JP6747809B2 - Material parameter estimation device, material parameter estimation method, and material parameter estimation program - Google Patents
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Description
本発明は、材料パラメータ推定装置、材料パラメータ推定方法、及び材料パラメータ推定プログラムに関する。 The present invention relates to a material parameter estimation device, a material parameter estimation method, and a material parameter estimation program.
自動車、OA機器、家電製品、住宅といった様々な製品の付加価値の一つとして、「静粛性」が求められるようになってきている。この静粛性を高めるためには、吸音、遮音といった作用を持つ材料が用いられることが多い。このような材料は音響材料と呼ばれている。音響材料は、単一材料である場合もあれば、複数の材料を層状に積み重ねた積層材料である場合もある。 "Quietness" is being demanded as one of the added values of various products such as automobiles, office automation equipment, home appliances, and homes. In order to enhance the quietness, a material having an effect of absorbing and insulating sound is often used. Such materials are called acoustic materials. The acoustic material may be a single material or a laminated material in which a plurality of materials are stacked in layers.
ここで、吸音とは、ある材料に入射した音が反射せずに当該材料に吸収される、または透過することをいう。吸音の性能は吸音率という値で評価される。また、遮音とは、ある材料に入射した音が当該材料を通り抜けないことをいう。遮音の性能は音響透過損失という値で評価される。吸音率及び音響透過損失はいずれも周波数の関数である。吸音率と音響透過損失とをまとめて音響性能と呼ぶ。 Here, sound absorption means that sound incident on a certain material is absorbed or transmitted by the material without being reflected. The sound absorption performance is evaluated by the value of sound absorption coefficient. Further, sound insulation means that sound incident on a material does not pass through the material. The sound insulation performance is evaluated by the value of sound transmission loss. Both sound absorption and sound transmission loss are functions of frequency. The sound absorption coefficient and the sound transmission loss are collectively called acoustic performance.
音響材料を開発する場合には、実際に試作してみて、当該試作材料の音響性能を実測してその測定結果が所望のものかどうかを確認し、所望の結果が得られるまで試作と実測とを繰り返すことが一般的である。ただ、試作を複数回行うことになるため材料のコストがかさむ。また、試作材料の音響性能を実測するためには、専用の設備が必要となる。さらに、試作と実測とを繰り返すため、開発期間が長期化することが多い。 When developing an acoustic material, actually make a prototype, measure the acoustic performance of the prototype material, check whether the measurement result is desired, and perform trial and actual measurement until the desired result is obtained. It is common to repeat. However, the cost of the material is high because the trial manufacture is performed multiple times. In addition, dedicated equipment is required to measure the acoustic performance of the prototype material. Furthermore, since the trial manufacture and the actual measurement are repeated, the development period is often extended.
そこで、試作及び実測を繰り返すという手法に代えて、音響材料を数理モデルとして数学的に表現し、その数理モデルにしたがって当該音響材料の音響性能を計算するという手法がとられることもある。この手法の場合、モデル化しようとする材料の特性、例えば当該材料の密度、厚さといった材料パラメータの値を決め、それらの値を用いて当該材料の音響性能を計算する。数理モデルにはいくつかあり、モデル化の対象となる材料の種類によって、使用する数理モデルが異なる。また、数理モデルによって必要となる材料パラメータの種類も異なる。もちろん、音響材料が積層材料である場合には、材料ごとに異なる数理モデルを用いることができる。特許文献1には、数理モデルの一つであるビオモデルが記載されている。
Therefore, instead of repeating the trial manufacture and actual measurement, a method of mathematically expressing the acoustic material as a mathematical model and calculating the acoustic performance of the acoustic material according to the mathematical model may be used. In the case of this method, the characteristics of the material to be modeled, for example, the values of material parameters such as the density and thickness of the material are determined, and the acoustic performance of the material is calculated using these values. There are several mathematical models, and the mathematical model to be used differs depending on the type of material to be modeled. Also, the types of material parameters required depend on the mathematical model. Of course, when the acoustic material is a laminated material, different mathematical models can be used for each material.
音響材料の例として、繊維系多孔質材料が挙げられる。繊維系多孔質材料の骨格となる繊維をそれ単体で見たときに、ポリエステル等の高分子材料や綿などの繊維は非常に柔らかい。その一方で、ガラス繊維や岩綿などの人造鉱物繊維等で構成されている繊維は非常に硬い。ゆえに、多孔質材料全体の弾性は骨格の弾性に少なからず影響される。 A fibrous porous material is mentioned as an example of an acoustic material. When the fibers that form the skeleton of the fibrous porous material are viewed alone, the polymeric materials such as polyester and the fibers such as cotton are very soft. On the other hand, fibers composed of artificial mineral fibers such as glass fibers and rock wool are very hard. Therefore, the elasticity of the entire porous material is affected to a large extent by the elasticity of the skeleton.
