JP4154261B2

JP4154261B2 - Sound and vibration control device

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Publication number: JP4154261B2
Application number: JP2003066415A
Authority: JP
Inventors: 秀和児玉; 宗宏伊達; 和則木村; 朝直大久保; 栄一深田
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP2004272171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体などの電気エネルギーと機械エネルギーの変換作用を持つ物質を弾性波の伝搬経路に挿入するか、振動を生じる部位に装着して音を遮断又は振動を減衰させる音響・振動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音や振動の吸収、遮断に用いられる手法として、例えば音の吸収にはグラスウール等の多孔質材、ベニア板などの薄膜、共鳴器が挙げられ、音の遮断にはコンクリート等の面密度の大きな単層壁や２重壁などが挙げられる。また、振動の吸収には防振ゴムやダンパー等が挙げられ、振動の遮断にはコイルバネ等が挙げられる。これらは、いずれも用いる物の形状や弾性率および弾性損失といった力学的性質によって音や振動の吸収、遮断を達成する。
【０００３】
一方、圧電体の弾性率および弾性損失を、いわゆる負性容量回路（負性容量を呈する回路）によって任意に制御することが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、圧電体の弾性率および弾性損失を負性容量回路によって任意に制御することを湾曲させた圧電性高分子フィルムに応用した可変吸音装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
これらによると、負性容量回路による圧電体の弾性率および弾性損失の制御は、全体の容量が正の時に実現される。全体の容量が負の時、回路は発振する。負性容量回路の容量をＣ（＜０）、圧電体の容量をＣpとする。圧電体に負性容量を並列に接続した場合、全体の容量はＣ＋Ｃp≧０なので、Ｃのとりうる範囲は、−Ｃp≦Ｃ≦０となる。負性容量を直列に接続した場合、全体の容量は１／Ｃ＋１／Ｃp≧０なので、Ｃのとりうる範囲は、−∞≦Ｃ≦−Ｃpとなる。
【０００５】
これらの条件の下、圧電体の弾性率Ｙは、Ｙ＝Ｙ₀(１−ｋ²/(１＋Ｃ/Ｃp))^-1で表され、負性容量と圧電体の容量比に依存する。なお、ｋは電気機械結合係数、Ｙ₀は電極間を開放とした時の圧電体の弾性率である。また、容量比が一定であれば、弾性率変化は電気機械結合係数ｋの２乗に依存するので、電気機械結合係数ｋが大きいほど弾性率変化は顕著になる。しかしながら、これらは圧電体の電気的損失が考慮されておらず、一般的に用いられている圧電体に適用することは困難であった。
【０００６】
そこで、圧電体の電気的損失を考慮した負性容量回路による弾性率および弾性損失の制御方法およびこれを応用した音や振動など弾性波の制御方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
これによると、圧電体と負性容量回路の電気的損失係数を一致させると、弾性率および弾性損失が圧電体と負性容量回路の複素容量の実数部の比に応じて変化すること、それに応じて圧電体の遮音・吸音性能および振動伝達特性を変化させることが可能である。
更に、負性容量回路を構成する素子または素子の一部に、コンデンサ、抵抗、コイルのうち２つ以上からなる時定数分布回路または圧電体と同じ材料で作製したコンデンサを用いると、任意の周波数帯域で圧電体と負性容量回路の損失係数を一致させることができ、その周波数帯域の音を遮断又は振動を減衰することが一様に可能である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−７４９９０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６１２８４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１２４７１３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧電性セラミックの厚み振動では電気機械結合係数ｋは0.6であり、圧電性高分子フィルムの長さ振動では電気機械結合係数ｋはおよそ圧電性セラミックの厚み振動の1/10の0.05である。容量比を-0.6としたときの弾性率変化は、圧電性セラミックの厚み振動では10倍にも達するのに対し、圧電性高分子フィルムの長さ振動では1.6倍にすぎない。負性容量を接続した圧電体の弾性率は、容量比が-(1 -ｋ²)のときに最大になる。このときの容量比は、圧電性セラミックの厚み伸縮を用いた場合では-0.64となり、圧電性高分子フィルムの長さ伸縮を用いた場合では-0.9975となる。
【００１０】
しかしながら、容量比を-1を越えて弾性率制御を行おうとした場合、全体の容量が負となり発振を生じるため、電気機械結合係数ｋが小さくなるにつれて、安定に弾性率変化を大きく変化させることは困難となる。即ち、負性容量と圧電体によって音および振動制御を行うにあたり、用いる材料の電気機械結合係数ｋが小さくなるにつれて大きな制御幅（遮音率，吸音率，振動伝達率など）は得難くなる。
【００１１】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、用いる圧電体の電気機械結合係数ｋの大きさによらず容易に大きな制御幅が得られる音響・振動制御装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、少なくとも２つの抵抗と少なくとも１つのコンデンサと少なくとも１つの演算増幅器で構成される負性容量回路と、対向する２つの電極とそれらの間に挟まれる圧電体によって構成され、一方の電極を前記演算増幅器の正又は負の入力端子に電気的に接続し、他方の電極をグランドに電気的に接続した第１圧電性高分子フィルムと、対向する２つの電極とそれらの間に挟まれる圧電体によって構成され、一方の電極を前記演算増幅器の正又は負の入力端子若しくは出力端子のいずれかに緩衝増幅器を介して電気的に接続し、他方の電極をグランドに電気的に接続する第２圧電性高分子フィルムを備えるものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の音響・振動制御装置において、前記第１及び第２圧電性高分子フィルムの歪みが生じる時間の差が小さく、且つ歪みがほぼ同位相か逆位相となるよう前記第１及び第２圧電性高分子フィルムを配置する。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の音響・振動制御装置において、前記第１及び第２の圧電性高分子フィルムを、同じ物質で形成した。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１、２又は３記載の音響・振動制御装置において、前記負性容量回路の代わりに、負性抵抗回路または負性インダクタンス回路を用いた。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る音響・振動制御装置の概略構成図、図２と図３は負性容量回路の構成図、図４は負性容量回路の素子の構成図、図５は圧電体と素子の構成図、図６は圧電体に対する補助回路の使用説明図、図７は圧電体に対する緩衝増幅器と補助回路の使用説明図、図８は電荷増幅器を用いた音響・振動制御装置の概略構成図、図９は本発明に係る音響・振動制御装置を適用した実験装置の構成図、図１０は実験結果の音響透過損失の周波数特性である。
【００３１】
本発明に係る音響・振動制御装置は、図１に示すように、一対の電極１，１を設けた２つの圧電体２，３と負性容量回路４からなる。
圧電体２，３としては、Ｐb(Ｔi_ｎ，Ｚr_1- _ｎ)Ｏ₃、ビスマス層状化合物などの圧電性セラミック、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、フッ化ビニリデン系共重合体、ナイロンなどの圧電性ポリマー、圧電性セラミックとポリマーからなる複合材料などが挙げられる。圧電体２，３は音又は振動の伝搬経路に挿入されるか、又は振動を発生する部位に装着される。圧電体２，３を配列する方法は、目的や用途に応じて適切に施す必要がある。
【００３２】
ここでは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように圧電体２，３を重ねる方法と、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように圧電体２，３を並べる方法について説明する。図１（ａ）及び図１（ｃ）に示す圧電体２，３は、互いに接触せず機械的干渉は小さい。この場合、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能は、それぞれの歪みの時間差が大きいほど低下するため、時間差を可能な限り小さくし、ほぼ同位相又は逆位相とする必要がある。
【００３３】
図１（ｂ）及び図１（ｄ）に示す圧電体２，３は、互いに直接接触するか又は電極１を介して接着される。この場合、それぞれ圧電体２，３には互いに機械的干渉が生じるが、それぞれの歪みに時間差は無くなる。
【００３４】
