JP2017530278A - 非線形動的アブソーバ及び遮音のためのその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、剛性材料から製造されたパネル（１１）、及び、少なくとも１つの非線形動的アブソーバ（９）を含む建築要素に関し、該アブソーバは２つの末端部分（２ａ）及び非線形スプリング機能を有する中間部分（２ｂ）を有するリーフ（１）、リーフの非線形スプリング機能を有する中間部分（２ｂ）に取り付けられた質量部分（３）、非線形スプリング機能を有する中間部分（２ｂ）がその平衡位置（単数又は複数）の付近で振動することができるようにリーフ（１）の２つの末端部分（２ａ）を固体取付体に取り付けることを可能にする取り付け手段（４）を含み、該非線形動的アブソーバは取り付け手段（４）によってパネル（１１）に強固に取り付けられている。本発明はまた、このような建築要素を含むパーティション、ならびに、壁の音響透過性を低減するための、このようなアブソーバ又は建築要素の使用にも関する。【選択図】図２

Description

本発明は非線形エネルギーシンク、及び、壁によって隔てられた２つの空間の間の遮音性を改善するためのその使用に関する。

壁によって隔てられた２つの空間の間の遮音性は、典型的に、壁の密度を増加させること又は前記壁をライニングすることのいずれかにより提供される。２リーフパーティション壁の場合に、典型的にミネラルウールのマット又は弾性発泡体である遮音材料は、それら２枚のシートの間の空気空間に挿入されうる。

音響的な観点から、このような２リーフパーティション壁は、遮音材料でライニングされていようが又はいまいが、空気空間又は遮音材料の充填が、それら２枚のシートを互いにカップリングさせるスプリングとして作用するマス−スプリング−マスシステムのように低周波数で挙動する。図１は、このような２リーフパーティション壁の音響透過損失（ｓｏｕｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ）（ＮＦ ＥＮ ＩＳＯ １４０−３）が、遮音材の充填があっても又はなくても、音の周波数の関数として変化することを示す。

位相対立における系の動きに対応する「ブリージング」周波数と呼ばれる低周波数（ｆ_０）（約１００〜１５０Ｈｚ）で第一の特徴的弱さ、及び、入射音波の波長がシートにおける曲がりの波の波長と「一致する」、一致周波数と呼ばれる高周波数（ｆ_ｃ）（２０００〜３０００Ｈｚ）で第二の特徴的な弱さが存在することが発見されている。

本発明の目的は、遮音の追加層を追加することなく、また、パーティション壁の全体としての厚さを増加させることなく、低周波数ドメインの周波数での壁の音響透過性（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）、すなわち約５０〜１５０Ｈｚの周波数での壁の音響透過性、特に２リーフパーティション壁のそれらの周波数での音響透過性、を低減することである。

本目的は、壁に適切な点で固定されている適度なサイズのデバイスを用いて達成され、該デバイスは固有変動に適合させることによりブリージング周波数での壁の共鳴を減衰し又はさらには除去することができる。シートの共鳴のこの減衰を支持する物理現象はエネルギーポンピング（又は非線形標的エネルギー移動）の名称で知られる（例えば、Ｏ． Ｇｅｎｄｅｌｍａｎら， Ｅｎｅｒｇｙ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ， Ｐａｒｔ Ｉ ａｎｄ ＩＩ， Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｍｅｃｈ．，６８（２００１）３４−４８を参照されたい）。

エネルギーポンピングは、略線形の振動子である主構造から本質的に非線形の振動子で形成される補助構造への、振動エネルギーの不可逆的移動を指す名称である。非線形スプリングによって主構造にカップリングされた質量部分（ｍａｓｓ）から構成された補助構造、及び場合によってダンパーは、自己の共鳴周波数を有せず、そして任意の周波数で振動することができる。主構造の振動エネルギーのしきい値を超えると、その振動エネルギーは、補助構造に移送され、それにより主構造の振動の大きさを減衰させる。

