JPH08508111A

JPH08508111A - 騒音及び振動防止用能動発泡プラスチック

Info

Publication number: JPH08508111A
Application number: JP7506972A
Authority: JP
Inventors: アールフラー、クリストファー; エーロジャーズ、クレイグ; リアン、チェン
Original assignee: ノイズキャンセレーションテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1993-08-12
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1996-08-27
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: US5719945A; WO1995005136A1; JP3027824B2; EP0713378A1; EP0713378A4

Abstract

(57)【要約】ウレタン発泡プラスチックパッド（１３）に埋め込まれたＰＶＤＦ層（１２）を用いる騒音及び振動防止用の能動発泡プラスチック装置である。この装置は振動を絶縁又は減衰させるのに使用できる。それはまた遠場音圧に減少を生じさせ、構造的に放射されるスピーカ（１３０）としての機能を果たすために使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】騒音及び振動防止用能動発泡プラスチック本発明は、数層の埋込式湾曲ＰＶＤＦ（ポリふっ化ビニリデン）圧電材料を含む能動騒音及び振動消去発泡プラスチックの生成に関する。背景低周波の音響及び振動を減衰させるために人は非常に厚い何層もの発泡プラスチック減衰及び絶縁材料を必要とする。本発明は発泡プラスチックの性質を変えるために種々のパターンで配置されたＰＶＤＦの埋込み層を持った発泡プラスチックからなっている。ＰＶＤＦは電子的に励振される。ＰＶＤＦでの従来の仕事はチベルス（Ｔｉｂｂｅｌｌｓ）によってなされて、米国特許第４，０５６，７４２号に図示されて説明された。チベルスはトランスデューサを作ることに関心を持ち、ＰＶＤＦのリップル付円筒セグメントシートを堅い枠の上に置いた。目的はフイルムを有効に弾性的に安定させて、高調波ひずみを打ち消すことである。取付けた数層の発泡プラスチックによって音と振動を減衰させることができる。しかし、成功は限られていたので、特に低周波の好ましくない騒音を減衰させるためには絶縁物質の層を厚くすることになった。本発明において、音響吸収及び音響制御において音響放射を制御すると共に振動絶縁を制御するのに薄い層を使用できる。本発明の主題の物質を形成する発泡プラスチックは埋込式ＰＶＤＦ圧電材料の湾曲層を利用する。（ＰＶＤＦは時変信号で電気的に励振され、振動絶縁及び音響の放射と吸収に関して発泡プラスチックの性質を適応させるのに用いられる。）湾曲ＰＶＤＦは、まっすぐ又は平らなＰＶＤＦより面外運動によく結合する。発泡プラスチックそれ自体はウレタンであるが別の同様な材料のものにすることができる。総説振動電圧をＰＶＤＦに加えると、その電圧はその材料に主として面内にひずませる。ＰＶＤＦを湾曲させることによって面内運動が面外運動に結合する。したがって湾曲したＰＶＤＦを発泡プラスチックに理込むことによって発泡プラスチックの音響特性及び振動特性を改変できる。特に、発泡プラスチックの低周波減衰特性を改良して発泡プラスチックをのずっとコンパクトに作ることができる。発泡プラスチック内のＰＶＤＦの形態を変えることによってＰＶＤＦはまた発泡プラスチックが支持母材として働く分布スピーカのように動作するようにさせることができる。能動発泡プラスチック及び提案された分布ＰＶＤＦアクチュエータの可能な四つの用途が（ｉ）能動構造的放射と防止、（ii）特殊音響効果のための分布スピーカ、（iii）能動音響反射防止、及び（iv）能動減衰と振動絶縁である。能動発泡プラスチックの大きな塊を例えば振動板などの振動構造体の表面に接着できる。次に能動発泡プラスチックを励振して誤差平面内の板から放射された音響との間に１８０°の位相角を有する音を発生できる。