JP2000280899A - 棒付き凹部の空力音低減化構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速の空気流に晒される物体の表面に形成さ
れた棒付き凹部から発生する空力音を低減化する。 【解決手段】物体表面Ｓに形成された凹部Ｐ内に棒体Ｑ
が設けられ、物体表面Ｓに沿って棒体Ｑを横切る方向に
空気流Ｆが流れる場合において、凹部Ｐの開口部ｒ近傍
であって空気流Ｆの風上側における物体表面Ｓに棒体Ｑ
に沿って、断面形状が直角二等辺三角形の凸条Ｔを設け
る。かかる構成により、空気流Ｆが凸条Ｔによって上方
へ跳ね上げられる結果、棒付き凹部から発生する空力音
の騒音レベルが低減化する。凸条Ｔの形成位置は、凹部
Ｐの開口部ｒとの間に距離を置いてもよいが、なるべく
開口部ｒに接近させて配置する。鉄道車両に限らず、ト
ラック等の自動車のように高速で移動する物体から発生
する空力音の低減化を目的とする場合に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】物体表面上を高速の空気流が通過
する場合において、物体表面に凹部が在り、その内部に
空気流を横切る方向に棒体が設けられていると、周波数
帯域の狭い空力音が発生する場合がある。本発明は、こ
のような棒付き凹部から発生する空力音の低減化を目的
とする。

【０００２】

【従来の技術】物体表面上に凹部が在り該凹部内に棒体
が設けられている場合において、この棒体付き凹部が高
速で空気中を移動すると、棒体と凹部との干渉により、
周波数の狭い帯域で騒音レベルが卓越する空力音が発生
することがある。このような棒付き凹部の構造は、例え
ば新幹線の先頭車両において観察される。図１３に示す
ように、新幹線の先頭車両Ｅには、乗務員乗降用扉Ｄの
左右両側に、車両表面より凹ませた凹部Ｐが形成され、
この凹部Ｐ内に乗務員が乗降の際に必要に応じて使用す
る棒状の手摺Ｈが設けられている。それ故、車両が高速
で走行するときには、手摺Ｈを設けた凹部Ｐから、特定
の狭い周波数帯域において騒音レベルの高い空力音が発
生する可能性がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】車両走行時に、凹部Ｐ
内に手摺Ｈを設けた構造から発生し得る空力音は、特定
の狭い周波数帯域で騒音レベルが高いという性質を有す
るため、同時に発生する走行騒音に埋没せず、明瞭に聞
き分けられる非常に耳障りな鉄道騒音となる可能性があ
る。しかるに、現行の新幹線車両の大部分は、特に対策
が施されていないのが現状である。

【０００４】新幹線の先頭車両に設けられる乗降用扉の
左右両側の手摺から空力音が発生するのを防止するため
の方策として、手摺が設けられる凹部を開閉可能な蓋で
覆うことが考えられる。しかし、この方策は、既存の車
両を対象とする場合、新たに蓋を設けるのに費用と時間
とを要するので、あまり好ましい手段とは言えない。新
規車両を設計する場合でも、蓋の取付のための手間と経
費の増大は避けられない。その上、蓋の開閉構造として
は、車両走行中は容易に開くことがなく、手摺使用時は
簡単に開けられることが要求されるので、構造が複雑に
なるという欠点がある。さらに車両の高速化に伴って空
気流速度が増大すればするほど、蓋の構造がより複雑化
するおそれがある。

【０００５】なお、手摺の凹部に対する取付位置を調整
することで、空力音の低減化を図ることも考えられる。
この場合、風洞実験等を行えば、空力音が低くなるよう
な凹部に対する手摺の最適取付位置を発見することがで
きると考えられる。しかしながら、仮に最適取付位置を
発見できたとしても、現行車両において手摺の取付位置
を変更するのは、構造的に見て困難であり現実的ではな
い。一方、新規に車両を設計・製造する場合でも、手摺
の最適取付位置を発見するまでに要する予備実験の労力
・時間及び費用は、決して少なくはないという問題を有
している。

