2015 Fiscal Year Research-status Report
多孔質材の微視構造モデリングとマルチスケール解析による吸音率の微視構造依存性解明
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26420590
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
山本 崇史 工学院大学, 工学部, 准教授 (30613640)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 吸音材 / 微視構造 / 均質化法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3Dプリンターで造形した周期的な矩形流路を有する多孔質材について実験データを再検討し，管のみの場合の特性を差し引いて比較した結果，2次元的な矩形流路を有する多孔質材については解析値とおおむね一致し，解析手法の妥当性を確認した．
SEM（Keyence社VE-8800S）による微視構造の観察結果から，セル間薄膜の有無および薄膜に存在する孔径について着目し，合計150仕様の微視構造について解析を実施した．その結果，吸音材厚さ方向の薄膜は吸音率に大きく影響し，薄膜に孔がある場合，その大きさが120μmの場合に，平均吸音率（50Hz～6.4kHzの平均）が最大となった．薄膜の弾性率の影響は小さく，セル骨格の弾性率を大きくすると吸音率のピークが高周波数域にシフトした また， Kelvinセルについて，流路断面の形状の影響を検討した結果，その影響は大きくなく，流路径の大きさが支配的であり，その傾向は矩形流路の場合とおおむね同様であった．したがって，流路断面形状の影響は大きくないと考えられる．
また，東京都産業技術研究所所有のμX線CT（GE Measurement & Control 社v｜tome｜xL300）で撮像した結果，微視構造を3次元的に明瞭に撮像することができた．結果については引き続き分析中である．
初年度の成果は，2015年7月にICSV22（International Congress on Sound and Vibration），2015年8月に日本機械学会機械力学・計測制御部門講演会（D&D），2016年3月に自動車技術会関東支部にて講演発表した．
研究費により計算サーバー（HP社 Z840・Z800，いずれも128GBメモリー）およびファイルサーバー（HP社 Proliant ML350 G6）を導入し，計算やデータ転送に関わる時間を短縮した．計算サーバーの1台（Z800）は別予算から充当し，ファイルサーバーは中古品とし経費節減した．また，東京都産業技術研究所所有のμX線CTの使用料も別予算から充当した．
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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
① 手法の実験検証
初年度に3Dプリンター（3D Systems社ProJet 3500 HDMax）で造形した周期的な矩形流路を有する多孔質材について，管のみの場合の特性を差し引いて再検討した結果，2次元的な矩形流路を有する多孔質材は解析値とおおむね一致したが，3次元的な矩形流路を有する多孔質材はやや乖離があった．空気流れ抵抗を実測し，解析値と比較した結果，20～30%の差があったが，空気流れ抵抗が小さく吸音率の影響は大きくなかった．引き続き分析するが，解析手法の妥当性は確認できたと考えている．
② 微視構造の吸音率への影響分析
本学所有のSEM（Keyence社VE-8800S）による微視構造の観察結果からセル間の薄膜について着目し，薄膜の吸音率への影響を数値的に調査した．セル間の薄膜の一部に孔がある場合が多く，ここではその孔径の大きさに着目し，合計150仕様の微視構造について解析を実施した．その結果，吸音材の厚さ方向に薄膜は吸音率に大きく影響し，それ以外の方向は影響が小さいことが分かった．また，薄膜に孔がある場合，その大きさが120μmの場合に，平均吸音率（50Hz～6.4kHzの平均）が最大となった．さらに，薄膜の弾性率の影響はほとんどなく，セル骨格の弾性率を大きくすると吸音率のピークが高周波数域にシフトした． また，発泡吸音材のモデルであるKelvinセルについて，流路断面の形状の影響を検討した結果，その影響は小さく流路径の大きさが支配的で，その傾向は矩形流路の場合とおおむね同様であった．
③ 微視構造の特徴分析
μX線CTにより撮像し微視構造を3次元的に分析するため，本学所有のμX線CT（Comscan社ScanXmateE-090）では解像度不足で明瞭な画像を得られなかった．東京都産業技術研究所所有のμX線CT（GE Measurement & Control 社v｜tome｜xL300）で撮像した結果，明瞭に撮像することができた．結果については分析中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
解析検討した微視構造を検証するためマイクロスケールの空間分解能で高精度に造形可能な3Dプリンターの調査をした結果，Nanoscribe社製の3次元レーザ・リソグラフィシステムが有力であった．国内大学に導入実績があり使用について調査をすすめたい．また，「三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用3Dプリンター技術開発および超精密三次元造形システム技術開発）」を近畿大学において実施していることから，造形の可能性について検討をすすめる．
多孔質吸音材の動的挙動を表現可能なモデルの一つに Biot のモデルがあり，このモデルとの対応関係を分析するため，そのモデルで定義されているBiotパラメータを均質化法の結果より同定する手法を構築した．ここでは全てのパラメータを個別に同定できるように改善変更している．すなわち，空気流れ抵抗は極低周波（0.001Hz），迷路度は高周波（10kHz）における流速から同定し，粘性および温度代表長さは等価密度および等価体積弾性率から非線形最小二乗法によりそれぞれ同定した．同定したBiotパラメータから求めた吸音率は均質化法により求めた吸音率とおおむね一致しており，パラメータの値は妥当であると考えている．微視構造との対応関係について検討をすすめる．
これまで発泡型の吸音材に検討をすすめてきたが，繊維型の吸音材についても同様にSEMによる観察結果から微視構造をモデル化し，繊維系や繊維間の結合度の影響について検討する．繊維径についてはナノオーダーまで範囲を広げて検討する予定である．
なお，昨年度の成果は，2016年8月に日本機械学会機械力学・計測制御部門講演会（D&D），2016年11月に米国音響学会講演会， 2016年3月に音響学会研究発表会にて講演発表する．また，日本機械学会論文集，Journal of Sound and Vibration に論文投稿する予定である．
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| Causes of Carryover |
研究成果発表のための経費を別予算から充当したため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
結果検証のための微視構造サンプル試作のため消耗品費で200千円を予定しているが高精度に造形が必要となるため経費が当初予定を超過することが考えられる．したがって，前年度未使用額については消耗品費に充当する．
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