特許 7004310 減音装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-06

(45)【発行日】2022-02-04

(54)【発明の名称】減音装置

(51)【国際特許分類】

   G10K 11/16 20060101AFI20220128BHJP

   E21F 17/00 20060101ALI20220128BHJP

   E04B 1/86 20060101ALI20220128BHJP

【ＦＩ】

G10K11/16 120

E21F17/00

E04B1/86 J

G10K11/16 100

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018104068

(22)【出願日】2018-05-30

(65)【公開番号】P2019207385

(43)【公開日】2019-12-05

【審査請求日】2020-09-16

(73)【特許権者】

【識別番号】399030060

【氏名又は名称】学校法人 関西大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】河井 康人

【審査官】中村 天真

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１６８１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１６７９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６３７７８６８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１５－０８３７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０４９６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０２５７４５５５（ＥＰ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ１０Ｋ １１／００－１３／００

Ｅ０４Ｂ １／８６

Ｅ２１Ｆ １７／００－１７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

伝搬音の伝搬方向と交差する方向に沿って互いに対向して配置された少なくとも３枚の仕切り板を備え、
前記伝搬音の前記交差する方向の粒子速度が増大する粒子速度増大領域が、前記仕切り板のエッジに沿って現れ、
前記粒子速度増大領域の前記交差する方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、少なくとも前記エッジに配置された吸音層をさらに備え、
前記吸音層の面密度及び流れ抵抗が、前記伝搬音の抑制しようとする最小の周波数に対応する波長を表す抑制最小周波数波長に基づいて設定されることを特徴とする減音装置。

【請求項2】

伝搬音の伝搬方向と交差する方向に沿って互いに対向して配置された少なくとも３枚の仕切り板を備え、
前記伝搬音の前記交差する方向の粒子速度が増大する粒子速度増大領域が、前記仕切り板のエッジに沿って現れ、
前記粒子速度増大領域の前記交差する方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、少なくとも前記エッジに配置された吸音層をさらに備え、
前記伝搬音が管状空間を伝搬し、
前記仕切り板が、前記管状空間を形成する内壁に交差する方向に沿って互いに対向して設けられ、
前記管状空間がトンネルを含み、
前記伝搬音が、トンネル工事において発生する発破音を含むことを特徴とする減音装置。

【請求項3】

伝搬音の伝搬方向と交差する方向に沿って互いに対向して配置された少なくとも３枚の仕切り板を備え、
前記伝搬音の前記交差する方向の粒子速度が増大する粒子速度増大領域が、前記仕切り板のエッジに沿って現れ、
前記粒子速度増大領域の前記交差する方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、少なくとも前記エッジに配置された吸音層をさらに備え、
多角形状の底面パネルと、前記底面パネルの各辺から立設される複数の立面パネルと、前記立面パネルにより形成される開口を覆う吸音パネルとを有する減音ボックスの前記立面パネルが前記仕切り板を構成し、前記吸音パネルが前記吸音層を構成するように前記減音ボックスが複数個配列されることを特徴とする減音装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝搬音の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換する吸音層を用いた減音装置に関する。

【背景技術】

【0002】

トンネルの掘り方の代表的な方法の一つに山岳工法がある。山岳工法では、ダイナマイトによる発破等を用いてトンネルが横方向に掘られる。この場合、岩盤の発破音が環境問題になる場合がある。

【0003】

この発破音は数百Ｈｚよりも低い周波数成分が多い。発破作業によって民家等の窓ガラスが振動し、苦情になることがある。その原因の多くは低周波音によるものである。

【0004】

トンネル掘削時の発破音は音源近くでは衝撃的な爆発音であるが、坑口に設置された防音扉などにより中・高周波数領域の音は減衰し、低周波領域の音波が主になる。この低周波領域の振動数が窓ガラス、建具等の固有振動周波数と関係し、建具等の振動、がたつきの原因になることがある。

【0005】

このため、発破音の低周波領域に着目した減音装置が要望されている。低周波音は、通常の多孔質の吸音材料、遮音材料では大きな効果を期待できない（非特許文献１）。

【0006】

そこで、このような減音装置として、位相干渉・共鳴器などの音響原理を応用し、１００Ｈｚ程度以下の発破音の減音装置が開発されている（非特許文献２－４）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】井上 保雄，「トンネル発破音対策の動向」騒音制御 Vol.41, No.6(2017) pp.253-257

【文献】小林 真人 他，「トンネル発破で発生する超低周波音の消音装置」騒音制御 Vol.41, No.6(2017) pp.258-261

【文献】本田 泰大 他，「音響管を用いたトンネル発破音消音器の開発および適用事例」騒音制御 Vol.41, No.6(2017) pp.262-265

【文献】角田 普相 他，「開管の共鳴現象を用いた消音装置」騒音制御 Vol.41, No.6(2017) pp.266-267

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上述のような位相干渉・共鳴器などを応用した減音装置は、低周波領域の特定の周波数の音をピンポイントでしか低減することができず、低周波数領域の音を広い範囲で低減することができないので発破音を減音することができないという問題があり、減音効果についても満足できるものではない。

