シーッ！騒音制御の未来は3Dプリントされた迷路を通して展開される

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要約と1 はじめに

2 ユニットセルの設計と解析

3 単位セルの実験的および数値的特性評価

4 レインボーAM迷路パネル

4.1 パネルの設計と製造

4.2 AMパネルのFEモデル

4.3 AMパネルの特性評価

4.4 AMパネルの吸音結果

5 さまざまな迷路型吸音パネルソリューションの数値評価

5.1 裏当てキャビティ付きマクロセル

5.2 結果

結論、謝辞、参考文献

付録I

抽象的な

本研究では、さまざまなサイズの空間コイル迷路状音響基本セルを適切に配置して設計された 3D プリント パネルの効率的なノイズ吸収を概念実証実験で実証します。迷路状のユニットセルは、吸収特性を決定するために解析的かつ数値的に分析され、その後、インピーダンスチューブ内で製造され、実験的にテストされて、吸収特性がセルの厚さと横方向のサイズにどのように依存するかが検証されます。ユニットセルの共振周波数は、考慮された範囲内で厚さと横方向のサイズの両方に対してほぼ線形にスケーリングされるので、動作周波数を簡単に調整できます。これらのデータを使用して、異なる寸法のセルを準周期格子に配置してフラットパネルを設計および製造します。音響の「レインボー」効果を利用し、異なるセルの周波数応答を重ね合わせることで、800 ～ 1400 Hz の間で選択されたターゲット周波数範囲をカバーする、より広い吸収スペクトルを生成します。パネルは従来の吸音ソリューションに比べて薄く軽量で、さまざまな形状に適用できるようにモジュール形式で設計されています。パネルの性能は小規模の残響室で実験的に検証されており、望ましい動作周波数で理想値に近い吸収が実証されています。したがって、この研究は、騒音軽減パネルソリューションの設計手順を提案し、調整可能な中低周波音減衰に対する迷路状メタマテリアルの汎用性と有効性の実験的証明を提供します。

1 はじめに

近年、音響メタマテリアル（AM）は、天然物質では一般的に見られない優れた特性を持つことから、広く注目を集めています[1–3]。 AMは、所望の周波数スペクトルに合わせて調整可能な、波長以下の厚さを持つ新世代の音響吸収体と拡散体の開発への道を開く可能性がある[4]。これらの使用は、低周波吸収を達成するという従来の問題に新たな可能性をもたらします[5]。さらに、AMは、単層質量法則、二重層共振周波数調整、多孔質吸収体の厚さ最適化に基づく従来の技術の限界を超えて、騒音低減の点で高性能を達成すると同時に構造のサイズと重量を削減する可能性を提供します[6] [7]。特に、これらの新素材は有望であり、例えば航空学における航空機キャビンの設計など、市場の設計/技術要件によって課せられる厚さと重量の制約に応えるものと思われます[8]。 AMは、多孔質材料[9]、ヘルムホルツ共鳴器[10]、張力膜[11,12]などの従来のソリューションと組み合わせて、パフォーマンスを調整または最適化することができます。臨界結合条件が発生すると、熱粘性損失がエネルギー漏れと正確にバランスし、完全な吸収が得られることはよく知られています[13]。このようなサブ波長領域での完全な吸収は、例えば、垂直ヘルムホルツ共振器の周期的配列[14]や、プレート共振器/閉じた導波管構造[15]によって達成可能であることが示されています。しかし、これらの AM の動作周波数は非常に狭い場合が多く、広帯域動作を可能にするには構造を大きくする必要があります。この問題を解決するために、これまでは、可変パラメータ（したがって動作周波数）を持つ音響共振器における「レインボートラッピング」の概念[16,17]や、非対称多孔質吸収体を備えたシステム[18]が採用されてきました。

近年出現したAMの特に興味深いタイプは、「迷路状」または「コイル状」構造である[19]。これらは、波長以下の断面を持つ湾曲したチャネルでの音波伝播を利用することに基づいており、非常に高い有効屈折率（したがって有効波速度の低下）と、「二重負性」、つまり同時に負の有効密度と体積弾性率、または円錐分散を達成する可能性をもたらします[20]。テーパー状の2次元ラビリンス設計は、効率的な吸収の基本となる最適な広帯域インピーダンス整合を実現することも示されています[21]。この概念は2次元から3次元空間のコイル状迷路構造にも拡張されている[22]。理論的に予測された広帯域の負の屈折率の実験的実証は、3Dプリントされた熱可塑性ラビリンスサンプルの反射または透過測定と2次元プリズムベースの測定を通じて達成されている[23]。ヒルベルト型フラクタル音響メタマテリアルも設計され、3Dプリントで製造され、実験的に特性評価され、効率的な低周波音波減衰を実現しています[24,25]。 3次元の「ワンポート」ラビリンス構造も提案されており、異なるチャネル長を利用して動作帯域を調整することで、広い周波数範囲（およびさまざまな入射角）にわたって高レベルの音響吸収を実現します[26]。大きな調整可能性を提供するラビリンスAMのもう一つの例は、クモの巣にヒントを得た構造であり、エッジキャビティを追加することで、分散特性の操作、バンドギャップや負の群速度の出現の制御、透過/反射特性の調整の可能性をさらに高めることができます[27]。いくつかの研究では、ワンダーリッヒ曲線などの空間充填構造を使用すると、チャネルの曲がり具合を変えることで透過、反射、吸収を効率的に制御できるため、チャネル長を調整することで完全な広帯域反射/吸収を実現できることが示されています[28,29]。

このように、迷路型および空間充填型の AM は、幾何学的設計パラメータ (チャネルの曲がり具合や長さ、キャビティのサイズなど) を調整することで、特に波長以下の領域で広い周波数範囲の音響制御を実現する非常に便利で効率的な方法を提供してきました。この種の適応性は、吸収体の構造サイズに関する制限により効率と負担の間でトレードオフが課せられる小規模から中規模の騒音吸収アプリケーションに大いに役立つ可能性があります。平均密度75kg/m3[30]のサンドイッチパネル内のグラスウールやフォームなどの十分に厚い従来の音響吸収材料は、広い周波数範囲で音波エネルギーを吸収できますが、かさばるという特性により、低周波吸収への幅広い応用が制限されます。さらに、航空宇宙産業や自動車産業、その他の技術分野のデバイスを扱う場合、軽量特性が重要になります[8]。現時点では、メタマテリアルベースのパネルのような大型構造物の詳細な音響特性評価研究を発表した文献はほとんどなく[31]、迷路状の構造物に関する研究は我々の知る限り全く発表されていない。さらに、潜在的な動作条件、つまり拡散場条件に近い構造におけるラビリンス AM のパフォーマンスを調査する必要性が生まれます。

これを念頭に置いて、本研究では、コイル状の迷路状音響共振器の設計、3Dプリントされた「レインボー」パネルにおけるそれらの適切な組み合わせを調査し、効率的な広帯域ノイズ吸収を実証するための概念実証実験を提示します。この論文では、次のワークフローについて説明します。迷路状のユニットセル (UC) の設計とそれらの吸収スペクトルの解析モデルについては、セクション 2 で説明します。設計された UC の実験的および数値的特性評価と解析モデルとの比較については、セクション 3 で説明します。可変で適切に選択された構成 UC 寸法を持つ実物大パネルの設計と 3D プリント、その数値モデル、残響室での実験テストについては、セクション 4 で説明します。最後に、パネルと従来の吸収材料との結合に関する数値的調査については、セクション 5 で説明します。