特許 7607933 超開放型メタマテリアルを使用した空気透過選択性音響消音装置

(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】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】超開放型メタマテリアルを使用した空気透過選択性音響消音装置

(51)【国際特許分類】

   G10K 11/16 20060101AFI20241223BHJP

   G10K 11/172 20060101ALI20241223BHJP

【ＦＩ】

G10K11/16 110

G10K11/172

G10K11/16 100

【請求項の数】 26

(21)【出願番号】P 2021505838

(86)(22)【出願日】2019-08-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-12-02

(86)【国際出願番号】 US2019044957

(87)【国際公開番号】W WO2020028838

(87)【国際公開日】2020-02-06

【審査請求日】2022-05-24

(31)【優先権主張番号】62/863,046

(32)【優先日】2019-06-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/714,246

(32)【優先日】2018-08-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】301069856

【氏名又は名称】トラスティーズ オブ ボストン ユニバーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】シン ヂャン

(72)【発明者】

【氏名】レザ ガファリヴァルダヴァ

(72)【発明者】

【氏名】ステファン アンダーソン

【審査官】堀 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０５０９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２０１５３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００５－５１３３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５１－０９４５３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０６－１４７６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－３０９０９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ１０Ｋ １１／１６－１１／１７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有する装置であって、
前記第１の通路は、第１の入口と第１の出口とを有し、当該第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の断面積（Ａ１）を有し、前記第１の通路は、当該第１の通路を介した前記波の伝播中に連続状態を持続させるように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の通路は各々、当該第２の通路を介して前記対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されていて、各々第２の入口と第２の出口とを有し、１つ又は複数の前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記対象周波数において共鳴するように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の出口から出る前記対象周波数にある前記第２の波が、前記第１の通路から出る前記対象周波数にある前記第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記第１の通路に対して相対的に配置されており、
当該装置が少なくとも０．６の開放率を有するように、前記第１の断面積（Ａ１）は、前記第２の断面積（Ａ２）よりも大きく、
ここで、前記開放率は、前記第１の断面積（Ａ１）と前記第２の断面積（Ａ２）との和（Ａ１＋Ａ２）に対する前記第１の断面積（Ａ１）の比率を意味し、即ち、
開放率＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）
である、
装置。

【請求項2】

前記第１の通路は、当該第１の通路を介して流体が流れるように開放されている、
請求項１に記載の装置。

【請求項3】

当該装置が少なくとも０．８の前記開放率を有するように、前記第１の断面積（Ａ１）は、前記第２の断面積（Ａ２）よりも大きい、
請求項１に記載の装置。

【請求項4】

当該装置が０．９９の前記開放率を有するように、前記第１の断面積（Ａ１）は、前記第２の断面積（Ａ２）よりも大きい、
請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記第１の通路は、当該第１の通路を介した流体流の軸線を規定し、前記第２の出口各々は、ダクト外にある出口である、
請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記第１の通路は、当該第１の通路を介した流体流の軸線を規定し、前記第２の出口各々は、軸線方向に配向された出口である、
請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記第２の出口各々は、ダクト外にある出口である、
請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記第１の波及び前記第２の波各々は、音響波であり、前記弱め合う干渉によって前記対象周波数にある前記第１の波は、少なくとも９４％減衰させられる、
請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記第１の波及び前記第２の波各々は、音響波であり、前記第２の出口各々から出る前記対象周波数にある音響エネルギーは、前記第１の通路から出る音響エネルギーと弱め合って干渉して、前記対象周波数にある音響を少なくとも２４ｄＢ減衰させる、
請求項１に記載の装置。

【請求項10】

１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有する装置であって、
前記第１の通路は、当該第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と第１の出口とを有し、前記第１の通路は、当該第１の通路を介した前記第１の波の伝播中に連続状態を持続させるように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の通路は各々、第２の入口と第２の出口とを有し、軸線方向を規定する１つの軸線に沿って延在し、当該第２の通路を介して前記対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されており、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記対象周波数において共鳴するように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の出口は、前記軸線方向において開放されており、
１つ又は複数の前記第２の出口から出る前記対象周波数にある前記第２の波が、前記第１の通路から出る前記対象周波数にある前記第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の前記第２の通路は、前記第１の通路に対して相対的に配置されている、
装置。

【請求項11】

前記第２の出口から出る前記第２の波の伝播が、前記第１の通路から出る前記第１の波と前記対象周波数において弱め合って干渉して、前記第１の波の伝達を少なくとも９４％低減することができるように、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記第１の通路に対して相対的に配置されている、
請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記第２の出口から出る前記第２の波の伝播が、前記第１の通路から出る前記第１の波と前記対象周波数において弱め合って干渉して、前記第１の波を少なくとも２４ｄＢ減衰させ得るように、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記第１の通路に対して相対的に配置されている、
請求項１０に記載の装置。

【請求項13】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、
１つ又は複数の前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、
前記第１の面積（Ａ１）と前記第２の面積（Ａ２）との和に対する前記第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．６よりも大きい、
請求項１０に記載の装置。

【請求項14】

１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有する装置であって、
前記第１の通路は、当該第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と、ダクト外にある容積体内に向けて開放されている第１の出口とを有し、前記第１の通路は、当該第１の通路を介した前記波の伝播中に連続状態を持続させるように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の通路は各々、１つの軸線に沿って延在し、当該第２の通路を介して前記対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されていて、各々が第２の入口と、ダクト外にある前記容積体内に向けて開放されている第２の出口とを有し、前記第２の通路各々は、前記対象周波数において共鳴するように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の出口から出る前記対象周波数にある前記第２の波が、前記第１の通路から出る前記対象周波数にある前記第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の前記第２の通路は、前記第１の通路に対して相対的に配置されている、
装置。

【請求項15】

前記第１の通路は、当該第１の通路を介して流体が流れるように開放されている、
請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記第１の波は、音響波であり、前記弱め合う干渉によって前記対象周波数にある前記音響波が減衰させられる、
請求項１４に記載の装置。

【請求項17】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、１つ又は複数の前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、当該装置が少なくとも０．８の開放率を有するように、前記第１の断面積（Ａ１）は、前記第２の断面積（Ａ２）よりも大きく、
ここで、前記開放率は、前記第１の断面積（Ａ１）と前記第２の断面積（Ａ２）との和（Ａ１＋Ａ２）に対する前記第１の断面積（Ａ１）の比率を意味し、即ち、
開放率＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）
である、
請求項１４に記載の装置。

【請求項18】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、１つ又は複数の前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、当該装置が少なくとも０．９９の開放率を有するように、前記第１の断面積（Ａ１）は、前記第２の断面積（Ａ２）よりも大きく、
ここで、前記開放率は、前記第１の断面積（Ａ１）と前記第２の断面積（Ａ２）との和（Ａ１＋Ａ２）に対する前記第１の断面積（Ａ１）の比率を意味し、即ち、
開放率＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）
である、
請求項１４に記載の装置。

【請求項19】

１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有する装置であって、
前記第１の通路は、当該第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と第１の出口とを有し、前記第１の通路は、前記対象周波数にある波が存在しているときに連続状態を持続させるように構成されており、
１つ又は複数の前記第２の通路は各々、当該第２の通路を介して前記対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されており、前記対象周波数において共鳴するように構成されていて、各々第２の入口と第２の出口とを有し、
１つ又は複数の前記第２の出口から出る前記対象周波数にある前記第２の波が、前記第１の通路から出る前記対象周波数にある前記第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の前記第２の通路各々は、前記第１の通路に対して相対的に配置されている、
装置。

【請求項20】

前記第１の通路は、当該第１の通路を介して流体が流れるように開放されている、
請求項１９に記載の装置。

【請求項21】

前記第１の通路は、前記対象周波数において共鳴しないように構成されている、
請求項１９に記載の装置。

【請求項22】

前記第１の波は、音響波であり、前記弱め合う干渉によって前記対象周波数にある前記音響波が減衰させられて、前記第１の通路から出る前記音響波の伝達が少なくとも９４％低減される、
請求項１９に記載の装置。

【請求項23】

前記第１の波は、音響波であり、前記弱め合う干渉によって前記対象周波数にある前記音響波が減衰させられて、前記第１の通路から出る前記音響波が少なくとも２４ｄＢ減衰させられる、
請求項１９に記載の装置。

【請求項24】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、
前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、
前記第１の面積（Ａ１）と前記第２の面積（Ａ２）との和に対する前記第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．６よりも大きい、
請求項１９に記載の装置。

【請求項25】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、
前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、
前記第１の面積（Ａ１）と前記第２の面積（Ａ２）との和に対する前記第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．８よりも大きい、
請求項１９に記載の装置。

【請求項26】

前記第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、
前記第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、
前記第１の面積（Ａ１）と前記第２の面積（Ａ２）との和に対する前記第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．９よりも大きい、
請求項１９に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願
本願は、米国特許仮出願第６２／７１４，２４６号、出願日：２０１８年８月３日、発明の名称："Air-Transparent Selective Sound Silencer Using Ultra-Open Metamaterial"、発明者：Xin Zhang, Reza Ghaffarivardavagh及びStephan Anderson、並びに、米国特許仮出願第６２／８６３，０４６号、出願日：２０１９年６月１８日、発明の名称："Air-Transparent Selective Sound Silencer Using Ultra-Open Metamaterial"、発明者：Xin Zhang, Reza Ghaffarivardavagh及びStephan Andersonの優先権を主張するものである。これらの先行出願各々の開示は、ここで参照したことによりその内容全体が本明細書に取り込まれるものとする。

【0002】

技術分野
本開示は音響抑制装置に関し、より具体的には、装置を介した音響伝達を抑制しながら、装置を介して空気を流すことも可能にする装置に関する。

【背景技術】

【0003】

背景技術
音響吸収遮蔽材及び音響偏向面など、種々の手段によって音響伝播を抑制することが知られている。例えばノイズキャンセリングヘッドホンなどいくつかの装置は、不所望な音響を不所望な音響の反転であるその音響の複製と混合することによって、不所望な音響の伝播を減衰させる。

