JP2606888B2 - 膨脹符号反転波干渉型防音装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、遮音壁の減音効果を向上させる防音装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来の遮音壁は壁の高さで減音効果を得るもので、壁
体ブロックを物量的に積み重ねる古来の工法が踏襲され
ている、現代においては技術革新から取残された数少な
いものの１つである。道路及び鉄道の遮音壁は昭和40年
代に出現し、壁の表面に吸音材を付け反射音を防止する
吸音タイプ遮音壁も利用されるようになったが、それと
ても機構的には古来からある建築材料としての穴明き吸
音板を野外遮音壁に転用したにすぎず、それが現代まで
基本的には何ら変わることなく続いている。

昭和40年代は、道路及び鉄道（以下道路で代表）騒音
が急激に公害問題化した時代で、急場をしのぐため、他
分野からの借物の遮音壁でもやむを得なかった側面があ
るが、その時代から20年近くが経過し、道路では遮音壁
の設置が常識化し国費が多量に使われるようになった今
日においても旧態依然とした工法がそのまま続けられて
いる。すなわち、第１世代の遮音壁が昔のままの状態で
続いており、早く第２世代品を生み出し、さらに第３世
代品第４世代品と将来にわたる技術革新の道を切り開い
ていかねばならない状況下におかれている。

従来の遮音壁は壁の高さで対処するため構造上の制限
を受け、工費も壁の高さの２乗に関係して増大する。遮
音壁に作用する風圧は、支柱に伝達され、最終的にはこ
の支柱及びその基礎が受け持つ形となるが、支柱の固定
端（下端）モーメントは遮音壁の高さの２乗に比例し、
遮音壁が高くなると、支柱及び基礎はばかでかいものが
必要となり、高架橋等においては、橋本体の耐荷力上、
遮音壁の高さ等に制限を受ける。また、交通量の増大等
で遮音壁の嵩上げが必要になった場合、橋本体の許容応
力に余裕がなければ騒音対策が不可能となることもあ
る。遮音壁を高くすることは、橋本体の工費等を含め、
工費が２乗的に増大することはもとより、走行安全上は
遮音壁による圧迫疲労問題が生じ、また、日照阻害を増
大させる。

高さで勝負する第１世代遮音壁が続く中にあって、第
２世代品の生れるきざしがないわけではない。まず、試
験施工段階のものもあり、効果が確定し、その設計資料
が整備されるのにまだ時間がかかり、広く実用化される
かどうかは不明であるが、それ以前に、旧態依然とした
遮音壁に技術革新の活を入れた功績は大きく、このよう
なものが５つも６つも生れ、技術革新の底辺が広がって
こそ、始めて真の第２世代品が確立していくものであ
る。

新しい遮音壁技術への試みは２つあるが、その１つは
遅延波干渉型遮音壁である（特公昭61−1566号公報参
照）。これはQuinke（クインケ）管と同じ原理に基づく
もので、第５図において管の口Ａで音叉を鳴らしておい
て、A I BとA II Bの路程差を変えると音が強く聞かれ
てたり、聞えない場合が生じる。この路程差が半波長の
とき、クインケ管の右をまわる音と左をまわる音がＢ点
で音が消えるように干渉するもので、純音（音の周波数
一定）かつ定常波（音の波形が前のものと１つあるから
来るものが等しい）に成立する。しかしながら、騒音の
場合は、複合音で多数の純音が合成されたものであり、
この純音１つを取り出しても、前の波形とあとの波形が
等しいとは限らず、この純音でみられる干渉は騒音全体
としてはあり得ない。例えば500HZの音に対して干渉す
るよう路程差を設計しても、騒音には1000HZ,250HZ,あ
るいは300HZの音もあり、これが全て管の中に入るの
で、増巾されるものもあり、このタイプのものは減音効
果なしとみるのが一般的である。この例は複数音源の騒
音計算にみられ、各音源から受音点までの距離は全て異
なり、特定の周波数の音については遅延回路を設けたの
と同じことであるが、各音源からの騒音を合成する場
合、特に、干渉効果を考慮に入れないことからも明らか
である。干渉で減るものもあれば、増巾されるものもあ
り、プラスマイナスすれば実用的には特に考慮すべきほ
どのことではないというのが騒音計算の前提になってい
る。前記の発明は、第６図に示すように、騒音が伝播す
る途中に、音の回り道（11）を設け、これを通して、半
波長遅れた波とあとからくる波を干渉させようとする試
みである。１つ前の波を遅らせて、あとの波と干渉させ
る条件に、必ず干渉に好ましい音波があとからやってく
ることが前提になるが、そうであったりなかったり、あ
とから来るものはわからないというのが複数音源を有す
る騒音の性質である。また、該発明では複数個の遅延回
路を設けているが、騒音が周波数成分別に回路を選択で
きない以上、回路が１個でも複数個でも同じことで、上
述したある周波数の音は干渉するが、別の周波数のもの
は増巾する現象がつきまとう。

