JP5252699B2

JP5252699B2 - 広帯域吸音構造及び吸音材

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Publication number: JP5252699B2
Application number: JP2008165362A
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Inventors: 幹記矢入; 公博阪上
Original assignee: Kajima Corp
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Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-06-25
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Description

本発明は広帯域吸音構造に関し、とくに複数種類の吸音構造を組み合わせて吸音帯域幅を広げた吸音構造及び吸音材に関する。

従来から、建物内のコンサートホールや集会場等の屋内空間における音響改善、屋外の道路や線路等の周囲空間における騒音対策等を目的として、図１４に示す吸音構造ないし吸音材が利用されている（非特許文献１）。図１４（Ａ）は、薄いベニヤ板やカンバス等の非通気性の気密振動板（又は膜）７を吸音材として用いた板（又は膜）振動型吸音構造を示す。音響改善又は騒音対策を必要とする空間（以下、音場ということがある）の内部又は周囲の剛性壁に背後空気層を介して対向配置された気密振動板又は気密振動膜（以下、両者を纏めて気密振動板ということがある）７は、その板を質量とし背後空気層の弾性をバネとした質量−バネ振動系（単一共振系）を構成し、その共振周波数の音が入射するとよく振動し、その内部摩擦により音のエネルギーを消費して吸音する。同図（Ｃ）は、板（又は膜）振動型吸音構造による周波数毎の吸音率（＝１−（反射音の強さＩｒ／入射音の強さＩｉ））を示したグラフである。

図１４（Ｂ）は、空胴に孔があいた形の共鳴器（ヘルムホルツ共鳴器）１を吸音材として用いた共鳴型吸音構造を示す。共鳴器１の一例は、石膏ボード・合板等に数〜数十ｍｍの孔径のそれぞれ独立した貫通孔が穿たれた孔あき板、または特許文献１及び２が開示するように孔径０. １〜１ｍｍ程度の多数のそれぞれ独立した微細貫通孔が穿たれた孔あき板（ＭｉｃｒｏＰｅｒｆｏｒａｔｅｄＰａｎｅｌ；以下、微細穿孔板という）を用いたものである。音場内又は周囲の剛性壁に背後空気層を介して対向配置された微細穿孔板は、その貫通孔中の空気を質量とし背後空気層（同図の空胴に相当）の弾性をバネとした質量−バネ振動系（単一共振系）を構成し、その共振周波数（共鳴周波数）の音が入射すると微細貫通孔内の空気が激しく振動し、周辺との摩擦により音のエネルギーを消費して吸音する。同図（Ｄ）は、共鳴型吸音構造の周波数毎の吸音率を示したグラフである。

図１４に示す吸音材は何れも、材料の選定によって耐水性・耐久性等を高めて屋外においても使用できる利点があり、とくに微細穿孔板は板厚、孔径、開孔率、背後空気層の厚さ等の調節によって吸音特性を比較的容易に選択できる利点を有している。しかし、これらの吸音材は、単独では吸音率の高い周波数（以下、ピーク周波数という）の帯域幅が狭い問題点がある。そこで、ピーク周波数の帯域幅（以下、吸音帯域幅ということがある）の広帯域化を目的として、複数種類の吸音材を組み合わせた吸音構造の研究開発が進められている（非特許文献２参照）。ただし、例えばピーク周波数の異なる吸音率α_１、α_２の吸音材を等面積比で配置した（例えば建築空間の天井と壁とで吸音特性の異なる吸音材を使用した）だけでは、各吸音材の吸音率のエネルギー平均値が全体の吸音率α_ａｖｇ（＝（α_１＋α_２）／２）となるため、図１３に示すように吸音帯域幅を広げることはできるもののピーク周波数の吸音率が大きく低下してしまう。吸音帯域幅を広げる際にピーク周波数の吸音率をできるだけ低下させない吸音構造の開発が望まれている。

非特許文献２は、ピーク周波数の異なる複数種類の共鳴型吸音構造を、図１０に示すように過剰吸音が発生するような周期ｗで交互に配置した吸音構造を提案している。過剰吸音とは、異なる吸音率の吸音材が周期ｗで分散配置された面に音波が入射した場合に、吸音材の境界において両吸音材の吸音率α_１、α_２の平均として予想される吸音率α_ａｖｇ（＝（α_１＋α_２）／２）よりも音波が過剰に減衰する現象である。例えば吸音率の異なる吸音材の配置周期ｗが入射音波の半波長以下（ｗ≦λ／２）である場合に、過剰吸音によって音波の減衰が漸近的に大きくなることが知られている（非特許文献３及び４参照）。図１０（Ａ）は、孔径φを相違させてピーク周波数を変えた２種類の微細穿孔板１ａ、１ｂを、剛性壁２８の表面に一定厚さの背後空気層２７を介して、過剰吸音が発生する周期ｄで対向配置した吸音構造を示す。また図１０（Ｃ）は、板厚ｔ、孔径φ、開孔率Ｐが一定の微細穿孔板１を、過剰吸音が発生する周期ｄで厚さを相違させた剛性壁２８の表面に背後空気層２７を介して対向配置することにより、隣接する微細穿孔板１の背後空気層２７の厚さＤを相違させた吸音構造を示す。非特許文献２は、ピーク周波数の異なる吸音材を過剰吸音が発生する周期ｄで配置した同図（Ａ）及び（Ｃ）の吸音構造により、理論的には全体の吸音率を各吸音材の吸音率の平均値より大きくできる可能性があるとしている。

