JP2025018001A

JP2025018001A - 吸音パネル構造

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Publication number: JP2025018001A
Application number: JP2023121364A
Authority: JP
Inventors: 大成田中; Taisei Tanaka; 真孝久; Makoto Takahisa; 俊寿関根; Toshihisa Sekine; 裕美 ▲高▼本; Hiromi Takamoto; 咲代加藤; Sakuyo Kato; 克彦荒木; Katsuhiko Araki
Original assignee: TANAKA KENSETSU KK
Current assignee: TANAKA KENSETSU KK
Priority date: 2023-07-26
Filing date: 2023-07-26
Publication date: 2025-02-06
Anticipated expiration: 2043-07-26
Also published as: JP7408110B1

Abstract

【課題】本発明では、低周波数から高周波数まで広範囲の周波数域の吸音率を向上させるとともに軽量化されたセメント製の吸音パネル構造を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明に係る吸音パネル構造は、ＰＶＡ及びＣＮＦを含むセメントからなる表面層１０と、セメント又はＣＮＦを含むセメントからなる裏面層２０と、表面層１０と裏面層２０の間に配置されて多数の空隙が形成された層状体３１の表面側及び裏面側を積層シート３２及び３３で被覆して構成された空隙層３０と、表面層１０から空隙層３０に到達してすべての空隙と連通するように形成された多数の小孔４０とを備えた吸音パネル材１を複数枚配列した吸音パネル構造であって、吸音特性の異なる複数種類の吸音パネル材を配列している。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物に好適の吸音特性を備えたセメント製の吸音パネル構造に関する。

モルタル又はコンクリート等のセメント組成物は、土木、建築分野において主に構造材として用いられているが、構造材以外の機能材としても建築物に取り入れられている。近年、都市のオフィス街ではコンクリート製の建築物が建設されてきており、道路の両脇にビル等の建築物群が林立するようになってきている。そのため、道路を走行する車両からの騒音がビルの壁面で反響して拡がり、騒音問題となっている。こうした問題に対処するため、様々な防音壁が提案されている。

本発明者らは、特許文献１に記載されているように、セメントを主成分としセルロースナノファイバーを含む表面層と、セメントを主成分としセルロースナノファイバー及びポリビニルアルコールを含む中間層と、中間層に積層するように配置されるとともに多数の突起状の空隙に空気を密封したフィルム状の気泡シートとを備え、片側の表面層から気泡シートに到達する多数の小孔が形成されたセメント製吸音材を提案している。

また、特許文献２では、道路沿いに設置した遮音壁等に用いる吸音材として、複数の異なる粒径の粗骨材を用いて内部に連続空隙が作られた吸音機能を有するポーラスコンクリート製の吸音材が記載されている。特許文献３では、コンクリート中に無機質化した木材片を含む材料で構成した吸音板をハニカム構造体で補強して固定指示した遮音板が記載されている。

特許第６９１０６７８号公報特許第４３０３４４６号公報特開２０１５－５５１０３号公報

特許文献１に記載されたセメント製吸音材では、吸音率の向上が実現されたものの実用化に向けて吸音レベル及び周波数依存性について改良の余地がある。また、特許文献２に記載された吸音材についても空隙構造の製造及び強度の点で実用化に課題があり、特許文献３に記載された吸音板では吸音率の点で実用化からみて不十分である。

そこで、本発明では、低周波数から高周波数まで広範囲の周波数域の吸音率を向上させるとともに軽量化されたセメント製の吸音パネル構造を提供することを目的とするものである。

本発明に係る吸音パネル構造は、ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むセメントからなる表面層と、セメント又はセルロースナノファイバーを含むセメントからなる裏面層と、前記表面層と前記裏面層の間に積層するように配置されるとともに多数の空隙が形成された層状体の表面側及び裏面側を積層シートで被覆して構成された空隙層と、前記表面層から前記空隙層に到達してすべての前記空隙と連通するように形成された多数の小孔とを備えた吸音パネル材を複数枚配列した吸音パネル構造であって、吸音特性の異なる複数種類の前記吸音パネル材を配列している。

本発明は、上記の構成を備えることで、軽量化されるとともに吸音特性の異なる複数種類の吸音パネル材を配列して構成されているので、広範囲の周波数域の吸音率を向上させて軽量化された吸音パネル構造を実現することができる。

本発明に係る実施形態に用いる吸音パネル材に関する一部拡大断面図である。コア材に関する外観斜視図である。コア材を用いた吸音パネル材の実施形態に関する一部拡大断面図である。吸音パネル材の別の実施形態に関する一部拡大断面図である。吸音パネル材の別の実施形態に関する一部拡大断面図である。吸音パネル材の別の実施形態に関する外観斜視図である。吸音パネル材の製造工程に関する説明図である。吸音パネル材を配列した吸音パネル構造に関する説明図である。実施例１及び２の吸音パネル材及びこれらの吸音パネル材を組み合せて配列した吸音パネル構造に関する測定結果を示すグラフである。実施例３から５の吸音パネル材を配列した吸音パネル構造に関する測定結果を示すグラフである。実施例２の吸音パネル材及び実施例３から５の吸音パネル材を組み合せて配列した吸音パネル構造に関する測定結果を示すグラフである。実施例２及び４の吸音パネル材及びこれらの吸音パネル材を組み合せて配列した吸音パネル構造に関する残響時間の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨が明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る吸音パネル構造に用いる吸音パネル材に関する一部拡大断面図である。吸音パネル構造は、後述する吸音特性の異なる複数種類の吸音パネル材を配列して構成されており、建築物の壁面、天井面といった箇所に吸音パネル材を平面状に配列したり、外壁や遮音壁といった構造物に面状に配列して防音設備として構築することができる。