そして、一方の圧電体２は、負性容量回路４に負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように接続される。他方の圧電体３は、負性容量回路４を構成する配線の任意の部位か、負性容量回路４を構成する素子又は素子の一部となるように接続される。負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２は、従来技術と同様に負性容量回路４によって弾性率又は弾性損失が電気的に増減され、音を遮断し又は振動を減衰する。
【００３５】
負性容量回路４の任意の部位、負性容量回路４を構成する素子又は素子の一部となるように接続された圧電体３は、音や振動が伝搬することによって生じる弾性歪みを、負性容量回路４により印加された電圧によって生じる圧電性に起因する歪みによって制御する。弾性歪みが圧電性に起因する歪みとほぼ逆位相であれば、歪みは互いに相殺される。これは、圧電体３の見かけの弾性率が増加したことになり、音を遮断するのに有効である。一方、弾性歪みが圧電性に起因する歪みと同位相の場合、弾性反発力は相殺される。これは、見かけの弾性率が減少したことになり、振動を減衰するのに有効である。
【００３６】
図２に負性容量回路４の具体的な構成を３種類示す。図２（ａ）に示す負性容量回路４ａは、演算増幅器（オペアンプ）５と抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ₀からなり、コンデンサＣ₀で正帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の非反転入力端子５ａとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を並列接続したことと等価にしている。
【００３７】
図２（ｂ）に示す負性容量回路４ｂは、演算増幅器５と抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ₀からなり、コンデンサＣ₀で負帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の反転入力端子５ｂとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を直列接続したことと等価にしている。
【００３８】
図２（ｃ）に示す負性容量回路４ｃは、演算増幅器５と抵抗Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とコンデンサＣ₀からなり、抵抗Ｒ０，Ｒ４と並列接続したコンデンサＣ₀で負帰還ループを構成するようにしている。そして、一対の電極１，１を設けた圧電体２を演算増幅器５の反転入力端子５ｂとアースに並列接続して、圧電体２と負性容量を直列接続したことと等価にしている。
いずれの負性容量回路についても、単一周波数又は任意の周波数帯域で損失係数を圧電体の損失係数とほぼ一致させる。
【００３９】
Ｃ₀はコンデンサの他、コンデンサと抵抗の直列接続又は並列接続、図４に示すような時定数分布回路が挙げられる。コンデンサを圧電体２と同一の物質で構成すれば温度や周波数によらず、容易に損失係数を圧電体２の損失係数と一致させることができる。
【００４０】
負性容量回路４ａ，４ｂにおける複素容量Ｃ^*は、Ｃ^*＝−Ｃ₀ ^*(Ｒ２/Ｒ１)となる。ここで、Ｃ₀ ^*はコンデンサＣ₀の複素容量である。
負性容量回路４ｃでは、コンデンサＣ₀に抵抗Ｒp（＝−Ｒ０(Ｒ４/Ｒ３)）が並列に接続されているので、容量Ｃは、Ｃ＝−Ｃ₀ ^*(Ｒ２/Ｒ１)となる。なお、Ｃ₀ ^*はコンデンサＣ₀と抵抗Ｒpで構成された複素容量である。
【００４１】
ここで、３つの負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃのいずれも抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を一つのポテンショメータ（可変抵抗器）で構成すれば、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃの容量は可変となる。また、負性容量回路４ｃで抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４を一つのポテンショメータで構成すれば、抵抗Ｒpは可変となる。
【００４２】
また、負性容量回路４に負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるように接続される圧電体２以外の圧電体３は、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃの任意の部位Ｐ１〜Ｐ１０とアースに並列接続される。図２に示すように、圧電体３が部位Ｐ２，Ｐ５，Ｐ９（演算増幅器５の出力端子５ｃ）に接続された場合には、圧電体３に演算増幅器５の出力電圧が印加される。
演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２に帰還される電圧は、演算増幅器５の出力電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分割した電圧であるから、部位Ｐ２，Ｐ５，Ｐ９に接続された圧電体３には帰還電圧よりも大きな振幅の電圧が印加される。
【００４３】
圧電体３が部位Ｐ１,Ｐ３,Ｐ４,Ｐ６,Ｐ７,Ｐ１０に接続された場合には、圧電体３に演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２に印加される電圧と同じ振幅の電圧が印加される。また、圧電体３が部位Ｐ８に接続された場合には、圧電体３に部位Ｐ９と部位Ｐ１０の電位差を抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４で分割した電圧が印加される。
【００４４】
また、演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と同じ材質の圧電体３を、音や振動の伝搬経路に挿入するか又は振動を発生する部位に直接装着し、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃを構成するコンデンサＣ₀となるように負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃに接続すると、圧電体３には演算増幅器５の入出力端子間の電圧が印加され、音を遮断又は振動を減衰することができると同時に、負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと圧電体２の損失係数を温度および周波数によらず一致させることができる。
【００４５】
図３に図２に示す負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと異なる負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの構成を示す。素子１１〜素子２２は、抵抗、コンデンサ又はコイル或いはこれらを２つ以上組み合わせて構成され、任意の周波数帯域で演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数をほぼ一致させることができる。
【００４６】
そして、素子１１，１２，１４，１５，１７，１８，２０，２１，２２を抵抗とし、素子１３，１６，１９を図４に示すようにコンデンサと抵抗で構成し、圧電体２と任意の周波数帯域で損失係数が一致すれば、容易に損失係数をその周波数帯域で一致させることができる。素子１３，１６，１９を構成するコンデンサとして圧電体２と同一の物質のコンデンサを用いれば、容易に圧電体２と負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数を温度や周波数によらず一致させることができる。
【００４７】
また、素子１３，１６，１９を構成するコンデンサ又は抵抗のうち少なくとも１つ以上を可変とすれば、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの損失係数の周波数特性を可変とすることができ、それに応じて圧電体２，３が音を遮断し又は振動を減衰する周波数帯域が変化する。
【００４８】
図３（ａ）に示す負性容量回路４ｄの容量は、素子１３の複素容量と素子１２と素子１１のインピーダンス比の積となる。図３（ｂ）に示す負性容量回路４ｅの容量は、素子１６の複素容量と素子１４と素子１５のインピーダンス比の積となる。図３（ｃ）に示す負性容量回路４ｆの容量は、インピーダンスが素子２２と素子２１のインピーダンス比と素子２０のインピーダンス積で表される素子が、素子１９と並列接続した複素容量と、素子１７と素子１８のインピーダンス比の積となる。
【００４９】
図２に示す負性容量回路４ａ，４ｂ，４ｃと同様に、素子１１と素子１２、素子１４と素子１５、素子１７と素子１８を一つのポテンショメータで構成すれば、容量を可変とすることができる。また、負性容量回路４ｆでは素子２１および２２を一つのポテンショメータで構成すれば、損失係数の周波数特性を可変とすることができる。
【００５０】
負性容量が並列又は直列に接続されることと等価になるよう負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆに接続される圧電体２以外の圧電体３は、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子の一部となるように接続されるか又は負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆの任意の部位Ｐ１１〜Ｐ２０とアースに並列接続される。
【００５１】
