JP3155214B2 - 走行体の空気取入口 - Google Patents

走行体の空気取入口

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純 松尾
康文 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的高速で走行
する鉄道車輌等の走行体に設ける空気取入口に関する。
特には、騒音発生を抑制するとともに空気取入の効率を
高めた走行体の空気取入口に関する。
【0002】
【従来の技術】新幹線の空気取入口を例にとって従来技
術を説明する。新幹線は開業当初最高速度210km/hで
運転していたが、最近、航空機との競合関係改善等の要
請もあり、最高速度が300km/h近くにスピードアップ
している。この傾向は、今後も続くことが予想され、現
段階では350km/hまでの高速化が検討されている。
【0003】この新幹線の高速化に伴い、空力騒音の問
題が解決すべき課題の一つとして特に重要視されてい
る。空力騒音の音の強さは走行体(音源物)の速度の6
乗に比例するといういわゆる空力音6乗則が一応妥当と
されている本分野においては、スピードアップによる騒
音への影響はきわめて鋭敏なものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】空力騒音で特に注目さ
れてきたのはパンタグラフが風を切る騒音であり、パン
タカバーの設置等の対策が採られてきた。また、車体の
外形そのものにも様々な改善がなされてきた。一方、車
体の空気取入口については、その存在が小さいことと車
体外に突出してはいないため、空力騒音的には軽視され
てきた。しかし、車輌の高速化に伴い、空気取入口から
発生する騒音が相当な音圧レベルに昇り、何らかの対策
が必要なことが判明した。
【0005】本発明は、上記のような情況に鑑み、車輌
等の高速走行体の騒音を低減すべく、騒音発生を抑制す
るとともに空気取入の効率を高めた走行体の空気取入口
を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の走行体の空気取入口は、 走行体の外面に
設けられた空気取入口であって; 枠体と、 この枠体
内で該走行体の進行方向に延びる仕切板と、 枠体内
で、この仕切板と交差する方向に延び、該仕切板と連結
されている補強板と、を備え; 該補強板の進行方向に
おける断面が丸みのある断面であることを特徴とする。
【0007】ここで、該枠体の空気取入口開口側のエッ
ジに丸みが付けられていたり、該補強板が、空気取入口
開口より奥まって設けられていることも有効である。当
然のことながら、上記3対策の全てを施すことが好まし
い。
【0008】
【発明の実施の形態及び実施例】また、本発明において
は、上記補強板の本数が、上記仕切板の振動を抑制する
ための最小限とされていることが好ましい。補強板は空
気流と交差するため騒音源となり易い。したがって、仕
切板の強度的な問題や振動が生じない範囲で数を少なく
することが好ましい。しかし、補強板を減らし過ぎる
と、空気取入量が低下するので注意を要する。
【0009】また、本発明においては、上記仕切板の進
行方向後端部に、走行体内側方向に凹む丸みが付けられ
ていたり、上記補強板の進行方向における断面が、走行
体外側から内側に向かって、アール部、平行部、細り
部、先端部となっていることも好ましい。さらに、上記
仕切板が多数設けられており、かつ走行体進行方向直交
断面において、中央部の仕切板ほど車体外面から奥に入
るように配置されていることも好ましい。その理由につ
いては図を参照しつつ後述する。
【0010】本発明においては、上記仕切板によって、
該空気取入口への吸込み空気流が分断・整流されること
も好ましい。空気流の分断により、発生する空力騒音の
周波数スペクトルにおいてパワー比率の大きい低周波数
成分を下げることができる。また、空気流の整流によ
り、空気吹込み流量も増加する。この場合、仕切板相互
の間隔は20〜30mmが好ましい。
【0011】以下、図面を参照しつつより具体的に説明
する。図1は、本発明の対象となる新幹線車輌用空気取
入口の模式的斜視図である。(A)は従来品、(B)、