前川純一ほか「建築・環境音響学第２版」共立出版、２００４年９月２５日第５刷発行、７２〜９２頁長山佳樹ほか「２種の微細穿孔板の並列配置による広帯域化の可能性について」日本音響学会２００７年秋季研究発表会、２００７年９月１９−２１日高橋大弐「周期的に配置された吸音材による過剰吸音」日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道）、昭和６１年８月高橋大弐「周期的に配置された吸音材による過剰吸音その２。実験的検討」日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）、昭和６２年１０月日本工業規格「音響−インピーダンス管による吸音率及びインピーダンスの測定−定在波比法」ＪＩＳ−Ａ−１４０５特表平９−５０２４９０号公報特表平８−５１００２０号公報

しかし、図１０（Ａ）及び（Ｃ）の吸音構造では、実際に吸音帯域幅を広げることは困難であると考えられる。一般に単一共振系の共鳴型吸音構造の吸音率（音波が垂直に入射したときの垂直入射吸音率）αは、板厚ｔ、孔径φ、開孔率Ｐ等で定まる微細穿孔板の音響インピーダンス（抵抗）Ｚ_ＭＰＰと、背後空気層の厚さＤで定まる音響リアクタンスＣと、空気の密度ρ_０及び音速ｃとを用いて（１）〜（２）式のように表される（非特許文献１参照）。図１０（Ａ）の吸音構造は、孔径φの異なる２種類の微細穿孔板１ａ、１ｂを用いているが、両穿孔板１ａ、１ｂの背後空気層２７が連続（連通）しているため、両穿孔板１ａ、１ｂで形成された合成抵抗Ｚ及び合成リアクタンスＣが共通の単一バネ上で振動する点では単一共振系の共鳴器型吸音構造と同一である。従って、図１０（Ａ）のように異なる微細穿孔板１ａ、１ｂを等面積比で配置した吸音構造の等価回路は同図（Ｂ）のように表され、その吸音構造の平均吸音率α_ａｖｇは各穿孔板１ａ、１ｂの音響インピーダンス（抵抗）Ｚ_ＭＰＰ１、Ｚ_ＭＰＰ２を用いて（３）〜（４）式のように表される。（３）〜（４）式に基づく理論的な平均吸音率α_ａｖｇは、図１１に示すように一方の穿孔板１ａ又は１ｂのみを用いた吸音構造の吸音率α_１、α_２に比してピーク周波数は移動しているものの吸音帯域幅は広帯域化されていない。

また図１０（Ｃ）の吸音構造も、背後空気層２７の厚さＤ１、Ｄ２が場所によって相違しているが、異なる厚さＤ１、Ｄ２の空気層２７の相互間で空気の流入出があるため、両空気層で形成された合成バネ（単一バネ）上で微細穿孔板１の（共通の）抵抗及びリアクタンスが振動する点では単一共振系の鳴器型吸音構造に変わりはない。従って、その等価回路は同図（Ｄ）のように表され、その吸音構造の平均吸音率α_ａｖｇは厚さＤ１、Ｄ２の異なる空気層のリアクタンスＣ_１、Ｃ_２を用いて（５）〜（６）式のように表される。（５）〜（６）式に基づく理論的な平均吸音率α_ａｖｇは、図１２に示すように背後空気層２７の厚さＤ１（＝１５ｍｍ）又はＤ２（＝５０ｍｍ）が一定の吸音構造の吸音率α_１、α_２に比してピーク周波数は移動しているものの吸音帯域幅は広帯域化されていない。本発明者は、図１０（Ｃ）の吸音構造では実際に吸音帯域幅の広帯域化が実現できないことを実験的に確認している（後述の実験例１及び図４のグラフα_３参照）。

そもそも過剰吸音の理論に基づく図１０の吸音構造は、周期ｄを細かくすればするほど吸音帯域幅が広帯域化すること（すなわち吸音率が全周波数帯域に亘って１に近付くこと）になるが、そのような広帯域化は実際には発生し得ない点で不合理である。耐水性・耐久性等の利点を有する微細穿孔板１又は気密振動板７を組み合わせて実際に吸音帯域幅を広げることができれば、様々な使用条件の音場に利用可能な吸音構造及び吸音材とすることができる。