【0009】

また、トンネル工事の発破音のみならず、例えばオフィスビルの天井又は空中に設けられるダクト管内を伝搬する伝搬音についても、所望の周波数領域の伝搬音を広い範囲で低減したいという要望が強い。

【0010】

本発明の一態様は、所望の周波数領域の伝搬音を広い範囲で大きく低減することができる減音装置を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る減音装置は、伝搬音の伝搬方向と交差する方向に沿って互いに対向して配置された少なくとも３枚の仕切り板を備え、前記伝搬音の前記交差する方向の粒子速度が増大する粒子速度増大領域が、前記仕切り板のエッジに沿って現れ、前記粒子速度増大領域の前記交差する方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、少なくとも前記エッジに配置された吸音層をさらに備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の一態様によれば、所望の周波数領域の伝搬音を広い範囲で大きく低減することができる減音装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】（ａ）は実施形態１に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図である。

【図2】（ａ）は上記減音装置の管内粒子速度振幅分布の数値解析条件を示す正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図である。

【図3】（ａ）（ｂ）は、上記数値解析条件に基づく数値解析結果を示すグラフである。

【図4】（ａ）～（ｃ）は、上記数値解析条件を変更した数値解析結果を示すグラフである。

【図5】（ａ）～（ｄ）は、比較例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。

【図6】（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。

【図7】（ａ）～（ｄ）は、他の比較例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。

【図8】（ａ）～（ｄ）は、他の変形例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。

【図9】（ａ）は減音装置に設けられた吸音層に関する音圧、平均流速、及び振動速度を説明するための図であり、（ｂ）は理論解析に用いる管状領域と薄い剛板と薄い吸音層を示す図である。

【図10】上記減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフであり、（ａ）は吸音層の面密度が１ｋｇ／ｍ^２の場合を示し、（ｂ）は上記吸音層の流れ抵抗が１６００Ｎｓ／ｍ^３の場合を示す。

【図11】（ａ）は比較例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記比較例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図12】（ａ）は変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記変形例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図13】（ａ）は他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記他の変形例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図14】（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図15】（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図16】（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図17】（ａ）は実施形態２に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）は上記減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図18】（ａ）は実施形態３に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記減音装置による伝搬音のレベルの減衰量を示すグラフである。

【図19】上記減音装置の外観を示す図である。

【図20】（ａ）は実施形態４に係る減音装置に設けられた減音ボックスの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は上記減音ボックスの配列例を示す斜視図であり、（ｃ）は上記減音ボックスが設置されたトンネルの模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

【0015】

〔概要〕
伝搬音が伝搬する空間において、 伝搬方向と直交する仕切り板等で区切られた適切な大きさの複数の窪みの並びがある場合、この窪みの開口面を形成する仕切り板付近で開口面の法線方向に大きな粒子速度の領域が集中して現れる。このことは、仕切り板と窪みとによって、伝搬方向と直交する振動速度成分が生み出されることを意味している。そして、その伝搬方向と直交する振動速度成分の大きさは、窪みの寸法等にもよるが、空間を伝搬する伝搬音の振動速度成分よりも５倍以上大きくなることもある。

【0016】

この伝搬方向と直交する振動速度成分の振動エネルギが集中している領域付近に、適切な物理特性と通気性とを有する薄い多孔質吸音層（以下、「吸音層」と呼ぶ）を設置する。これにより、吸音層の法線方向（伝搬音の伝搬方向と直交する方向）に振動する空気の粒子が吸音層を通過する時に、吸音層の繊維の表面あるいは空隙壁との摩擦によって、音のエネルギ（空気粒子の振動）が熱エネルギに変換される。この結果、伝搬音を効果的に抑制できることが数値解析によって示される。

【0017】

本願の各実施形態では、従来の気柱共鳴やヘルムホルツの共鳴等は用いていない。また、空調ダクト系の消音によく用いられている吸音材を内張りする方法などが従来から存在する。

【0018】

しかしながら、本願の各実施形態は、仕切り板と適切な大きさの窪みとの組み合わせにより、窪みの開口部を形成する仕切り板付近に伝搬方向と直交する振動速度成分の振動エネルギを集中させ、適切な物理特性を持った伝搬方向に平行な吸音層で効果的に伝搬音を吸収するという点で、上記従来の方法と異なる新しい考え方に基づいている。そして、本願の各実施形態によれば、上記従来の方法よりも減音性能を大きく向上させることができるし、使用する吸音材の量も上記従来の内張り方法よりもはるかに少なくなる。

【0019】

位相干渉や共鳴器により音を打ち消す従来の方法では、特定の狭い周波数帯域でのみしか効果が得られないのに対して、本願の各実施形態は、低周波数帯域を含む広い周波数帯域で高い減音性能を発揮することも大きな特徴である。

