】変形例７の音響構造体を示す図である。
【図２０】変形例８の音響構造体を示す図である。
【図２１】音響構造体の設計条件を算出する設計装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、音響構造体１の外観を示す図である。図２は、音響構造体１を、図１に示す矢印II方向に見た様子を表した図である。
音響構造体１は、中空部材１０と反射面２００とを備える。
中空部材１０は、例えばアクリル樹脂等の材料からなる外観が直方体状の筐体である。中空部材１０は、その側面の１つが表面が平坦である反射面２００に接触するように、反射面２００の一部に取り付けられている。中空部材１０は、例えば接着や固定具等により、反射面２００に対して固定されている。中空部材１０の内部には、一方向に延在する中空領域２０が形成されている。中空部材１０の側面のうち、反射面２００に垂直な側面のひとつに開口部１４が設けられている。開口部１４は、反射面２００に近接した位置にあり、ここでは、開口部１４は反射面２００に平行でない。開口部１４は、中空部材１０内の音が伝搬する中空領域２０を、外部空間に通じさせる空間領域である。反射面２００は、剛性率が比較的高い材質の反射性の材料からなり、外部空間に面している。反射面２００は、例えば、劇場やオフィスビル、家屋等の音響室を構成する天井、壁面又は床面であり、音響空間に面するものである。
なお、中空部材１０の数をここでは「１」としているが、この数は一例に過ぎず、さらに多くの数の中空部材１０が設けられてもよい。また、開口部１４の形状は、多角形状でもよいし、円形等でもよく、どのような形状でもよい。また、説明の便宜のために、以下では、中空部材１０の延在方向を「ｙ方向」とし、ｙ方向に直交する方向のうち、反射面２００に平行な方向を「ｘ方向」とする。また、反射面２００から見た法線方向であって、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向を「ｚ方向」とする。
【００１３】
中空部材１０の構成についてより具体的に説明する。
図３は、図１の切断線III−IIIで切断したときの中空部材１０の断面を表している。図２、３に示すように、中空領域２０は略直方体状の空間領域である。中空部材１０の両端（端部１１２、端部１２２）は、ここでは閉口端である。
中空部材１０は、共鳴体１１，１２と、中間層１３と、開口部１４とを備える。
共鳴体１１は、中空領域２０のうち、中空部材１０の一端である端部１１２から、中間層１３との境界である境界面１１１までの間に構成される。共鳴体１２は、中空領域２０のうち、中空部材１０の他端である端部１２２から、中間層１３との境界面１２１までの間に構成される。共鳴体１１，１２は、共鳴周波数の音波が入射すると共鳴し、開口部１４を介して反射波を外部空間に放射する。共鳴体１１のｙ方向の長さはｌ1で、共鳴体１２のｙ方向の長さはｌ2である。そして、共鳴体１１，１２は、それぞれの中心軸が中心軸ｙ0を共有するように構成されている。また、共鳴体１１と、中間層１３との境界である境界面１１１の面積はＳpであり、共鳴体１２と、中間層１３との境界である境界面１２１の面積もＳpである。そして、共鳴体１１，１２は、中空領域２０の延在方向に垂直なｘｚ平面で切断したときの断面積がＳpである。つまり、その断面の寸法は、共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ1，λ2に対して十分に短く、この方向に共鳴周波数の音圧分布のばらつきは生じないとみなせる。また、開口部１４の面積はＳoであり、Ｓp＞Ｓoという関係を満たす。すなわち、境界面１１１，１２１の面積Ｓpは、開口部１４の面積Ｓoよりも大きい。
【００１４】
中間層１３は、開口部１４と、共鳴体１１，１２のそれぞれとの間に形成される空間領域であり、開口部１４に直接連なる近傍の領域である。中間層１３は、振動することにより音波を伝搬させる媒質粒子（つまり、気体分子）からなる気体層である。すなわち、共鳴体１１，１２と開口部１４との間の空間領域が、中間層１３である。中間層１３は、境界面１１１を介して共鳴体１１と面しており、境界面１２１を介して共鳴体１２と面している。よって、境界面１１１，１２１は、矩形状の面とみなすことができる。
なお、ここでは、中間層１３において音波を伝搬する媒質は空気であり、中空領域２０及び外部空間において音波を伝搬する媒質も空気である。
【００１５】
開口部１４は、一辺の長さがｄの正方形であり、中空領域２０を外部空間に通じさせる。長さｄは、共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2よりも十分に小さく、例えば、ｄ＜λ1／６、ｄ＜λ2／６である。この条件を満たすことにより、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の音波が、中間層１３を伝搬するときには（すなわち、共鳴体１１，１２が共鳴するときには）、中間層１３に音圧分布のばらつきが生じないとみなすことができる。換言すると、共鳴周波数の音波が中間層１３を伝搬するときには、その全体で音圧が一様に分布するとみなすことができる。このようになるのは、中空領域２０のｘｚ平面に平行な断面の寸法、及び開口部１４の寸法がそれぞれ波長λ1，λ2に対して十分に小さく、中間層１３全体で位相のずれがほとんど生じないからである。よって、本実施形態で“中間層１３に音圧分布がない”ということは、例えば、音圧分布のばらつきが“ゼロ”であることを意味する。また、“中間層１３に音圧分布がない”ということは、例えば、中間層１３の寸法が共鳴周波数の音波の波長よりも十分に短く、中間層１３に実質的に音圧分布のばらつきがない場合も含んでいる。中間層１３に音圧分布のばらつきが生じなければ、共鳴体１１が共鳴したときには、境界面１１１における反射波の位相と、開口部１４における反射波に位相とは等しくなるし、共鳴体１２が共鳴したときには、境界面１２１における反射波の位相と、開口部１４における反射波の位相とが等しくなる。
なお、開口部１４が正方形状でない場合には、以下の説明において「長さｄ」については、その開口部１４の面積Ｓoと同じ面積である正方形の一辺の長さｄという解釈をしてよいし、また、開口部１４の形状を表す図形の外接矩形或いは内接矩形の一辺の長さｄと解釈してもよい。
【００１６】
以上説明したような構成を有する音響構造体１に、外部空間から音波（入射波）が入射したとき、その入射波には、反射面２００に入射するものと、開口部１４に入射するものとが含まれる。そのうちの開口部１４に入射する入射波は、開口部１４及び中間層１３を介して、共鳴体１１，１２に入射する。入射波の周波数帯に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が含まれるときには、共鳴体１１，１２はその入射波に応じて共鳴し、中空領域２０の延在方向（つまり、ｙ方向）に対して音圧分布を発生させる。共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ1，λ2は、共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2を用いて、式（１）の関係を満たす。
なお、式（１）において、ｎは１以上の整数であり、ここでは開口端補正を無視する。
ｌi＝（２ｎ−１）λi／４ （ｉ＝１，２） ・・・（１）
【００１７】
式（１）に示すように、一端が閉じ、他端が開いた構成（いわゆる、閉管）の共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2は、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の１／４の奇数倍の長さとなるから、共鳴周波数に応じてその長さが定められる。
【００１８】
図４は、共鳴体１１及び１２の共鳴周波数を含む所定周波数帯の入射波が中空部材１０に入射し、これに応じて共鳴体１１，１２が共鳴したときの、開口部１４付近の中空領域の挙動を説明する図である。
図４に示すように、境界面１１１における音圧はｐ0であり、境界面１１１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度（つまり、媒質粒子の運動速度）はｕ1である。また、境界面１２１における音圧はｐ0であり、境界面１２１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ2である。ただし、以下では、境界面１１１における粒子速度ｕ1を、共鳴体１１から中間層１３の方向に作用する場合には正の値で表し、中間層１３から共鳴体１１の方向に作用する場合には負の値で表す。また、境界面１２１における粒子速度ｕ2は、共鳴体１２から中間層１３の方向に作用する場合は正の値で表し、中間層１３から共鳴体１２の方向に作用する場合は負の値で表す。すなわち、中間層１３の方向に作用する粒子速度を正の値で表している。例えば、ｌ1＝ｌ2となるように共鳴体１１，１２が構成されていると、それらの共鳴時において、粒子速度ｕ1が正のときには、粒子速度ｕ2は正となるし、粒子速度ｕ1が負のときには、粒子速度ｕ2は負となる。すなわち、共鳴体１１，１２から中間層１３に対して作用する粒子速度は、同位相の関係で変化する。
【００１９】
また、中間層１３と外部空間との境界面である開口部１４における音圧はｐ0であり、開口部１４で法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ0である。ただし、粒子速度ｕ0は、開口部１４から外部空間の方向に作用する粒子速度を正の値で表し、外部空間から開口部１４の方向に作用する粒子速度を負の値で表す。ここで、境界面１１１，１２１及び開口部１４における音圧がｐ0で一致しているのは、上述したように、共鳴体１１，１２が共鳴したときに、中間層１３全体で音圧分布のばらつきがほとんど生じないよう中空部材１０が構成されているからである。
【００２０】
外部空間から入射する入射波により発生する開口部１４の音圧ｐ0を、ｐ0（ｔ）＝Ｐ0・ｅｘｐ（ｊωｔ）という式で定義すると、境界面１１１，１２１における粒子速度ｕ1，ｕ2は、式（２）の関係を満たす。
なお、この音圧ｐ0は、入射波の音圧と、共鳴体１１，１２の共鳴によって中間層１３に生じた反射波の音圧とを合成した音圧である。式（２）において、ｊは虚数単位を表し、Ｐ0は音圧の振幅値を表し、ωは角速度を表し、ρｃは外部空間の媒質である空気の特性インピーダンス（ρ：空気の密度、ｃ：空気中での音速）を表し、ｋ（＝ω／ｃ）は波数を表し、ｔは時刻を表す。
【数１】
【００２１】
また、中間層１３は、気体分子からなる気体層であるから、その体積が不変である「非圧縮性」を有する。すなわち、中間層１３は、共鳴に伴う弾性変形はするものの、内部の圧力を一定に保つように働き、その体積は一定となる。このような性質を有する中間層１３は、共鳴体１１，１２から境界面１１１及び１２１を介して作用した音圧を、そのまま開口部１４、すなわち中間層１３と外部空間との境界面に作用させる。このとき、中間層１３に対して境界面１１１，１２１から作用させられる体積速度の和は、中間層１３から開口部１４を介して外部空間に作用させられる体積速度と一致する。
【００２２】
図５は、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に正であるときの、共鳴時における中間層１３の挙動を説明する図である。
図５（ａ）に示すように、入射波が入射しないときの中間層１３は、体積Ｖであり、図５（ａ）に示すような寸法及び形状となっている。これに対し、共鳴時において、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が正の方向に作用するときには、中間層１３は図５（ｂ）に示すような状態となる。すなわち、中間層１３は、その粒子速度の作用によりｙ方向に対してΔｙだけ小さくなり、ｚ方向にΔｚだけ大きくなる。このとき、中間層１３が非圧縮性を有しているが故に、その体積Ｖは維持される。つまり、中間層１３は、共鳴時において、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に正のときには、開口部１４から外部空間に作用する粒子速度ｕ0は正となり、開口部１４を介して中空部材１０の外部空間に突出したようになる。このようにして共鳴時には、共鳴体１１，１２から中間層１３へ作用する体積速度が合算されて、中間層１３から中空部材１０の外部空間にその体積速度の作用が加わる。一方で、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に負のときには、粒子速度ｕ0は負の値で表され、開口部１４から中空領域２０に向かう方向へと作用する。よって、中間層１３は、ｙ方向に対して大きくなり、ｚ方向に対して小さくなる。このとき、開口部１４から外部空間に作用するｕ0は負となり、中間層１３は、開口部１４に対して中空領域２０に引っ込んだようになる。
【００２３】
式（２）に示した粒子速度ｕ1，ｕ2を用いると、中間層１３の作用によって、開口部１４に垂直な方向（つまり、ｚ方向、反射面２００の法線方向）に作用する気体分子の粒子速度ｕ0は、式（３）の関係を満たす。
【数２】
【００２４】
式（３）に示すように、粒子速度ｕ0は、境界面１１１，１２１の面積Ｓpと、開口部１４の面積Ｓoとの面積比により定まる。ここで、共鳴体１１，１２の共鳴周波数が同じで、且つｘｚ平面に平行な断面の寸法が互いに同一であるとすると、ｕ1＝ｕ2である。よって、２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たし、共鳴体１１，１２の断面積Ｓpが、開口部１４の面積積Ｓoの１／２以上であれば、式（３）の関係からも分かるように、粒子速度ｕ1とｕ2との和よりもさらに大きい粒子速度ｕ0が、開口部１４において生じ得る。
【００２５】
また、式（３）を用いると、中空部材１０の開口部１４に対して、反射面２００に外部空間から入射波が入射したときの開口部１４の比音響インピーダンス比ζは、式（４）の関係を満たす。
【数３】
【００２６】
式（４）に示すように、比音響インピーダンス比ζは、開口部１４の比音響インピーダンスｐ0／ｕ0を、外部空間の媒質であって開口部１４の媒質（空気）の特性インピーダンスρｃ（固有音響抵抗）で除した値である。要するに、比音響インピーダンス比ζは、音場内の或る点の比音響インピーダンスと、その点の媒質の特性インピーダンスとの比を表す量である。開口部１４に対して垂直方向に共鳴周波数の音波が入射すると、式（４）の関係を満たすように、比音響インピーダンス比ζに応じた反射波が、共鳴体１１，１２の共鳴により開口部１４から外部空間に放射される。ここで、比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと定める。ｒは、比音響インピーダンス比ζの実数部（つまり、Ｒｅ（ζ））であり、比音響抵抗比と呼ばれることがある値である。ｘは、比音響インピーダンス比ζの虚数部（つまり、Ｉｍ（ζ））であり、比音響リアクタンス比と呼ばれることがある値である。
次に、比音響インピーダンス比ζと音響構造体１からの反射波との関係について説明する。
【００２７】
（Ｉ）ζ＝０、すなわちｒ＝０かつｘ＝０の場合
ζ＝０（ｒ＝０かつｘ＝０）を満たす領域に音波が入射すると、共鳴によって生じる反射波として、その入射波と振幅が同じで、位相が１８０度変位した反射波がその領域から放射される。これにより、入射波と反射波とが干渉により、互いの振幅を完全に打ち消しあうように作用する。このような共鳴を「完全共鳴」と呼ぶこととする。
（II）ζ＝１、すなわちｒ＝１かつｘ＝０の場合
ζ＝１（ｒ＝１かつｘ＝０）を満たす領域に対して音波が入射すると、その領域からは反射波は放射されない。この現象を「完全吸音」と呼ぶこととする。
（III）ζ＝∞、すなわちｒ＝∞かつｘ＝０の場合
ζ＝∞（ｒ＝∞かつｘ＝０）を満たす領域（すなわち、剛体）に音波が入射すると、反射によって生じる反射波として、その入射波と振幅が同じで、位相の変位がない（位相の変位が０度の）反射波が放射される。この場合、入射波と反射波とが干渉して定在波が生じる。この現象を「完全反射」と呼ぶこととする。
【００２８】
上記（Ｉ）ではｒ＝０であり、中空部材１０が抵抗成分を有しない場合を表すが、中空部材１０が抵抗成分を有している場合もある。この場合に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が開口部１４に入射すると、開口部１４の比音響インピーダンス比ζの実数部ｒが０でない値をとることがある。このとき、開口部１４から放射される反射波にあっては、その振幅は中空部材１０が有する抵抗成分に応じて減衰する。このように、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが０となる完全共鳴の場合のほかに、０≦ζ＜１という条件を満たす場合も、共鳴体が共鳴による反射波を放射する「共鳴現象」が発生しているとみなすことができる。
【００２９】
