JPH0453258B2

JPH0453258B2 -

Info

Publication number: JPH0453258B2
Application number: JP59207637A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Katsuyo; Shinichi Nagao; Toshihiko Maruyama; Tooru Hirano; Nobuyasu Nagano
Original assignee: Hokkaido Prefecture
Current assignee: Hokkaido Prefecture
Priority date: 1984-10-02
Filing date: 1984-10-02
Publication date: 1992-08-26
Also published as: JPS6184526A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、材料の遮音特性を迅速かつ簡便に測
定する装置に関するものである。

現代生活は近隣騒音、交通騒音、工場騒音など
様々な騒音の中で営まれており、快適な住居空間
の確保やプライバシーの保護、あるいは騒音問題
の防止のため遮音対策が緊要となつている。

それにともなつて遮音材料についても遮音性に
優れ、しかもより薄く、より軽い材料が要求され
ている。このことは、これまでのように材料の質
量によるばかりでなく、内部吸収によつて遮音性
を高める必要があることを意味している。

従来、遮音材料の開発に際してその性能評価
は、JIS A1416等に規定されているような残響室
を用いる方法によるのが一般的であつた。しか
し、この方法は実際の壁構造に近い形での測定を
目的としたものであるため、材料開発の面からみ
ると次のような難点がある。すなわち、 (1) 試料の面積・形状・取り付け法などの影響の
ために、測定結果が必ずしも材料特性を表して
いるとは限らない。

(2) 大面積の試料が必要なため、簡単に試作・測
定を繰り返すことができない。

(3) 測定のための施設・設備に費用がかかる。

(4) 一回の測定に時間と費用がかかる。

本発明は以上のような事情にかんがみてなされ
たもので、材料自体の遮音特性を特別の音響室や
無響室を必要とせずに、小さな試料で、かつ迅速
に測定できる装置を提供することを目的としたも
のである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説
明する。

材料の遮音特性を表す垂直入射音響透過損失
（TL）を考える場合、理論上、次の３点の仮定を
置いて取り扱う。すなわち第１図において、仮定１入射波・透過波とも、材料表面に垂直に
伝搬する平面波である。

仮定２材料は無限大の面積を持つ平板である。

仮定３透過波は無限遠まで反射しない。

このような仮定のもとに、材料内部での吸収が
ないとして導き出したTLの理論式が「質量則」
として知られており、これは材料の面積、支持方
法などから独立に材料特性としてのTLを与える。
すなわち。上記３点の仮定を実験上近似でき、か
つ入射音圧Piと透過音圧Ptを反射波から分離し
て測定できれば、内部吸収の有無にかかわらず材
料特性としてTLを測定することができ、さらに
質量則と比較することによつてその材料の内部吸
収の程度を評価することができる。従来はそれら
の状態を実現することが難しいために、材料特性
としてTLを測定できなかつたものである。

※「質量則」について、以下に説明する。

「質量則」は壁の遮音設計によく使われる概念
で、音波がその波長に比べて非常に薄い壁を透過
する際の最も基本的なメカニズムから導いた理論
式によるものである。

無限大の大きさをもつ均質な板が空気中にある
時、平面音波が板に垂直に入射し、透過する場合
を考える。入射音の強さJiに対する透過音の強さ
Jtの比をτとして、ρ_aを空気の密度（Kg／ｍ３）、
c_aを空気中の音速（ｍ／ｓ）、Ｍを板の単位面積
の質量（Kg／m²）、νを音の振動数（Hz）とする
と、 τ＝Jt／Ji＝ρ_ac_a ²／π １／M²ν² (1) で表すことができる⁽¹⁾。この式より、壁を透過す
る音の強さは音の振動数と壁の単位面積の質量の
積の２乗に逆比例することがわかる。従つて振動
数の大い音ほど壁を通りにくいし、壁の材質には
重いものを使用するほど音が通らない。これを質
量則という。

この式は実用上、垂直入射の透過損失TL（dB）
の形で使用されることが多く、 TL＝10log１／τ ＝20logπ／ρ_ac_a＋20logMν (2) となる。ここで、密度と音速の積ρ_ac_aは固有音響
抵抗と呼ばれる物質の定数で、20℃における空気
の値は、 ρ_ac_a＝415Kg／cm²ｓである。これを(2)式に代入すると、 TL＝−42.5＋20logMν となる。