もう１つの第２世代遮音壁の試みは遮音壁の天端に吸
音材を取付ける方法である（特公昭51−46969号公報参
照）。物理現象には原理法則性があり、これを無視して
実験室の小規模実験のみで判断すると、大きな間違いを
犯すことがあるが、この発明によると、音の下がる原因
は、遮音壁上縁を回折する音波が吸音材（12）で吸収さ
れると推定し、実験でこれを確認している。第７図に示
すように、1m高の鉄板塀（13）の上に直径8.5cmの円柱
体たる吸音材（12）を取付け、5KHZ及び10KHZの音源を
用いて実験が行なわれている。日常問題とされている騒
音の周波数は0.2〜2KHZで高い周波数は壁の回折効果で
減音しやすく、壁設置後は低周波音が残り、この低周波
音の処理がやっかいな問題である。音響相以律から物体
の長さのデイメンジョンと音の周波数のデイメンジョン
を一定にすれば同じ結果が得られ、例えば、現地の騒音
の周波数を500HZとすると、5KHZの実験値と同じ結果を
現場で得らためには、10mの塀を立て、その上に85cmの
円柱吸音体を設置しなければならないことになり250HZ
の現地音に対処するためにはこの倍の規模のものが必要
となる。10mの遮音壁はなく、直径85cmや170cmの吸音体
も異常な大きさで、できれば笠木程度の大きさが望まし
い。なお、一般の高速道路は道路巾が20m以上あり、こ
の片側または両側に3mないし5m高程度の遮音壁を設置す
るのが一般的であるが、上記実験は壁直近の音源につい
て行なわれており、現実は音源は壁からもっと離れてい
る。

また、模型実験では音響相以律に従って縮小できない
ものが必ずあり、施工規模のもので確認する必要があ
る。例えば、吸音体に用いられているグラスウールの繊
維の太さや空ゲキの大きさは縮小できず、10KHZと5KHZ
の結果を比較すると、実験周波数が小さくなると、急激
に効果が落ちており、騒音の周波帯域、例えば500HZま
で周波数が下がると、効果のほどが心配される。

模型実験における直径8.5cmの吸音体（12）を現地サ
イズになおすと少なくとも1m程度となるが、第７図にお
いて、1m高の鉄板（13）とこれを直径1mの吸音体（12）
に置き変えた場合について遮音効果を比較すると、吸音
材（12）は音の透過損失が皆無に等しく、実験するまで
もなく、鉄板（13）の方が遮音効果があり、該発明の実
験による判断と矛盾する。

上記、遮音壁上縁吸音材取付法は、実験で減音効果の
可能性が得られたという段階で、実施に当っては問題も
多くでてくる可能性もある。実施に当っては、現実の騒
音源に対する防音効果とともに、耐久性の問題もある。
道路構造物については10年20年の耐久性を要し、吸音材
についてはそのまま外気にさらさず、耐候性フイルムで
グラスウールをつつみ、その外に金属性の穴空き保護板
を設けているのが吸音タイプの遮音壁の現状である。

しかしながら、上記２つの防音技術に関する新しい試
みは問題があるとしても、その技術革新にとっては意義
の深いものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

道路騒音及び鉄道騒音に対する防音技術の現状は、そ
の高さで対処する古来からの方法が延延と続いていると
言って過言ではない。

この発明は、古典的な遮音壁の技術に、新たなる血を
そそぎ、高さのみの物量戦術だけではなく、少しでも効
率的な防音技術を開発することにより、道路騒音に対す
る防音技術の近代化ならびに技術革新の道を切り開こう
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕 前記課題を解決するための手段を、機構説明図である
第１図を用いて説明する。

