JP2006021672A - 鉄道車両における吸音材料の最適配置方法および吸音構造 - Google Patents

Abstract

【課題】台車部を非ボディマウント構造とした鉄道車両において、車体床下の台車部の吸音を効率的に行う方法を提供する。
【解決手段】鉄道車両の車体の床下で、台車部３０の音場を実験的あるいは解析的に把握し、斯かる方法により得られた音圧変動の振幅について周波数応答を求め、さらにこの音圧振幅の周波数応答について各帯域ごとの分布を描いたとき、ある帯域で最も音圧振幅の大きい個所に対して、その帯域で吸音率の大きな吸音材料１(多孔質単体材料１Ａ、多孔質材付きパンチングメタル１Ｂ、レゾネーター１Ｃなど)を配置し添付する。
【効果】本発明によれば、台車部を非ボディマウント構造とした鉄道車両において、車体床下の台車部の吸音を、限られたスペースを有効に活用しながら効率的に行い、重量とコストを大幅に増加させることなく車内騒音および車外騒音を低減することができる。
【選択図】 図９

Description

本発明は、鉄道車両において騒音を低減するための吸音材料の最適配置方法および吸音構造に関する。

鉄道車両へ求められる要求は、走行速度、環境負荷の低減、客室内の快適性に大別される。近年の鉄道車両はますます高速化が進み、航空機との市場競争が激しくなりつつある。高速化すると地盤振動や環境騒音が増大したり、運用エネルギーが増大するため、近年の車体はアルミ製の構体を使用するなどして軽量化が図られている。

高速移動手段としての航空機との市場競争となると、客室内の快適性も重要視されつつあり、特に車内騒音の低減が非常に強く求められている。しかしながら、先程述べた高速化や軽量化はどちらも車内騒音の増大を招く要因となりうるものであり、これまで構体や内装などの遮音性を向上させたり、振動伝達性を低減させるなどして対策がなされている。

ところで車内へ伝わる音は、元を辿るとその大部分は車体床下の台車部で発生する、レールと車輪の間の転動音やモーター・インバーターから出る音、あるいは床下気流による空力音などである。これら台車部で発生した騒音は、直接に車体の床を透過して流入したり、振動が床に伝わり固体放射音を発生させたりする。また、トンネル走行時にはトンネルの壁面と車体外壁の間で反響した音が窓や屋根などを透過して伝わってくる。

ここで鉄道車両の構造を図１によって説明する。
鉄道車両構体１０は、台枠１１、側構体１２、屋根構体１３などから構成されている。鉄道車両車体２０は、この鉄道車両構体１０の内部に車内床２１、側内装材２２ａ、天井内装材２２ｂ、窓２３、荷棚２４、空調ダクト２５、断熱吸音材２６などが組み込まれ、車室内２７を形成する。

なお、図１において車体２０の左側は窓２３のない窓無部を示し、右側は窓２３がある窓有部を示している。車体２０の床下にはさらに、床下に設けられる機器類を覆う塞ぎ板２８(図２参照)が艤装されており、これによって床下の機器類を飛び石などから保護するようにしている。このように構成される車体２０は、鉄道車両台車部３０の上に配置され、これと中心軸４０やヨーダンパ４１を介して連結される。

図２は鉄道車両台車部３０の構造を示し、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。
この台車部３０は、車輪３１、車軸３２、モーター３３、ギアボックス３４、台車枠３５、軸箱３６、増圧シリンダカバー３７、空気バネ３８などから構成されている。

車輪３１は、地面５０に敷設されたレール５１の上に載り、このレール５１に沿って回転走行する。車輪３１と車軸３２は一体に形成されており、これが台車枠３５の軸箱３６に回転自在に軸支されている。モーター３３は車輪３１の回転駆動源であり、即ちこのモーター３３の回転駆動力がギアボックス３４を介して車軸３２に伝達されて、車輪３１が回転する。