【0004】

不所望な音響が既知の周波数を有する場合には、いくつかの装置は、不所望な音響をその音響の反転された複製（例えば、不所望な音響に対して１８０°反転の位相外れとなっている複製）と混合することによって、特定の周波数においてその不所望な音響を減衰させる。

【0005】

かかる従来技術によるいくつかの装置の種類は、「ハーシェルクインケ管」（又は「ＨＱ管」）として知られている。ＨＱ管は、音響を伝播させることができる第１のダクトと、音響を伝播させることができる第２のダクトを有する。伝播する音響信号は、第１のダクトと第２のダクトの双方に入り、それらのダクトが合流するまで両方のダクトを介して伝播し、第２のダクトを介して伝播した信号が、第１のダクトを介して伝播した信号と融合する。

【0006】

相応の波長（λ）を有する所与の周波数において、媒体中を伝播する音響信号を低減するＨＱ管の能力は、第１のダクトの長さ（Ｌ１）から現れるものでも第２のダクトの長さ（Ｌ２）から現れるものでもなく、その代わりに第１のダクトの長さと第２のダクトの長さとの差（即ち、Ｌ２－Ｌ１）に基づき現れる。ＨＱ管の場合、第１のダクトと第２のダクトとの長さの差（即ち、Ｌ２－Ｌ１）は、音響信号の周波数の波長の２分の１（０．５λ）（又は、Ｎλ＋０．５λ、ただし、Ｎは整数）であり、従って、これらのダクトが合流してそれらの個々の信号が融合するポイントにおいて、第２のダクト内を伝播する信号は、第１のダクト内の信号に対して１８０°の位相外れとなっている。例えば、第１のダクトは１．２５λの長さを有することができ、第２のダクトは１．７５λの長さを有することができ、従って、これらの長さの差は、１．７５λ－１．２５λ＝０．５λである。

【0007】

特に、これが意味することは、両方のダクトの個々の長さの間で要求される差を保証するために、ＨＱ管を製造するにはそれらのダクトを高精度で製造することが必要とされる、ということである。しかも、かかる装置は、流体を流すことができる開放空間の量と、音響伝播を減衰させるそれらの能力（即ち、それらの伝達損失）との間で、トレードオフが必要とされる。換言すれば、所望の音響性能を獲得するためには、開放面積量が犠牲にされる。

【0008】

従来技術のＨＱ管のいくつかの例について、以下において説明する。

【0009】

図１Ａには、Venterに対する米国特許第４，６８３，９７８号明細書の第１図による従来技術の排気消音装置が概略的に示されている。

【0010】

Venterの装置（図１Ａ）において、内燃機関用の排気消音装置が全体的に参照符号１０で表されている。排気消音装置１０は、入口開口部１２と、この入口開口部１２から軸線方向に距離をおいて配置された出口開口部１４を有する。この消音装置は、円筒形シェル（又はケーシング）１６とシェル１６内部のコア１８を含む。コアは中央軸線方向管１９を含み、これによって、少なくとも１つの軸線方向流路２０が規定される。コアは少なくとも１つの螺旋バッフル２１を有し、これにより、シェル１６内部において軸線方向流路２０の周囲に螺旋路２２が規定される。軸線方向流路２０は、上流側軸線方向入口２０．１と横断方向出口２４を有し、この横断方向出口２４は、螺旋路の下流側半部において横断方向に外側へ螺旋路２２内に向けられている。横断方向出口２４は、軸線方向流路２０の下流側端部において、螺旋バッフル２１の最後の２つのベーン２１．１と２１．２との間に密集して配置された複数の開口部によって設けられている。

【0011】

Venterの消音装置１０は、漏斗状入口接続部２８により規定された円錐台状部分２６．１を含む入口チャンバ２６を有し、入口接続部２８は円筒形シェル１６の直径の約半分の軸線方向長さを有する。入口チャンバは、円筒形シェル１６の直径の約半分の軸線方向長さを有する円筒形部分２６．２も有する。同様に、この消音装置は、螺旋路よりも下流側に延在するやはり円錐台状の出口チャンバ３０を有し、この出口チャンバ３０は、円筒形シェル１６の直径の約半分の軸線方向長さを同様に有する漏斗状出口接続部３２によって規定されている。バッフル２１は、螺旋路２０を規定する目的で、中央軸線方向管１９の周囲にウォームスクリュー状に巻回されている。軸線方向流路の上流側開口端部２０．１は、入口チャンバ２６の円筒形部分２６．２の下流側端部に配置されている。軸線方向流路２０を規定する中央軸線方向管１９は、横断方向隔壁２０．２により塞がれており、この隔壁２０．２は、管１９の上流側軸線方向入口２０．１と整列されており、管１９の横断方向出口２４よりも下流にある。

【0012】

図示されているように、Venterの軸線方向流路２０は、その横方向隔壁２０．２によって覆われており、Venterの軸線方向流路２０を介して伝播する波は、その横断方向出口２４の孔を介して半径方向にしか軸線方向流路２０から出られず、この出口は、その円筒形シェル（又はケーシング）１６の境界内にある。その結果、軸線方向流路２０を介して伝播する波と、その螺旋路２２を介して伝播する波との合流は、消音装置１０内においてしか発生し得ない。従って、Venterの軸線方向流路２０とその螺旋路２２との合流は、「ダクト内にある」と言い表すことができる。

【0013】

図１Ｂには、Graefensteinに対する米国特許第７，１１７，９７３号明細書の第２図によるガスダクト４用の従来技術の騒音抑制装置が概略的に示されている。

【0014】

Graefensteinのダクト４は、中央パイプ４４を含み、パイプ４４の外側面と接触して、３つの螺旋通路５１、５３、５５が設けられている。

【0015】

図１Ｂに示されているように、螺旋通路５１、５３、５５は、軸線方向（出口開口部１６）において中央パイプ４４と合流している。その結果、Graefensteinの中央パイプ４４を介して伝播する波と、その３つの螺旋通路５１、５３、５５を介して伝播する波との合流は、中央パイプ４４内においてしか発生し得ない。従って、Graefensteinの中央パイプ４４とその螺旋通路５１、５３、５５との合流は、「ダクト内にある」と言い表すことができる。

【0016】

図１Ｃには、Brownに対する米国特許第９，５００，１０８号明細書の第１図による従来技術の分流経路消音装置１０が概略的に示されている。Brownの消音装置１０は、（傾斜区間２０を備えた）入口開口部６４と出口開口部６６を有する外側シェル１２を含む。外側シェル１２内部においてBrownの消音装置１０は、内側管６２の周囲に巻回されたバッフル６３を含む。音響は、内側管６２を介して方向２８に伝播することができ、さらに、音響は、バッフル６３により規定された通路を介して方向６８に進行することができる。内側管６２は、排出開口部６７を有し、これは、外側シェル１２の出口開口部６６の近傍に、ただし、そこから距離をおいて、配置されている。

【0017】

図１Ｃに示されているように、Brownのバッフル６３により形成された通路は、シェル（又はケーシング）１２内部の空間内へと出ている。その結果、Brownの内側管６２を介して伝播する波と、そのバッフル６３により形成された通路を介して伝播する波との合流は、シェル（又はケーシング）１２内においてしか発生し得ない。従って、Brownの内側管６２とそのバッフル６３により形成された通路との合流は、「ダクト内にある」と言い表すことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【文献】米国特許第４，６８３，９７８号明細書

【文献】米国特許第７，１１７，９７３号明細書

【文献】米国特許第９，５００，１０８号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0019】

種々の実施形態の概要
例示的な実施形態によれば、消音装置は第１の伝達領域と第２の伝達領域を有し、各々入射波（例えば、対象周波数を含むスペクトルを有し、気体又は液体などの流体媒体中を伝播する音響信号）を受け取るように開放されている。

【0020】

第１の伝達領域は、入口（第１の入口）と出口（第１の出口）を有し、この第１の伝達領域を介して第１の入口から第１の出口へ波が伝播するように、また、この第１の伝達領域を介して第１の入口から第１の出口へ流体が流れるように、開放されている。これらの目的において、第１の伝達領域は、断面積（Ａ１）を有する。第１の伝達領域は、この第１の領域を介して伝播する波が連続状態を持続するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、第１の伝達領域は、これが対象周波数において共鳴しないように構成されている。

【0021】

第２の伝達領域は、入口（第２の入口）と出口（第２の出口）を有し、この第２の伝達領域を介して第２の入口から第２の出口へ波が伝播するように開放されている。例示的な実施形態によれば、第２の伝達領域は、対象周波数において共鳴するように構成されている。第２の伝達領域は断面積（Ａ２）を有する。

【0022】

第２の出口から出る波が、第１の伝達領域から出る波と対象周波数において弱め合って干渉し得るように、第２の伝達領域は第１の伝達領域に対して相対的に配置されている。例示的な実施形態によれば、第２の出口から出る波は、第１の伝達領域から出る波と対象周波数において弱め合って干渉して、入射波を９４％（又は２４ｄＢ）減衰させる。

【0023】

例示的な実施形態によれば、装置が少なくとも０．６の開放率［即ち、Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）は０．６以上］を有するように、第１の断面積（Ａ１）は第２の断面積（Ａ２）よりも大きい。いくつかの実施形態は、入射信号を減衰する上述の能力を維持しながら、０．９９に至るまでを含め、０．８以上の開放率を有するように構成されている。

【0024】

いくつかの実施形態によれば、第２の出口各々は、信号が第２の出口から軸線方向に出るように配置されている。かかる実施形態の場合、出て行く信号からのエネルギーは、半径方向において第１の伝達領域には入らない。

【0025】

これに加えて、いくつかの実施形態によれば、第２の出口各々は、信号が第２の出口からダクト外にある空間へと出るように配置されている。いくつかの実施形態は、装置がその下流側に一体化されたダクトを有しておらず、従って、信号は、消音装置からダクト外にある空間へと出るという点において、ダクト外にある。