そこで本発明の目的は、ピーク周波数の異なる微細穿孔板又は気密振動板を組み合わせて吸音帯域幅を広げることができる広帯域吸音構造及び吸音材を提供することにある。

図５の実施例を参照するに、本発明による広帯域吸音構造は、表面を音場２（図１（Ｂ）参照）に臨ませた微細穿孔板１又は気密振動板７の背面を音場２内の剛壁８に所定厚さＤ２の空気層９を介して対向させ、穿孔板１又は振動板７の背面上に音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗ（＜λ）で所定厚さＤ２未満の高さＤ１の筒状周壁３を有する複数の蓋５付き無底筒状体４をその筒状体４の口径ｗの相互間隔で千鳥状に並べ、各筒状体４内の空気層の厚さＤ１を隣接する筒状体４外の空気層の所定厚さＤ２と相違させてなるものである。

また図５の実施例を参照するに、本発明による広帯域吸音材１０は、表面を音場２（図１（Ｂ）参照）に臨ませて背面を音場２内の剛壁８に所定厚さＤ２の空気層９を介して対向させる微細穿孔板１又は気密振動板７、及び音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗ（＜λ）で所定厚さＤ２未満の高さＤ１の筒状周壁３を有し且つその口径ｗの相互間隔で穿孔板１又は振動板７の背面上に千鳥状に並べる複数の蓋５付き無底筒状体４を備え、各筒状体４内の空気層の厚さＤ１を隣接する筒状体４外の空気層の所定厚さＤ２と相違させてなるものである。

好ましくは、微細穿孔板１又は気密振動板７の背面上に、蓋５付き無底筒状体４を相互間隔と等面積比で並べる。

本発明による広帯域吸音構造及び吸音材は、微細穿孔板１又は気密振動板７の表面を音場２に臨ませると共にその背面を音場２内の剛壁８に所定厚さＤ２の空気層９を介して対向させ、穿孔板１又は振動板７の背面上に音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗ（＜λ）で所定厚さＤ２未満の高さＤ１の筒状周壁（気密隔壁）３を有する複数の蓋５付き無底筒状体４をその筒状体４の口径ｗの相互間隔で千鳥状に並べ、各筒状体４内の空気層の厚さＤ１を隣接する筒状体４外の空気層の所定厚さＤ２と相違させるので、次の有利な効果を奏する。

（イ）微細穿孔板１又は気密振動板７の裏面に接する空気層を蓋付き無底筒状体４によって空気の流入出のない筒状空隙６ａ、６ｂに区画し、各筒状体４内の空気層と隣接する筒状体４外の空気層とを相互に独立な複数の共鳴型又は振動型の吸音構造を並列に配置した構造とするので、音場２からの入射音を並列に配置された複数の吸音構造でそれぞれ独立に吸音することができる。
（ロ）また、隣接する各筒状体４内の空気層と筒状体４外の空気層とで空気層の厚さＤ１、Ｄ２を相違させ、隣接する共鳴型又は振動型の吸音構造のピーク周波数を相違させるので、音場２からの入射音をピーク周波数の異なる複数の吸音構造で吸音することにより全体としての吸音帯域幅を広げることができ、広帯域の吸音特性を示す吸音体とすることができる。
（ハ）しかも、各筒状体４及びその相互間隔の口径ｗを音場２からの入射音の波長λより小さくし（ｗ＜λ）、音場２からの音波を複数の筒状体４及び相互間隔に跨って入射させるので、入射音の多くのエネルギーを空気の音響インピーダンスにマッチングの良い筒状体４及び相互間隔の何れかへ流入させることができ、入射音のエネルギーを均等に流入させる場合に比してピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えることができる。
（ニ）耐水性・耐久性を有する共鳴型又は振動型の吸音構造及び吸音材の吸音帯域幅をピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えつつ広げることができ、共鳴型又は振動型の吸音構造及び吸音材の利用範囲の拡大に寄与することが期待できる。

図５に示す本発明の吸音材１０を説明する前に、先ず図１を参照して本発明の吸音材１０の原理を説明する。図１は、微細穿孔板１と、その穿孔板１の片側面に接する空気層を複数の筒状空隙６ａ、６ｂに区画する気密隔壁３と、その各筒状空隙６ａ、６ｂの空気層の厚さを限定する蓋５ａ、５ｂとを用いた本発明の吸音材１０の実施例を示す。図示例の微細穿孔板１は、例えば孔径φ＝０．１〜１ｍｍ程度の多数の微細な貫通孔が所要開孔率（ピッチ）Ｐで穿たれた所要板厚ｔのパネルであり、貫通孔を精度よく穿孔できればとくに材質の制限はなく、例えばガラス製、金属製、木材製、プラスチック製、プラスターボード製等とすることができる。微細穿孔板１の板厚ｔ、孔径φ、開孔率Ｐは、本発明の適用対象の音場２の特性（例えば主に吸音すべき音波の周波数）に応じて適当に選択することができる。