上記構成の台車部３０は、中心軸４０を支点として車体２０と連結される。空気バネ３８は、台車部３０上で車体２０を弾性的に支持し、台車部３０から車体２０に伝わる振動を軽減する。またヨーダンパ４１は、台車部３０の台車枠３５の左右両側部と車体２０の床下部との間に設置され、台車部３０の蛇行を防止する働きを有するものである。

このように構成される鉄道車両における車室内への騒音の伝播経路を図３に示す。
前述したように、車室内へ伝播する騒音の根本的音源は、車体２０の床下の台車部３０にあり、ここで発生する騒音には、レール５１と車輪３１の間の転動音６０や、モーター・インバーターから出る音６１、あるいは床下気流による空力音６２、さらには飛び石の衝突音６３などがある。

これらの騒音が図に示すように車体２０の床を通して直接透過音６５として車室内２７に流入したり、振動が床に伝わって固体放射音６６を発生させたり、あるいは、トンネル走行時にはトンネル５２の内壁面と車体２０の外壁との間で反響した音６７が窓２３や屋根構体１３などを通して透過音６８として伝わってくる。

したがって、根本的な騒音源である台車部３０を低騒音化することが、車内騒音を低減する上で最も効率がよい。また、台車部の騒音低減は車外騒音の低減にもつながる。

ところで騒音の発生源で騒音を低減するには、騒音そのものの発生メカニズムを解明してその現象自体を防ぐか、騒音発生源を防振あるいは吸音処理することになる。
騒音発生源の低減に関しては、例えば特許文献１に記載されるような弾性車輪を用いる方法がある。即ちこの弾性車輪は、通常は一体形成される車輪と車軸を分割し、図５に示すように車輪３１の部分と車軸３２の部分の間にゴムや樹脂などの防振材料４２を挟んだ構造としたものである。

この弾性車輪は、防振材料の封入によりレールと車輪の間の接触力を低減させ、この間の摩擦によって発生する転動音を低減するものであるが、脱輪等の危険性を完全に否定できないため、国内での高速鉄道車両への採用は実現していないのが現状である。

そこで、車体床下の台車部３０で吸音処理を行うこととなる。この台車部３０での吸音処理方法としては、例えば特許文献２に記載されるように、鉄道車両をボディマウント構造とする方法がある。
ボディマウント構造というのは、車体の下部に床下機器室を車体(ボディ)と一体に形成し、この床下機器室の内部に床下機器類を搭載した車両であり、一般的には車両の中央部において斯かる構成とし、台車の部分ではボディマウントでない構造とするものであるが、特許文献２では図５および図６に示すように、台車部３０でも同様に床下機器室２９を設け、台車部３０において車輪３１とレール５１が接触する部分以外の個所を床下機器室２９で完全に覆い、さらにこの床下機器室２９の下面に吸音処理を施すことにより、台車部３０において発生した騒音を効果的に吸音する構造が記されている。
特開２０００−１６８３０４号公報 特公平６−２４６２号公報

しかしながら、このように台車部までボディマウント構造とすることは、メンテナンス時に工程数が大幅に増大したり、積雪地帯を走行する場合などでは雪の巻き込みによって台車部のボディマウント構造が破損するおそれがあるなどの懸念から、これも現在のところ実際の高速鉄道車両では採用されるに至っていない。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、台車部を非ボディマウント構造とした鉄道車両において、車体床下の台車部の吸音を効率的に行う方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明は、
台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した車体と、
この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の台車部と、
により構成される鉄道車両において、
車体の床下で台車部の音場を実験的あるいは解析的に把握し、斯かる方法により得られた音圧変動の振幅について周波数応答を求め、さらにこの音圧振幅の周波数応答について各帯域ごとの分布を描いたとき、ある帯域で最も音圧振幅の大きい個所に対して、その帯域で吸音率の大きな吸音材料を配置するようにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、台車部を非ボディマウント構造とした鉄道車両において、車体床下の台車部の吸音を、限られたスペースを有効に活用しながら効率的に行い、重量とコストを大幅に増加させることなく車内騒音および車外騒音を低減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、車体床下の各位置において、それぞれの個所における音圧の周波数応答に応じた吸音パターンを与えることで各部の吸音率を最適化しようとするものである。

