JP6279289B2 - 騒音振動低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電材料を貼付した遮音板を用いて騒音または振動を抑制する騒音振動低減装置に関する。

静粛性が求められる空間を構成している壁面を透過する騒音（以下「透過音」という。）を低減する手法として、圧電材料を用いる騒音振動低減装置が知られている。

圧電材料を用いる騒音低減方法は、次の３つに大別することができる。
（１）圧電素子をエネルギー変換器として壁面等に貼付し、壁面に加わる騒音エネルギーや振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、その圧電素子に接続した電気回路(シャント回路)によりその電気エネルギーを散逸させる方法。
（２）圧電素子を壁面等に貼付し、その圧電素子に接続した共振回路を構成する電気回路により逆位相の電圧を発生させ、壁面等の振動が相殺する現象を利用して抑制する方法。
（３）圧電素子をアクチュエータとして壁面に設置し、そのアクチュエータに外部からエネルギーを付加して壁面の振動を打ち消すように駆動させて騒音を低減する方法。

（１）および（２）の方法における圧電材料は、一般的にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等が用いられる。
ＰＺＴは、短冊状のセラミック（焼結材）であり、大きな圧電特性を持ち、最も一般的な圧電材料の一つである。他方、ＰＶＤＦの圧電特性は、ＰＺＴよりも小さいものの、膜状に取り付けることにより、騒音エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる。

（１）〜（３）のいずれの方法においても、圧電材料やアクチュエータの取り付け方法は、壁面に直接貼付する場合と、壁面とは別にアルミニウムや鉄などの小面積の平板（以下「金属板」、圧電材料を貼付した金属板全体を「遮音板」という。）を配列した透過音低減用の壁面を構成し、個々の金属板に貼付する場合がある。いずれの場合においても、壁面の振動の腹の位置に正確に圧電材料やアクチュエータを貼付することが必要である。

圧電素子を壁面に直接貼付して、壁面を透過する騒音振動を低減するシステムでは、壁面の振動状態を正確に把握し、振動の「腹」位置に的確に貼る必要があるが、貼付した圧電素子により壁面に質量や剛性が付加されるため、壁面の振動状態が変化し、腹の位置も移動する可能性がある。さらに、目的とする周波数（抑制対象透過音の周波数）や入射音の特性が変化すると、それに伴い振動状態が変化するが、その場合の対応が不可能である。

また、遮音板を配列して透過音低減用の壁面を構成する方法においては、遮音板の金属板や圧電材料の材質、大きさ、板厚を調整することにより、その振動特性を自由に設計することができる。そのため、目的とする周波数において、遮音板を任意の振動状態とすることが可能である。

上記（２）の方法では、圧電材料に接続した制御回路との電気的な共振現象を利用して透過音を抑制する。この時、大きな騒音低減効果を得るためには，遮音板の中心部が振動の腹となる(1,1)振動モードの周波数と上記の電気共振周波数が、目的とする周波数に一致することが肝要である。
しかし、従来の騒音振動低減装置では、遮音板は接着剤などで金属あるいは樹脂のフレームに固定されることを前提としている。

特開平５―７１５７８号公報 特開平６―１７８７４号公報 特許第４９０１５３７号公報

日本機械学会論文集Ｃ編 第７５巻第７５２号 p890-897

そのため、従来の騒音振動低減装置は、一度製作されると、遮音板の振動特性は調整することができず、かつ、遮音板は入射音の音響エネルギーで振動する程度に薄板にする必要があるため、個々の遮音板の振動特性のバラツキが大きくなる。したがって、空間を構成している壁面に複数の騒音振動低減装置を設置すると、遮音板の振動特性のバラツキが避けられず、目的とする周波数の騒音低減効果が得られないという問題がある。

また、従来の騒音振動低減装置は、遮音板の振動状態が一定になりにくく、遮音板の(1,1)振動周波数を目的とする周波数と一致させることは困難であり、歩留まりが悪かった。遮音板の(1,1)振動周波数が目的とする周波数と一致して完成した場合においても、目的とする周波数が変動する場合は、電気的な共振周波数は制御回路の定数を変化させることで対応することが可能であるが、遮音板の振動特性が固定であるため、ある範囲の周波数帯から外れると騒音低減効果が得られなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、遮音板の振動特性を調整可能な構造を備えて、目的とする周波数に対して、確実に騒音低減効果が得られるようにした騒音振動低減装置を提供することを目的とする。

