2014 Fiscal Year Research-status Report
孔あき板構造による低周波数吸音の実現と実用化開発研究
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25420606
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
岩瀬 昭雄 新潟大学, 自然科学系, 名誉教授 (30114391)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉江 聡 一般財団法人小林理学研究所, その他部局等, 研究員 (00280644)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 吸音 / ヘルムホルツ共鳴器 / 低周波音 / 孔あき板 / 音響インピーダンス / 風力発電 / ヒートポンプ式温水器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の構造と性能を超えた次世代型吸音材料が求められている。本研究では、このような要請を背景に、風力発電施設やヒートポンプ式給湯器の設置で問題が生じると言われる低周波数での数少ない騒音対策手段の一つとして、高い吸音率あるいは低い音響インピーダンスによって音場制御、騒音制御を実現することを目標としている。波長の長くなる低い周波数でも機構寸法が大きくなることを避けつつ、高吸音率を確保するのが本研究課題の特徴である。前年度までの実験研究により、孔あき板構造の開孔部背後に延長部品を付加すると板厚を増すのと同等の効果が得られるとする研究代表者のアイデアを小型形状寸法で実現することの検証がされ、目的に沿う機構の具体化法の考え方も示されていた。例えば、共鳴周波数の低周波数化を理論式に従い実現させる場合でも、孔あき板構造の孔面積を狭めるより、開孔を広くして板厚を増す（延長部品の付加で代替可）方が、より低い周波数でより高い吸音率を確保するに優位とわかった。平成26年度には、開孔口径、背後空気層深さ、延長部品の長さなどを系統的に変えた試験体の種類を増やし、共鳴時の抵抗値の形状寸法や周波数への依存性をより詳細に調べ、吸音機構の吸音特性を推定できる計算モデルが作成できた。開孔部の音響抵抗が「１」を越えないことが、高吸音率を得るに欠かせないとする条件設定で多くの計算を試し、共鳴周波数の低周波数化と高吸音率を同時確保できると推定された試験体を作成して実験も行い、良い一致の確認ができた。各部寸法の組み合わせに対応できる計算法により、多様な形状寸法の特性を事前に推定できることとなった。好ましい例として、背後空気層200mmでも低周波数領域にある50Hzで共鳴して100%近い吸音率が得られ、波長の1/４０以下の寸法で目的が達成できるとわかった。これらの成果を日本音響学会で報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、風力発電施設、大型店舗の空調室外機、さらに深夜電力を利用するヒートポンプ式温水器の室外機から発生して近隣の住戸に騒音が伝わって問題となる100Hz以下の低周波数の騒音への数少ない対策方法を考える研究であり、具体的には騒音の主要成分の周波数で吸音や共鳴による音響インピーダンスの低下による低音圧化を図ることを意図したもので、ヘルムホルツ型共鳴機構の代表的な建築材料である孔あき板構造を基本と考えて、従来の数百Hzを対象とする程の形状寸法ながら数十Hzの周波数でも高い吸音能力を発現させることを目標に掲げ、従来の形状寸法の維持と高吸音特性の両立化を図る研究を２年度目も継続した。研究実績の概要で述べた様に本研究では、多くの試験体による実験結果を根拠として、背後空気層内に太く長い開孔延長部品を付加する工夫が孔の狭小化より優位との結論などを得、それを整理して吸音特性を予測できる計算方法が見出せた。その結果から、長い波長の低周波数においても一般居室の天井や壁面にも採用できる程の小型形状寸法にもかかわらず100%に近い吸音特性を確保することが可能との結論が得られた。また、小型形状ながらも,その高吸音特性を実現させて、問題が生じる原因となっている音場の制御に利用する応用研究にも歩を進めた。すなわち、多くの建築物や住宅で幅広く利用されている石膏ボード軽量二重壁が低音域共鳴透過現象により遮音欠損を生じてしまうことの問題に対し、狭い二重壁内にも共鳴機構を挿入することで改善する方法について実験的検討を進めた。やや高く共鳴周波数を設定することで、遮音改善が図られることなどの知見を得て、一定の成果が得られた。