非線形エネルギーシンク（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｉｎｋ）と呼ばれ、ＮＥＳ（エネルギーの非線形動的アブソーバ）と略される補助構造は好ましくは、主構造のサイズよりも有意に小さい。

エネルギーポンピングは、建物及び構造物の地震保護、乗り物の動的性能の改良、又は、積荷の安定化などの様々な用途で既に広く使用されている。

われわれが知る限り、建物の２つの空間を隔てる又は建物の内側を外側から分離する壁の音響透過性を低減するためにエネルギーポンピングを使用することはこれまで決して考えられてこなかった。

われわれはこのような非線形エネルギーシンクを開発したという名誉に値し、該エネルギーシンクは、同時に単純で、堅強でかつ軽量であり、そして吊り天井の要素、フロアタイル、シングルリーフ又は２リーフパーティション壁のリーフ、ライニング要素などの壁又はパーティション壁として作用することが意図されたシートに容易に固定されうる。

本発明の非線形エネルギーシンクは、本質的な要素として、２つの固定端（encastre end）が支持体に組み込まれ（そのため、末端は自由でない）、そして小さい質量部分が固定されているブレードを含む。動的荷重の場合には、このブレードは、荷重周波数を包含する周波数の範囲でその平衡位置（単数又は複数）付近で振動する非線形スプリングとして挙動し、それにより、主共鳴体から、すなわち非線形シンクが固定されているシートから非線形エネルギーシンクへ振動エネルギーを不可逆的に移送することができる。

本発明の１つの主題は、それゆえ、非線形エネルギーシンクであり、該エネルギーシンクは、以下を含む：
-２つの末端部分及び非線形スプリング機能中間部分を有するブレード、
-ブレードの非線形スプリング機能中間部分に固定された質量部分、
-非線形スプリング機能中間部分が、一つの平衡位置又は複数の平衡位置付近で振動することができるように、固体支持体にブレードの２つの末端部分を固定することができる固定手段。

本発明の非線形エネルギーシンクは、それゆえ、下記の３つの本質的な手段を含む：
-振動が減衰されようとしている主構造体にブレードを固定するための固定手段、
-固定手段に組み込まれた２つの非自由固定端を有するブレード、及び
-２つの固定端部分の間にあるブレードの「自由」中間部分に固定されている、小さい質量部分。

このエネルギーシンクが十分なエネルギー及び適切な周波数の振動荷重を受けるときに、小さい質量部分はブレードの主平面に垂直な平面で励起周波数とは異なる周波数で振動し、それから、ブレードの中間部分は、固定手段に及びエネルギーシンクが固定されている主構造体に、質量部分をカップリングしている非線形スプリングのように挙動する。

ブレードは、高いヤング率、典型的には、５０ＧＰａより高い、好ましくは６０ＧＰａより高く、特に７０ＧＰａよりも高いヤング率を有する任意の剛性弾性材料から製造されることができる。

それは好ましくは金属ブレードである。

質量部分は、好ましくは、ブレードの非線形スプリング機能中間部分の中央部分に、より詳細には中央１/３（ｃｅｎｔｅｒ ｔｈｉｒｄ）に固定されるが、この位置は唯一の考慮可能な位置でなく、そして質量部分は非常にうまく中央位置からずれて占有することができる。

質量部分はブレードの材料と同一の材料又は異なる材料から製造されることができる。ブレードに関して、それは好ましくは金属材料である。それは、例えば、質量部分及びブレードを単一の片として形成することができるものと考えることができる、質量部分は、そして、ブレードの中間部分のふくらみに対応する。

ブレードは、好ましくは、応力、特に圧縮応力又はねじれ応力を受ける。この応力は薄いブレードが形成しているスプリングの剛性を低減することになる。我々により行われた試験はまた、この応力はエネルギーポンピング現象が開始するしきい値を低下させ、そしてエネルギーシンクの有効性を増加させるという有利な効果を有することも示した。