(C)及び(D)は本発明の実施例に係る対策品であ
る。なお、本発明を完成させるに至った経過として、
(A)の従来品を徐々に改良していった経過を辿ったの
で、その線に沿って説明する。図1(A)〜(D)中に
おいて、下1桁が同じ数字の部分は同じ名称の部分であ
る。
【0012】図1(A)の対策前の空気取入口11は、
長方形の枠体13を有する。この枠体13の寸法は、幅
200mm、長さ550mmである。なお、長さ方向が車輌
の進行方向で、幅方向が車体の上下方向である。この枠
体13中に、長さ方向(進行方向)に延びる12本の仕
切板15と、仕切板15に直行して延びる8本の補強板
17が設置されている。仕切板15と補強板17とは溶
接または接着によって連結されている。なお、仕切板1
5と補強板17によって分断されている一区画の寸法は
長さ65mm、幅16mmである。各板15、17の厚さは
1.5mm、幅は30mmである。この寸法は、軌道上のバ
ラストが空気取入口15に入らないように考慮されたも
のである。
【0013】以下、騒音低減のために採った対策を説明
する。対策I:補強板断面形状の丸み付け最適化と枚数の最少
気流方向と直交する補強板27の断面を膨らますことに
より、気流と当たる外側エッジ部分に丸みを付けるとと
もに、補強板27の枚数を仕切板25の振動を十分押さ
えられる程度に減らした。気流方向と直交する補強板
は、衝突する気流の乱れを生み強い空力音を発生させる
ことから、その枚数を極力少なくすることと、外側エッ
ジ部分に丸みを付けることにより空力音のパワー和を小
さくできた。
【0014】補強板の内側エッジは通過する気流の剥離
点を固定するためシャープエッジとし、補強板断面の中
間部は平板状とした(図4における、補強板57の外側
アール部57a、平行部57b、細り部57c、先端5
7dを参照)。補強板の内側エッジ57dをシャープに
尖らすことにより、気流の剥離点のふらつきによる空力
音の増大を防ぐことができる。補強板断面の中間部(平
行部57b)を平板状にすることにより、補強板断面の
膨らみによる吸気量の低下をある程度抑えることができ
る。
【0015】対策II:開口枠33の上流側及び下流側枠
縁への丸み33aを付けた。これにより、上流側枠部で
剥離し下流側枠部に衝突する気流の乱れから発生する空
力音を低減できる。開口枠33における上流側枠縁に丸
み33aを付けることにより、上流側枠部で剥離する気
流をガイドして、開口枠内部33へより多くの空気を取
り入れることができる。
【0016】対策III :補強板47取付位置を内側に奥
めた。気流方向と直交する補強板47の取付位置を少し
内部側へ奥める(例えば5〜10mm)ことにより、補強
板47の外側エッジに突きあたる気流の流速を和らげ、
そこで発生する空力音を低減することができる。ただ
し、奥にしすぎると空気の引き込みが弱まるので注意を
要する。
【0017】図2は、図1に示されている対策の効果を
分析した実験の結果を示すグラフである。なお、この実
験は、1/2縮尺モデルを用いた風洞実験であり、風洞
実験で得られた空力音データ(気流風速300km/h、A
測点対応)から現車の空気取入口における空力騒音(列
車速度270km/h対応)を推測する換算方式を求め、そ
の結果における騒音レベル差から低減効果を評価した。
現車空力騒音相当(25m点超指向性マイクデータによ
る騒音レベル)へ換算する手順は次のように定めた。 周波数補正(1/2スケール→1/1スケール):
周波数スペクトルの横軸の1/2ずらし 回折減衰補正:防音壁による回折減衰補正(1kHz
で−17dBの線音源仮定) A特性補正:聴感補正による騒音レベル換算 距離減衰(1.5m→25m):−24dB その他の補正:+5dB(パワー換算、流速換算、ル
ーバの個数補正等)
【0018】結果の考察: (a)ルーバ騒音の周波数特性 前項のからのような周波数特性を変化させる補正
は、騒音レベル差に基づく低減効果の評価に影響を与え
ることになる。A測点における音圧データに対して回折
減衰補正を行って、防音壁の外部沿線(25m点)へ伝
搬されるルーバ騒音を換算評価(空気吸込有り)する
と、図2の1/3オクターブバンド周波数分析グラフの
ようになった。その結果から、防音壁を乗り越えて伝搬