近場音響相互作用（又は消去）は遠場音圧を小さくすることになるであろう。分布ＰＶＤＦアクチュエータ又は能動発泡プラスチックの特殊分布スピーカとしての適用は、発泡プラスチックの表面に取付けられたＰＶＤＦの非常に大きな湾曲シートを壁に適用するか又はそれを非常に薄いスピーカを作るように壁紙内に積層することによって明かにされるであろう。分布ＰＶＤＦアクチュエータの能動音響反射防止における適用は、能動発泡プラスチックで覆われた平坦な表面に入射する音波を考慮することによって例示できる。第１には、発泡プラスチックは、音響反射を減らす傾向のあるずっと低い反射係数を持ち、第２には能動発泡プラスチックの励振はほとんど又はまったく音響を反射しないようにする反射音波を打ち消す音を発生する。能動発泡プラスチックは振動減衰または絶縁のためにも使用できる。振動減衰の場合、能動発泡プラスチックは構造的表面に取付けられて構造体の運動を止めるように励振される。能動絶縁の場合、振動する機械が能動発泡プラスチックのブロックに取付けられる。ＰＶＤＦへの電気入力は機械から受振台への振動の伝達を最小にするように制御装置によって調節される。音響スピーカとしての湾曲ＰＶＤＦアクチュエータからの音響放射の特性を研究するために理論的及び実験的解析が行われた。理論的解析から引き出された重要な結論は・ＰＶＤＦ音響アクチュエータの音響放射は、音響アクチュエータの形状、すなわちアクチュエータの寸法、曲率及びアクチュエータの厚さに次第で従って与えられた電圧に対してある周波数範囲で１２０ｄＢもに高くすることができる。すなわち、ＰＶＤＦアクチュエータは、かなりの音響を放射できる。・ＰＶＤＦは非常に柔軟なので、流体結合がＰＶＤＦ音響アクチュエータを設計するのに重要な要因である。例えば、無限長のＰＶＤＦの円筒を考えると、円筒の半径を大きくすると円筒の剛性が小さくなるので、円筒の音響放射を決めるために流体の相互作用を考慮する必要がある。しかし、曲率半径が１０ｍｍ未満であれば、流体結合を可聴周波数範囲内で考慮する必要はない。これはまた、能動発泡プラスチックの動力学をモデル化すると、発泡プラスチックとＰＶＤＦの間の結合が考慮にいれられたことを意味する。ＰＶＤＦアクチュエータから放射された音響を測定するために実験的研究が行われた。その結果は、音源として湾曲ＰＶＤＦを使用できることを示めした。ＰＶＤＦを湾曲させる工程は、以下の通りである。のり又は同様の接着剤がまず取付け構造体に付けられる。ＰＶＤＦの両端は構造体に取付けられる。両端間の距離はいくつの構造的湾曲が間にあるかということと、これらの構造体の波の曲率に関係する。一方のアクチュエータは、一つの湾曲を有し、他方は二つ持っていてもよい。一つの湾曲を形成するには両端を支持構造体に単に貼り付けるだけでよい。二つの湾曲は、大きな湾曲の中心を構造体の表面に押し下げて、それを固定することによって形成できる。同様にして一つの大きな湾曲を二つの小さな湾曲に分けることによってもっと多くの湾曲を作ることができる。実験から引き出された結論は、・かなりの音響を湾曲ＰＶＤＦ音響アクチュエータから放射できる。・周波数応答は、波の数や波の曲率などのアクチュエータの形状に強く関係している。・平らなＰＶＤＦは効率よく音響を放射しない。単純なＰＶＤＦアクチュエータをプラスチック層で補強することはそれらの音響放射能力を著しく大きくする。ＰＶＤＦベースの能動発泡プラスチックの実現をもっと進歩させるために発泡プラスチックの種々の曲率と配置がまず上述のように決められる。次にＰＶＤＦは、ＰＶＤＦにマッチするのに適当な層と形に発泡プラスチックを切断することによって発泡プラスチック内に生められる。次にＰＶＤＦは発泡プラスチックに接着され、次いで数層の発泡プラスチックがＰＶＤＦ／発泡プラスチック構成体を構成するように再結合される。多層のＰＶＤＦが可能であり、ＰＶＤＦはまた制御アプローチ用のセンサとして使用できる。そのような形状において、発泡プラスチックはＰＶＤＦをスピーカとして使用するための支持母材となるだけでなく、ＰＶＤＦを用いて発泡プラスチックの性質を積極的に変えてそれの吸収及び絶縁特性を変えることができるようにする。したがって、有効な騒音及び振動減衰又は絶縁用発泡プラスチックを提供することが本発明の目的である。