ブレードは好ましくは、(おそらく、スプリングの剛性及びポンピングしきい値を増加することにより)非線形エネルギーシンクの有効性を低減し又はさらには無くすことができる引張応力を受けない。

圧縮応力又はねじれ応力は、好ましくはブレードに弾性座屈（ｅｌａｓｔｉｃ ｂａｃｋｌｉｎｇ）を生じさせるために十分に大きく、そのことは応力が除去されたときに逆行しそして消失する座屈を意味する。本発明の非線形エネルギーシンクの１つの好ましい実施形態において、ブレードは弾性座屈を生じさせる圧縮応力を受ける。

ブレードの平面で圧縮応力を受けたことを意味する、座屈したブレードは、圧縮応力を受けておらず、そして安定平衡の点を１つのみ有するブレードとは対照的に、安定平衡の２つの点を有する。

ブレードの弾性座屈は過度に高くてはならない。これは座屈の程度が特定の量を超えるときに、安定な平衡の２つの点の間の移行はあまりに困難であり、そして非線形スプリングは、それで、安定平衡の単一の位置付近で振動するのみであろうからである。

弾性座屈は、有利には、１０％未満であり、好ましくは６％未満であり、特に４％未満であり、この百分率は非線形スプリング機能中間部分の長さに対して表現されている。

ブレードの座屈はまた、ブレードの厚さに対する変形の比を示すことによっても表現されうる。本発明の非線形エネルギーシンクにおいて、この比は好ましくは１００未満であり、特に５０未満であり、理想的には３０未満である。

本発明の非線形エネルギーシンクの１つの好ましい実施形態において、固定手段はブレードの末端部分を固定するための２つの組み込み手段を含む単一片からなる。この実施形態は、座屈ブレードを使用する際に特に有利である。というのは、固定手段を主構造に取り付けることなくブレードにおける圧縮応力が調節されうるからである。

理論からいえば、それでも、固定手段は２つの区別可能な部品から構成されることができ、これらの部品の各々はブレードの１つの末端を固定するための組み込み手段を有する。このような実施形態は、振動を減衰しようとしている主構造に非線形エネルギーシンクが固定された後に、ブレードにおいて応力を調節することを伴う。

固定手段はブレードが形成している非線形スプリングに主構造から振動を伝達するのに十分な剛性である材料から製造されている必要がある。それは好ましくは、かなり高い弾性率、典型的には、１．５ＧＰａより高い弾性率のポリマー材料である。

われわれにより行われた試験に使用された非線形エネルギーシンクを固定する手段はＡＢＳ(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)であった。ＡＢＳはエラストマー（ブタジエン）の小塊が分散されている熱可塑性マトリックス（アクリロニトリル-スチレン）を含む複合二相材料である。これらの小塊は非線形エネルギーシンクの振動エネルギーの散逸において重要な役割を果たすことができる。固定手段を形成するのに特に適切であることができるこのタイプの別の二相材料は、ポリスチレンマトリックス中に分散されたポリブタジエンエラストマーのノジュールを含むポリ（スチレン-b-ブタジエン) ブロックコポリマーである耐衝撃性ポリスチレンである。

本発明の１つの魅力的な実施形態において、固定手段は、それゆえ、剛性熱可塑性マトリックス（高いヤング率を有する）及び該熱可塑性マトリックス中に分散されたエラストマー相（低いヤング率を有する）を含む二相ポリマー材料から形成される。

本発明のエネルギーシンクは好ましくは、ブレードの長手軸に垂直な対称の平面を有する。

エネルギーシンクの１つの特に好ましい実施形態において、固定手段は共通のベースから対称的に延在している２つのブランチを含む。ブレードの末端部分を固定するための２つの組み込み手段は、その後、それぞれ２つのブランチ上に配置され、好ましくは、互いに対して対称である２つの位置でブランチの各々の末端又はその付近に配置される。