図示例の気密隔壁３は、微細穿孔板１と直交する隔壁により相互に仕切られた複数の筒状空隙６ａ、６ｂを有する。図示例では各筒状空隙６の断面形状を方形としているが、各筒状空隙６の断面形状は方形に限られず、後述するように音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗの断面形状であれば足りる。例えば図９（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、断面形状が多角形又は円形の各筒状空隙６を有する気密隔壁３としてもよい。また同図（Ｄ）に示すように、各筒状空隙６ａ、６ｂの口径ｗが入射音の波長λより小さい範囲内であれば、異なる断面形状の筒状空隙６を組み合わせて気密隔壁３としてもよい。

図１（Ａ）に示すように、表面を音場２に臨ませた微細穿孔板１の背面（裏面）に気密隔壁３の各筒状空隙６ａ、６ｂの一端側を重ね合わせ、その穿孔板１と対向する各筒状空隙６ａ、６ｂの反対側を蓋５ａ、５ｂで塞ぐことにより本発明の吸音材１０とする。微細穿孔板１と気密隔壁３とは接触させ又は貼り合わせることが望ましいが、穿孔板１の背後空気層を複数の筒状空隙６ａ、６ｂに区画できれば両者を接触させずに多少離していてもよい。微細穿孔板１の貫通孔と気密隔壁３の筒状空隙６とは１：１に対応する必要はなく、各筒状空隙６の口径ｗは穿孔板１の開孔ピッチより大きくすることができる。

気密隔壁３は、穿孔板１に接する空気層を複数の筒状空隙６ａ、６ｂに区画できる気密性材質であれば足り、微細穿孔板１の剛性の増加等を目的としないので材質にとくに制限はない。また蓋５ａ、５ｂも、筒状空隙６ａ、６ｂ内の空気の流入出を阻止できる気密性のもの（気密蓋）であれば足り、その材質にとくに制限はない。例えば気密隔壁３及び蓋５ａ、５ｂを紙製、繊維強化プラスチック製、ポリカーボネート製として軽量化を図ることができる。更に、気密隔壁３と蓋５とを同じ材質製として一体成形することも考えられる。なお、蓋５は筒状空隙６毎に独立したものとする必要はなく、例えば図６（Ａ）に示すように複数の筒状空隙６ｂに対して空気層の厚さを限定する共通の蓋５ｂを設けてもよい。

気密隔壁３の各筒状空隙６ａ、６ｂの一端側を微細穿孔板１に重ね合わせると共に、他端側を蓋５ａ、５ｂで塞ぐことにより、穿孔板１の背面に直交する相互に独立した複数の空気層を形成する。また本発明の吸音材１０は、各筒状空隙６ａ、６ｂに設ける蓋５ａ、５ｂの位置を、隔壁３を介して隣接する各空気層の厚さＤ１、Ｄ２が相互に相違するように選択する。隣接する筒状空隙６ａ、６ｂの空気層の厚さＤ１、Ｄ２を相違させることにより、微細穿孔板と背面空気層とで構成されたピーク周波数の異なる複数の共鳴型吸音材を、相互に独立させて並列に隣接配置した構造とすることができる。ただし本発明の吸音材１０では、図５を参照して後述するように、空気層の厚さＤ１、Ｄ２の異なる筒状空隙６ａ、６ｂが相互に独立していれば足り、厚さＤが共通の筒状空隙６（例えば空隙６ｂ）は相互に連通させ（非独立とし）てもよい。

図１３を参照して上述したように、ピーク周波数の異なる吸音材を並列に配置した吸音構造は、各吸音材のピーク周波数においてそれぞれ音のエネルギーが消費されて吸音されるので、単独の吸音材を用いた構造に比して吸音帯域幅を広げることができる。図示例では、厚さＤ１、Ｄ２の異なる２種類の筒状空隙６ａ、６ｂが隔壁３を介して交互に並ぶように、空気層を厚さＤ１とする蓋５ａと空気層を厚さＤ２とする蓋５ｂとを千鳥状に設置している（図９（Ａ）も参照）。ただし、筒状空隙６ａ、６ｂの厚さは２種類に限定されるものではない。例えば図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、厚さの異なる３種類又はそれ以上の種類の筒状空隙６ａ、６ｂ、６ｃが周期的に又はランダムに配置されるように、蓋５ａ、５ｂ、５ｃを設置してもよい。微細穿孔板１の背面に形成する筒状空隙の種類及び厚さは、本発明の適用対象音場２の特性（例えば主に吸音すべき音波の周波数帯域）に応じて定めることができる。好ましくは、穿孔板１の背面に、厚さの異なる複数種類の筒状空隙を等面積比となるように配置する。

また本発明の吸音材１０は、穿孔板１と直交する各筒状空隙６ａ、６ｂの口径ｗ（すなわち並列に配置された共鳴型吸音材の間隔ｗ）を、音場２からの入射音の波長λより小さくする（ｗ＜λ）。吸音材の間隔ｗを入射音の波長λより小さくすることにより、音響インピーダンスの異なる複数の吸音材に跨って音場２からの入射音を入射させ、空気のインピーダンスとのマッチングのよい吸音材に入射音の多くのエネルギーを流入させることができる。図１３を参照して説明したように、入射音のエネルギーを複数の吸音材に均等に入射した場合はピーク周波数の吸音率が各吸音材の吸音率α_１、α_２の平均値α_ａｖｇ（＝（α_１＋α_２）／２）にまで低下しうるが、入射音の多くのエネルギーをインピーダンスとのマッチングのよい吸音材へ流入させることにより、ピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えることができる。このため本発明の吸音材１０は、ピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えつつ吸音帯域幅を広げることができる。