【０００６】本発明者らの研究によると、凹部のみから
は、それほど高いレベルの空力音は発生しない。また、
棒体のみが空気流を横切るときにも周波数帯域が狭い範
囲の空力音が発生するが、凹部内に棒体を設けた構造の
棒付き凹部から発生する空力音は騒音レベルのピークが
より増大する傾向にあることが分かった。すなわち従来
の新幹線車両は、騒音を発生させる可能性が高い手摺の
取付構造を有していると言えるので、低騒音の高速走行
を目指すには、何らかの対策を講ずることが望まれてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、鉄道車両にお
ける手摺構造の如て凹部内に棒体を設けた棒付き凹部か
ら発生する空力音を、簡単な構成で且つ低コストに低減
化できる手段を提供するものであって、その特徴とする
ところは、物体表面に形成された凹部内に棒体が取り付
られ、前記物体表面に沿う方向であり且つ前記棒体を横
切る方向に空気流が流れる場合において、前記凹部の開
口部近傍であって空気流の風上側における物体表面に前
記棒体に沿って凸構造を設けたことにある。

【０００８】かかる空力音低減化構造において、前記凸
構造は、棒体に沿って連続的又は部分的に形成した凸条
とすることができる。あるいは、前記凸構造を、ジグザ
グに配列した凸条とすることができる。

【０００９】なお前記構造において、前記物体表面を鉄
道車両表面とし、前記凹部内に取り付けられる棒体を手
摺とすれば、本発明は、既存の鉄道車両及び新規設計さ
れる鉄道車両へ容易に適用することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、凹部内に棒体を設けて
成る棒付き凹部が高速の空気流に晒されることにより空
力音を発生させる場合一般に適用し得るものである。す
なわち、鉄道車両に限らず、トラック等の自動車のよう
に高速で移動する物体から発生する空力音の低減化を目
的とする場合に有効なものである。

【００１１】本発明の基本的な形態は図１に示す如くで
ある。すなわち、物体表面Ｓに形成された凹部Ｐ内に棒
体Ｑが設けられ、該物体表面Ｓに沿って棒体Ｑを横切る
方向に空気流Ｆが流れる場合において、前記凹部Ｐの開
口部ｒ近傍であって空気流Ｆの風上側における物体表面
Ｓに前記棒体Ｑに沿って凸構造を設ける。本例における
凸構造は、断面形状が直角を頂部とする直角二等辺三角
形である凸条Ｔを、棒体Ｑと平行に物体表面Ｓに設けた
ものである。かかる構成により、空気流Ｆが凸条Ｔによ
って上方へ跳ね上げられる結果、棒付き凹部から発生す
る空力音の騒音レベルが低減化する。

【００１２】なお凸条Ｔの形成位置は、図（Ａ）のよう
に凹部Ｐの開口部ｒとの間に若干の距離を置いてもよい
が、なるべく図（Ｂ）に示す如く開口部ｒに接近させて
配置することが望ましい。さらに図示の例では、凸条Ｔ
の長さを棒体Ｑとほぼ等しい長さとしたが、棒体Ｑより
長くしたり、反対に棒体Ｑより短くした場合でも、空力
音低減化効果を得ることが可能である。凸条Ｔの高さ寸
法については、あまり低くすると空力音の低減化効果が
発揮されず、高くし過ぎると、凸条Ｔ自体から騒音レベ
ルの高い空力音を発生させるおそれがあるので、棒付き
凹部の構造や空気流の速度等の諸条件を考慮して、適当
な範囲内に設定すればよい。

【００１３】凹部Ｐの風上側に設ける凸構造は、図１の
ように棒体Ｑに沿って連続する凸条Ｔを設ける以外に、
図２に示すような、途中に適宜間隙Ｇを設けた断続的な
凸条Ｔ₁ とすることも可能である。さらには図３の如
く、複数個の短い凸条Ｔ₂ を棒体Ｑに沿ってジクザクに
配列する凸構造とすることも可能である。本例の場合、
各凸条Ｔ₂ の棒体Ｑに対する角度は約４５°に設定され
ているが、この角度は限定的なものではない。

【００１４】図４は、凸構造の断面形状に関する各種実
施形態を示すものである。図１には凸構造として断面形
状が直角二等辺三角形の凸条Ｔを示したが、非直角の二
等辺三角形（正三角形を含む）とするほか、図４（Ａ）
のような長方形又は正方形、同図（Ｂ）のような半円
形、あるいは同図（Ｃ）のような五角形などの各種断面
形状を採用することも可能である。また図示する断面形
状は、いずれも左右対称の図形となっているが、左右非
対称の形状（例えばＬ字形など）とすることも妨げな
い。