一般に、平板の振動特性は平板の面方向の張力により変化する。たとえば、周辺単純支持の矩形平板（辺長a、b）において、２軸に印加する張力Ｎ１、Ｎ２と（ｍ、ｎ）振動周波数ｆｍｎには次の関係がある。

ここで、ρは面密度、Ｄは曲げ剛性である。

このように、遮音板の面方向の張力を調整することで、遮音板の(1,1)振動周波数を変化させることが可能である。本発明は、この事実に着目してなされたものである。

本発明は、これまで金属板の腹に圧電材料を貼付してなる遮音板を固定していたフレームを、内フレームと外フレーム、または前フレームと後フレームのように、第１フレームと第２フレームに分割し、第１フレームに遮音板の周辺を固着し、第１フレームと第２フレームを遮音板の面に沿った方向に結合力を作用する結合部材または結合手段の結合力を調整可能とすることで、遮音板に面方向の所定の張力を具備させるように構成した。
すなわち、本発明は、遮音板を用いて振動および騒音を抑制する騒音振動低減装置において、金属板の腹に圧電材料を貼付して前記遮音板を構成し、前記遮音板の周辺に第１フレームを固着し、前記第１フレームを第２フレームに前記遮音板の面に沿った方向に結合力を作用する結合部材または結合手段により結合し、前記結合部材または前記結合手段の結合力を調整することで、前記遮音板の振動特性を調整できるように構成したことを特徴とする。

上記構成により、第１フレームと第２フレームの結合力を調整することにより、第１フレームに固定されている遮音板の面方向の張力の調整が可能である。したがつて、遮音板の(1,1)振動モードの周波数を電気共振周波数および目的とする周波数に一致させることができるので、騒音振動低減装置は最大の騒音低減効果を確実に発揮することができる。

第１フレームと第２フレームを遮音板の面に沿った方向に結合力を作用して結合し、その結合力の調整が可能な結合部材には、ネジ、ストッパ付きワイヤ、バネ部材で形成されたクリップ(バネクリップ)、ボルトナットのボルトの先端側（ナット側）にコイル状バネまたは皿ばね等を装着したもの等を用いることができる。

結合力の調整が可能な結合部材に、電気信号を受けて駆動力を与えるアクチュエータを接続し、そのアクチュエータに遮音板の透過音入射側に備えられた音響−電気変換回路を接続して構成される結合手段を用いることもできる。この結合手段を用いる場合は、遮音板に入射する透過音に応じて自動で第１フレームと第２フレームの結合力が調整される。

本発明によれば、遮音板の振動特性を目的とする周波数に応じて調整することができるため、対象とする透過音を容易に低減することができる。また、これまで対応が困難であった変動音も低減することが可能になった。

本発明の実施の一形態を示す正面図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 図１の実施の形態の場合における第１フレームと第２フレームの結合力を変化させたときの遮音板の振動特性の変化を示すグラフである。 結合部材の第一の例を示す要部の断面図である。 結合部材の第二の例を示す要部の断面図である。 結合部材の第三の例を示す要部の断面図である。 結合部材の第四の例を示す要部の断面図である。 結合力を自動調整する結合手段の一例を示す要部の断面図である。 第１フレームと第２フレームの位置関係を内外から正背に変えた場合の結合構造の一例を示す要部の断面図である。 図９と同様の他の例を示す要部の断面図である。 本発明に係る騒音振動低減装置の設置状態の一例を示す正面図である。

本発明は、概要を述べれば、遮音板で騒音または振動を抑制する騒音振動低減装置において、前記遮音板を金属板の腹に圧電材料を貼付して構成し、第１フレームに遮音板の周辺を固定し、その第１フレームを第２フレームに遮音板の面に沿った方向の結合力の調整が可能な結合部材または結合手段により結合して、結合力の調整により遮音板の振動特性を調整可能とし、かつ、振動特性を制御可能にしたものである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１の実施の形態においては、騒音振動低減装置Ａは、第１フレーム１を内側に、第２フレーム２を第１フレーム１の外側に配置し、両フレーム１,２を結合力の調整が可能な結合部材３により結合してある。第１フレーム１には遮音板４が張設されている。遮音板４は、アルミ二ウム等の金属板５ａに圧電材料５ｂを貼付して構成されている。第１フレーム１と第２フレーム２を結合する結合部材３は、第１フレーム１と第２フレーム２に遮音板４の平面に沿った方向に結合力を作用するように取付けられる。

