ソリューション事業部 中川 博
1.はじめに
積層材料音響特性予測ソフトウェアSTRATI-ARTZは、各種素材の任意の積層状態での吸音性能および遮音性能を予測計算できるソフトウェアです。中でもフェルトやウレタンフォームなどの多孔質材料の吸音性能・遮音性能を、現在CAEなどでも広く使われているBiotモデル（参考文献 1）に基づき正確に予測できるのが特徴で、主に自動車業界のお客様に広くお使いいただいています。今回、STRATI-ARTZに"Thickness Study"という新しい機能を追加いたしましたのでご紹介いたします。
2.Thickness Study
多孔質材料の吸音性能・遮音性能の予測に必要な材料パラメータのうち、多孔度や流れ抵抗やなどのいくつかのパラメータは、多孔質材料の骨格構造によって決まります。フェルトのような繊維系多孔質材料は、繊維間の空隙に大きく影響を受けます。したがって、材料が圧縮されると繊維間の空隙が小さくなるので、上記のパラメータはすべて変わってしまいます。
例えば、図1のダッシュインシュレータ（車両のダッシュパネルからの放射音に対する防音材）は、車両のパネルの凹凸に合わせてプレス成型されるため、図2の断面図のように場所ごとに厚さが異なります。これは、積層構造であるダッシュインシュレータのソフトフェルト（柔らかいフェルト部分）を圧縮して成型しています。
図1 ダッシュインシュレータ
図2 ダッシュインシュレータの断面イメージ
このダッシュインシュレータ全体の吸音性能・遮音性能を予測するためには、すべての厚さが異なるすべての場所のソフトフェルトの材料パラメータが必要となります。例えば、図2の断面図であれば赤い波線で区切った6つの部位の材料パラメータが必要になることになります。図1のような実際のダッシュインシュレータは厚さが異なる部位が数多く存在しているので、これらすべてについて、材料パラメータを測定によって取得するのは現実的ではありません。
そこで当社では、ある厚さの素材の材料パラメータが既知であれば、圧縮された時のパラメータを推定できる機能を開発いたしました（参考文献 2,3）。ここでは、多孔質材料を繊維系材料とし、かつ繊維（骨格）がすべて同じ方向を向いているケースを想定します。この場合、断面が常に図3左のように空気中に骨格の断面が分布するような形になります。音波がこの空間を伝搬する際、骨格の間の隙間の部分を進みます。この時、骨格同士の間隔が狭いと、この隙間を伝搬する音波（つまり空気の流れ）が抑制され、これが吸音の大きな要素（粘性損失）になります。この材料を幅方向に圧縮した時、図3右のように空隙のみが圧縮され、繊維自体は全く変形しない（圧縮されない）と仮定することにより、空気と骨格の割合が変化しかつ骨格同士の間隔が狭くなります。この間隔の変化による流れ抵抗などの材料パラメータの変化を、圧縮度違いの数値実験を元にした係数として持つことで、任意の圧縮度における材料パラメータを予測できるというものです。
図3 多孔質材料の圧縮イメージ
3.Thickness Study 適用例
実際の適用例をご紹介いたします。図4のように圧縮された硬いフェルトと比較的柔らかいフェルトの2層構造を考えます。これは、自動車の防音材（ダッシュインシュレータなど）で使用される典型的な構造です。この構造を車体（鉄板）の上に重ねることで、鉄板とハードフェルトが2重壁を構成することにより、特に高周波帯域で鉄板単体よりも遮音性能を高めることができ、かつ表面のハードフェルトにある程度通気があることで、車室内側での吸音性能をもつことが知られています。当社では、実際の車両で採用されている防音材を入手して測定することで、これらの素材の材料パラメータをデータベースとして持っています。ここで、ある車両の防音材の材料パラメータを用いて計算した透過損失および垂直入射吸音率が図5です。ソフトフェルト単層（赤）とハードフェルトとソフトフェルトの2層構造（青）の吸音率を比較すると、2層構造にすることにより、500～1000Hzの周波数帯域で単層より高い吸音性能を有し、車両走行時の室内騒音に有効な構造であることがわかります。しかしながら、実際に車両に搭載されるダッシュインシュレータでは、プレス成型によりソフトフェルト部分が圧縮されます。プレス成型によりソフトフェルトが圧縮されることで、吸音率がどう変化するかを示したカラーマップが図6です。横軸が周波数、縦軸が厚さの変化、色が吸音率を示しています。図6では、厚さを30mm（カラーマップ上端）から10mm（下端）まで圧縮した時の厚さの変化に対する吸音率の変化を一目で確認できます。その中の抜粋でソフトフェルトの厚さを30mm、20mm、10mmに変化した時の吸音率を図7に示します。圧縮すると低周波の吸音率が低下することがわかります。
図4 自動車防音材をイメージしたフェルト 2層構造
図5 図4 の 2層構造の垂直入射吸音率
青：ソフトフェルト 30mm のみ
赤：ハードフェルト 2mm ＋ソフトフェルト 30mm
図6 Thickness Study 結果
図7 ソフトフェルトの厚さが変化した時の吸音率
赤：厚さ30mm、茶：厚さ20mm、黒：厚さ10mm
4.おわりに
STRATI-ARTZは、吸音材・遮音材の開発に役立つツールとして提供させて頂いています。今回新たに開発した"Thickness Study"は、実際の現場でのニーズを反映した機能です。この機能がお客様の防音材の開発効率を改善できることを期待しています。今後もお客様のニーズを反映した様々な機能を加えていくことで、STRATI-ARTZがお客様の開発業務の一助となることを願っています。
参考文献
1)J. F. Allard and N. Atalla, "Propagation of Sound in Porous Media : Modeling Sound Absorbing Materials, Second Edition", (Wiley, 2009)
2)K. Hirosawa, Proceedings of JSAE Annual Spring Congress No. 2016185.
3)K. Hirosawa, J. Acoust. Soc. Am. 141 (6), June 2017.