JP4334391B2 - アクティブノイズコントロールシステムを備えた鉄道車両車体構造 - Google Patents

Description

本発明は高速鉄道車両の室内騒音低減に関する。

鉄道車両へ求められる要求は、走行速度、環境負荷の低減、客室内の快適性がある。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、一般に壁面の遮音性は質量則として知られるように壁面の面密度に比例する。また、二重壁間に吸音材を詰めて遮音性を向上する方法もあるが、構え厚さを大きくとらねばならない。どちらも、軽量化や客室空間確保と相反するものであり、なるべく回避したい手段である。
すなわち、薄くて、軽量で、遮音性のよい部材が求められている。
下記の特許文献は、いわゆるアクティブノイズコントロールと、これを利用した鉄道車両を開示する。
特開平６−３０８９７９号公報 特開２００２−３１８５８４公報 日本機械学会第１０回鉄道技術総合シンポジウム講演論文集、２００３年１２月９日、ｐ．３６５−３６８

本発明で解決しようとする課題は、アクティブノイズコントロールを利用して構え厚さが薄くて、軽量で、遮音性のよい鉄道車両車体構造の提供である。

従来の鉄道車両車体２０を図３によって説明する。
鉄道車両構体１０は台枠１１と側構体１２と屋根構体１３などから構成されている構体と内装材２２や窓２３、ダクト２５などの艤装材から成る。構体１０にはダブルスキンと呼ばれる中空押し出し型材やシングルスキンと呼ばれるリブ付きの押し出し型材が用いられる。鉄道車両車体２０はこの構体１０の内部に車内床２１、天井内装材２２ｂ、側内装材２２ａ、窓２３、荷棚２４、及び空調ダクト２５などが組み込まれ、車室内２７を形成する。なお図３の図示左側は窓２３の無い窓無部を示し、右側は窓２３がある窓有部を示している。

一般に鉄道車両車体２０は、台枠１１と車室内床２１、側構体１２や屋根構体１３と内装材２２の間にグラスウール、アクリル酸化繊維、炭素繊維やメラミン樹脂などを用いた断熱吸音材２６が収納されており車室内の断熱性と車両構造の遮音性を向上させている。

ところで背景技術でも説明したように一般に壁面の遮音性は壁面の面密度に比例する。また、図３に示すような内部に吸音構造を持った二重壁では、この吸音構造の厚さによっても幾分かの遮音性の向上が図ることができる。すなわち、重量を増したり、車両構造物の構え厚さを増やしたりすれば、遮音性をあげることができるが、軽量化や室内空間の確保という観点からは好ましくない。さらに、これらの効果は車体断面の寸法程度の波長となる低周波数域では効果が得られにくいという欠点もある。

一方、これらの不具合を解決する一手段として、上記特許文献１や、非特許文献１に示すようなアクティブノイズコントロールを利用した車両が開発されている。これは、空気の振動波である騒音をそれと逆位相の騒音を発生させることで打ち消すというものであり、重量と構え厚さを大幅に増加させることなく遮音性を向上させるものである。

本発明はこのアクティブノイズコントロールモジュール３０を鉄道車両車体２０に取り付ける際の取付構造の改良に関するものである。

上記課題は、台枠１１、側構体１２、屋根構体１３、および妻構体とから構成される構体構造１０の各部に内装材２２、および窓２３を艤装した鉄道車両車体２０において、フレーム３１、スピーカー３２、マイク３３、および制御回路３４から構成されるアクティブノイズコントロールモジュール３０を、該鉄道車両車体２０の構体構造１０と内装材２２の間に配置し、該アクティブノイズコントロールモジュール３０のフレーム３１を該内装材２２と一体形成することにより達成される。

本発明によれば、鉄道車両車体２０において構え厚さや重量を大幅に増大させることなく遮音性を向上させることができ、高速走行時においても静粛な車室内環境を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例を示す。また、図２には図１の組み立て図を示す。
図のように鉄道車両の一般的な部分の断面は、構体１０と内装材２２の間に断熱吸音材２６が取り付けられている。断熱吸音材２６は、グラスウール、あるいはアクリル酸化繊維、あるいは炭素繊維、あるいはメラミン樹脂などからなり、車両の外部から車室内への断熱と遮音を目的としており、断熱材、あるいは吸音材として呼ばれることがある。（以後、単に「断熱吸音材」と表記することがある。）

本実施例は内装材２２と断熱吸音材２６の間にフレーム３１、スピーカー３２、マイク３３、および制御回路３４から構成されるアクティブノイズコントロールモジュール３０を挿入し、かつアクティブノイズコントロールフレーム３１ａを内装材２２と一体形成したものである。マイク３３で取得する騒音レベルが最低となるように制御回路３４で制御を行ってスピーカー３２を駆動する。これにより、車外から構体１０、断熱吸音材２６を透過して車室内２７へ透過する騒音を低減する。図１では、アクティブノイズコントロールフレーム３１ａとスピーカー部３２は離れた図であるが、スピーカー部３２はアクティブノイズコントロールフレーム３１ａにネジもしくは接着剤により固定されている。なお、制御回路３４はモジュールの外に取り付けるか、フレーム３１の内部に内蔵してもよい。