これらの研究結果は平成14年秋季日本騒音制御工学会や2015年春季日本音響学会で報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
孔あき板構造や開孔延長部品を付加する共鳴吸音機構の各部寸法を設定すると、その機構で実現できる共鳴周波数と吸音率、音響インピーダンスが５％程度以内の精度高く得られる計算モデルが得られたことから、その成果を踏まえて、最終年度も継続して以下の通り研究を推進する。
①高機能な性能を得るための延長部品や抵抗材の適正配置法の提案 吸音周波数の広範囲化や高吸音特性が得られる形状や開孔周辺や開孔延長部品についてのモデル計算を行い、音場制御に最適な各部寸法の組み合わせ方の適正な考え方を提示する。また、十分なシミュレーションモデル確立に至らなかった、開孔部の周辺や開孔延長部品内に布状･紐状抵抗材を付加する場合の効果を精度良く予測する方法についても計算法の確立を図る。そのために、これまでの吸音試験体を利用して、抵抗材を付加した試験体での検証実験を行う。これらの結果をもとに、基本的な孔あき板構造や抵抗材配置効果の定量的評価が行えるモデルを確立する。
②軽量2重壁遮音性向上への適用 軽量2重壁への孔あき板構造挿入効果と延長部品による小型化を期待して、遮音性をより高めるモデルの検討を引き続き行い、検証実験を試みる。
③新たな吸音機構の応用 国内外学会に参加し、これまでの成果報告を行うとともに、それに対する反応を参考として、本研究のより高い目標達成のために、最終年度にて可能な追加研究を選定実施して、本研究の成果として期待できる適用範囲の拡大を目指す。
④吸音構造の応用例の検討 一般的な形状寸法での低周波数吸音と、一般的な周波数を対象とする小型吸音機の実現とは同じ意味を持つ。そのため、低周波吸音の適用対象の拡大と吸音機構の小型化とそれらの適用の可能性を探るために国内外学会に積極的に参加して、資料収集を計り、可能な限りの追加実験実証を行う。
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| Causes of Carryover |
当初は、設備備品として粒子速度と音圧を同時観測して音響インピーダンスを計測するセンサーを購入する予定であったが、数多くの試験体試料の必要性が明確になり、そのためにアクリル板や工作機械等を購入した。その後への累計予算でも海外製機器の価格上昇で購入は不可能と判断した。一方、数多くの試験体で実施した実験結果から、これまで明確でなかった孔あき板構造の吸音特性を予測計算する方法が得られたと評価している。さらにより多くの成果を得るために、最終年度における慎重な判断のもとに、実験用試験体などの物品や効果的な計測を可能とする少額機器等の追加購入や装置改善や整備の費用にあてることが適切なことと判断している。当初購入予定備品機種と同等の機能は、高い機能を発揮可能と考えられるそれぞれ独立の機器が新潟大学にあり、それを代替使用することで、研究の最終的成果を得るに大きな支障は生じないと判断している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
これまで達成できた研究成果の発表と多くの研究資料の収集のために国内外の学会に参加する。そこで得られる新たな知見や展望を踏まえ、最終年度に、より有効な追加実験のための試験体、応用研究を効果的に行うために整備が望ましいと考えられる実験装置の充実や改良のために適切な物品購入の判断を行う。最良の研究成果を得ることを優先して最終判断を行って行く。例えば、この吸音構造の応用をシミュレーションするための小型残響兼無響箱等の製作に当てる使用計画も考える。板振動型吸音機構に関する取り組みとして、研究協力者の試験設備を用いて孔あき板の孔径を狭めて低音域吸音をの可能性を調べる実験を行い、狭めて行くに従い,孔あき板構造としての低音域共鳴は認められにくくなり、板振動構造の特性が顕在化することなどのことが判り、これについても新たな試験体の準備を計って可能な取り組みを行うことを考える。
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