特許 7014461 音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-24

(45)【発行日】2022-02-01

(54)【発明の名称】音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置

(51)【国際特許分類】

   G10K 11/16 20060101AFI20220125BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20220125BHJP

【ＦＩ】

G10K11/16 140

F16F15/02 Q

G10K11/16 160

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020165369

(22)【出願日】2020-09-30

【審査請求日】2020-10-27

(73)【特許権者】

【識別番号】519321683

【氏名又は名称】株式会社３Ｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】特許業務法人 サトー国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水上 孝一

(72)【発明者】

【氏名】古賀 洋一郎

【審査官】渡邊 正宏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２０３６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０４Ｂ １／６２－ １／９９

Ｆ１６Ｆ ７／００－ ７／１４

Ｆ１６Ｆ ９／００－ ９／５８

Ｆ１６Ｆ １１／００－１３／３０

Ｆ１６Ｆ １５／００－１５／３６

Ｇ１０Ｋ １１／００－１３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内周側に空洞を有する筒状に形成されている強化部と、
前記強化部と一体に接続し、前記強化部よりも強度が低い低強度部と、を備える音響メタマテリアルであって、
前記強化部と前記低強度部とは、樹脂で一体に形成され、
前記強化部は、前記樹脂に充填され前記強化部を周方向へ周回する長繊維の炭素繊維によって強度が高められている音響メタマテリアル。

【請求項2】

前記強化部は、多角形の筒状であり、
前記炭素繊維は、前記強化部を周方向へ連続して周回している請求項１記載の音響メタマテリアル。

【請求項3】

前記低強度部は、振動が入力または減衰した振動を出力する端部を有する請求項１または２記載の音響メタマテリアル。

【請求項4】

前記強化部は、前記端部に近い側ほど軽量である請求項３記載の音響メタマテリアル。

【請求項5】

前記強化部は、前記端部に近い側ほど前記空洞が縮小している請求項４記載の音響メタマテリアル。

【請求項6】

前記強化部は、前記空洞において前記端部と反対側に設けられている錘部を有する請求項３から５のいずれか一項記載の音響メタマテリアル。

【請求項7】

２つ以上の連結された請求項１から６のいずれか一項記載の音響メタマテリアルを備え、
隣り合う前記強化部の間に前記低強度部を有する振動減衰装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自然界に存在し得ない性質を有する材料はメタマテリアルとして研究が進められている。音響メタマテリアルは、このようなメタマテリアルのうち、伝搬する音波や振動を制御するものである。音響メタマテリアルは、その特性を制御することによって、特定の周波数を吸収したり、伝搬する音波や振動を減衰したりすることができる。特に、音波や振動の減衰は、例えばばねを用いるダンパなどの減衰機構、あるいはゴムなどの減衰材料を用いて行われている。

【0003】

しかしながら、減衰機構を追加すると質量の増加を招くという問題があるとともに、減衰材料を用いると材料の不連続性からその部分における強度の低下を招くという問題がある。すなわち、振動を減衰する機能を持たせつつ、軽量化と高い強度とを両立するのは困難であるという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平０７－２８４１９８号公報

【文献】特開２０１７－１２０４１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで、軽量で強度が高く、音波または振動の周波数の制御が容易な音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために一実施形態による音響メタマテリアルは、強化部および低強度部を備える。強化部は、内周側に空洞を有する筒状に形成されている。低強度部は、強化部と一体に接続し、強化部よりも強度が低い。強化部と低強度部とは、樹脂で一体に形成されている。強化部は、樹脂に充填され強化部を周方向へ周回する長繊維の炭素繊維によって強度が高められている。

