JPH0654437B2 - 音響レンズ - Google Patents

音響レンズ

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JPH0654437B2
JPH0654437B2 JP61138977A JP13897786A JPH0654437B2 JP H0654437 B2 JPH0654437 B2 JP H0654437B2 JP 61138977 A JP61138977 A JP 61138977A JP 13897786 A JP13897786 A JP 13897786A JP H0654437 B2 JPH0654437 B2 JP H0654437B2
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JP
Japan
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control element
acoustic lens
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sound wave
plane orthogonal
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JP61138977A
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一哲 梅岡
有三 奥平
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は音響レンズ、さらに詳しくは、所定の周波数帯
域の音波を収束させる音響レンズに関するものである。
[背景技術] 近年、鉄道の沿線や道路の沿道では車両の通過時に発生
する交通騒音が問題となっており、防音壁を設置するな
どの対策が行なわれているが、音波は回折するから、十
分な防音効果が得られていない。また、事務処理の機械
化、いわゆるOA化に伴なってコンピュータやワードプ
ロセッサ等の装置をオフィスで使用する機会が多くな
り、その出力装置としてはドットインパクトプリンタが
多用されている。このようなドットインパクトプリンタ
は作動時に騒音が大きく、しかも仕切壁等では音波の回
折を防止できないから、騒音によるオフィス環境の悪化
が問題となっている。さらに、空調装置のファンが風を
切る音やモータ音等も騒音源となっており、空調装置で
は空気の出入口を塞いで壁で囲むこともできないから、
遮音が行なえないものである。このように、従来より提
供されている遮音装置では音波の回折に対する十分な考
慮がなされていないものであり、その意味において遮音
効果が十分とはいえないものである。
一方、音波を透過させながらも音波を収束させる装置が
考えられている。すなわち、第14図に示すように、複
数枚の傾斜板2を組み合わせたものや、第15図に示す
ように、複数の障害物3を組み合わせたものが提供され
ており、これらの装置では装置内に複数の経路を設け、
経路長の差を利用して音波を収束させるのである。この
装置では経路長が収束する波長に関係しているものであ
るから、収束可能な周波数帯域が狭く、また低周波域の
音波を収束させるには全体として大型化するという問題
が生じる。また、開口率を大きくとる必要があるような
音源(空調等の通気性が要求される場合など)に対しては
適応できないという問題がある。
[発明の目的] 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、その
主な目的とするところは、音波を特定の地点のみに収束
させることにより、特定の場所でのみ音を聞くことがで
きるようにし、不要な場所への音波の伝播を回避する音
響レンズを提供することにあり、他の目的とするところ
は、比較的開口率を大きくとることができる音響レンズ
を提供することにある。
[発明の開示] (構成) 本発明に係る音響レンズは、粘弾性を有した材料により
薄肉に形成された直管状の中空管を音波の位相速度を制
御する制御要素とし、複数の制御要素を互いの軸方向が
略平行となるように配設するとともに、制御要素の軸方
向に直交する面内において1つの制御要素を中心とした
同心円周上に他の制御要素を配列し、中心に近い制御要
素ほど通過音波の位相速度を小さく設定して成るもので
あり、この構成により比較的大きな開口率に形成すると
ともに、音波を収束させて不要な場所への音波の伝播を
防止している。
(基本原理) まず、本発明の基本原理を説明する。以下の説明では、
第8図に示すように、制御要素1として直管状の中空の
円筒体が用いられるが、円筒体に限定されるものではな
く、他の断面形状の筒でもよい。このような制御要素1
内を音波が通過するときには、第8図に矢印で示すよう
に、制御要素1の管壁が振動する。しかるに、両端が開
放された中空体の単位長さ部分については、第9図のよ
うな等価電気回路として考えることができる。すなわ
ち、管内の気体のイナータンスLa、管内の気体の音響
キャパシタンスCa、管壁のイナータンスLw、管壁のコ
ンプライアンスCw、および管壁のコンダクタンスGwに
より、制御要素1の単位長さの音響特性が決定されるの
である。管の内半径をr、管の肉厚をt、管の単位長さあ
たりの内表面積をS、管の単位長さあたりの質量をm(=
2πrρwt:ρwは管壁の密度)、管壁のヤング率をE、
管壁コンダクタンスの比例定数をκ、管内の気体の密度
をρ、管内気体の体積弾性率をK、音波の角周波数をω
(=2πf:fは音波の周波数)とすれば、各パラメータは