吸音パネル材１は、ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むセメントからなる表面層１０と、セメント又はセルロースナノファイバーを含むセメントからなる裏面層２０と、表面層１０と裏面層２０との間に積層するように配置されるとともに多数の空隙が形成された層状体３１の表面側及び裏面側を積層シート３２および３３で被覆して構成された空隙層３０と、表面層１０から空隙層３０に到達してすべての空隙と連通するように形成された多数の小孔４０とを備えている。

吸音パネル材１の周縁部では、表面層１０又は裏面層２０と同じ材質のセメントにより空隙層３０の周囲を所定幅で囲むように形成して空隙層３０を吸音パネル材１の内部に埋設した状態となっている。そのため、吸音パネル材１の強度を高めることができ、吸音パネル材１の周縁部を固定して吸音パネル構造を構成することで、吸音パネル構造の強度及び耐久性の向上を図ることが可能となる。吸音パネル材の厚さは、２０ｍｍ～５０ｍｍに設定することが好ましく、密度は１．２～１．６に設定して軽量化を図ることができる。

表面層及び裏面層に用いるセメントとしては、モルタル又はコンクリートが挙げられるが、軽量化の点でモルタルが好ましい。以下の説明では、モルタルを使用する具体例に基づいて詳述する。

＜表面層について＞
表面層１０は、厚さが５ｍｍ～１５ｍｍあることが好ましい。厚さが５ｍｍよりも薄い場合には吸音効果が不十分となり、厚さが１５ｍｍよりも厚い場合には小孔の深さ（長さ）が大きくなるため強度が低下する。

表面層１０に用いる原料としては、主にセメント、砂等の細骨材及びポリビニルアルコール（以下「ＰＶＡ」と略称する）が用いられ、セルロースナノファイバー（以下「ＣＮＦ」と略称する）が添加される。

セメントは、普通ポルトランドセメントが好ましく、圧縮強度、引張強度及び流動性の観点から、鉱物組成がＣ₃Ｓ（エーライト）４５質量％～５５質量％、Ｃ₂Ｓ（ビーライト）１５質量％～２５質量％、Ｃ₃Ａ（アルミネート相）５質量％～１０質量％、Ｃ₄ＡＦ（フェライト相）８質量％～１０質量％であることが好ましい。メッシュ状の立体構造体といった補強材を内蔵する場合には、補強材の内部に容易に充填するための流動性を確保するためには、凝結を促進するＣ₃Ａの成分量を抑えた組成とすることがさらに好ましい。

ＰＶＡは、ポリ酢酸ビニルのけん化物で、親水性が強く、温水にも可溶といった特性を備えている。用途に合わせて多種類のＰＶＡが開発されているが、本発明では、一部けん化型のものが好ましい。

ＰＶＡのセメントに対する配合割合は、１．０質量％～１５．０質量％であることが好ましく、１．０質量％より小さくなると変形しやすい弾性的特性が発現しにくくなり、１５．０質量％より大きい場合には、膨潤作用が顕著になるため、寸法安定性が低下する。ＣＮＦは、セルロース分子が直鎖状に配列した極細の繊維材料で、木材から得られた木材繊維又は植物繊維を化学的・機械的処理によりナノサイズ（１０^-9ｍ）まで細かく解きほぐしたバイオマス素材である。また、ＣＮＦは、水中に分散して三次元網目構造を形成することが知られており、高強度、高弾性率、低線膨張係数、高透明、ガスバリア性といった多くの優れた特性を備えている。そして、軽量化、生産・廃棄での環境負荷の低減といった点でもメリットを有しており、様々な分野での応用に関して研究開発が進められている。

ＣＮＦのセメントに対する配合割合は、ＰＶＡによる弾性的特性の発現及び強度のバランスからみて、０．０１質量％～０．１質量％であることが好ましい。

ＣＮＦを製造する場合、木材チップ等の使用原料をパルプ化した後、機械処理法、ＴＥＭＰＯ酸化法、ウォータージェット法といった公知の処理を行うことでさらに細かくして、スラリー状又は粉末状に形成して用いられる。水中対向衝突法（ＡＣＣ法）により微細化したものは、原料由来の特徴の違いが生じるようになり、例えば、針葉樹を原料とするパルプを用いたものが高強度化を図ることができるため好ましい。また、ＴＥＭＰＯ酸化処理を行う場合には、繊維幅が均一なナノファイバーが得られることから、高強度化の点で好ましい。

セメントに用いる骨材としては、砂等の公知の細骨材を用いることができる。砂等の細骨材の場合には、１０ｍｍのふるい目をすべて通過し、５ｍｍのふるい目を通過するものが８５％以上となるサイズを用いるとよい。

セメントに練り混ぜる水及び養生水は、上水道水を用いることができ、５質量％～１５質量％を添加することが好ましい。

添加する混和剤としては、減水剤が挙げられる。減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤が挙げられる。高性能減水剤は、使用量を増加することにより減水性が向上するが、使用量を増加しても過剰な空気連行性や異常な凝結の遅延性が少ないため、単位水量を大幅に減少することができ、高強度コンクリートの製造に好ましい。減水剤は、コンクリートの粘性を低減する観点から０．３質量％～１．０質量％を添加することが好ましい。

