JP6822643B2

JP6822643B2 - 吸収音響メタマテリアル

Info

Publication number: JP6822643B2
Application number: JP2018528797A
Authority: JP
Inventors: アブデルクリムケリフ; マハムードアッドウシェ; アリヤシンエラヨウチ
Original assignee: ユニヴェルシテドゥフランシュコムテ; セントレナシオナルデラルシェルシェシエンティフィーク
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: WO2017093693A1; EP3384487B1; FR3044812A1; FR3044812B1; JP2018536201A; EP3384487A1; US20180357994A1; US11081095B2

Description

本発明は、音響絶縁体の分野に関する。特に、本発明は、音響メタマテリアルの基礎セル、およびそのようなセルを含む音響スクリーンを対象とする。

幹線道路または飛行経路の近くのような外部環境、あるいは家庭用品の騒音のような屋内から発生する、日常生活の中での騒音公害は、生活の快適さを損なうストレスの要因である。

騒音公害は、建設業の分野でもおよび様々な工業分野でも存在する。

快適さを取り戻すために、騒音源を音響絶縁することがしばしば必要である。そうするために、音波の伝播を緩和することを可能にする解決法が、存在する。しかしながら、公知技術の音響絶縁体は、音波の反射または吸収に関する材料の固有特性の使用に基づく。そのために従来使用される材料は、典型的に、金属フォーム、またはポリマー材料、ロックウール、ガラスウール、脱脂綿、凝集木材の繊維またはコルクのような、多孔質材料である。

そのような材料の使用で提起される問題は、使用される材料の選択が、材料の固有特性によって決定されるということにあり、これは、決まった適用に対する材料の選択の可能性を制限する。そのうえ、材料の固有特性に基づくことは、材料の周波数応答範囲および製造技術も制限する。

さらに、そのような材料から製造される音響パネルは、特に低周波数に使用されるものは、重く、かさばる。

本発明の目的は、公知技術の音響絶縁体の問題を解決することである。特に、本発明は、効果的で、材料の選択および周波数範囲でフレキシビリティを得ることを可能にする音響絶縁体の解決法を、提示することを目的とする。

本発明は、音響パネルの寸法および重量を減らすことも対象とする。

そのために、本発明は、以下を含む音響メタマテリアルの基礎セルを対象にする：
‐固体材料からなる本体、および
‐幅ｌのおよび深さｐの溝の形をした少なくとも１つの共振器であって、前記の溝が、前記の固体材料からなる本体の表面で開いている、共振器。

固体材料からなる本体の表面で開いている溝は、共振空洞を構成し、それは、音響エネルギーの高度の空間的閉じ込めを得ることを可能にする。この閉じ込めは、従って、音波の良い吸収を得ることを可能にする。それは、音波の反射および伝播の減少をもたらすことも、可能にする。

そのような効果は、１つ以上の共振空洞を得るように表面で固体材料を構造化することによって、固体材料の性質と無関係に得られる。このように、材料の性質から解放される。

言い換えれば、固有の音響吸収の性質が良くない固体材料を使用するとしても、表面で開いている１つ以上の空洞を含むメタマテリアルを得るように構造化することは、この材料によって音響吸収を著しく改善することを可能にする。

従って、例えば：木、ガラス、金属およびポリマーである、様々な固体材料を使用することができる。これは、従って、用いられる製造技術に関して操作の大きな余地を可能にする。

さらに、材料の選択に関するフレキシビリティは、有意義にこの音響スクリーンの重量を削減することを可能にする。

発明に従った基礎セルは、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚに及ぶ周波数の広い範囲に使用されることができ、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚに及ぶ周波数は、３．５メートル〜３．５センチメートルの波長にそれぞれ対応する。