圧電体３を負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子の一部となるように接続した場合、圧電体３には素子にかかる電圧が印加される。圧電体３を部位Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１９に接続した場合には、圧電体３に演算増幅器５の出力電圧が印加される。更に、それ以外の部位に接続した場合には、圧電体３に素子のインピーダンスによって分割された電圧が印加される。目的の電圧振幅を得るためであれば、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子を分割し、その間に接続することも可能である。
【００５２】
また、演算増幅器５の非反転入力端子５ａ又は反転入力端子５ｂに接続された圧電体２と同じ材質の圧電体３を、音や振動の伝搬経路に挿入するか又は振動を発生する部位に直接装着し、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆを構成する素子１３、素子１６または素子１９となるように負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆに接続してもよい。この圧電体３には演算増幅器５の入出力端子間の電圧が印加され、音を遮断又は振動を減衰することができると同時に、負性容量回路４ｄ，４ｅ，４ｆと圧電体２の損失係数を温度および周波数によらず一致させることができる。
【００５３】
負性容量回路４に接続される全ての圧電体２，３には、圧電体２，３と負性容量回路４の損失係数を任意の周波数帯域で一致させるため、図５に示すように素子３１，３２，３３が接続される。それぞれの素子３１，３２，３３は、抵抗、コンデンサ、コイルまたはこれらを２つ以上組み合わせて構成されている。その他に、素子３１は開放でもよく、素子３２と素子３３は短絡されてもよい。
【００５４】
本発明に係る音響・振動制御装置では、負性容量回路４の損失係数と、負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数がほぼ一致した周波数帯域で、圧電体２は音を遮断又は振動を減衰することができる。そして、負性容量回路４の任意の部位に新たに圧電体３を付加すると、負性容量回路４の電気的特性は変化する。
【００５５】
そのため、負性容量回路４の容量および損失係数の周波数特性は、新たに付加した圧電体３の容量、損失係数および接続される部位を考慮して求める必要がある。このようにして求めた負性容量回路４の損失係数と、負性容量が直列又は並列に接続されたことと等価になるように負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数がほぼ一致した周波数帯域で、圧電体２，３は音を遮断又は振動を減衰することができる。
【００５６】
負性容量回路４に接続されている圧電体２，３のうち、負性容量が並列又は直列に接続されているものと等価でない圧電体３について、図６に示すように、圧電体３と負性容量回路４の間に補助回路４１を１つ以上接続することがある。補助回路４１としては、緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器、遅延回路が挙げられる。
【００５７】
緩衝増幅器を用いれば、新たに設けた圧電体３が負性容量回路４の電気的特性に影響を与えないので、負性容量回路４の容量は従来の手法で求めることができる。そして、負性容量回路４の損失係数と、負性容量が並列又は直列に接続されたことと等価になるよう負性容量回路４に接続された圧電体２の損失係数を任意の周波数帯域で容易に一致させることができる。
【００５８】
電圧増幅器または電圧減衰器を用いれば、新たに設けた圧電体３の音の遮断性能又は振動の減衰性能を、負性容量回路４の接続部位に依らずに増減することが可能となる。また、増幅率または減衰率を可変とすれば、圧電体３の音対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を可変とすることができる。
【００５９】
位相変換器を用いれば、その周波数帯域で圧電体３の弾性損失を増加することができ、音や振動を減衰することができる。減衰率は位相差が９０°の時に最大となる。このような作用を持つ回路としては、微分回路や積分回路が挙げられる。周波数帯域および入力電圧と出力電圧の位相差を可変とすれば、音や振動が減衰される周波数帯域および減衰率は可変となる。
【００６０】
また、負性容量が直列又は並列に接続したことと等価になるよう負性容量回路４に接続した圧電体２が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みと、負性容量回路４の任意の部位に接続した圧電体３が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みの間に時間差が生じる場合、遅延回路を用いてそれぞれの歪みの時間差による性能劣化を補償することができる。
更に、緩衝増幅器、電圧増幅器、電圧減衰器、位相変換器又は遅延回路を２つ以上接続することによって、それぞれの効果を同時に得ることができる。
【００６１】
図７に示すように、圧電体３と緩衝増幅器４２との間に補助回路４１を接続し、緩衝増幅器４２を負性容量回路４に接続すれば、負性容量回路４の電気的特性に与える圧電体３と補助回路４１の影響を防ぐことができる。
【００６２】
本発明の実施の形態では、圧電体２，３と負性容量回路４を組み合わせたものについて述べたが、圧電体２，３の代わりにバイアス歪みまたはバイアス電圧を与えた電歪材料を、またはバイアス歪みまたはバイアス電流を与えた磁歪材料を用いることができる。また、負性容量回路４の代わりに負性インダクタンス回路を用いることができる。
【００６３】
その他に、圧電体２，３の代わりに電気系と機械系の結合効果を有する物を用い、負性容量回路４の代わりに負性抵抗回路、負性容量回路、負性インダクタンス回路など、用いる物のインピーダンス特性を負性とした電気回路を用いることができる。
【００６４】
図８に負性容量回路４の代わりに電荷増幅器４５を用いた構成を示す。電荷増幅器４５の入力端子と出力端子にそれぞれ、少なくとも一対の電極４６，４６を設けた１つの圧電体４７，４８を接続する。負性容量回路４を用いる場合と異なり、電荷増幅器４５は入力端子に接続された圧電体４７の弾性率を制御することはできない。この圧電体４７は音や振動を検出するがこれらを制御することはできない。
【００６５】
電荷増幅器４５の出力端子に接続された圧電体４８には、音や振動が伝搬することによって圧電体４７に歪みが生じると、電荷増幅器４５の出力端子より電圧が印加される。すると、圧電体４８には圧電性に起因する歪みが生じる。これらの歪みがほぼ逆位相であれば、圧電体４８の正味の歪みは減少し、同位相であれば、正味の歪みは増加して正味の弾性反発力は減衰する。
【００６６】
このように、出力端子に接続された圧電体４８は、見かけの弾性率を変化させられ、任意に音を遮断又は振動を減衰することができる。なお、圧電体４８と電荷増幅器４５の出力端子の間に補助回路４１を少なくとも１つ以上接続することによって、圧電体４８の音に対する遮断性能や振動に対する減衰性能を制御することができる。
【００６７】
電圧増幅器または電圧減衰器を用いれば、新たに設けた圧電体４８の音の遮断性能又は振動の減衰性能を増減することが可能となる。また、増幅率または減衰率を可変とすれば、圧電体４８の音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を可変とすることができる。
【００６８】
位相変換器を用いれば、その周波数帯域で圧電体４８の弾性損失を増加することができ、音や振動を減衰することができる。減衰率は位相差が９０°の時に最大となる。このような作用を持つ回路として、微分回路や積分回路が挙げられる。周波数帯域および入力電圧と出力電圧の位相差を可変とすれば、音や振動が減衰される周波数帯域および減衰率は可変となる。
【００６９】
また、電荷増幅器４５の入力端子に接続された圧電体４７が、音や振動が伝搬したことによって生じる歪みと、電荷増幅器４５の出力端子に接続された圧電体４８が音や振動が伝搬したことによって生じる歪みの間に時間差が生じる場合、遅延回路を用いて圧電体４８に対する印加電圧に同様の時間差を設ければ、それぞれの歪みの時間差による性能劣化を補償することができる。なお、圧電体４７，４８をバイアス歪み又はバイアス電圧を加えた電歪材料としてもよい。
【００７０】
次に、圧電体としてＰＶＤＦフィルムを用いた場合の遮音制御について説明する。図９に示すように、音響管５０を用いてＰＶＤＦフィルム５１の音響透過損失を測定した。音響管５０として内径４３ｍｍのアクリル管を用い、ＰＶＤＦフィルム５１は背後よりウレタンフォーム５２と金網５３によってドーム状に成形されている。ドーム状にすることによって、ＰＶＤＦフィルム５１は音圧が生じると面内の伸縮振動を生じる。
【００７１】
音響管５０内には、ドーム状に成形したＰＶＤＦフィルム５１を入射音に対して前後２重に配置した。２つのＰＶＤＦフィルム５１，５１間の距離は約５ｍｍとした。また、それぞれのＰＶＤＦフィルム５１，５１の両面には電極５４が蒸着されている。なお、ここで用いた負性容量回路４は、図２（ａ）に示す負性容量回路４ａと同じ構成のもので、抵抗Ｒ１およびＲ２は一つのポテンショメータで構成し、コンデンサＣ₀にはＰＶＤＦで作製したコンデンサを用いた。
【００７２】
入射音に対して前側に配置したＰＶＤＦフィルム５１では、一方の電極５４を接地し、他方の電極５４を負性容量回路４に接続した。また、後側に配置したＰＶＤＦフィルム５１では、音により生じる歪みを電圧によって生じる圧電性に起因する歪みで減少させるように、一方の電極５４を接地し、他方の電極５４を図２（ａ）に示す負性容量回路４ａの部位Ｐ２に緩衝増幅器４２を介して接続した。