表面層１０の強度については、圧縮強度試験（ＪＩＳＡ１１０８）による圧縮強度が１Ｎ／ｍｍ²～１０Ｎ／ｍｍ²のものを用いるとよい。また、ＰＶＡを配合したモルタルは、圧縮強度試験では、圧縮変形量の上限値まで変形しても破壊することはなく、載荷荷重を解除した直後には弾性体のように変形を回復するようになる。こうした早期の変形回復を示すことから、弾性的な特性を備えているといえる。

＜裏面層について＞
裏面層２０は、厚さが４ｍｍ～２５ｍｍに形成することが好ましい。厚さが４ｍｍよりも薄い場合には製造が困難であり、厚さが２５ｍｍよりも厚い場合には乾燥によるクラックの発生といった問題がある。

裏面層２０に用いる原料としては、主にセメント及び砂等の細骨材を用いる砂モルタル、又は主にセメント、砂等の細骨材及びＣＮＦを用いるＣＮＦモルタルが好ましく、上述した表面層に用いる原料と同様のものが挙げられる。同じ原料を使用することで、一体的に成形することができるようになる。

ＣＮＦのセメントに対する配合割合は、０．１質量％～５．０質量％であることが好ましく、０．１質量％より小さくなるとＣＮＦの特性が十分発現されないといったデメリットがあり、５．０質量％より大きい場合には高強度化の点でデメリットになる。

ＣＮＦモルタルを製造する場合には、鉱物粒を添加することが好ましい。鉱物粒としては、粒径１ｍｍ～４ｍｍのものが好ましく、成分として硼珪酸塩鉱物（ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ及びＢ₂Ｏ₃が主成分）を含有するものが好ましい。こうした粒径範囲のものをＣＮＦと併用することで、高強度化を発現するようになる。また、成分としてＳｉＯ₂を含有することで、フライアッシュに類似した作用効果を得ることができる。

鉱物粒のセメントに対する配合割合は、２質量％～２０質量％であることが好ましく、２質量％より小さくなると強度低下といったデメリットがあり、２０質量％より大きい場合には、アルカリシリカ反応によるひび割れの発生といった問題がある。

裏面層の強度については、圧縮強度試験（ＪＩＳＡ１１０８）による圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ²～３０Ｎ／ｍｍ²であることが好ましい。

＜空隙層について＞
空隙層３０は、表面側及び裏面側の両面を積層シート３２及び３３で被覆された層状体３１からなり、層状体３１には多数の空隙が形成されている。層状体３１は、埋設した状態で内部の空隙が潰れない程度に厚さ方向の強度を備えているものが好ましく、例えば、両面の間に面方向に沿って多数の空隙が配列されたダンボール材、厚さ方向に貫通した多数の筒状部が連結されたコア材といった公知の素材が挙げられる。図２は、コア材に関する外観斜視図であり、図３は、コア材を用いた吸音パネル材に関する一部拡大断面図である。

層状体の厚さは、５ｍｍ～４０ｍｍであることが好ましく、内部の空隙が厚さ方向に拡がることで空隙層の空隙率を変化させて吸音特性を変化させることができる。層状体３１は、複数枚の素材を積層して構成してもよく、必要となる吸音特性に応じて適宜厚さを調整することが可能である。

空隙層の空隙率は、使用する素材の空隙を実測して空隙の容積を算出し、パネル材全体の体積に対する比率で求めることができ、空隙率を５％～４５％に設定することで、低～中周波数域の吸音特性を向上させることが可能となる。

層状体３１の両側を被覆する積層シート３２及び３３としては、層状体３１の内部にセメントの混練物が進入しないように遮断する機能を備えるフィルム状のものであれば使用することができる。例えば、公知の気泡シートを用いることで、遮断機能とともに空隙を形成することが可能となる。気泡シートは、多数の突起状の空隙に空気を密封したフィルム状のシートで、合成樹脂製で緩衝用シートとして使用されているものを用いることができる。代表的なものとしては、多数の凹凸が形成されたキャップフィルムをベースフィルムに接着して製造するものが知られている。空気が密封された突起状の空隙は、径を５ｍｍ～２０ｍｍで高さを１ｍｍ～１０ｍｍに設定するが好ましい。突起状の空隙の間の間隔は、小孔４０の間隔より狭く設定することが好ましく、具体的には１ｍｍ～５ｍｍに設定するとよい。

＜小孔について＞
表面層１０から空隙層３０の層状体３１まで到達する多数の小孔４０は、孔径が２ｍｍ～４ｍｍが好ましく、２ｍｍより小さいと吸音効果が不十分となり、４ｍｍよりも大きいと吸音パネル材の強度が低下するようになる。小孔は、表面層１０の全体に分布するように形成されており、表面に対して垂直方向に穿孔するように形成することが好ましく、表面の傾斜に合わせて様々な方向及び深さに小孔を形成することで、吸音特性を向上させることができる。

形成する孔数は多いほど吸音効果の点で好ましいが、吸音パネル材の強度に影響が生じない程度に設定することが好ましい。また、小孔４０を層状体３１のすべての空隙と連通させることで、空隙層が小孔を通じて外部と連通して吸音特性を向上させることができる。