【0020】

後述する実施形態１に係る減音装置は、特にトンネル掘削工事における低い周波数の発破音等の消音にも大きな効果が期待できる。上記減音装置は、組み立てや解体が容易なパネル状部材で構成できるので、トンネル掘削が進むに連れて頻繁な設置や撤去が要求される工事現場にも適している。また、解体後はコンパクトに保管でき、運搬等も容易に行える利点がある。

【0021】

また、後述する実施形態２に示すように、平坦な面に沿って伝搬する音に対しても、同様な装置を設置することで中高域の伝搬音が抑制できる。

【0022】

〔実施形態１〕
（減音装置１の構成）
図１（ａ）は実施形態１に係る減音装置１の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図である。減音装置１は、断面矩形状の管状体９の内部に形成される管状空間４を伝搬する伝搬音１０の伝搬方向（ｘ方向）と直交し管状体９の内壁１１から互いに対向して突出する６枚の枠状の仕切り板２を備える。隣接する仕切り板２と内壁１１とにより環状の凹部６が並んで５個形成される。

【0023】

本明細書において「管状体」とは、管状の構造体を意味する。その断面は、円形に限定されず、矩形、その他の形状であっても良いものとする。また、軸心方向に沿って断面が一定でなく変化しているものも「管状体」に含まれるものとする。そして、トンネルその他の構造物も「管状体」に含まれるものとする。

【0024】

凹部６により形成される窪みの開口面の法線方向（図１ではｙ方向）に沿った伝搬音１０の粒子速度が非常に増大する粒子速度増大領域７が、内壁１１から突出する各仕切り板２の先端（エッジ）に沿って現れる。

【0025】

減音装置１には、粒子速度増大領域７に対応する上記窪みの開口面の法線方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、断面矩形の筒状の吸音層３が、６枚の仕切り板２のそれぞれの先端を繋いで５個の環状の凹部６を覆うように設けられる。

【0026】

各凹部６の幅ｄ及び深さｈは、伝搬音１０の抑制しようとする最小の周波数に対応する波長を表す抑制最小周波数波長λに基づいて設定される。凹部６の幅ｄは、λ／５以下であることが好ましい。凹部６の深さｈは、λ／３０以上であることが好ましい。

【0027】

仕切り板２の枚数は３枚以上設け、凹部６が２個以上形成されれば良い。凹部６は３個以上形成されることが好ましい。伝搬音１０を大きく減衰させるためには、凹部６は多い程良い。

【0028】

吸音層３の面密度Ｍ及び流れ抵抗ｒｓも、上記抑制最小周波数波長λに基づいて設定される。吸音層３の面密度Ｍは、伝搬音１０の抑制しようとする周波数帯域に応じて、０．２５～２０ｋｇ／ｍ^２の範囲で、概ね波長に比例して大きくとる必要がある。また、流れ抵抗ｒｓは、１０００Ｎｓ／ｍ^３前後で広い帯域で効果が得られるが、その１／４～４倍程度の範囲内の値を適切に選択すれば、抑制したい周波数帯域に対して大きな効果がある。

【0029】

吸音層３は仕切り板２の先端を繋いで凹部６を覆うように設けられれば良く、凹部６の内部を吸音材で埋める必要が無い。上記窪みの開口面の法線方向の粒子速度が非常に増大する粒子速度増大領域７は仕切り板２の先端に集中して現れるので、この先端付近にだけ吸音層３を設ければ良く、凹部６の内部を吸音材で埋める必要が無い。従って、非常に少ない吸音材で効率的に伝搬音１０を減音することができる。

【0030】

吸音層３を構成する吸音材は、例えば、布、グラスウール、多孔質材料、アルミニウム焼結材、アルミニウム繊維材を使用することができる。

【0031】

仕切り板２は管状体９の内壁１１から突出して設けられなくても良い。例えば、内壁１１との間に隙間が形成されるように６枚の仕切り板２を設け、径方向の外方に向かって開口する５個の凹部を形成してもよい。この場合、吸音層３は、仕切り板２の内壁１１側の先端を繋いで、径方向の外方に向かって開口する５個の凹部を覆うように設けられる。さらに、径方向の内方に向かって開口する５個の凹部と、径方向の外方に向かって開口する５個の凹部とを設け、仕切り板２の内壁１１とは反対側の先端を繋いで、径方向の内方に向かって開口する５個の凹部を覆う吸音層３と、仕切り板２の内壁１１側の先端を繋いで、径方向の外方に向かって開口する５個の凹部を覆う吸音層３とを取り付けるように構成しても良い。