遮音板４の第１フレーム１に対する固定方法は特に限定されないが、図２は遮音板４の周辺を第１フレーム１に巻き付け、ビス、リベット等の固着具６により固定されている例を示している。

本発明に係る騒音振動低減装置Ａは、遮音板４の振動により圧電材料５ｂに発生する電気エネルギーを熱エネルギーに変換して散逸させる周知のエネルギー散逸型騒音振動低減方法や、圧電材料５ｂに共振回路を接続し、逆位相の電圧を発生させ、遮音板の振動を相殺する方法や、遮音板４に透過音による振動に対して逆位相の振動を制御回路（図示省略）により加えて振動を相殺させる周知のアクティブ騒音振動低減方法のいずれにも適用可能であるが、遮音板４における圧電材料５ｂの貼付位置は、いずれの場合も、遮音板４の振動の腹と称される位置、すなわち、中央に張り付けられる。

結合力の調整が可能な結合部材３には、既知の各種の結合部材を用いることができる。たとえば、図１、２に示すように、複数個の皿ねじ３Ａをフレーム１，２の各辺にほぼ等間隔でねじ込み、そのねじ込み力を加減することにより、第１フレーム１と第２フレーム２の遮音板４の平面に沿った方向の結合力を調整することができる。

第１フレーム１と第２フレーム２を結合する際に、遮音板４の振動状態を測定しながら、遮音板４の面に沿った張力(以下、単に張力という。)が目標値に達するまで結合力(各皿ねじ３Ａのねじ込み量)を漸増し、遮音板４の張力が目標値に達したときにねじ３Ａのねじ込みを止めることにより、遮音板４が所定の張力を有する騒音振動低減装置Ａが製作される。この遮音板４の振動状態は、広帯域音を印加した時の圧電材料５ｂの電圧出力などで測定することができる。

結合部材３の結合力を変化させた場合の遮音板４の振動特性の変化は、図３に示すとおりである。図３は、結合力を４段階に変化させた場合における遮音板４の最大振動部位(腹)における振動周波数が矢印で示すように変化していることを示している。すなわち、第１フレーム１と第２フレーム２の結合力を調整することにより、遮音板の振動特性が調整可能であり、かつ、振動特性の制御が可能であることを意味する。

上記遮音板４の張力の目標値とは、遮音板４の振動周波数が透過音の目的とする周波数と一致する場合の張力である。したがって、騒音振動低減装置Ａは、構成が同一でありながら、騒音振動低減装置Ａが設置される壁面の透過音の周波数に応じて遮音板４の振動特性の調整が可能である。

他の騒音振動低減装置Ａにおいても、第１フレーム１と第２フレーム２の結合力を調整して、いずれの騒音振動低減装置Ａも同じ振動特性を有するものとすることができる。したがって、バラツキの無い騒音振動低減装置Ａを、空間を形成する壁の入射音側および透過音出射側のいずれの側に配置しても、従来よりも格段に効率の良い騒音振動低減を実現することができる。

結合部材３が皿ねじ３Ａである場合は、図４(ａ)に示すように、皿ねじ３Ａを外フレームである第２フレーム２の周辺の外側から第２フレーム２を貫通し、内フレームである第１フレーム１までねじ込み、そのねじ込み力を加減することにより、第１フレーム１と第２フレーム２の結合力を調節することができるし、図４(ｂ)に示すように、皿ねじ３Ａを内フレームである第１フレーム１の周辺内側から第１フレーム１を貫通し、外フレームである第２フレーム２までねじ込み、そのねじ込み力を加減することにより、第１フレーム１と第２フレーム２の結合力を調節することもできる。

この場合、第１フレーム１の外面と第２フレーム２の内面が最初から密着している状態では、結合部材（３Ａ）の結合力を調整しても遮音板４の張力は変化しないので、遮音板４の振動面の寸法を第２フレーム２の内側開口寸法よりもたとえば数ｍｍ程度小さくするとよい。そうすると、結合部材（３Ａ）の結合力を大きくするに従い、まず第１フレーム１が傾いて第２フレーム２に近づき、第１フレーム１と第２フレーム２が接触した時点から遮音板４に張力が発生する。その状態以降は、結合力に従い遮音板４の張力が変動する。

図４(ａ)に示す例の場合は、皿ねじ３Ａのねじ込み作業が障害物なしに容易にできる。図４(ｂ)に示す例の場合は、騒音振動低減装置Ａを現場に設置した後も、皿ねじ３Ａの結合力の調整が可能である。