空洞の長さ
は、空洞を定める溝の深さでもある。

さらに、
で示される有効長が話題にされる。空洞は、折り返されるまたはそうでないことができるからである。

共振周波数は、空洞の有効長
に式
によって関係づけられる。ｃは空気中の音の速度である。

発明者は、さらに、空洞の開口部の幅“ｌ”が、音響エネルギーの散逸で決定的な役割を果たすことを、確認した。幅ｌは、溝の壁の間の隔たりに対応する。

特に、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーとの和として計算される、達するエネルギーの最大密度は、開口部の幅に関して対数的に変わる

従って、空洞に閉じ込められるエネルギーの密度は、空洞の幅によって制御される。

図９は、有効長が１ｋＨｚの共振周波数を決定する空洞における、最大エネルギーの密度の変化への幅ｌの影響を示す。

従って、音響吸収のレベルが、一方が増加するときに他方も増加するように、閉じ込められたエネルギーの密度に関係づけられ、音響吸収のレベルは、音波と溝の幅との間の比
によって制御されることができる、言い換えれば、周波数が関係ｆ＝ｃ／λおよび
によって波長に関係づけられるので、音波吸収のレベルは、溝の有効深さとその幅との間の比によって制御されることができる。この比は、数十〜数百である。

有利には、溝は、円筒形、多角形または直線である。溝の形状に関するフレキシビリティは、例えば全体的構造の美しさを向上させるために、望まれる模様を選ぶことを可能にする。

有利には、前記の溝は、不連続である、および本体の構成要素となる固体材料によって離れたセクターの形を呈する。これは、吸収の周波数帯を広げることを可能にする。

発明の一実施形態によると、セルの本体は、複数の溝を備える。これは、音波の吸収を増大させることを可能にする。

有利には、前記の溝は、同心的である。この分布方式は、対称に起因する、音波の吸収の空間的均質性を保証するという利点を呈する。

有利には、１つ以上の溝は、前記の溝の深さｐ全体にわたって一定の幅ｌを呈する。

有利には、少なくとも２つの溝は、互いに異なる深さｐおよび幅ｌを呈する。これは、吸収の周波数帯を広げること、および周波数ごとに吸収の有効性を制御することを、可能にする。実際、溝の幾何学的寸法は、周波数も吸収の有効性も制御することを可能にする。深さｐは、それぞれの溝の吸収の周波数を決定し、幅ｌは、その吸収の有効性を決定する。

有利には、固体材料からなる本体は、少なくとも１つの貫通する切り込みを備える。そのような切り込みは、空気の循環を可能にする、およびセルまたはセルを含むパネルによって分けられる２つの環境の間での熱交換を促進する。

有利には、１つ以上の溝は、１つしかない開口部と、セルの内部での複数の折れ目とを呈するように、折り返される。

空間の折り返しの技術は、セルの厚さを減らすことを可能にする。厚さのこの減少は、セルの厚さを増加させずに低周波数吸収を得るために特に重要である。例として、１ｋＨｚの周波数の（λ＝３５ｃｍの波長の）音波の吸収は、深さが概算でλ／４＝９ｃｍである溝の形をした共振器を必要とする。空間の折り返しの技術を使用し、溝の深さによって定められる、構造の厚さは、同じ吸収の性能を保ちながら、１０で割ることができる。

有利には、少なくとも１つの溝は、流体またはポリマーを含む。前記の流体またはポリマーは、前記のセルの表面で薄い膜を用いて入れられることができる。これは、流体（すなわち、気体または液体）の、またはポリマーの性質に応じて、さらに低い周波数で音響吸収をもたらすまたは増大させることを可能にする。

有利には、セルの本体は、円筒形、平行６面体またはピラミッド形である。セルの全体的形状に関するこのフレキシビリティは、設計を容易にする。

発明は、発明による少なくとも１つのメタマテリアルの基礎セルを含むパネルの形をした音響スクリーンにも関する。そのようなスクリーンは、発明による吸収する基礎セルのみを含むことができるが、それは、例えば反射音響セルである、他の音響要素を含むこともできる。