（ａ） 音波取入管（１）と受音点側音波取出管（２）
を大断面の膨張室（３）に接続して３方向分岐管を構成
する。

（ｂ） 上記装置により、取入管（１）より侵入する進
行波F₁の振動エネルギーを用いて、進行波F₁とは符号が
反対（F₁が圧縮から膨張、F₁が膨張ならば圧縮）の反動
波F₂を発生させる。

（ｃ） 上記装置を遮音壁の上縁附近に設け、音源から
遮音壁の上縁をまわる音波F₀の一部を取入管（１）を通
して取入れ、この装置により発生した符号反転波F₂を用
いて、音波F₀と干渉させ、受音点（７）側にまわる回折
音の音のエネルギーを減衰させる。

という技術的手段を講じている。

〔作用〕

音は波の一種で、その現象変化は波動方程式で表わさ
れ、管路を伝わる波の方程式は次式のようになる。

ここに、 波動方程式（１）の解は u₁＝ｆ（ｘ−ct） 〔進行波〕 u₂＝ｇ（ｘ＋ct） 〔後退波〕 f,gは波形を表わす関数で、ｆがｘの正の方向に進む
進行波、ｇがｘの負の方向に進む後退波を意味してい
る。

音圧F,Gは、圧縮波を正とすると ここに、ｆ′はｆ（Ｚ）のＺに関する微分関数であ
る。

一方、粒子速度F₁及びG₁は となり、音圧と粒子速度の関係は Ｆ＝ρcF₁,G＝−ρcG₁ となる。すなわち、音圧は粒子速度に比例し、進行波は
符号が変わらず、後退波は符号が反転する。

第１図において、管路を進行する波F₁が断面が変化す
る境界に達すると、一部は反射（F₂）し、残りは透過
（F₃）する。膨張室（３）に侵入した波（F₃）は進行波
となって、膨張室（３）を伝幡するが、この中空体
（３）が無限に長いか、その途中に反射波を防ぐ吸音処
理（４及び５で４は吸音材,5は背後空気層）を施すと、
膨張室（３）内の反射波（または後退波）はなくなり、
第１図における波の種類はF₁,F₂及びF₃の３種類とな
る。なお、膨張室（３）の入口で発生する反射波は、音
波取入通路（１）にも一部分配されるが、これと取出通
路（２）に向うものを総称して、反射波（F₂）とする。

音波取入通路（１）の断面積をA₁,取出通路（２）及
び膨張室（３）の断面積をA₂及びA₃とし、 Ａ＝A₁＋A₂ とすると、膨張室（３）の入口における音圧及び体積速
度（＝粒子速度×断面積）のつり合い条件から F₁＋F₂＝F₃ Ａ（F₁−F₂）＝A₃.F₃ となり、両式より となる。上式において、入射波（F₁）と透過波（F₃）及
び反射波（F₂）の符号に着目すると、透過波（F₃）は入
射波（F₁）と同じ符号であるが、反射波（F₂）は膨張室
（３）の断面積A₃がＡより大きいとき、符号が変わり、
入射波（F₁）が圧縮ならば引張、引張波ならば圧縮波と
なる。すなわち、音波取入通路（１）取出通路（２）及
び膨張室（３）の断面積を調整することにより、反射波
（F₂）の符号を直接波（F₀）を消すように変え、また、
この断面積の調整により最も効率的な反射波（F₂）の発
生量を設計することができる。

直接波（F₀）に対して、取出通路（２）からの反射波
（F₂）は回わり道をする分だけ遅延する。第４図に示す
ように、直接波（F₀）と反射波（F₂）は位相差ｅをもっ
て干渉し、部分的に増巾されるところがあるが、この位
相差ｅが波長に比べて小さいと、全体的には音を消し合
うように干渉する。すなわち、周波数の低い音ほど波長
が長く、位相差ｅの影響が小さくなり、効果的となる。
そして、１つ前に出た波を遅延させて、あとからくる波
と干渉させるのではなく、自分自身の符号反転波との干
渉であるから、あとから来る波の影響は受けない。

周波数の高い音では、この位相差の影響が大きくな
り、あとから来る波と干渉して、増えたり減ったりする
率が増える。そして、その出入は差引き０またはそれ以
下となる。周波数が高くなると径路の曲がりによる減衰
等種々の減衰が大きく、エネルギー的には直接波（F₀）
の一部が取入口（１）があるがため、回わり道をしたに
すぎない。

