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
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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
【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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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