図７に一般的な吸音構造・材料を示す。ここでは３種類の吸音材料１(１Ａ，１Ｂ，１Ｃ)を示しており、すなわち図７(Ａ)に示す吸音材料１は、グラスウールや炭素繊維などの多孔質材２を単体で成形した多孔質単体材料１Ａ、同図(Ｂ)に示す吸音材料１は、アルミや鉄などの金属板３に多数の孔４を開けたパンチングメタル材料の下に前記の多孔質材２を組み合わせて構成した多孔質材付きパンチングメタル１Ｂ、同図(Ｃ)に示す吸音材料１は、金属やプラスチックなどの固体５に多数の空洞孔６を形成してなるレゾネーター１Ｃである。

図８はこれらの吸音材料１の吸音特性を示し、この特性図で明らかな如く、吸音構造によって吸音率のピーク周波数が異なり、すなわちレゾネーター１Ｃでは主に低周波数域(１２５Ｈｚ以下)が、多孔質材付きパンチングメタル１Ｂでは主に中周波数域(１２５Ｈｚ〜２００Ｈｚ)が、多孔質単体材料１Ａでは主に高周波数域(２００Ｈｚ以上)がそれぞれ効果的によく吸音される（参考文献：前川純一、森本政之、阪上公博：建築・環境音響学（第２版）２０００ 共立出版）。

そして、これら種々の吸音特性を持った吸音材料１(１Ａ，１Ｂ，１Ｃ)を、例えば図９に示すように、台車部３０の付近のそれぞれの個所における音圧の周波数応答に応じた吸音パターンで配置し、その配置を最適にすることで本発明の目的は達成される。

本発明において最適吸音配置を見つけ出す手順は、先ず初めに、車体床下における台車部３０の付近の音場を実験的あるいは解析的に把握し、斯かる方法により得られた車体床下の台車部３０周辺の塞ぎ板２８などの壁面における音圧変動の振幅についての周波数応答を求めておく。

次に、各帯域ごとの音圧振幅のコンターマップ(等値線図)を描かせ、その帯域でもっとも音圧振幅の大きい個所に対して、その帯域で吸音率の大きな吸音材料を配置し添付する。
このようにすることで吸音材料の最適配置を行うことができる。実際にこのようにして得られた最適配置例を以下に実施例として示す。

図１０は第１の実施例を示し、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。
前述のような方法により台車部３０周辺の各部の音圧を解析した結果、１／３オクターブバンドにして６３Ｈｚ〜１２５Ｈｚの低周波数域における車体床下の台車部３０の騒音分布は、図に示すような車体床下の塞ぎ板２８の壁面上で、台車部３０の上方の四隅の部分ａにおいて音圧振幅が最も大きくなることが判明した。したがって、この部分ａに対し、１／３オクターブバンドにして６３Ｈｚ〜１２５Ｈｚの低周波数域で大きな吸音特性を持つ吸音材料１を配置し添付することが適当である。

このような低周波数域で吸音率が大きくなるような吸音構造としては、先の図７で説明した吸音材料１の中でレゾネーター１Ｃが最も好適であるが、このレゾネーター１Ｃの場合は、配置スペースと重量の増加が懸念されるので、多孔質材付きパンチングメタル１Ｂを用いてもよい。しかし、このパンチングメタル１Ｂを用いた場合、メンテナンス時に工程数が大幅に増大したり、積雪地帯を走行するときに着雪しやすいなどの問題が生じるおそれがある。