壁など音の障害物による回折減衰は、音の周波数ｆの
常用対数の10倍（10log f）に比例し、周波数が倍にな
れば、３ホン効果が大きいという性質があり、遮音壁に
よる防音対策において、効率が悪いのは周波数の低い音
である。本発明による装置はこれを補完するもので、周
波数の高い音は遮音壁の高さで落し、低い音は高さとこ
の装置で落そうとするもので、従来の遮音壁のネックで
ある低周波域の減音効果に対する非効率さを大巾に改善
するものである。

〔実施例〕

以下に、この発明の好適な一実施例を図面に基づいて
説明する。

第１図は、本発明による防音装置の断面図で、断面的
にみて、１つの音波取入通路（１）と１つの音波取出通
路（２）を有するもので、これに接続して、両通路の断
面積の和よりも大きい断面を有する膨張室（３）を設け
たものである。膨張室（３）の中には、反射音を防ぐた
め、吸音材（４）と背後空気層（５）を設ける。

第２図及び第３図は、音波取入通路（１）と取出通路
（２）に穴明板（８）やスリット板（９）を用いたもの
で、取入通路（１）と取出通路（２）の見分けがつかな
いタイプもあるが、音源（６）側の取入通路（１）部
分、受音点（７）側部分を取出通路（２）とみなすもの
で、膨張室（２）で生じる反射散乱波の１部（F₂）を受
音点（７）側減音干渉波として用いるものである。

〔発明の効果〕

道路及び鉄道の遮音壁は、その高さのみで減音効果を
得るというのが従来の考え方であるが、音の性質上、始
めの1m高は良く減音するが、次の1m高は減音効果が急減
する特性を有し、遮音壁が高くなるほど壁高効果は悪く
なり、周波数の高い騒音は壁高効果で減衰してしまい、
低周波帯域の騒音が残る。本発明の防音装置は、遮音壁
の高さで対処する場合のネックを除き、遮音壁の効率性
を増大させる。

遮音壁既設地域は、増大する交通量に伴う騒音の上昇
ならびにさらによりよい環境を求める沿道住民のニーズ
から、騒音対策の追加をせまられているところも多い。
このようなところに、本発明の防音装置を用いると、遮
音パネルの上１枚を本発明の防音装置に置き換えるだけ
ですむ場合もあり、支柱の取変え、ならびに道路構造物
本体に荷重負担をかけずして、騒音対策が可能となる。

本発明の防音装置は、従来の穴明き吸音板パネルの構
造と比較して、特に複雑なものではなく、コスト的には
従来の吸音パネルと特に変わらず、防音のための投資効
率は非常に高いものがある。

ハイテク技術の開発のみに我国の生きる道があり、各
分野において新しい技術開発にしのぎが削られている。
遮音壁の大半は公共事業に使われるが、遮音壁の分野の
み、物及び金について昔ながらの多消費型の工法が続い
ている。本発明による技術開発は、それに一石を投じ、
刺激を与えることから、今後の遮音壁に関する技術開発
に対して意義深いものがある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による防音機構を説明する装置縦断側面
図で本発明の実施例と兼用、第２図及び第３図は本発明
の実施例を示す略示側面図、第４図は遮音壁上縁附近に
おける音の干渉状況説明図、第５図はクインケ管による
音の干渉実験装置、第６図は従来の遅延波干渉型防音装
置の略示側面図、第７図は従来の遮音壁上縁吸音材料取
付型防音壁の略示側面図である。 １……音波取入通路、２……音波取出通路 ３……膨張室、４……吸音材 ５……背後空気層、６……音源 ７……受音点、８……穴明き板 ９……スリット板、11……遅延回路 12……円柱吸音体、13……鉄板

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遮音壁の上縁附近に、音波取入通路（１）
   と音波取出通路（２）を膨張室（３）に接続した構造を
   有し、取入通路（１）から音波（F₁）が膨張室（３）に
   入るとき生ずる符号反転反射波（F₂）を取出通路（２）
   から取出し、遮音壁の上縁をまわる直接波（F₀）と干渉
   させて減音効果を得ることを特徴とする膨張符号反転波
   干渉型防音装置。