内装材２２はたとえばアルミ板にシート状の内装化粧壁紙を貼りつけしたものもしくは化粧塗装したものなどから成ってもよい。アクティブノイズコントロールフレーム３１ａはたとえばアルミ板の曲げ加工したものまたはアルミ押出成形したものなどからなってもよい。該内装材２２と該アクティブノイズコントロールフレーム３１ａは、たとえば溶接、あるいは接着またはリベットによって組み合せることにより一体形成された内装材とすることができる。

また、内装材２２はたとえばガラス繊維強化プラスチックを成形し、表面を塗装仕上げしたものなどから成ってもよい。アクティブノイズコントロールフレーム３１ａはガラス繊維強化プラスチックまたはＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂等の材料を成形したものなどからなってもよい。該内装材２２と該アクティブノイズコントロールフレーム３１ａは、ガラス繊維強化プラスチックで該フレームを該内装材２２の骨組として一体形成することにより構成してもよい。また、該アクティブノイズコントロールフレーム３１ａは、該内装材２２に接着あるいは樹脂溶着またはリベットによって固定し、一体形成してもよい。

図３は一般的な鉄道車両の断面図を示したものである。鉄道車両車体２０は台枠１１と側構体１２と屋根構体１３などから構成されている。鉄道車両の内部には車内床２１、天井内装材２２ｂ、側内装材２２ａ、窓２３、荷棚２４、及び空調ダクト２５などが組み込まれ、車室内２７を形成する。なお図３の図示左側は窓２３の無い窓無部を示し、右側は窓２３がある窓有部を示している。

一般に鉄道車両は、台枠１１と車室内床２１、側構体１２や屋根構体１３と内装材２２の間にグラスウールやアクリル酸化繊維、炭素繊維、あるいはメラミン樹脂などを用いた断熱吸音材２６が収納されており車室内２７の断熱性と車両構造の遮音性を向上させている。しかしながら、必要な遮音性を得るためには重量や構え厚さを増加させなければならず、車体の軽量化や室内空間の確保という観点からは好ましくなく、重量と構え厚さを大幅に増加させることなく遮音性を向上させる手法が求められていた。本発明は、上記にあげた実施例に示した構造を鉄道車両の床や側、屋根に適用することで遮音性向上とそれによる室内騒音低減を達成するものである。

図４は図３に示す鉄道車両の側、特に窓下の断面である。現在最も一般的な車両の側内装材２２ａはアルミなど金属板にシート状の内装化粧壁紙を貼付し、これらを同時にプレス加工することにより形成しており、この側内装材２２ａを側構体１２に取り付けて側を構成している。

これに対して、図５は、図４の側構造に本発明を実施した例を示す。本実施例では上記のようにプレス形成された内装材２２ａの裏側、すなわち、側構体１２と側内装材２２ａの間の部分に側内装材２２ａの補強も兼ねたアクティブノイズコントロールフレーム３１をたとえば溶接、あるいは接着またはリベットによって該側内装材２２ａに取り付けることで、該側内装材２２ａの裏側にアクティブノイズコントロールモジュール３０を形成している。これにより、重量と工程数を大幅に増大させることなくアクティブノイズコントロールモジュール３０を形成することができる。

さらに、現在の一般的な側内装材は、そのデザイン上、各部の曲率が場所によってまちまちであるが、これを広い範囲にわたって曲率を同じくすることで背面に取り付けるアクティブノイズコントロールモジュールの特性を変化せずにすみ、コストダウンを図ることができる。

図６〜図８は本発明の別の実施例を示す。
内装材２２の構造が複雑であったり、凹凸が多いなどして内装材２２にアクティブノイズコントロールモジュール３０を取り付けるのが不可能な場合は、構体１０側にアクティブノイズコントロールモジュール３０を取り付けることになる。構体１０には図６に示すシングルスキンを用いる場合もある。このような場合にはシングルスキン構体のリブ１４ａをアクティブノイズコントロールモジュール３０の取り付け部材とし、アクティブノイズコントロールモジュール３０を長手方向に差し込み、スライドさせて取り付ける方法が考えられる。アクティブノイズコントロールモジュール３０のフレーム３１に、構体のリブ１４ａに差し込むための溝３５が設けられる。構体のリブ１４ａの板厚はたとえば２ミリメートルであり、溝３５の幅は、たとえば３ミリメートルである。このことにより、溝３５はリブ１４ａに対してスライドするために必要な隙間だけを有することにより、アクティブノイズコントロールモジュール３０の取付のガタを抑えることが可能となる。