ところで、或る部材上の領域の点における比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと、複素音圧反射係数Ｒ＝｜Ｒ｜ｅｘｐ（ｊφ）とは、Ｒ＝（ζ―１）／（ζ＋１）という関係を満たす。複素音圧反射係数は、空間のある１点における反射波と入射波の複素数比を表す物理量である。｜Ｒ｜は、入射波に対する反射波の相対的な振幅の大きさを表す値であり、その値が大きいほど、反射波の振幅が大きいことを意味する。φは、入射波に対する反射波の位相の変化の大きさを表す値（以下、「位相変化量」という。）である。この関係式からも明らかなように、比音響インピーダンス比ζ、及び複素音圧反射係数Ｒのうちの一方が定まれば、他方は一義的に定まる。例えば、ζ＝０（つまり、完全共鳴）の場合にはＲ＝−１となり、このときの反射波は、入射波に対して逆位相となり、それらの振幅は互いに同一である。ζ＝１（つまり、完全吸音）の場合にはＲ＝０となり、このときは反射波は放射されず、その振幅は０である。ζ＝∞（つまり、完全反射）の場合には、Ｒ＝１となり、このときの反射波は、入射波に対して同位相となり、振幅は互いに同一である。
【００３０】
続いて、上記共鳴現象によって奏する吸音・散乱効果について、位相からの観点と、振幅からの観点とに分けてそれぞれ説明する。
まず、位相の観点から説明する。
図６は、比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、比音響インピーダンス比ζの実数部であるｒ＝Ｒｅ（ζ）を表し、縦軸は、比音響インピーダンス比ζの虚数部であるｘ＝Ｉｍ（ζ）を表す。図６において、ζ＝∞となる点では、原点からの距離が∞である。このときは、上記完全反射が生じて位相変化量φは０°となる。
【００３１】
図６にハッチングで示した領域では｜ζ｜＜１となり、位相変化量φは９０°よりも大きい。この条件を満たす場合、｜ζ｜の値が小さくなるほど位相変化量φは±１８０°に近づく。より具体的には、ｘ＝Ｉｍ（ζ）＞０であれば位相変化量φは１８０°に近づいていき、ｘ＝Ｉｍ（ζ）＜０であれば位相変化量φは−１８０°に近づいていく。また、横軸上の点であり、０≦Ｒｅ（ζ）＜１、且つＩｍ（ζ）＝０となる場合は、上記完全共鳴が生じて位相変化量φは±１８０°となる。このように、図６に示すグラフにおいてハッチングで示した領域であり、原点を中心とした半径が「１」の円の内側の領域（ただし、線上の領域を含まない。）で表されるζの値の場合には、入射波と反射波との位相干渉による吸音効果を、特に効果的に奏する。一方、例えば図６に破線で図示した領域のように、｜ζ｜の値が１以上となる場合には、位相変化量φが９０°よりも小さい。この領域においては、吸音効果を奏するが、｜ζ｜の値が１未満となる場合よりは位相干渉による吸音効果は低くなる。一方、上記散乱効果については、開口部１４から放射する反射波と、反射面２００から放射する反射波とに同位相でない位相差があり、特に逆位相の関係に近いほど、より顕著にその効果を奏すると考えられる。よって、この音の散乱においては、｜ζ｜の値が１以上となる場合にもその効果を奏するが、｜ζ｜＜１となることが好ましく、更に好ましくは、｜ζ｜が０に近く、すなわち位相変化量φが±１８０°に近い条件が実現されるとよい。
【００３２】
以上のとおり、吸音・散乱効果を奏するための共鳴現象においては、φ＝±１８０°となるように、Ｉｍ（ζ）＝０となることが理想的であるが、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という関係を満たしており、すなわち｜ζ｜の値が１未満となっていれば、吸音・散乱効果を効果的に奏する。また、｜ζ｜の値が１未満となる条件下において、より好ましくは、１３５°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１３５°という条件を満たし、更に好ましくは１６０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１６０°という条件を満たしているとよい。
【００３３】
続いて、振幅の観点から説明する。
図７は、比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。図７には、｜Ｒ｜＝０．０，０．１，０．３，０．５，０．７，０．８，０．９，１．０という各値をとるときのＲｅ（ζ）及びＩｍ（ζ）の値を示す。図７に示すように、Ｒｅ（ζ）＝１で、且つＩｍ（ζ）＝０の場合、｜Ｒ｜＝０となり、振幅が０で極小となる。つまり、上記完全吸音が生じており、反射波は生じない。
図７に破線で示した領域は、図６を用いて説明した｜ζ｜＝１となる領域を表す。この内側の領域（ただし、線上の領域を含まず。）においては、共鳴現象より、入射波と反射波との間に９０°〜１８０°の位相差が生じている。また、この領域では、｜Ｒ｜＞０であるから反射波の振幅が０を超えている。
【００３４】
続いて、縦軸上の位置であり、Ｒｅ（ζ）＝０となる場合、Ｉｍ（ζ）の値とは無関係に｜Ｒ｜は１．０となる。このとき、入射波と同じ振幅の反射波が放射されるので、振幅の観点からは、入射波と反射波との位相が異なる条件下において、吸音・散乱効果を奏するためには最も好ましい。図７から分かるように、Ｒｅ（ζ）＜１である条件では、Ｉｍ（ζ）を仮に一定とした場合に、Ｒｅ（ζ）の値が小さいほど｜Ｒ｜の値が大きくなっている。つまり、比音響インピーダンス比ζの実数部Ｒｅ（ζ）の値が小さく、特に、その値がほぼ０である場合には、Ｉｍ（ζ）の値に関係なく反射波の振幅が大きいから、位相干渉によって効果的に吸音・散乱効果を奏する。
【００３５】
中空部材１０において、開口部１４は，中間層１３を介して共鳴体１１，１２と接続されているので、開口部１４の位置における、共鳴体１１，１２の各々の共鳴周波数付近では、｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる。よって、この場合、開口部１４からの反射波の位相は入射波に対して９０°以上変位する。そして、例えばＲｅ（ζ）＝０．３０である場合、反射波の振幅｜Ｒ｜＝０．５４であるから、入射波の振幅に対して１／２以上の振幅の反射波が放射される。このように、開口部１４のＲｅ（ζ）及びＩｍ（ζ）がともに十分に小さい場合には、開口部１４に近接する反射面２００からの反射波に対して、開口部１４からは振幅が十分に大きく、且つ位相変化の大きな反射波が得られる。理想的には、Ｒｅ（ζ）＝０、且つＩｍ（ζ）＝０となれば、｜Ｒ｜＝１．０となり、入射波と反射波との振幅が同じになる上記完全共鳴が実現されるとよいと言えるが、｜Ｒ｜が１．０未満である場合について詳述すると、以下のとおりである。
【００３６】
例えば｜Ｒ｜＝０．５の場合、およそ１／４のエネルギーが開口部１４から放射されて、この場合も、吸音・散乱効果をさらに良好に奏する。例えば、Ｉｍ（ζ）＝０である場合には、Ｒｅ（ζ）≒０．３３５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ１３９．０２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。より好ましくは、｜Ｒ｜＝０．７という条件を満たしているとよく、この場合、およそ１／２のエネルギーが開口部１４から放射され、上述の効果をより一層強く奏する。例えばＩｍ（ζ）＝０であれば、Ｒｅ（ζ）≒０．１７５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ７２．６２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。さらに好ましくは、｜Ｒ｜＝０．９という条件を満たしているとよく、この場合、およそ４／５のエネルギーが開口部１４から放射され、吸音・散乱効果をより顕著に奏する。例えばＩｍ（ζ）＝０であれば、Ｒｅ（ζ）≒０．０５５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ２２．８２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。
例えば、好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．７の場合には、図７に示したように、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．１７５以下となるし、さらに好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．９である場合には、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．０５５以下となるから、これらの結果にかんがみても、Ｒｅ（ζ）の値をほぼ０とするように本発明の音響構造体を構成することが、良好な吸音・散乱効果を奏するために好適であることが分かる。
【００３７】
ところで、上述した式（４）の関係からも分かるように、境界面１１１及び１２１の面積Ｓpと開口部１４の面積Ｓoとの面積比Ｓo／Ｓp（面積比＝ｒs）を変化させることにより、比音響インピーダンス比ζの絶対値｜ζ｜は変化する。
図８は、ｌ1＝３００ｍｍ，ｌ2＝４８５ｍｍとした場合の、比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値｜Ｉｍ（ζ）｜の周波数特性を示したグラフである。図８は、ｒs＝０．２５，１．０，４．０とした場合の、それぞれの｜Ｉｍ（ζ）｜の計算値を示している。
ここで｜Ｉｍ（ζ）｜を示した理由は、図６に示したように、｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる範囲では、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という値をとるから、図８中でこの範囲を視覚的に分かるようにするためである。なお、｜Ｉｍ（ζ）｜＝∞となるのは、反共鳴（反共振）が生じるときであり、この周波数を境界として、その周波数の両側でＩｍ（ζ）の符号が反転する。
【００３８】
図８から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓpが、開口部１４の面積Ｓoに対して大きく、すなわち面積比ｒsが小さいほど、０≦｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる周波数帯域が広くなる。また、面積比ｒsが小さいほど、Ｉｍ（ζ）＝１．０の直線と、Ｉｍ（ζ）を表すグラフとによって囲まれる領域の面積が大きい。つまり、開口部１４に入射する入射波に応じて、共鳴現象が生じるとみなせる周波数帯域が広くなり、且つ完全共鳴（ζ＝０）に近い共鳴現象がより広い周波数帯域で発現する。
【００３９】
また、面積比ｒs＜１．０とすれば、例えば面積比ｒs＝１．０となる従来構成の音響管に対して上記作用効果の度合いが大きくなる。好ましくは、面積比ｒs≦０．５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．２倍もの大きさに広がり、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が、従来のおよそ半分以下になっていることを、発明者らは確認した。更に好ましくは、面積比ｒs≦０．２５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．５倍もの大きさに広がっており、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が、従来のおよそ１／４以下となる。
以上のように、音響構造体１にあっては、例えば面積比ｒsの設定により、開口部１４における比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜が｜ζ｜＜１となるようにし、ζの実数部ｒがほぼ０となるようにすれば、共鳴現象によって効果的に吸音・散乱効果を奏する。
【００４０】
さて、中空部材１０にあっては、中間層１３や開口部１４に抵抗材などの気体（媒質）粒子の運動を阻害する部材が設けられていない。また、面積比ｒsの設定によって、共鳴体１１，１２の共鳴により境界面１１１，１１２において生じる粒子速度の和よりも大きな粒子速度を、開口部１４において生じさせることができる。例えばこれらの作用によって、開口部１４において、比音響インピーダンス比ζの実数部ｒがほぼ０とされる。上述のように、理想的にはζの実数部ｒは０であることが好ましいが、厳密に０でない場合であっても、開口部１４の位置付近の吸音領域で位相干渉による吸音が発現するとともに、その吸音領域の近傍では大きな粒子速度が発生し、音が散乱する。
なお、ここで説明する比音響インピーダンス比ζの実数部ｒをほぼ０とするための条件は、あくまで一例である。
【００４１】
図９は、０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの周波数帯域において、｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒsとの関係を示したグラフである。図９（ａ）は、横軸を｜Ｉｍ（ζ）｜とし、縦軸を周波数割合［％］及び位相変化量［°］としたグラフであり、図９（ｂ）は横軸を面積比ｒsとし、縦軸を周波数割合［％］としたグラフである。なお、図９（ａ）には、｜Ｉｍ（ζ）｜ごとの反射波の位相変化量の下限を点線グラフで表している。この周波数割合とは、０Ｈｚから１０００Ｈｚという周波数帯域の帯域幅に対する、｜Ｉｍ（ζ）｜が上記或る値となる帯域幅の占める割合をいう。ここで、｜Ｉｍ（ζ）｜の上記或る値を、それぞれ０．１，０．２，０．４，０．６，０．８，１．０とする。
なお、図９においては、Ｒｅ（ζ）＝０とした計算結果を表し、ここでもｌ1＝３００ｍｍ，ｌ2＝４８５ｍｍとしている。
【００４２】
図９（ａ）から明らかなように、面積比ｒsが小さいほど(つまり、開口部１４の面積が小さいほど)、反射波の位相変化量が或る一定値以上大きくなる割合が増している。例えば、ｒs＝０．２５の場合には、｜Ｉｍ（ζ）｜＜０．２となる周波数割合はおよそ７０％である。一方、従来方式であるｒs＝１．０の場合の同周波数割合はおよそ２７％であり、例えば位相変化量が１５７．４度以上である周波数帯域は約３倍もあることが分かる。また、例えば｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満となる周波数割合は、面積比ｒsが小さいほど増加している。
以上の図９の結果からも、面積比ｒsが小さいほど反射波の位相変化量が大きくなる周波数帯域が増していることが分かる。
続いて、吸音・散乱効果を奏するための作用について説明する。
【００４３】
図１０は、中空部材１０の開口部１４から放射する反射波と、反射面２００が放射する反射波とを説明する図である。共鳴体１１，１２の共鳴周波数の入射波が入射したときには、開口部１４は入射波と位相が異なる反射波を放射する。ここで、ζ＝０とみなせば、入射波と逆位相の反射波（逆相反射波）が開口部１４から放射する。一方、反射面２００が剛体（ζ＝∞）であると仮定すれば、反射面２００は入射波と同位相の反射波（正相反射波）を放射する。また、開口部１４と反射面２００とは平行でない関係にあるから、開口部１４及び反射面２００の近傍の空間において、これらの面からの反射波は互いに交差するように進行し、互いに干渉する。
【００４４】
音響構造体１の吸音、及び音の散乱に係る作用についてより具体的に説明する。
図１１は、共鳴時における中空部材１０の開口部１４周辺の反射波の挙動を説明する図である。ここでは、説明を簡単にするために、反射面２００及び開口部１４からの反射波の進行方向が同じものとして図示しているが、互いの反射波が交差するように進行した場合もこれと同質の現象が生じる。ここでは、入射波の音圧が極大となる「山」が反射面２００及び開口部１４に到達し、それに応じた反射波が生成される様子を示している。また、ここでは、開口部１４の比音響インピーダンス比ζ＝０であり、上述した“完全共鳴”が生じるものとする。また、同図には、反射波を実線と破線とで示しているが、実線は、反射波の音圧が極大となる「山」の位置を表しており、破線は、音圧が極小（「山」とは逆位相）となる「谷」の位置を表している。
【００４５】
中空部材１０の中空領域２０に対し、共鳴周波数の入射波が開口部１４に入射すると、共鳴によって生じる反射波として、入射波に対して位相が１８０度変位した反射波が、開口部１４からｚ方向に向かって放射される。よって、このとき、開口部１４での反射波は「谷」となり、そこでの音圧は極小となる。一方で、中空部材１０は、上述したように剛性率の高い材質のもので形成されているから、その比音響インピーダンス比はかなり大きい。よって、反射面２００から放射される反射波の位相は、入射波の位相に対してほとんど変位しない（図１１の領域Ｃ３，Ｃ４）。反射面２００を剛体とみなすと、上述した“完全反射”が生じ、反射面２００から放射される反射波の位相は、入射波ｐ0の位相に対する変位がゼロで、入射波と同位相の反射波となる。すなわち、開口部１４の比音響インピーダンス比ζがゼロで完全共鳴し、反射面２００の比音響インピーダンス比が∞で完全反射した場合には、開口部１４からの反射波と反射面２００からの反射波とは、振幅が互いに同一で、互いの位相が１８０度異なる関係となる。この現象により、開口部１４及び反射面２００付近の外部空間では、図１１に楕円で示したように、反射面２００からの反射波と開口部１４からの反射波とが互いに隣接し、領域Ｃ１，Ｃ２では、両者の反射波の位相が不連続となる現象が発生する。