この多孔質材料の弾性が非常に柔らかいとみなせるときは、音波が多孔質材料に入射すると該材料が音波によって励振され音波と同じように振動し、骨格の振動が多孔質材料の音響性能に与える影響は小さいと考えられる。他方、多孔質材料の弾性が硬いとみなせるときは、該材料に音波が入射しても骨格は容易に振動せず、その骨格の振動を無視できると考えられる。 When the elasticity of this porous material can be regarded as very soft, when a sound wave enters the porous material, the material is excited by the sound wave and vibrates in the same manner as the sound wave, and the vibration of the skeleton gives the acoustic performance of the porous material. The impact is considered to be small. On the other hand, when the elasticity of the porous material can be regarded as hard, it is considered that the skeleton does not easily vibrate even when a sound wave enters the material, and the vibration of the skeleton can be ignored.
このように多孔質材料の骨格が柔らかい場合や硬い場合、多孔質材料の弾性を無視してモデル化することがある。特に繊維系の多孔質材料は弾性を無視しても差し支えないことが多い。骨格の硬い多孔質材料の弾性を無視したモデルを提唱したのがJohnson氏、Champoux氏、Allard氏に代表される研究者たちである。この弾性を無視したモデルは、3人の名前の頭文字をとって「JCAモデル」と呼ばれている。 In this way, when the skeleton of the porous material is soft or hard, the elasticity of the porous material may be ignored for modeling. In particular, the fibrous porous material often neglects elasticity. Researchers represented by Mr. Johnson, Mr. Campoux, and Mr. Allard proposed a model that ignored the elasticity of a porous material with a hard skeleton. This model ignoring elasticity is called the "JCA model" by taking the initials of the three names.
骨格が硬いために多孔質材料全体の弾性を無視したモデルは広く剛骨格モデル(rigid frame model)と呼ばれている。JCAモデルは剛骨格モデルに属する。また、骨格が柔らかいために弾性を無視したモデルは柔骨格モデル(limp frame model)と呼ばれている。 A model that ignores the elasticity of the entire porous material due to its rigid skeleton is widely called a rigid frame model. The JCA model belongs to the rigid skeleton model. A model that ignores elasticity because the skeleton is soft is called a soft skeleton model (limp frame model).
JCAモデルにおいては、(1)多孔度、(2)流れ抵抗、(3)迷路度、(4)粘性特性長、(5)熱的特性長の5つの材料パラメータが用いられる。これらの材料パラメータは、音響材料の流体特性、すなわち、空気伝搬音に関するものである。具体的には、多孔度は、音響材料中の空気の占める割合である。空隙の占める割合が大きいほど音響材料の多孔度は大きくなる。次に、流れ抵抗は、音響材料中の空気の流れにくさを表す数値である。音は空気の振動であるため、音響材料の流れ抵抗が大きい場合には、当該材料内では空気が流れにくくなり、つまり、当該材料は音を伝えにくい材料であると言える。この流れ抵抗は、材料パラメータの中でも、非常に大きなウェイトをしめるものである。また、迷路度は、空隙により生まれる空気の経路の形状の複雑さを表す数値である。迷路度が大きければ、それだけ音が材料中を長く伝わるため、より吸音されることになる。粘性特性長及び熱的特性長は、それぞれ、粘性損失及び熱交換損失の大きさを表す数値である。 The JCA model uses five material parameters: (1) porosity, (2) flow resistance, (3) labyrinth degree, (4) viscous characteristic length, and (5) thermal characteristic length. These material parameters relate to the fluid properties of the acoustic material, ie the airborne sound. Specifically, porosity is the proportion of air in the acoustic material. The greater the percentage of voids, the greater the porosity of the acoustic material. Next, the flow resistance is a numerical value that represents the difficulty of the air flow in the acoustic material. Since sound is vibration of air, when the flow resistance of the acoustic material is large, it is difficult for air to flow in the material, that is, it can be said that the material is a material that hardly transmits sound. This flow resistance has a very large weight among the material parameters. The maze degree is a numerical value that represents the complexity of the shape of the air path created by the void. The greater the maze degree, the more sound travels through the material, and the more sound is absorbed. The viscous characteristic length and the thermal characteristic length are numerical values representing the magnitudes of the viscous loss and the heat exchange loss, respectively.
上述のJCAモデルにより多孔質材料の音響性能を推定するには、それぞれに適切な5つの材料パラメータが必要となる。この材料パラメータは、一般的に、同一の材料であっても成型加工などの圧縮等による変形が生じた場合には、全ての材料パラメータの値が変わってしまう。したがって、音響性能を推定したい多孔質材料の状態全てに対してその都度材料パラメータを求め直さねばならず、非常な労力を伴うこととなる。 In order to estimate the acoustic performance of the porous material by the above JCA model, five appropriate material parameters are required for each. With respect to this material parameter, generally, even if the same material is used, if deformation occurs due to compression or the like such as molding, all the material parameter values change. Therefore, it is necessary to recalculate the material parameters for each state of the porous material whose acoustic performance is to be estimated, which is very laborious.