【００１５】このように、本発明を実施するにあたり、
凹部の風上側に設ける凸構造は、図示する形態に限定さ
れることなく、その形状，大きさ，配置等を様々に変更
することが可能なものである。

【００１６】

【実施例】図５に、本発明に係る空力音低減化構造を、
新幹線等の鉄道車両に適用した実施例を示す。本実施例
は、車両に設けられた乗務員乗降用扉Ｄの左右両側に凹
部Ｐ，Ｐが形成され、各凹部Ｐ内に棒状の手摺Ｈ，Ｈが
取り付けられているものに対し、上記凹部Ｐの開口部ｒ
近傍であって車両進行方向の前側（風上側）に、手摺Ｈ
に沿って断面直角二等辺三角形の凸条（以下、トリップ
と言う）Ｔを設けたものである。図示する例では、乗降
用扉Ｄを設けた車両が先頭車であるときの進行方向を図
面の左手方向としているので、トリップＴ，Ｔは各凹部
Ｐ，Ｐそれぞれの左側に設けられる。それ故、左側のト
リップＴは、車両本体の表面ｅに設けられるが、もう一
方の右側のトリップＴは乗降用扉Ｄの表面ｄに設けられ
ることになる。また実際の鉄道車両の表面形状は平面で
はなく、鉛直方向に湾曲しているので、手摺Ｈもこれに
合わせて湾曲形成されている。従って各手摺Ｈ，Ｈの前
側に配置されるトリップＴ，Ｔも、車両の表面形状に合
わせて湾曲形成される必要がある。なおトリップＴの材
質は特に制限されないが、アルミニウム等の金属やプラ
スチック等が考えられる。

【００１７】本発明による空力音の低減化効果を風洞実
験を行って確認した。実験装置は図６に示す如くであ
る。風洞装置内へ水平に設けた支持台１上に、新幹線車
両における手摺Ｈが取り付けられる凹部Ｐの前後部分の
みを模して製作した模擬車体２を設置する。模擬車体２
は、凹部Ｐに対し風上側の前パネル２ａと風下側の後パ
ネル２ｂとから成っており、後パネル２ｂは乗降用扉に
対応する。前パネル２ａの前端はノズル３の吹出口３ａ
に一致し、該吹出口３ａから凹部Ｐまでの距離は３００
ｍｍである。また前パネル２ａの表面は、前端から凹部
Ｐへ向かってわずかな昇り勾配（２３／１０００）を有
するように形成されている。一方、後パネル２ｂは、凹
部Ｐから風下側へ十分な長さを有するものとされる。手
摺に相当する棒体Ｑは、両端部が支持台１上に取り付け
たブラケット４，４で支持されて、前後パネル２ａ，２
ｂ間の凹部Ｐ内に配置され、その上端位置が前パネル２
ａ及び後パネル２ｂと等しい高さレベルとなるように設
定される。なお図６（Ｂ）に示すように、前後パネル２
ａ，２ｂ及び棒体Ｑの横方向の長さ寸法はいずれも、ノ
ズル吹出口３ａの横寸法よりも十分に長く設定される。

【００１８】各部の寸法関係を説明すると、ノズル吹出
口３ａの開口寸法は縦４００ｍｍ×横４８０ｍｍであ
る。凹部Ｐにおける各部分の詳細寸法は、図７に示すと
おりであり、開口部ｒの間口寸法が７２ｍｍ、深さが１
０３ｍｍ、前パネル２ａに形成された段部２ｃは高さが
２３ｍｍ、長さが２８ｍｍである。後パネル２ｂの前端
面には傾斜面２ｄが設けられ、前記段部２ｃから５ｍｍ
の間隔を空けた位置から立ち上がる。従って、この傾斜
面２ｄの基端部から上端部までの水平方向の距離は３９
ｍｍとなる。これらの段部２ｃ及び傾斜面２ｄは、模擬
車体２を、新幹線車両における実際の手摺部分の構造に
近いものとするために設けたものである。棒体Ｑは、断
面が直径２４ｍｍの円形であり、その取付位置は断面し
た円の中心が、凹部Ｐの風上側の開口部ｒからの距離が
４１ｍｍ、風下側の開口部ｒからの距離が３１ｍｍとな
るように設定される。空力音測定用のマイクＭは、棒体
Ｑにおける中央部の鉛直上方であって、支持台１からの
距離が７５０ｍｍの位置に配置した。