【００７３】
図１０に実験結果としての音響透過損失の周波数特性を示す。破線は負性容量回路などを接続しないＰＶＤＦフィルム５１を用いた結果（制御なし）、点線は従来の手法で前側のＰＶＤＦフィルム５１のみ負性容量回路によって遮音制御を行った結果（従来技術）、実線は本発明の音響制御装置により２枚のＰＶＤＦフィルム５１，５１を制御した結果（本発明の手法）を示す。
【００７４】
従来の手法では、ＰＶＤＦフィルム５１の遮音制御は２００Ｈｚから１．６ｋＨｚにかけて５ｄＢ程度である。一方、本発明の手法では、制御幅が２０〜３５ｄＢに拡大している。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る発明によれば、圧電性高分子フィルムの音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能は、負性容量回路の任意の部位に接続されるか、負性容量回路を構成する素子または素子の一部となるように接続された圧電性高分子フィルムへの印加電圧によって制御することができる。そのため、小さな電気機械結合係数ｋを持つ圧電性高分子フィルムを用いた場合でも容易に音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００７６】
請求項２に係る発明によれば、音に対する遮断性能又は振動に対する減衰性能を向上することができる。
【００７７】
請求項３に係る発明によれば、音又は振動の伝搬経路に挿入されるか振動を発生する部位に装着された圧電性高分子フィルム体について、少なくとも２つを同じ物質としたことによって、制御周波数帯域の広帯域化および温度補償が可能となる。
【００７８】
請求項４に係る発明によれば、負性容量回路の代わりに、負性抵抗回路または負性インダクタンス回路を用いることによって、音を遮断又は振動を減衰することができる音響制御装置および振動制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る音響・振動制御装置の概略構成図を示し、（ａ）及び（ｂ）は圧電体を重ねる方法、（ｃ）及び（ｄ）は圧電体を並べる方法
【図２】負性容量回路の構成図を示し、（ａ）は圧電体と負性容量を並列接続した場合、（ｂ）及び（ｃ）は圧電体と負性容量を直列接続した場合
【図３】負性容量回路の構成図を示し、（ａ）は圧電体と負性容量を並列接続した場合、（ｂ）及び（ｃ）は圧電体と負性容量を直列接続した場合
【図４】負性容量回路の素子の構成図
【図５】圧電体と素子の構成図
【図６】圧電体に対する補助回路の使用説明図
【図７】圧電体に対する緩衝増幅器と補助回路の使用説明図
【図８】電荷増幅器を用いた音響・振動制御装置の概略構成図
【図９】本発明に係る音響・振動制御装置を適用した実験装置の構成図
【図１０】実験結果の音響透過損失の周波数特性
【符号の説明】
１，４６…電極、２，３，４７，４８…圧電体、４,４ａ,４ｂ,４ｃ,４ｄ,４ｅ,４ｆ…負性容量回路、５…演算増幅器、４２…緩衝増幅器、４５…電荷増幅器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is an acoustic / vibration control in which a substance having a conversion action between electrical energy and mechanical energy, such as a piezoelectric body, is inserted into an elastic wave propagation path or attached to a site that generates vibration to block sound or attenuate vibration. Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
Conventional methods used for absorbing and blocking sound and vibration include, for example, porous materials such as glass wool, thin films such as veneer plates and resonators for absorbing sound, and areal density of concrete and the like for blocking sound. Large single-layer walls and double walls. Further, vibration absorption includes a vibration-proof rubber and a damper, and vibration interruption includes a coil spring and the like. All of these achieve the absorption and blocking of sound and vibration by the mechanical properties such as the shape, elastic modulus and elastic loss of the object used.
[0003]
On the other hand, it is known that the elastic modulus and elastic loss of a piezoelectric body are arbitrarily controlled by a so-called negative capacitance circuit (a circuit exhibiting a negative capacitance) (see, for example, Patent Document 1). There is also known a variable sound absorbing device applied to a curved piezoelectric polymer film in which the elastic modulus and elastic loss of a piezoelectric body are arbitrarily controlled by a negative capacitance circuit (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
According to these, control of the elastic modulus and elastic loss of the piezoelectric body by the negative capacitance circuit is realized when the entire capacitance is positive. When the overall capacitance is negative, the circuit oscillates. The capacitance of the negative capacitance circuit is C (<0), and the capacitance of the piezoelectric body is Cp. When a negative capacitor is connected in parallel to the piezoelectric body, the total capacitance is C + Cp ≧ 0, so the range that C can take is −Cp ≦ C ≦ 0. When negative capacitors are connected in series, the total capacitance is 1 / C + 1 / Cp ≧ 0, so the possible range of C is −∞ ≦ C ≦ −Cp.
[0005]
Under these conditions, the elastic modulus Y of the piezoelectric body is Y = Y₀(1-k²/ (1 + C / Cp))^-1It depends on the capacitance ratio between the negative capacitance and the piezoelectric body. K is an electromechanical coupling coefficient, Y₀Is the elastic modulus of the piezoelectric body when the electrodes are open. If the capacitance ratio is constant, the elastic modulus change depends on the square of the electromechanical coupling coefficient k. Therefore, the larger the electromechanical coupling coefficient k, the more significant the elastic modulus change. However, these do not take into account the electrical loss of the piezoelectric body, and it has been difficult to apply them to commonly used piezoelectric bodies.