そのため、多孔質材料の変形による材料パラメータの値の変化を容易に推定する手段が望まれる。そのような手段の例が、非特許文献1及び2に記載されている。非特許文献1では、5つ全ての材料パラメータについて、多孔質材料が圧縮される場合の推定が試みられている。また、非特許文献2では、流れ抵抗について検討が加えられている。
Therefore, a means for easily estimating the change in the value of the material parameter due to the deformation of the porous material is desired. Examples of such means are described in
非特許文献2には、流れ抵抗以外の材料パラメータについては言及されておらず、かつ適用可能な多孔質材料の形状が限られていると考えられる。また、非特許文献1における推定も、適用範囲が狭くかつ検証が不十分であると考えられる。
Non-Patent
本発明は、かかる不都合を解消し、多孔質材料の変形前における材料パラメータを用いて、当該多孔質材料の変形後における材料パラメータを推定する際の推定精度を向上させることを目的とする。 It is an object of the present invention to eliminate such an inconvenience and improve the estimation accuracy when estimating the material parameter after the deformation of the porous material by using the material parameter before the deformation of the porous material.
上記の目的を達成するために、本発明に係る材料パラメータ推定においては、まず、多孔質材料の変形前における多孔度φ(1)と、前記変形に伴う前記多孔質材料の体積変化率Pとの入力が受け付けられる。そして、前記多孔質材料の変形後における多孔度φ(P)が、
材料パラメータ推定の別の形態においては、まず、多孔質材料の変形前における多孔度φ(1)及び粘性特性長Λ(1)と、前記変形に伴う前記多孔質材料の体積変化率Pとの入力が受け付けられる。そして、前記多孔質材料の変形後における粘性特性長Λ(P)が、
材料パラメータ推定の別の形態においては、まず、多孔質材料の変形前における多孔度φ(1)及び熱的特性長Λ’(1)と、前記変形に伴う前記多孔質材料の体積変化率Pとの入力が受け付けられる。そして、前記多孔質材料の変形後における熱的特性長Λ’(P)が、
本発明によれば、多孔質材料の変形後において材料パラメータを再測定せずに、多孔質材料の変形前における材料パラメータを用いて、当該多孔質材料の変形後における材料パラメータを推定することができるとともに、その推定精度を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to estimate the material parameter after the deformation of the porous material by using the material parameter before the deformation of the porous material without re-measurement of the material parameter after the deformation of the porous material. It is possible to improve the estimation accuracy.
図1に、繊維系の多孔質材料の断面を示している。多孔質材料1は、骨格2と、骨格2の間の空隙3とを有している。多孔質材料1が、成型加工等による圧縮又は膨張といった変形をする場合、骨格2の間の空隙3が変形することが多く、骨格2自体が変形することは稀である。そこで、多孔質材料の変形に伴って空隙のみが変形すると仮定する。
FIG. 1 shows a cross section of a fibrous porous material. The
変形前の多孔質材料において、骨格が占める体積をVf、空隙が占める体積をVa、全体の体積をVTとすると、以下のような関係がある。
VT=Vf+Va
When the volume occupied by the skeleton of the porous material before deformation is V f , the volume occupied by voids is V a , and the total volume is V T , the following relationships are established.
V T =V f +V a
そして、多孔質材料の変形後における全体の体積VT (P)は、以下のように表される。
VT (P):=PVT=Vf+PVa
ただし、Pは、変形に伴う多孔質材料の体積変化率である。P>1のとき体積は増加し、P<1のとき体積は減少する。また、変形後における空隙の体積Va (P)は以下のように表される。
Va (P):=PVa
Then, the total volume V T (P) of the porous material after the deformation is expressed as follows.
V T (P): = PV T = V f + PV a
However, P is a volume change rate of the porous material due to deformation. When P>1, the volume increases, and when P<1, the volume decreases. In addition, the volume V a (P) of the void after deformation is expressed as follows.
V a (P) := PV a
以上を踏まえた本発明の実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。 An embodiment of the present invention based on the above will be described below. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[多孔度]
多孔質材料の変形前における多孔度φ(1)は、その定義より、以下のように表される。
From its definition, the porosity φ (1) of the porous material before deformation is expressed as follows.
このように、変形前の多孔度φ(1)と変形に伴う体積変化率Pとによって、変形後の多孔度φ(P)を求めることができる。また、体積変化率Pが未知であって、変形前の多孔度φ(1)と変形後の多孔度φ(P)とが与えられている場合は、式(2)から、以下のように体積変化率Pを求めることができる。
図2に、変形前の多孔度φ(1)=0.99における、変形後の多孔度φ(P)と体積変化率Pとの関係を示している。 FIG. 2 shows the relationship between the post-deformation porosity φ (P) and the volume change rate P when the pre-deformation porosity φ (1) =0.99.
