JP2005291220A - 車体床の制振・防音方法及び車体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 車体1の床構体4と床板5との間には、防振ゴム41が挿入されている。さらに、床構体4と床板5との間には、アクチュエータ45が介装されている。アクチュエータの発生力faは、等価的に床板の質量を増加させる、ならびに、床板の絶対速度に比例させることに基づき決定する。発生力faにより等価的に床板の質量を増加させることで、振動伝達率が低減できる帯域を低周波領域に拡張することができる。一方、発生力faを床板の絶対速度に比例させることで、浮き床による共振ピークを低減することができる。
【選択図】 図1
Description
図5は、鉄道車両における騒音発生のメカニズムを説明するための図である。(A)は板状構造体を透過する音波を示す模式図であり、(B)は周波数に対する音波の透過損失を示す対数グラフである。
図5(A)には、2枚の板状構造体(外板OB、内パネルIP)と、これらを結合する結合部材Cとが示されている。外板OBと内パネルIPとの間には、空気層Aが存在する。
質量則とは、車体の板状構造体の面密度が大きいほど遮音効果が大きいという法則である(図5(B)のグラフα参照)。従来より、この質量則を利用して遮音効果を得るために、透過する音波の寄与が大きい車両台車部の床板に鉄板を追加挿入し、この鉄板によって床板の面密度を上げること等が行なわれている。
図6は、鉄道車両における浮き床構造の一例を示す図である。
図6に示す浮き床構造は、車体床100を構成する床構体(外板)101と、その上の床板(内パネル)103との間に防振ゴム105を挿入した構造である。この防振ゴム105は、床構体101に固定された中梁107上に設置されている。このような浮き床構造において、透過損失の効果を大きくするためには、共振周波数をなるべく低く設定することが必要となる。そのためには、挿入した防振ゴム105の剛性をなるべく低くすること、床構体101と床板103との間隔を大きくすること、床構体101、床板103の重量を大きくすること等が有効である。
図7は、鉄道車両の車体の一例を示す模式図である。(A)は車体の全体構造を示す図であり、(B)は(A)のX部拡大断面図である。
近年、前述したような車体の軽量化を実現するため、車体をアルミニウム合金製とする場合が多くなってきているが、アルミニウム合金等の軽量素材を用いると透過損失が低下し、車内騒音が増加する傾向がある。そこで、これを改善する工夫の一つとして、図7(A)に示すように、車体110の板状構造体(屋根構体(天井)111、側構体(壁)113、床構体115等)を中空ダブルスキン構造とすることが行われている。このような中空ダブルスキン構造では、中空部分に振動減衰効果のある樹脂等の充填材120を充填することができる(図7(B)参照)。そのため、遮音効果を向上させることが可能となる。
なお、前記「防音」とは、車体床を制振することに伴う副次的な作用、あるいは、防音自体を主目的とする場合の両方を含む意味である。
この場合、床板の仮想質量を付加することで、床板の剛体としての固有振動数を低くすることが可能となる。そのため、振動伝達率を低減することができる帯域を低周波領域に拡張することができるので、低周波領域での制振・防音性能を一層向上することが可能となる。
この場合、アクチュエータにより床板の振動の絶対速度に比例した力を生じさせる(いわゆるスカイフック理論を適用する)ことで、浮き床による共振ピークを低減することが可能となり、固有振動数附近での制振・防音性能を一層向上することが可能となる。
この場合、ピエゾ素子を制御して振動又は音を吸収する、あるいは、積極的に振動又は音をつくり出してスピーカ機能を生じさせることで、車室内の振動・騒音を低減することができる。さらに、この態様では、車体床の面密度や板厚を増やす場合等に比べて、車体の重量が大きく増加することがない。したがって、この態様によれば、車両の高速化のための車体の軽量化と、防音効果の向上とを両立して実現することが可能となる。
図1は、本発明が適用される鉄道車両の車体を示す模式図である。(A)は車体の全体構造を示す図であり、(B)は(A)のX部・Y部拡大断面図及び制御装置の模式図である。
図1(A)には、鉄道車両の車体1が示されている。この車体1は、車室を画する側構体(壁)2、屋根構体(天井)3、床構体4等の板状構造体を備えている。床構体4の上側(車室内側)には、床板5が設けられている。
図2(A)〜(C)は、それぞれ車体床のモデルを示す図である。
図3は、周波数領域における応答倍率の一例を示すグラフである。
図2(A)には、浮き床構造を簡略化したモデルが示されている。この図において、k1、c1はそれぞれ防振ゴム(図1(B)の符号41参照)のバネ定数、ダンパ定数を示し、m1は床板(図1の符号5参照)の質量を示す。防振ゴムのバネ定数は固有振動数が100Hzとなるように設定されており、ダンパ定数は減衰比が0.1となるように設定されている。質量m1は、床板1枚に2列及び3列の腰掛1脚を加えた質量(150kg)に設定されている。さらに、z0は床構体からの加振変位を示し、z1は床板の応答変位を示す。
m1(d2z1/dt2)+c(dz1/dt)+kz1=c(dz0/dt)+kz0+fa
・・・(1)
(I)等価質量の付加については、前述の(1)式の左辺のm1を増加させることに相当する。この場合は、発生力faとして、床板の加速度d2z1/dt2に比例するアクチュエータ制御力を発生させることで、等価的に質量を増加させる効果が得られる。この(I)等価質量の付加を実現することで、振動伝達率が低減できる帯域を低周波領域に拡張することができる。