【００１９】実験方法は、ノズル３から時速３００ｋｍ
の風を送り、棒付き凹部Ｐから発生する空力音を前記マ
イクＭで集音して測定する。そして、トリップＴを、凹
部Ｐの風上側に設けた場合、トリップＴの取付位置を変
更した場合、及び、トリップＴの高さ寸法を変更した場
合における空力音の低減化効果を調べた。

【００２０】〔実験１〕図８は、トリップＴを凹部Ｐの
風上側に設けたときの空力音低減化効果を示すものであ
る。トリップＴは、断面形状が高さ９．８ｍｍの直角二
等辺三角形であり、凹部Ｐの開口部ｒに合致させて取り
付けられる（図７におけるａの位置）。図８のグラフか
ら分かるように、トリップＴを設けないとき（参照）
は、棒付き凹部Ｐから、ほぼ１ｋＨｚにピークを持ち８
００〜１２５０Ｈｚの狭帯域において騒音レベルが卓越
する空力音が発生する。しかるに前記トリップＴを凹部
Ｐの風上側に設けると、騒音レベルが激減することが分
かる（参照）。

【００２１】〔実験２〕図９は、トリップＴの取付位置
を変更したときの空力音の変化を測定したグラフであ
る。本実験は、前記実験１におけるトリップＴの取付位
置（：図７におけるａの位置）に対し、１０ｍｍだけ
風上側へ移動させた場合（：図７におけるｂの位
置）、及び、３０ｍｍ風上側へ移動させた場合（：図
７におけるｃの位置）の空力音を測定したものである。
同図のグラフから分かるように、トリップＴの取付位置
が凹部Ｐに近いほど空力音の低減化効果が大きくなり、
トリップＴを凹部Ｐの開口部ｒに合致させて取り付けた
ときに最良となることが分かる。但し、トリップＴを凹
部Ｐから離して取り付けた場合でも、十分な空力音の低
減化効果が発揮される。このことより、本発明を実際の
車両に適用するにあたり、構造上の制約により手摺Ｈを
設けた凹部Ｐから若干離してトリップＴを設けなくては
ならない場合でも、本発明は有効に作用し得ることが理
解される。

【００２２】〔実験３〕図１０は、トリップＴの高さ寸
法を変更したときの空力音の変化を測定したグラフであ
る。実験は、トリップＴの取付位置を凹部Ｐの開口部ｒ
から１０ｍｍだけ風上側へ移動させた位置（図７におけ
るｂの位置）とし、高さ寸法が、９．８ｍｍのもの（ト
リップ大）・７．０ｍｍのもの（トリップ中）・３．５
ｍｍのもの（トリップ小）に取り替えて行った。同グラ
フから、トリップＴの高さ寸法を変えると、空力音の低
減化効果に違いを生じさせることが理解される。

【００２３】〔実験４〕図１１は、凹部Ｐの風上側に設
ける凸構造を、図３に例示するような短い凸条Ｔ₂ を棒
体Ｑに沿ってジグザグに配置する構造（以下、ボルジェ
ネと言う）とした場合における空力音の低減化効果を測
定したものである。ボルジェネの配置状況は図１２に示
すとおりであり、凸条Ｔ₂ は、断面形状が高さ９．８ｍ
ｍの直角二等辺三角形であって長さが３０ｍｍ、棒体Ｑ
に対する傾きは±４５°に設定され、各凸条Ｔ₂ どうし
の間隔は１０ｍｍ、凹部Ｐの開口部ｒから凸条Ｔ₂ まで
の距離は１０ｍｍに設定されている。図１１のグラフか
ら分かるように、ボルジェネ構造によっても、優れた空
力音低減化効果を得ることができる。