【００４６】
以上の現象が発生することにより、吸音効果は、開口部１４付近の領域で共鳴現象により形成された吸音領域で主に奏する。一方、散乱効果は、反射面２００に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって、吸音領域の周辺で主に奏するものである。より具体的には、この相互作用により、開口部１４付近では気体分子の流れが生じることで、散乱効果を奏すると考えられる。このように、開口部１４からの反射波と反射面２００からの反射波とは、それらの位相角度が異なり、その位相差に応じて異なる現象が領域Ｃ１〜Ｃ４という近接した空間で発現するので、音響構造体１によれば、吸音・散乱効果を奏するための音響現象が同時に発現すると考えられる。
【００４７】
さらに、上記式（３）に示す関係から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓpが、開口部１４の面積Ｓoに対して大きい（すなわち、面積比ｒsが小さい）ほど、開口部１４での粒子速度ｕ0は大きくなる。よって、２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たすことにより、開口部１４付近で気体分子の振動が更に増大して、その付近の外部空間での吸音・散乱効果がより一層高まる。
また、式（４）から分かるように、比音響インピーダンス比ζは、中間層１３の寸法に依存するから、反射面２００における反射波と、開口部１４における反射波との位相差の関係も、面積比ｒsに依存する。反射面２００が完全反射して、共鳴体１１，１２が完全共鳴する場合に、中間層１３に音圧分布のばらつきが生じない理想的な状態であれば、反射面２００における反射波と開口部１４における反射波とは逆位相の関係となる。また、中間層１３に微小な音圧分布のばらつきが生じていたとしても、両者の反射波がほぼ逆位相の関係になるように中間層１３が構成されていれば、吸音・散乱効果を奏する。
このようにして、反射面２００に近接して開口部１４が位置するように中空部材１０が配置されることで、音響構造体１は構成される。
【００４８】
以上の説明から、この実施形態において、開口部１４と反射面２００とが「近接」したときの距離は、反射面２００が外部空間からの入射波に応じて反射波を放射するときに、開口部１４にもその入射波が入射して共鳴体（ここでは、共鳴体１１，１２）が共鳴する反射面２００と開口部１４との距離であって、反射面２００に入射する入射波と反射波との干渉と、開口部１４に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との干渉が相互作用する距離である。つまり、以上の音響現象が発現するような反射面２００からの距離の範囲内に開口部１４が位置するよう、中空部材１０の配置が決定されるとよい。
【００４９】
以上説明した音響構造体１によれば、反射面２００に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって、反射面２００及び開口部１４に直交しない斜め方向に気体分子の運動エネルギーの流れが発生して散乱効果を奏する。更に、共鳴現象により開口部１４付近の外部空間において、開口部１４からの反射波が、開口部１４への入射波を位相差により振幅を打ち消すことによる吸音効果も奏する。これにより、広い周波数帯域で、開口部１４付近の広い領域で吸音効果を奏し、音を散乱させる効果を奏する。特に、Ｓp＞Ｓoという関係を満たしていると、開口部１４での比音響インピーダンス比ζがさらに小さくなり、吸音効果を奏する周波数帯がさらに広くなるので、吸音・散乱効果をより一層高めることができる。
【００５０】
また、音響構造体１の厚さ方向（ｚ方向）の大きさは、共鳴周波数の波長に比べてかなり小さく、音響構造体１の設置空間を大幅に狭めてしまうことはない。また、音響室の天井や壁面、床面等の既存の反射面２００に細長い管状の中空部材１０を取り付ければ音響構造体１が構成されるので、その設置が容易であるとともに、取り付け位置の制約を受けにくい。また、反射面２００は反射性の材料で成っていればよく、中空部材１０自体が反射性を有していなくてもよいから、中空部材１０の材料の選択の幅も広い。また、音響構造体１には、抵抗材等の気体分子の振動を抑制する部材を用いず、高い粒子速度を生じさせることで吸音・散乱効果が得られるようにしており、開口部１４から離れた位置での吸音効果にも優れている。
【００５１】
［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施することが可能である。また、以下に示す変形例は、各々を適宜に組み合わせてもよい。
なお、以下の説明において、上述した第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付して表すとともに、対応する構成には末尾に「ａ」〜「ｈ」というアルファベットの符号を付して表し、その説明を省略することがある。また、音響室を構成する天井や壁面、床面は、本発明の反射面に相当し、いずれも反射性の材料で構成されている。すなわち、これらは実施形態の反射面２００と同等の機能を実現するものである。
［変形例１］
上述した実施形態では、音響構造体１において、中空部材１０の内部に中空領域２０が形成されていたが、図１２に示す音響構造体１ａのように、筐体の一例としてコ字状部材１０ａを用いてもよい。コ字状部材１０ａは、延在方向に直交する平面で切断した場合の断面形状が「コ」字状で、その内部に空間を有する部材である。コ字状部材１０ａは、開放する側方が反射面２００により塞がれるようにして、反射面２００に取り付けられている。これにより、コ字状部材１０ａ及び反射面２００により囲まれた空間には、中空領域２０ａが形成される。また、コ字状部材１０ａの反射面２００に対して平行でない側面（ここでは、垂直な側面）には、開口部１４ａが設けられている。開口部１４ａは、中空領域２０ａを外部空間に通じさせる。このように、中空領域が、筐体及び反射面により囲まれた空間に形成される場合でも、実施形態と同等の作用により、吸音・散乱効果を奏する。また、中空領域の延在方向に沿って、中空部材の側方が開放している部材であれば、断面形状が「コ」字状以外であっても構わない。
【００５２】
また、中空領域２０ａを延在方向に直交する平面で切断した場合の断面形状は矩形でなくてもよく、例えば図１３（ａ）に示すように三角形であってもよいし、図１３（ｂ）に示すように略円形であってもよい。中空領域の断面形状はその他の形状であってもよいが、いずれの場合であっても、開口部１４ａが反射面２００と平行でないようにされている。
また、図１３（ｃ）に示すように、音響室の入隅部を利用して、音響構造体を構成してもよい。ここでは直方体（或いは立方体）の音響室において、天井Ｃと壁面Ｗとによって、ｘｚ平面で切断したときの断面形状が「Ｌ」字型の入隅部が構成されているとする。筐体たる板状部材１０ｂは、ｙ方向に延在しており、板状部材１０ｂの内部の空間であって、天井Ｃ、壁面Ｗ及び板状部材１０ｂにより囲まれる空間（中空領域２０ｂ）の断面形状が三角形となるように、板状部材１０ｂは天井Ｃ及び壁面Ｗに取り付けられている。また、中空領域２０ｂは、開口部１４ｂを介して外部空間に通じており、ここでも開口部１４ｂが反射面２００に平行とならないようされている。このような構成の音響構造体１ｂにおいても、天井Ｃ及び壁面Ｗがそれぞれ反射面２００となって、そこからの反射波と開口部１４ｂからの反射波との関係により、吸音・散乱効果を奏する。
【００５３】
［変形例２］
音響室の壁面には利用者が出入りするためのドア（建具）が設置されるから、このドアのドア枠（建具枠）を利用して本発明の音響構造体を構成してもよい。
図１４は、この変形例に係る音響構造体１ｃを表した図である。図１４（ａ）はドア枠３００が設けられた壁面Ｗの周囲（天井、壁面及び床面）の様子を表した図であり、ここではドアＤが閉じられたときの様子を表している。図１４（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）に示す矢印IV、V、VIの各方向にドア枠３００を見たときの様子を表した図である。
壁面Ｗには矩形状のドア開口部が設けられている。そして、図１４（ａ）に示すように、ドア開口部の内周に沿って３つの中空部材１０が設置されており、これらが床面側が開口側となるように「コ」字状に配置されることにより、ドア枠３００は構成されている。図１４（ｂ）〜（ｄ）に示す点線は、中空領域２０の位置を表す。
このように、ドア枠により本発明の音響構造体を構成すれば、音響室において音響構造体をさらに目立たなくすることができ、建造物の美観を保つためにも好適である。また、ドア枠以外にも、引き戸やふすま等を設置するための開口部に設ける枠や、窓枠（サッシ枠）、絵画や写真等を収める額（枠）等を、上記中空部材を用いて構成してもよい。つまり、開口部等の所定の領域を囲う枠（枠組み）として木や金属等の部材を用いることがあるが、この部材に代えて、上記の中空部材１０を用いて音響構造体１ｃを構成することができる。
【００５４】
［変形例３］
また、音響室の入隅部を利用して、図１５に示すようにして音響構造体を構成してもよい。ここでは、直方体（又は、立方体）の音響室に音響構造体１ｄが構成されるものとする。この音響室では、天井Ｃと壁面Ｗ１，Ｗ２という３つ面が交点Ｐにおいて接し、且つ、これら各面が互いに直交するように入隅部が構成されている。音響構造体１ｄは、断面形状が三角形の角筒状の３つの中空部材１０ｄを有する。中空部材１０ｄは、一端側が閉じて他端側が開口した中空領域２０ｄを有し、いわゆる一端開口の管状部材である。ここでは中空部材１０ｄの側面は開口しておらず、一方の底面のみに開口部１４ｄが設けられている。３つの中空部材１０ｄはそれぞれ、天井Ｃ、壁面Ｗ１及びＷ２どうしの境界線（すなわち、稜線ｌ１〜ｌ３）に接するように配置されている。また、各中空部材１０ｄの開口部１４ｄは、稜線ｌ１〜ｌ３が互いに交わる交点Ｐの方向に向くように配置されている。このような構成の音響構造体１ｄにおいて、３つの中空部材１０ｄの開口部１４ｄ間にはハッチングで示した位置に空間領域が構成され、この空間領域が、上述した実施形態の中間層１３に相当する。これにより、実施形態と同等の作用により、音響構造体１ｄによる吸音・散乱効果を奏する。
なお、音響構造体１ｄにおいて、３つの中空部材１０ｄが一体成形された部材であってもよいし、天井及び壁面が交差する角度によっては、これらが互いに直交するように配置されていなくてもよい。また、床面及び壁面からなる入隅部に音響構造体１ｄが構成されてもよい。
【００５５】
［変形例４］
本発明の音響構造体は、音響室に設置される照明装置により構成されてもよい。図１６は、この変形例に係る照明装置４００を示した図である。図１６（ａ）は、照明装置４００を水平方向に見た図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の照明装置４００を切断線VII-VIIで切断したときの断面を表した図である。
図１６に示すように、照明装置４００は、直管形蛍光器具であり、点灯装置４１０、反射板４２０、２対のソケット４３０、及び２つの蛍光灯４４０、及び中空部材１０を備える。点灯装置４１０は、例えばインバータ装置等の点灯用部品を有し、天井Ｃに固定されている。点灯装置４１０は、商用電力を用いて図示せぬ電力線を介してソケット４３０に給電して蛍光灯４４０を点灯させたり、給電を停止して蛍光灯４４０を消灯させたりする。反射板４２０は、断面形状が略「Ｖ」字型に構成されており、例えばアルミ基材に表面処理を施した反射性に優れた部材であり、蛍光灯４４０が放射する光を音響空間に向けて反射するものである。ソケット４３０は、各対について、対向面に蛍光灯４４０を着脱自在に支持するとともに、蛍光灯４４０に電圧を負荷する図示せぬピン受けが設けられている。蛍光灯４４０は直管形蛍光灯であり、照明装置４００に対して着脱自在である。中空部材１０は、照明装置４００の内部の空間であって、反射板４２０及び天井Ｃにより囲まれた空間に設けられている。中空部材１０は、その延在方向と、蛍光灯４４０の長手方向とが平行となるように配置されている。中空部材１０の開口部１４は、天井Ｃと反射板４２０との間において、反射板４２０に開けられた開口孔４２１を介して外部空間に通じている。
このように、この変形例の音響構造体１ｈは、照明装置４００に設けられた中空部材１０を備え、開口部１４が天井Ｃに近接するように配置される。この構成により、外部から中空部材１０がほとんど目視されないので、音響室の美観を損なうこともないし、音響空間を狭めることもほとんどない。また、照明装置４００に中空部材１０が一体化されるように構成しておけば、特殊な建築技法を用いなくとも、音響構造体１ｈを容易に建造物に構成することができる。
また、換気扇等の天井に設置する他の器具に中空部材１０を組み込んで、本発明の音響構造体を構成してもよい。
【００５６】
［変形例５］
図１７に示すように、中空部材１０をアップライトピアノ５００内に収容して、音響構造体を構成してもよい。音響室にアップライトピアノ５００を設置する場合、アップライトピアノ５００の筐体を音響室の壁面に接触させたり、それに近接して設置したりすることが多い。この場合、アップライトピアノ５００を演奏したときに発生する演奏音（特に、低音）が壁面を伝搬して、騒音問題となることがある。そこで、図１７に示すように、アップライトピアノ５００の内部に中空部材１０を収容しておく。アップライトピアノ５００の筐体には、音響室に設置されたときに、壁面や床面に近接する位置に孔５１０が開けられる。孔５１０は、中空部材１０の開口部１４を外部空間に通じさせるもので、孔５１０及び開口部１４を介して、外部音は中空部材１０の中空領域２０に進入する。このような構成の音響構造体では、壁面や床面、アップライトピアノ５００の筐体が本発明の反射面となり得る。この構成の音響構造体によれば、音響室の美観を損なうこともないし、音響構造体の設置により音響空間を狭めることなく、低音を含む演奏音に対して吸音・散乱効果が得られる。
このように、アップライトピアノ５００は、筐体内の中空部材１０の中空領域２０を、外部空間に連通させる孔５１０を備えた筐体を有している。アップライトピアノ５００は、入射する音波に応じた反射波を放射する反射面（壁面など）に対して、孔５１０が平行とならないように設置される。
この構成において、アップライトピアノに限らず、グランドピアノや電子ピアノ等の別のタイプのピアノに設けてもよいし、オルガンやエレクトーン等の設置型の鍵楽器に設けてもよい。また、これと同様の構成を採用すれば、例えば、テーブル、イス、ソファー、食器棚、什器、テレビやラジオ、洗濯器等の電気機器のキャビネット、パーテション等の音響空間に設置される家具や機器等の様々な物品を用いて音響構造体を構成することができる。
【００５７】
［変形例６］
本発明の音響構造体において、吸音・散乱効果を奏する周波数域は、上述したように中空領域の寸法に依存する。そこで、その効果を奏する周波数帯域を調整可能とする構成を備えてもよい。
図１８は、この変形例に係る伸縮可能な中空部材を例示する断面図である。
この中空部材は、第１部材１０１ｅと、第２部材１０２ｅと、第３部材１０３ｅにより構成されており、これらの各部材は円筒状に構成されている。また、中空部材の内部には中空領域２０ｅが構成されている。第１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅは、例えば、螺子山を設けるなどして、第２部材１０２ｅ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１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅは、第２部材１０２ｅ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。この移動により、中空領域２０ｅの寸法が変わり、吸音・散乱効果を奏する周波数帯は変化する。
なお、この構成においては、第１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅが自然に移動することがないように構成されていることが望ましい。これ以外にも、中空領域２０ｅの寸法を可変にする公知の構成を採ることができる。
【００５８】
［変形例７］
上述した実施形態では、音響構造体１の中空部材１０は、２つの共鳴体１１，１２を備える構成であったが、共鳴体を１つだけ備える構成としてもよい。図１９は、本変形例の音響構造体を成す中空部材１０ｆの断面（図１の切断線III−IIIと同じ方向の断面）を表した図である。