本発明のもう一つの目的は、遠場音圧に低減を生じさせる能動音響発泡プラスチックを提供することである。本発明のそのほかの目的は振動絶縁手段としてＰＶＤＦ埋込式発泡プラスチックを用いることである。本発明のそのほかの目的は、ＰＶＤＦ埋込式発泡プラスチックを構造的に放射されるスピーカとして用いることである。本発明のもう一つの目的は、振動減衰のためにＰＶＤＦを埋込んだ発泡プラスチックを用いることである。もう一つの目的は湾曲した埋込式ＰＶＤＦアクチュエータを備えた音響発泡プラスチックを提供することである。本発明のそのほかの目的は能動音響反射防止に分布ＰＶＤＦアクチュエータを提供することである。これら及びその他の目的は以下の添付図面を参照するとき明かになる。図１は、能動発泡プラスチックを備えた能動構造的音響制御装置（ＡＳＡＣ）の切取り斜視図である。図２は、ＡＳＡＣのための湾曲ＰＶＤＦアクチュエータの形状の最適化を示すグラフである。図３は、連成及び非連成の音響解析の比較を示す音の強さ対周波数のグラフプロットである。図４は、湾曲ＰＶＤＦあくチュエータを備えた水中ＡＳＡＣに対する音の強さ対周波数のグラフである。図５は、音圧対ＰＶＤＦ円筒からの距離のプロットである。図６は、音圧対電圧のプロットである。図７は、種々の厚さのＰＶＤＦアクチュエータに対する音の強さ対周波数のプロットである。図８は、ＰＶＤＦリングからの音量対周波数のプロットである。図９は、湾曲ＰＶＤＦ音響アクチュエータの場合の音量対周波数のプロットである。図１０は、代表的能動発泡プラスチックの斜視図である。図１１は、湾曲した埋込式圧電材料を有する発泡プラスチックの断面図である ° 図１２は、本発明を含む発泡プラスチックの適用の側面図である。図１３は、本発明に従って構成された能動発泡プラスチックの周波数応答を決めて、能動反射制御におけるそれの重要性を調べるのに用いられる定常波管装置のブロック図である。図１４は、能動発泡プラスチックの周波数応答関数を示すチャートである。図１５は、スピーカ表面として用いられる本発明のＰＶＤＦ付発泡プラスチックの線図である。図１６は、周波数振動ダンパとして用いられる本発明を示している。詳細な説明能動音響減衰（ＡＳＡ）とは、制御音響が被制御音響に対して異相音圧を有する場合に一つの音がもう一つの音を打ち消すのに用いられる技術をいう。ＡＳＡは、最初１９３４年にリューク（Ｌｕｅｇ）によって論じられ、その時以来多くの研究者の注意を引いた。しかし、ＡＳＡ研究の初めのころは、それの成功は電子技術と利用できるハードウェアによって制限された。１９７０年代の精密電子装置の開発につれて、飛行機の胴体などの大規模構造体の能動構造的音響制御（ＡＳＡＣ）がＡＳＡで可能になった。従来のＡＳＡ技術は、１９３４年にリュークによって提案された形式のようなスピーカを制御音源として利用している。これらの制御スピーカの幾何学的形と大きさはＡＳＡの制御威力に著しく影響を与える。例えば、振動している構造体からの音は制御音源がその音の波長より小さく、約λ／３からλ／４の距離で構造体に近づけて置かれているかぎり、遠場内の何処ででもある程度小さくすることができる（ワーナカ（Ｗａｒｎａｋａ）、１９８２年）。ＡＳＡはまた音の周波数に敏感である、すなわち、制御スピーカ装置が適応性を与えられなければ広帯域騒音制御を行うことは困難である。従来のＡＳＡに関連したもう一つの問題は、制御スピーカが離散化され、音響場内に「無音点」を作り、総合遠隔場音響低減が非常に顕著にならない可能性があることである。したがって、大音響場を制御するのには多数のスピーカが必要である。これらの問題を考慮して、湾曲した分布ＰＶＤＦアクチュエータを発泡プラスチックの中に埋込んだＡＳＡの新規な装置が本明細書において提案されている。提案された能動発泡プラスチック１０（制御音源として用いられる）は、総括的に図１に示されている。ＰＺＴやＰＶＤＦなどの誘起ひずみアクチュエータ１１がそれらの断面を横切る電圧を受けるたと、面内運動を発生する。この面内運動は、アクチュエータを１２のところにおけるように湾曲させたとき、面外運動に変換できる。面外運動は、発泡プラスチックを励振し、音をもっと効率的に放射させる。本発明のアクチュエータ形状はこの特性を利用する。