非線形エネルギーシンクは、例えば、Ｕ、Ｙ又はＶの全体形状を有し、Ｕ、Ｙ又はＶのベースで支持体に固定することができる。

１つの有利な実施形態において、２つの組み込み手段は２つのジョーである。

中間部分に固定された質量部分は、有利には、重さが１〜２００ｇ、好ましくは２〜１００ｇ、特に３〜５０ｇであり、そして理想的には５〜３０ｇである。

ブレードの中間部分の長さは有利には１〜５０ｃｍであり、好ましくは３〜３０ｃｍであり、特に、５〜２０ｃｍである。

ブレードの中間部分の厚さは有利には０．０５ｍｍ〜５ｍｍであり、好ましくは０．１〜３ｍｍであり、特に、０．５〜２ｍｍである。

最終的に、ブレードの中間部分の幅は有利には１ｍｍ〜５０ｍｍであり、好ましくは２ｍｍ〜３０ｍｍであり、特に５〜２０ｍｍである。

われわれにより作られそして試験され、そして以下により詳細に記載される非線形エネルギーシンクはブレードを含み、その中間部分は１２ｃｍ長さ、０．１ｍｍ厚さ及び０．５ｃｍ幅であり、その中心に３ｇの質量部分が固定されている。

上記で説明されたとおり、本発明の非線形エネルギーシンクは少なくとも１枚のシートを含む壁によって隔てられた２つの空間の間の遮音性を改良するために使用される。この壁は建物の内側を外側から分離することができ、又は、別には、建物、又は、鉄道、海上、自動車もしくは航空輸送手段の２つの部屋を分離することができる。

この壁はシートの形態の建築要素であることができ、又は、別には、各々１つが少なくとも１枚のシートを含む幾つかの建築要素を含むことができる。非線形エネルギーシンクは、すべての場合に、固定手段により建築要素のシート（単数又は複数）に直接的に固定されている。

本発明の別の主題は、それゆえ、建築要素であり、該建築要素は
−剛性材料から製造された少なくとも１枚のシート、及び、
−上記に記載されるとおりの少なくとも１つの非線形エネルギーシンク、
を含み、該エネルギーシンクの固定手段によりシートに強固に固定されている。

本発明のさらなる主題は、上記のとおりの非線形エネルギーシンクを有する建築要素を含む、パーティション壁又は壁であり、特に、建物、又は、鉄道、海上、自動車もしくは航空輸送手段のパーティション壁又は壁である。このパーティション壁又は壁は好ましくは２リーフパーティション壁又は２リーフ壁である。

シートを形成する剛性材料のヤング率は、典型的には、０．１ＧＰａより高く、好ましくは１ＧＰａより高く、特に３ＧＰａ以上である。

シートは、例えば、ガラス、コンクリート、金属、プラスターボード、プラスチック、木材又は複合材料から選ばれた材料から製造されることができる。

好ましい実施形態において、建築要素は少なくとも１枚のプラスターボードのシートを含むであろう。

別の好ましい実施形態において、建築要素は２リーフパーティション壁の一部を形成し、２リーフパーティション壁は互いに平行であり、空気空間とも呼ばれる中間空間により隔てられた２枚のシートを含むということを意味する。系の「ブリージング」周波数に対応する低周波領域でかなり高い音響透過性の問題を呈するのは、空気空間によりカップリングされた２枚のシートを含む、これらのダブルパーティション壁である。音響透過性のこの問題は２枚のシートがプラスターボードのシートであり、一般に、横方向（ｒａｉｌ）及び／又は縦方向（ｕｐｒｉｇｈｔ）の構造部材に固定されており、好ましくは金属から製造されているときに特に顕著である。