【0032】

仕切り板２は、管状体９の矩形断面の四辺から突出するように設けられなくても良く、矩形断面の少なくとも一辺から突出するように設けられても良い。

【0033】

管状体９は、断面矩形状でなくても良く、例えば断面円形状でもよい。

【0034】

複数の仕切り板２、複数の凹部６、及び吸音層３（パネル）の集合体で構成される減音装置１を直列に多段で用いることにより、伝搬音１０の一層大きな減衰効果が得られる。また、直列に多段で用いる集合体の減音装置１毎に異なる減衰特性を持たせるように構成することにより、抑制しようとする周波数帯域が広がるので、減音装置１の適用分野をより一層広げることが可能となる。

【0035】

減音装置１の仕切り板２及び吸音層３は、いずれもパネル状に分解することができる。従って、減音装置１は、分解すると非常に小型になるので、位相干渉・共鳴器などを応用した従来の減音装置と異なり、移動、保管が容易になる。

【0036】

（管内粒子速度振幅分布の数値解析）
図２（ａ）は減音装置１の管内粒子速度振幅分布の数値解析条件を示す正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図である。図３（ａ）（ｂ）は、上記数値解析条件に基づく数値解析結果を示すグラフである。説明の便宜上、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0037】

管状空間４を伝搬する伝搬音１０に基づくｙ方向の粒子速度振幅分布の数値解析を、図２（ａ）に示されるＸ－Ｙ平面（Ｚ＝０）内の数値解析領域Ｒを対象にして行った。数値解析は、波動方程式及び境界条件に基づいて行い、実際の１／１０～１／２０程度のオーダーの寸法数値で実施した。例えば、管状体９の断面の横寸法ａ＝０．５ｍ、縦寸法ｂ＝０．５ｍ、凹部６の深さｈ＝０．１ｍ、凹部６の幅ｄ＝０．１ｍの寸法数値で数値解析を行った。

【0038】

伝搬音１０の周波数が２５０Ｈｚである場合、ｙ方向の非常に大きな粒子速度が、図３（ａ）に示すように、６枚の仕切り板２のエッジ付近の位置に対応して６個現れた。伝搬音１０の周波数が５００Ｈｚである場合も、図３（ｂ）に示すように、ｙ方向の非常に大きな粒子速度が同様の傾向で現れた。

【0039】

このように粒子がｙ方向に激しく振動している仕切り板２のエッジ付近に、例えば表面積の大きな繊維材等を含む吸音層３（図１）をｘ方向に沿って配置してやると、ｙ方向の粒子速度に比例して摩擦力が発生し、ｙ方向の粒子速度に基づく振動エネルギを効率的に熱エネルギに変換することができると考えられる。

【0040】

図４（ａ）～（ｃ）は、上記数値解析条件を変更した数値解析結果を示すグラフである。
仕切り板２を４枚にして凹部６の数を３個にすると、図４（ａ）に示すように、ｙ方向の大きな粒子速度が、４枚の仕切り板２の位置に対応して４個現れた。凹部６の数を５個にすると、図４（ｂ）に示すように、ｙ方向の大きな粒子速度が、６枚の仕切り板２の位置に対応して６個現れた。凹部６の数を８個にすると、図４（ｃ）に示すように、ｙ方向の大きな粒子速度が、９枚の仕切り板２の位置に対応して９個現れた。伝搬音１０の周波数は、いずれも５００Ｈｚであった。

【0041】

このように、複数枚設置された仕切り板２のエッジに沿って、ｙ方向の粒子速度振幅の非常に大きな領域が現れた。

【0042】

図５（ａ）～（ｄ）は、比較例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。説明の便宜上、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0043】

図５（ａ）（ｂ）に示すように、仕切り板２を２枚にして、２枚の仕切り板２の間を区画化せずに凹部６の数を１個にすると、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、仕切り板２の位置に対応するｙ方向の大きな粒子速度は殆ど現れなかった。このため、２枚の仕切り板２の間にさらに仕切り板２を設けて区画化し、凹部６の数を複数個にすることによって、ｙ方向の非常に大きな粒子速度が仕切り板２のエッジ付近の位置に現れてくると考えられる。

【0044】

図６（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、隣接する仕切り板２の間隔を図２に示す例の１／２にしても、図６（ｃ）（ｄ）に示すように、ｙ方向の大きな粒子速度が同様の傾向で仕切り板２の位置に対応して現れた。伝搬音１０の周波数は５００Ｈｚであった。

【0045】

図７（ａ）～（ｄ）は、他の比較例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。隣接する仕切り板２の間隔を図６の例と同様に１／２にし、さらに、凹部６の深さを図６の例の１／２にすると、図７（ａ）（ｂ）に示すように、仕切り板２の位置に対応するｙ方向の大きな粒子速度は現れなかった。このように、凹部６の深さ寸法が小さいと、位相差が小さくなり、ｙ方向の非常に大きな粒子速度は生じない。このため、ｙ方向の非常に大きな粒子速度を発生させるためには、抑制しようとする伝搬音１０の周波数に対応する波長との関係で、凹部６の適切な深さが必要であると考えられる。