図１９（ａ）に示すように、中空部材１０ｆは、ｙ方向に延在する中空領域２０ｆを有し、閉口端である端部１１２ｆから中間層１３ｆまでの間に共鳴体１１ｆが構成されている。また、中空部材１０ｆの他端の端部１２２ｆに接する側面部には、開口部１４ｆが設けられる。このような音響構造体によれば、音響構造体のサイズをさらに小さくすることができるという利点がある。図１９（ｂ）は、共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。図１９（ｂ）に示すように、実施形態と同じ作用によって中間層１３ｆは振る舞い、吸音・散乱効果を奏する。
【００５９】
［変形例８］
また、中空部材の構成を以下のようにしてもよい。
図２０は、この変形例の中空部材を、図１の切断線III−IIIと同じ方向に切断したときの断面を表している。
図２０に示すように、中空部材１０ｇは両端が閉じているとともに、その両端付近には開口部１４２ｇ，１４３ｇがそれぞれ設けられている。さらに、ｙ方向に対する中心付近の位置には開口部１４１ｇが設けられている。また、各開口部どうしの間に、中空領域をｙ方向に複数の中空領域に隔てるための隔壁１５１ｇ，１５２ｇが設けられ、その中空領域２０ｇの延在方向に対して、互いに隔絶された３つの中空領域が形成されている。ここで、隔壁１５１ｇ，１５２ｇは、中空部材１０ｇと一体成形されていてもよいし、別の部材であってもよい。このような構成の中空部材１０ｇにおいて、その一方の端部側には、中空部材１０ｇの端部１６１と共鳴体１１ｇとの間に中間層１３１ｇが構成され、他端部側には、中空部材１０ｇの端部１６２と共鳴体１２ｇとの間に中間層１３２ｇが構成されている。また、中空部材１０ｇの中央部であって、隔壁１５１ｇと隔壁１５２ｇとの間に形成された中空領域においては、隔壁１５１ｇと中間層１３３ｇとの間に共鳴体１６ｇが構成され、隔壁１５２ｇと中間層１３３ｇとの間に共鳴体１７ｇが構成されている。
このように、中空部材１０ｇにおいては、隔壁により、中空領域がその延在方向に対して複数の中空領域に隔絶されて、中空部材の端部と中間層との間に共鳴体が構成され、隔壁と中間層との間に共鳴体が構成される。この構成によれば、例えば、中空部材１０ｇには４つの共鳴体が存在するから、上述した実施形態で述べた構成よりも多い共鳴体を確保することができる。よって、このような音響構造体１ｇによれば、音響構造体１よりも、さらに広い周波数帯での吸音・散乱効果を得ることができる。また、中空部材１０ｇにおいて、隔壁の数を更に多くして、中空部材が更に多くの数の中空領域を備えるようにしてもよい。
【００６０】
［変形例９］
上述した実施形態の中空部材１０は、２つの共鳴体１１，１２の中心軸が中心軸ｙ0を共有する構成であったが、各共鳴体の中心軸が共通しなくてもよく、例えば、「Ｌ」字型や「Ｖ」字型をなすように所定の角度をなしてもよい。また、中空部材は、中間層１３にさらに多くの共鳴体が面するように構成されていてもよい。また、各共鳴体が同一平面（ｘｙ平面）上に構成されていなくてもよく、各共鳴体の延在方向はｘｙｚ空間内においてどの方向であってもよい。
【００６１】
［変形例１０］
上述した実施形態では、中空部材１０の端部１１２，１２２は共に閉じた構成となっているが、両端部の一方、或いは両方が開いた構成（いわゆる、開管）なっていてもよい。端部１１２，１２２が共に開口端である場合には、両端が開口した中空領域を有する構成の共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対する波長λ1，λ2は、共鳴体１１，１２のｙ方向の長さｌ1、ｌ2を用いると、式（５）の関係を満たす。なお、ここでも開口端補正を無視しており、ｎは１以上の整数である。
ｌi＝ｎ・λi／２ （ｉ＝１，２） ・・・（５）
【００６２】
端部１１２，１２２が開口端である場合、式（５）に示すように、共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2は、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の１／２の整数倍の長さとなるから、この場合も、意図する共鳴周波数となるよう中空部材１０は設計される。
【００６３】
［変形例１１］
上述した実施形態では、中空部材１０が２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たすように構成されていたが、この関係を満たしていなくてもよい。これ以外の関係であっても、開口部１４において比音響インピーダンス比ζの実数部がほぼ０であれば、上述した実施形態と同等の作用により、吸音・散乱効果を奏する。
また、開口部１４は、音圧透過性及び通気性（粒子速度透過性）があって、抵抗成分が媒質（空気）の固有音響抵抗に対して十分小さい不織布状の布材や、ネット、メッシュ等によって覆われていてもよく、開口部１４を介して外部空間及び中空領域２０の間を音波が伝搬するように構成されていればよい。
上述した実施形態では、中空部材１０は、音響室の内壁面や天井に設置されていたが、壁面内部や天井内部に埋め込まれることにより設置されていてもよい。また、平板状の支持パネル上に、中空部材１０を配置するようにしてもよい。この構成において、支持パネルの表面が反射面２００に相当する。また、支持パネルにキャスタ等の移動手段を取り付けて移動可能にしてもよい。
【００６４】
［変形例１２］
上述した実施形態では、中空部材１０は角筒状の部材であったが、円柱状や底面が多角形の柱状に構成されていてもよく、その形状は前掲のものに限定されない。
また、中空領域を中心軸に対して垂直に切断したときの断面も、円状や多角形状であってもよく、その形状も実施形態で述べたものに限定されない。また、中空領域２０をｘｚ方向で切断したときの断面の形状も他の形状でもよいし、延在方向に対して一様の形状でなくてもよい。
また、上述した実施形態の音響構造体１では、開口部１４が反射面２００に対して平行とならないように構成されていたが、これらは平行であってもよい。この構成であっても、図１１に示すような音響現象が発現して、上述した実施形態と同等の吸音・散乱効果を奏すると考えられる。
【００６５】
［変形例１３］
上述した実施形態では、共鳴体１１，１２の長さｌ1＝ｌ2としたときに、境界面１１１における粒子速度ｕ1と、境界面１２１における粒子速度ｕ2とは同位相の関係で変化すると述べた。これにより、或る周波数帯での開口部１４の気体分子の粒子速度を大きくし、その周波数帯での吸音・散乱効果を増大させることには好適である。これに対し、共鳴体１１，１２の長さｌ1≠ｌ2でとした場合には、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となり、吸音・散乱効果を奏する周波数帯が広がる。この場合、式（４）に示す関係に基づいて、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが周波数の変化に対して不規則に変化する。これにより、ひとつひとつの比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となる周波数帯は、ｌ1＝ｌ2の場合よりも狭くなることがあっても、その条件を満たす周波数帯を合算すると、ｌ1≠ｌ2である場合の方がその条件を満たす周波数帯が広くなる、ということである。このようになるのは、比音響インピーダンス比ζ＝０の完全共鳴だけでなく、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となって共鳴現象とみなせる現象を生じさせることで、音響構造体１が、吸音・散乱効果を奏するからこその効果ということもできる。また、この場合であっても、Ｓp＞Ｓoという条件をみなせば、ｕ0＞ｕ1＋ｕ2という、粒子速度の増大の効果が得られる。
【００６６】
［変形例１４］
上述した実施形態又は変形例に係る音響構造体は、中空部材１０と反射面とにより構成されていたが、これらは一体成形されていてもよい。特に、反射面を構成する部材と別体の筐体により共鳴体が構成されていなくてもよく、共鳴体の実現の方法は問わない。また、共鳴体を実現するための部材（例えば、実施形態の中空部材１０）が反射面として機能してもよい。この場合、共鳴体を実現するための部材の側面であって開口部に近接する側面が、本発明の反射面として機能する。
また、上述した実施形態又は変形例に係る音響構造体は、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。ここで各種音響室は、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等である。
【００６７】
［変形例１５］
本発明は、上記各構成の音響構造体の設計条件を算出する設計装置や、プログラム、当該プログラムを記録する記録媒体としても特定可能である。
図２１は、この設計条件を算出する設計装置６００のハードウェア構成を示すブロック図である。設計装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む演算装置やメモリを含む制御部６０１が、記憶媒体である記憶部６０２に記憶されている設計プログラムＰＲＧを実行することにより、特定の機能を実現するコンピュータである。
表示部６０３は、例えば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、制御部６０１の制御の下、設計装置６００を操作するための画面や制御部６０１の演算結果などを表示する。
操作部６０４は、設計装置６００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６００に対する各種入力が行われる。
記憶部６０２はハードディスク装置を備え、音響構造体の設計条件を算出する機能を実現するための設計プログラムＰＲＧを記憶している。
【００６８】
制御部６０１は、ユーザによる操作部６０４の操作に応じて、記憶部６０２に記憶されている設計プログラムＰＲＧを実行し、音響構造体の設計条件を算出するものである。例えば、実施形態の音響構造体１の構成を想定すると、制御部６０１は、開口部１４及び反射面２００に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、反射面２００が反射波を放射し、共鳴体が反射面２００からの反射波とは位相の異なる反射波を開口部１４から放射する条件の下で、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部を０に近づけさせるように、共鳴体１１，１２及び開口部１４の設計条件をそれぞれ算出する。例えば、この設計条件には、開口部１４の寸法や、共鳴体の寸法や形状、共鳴体の構成部材の材質（例えば、抵抗成分の大きさ）、音響構造体が構成される空間の媒質（通常は、空気）に関する条件が含まれる。上述のように、例えば、開口部１４の寸法が大きく、共鳴体の断面が小さいほど面積比ｒsが小さくなり、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部が０に近づくと考えられる、また、当該実数部の値は、開口部１４に抵抗材を設けないことでも小さくなる。また、当該実数部の値は、共鳴体の構成部材にも左右されるものであり、その部材と当該実数部の値との対応関係については、予め実験的に求めたものが用いられるとよい。
また、設計装置６００によって、比音響インピーダンス比ζの絶対値が１未満となるような設計条件が算出されるとより好適である。
また、反射面２００の材質や形状を設計プログラムＰＲＧの演算アルゴリズムに加えてもよく、要するに、上記吸音・散乱効果を奏する条件を実現するように、制御部６０１は演算を行うとよい。また、例えば、共鳴体の構成部材が決まっている場合もあるから、複数の設計条件のうちの一部がユーザにより指定されてもよい。
なお、上記音響構造体の設計条件を算出する設計装置や設計プログラムは、上述した各変形例の音響構造体の設計に用いられるものであってもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１…音響構造体、１０…中空部材、１１，１２…共鳴体、１１１…境界面、１２１…境界面、１３…中間層、１４…開口部、２０…中空領域、２００…反射面、３００…ドア枠、４００…照明装置、５００…アップライトピアノ、６００…設計装置、６０１…制御部、６０２…記憶部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸音及び音を散乱する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホールや劇場等の音響空間においてフラッタエコー等の音響障害を除去するために、音を散乱させるための音響構造体が設置される。例えば特許文献１には、１方向に延在する空洞が形成され、その空洞と外部空間とを連通させる開口部を有する部材が複数並べられた音響構造体が開示されており、その空洞に音波が入射すると、開口部から音響再放射されて散乱効果を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３０７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
住宅の居室や会議室、音楽室等の比較的小さい空間では、適度な散乱効果とともに吸音効果を得ることが求められる。しかし、散乱効果を得るための音響構造体と、吸音効果を得るための音響構造体とを別々に空間に設けようとするとスペースを取ってしまうし、また、フェルト等の多孔質吸音材を用いて低周波数帯域に対する吸音効果を高めようとすると、厚み方向へのサイズが大型化してしまい、空間をさらに狭めてしまう。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響構造体のサイズの大型化を抑制しつつ、音を効果的に散乱させるとともに広い周波数帯で吸音効果を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的を達成するために、本発明に係る音響構造体は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面とを備え、前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部がほぼ０であることを特徴とする。
【０００６】
本発明の好ましい態様において、前記入射した音波に応じた反射波を前記反射面が放射し、前記共鳴体が前記共鳴による反射波を放射するときに、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の好ましい態様において、本発明に係る別の音響構造体は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面とを備え、前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記共鳴体の中空領域と前記開口部との間に音圧が一様に分布する気体層が構成され、前記開口部における媒質粒子の運動速度の絶対値は、当該中空領域と前記気体層との境界面における媒質粒子の運動速度の絶対値よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るプログラムは、コンピュータに、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出させるためのプログラムであって、前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出するステップを実行させるためのものである。
【０００９】
本発明に係る設計装置は、一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出する算出手段であって、前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出する算出手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、音響部材の大型化を抑制しつつ、広い周波数帯で吸音させ、音を散乱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】音響構造体の外観を示す斜視図である。
【図２】音響構造体を図１の矢印II方向から見た図である。
【図３】図２の切断線III−IIIで切断したときの中空部材の断面を表す図である。
【図４】共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。
【図５】共鳴時における中間層の挙動を説明する図である。
【図６】比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表したグラフである。
【図７】比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。
【図８】比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値の周波数特性を示したグラフである。
【図９】｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒsとの関係を示したグラフである。