図3に、多孔度を含む材料パラメータの、変形後における値を推定する材料パラメータ推定装置5の機能構成例を示している。材料パラメータ推定装置5は、受付部51と推定部52とを備えている。受付部51及び推定部52の機能は後述する。
FIG. 3 shows an example of the functional configuration of the material
図4は、材料パラメータ推定装置5のコンピュータハードウエア構成例を示している。材料パラメータ推定装置5は、CPU510と、インタフェース装置520と、表示装置530と、入力装置540と、ドライブ装置550と、補助記憶装置560と、メモリ装置570とを備えており、これらがバス580により相互に接続されている。
FIG. 4 shows a computer hardware configuration example of the material
材料パラメータ推定装置5の機能を実現するプログラムは、CD−ROM等の記録媒体590によって提供される。プログラムを記録した記録媒体590がドライブ装置550にセットされると、プログラムが記録媒体590からドライブ装置550を介して補助記憶装置560にインストールされる。あるいは、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体590により行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータからダウンロードすることもできる。補助記憶装置560は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。
A program that realizes the function of the material
メモリ装置570は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置560からプログラムを読み出して格納する。CPU510は、メモリ装置570に格納されたプログラムにしたがって材料パラメータ推定装置5の機能を実現する。インタフェース装置520は、ネットワークを通して他のコンピュータに接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置530はプログラムによるGUI(Graphical User Interface)等を表示する。入力装置540はキーボード及びマウス等である。
The
多孔度の推定にあたり、材料パラメータ推定装置5内の受付部51は、変形前の多孔度φ(1)の入力と、変形に伴う体積変化率Pの入力とを受け付ける。そして、推定部52は、式(2)により、変形後の多孔度φ(P)を推定する。
In estimating the porosity, the
なお、変形前の多孔度φ(1)は、実測値及び計算値のいずれでもよい。 The porosity φ (1) before deformation may be either an actually measured value or a calculated value.
[迷路度]
発明者は、コンピュータによる数値流体解析(以下2次元CFDと表す)を事前に行った。具体的には、複素変数境界要素法(CVBEM)を用いた、非圧縮性非粘性流体の2次元理想流体定常流解析を行った。その結果、変形後の迷路度α∞ (P)は、変形後の多孔度φ(P)に対する1次式で表現できることを見いだした。この1次式の傾きをaとし、式(1)も用いると、以下のようにして、変形後の迷路度α∞ (P)を求めることができる。
The inventor previously performed a computational fluid dynamics analysis (hereinafter referred to as a two-dimensional CFD) by a computer. Specifically, a two-dimensional ideal fluid steady flow analysis of an incompressible inviscid fluid was performed using the complex variable boundary element method (CVBEM). As a result, it was found that the deformed maze degree α ∞ (P) can be expressed by a linear expression with respect to the deformed porosity φ (P) . If the slope of this linear equation is set to a and Equation (1) is also used, the degree of maze α ∞ (P) after deformation can be obtained as follows.
図5に、4種の繊維径の多孔質材料に対する、変形後の迷路度α∞ (P)と変形後の多孔度φ(P)との関係を示している。繊維径とは、図1(A)の符号Dとして示しているように、円形断面を有する骨格2の直径である。
FIG. 5 shows the relationship between the labyrinth degree α ∞ (P) after deformation and the porosity φ (P) after deformation for porous materials having four fiber diameters. The fiber diameter is the diameter of the
図5において、丸印(○)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径10μmの場合の迷路度を表している。四角形(□)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径5μmの場合の迷路度を表している。三角形(△)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径2.5μmの場合の迷路度を表している。ひし形(◇)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径1μmの場合の迷路度を表している。なお、同図において、丸印の点と四角形の点と三角形の点とは、ひし形の点と重なっているため、明瞭に表されていない。 In FIG. 5, a circle (∘) represents a maze degree obtained by the two-dimensional CFD when the fiber diameter is 10 μm. The square (□) points represent the degree of maze obtained by two-dimensional CFD when the fiber diameter is 5 μm. The points of triangles (Δ) represent the degree of maze obtained by two-dimensional CFD when the fiber diameter is 2.5 μm. The diamond points (⋄) represent the degree of maze obtained by two-dimensional CFD for a fiber diameter of 1 μm. Note that, in the figure, the circled points, the quadrangular points, and the triangular points are not clearly shown because they overlap the diamond-shaped points.
同じく図5において、グラフG11は、繊維径10μmの場合の、式(4)を用いた、迷路度の推定値を表している。グラフG12は、繊維径5μmの場合の、式(4)を用いた、迷路度の推定値を表している。グラフG13は、繊維径2.5μmの場合の、式(4)を用いた、迷路度の推定値を表している。グラフG14は、繊維径1μmの場合の、式(4)を用いた、迷路度の推定値を表している。 Similarly, in FIG. 5, a graph G11 represents the estimated value of the maze degree using the equation (4) when the fiber diameter is 10 μm. The graph G12 represents the estimated value of the maze degree using the equation (4) when the fiber diameter is 5 μm. The graph G13 represents the estimated value of the maze degree using the equation (4) when the fiber diameter is 2.5 μm. The graph G14 represents the estimated value of the maze degree using the equation (4) when the fiber diameter is 1 μm.
このように、変形後の迷路度α∞ (P)は、変形後の多孔度φ(P)に対する1次式で表現することができる。変形後の多孔度φ(P)が0.9以上の場合においては特に、推定精度が高いことがわかる。 In this way, the deformed maze degree α ∞ (P) can be expressed by a linear expression with respect to the deformed porosity φ (P) . It can be seen that the estimation accuracy is particularly high when the post-deformation porosity φ (P) is 0.9 or more.
