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公益社団法人 日本騒音制御工学会

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吸音材料として用いられる多孔質材料の吸音メカニズムと使用上の注意点について教えてください。(Vol.42No.5)
Vol.42 No.5

(エム・ワイ・アクーステク 山口道征)

多孔質材料とは,細かい気孔が無数にあいている材料で,多孔質を構成する素材は硬い物から軟らかい物まで多岐にわたり,構造も連通性から非連通性のものまで種々の材料があり,吸音・遮音材料として用いることができる。

◇多孔質材料の吸音要素
多孔質材料中の吸音要素は音波が細孔中を伝搬する際の粘性減衰,言わば,材料中の空気伝搬路における減衰,多孔質構造体の動的弾性挙動による振動減衰,言わば,固体伝搬路における減衰,空気音と固体音の相互作用,他に熱伝導,熱交換などに起因する減衰により音波は熱として消散され消滅する。
◇吸音性を表す量
通常の多孔質構造体においては,構造体自体も弾性体であるため,吸音性を表す量としては,固体振動要素を加味する必要があるが,吸音のメカニズムが複雑になるため,ここでは,構造体は剛であると仮定し,連通性の空気伝搬路における減衰のみに着目し説明を行う。
多孔質材料に音波が入射するとその表面で音波は入射方向に反射する波と材料中に浸入する波に分かれる。材料中に浸入した音波は減衰しつつ伝搬していくもので,伝搬定数γ および特性インピーダンスZcが材料中での音波の挙動を規定する基礎量となる。ここでは以下,論理的・実証的に扱いやすい条件である平面音波が材料に垂直に入射する場合を想定し話を進めることとする。
γ およびZcは下式で表すことができる。
γ=α+j・β 

γ : 伝搬定数

α : 減衰定数(nepers/m)
(1neper=8.686dB)
β : 位相定数=ω/C(radian/m)

(ω : 角周波数(radian/s),C : 位相速度(m/s))

Zc=ρe・Ce 

Zc : 材料の特性インピーダンス(N・s/m3)

ρe : 実効(等価)複素密度(kg/m3)

Ce : 実効(等価)複素位相速度(m/s)

◇伝搬定数γ および特性インピーダンスZcの計測方法
γ, Zcは多孔質材料に関わる音波の挙動を規定する複素基礎量であるため,これらの未知量を正確に計測できれば,多孔質材料のエネルギー評価値(吸収率・吸音率・透過率・透過損失など)などを容易に求めることができる。その方法は音響管を用いた伝達関数法1)と称する計測方法である。
◇計測上の注意点2)
音響管で測定すべき材料は連通性の多孔質材料が基本となるが,骨格構造が剛でないグラスウールなどの繊維系材料や軟質ポリウレタンフォームのような一般の材料においては,測定結果の中に骨格構造の振動の影響が加味された結果となるため注意が必要となる。第一に注意すべき点は,試料を管内にセットした際の拘束条件の影響により生じる曲げ振動であり,これは不要共振として取り除くべきもので,測定結果に影響を与える。
二番目も振動の問題であり,これは不要振動ではないが大いに認識すべき点である。第一の場合と同様,剛でない骨格構造をもつ試料は,不要共振とは別に,嵩高構造体としての縦振動の影響が測定値に必然的に加味される。そのため,同種の試料であっても,試料厚,平面寸法の差異により縦弾性率が違うため,測定結果に違いが生じることがある。

 

参考文献

1 )H. Utsuno, T. Tanaka, T. Fujiwara : Transfer function
method for measuring characteristics impedance and
propagation constant of porous materials, J.A.S.A., vol.
86, pp. 637-643 (1989).
2 )山口道征,豊田政弘: 小特集「音響管による垂直入射
吸音率測定」にあたって,日本音響学会誌,vol. 68,
no. 9,pp. 461-462(2012).

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多孔質材料の吸音特性は,どの周波数帯域においても,背後空気層の厚さが大きいほど吸音率は高くなるのでしょうか。それとも,これは,特定の周波数において観察される現象なのでしょうか。また,吸音材表面から躯体までの厚さと吸音材背後の空気層の厚さとどちらを波長に対してどのような比率にすればよいでしょうか。(Vol.38 No.6)
Vol.38 No.6

(鹿島技研 古賀貴士)

一般に,吸音性能は,吸音材料単体の特性だけではなく,背後の空気層や剛壁の有無を含めた吸音機構として考える必要があります。多孔質材の場合も背後に剛壁があることが,吸音機構として効果的に機能するための前提条件となります。

多孔質材料の吸音は,空気の振動が細かい繊維などとの間での摩擦や粘性抵抗などによって主として熱エネルギーに変換される現象です。摩擦にしても粘性抵抗にしても,その効果は,空気の振動の速度に比例します。すなわち,音波の粒子速度の大きい位置に多孔質材料を設置することで,吸音率を大きくすることができます。したがって,吸音性能は,波長に応じて変化するので,必ずしも,背後空気層の厚さが大きければどの周波数帯域においても吸音率が高くなるという訳ではありません。

まず,吸音材料が薄い場合に波長λの音波が部材に垂直に入射する場合を考えてみましょう。入射波と反射波の関係から,粒子速度は,剛壁からλ/4のところで最大になり,λ/2のところで最小となります。このとき,音響管内の管端(剛壁)から一定の距離となる位置に布を取り付けると,図-1に示すように,部材表面からの距離(この場合は異は後空気層と等しい)が,λ/4,3λ/4,…となる周波数で吸音率が大きくなることが確かめられています。この場合,部材表面からの距離は,ほぼ背後空気層と等しいわけですが,粒子速度の大きくなるλ/4,3λ/4,…となる位置に抵抗となるよう材料が存在しているため吸音率が大きくなっているのです。

次に,布よりも厚みのある多孔質材の場合ですが,背後空気層のない,厚い部材が剛壁に密着している場合を考えてみましょう。このとき,厳密には部材内の伝搬速度は空気中とわずかに異なるもののλ/4,3λ/4,…となる位置で粒子速度が大きくなります。剛壁から材料表面よりλ/4より波長の短い(高い)周波数に対しては,材料内部に粒子速度が大きくなる周波数が存在することになるので,吸音材料の効果が得られることになります。また,部材内の流動抵抗の影響で,剛壁から部材表面までの距離が大きくなるにつれて,材料表面での粒子速度が小さくなる周波数(λ/2周辺など)での吸音率の低下が目立たなくなります。流動抵抗が十分に大きい材料の場合には,λ/4となる周波数までは単調増加で,それ以上の周波数ではほぼ一定の吸音率が得られる可能性があります。

最後に,多孔質材と剛壁の間に空気層を設けた場合です。空気層を設けることで,剛壁まで多孔質材料が存在する場合と比べて,内部の材料が減った分だけ流動抵抗が減少するので,λ/2周辺などでは吸音率が低下しにくくなることになります。多孔質自体が,流動抵抗を十分に発揮するだけの厚さがあれば,背後空気層を設けた場合でも背後空気層の部分にまで吸音材料を設置した場合に近い吸音率を発現させる可能性があります。

参考文献][1]木村翔:建築音響と騒音防止計画,彰国社

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