すなわち、このTLの値が実施例の図で示した
「質量則」の値である。均質な材料の場合には垂
直入射透過損失TLの値はほとんど質量則に従う
ため、従来は材料の遮音性能は質量則で代表させ
てきた。しかし、最近は例えば複合材料のように
不均質な、あるいは材料自体が構造を有するよう
なものが増加している。それらの材料の透過損失
特性は、質量則に従わないことが多いと考えられ
ている。

一方、実際の間仕切り等の遮音特性は、垂直入
射ではなく拡散音場における透過損失（TL′とす
る）で表される。従来TL′を予測する近似式にひ
とつとして、 TL′≒TL−10logTL＋6.4 が使われているが⁽²⁾が、この式から明らかなよう
に、TL′を算出する基礎となる数値として垂直入
射の透過損失TLが使われている。したがつて構
造物の遮音特性を正確に予測するためには、垂直
入射透過損失を質量則で代表させるのでなく、材
料自体の特性を実際に測定する必要がある。

本発明の実施例を第２図から第６図に示してあ
る。前述の仮定のうち仮定１と仮定３については
それぞれ、音響管１を使用すること、および透過
測定音響管の終端に吸音材３を挿入して無反射端
とすることによつて実現できることが知られてい
る。ところがこれに試料６を直接取り付けても、
測定されるTLはその材料本来の値よりもはるか
に大きな値を示し、特に低振動数測になるほどそ
の誤差は大きくなる。

そこで試料の種類や取り付け方法を変えるなど
数多くの実験に基づいて検討した結果、例えば薄
手のゴム製で第３図に示した形状を持つような、
バネ定数が小さく、かつ音響管内部の音を漏出さ
せない接続具５を介して、音響管断面と同一形状
の試料を音響管に接続すれば、仮定２を満足する
状態を作り出せることを新たに見いだした。すな
わち仮定２のように無限大平板に平面波が垂直入
射した場合、試料面は均等にかかる音圧によつて
並進運動するのに対し、試料を音響管に直接取り
付けた場合には試料周辺が拘束されるため試料内
部に曲げ応力が生じ、それに対する試料の剛性に
よつて試料の運動が抑制される結果、TLが本来
の値より大きく測定されるものと考えられる。第
３図に例示した接続具を用いて試料と音響管を接
続した場合には、その低いバネ定数のために音圧
により試料の運動に対してほとんど反力を生じ
ず、近似的に無限大平板の一部を切り出したと同
様の状態を作り出すことができるのである。

測定手順は次のとおりである。

(1) ノイズ発生器で発生させた信号をスピーカー
２に入力し、これを音源とする。

(2) マイクロホン＃１および＃２からの信号をそ
れぞれ同時にフーリエ変換し、伝達関数を測定
する。

(3) 同様にマイクロホン＃１と＃３、あるいは
＃１と＃３および＃３と＃４の伝達関数をそれ
ぞれ測定する。

(4) 測定した伝達関数から、計算機等を用いた数
値計算によつてTLを算出する。

すでに述べたように音響室内には進行波と逆進
行波が混在しており、TLを算出するためにはそ
れらを分離する必要がある。その方法が原理的に
明らかになつており、以下に述べる方法を用いる
ことができる。

第６図において、U₁，V₁，U₂，V₂をそれぞ
れ、ある瞬間のマイクロホン＃１の位置における
入射波、マイクロホン＃２の位置における反射
波、マイクロホン＃３の位置における透過波、マ
イクロホン＃４の位置における無反射端からの反
射波とし、いずれも振動数領域の複素音圧スペク
トルであるものとする。マイクロホン＃１ないし
＃４の出力のフーリエ変換をM₁ないしM₄と表す
と、M₁ないしM₄とU₁，V₁，U₂，V₂との関係は
次ように表わされる。

M₁＝U₁＋V₁exp〔−jωd／ｃ〕 (1) M₂＝V₁＋U₁exp〔−jωd／ｃ〕 (2) M₃＝U₂＋V₂exp〔−jωd／ｃ〕 (3) M₄＝V₂＋U₂exp〔−jωd／ｃ〕 (4) ここでｄはマイクロホン＃１〜＃２および＃３
〜＃４の距離、ｃは音速、ωは角振動数、ｊは虚
数単位である。(1)式と(2)式、及び(3)式と(4)式から
次の関係が導き出される。