【図１０】中空部材の開口部から放射する共鳴によって生じる反射波と、反射面が放射する反射波とを説明する図である。
【図１１】共鳴時における中空部材の開口部周辺の反射波の挙動を説明する図である。
【図１２】変形例１の音響構造体を示す図である。
【図１３】変形例１の音響構造体を示す図である。
【図１４】変形例２の音響構造体を示す図である。
【図１５】変形例３の音響構造体を示す図である。
【図１６】変形例４の音響構造体を示す図である。
【図１７】変形例５の音響構造体を示す図である。
【図１８】変形例６の音響構造体を示す図である。
【図１９】変形例７の音響構造体を示す図である。
【図２０】変形例８の音響構造体を示す図である。
【図２１】音響構造体の設計条件を算出する設計装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、音響構造体１の外観を示す図である。図２は、音響構造体１を、図１に示す矢印II方向に見た様子を表した図である。
音響構造体１は、中空部材１０と反射面２００とを備える。
中空部材１０は、例えばアクリル樹脂等の材料からなる外観が直方体状の筐体である。中空部材１０は、その側面の１つが表面が平坦である反射面２００に接触するように、反射面２００の一部に取り付けられている。中空部材１０は、例えば接着や固定具等により、反射面２００に対して固定されている。中空部材１０の内部には、一方向に延在する中空領域２０が形成されている。中空部材１０の側面のうち、反射面２００に垂直な側面のひとつに開口部１４が設けられている。開口部１４は、反射面２００に近接した位置にあり、ここでは、開口部１４は反射面２００に平行でない。開口部１４は、中空部材１０内の音が伝搬する中空領域２０を、外部空間に通じさせる空間領域である。反射面２００は、剛性率が比較的高い材質の反射性の材料からなり、外部空間に面している。反射面２００は、例えば、劇場やオフィスビル、家屋等の音響室を構成する天井、壁面又は床面であり、音響空間に面するものである。
なお、中空部材１０の数をここでは「１」としているが、この数は一例に過ぎず、さらに多くの数の中空部材１０が設けられてもよい。また、開口部１４の形状は、多角形状でもよいし、円形等でもよく、どのような形状でもよい。また、説明の便宜のために、以下では、中空部材１０の延在方向を「ｙ方向」とし、ｙ方向に直交する方向のうち、反射面２００に平行な方向を「ｘ方向」とする。また、反射面２００から見た法線方向であって、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向を「ｚ方向」とする。
【００１３】
中空部材１０の構成についてより具体的に説明する。
図３は、図１の切断線III−IIIで切断したときの中空部材１０の断面を表している。図２、３に示すように、中空領域２０は略直方体状の空間領域である。中空部材１０の両端（端部１１２、端部１２２）は、ここでは閉口端である。
中空部材１０は、共鳴体１１，１２と、中間層１３と、開口部１４とを備える。
共鳴体１１は、中空領域２０のうち、中空部材１０の一端である端部１１２から、中間層１３との境界である境界面１１１までの間に構成される。共鳴体１２は、中空領域２０のうち、中空部材１０の他端である端部１２２から、中間層１３との境界面１２１までの間に構成される。共鳴体１１，１２は、共鳴周波数の音波が入射すると共鳴し、開口部１４を介して反射波を外部空間に放射する。共鳴体１１のｙ方向の長さはｌ1で、共鳴体１２のｙ方向の長さはｌ2である。そして、共鳴体１１，１２は、それぞれの中心軸が中心軸ｙ0を共有するように構成されている。また、共鳴体１１と、中間層１３との境界である境界面１１１の面積はＳpであり、共鳴体１２と、中間層１３との境界である境界面１２１の面積もＳpである。そして、共鳴体１１，１２は、中空領域２０の延在方向に垂直なｘｚ平面で切断したときの断面積がＳpである。つまり、その断面の寸法は、共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ1，λ2に対して十分に短く、この方向に共鳴周波数の音圧分布のばらつきは生じないとみなせる。また、開口部１４の面積はＳoであり、Ｓp＞Ｓoという関係を満たす。すなわち、境界面１１１，１２１の面積Ｓpは、開口部１４の面積Ｓoよりも大きい。
【００１４】
中間層１３は、開口部１４と、共鳴体１１，１２のそれぞれとの間に形成される空間領域であり、開口部１４に直接連なる近傍の領域である。中間層１３は、振動することにより音波を伝搬させる媒質粒子（つまり、気体分子）からなる気体層である。すなわち、共鳴体１１，１２と開口部１４との間の空間領域が、中間層１３である。中間層１３は、境界面１１１を介して共鳴体１１と面しており、境界面１２１を介して共鳴体１２と面している。よって、境界面１１１，１２１は、矩形状の面とみなすことができる。
なお、ここでは、中間層１３において音波を伝搬する媒質は空気であり、中空領域２０及び外部空間において音波を伝搬する媒質も空気である。
【００１５】
開口部１４は、一辺の長さがｄの正方形であり、中空領域２０を外部空間に通じさせる。長さｄは、共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2よりも十分に小さく、例えば、ｄ＜λ1／６、ｄ＜λ2／６である。この条件を満たすことにより、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の音波が、中間層１３を伝搬するときには（すなわち、共鳴体１１，１２が共鳴するときには）、中間層１３に音圧分布のばらつきが生じないとみなすことができる。換言すると、共鳴周波数の音波が中間層１３を伝搬するときには、その全体で音圧が一様に分布するとみなすことができる。このようになるのは、中空領域２０のｘｚ平面に平行な断面の寸法、及び開口部１４の寸法がそれぞれ波長λ1，λ2に対して十分に小さく、中間層１３全体で位相のずれがほとんど生じないからである。よって、本実施形態で“中間層１３に音圧分布がない”ということは、例えば、音圧分布のばらつきが“ゼロ”であることを意味する。また、“中間層１３に音圧分布がない”ということは、例えば、中間層１３の寸法が共鳴周波数の音波の波長よりも十分に短く、中間層１３に実質的に音圧分布のばらつきがない場合も含んでいる。中間層１３に音圧分布のばらつきが生じなければ、共鳴体１１が共鳴したときには、境界面１１１における反射波の位相と、開口部１４における反射波に位相とは等しくなるし、共鳴体１２が共鳴したときには、境界面１２１における反射波の位相と、開口部１４における反射波の位相とが等しくなる。
なお、開口部１４が正方形状でない場合には、以下の説明において「長さｄ」については、その開口部１４の面積Ｓoと同じ面積である正方形の一辺の長さｄという解釈をしてよいし、また、開口部１４の形状を表す図形の外接矩形或いは内接矩形の一辺の長さｄと解釈してもよい。
【００１６】
以上説明したような構成を有する音響構造体１に、外部空間から音波（入射波）が入射したとき、その入射波には、反射面２００に入射するものと、開口部１４に入射するものとが含まれる。そのうちの開口部１４に入射する入射波は、開口部１４及び中間層１３を介して、共鳴体１１，１２に入射する。入射波の周波数帯に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が含まれるときには、共鳴体１１，１２はその入射波に応じて共鳴し、中空領域２０の延在方向（つまり、ｙ方向）に対して音圧分布を発生させる。共鳴体１１，１２のそれぞれの共鳴周波数に対する波長λ1，λ2は、共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2を用いて、式（１）の関係を満たす。
なお、式（１）において、ｎは１以上の整数であり、ここでは開口端補正を無視する。
ｌi＝（２ｎ−１）λi／４ （ｉ＝１，２） ・・・（１）
【００１７】
式（１）に示すように、一端が閉じ、他端が開いた構成（いわゆる、閉管）の共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2は、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の１／４の奇数倍の長さとなるから、共鳴周波数に応じてその長さが定められる。
【００１８】
図４は、共鳴体１１及び１２の共鳴周波数を含む所定周波数帯の入射波が中空部材１０に入射し、これに応じて共鳴体１１，１２が共鳴したときの、開口部１４付近の中空領域の挙動を説明する図である。
図４に示すように、境界面１１１における音圧はｐ0であり、境界面１１１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度（つまり、媒質粒子の運動速度）はｕ1である。また、境界面１２１における音圧はｐ0であり、境界面１２１においてその法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ2である。ただし、以下では、境界面１１１における粒子速度ｕ1を、共鳴体１１から中間層１３の方向に作用する場合には正の値で表し、中間層１３から共鳴体１１の方向に作用する場合には負の値で表す。また、境界面１２１における粒子速度ｕ2は、共鳴体１２から中間層１３の方向に作用する場合は正の値で表し、中間層１３から共鳴体１２の方向に作用する場合は負の値で表す。すなわち、中間層１３の方向に作用する粒子速度を正の値で表している。例えば、ｌ1＝ｌ2となるように共鳴体１１，１２が構成されていると、それらの共鳴時において、粒子速度ｕ1が正のときには、粒子速度ｕ2は正となるし、粒子速度ｕ1が負のときには、粒子速度ｕ2は負となる。すなわち、共鳴体１１，１２から中間層１３に対して作用する粒子速度は、同位相の関係で変化する。
【００１９】
また、中間層１３と外部空間との境界面である開口部１４における音圧はｐ0であり、開口部１４で法線方向に作用する気体分子の粒子速度はｕ0である。ただし、粒子速度ｕ0は、開口部１４から外部空間の方向に作用する粒子速度を正の値で表し、外部空間から開口部１４の方向に作用する粒子速度を負の値で表す。ここで、境界面１１１，１２１及び開口部１４における音圧がｐ0で一致しているのは、上述したように、共鳴体１１，１２が共鳴したときに、中間層１３全体で音圧分布のばらつきがほとんど生じないよう中空部材１０が構成されているからである。
【００２０】
外部空間から入射する入射波により発生する開口部１４の音圧ｐ0を、ｐ0（ｔ）＝Ｐ0・ｅｘｐ（ｊωｔ）という式で定義すると、境界面１１１，１２１における粒子速度ｕ1，ｕ2は、式（２）の関係を満たす。
なお、この音圧ｐ0は、入射波の音圧と、共鳴体１１，１２の共鳴によって中間層１３に生じた反射波の音圧とを合成した音圧である。式（２）において、ｊは虚数単位を表し、Ｐ0は音圧の振幅値を表し、ωは角速度を表し、ρｃは外部空間の媒質である空気の特性インピーダンス（ρ：空気の密度、ｃ：空気中での音速）を表し、ｋ（＝ω／ｃ）は波数を表し、ｔは時刻を表す。
【数１】
【００２１】
また、中間層１３は、気体分子からなる気体層であるから、その体積が不変である「非圧縮性」を有する。すなわち、中間層１３は、共鳴に伴う弾性変形はするものの、内部の圧力を一定に保つように働き、その体積は一定となる。このような性質を有する中間層１３は、共鳴体１１，１２から境界面１１１及び１２１を介して作用した音圧を、そのまま開口部１４、すなわち中間層１３と外部空間との境界面に作用させる。このとき、中間層１３に対して境界面１１１，１２１から作用させられる体積速度の和は、中間層１３から開口部１４を介して外部空間に作用させられる体積速度と一致する。
【００２２】
図５は、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に正であるときの、共鳴時における中間層１３の挙動を説明する図である。
図５（ａ）に示すように、入射波が入射しないときの中間層１３は、体積Ｖであり、図５（ａ）に示すような寸法及び形状となっている。これに対し、共鳴時において、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が正の方向に作用するときには、中間層１３は図５（ｂ）に示すような状態となる。すなわち、中間層１３は、その粒子速度の作用によりｙ方向に対してΔｙだけ小さくなり、ｚ方向にΔｚだけ大きくなる。このとき、中間層１３が非圧縮性を有しているが故に、その体積Ｖは維持される。つまり、中間層１３は、共鳴時において、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に正のときには、開口部１４から外部空間に作用する粒子速度ｕ0は正となり、開口部１４を介して中空部材１０の外部空間に突出したようになる。このようにして共鳴時には、共鳴体１１，１２から中間層１３へ作用する体積速度が合算されて、中間層１３から中空部材１０の外部空間にその体積速度の作用が加わる。一方で、粒子速度ｕ1及び粒子速度ｕ2が共に負のときには、粒子速度ｕ0は負の値で表され、開口部１４から中空領域２０に向かう方向へと作用する。よって、中間層１３は、ｙ方向に対して大きくなり、ｚ方向に対して小さくなる。このとき、開口部１４から外部空間に作用するｕ0は負となり、中間層１３は、開口部１４に対して中空領域２０に引っ込んだようになる。
【００２３】
式（２）に示した粒子速度ｕ1，ｕ2を用いると、中間層１３の作用によって、開口部１４に垂直な方向（つまり、ｚ方向、反射面２００の法線方向）に作用する気体分子の粒子速度ｕ0は、式（３）の関係を満たす。
【数２】
【００２４】
式（３）に示すように、粒子速度ｕ0は、境界面１１１，１２１の面積Ｓpと、開口部１４の面積Ｓoとの面積比により定まる。ここで、共鳴体１１，１２の共鳴周波数が同じで、且つｘｚ平面に平行な断面の寸法が互いに同一であるとすると、ｕ1＝ｕ2である。よって、２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たし、共鳴体１１，１２の断面積Ｓpが、開口部１４の面積積Ｓoの１／２以上であれば、式（３）の関係からも分かるように、粒子速度ｕ1とｕ2との和よりもさらに大きい粒子速度ｕ0が、開口部１４において生じ得る。
【００２５】
また、式（３）を用いると、中空部材１０の開口部１４に対して、反射面２００に外部空間から入射波が入射したときの開口部１４の比音響インピーダンス比ζは、式（４）の関係を満たす。
【数３】
【００２６】
式（４）に示すように、比音響インピーダンス比ζは、開口部１４の比音響インピーダンスｐ0／ｕ0を、外部空間の媒質であって開口部１４の媒質（空気）の特性インピーダンスρｃ（固有音響抵抗）で除した値である。要するに、比音響インピーダンス比ζは、音場内の或る点の比音響インピーダンスと、その点の媒質の特性インピーダンスとの比を表す量である。開口部１４に対して垂直方向に共鳴周波数の音波が入射すると、式（４）の関係を満たすように、比音響インピーダンス比ζに応じた反射波が、共鳴体１１，１２の共鳴により開口部１４から外部空間に放射される。ここで、比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと定める。ｒは、比音響インピーダンス比ζの実数部（つまり、Ｒｅ（ζ））であり、比音響抵抗比と呼ばれることがある値である。ｘは、比音響インピーダンス比ζの虚数部（つまり、Ｉｍ（ζ））であり、比音響リアクタンス比と呼ばれることがある値である。
次に、比音響インピーダンス比ζと音響構造体１からの反射波との関係について説明する。
【００２７】
（Ｉ）ζ＝０、すなわちｒ＝０かつｘ＝０の場合
ζ＝０（ｒ＝０かつｘ＝０）を満たす領域に音波が入射すると、共鳴によって生じる反射波として、その入射波と振幅が同じで、位相が１８０度変位した反射波がその領域から放射される。これにより、入射波と反射波とが干渉により、互いの振幅を完全に打ち消しあうように作用する。このような共鳴を「完全共鳴」と呼ぶこととする。
（II）ζ＝１、すなわちｒ＝１かつｘ＝０の場合
ζ＝１（ｒ＝１かつｘ＝０）を満たす領域に対して音波が入射すると、その領域からは反射波は放射されない。この現象を「完全吸音」と呼ぶこととする。
（III）ζ＝∞、すなわちｒ＝∞かつｘ＝０の場合
ζ＝∞（ｒ＝∞かつｘ＝０）を満たす領域（すなわち、剛体）に音波が入射すると、反射によって生じる反射波として、その入射波と振幅が同じで、位相の変位がない（位相の変位が０度の）反射波が放射される。この場合、入射波と反射波とが干渉して定在波が生じる。この現象を「完全反射」と呼ぶこととする。
【００２８】
上記（Ｉ）ではｒ＝０であり、中空部材１０が抵抗成分を有しない場合を表すが、中空部材１０が抵抗成分を有している場合もある。この場合に、共鳴体１１，１２の共鳴周波数の音波が開口部１４に入射すると、開口部１４の比音響インピーダンス比ζの実数部ｒが０でない値をとることがある。このとき、開口部１４から放射される反射波にあっては、その振幅は中空部材１０が有する抵抗成分に応じて減衰する。このように、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが０となる完全共鳴の場合のほかに、０≦ζ＜１という条件を満たす場合も、共鳴体が共鳴による反射波を放射する「共鳴現象」が発生しているとみなすことができる。