[0006]
Therefore, a method for controlling the elastic modulus and elastic loss using a negative capacitance circuit taking into account the electrical loss of the piezoelectric body, and a method for controlling an elastic wave such as sound and vibration using the same have been proposed (for example, see Patent Document 3). ).
[0007]
According to this, when the electric loss coefficients of the piezoelectric body and the negative capacitance circuit are matched, the elastic modulus and elastic loss change according to the ratio of the real part of the complex capacitance of the piezoelectric body and the negative capacitance circuit, Accordingly, it is possible to change the sound insulation and sound absorption performance and vibration transmission characteristics of the piezoelectric body.
Furthermore, when a capacitor made of the same material as the time constant distribution circuit consisting of two or more capacitors, resistors, and coils or a piezoelectric material is used as an element or a part of the element constituting the negative capacitance circuit, an arbitrary frequency The loss factor of the piezoelectric body and the negative capacitance circuit can be matched in the band, and it is possible to cut off the sound in the frequency band or attenuate the vibration uniformly.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-74990
[Patent Document 2]
JP-A-11-161284
[Patent Document 3]
JP 2002-124713 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the thickness vibration of the piezoelectric ceramic, the electromechanical coupling coefficient k is 0.6, and in the length vibration of the piezoelectric polymer film, the electromechanical coupling coefficient k is approximately 0.05 that is 1/10 of the thickness vibration of the piezoelectric ceramic. . When the capacitance ratio is -0.6, the change in elastic modulus reaches 10 times in the thickness vibration of the piezoelectric ceramic, but only 1.6 times in the length vibration of the piezoelectric polymer film. The elastic modulus of a piezoelectric body connected with a negative capacitance has a capacitance ratio of-(1 -k²) At the maximum. The capacity ratio at this time is -0.64 when the thickness expansion / contraction of the piezoelectric ceramic is used, and -0.9975 when the length expansion / contraction of the piezoelectric polymer film is used.
[0010]
However, if the elastic modulus control is performed with the capacitance ratio exceeding -1, the overall capacitance becomes negative and oscillation occurs, so that the elastic modulus change is stably changed greatly as the electromechanical coupling coefficient k decreases. Will be difficult. That is, when sound and vibration control is performed using a negative capacity and a piezoelectric body, it is difficult to obtain a large control width (sound insulation rate, sound absorption rate, vibration transfer rate, etc.) as the electromechanical coupling coefficient k of the material used decreases.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to easily provide a large control width regardless of the size of the electromechanical coupling coefficient k of the piezoelectric body to be used. An object of the present invention is to provide a sound / vibration control device that can achieve the above.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is a negative capacitance circuit including at least two resistors, at least one capacitor, and at least one operational amplifier.oppositeTwo electrodesAnd a piezoelectric body sandwiched between them,A first piezoelectric polymer film having one electrode electrically connected to a positive or negative input terminal of the operational amplifier and the other electrode electrically connected to a ground;oppositeTwo electrodesAnd a piezoelectric body sandwiched between them,A second piezoelectric polymer film in which one electrode is electrically connected to either the positive or negative input terminal or output terminal of the operational amplifier via a buffer amplifier, and the other electrode is electrically connected to the ground. Is provided.
[0013]
  The invention according to claim 2 is the acoustic / vibration control device according to claim 1,Of the first and second piezoelectric polymer filmsThe difference in time during which distortion occurs is small and the distortion is almost in phase or out of phase.Arrangement of the first and second piezoelectric polymer filmsTo do.
[0014]
  The invention according to claim 3 is the acoustic / vibration control device according to claim 1 or 2,The first and second piezoelectric polymer films areFormed of the same substanceShiIt was.
[0015]
  The invention according to claim 4 is the acoustic / vibration control device according to claim 1, 2, or 3,Instead of the negative capacitance circuit, a negative resistance circuit or a negative inductance circuit is used.It was.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Here, FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an acoustic / vibration control device according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are configuration diagrams of a negative capacitance circuit, FIG. 4 is a configuration diagram of elements of the negative capacitance circuit, and FIG. 6 is a diagram illustrating the use of an auxiliary circuit for the piezoelectric body, FIG. 7 is a diagram illustrating the use of a buffer amplifier and an auxiliary circuit for the piezoelectric body, and FIG. 8 is an acoustic / vibration control device using a charge amplifier. FIG. 9 is a block diagram of an experimental apparatus to which the sound / vibration control apparatus according to the present invention is applied, and FIG. 10 is a frequency characteristic of sound transmission loss as a result of the experiment.
[0031]
As shown in FIG. 1, the acoustic / vibration control device according to the present invention includes two piezoelectric bodies 2 and 3 having a pair of electrodes 1 and 1 and a negative capacitance circuit 4.
As the piezoelectric bodies 2 and 3, Pb (Ti_n, Zr_1- _n) O_ThreeAnd piezoelectric ceramics such as bismuth layered compounds, polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride copolymers, piezoelectric polymers such as nylon, and composite materials composed of piezoelectric ceramics and polymers. The piezoelectric bodies 2 and 3 are inserted into a sound or vibration propagation path, or attached to a site that generates vibration. The method of arranging the piezoelectric bodies 2 and 3 needs to be appropriately performed according to the purpose and application.
[0032]
Here, the piezoelectric bodies 2 and 3 are stacked as shown in FIGS. 1A and 1B, and the piezoelectric bodies 2 and 3 are arranged as shown in FIGS. 1C and 1D. A method will be described. The piezoelectric bodies 2 and 3 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (c) do not contact each other and mechanical interference is small. In this case, since the sound blocking performance or the vibration damping performance decreases as the time difference between the distortions increases, it is necessary to reduce the time difference as much as possible so that it is substantially in phase or antiphase.
[0033]
The piezoelectric bodies 2 and 3 shown in FIGS. 1B and 1D are in direct contact with each other or bonded via the electrode 1. In this case, mechanical interference occurs between the piezoelectric bodies 2 and 3, but there is no time difference between the respective distortions.
[0034]
One piezoelectric body 2 is connected to the negative capacitance circuit 4 so as to be equivalent to a negative capacitance connected in parallel or in series. The other piezoelectric body 3 is connected so as to be an arbitrary part of the wiring constituting the negative capacitance circuit 4 or an element constituting the negative capacitance circuit 4 or a part of the element. The piezoelectric body 2 connected to the negative capacitance circuit 4 so as to be equivalent to connecting the negative capacitance in parallel or in series has an elastic modulus or an elastic loss by the negative capacitance circuit 4 as in the prior art. Is increased or decreased to block sound or attenuate vibration.
[0035]
The piezoelectric body 3 connected so as to be an arbitrary part of the negative capacitance circuit 4, an element constituting the negative capacitance circuit 4, or a part of the element has a negative effect on the elastic strain caused by the propagation of sound and vibration. Control is performed by distortion caused by piezoelectricity caused by the voltage applied by the capacitive capacitor circuit 4. If the elastic strain is approximately opposite in phase to the strain due to piezoelectricity, the strains cancel each other. This means that the apparent elastic modulus of the piezoelectric body 3 has increased, and is effective in blocking sound. On the other hand, when the elastic strain is in phase with the strain due to piezoelectricity, the elastic repulsion force is canceled out. This means that the apparent elastic modulus has decreased, and is effective in dampening vibration.