そこでこの場合、パンチングメタル１Ｂを移動動作させる可動機構を設け、図１１に示す如く車両停車時にはパンチングメタル１Ｂが塞ぎ板２８に密着し、車両走行時にはパンチングメタル１Ｂが塞ぎ板２８からせり上がって背後に空気層を持つ構造とし、さらには車体の床下に設けられる機器類やモーターなどの廃熱ｈがダクト４４を通ってパンチングメタル１Ｂの背後から供給され、この廃熱ｈを利用してパンチングメタル１Ｂに付着した雪を溶かす機構を備える。

このとき、斯かる構造による吸音率のピーク周波数は、パンチングメタルの板厚と開孔率、および背後空気層厚さなどをパラメータとして数１により計算される。

この式を用いて、１／３オクターブバンドにして６３Ｈｚ〜１２５Ｈｚの帯域内で吸音率がピークとなるように、パンチングメタルの板厚と開孔率、および背後空気層厚さなどを設定すればよい。

特にこの構造では、パンチングメタル１Ｂの背後にあるダクト４４がレゾネーターの空洞孔の役割をするため、低周波数域で高い吸音率を得ることができるものである。

図１２は第２の実施例を示し、図１２(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。
３オクターブバンドにして１２５〜２００Ｈｚの周波数域において車体床下の台車部３０では、図に示すようなヨーダンパ４１の付近ｂでの音圧振幅が大きくなる。そこで、このヨーダンパ４１に対して、中周波数域で大きな吸音特性を持つ吸音材料１(多孔質材付きパンチングメタル１Ｂ)を配置し添付することが適当である。
この場合、図１３に示す如く、多孔質材付きパンチングメタル１Ｂはこれを円筒形に成形し、ヨーダンパの周囲を覆うように配置するものとする。

図１４は第３の実施例を示し、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。
１／３オクターブバンドにして１６０Ｈｚ近辺の周波数では、図に示すような車軸３２の中央部付近ｃでの音圧振幅が大きくなる。そこで、この車軸３２の中央部に対して、中周波数域で大きな吸音特性を持つ吸音材料１(多孔質材付きパンチングメタル１Ｂ)を配置し添付することが適当である。
この場合、先にヨーダンパ４１の部分で実施したと同様に、多孔質材付きパンチングメタル１Ｂはこれを円筒形に成形し、車軸３２の周囲を覆うように配置するものとする。

図１５は第４の実施例を示し、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。
この例は、ボディマウント構造ではないが、主として車外騒音の低減のため、車体床下において台車部３０の側方に台車カバー３９を設けて台車部３０の一部を覆い、これによって床下騒音をある程度遮蔽するようにした車両構造である。

この場合、１／３オクターブバンドにして８０Ｈｚ〜１６０Ｈｚの周波数では、図に示すような台車カバー３９の裏側で、台車部３０の中心と対応する位置付近ｄでの音圧振幅が大きくなる。そこで、この部分において、中周波数域で大きな吸音特性を持つ吸音材料１(多孔質材付きパンチングメタル１Ｂ)を配置し添付することが適当である。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、高速鉄道車両をはじめ各種の鉄道車両全般に広く適用が可能である。

鉄道車両の構成を示す縦断正面図である。 鉄道車両の台車部の構成を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。 鉄道車両における騒音の伝播経路の説明図である。 弾性車輪の説明図で、(Ａ)は斜視図、(Ｂ)は縦断面図である。 台車部をボディマウント構造とした鉄道車両の縦断正面図である。 同、台車部の構成を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。 吸音材料の説明図で、(Ａ)は多孔質単体材料、(Ｂ)は多孔質材付きパンチングメタル、(Ｃ)はレゾネーターである。 吸音材料の吸音率の周波数特性を示す図である。 本発明による吸音材料の最適配置方法を説明するイメージ図である。 本発明による第１の実施例を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。 第１の実施例における台車部の要部の構成を示す図である。 本発明による第２の実施例を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。 第２の実施例においてヨーダンパを覆う多孔質材付きパンチングメタルを示す図である。 本発明による第３の実施例を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。 本発明による第４の実施例を示す図で、(Ａ)は台車部を横から見た側面図、(Ｂ)は台車部を下から見た底面図である。