２枚のシートの間で画定される中間空間は好ましくは少なくとも部分的に遮音材料により充填されている。

一般に、非線形エネルギーシンクは好ましくはエネルギーシンクのブレードの平面がシートの平面と実質的に平行になるようにシートに固定される。

建築要素は１つ以上の非線形エネルギーシンクを含むことができる。明らかな審美的理由のために、建築要素が２リーフパーティション壁の一部を形成するときに、非線形エネルギーシンクは好ましくはダブルパーティション壁の内側に向いた面の少なくとも１つの面で固定される。

既存の壁を遮音しようとするためには、エネルギーシンクは、しかしながら、壁の見ることができそして容易にアクセスすることができる面に固定されてよい。

非線形エネルギーシンクの有効性を最適化するために、該非線形エネルギーシンクはシート振動の振幅が最大であるシートの点に設置されることが必要である。これは、振動エネルギーの特定のしきい値レベルを超えるまでエネルギーポンピングは開始せず、そして遮音のための非線形エネルギーシンクを使用することの主たる困難さはこのポンピングしきい値をできるかぎり低く下げることが困難であるからである。非線形エネルギーシンクは、それゆえ、シートが最も振動するシート上の点で設置される必要がある。この点は、通常、シートの表面の半分であり、その点は固定された縁から最も遠いであろう。

２リーフパーティション壁の中間空間が遮音材料により充填されたときに、非線形エネルギーシンクはシートの内側面に窪んだへこみ中又は遮音材料中に窪んだへこみ中に収容されることができ、それにより、それは接触していない。別の代替実施形態では、遮音材料による中間空間の充填は部分的充填のみであることができ、そして非線形エネルギーシンクは充填されていない部分に設置されうる。

本発明の最後の主題は、上記のとおりの非線形エネルギーシンクの、又は、このような非線形エネルギーシンクを含む建築要素の、壁の音響透過性を低減するための使用である。

この使用は、例えば、建築物の２つの部屋を分離する、又は、建築物の内側を外側から分離する壁の音響透過性を低減するための方法を含み、該方法は前記壁に、好ましくは前記壁のシートに、本発明に係る非線形エネルギーシンクを固定することを含む。

もちろん、非線形エネルギーシンク又はそれを含む建築要素に関する上記のすべての実施形態は、壁の音響透過性を低減するためのこれらの物品の使用に同様に応用する。

ここで、本発明を、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。

図１は壁を通過するのを防止しようとしている音の周波数の関数として２リーフパーティション壁の音響透過損失がどのように変化するかを示すグラフである。 図２は本発明に係る非線形エネルギーシンクの斜視図である。 図３は図２の本発明に係るエネルギーシンクの上面図であり、非線形スプリング機能のブレードの安定平衡の２つの位置を示している。 図４は本発明に係る非線形エネルギーシンクを含む２リーフパーティション壁の断面図を示す。

図１は上記において既に議論されている。それは本発明が取り組む技術的課題を示し、すなわち、位相対立において共鳴する２リーフ壁の２枚のシートに対応する「ブリージング」周波数と呼ばれる低周波数（ｆ_０）（約１００〜１５０Ｈｚ）で２リーフ壁の音響透過性が増加するという課題を示す。

図２に描写されている本発明の非線形エネルギーシンク９は、平坦化されたＹ形状での固定手段４を有する。この固定手段は、２つのブランチ６が対称に延在しているベース７から構成されている。各ブランチ６の末端に組み込み手段５があり、その締め付けはネジにより調節されうる。２つの組み込み手段５は、金属ブレード１の２つの末端部分（見えない）を保持している。ブレードの中間部分２ｂは、非線形エネルギーシンク９が固定されている主共鳴体（図示せず）の振動により活性化されたときに自由に振動することができる。ブレード１の中央に小さい質量部分３は固定されている。