これらの関係を纏めると、アクチュエータの発生力faは次式(2)の通りとなる:
fa=−mf(d2z1/dt2)−cf(dz1/dt) ・・・(2)
[m1+mf](d2z1/dt2)+cf(dz1/dt)+c[(dz1/dt)−(dz0/dt)]+k[z1−z0]=0
・・・(3)
図2(C)は、(3)式の物理的関係を表すモデルである。このモデルにおいては、実際には大きな質量増加がなく(追設したアクチュエータの質量増加分のみ)、床板の質量m1に対して、大きな質量mfを付加した効果が得られる。さらに、アクチュエータ制御力として床板の速度dz1/dtに比例した力を発生させることで、仮想的に固定された点と床板との間のダンパ(ダンパ定数cfのスカイフックダンパ)を設置したことと同等の効果が得られる。
まず、目標となる等価質量mfを床板の質量m1の2倍(mf=2m1)、スカイフックダンパ定数cfを防振ゴムのダンパ定数c1の4倍(cf=4c1)に設定した。目標となるアクチュエータの発生力は、前述の(2)式に基づき決定するが、その際に必要な床上加速度は直接測定し、振動速度はその積分値により求めるものとする。なお、この計算では、実装可能性を考慮して、低周波でアクチュエータの発生力が過大となることを防止するため、折点周波数20Hzの近似積分を用いている。前述のような目標設定では、必要なアクチュエータのストロークが50μm、発生力は1500N程度となった。
リニアアクチュエータを用いた場合の発生力faは電流iaに比例し、推力定数kfを用いて
fa=kfia
と表すことができる。したがって、電流iaの指令値を計算することにより、目標発生力faを与えることができる。なお、電流iaは、ドライブアンプ等で所望の値に制御できるものとした。
超磁歪アクチュエータを用いた場合の発生力faも電流iaに比例し、推力定数kfを用いて
fa=kfia
と表すことができる。目標の制御を実現するために必要な素子数は、例えば、超磁歪素子の推力定数が209.8N/A、最大発生力が890N、許容電流が4.2A、最大ストロークが70μmである場合、発生力に関しては1500/890=約1.9、電流に関しては(1500/kf)/4.2=約1.7となり、必要個数は2個と見積もることができる。なお、素子の全長は220mm、ドライブアンプを除く質量は2.3×2=4.6kgである。
ここで検討したピエゾアクチュエータのピエゾ素子は、発生力定数が1.33N/V、最大発生力が200N、許容電圧が150V、最大ストロークが52.2μmである。但し、このピエゾ素子単体ではストロークが不足するため、長さが6倍の素子が製作できるものとして、以下の検討を行った。
fa=kfva
と表すことができる。目標の制御を実現するために必要な枚数は、発生力と最大電圧により求める。発生力に関しては1500/200=約7.5、電圧に関しては(1500/kf)/150=約7.5となり、必要個数は8個と見積もることができる。なお、素子の全長は120mmであり、質量は数kg以下であると推定できる。
図4は、本発明の他の形態が適用される鉄道車両の車体を示す模式図である。(A)は車体の全体構造を示す図であり、(B)は(A)のX部・Y部拡大断面図及び制御装置の模式図である。
図4(A)に示す車体1は、図1(A)に示すものと同様である。図4(B)に示すように、床板5の下面側には、前述のアクチュエータ45を設置するほか、複数のピエゾ素子10が貼付されている(図4(B)では1つのピエゾ素子10のみを示す)。このピエゾ素子10は、圧電材料11の上下面に電極12、13が形成されてなる。なお、図4(B)では、床板5の車体幅方向(左右方向)断面を模式的に示しており、ここにピエゾ素子10が貼付されている場合を例示しているが、実際にはピエゾ素子10は車体前後方向にも貼付される。
2 側構体(壁) 3 屋根構体(天井)
4 床構体 5 床板
10 ピエゾ素子 11 圧電材料
12、13 電極 30 制御装置
41 防振ゴム 43 中梁
45 アクチュエータ 47 加速度センサ
Claims (5)
- 車体の床を支える床構体と、その上に張られた床板とからなる車体床を制振・防音する方法であって、
前記床構体と前記床板の間に、これら両者間に圧縮・引張力を作用させるアクチュエータを配置し、該アクチュエータの出力を利用して前記床板の振動を低減することを特徴とする車体床の制振・防音方法。 - 前記床板に仮想的に質量を付加した効果が得られるように前記アクチュエータを制御し、前記床板の固有振動数を低くすることを特徴とする請求項1記載の車体床の制振・防音方法。
- 前記床板の振動の絶対速度に比例した力を生じさせるように前記アクチュエータを制御し、前記車体床による共振ピークを低くすることを特徴とする請求項1記載の車体床の制振・防音方法。
- さらに前記床板にピエゾ素子を貼付し、該ピエゾ素子を制御して前記床板の振動を制御することを特徴とする請求項1、2又は3記載の車体床の制振・防音方法。
- 車体の床を支える床構体と、その上に張られた床板とからなる車体床を備える車体であって、
前記床構体と前記床板の間に、これら両者間に圧縮・引張力を作用させるアクチュエータが設けられており、該アクチュエータの出力を利用して前記床板の振動を低減することを特徴とする車体。
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