符号の説明

１…吸音材料(１Ａ…多孔質単体材料、１Ｂ…多孔質材付きパンチングメタル、１Ｃ…レゾネーター)、２…多孔質材、３…金属板、４…孔、５…固体、６…空洞孔、１０…鉄道車両構体、１１…台枠、１２…側構体、１３…屋根構体、２０…鉄道車両車体、２１…車内床、２２…内装材、２２ａ…側内装材、２２ｂ…天井内装材、２３…窓、２４…荷棚、２５…空調ダクト、２６…断熱吸音材、２７…車室内、２８…塞ぎ板、３０…鉄道車両台車、３１…車輪、３２…車軸、３３…モーター、３４…ギアボックス、３５…台車枠、３６…軸箱、３７…増圧シリンダカバー、３８…空気バネ、３９…台車カバー、４０…中心軸、４１…ヨーダンパ、４４…ダクト、５０…地面、５１…レール

Claims (7)

1. 台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した鉄道車両車体と、
   この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の鉄道車両台車部と、
   により構成される鉄道車両において、
   前記鉄道車両車体の床下で前記鉄道車両台車部の音場を実験的あるいは解析的に把握し、斯かる方法により得られた音圧変動の振幅について周波数応答を求め、さらにこの音圧振幅の周波数応答について各帯域ごとの分布を描いたとき、ある帯域で最も音圧振幅の大きい個所に対して、その帯域で吸音率の大きな吸音材料を配置するようにしたことを特徴とする鉄道車両における吸音材料の最適配置方法。
2. 台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した鉄道車両車体と、
   この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の鉄道車両台車部と、
   により構成される鉄道車両において、
   前記鉄道車両車体の床下に設けられる機器類を覆う塞ぎ板上で、前記鉄道車両台車部の上方の四隅部に、１／３オクターブバンドにして６３Ｈｚ〜１２５Ｈｚの帯域内で吸音率がピークとなるような吸音材料を配置したことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
3. 請求項２において、
   前記吸音材料として多孔質吸音材付きのパンチングメタルを用い、このパンチングメタルが車両停車時には前記塞ぎ板に密着し、車両走行時には前記塞ぎ板からせり上がって背後に空気層を持つ構造としたことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
4. 請求項３において、
   前記鉄道車両車体の床下に設けられる機器類やモーターなどの廃熱を利用して前記パンチングメタルに付着した雪を溶かす機構を設けたことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
5. 台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した鉄道車両車体と、
   この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の鉄道車両台車部と、
   により構成される鉄道車両において、
   前記鉄道車両台車部と前記鉄道車両車体の間に設けられるヨーダンパの周囲に、１／３オクターブバンドにして１２５Ｈｚ〜２００Ｈｚの帯域内で吸音率がピークとなるような吸音材料を配置したことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
6. 台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した鉄道車両車体と、
   この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の鉄道車両台車部と、
   により構成される鉄道車両において、
   前記鉄道車両台車部の車軸の周囲に、１／３オクターブバンドにして１６０Ｈｚ近辺の帯域で吸音率がピークとなるような吸音材料を用いたことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
7. 台枠、側構体、屋根構体などから構成される鉄道車両構体の各部に車内床、内装材、窓などを艤装した鉄道車両車体と、
   この鉄道車両車体の床下にあって、車輪、車軸、モーターなどからなる非ボディマウント構造の鉄道車両台車部と、
   により構成される鉄道車両において、
   前記鉄道車両車体の床下で前記鉄道車両台車部の側方に設けられる台車カバーの内側に、１／３オクターブバンドにして８０Ｈｚ〜１６０Ｈｚの帯域内で吸音率がピークとなるような吸音材料を用いたことを特徴とする鉄道車両における吸音構造。
   
   

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