【0026】

装置の第１の例示的な実施形態は、１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有し、第１の通路は、第１の入口と第１の出口を有し、この第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の断面積を有し、１つ又は複数の第２の通路は各々、この第２の通路を介して対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されていて、各々第２の入口と第２の出口を有し、１つ又は複数の第２の通路は第２の断面積を規定し、この場合、１つ又は複数の第２の出口から出る対象周波数にある第２の波が、第１の通路から出る対象周波数にある第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の第２の通路各々は第１の通路に対して相対的に配置されており、さらに、この場合、装置が少なくとも０．６の開放率を有するように、第１の断面積は第２の断面積よりも大きい。

【0027】

いくつかの実装形態によれば、第１の通路は、この第１の通路を介して流体が流れるように開放されている。

【0028】

いくつかの実施形態によれば、装置が少なくとも０．８の開放率を有するように、第１の断面積は第２の断面積よりも大きい。いくつかのかかる実施形態によれば、装置は０．９９の開放率を有する。

【0029】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、この第１の通路を介した流体流の軸線を規定し、第２の出口各々は、ダクト外にある出口である。

【0030】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、この第１の通路を介した流体流の軸線を規定し、第２の出口各々は、軸線方向に配向された出口であり、いくつかのかかる実施形態によれば、第２の出口各々は、ダクト外にある出口である。

【0031】

いくつかの実施形態によれば、第１の波及び第２の波各々は音響波であり、弱め合う干渉によって対象周波数にある第１の波が少なくとも９４％減衰させられる。いくつかの実施形態によれば、第２の出口各々から出る対象周波数にある音響エネルギーは、第１の通路から出る音響エネルギーと弱め合って干渉して、対象周波数にある音響を少なくとも２４ｄＢ減衰させる。

【0032】

装置の他の実施形態は、１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有し、第１の通路は、この第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と第１の出口を有し、１つ又は複数の第２の通路は各々、第２の入口と第２の出口を有し、軸線方向を規定する１つの軸線に沿って延在し、この第２の通路を介して対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されており、この場合、１つ又は複数の第２の出口は、軸線方向において開放されており、さらに、この場合、１つ又は複数の第２の出口から出る対象周波数にある第２の波が、第１の通路から出る対象周波数にある第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の第２の通路は第１の通路に対して相対的に配置されている。

【0033】

これらの実施形態のいくつかによれば、１つ又は複数の第２の通路各々は、対象周波数において共鳴するように構成されており、第１の通路は、この第１の通路を介した第１の波の伝播中に連続状態を持続させるように構成されている。いくつかのかかる実施形態において、１つ又は複数の第２の通路各々は、対象周波数において共鳴するように構成されており、第１の通路は、対象周波数において共鳴しないように構成されている。

【0034】

いくつかの実施形態によれば、第２の出口から出る第２の波の伝播が、第１の通路から出る第１の波と対象周波数において弱め合って干渉して、第１の波の伝達を少なくとも９４％低減することができるように、１つ又は複数の第２の通路各々は、第１の通路に対して相対的に配置されている。

【0035】

いくつかの実施形態によれば、第２の出口から出る第２の波の伝播が、第１の通路から出る第１の波と対象周波数において弱め合って干渉して、第１の波を少なくとも２４ｄＢ減衰させることができるように、第２の通路各々は、第１の通路に対して相対的に配置されている。

【0036】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、１つ又は複数の第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、第１の面積（Ａ１）と第２の面積（Ａ２）との和に対する第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．６よりも大きい。

【0037】

装置の他の実施形態は、１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有し、第１の通路は、この第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と、ダクト外にある容積体内に向けて開放されている第１の出口を有し、１つ又は複数の第２の通路は各々、１つの軸線に沿って延在し、この第２の通路を介して対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されていて、各々が第２の入口と、ダクト外にある容積体内に向けて開放されている第２の出口を有し、この場合、１つ又は複数の第２の出口から出る対象周波数にある第２の波が、第１の通路から出る対象周波数にある第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の第２の通路は第１の通路に対して相対的に配置されている。

【0038】

いくつかのかかる実施形態によれば、第２の通路各々は、対象周波数において共鳴するように構成されており、第１の通路は、この第１の通路を介した波の伝播中に連続状態を持続させるように構成されている。

【0039】

いくつかの実施形態において、第２の通路各々は、対象周波数において共鳴するように構成されており、第１の通路は、対象周波数において共鳴しないように構成されている。

【0040】

いくつかの実装形態によれば、第１の通路は、この第１の通路を介して流体が流れるように開放されている。

【0041】

いくつかの実施形態によれば、第１の波は、音響波であり、弱め合う干渉によって対象周波数にある音響波が減衰させられる。

【0042】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積を有し、１つ又は複数の第２の通路は、第２の断面積を規定し、装置が少なくとも０．８の開放率を有するように、第１の断面積は、第２の断面積よりも大きい。

【0043】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積を有し、１つ又は複数の第２の通路は、第２の断面積を規定し、装置が少なくとも０．９９の開放率を有するように、第１の断面積は、第２の断面積よりも大きい。

【0044】

装置のさらに他の実施形態は、１つの第１の通路及び１つ又は複数の第２の通路を有し、第１の通路は、この第１の通路を介して対象周波数にある第１の波が伝播するように開放されていて、第１の入口と第１の出口を有し、この場合、第１の通路は、対象周波数にある波が存在しているときに連続状態を持続させるように構成されており、１つ又は複数の第２の通路は各々、この第２の通路を介して対象周波数にある第２の波が伝播するように開放されており、対象周波数において共鳴するように構成されていて、各々第２の入口と第２の出口を有し、この場合、１つ又は複数の第２の出口から出る対象周波数にある第２の波が、第１の通路から出る対象周波数にある第１の波と弱め合って干渉し得るように、１つ又は複数の第２の通路各々は、第１の通路に対して相対的に配置されている。

【0045】

いくつかのかかる装置の場合、第１の通路は、この第１の通路を介して流体が流れるように開放されている。

【0046】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、対象周波数において共鳴しないように構成されている。

【0047】

いくつかの実施形態によれば、第１の波は音響波であり、弱め合う干渉によって対象周波数にある音響波が減衰させられて、第１の通路から出る音響波の伝達が少なくとも９４％低減される。

【0048】

いくつかの実施形態によれば、第１の波は音響波であり、弱め合う干渉によって対象周波数にある音響波が減衰させられて、第１の通路から出る音響波が少なくとも２４ｄＢ減衰させられる。

【0049】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、第１の面積（Ａ１）と第２の面積（Ａ２）との和に対する第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．６よりも大きい。

【0050】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、第１の面積（Ａ１）と第２の面積（Ａ２）との和に対する第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．８よりも大きい。

【0051】

いくつかの実施形態によれば、第１の通路は、第１の断面積（Ａ１）を有し、第２の通路は、第２の断面積（Ａ２）を規定し、第１の面積（Ａ１）と第２の面積（Ａ２）との和に対する第１の面積（Ａ１）の比率［Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］は、０．９よりも大きい。

【図面の簡単な説明】

【0052】

これまで述べてきた実施形態の特徴は、添付の図面を参考にして以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解されるであろう。

【図1A】従来技術の排気消音装置を概略的に示す図である。

【図1B】従来技術のガスダクト用騒音抑制装置を概略的に示す図である。

【図1C】従来技術の分流経路消音装置を概略的に示す図である。

【図2A】メタマテリアル音響消音装置の１つの実施形態の断面図を概略的に示す図である。

【図2B】種々のインピーダンス比のときのメタマテリアル消音装置１００を介した音響エネルギーの伝達について示すグラフである。

【図2C】種々の屈折率比のときのメタマテリアル消音装置１００を介した音響エネルギーの伝達について示すグラフである。

【図3A】メタマテリアル音響消音装置の実施形態を１つの視点から見た様子を概略的に示す図である。

【図3B】メタマテリアル音響消音装置の実施形態を他の視点から見た様子を概略的に示す図である。

【図3C】メタマテリアル音響消音装置の実施形態を他の視点から見た様子を概略的に示す図である。

【図3D】図３Ａの実施形態を断面で見た様子を概略的に示す図である。

【図4】図４Ａは、対象外周波数のときのメタマテリアル消音装置１００を介した音響エネルギーの伝達について示すグラフであり、図４Ｂは、対象周波数のときのメタマテリアル消音装置１００を介した音響エネルギーの伝達について示すグラフであり、図４Ｃは、メタマテリアル消音装置１００を介した音響エネルギーの伝達及び反射について示すグラフであり、図４Ｄは、種々の度合いの構造開放度を有する二層メタマテリアル消音装置１００を介した音響透過率について示すグラフである。

【図5A】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図5B】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図6A】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図6B】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図7】直列に配置された複数のメタマテリアル音響消音装置を有する消音装置システムの１つの実施形態を概略的に示す図である。

【図8A】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図8B】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図9A】管内に配置されたメタマテリアル消音装置の１つの実施形態を概略的に示す図である。

【図9B】管内に配置されたメタマテリアル消音装置の動作の結果を示すグラフである。

【図10A】メタマテリアル音響消音装置を有する装置を概略的に示す図である。

【図10B】複数のメタマテリアル音響消音装置を有する隔壁を概略的に示す図である。

【図11A】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図11B】メタマテリアル音響消音装置の選択的な実施形態を概略的に示す図である。

【図11C】密閉された自動車の車輪内部の騒音圧力を示すグラフである。

【図11D】密閉された空気車輪内部に配置されたメタマテリアル消音装置の１つの実施形態を示すグラフである。

【図11E】車輪が図１１Ａのメタマテリアル消音装置１１００を有していない場合の圧力に対して正規化された、車輪内部の圧力を示すグラフである。

【図11F】空気車輪のハブ上に配置されたメタマテリアル消音装置の１つの実施形態を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0053】

特定の実施形態の詳細な説明
種々の実施形態に含まれる装置は、装置を介した騒音の伝播を低減する一方で、かつ、公知の装置よりもさらに著しくコンパクトなフォームファクタをもらす一方で、装置を介した十分な流体流（例えば空気流）を許容する。

【0054】

このことに加えて、実施形態によれば、装置が騒音伝播を低減するときの１つ又は複数の周波数、及び／又は、装置が騒音伝播を低減するときの１つ又は複数の周波数周辺の帯域幅のうちの一方又は両方を、設計者が指定及び調節することができるようになる。