【0046】

図８（ａ）～（ｄ）は、他の変形例に係る数値解析条件及び数値解析結果を示すグラフである。隣接する仕切り板２の間隔を図８（ａ）に示すように不等間隔にしても、図８（ｃ）（ｄ）に示すように、ｙ方向の大きな粒子速度が同様の傾向で仕切り板２の位置に対応して現れた。幅ｄ＝０．１ｍ、幅ｄ１＝０．０５ｍ、幅ｄ２＝０，０７ｍ、幅ｄ３＝０．０３ｍ、幅ｄ４＝０．０５ｍ、幅ｄ５＝０．１２ｍ、幅ｄ６＝０．０８ｍ、で数値解析を行った。このように、仕切り板２の配置が等間隔でない場合でも、ｙ方向の大きな粒子速度が仕切り板２の位置に対応して現れる傾向は同じであった。

【0047】

（吸音層３の理論的取扱い）
図９（ａ）は減音装置１に設けられた吸音層３に関する音圧、平均流速、及び振動速度を説明するための図であり、（ｂ）は理論解析に用いる管状領域と薄い剛板と薄い吸音層を示す図である。ｙ方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換する吸音層３の理論的取り扱いを説明する。

【0048】

図９（ａ）において、吸音層３は通気性の薄い多孔質層である。吸音層３の両面に働く音圧をｐ_１、ｐ_２とする。そして、吸音層３を通過する伝搬音の粒子の平均流速をｖ_ｓとする。吸音層３の振動速度をｖ_ｍとする。

【0049】

図９（ａ）に示すような、波長に比べて十分薄く、厚さを無視できて通気性を有する多孔質の吸音層３において、流れ抵抗をｒｓ、吸音層３の両面の音圧をそれぞれｐ_１、ｐ_２、吸音層３を通過する空気粒子の速度をｖ_ｓとすると、

【0050】

【数1】

【0051】

なる関係がある。また、吸音層３も両面に働く音圧ｐ_１と音圧ｐ_２との間の音圧差によって励振させられる。Ｍを吸音層３の面密度、ｖ_ｍを振動速度とし、時間項としてｅｘｐ（－ｉωｔ）を使用すると次式を得る。

【0052】

【数2】

【0053】

従って、吸音層３の表面の粒子速度ｖは空気粒子の速度ｖ_ｓ及び振動速度ｖ_ｍの両者の和で表され、

【0054】

【数3】

【0055】

となる。－（ｐ_１－ｐ_２）／ｖ＝Ｚ_ｒ（吸音層３のインピーダンス）と置くと、

【0056】

【数4】

【0057】

図９（ｂ）を参照すると、理論解析に用いる管状領域Ωと、管状領域Ω内に存在する薄い剛板Ｂと、薄い吸音層Ｃとが示されている。

【0058】

管の両端は無反射端Ａ（インピーダンスがρｃ）であり、軸に直交する平面に等間隔に配置された複数の点音源Ｐｓと、面の向きｎ（法線）とが図９（ｂ）に示されている。

【0059】

図９（ｂ）に示すように、複数の点音源Ｐｓと、薄い剛板Ｂと、薄い吸音層Ｃとを含む管状領域Ωにおいて、管の両端の無反射端Ａは入射した音波が反射しないように、インピーダンスがρｃである境界とする。ただし、ρは空気の密度、ｃは音速である。また、軸に直交する平面内に均等に配置した複数の点音源Ｐｓによって、管内で近似的に平面波を発生している。

【0060】

管状領域Ωに波動方程式から導かれた積分公式を適用すると、速度ポテンシャルφは、

【0061】

【数5】

【0062】

【数6】

【0063】

【数7】

【0064】

【数8】

【0065】

なお、上記法線微分型の方程式に係る文献１）は、「T. terai: On calculation of sound fields around three dimensional objects by interal equation methods, J. Sound & Vib.,69, 71-100, 1980」である。

【0066】

（９）式で、Ｐを面Ａ或いは面Ｓ上に収束させた積分方程式と（１１）式、（１２）式の積分方程式とを連立させて解けば、境界上のφ及びΦが求められる。空間の点の音圧分布は、解かれた境界上の値を（９）式に、また、粒子速度は（１０）式に代入すれば求めることができる（ｎ_ｐをｘ、ｙ、ｚ方向の単位ベクトルとすることでそれぞれの成分が求められる）。断面変化の無い直管で、管の途中に減音装置等の物体が無い場合には、音源から管の両方向に放射された音はそのまま減衰せず無反射端Ａに到達する。無反射端Ａを通過する音の時間平均エネルギ流Ｉは、上記で求められた境界の無反射端Ａ上の音圧ｐ、粒子速度ｖを用いて、