【0007】

これにより、一体となった強化部と低強度部とは、慣性増幅によって振動の減衰を達成する。この慣性増幅は、反共振現象によって特定の周波数帯域において、振動の透過を顕著に低下させる。強化部は、長繊維の炭素繊維が周方向へ周回して設けられている。そのため、強化部は、剛性を含む強度が高い。これに対し、低強度部は、この強化部と一体に樹脂で形成されているものの、長繊維の炭素繊維を含んでおらず、強化部に比較して強度が低く設定されている。強化部と低強度部とは樹脂で一体に形成されていることから、強化部に長繊維の炭素繊維を含ませても密度の差が小さい。そして、一体なった強化部と低強度部によって、強化部における強度が維持されつつ慣性増幅が達成される。したがって、軽量で強度が高く、減衰する音波または振動の周波数を容易に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態による音響メタマテリアルを示す概略図

【図2】一実施形態による音響メタマテリアルを構成する構造体を示す概略図

【図3】一実施形態による音響メタマテリアルを適用した振動減衰装置を示す概略図

【図4】音響メタマテリアルの強化部の幅ｂとバンドギャップとの関係を示す概略図

【図5】一実施形態による音響メタマテリアルを適用した振動減衰装置において、周波数と振動の伝達度との関係を示す概略図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、音響メタマテリアルの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２に示すように音響メタマテリアル１０は、強化部１１、低強度部１２および低強度部１３を備える。図２は、音響メタマテリアル１０を構成する最小単位の構造体１４を示している。音響メタマテリアル１０は、図１に示すようにこの構造体１４を複数組み合わせて構成されている。強化部１１は、内周側に空洞１５を有する筒状に形成されている。本実施形態の場合、強化部１１は、多角形の筒状に形成されている。低強度部１２および低強度部１３は、強化部１１と一体に接続している。低強度部１２および低強度部１３は、強化部１１に比較して強度が低く設定されている。このように、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、強度の高い強化部１１と、強化部１１に比較して強度の低い低強度部１２および低強度部１３とが一体に形成されている。

【0010】

本実施形態の場合、強化部１１は、５角形の筒状に形成されている。具体的には、強化部１１は、図２に示すように一端から他端にかけて空洞１５が縮小するように形成されている。このうち、図２の左端である端部１６は、音響メタマテリアル１０として構成したとき、振動が入力、または減衰した振動を出力する。筒状の強化部１１が形成する空洞１５は、図１および図２に示すＸ方向において、端部１６に近い側ほどＹ方向の全長が小さくなっている。

【0011】

強化部１１は、空洞１５において端部１６から遠い側、つまり端部１６と反対側に、錘部１７を有している。錘部１７は、強化部１１、低強度部１２および低強度部１３とともに一体に形成してもよく、例えば金属や樹脂などによってこれらとは別体に形成してもよい。このように、強化部１１は、端部１６に近い側ほど空洞１５を狭くするとともに、端部１６と反対側に錘部１７が設けられている。これにより、強化部１１は、端部１６に近い側ほど軽量になっている。つまり、強化部１１は、Ｘ方向において、端部１６側よりも端部１６とは反対側における質量が大きく設定されている。音響メタマテリアル１０を構成する強化部１１、低強度部１２および低強度部１３の厚さ、すなわちＸ方向およびＹ方向に垂直な方向の全長は、特に規定がない。

【0012】

強化部１１、低強度部１２および低強度部１３は、樹脂で継ぎ目なく一体に形成されている。端部１６は、これら強化部１１、低強度部１２および低強度部１３とともに樹脂で継ぎ目なく一体に形成されている。また、強化部１１に錘部１７を設ける場合、錘部１７は、強化部１１、低強度部１２、低強度部１３および端部１６とともに継ぎ目なく一体に樹脂で形成してもよい。音響メタマテリアル１０を構成する強化部１１、低強度部１２、低強度部１３、端部１６および錘部１７は、例えばポリアミドなどの樹脂で形成されている。これらを構成する樹脂は、樹脂単独であってもよく、数ｍｍ以下の短繊維からなる炭素繊維などの添加材料を含んでいてもよい。