迷路度の推定にあたり、材料パラメータ推定装置5内の受付部51は、変形前の迷路度α∞ (1)の入力と、変形に伴う体積変化率Pの入力とを受け付ける。そして、推定部52は、式(4)により、変形後の迷路度α∞ (P)を推定する。
In estimating the degree of maze, the accepting
なお、変形前の迷路度α∞ (1)は、実測値及び計算値のいずれでもよい。 The labyrinth degree α ∞ (1) before deformation may be either an actually measured value or a calculated value.
[熱的特性長]
変形前における熱的特性長をΛ’(1)は、その定義より、以下のように表される。
From the definition, the thermal characteristic length Λ′ (1) before deformation is expressed as follows.
このように、変形前の熱的特性長Λ’(1)が既知であれば、体積変化率Pと変形前における多孔度φ(1)から、変形後の熱的特性長Λ’(P)を求めることができる。 Thus, if the thermal characteristic length Λ′ (1) before deformation is known, the thermal characteristic length Λ′ (P) after deformation can be calculated from the volume change rate P and the porosity φ (1) before deformation. Can be asked.
図6に、円形断面の4種の繊維径の多孔質材料における、変形後の熱的特性長Λ’(P)と変形後の多孔度φ(P)との関係を示している。丸印(○)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径10μmの熱的特性長を表している。四角形(□)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径5μmの熱的特性長を表している。三角形(△)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径2.5μmの熱的特性長を表している。ひし形(◇)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径1μmの熱的特性長を表している。なお、2次元CFDにおいては、迷路度と同様に、複素変数境界要素法(CVBEM)を用いた、非圧縮性非粘性流体の2次元理想流体定常流解析を行った。 FIG. 6 shows the relationship between the deformed thermal characteristic length Λ′ (P) and the deformed porosity φ (P) in a porous material having four fiber diameters with a circular cross section. A circle (∘) represents a thermal characteristic length of a fiber diameter of 10 μm obtained by two-dimensional CFD. The square (□) points represent the thermal characteristic length of the fiber diameter of 5 μm obtained by the two-dimensional CFD. The triangle (Δ) points represent the thermal characteristic length of the fiber diameter of 2.5 μm, which was obtained by the two-dimensional CFD. The diamond (⋄) points represent the thermal characteristic length of the fiber diameter of 1 μm obtained by the two-dimensional CFD. In the two-dimensional CFD, a two-dimensional ideal fluid steady flow analysis of an incompressible inviscid fluid was performed using the complex variable boundary element method (CVBEM) as in the case of the maze degree.
同じく図6において、グラフG21は、繊維径10μmの場合の、式(6)を用いた、熱的特性長の推定値を表している。グラフG22は、繊維径5μmの場合の、式(6)を用いた、熱的特性長の推定値を表している。グラフG23は、繊維径2.5μmの場合の、式(6)を用いた、熱的特性長の推定値を表している。グラフG24は、繊維径1μmの場合の、式(6)を用いた、熱的特性長の推定値を表している。 Similarly, in FIG. 6, a graph G21 represents an estimated value of the thermal characteristic length using the equation (6) when the fiber diameter is 10 μm. The graph G22 represents the estimated value of the thermal characteristic length using the equation (6) when the fiber diameter is 5 μm. The graph G23 represents the estimated value of the thermal characteristic length using the equation (6) when the fiber diameter is 2.5 μm. The graph G24 represents the estimated value of the thermal characteristic length using the equation (6) when the fiber diameter is 1 μm.
このように、4種の繊維径のいずれにおいても、式(6)により変形後の熱的特性長を精度良く推定できることがわかる。 Thus, it is understood that the thermal characteristic length after deformation can be accurately estimated by the equation (6) for any of the four fiber diameters.
熱的特性長の推定にあたり、材料パラメータ推定装置5内の受付部51は、変形前の熱的特性長Λ’(1)の入力と、変形前の多孔度φ(1)の入力と、変形に伴う体積変化率Pの入力とを受け付ける。そして、推定部52は、式(6)により、変形後の熱的特性長Λ’(P)を推定する。
In estimating the thermal characteristic length, the
なお、変形前の熱的特性長Λ’(1)及び多孔度φ(1)は、実測値及び計算値のいずれでもよい。 The thermal characteristic length Λ′ (1) and the porosity φ (1) before deformation may be either actual measured values or calculated values.
[粘性特性長]
2次元CFDの結果、変形後の粘性特性長Λ(P)は、変形後の多孔度φ(P)に対して熱的特性長とほぼ同じ変化をすることを発明者は見いだした。そこで、式(6)を参考にして、変形後の粘性特性長Λ(P)は以下のように表される。
As a result of the two-dimensional CFD, the inventor found that the deformed viscous characteristic length Λ (P) changes almost the same as the thermal characteristic length with respect to the deformed porosity φ (P) . Therefore, referring to the equation (6), the viscosity characteristic length Λ (P) after deformation is expressed as follows.