アクティブノイズコントロールモジュール３０は、リブ１４ａをスライドさせて取り付けるが、取付後にスライドしないようにボルト４１によって、固定してもよい。図６では、アクティブノイズコントロールモジュール３０のフレーム３１とリブ１４ａを該ボルト４１で貫通し固定する構造を示しているが、スライドしないようにフレーム３１の側面に該ボルト４１をリブ１４ａに固定してもよい。

ボルト４１は、アクティブノイズコントロールモジュール３０の取付作業性や大きさを考慮し、ネジまたはリベットとしてもよい。

また、アクティブノイズコントロールモジュールが十分小さく製作できる場合は、図７のように、アクティブノイズコントロールモジュールを丸ごとシングルスキン構体のリブ部１４ａに入れ込んでもよい。

リブ１４ａの高さＴ１は、たとえば１１ミリメートルであり、アクティブノイズコントロールモジュール３０の高さＴ２は、たとえば１０ミリメートルである。このことにより、該アクティブノイズコントロールモジュール３０を該リブ１４ａにスライドして入れ込むだけで取付が可能となる。アクティブノイズコントロールモジュール３０は、リブ１４ａの中をスライドさせて取り付けるが、取付後にスライドしないようにボルト４１によって、固定してもよい。図７では、アクティブノイズコントロールモジュール３０のフレーム３１とリブ１４ａを該ボルト４１で貫通し固定する構造を示しているがスライドしないようにフレーム３１の側面に該ボルト４１をリブ１４ａに固定してもよい。

また、構体１０が図８に示すようなダブルスキン構造であっても、図８のようにカーテンレール１４ｂなどを設け、ここに長手方向に差し込み、スライドさせて取り付ける方法も考えられる。フレーム３１には、該カーテンレール１４ｂをスライドさせるための突起３１ｂを設けている。該突起３１ｂは、該カーテンレール１４ｂ内で確実にスライドし、またガタツキを起さないためにＴ型形状としている。アクティブノイズコントロールモジュール３０は、カーテンレール１４ｂの中をスライドさせて取り付けるが、取付後にスライドしないようにボルト４１によって、固定してもよい。図８では、アクティブノイズコントロールモジュール３０のフレーム３１とカーテンレール１４ｂを該ボルト４１で貫通し固定する構造を示しているがスライドしないようにフレーム３１の側面に該ボルト４１をカーテンレール１４ｂに固定してもよい。

図９〜図１４に本発明の別の実施例を示す。
構体１０と内装材２２の間には、一般的に断熱吸音材２６が用いられる。この断熱吸音材２６の材質はグラスウールやアクリル酸化繊維、あるいは炭素繊維などの繊維状のものが用いられるが、近年では、ウレタンやメラミン樹脂など表面硬度が高い発泡材も使用される。このような表面硬度が高い発泡材は加工性と施工性に優れているため、この性質を利用して図９〜図１１のように発泡材で形成された断熱吸音材２６の内部をくりぬき、その空間内にアクティブノイズコントロールモジュール３０を設置することも考えられる。これにより、アクティブノイズコントロールモジュール３０の設置に関して取り付け工程と重量、さらにコストを増加させることなく、比較的安定にアクティブノイズコントロールモジュール３０を取り付けることができる。アクティブノイズコントロールモジュール３０は、断熱吸音材２６の内部に接着により固定される。接着にあたっては、フレーム３１を断熱吸音材２６に接着剤あるいは両面テープ、またはベルクロのようなファスナーにより固定することにより、構造簡素化と重量、コストの低減を図ることができる。

図１０は、発泡材で形成された断熱吸音材２６の内部をくりぬき、その空間内にアクティブノイズコントロールモジュール３０を設置する方法の一例であるが、該アクティブノイズコントロールモジュール３０の両面に断熱吸音材２６を配置する場合の断面図である。該アクティブノイズコントロールモジュール３０の両面に断熱吸音材２６を配置することにより、該断熱吸音材２６を構体１０及び内装材２２の両方に接着等で取り付けることが可能となり、該断熱吸音材２６の取付作業性を向上することができる。

また、図１２〜図１４に示すように、アクティブノイズコントロールモジュール３０内の空間が割りと大きく、断熱吸音材２６の音響特性がよくわかっている場合には、該アクティブノイズコントロールモジュール３０内に該断熱吸音材２６を封入することで、さらに内装材２２の振動を低減し、且つアクティブノイズコントロールモジュール部の断熱性能を大きく損なうことなく、室内騒音を低減することができる。ただし、このとき、アクティブノイズコントロールモジュール３０内に設置された断熱吸音材２６はアクティブノイズコントロールフレーム３１に接着等により固定することで、スピーカー３２と接触しないようにすることができ、スピーカーからの音響放射へ影響を防止することが可能となる。