気密隔壁３の各筒状空隙６ａ、６ｂの口径ｗは、適用対象音場２の特性（例えば主に吸音すべき音波の波長）に応じて定め得るが、製造できる範囲内で可能な限り小さく（細く）することが望ましい。例えば、建物空間内のスピーチ等の周波数帯域は約５００〜１０００Ｈｚであるから、その音波の最小波長（例えば３０ｃｍ程度）より小さくなるように各筒状空隙６ａ、６ｂの口径ｗを定めるが、音波の入射角θの相違を考慮して各筒状空隙６の口径ｗを入射音の波長λの０．５〜０．６倍以下（例えば１５ｃｍ程度）とすることができる。また、音場２からの音波の入射角θ（微細穿孔板１の法線に対する入射角）が特定できる場合は、その入射角θを考慮して複数の筒状空隙６に音波が入射されるように、各筒状空隙６の口径ｗを入射音の波長λと入射角θの正弦との積（λｓｉｎθ）より小さくする（ｗ＜λｓｉｎθ）。

図１（Ｃ）は、音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗの２種類の筒状空隙６ａ、６ｂを穿孔板１の背面に等面積比で配置した本発明の吸音構造の等価回路を示す。この吸音構造の平均吸音率α_ａｖｇは（１１）〜（１２）式のように表すことができる。（１１）〜（１２）式において、Ｃ_１及びＣ_２は厚さＤ１、Ｄ２で定まる各筒状空隙６ａ、６ｂの音響リアクタンス、Ｚ_ＭＰＰ１及びＺ_ＭＰＰ２は微細穿孔板１の各筒状空隙６ａ、６ｂに接する部位の板厚ｔ、孔径φ、開孔率Ｐにより定まる音響インピーダンス、ρ_０及びｃはそれぞれ空気の密度及び音速を示す。ただし、図１の実施例では共通の微細穿孔板１を用いているのでＺ_ＭＰＰ１＝Ｚ_ＭＰＰ２である。図３は、２種類の筒状空隙６ａ、６ｂの空気層の厚さをそれぞれＤ１＝１５ｍｍ、Ｄ２＝５０ｍｍとした場合（微細穿孔板１は共通）の平均吸音率α_ａｖｇを（１１）〜（１２）式に基づき算出した理論値を示す。同図と図１３との比較から分かるように、空気層が一定の厚さＤ１（＝１５ｍｍ）又はＤ２（＝５０ｍｍ）の吸音材の理論的吸音率α_１、α_２に比して、本発明の吸音材１０の理論的吸音率α_ａｖｇはピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えつつ吸音帯域幅が広帯域化されている。

［実験例１］
本発明の吸音材１０の吸音特性を実際に確認するため、図２（Ａ）に示す音響管２２を用いて吸音率αを測定する実験を行った。本実験では、非特許文献５に準拠した吸音管２２の一端側に、空気層２７を介して微細穿孔板１（板厚ｔ＝０．５ｍｍ、孔径φ＝０．５ｍｍ、開孔率Ｐ＝０．６４％）を用いた吸音材を対向させて設置し、他端に設けたスピーカー２３から微細穿孔板１に対してノイズ・ジェネレーター２４により所定強さＩｉの入射音（平面波）を周波数掃引しながら垂直に入射し、微細穿孔板１からの反射音の強さＩｒをマイク２５及びリアルタイム・アナライザー２６で測定して周波数別の吸音率（＝１−（反射音の強さＩｒ／入射音の強さＩｉ））を求めた。同図（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、微細穿孔板１から見てスピーカー２３と反対側に異なる剛性壁２８ａ〜２８ｄを蓋５として設置し、微細穿孔板１の背後空気層２７の厚さＤを切り換えながら吸音材の吸音率の相違を確認する実験を繰り返した。同図（Ｂ）は背後空気層２７を厚さ＝１５ｍｍで一定とした吸音材、同図（Ｃ）は背後空気層２７を厚さ＝５０ｍｍで一定とした吸音材、同図（Ｄ）は厚さ５０ｍｍの背後空気層２７ａと厚さ１５ｍｍの背後空気層２７ｂとを組み合わせているが両空気層の間に隔壁（仕切り壁）２９を設置していない吸音材、同図（Ｅ）は厚さ５０ｍｍ及び１５ｍｍの背後空気層２７ａ及び２７ｂを組み合わせると共に両空気層の間に隔壁（仕切り壁）２９を設置して本発明の吸音材１０とした場合を示す。