このように、変形前の粘性特性長Λ(1)が既知であれば、体積変化率Pと変形前の多孔度φ(1)から、変形後の粘性特性長Λ(P)を求めることができる。 Thus, if the viscosity characteristic length Λ (1) before deformation is known, the viscosity characteristic length Λ (P) after deformation can be obtained from the volume change rate P and the porosity φ (1) before deformation. it can.
図7に、円形断面の4種の繊維径の多孔質材料における、変形後の粘性特性長Λ(P)と変形後の多孔度φ(P)との関係を示している。丸印(○)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径10μmの粘性特性長を表している。四角形(□)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径5μmの粘性特性長を表している。三角形(△)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径2.5μmの粘性特性長を表している。ひし形(◇)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径1μmの粘性特性長を表している。 FIG. 7 shows the relationship between the post-deformation viscosity characteristic length Λ (P) and the post-deformation porosity φ (P) in a porous material having four fiber diameters with a circular cross section. A circle (∘) represents a viscous characteristic length of a fiber diameter of 10 μm obtained by two-dimensional CFD. The square (□) points represent the viscous characteristic length of the fiber diameter of 5 μm obtained by the two-dimensional CFD. The points of triangles (Δ) represent the viscous characteristic length of the fiber diameter of 2.5 μm obtained by the two-dimensional CFD. The diamond (⋄) points represent the viscous characteristic length of the fiber diameter of 1 μm obtained by the two-dimensional CFD.
同じく図7において、グラフG31は、繊維径10μmの場合の、式(7)を用いた、粘性特性長の推定値を表している。グラフG32は、繊維径5μmの場合の、式(7)を用いた、粘性特性長の推定値を表している。グラフG33は、繊維径2.5μmの場合の、式(7)を用いた、粘性特性長の推定値を表している。グラフG34は、繊維径1μmの場合の、式(7)を用いた、粘性特性長の推定値を表している。 Similarly, in FIG. 7, a graph G31 represents an estimated value of the viscosity characteristic length using the equation (7) when the fiber diameter is 10 μm. The graph G32 represents the estimated value of the viscosity characteristic length using the equation (7) when the fiber diameter is 5 μm. The graph G33 represents the estimated value of the viscosity characteristic length using the equation (7) when the fiber diameter is 2.5 μm. The graph G34 represents the estimated value of the viscosity characteristic length using the equation (7) when the fiber diameter is 1 μm.
このように、4種の繊維径のいずれにおいても、式(7)により変形後の粘性特性長を精度良く推定することが可能である。 Thus, for any of the four fiber diameters, the viscous characteristic length after deformation can be accurately estimated by the equation (7).
粘性特性長の推定にあたり、材料パラメータ推定装置5内の受付部51は、変形前の粘性特性長Λ(1)の入力と、変形前の多孔度φ(1)の入力と、変形に伴う体積変化率Pの入力とを受け付ける。そして、推定部52は、式(7)により、変形後の粘性特性長Λ(P)を推定する。
In estimating the viscosity characteristic length, the
なお、変形前の粘性特性長Λ(1)及び多孔度φ(1)は、実測値及び計算値のいずれでもよい。 The viscosity characteristic length Λ (1) and the porosity φ (1) before deformation may be either actually measured values or calculated values.
[流れ抵抗]
流れ抵抗を測定するときの多孔質材料中を流れる空気の流速は極めて遅く、そのときのレイノルズ数は1よりも十分に小さい。そのため、多孔質材料中の空気の流れを表現する方程式として、ナビエ−ストークス(Navier−Stokes)方程式における慣性項を無視したストークス近似を採用する。この近似におけるストークス方程式は、以下のように表される。
The flow velocity of the air flowing through the porous material when measuring the flow resistance is extremely low, and the Reynolds number at that time is sufficiently smaller than 1. Therefore, the Stokes approximation in which the inertial term in the Navier-Stokes equation is ignored is adopted as an equation expressing the flow of air in the porous material. The Stokes equation in this approximation is expressed as follows.
ただし、μは空気の粘度であり、uは多孔質材料の表面から裏面に向かって流れる空気の、該多孔質材料中の流速である。多孔質材料に浸入する前の与えられた速度をU、その多孔質材料の多孔度をφとすると、u=U/φと表すことができる。また、pは圧力を表し、gradは方向微分である。そのため、圧力pの方向微分(grad p)は、多孔質材料の表裏面における圧力差を表すと考えることができる。すなわち、以下の通りである。
さらに、式(8)におけるΔは方向の2階微分を表す。したがって、式(8)が示すところは、圧力差grad pは、多孔質材料中の流速uに比例し、長さLの2乗に逆比例すると解釈できる。すなわち、以下の通りである。
他方、変形前の流れ抵抗σ(1)は、その定義から、式(9)も考慮すると、以下のように表される。
次に、変形後の流れ抵抗を考えるのだが、変形に伴って体積がP倍になるということは、2次元的な変形を考えると、正方形の多孔質材料の一辺の長さは√P倍となる。ゆえに変形後の流れ抵抗σ(P)は、式(10)を参照して、以下のように表される。
3次元的な変形(前後左右上下から力が加わる)の場合は、立方体の多孔質材料の一辺の長さはPの立方根倍となる。そのため、3次元的な変形後の流れ抵抗σ(P)は、以下のように表される。
すなわち、式(2)も考えると、変形前の流れ抵抗σ(1)が既知であるならば、体積変化率Pと変形前の多孔度φ(1)から、変形後の流れ抵抗σ(P)を求めることができる。 That is, considering the equation (2), if the flow resistance σ (1) before deformation is known, the flow resistance σ (P after deformation is calculated from the volume change rate P and the porosity φ (1) before deformation. ) Can be asked.