有利には、前記の音響スクリーンは、発明による多数の基礎セルを含み、前記のセルは、共振周波数を変更するように、それぞれのセルが、隣の別のセルに作用することができるように、配置される。これは、音波の吸収に有利な相互作用を発生させることも、可能にする。セル間の相互作用は、吸収のスペクトルを広げることと、伝播または反射を局部的に増大させることを、可能にし、それによって、部屋をより良く絶縁すること、または騒音を除去することを、可能にする。

パネルの平面という言葉を、本出願では、平らであってよいまたは湾曲してよいパネルの表面という意味で用いている。

有利には、基礎セルは、周期的に前記のパネルに配置される。例えば、四角形、三角形またはハニカムの類型の特定のパターンに従う。周期性のパターンは、共振ユニットのネットワーク配置に起因して、減衰効果の現出を促進することを可能にする。

発明は、図を参照し、非限定的な、説明に役立つ実例として与えられる、好ましい実施形態の以下の説明を読むことで、より良く理解される。

円筒形の単一の溝を含む、発明による基礎セルの第１実施形態を表す。円筒形の単一の溝を含む、発明による基礎セルの第１実施形態を表す。円筒形の単一の溝を含む、発明による基礎セルの第１実施形態を表す。基礎セルが、平行６面体である、および線状の溝を含む、第２実施形態を表す。基礎セルが、平行６面体である、および線状の溝を含む、第２実施形態を表す。基礎セルが、平行６面体である、および線状の溝を含む、第２実施形態を表す。基礎セルが、円筒形である、および３つの同心円筒形溝を含む、実施形態を表す。基礎セルが、円筒形である、および３つの同心円筒形溝を含む、実施形態を表す。基礎セルが、円筒形である、および３つの同心円筒形溝を含む、実施形態を表す。基礎セルが、円筒形である、および３つの同心円筒形溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および３つの線状の溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および３つの線状の溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および３つの線状の溝を含む、実施形態を表す。セルが、円筒形である、および折り返された円筒形溝を含む、実施形態を表す。セルが、円筒形である、および折り返された円筒形溝を含む、実施形態を表す。セルが、円筒形である、および折り返された円筒形溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および折り返された線状の溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および折り返された線状の溝を含む、実施形態を表す。セルが、平行６面体である、および折り返された線状の溝を含む、実施形態を表す。発明による基礎セルの音波の吸収の応答を表す。溝が異なる幅を有する発明に従った基礎セルで得られた吸収曲線の比較を示す。発明による、有効長が１ｋＨｚの共振周波数を決定する溝の幅に応じた閉じ込められたエネルギーの密度の変化を示す。

図１ａは、発明に従った音響メタマテリアルの基礎セル１の等角図を表す。図１ｂおよび１ｃは、セル１の軸ＡＡに沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

セル１は、円筒形の固体２を備え、円筒形の固体２は、同じく円筒形である溝３を含む。溝３は、図１ｃに示されるように、深さｐおよび幅ｌによって特徴づけられる。幅ｌは、溝３の側壁間の距離である。

共振空洞を構成する溝の存在は、音響エネルギーの空間的閉じ込めの高い度合いを得ることを可能にし、これは、従って、音波の吸収と、反射のおよび伝播の減少をもたらすことを、可能にする。

深さｐは、共振周波数を定め、幅ｌは、セルの有効性を決定する。従って、基礎セル１によって音波の吸収の有効性および周波数を調整するために、これらの２つのパラメーターを使用することが可能である。

図２ａは、平行６面体の基礎セル１’の等角図を表す。図２ｂおよび２ｃは、セル１’の軸Ａ’Ａ’に沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

セル１’は、平行６面体の固体２’を備え、行６面体の固体２’は、線状の溝３’を含む。溝３’は、図１ｃの例の場合のように、深さｐ’および幅ｌ’によって特徴づけられる。

図３ａは、円筒形の固体２０および３つの同心円筒形溝３０，３１，３２を含む基礎セル１０の等角図を表す。図３ｂおよび３ｃは、セル１０の軸ＢＢに沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