図４は、図２（Ｂ）〜（Ｅ）の吸音材についてそれぞれ測定した垂直入射射吸音率α_１〜α_４の実験結果を示す。図２（Ｂ）及び（Ｃ）の吸音材の吸音率α_１及びα_２は、それぞれ図３に示す空気層が一定の厚さＤ１（＝１５ｍｍ）又はＤ２（＝５０ｍｍ）の吸音材の理論的吸音率α_１及びα_２とほぼ一致している。また図２（Ｄ）の吸音材の吸音率α_３は、同図（Ｂ）及び（Ｃ）の吸音率α_１、α_２に比してピーク周波数は移動しているものの吸音帯域幅は広帯域化されていない。このことは、図１０（Ｃ）及び図１２を参照して上述したように、背後空気層２７の厚さＤ１、Ｄ２を周期ｗで相違させた非特許文献２の吸音構造では吸音帯域幅の広帯域化が実現できないことを示している。これに対して本発明の吸音材１０の吸音率α_４は、図３の理論的吸音率α_ａｖｇに比してピーク周波数の吸音率が若干低下しているものの、同図（Ｂ）及び（Ｃ）の吸音率α_１、α_２の平均値α_ａｖｇ（＝（α_１＋α_２）／２）にまでは低下しておらず、しかも吸音帯域幅が大幅に広帯域化されていることが分かる。この実験結果から、本発明の吸音材１０によれば、ピーク周波数の吸音率を大きく低下させることなく吸音帯域幅を大幅に広帯域化できることが確認できた。

こうして本発明の目的である「ピーク周波数の異なる微細穿孔板又は気密振動板を組み合わせて吸音帯域幅を広げることができる広帯域吸音構造及び吸音材」の提供を達成することができる。

以上、図１を参照して微細穿孔板１を用いた本発明の吸音材１０について説明したが、微細穿孔板１に代えて、図１４（Ａ）に示す気密振動板（又は膜）７を用いて本発明の吸音材１０とすることができる。すなわち、表面を音場２に臨ませた気密振動板７の背面に気密隔壁３を重ね合わせて背面空気層を複数の筒状空隙６ａ、６ｂに区画し、各筒状空隙６ａ、６ｂに蓋５ａ、５ｂを設けて隣接する空隙６ａ、６ｂ毎に空気層の厚さＤ１、Ｄ２を相違させて吸音材１０とする。気密隔壁３及び蓋５は、微細穿孔板１を用いた場合と同じものを利用することができる。必要に応じて、微細穿孔板１と気密振動板（又は膜）７とを混在させた平面又は曲面上に気密隔壁３及び蓋５を適用して本発明の吸音材１０とすることもできる。

なお、気密隔壁３と蓋５とは分離可能としてもよいが、例えば一体成形された筒状体（箱体）４とすることができる。例えば図１（Ｂ）に示すように、音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗ（＜λ）で高さＤ１、Ｄ２の異なる筒状周壁を有する複数種類の蓋５ａ、５ｂ付き無底筒状体４ａ、４ｂを、隣接する筒状体４ａ、４ｂの高さＤ１、Ｄ２を相違させつつ周壁が接触するように穿孔板１の背面上に密に並べることにより、穿孔板１の背面に接する空気層を複数の筒状空隙６ａ、６ｂに区画してもよい。同図（Ｂ）の実施例では、微細細孔板１の表面を音場２に臨ませると共にその背面を音場２内の天井又は壁等の剛壁８に背後空気層９を介して対向させ、その背後空気層９に複数種類の蓋付き無底筒状体４ａ、４ｂを挿入して密に並べることにより、本発明の吸音材１０としている。

また、微細穿孔板１の背面空気層の厚さＤ１、Ｄ２を相違させることに代えて、図６（Ｂ）に示すように、微細穿孔板１の各筒状空隙６と接する部位毎の音響インピーダンスＺ_ＭＰＰを隣接する部位毎に相違させて本発明の吸音材１０とすることも可能である。この場合は、全ての筒状空隙６の空気層を一定の厚さＤとすることができる。例えば、気密隔壁３の各筒状空隙６の一端側にそれぞれ所要の板厚ｔ、孔径φ、開孔率Ｐの微細穿孔板１を重ね合わせ、隣接する筒状空隙６ａ、６ｂの微細穿孔板１の板厚ｔ、孔径φ、又は開孔率Ｐを変化させてインピーダンスＺ_ＭＰＰ１、Ｚ_ＭＰＰ２を相違させ、インピーダンスＺ_ＭＰＰ１、Ｚ_ＭＰＰ２の異なる微細穿孔板１と一定の厚さＤの背面空気層のリアクタンスＣ_１、Ｃ_２（この場合はＣ_１＝Ｃ_２）とで構成された異なる複数の共鳴型吸音材を相互に独立させて並列に配置した構造とする。このような構造の吸音材１０についても、図１（Ｃ）の等価回路及び（１１）〜（１２）式を適用することができ、ピーク周波数の吸音率の低下を小さく抑えて吸音帯域幅が広帯域化された図３の理論的平均吸音率α_ａｖｇと同様の吸音特性が得られる。