図8に、円形断面の4種の繊維径の多孔質材料における、変形後の流れ抵抗σ(P)と変形後の多孔度φ(P)との関係を示している。丸印(○)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径10μmの流れ抵抗を表している。四角形(□)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径5μmの流れ抵抗を表している。三角形(△)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径2.5μmの流れ抵抗を表している。ひし形(◇)の点は、2次元CFDにより得られた、繊維径1μmの流れ抵抗を表している。なお、2次元CFDにおいては、非圧縮性粘性流体の2次元定常流解析を行った。 FIG. 8 shows the relationship between the flow resistance σ (P) after deformation and the porosity φ (P) after deformation in a porous material having four fiber diameters with a circular cross section. The circle (∘) represents the flow resistance of the fiber diameter of 10 μm obtained by the two-dimensional CFD. The square (□) points represent the flow resistance of the fiber diameter of 5 μm obtained by the two-dimensional CFD. The points of triangles (Δ) represent the flow resistance of the fiber diameter of 2.5 μm obtained by the two-dimensional CFD. The diamond points (⋄) represent the flow resistance of the fiber diameter of 1 μm obtained by the two-dimensional CFD. In the two-dimensional CFD, a two-dimensional steady flow analysis of an incompressible viscous fluid was performed.
同じく図8において、グラフG41は、繊維径10μmの場合の、式(11)を用いた、流れ抵抗の推定値を表している。グラフG42は、繊維径5μmの場合の、式(11)を用いた、流れ抵抗の推定値を表している。グラフG43は、繊維径2.5μmの場合の、式(11)を用いた、流れ抵抗の推定値を表している。グラフG44は、繊維径1μmの場合の、式(11)を用いた、流れ抵抗の推定値を表している。 Similarly, in FIG. 8, a graph G41 represents an estimated value of the flow resistance using the equation (11) when the fiber diameter is 10 μm. The graph G42 represents the estimated value of the flow resistance using the equation (11) when the fiber diameter is 5 μm. The graph G43 represents the estimated value of the flow resistance using the equation (11) when the fiber diameter is 2.5 μm. The graph G44 represents the estimated value of the flow resistance using the equation (11) when the fiber diameter is 1 μm.
このように、4種の繊維径のいずれにおいても、式(11)により変形後の流れ抵抗を精度良く推定することができる。変形後の多孔度φ(P)が0.9以上の場合においては特に、推定精度が高い。 Thus, for any of the four fiber diameters, the flow resistance after deformation can be accurately estimated by the equation (11). The estimation accuracy is particularly high when the deformed porosity φ (P) is 0.9 or more.
流れ抵抗の推定にあたり、材料パラメータ推定装置5内の受付部51は、変形前の流れ抵抗σ(1)の入力と、変形前の多孔度φ(1)の入力と、変形に伴う体積変化率Pの入力とを受け付ける。そして、推定部52は、式(2)により、変形後の多孔度φ(P)を推定するとともに、式(11)により、変形後の流れ抵抗σ(P)を推定する。
In estimating the flow resistance, the
なお、変形前の流れ抵抗σ(1)及び多孔度φ(1)は、実測値及び計算値のいずれでもよい。 The flow resistance σ (1) and the porosity φ (1) before deformation may be either actually measured values or calculated values.
以上のような材料パラメータ推定の手法によれば、多孔質材料の変形後において材料パラメータを再測定せずに、多孔質材料の変形前における材料パラメータを用いて、当該多孔質材料の変形後における材料パラメータを推定することができるとともに、その推定精度を向上させることができる。 According to the method for estimating the material parameters as described above, the material parameters before the deformation of the porous material are used without re-measurement of the material parameters after the deformation of the porous material. The material parameter can be estimated, and the estimation accuracy can be improved.
[その他]
上記5つの材料パラメータは、JCAモデルだけではなく、剛骨格モデル、柔骨格モデル、ビオモデルなどの他の数理モデルでも用いられる。前述した材料パラメータ推定の手法は、5つの材料パラメータを用いる任意の数理モデルに適用可能である。また、本手法が対象とする音響材料は、繊維系多孔質材料を含む任意の多孔質材料とすることができる。多孔質材料中の骨格の分布状態に関わらず、また、骨格の断面形状が円形であるか否かに関わらず、本手法を用いることができる。
[Other]
The above five material parameters are used not only in the JCA model but also in other mathematical models such as a rigid skeleton model, a soft skeleton model, and a bio model. The above-mentioned material parameter estimation method can be applied to any mathematical model using five material parameters. Further, the acoustic material targeted by the present method can be any porous material including a fibrous porous material. This method can be used regardless of the distribution state of the skeleton in the porous material and whether or not the cross-sectional shape of the skeleton is circular.