この実施形態では、３つの溝３０，３１，３２は、図３ｃに示されるように同じ深さおよび同じ幅を有する。

図３ｄは、セル１０’の図３ｃで示されている図と類似した断面図を示し、セル１０’は、円筒形の固体２０’および３つの同心円筒形溝３０’，３１’，３２’を含む。セル１０’は、３つの溝３１’，３２’，３３’のそれぞれについて異なる溝３０’，３１’，３２’の深さおよび幅に関することを除いて、図３ａ〜３ｃで示されているセル１０と同一である。これは、それぞれの溝について異なる吸収の有効性および共振周波数を得ることを、可能にする。

図４ａは、平行６面体の基礎セル１０”の等角図を表す。図４ｂおよび４ｃは、セル１０”の軸Ｂ”Ｂ”に沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

セル１０”は、３つの溝３０”，３１”，３２”を含む平行６面体の固体２０”を備え、３つの溝３０”，３１”，３２”は、図４ｃの断面図に示されるように同じ深さおよび同じ幅を有する。

図５ａは、一実施形態による基礎セル１００の等角図を表し、セル１００は、円筒形の固体２００および折り返された円筒形溝３００を含む。図５ｂおよび５ｃは、セル１００の軸ＣＣに沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

図５ｃは、溝３００の折り返しを示す。溝３００を折り返すことは、深さが溝３００の壁の長さに対応する、溝の吸収の有効性を保ちながら、セル１００の厚さを著しく減少させることを可能にする。

図６ａは、平行６面体の基礎セル１００’の等角図を表し、平行６面体の基礎セル１００’は、平行６面体の固体２００’および折り返された線状の溝３００’を含む。図６ｂおよび６ｃは、セル１００’の軸Ｃ’Ｃ’に沿った上面図および縦断面図をそれぞれ表す。

平行６面体の形は、音響パネルの表面をより良く満たすことを可能にするという利点を呈する。

図２ａ，４ａおよび６ａでは、セルは、側面で開いているように見える。実際は、溝は表面で開かず、側面でのそのような開口は、存在せず、固体の内部での溝の形のより良い理解を可能にするためだけに表される。

図７は、図３ａ〜３ｃの図解で提示される実施形態による基礎セルの吸収の応答を示すが、深さがそれぞれの溝について異なっている。この基礎セルは、１９６．５ｍｍの全高を有し、２．７ｍｍの一定の幅の、および１６０．５ｍｍ，１７７ｍｍ，および１９３．５ｍｍのそれぞれ異なる深さの、同心円筒形溝の形をした３つの共振空洞を含む。

前記のセルは、３ＤプリンターＰｒｏｊｅｔＳＤ３５００によって製造されており、使用された樹脂ＶｉｓｉｊｅｔＣｒｙｓｔａｌの特徴は、以下に示される：
−密度（ｇ／ｃｍ）：１．０２（液体、８０°で）
−ヤング係数：１４６３ＭＰａ
−曲げ強度：４９ＭＰａ

聞き取れる周波数について前記のセルの音響特性の調査を可能にした、示された特徴付けは、４つのマイクロホンを備える固定波用管のおかげで、得られた。Ｂｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ（登録商標）４２０６−Ｔ型の伝播管のキットを使用した。

使用された伝播管の直径は、１００ｍｍであり、これは、５０−１６００Ｈｚの周波数間隔についての測定を実現することを可能にする。

管の一端に置かれた、周波数帯でホワイトノイズを発生させるスピーカーが、対象である。

圧力の測定は、異なるインピーダンスの状況で２つの終端を使用して、実行された。

図７は、強まった吸収が生じた、３つの第１共振周波数を特に示し、吸収係数が０．９７まで到達している。

例えば、得られた吸収値は以下である：
−３１５Ｈｚで０．９７；
−３５３Ｈｚで０．９５；
−３６４Ｈｚで０．９６；
−１０３１Ｈｚで０．９５；
−１１５０Ｈｚで０．９６；
−１２９４Ｈｚで０．９３。