【0055】

定義：
用語「ダクト外にある」とは、装置よりも下流の空間がダクト、例えば、装置の一体化部分であるダクトによって囲まれていない、ということを意味する。

【0056】

用語「音響波」は、断熱圧縮及び断熱減圧により流体を介して伝播する波である。

【0057】

用語「音響エネルギー」とは、音響波により搬送又は伝播されるエネルギーのことを意味する。

【0058】

用語「軸線方向」とは、軸線に対して平行な方向のことを意味する。

【0059】

用語「軸線方向に配向された」とは、ある軸線に関して、その軸線に対して平行な方向に配向された、ということを意味する。

【0060】

用語「流体流の軸線」とは、流体が流動可能な方向のことを意味する。

【0061】

用語「連続状態」とは、周波数スペクトルを有する信号に関して、そのスペクトル全体にわたる周波数において信号がエネルギーを維持する、ということである。

【0062】

用語「弱め合う干渉」又は「弱め合って干渉する」とは、１つの共通のポイントに入射する２つの個々の波が重なり合って、それぞれ個々の波の個々の振幅における差に等しい振幅を有する合成波が形成される現象のことを指す。

【0063】

用語「流体」とは、流動可能な任意の媒体のことを指し、この媒体を介して波が伝播可能であり、以下に限定されるものではないが、気体、液体又はこれらに組合せを含む。

【0064】

用語「自由区間」（又は「囲まれていない」空間）とは、メタマテリアル消音装置に関しては、メタマテリアル消音装置の外側の空間、メタマテリアル消音装置において音響エネルギーを受け取る際の出所となるダクトの外側の空間、又は、メタマテリアル消音装置の下流側におけるダクトの外側の空間のことを意味する。

【0065】

用語「開放率」とは、第１の面積（Ａ１）を有する第１の伝達領域と、第２の面積（Ａ２）を有する第２の伝達領域を備えた装置に関して、第１の面積と第２の面積との和（Ａ１＋Ａ２）に対する第１の面積（Ａ１）の比率のことを意味する［即ち、開放率＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］。

【0066】

本開示及び本開示に添付された任意の請求項の目的について言えば、「開放率」とは、第１の断面積（Ａ１）を有する第１の領域と、第２の断面積（Ａ２）を有する第２の領域を備えた装置に関して、第１の断面積と第２の断面積との和（Ａ１＋Ａ２）に対する第１の断面積（Ａ１）の比率のことを意味する［即ち、開放率＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）］。

【0067】

用語「半径方向」とは、軸線に対して垂直な方向のことを意味する。

【0068】

「連続状態を持続させる」とは、信号が伝播する通路に関して、信号連続状態を維持しながら信号を通過させるようにこの通路が構成されている、ということを意味する。これとは対照的に、信号のスペクトル内のある１つの周波数において共鳴する通路である場合には、信号を信号連続状態では維持しないことになる。

【0069】

「セット」は、少なくとも１つの要素を含む。例えば、複数の通路からなるセットは、少なくとも１つの通路を含む。

【0070】

「対象周波数」は、弱め合う干渉を生成するように双向性のメタマテリアル消音装置を調整又は構成する際の対象となる音響エネルギーの周波数である。

【0071】

用語「透過率」とは、装置に入射する信号のエネルギーに関して、装置を通過するエネルギーと装置に入射するエネルギーとの比率のことを意味する。

【0072】

以下のいくつかの実施形態は、信号が伝播する流体媒体として、また、メタマテリアル消音装置を介して流れる流体媒体として、気体を用いて説明されている。ただし、流体媒体は液体であってもよいことから、実施形態は、流体媒体として気体に限定されるものではない。従って、この種の気体に関して説明される例示的な実施形態によって、かかる実施形態が限定されるものではない。

【0073】

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ：横断方向二層メタマテリアル消音装置
図２Ａには、メタマテリアル音響消音装置２００の１つの実施形態を断面で見た様子が概略的に示されている。

【0074】

メタマテリアル音響消音装置２００は、第１の伝達領域２１０を有し、この領域２１０によって、メタマテリアル消音装置２００を介した気体の流れを可能にするように開放された開口部が規定される。

【0075】

この目的で第１の伝達領域２１０は、例えば、直線的な剛体のロッドのような固体の物体であっても、曲げることなく、また、メタマテリアル消音装置２００とぶつかることなく、第１の伝達領域２１０を通過し得るように、開放されている。例えば、第１の伝達領域２１０は、中空円筒形状を有することができ、この形状は、内側半径方向面３２５及び厚さ２２７（“ｔ”）を有する内側リング３０２によって規定される（この実施形態においては、厚さを円筒の高さとして考えてもよい）。例示的な実施形態の場合、厚さ２２７は、円筒形の高さでもあり、従って、第１の通路２１０の長さである。例示的な実施形態の場合、装置２００の厚さ２２７は、対象周波数の波長の４分の１未満であり、いくつかの実施形態によれば、厚さ２２７は、対象周波数の波長の８分の１未満であり、さらに、いくつかの実施形態によれば、厚さ２２７は、対象周波数の波長の１６分の１未満である。好ましい実施形態において、通路２１０、２２０は、対象周波数の波長の２分の１よりも短い。

【0076】

図２Ａの実施形態の場合、第１の伝達領域２１０によって流体流軸線２１１が規定され、この流体流軸線２１１に沿って、流体（例えば、気体及び／又は液体）が第１の伝達領域２１０を介して、即ち、メタマテリアル消音装置２００を介して、流動可能である。

【0077】

第１の伝達領域２１０は、気体環境にある場合には、第１の音響インピーダンス（Ｚ_１）と第１の音響屈折率（ｎ_１）を有する。第２の伝達領域２２０とは対照的に、第１の伝達領域２１０は、（例えば、その寸法に基づき）対象周波数において共鳴しないように構成されている。

【0078】

メタマテリアル消音装置２００は、第２の伝達領域２２０を有する。一般に第２の伝達領域２２０は、１つ又は複数の導管からなるセットを含み、このセットにおける各導管は、対象周波数において共鳴するように構成されている。第２の伝達領域２２０は、入口と出口を有し、従って、波が第２の伝達領域２２０を介してその入口からその出口まで伝播可能となる。例示的な実施形態の場合、流体は、第２の伝達領域２２０を介してその入口からその出口まで流動可能である。

【0079】

メタマテリアル消音装置２００のいくつかの注目すべき特性について、以下において説明する。

【0080】

開放度
第１の伝達領域２１０は、入射音響信号に面した第１の領域面積（“Ａ１”）を有し、第２の伝達領域２２０は、入射音響信号に面した第２の領域面積（“Ａ２”）を有する。

【0081】

第１の伝達領域２１０の面積（Ａ１）と第２の伝達領域２２０の面積（Ａ２）との和に対する第１の伝達領域２１０の面積（Ａ１）の比率（Ａ１／Ａ１＋Ａ２）を、流体流に対するメタマテリアル消音装置２００の開放度の測定量とみなすことができる。この比率を「開放」率と称することができ、例えば、液体流に対して開放されている装置の小数又はパーセンテージとして表現することができる。本明細書において説明する例示的な実施形態によれば、メタマテリアル消音装置２００が少なくとも０．６（又は６０％）又はそれ以上の開放率を有するようにすることができる。例えば、いくつかの実施形態は、総てについて信号を減衰させるその能力を維持しながら、０．７（７０％）、０．８（８０％）、０．９（９０％）又はそれ以上、例えば０．９９（９９％）に至るまでの開放率を有する。かかるメタマテリアル消音装置を「超開放型メタマテリアル」（“ＵＯＭ”）と称することができ、例えば４０％を上回らない開放率であるならば有することができた従来技術の装置とは、極めて対照的である。

【0082】

インピーダンス及び屈折率
同様に、以下においてさらに詳細に説明するように、メタマテリアル消音装置２００が流体（例えば気体）環境に配置される場合には、第１の伝達領域２１０は、第１の音響インピーダンス（これを“Ｚ_１”と称することができる）及び第１の音響屈折率（これを“ｎ_１”と称することができる）を有し、第２の伝達領域２２０は、第２の音響インピーダンス（これを“Ｚ_２”と称することができる）及び第２の音響屈折率（これを“ｎ_２”と称することができる）を有する。第１の音響インピーダンス（Ｚ_１）、第１の音響屈折率（ｎ_１）、第２の音響インピーダンス（Ｚ_２）及び第２の音響屈折率（ｎ_２）は、メタマテリアル消音装置２００の物理的な寸法によって少なくとも部分的に決定される。

【0083】

透過率
透過率は、上流側２２１から下流側２２２へのメタマテリアル消音装置２００を介した入射信号の波エネルギー（例えば音響エネルギー）の伝達の定量的測定値である。例えば、透過率を、メタマテリアル消音装置２００により受け取られた（例えば、第１の伝達領域２１０に入力された）エネルギーに対する、メタマテリアル消音装置２００から伝達された（例えば、メタマテリアル消音装置２００の下流側２２２から出力された）エネルギーの比率と定めることができる。換言すれば、音響透過率は、入射されたエネルギーに対する伝達されたエネルギーの比率である。例えば、ある信号がメタマテリアル消音装置２００に所与のエネルギー量で入射し、メタマテリアル消音装置２００から伝達されたエネルギーが、第１の伝達領域２１０内に受け入れられたエネルギーの６パーセント（６％）に過ぎなければ、６／１００又は０．０６の比率となる。これらを入れ替えて言うならば、メタマテリアル消音装置２００は、信号を９４％又は２４．４ｄＢ、減衰させている。ただし、ｄＢは、２０ｌｏｇ（入力エネルギー／出力エネルギー）として計算される。この実施例においては、出力エネルギーに対する入力エネルギーの比率は、１００／６＝１６．６６であり、２０ｌｏｇ（１６．６６）＝２４．４ｄＢである。