図５は、結合部材としてストッパ付きワイヤ３Ｂを用いる例を示す。一端に止め具７を固着または溶着したワイヤ３Ｂを第１フレーム１と第２フレーム２に貫通し、そのワイヤ３Ｂの締め具合が遮音板４の張力の目標値に達したとき、ワイヤ３Ｂの他端にもう一つの止め具８を固着または溶着することにより、遮音板４に所定の張力を持たせた状態で第１フレーム１と第２フレーム２を結合している。

この実施の形態は、騒音振動低減装置Ａが設置される環境に応じて、遮音板４に求められる張力を確保できる結合部材としてのワイヤ３Ｂを用いる。

図６は、結合部材としてバネ部材で形成されたクリップ（バネクリップ）３Ｃを用いる例を示す。クリップ３Ｃは、第１フレーム１と第２フレーム２をそれらの外側から所定の弾力をもって挟持している。この弾力は、遮音板４に所定の張力が得られるように設定される。

図７は、結合部材として図５のワイヤ３Ｂを少し長めに形成したワイヤ３Ｂ’を用い、一方の止め具８とその止め具８に近い第１フレーム１との間にコイルばね、または皿ばねなどの圧縮ばね９を装備した例を示す。圧縮ばね９は、止め具７と第２フレーム２の間に備えてもよい。

図４,５の例の場合は、遮音板４の金属板５ａがアルミニウム板等である場合は、温度変化や張力を印加した後のクリープ現象などにより張力が変動する可能性がある。これに対し、図６，７の例の場合は、結合部材３とバネを併用することにより、両フレーム１,２の結合力を一定に保持することができる利点がある。

上記の実施の形態では、騒音振動低減装置Ａが設置される壁面での透過音の振動周波数を測定し、その騒音振動低減装置Ａの遮音板４がその測定された透過音の振動周波数と一致する周波数で振動するように、結合部材３による結合力を人が決定した。図８は、結合部材３による結合力を騒音振動低減装置Ａ’が設置される壁面での透過音の振動周波数に応じて結合部材３による結合力を随時自動で調整するようにした結合手段１０の一例を示す。

この結合手段１０は、結合部材３に接続されたアクチュエータ１１に制御回路１６を接続してなっている。制御回路１６は、遮音板４の中央またはその付近に向けて設けられたマイクロホン１２と、そのマイクロホン１２の出力の所定範囲の周波数のみを通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１３と、ＢＰＦ１３の後段に設けられた周波数/電圧変換回路(Ｆ/Ｖ)１４と、Ｆ/Ｖ１４の出力電圧を増幅してアクチュエータ１１に出力するアンプ(Ａｍｐ)１５とを有する。

上記構成により、遮音板４に透過音Ｓが入射すると、マイクロホン１２がその透過音Ｓの音響エネルギーを電圧に変換し、その出力電圧をＢＰＦ１３に入力するため、ＢＰＦ１３はその電圧の中の一定範囲の周波数のみを出力してＦ/Ｖ１４に入力する。Ｆ/Ｖ１４は入力した周波数を電圧に変換してアンプ(Ａｍｐ)１５に入力する。こうして、透過音Ｓの周波数に応じた電圧がアクチュエータ1１に与えられる。

アクチュエータ1１は、アンプ(Ａｍｐ)１５から与えられる電圧の大きさに応じて駆動力を出力して、結合部材３による第１フレーム１と第２フレーム２の結合力を変化させるものである。すなわち、結合手段１０は、目的とする騒音の振動周波数が変動した場合、自動的に遮音板４の張力を調整することができる。そのため、入射音の周波数を同定し、それに伴う信号をアクチュエータ１１に入力することにより、遮音板４の振動特性を調節することができる。同時に電気的な共振周波数も変化させることで、変動音に対する騒音低減効果を発揮することができる。

また、上記の実施の形態では、第１フレーム１と第２フレーム２が内外の位置関係となるように結合される例であるが、第１フレーム１と第２フレーム２の位置関係は、図９や図１０に例示するように、正背または前後の位置関係になるように結合されても良い。

図９の例で用いられる結合部材３Ｄは、たとえば、第２フレーム２の外側面に固着された屈曲金具１７と、その屈曲金具１７を貫通し、さらに第１フレーム１にねじ込まれる皿ねじ１８とからなるものを使用することができる。