U₁＝M₁−M₂exp〔−jωd／ｃ〕／１−exp〔−2jωd／
ｃ〕(5) V₁＝M₂−M₁exp〔−jωd／ｃ〕／１−exp〔−2jωd／
ｃ〕(6) U₂＝M₃−M₄exp〔−jωd／ｃ〕／１−exp〔−2jωd／
ｃ〕(7) V₂＝M₄−M₃exp〔−jωd／ｃ〕／１−exp〔−2jωd／
ｃ〕(8) すなわちこれによつて、U₁とV₁、U₂とV₂が等
価的の分離されたことになる。定義より音響透過
損失TLは、 TL（dB）＝20log｜U₁／U₂｜ (9) であるから、(5)・(7)を(9)式に代入して変形する
と、 TL＝20log〔｜M₁／M₃｜×｜１−（M₂／M₁）e
xp〔−jωd／ｃ〕／１−（M₄／M₃）exp〔−jωd／ｃ〕
｜〕(10) となり、３種類の伝達関数、M₂／M₁、M₄／
M₃、M₃／M₁からＴが求められる。

また、無反射端からの反射が無視できる振動数
領域では、 M₄＝M₃exp〔−jωd／ｃ〕 (11) となるので、TLは、 TL＝20log〔｜M₁／M₃｜×｜１−（M₂／M₁）e
xp〔−jωd／ｃ〕／１−exp〔−jωd／ｃ〕｜）(12) となり、この場合はM₃／M₁とM₂／M₁の２つの
伝達関数を測定するだけでTLを求めることがで
きる。

なお、マイクロホン出力はすべてを同時に測定
してもよいし、伝達関数を測定しようとする一組
に毎に測定してもよい。

第７図と第８図は、直径約10cmの円板試料につ
いての測定例で、実線で示した実測値を破線で示
した質量則と比較したものである。第７図は、内
部吸収がほとんどなく質量測によく従うとされて
いる鋼板（4.25mm厚）の測定例であるが、図から
明らかなように実測値と質量則はほとんど一致し
ている。また第８図の遮音性がよいとされている
石膏板（９mm厚）であるが、質量則と比較すると
２ないし3dB大きな値を示している。これは石膏
板が多孔質であるため内部吸収が大きく、実際に
遮音性がよいことを示している。

このように特許請求の範囲第１項に記載した装
置を用いて、基本的に満足すべき測定結果を得
た。

しかし、内径49mmの音響管に厚さ2.3mmの合板
を試料として透過損失を測定したころ、第９図に
示したように約800Hzを中心としてTL曲線に±
5dB以上の大きなうねりがあり、その前後で質量
則から大きくはずれる現象が観測された。厚さ
5.1mmの合板においても約1700Hz付近に同様の現
象が観測された。これは一種の共振現象と推測さ
れたが、通常の垂直入射の条件下で試料面が並進
運動をしている限り起こり得ない現象である。接
続具５のバネ定数は可能な限り小さくしたとして
も厳密にゼロにすることは不可能であるので、試
料の剛性がある程度以下になると接続具の影響が
現れ、周辺を固定した膜のような振動を生じた結
果、上に述べたような現象が起こるものと推測し
た。

そこで、このような剛性の小さな試料も測定可
能にするため、特許請求の範囲第２項に記載した
装置を考案した。具体的な実施例は第４図に示し
たが、試料を音響管周辺にとりつけた接続具５で
支持すると同時に、音響管内側の試料面にとりつ
けたバネ定数の小さな支持体８でも支持するよう
にした。実際にこの装置を用いて、上に述べた厚
さ2.3mmおよび5.1mmの合板を測定したところ、膜
振動の共振点は1800Hzまでの測定範囲内から消
え、質量則よりわずかに高い、十分に納得し得る
TL曲線が得られた。第１０図が厚さ2.3mmの合板
の測定例である。

この装置で測定できるようになつた理由として
は、試料は周辺部を５で、中央部を８で分担して
支持されることになり、５のみで支持されるとき
に比較して試料面全体により均等に支持力が分散
される。そのため、剛性の低い試料でも膜振動の
モードが抑制され、測定可能になるものと考えら
れる。

次に、特許請求の範囲第３項について以下に説
明する。これまで述べたように、内径94mmの音響
管を用いて行つた実験では、約1800Hz以下では信
頼できる測定結果を得ることができた。しかし、
これより高い周波数領域まで測定範囲を広げよう
とすると第１１図に示したように約1800Hz以上で
著しい乱れを生じ、しかもこれは試料の特性によ
るものでないことがわかつた。そこで、乱れの原
因としてさまざまな因子を検討した結果、ある周
波数以上では音響管内の半径方向に定在波が生じ
て、長さ方向の平面波状態が破られることによる
可能性が考えられた。