【0084】

図２Ｂ及び図２Ｃの実施例は、別個の音響特性を有するメタマテリアル消音装置２００の上流側２２１に入射した音響平面波に基づくものである。

【0085】

これらの実施例に関して以下のことを前提とする。即ち、メタマテリアル消音装置２００は、厚さｔと共にＸ軸に関して軸線対称の構成を有し、この構成において、第１の伝達領域２１０（ｒ＜２２３）は、Ｚ_１の音響インピーダンスとｎ_１の屈折率を有し、第２の伝達領域２２０（２２３＜ｒ＜２２４）は、Ｚ_２の音響インピーダンスとｎ_２の屈折率を有する。なお、軸線対称の構成は、簡略化の目的で選択されているに過ぎず、一般性を損なうことなく、ハニカム形状の矩形のプリズムといったその他の構成を考察することができる、ということに留意されたい。上述のように、第１の伝達領域２１０と第２の伝達領域２２０との界面（ｒ＝２２３）は、固い境界であるとみなされ、この構造全体は、音響透過率を導出する目的で、Ｃ_ｏの音速及びｐ_０の密度を有する媒体で充填された剛性で円筒形の（即ち、断面が円形の）導波管内に閉じ込められているものとする。

【0086】

透過率を導出するための最初のステップとして、横断方向の場の変動を除くために、界面（ｘ＝０及びｘ＝ｔ）における音響圧力場及び速度場について以下の定義が採用される。

【数1】

【数2】

【0087】

ここで、ｐ及びｕは、それぞれ音響圧力場及び速度場である。Ｐ_１，２及びＵ_１，２は、第１の伝達領域２１０と第２の伝達領域２２０との界面における平均化された圧力及び体積速度である。次に、これらの領域が固い境界によって分離されているとみなす場合には、第１の領域２１０及び第２の領域２２０について、出力圧力及び出力速度を入力条件に結び付ける伝達行列を、分離された手法により記述することができる。

【数3】

【0088】

ここで、ｋ_ｏは、ダクト内部の媒体に関連づけられた波数であり、ω／Ｃ_ｏとして定義され、ｎ_１及びｎ_２は、それぞれ伝達領域２１０及び２２０の屈折率であり、ｔは、厚さであり、Ｚ_１及びＺ_２は、それぞれ伝達領域２１０及び２２０の特性インピーダンス値である。グリーン関数の手法を適用すれば、以下の関係を導出することができる。

【数4】

【0089】

ここで、グリーン関数は、

【数5】

と定義される。

【0090】

ここで、固有モードは、φ_ｎ（ｒ）＝Ｊ_０（ｋ_ｎｒ）／Ｊ_０（ｋ_ｎｒ_２）として定義され、ただし、波数ｋ_ｎをＪ（ｋ_ｎｒ_２）＝０の解とする。

【0091】

上記の式を解くことにより、上述のように定義された平均化された圧力及び体積速度をただちに計算することができ、これらから音響透過率を以下のとおりにただちに導出することができる。

【数6】

【0092】

図２Ｂ及び図２Ｃには、種々の値の屈折率及び音響インピーダンスについて二層メタマテリアル消音装置２００からの透過率が、グラフで示されている。図２Ｂには、特性インピーダンス比の作用が描かれており、これに関してフィルタリングのＱ係数（即ち「品質係数」）を調整することができる。図２Ｃには、屈折率比の作用が表されており、これに関してフィルタリングの周波数レジームを調節することができる。

【0093】

図２Ｂの場合、ｎ_２／ｎ_１＝１０が考察されており、４つの異なる値のインピーダンス比について透過率が無次元量ｎ_２ｔ／λ（λは、波長を表す）と対比して描かれている。図２Ｃの場合、インピーダンス比は、一定に保持されたままであり（Ｚ_２／Ｚ_１＝１０）、３つの異なる値の屈折率比について透過率が描かれている。特に、これらの例に関して、導波管内のバックグラウンド媒体は、空気であるとみなされ、また、第１の伝達領域２１０内の媒体がこのバックグラウンド媒体と同一であるものとする。よって、第１の伝達領域２１０の特性音響インピーダンスをＺ_ｉ＝ρ_ｏｃ_ｏ／πｒ_１ ^２として導出することができ、反射率（ｎ_１）は、単位元に等しい。

【0094】

図２Ｂ及び図２Ｃから、以下のことを観察することができる。即ち、Ｚ_２及びｎ_２の値について、伝達領域２１０の音響特性が伝達領域２２０とは異なるとすれば、非対称の伝達プロファイルが得られ、この場合、弱め合う干渉の結果として、ファノのような干渉に基づき透過率ゼロを生じさせることができる。弱め合う干渉は、第２の伝達領域２２０の共鳴状態であるｎ_２ｔ≒λ／２の場合に現れる。２つの領域の屈折率（ｎ_１及びｎ_２）に差異がある場合には、第１の伝達領域２１０は、連続状態を持続させることになり、その結果、ファノのような干渉が発生する。この状態の間、第２の伝達領域２２０を介して進行する音響波の部分が、この領域において共鳴により誘導された局所的なモードと相互に作用し合い、その結果、この領域を介して進行した後、位相外れ状態が生じる。領域２１０を介して進行する入射音響波の部分は、無視し得る程度の位相シフトを伴ってメタマテリアル２００を通過し、従って、メタマテリアルの伝達側において、結果として弱め合う干渉が発生する。注目すべきは、弱め合う干渉は当初、領域２２０の第１の共鳴モードであるｎ_２ｔ≒λ／２において発生するが、ｎ_２ｔ≒Ｎλ／２、ただし、Ｎは整数、である場合には、より高い共鳴モードにおいても発生することになる。

【0095】

図２Ｂから、それぞれ異なる値のインピーダンス比に対する透過率を比較することによって、２つの領域の特性音響インピーダンス間の差異が増加することにより、減衰性能の品質係数（Ｑ係数）が増加することがわかる。この属性によって自由度がもたらされ、インピーダンスの差異を調節することによって、所望のフィルタリング帯域幅を実現することができる。興味深いことに、特性インピーダンス比によって著しく大きい数値（Ｚ_２／Ｚ_１＝∞）がもたらされる場合には、フィルタリングが著しく狭帯域の特性であるとすれば、フィルタリング性能が抑制され、オリフィスのような挙動が実現される。しかしながら、同様の開放面積ジオメトリを有するオリフィス構造であると、結果として比較的不十分な音響フィルタリング性能となり、このことによって、伝達された音響波の減衰に関してわずかな低減しかもたらされなくなる。

【0096】

図２Ｃには、２つの媒体間の屈折率の差異が透過率に及ぼす作用が表されており、ｎ_２ｔ≒λ／２の場合に、高い度合いのフィルタリングが得られることが示されている。かくして発明者は、提案した構造において屈折率を調節すれば、高性能の音響減衰を任意の所望の周波数において実現することができる、ということを見出した。

【0097】

図２Ｂ及び図２Ｃに示されているように、音響信号の透過率は、対象周波数においてはゼロ又はほぼゼロである。従って、ここで言えることは、弱め合う干渉により対象周波数において音響波が減衰され、音響波消音装置２００の伝達が少なくとも９４％低減される、ということである。

【0098】

なお、メタマテリアル消音装置２００は、受動的な装置であり、この装置は、エネルギー供給を必要とせず、その代わりに入射信号におけるエネルギーのみを使用して動作する、ということに留意されたい。

【0099】

これまでの開示から、また、以下において提示される実施例を考慮すれば、メタマテリアル消音装置２００の特性を、物理的な寸法（半径、厚さ、螺旋角度）及び他の特性（Ｚ_１、Ｚ_２、ｎ_１、ｎ_２）といったこの装置のパラメータの選択によって指定可能である、ということがわかる。例えば、かかるパラメータを情報に基づき選択することによって、設計者は、メタマテリアル消音装置２００の対象周波数（この装置の減衰作用が最も顕著である周波数）、この対象周波数におけるその帯域幅、及び、その開放率を指定することができる。しかも、物理的な寸法を指定することによって、メタマテリアル消音装置２００の第１の伝達領域２１０を、この第１の伝達領域２１０を介して伝播する波が連続状態を持続する（例えば、第１の伝達領域は、対象周波数において共鳴しない）（かかる第１の伝達領域を、連続状態を維持する又は持続すると言い表すことができる）ように、構成することができ、第２の伝達領域２２０を、これが対象周波数において共鳴するように構成することができる。

【0100】

図３Ａ～図３Ｄ：メタマテリアル消音装置の円筒形の実施形態
図３Ａには、円筒形二層メタマテリアル消音装置２００の１つの実施形態（３００）の正面図が概略的に示されている。図３Ｂには、円筒形二層メタマテリアル消音装置３００の側面破断図が概略的に示されており、図３Ｃには、円筒形二層メタマテリアル消音装置３００の背面図が概略的に示されている。

【0101】

図３Ａのメタマテリアル消音装置３００は、円筒形状を有し、外側表面３２６を備えた外側リング３０１を含む。外側リング３０１は、２つの伝達領域（又は「層」）２１０及び２２０を含む内部空間を規定している。

【0102】

この実施形態における第１の伝達領域２１０は、内側リング３０２を含み、内側半径２２３によって規定されている。

【0103】

好ましい実施形態によれば、内側リング３０２は、第１の伝達領域２１０を第２の伝達領域２２０から音響的に隔離しており、これは、第１の伝達領域２１０内の気体及び気体からの音響エネルギーが第２の伝達領域２２０へ伝達されることを実質的に阻止し、かつ、第２の伝達領域２２０内の気体及び気体からの音響エネルギーが第１の伝達領域２１０へ伝達されることを実質的に阻止することによって行われる。内側リング３０２を「音響的に剛体のスペーサ」と称することができる。例示的な実施形態によれば、内側リング３０２は、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂からなる。

【0104】

この実施形態の第２の伝達領域２２０は、外側半径２２４と内側半径２２３とによって規定されている。図３Ａ及び図３Ｃに示されているように、第２の伝達領域２２０は、第１の側に上流面２２１を有し、第１の側とは反対の側に下流面２２２を有する。

【0105】

第２の伝達領域２２０は、螺旋通路３４１、３４２、３４３、３４４、３４６からなるセットを含む。螺旋通路セットの螺旋通路３４１～３４６各々は、上流面２２１に向けて開放されている対応する通路入口開口部（それぞれ３３１～３３６）、及び、下流面２２２に向けて開放されている対応する通路出口開口部（それぞれ３５１～３５６）を有する。