【0067】

【数9】

【0068】

と表せる。ただし、Ｓ_Ａは管断面積、＊は複素共役を表す。図９（ｂ）に示すように、管の途中に吸音層Ｃを備えた物体を設置した場合、その物体（減音装置）の効果は、設置前後の右側の無反射端Ａを通過するエネルギを比較することで求めることができる。

【0069】

境界積分方程式の数値的な解法は種々考えられるが、ここでは境界要素法を用いた。

【0070】

（伝搬音１０のレベルの減衰量）
図１０は、減音装置１による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフであり、（ａ）は吸音層３の面密度Ｍが１ｋｇ／ｍ^２の場合を示し、（ｂ）は吸音層３の流れ抵抗ｒｓが１６００Ｎｓ／ｍ^３の場合を示す。横軸は伝搬音１０の周波数を示し、縦軸は伝搬音１０のレベルの減衰量を示す。

【0071】

減音装置１に設けられた吸音層３の面密度Ｍが１ｋｇ／ｍ^２の場合に、吸音層３の流れ抵抗ｒｓを１００Ｎｓ／ｍ^３、２００Ｎｓ／ｍ^３、４００Ｎｓ／ｍ^３、８００Ｎｓ／ｍ^３、１６００Ｎｓ／ｍ^３、３２００Ｎｓ／ｍ^３、及び６４００Ｎｓ／ｍ^３、と変化させたときの伝搬音１０のレベルの減衰量が図１０（ａ）に示されている。

【0072】

そして、減音装置１に設けられた吸音層３の流れ抵抗ｒｓが１６００Ｎｓ／ｍ^３の場合に、吸音層３の面密度Ｍを１６ｋｇ／ｍ^２、８ｋｇ／ｍ^２、４ｋｇ／ｍ^２、２ｋｇ／ｍ^２、１ｋｇ／ｍ^２、０．５ｋｇ／ｍ^２、及び０．２５ｋｇ／ｍ^２、と変化させたときの伝搬音１０のレベルの減衰量が図１０（ｂ）に示されている。

【0073】

図１０（ａ）（ｂ）のいずれにおいても、図１に示される実施形態１の減音装置１により、レベルが１０ｄＢ～１５ｄＢ程度も低周波数領域の広い範囲に渡って減衰していることが見てとれる。

【0074】

図１１（ａ）は比較例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記比較例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0075】

図１１（ａ）（ｂ）は図５（ａ）（ｂ）で前述した区画化しない凹部６の構成に対応する。この仕切り板２を２枚にして、２枚の仕切り板２の間を区画化せずに凹部６の数を１個にする構成では、凹部６を区画化した図１０（ａ）の場合の減衰性能と比較して、図１１（ｃ）に示されるように減衰性能が大きく低下した。

【0076】

図１２（ａ）は変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記変形例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0077】

図１２（ａ）（ｂ）は図６で前述した仕切り板２の間隔を狭くした凹部６の構成に対応する。仕切り板２の間隔を図１に示される構成より狭くしても、図１２（ｃ）に示されるように減衰特性はほぼ同じであった。

【0078】

図１３（ａ）は他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記他の変形例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0079】

図１３（ａ）（ｂ）は図８（ａ）（ｂ）で前述した仕切り板２の配置を不等間隔にした凹部６の構成に対応する。仕切り板２の配置を図１に示される等間隔から不等間隔に変更しても、図１３（ｃ）に示されるように減衰特性に大きな変化は無かった。

【0080】

図１４（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0081】

図１４（ａ）（ｂ）は、トンネル内での使用を考慮して、仕切り板２が左右の内壁１１及び上側の内壁１１からのみ突出する形状に変更されたさらに他の変形例の構成を示している。トンネル内での使用を考慮した形状に仕切り板２を変更しても、図１４（ｃ）に示されるように、吸音層３の物理特性を適切に選べば、広い周波数範囲で大きな減衰が得られる。例えば、管状空間４はトンネルであり、伝搬音１０はトンネル工事において発生する発破音である。

【0082】

図１５（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0083】

凹部６は、図１５（ａ）（ｂ）に示されるように、内壁１１よりも半径方向の外方に形成してもよい。管状体９Ｂは、内壁１１よりも半径方向の外方に形成される内壁１１Ｂを有する。この内壁１１Ｂから半径方向の内方に向かって４枚の仕切り板２Ｂが内壁１１に対応する位置まで突出するように設けられる。４枚の仕切り板２Ｂと、管状体９Ｂの内壁１１と内壁１１Ｂとの間の段差とにより、５個の凹部６が形成される。この場合も、図１５（ｃ）に示されるように、吸音層３の物理特性を適切に選べば、広い周波数範囲で大きな減衰が得られる。

【0084】

図１６（ａ）はさらに他の変形例に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記さらに他の変形例に係る減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0085】

図１及び図２に示す条件で、スケールを１０倍にして数値解析を行うと、面密度Ｍが、図１０（ａ）に示す例の１０倍の１０．０ｋｇ／ｍ^２の場合で、図１６（ｃ）に示すように、図１０（ａ）とほぼ同じ減衰特性が得られた。横軸の伝搬音１０の周波数の値は図１０（ａ）に示す例の（１／１０）倍である。