それぞれ次式で表わされる。
La=ρ/S Ca=S/K Lw=m/4π2r2 Cw=2πr3/Et Gw=κω したがって、制御要素1の共振周波数frは次式で表わさ
れる。
fr=1/(2π(Lw・Cw)1/2) =r/(m・Cw)1/2 上述した等価電気回路に次式で表わされる等価コンダク
タンスGeqと等価キャパシタンスCeqとを導入すれば、
第9図の等価電気回路をさらに第10図の等価電気回路
に置き換えることができる。
第10図の等価電気回路の位相定数βを求めれば、すな
わち管内を通過する音波の位相定数を求めたことにな
り、その位相定数βから位相速度Vpを定義することが
できる。
上述した式から明なかなように、等価コンダクタンスG
eqと、等価キャパシタンスCeqとは共振周波数において
特異点を有するから、第11図に示すように、共振周波
数付近では位相速度Vpは大きく変化することになる。
また、位相速度Vpは単位長さについて求めているか
ら、制御要素1の長さの関数となることは明らかであ
り、さらに、位相定数βには管壁の密度、ヤング率、内
径が折り込まれているから、それらの関数となることが
わかる。この制御要素1について位相速度の周波数特性
を実験的に求めた結果が第12図である。このように、
特定の周波数で位相速度が大きく変化することがわか
る。ここで、測定装置は、第13図に示すように、制御
要素1の一端から制御要素1内に音波を送出するスピー
カ11と、制御要素1内に挿入され制御要素1内の一所
での音を拾うプローブマイクロホン12と、スピーカ1
1に入力される電気信号を発生する信号発生回路13お
よび増幅回路14と、プローブマイクロホン12で拾っ
た音を増幅する計測用増幅回路15と、計測用増幅回路
15より出力される音の位相を検出する位相計16と、
信号発生回路13より出力する信号の周波数を制御する
とともに位相計16の出力を記録して制御要素1内の位
相速度を演算する演算制御装置17とで構成されてい
る。ここで、演算制御装置17はマイクロコンピュータ
等を用いて構成される。制御要素1としては、ヤング率
が7.0×105[N/m2](複素弾性率計測装置、すなわ
ち粘弾性スペクトロメータにより測定)で、かつ密度が
1190[kg/m3]のシリコン系ゴムにより形成されたも
のを用い、内径を25mm、管壁の厚みを0.3mmに設定
した。
上述の特性を利用すれば、制御要素1内での位相速度と
制御要素1外での位相速度とに差が生じるから、この制
御要素を用いることで音波を屈折させることができるの
である。以下の実施例においては、上述した円筒形の制
御要素1を複数個用いることにより、音波を収束させる
ようにしている。
(実施例1) 第1図および第2図に示すように、複数個の制御要素1
が軸方向を互いに平行として配列され、制御要素1の軸
方向に直交する面内において制御要素1の一端面は同一
面A上に配設される。各制御要素1は、制御要素1の軸
方向に直交する面内において1つの制御要素1aを中心
として他の制御要素1が異なる半径の複数の同心円周上
に配列される。各円周上の制御要素1は管長が等しく設
定され、中心となる制御要素1aからの距離が大きくな
るほど管長が短くなるように設定される。制御要素1は
上述したように共振周波数以下では管内での位相速度を
管外の位相速度に比較して遅れさせるから、管長が長い
ほど位相の遅れが大きくなるのであり、第2図に示すよ
うに、制御要素1に導入される前には制御要素1の軸方
向に直交していた波面Wsiが、制御要素1を通過した後
には中心となる制御要素1aの中心軸の延長線上に収束
する。すなわち、各制御要素1を通過した音波の波面W
soは第2図に示すように中心軸に対して傾斜することに
なる。ここで、制御要素1を実験に用いた材料で形成
し、制御要素1の管長を200mm、隣接する制御要素1
間の距離を5mm、隣合う制御要素1の管長の差を50mm
としたときに、500Hzの音波の管内の位相速度は1
00m/sとなり、音波の収束点は中心となる制御要素1a
の前方35mmの地点となった。
(実施例2) 本実施例では管壁の密度あるいはヤング率が異なる制御
要素1を、制御要素1の軸方向に直交する面内におい
て、1つの制御要素1aを中心として異なる半径の複数
の同心円周上に他の制御要素1を配列することにより、
実施例1と同様に音波を収束させている。すなわち、第
3図に示すように、制御要素1の軸方向の長さは同一長
さに設定されており、管壁の密度またはヤング率のみを
変化させている。たとえば、ヤング率を一定として密度
のみを変える場合には、中心となる制御要素1aからの
距離が大きくなるほど密度を小さく設定するのであり、
逆に密度を一定としてヤング率のみを変える場合には、
中心となる制御要素1aからの距離が大きくなるほどヤ
ング率を大きく設定するのである。ここで、同一円周上
の制御要素1は密度ないしヤング率を等しくする。制御
要素1内での位相速度は、第4図に示すように管壁の密
度が大きいほど小さく、第5図に示すようにヤング率が
小さいほど小さくなる。したがって、上述の構成では制
御要素1に入射される前には制御要素1の軸方向に直交
していた波面が、制御要素1を通過した後には中心とな
る制御要素1aの中心軸上に収束するのである。ここ
で、第4図および第5図の測定において使用した制御要
素1は、管壁の肉厚が0.16mm、管の内径が20mmで
あり、第4図においてはヤング率が4.6×106N/
m2、第5図においては管壁の材料の密度を1110kg/m
3とした。
以上のように、制御要素1の管壁の材質の密度やヤング
率を変化させるとともに、実施例1と同様に制御要素1
の長さを変化させれば、音波をさらに効率よく収束させ