図３は、同一の非線形エネルギーシンクを示し、そのブレード１はブレードの対称の長手軸に沿って課される圧縮応力を受ける。この圧縮応力は、組み込み手段５に組み込まれる２つの固定端部分２ａの間に含まれるブレードの中間部分２ｂが、２つの組み込み手段を分離する距離よりも長いことの結果として生じる。この圧縮応力は、ブレード１を座屈させる。２つの図の各々は、座屈したブレード１の安定平衡の位置を示している。操作の間に、要するに、本発明に係る非線形エネルギーシンクが十分な振動を受けているシートに強固に固定されるときに、ブレードは一方の安定平衡位置からもう一方の安定平衡位置にパスすることができる。

最後に、図４は本発明に係る非線形エネルギーシンク９を非常に模式的に示しており、エネルギーシンク９は本発明に係る建築要素の一部を形成しているシート１１におけるへこみに固定されている。この建築要素は、この場合に、２枚のシート１１から形成された２リーフパーティション壁であり、該シートの間に遮音材料１０により充填された中間空間８が画定されている。非線形エネルギーシンクはブレードの平面（見えない）がシート１１の全体の平面に実質的に平行であるようにシートに固定されている。

Claims (15)

1. 剛性材料の少なくとも１枚のシート（１１）及び少なくとも１つの非線形エネルギーシンク（９）を含む建築要素であって、該非線形エネルギーシンク（９）は、
   −２つの末端部分（２ａ）及び非線形スプリング機能中間部分（２ｂ）を有するブレード（１）、
   −前記ブレードの前記非線形スプリング機能中間部分（２ｂ）に固定されている質量部分（３）、
   −前記非線形スプリング機能中間部分（２ｂ）が、その１つの平衡位置又は複数の平衡位置付近で振動することができるように、前記ブレード（１）の２つの末端部分（２ａ）を固体支持体に固定させることを可能にする固定手段（４）、
   を含み、
   前記非線形エネルギーシンク（９）は、前記固定手段（４）によって前記シート（１１）に強固に固定されている、建築要素。
2. 前記ブレードは、応力を受けること、好ましくは圧縮応力又はねじれ応力を受けることを特徴とする、請求項１に記載の建築要素。
3. 前記ブレードは、弾性座屈を生じさせる応力を受けること、好ましくは弾性座屈を生じさせる圧縮応力を受けることを特徴とする、請求項２に記載の建築要素。
4. 前記弾性座屈は、１０％未満であり、好ましくは６％未満であり、特に４％未満であり、該百分率は、前記非線形スプリング機能中間部分の長さに対して表されていることを特徴とする、請求項３に記載の建築要素。
5. 前記質量部分（３）は、前記ブレードの前記非線形スプリング機能中間部分（２ｂ）の中央部分に固定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の建築要素。
6. 前記ブレードは、金属ブレードであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の建築要素。
7. 前記固定手段（４）は、前記ブレードの前記末端部分（２ａ）を固定するための２つの組み込み手段（５）を含む単一片からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の建築要素。
8. 前記固定手段（４）は、共通ベース（７）から対称的に延在している２つのブランチ（６）を含み、前記２つの組み込み手段（５）は、それぞれ前記２つのブランチ上にあること、好ましくは前記ブランチの各末端又はその付近にあることを特徴とする、請求項７に記載の建築要素。
9. 前記非線形エネルギーシンクは、該シンクの前記ブレード（１）の平面が前記シートの平面に対して実質的に平行になるように、前記シートに固定されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の建築要素。
10. 前記シート（１１）又は前記シートの少なくとも１枚は、プラスターボードのシートであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の建築要素。
11. 互いに平行で、かつ中間空間（８）によって隔てられている２枚のシート（１１）を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の建築要素。
12. 前記２枚のシート（１１）は、プラスターボードのシートであること、好ましくはレール及び／又は直立材のフレームワークに固定されていることを特徴とする、請求項１１に記載の建築要素。
13. 前記２枚のシート（１１）の間の前記中間空間（８）が、遮音材料（１０）で充填されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の建築要素。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の建築要素を含む、建築物の壁。
15. 壁の音響透過性を低減するための、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の建築要素の使用。