【0106】

第１の伝達領域２１０の上流面２２１は、内側半径２２３の２乗×πとして規定された面積（Ａ１）を有する。図示されているように、第２の伝達領域２２０は、螺旋通路３４１～３４６からなるセットを含む。これらの螺旋通路３４１～３４６各々は、内側リング３０２と外側リング３０１（又は、内側半径２２３と外側半径２２４）との間の距離として規定された半径方向高さを有する。従って、断面（図３ＡのＸ軸に沿って示した図３Ｄ）で見ると、通路セットは、２π×［内側半径２２３と外側半径２２４との差の２乗］の面積（Ａ２）を有する断面を表す。換言すれば、図３Ａのメタマテリアル消音装置３００の第２の伝達領域２２０は、環状の形状であり、２π×［外側半径（２２４）の２乗］から２π×［内側半径（２２３）の２乗］を差し引いた面積［即ち、２π（Ｒ_２ ^２－Ｒ_１ ^２）、ただし、Ｒ_１は、内側半径２２３、Ｒ_２は、外側半径２２４］を有する。実際には、第２の伝達領域２２０は、図３Ａのメタマテリアル消音装置３００が単一の螺旋ダクト（例えば３４１）だけしか有していないとしても、同等の面積（Ａ２）を有することになる。その理由は、この単一の螺旋通路であっても、断面で見れば、２π×［内側半径２２３と外側半径２２４との差の２乗］の面積（Ａ２）を有する断面を表すことになるからである。

【0107】

螺旋通路３４１～３４６を「共鳴通路」と称することができ、その理由は、動作中、上流面２２１に入射する音響波の１つ又は複数の周波数成分（各々１つの「対象周波数」）が、螺旋通路３４１～３４６の１つ又は複数において共鳴することになるからである。

【0108】

螺旋通路セットの螺旋通路３４１～３４６各々は、１つの螺旋軸線を有し、例示的な実施形態においては、螺旋通路３４１～３４６は、同一の螺旋軸線を有する。

【0109】

螺旋通路セットの螺旋通路３４１～３４６各々は、螺旋角度３４７を有する。図３Ａの実施形態の場合、螺旋通路３４１～３４６各々に対する螺旋角度３４７各々は、同一であるが、いくつかの実施形態において、螺旋通路３４１～３４６のいずれか１つ又は複数が、セット内の他の螺旋通路の１つ又は複数の螺旋角度３４７とは異なる螺旋角度３４７を有することができる。

【0110】

螺旋通路セットの螺旋通路３４１～３４６各々は、通路長さも有し、所与の螺旋通路の長さは、この螺旋通路の対応する通路入口開口部と対応する通路出口開口部との間の螺旋軸線に沿った距離である。例示的な実施形態によれば、螺旋通路セットの螺旋通路３４１～３４６各々は、サブ波長構造であり、この構造の場合には、その通路長さは、通路が消音装置として動作する周波数の波長よりも短い。しかも、いくつかの例示的な実施形態によれば、通路３４１～３４６各々の通路長は、通路が消音装置として動作する周波数の波長の２分の１（１／２）であり、好ましい実施形態によれば、かかる波長の２分の１（１／２）よりも短い（ただし、１／４よりも長い）。

【0111】

以下においては、４６０Ｈｚの対象周波数を有するように構成された双向性メタマテリアル消音装置３００の動作及びいくつかの特性について説明する。ただし、メタマテリアル消音装置２００の動作及び特性は、一般に、この特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。これらの特性をもたらすために使用されたメタマテリアル消音装置３００の実施形態は、５．２ｃｍの厚さ（ｔ）３２７、５．１ｃｍの内側半径２２３、７ｃｍの外側半径２２４、及び、８．２°の螺旋角度３４７を有するものであった。インピーダンス比Ｚ_２／Ｚ_１は７．５、屈折率比ｎ_２／ｎ_１は７であった。

【0112】

図４Ａ～図４Ｄ：メタマテリアル消音装置の性能
例示的な動作の実施形態によれば、メタマテリアル消音装置３００は、気体中を伝播する音響信号の経路内に配置されている。具体的には、メタマテリアル消音装置３００は、音響信号が第１の伝達領域２１０及び第２の伝達領域２２０（この実施例においては、螺旋通路３４１～３４６の通路入口開口部３３１～３３６）に入射して入るように配置されている。第１の伝達領域２１０内において伝播する波の部分を第１の波と称することができ、第２の伝達領域２２０内において伝播する信号の部分を第２の波と称することができる。なお、音響信号からの音響エネルギーは、第１の伝達領域２１０の円筒に最初に入ることなく、通路入口開口部３３１～３３６に入る可能性があることに留意されたい。

【0113】

気体自体は、気体流軸線２１１に沿った方向に移動することができる。かかる方向を「下流」方向と称することができる。音響信号は、複数の周波数成分を含むスペクトルを有することができる。例示的な実施形態によれば、メタマテリアル消音装置３００は、音響信号スペクトルの少なくとも１つの周波数（「対象周波数」）を減衰又は消音させながら、第１の伝達領域２１０を介して気体を通過させることができるように構成されている。

【0114】

既述のとおり、螺旋通路３４１～３４６を「共鳴通路」と称することができ、その理由は、動作中、上流面２２１に入射する音響波の１つ又は複数の周波数成分が、螺旋通路３４１～３４６の１つ又は複数において共鳴するからである。これと同時に音響信号は、共鳴することなく（即ち、「連続状態」で）第１の伝達領域２１０を介して伝播する。しかも、気体が移動しているとき、この気体は、実質的に妨害されることなく第１の伝達領域２１０を通過することができる。

【0115】

螺旋通路３４１～３４６からの音響エネルギーは、通路出口開口部３５１～３５６においてメタマテリアル消音装置３００から出る。具体的には、音響エネルギーは、メタマテリアル消音装置３００の下流面２２２から、メタマテリアル消音装置３００よりも下流方向に位置する囲まれていない空間２０５へと出る。しかも、例示的な実施形態によれば、音響エネルギーは、メタマテリアル消音装置３００の第２の通路２２０から接線方向へと出る。接線方向は、メタマテリアル消音装置３００の中央から伸びた半径（２２３、２２４）に対して正接であり下流面２２２に対して実質的に平行な方向として規定されている。ただし、メタマテリアル消音装置３００の第２の通路２２０から出るエネルギーの方向を、少なくとも半径方向ではないという点においては、それでもやはり、軸線方向（又は軸線に配向されている）と言い表すことができる。

【0116】

螺旋通路３４１～３４６各々からの音響エネルギーは、この音響エネルギーが出てくる通路の共鳴周波数と等しい周波数を有し、ファノ干渉によって、第１の伝達領域２１０からの気体においてこの周波数にある音響エネルギーを相殺する。

【0117】

メタマテリアル消音装置３００の１つの実施形態の消音性能を視覚化する目的で、図４Ａ及び図４Ｂには、メタマテリアル消音装置３００を介した音響伝達が概略的に示されている。図４Ａ及び図４Ｂには、メタマテリアル消音装置３００の破断図が示されている。換言すれば、これらの図面においては、結果として生じる圧力場及び速度場を２次元（２Ｄ）で表すために、切断面が用いられる。

【0118】

図４Ａは、双向性メタマテリアル消音装置に入射する平面波の第１の周波数の伝達について示すグラフである。図４Ｂは、双向性メタマテリアル消音装置に入射する平面波の第２の周波数（「対象」周波数）の伝達について示すグラフである。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、背景色は、入射波の振幅により正規化された圧力場の絶対値を表現し、白線は、局所的な速度場の流れ及び配向を表す。

【0119】

図４Ａには、黒矢印で示されているように、左側からメタマテリアル消音装置３００に入射した４００Ｈｚの周波数を有する平面波が表されている。メタマテリアル消音装置３００の構造の解析的及び実験的に予期される挙動によれば、４００Ｈｚの周波数レジームにおいて高い圧力伝達が結果として生じる。

【0120】

この状態において、メタマテリアル消音装置３００の構造の螺旋部分２２０が、中央の開放部分２１０の音響インピーダンス（Ｚ_１）に比較して著しく大きい音響インピーダンス（Ｚ_２）を有するとすれば、入射波は、主として、メタマテリアル消音装置３００の中央開放部分２１０を介して進行することになる。この挙動を、図４Ａに示した局所的な速度場の流れによって視覚的に確認することができ、この場合、メタマテリアル消音装置３００の構造の前方及び後方の双方において、断面積の変化を除き、速度場は、最小限の妨害しか受けていない。

【0121】

図４Ｂには、左側から入射した平面波について同様の事例が表されているが、この場合には、周波数は、４６０Ｈｚである。上述のようにして得られた理論的及び実験的な結果に基づき予期されることは、この周波数において、メタマテリアル消音装置３００の螺旋部分２２０を介して伝達される波は、メタマテリアル消音装置３００の中央開放部分２１０を介して進行する伝達された波に対して位相外れとなる、ということである。ここで得られた結果が表していることは、メタマテリアル消音装置３００の伝達側（これらの図の右側）における弱め合う干渉の結果として、囲まれていない空間２０５においては、波の伝達が減衰されている、ということである。

【0122】

特に、メタマテリアル消音装置３００の２つの領域２１０、２２０を介した位相外れ伝達について、白線で図４Ｂに示した速度プロファイルを参照することにより、理解を深めることができる。直ちに認識されることは、メタマテリアル消音装置３００の２つの領域２１０、２２０から伝達される波の局所的な音響速度は、互いに逆方向であり、その結果として、速度の流れに湾曲が目立ち、かつ、遠視野放射が減少している、ということである。ここで述べておきたいことは、ファノのような干渉に基づく弱め合う干渉の存在によって、メタマテリアル構造３００は、開放端の音響終端の事例に似た状況を再現し、この場合、ほぼゼロの実効音響インピーダンスの結果として入射波の優勢な反射が生じる、ということである。