提案された分布ＰＶＤＦアクチュエータの４つの適用は、（i）能動構造的音響制御、（ii）特殊音響効果用の分布スピーカ、（iii）能動音響反射制御及び（iv）能動減衰防振装置である。大きなＰＶＤＦ片を図１に示されているもののような波形に湾曲させ、ウレタン発泡プラスチック１３に理込み、次に、発泡プラスチックを例えば１４のような振動板などの振動構造体の表面に貼付けできる。次に、分布ＰＶＤＦアクチュエータ１１を励振して近場にある板から放射される音の間に１８０°の位相角を持つ音を発生する。近場音響相互作用（又は打消し）は遠場音圧の減少を生じさせる。分布ＰＶＤＦアクチュエータの特殊分布スピーカとしての適用は非常に大きい湾曲ＰＶＤＦシートを壁に貼るか又はそれを壁紙に積層して非常に大きなスピーカを作ることによって証明される。分布ＰＶＤＦアクチュエータの能動音響反射制御における適用は、湾曲ＰＶＤＦフィルムで覆われた平らな面に入射する音波を考えることによって例示できる。第１に、ＰＶＤＦは音響反射を小さくする傾向のあるずっと低い構造インピーダンスを持ち、第２に、湾曲ＰＶＤＦの励振は、反射音波を打消しほとんど又は全く音響反射を生じさせない音を発生し、これはまたワーナカ（１９８２年）によって電子音響吸収器と呼ばれている。ＡＳＡＣ適用面において利用され得る誘起ひずみアクチュエータにはＰＺＴ、ＰＶＤＦ及び電歪アクチュエータがある。これらすべてのアクチュエータの材料を用いて加えられた電圧の関数として面内運動を発生できる。次式は上述のすべてのアクチュエータに対して成り立ち、発泡プラスチックに埋込むための湾曲ＰＶＤＦの形を最適化するのに用いることができる、ここで、Ｖは、加えられた電圧、ｈは、アクチュエータの厚さ及びｄ₃₁はアクチュエータのポーリング特性に関する材料定数である。多くの論文がこれらの誘起ひずみアクチュエータについてペンウォールト（Ｐｅｎｎｗａｌｔ）社（１９８９年）及びブキャナン（Ｂｕｃｈａｎａｎ）（１９８５年）などによって発行された。これらのアクチュエータの能動音響制御における現在の適用は基本的には構造的アプローチである。ＰＺＴなどのアクチュエータが構造体に取付けられるか又は、制御励振源として合成体に埋込まれる。アクチュエータは外部負荷によって生じた構造的振動を打消す振動を励振して、構造体の振動、したがって構造体からの総合音響放射を全体として小さくする。ＰＶＤＦは、現在、能動構造的音響制御において動的センサ材料として用いられることが多い。研究者によってはそれを能動構造的振動制御におけるＰＺＴアクチュエータなどの構造的アクチュエータとして用いている者がいる（アルバーツ（Ａｌｂｅｒｔｓ）とコルビン（Ｃｏｌｖｉｎ）、１９９１年）。しかし、ＰＶＤＦは、現実的構造体に一毅的に焦点を合されたこわさを持った構造体の構造的振動制御に用いられるために必要な構造的インピーダンスを持っていないと一般に考えられていた。本明細書において論じられたＰＶＤＦアクチュエータは、空気などの軽い流体と相互作用し、鋼板などの堅い固体とは相互作用しないことをとくに述べておく必要がある。最後に、ＰＶＤＦは軽く、容易に湾曲させて構造体に取付けることができ、最も重要なことには、ある周波数範囲において大きな音量を放射できることを述べておく必要がある。ＰＶＤＦアクチュエータの最適化湾曲形状長さＬの一片のＰＶＤＦが図２に示されているように曲げられ、長さ方向の全変形は±△Ｌである。±△Ｌに対応するＰＶＤＦの変形した形はそれぞれ図２に示された曲線２及び３である。音響的に最も効率の良い曲線は曲線２と３によって閉じられた最大面積に対応するものであることが必要である。曲線２と３によって形成される面積はこのときであり、ここで、Ｒは曲線１（ｙ＝ｆ(x)）であり、として表すことができる。上式は、非常に非線形の振動方程式である。それらを解くことは純粋に数学的である。最も簡単な湾曲ＰＶＤＦアクチュエータはリング又は円筒である。そのような簡単なアクチュエータの形状の音響放射の機構を研究することは、それが湾曲ＰＶＤＦアクチュエータからどれだけの音を放射できるかなどの本質的問題に答を与えるので、重要である。音圧分布はどうなっているか及び流体結合がモデリングにおいて必要かどうかである。これらの問題は以下のように取り扱われる。