図４は、ダンボール材を用いた吸音パネル材の別の実施形態に関する一部拡大断面図であり、図５は、コア材を用いた吸音パネル材の別の実施形態に関する一部拡大断面図であり、図６は、別の実施形態の外観斜視図である。図４に示す例では、図１に示す吸音パネル材１の表面層の表面に波形の凹凸形状１１が形成されており、図５に示す例では、図３に示す吸音パネル材の表面層の表面に波形の凹凸形状１１が形成されている。凹凸形状１１は、図６に示すように、矩形状の吸音パネル材１’の一方の辺部に沿う方向に等間隔で配列されて形成されている。

表面に形成した凹凸形状１１は、凸部の高さが約１０ｍｍで、頂点間距離が約３０ｍｍに設定することが好ましい。凹凸形状１１の形状及びサイズは、高周波域の吸音特性に影響を与えることから、求められる吸音特性に応じて設定すればよい。また、小孔４０は、表面の傾斜に合わせて表面に対してほぼ垂直方向に形成することが好ましく、凹凸形状１１の斜面位置及び底面位置に満遍なく形成することで、異なる方向の小孔により表面を反射する音に対する吸音特性を高めることができる。

図７は、吸音パネル材の製造工程に関する説明図である。まず、裏面層２０となる層を形成する。この例では、裏面層に砂モルタルを用いる。砂モルタルは、セメントに水、砂及び混和剤を加えて練り混ぜて作製することができる。得られた混練物を型枠１００に流し込み、所定の厚さの均一な層を形成する（図７（ａ））。

なお、裏面層としてＣＮＦモルタルを用いる場合には、ＣＮＦに水及び混和剤を加えて練り混ぜ、次にセメント及び鉱物粒を加えて再度練り混ぜて作製することができる。

次に、空隙層３０となる層を積層する。この例では、層状体としてダンボール材を用いて両面全体を気泡シートで被覆するように接着させて空隙層３０となる構造体を予め作成しておき、構造体を裏面層２０となる層の上面に配置する（図７（ｂ））。

次に、表面層１０となる層を積層する。この例では、表面層にＰＶＡモルタルを用いる。ＰＶＡモルタルは、ＰＶＡに水及び混和剤を加えて練り混ぜ、次にセメントを加えて再度練り混ぜ、次にＣＮＦを加えて練り混ぜて作製することができる。得られた混練物を型枠１００に流し込み、構造体の周囲に充填するとともに上面に所定の厚さの均一な層を積層する（図７（ｃ））。そして、型枠１００の上面に蓋板１０１を配置して固定し、大気中で半日程度硬化させる（図７（ｄ））。半硬化させた状態で型枠１００から半硬化体を脱型し、表面層１０の表面に対して電動ドリル等の穿孔機により垂直方向に穿孔して空隙層３０のダンボール材内のすべての空隙に到達する小孔を所定間隔で形成する（図７（ｅ））。その後、ＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行うことで硬化させて吸音パネル材を得る。得られた吸音パネル材は、表面層１０には多数の小孔４０が形成されており、裏面層２０には小孔が形成されていない構造となっている。

図４又は図５に示す別の吸音パネル材を製造する場合には、表面層１０となる層を積層した後、一旦大気中で半硬化させる。表面層１０となる混練物の一部を予め波形状の型枠の条溝の中に流し込んで大気中で半硬化させておく。波形状の型枠は、例えば、市販の波板を所定のサイズに切断して形成することができる。半硬化されて形成された波形層を表面層１０となる層の上面に積層して一体化させた後、半硬化させた状態で表面層１０の表面に対して電動ドリル等の穿孔機を用いてほぼ垂直方向に穿孔し、空隙層まで到達した小孔を所定間隔で形成する。穿孔の深さは、表面層の厚さよりも深くして空隙層の層状体内のすべての空隙まで到達するように設定する。所定間隔で多数の小孔を形成した後、ＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生により硬化処理を行って吸音パネル材を得る。

吸音パネル構造は、得られた吸音パネル材を面状に配列して構成することができる。吸音パネル材の表面層の凹凸形状の有無及び空隙層の空隙率の調整により、吸音特性の異なる複数種類の吸音パネル材を製造することが可能となり、こうした吸音特性の異なる吸音パネル材を適宜組み合わせて配列することで、広範囲の周波数域に対応した吸音パネル構造を構築することができる。

また、吸音パネル材の表面層にＰＶＡモルタルを用いることで一般的に使用されている砂モルタルに比べて軽量化することが可能となるため、軽量化された吸音パネル構造を得ることが可能となる。また、吸音パネル材の裏面層に砂モルタル又はＣＮＦモルタルを用いて表面層のＰＶＡモルタルと一体化しているので、構造材としての強度及び耐久性を備えることができ、実用性を備えた吸音パネル構造を実現することが可能となる。

＜特性試験について＞
特性試験として、以下の試験を行った。

〇吸音試験（ＪＩＳＡ１４０９に準拠）
吸音試験は、福井県工業技術センター（福井県福井市）において行った。同センター内に構築された残響室において、定常音圧発生装置（スペクトリス株式会社製）及び音響インテンシティー測定装置（スペクトリス株式会社製）を用いて行った。

縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×厚さ２ｃｍ又は４．５ｃｍの供試体を準備し、残響室内の床面に縦横３枚に平置きで表面側を上に配列して吸音パネル構造とした。供試体間の隙間に市販のビニールテープを貼り付けて封止した。供試体を配列した吸音パネル構造の周囲沿って垂木を４本配置し、吸音パネル構造との間の隙間にビニールテープを貼り付けて封止した。

供試体を配列した吸音パネル構造の中心位置から１ｍの高さに定常音圧発生装置を配置し、音響インテンシティー測定装置を所定位置に配置した。そして、定常音圧発生装置から吸音パネル構造に向かって所定の強さの音波を発して、吸音パネル構造で反射した音の強さを音響インテンシティー測定装置で測定した。音波の周波数を変化させて反射音の強さを測定して、それぞれの吸音率を算出した。吸音率αは、以下の式に基づいて算出した。
α（％）＝（Ａ／Ｓ）×１００
ここで、Ｓは吸音パネル構造の面積（ｍ²）、Ａは、以下の式により算出される等価吸音面積（ｍ²）である。
Ａ＝５５．３×（Ｖ／ｃ）×（１／Ｔ₂－１／Ｔ₁）
ｃは空気中の音速（ｍ／ｓ）、Ｖは供試体を設置していない状態における残響室の容積（ｍ³）、Ｔ₁は供試体を設置していない状態における残響室内の残響時間（ｓ）、Ｔ₂は供試体を設置した状態における残響室内の残響時間（ｓ）である。

○曲げ強度試験（ＪＩＳＡ１１０６に準拠）
養生直後の供試体に対して、アムスラー式圧縮試験機（株式会社テクノエナミ製；型式圧縮試験機アムスラー式１０００ｋＮ）を用いて曲げ強度試験を行った。そして、曲げ強度試験により得られた曲げたわみ曲線の面積で定義される破壊エネルギー（ｋＮｍ／ｍ²）を算出した。

＜使用原料について＞
各種モルタルの原料として以下のものを準備した。
○普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
（密度３．１６ｇ／ｃｍ³、比表面積３３３０ｃｍ²／ｇ）
（鉱物組成；Ｃ₃Ｓ５６％、Ｃ₂Ｓ１８％、Ｃ₃Ａ９％、Ｃ₄ＡＦ９％）
〇セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）
ＣＮＦ（中越パルプ工業株式会社製ｎａｎｏｆｏｒｅｓｔ－Ｓ）
ＡＣＣ法により製造。繊維幅２０ｎｍ以下、ＣＮＦ濃度２％
〇ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
ＰＶＡ（富士フイルム和光純薬株式会社製ポリビニルアルコールＰＶＡ１５００；重合度約１５００）
〇鉱物粒（チエ社製ブラジル産ショールトルマリン、粒径１～４ｍｍ、密度３．１８ｇ／ｃｍ³程度）
販売用の説明資料によれば、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、マンガン、アルミニウム等の珪酸類を含む硼珪酸塩鉱物粒である、と説明されている。
○細骨材（中日本砂利株式会社製）
（最大骨材寸法２ｍｍ、表乾密度２．６３ｇ／ｃｍ³）

＜混和剤について＞
混和剤として以下のものを使用した。
○高性能減水剤（ＢＡＳＦジャパン株式会社製；マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ）

＜混練水について＞
上水道水（越前市水道局；硬度２３ｍｇ／リットル）を用いた。

＜空隙層となる構造材について＞
〇ダンボール材
市販の５ｍｍ厚のダンボールシートを所望のサイズに切断して用いた。
〇コア材
新日本フェザーコア株式会社製の紙製ロールコアシート（厚さ１０ｍｍ、セルサイズ１４ｍｍ）を所望のサイズに切断して用いた。
〇気泡シート
川上産業株式会社製プチシート（登録商標）（突起の径１０ｍｍ、高さ１ｍｍ及び２ｍｍ、突起の間隔１ｍｍ）

［実施例１］
図１に示す３層構造と同様な構造のセメント製の吸音パネル材を作製した。

＜裏面層用のＣＮＦモルタル組成物＞
使用原料として、以下の単位量で準備した。
セメント；１１９８ｋｇ／ｍ³
ＣＮＦ；６１６ｋｇ／ｍ³
（ＣＮＦ量；１２．３２ｋｇ／ｍ³、セメント比；１．０質量％）
鉱物粒；３４ｋｇ／ｍ³（セメント比；２．８質量％）
混和剤；３５．９４ｋｇ／ｍ³

＜表面層用のＰＶＡモルタル組成物＞
使用原料として、以下の単位量で準備した。
セメント；１０９３ｋｇ／ｍ³
水；５６５ｋｇ／ｍ³
ＣＮＦ；１８ｋｇ／ｍ³
（ＣＮＦ量；０．３６ｋｇ／ｍ³、セメント比；０．０３質量％）
ＰＶＡ；９１ｋｇ／ｍ³（セメント比；８．３質量％）
混和剤；３２．７９ｋｇ／ｍ³