図１０の例で用いられる結合部材３Ｅは、図９における皿ねじ１８に代えて、屈曲金具１７と第１フレーム１に貫通させたボルト１９と、そのボルトに螺合されたナット２０を用いるものである。図１０の結合部材３Ｅの場合は、第１フレーム１とナット２０の間に、圧縮ばね(不図示)を装着すれば、第７図の例の場合と同様に、結合部材３Ｅで結合した後に外力が加わっても両フレーム１,２の結合力が維持される。さらに、図１０の場合は、結合部材３Ｅがボルトナット１９，２０により構成されるので、両フレーム１,２の結合力の調整可能な範囲を最大にすることができる。

図１１に示すように、本発明に係る騒音振動低減装置ＡまたはＡ’は、振動抑制対象である壁の入射音側あるいは透過音側に複数枚が整列して設置され、各振動板の圧電材料５がエネルギー消耗手段または加振手段などの電気回路２１に電気的に接続して用いられる。

騒音振動低減装置ＡまたはＡ’は、壁の透過音側に設置されることに限定されない。壁の入射音側に設置して用いることもでき、また、騒音振動低減装置ＡまたはＡ’のみを並置して空間を形成する態様で用いることもできる。

本発明の騒音振動低減装置は、静粛性が求められている空間の壁面や騒音発生源が筐体で囲まれている装置に取り付けることで、広く適用可能である。特に電源装置や空圧・油圧機器、回転機器など定常的に騒音を発生している装置の低減に効果が期待できる。

Ａ 騒音振動低減装置
１ 第１フレーム
２ 第２フレーム
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 結合部材
４ 遮音板
５ａ 金属板
５ｂ 圧電素子または圧電材料
７，８ 止め具
９ 圧縮バネ
１０ 結合手段

Claims (8)

1. 遮音板を用いて振動および騒音を抑制する騒音振動低減装置において、前記遮音板を金属板の腹に圧電材料を貼付して構成し、前記遮音板の周辺を第１フレームに固着し、前記第１フレームを第２フレームに前記遮音板の面に沿った方向に結合力を作用する結合部材または結合手段により結合し、前記結合部材または前記結合手段の結合力を調整することで、前記遮音板の振動特性を調整できるように構成したことを特徴とする騒音振動低減装置。
2. 請求項１に記載の騒音振動低減装置において、前記第１フレームと前記第２フレームを前記遮音板の面に沿った方向に結合力を作用して結合し、その結合力の調整が可能な前記結合部材は、ネジ、ストッパ付きワイヤまたはボルトナットのいずれかであることを特徴とする騒音振動低減装置。
3. 請求項１または２に記載の騒音振動低減装置において、前記第１フレームは内フレームであり、前記第２フレームは前記第１フレームの外側に配置される外フレームであり、前記遮音板の振動面の寸法を前記第２フレームの内側寸法より短かくしたことを特徴とする騒音振動低減装置。
4. 請求項３に記載の騒音振動低減装置において、前記結合部材に前記第１フレームを前記第２フレーム側に付勢するバネ材を併用し、または前記結合部材自体が前記第１フレームを前記第２フレーム側に付勢するバネ性を有することを特徴とする騒音振動低減装置。
5. 請求項４に記載の騒音振動低減装置において、前記バネ材はコイルバネまたは皿バネであることを特徴とする騒音振動低減装置。
6. 請求項４に記載の騒音振動低減装置において、前記第１フレームを前記第２フレーム側に付勢するバネ性を有する結合部材は、バネクリップであることを特徴とする騒音振動低減装置。
7. 請求項１に記載の騒音振動低減装置において、結合力の調整が可能な前記結合部材に、電気信号を受けて駆動力を与えるアクチュエータを接続するとともに、そのアクチュエータに前記遮音板の透過音の音響エネルギーを電圧に変換し、前記透過音の周波数に応じた電圧を前記アクチュエータに与える制御回路を接続してなる結合手段を用いることを特徴とする騒音振動低減装置。
8. 請求項７に記載の騒音振動低減装置において、前記制御回路は、前記遮音板の中央またはその付近に向けて設けられたマイクロホンと、そのマイクロホンの出力の所定範囲の周波数のみを通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの後段に設けられた周波数／電圧変換回路と、前記周波数／電圧変換回路の出力電圧を増幅して前記アクチュエータに出力するアンプとを有することを特徴とする騒音振動低減装置。

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