ＰＶＰＦ円筒シェルのモデリング円筒シェルのための運動方程式は、によって与えられる。面内力は、によって与えられ、ここで、ε_inは式（１）から与えられるようなＰＶＤＦアクチュエータの誘起ひずみである。変位に関して式（５）を書くと、制項として支配方程式に導入される。湾曲アクチュエータの動特性とそれらの誘起ひずみに対する動応答を変数の分離を用いて解析できる（チモシンコ（Timosh enko）及びウォイノウスキー−クリーガ（Woinowsky-Krieger）、１９５９年）。ＰＶＤＦ円筒シェルの定常状態応答はを仮定することによって解くことができ、次いで変位ｕ、υ及びをω として表すことができる。単純支持境界条件の場合、以下の仮定関数は自然境界条件及び幾何学的境界条件の両方を満足する。圧力及び誘起ひずみはまたとして書くことができ、ここで、Ｄ_mn及びＥ_mnは及びによって与えられる。重み係数Ａ_mn、Ｂ_mn及びＤ_mnをから解くことができ、ここで及びここで、｛Ｉ｝は単位行列であり、添え字‘Ｔ’は行列変換を表す。ることによって方程式（１４）から解くことができる。一つのセット（ｍ，ｎ）に対応する三つの固有値と固有ベクトルは、半径方向、軸方向及び円周方向のモードの間に結合があるので、発見できる（ユンガー（Yunnge）及びファイト、（ Feit）、１９８６年）。流体結合された音響解析ＰＶＤＦは極めて柔軟（薄くて低剛性率）なので、流体結合解析は音響媒体が空気であっても必要である。この場合に、方程式（７）におけるｑは音響波動方程式から解くことのできるアクチュエータに作用する音圧である。我々の解析を簡単にするために、無限ＰＶＤＦ円筒を仮定する。軸方向の進行波は考えない。薄くて無限のＰＶＤＦ円筒の場合、支配方程式をとして方程式（７）から簡単化できる。音波方程式はであり、ここでｃ_fは流体内における音速である。とすることによってによって与えられるヘルムホルツ方程式を生じ、ここでである。を仮定する。今度はヘルムホルツ方程式はとして書かれる。基本解をとして解くことができ、ここで、Ｊ_n（λτ）は、第１種のベッセル関数であり、Ｈ_n（λτ）は第１種のハンケル関数である。未知の積分係数Ｂ_n及びＣ_nをである境界条件から求めることができる。無限長の円筒の場合、半径方向の変位及び誘起ひずみは、軸方向進行波を考慮しなければ、以下の形を持つと仮定できる。及び方程式（２５）における積分係数は次にとして決定できる。次に波動関数Ψをとして決定できる。音圧を波動関数から又はとして導出でき、ここでｐ_fは乱されていない音媒体の密度である。このとき内側及び外側音圧をとして書いてもよい。ＰＶＤＦに作用する音圧は、方程式（３３）から解いて方程式（１８）に代入して逆に代入して音圧を計算する。上に導出した式は表面に離散化したＰＺＴパッチを取付けた円筒などのように、統合誘導ひずみアクチュエータの付いている円筒の音響放射を計算する。構造体全体がここで論じられているＰＶＤＦなどの誘起ひずみ材料で作られていれば、方程式（２８）の第１項だけが零でない。これは第１モード（均一な半径方向の膨張・収縮モード）だけを励起できること、すなわちすべての加法の第１項だけが零でないことを示している。したがって、ＰＶＤＦ円筒の半径方向変位の振幅をとして表すことができる。薄いＰＶＤＦ円筒の共鳴周波数をとして方程式（３５）から求めることができる。いったん音圧を方程式（３３）から求めると、円筒の外側の粒子速度（半径方向）をから解くことができる。時間平均音の強さをとして定義し、ここで“conj”は共役複素数を表し、“Re”は複素数の実数部を表している。次に音の強さを式（３９）として陽に表すことができる。音の強さにおける変数は、ＰＶＤＦに加えられた電圧、アクチュエータの半径と厚さ及び励振周波数である。結果及び解析本明細書においてモデル化されたＰＶＤＦ円筒の材料特性が表１に挙げられている。このＰＶＤＦは市販されている。１１０Ｖの一定電圧がアクチュエータに加えられると仮定されている。音の圧力又は強さは円筒から１ｍのところで測定される。ＰＶＤＦ円筒の厚さは別に指定がなければ、１１０μｍであると仮定されている。損失係数は０．０１８として与えられる。