＜供試体の作製について＞
まず、裏面層となる層を形成した。ＣＮＦモルタルは、セメントにＣＮＦ及び混和剤を加えて５分間練り混ぜ、次に鉱物粒を投入して５分間練り混ぜた混練物を作製した。得られた混練物を型枠（縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ２ｃｍ）に流し込み、約４ｍｍの厚さの均一な層を形成した。ＣＮＦモルタルが半硬化した後、下層用の気泡シート（縦３２ｃｍ×横３２ｃｍ×高さ２ｍｍ）をＣＮＦモルタルの上面に載置した。気泡シートは、中心を型枠の中心位置に合わせて載置し、周縁が１．５ｃｍ幅でＣＮＦモルタルが露出した状態に設定した。下層用の気泡シートの上面にダンボール材（縦３２ｃｍ×横３２ｃｍ×高さ５ｍｍ）及び上層用の気泡シート（下層用と同じサイズ）を積層した。

次に、表面層となる層を形成した。ＰＶＡモルタルは、ＰＶＡに水及び混和剤を加えて５分間練り混ぜ、次にセメントを加えて再度５分間練り混ぜ、次にＣＮＦを加えて５分間練り混ぜて混練物を作製した。得られた混練物を型枠内に上面まで流し込み、約７ｍｍの厚さで均一に形成した。そして、型枠の上面に蓋板を被せて固定し、半日程度硬化させて脱型して半硬化体を得た。半硬化体の表面層の表面に対して市販の電動ドリル（ドリル径３ｍｍ）により垂直方向に穿孔し、表面層を貫通して空隙層のダンボール材内のすべての空隙に連通する小孔を形成した。小孔は、約１．５ｃｍの間隔で表面全体に形成した。

小孔が形成された半硬化体をＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行い、硬化した供試体を得た。得られた供試体（吸音パネル材）は、縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ２ｃｍのサイズで、表面層には５３０個の小孔（径約３ｍｍ、長さ約１３ｍｍ）が形成されており、密度は、１．３６ｇ／ｃｍ³であった。また、空隙率は、約８％であった。

［実施例２］
図４に示す３層構造と同様な構造のセメント製の吸音パネル材を、実施例１と同様の材料を使用して作製した。

＜供試体の作製について＞
実施例１と同様に、型枠内に裏面層、空隙層及び表面層を積層して半硬化体を形成した。市販のポリ塩化ビニル製の波板（山部分の高さ約１０ｍｍ）を縦３０ｃｍ×横３０ｃｍのサイズに切断した波型体を準備し、波型体の片面に表面層と同様のＰＶＡモルタルを流し込んで大気中で半硬化させて波形層を形成し、半硬化体の上面に積層して一体化させた。

半硬化体の波形の表面に対して、実施例１と同様に電動ドリルにより穿孔し、表面層を貫通して空隙層のダンボール材内のすべての空隙に連通する小孔を形成した。小孔は、約１．５ｃｍの間隔で表面全体に形成した。

小孔が形成された半硬化体をＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行い、硬化した供試体を得た。得られた供試体（吸音パネル材）は、縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ２ｃｍのサイズで、表面層には５１０個の小孔（径約３ｍｍ、長さ７ｍｍ～２５ｍｍ）が形成されており、密度は、１．５４ｇ／ｃｍ³であった。また、空隙率は、約１０％であった。

［実施例３］
図４に示す３層構造と同様な構造のセメント製の吸音パネル材を、実施例２と同様の材料を使用して、空隙層に用いるダンボール材の枚数を増やして作製した。具体的には、空隙層のダンボール材の枚数を２枚積層したものを作製した。

＜供試体の作製について＞
型枠（縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ２ｃｍ）を用い、実施例２と同様に、裏面層としてＣＮＦモルタルにより４ｍｍの厚さの層を形成し、下層用気泡シート、２枚のダンボール材及び上層用の気泡シートを順次載置し、表面層としてＰＶＡモルタルを４ｍｍの厚さとなるように層を形成した後半日程度硬化させて厚さ２０ｍｍの半硬化体を得た。そして、実施例２と同様に、半硬化した波形層（高さ１０ｍｍ）を積層して一体化させた後、電動ドリルによりほぼ同数の小孔（径約３ｍｍ、長さ１４～３１ｍｍ）を形成し、小孔が形成された半硬化体をＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行い、硬化した供試体を得た。密度は、１．４７ｇ／ｃｍ³であった。また、空隙率は、約２５％であった。

［実施例４］
図４に示す３層構造と同様な構造のセメント製の吸音パネル材を、実施例２と同様の材料を使用して、空隙層に用いるダンボール材の枚数を増やして作製した。具体的には、空隙層のダンボール材の枚数を５枚積層したものを作製した。

＜供試体の作製について＞
型枠（縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ４．５ｃｍ）を用い、実施例２と同様に、裏面層としてＣＮＦモルタルにより８ｍｍの厚さの層を形成し、下層用気泡シート、５枚のダンボール材及び上層用の気泡シートを順次載置し、表面層としてＰＶＡモルタルを８ｍｍの厚さとなるように層を形成した後半日程度硬化させて厚さ４５ｍｍの半硬化体を得た。そして、実施例２と同様に、半硬化した波形層（高さ１０ｍｍ）を積層して一体化させた後、電動ドリルによりほぼ同数の小孔（径約３ｍｍ、長さ１１～６０ｍｍ）を形成し、小孔が形成された半硬化体をＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行い、硬化した供試体を得た。密度は、１．２９ｇ／ｃｍ³であった。また、空隙率は、約３５％であった。

［実施例５］
図５に示す３層構造と同様な構造のセメント製の吸音パネル材を、実施例２と同様の材料を使用し、空隙層に用いるダンボール材の代わりにコア材を使用して作製した。