従って、この構造について、２つの強まった吸収帯が得られた。
−第１帯：約３６０Ｈｚを中心にし、４４：７％の相対帯域幅で０．８７に到達する；
−第２帯：約１１５９Ｈｚを中心にし、４４：６％の相対帯域幅で０．４９に到達する。

図８は、図１ａ〜１ｃによって示された実施形態に従った４つのセルについて、溝の異なる幅について得られた吸収曲線の比較である。

前記のセルは、それぞれ、１００ｍｍの深さの、および１５ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍ，および２ｍｍのそれぞれの幅の、円筒形溝を有した。それぞれのセルの半径は、２５ｍｍである。

図８は、溝の幅が減少するのに応じた吸収の増大を示す。この吸収は、単に寸法パラメーターｌを減少させることによって、それぞれ、０．０５から、０．０８まで、０．２６まで、それから０．３７まで変化した。

Claims

音響メタマテリアルの基礎セル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）であって、
−固体材料からなる本体（２；２’；２０；２０’；２０”；２００；２００’）と、
−幅ｌのおよび深さｐの溝（３；３’；３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”；３００；３００’）の形をした少なくとも１つの共振器であって、前記溝（３；３’；３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”；３００；３００’）が、前記本体の表面で開いている、共振器と、
を含み、
−深さｐは、関係
に従ってセルの共振周波数（ｆ）によって決定され、ｃは空気中の音の速度であり、
−幅ｌは、実験によって決定される対数関係
に従って前記セルに閉じ込められるエネルギーの密度によって決定され、前記溝は、溝の深さｐと幅ｌとの間の比によって制御される音波吸収を呈することを特徴とする、セル。
請求項１に記載のセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）であって、前記溝（３；３’；３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”；３００；３００’）は、円筒形、多角形または直線である、セル。
請求項１または２に記載のセルであって、前記溝は、不連続である、および本体の構成要素となる固体材料によって離れたセクターの形を呈する、セル。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセル（１０；１０’；１０”）であって、セルの本体は、複数の溝（３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”）を備える、セル。
請求項４に記載のセル（１０；１０’）であって、前記溝（３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’）は、同心的である、セル。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）であって、１つ以上の溝（３；３’；３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”；３００；３００’）は、前記溝（３；３’；３０，３１，３２；３０’，３１’，３２’；３０”，３１”，３２”；３００；３００’）の深さｐ全体にわたって一定の幅ｌを呈する、セル。
請求項４〜６のいずれか１項に記載のセル（１０’）であって、少なくとも２つの溝（３０’，３１’，３２’）は、互いに異なる深さｐおよび／または幅ｌを呈する、セル。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルであって、本体は、少なくとも１つの貫通する切り込みを備える、セル。
請求項１〜８のいずれか１項に記載のセル（１００；１００’）であって、１つ以上の溝（３００；３００’）は、１つしかない開口部と、セル（１００；１００’）の内部での複数の折れ目とを呈するように、折り返される、セル。
請求項１〜９のいずれか１項に記載のセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）であって、少なくとも１つの溝は、流体またはポリマーを含む、セル。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）であって、セルの本体（２；２’；２０；２０’；２０”；２００；２００’）は、円筒形、平行６面体またはピラミッド形である、セル。
パネルの形をした音響スクリーンであって、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの基礎セル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）を含む、音響スクリーン。
請求項１２に記載の音響スクリーンであって、多数の基礎セル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）を含み、多数の基礎セル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）は、共振周波数を変更するように、それぞれのセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）が、隣の別のセル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）に作用することができるように、配置される、音響スクリーン。
請求項１３に記載の音響スクリーンであって、基礎セル（１；１’；１０；１０’；１０”；１００；１００’）は、周期的に前記パネルに配置される、音響スクリーン。