減衰がＥ（1+i・tanδ）である複素引張弾性係数を取ることによってモデルにおいて加えられ、一方、方程式（１８）の減衰係数、Ｃ、は零であると仮定する。図３には音の強さが周波数の関数として示されている。実線は流体負荷の影響を考慮した連成解析からのものである。破線は流体相互作用を考慮していない非連成解析からのものである。ＰＶＤＦ円筒が方程式（３６）によって与えられる唯一の共鳴周波数を持っているので、解析が非流体結合に基づいていれば、ただ一つのピークしか見出すことができない。第１のＰＶＤＦ円筒（半径＝０．０２ｍ）の場合、それの共鳴周波数は、連成及び非連成解析の両方から分かるように、約８．８ｋＨｚである。連成解析に基づいて計算された第２及び第３のピーク（１１ｋＨｚ及び１９ｋＨｚにある）は、明かに流体結合によっている。非連成解析は、共鳴周波数の付近を除いて連成解析と非常に良く一致する。模擬された第２のＰＶＤＦ円筒は０．０１ｍの半径を持ち、それの共鳴周波数は約で１７．５ｋＨｚである。非連成解析からの結果は、共鳴周波数より下でよく合う。上の解析から一つの重要な結論を引き出すことができる。すなわち、湾曲したＰＶＤＦアクチュエータの曲率半径が０．００８８ｍより小さければ、可聴周波数範囲（２０〜２０，０００Ｈｚ）においてアクチュエータとの相互作用を考える必要がない。このような装置の水中ＡＳＡＣにおける適用も研究されてきて、模擬結果は図４に示されている。ＰＶＤＦ円筒に作用する外部音圧は約１３Ｐａである。図６にはＰＶＤＦアクチュエータから１ｍのところで測定された音の強さが加えられた電圧の関数として示されている。ＰＶＤＦの電気的インピーダンスが非常に高く見えてさえ、極めて高い電圧によってアーキング及び抵抗加熱を生ずる可能性がある。図７には同じ半径（０．０２ｍ）であるが異なる厚さの二つのＰＶＤＦ円筒の連成解析が示されている。ＰＶＤＦ円筒の厚さを減らすことはそれらの共鳴周波数を変えない（方程式（３６）参照）。これは二つの曲線の第１のピークの周波数が同じままである（それらの差は減衰と流体結合が原因となっている）図７から分かる。しかし第２のピークの周波数は、ＰＶＤＦ円筒の構造インピーダンスが減る場合、流体結合を大きくする結果として約1,000Hzだけ異なる。共鳴周波数の周りを除いて、ＰＶＤＦ円筒の厚さは電圧を変えるのとほとんど同じように円筒の音響挙動に影響を与える（方程式（１）参照）。湾曲ＰＶＤＦアクチュエータの音源としての有効性を実証するために実験を行った。０．１６ｘ０．０２ｍＰＶＤＦ片をリング（半径＝０．０２５ｍ）に曲げて小さなブラケットに吊るした。交流電圧をアクチュエータに加えた。音量をＰＶＤＦリングから１ｍのところで周波数と加えられた電圧の関数として測定した。ＰＶＤＦの厚さは２８μｍである。この実験で用いられたＰＶＤＦ片はセンサとして用いられるために設計され、誘起ひずみの量を小さくする傾向のあるプラスチックシールドを持っていたことに注意されたい。しかし、プラスチックシールドはリングのこわさを大きくすることができる。プラスチックシールドを適用することが湾曲ＰＶＤＦアクチュエータの音響放射効率を減少するか又は増加するかどうかを調べるためには詳細な解析を必要とする。ＰＶＤＦリングの断面を横切って加えられる開回路電圧は１００Ｖであった。周波数の関数としての音響レベルは図８にプロットされている。第１の音響レベルのピークは４ｋＨｚにおいて観測され、音響レベルは７８ｄＢである。これはリングの共鳴周波数に対応する。第２のピークは１２kHzにおいて起こり、第２のレベルは１００ｄＢもの高さに達する。ＰＶＤＦリングは，このような装置の適用を制限する２，０００Ｈｚ未満で応答しない。しかし、湾曲ＰＶＤＦアクチュエータの応答はアクチュエータの形状に大きく依存している。例えば、リングの半径がそれの第１の共鳴周波数が２，０００Ｈｚにあるように大きくすれば、ＰＶＤＦリングの2,000Hz 未満の周波数応答を改良できる。センサ形ＰＶＤＦには単純ＰＶＤＦアクチュエータより音を放射することにおいてずっと多くの威力のあることが分かった。ＰＶＤＦの厚さは約５０μｍであり、一方、センサ形ＰＶＤＦの厚さはほんの約２８μｍｄｅある。センサ形ＰＶＤＦアクチュエータ用のプラスチック層の厚さは約８６μｍである（センサ形ＰＶＤＦの全厚さは約２００μｍである）。