【００２９】
ところで、或る部材上の領域の点における比音響インピーダンス比ζ＝ｒ＋ｊｘと、複素音圧反射係数Ｒ＝｜Ｒ｜ｅｘｐ（ｊφ）とは、Ｒ＝（ζ―１）／（ζ＋１）という関係を満たす。複素音圧反射係数は、空間のある１点における反射波と入射波の複素数比を表す物理量である。｜Ｒ｜は、入射波に対する反射波の相対的な振幅の大きさを表す値であり、その値が大きいほど、反射波の振幅が大きいことを意味する。φは、入射波に対する反射波の位相の変化の大きさを表す値（以下、「位相変化量」という。）である。この関係式からも明らかなように、比音響インピーダンス比ζ、及び複素音圧反射係数Ｒのうちの一方が定まれば、他方は一義的に定まる。例えば、ζ＝０（つまり、完全共鳴）の場合にはＲ＝−１となり、このときの反射波は、入射波に対して逆位相となり、それらの振幅は互いに同一である。ζ＝１（つまり、完全吸音）の場合にはＲ＝０となり、このときは反射波は放射されず、その振幅は０である。ζ＝∞（つまり、完全反射）の場合には、Ｒ＝１となり、このときの反射波は、入射波に対して同位相となり、振幅は互いに同一である。
【００３０】
続いて、上記共鳴現象によって奏する吸音・散乱効果について、位相からの観点と、振幅からの観点とに分けてそれぞれ説明する。
まず、位相の観点から説明する。
図６は、比音響インピーダンス比ζと、位相変化量φとの関係を表すグラフである。このグラフにおいて、横軸は、比音響インピーダンス比ζの実数部であるｒ＝Ｒｅ（ζ）を表し、縦軸は、比音響インピーダンス比ζの虚数部であるｘ＝Ｉｍ（ζ）を表す。図６において、ζ＝∞となる点では、原点からの距離が∞である。このときは、上記完全反射が生じて位相変化量φは０°となる。
【００３１】
図６にハッチングで示した領域では｜ζ｜＜１となり、位相変化量φは９０°よりも大きい。この条件を満たす場合、｜ζ｜の値が小さくなるほど位相変化量φは±１８０°に近づく。より具体的には、ｘ＝Ｉｍ（ζ）＞０であれば位相変化量φは１８０°に近づいていき、ｘ＝Ｉｍ（ζ）＜０であれば位相変化量φは−１８０°に近づいていく。また、横軸上の点であり、０≦Ｒｅ（ζ）＜１、且つＩｍ（ζ）＝０となる場合は、上記完全共鳴が生じて位相変化量φは±１８０°となる。このように、図６に示すグラフにおいてハッチングで示した領域であり、原点を中心とした半径が「１」の円の内側の領域（ただし、線上の領域を含まない。）で表されるζの値の場合には、入射波と反射波との位相干渉による吸音効果を、特に効果的に奏する。一方、例えば図６に破線で図示した領域のように、｜ζ｜の値が１以上となる場合には、位相変化量φが９０°よりも小さい。この領域においては、吸音効果を奏するが、｜ζ｜の値が１未満となる場合よりは位相干渉による吸音効果は低くなる。一方、上記散乱効果については、開口部１４から放射する反射波と、反射面２００から放射する反射波とに同位相でない位相差があり、特に逆位相の関係に近いほど、より顕著にその効果を奏すると考えられる。よって、この音の散乱においては、｜ζ｜の値が１以上となる場合にもその効果を奏するが、｜ζ｜＜１となることが好ましく、更に好ましくは、｜ζ｜が０に近く、すなわち位相変化量φが±１８０°に近い条件が実現されるとよい。
【００３２】
以上のとおり、吸音・散乱効果を奏するための共鳴現象においては、φ＝±１８０°となるように、Ｉｍ（ζ）＝０となることが理想的であるが、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という関係を満たしており、すなわち｜ζ｜の値が１未満となっていれば、吸音・散乱効果を効果的に奏する。また、｜ζ｜の値が１未満となる条件下において、より好ましくは、１３５°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１３５°という条件を満たし、更に好ましくは１６０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−１６０°という条件を満たしているとよい。
【００３３】
続いて、振幅の観点から説明する。
図７は、比音響インピーダンス比ζと、複素音圧反射係数の振幅｜Ｒ｜との関係を示すグラフである。図７には、｜Ｒ｜＝０．０，０．１，０．３，０．５，０．７，０．８，０．９，１．０という各値をとるときのＲｅ（ζ）及びＩｍ（ζ）の値を示す。図７に示すように、Ｒｅ（ζ）＝１で、且つＩｍ（ζ）＝０の場合、｜Ｒ｜＝０となり、振幅が０で極小となる。つまり、上記完全吸音が生じており、反射波は生じない。
図７に破線で示した領域は、図６を用いて説明した｜ζ｜＝１となる領域を表す。この内側の領域（ただし、線上の領域を含まず。）においては、共鳴現象より、入射波と反射波との間に９０°〜１８０°の位相差が生じている。また、この領域では、｜Ｒ｜＞０であるから反射波の振幅が０を超えている。
【００３４】
続いて、縦軸上の位置であり、Ｒｅ（ζ）＝０となる場合、Ｉｍ（ζ）の値とは無関係に｜Ｒ｜は１．０となる。このとき、入射波と同じ振幅の反射波が放射されるので、振幅の観点からは、入射波と反射波との位相が異なる条件下において、吸音・散乱効果を奏するためには最も好ましい。図７から分かるように、Ｒｅ（ζ）＜１である条件では、Ｉｍ（ζ）を仮に一定とした場合に、Ｒｅ（ζ）の値が小さいほど｜Ｒ｜の値が大きくなっている。つまり、比音響インピーダンス比ζの実数部Ｒｅ（ζ）の値が小さく、特に、その値がほぼ０である場合には、Ｉｍ（ζ）の値に関係なく反射波の振幅が大きいから、位相干渉によって効果的に吸音・散乱効果を奏する。
【００３５】
中空部材１０において、開口部１４は，中間層１３を介して共鳴体１１，１２と接続されているので、開口部１４の位置における、共鳴体１１，１２の各々の共鳴周波数付近では、｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる。よって、この場合、開口部１４からの反射波の位相は入射波に対して９０°以上変位する。そして、例えばＲｅ（ζ）＝０．３０である場合、反射波の振幅｜Ｒ｜＝０．５４であるから、入射波の振幅に対して１／２以上の振幅の反射波が放射される。このように、開口部１４のＲｅ（ζ）及びＩｍ（ζ）がともに十分に小さい場合には、開口部１４に近接する反射面２００からの反射波に対して、開口部１４からは振幅が十分に大きく、且つ位相変化の大きな反射波が得られる。理想的には、Ｒｅ（ζ）＝０、且つＩｍ（ζ）＝０となれば、｜Ｒ｜＝１．０となり、入射波と反射波との振幅が同じになる上記完全共鳴が実現されるとよいと言えるが、｜Ｒ｜が１．０未満である場合について詳述すると、以下のとおりである。
【００３６】
例えば｜Ｒ｜＝０．５の場合、およそ１／４のエネルギーが開口部１４から放射されて、この場合も、吸音・散乱効果をさらに良好に奏する。例えば、Ｉｍ（ζ）＝０である場合には、Ｒｅ（ζ）≒０．３３５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ１３９．０２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。より好ましくは、｜Ｒ｜＝０．７という条件を満たしているとよく、この場合、およそ１／２のエネルギーが開口部１４から放射され、上述の効果をより一層強く奏する。例えばＩｍ（ζ）＝０であれば、Ｒｅ（ζ）≒０．１７５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ７２．６２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。さらに好ましくは、｜Ｒ｜＝０．９という条件を満たしているとよく、この場合、およそ４／５のエネルギーが開口部１４から放射され、吸音・散乱効果をより顕著に奏する。例えばＩｍ（ζ）＝０であれば、Ｒｅ（ζ）≒０．０５５であり、比音響インピーダンスの実数部の値は、およそ２２．８２５Ｋｇ／ｍ2・ｓｅｃ以下となる。
例えば、好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．７の場合には、図７に示したように、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．１７５以下となるし、さらに好ましい態様である｜Ｒ｜≧０．９である場合には、Ｒｅ（ζ）はおよそ０．０５５以下となるから、これらの結果にかんがみても、Ｒｅ（ζ）の値をほぼ０とするように本発明の音響構造体を構成することが、良好な吸音・散乱効果を奏するために好適であることが分かる。
【００３７】
ところで、上述した式（４）の関係からも分かるように、境界面１１１及び１２１の面積Ｓpと開口部１４の面積Ｓoとの面積比Ｓo／Ｓp（面積比＝ｒs）を変化させることにより、比音響インピーダンス比ζの絶対値｜ζ｜は変化する。
図８は、ｌ1＝３００ｍｍ，ｌ2＝４８５ｍｍとした場合の、比音響インピーダンス比ζの虚数部の絶対値｜Ｉｍ（ζ）｜の周波数特性を示したグラフである。図８は、ｒs＝０．２５，１．０，４．０とした場合の、それぞれの｜Ｉｍ（ζ）｜の計算値を示している。
ここで｜Ｉｍ（ζ）｜を示した理由は、図６に示したように、｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる範囲では、９０°≦φ≦１８０°又は−１８０°≦φ≦−９０°という値をとるから、図８中でこの範囲を視覚的に分かるようにするためである。なお、｜Ｉｍ（ζ）｜＝∞となるのは、反共鳴（反共振）が生じるときであり、この周波数を境界として、その周波数の両側でＩｍ（ζ）の符号が反転する。
【００３８】
図８から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓpが、開口部１４の面積Ｓoに対して大きく、すなわち面積比ｒsが小さいほど、０≦｜Ｉｍ（ζ）｜＜１となる周波数帯域が広くなる。また、面積比ｒsが小さいほど、Ｉｍ（ζ）＝１．０の直線と、Ｉｍ（ζ）を表すグラフとによって囲まれる領域の面積が大きい。つまり、開口部１４に入射する入射波に応じて、共鳴現象が生じるとみなせる周波数帯域が広くなり、且つ完全共鳴（ζ＝０）に近い共鳴現象がより広い周波数帯域で発現する。
【００３９】
また、面積比ｒs＜１．０とすれば、例えば面積比ｒs＝１．０となる従来構成の音響管に対して上記作用効果の度合いが大きくなる。好ましくは、面積比ｒs≦０．５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．２倍もの大きさに広がり、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が、従来のおよそ半分以下になっていることを、発明者らは確認した。更に好ましくは、面積比ｒs≦０．２５とすれば、上記領域面積が従来の音響管のおよそ１．５倍もの大きさに広がっており、｜Ｉｍ（ζ）｜の値が、従来のおよそ１／４以下となる。
以上のように、音響構造体１にあっては、例えば面積比ｒsの設定により、開口部１４における比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜が｜ζ｜＜１となるようにし、ζの実数部ｒがほぼ０となるようにすれば、共鳴現象によって効果的に吸音・散乱効果を奏する。
【００４０】
さて、中空部材１０にあっては、中間層１３や開口部１４に抵抗材などの気体（媒質）粒子の運動を阻害する部材が設けられていない。また、面積比ｒsの設定によって、共鳴体１１，１２の共鳴により境界面１１１，１１２において生じる粒子速度の和よりも大きな粒子速度を、開口部１４において生じさせることができる。例えばこれらの作用によって、開口部１４において、比音響インピーダンス比ζの実数部ｒがほぼ０とされる。上述のように、理想的にはζの実数部ｒは０であることが好ましいが、厳密に０でない場合であっても、開口部１４の位置付近の吸音領域で位相干渉による吸音が発現するとともに、その吸音領域の近傍では大きな粒子速度が発生し、音が散乱する。
なお、ここで説明する比音響インピーダンス比ζの実数部ｒをほぼ０とするための条件は、あくまで一例である。
【００４１】
図９は、０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの周波数帯域において、｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満になる周波数割合と面積比ｒsとの関係を示したグラフである。図９（ａ）は、横軸を｜Ｉｍ（ζ）｜とし、縦軸を周波数割合［％］及び位相変化量［°］としたグラフであり、図９（ｂ）は横軸を面積比ｒsとし、縦軸を周波数割合［％］としたグラフである。なお、図９（ａ）には、｜Ｉｍ（ζ）｜ごとの反射波の位相変化量の下限を点線グラフで表している。この周波数割合とは、０Ｈｚから１０００Ｈｚという周波数帯域の帯域幅に対する、｜Ｉｍ（ζ）｜が上記或る値となる帯域幅の占める割合をいう。ここで、｜Ｉｍ（ζ）｜の上記或る値を、それぞれ０．１，０．２，０．４，０．６，０．８，１．０とする。
なお、図９においては、Ｒｅ（ζ）＝０とした計算結果を表し、ここでもｌ1＝３００ｍｍ，ｌ2＝４８５ｍｍとしている。
【００４２】
図９（ａ）から明らかなように、面積比ｒsが小さいほど(つまり、開口部１４の面積が小さいほど)、反射波の位相変化量が或る一定値以上大きくなる割合が増している。例えば、ｒs＝０．２５の場合には、｜Ｉｍ（ζ）｜＜０．２となる周波数割合はおよそ７０％である。一方、従来方式であるｒs＝１．０の場合の同周波数割合はおよそ２７％であり、例えば位相変化量が１５７．４度以上である周波数帯域は約３倍もあることが分かる。また、例えば｜Ｉｍ（ζ）｜が或る値未満となる周波数割合は、面積比ｒsが小さいほど増加している。
以上の図９の結果からも、面積比ｒsが小さいほど反射波の位相変化量が大きくなる周波数帯域が増していることが分かる。
続いて、吸音・散乱効果を奏するための作用について説明する。
【００４３】
図１０は、中空部材１０の開口部１４から放射する反射波と、反射面２００が放射する反射波とを説明する図である。共鳴体１１，１２の共鳴周波数の入射波が入射したときには、開口部１４は入射波と位相が異なる反射波を放射する。ここで、ζ＝０とみなせば、入射波と逆位相の反射波（逆相反射波）が開口部１４から放射する。一方、反射面２００が剛体（ζ＝∞）であると仮定すれば、反射面２００は入射波と同位相の反射波（正相反射波）を放射する。また、開口部１４と反射面２００とは平行でない関係にあるから、開口部１４及び反射面２００の近傍の空間において、これらの面からの反射波は互いに交差するように進行し、互いに干渉する。
【００４４】
音響構造体１の吸音、及び音の散乱に係る作用についてより具体的に説明する。
図１１は、共鳴時における中空部材１０の開口部１４周辺の反射波の挙動を説明する図である。ここでは、説明を簡単にするために、反射面２００及び開口部１４からの反射波の進行方向が同じものとして図示しているが、互いの反射波が交差するように進行した場合もこれと同質の現象が生じる。ここでは、入射波の音圧が極大となる「山」が反射面２００及び開口部１４に到達し、それに応じた反射波が生成される様子を示している。また、ここでは、開口部１４の比音響インピーダンス比ζ＝０であり、上述した“完全共鳴”が生じるものとする。また、同図には、反射波を実線と破線とで示しているが、実線は、反射波の音圧が極大となる「山」の位置を表しており、破線は、音圧が極小（「山」とは逆位相）となる「谷」の位置を表している。
【００４５】
中空部材１０の中空領域２０に対し、共鳴周波数の入射波が開口部１４に入射すると、共鳴によって生じる反射波として、入射波に対して位相が１８０度変位した反射波が、開口部１４からｚ方向に向かって放射される。よって、このとき、開口部１４での反射波は「谷」となり、そこでの音圧は極小となる。一方で、中空部材１０は、上述したように剛性率の高い材質のもので形成されているから、その比音響インピーダンス比はかなり大きい。よって、反射面２００から放射される反射波の位相は、入射波の位相に対してほとんど変位しない（図１１の領域Ｃ３，Ｃ４）。反射面２００を剛体とみなすと、上述した“完全反射”が生じ、反射面２００から放射される反射波の位相は、入射波ｐ0の位相に対する変位がゼロで、入射波と同位相の反射波となる。すなわち、開口部１４の比音響インピーダンス比ζがゼロで完全共鳴し、反射面２００の比音響インピーダンス比が∞で完全反射した場合には、開口部１４からの反射波と反射面２００からの反射波とは、振幅が互いに同一で、互いの位相が１８０度異なる関係となる。この現象により、開口部１４及び反射面２００付近の外部空間では、図１１に楕円で示したように、反射面２００からの反射波と開口部１４からの反射波とが互いに隣接し、領域Ｃ１，Ｃ２では、両者の反射波の位相が不連続となる現象が発生する。
【００４６】