＜供試体の作製について＞
型枠（縦３５ｃｍ×横３５ｃｍ×高さ２ｃｍ）を用い、実施例２と同様に、裏面層としてＣＮＦモルタルにより４ｍｍの厚さの層を形成し、下層用気泡シート、コア材（厚さ１０ｍｍ）及び上層用の気泡シートを順次載置し、表面層としてＰＶＡモルタルを４ｍｍの厚さとなるように層を形成した後半日程度硬化させて厚さ２０ｍｍの半硬化体を得た。そして、実施例２と同様に、半硬化した波形層（高さ１０ｍｍ）を積層して一体化させた後、電動ドリルによりほぼ同数の小孔（径約３ｍｍ、長さ６ｍｍ～３２ｍｍ）を形成し、小孔が形成された半硬化体をＪＩＳＡ１１３２に準拠して大気養生を行い、硬化した供試体を得た。密度は、１．３８ｇ／ｃｍ³であった。また、空隙率は、約２５％であった。

［実施例６］
実施例１及び実施例２の供試体を用いて縦横３枚ずつ合計９枚を平置きで配列した吸音パネル構造について吸音試験を行った。図８に示すように、実施例１の吸音パネル材Ｐ１を９枚配列した場合（図８（ａ））、実施例１の吸音パネル材Ｐ１を５枚及び実施例２の波形吸音パネル材Ｐ２を４枚配列した場合（図８（ｂ））及び実施例２の波形吸音パネル材Ｐ２を９枚配列した場合（図８（ｃ））の組合せで行った。波形吸音パネル材については、いずれも波形形状が同一方向に設定されるように配列した。

試験結果を図９に示す。図９では、縦軸に吸音率をとり、横軸に周波数をとって実験結果をプロットしたグラフを示している。低～中周波数域（～１ｋＨｚ）及び中～高周波数域（１ｋＨｚ～）でみると、図８（ａ）に示す吸音パネル構造では、中～高周波数域で１つのピークが表れており、図８（ｃ）に示す吸音パネル構造では、中～高周波数域で２つのピークが表れている。そして、図８（ｂ）に示す吸音パネル構造では、中～高周波数域で１つのピークが表れており、図８（ａ）及び（ｃ）に示す吸音パネル構造に比べて全体として吸音率が向上して平準化している。そのため、吸音特性の異なる吸音パネル材を組み合せることで、周波数依存性を抑えて低～高周波数域全体で吸音特性を向上させることが可能となっている。具体的には、８００Ｈｚ～１．６ｋＨｚの周波数域で平準化された吸音特性が実現されている。

［実施例７］
実施例３、実施例４及び実施例５の供試体を用いて縦横３枚ずつ合計９枚を平置きで配列した吸音パネル構造について吸音試験を行った。実施例３～５の吸音パネル材９枚をそれぞれ図８（ｃ）に示すように配列して行った。

試験結果を図１０に示す。図１０では、縦軸に吸音率をとり、横軸に周波数をとって実験結果をプロットしたグラフを示している。低～中周波数域（～１ｋＨｚ）及び中～高周波数域（１ｋＨｚ～）でみると、実施例３から５の吸音パネル材を配列した吸音パネル構造では、低～中周波数域で１つのピークが表れており、実施例３では、中～高周波数域でも１つのピークが表れている。そのため、吸音特性の異なる吸音パネル材を組み合せることで、周波数依存性を抑えて低～中周波数域全体で吸音特性を向上させることが可能となっている。

実施例１から５に示す試験結果について、最大吸音率となったピーク周波数と空隙率との関係に着目すると、以下のとおりであった。
空隙率ピーク周波数
８％１．２５ｋＨｚ（実施例１）
１０％１ｋＨｚ（実施例２）
２５％５００Ｈｚ（実施例３）
２５％５００Ｈｚ（実施例５）
３５％２５０Ｈｚ（実施例４）
空隙率が増加するにしたがいピーク周波数が低周波数域にシフトする傾向がみられ、空隙率が１０％で１ｋＨｚ、２５％で５００Ｈｚ、３５％で２５０Ｈｚとなっていることから、こうした知見に基づいて吸音パネル材の空隙率を調整することで、広い周波数域に対応した吸音パネル構造を得ることが可能となる。

［実施例８］
実施例２から５の供試体を用いて縦横３枚ずつ合計９枚を平置きで配列した吸音パネル構造について吸音試験を行った。実施例２の吸音パネル材５枚と実施例３から５の吸音パネル材４枚をそれぞれ図８（ｂ）に示すように配列した場合の組合せで行った。波形吸音パネル材については、いずれも波形形状が同一方向に設定されるように配列した。

試験結果を図１１に示す。図１１では、縦軸に吸音率をとり、横軸に周波数をとって実験結果をプロットしたグラフを示している。低～中周波数域（～１ｋＨｚ）及び中～高周波数域（１ｋＨｚ～）でみると、いずれの組合せの吸音パネル構造でも低～中周波数域において５００Ｈｚから１ｋＨｚの範囲で平準化して推移している。また、実施例２及び４の吸音パネル材を組み合せて配列した吸音パネル構造では、低～中周波数域で２つのピークが表れている。そのため、吸音特性の異なる吸音パネル材を組み合せることで、周波数依存性を抑えて低～中周波数域全体で吸音特性を向上させることが可能となっている。具体的には、５００Ｈｚ～１．６ｋＨｚの周波数域で平準化された吸音特性が実現されている。