図５は、例えばオフィス等の建物空間の天井に本発明の吸音材１０を適用した他の実施例を示す。建物空間の天井材として微細穿孔板１又は気密振動板７を用い、その天井裏を空気層として利用して本発明の吸音材１０を形成する。図示例では、穿孔板１又は振動板７の背面を天井の剛壁８に所定厚さＤ２の空気層９を介して対向させ、その穿孔板１又は振動板７の背面上に、音場２からの入射音の波長λより小さい口径ｗ（＜λ）で所定厚さＤ２未満の高さＤ１の筒状周壁を有する複数の蓋付き無底筒状体４（気密隔壁３＋蓋５）を、その口径ｗの相互間隔で千鳥状に（例えば図９（Ａ）のハッチング部分のように）並べている。千鳥状に並べた各筒状体４内の筒状空隙（空気層）６ａは厚さＤ１であるのに対し、隣接する筒状体４外の筒状空隙（空気層）６ｂは空気層Ｄ２と空気層（Ｄ２−Ｄ１）との平均の厚さ（＝（Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１））／２＝Ｄ２−Ｄ１／２）となるので、穿孔板１又は振動板７の背面に厚さＤ１、（Ｄ２−Ｄ１／２）の異なる相互に独立した共鳴型吸音材が並列に配置された吸音構造とすることができる。すなわち図５の実施例では、筒状体４の蓋５（蓋５ａ）によって筒状体４内の筒状空隙６ａの厚さＤ１を限定すると共に、剛壁８（蓋５ｂ）によって筒状体４外の筒状空隙６ｂの厚さ（Ｄ２−Ｄ１／２）を限定し、剛壁８により厚さを限定した筒状体４外の筒状空隙６ｂを相互に連通させている。

図５の実施例においても筒状体４の口径ｗは、音場２からの入射音の波長λより小さく（ｗ＜λ）なる範囲内において、適用対象音場２の特性に応じて定めることができる。例えば５００〜１０００Ｈｚ程度の入射音を吸音する場合は、筒状体４の口径ｗを１５〜１８ｃｍ程度とする。図５の吸音構造の平均吸音率α_ａｖｇは（２１）〜（２２）式のように表すことができる。図７は、天井の剛壁８に厚さＤ２（＝７０ｃｍ）の空気層９を介して対向配置した微細穿孔板１（板厚ｔ＝０．５ｍｍ、孔径φ＝０．５ｍｍ、開孔率Ｐ＝０．６４％）を天井材とし、その穿孔板１の背面上に口径ｗ（≒１７ｃｍ）で高さＤ１（＝２０ｃｍ）の筒状体４をその口径ｗの相互間隔で千鳥状に並べ、穿孔板１の背面に厚さ２０ｃｍ、（７０＋（７０−２０）／２）ｃｍの異なる空気層を形成した吸音構造の平均吸音率α_ａｖｇの理論値を示す（（２１）〜（２２）式に基づき算出）。同図と図１３との比較から分かるように、背面空気層が一定の厚さＤ１（＝７０ｃｍ）又はＤ２（＝２０ｃｍ）である理論的吸音率α_１、α_２に比して、図５のように筒状体４を千鳥状に並べた吸音構造の理論的吸音率α_ａｖｇも吸音帯域幅が広帯域化されており、しかもピーク周波数の吸音率の低下が小さく抑えられていることが分かる。

図６は、例えば高速道路等の周囲の防音壁（遮音塀）に本発明の吸音材１０を適用した実施例を示す。高速道路等の防音壁は、道路で発生する交通騒音が近隣へ伝搬しないように道路の両側に立ち上げ、遮音壁による遮音と回折減衰効果とにより道路周囲への伝搬騒音を低減するものである。従来の遮音壁は、道路の両側に立ち上げ遮音壁の間で騒音が多重反射され、両側の遮音壁で挟まれた領域（道路）の音圧が上がってしまう問題点がある。このうな多重反射の影響を低減するため、表面が吸音性の遮音壁が必要とされる場合がある。とくに視覚的な環境効果の観点から防音壁自体を透光性のあるアクリル製又はポリカーボネート製とする場合があり、そのような遮蔽板の表面に吸音性を確保するために微細穿孔板１を用いた共鳴型吸音材の利用が検討されている。しかし、従来の微細穿孔板１を用いた共鳴型吸音材は吸音帯域幅が非常に狭いという問題点がある。例えば高速道路の遮音壁では、４００Ｈｚの入射音に対して７０％以上の吸音率で、かつ、１０００Ｈｚの入射音に対して８０％以上の吸音率といった比較的広帯域の吸音性能が要求されることがある。本発明による微細穿孔板を用いた吸音材は、吸音帯域幅が広く、しかもピーク周波数の吸音率が比較的大きいので、このように比較的広帯域の吸音性能が要求される遮音材として利用することが期待できる。