図１５に本発明の別の実施例を示す。
本アクティブノイズコントロールモジュールは、その大きさによっては、必要な騒音手減必要な周波数で効果が得られるとは限らない。これは、モジュールの大きさに対して波長が長かったり、短かったりすると制御がしにくいためである。そこで、これを改善するため、図のように、モジュールの大きさを何段階かに変えたものを厚さ方向に多段構造にしてもよい。断熱吸音材２６は表面硬度が高い発泡材とすることにより、１段目のアクティブノイズコントロールモジュール３０ａを取り付けた後、断熱吸音材２６ａを取り付け、その上に２段目以降のアクティブノイズコントロールモジュール３０ｂを取り付けることが可能となる。このように該アクティブノイズコントロールモジュール３０ａ、３０ｂの大きさと適用周波数帯を変更し組み合せることにより、車外から車室内２７へ透過する複数の周波数の騒音に対して低減効果を発揮することができる。

アクティブノイズコントロールモジュールのフレームを内装と一体形成した場合の基本構造。 図１の組立図。 一般的な鉄道車両の断面図。 図３に示す鉄道車両の側、窓下部の断面図。 図４の側、窓下部構造に本発明を実施した例を示す図。 シングルスキン構体へのアクティブノイズコントロールモジュール取付例を示す図。 シングルスキン構体へのアクティブノイズコントロールモジュール取付例を示す図。 ダブルスキン構体へのアクティブノイズコントロールモジュール取付例を示す図。 断熱吸音材をくりぬいた空間にモジュールを設置した例を示す図。 断熱吸音材をくりぬいた空間にモジュールを設置した例を示す図。 断熱吸音材をくりぬいた空間にモジュールを設置した例を示す図。 断熱吸音材をモジュール内に配置したを設置した例を示す図。 断熱吸音材をモジュール内に配置したを設置した例を示す図。 断熱吸音材をモジュール内に配置したを設置した例を示す図。 断熱吸音材をくりぬき、モジュールを多段に設置した例を示す図。

符号の説明

１０…鉄道車両構体
１１…台枠
１２…側構体
１３…屋根構体
１４ａ…構体リブ
１４ｂ…構体カーテンレール
２０…鉄道車両車体
２１…車内床
２２…内装材
２２ａ…側内装材
２２ｂ…屋根内装材
２３…窓
２４…荷棚
２５…空調ダクト
２５ａ…空調ダクト床下部
２５ｂ…空調ダクト立ち上がり部
２５ｃ…空調ダクト吹き出し部
２６…断熱吸音材
２７…車室内
３０，３０ａ，３０ｂ…アクティブノイズコントロールモジュール
３１…アクティブノイズコントロールフレーム
３１ａ…内装一体型アクティブノイズコントロールフレーム
３１ｂ…突起
３２…アクティブノイズコントロールスピーカー部
３３…アクティブノイズコントロールマイク
３４…アクティブノイズコントロール制御装置
３５…溝
４１…ボルト

Claims (5)

1. 台枠、側構体、屋根構体、および妻構体とから構成される構体構造の各部に内装材、および窓を艤装した鉄道車両車体において、フレーム、スピーカー、マイク、および制御回路から構成されるアクティブノイズコントロールモジュールを、該鉄道車両車体の構体構造と内装材の間に配置し、該アクティブノイズコントロールモジュールのフレームを該鉄道車両車体の内装材と一体形成した構造を適用したことを特徴とする鉄道車両車体構造。
2. 請求項１記載の構体構造と内装材の間に配置し、該内装材と一体形成したアクティブノイズコントロールモジュールのフレームに関し、該アクティブノイズコントロールフレームと該内装材の取付固定手段は、内装材、及びアクティブノイズコントロールフレームも兼ねた内装補強材を、どちらもプレス形成し、溶接あるいは接着によって該アクティブノイズコントロールフレーム兼内装補強材と該内装材を固定することを特徴とする鉄道車両車体構造。
3. 台枠、側構体、屋根構体、および妻構体とから構成される構体構造の各部に内装材、および窓を艤装した鉄道車両車体において、フレーム、スピーカー、マイク、および制御回路から構成されるアクティブノイズコントロールモジュールを、該鉄道車両車体の構体構造と内装材の間に配置された断熱材、あるいは吸音材の内部をくりぬいた空間内に設置した構造を適用したことを特徴とする鉄道車両車体構造。
4. 請求項３記載の鉄道車両車体構造において、アクティブノイズコントロールモジュール内部に断熱材、あるいは吸音材を充填した構造を適用したことを特徴とする鉄道車両車体構造。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、大きさの違う該アクティブノイズコントロールモジュールを厚さ方向にして多段に構成した構造を適用したことを特徴とする鉄道車両車体構造。

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