【0013】

本実施形態の場合、低強度部１２は、強化部１１と端部１６との間に設けられている。この場合、低強度部１２は、端部１６よりも強度を低く設定することが好ましい。例えば、低強度部１２では樹脂に含まれる短繊維の炭素繊維は概ね一方向へ揃った状態で形成されるのに対し、端部１６では樹脂に含まれる短繊維の炭素繊維は直交する状態で形成される。これにより、低強度部１２は、端部１６と比較してより強度が低くなる。

【0014】

強化部１１は、炭素繊維１８を含んでいる。具体的には、強化部１１は、これを形成するポリアミドなどの樹脂に、連続する長繊維の炭素繊維１８が充填されている。炭素繊維１８は、長繊維であり、筒状の強化部１１を周方向へ周回している。すなわち、強化部１１は、周方向へ連続して１重以上に周回する長繊維の炭素繊維１８とともにポリアミドなどの樹脂によって一体的に成形されている。これにより、強化部１１は、周回する長繊維の炭素繊維１８によって強度が高められている。一方、低強度部１２は、強化部１１と一体に樹脂で形成されているものの、長繊維の炭素繊維１８を含んでいない。そのため、低強度部１２は、炭素繊維１８によって強度が向上した強化部１１に比較して、強度が低くなっている。炭素繊維１８は、強化部１１および低強度部１２を樹脂で形成する際に、強化部１１にのみ充填される。炭素繊維１８は、連続する１本の長繊維によって強化部１１を複数回連続して周回するように設ける構成としてもよく、強化部１１を周回する環状の長繊維を１本以上設ける構成としてもよい。いずれにしても、炭素繊維１８は、強化部１１を周方向へ周回するように設けられている。

【0015】

音響メタマテリアル１０は、隣り合う他の構造体１４と接続するための接続構造部１９を備えている。接続構造部１９は、強化部１１、低強度部１２、低強度部１３、端部１６および錘部１７などとともに樹脂で一体に形成されている。この場合、強化部１１と接続構造部１９との間には、低強度部１３が設けられている。接続構造部１９は、端部１６と同様にポリアミドなどの樹脂に含まれる短繊維の炭素繊維が直交する状態で形成され、炭素繊維が揃った状態で形成される低強度部１３よりも強度が高められている。

【0016】

図１に示す音響メタマテリアル１０は、図２に示す構造体１４を４つ組み合わせて構成されている。これにより、音響メタマテリアル１０は、端部１６と強化部１１との間に低強度部１２を備えるとともに、隣り合う他の構造体１４の強化部１１との間に低強度部１３を備えている。すなわち、接続構造部１９を挟んで隣り合う構造体１４の強化部１１の間には、低強度部１３が設けられている。

【0017】

図１に示す音響メタマテリアル１０は、さらに複数を組み合わせることにより、図３に示す振動減衰装置２０を構成する。すなわち、振動減衰装置２０は、図２に示す複数の構造体１４で構成される図１に示す音響メタマテリアル１０を、さらに複数組み合わせて構成されている。振動減衰装置２０は、図３に示すＸ方向において一端が入力端２１であり、他端が出力端２２である。音波などの振動は、入力端２１から入力され、出力端２２から出力される。入力端２１から入力された振動は、振動減衰装置２０を構成する音響メタマテリアル１０で減衰し、出力端２２から出力される。なお、図３に示す入力端２１および出力端２２は、例示である。すなわち、図３に示すＸ方向における振動減衰装置２０の端部のうち、振動が入力される側は入力端２１であり、その反対側は出力端２２である。振動は、振動減衰装置２０のＸ方向のいずれの側から入力してもよい。