[0036]
FIG. 2 shows three types of specific configurations of the negative capacitance circuit 4. A negative capacity circuit 4a shown in FIG. 2A includes an operational amplifier (op-amp) 5, resistors R1 and R2, and a capacitor C.₀Capacitor C₀In this way, a positive feedback loop is configured. The piezoelectric body 2 provided with the pair of electrodes 1 and 1 is connected in parallel to the non-inverting input terminal 5a of the operational amplifier 5 and the ground, which is equivalent to connecting the piezoelectric body 2 and the negative capacitance in parallel.
[0037]
The negative capacitance circuit 4b shown in FIG. 2B includes an operational amplifier 5, resistors R1 and R2, and a capacitor C.₀Capacitor C₀In this way, a negative feedback loop is configured. The piezoelectric body 2 provided with the pair of electrodes 1 and 1 is connected in parallel to the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 and the ground, which is equivalent to connecting the piezoelectric body 2 and the negative capacitance in series.
[0038]
2 (c) includes an operational amplifier 5, resistors R0, R1, R2, R3, R4 and a capacitor C.₀Capacitor C connected in parallel with resistors R0 and R4₀In this way, a negative feedback loop is configured. The piezoelectric body 2 provided with the pair of electrodes 1 and 1 is connected in parallel to the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 and the ground, which is equivalent to connecting the piezoelectric body 2 and the negative capacitance in series.
For any negative capacitance circuit, the loss coefficient is made to substantially coincide with the loss coefficient of the piezoelectric body at a single frequency or an arbitrary frequency band.
[0039]
C₀In addition to the capacitor, there are a series connection or parallel connection of a capacitor and a resistor, and a time constant distribution circuit as shown in FIG. If the capacitor is made of the same material as that of the piezoelectric body 2, the loss coefficient can be easily matched with the loss coefficient of the piezoelectric body 2 regardless of temperature and frequency.
[0040]
Complex capacitance C in negative capacitance circuits 4a and 4b^*Is C^*= -C₀ ^*(R2 / R1). Where C₀ ^*Is the capacitor C₀Is the complex capacity of.
In the negative capacitance circuit 4c, the capacitor C₀Since the resistor Rp (= −R0 (R4 / R3)) is connected in parallel to the capacitor C, the capacitance C is C = −C₀ ^*(R2 / R1). C₀ ^*Is the capacitor C₀And a complex capacitance composed of a resistor Rp.
[0041]
Here, if all of the three negative capacitance circuits 4a, 4b, and 4c are configured by a single potentiometer (variable resistor), the negative capacitance circuits 4a, 4b, and 4c are variable. Become. Further, if the resistor R3 and the resistor R4 are configured by one potentiometer in the negative capacitance circuit 4c, the resistor Rp becomes variable.
[0042]
Further, the piezoelectric body 3 other than the piezoelectric body 2 connected so as to be equivalent to the negative capacitance connected in parallel or in series to the negative capacitance circuit 4 is an arbitrary one of the negative capacitance circuits 4a, 4b, 4c. The parts P1 to P10 and the ground are connected in parallel. As shown in FIG. 2, when the piezoelectric body 3 is connected to the parts P <b> 2, P <b> 5, P <b> 9 (the output terminal 5 c of the operational amplifier 5), the output voltage of the operational amplifier 5 is applied to the piezoelectric body 3.
Since the voltage fed back to the piezoelectric body 2 connected to the non-inverting input terminal 5a or the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 is a voltage obtained by dividing the output voltage of the operational amplifier 5 by the resistor R1 and the resistor R2, the part P2 , P5, P9 are applied with a voltage having a larger amplitude than the feedback voltage.
[0043]
When the piezoelectric body 3 is connected to the parts P1, P3, P4, P6, P7, and P10, the piezoelectric body 3 is connected to the non-inverting input terminal 5a of the operational amplifier 5 or the piezoelectric body 2 connected to the inverting input terminal 5b. A voltage having the same amplitude as the applied voltage is applied. When the piezoelectric body 3 is connected to the site P8, a voltage obtained by dividing the potential difference between the site P9 and the site P10 by the resistor R3 and the resistor R4 is applied to the piezoelectric body 3.
[0044]
Further, the piezoelectric material 3 made of the same material as the piezoelectric material 2 connected to the non-inverting input terminal 5a or the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 is inserted into a sound or vibration propagation path or directly to a site where vibration is generated. Capacitor C that is mounted and constitutes negative capacitance circuits 4a, 4b, 4c₀Are connected to the negative capacitance circuits 4a, 4b, and 4c so that the voltage between the input and output terminals of the operational amplifier 5 is applied to the piezoelectric body 3 to block sound or attenuate vibrations, The loss coefficients of the negative capacitance circuits 4a, 4b, 4c and the piezoelectric body 2 can be matched regardless of temperature and frequency.
[0045]
FIG. 3 shows a configuration of negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f different from the negative capacitance circuits 4a, 4b, and 4c shown in FIG. The elements 11 to 22 are composed of a resistor, a capacitor, a coil, or a combination of two or more thereof, and the piezoelectric body 2 connected to the non-inverting input terminal 5a or the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 in an arbitrary frequency band. It is possible to make the loss coefficients of the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f substantially coincide with each other.
[0046]
The elements 11, 12, 14, 15, 17, 18, 20, 21, 22 are resistors, and the elements 13, 16, 19 are composed of capacitors and resistors as shown in FIG. If the loss coefficients match in the frequency band, the loss coefficients can be easily matched in the frequency band. If capacitors of the same material as the piezoelectric body 2 are used as the capacitors constituting the elements 13, 16, and 19, the loss coefficients of the piezoelectric body 2 and the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f can be easily matched regardless of temperature and frequency. Can be made.
[0047]
If at least one of the capacitors or resistors constituting the elements 13, 16, and 19 is variable, the frequency characteristics of the loss coefficients of the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f can be made variable. Accordingly, the frequency band in which the piezoelectric bodies 2 and 3 block sound or attenuate vibrations changes.
[0048]
The capacitance of the negative capacitance circuit 4d shown in FIG. The capacity of the negative capacity circuit 4e shown in FIG. 3B is the product of the complex capacity of the element 16 and the impedance ratio of the elements 14 and 15. The capacitance of the negative capacitance circuit 4f shown in FIG. 3C includes a complex capacitance in which an element whose impedance is represented by an impedance product of the impedance ratio of the element 22 and the element 21 and the impedance product of the element 20 is connected in parallel to the element 19; 17 is the product of the impedance ratio of the element 18.
[0049]
Similarly to the negative capacitance circuits 4a, 4b, and 4c shown in FIG. 2, if the elements 11 and 12, the elements 14 and 15, and the elements 17 and 18 are composed of one potentiometer, the capacitance can be made variable. it can. Further, in the negative capacitance circuit 4f, if the elements 21 and 22 are configured by one potentiometer, the frequency characteristic of the loss coefficient can be made variable.
[0050]
The piezoelectric bodies 3 other than the piezoelectric body 2 connected to the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f so that the negative capacitance is equivalent to being connected in parallel or in series are provided with the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f. They are connected so as to be part of the constituent elements, or are connected in parallel to any part P11 to P20 of the negative capacitance circuits 4d, 4e, 4f and the ground.