ることができる。
(実施例3) 本実施例では、内径が異なる制御要素1を用いることに
より、制御要素1内での位相速度を制御している。すな
わち、制御要素1の内径が大きいほど位相速度が小さく
から、第6図に示すように、一つの制御要素1aを中心
として異なる半径の複数の同心円周上に他の制御要素1
を配列し、中心となる制御要素1aからの距離が大きく
なるほど内径の小さい制御要素1を配設することによ
り、中心となる制御要素1aの中心軸の延長線上に音波
を収束させるのである。実際に制御要素1の内径を変化
させて位相速度を測定すると、第7図のような結果が得
られる。ここで、管壁の肉厚を0.16mm、ヤング率を
4.6×106N/m2、密度を1110kg/m3とした。
本実施例と実施例1や実施例2の構成とを組み合わせれ
ば一層効率よく音波を収束させることができるのは勿論
のことである。
以上の各実施例においては、位相速度が急激に変化する
共鳴周波数以下の周波数を対象として位相速度を制御し
ているから、共鳴周波数を高い周波数に設定すれば、収
束可能な周波数帯域を広げることができる。また、共鳴
周波数以上の領域であっても周波数が高い領域では、管
壁のヤング率や密度、あるいは管の内径に対応して位相
速度が小さくなる領域が存在しているから、この領域で
使用するならば、低い周波数の領域以外でも音波を屈折
させることができる。
[発明の効果] 本発明は上述のように、粘弾性を有した材料により薄肉
に形成された直管状の中空管を音波の位相速度を制御す
る制御要素とし、複数の制御要素を互いの軸方向が略平
行となるように配設するとともに、制御要素の軸方向に
直交する面内において1つの制御要素を中心とした同心
円周上に他の制御要素を配列し、中心に近い制御要素ほ
ど通過音波の位相速度を小さく設定しているので、音波
を収束させることができ、その結果、不要な方向への音
波の伝播を防止し、また必要な方向にのみ音波を伝播さ
せることができるようになるという利点を有する。ま
た、制御要素が粘弾性を有する材料で薄肉の直管状に形
成されているから、通気性がよいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1の概略構成図、第2図は同上
の側面図、第3図は本発明の実施例2の概略構成図、第
4図および第5図は同上の動作説明図、第6図は本発明
の実施例3の概略構成図、第7図は同上の動作説明図、
第8図は本発明に用いる制御要素を示す斜視図、第9図
および第10図は制御要素の等価電気回路図、第11図
および第12図は同上の動作説明図、第13図は同上に
使用する制御要素の測定装置を示す構成図、第14図は
従来の伝播方向制御装置を示す斜視図、第15図は同上
の動作説明図である。 1は制御要素、1aは中心となる制御要素である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粘弾性を有した材料により薄肉に形成され
    た直管状の中空管を音波の位相速度を制御する制御要素
    とし、複数の制御要素を互いの軸方向が略平行となるよ
    うに配設するとともに、制御要素の軸方向に直交する面
    内において1つの制御要素を中心とした同心円周上に他
    の制御要素を配列し、中心に近い制御要素ほど通過音波
    の位相速度を小さく設定して成ることを特徴とする音響
    レンズ。
  2. 【請求項2】制御要素の軸方向に直交する面内において
    中心となる制御要素から離れるにしたがって各制御要素
    の軸方向の長さを順次短くし、かつ同円周上の各制御要
    素の軸方向の長さを等しく設定して成ることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項に記載の音響レンズ。
  3. 【請求項3】制御要素の軸方向に直交する面内において
    中心となる制御要素から離れるにしたがって各制御要素
    の内径を順次小さくし、かつ同円周上の各制御要素の内
    径を等しく設定して成ることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項または第2項に記載の音響レンズ。
  4. 【請求項4】制御要素の軸方向に直交する面内において
    中心となる制御要素から離れるにしたがって各制御要素
    を形成する材料の密度を次第に小さくし、かつ同円周上
    の各制御要素を同一材料で形成して成ることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項、第2項、または第3項に記載
    の音響レンズ。
  5. 【請求項5】制御要素の軸方向に直交する面内において
    中心となる制御要素から離れるにしたがって各制御要素
    を形成する材料のヤング率を順次大きくし、かつ同円周
    上の制御要素を同一材料で形成して成ることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項、第2項、第3項、または第4
    項に記載の音響レンズ。
JP61138977A 1986-06-14 1986-06-14 音響レンズ Expired - Lifetime JPH0654437B2 (ja)

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JPS62295096A JPS62295096A (ja) 1987-12-22
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