【0123】

換言すれば、図４Ａには、４００Ｈｚの周波数でメタマテリアル消音装置３００に左側から入射した平面波から生じた入射波の大きさにより正規化された絶対圧力値が、カラーマップを用いて示されている。局所的な速度の流れが白線で示されている。この周波数において、伝達係数（伝達圧力と入射圧力との比率）は、約０．８５であり、従って、音響波エネルギーの約７２％が伝達される。

【0124】

図４Ｂには、圧力及び速度のプロファイルが、図４Ａで表された入射波と同等の振幅であるが４６０Ｈｚの周波数を有する入射平面波と共に描かれている。この周波数においては、ファノのような干渉に基づいて、伝達された波は、著しく低減された振幅を有し、波は、効果的に消音された。この実施形態によれば、メタマテリアル消音装置３００の２つの領域２１０、２２０から伝達された波の間の位相差の結果として、波の速度場の湾曲が発生し、遠視野放射が減少した。

【0125】

図４Ｃは、二層メタマテリアル消音装置３００により伝達された音響エネルギーの正規化された量と、二層メタマテリアル消音装置３００により反射させられた音響エネルギーの量を示すグラフである。図示されているように、４６０Ｈｚの対象周波数において、著しくわずかな音響エネルギーしかメタマテリアル消音装置３００により伝達されず（約５％未満）、他方、音響エネルギーの大部分は、メタマテリアル消音装置３００により反射させられる（約９４％又はそれ以上）。

【0126】

図４Ｄは、種々の度合いの構造開放度を有する二層メタマテリアル消音装置３００を介した音響透過率について示すグラフである。透過率は、グリーン関数の手法を用いて解析的に導出された。特に、本明細書において考察する二層メタマテリアル消音装置の構造は、それらの横断方向二層メタマテリアルモデルにおいて同一の屈折率比であることを特徴とするが、それぞれ異なるインピーダンス比を有する。

【0127】

例示的な実施形態によれば、開放度パーセンテージは、音響インピーダンス比と相関しており、著しく高い開放度パーセンテージであったとしても、本実施形態の範囲内において消音を実現することができる。例えば、図４Ｄに示されているように、（開放度が０．９９又は９９％に近づくほぼ完全な開放面積に迫る）著しく高いパーセンテージの開放面積を有する二層メタマテリアル消音装置３００の場合であっても、消音される周波数帯域は、結果として狭まるとはいえ、消音機能は、そのまま存続する。以下の表は、開放度（開放面積／総面積、「開放度」の見出しが付された列）と、図４Ｄに示したような種々の周波数における音響伝達（透過率）との関係を表している。

【表1】

【0128】

これまでの図面には、４６０Ｈｚの対象周波数を有する消音装置２００の実施形態が示されているが、実施形態は、この対象周波数を有する消音装置に限定されるものではない。上述のように消音装置２００の対象周波数を、消音装置のパラメータの指定により設定することができる。

【0129】

図５Ａ～図５Ｂ：非均一な通路を備えた円筒形メタマテリアル消音装置の実施形態
図５Ａ及び図５Ｂには、メタマテリアル消音装置２００の他の実施形態（５００）が概略的に示されている。この実施形態の場合、第２の伝達領域２２０における螺旋通路３４１～３４６は、同一の物理的な寸法を有していない。例えば、いくつかの通路は、他の通路よりも長い。それぞれ異なる通路長に適応するために、螺旋通路３４１～３４６のための通路入口３３１～３３６は、上流面２２１の周囲に不均一に配置されている。選択的に又は付加的に、通路出口３５１～３５６は、下流面２２２の周囲に不均一に配置されている。これに加えて、６つの通路３４１～３４６は、それぞれ異なる螺旋角度３４７を有する。この設計の場合、通路の正面角度が異なると、実効長（及びその結果として反射率、ｎ）と断面（及びその結果としてインピーダンス、Ｚ）の双方がそれぞれ異なる。従って、消音装置のこのモデルを、それぞれ異なる消音帯域幅を有する同時に複数の対象周波数に対して設計することができる。

【0130】

図６Ａ～図６Ｂ：半径方向に配置された複数の導管を有する円筒形メタマテリアル消音装置の実施形態
図６Ａ及び図６Ｂには、メタマテリアル消音装置２００の他の実施形態（６００）が概略的に示されている。この実施形態の場合には、第２の伝達領域２２０における螺旋通路３４１～３４２は、内側リング３０２の周囲に巻回された個々の通路を含む。個々の通路３４１、３４２各々は、１つのトップパネル５１０と２つのサイドパネル５１１、５１２を有する。２つのサイドパネル各々は、内側リング３０２から半径方向において外側に向かって延在し、トップパネル５１０は、２つのサイドパネル５１１、５１２の半径方向において外側の端部の間に延在し、これによって、矩形の断面を有する螺旋通路が形成される。螺旋通路３４１、３４２は、同一とすることができ、又は、異なる螺旋角度及び／又は螺旋長さ、及び／又は、異なる断面積を有することができる。この実施形態が望ましいものとなり得るのは、中央通路２１０内の圧力損失を最小限に抑制することを目標とする場合である。この事例においては、通路入口開口部３３１、３３２及び通路出口開口部３５１、３５２は、半径方向に配置されており、この消音装置は、それぞれ異なる長さ（通路３４２は、０．７５回転）（通路３４１は、１．１回転）を有する２つの通路３４１、３４２を特徴としている。通路の長さと通路の断面を調節することによって、マルチバンド又は適当な帯域幅を有するシングルバンドのいずれかの所望の消音を実現することができる。

【0131】

図７：直列に配置されたメタマテリアル消音装置を有する実施形態
図７には、複数の図３Ａに示したようなメタマテリアル消音装置２００からなるスタック７００が概略的に示されている。メタマテリアル消音装置２００各々を、他の２つのメタマテリアル消音装置２００とは異なる周波数を減衰するように構成することができる。スタック７００における複数のメタマテリアル消音装置２００は、スタック７００が複数の目標周波数の伝達を減衰するよう構成されている、というような相乗効果を有する。

【0132】

図８Ａ～図８Ｂ：第２の伝達領域が中央に配置された円筒形メタマテリアル消音装置の実施形態
図８Ａ及び図８Ｂには、メタマテリアル消音装置２００の他の実施形態（８００）が概略的に示されている。この実施形態は、第２の伝達領域２２０と、この第２の伝達領域２２０の半径方向において外側に配置された第１の伝達領域２１０を含む。第１の伝達領域２１０は、外側リング３０１により囲まれており、第２の伝達領域２２０の周囲で非共鳴路を規定している。この実施形態によれば、第２の伝達領域２２０は、１つ又は複数のスパー８１０により外側リング３０１から懸架されたハブである。

【0133】

図９Ａ～図９Ｂ：管内に配置された円筒形メタマテリアル消音装置の実施形態
上述の実施形態（２００；３００；５００；６００；８００）は、ダクト外にあり、既述の性能をもたらすために、また、既述の結果を得るために、外側ケーシングを必要とするが、図９Ａ及び図９Ｂに関連して説明するように、例示的な実施形態をケーシング内に配置して使用することができる。

【0134】

図９Ａには、管９１０内に配置されたメタマテリアル消音装置２００の実施形態が概略的に示されている。メタマテリアル消音装置２００を、本明細書において開示した円筒形消音装置のいずれかとすることができる。図９Ｂは、管９１０内におけるメタマテリアル消音装置２００の消音効果を示すグラフである。

【0135】

管９１０は、その端部に２つの開口部９１１及び９１２を有する円筒である。この実施形態について説明する目的で、管９１０の第１の端部９１１に音源（例えばスピーカ）９２０が配置されており、このようにして音源９２０により生成された音響信号が、第１の開口部を介して管９１０内に向かい、次いで、管９１０の他方の端部における第２の開口部９１２へと下流に向かって管９１０を伝播する。この実施形態における音響信号は、メタマテリアル消音装置２００の対象周波数を含む複数の周波数の範囲をカバーするスペクトルを有する。音響負荷９１０（これを例えばキャップとすることができる）が、開口部９１２内に又はその上に配置されている。

【0136】

メタマテリアル消音装置２００は、その上流面２２１が音源９２０に面するように管９１０内に配置されている。この実施形態におけるメタマテリアル消音装置２００は、４６０Ｈｚの対象周波数を有する。

【0137】

図９Ａの場合、管９１０に複数のマイクロフォン９３１～９３５が取り付けられており、これらは、管９１０内の種々のポイントで音響信号の強度を測定するように配置されている。マイクロフォン９３１、９３２及び９３５は、メタマテリアル消音装置２００よりも上流に配置されており、マイクロフォン９３３及び９３４は、メタマテリアル消音装置２００よりも下流に配置されている。図９Ｂに示されているように、メタマテリアル消音装置２００は、このメタマテリアル消音装置よりも下流においては、対象周波数（４６０Ｈｚ）の音響信号を実質的に減衰する。具体的には、メタマテリアル消音装置２００は、対象周波数よりも低い周波数にある音響信号の音響エネルギーの約９０％を伝達し、対象周波数よりも高い周波数にある音響信号の音響エネルギーの約５０％を伝達するが、対象周波数にある音響信号の音響エネルギーをほとんど全く伝達せず（ゼロパーセント又はほぼゼロパーセント）、対象周波数周囲の帯域内の音響信号の音響エネルギーの５０％未満しか伝達しない。従って、図９Ａ及び図９Ｂによって示されていることは、メタマテリアル消音装置２００は、その下流面１２２が自由空間又は囲まれていない空間ではなく囲まれた空間であったとしても良好に動作する、ということである。例えば、上述の記載で示したような囲まれていない空間２０５内におけるメタマテリアル消音装置３００の動作は、管９１０の内部のように囲まれた空間内における動作についても当てはまる。