【００２４】なお、凹部の形状・寸法や棒体の取付位置
を変更すると、発生する空力音のピークの位置が移動し
たり、騒音レベルの高い周波数帯域が変化したりする
が、異なる形態の棒付き凹部に対しても、トリップ等の
凸構造を取り付けるだけで空力音の激減することは、実
験により確認されている。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明によれば、簡単な構成によって、棒付き凹部
から発生する空力音の騒音レベルを著しく低減化するこ
とができる。従って本発明を、例えば新幹線先頭車両に
おいて乗務員乗降用扉の左右両側に設けられる手摺構造
へ適用することにより、手摺や凹部の構造自体には何ら
手を加えることなく、車両走行時の騒音レベルを低減化
することが可能である。しかも、凹部の形状や手摺の取
付位置にかかわらず、空力音を発生させる棒付き凹部の
構造のさまざまな形態に対し、その風上側にトリップや
ボルジェネ等の凸構造を設けるだけで騒音レベルを激減
させることができるから、本発明は、既存の各種形態の
車両に対し、低コストで確実な騒音対策を施すことがで
きる。また新規に鉄道車両を設計・製造する場合でも、
本発明を採用すれば、コストダウンを図れる。さらに本
発明は、鉄道車両以外の高速で移動する物体、例えばト
ラックやダンプカー等の自動車などにも適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造
の一実施形態を示すものであって、図（Ａ）は斜視図、
図（Ｂ）は要部の拡大断面図である。

【図２】 本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造
の他の実施形態を示す斜視図である。

【図３】 本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造
のさらに他の実施形態を示す正面図である。

【図４】 本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造
における凸構造に関する各種実施形態を示す断面図であ
って、図（Ａ）は断面形状が長方形のもの、図（Ｂ）は
断面形状が半円形のもの、図（Ｃ）は断面形状が五角形
のものである。

【図５】 本発明を、鉄道車両の乗降用扉の左右両側に
設けられる手摺構造へ適用した実施例を示すものであっ
て、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は平面断面図である。

【図６】 本発明による空力音低減化効果を調べるため
の風洞実験装置を示すものであって、図（Ａ）は側面
図、図（Ｂ）は風下側から見た正面図である。

【図７】 風洞実験に用いる模擬車体の要部を拡大して
示す側面である。

【図８】 本発明に基づきトリップを棒付き凹部の風上
側に取り付けて行った実験１の空力音測定結果を示すグ
ラフである。

【図９】 トリップの取付位置を変更して行った実験２
の空力音測定結果を示すグラフである。

【図１０】 トリップの高さ寸法を変更して行った実験
３の空力音測定結果を示すグラフである。

【図１１】 ボルジェネを取り付けて行った実験４の空
力音測定結果を示すグラフである。

【図１２】 実験４におけるボルジェネの配置状況を説
明する図面である。

【図１３】 図（Ａ）は従来の新幹線の先頭車両を示す
側面図、図（Ｂ）は乗務員乗降用扉の左右両側に設けら
れる手摺構造を示すものであって、図（Ａ）のＸ−Ｘ線
における平面断面図である。

【符号の説明】

Ｄ…乗務員乗降用扉 ｄ…扉表面 Ｅ…新幹線の先頭車
両 ｅ…車両表面 Ｆ…空気流 Ｈ…手摺 Ｐ…凹部
Ｑ…棒体 ｒ…開口部 Ｓ…物体表面 Ｔ…凸条（トリ
ップ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒生 裕之 大阪市北区芝田二丁目４番24号 西日本旅 客鉄道株式会社内 (72)発明者 佐々木 一臣 大阪市北区芝田二丁目４番24号 西日本旅 客鉄道株式会社内 Ｆターム(参考） 3D023 BA02 BA03 BB30 BC03 BD00 BE03 BE19

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体表面に形成された凹部内に棒体が取
   り付られ、前記物体表面に沿う方向であり且つ前記棒体
   を横切る方向に空気流が流れる場合において、前記凹部
   の開口部近傍であって空気流の風上側における物体表面
   に前記棒体に沿って凸構造を設けたことを特徴とする棒
   付き凹部の空力音低減化構造。
2. 【請求項２】 前記凸構造は、棒体に沿って連続的又は
   部分的に形成された凸条である請求項１に記載する棒付
   き凹部の空力音低減化構造。
3. 【請求項３】 前記凸構造は、ジグザグに配列された凸
   条である請求項１に記載する棒付き凹部の空力音低減化
   構造。
4. 【請求項４】 前記物体表面が鉄道車両表面であり、前
   記凹部内に取り付けられる棒体が手摺である請求項１乃
   至３のいずれかに記載する棒付き凹部の空力音低減化構
   造。