【0018】

音響メタマテリアル１０は、上述のように強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とが樹脂で一体に形成されている。そのため、音響メタマテリアル１０は、慣性増幅によって振動の減衰を達成する。この慣性増幅は、反共振現象によって特定の周波数帯域において、振動の透過を顕著に低下させる。すなわち、本実施形態の場合、音響メタマテリアル１０は、強度の高い強化部１１と強度の低い低強度部１２および低強度部１３とを有することにより、慣性増幅にともなう反共振現象を生じる。特に、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、入力端２１または出力端２２となる端部１６に近い側が狭く軽量に設定され、入力端２１または出力端２２から遠い側が広くかつ錘部１７を設けることにより大きな質量に設定されている。そのため、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、慣性増幅を促進し、振動の減衰性能を向上する。さらに、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とが樹脂で一体に形成されている。そのため、強化部１１の強度を高めるために、強化部１１に長繊維の炭素繊維１８を含ませても、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３との間の密度の差は小さい。その結果、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、質量の増加を招くことなく慣性増幅を促進し、振動の減衰性能を向上する。そして、一体なった強化部１１と低強度部１２および低強度部１３によって、強化部１１における強度を維持しながら慣性増幅が達成される。

【0019】

上記の構成による音響メタマテリアル１０は、図示しない３Ｄプリンタによる印刷によって形成されている。３Ｄプリンタを用いることにより、内側に空洞１５を有する筒状の強化部１１は、低強度部１２、低強度部１３、端部１６、錘部１７および接続構造部１９とともに樹脂で継ぎ目なく一体に形成される。また、３Ｄプリンタを用いることにより、長繊維の炭素繊維１８は、各部を樹脂で一体に形成している音響メタマテリアル１０のうち強化部１１に選択的に充填される。すなわち、強化部１１、低強度部１２、低強度部１３、端部１６、錘部１７および接続構造部１９を有する構造体１４を複数組み合わせて音響メタマテリアル１０を形成するとき、構造体１４の強化部１１には選択的に長繊維の炭素繊維１８が充填される。そして、３Ｄプリンタを用いることにより、音響メタマテリアル１０は、構造体１４の各部を含む全体が樹脂によって継ぎ目なく一体に形成される。そして、この音響メタマテリアル１０を複数組み合わせて構成される振動減衰装置２０も、３Ｄプリンタを用いることにより、強度に差が設定された各部が継ぎ目なく一体に形成される。

【0020】

上記の構造による音響メタマテリアル１０は、図２に示すように筒状の強化部１１の幅ｂによって減衰する周波数の範囲、いわゆるバンドギャップが変化する。強化部１１の幅ｂは、図２に示すように筒状の強化部１１の厚さに相当する。図４に示すように強化部１１に長繊維の炭素繊維１８を含む本実施形態の音響メタマテリアル１０は、幅ｂが小さくても、強化部１１に長繊維の炭素繊維１８を含まない比較例と比較してバンドギャップが向上する。すなわち、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、強化部１１の幅ｂを低減しつつ、バンドギャップの向上が図られる。この強化部１１の幅ｂは、音響メタマテリアル１０の質量に相関する。そのため、音響メタマテリアル１０は、強化部１１の幅ｂを低減するほど軽量化される。これにより、本実施形態の音響メタマテリアル１０は、幅ｂの低減にともなう軽量化を達成しつつ、バンドギャップの向上を図ることができる。なお、音響メタマテリアル１０の強化部１１における高さ、つまりＸ方向およびＹ方向に垂直な方向の寸法は、本実施形態の場合、幅ｂの数倍程度に設定している。この強化部１１の高さは、振動の減衰性能およびバンドギャップに大きな影響を与えない。したがって、強化部１１を含む音響メタマテリアル１０の高さは、音響メタマテリアル１０および振動減衰装置２０の構造的な強度が維持できる程度に確保すれば十分である。

【0021】

図３に示す振動減衰装置２０の作用について説明する。
上述のように本実施形態の音響メタマテリアル１０は、慣性増幅による反共振現象を用いて振動を減衰する。この音響メタマテリアル１０を複数組み合わせて構成した振動減衰装置２０は、特定の周波数帯域において振動の減衰性能が向上する。具体的には、図５に示すように振動減衰装置２０は、５００Ｈｚから８００Ｈｚの範囲、特に６００Ｈｚ付近の周波数において伝達度が低下し、顕著な減衰効果を生じる。この減衰特性は、強化部１１の幅ｂによって変化する。このことから、音響メタマテリアル１０は、一体の強化部１１と低強度部１２および低強度部１３という構成を維持しながら、強化部１１の幅ｂを含めた各部の寸法を調整することにより、減衰する周波数の制御が可能となる。