前述した材料パラメータ推定の手法は、材料パラメータ推定装置としての側面だけではなく、材料パラメータ推定方法及び材料パラメータ推定プログラムとしての側面をも有している。 The above-described material parameter estimation method has not only an aspect as a material parameter estimation device but also an aspect as a material parameter estimation method and a material parameter estimation program.
前述した材料パラメータ推定装置の機能的構成及び物理的構成は、前述の態様に限られるものではなく、例えば、各機能や物理資源を統合して実装したり、逆に、さらに分散して実装したりすることも可能である。 The functional configuration and the physical configuration of the material parameter estimation device described above are not limited to the above-described aspects, and for example, the functions and physical resources are integrated and mounted, or conversely, further distributed and mounted. It is also possible.
1 多孔質材料
2 骨格
3 空隙
5 材料パラメータ推定装置
51 受付部
52 推定部
1
5 Material
Claims (9)
前記多孔質材料の変形後における多孔度φ(P)を、
を備え、
前記受付部がさらに、前記多孔質材料の変形前における流れ抵抗σ (1) の入力を受け付けるものであり、
前記推定部がさらに、前記多孔質材料の変形後における流れ抵抗σ (P) を、前記変形が2次元的である場合は
The porosity φ (P) of the porous material after deformation is
The reception unit further receives an input of the flow resistance σ (1) before the deformation of the porous material ,
When the deformation is two-dimensional, the estimating unit further calculates a flow resistance σ (P) after the deformation of the porous material.
前記多孔質材料の変形後における粘性特性長Λ(P)を、
を備えた材料パラメータ推定装置。 A receiving unit that receives inputs of the porosity φ (1) and the viscosity characteristic length Λ (1) of the porous material before deformation, and the volume change rate P of the porous material due to the deformation.
The viscous characteristic length Λ (P) of the porous material after deformation is
前記多孔質材料の変形後における熱的特性長Λ’(P)を、
を備えた材料パラメータ推定装置。 A receiving unit that receives inputs of the porosity φ (1) and the thermal characteristic length Λ′ (1) of the porous material before deformation, and the volume change rate P of the porous material due to the deformation;
The thermal characteristic length Λ′ (P) of the porous material after deformation is
前記多孔質材料の変形後における多孔度φ(P)を、
を含み、
前記受付ステップにおいてさらに、前記多孔質材料の変形前における流れ抵抗σ (1) の入力が受け付けられ、
前記推定ステップにおいてさらに、前記多孔質材料の変形後における流れ抵抗σ (P) が、前記変形が2次元的である場合は
The porosity φ (P) of the porous material after deformation is
Further, in the receiving step, the input of the flow resistance σ (1) before the deformation of the porous material is received,
Further, in the estimating step, when the flow resistance σ (P) after the deformation of the porous material is two-dimensional,
前記多孔質材料の変形後における粘性特性長Λ(P)を、
を含む材料パラメータ推定方法。 A step of receiving an input of the porosity φ (1) and the viscosity characteristic length Λ (1) before the deformation of the porous material and the volume change rate P of the porous material due to the deformation;
The viscous characteristic length Λ (P) of the porous material after deformation is
前記多孔質材料の変形後における熱的特性長Λ’(P)を、
を含む材料パラメータ推定方法。 A receiving step of receiving inputs of the porosity φ (1) and the thermal characteristic length Λ′ (1) of the porous material before deformation, and the volume change rate P of the porous material due to the deformation;
The thermal characteristic length Λ′ (P) of the porous material after deformation is
前記多孔質材料の変形後における多孔度φ(P)を、
をコンピュータに実行させ、
前記受付ステップにおいてさらに、前記多孔質材料の変形前における流れ抵抗σ (1) の入力が受け付けられ、
前記推定ステップにおいてさらに、前記多孔質材料の変形後における流れ抵抗σ (P) が、前記変形が2次元的である場合は
The porosity φ (P) of the porous material after deformation is
Further, in the receiving step, the input of the flow resistance σ (1) before the deformation of the porous material is received,
Further, in the estimating step, when the flow resistance σ (P) after the deformation of the porous material is two-dimensional,
前記多孔質材料の変形後における粘性特性長Λ(P)を、
をコンピュータに実行させるための材料パラメータ推定プログラム。 A step of receiving an input of the porosity φ (1) and the viscosity characteristic length Λ (1) before the deformation of the porous material and the volume change rate P of the porous material due to the deformation;
The viscous characteristic length Λ (P) of the porous material after deformation is
前記多孔質材料の変形後における熱的特性長Λ’(P)を、
をコンピュータに実行させるための材料パラメータ推定プログラム。
A receiving step of receiving inputs of the porosity φ (1) and the thermal characteristic length Λ′ (1) of the porous material before deformation, and the volume change rate P of the porous material due to the deformation;
The thermal characteristic length Λ′ (P) of the porous material after deformation is
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