【0086】

破線Ｃ１は、図１６（ａ）に示すように、一番左側の仕切り板２と一番右側の仕切り板２との間の区間幅の凹部６に吸音材９３（グラスウール３２ｋｇ／ｍ^３）を充填した場合の予測計算値を表す。

【0087】

図１６（ｃ）に示されるように、本実施形態は、破線Ｃ１により示される通常の多孔質の吸音材９３を用いる方法と比較して、発破音等の抑制に重要な周波数帯域で優れた効果を発揮する。また、本実施形態は、使用する吸音材の量も、上記破線Ｃ１により示される方法よりもはるかに少ない。

【0088】

実施形態１に係る減音装置１の管状空間４は例えばトンネルであり、伝搬音１０は例えばトンネル工事において発生する発破音である。

【0089】

実施形態１に係る減音装置１は、例えば、自動車のエアコン、マフラーに設けられるダクト内を伝搬する伝搬音の減音にも適用することができる。

【0090】

また、減音装置１は、トンネル内に突入した高速列車により発生した圧縮波がトンネル内を伝搬して反対側の出口からパルス状の圧力波に基づく破裂的な空気音となって外部に放射される微気圧波を低減するために、高速列車が通過する通路部を有するトンネルの出入り口に適用することもできる。

【0091】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0092】

図１７（ａ）は実施形態２に係る減音装置１Ａの正面模式断面図であり、（ｂ）はその平面図であり、（ｃ）は上記減音装置１Ａによる伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。

【0093】

前述した実施形態１では、仕切り板２を管状体９の内部に配置する例を示した。しかしながら本発明はこれに限定されない。平坦な面に沿って伝搬する伝搬音１０に対しても、図１７（ａ）（ｂ）に示すような仕切り板２Ｃを設置することで、図１７（ｂ）に示すように、伝搬音１０の中高域を抑制することができる。

【0094】

減音装置１Ａは、点音源Ｐｓから平坦面１２に沿って伝搬する伝搬音１０の伝搬方向と直交する方向に向かって平坦面１２から突出して設けられる複数枚の矩形状の仕切り板２Ｃを備える。複数枚の仕切り板２Ｃの一部は、平坦面１２に平行で且つ伝搬音１０の伝搬方向に垂直な方向に沿って配置され、複数枚の仕切り板２Ｃの残りの一部は、伝搬音１０の伝搬方向に沿って複数枚の仕切り板２Ｃの一部のそれぞれと直交するように配置される。このように、複数の仕切り板２Ｃは格子状に配置される。

【0095】

そして、複数枚の仕切り板２Ｃのそれぞれの先端と、隣接する仕切り板２Ｃにより囲まれた複数個の凹部６のそれぞれとを覆う吸音層３Ａが減音装置１Ａに設けられる。

【0096】

従って、減音装置１Ａは、平坦な地表面に沿って伝搬する伝搬音１０を抑制することができる。そして、減音装置１Ａによれば、遮音壁を設置しなくても、伝搬音１０が伝搬してくる方向を見通せる状態にしながら、伝搬音１０を減衰させることができる。

【0097】

そして、複数の仕切り板２Ｃが格子状に配置されるので、平坦面１２に沿った任意の方向に伝搬する伝搬音を抑制することができる。

【0098】

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0099】

図１８（ａ）は実施形態３に係る減音装置の正面模式断面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）は上記減音装置による伝搬音１０のレベルの減衰量を示すグラフである。図１９は上記減音装置の外観を示す図である。

【0100】

前述した実施形態１及び２で実施した数値解析結果を実証するための模型実験を実施した。図１８（ａ）に示すように、実施形態１で前述した減音装置１の－ｘ方向に、吸音材を充填して伝搬音１０を発生させるための１６ｃｍ径のスピーカ１４が配置され、減音装置１のｘ方向に、伝搬音１０の音圧を測定するためのマイク１５と、無反射端として働く吸音層１６とが配置される。

【0101】

薄い吸音層３には、流れ抵抗ｒｓ＝５０６Ｎｓ／ｍ^３、面密度Ｍ＝０．３２ｋｇ／ｍ^２のインド綿を使用した。測定は、スピーカ１４から発生する伝搬音１０によりＭ系列信号を生成し、このＭ系列信号による相関法を用い、実施形態１の減音装置１に係る抑制構造の有無による伝搬音１０のレベル差を測定した。

【0102】

図１８（ｃ）に示すように、測定結果を表す曲線Ｃ２は、数値解析結果を表す曲線Ｃ３とよく似た傾向を示している。管状体９の両端での若干の反射波による定在波の影響が無視できないことや、１ｋＨｚを超える周波数では平面波伝搬の近似が成立しにくいことを考慮すると、測定結果と数値解析結果とは良い一致を示していると考えられる。