そこで、特許請求の範囲第３項に記載した装置
を作製し、この問題の解決を試みた。具体的には
厚さ0.35mmの鋼板を用いて、音響管内に第５図に
示したような仕切りを設けた。この音響管を用い
て、4.25mm厚の鋼板を測定した結果が第１２図で
あるが、1800Hz以上の乱れは消失してほぼ質量則
に沿つた結果が得られた。この結果によつて、乱
れの原因は音響管内の直径方向の定在波の発生に
よるものということできる。この仕切りの作用に
ついては、音響管の長さ方向に平行に設置するこ
とによつて測定対象である平面波の進行を妨げ
ず、かつ、半径方向に定在波を発生することを阻
止する、あるいは発生してもその周波数が測定し
ようとする周波数範囲より高い方に追いやること
である。第５図に示した本実施例の場合、音響管
の管壁と２枚の仕切り板の交差した部分との間で
定在波を発生しやすいが、この間の距離47mmが半
波長に相当するとして常温付近では約3600Hzにな
る。したがつて、本実施例のように測定範囲を約
3600Hzまで高周波数側に拡張することが可能とな
つたと考えられる。この上限の周波数について
は、仕切りの配置を考慮することによつてさらに
高くすることも可能である。

なお、このことは音響管を細くすることによつ
ても実現できるが、これにともなつて試料も小さ
くしなければならないため、接続具５の、あるい
は接続具５および支持体８のバネ定数と試料６の
質量とで生ずる共振周波数が高くなつて低周波数
領域の測定可能範囲が狭まる。したがつて、測定
範囲の低周波数側を狭めずに高周波数側を広げる
ためには、特許請求の範囲第３項記載の方法が有
効であるといえる。

以上のように、本発明は材料の遮音特性として
音響透過損失を測定できるばかりでなく、質量則
と比較することによつて内部吸収の程度を評価す
ることも可能となる。さらに本装置は、従来の測
定法よりはるかに迅速かつ簡単に測定できるた
め、遮音材料の研究開発、製品管理に有効な手段
となり得る。また、本発明の装置による測定結果
は直接的に材料特性を表しているたけ、これを基
礎データとして、より合理的な遮音構造設計のた
めに利用することも期待できる。

したがつて、本発明による材料の音響透過損失
測定装置の普及によつて、優れた遮音材料の研究
開発が促進され、ひいては防音面における居住性
の向上に大いに寄与すると考えられるものであ
る。

参考文献 (1) 小橋豊：“音と音波”（基礎物理学選書４）、
pp94−97、1969、裳華房（東京） (2) 小橋豊：同上、pp203−208、1969、裳華房
（東京）

【図面の簡単な説明】

第１図は垂直入射音響透過損失の概念図、第２
図は測定装置のブロツク図、第３図は接続具、第
４図は音響管の試料接続部分の斜視図、第５図は
内部を仕切つた音響管の一部、第６図はマイクロ
ホン及び音波の位置関係図、第７図は鋼板の測定
例、第８図は石膏板の測定例、第９図は合板の測
定例、第１０図は試料の支持方法を改善したとき
の合板の測定例、第１１図は鋼板の測定例、第１
２図は音響管に仕切りを設けたときの鋼板の測定
例。１……音響管、２……スピーカー、３……吸音
材、４……マイクロホン、５……接続具、６……
試料、７…取付金具、８……支持体、９……仕切
り板。

Claims

【特許請求の範囲】１同一断面形状を有する音響管２本において、
一方の音響管は一端にスピーカを取り付け、所定
の２カ所以上の位置にマイクロホンを挿入できる
ようにし、他方の音響管は一端に吸音材を挿入
し、所定の１カ所以上の位置にマイクロホンを挿
入できるようにしたものと、双方の音響管の他の
一端にそれぞれ管の外周に沿つて配置された、バ
ネ定数が小さく、かつ音響管内の音を漏出させず
に音響管を試料の両側に接続できる構造を有する
接続具と、２本ないし４本のマイクロホンと、２
本ないし４本のマイクロホンからの信号を同時に
フーリエ変換できる装置と、フーリエ変換したデ
ータを計算処理する装置と、スピーカに入力する
ノイズを発生する装置とを備えた、材料の音響透
過損失測定装置。２音響管の試料接続面にバネ定数の小さな支持
体を１ないし数カ所に取り付けることによつて、
試料の振動に対する支持力を接続具とともに分担
する構造を有する、特許請求の範囲第１項記載
の、材料の音響透過損失測定装置。３音響管内にその長さ方向と平行に仕切板を挿
入することによつて、音響管内部の空間を２ない
しそれ以上に分割した構造を有する、特許請求の
範囲第１項または第２項記載の、材料の音響透過
損失測定装置。