以上の現象が発生することにより、吸音効果は、開口部１４付近の領域で共鳴現象により形成された吸音領域で主に奏する。一方、散乱効果は、反射面２００に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって、吸音領域の周辺で主に奏するものである。より具体的には、この相互作用により、開口部１４付近では気体分子の流れが生じることで、散乱効果を奏すると考えられる。このように、開口部１４からの反射波と反射面２００からの反射波とは、それらの位相角度が異なり、その位相差に応じて異なる現象が領域Ｃ１〜Ｃ４という近接した空間で発現するので、音響構造体１によれば、吸音・散乱効果を奏するための音響現象が同時に発現すると考えられる。
【００４７】
さらに、上記式（３）に示す関係から分かるように、境界面１１１，１２１の面積Ｓpが、開口部１４の面積Ｓoに対して大きい（すなわち、面積比ｒsが小さい）ほど、開口部１４での粒子速度ｕ0は大きくなる。よって、２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たすことにより、開口部１４付近で気体分子の振動が更に増大して、その付近の外部空間での吸音・散乱効果がより一層高まる。
また、式（４）から分かるように、比音響インピーダンス比ζは、中間層１３の寸法に依存するから、反射面２００における反射波と、開口部１４における反射波との位相差の関係も、面積比ｒsに依存する。反射面２００が完全反射して、共鳴体１１，１２が完全共鳴する場合に、中間層１３に音圧分布のばらつきが生じない理想的な状態であれば、反射面２００における反射波と開口部１４における反射波とは逆位相の関係となる。また、中間層１３に微小な音圧分布のばらつきが生じていたとしても、両者の反射波がほぼ逆位相の関係になるように中間層１３が構成されていれば、吸音・散乱効果を奏する。
このようにして、反射面２００に近接して開口部１４が位置するように中空部材１０が配置されることで、音響構造体１は構成される。
【００４８】
以上の説明から、この実施形態において、開口部１４と反射面２００とが「近接」したときの距離は、反射面２００が外部空間からの入射波に応じて反射波を放射するときに、開口部１４にもその入射波が入射して共鳴体（ここでは、共鳴体１１，１２）が共鳴する反射面２００と開口部１４との距離であって、反射面２００に入射する入射波と反射波との干渉と、開口部１４に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との干渉が相互作用する距離である。つまり、以上の音響現象が発現するような反射面２００からの距離の範囲内に開口部１４が位置するよう、中空部材１０の配置が決定されるとよい。
【００４９】
以上説明した音響構造体１によれば、反射面２００に入射する入射波と反射波との位相干渉と、開口部１４付近に入射する入射波と共鳴により生じる反射波との位相干渉との相互作用によって、反射面２００及び開口部１４に直交しない斜め方向に気体分子の運動エネルギーの流れが発生して散乱効果を奏する。更に、共鳴現象により開口部１４付近の外部空間において、開口部１４からの反射波が、開口部１４への入射波を位相差により振幅を打ち消すことによる吸音効果も奏する。これにより、広い周波数帯域で、開口部１４付近の広い領域で吸音効果を奏し、音を散乱させる効果を奏する。特に、Ｓp＞Ｓoという関係を満たしていると、開口部１４での比音響インピーダンス比ζがさらに小さくなり、吸音効果を奏する周波数帯がさらに広くなるので、吸音・散乱効果をより一層高めることができる。
【００５０】
また、音響構造体１の厚さ方向（ｚ方向）の大きさは、共鳴周波数の波長に比べてかなり小さく、音響構造体１の設置空間を大幅に狭めてしまうことはない。また、音響室の天井や壁面、床面等の既存の反射面２００に細長い管状の中空部材１０を取り付ければ音響構造体１が構成されるので、その設置が容易であるとともに、取り付け位置の制約を受けにくい。また、反射面２００は反射性の材料で成っていればよく、中空部材１０自体が反射性を有していなくてもよいから、中空部材１０の材料の選択の幅も広い。また、音響構造体１には、抵抗材等の気体分子の振動を抑制する部材を用いず、高い粒子速度を生じさせることで吸音・散乱効果が得られるようにしており、開口部１４から離れた位置での吸音効果にも優れている。
【００５１】
［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態で実施することが可能である。また、以下に示す変形例は、各々を適宜に組み合わせてもよい。
なお、以下の説明において、上述した第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付して表すとともに、対応する構成には末尾に「ａ」〜「ｈ」というアルファベットの符号を付して表し、その説明を省略することがある。また、音響室を構成する天井や壁面、床面は、本発明の反射面に相当し、いずれも反射性の材料で構成されている。すなわち、これらは実施形態の反射面２００と同等の機能を実現するものである。
［変形例１］
上述した実施形態では、音響構造体１において、中空部材１０の内部に中空領域２０が形成されていたが、図１２に示す音響構造体１ａのように、筐体の一例としてコ字状部材１０ａを用いてもよい。コ字状部材１０ａは、延在方向に直交する平面で切断した場合の断面形状が「コ」字状で、その内部に空間を有する部材である。コ字状部材１０ａは、開放する側方が反射面２００により塞がれるようにして、反射面２００に取り付けられている。これにより、コ字状部材１０ａ及び反射面２００により囲まれた空間には、中空領域２０ａが形成される。また、コ字状部材１０ａの反射面２００に対して平行でない側面（ここでは、垂直な側面）には、開口部１４ａが設けられている。開口部１４ａは、中空領域２０ａを外部空間に通じさせる。このように、中空領域が、筐体及び反射面により囲まれた空間に形成される場合でも、実施形態と同等の作用により、吸音・散乱効果を奏する。また、中空領域の延在方向に沿って、中空部材の側方が開放している部材であれば、断面形状が「コ」字状以外であっても構わない。
【００５２】
また、中空領域２０ａを延在方向に直交する平面で切断した場合の断面形状は矩形でなくてもよく、例えば図１３（ａ）に示すように三角形であってもよいし、図１３（ｂ）に示すように略円形であってもよい。中空領域の断面形状はその他の形状であってもよいが、いずれの場合であっても、開口部１４ａが反射面２００と平行でないようにされている。
また、図１３（ｃ）に示すように、音響室の入隅部を利用して、音響構造体を構成してもよい。ここでは直方体（或いは立方体）の音響室において、天井Ｃと壁面Ｗとによって、ｘｚ平面で切断したときの断面形状が「Ｌ」字型の入隅部が構成されているとする。筐体たる板状部材１０ｂは、ｙ方向に延在しており、板状部材１０ｂの内部の空間であって、天井Ｃ、壁面Ｗ及び板状部材１０ｂにより囲まれる空間（中空領域２０ｂ）の断面形状が三角形となるように、板状部材１０ｂは天井Ｃ及び壁面Ｗに取り付けられている。また、中空領域２０ｂは、開口部１４ｂを介して外部空間に通じており、ここでも開口部１４ｂが反射面２００に平行とならないようされている。このような構成の音響構造体１ｂにおいても、天井Ｃ及び壁面Ｗがそれぞれ反射面２００となって、そこからの反射波と開口部１４ｂからの反射波との関係により、吸音・散乱効果を奏する。
【００５３】
［変形例２］
音響室の壁面には利用者が出入りするためのドア（建具）が設置されるから、このドアのドア枠（建具枠）を利用して本発明の音響構造体を構成してもよい。
図１４は、この変形例に係る音響構造体１ｃを表した図である。図１４（ａ）はドア枠３００が設けられた壁面Ｗの周囲（天井、壁面及び床面）の様子を表した図であり、ここではドアＤが閉じられたときの様子を表している。図１４（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）に示す矢印IV、V、VIの各方向にドア枠３００を見たときの様子を表した図である。
壁面Ｗには矩形状のドア開口部が設けられている。そして、図１４（ａ）に示すように、ドア開口部の内周に沿って３つの中空部材１０が設置されており、これらが床面側が開口側となるように「コ」字状に配置されることにより、ドア枠３００は構成されている。図１４（ｂ）〜（ｄ）に示す点線は、中空領域２０の位置を表す。
このように、ドア枠により本発明の音響構造体を構成すれば、音響室において音響構造体をさらに目立たなくすることができ、建造物の美観を保つためにも好適である。また、ドア枠以外にも、引き戸やふすま等を設置するための開口部に設ける枠や、窓枠（サッシ枠）、絵画や写真等を収める額（枠）等を、上記中空部材を用いて構成してもよい。つまり、開口部等の所定の領域を囲う枠（枠組み）として木や金属等の部材を用いることがあるが、この部材に代えて、上記の中空部材１０を用いて音響構造体１ｃを構成することができる。
【００５４】
［変形例３］
また、音響室の入隅部を利用して、図１５に示すようにして音響構造体を構成してもよい。ここでは、直方体（又は、立方体）の音響室に音響構造体１ｄが構成されるものとする。この音響室では、天井Ｃと壁面Ｗ１，Ｗ２という３つ面が交点Ｐにおいて接し、且つ、これら各面が互いに直交するように入隅部が構成されている。音響構造体１ｄは、断面形状が三角形の角筒状の３つの中空部材１０ｄを有する。中空部材１０ｄは、一端側が閉じて他端側が開口した中空領域２０ｄを有し、いわゆる一端開口の管状部材である。ここでは中空部材１０ｄの側面は開口しておらず、一方の底面のみに開口部１４ｄが設けられている。３つの中空部材１０ｄはそれぞれ、天井Ｃ、壁面Ｗ１及びＷ２どうしの境界線（すなわち、稜線ｌ１〜ｌ３）に接するように配置されている。また、各中空部材１０ｄの開口部１４ｄは、稜線ｌ１〜ｌ３が互いに交わる交点Ｐの方向に向くように配置されている。このような構成の音響構造体１ｄにおいて、３つの中空部材１０ｄの開口部１４ｄ間にはハッチングで示した位置に空間領域が構成され、この空間領域が、上述した実施形態の中間層１３に相当する。これにより、実施形態と同等の作用により、音響構造体１ｄによる吸音・散乱効果を奏する。
なお、音響構造体１ｄにおいて、３つの中空部材１０ｄが一体成形された部材であってもよいし、天井及び壁面が交差する角度によっては、これらが互いに直交するように配置されていなくてもよい。また、床面及び壁面からなる入隅部に音響構造体１ｄが構成されてもよい。
【００５５】
［変形例４］
本発明の音響構造体は、音響室に設置される照明装置により構成されてもよい。図１６は、この変形例に係る照明装置４００を示した図である。図１６（ａ）は、照明装置４００を水平方向に見た図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の照明装置４００を切断線VII-VIIで切断したときの断面を表した図である。
図１６に示すように、照明装置４００は、直管形蛍光器具であり、点灯装置４１０、反射板４２０、２対のソケット４３０、及び２つの蛍光灯４４０、及び中空部材１０を備える。点灯装置４１０は、例えばインバータ装置等の点灯用部品を有し、天井Ｃに固定されている。点灯装置４１０は、商用電力を用いて図示せぬ電力線を介してソケット４３０に給電して蛍光灯４４０を点灯させたり、給電を停止して蛍光灯４４０を消灯させたりする。反射板４２０は、断面形状が略「Ｖ」字型に構成されており、例えばアルミ基材に表面処理を施した反射性に優れた部材であり、蛍光灯４４０が放射する光を音響空間に向けて反射するものである。ソケット４３０は、各対について、対向面に蛍光灯４４０を着脱自在に支持するとともに、蛍光灯４４０に電圧を負荷する図示せぬピン受けが設けられている。蛍光灯４４０は直管形蛍光灯であり、照明装置４００に対して着脱自在である。中空部材１０は、照明装置４００の内部の空間であって、反射板４２０及び天井Ｃにより囲まれた空間に設けられている。中空部材１０は、その延在方向と、蛍光灯４４０の長手方向とが平行となるように配置されている。中空部材１０の開口部１４は、天井Ｃと反射板４２０との間において、反射板４２０に開けられた開口孔４２１を介して外部空間に通じている。
このように、この変形例の音響構造体１ｈは、照明装置４００に設けられた中空部材１０を備え、開口部１４が天井Ｃに近接するように配置される。この構成により、外部から中空部材１０がほとんど目視されないので、音響室の美観を損なうこともないし、音響空間を狭めることもほとんどない。また、照明装置４００に中空部材１０が一体化されるように構成しておけば、特殊な建築技法を用いなくとも、音響構造体１ｈを容易に建造物に構成することができる。
また、換気扇等の天井に設置する他の器具に中空部材１０を組み込んで、本発明の音響構造体を構成してもよい。
【００５６】
［変形例５］
図１７に示すように、中空部材１０をアップライトピアノ５００内に収容して、音響構造体を構成してもよい。音響室にアップライトピアノ５００を設置する場合、アップライトピアノ５００の筐体を音響室の壁面に接触させたり、それに近接して設置したりすることが多い。この場合、アップライトピアノ５００を演奏したときに発生する演奏音（特に、低音）が壁面を伝搬して、騒音問題となることがある。そこで、図１７に示すように、アップライトピアノ５００の内部に中空部材１０を収容しておく。アップライトピアノ５００の筐体には、音響室に設置されたときに、壁面や床面に近接する位置に孔５１０が開けられる。孔５１０は、中空部材１０の開口部１４を外部空間に通じさせるもので、孔５１０及び開口部１４を介して、外部音は中空部材１０の中空領域２０に進入する。このような構成の音響構造体では、壁面や床面、アップライトピアノ５００の筐体が本発明の反射面となり得る。この構成の音響構造体によれば、音響室の美観を損なうこともないし、音響構造体の設置により音響空間を狭めることなく、低音を含む演奏音に対して吸音・散乱効果が得られる。
このように、アップライトピアノ５００は、筐体内の中空部材１０の中空領域２０を、外部空間に連通させる孔５１０を備えた筐体を有している。アップライトピアノ５００は、入射する音波に応じた反射波を放射する反射面（壁面など）に対して、孔５１０が平行とならないように設置される。
この構成において、アップライトピアノに限らず、グランドピアノや電子ピアノ等の別のタイプのピアノに設けてもよいし、オルガンやエレクトーン等の設置型の鍵楽器に設けてもよい。また、これと同様の構成を採用すれば、例えば、テーブル、イス、ソファー、食器棚、什器、テレビやラジオ、洗濯器等の電気機器のキャビネット、パーテション等の音響空間に設置される家具や機器等の様々な物品を用いて音響構造体を構成することができる。
【００５７】
［変形例６］
本発明の音響構造体において、吸音・散乱効果を奏する周波数域は、上述したように中空領域の寸法に依存する。そこで、その効果を奏する周波数帯域を調整可能とする構成を備えてもよい。
図１８は、この変形例に係る伸縮可能な中空部材を例示する断面図である。
この中空部材は、第１部材１０１ｅと、第２部材１０２ｅと、第３部材１０３ｅにより構成されており、これらの各部材は円筒状に構成されている。また、中空部材の内部には中空領域２０ｅが構成されている。第１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅは、例えば、螺子山を設けるなどして、第２部材１０２ｅ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１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅは、第２部材１０２ｅ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。この移動により、中空領域２０ｅの寸法が変わり、吸音・散乱効果を奏する周波数帯は変化する。
なお、この構成においては、第１部材１０１ｅ及び第３部材１０３ｅが自然に移動することがないように構成されていることが望ましい。これ以外にも、中空領域２０ｅの寸法を可変にする公知の構成を採ることができる。
【００５８】
［変形例７］
上述した実施形態では、音響構造体１の中空部材１０は、２つの共鳴体１１，１２を備える構成であったが、共鳴体を１つだけ備える構成としてもよい。図１９は、本変形例の音響構造体を成す中空部材１０ｆの断面（図１の切断線III−IIIと同じ方向の断面）を表した図である。
図１９（ａ）に示すように、中空部材１０ｆは、ｙ方向に延在する中空領域２０ｆを有し、閉口端である端部１１２ｆから中間層１３ｆまでの間に共鳴体１１ｆが構成されている。また、中空部材１０ｆの他端の端部１２２ｆに接する側面部には、開口部１４ｆが設けられる。このような音響構造体によれば、音響構造体のサイズをさらに小さくすることができるという利点がある。図１９（ｂ）は、共鳴体が共鳴したときの中間層の挙動を説明する図である。図１９（ｂ）に示すように、実施形態と同じ作用によって中間層１３ｆは振る舞い、吸音・散乱効果を奏する。
【００５９】
［変形例８］
また、中空部材の構成を以下のようにしてもよい。
図２０は、この変形例の中空部材を、図１の切断線III−IIIと同じ方向に切断したときの断面を表している。