【0022】

以上説明した一実施形態による音響メタマテリアル１０は、一体となった強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とが慣性増幅によって振動の減衰を達成する。強化部１１では、長繊維の炭素繊維１８が周方向へ周回して設けられている。そのため、強化部１１は、剛性を含む強度が高い。これに対し、低強度部１２および低強度部１３は、この強化部１１と一体に樹脂で形成されているものの、長繊維の炭素繊維１８を含んでおらず、強化部１１に比較して強度が低く設定されている。強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とは樹脂で一体に形成されていることから、強化部１１に長繊維の炭素繊維１８を含ませても両者の密度の差は小さい。そして、一体なった強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とによって、強化部１１における強度が維持されつつ慣性増幅が達成される。したがって、軽量で強度が高く、減衰する音波または振動の周波数を容易に制御することができる。

【0023】

また、一実施形態による音響メタマテリアル１０は、長繊維の炭素繊維１８が多角形の筒状の強化部１１を周方向へ連続して周回している。そのため、強化部１１は、長繊維の炭素繊維１８によって他の部分と比較して強度が高く設定されている。これにより、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３との構造による慣性増幅は促進される。したがって、軽量で強度が高く、減衰する振動の周波数を容易に制御することができる。

【0024】

一実施形態による音響メタマテリアル１０は、強化部１１は端部１６に近い側ほど軽量である。特に音響メタマテリアル１０は、強化部１１における空洞１５が端部１６に近い側ほど縮小している。そのため、強化部１１は、端部１６とその反対側との間に質量の傾斜が形成される。また、強化部１１の空洞１５において端部１６と反対側には錘部１７が設けられている。そのため、強化部１１は、端部１６とその反対側との間により大きな質量の傾斜が形成される。これにより、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とによる慣性増幅は促進される。したがって、軽量で強度が高く、減衰する振動の周波数を容易に制御することができる。

【0025】

一実施形態による振動減衰装置２０は、音響メタマテリアル１０を複数組み合わせて構成されている。そして、振動減衰装置２０は、隣り合う音響メタマテリアル１０の強化部１１の間に低強度部１３を挟んでいる。これにより、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３との接続が複数存在し、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とによる慣性増幅が全体として促進される。したがって、軽量で強度が高く、振動の減衰性能の向上を図ることができる。

【0026】

一実施形態による音響メタマテリアル１０、およびこれを用いた振動減衰装置２０は、３Ｄプリンタによる印刷によって形成される。そのため、強化部１１と低強度部１２および低強度部１３とは、長繊維の炭素繊維１８の有無による強度の差を設けつつ、全体として継ぎ目なく一体に形成される。したがって、振動の減衰に適切な複雑な形状、および端部１６から他端にかけての適切な質量配分が必要な場合でも、対象とする振動の周波数や減衰の強度にあわせて任意の形状の音響メタマテリアル１０および振動減衰装置２０を容易に形成することができる。

【0027】

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

【符号の説明】

【0028】

図面中、１０は音響メタマテリアル、１１は強化部、１２、１３は低強度部、１５は空洞、１６は端部、１７は錘部、１８は炭素繊維、２０は振動減衰装置を示す。

【要約】

【課題】軽量で強度が高く、音波または振動の周波数の制御が容易な音響メタマテリアルおよびこれを用いた振動減衰装置を提供する。
【解決手段】音響メタマテリアル１０は、強化部１１および低強度部１２、１３を備える。強化部１１は、内周側に空洞１５を有する筒状に形成されている。低強度部１２、１３は、強化部１１と一体に接続し、強化部１１よりも強度が低い。強化部１１と低強度部１２、１３とは、樹脂で一体に形成されている。強化部１１は、樹脂に充填され強化部１１を周方向へ周回する長繊維の炭素繊維１８によって強度が高められている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】