物性評価－多孔質材料の超音波領域における伝搬定数：透過損失、音速の測定と理論モデル

摘要

有限振幅音波の非線形伝搬現象を利用するパラメトリックスピーカは、その鋭い指向性から音のスポットライトとして利用され始めている。 このスピーカを近距離で使用する場合、1次波として放射された超音波が可聴音である2次波よりも大きな場合があるため、超音波成分をカットし可聴音はそのまま通すような音響フィルタの開発を試みた。 音響フィルタは、2枚のプラスチックフィルムの間に発泡ウレタンを挟hだ構造で、ほぼ満足できる特性が得られた。しかしながら、フィルタの理論解析をするにあたって、従来の理論モデルでは発泡ウレタン単体の吸音特性を可聴音域から超音波領域まで統一的に説明できないことがわかった。 従来モデルでは細管またはスリットを仮定して微分方程式を解き、音響管を使って検証するという方法がとられていたため、可聴音域でのみ有効なモデルに止まっているためと思われる。また近年、多孔質材料の内部構造が、、細管ないしはスリット構造とどの程度かけ離れているかを示す指標としてtortuosity（迷路度）が取り入れられ、初期には静流れ抵抗を電解液中で測り同定した。 この方法では、測定に際して材料内の気泡を抜くために真空引きする必要があり、その際た内部構造を破壊する恐れがある。また、細管の寸法を比較的簡単に定めることができる場合にのみ有効であることから、最近では空中で超高周波の音速を測って、同定するようになった。 ここで問題になってきたのは、音速は一定値に漸近するが、透過損失が増大する現象を説明できないことである。 我々の研究は発泡ウレタンの透過損失を1kHz～120kHzの周波数範囲で測定し、適用できる理論モデルを探すことから始めたので、高周波での透過損失の増大を説明できる。 その上、材料の内部構造によっては測定限界以上の周波数で音速が一定値とはならず、自由空間での音速を超える可能性があることも示唆している。 また、この周波数範囲では材料の骨格構造を伝搬する縦波(fast wave)の影響がほとhど無いため、材料の弾性率等を考慮しなくてもよいという利点がある。