図６（Ａ）は、表面を道路内側に臨ませた微細穿孔板１（板厚ｔ＝０．２ｍｍ、孔径φ＝０．２ｍｍ、開孔率Ｐ＝０．６４％）の背面空気層を、気密隔壁３により口径ｗ（≒１７ｃｍ程度）の筒状空隙６ａ、６ｂに区画し、隔壁３を介して隣接する各筒状空隙６ａ、６ｂの空気層の厚さＤ１（＝３５ｍｍ）、Ｄ２（＝１３０ｍｍ）を蓋５ａ、５ｂによって相違させた本発明の吸音材１０を示す。蓋５ｂは、厚さＤ２の筒状空隙６ｂに対して共通のものとしている。この吸音材１０の平均吸音率α_ａｖｇは（１１）〜（１２）式で表すことができ、図８は（１１）〜（１２）式に基づき算出した平均吸音率α_ａｖｇの理論値を示す。同図には、各筒状空隙６の空気層を一定の厚さＤ１（＝３５ｍｍ）又はＤ２（＝１３０ｍｍ）とした吸音材の理論的吸音率α_１、α_２も併せて示す。図８のグラフは、図６（Ａ）の本発明の吸音材１０の理論的吸音率α_ａｖｇが、４００Ｈｚの入射音に対して７０％以上であり、１０００Ｈｚの入射音に対して８０％以上であることを示している。すなわち本発明の吸音材１０は、比較的広帯域の吸音性能が要求される高速道路の遮音壁として利用することが期待できる。なお、図６（Ｂ）に示すように各筒状空隙６ａ、６ｂの空気層の厚さＤ１、Ｄ２を一定とし、各筒状空隙６ａ、６ｂと接する部位の音響インピーダンスを隣接する部位毎に相違させた微細穿孔板１（１ａ＋１ｂ）を用いた吸音材１０によっても、同様な理論的吸音率α_ａｖｇを得ることが可能である。

は、本発明の吸音構造及び吸音材の実施例の説明図である。は、本発明の吸音構造の吸音率を測定する実験装置の説明図である。は、本発明の吸音材の理論的吸音率を示すグラフである。は、図２の実験装置で測定した本発明の吸音構造の吸音率を示すグラフである。は、本発明の吸音材の他の実施例の説明図である。は、本発明の吸音材の更に他の実施例の説明図である。は、図５の実施例の理論的吸音率を示すグラフである。は、図６の実施例の理論的吸音率を示すグラフである。は、本発明の吸音構造及び吸音材で用いる気密隔壁及び蓋の一例の説明図である。は、従来の微細穿孔板を用いた吸音周波数帯域の広帯域化の提案の説明図である。は、図１０（Ａ）の提案による理論的吸音率を示すグラフである。は、図１０（Ｂ）の提案による理論的吸音率を示すグラフである。は、従来の微細穿孔板を複数組み合わせた吸音構造及び吸音材の理論的吸音率を示すグラフである。は、従来の板（又は膜）振動型吸音構造及び共鳴器型吸音構造と、それらの吸音特性（吸音率）の説明図である。

符号の説明

１…微細穿孔板２…音場
３…気密隔壁４…無底筒状体
５…蓋６…筒状空隙
７…気密振動板又は膜８…剛壁（天井又は壁）
８ａ…吊り金具９…空気層
１０…吸音材
２２…音響管２３…スピーカー
２３…ノイズ・ジェネレーター２５…マイク
２６…リアルタイム・アナライザー
２７…空気層２８…剛性壁周期
２９…隔壁（仕切り壁）

Claims

表面を音場に臨ませた微細穿孔板又は気密振動板の背面を音場内の剛壁に所定厚さの空気層を介して対向させ、前記板の背面上に音場からの入射音の波長より小さい口径で前記所定厚さ未満の高さの筒状周壁を有する複数の蓋付き無底筒状体を当該筒状体の口径の相互間隔で千鳥状に並べ、前記各筒状体内の空気層厚さを隣接する筒状体外の空気層の所定厚さと相違させてなる広帯域吸音構造。
請求項１の吸音構造において、前記微細穿孔板又は気密振動板の背面上に、前記蓋付き無底筒状体を相互間隔と等面積比で並べてなる広帯域吸音構造。
表面を音場に臨ませて背面を音場内の剛壁に所定厚さの空気層を介して対向させる微細穿孔板又は気密振動板、及び前記音場からの入射音の波長より小さい口径で前記所定厚さ未満の高さの筒状周壁を有し且つ当該口径の相互間隔で前記板の背面上に千鳥状に並べる複数の蓋付き無底筒状体を備え、前記各筒状体内の空気層厚さを隣接する筒状体外の空気層の所定厚さと相違させてなる広帯域吸音材。
請求項３の吸音材において、前記微細穿孔板又は気密振動板の背面上に、前記蓋付き無底筒状体を相互間隔と等面積比で並べてなる広帯域吸音材。