［実施例９］
実施例１から５の吸音パネル材について、曲げ強度試験を行った。曲げ試験の結果、曲げ破断荷重（ｋＮ）、最大歪量（ｍｍ）及び破壊エネルギー（ｋＮｍ／ｍ²）は、実施例１では、０．１ｋＮ、１．４ｍｍ及び０．０１ｋＮｍ／ｍ²であり、実施例２では、０．３ｋＮ、２．２ｍｍ及び０．０４ｋＮｍ／ｍ²であり、実施例３では、０．２ｋＮ、２．５ｍｍ及び０．０３ｋＮｍ／ｍ²であり、実施例４では、０．６ｋＮ、９．０ｍｍ及び０．２ｋＮｍ／ｍ²であり、実施例５では、０．３ｋＮ、７．２ｍｍ及び０．１ｋＮｍ／ｍ²であった。いずれも建設用パネル材としての強度を有していることが確認された。

［実施例１０］
実施例２及び実施例４の供試体をそれぞれ縦横３枚ずつ配列した吸音パネル構造及び実施例２の吸音パネル材５枚と実施例４の吸音パネル材４枚をそれぞれ図８（ｂ）に示すように配列した吸音パネル構造について、上述した吸音試験の際に残響時間の測定を行った。測定結果を図１２に示す。

図１２では、縦軸に残響時間（秒）をとり、横軸に周波数をとって測定結果をプロットしたグラフを示している。比較のため、吸音パネル構造を配列していない「試料なし」の測定結果を併せて示している。吸音パネル材の空隙層が厚い実施例４及びその組合せの場合に残響時間が低減する傾向がみられ、低周波数域において顕著となっている。

以上説明したように、吸音特性の異なる吸音パネル材を組み合せて配列して吸音パネル構造を構築することで、広範囲の周波数域において吸音特性を向上させることが可能となっており、周波数依存性を抑えた吸音パネル構造を実現することができる。

本発明に係る吸音パネル構造は、広範囲の周波数域に対応することが可能で、用途に合わせて吸音特性を調整することができることから、音響設計の一手法として活用することが可能となり、例えば、風力発電において発生する低周波のプロペラ音への遮音対策、ビル等の建築物やトンネル内の防音対策、高速道路における高周波の車両騒音対策といった様々な用途へ幅広く活用することが期待される。

１・・・吸音パネル材、１０・・・表面層、１１・・・凹凸形状、２０・・・裏面層、３０・・・空隙層、３１・・・層状体、３２、３３・・・積層シート、４０・・・小孔、１００・・・型枠、１０１・・・蓋板

本発明に係る吸音パネル構造は、ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むセメントからなる表面層と、セメント又はセルロースナノファイバーを含むセメントからなる裏面層と、前記表面層と前記裏面層の間に積層するように配置されるとともにダンボール材で構成されて多数の空隙が形成された層状体の表面側及び裏面側を積層シートで被覆して構成された空隙層と、前記表面層から前記空隙層に到達してすべての前記空隙と連通するように形成された多数の小孔とを備えた吸音パネル材を複数枚配列した吸音パネル構造であって、吸音特性の異なる複数種類の前記吸音パネル材を配列している。
さらに、本発明に係る別の吸音パネル構造は、ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むセメントからなる表面層と、セメント又はセルロースナノファイバーを含むセメントからなる裏面層と、前記表面層と前記裏面層の間に積層するように配置されるとともに厚さ方向に貫通する多数の筒状部を連結したコア材で構成されて多数の空隙が形成された層状体の表面側及び裏面側を積層シートで被覆して構成された空隙層と、前記表面層から前記空隙層に到達してすべての前記筒状部と連通するように形成された多数の小孔とを備えた吸音パネル材を複数枚配列した吸音パネル構造であって、吸音特性の異なる複数種類の前記吸音パネル材を配列している。

Claims

ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むセメントからなる表面層と、セメント又はセルロースナノファイバーを含むセメントからなる裏面層と、前記表面層と前記裏面層の間に積層するように配置されるとともに多数の空隙が形成された層状体の表面側及び裏面側を積層シートで被覆して構成された空隙層と、前記表面層から前記空隙層に到達してすべての前記空隙と連通するように形成された多数の小孔とを備えた吸音パネル材を複数枚配列した吸音パネル構造であって、吸音特性の異なる複数種類の前記吸音パネル材を配列している吸音パネル構造。
前記表面層は、ポリビニルアルコール及びセルロースナノファイバーを含むモルタルからなり、前記裏面層は、モルタル又はセルロースナノファイバーを含むモルタルからなる請求項１に記載の吸音パネル構造。
前記空隙層の空隙率が異なる複数種類の前記吸音パネル材を配列している請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。
少なくとも一部の前記吸音パネル材の表面には、所定方向に沿って複数の凹凸形状が所定間隔で形成されている請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。
前記層状体は、ダンボール材からなり、前記小孔は、前記ダンボール材のすべての空隙に連通している請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。
前記層状体は、厚さ方向に貫通する多数の筒状部を連結したコア材からなり、前記小孔は、前記筒状部のすべてに連通している請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。
前記積層シートは、多数の空隙に空気が密封された気泡シートである請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。
５００Ｈｚ～１．６ｋＨｚの周波数域で平準化された吸音特性を有する請求項１又は２に記載の吸音パネル構造。