単純ＰＶＤＦアクチュエータに加えられたと同じ電圧において、センサ形ＰＶＤＦの誘起ひずみの量がプラスチック層に拘束されて小さくなることがあるが、アクチュエータの構造的インピーダンスが大きくなって音響放射料が増加した。単純ＰＶＤＦアクチュエータから放射される最大音は（それの共鳴周波数及び１００Ｖにおいて）約７５ｄＢである。センサ形ＰＶＤＦアクチュエータから放射される音は図９に示されているように同じ電圧で１０５ｄＢもの高さになる可能性がある。図１０は柔軟な圧電材料５１、５２の多重層を埋め込まれた能動発泡プラスチック５０の一つの形状を示している。このような発泡プラスチックは騒音減衰の目的に受動及び能動絶縁体として使用できる。図１１はパネル６０にのせて音の放射／吸収において用いられている多重層の圧電材料６１、６２の断面図を示している。反射又は放射された波６３又は反射された波６４を圧電材料への電気入力を調節することによって制御できる。圧電材料をトレッタ（Tretter）の米国特許第５，０９１，９５３号に記載されているもののような適当な制御アルゴリズムと併せてアクチュエータ又はセンサの両方として使用できる。図１２は、圧電層７２、７３を中に備えた能動発泡プラスチック７１の上に取付けられた振動機械７０を示している。この組立体は柔軟な台７４の上にある。伝えられる振動を圧電材料に入る能動電気入力によって低減できる。圧電材料はまた適当な制御アルゴリチズムと併せてアクチュエータ又はセンサとしてのいずれかに使用できる。能動発泡プラスチックの形のＰＶＤＦ（音響的）アクチュエータを能動音響減衰技術において利用する可能性を調査するために予備調査を行った。実験と理論的解析の両方がＰＶＤＦアクチュエータの制御音源としての有効性を実証している。連成音響解析は、湾曲ＰＶＤＦアクチュエータの曲率半径が0.01mより大きい場合には流体結合解析（可聴周波数範囲における）が必要であることを示している。他の場合には非連成解析を適用できる。これは、図１に示されたような複雑な形状の音響放射の理論的解析を簡単にする。理論的モデルはまた分布ＰＶＤＦアクチュエータをさらに調査するのに有用な道具となる。図１３は装置１００の定常波管の概略図を示すブロック線図である。ＰＶＤＦフィルム１０１がウレタン発泡プラスチック構造体１０２の中に種々の形と寸法で埋込まれている。ＰＶＤＦの形は正弦波、方形波及び多重層形状を含んでいる。定常波管１０４は能動合成発泡プラスチックの音響吸収を評価するのに用いられる。入射波及び反射波は二つのマイクロホン１０５とアナログ波分解回路１０６を用いて測定される。フィルタド−ｘＬＭＳ適応アルゴリズムがコンピュータ１０７を介して反射波成分の調波制御を達成する。Ｂ＆Ｋアナライザが回路１０９を介して増幅された回路１０６からの信号を検査する。ＰＶＤＦの制御が低域フィルタ１１０を通過してＰＶＤＦ１０１を励振する前に１１１において増幅されるコンピュータ１０７からの信号によって達成される。種々の試験の結果が制御された反射波及び制御されない反射波の強さを含む能動発泡プラスチックの周波数応答関数を示す図１４に示されている。周波数が高い方が制御が大きくなっていることに注意されたい。反射騒音の低減は音響学の多くの領域に対して重要である。ＰＶＤＦフィルムなどの新しい材料の反射音の能動制御における用途を捜すことが望まれている。ウレタン発泡プラスチックが埋込まれたＰＶＤＦフィルムで構成された合成体が受動的技術が限られている低周波においてさえ有効な減衰装置となる。結果は従来の発泡プラスチックよりずっと高い音の吸収を示している。この音の低減は非常に薄いフィルムの材料で達成できる。図１５は支持構造体１３２の上に取付けられた発泡プラスチック１３１によって支持されたＰＶＤＦフィルム１３０を持った拡声器として用いられている本発明を示している。この形状においてＰＶＤＦフィルムの励振がフィルムにスピーカとして作用させ１３３におけるように音を放射させる。図１６は壁１４２に取付けられたビーム１４１の振動たわみを制御するために用いられている本発明を示している。通常は、部材における振動がビーム１４１において１４３におけるようにたわみを生ずる。１本の能動発泡プラスチック１４４をビームの長さに沿って置くことによって１４３におけるたわみを能動減衰によってを介して最小にできる。