図２０に示すように、中空部材１０ｇは両端が閉じているとともに、その両端付近には開口部１４２ｇ，１４３ｇがそれぞれ設けられている。さらに、ｙ方向に対する中心付近の位置には開口部１４１ｇが設けられている。また、各開口部どうしの間に、中空領域をｙ方向に複数の中空領域に隔てるための隔壁１５１ｇ，１５２ｇが設けられ、その中空領域２０ｇの延在方向に対して、互いに隔絶された３つの中空領域が形成されている。ここで、隔壁１５１ｇ，１５２ｇは、中空部材１０ｇと一体成形されていてもよいし、別の部材であってもよい。このような構成の中空部材１０ｇにおいて、その一方の端部側には、中空部材１０ｇの端部１６１と共鳴体１１ｇとの間に中間層１３１ｇが構成され、他端部側には、中空部材１０ｇの端部１６２と共鳴体１２ｇとの間に中間層１３２ｇが構成されている。また、中空部材１０ｇの中央部であって、隔壁１５１ｇと隔壁１５２ｇとの間に形成された中空領域においては、隔壁１５１ｇと中間層１３３ｇとの間に共鳴体１６ｇが構成され、隔壁１５２ｇと中間層１３３ｇとの間に共鳴体１７ｇが構成されている。
このように、中空部材１０ｇにおいては、隔壁により、中空領域がその延在方向に対して複数の中空領域に隔絶されて、中空部材の端部と中間層との間に共鳴体が構成され、隔壁と中間層との間に共鳴体が構成される。この構成によれば、例えば、中空部材１０ｇには４つの共鳴体が存在するから、上述した実施形態で述べた構成よりも多い共鳴体を確保することができる。よって、このような音響構造体１ｇによれば、音響構造体１よりも、さらに広い周波数帯での吸音・散乱効果を得ることができる。また、中空部材１０ｇにおいて、隔壁の数を更に多くして、中空部材が更に多くの数の中空領域を備えるようにしてもよい。
【００６０】
［変形例９］
上述した実施形態の中空部材１０は、２つの共鳴体１１，１２の中心軸が中心軸ｙ0を共有する構成であったが、各共鳴体の中心軸が共通しなくてもよく、例えば、「Ｌ」字型や「Ｖ」字型をなすように所定の角度をなしてもよい。また、中空部材は、中間層１３にさらに多くの共鳴体が面するように構成されていてもよい。また、各共鳴体が同一平面（ｘｙ平面）上に構成されていなくてもよく、各共鳴体の延在方向はｘｙｚ空間内においてどの方向であってもよい。
【００６１】
［変形例１０］
上述した実施形態では、中空部材１０の端部１１２，１２２は共に閉じた構成となっているが、両端部の一方、或いは両方が開いた構成（いわゆる、開管）なっていてもよい。端部１１２，１２２が共に開口端である場合には、両端が開口した中空領域を有する構成の共鳴体１１，１２の共鳴周波数に対する波長λ1，λ2は、共鳴体１１，１２のｙ方向の長さｌ1、ｌ2を用いると、式（５）の関係を満たす。なお、ここでも開口端補正を無視しており、ｎは１以上の整数である。
ｌi＝ｎ・λi／２ （ｉ＝１，２） ・・・（５）
【００６２】
端部１１２，１２２が開口端である場合、式（５）に示すように、共鳴体１１，１２の長さｌ1、ｌ2は、共鳴周波数に対応する波長λ1，λ2の１／２の整数倍の長さとなるから、この場合も、意図する共鳴周波数となるよう中空部材１０は設計される。
【００６３】
［変形例１１］
上述した実施形態では、中空部材１０が２Ｓp／Ｓo＞１という関係を満たすように構成されていたが、この関係を満たしていなくてもよい。これ以外の関係であっても、開口部１４において比音響インピーダンス比ζの実数部がほぼ０であれば、上述した実施形態と同等の作用により、吸音・散乱効果を奏する。
また、開口部１４は、音圧透過性及び通気性（粒子速度透過性）があって、抵抗成分が媒質（空気）の固有音響抵抗に対して十分小さい不織布状の布材や、ネット、メッシュ等によって覆われていてもよく、開口部１４を介して外部空間及び中空領域２０の間を音波が伝搬するように構成されていればよい。
上述した実施形態では、中空部材１０は、音響室の内壁面や天井に設置されていたが、壁面内部や天井内部に埋め込まれることにより設置されていてもよい。また、平板状の支持パネル上に、中空部材１０を配置するようにしてもよい。この構成において、支持パネルの表面が反射面２００に相当する。また、支持パネルにキャスタ等の移動手段を取り付けて移動可能にしてもよい。
【００６４】
［変形例１２］
上述した実施形態では、中空部材１０は角筒状の部材であったが、円柱状や底面が多角形の柱状に構成されていてもよく、その形状は前掲のものに限定されない。
また、中空領域を中心軸に対して垂直に切断したときの断面も、円状や多角形状であってもよく、その形状も実施形態で述べたものに限定されない。また、中空領域２０をｘｚ方向で切断したときの断面の形状も他の形状でもよいし、延在方向に対して一様の形状でなくてもよい。
また、上述した実施形態の音響構造体１では、開口部１４が反射面２００に対して平行とならないように構成されていたが、これらは平行であってもよい。この構成であっても、図１１に示すような音響現象が発現して、上述した実施形態と同等の吸音・散乱効果を奏すると考えられる。
【００６５】
［変形例１３］
上述した実施形態では、共鳴体１１，１２の長さｌ1＝ｌ2としたときに、境界面１１１における粒子速度ｕ1と、境界面１２１における粒子速度ｕ2とは同位相の関係で変化すると述べた。これにより、或る周波数帯での開口部１４の気体分子の粒子速度を大きくし、その周波数帯での吸音・散乱効果を増大させることには好適である。これに対し、共鳴体１１，１２の長さｌ1≠ｌ2でとした場合には、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となり、吸音・散乱効果を奏する周波数帯が広がる。この場合、式（４）に示す関係に基づいて、開口部１４の比音響インピーダンス比ζが周波数の変化に対して不規則に変化する。これにより、ひとつひとつの比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となる周波数帯は、ｌ1＝ｌ2の場合よりも狭くなることがあっても、その条件を満たす周波数帯を合算すると、ｌ1≠ｌ2である場合の方がその条件を満たす周波数帯が広くなる、ということである。このようになるのは、比音響インピーダンス比ζ＝０の完全共鳴だけでなく、比音響インピーダンス比の絶対値｜ζ｜＜１となって共鳴現象とみなせる現象を生じさせることで、音響構造体１が、吸音・散乱効果を奏するからこその効果ということもできる。また、この場合であっても、Ｓp＞Ｓoという条件をみなせば、ｕ0＞ｕ1＋ｕ2という、粒子速度の増大の効果が得られる。
【００６６】
［変形例１４］
上述した実施形態又は変形例に係る音響構造体は、中空部材１０と反射面とにより構成されていたが、これらは一体成形されていてもよい。特に、反射面を構成する部材と別体の筐体により共鳴体が構成されていなくてもよく、共鳴体の実現の方法は問わない。また、共鳴体を実現するための部材（例えば、実施形態の中空部材１０）が反射面として機能してもよい。この場合、共鳴体を実現するための部材の側面であって開口部に近接する側面が、本発明の反射面として機能する。
また、上述した実施形態又は変形例に係る音響構造体は、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。ここで各種音響室は、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等である。
【００６７】
［変形例１５］
本発明は、上記各構成の音響構造体の設計条件を算出する設計装置や、プログラム、当該プログラムを記録する記録媒体としても特定可能である。
図２１は、この設計条件を算出する設計装置６００のハードウェア構成を示すブロック図である。設計装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む演算装置やメモリを含む制御部６０１が、記憶媒体である記憶部６０２に記憶されている設計プログラムＰＲＧを実行することにより、特定の機能を実現するコンピュータである。
表示部６０３は、例えば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、制御部６０１の制御の下、設計装置６００を操作するための画面や制御部６０１の演算結果などを表示する。
操作部６０４は、設計装置６００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６００に対する各種入力が行われる。
記憶部６０２はハードディスク装置を備え、音響構造体の設計条件を算出する機能を実現するための設計プログラムＰＲＧを記憶している。
【００６８】
制御部６０１は、ユーザによる操作部６０４の操作に応じて、記憶部６０２に記憶されている設計プログラムＰＲＧを実行し、音響構造体の設計条件を算出するものである。例えば、実施形態の音響構造体１の構成を想定すると、制御部６０１は、開口部１４及び反射面２００に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、反射面２００が反射波を放射し、共鳴体が反射面２００からの反射波とは位相の異なる反射波を開口部１４から放射する条件の下で、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部を０に近づけさせるように、共鳴体１１，１２及び開口部１４の設計条件をそれぞれ算出する。例えば、この設計条件には、開口部１４の寸法や、共鳴体の寸法や形状、共鳴体の構成部材の材質（例えば、抵抗成分の大きさ）、音響構造体が構成される空間の媒質（通常は、空気）に関する条件が含まれる。上述のように、例えば、開口部１４の寸法が大きく、共鳴体の断面が小さいほど面積比ｒsが小さくなり、開口部１４における比音響インピーダンス比ζの実数部が０に近づくと考えられる、また、当該実数部の値は、開口部１４に抵抗材を設けないことでも小さくなる。また、当該実数部の値は、共鳴体の構成部材にも左右されるものであり、その部材と当該実数部の値との対応関係については、予め実験的に求めたものが用いられるとよい。
また、設計装置６００によって、比音響インピーダンス比ζの絶対値が１未満となるような設計条件が算出されるとより好適である。
また、反射面２００の材質や形状を設計プログラムＰＲＧの演算アルゴリズムに加えてもよく、要するに、上記吸音・散乱効果を奏する条件を実現するように、制御部６０１は演算を行うとよい。また、例えば、共鳴体の構成部材が決まっている場合もあるから、複数の設計条件のうちの一部がユーザにより指定されてもよい。
なお、上記音響構造体の設計条件を算出する設計装置や設計プログラムは、上述した各変形例の音響構造体の設計に用いられるものであってもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１…音響構造体、１０…中空部材、１１，１２…共鳴体、１１１…境界面、１２１…境界面、１３…中間層、１４…開口部、２０…中空領域、２００…反射面、３００…ドア枠、４００…照明装置、５００…アップライトピアノ、６００…設計装置、６０１…制御部、６０２…記憶部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、
前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面と
を備え、
前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、
前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部がほぼ０である
ことを特徴とする音響構造体。
【請求項２】
前記入射した音波に応じた反射波を前記反射面が放射し、前記共鳴体が前記共鳴による反射波を放射するときに、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の音響構造体。
【請求項３】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、
前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面と
を備え、
前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、
前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ
前記共鳴体の中空領域と前記開口部との間に音圧が一様に分布する気体層が構成され、前記開口部における媒質粒子の運動速度の絶対値は、当該中空領域と前記気体層との境界面における媒質粒子の運動速度の絶対値よりも大きい
ことを特徴とする音響構造体。
【請求項４】
コンピュータに、
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出させるためのプログラムであって、
前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出するステップを実行させるためのプログラム。
【請求項５】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出する算出手段であって、
前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出する算出手段を備えることを特徴とする設計装置。
【請求項１】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、
前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面と
を備え、
前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、
前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部がほぼ０である
ことを特徴とする音響構造体。
【請求項２】
前記入射した音波に応じた反射波を前記反射面が放射し、前記共鳴体が前記共鳴による反射波を放射するときに、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の絶対値が１未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の音響構造体。
【請求項３】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、
前記開口部に近接し、外部空間に面する反射面と
を備え、
前記開口部及び前記反射面に前記外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて前記反射面が反射波を放射するときに、
前記共鳴体は、前記入射した音波に応じて共鳴して、前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射し、且つ
前記共鳴体の中空領域と前記開口部との間に音圧が一様に分布する気体層が構成され、前記開口部における媒質粒子の運動速度の絶対値は、当該中空領域と前記気体層との境界面における媒質粒子の運動速度の絶対値よりも大きい
ことを特徴とする音響構造体。
【請求項４】
コンピュータに、
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出させるためのプログラムであって、
前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出するステップを実行させるためのプログラム。
【請求項５】
一方向に延在する中空領域が開口部を介して外部空間に通じている共鳴体と、外部空間に面し、前記開口部に近接する反射面とを備える音響構造体の設計条件を算出する算出手段であって、
前記開口部及び前記反射面に外部空間からの音波が入射し、入射した音波に応じて、前記反射面が反射波を放射し、前記共鳴体が前記反射面からの反射波とは位相の異なる反射波を前記開口部から放射する条件の下で、
前記開口部の比音響インピーダンスを当該開口部の媒質の特性インピーダンスで除した値の実数部を０に近づけさせるように、当該共鳴体、及び前記開口部の設計条件を算出する算出手段を備えることを特徴とする設計装置。
【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２０】
【図２１】
【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２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−２３１１９９（Ｐ２０１０−２３１１９９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７１８５（Ｐ２０１０−４７１８５）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【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１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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