[0051]
When the piezoelectric body 3 is connected so as to be part of the elements constituting the negative capacitance circuits 4d, 4e, 4f, a voltage applied to the element is applied to the piezoelectric body 3. When the piezoelectric body 3 is connected to the parts P12, P15, P19, the output voltage of the operational amplifier 5 is applied to the piezoelectric body 3. Furthermore, when connected to other parts, a voltage divided by the impedance of the element is applied to the piezoelectric body 3. In order to obtain a desired voltage amplitude, it is possible to divide the elements constituting the negative capacitance circuits 4d, 4e, 4f and connect them between them.
[0052]
In addition, the piezoelectric material 3 made of the same material as the piezoelectric material 2 connected to the non-inverting input terminal 5a or the inverting input terminal 5b of the operational amplifier 5 is inserted into a sound or vibration propagation path or directly to a site where vibration is generated. The negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f may be connected to the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f so as to be the elements 13, 16 and 19 constituting the negative capacitance circuits 4d, 4e, and 4f. A voltage between the input and output terminals of the operational amplifier 5 is applied to the piezoelectric body 3 to block sound or attenuate vibration, and at the same time, the loss coefficient of the negative capacitance circuits 4d, 4e, 4f and the piezoelectric body 2 Can be matched regardless of temperature and frequency.
[0053]
All the piezoelectric bodies 2 and 3 connected to the negative capacitance circuit 4 have element elements as shown in FIG. 5 in order to match the loss coefficients of the piezoelectric bodies 2 and 3 and the negative capacitance circuit 4 in an arbitrary frequency band. 31, 32, 33 are connected. Each element 31, 32, 33 is configured by a resistor, a capacitor, a coil, or a combination of two or more thereof. In addition, the element 31 may be open, and the element 32 and the element 33 may be short-circuited.
[0054]
In the acoustic / vibration control device according to the present invention, the piezoelectric body connected to the negative capacitance circuit 4 so as to be equivalent to the loss coefficient of the negative capacitance circuit 4 and that the negative capacitance is connected in series or in parallel. The piezoelectric body 2 can block sound or attenuate vibrations in a frequency band in which the loss coefficients of 2 substantially coincide. When the piezoelectric body 3 is newly added to an arbitrary part of the negative capacitance circuit 4, the electrical characteristics of the negative capacitance circuit 4 change.
[0055]
Therefore, the frequency characteristics of the capacitance and loss factor of the negative capacitance circuit 4 need to be obtained in consideration of the capacitance, loss factor, and connected portion of the newly added piezoelectric body 3. The loss factor of the negative capacitance circuit 4 obtained in this way is equal to the loss factor of the piezoelectric body 2 connected to the negative capacitance circuit 4 so as to be equivalent to the negative capacitance connected in series or in parallel. The piezoelectric bodies 2 and 3 can block sound or attenuate vibrations in a frequency band substantially matched.
[0056]
Among the piezoelectric bodies 2 and 3 connected to the negative capacitance circuit 4, the piezoelectric body 3 that is not equivalent to the one in which the negative capacitance is connected in parallel or in series is shown in FIG. One or more auxiliary circuits 41 may be connected between the negative capacitance circuits 4. Examples of the auxiliary circuit 41 include a buffer amplifier, a voltage amplifier, a voltage attenuator, a phase converter, and a delay circuit.
[0057]
If a buffer amplifier is used, the newly provided piezoelectric body 3 does not affect the electrical characteristics of the negative capacitance circuit 4, so that the capacitance of the negative capacitance circuit 4 can be obtained by a conventional method. Then, the loss coefficient of the negative capacitance circuit 4 and the loss coefficient of the piezoelectric body 2 connected to the negative capacitance circuit 4 so as to be equivalent to the connection of the negative capacitance in parallel or in series are set in an arbitrary frequency band. Can be easily matched.
[0058]
If a voltage amplifier or a voltage attenuator is used, the sound blocking performance or vibration damping performance of the newly provided piezoelectric body 3 can be increased or decreased regardless of the connection site of the negative capacitance circuit 4. Further, if the amplification factor or attenuation factor is variable, the sound blocking performance or vibration attenuation performance of the piezoelectric body 3 can be made variable.
[0059]
If a phase converter is used, the elastic loss of the piezoelectric body 3 can be increased in the frequency band, and sound and vibration can be attenuated. The attenuation rate becomes maximum when the phase difference is 90 °. Examples of the circuit having such an action include a differentiation circuit and an integration circuit. If the frequency band and the phase difference between the input voltage and the output voltage are variable, the frequency band and the attenuation rate at which sound and vibration are attenuated are variable.
[0060]
Further, distortion caused by the propagation of sound and vibration in the piezoelectric body 2 connected to the negative capacitance circuit 4 so that the negative capacitance is equivalent to being connected in series or in parallel, and any arbitrary capacitance of the negative capacitance circuit 4 When a time difference occurs between distortions caused by the propagation of sound and vibrations in the piezoelectric body 3 connected to the part, it is possible to compensate for performance deterioration due to the time difference of each distortion using a delay circuit.
Further, by connecting two or more buffer amplifiers, voltage amplifiers, voltage attenuators, phase converters or delay circuits, the respective effects can be obtained simultaneously.
[0061]
As shown in FIG. 7, if the auxiliary circuit 41 is connected between the piezoelectric body 3 and the buffer amplifier 42 and the buffer amplifier 42 is connected to the negative capacitance circuit 4, the electrical characteristics of the negative capacitance circuit 4 are given. The influence of the piezoelectric body 3 and the auxiliary circuit 41 can be prevented.
[0062]
In the embodiment of the present invention, the combination of the piezoelectric bodies 2 and 3 and the negative capacitance circuit 4 has been described. However, instead of the piezoelectric bodies 2 and 3, an electrostrictive material to which a bias strain or a bias voltage is applied, or A magnetostrictive material to which a bias strain or a bias current is applied can be used. Further, a negative inductance circuit can be used instead of the negative capacitance circuit 4.
[0063]
In addition, a material having a coupling effect between an electric system and a mechanical system is used instead of the piezoelectric bodies 2 and 3, and a negative resistance circuit, a negative capacitance circuit, a negative inductance circuit, etc. are used instead of the negative capacitance circuit 4. An electric circuit having a negative impedance characteristic of an object can be used.
[0064]
FIG. 8 shows a configuration in which a charge amplifier 45 is used instead of the negative capacitance circuit 4. One piezoelectric body 47, 48 provided with at least a pair of electrodes 46, 46 is connected to the input terminal and output terminal of the charge amplifier 45, respectively. Unlike the case where the negative capacitance circuit 4 is used, the charge amplifier 45 cannot control the elastic modulus of the piezoelectric body 47 connected to the input terminal. The piezoelectric body 47 detects sound and vibration but cannot control them.
[0065]
A voltage is applied from the output terminal of the charge amplifier 45 to the piezoelectric body 48 connected to the output terminal of the charge amplifier 45 when distortion occurs in the piezoelectric body 47 due to propagation of sound or vibration. Then, the piezoelectric body 48 is distorted due to piezoelectricity. If these strains are approximately in reverse phase, the net strain of the piezoelectric body 48 will decrease, and if they are in phase, the net strain will increase and the net elastic repulsion will be attenuated.
[0066]
In this way, the piezoelectric body 48 connected to the output terminal can change the apparent elastic modulus, and can arbitrarily block sound or attenuate vibration. Note that by connecting at least one auxiliary circuit 41 between the piezoelectric body 48 and the output terminal of the charge amplifier 45, the sound blocking performance and the vibration damping performance of the piezoelectric body 48 can be controlled.