発泡プラスチック１４４には１層のＰＶＤＦ１４５が埋込まれている。上の各例は発泡プラスチックを横運動を能動的に作って制御するために使用できる。これらの属性は図１２におけるような能動絶縁戦略を作るために利用できる。発泡プラスチックはまた制御入力を適当に調節することによって能動減衰を作るために同様に使用できる。本発明を多数の好ましい実施例に関して説明したが、当業者は本発明が添付請求の範囲の精神と範囲内で変更して実施できることを理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リアン、チェンアメリカ合衆国バージニア州24060 ブラックスバーグゴルフビュードライブ 1105

Claims

【特許請求の範囲】１．所定の幅と長さを有する第１の厚さの発泡プラスチック部材と、所定の幅と長さを有する第２の厚さの発泡プラスチック部材と、前記第１と第２の厚さの間の厚さの埋込みアクチュエータ部材とを備え、前記アクチュエータ手段はそれの軸線の少なくとも一つに沿って湾曲され、前記アクチュエータ手段が前記発泡プラスチック部材の性質に適応するように電気的に励振されて振動絶縁又は音の吸収又は音の放射を行う能動発泡プラスチック装置。２．前記アクチュエータ部材が面外外部運動に結合して前記絶縁又は吸収を行う請求項１に記載の装置。３．前記発泡プラスチック部材の励振されたときの曲率が電気的に励振されたとき音を放射する請求項１に記載の装置。４．前記アクチュエータ部材がＰＶＤＦアクチュエータである請求項１に記載の装置。５．前記アクチュエータ部材がＰＺＴ又はＰＶＤＦなどの誘起ひずみアクチュエータである請求項１に記載の装置。６．前記アクチュエータ部材の近場音響相互作用が遠場音響圧力に減少を生じさせる請求項１に記載の装置。７．前記アクチュエータ部材が複数の分布スピーカを備える請求項１に記載の装置。８．前記アクチュエータ部材は前記発泡プラスチック部材が接着されるすべての構造体より低い構造的インピーダンスを持っている請求項１に記載の装置。９．前記アクチュエータ部材が無限長のＰＶＤＦ円筒を備える請求項１に記載の装置。１０．前記アクチュエータ部材がそれらの断面を横切る電圧を受けるとき面外運動を発生する請求項１に記載の装置。１１．前記埋込まれたアクチュエータ部材が横運動を能動的に作って制御するような具合に曲げられている請求項１に記載の装置。１２．一方の側が平らで他方の側が波形に構成されている第１の層の発泡プラスチックと、前記発泡プラスチック層に取付けられ、前記波形に一致しており、振動を生ずるように電気的に励振される能動フィルム手段と、前記発泡プラスチック層の反対の平らな側に係合して前記フィルムの前記振動が湾曲した波形によってスピーカとして作用させる支持手段を備える所望の音を作る能動スピーカ装置。１３．前記フィルムがＰＶＤＦフィルムである請求項１２に記載の装置。１４．前記発泡プラスチックがウレタンで作られている請求項１２に記載の装置。１５．所定の長さの第１の層の発泡プラスチックと、前記第１の層に結合され電気的励振があったとき横方向に運動を生ずる能動フィルム手段と、制御手段とを備え、振動構造体にしっかり固定され、前記制御手段の作用によって前記振動構造体の振動を減衰させる振動減衰を作る能動装置。１６．前記発泡プラスチックがウレタンである請求項１５に記載の装置。１７．前記フィルムがＰＶＤＦである請求項１５に記載の装置。１８．発泡プラスチック裏打ち付能動フィルムを振動減衰、振動反射書及び騒音発生に用いるのに最適な形を確定する方法において、前記方法が前記発泡プラスチック裏打ち付能動フィルムへの第１の入射波を発生する段階と、前記フィルムからの反射波のデシベル強さを測定する段階と、前記反射波のデシベル強さを最小にするように前記反射波を制御するために前記フィルムに反対の振動を発生する段階と、前記反射波の強さを最適にするように前記フィルムを所定の周波数基準に合わせて形作る段階とを備える方法。１９．前記フィルムの両側を発泡プラスチックで裏打ちする段階をさらに備える請求項１８に記載の方法。２０．前記フィルムがＰＶＤＦであり、前記発泡プラスチックがウレタンである請求項１８に記載の方法。