【0103】

〔実施形態４〕
前述した実施形態では仕切り板を内壁から突出させる構成の例を示したが、本発明はこれに限定されない。トンネル等の大規模空間では、例えば、矩形パネルで箱状のものを作成し、その一面が吸音パネルのユニットを水平方向、垂直方向に多数並べるように構成してもよい。

【0104】

図２０（ａ）は実施形態４に係る減音装置に設けられた減音ボックス１３の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は上記減音ボックス１３の配列例を示す斜視図であり、（ｃ）は上記減音ボックス１３が設置されたトンネルの模式断面図である。

【0105】

実施形態４に係る減音装置は、立方体状の減音ボックス１３を備える。減音ボックス１３は、正方形状の底面パネル２４と、底面パネル２４の四辺から立設される正方形状の４枚の立面パネル２５と、立面パネル２５により形成される開口を覆う吸音パネル２６とを有する。

【0106】

このように構成された減音ボックス１３は、例えば図２０（ｂ）に示されるように、立面パネル２５が仕切り板２を構成し、吸音パネル２６が吸音層３を構成するようにマトリックス状に配置される。

【0107】

トンネル発破工事が実施されるトンネルには、図２０（ｃ）に示されるように、搬入・搬出用通路１７が断面略半円状の内壁１９に覆われるように中央に配置され、通気用ダクト１８が内壁１９の近くに配置される。そして、減音ボックスクラスター２７が、吸音層３を内側に向けて搬入・搬出用通路１７と対向するように複数個配列され、吸音層３を外側に向けて内壁１９と対向するように複数個配列される。

【0108】

（まとめ）
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る減音装置は、伝搬音の伝搬方向と交差する方向に沿って互いに対向して配置された少なくとも３枚の仕切り板を備え、前記伝搬音の前記交差する方向の粒子速度が増大する粒子速度増大領域が、前記仕切り板のエッジに沿って現れ、前記粒子速度増大領域の前記交差する方向の粒子速度に基づく振動エネルギを熱エネルギに変換するために、少なくとも前記エッジに配置された吸音層をさらに備えることを特徴とする。

【0109】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記伝搬音が管状空間を伝搬し、前記仕切り板が、前記管状空間を形成する内壁に交差する方向に沿って互いに対向して設けられることが好ましい。

【0110】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記吸音層が、少なくとも前記仕切り板の先端の端面に配置されることが好ましい。

【0111】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記吸音層が、前記仕切り板のそれぞれのエッジを繋ぐように設けられることが好ましい。

【0112】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記内壁と隣接する前記仕切り板とにより形成される凹部の幅及び深さが、前記伝搬音の抑制しようとする最小の周波数に対応する波長を表す抑制最小周波数波長に基づいて設定されることが好ましい。

【0113】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記吸音層の面密度及び流れ抵抗が、前記伝搬音の抑制しようとする最小の周波数に対応する波長を表す抑制最小周波数波長に基づいて設定されることが好ましい。

【0114】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記管状空間がトンネルを含み、前記伝搬音が、トンネル工事において発生する発破音を含むことが好ましい。

【0115】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記仕切り板が、前記管状空間の内壁から半径方向の外方に向かって窪んで形成される窪み空間に配置され、
前記仕切り板の半径方向の内方の先端が、前記管状空間の内壁に沿って配置されることが好ましい。

【0116】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記伝搬音が平坦面に沿って伝搬し、前記仕切り板が、前記平坦面と交差する方向に突出して設けられることが好ましい。

【0117】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記仕切り板が、前記平坦面から窪んで形成される窪み空間に配置され、前記仕切り板の先端が、前記平坦面に沿って配置されることが好ましい。

【0118】

本発明の一態様に係る減音装置は、前記伝搬音の伝搬方向と交差する方向から見て前記仕切り板が格子状に配置されることが好ましい。

【0119】

本発明の一態様に係る減音装置は、多角形状の底面パネルと、前記底面パネルの各辺から立設される複数の立面パネルと、前記立面パネルにより形成される開口を覆う吸音パネルとを有する減音ボックスの前記立面パネルが前記仕切り板を構成し、前記吸音パネルが前記吸音層を構成するように前記減音ボックスが複数個配列されることが好ましい。

【0120】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0121】

１ 減音装置
２ 仕切り板
３ 吸音層
４ 管状空間
６ 凹部
７ 粒子速度増大領域
９ 管状体
１０ 伝搬音
１１ 内壁
１２ 平坦面
１３ 減音ボックス
２４ 底面パネル
２５ 立面パネル
２６ 吸音パネル
２７ 減音ボックスクラスター
９３ 吸音材
λ 抑制最小周波数波長
ｖ 粒子速度
Ｍ 面密度
ｒｓ 流れ抵抗
ｄ 幅
ｈ 深さ
Ｒ 数値解析領域

【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】