楽器響板用一方向繊維強化ポリウレタンフォーム複合材料の音響特性

Acoustic characteristics of unidirectionally fiber-reinforced polyurethane foam composites for musical instrument soundboards

Teruaki Ono 1*, Souji Miyakoshi 1 and Ugai Watanabe 2+

1 Department of Mechanical and Systems Engineering, Faculty of Engineering,

Gifu University

2 Department of Precision Engineering, Faculty of Engineering, Chiba Institute of Technology

( Received 27 June 2001, Accepted for publication 19 November 2001 )

楽器響板用一方向繊維強化ポリウレタンフォーム複合材料の音響特性

要約：「楽器のサウンドボード」用の一方向繊維強化複合材料は、ガラス繊維または炭素繊維と軽量の硬質ポリウレタンフォームを使用して作られました。複合材料の振動特性と周波数応答特性を、繊維、繊維の体積分率、繊維分布を変化させることによって調査し、得られた結果をサウンドボード用のシトカスプルースの結果と比較しました。炭素繊維フィラメントの5〜6体積パーセントが均一に分布している複合材料は、サウンドボード用のシトカスプルースとほぼ同じ音響特性を示しました。結果的には、すべての可聴周波数範囲でのサウンドボード用の木材の音響特性は、一方向に配向された繊維と多孔質マトリックスフォームで構成される単純な木材モデルを使用してほとんど表現できることを示しました。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

　以前の記事で人工材について書いたことがありましたが、人工材によるサウンドボードの開発に関する論文です。

　人工材料開発の目的は、「木材の振動特性は含水率に大きく依存するので、湿度に対する安定した品質を備えた合成材料を開発すること」としています。

木材の音響特性に大きな影響を与える3つの重要な特性は、

１．密度が低い

２．比ヤング率が大きく、木目に平行な内部摩擦が小さい

３．弾性異方性が大きい

です。

木材の密度が低いのは、その多孔質構造によります。縦方向の機械的特性と大きな弾性異方性は、木材の細胞壁の繊維マトリックス構造に依存します。木材の構造をこれら２つの構造で構成されるモデルに簡略化できると考えています。

　この考え方で、弾性率が大きく、密度が低く、内部摩擦が適度に大きいプラスチックフォームを備えた高度な繊維材料を使用して、サウンドボード用の一方向繊維強化複合材料を開発しました。

　ポリウレタン液体はガラス繊維フィラメント間に十分に浸透しない。GF/UF複合材料はサウンドボード素材には適していなかったので、カーボンファイバー（CF）を使っています。カーボンファイバーフィラメント（線方向に揃ったもの）は一方向に配置され、張力をかけ、何種類かの密度を作り試験片を作っています。

　実験では、複合材料の曲げ強度、振動特性、および周波数応答特性（0.1〜10 kHz）を測定し、サウンドボード用のシトカスプルースのものと比較しています。

　

　論文中に図がないのでどんな構造になっているか分かりません（続く論文で構造図が出てきます）が、炭素繊維で一方向にプラスチックフォームを補強する点がこの論文の研究の特徴です。

　サウンドボード用のシトカスプルースとほぼ同じ音響特性を持つCF / UF複合材料を得るには、CFフィラメントの適切な体積分率を5〜6％とし、フィラメント（連続したきわめて長い繊維）を均一にする必要があります。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

この論文にはあと２つ続きがあります。「複合材料の改良」と「ギターへの応用と評価」です。次回へ続く。