[0067]
If a voltage amplifier or a voltage attenuator is used, it is possible to increase or decrease the sound blocking performance or vibration damping performance of the newly provided piezoelectric body 48. If the amplification factor or attenuation factor is variable, the sound blocking performance or vibration damping performance of the piezoelectric body 48 can be made variable.
[0068]
If a phase converter is used, the elastic loss of the piezoelectric body 48 can be increased in the frequency band, and sound and vibration can be attenuated. The attenuation rate becomes maximum when the phase difference is 90 °. A circuit having such an action includes a differentiation circuit and an integration circuit. If the frequency band and the phase difference between the input voltage and the output voltage are variable, the frequency band and the attenuation rate at which sound and vibration are attenuated are variable.
[0069]
In addition, the piezoelectric body 47 connected to the input terminal of the charge amplifier 45 has distortion caused by the propagation of sound and vibration, and the piezoelectric body 48 connected to the output terminal of the charge amplifier 45 has propagated sound and vibration. When a time difference occurs between the distortions caused by the above, if a similar time difference is provided in the voltage applied to the piezoelectric body 48 using a delay circuit, performance degradation due to the time difference between the respective distortions can be compensated. The piezoelectric bodies 47 and 48 may be electrostrictive materials to which a bias strain or a bias voltage is applied.
[0070]
Next, sound insulation control when a PVDF film is used as the piezoelectric body will be described. As shown in FIG. 9, the acoustic transmission loss of the PVDF film 51 was measured using the acoustic tube 50. An acrylic tube having an inner diameter of 43 mm is used as the acoustic tube 50, and the PVDF film 51 is formed into a dome shape from the back by a urethane foam 52 and a wire mesh 53. By making the dome shape, the PVDF film 51 generates in-plane stretching vibration when sound pressure is generated.
[0071]
In the acoustic tube 50, a PVDF film 51 formed in a dome shape is arranged in a double-front and rear direction with respect to incident sound. The distance between the two PVDF films 51 and 51 was about 5 mm. Electrodes 54 are deposited on both surfaces of the PVDF films 51 and 51. The negative capacitance circuit 4 used here has the same configuration as that of the negative capacitance circuit 4a shown in FIG. 2A, and the resistors R1 and R2 are configured by one potentiometer, and the capacitor C₀For this, a capacitor made of PVDF was used.
[0072]
In the PVDF film 51 arranged on the front side with respect to the incident sound, one electrode 54 was grounded and the other electrode 54 was connected to the negative capacitance circuit 4. Further, in the PVDF film 51 arranged on the rear side, one electrode 54 is grounded and the other electrode 54 is connected to the other electrode 54 in FIG. 2A so that distortion caused by sound is reduced by distortion caused by piezoelectricity caused by voltage. Is connected to a part P2 of the negative capacitance circuit 4a shown in FIG.
[0073]
FIG. 10 shows the frequency characteristics of sound transmission loss as an experimental result. The broken line is the result of using the PVDF film 51 not connected to the negative capacity circuit (no control), the dotted line is the result of performing the sound insulation control by the negative capacity circuit only on the front PVDF film 51 by the conventional method (prior art), The solid line shows the result of controlling the two PVDF films 51, 51 by the acoustic control device of the present invention (the method of the present invention).
[0074]
In the conventional method, the sound insulation control of the PVDF film 51 is about 5 dB from 200 Hz to 1.6 kHz. On the other hand, in the method of the present invention, the control width is expanded to 20 to 35 dB.
[0075]
【The invention's effect】
  As described above, according to the invention of claim 1,Piezoelectric polymer filmThe sound blocking performance or the vibration damping performance is connected to any part of the negative capacitance circuit, or connected to be an element or a part of the element constituting the negative capacitance circuit.Piezoelectric polymer filmIt can control by the applied voltage to. Therefore, it has a small electromechanical coupling coefficient kPiezoelectric polymer filmEven when using, it is possible to easily improve the sound blocking performance or the vibration damping performance.
[0076]
According to the invention which concerns on Claim 2, the interruption | blocking performance with respect to a sound or the damping performance with respect to a vibration can be improved.
[0077]
  According to the invention of claim 3, it is inserted into a sound or vibration propagation path or attached to a site that generates vibration.Piezoelectric polymer filmMake at least two of the same substanceTheAs a result, it is possible to widen the control frequency band and to compensate for temperature.
[0078]
  According to the invention of claim 4,Use negative resistance circuit or negative inductance circuit instead of negative capacity circuitByRealized acoustic control device and vibration control device that can block sound or attenuate vibrationcan do.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are schematic configuration diagrams of an acoustic / vibration control device according to the present invention, in which FIGS. 1A and 1B are a method for stacking piezoelectric bodies, and FIGS. 1C and 1D are a method for arranging piezoelectric bodies.
FIG. 2 shows a configuration diagram of a negative capacitance circuit, where (a) shows a case where a piezoelectric body and a negative capacitance are connected in parallel, and (b) and (c) show a case where a piezoelectric body and a negative capacitance are connected in series.
FIGS. 3A and 3B are configuration diagrams of a negative capacity circuit, where FIG. 3A shows a case where a piezoelectric body and a negative capacity are connected in parallel, and FIGS. 3B and 3C show a case where the piezoelectric body and the negative capacity are connected in series.
FIG. 4 is a configuration diagram of elements of a negative capacitance circuit.
FIG. 5 is a configuration diagram of a piezoelectric body and an element.
FIG. 6 is a diagram illustrating the use of an auxiliary circuit for a piezoelectric body.
FIG. 7 is a diagram illustrating the use of a buffer amplifier and an auxiliary circuit for a piezoelectric body.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an acoustic / vibration control device using a charge amplifier.
FIG. 9 is a block diagram of an experimental apparatus to which the sound / vibration control apparatus according to the present invention is applied.
FIG. 10 shows the frequency characteristics of sound transmission loss in the experimental results.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,46 ... Electrode, 2, 3, 47, 48 ... Piezoelectric body 4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f ... Negative capacitance circuit, 5 ... Operational amplifier, 42 ... Buffer amplifier, 45 ... Charge amplifier .

Claims

A negative capacitance circuit composed of at least two resistors, at least one capacitor and at least one operational amplifier ; two opposing electrodes; and a piezoelectric body sandwiched between them; A first piezoelectric polymer film that is electrically connected to the positive or negative input terminal and the other electrode is electrically connected to the ground, two opposing electrodes, and a piezoelectric body sandwiched between them A second piezoelectric high electrode that electrically connects one electrode to either the positive or negative input terminal or output terminal of the operational amplifier via a buffer amplifier and electrically connects the other electrode to the ground. An acoustic / vibration control device comprising a molecular film.

2. The first and second piezoelectric polymer films are arranged so that a difference in time during which distortion occurs between the first and second piezoelectric polymer films is small and the distortion is substantially in phase or in reverse phase. The described sound / vibration control device.

The acoustic / vibration control device according to claim 1, wherein the first and second piezoelectric polymer films are formed of the same material.

4. The acoustic / vibration control device according to claim 1, wherein a negative resistance circuit or a negative inductance circuit is used instead of the negative capacitance circuit.