【0138】

図１０Ａ及び図１０Ｂ：メタマテリアル音響消音装置の実際の応用に関する実施形態
図１０Ａ及び図１０Ｂには、メタマテリアル消音装置２００（例えば、３００；５００；６００；８００）の種々の実施形態の実際の応用について概略的に示されている。図１０Ａには、管１０１０の出口１０１２に配置されたメタマテリアル消音装置２００が概略的に示されている。管１０１０を音源とすることができ、又は、管１０１は、音源を含むことができる。例えば、管１０１０を、ほんの数例を挙げるに過ぎないが、自動車又はジェットエンジンの排気管とすることができる。メタマテリアル消音装置２００は、上述のように、管１０１０から出る騒音を減衰するが、管１０１０から出る気体の流れ（例えば、排気ガス、ジェット噴流）を依然として可能にするように動作する。

【0139】

図１０Ｂには、複数のメタマテリアル消音装置２００（例えば、３００；５００；６００；８００）からなるセットを有する防音壁１０２０が概略的に示されている。かかるメタマテリアル消音装置２００各々は、上述のように、防音壁１０２０に入射する騒音を減衰するように動作するが、防音壁１０２０を介した気体の流れを依然として可能にする。いくつかの実施形態によれば、複数のメタマテリアル消音装置２００からなるセットは、動物がこれらのメタマテリアル消音装置２００を通過することができるように、地表付近に配置されている。

【0140】

図１１Ａ～図１１Ｅ：車輪内のメタマテリアル消音装置の実施形態
図１１Ａ及び図１１Ｂには、メタマテリアル消音装置１１００の他の実施形態が概略的に示されている。この実施形態は、外側リング２０１を含み、これは、内部領域１１０１を規定する内側半径方向面２２５を有する。円弧型共鳴器１１２０が内側半径方向面２２５上に配置されており、これは、１つ又は複数の蛇行共鳴通路１１４１を含む。この例示的な実施形態の場合、円弧型共鳴器１１２０内に単一の通路１１４１が巻回されている。円弧型共鳴器１１２０は、外側リング２０１の中央において、この実施形態では、約４５°の角度１１４７をなしている。他の実施形態によれば、角度１１４７を４５°よりも大きく又は小さくすることができ、例えば、３０°、６０°、９０°又は１２０°とすることができる。

【0141】

動作中、音響エネルギーが通路１１４１に入り、それらの通路内において共鳴する。次いで、音響エネルギーが円弧型共鳴器１１２０から出て、内部領域１１０１内において音響エネルギーを減衰させる。

【0142】

かかる実施形態の１つの応用は、自動車の車輪内におけるものである。この目的で図１１Ｃには、密閉された自動車の車輪１１５０内の騒音圧力が示されている。この実施形態によれば、３つの円弧型共鳴器１１２０を有するメタマテリアル消音装置が車輪１１５０内部に配置されている。

【0143】

図１１Ｅは、車輪が図１１Ａのメタマテリアル消音装置１１００を有していない場合の圧力に対して正規化された、車輪内部の圧力を示すグラフ１１６０である。軌跡１１６１は、図１１Ａのメタマテリアル消音装置１１００が車輪１１５０内に収容されていないときの正規化された圧力を示す。これに対して、軌跡１１６２は、図１１Ｄに概略的に示されているように、図１１Ａのメタマテリアル消音装置１１００が車輪１１５０内に収容されているときの、車輪１１５０内の正規化された圧力を示す。図示されているように、メタマテリアル消音装置１１００が車輪１１５０内に収容されていることによって、音響圧力が約９０％低減される。

【0144】

図１１Ｆには、車輪１１５０の実施形態が概略的に示されており、この車輪１１５０は、円弧型共鳴器１１２０を有し、これは、車輪１１５０の車輪ハブ１１７１上において、このハブに取り付けられたタイヤ１１５２内に配置されている。

【符号の説明】

【0145】

２００ メタマテリアル音響消音装置
２０５ 囲まれていない空間
２１０ 第１の伝達領域（又は「通り抜け経路」）
２１１ 気体流の方向
２２０ 第２の伝達領域
２２１ メタマテリアル音響消音装置の上流面
２２２ メタマテリアル音響消音装置の下流面
２２３ 内側半径
２２４ 外側半径
３０１ 外側リング
３０２ 内側リング
３２５ メタマテリアル音響消音装置の内側半径方向面
３２６ メタマテリアル音響消音装置の外側半径方向面
３２７ 厚さ
３２８ 音響的に剛体の部材（又は音響的に剛体のスペーサ）
３３１～３３６ 通路入口
３４１～３４６ 通路
３４７ 螺旋角度
３５１～３５６ 通路出口
８１０ スパー
９１０ 音響負荷
９２０ 音源
９３１～９３５ マイクロフォン
１０１０ 管（例えば中空円筒）
１０１１ 円筒の第１の端部
１０１２ 円筒の第２の端部
１０２０ 防音壁
１１０１ 内部領域
１１２０ 円弧型共鳴器
１１４７ 円弧角度
１１５０ 車輪
１１５１ 車輪ハブ
１１５２ タイヤ

【0146】

この段落に続く（及び本願の最後に提示した実際の請求項の前の）段落に列挙した潜在的な請求項によって、種々の実施形態を特徴づけることができる。それらの潜在的な請求項は、本願の文書説明の一部をなすものである。従って、以下の潜在的な請求項の保護対象を、本願又は本願に基づき優先権を主張するいずれかの出願に関わる後々の訴訟手続きにおいて、実際の請求項として提示することができる。かかる潜在的な請求項の包含が、実際の請求項は潜在的な請求項の保護対象をカバーしないことを意味するものであると解釈されるべきではない。よって、後々の訴訟手続きにおいてそれらの潜在的な請求項を提示しないという決定が、公衆に対する保護対象の寄贈であると解釈されるべきではない。

【0147】

限定を意図するものではないが、請求される可能性のある潜在的な保護対象（後で提示する実際の請求項との混同を避けるために、冒頭に文字“Ｐ”が付されている）は、以下のものを含む。

【0148】

Ｐ１
気体状の媒体中の音響波の伝達を低減するための横断方向二層装置であって、前記音響波は、所定の周波数及び対応する波長を有し、当該装置は、第１の伝達領域と第２の伝達領域を有し、
前記第１の伝達領域は、気体流軸線を規定し、当該気体流軸線に沿って気体が流れるように実質的に開放された非共鳴路を規定し、さらに、第１の音響インピーダンス（Ｚ_１）と第１の音響屈折率（ｎ_１）を有し、
前記第２の伝達領域は、軸線方向上流面及び当該上流面とは反対側の軸線方向下流面、並びに、前記波長の５０％未満の厚さ（ｔ）を有し、前記第２の伝達領域内に螺旋共鳴器通路セットを有し、当該螺旋共鳴器通路セット内の各螺旋共鳴器通路は、前記軸線方向上流面に対して開放された通路入口開口部、前記軸線方向下流面に対して開放された通路出口開口部、前記気体流軸線に平行な螺旋軸線、並びに、第２の音響インピーダンス（Ｚ_２）及び第２の音響屈折率（ｎ_２）を有し、
前記第２の音響屈折率（ｎ_２）と前記厚さ（ｔ）との積は、前記波長の２分の１に等しく、
対比（Ｚ_２／Ｚ_１）は、少なくとも１でありかつ１００未満である、
横断方向二層装置。

【0149】

Ｐ２
Ｐ１に記載の横断方向二層装置はさらに、前記第１の伝達領域を前記第２の伝達領域から音響的に分離するように配置された、音響的に剛体のスペーサを有する。

【0150】

Ｐ３
Ｐ２に記載の横断方向二層装置であって、前記音響的に剛体のスペーサは、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂からなる円筒を有する。

【0151】

Ｐ４
Ｐ１からＰ３のいずれか１つに記載の横断方向二層装置であって、前記軸線方向上流面は、前記螺旋軸線に対して垂直であり、かつ、前記軸線方向下流面は、前記螺旋軸線に対して垂直である。

【0152】

Ｐ５
Ｐ４に記載の横断方向二層装置であって、前記第２の伝達領域は、環状ボディを有し、当該環状ボディは、前記非共鳴路を規定する内側半径と１つのリングを規定する外側半径を有し、前記リングは、前記軸線方向上流面と前記軸線方向下流面を有する。

【0153】

Ｐ６
Ｐ５に記載の横断方向二層装置であって、前記非共鳴路は、第１の２次元面積（Ａ１）を規定し、前記軸線方向上流面は、第２の２次元面積（Ａ２）を規定し、前記第１の２次元面積（Ａ１）と前記第２の２次元面積（Ａ２）との和に対する前記第１の２次元面積の比率は、少なくとも０．６である（即ち、Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）×１００≧６０％）。

【0154】

Ｐ７
Ｐ１からＰ６のいずれか１つに記載の横断方向二層装置であって、前記第１の伝達領域は、前記第２の伝達領域の半径方向において外側に配置されており、前記非共鳴路は、前記第２の伝達領域の周囲に配置されている。

【0155】

Ｐ８
Ｐ７に記載の横断方向二層装置であって、前記非共鳴路は、前記第２の伝達領域周囲において環状の形状を有する。

【0156】

Ｐ９
Ｐ７に記載の横断方向二層装置はさらに、外側リングと複数のスパーからなるセットを有し、
前記外側リングは、前記第２の伝達領域と同軸に当該第２の伝達領域の半径方向において外側に配置され、前記外側リングは、前記非共鳴路の半径方向において外側の境界を規定し、
前記複数のスパーからなるセットは、前記外側リングから前記第２の伝達領域まで延在し、前記外側リングから前記第２の伝達領域を懸架する。

【0157】

Ｐ１０
Ｐ１からＰ９までのいずれか１つに記載の横断方向二層装置はさらに、内側面を有し内部領域（１１０１）を規定する外側リングを有し、前記第２の伝達領域は、３６５°未満の角度をなす円弧型共鳴器を有する。

【0158】

Ｐ１１
Ｐ１０に記載の横断方向二層装置であって、前記円弧型共鳴器は、４５°未満の角度をなす。

【0159】

これまで述べてきた本発明の実施形態は、単に例示に過ぎないものであることを意図しており、当業者には、数多くの変形及び修正が明らかであろう。かかる変形及び修正は総て、添付のいずれかの請求項において規定されている本発明の範囲内にあることを意図している。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4-1】

【図4-2】

【図4-3】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図11E】

【図11F】