されるルーバ騒音は、おおよそ100Hz〜1kHz の周波
数域にわたる広帯域騒音となることが窺える。
【0019】(b)騒音低減効果:図2に示されている
ように、黒丸の対策前から、各種対策を行うにしたがっ
て(白丸→白三角→白四角)、騒音レベルが低下するこ
とがはっきりと分る。特に200〜2,000Hzの周波
数域における総合騒音低減効果(黒丸と白四角の差)は
約10dBという大きな値に昇っている。
【0020】(c)空気吸い込み量の変化:上記諸対策
に伴い、空気の吸い込み量が減る心配があったので、吸
い込み量の変化を風洞実験において測定した。図3は、
走行体速度と空気吸い込み量との関係を示すグラフであ
る。これによると、補強板に丸みを付ける等の対策を採
った場合の方が空気吸い込み量がかえって多くなること
が示された。騒音低減策の結果空気流に無用の渦や乱れ
が生じなくなったので、空気吸い込み流がスムーズとな
ったため、吸い込み量も増加したものと考えられる。
【0021】図4は、本発明の他の一実施例に係る空気
取入口を示す一部断面側面図である。この図は、進行方
向(矢印)に平行な方向で仕切板55等を見た図であ
る。進行方向に延びる仕切板55には、その両端部に、
走行体内側方向に凹む丸みであるアール55aが付いて
いる。アール55aの分だけ仕切板55の内側縁55b
にもアールが付いているので、結局仕切板55は、アー
チ形をしている。仕切板55の両端は、枠体53に接続
されているが、枠体53の縁にもアール53aが形成さ
れている。
【0022】このアーチ形の仕切板55によって、下流
側開口枠体の縁付近で特に発生しやすい高周波数域の空
力騒音成分を低減できる。なお、新幹線は前後進両方向
に走行するので、上述のアール処置は仕切板55の両端
部で行っている。
【0023】図4の空気取入口51の補強板57につい
ては、図1の対策Iで述べたとうり、補強板57の進行
方向における断面が、走行体外側から内側に向かって、
アール部57a、平行部57b、細り部57c、先端部
57dとなっている。そして、補強板57のアール部5
7aの先が、仕切板55の外側から約5〜10mm奥に入
っている。
【0024】図5は、本発明の他の一実施例に係る空気
取入口を示す一部断面正面図である。この図は、進行方
向で補強板67等を見た図である。この空気取入口61
の仕切板67は、上記仕切板が多数設けられており、か
つ走行体進行方向直交断面において、中央部の仕切板ほ
ど車体外面から奥に入るように配置されている。すなわ
ち、仕切板67がV字状に配列されている。また、補強
板67もそれに合わせてV字状となっている。中央の仕
切板67aの奥への引っ込み寸法(図中h)は、一例と
して60〜90mmである。このV字配列により、さらに
高周波数域の空力音成分を抑制する作用と低周波数域の
空力音成分を微増させる作用をもつが、聴感補正(A特
性補正)の結果として空力音を低減させることができ
る。
【0025】次に、仕切板の騒音及び空気吸い込み量に
対する影響を調べた実験について説明する。図6は、仕
切板の有無等によって空気取入口の空力騒音がどのよう
に変化するかを示すグラフである。
【0026】まず、仕切板の無いシャープな縁の枠体
(幅210mm×長さ210mm)のみの騒音レベルが白四
角の線であり、最も騒音レベルが高い。これに枠体の縁
にR20mmを付けたのが白丸の線であり、白四角に比べ
て相当レベルが落ちている。次に、幅方向に12枚の仕
切板を入れたのが白三角の線である。
【0027】白丸と白三角とを比較すると、周波数約2
kHz 以下では白三角が低く、約3kHz 以上では白三角が
高い。これは、仕切板を入れることにより、気流を幅方
向に細かく分断するので、低周波成分のパワーが落ち、
高周波成分のパワーが上がるものと考えられる。人間の
耳に聞こえやすい音の周波数は500〜10,000Hz
の低周波であり、高周波成分が強くなっても低周波成分
を低減できれば騒音問題は改善されるので、適当な間隔
(20〜30mm)で仕切板を入れることが好ましい。
【0028】図7、図8は、各種空気取入口の空気吸い
込み量を気流速度との関係で見たグラフである。まず、
図7において分ることは、進行方向上流の枠体縁部にア
ールを付けると(白三角)吸い込み量が増加するが、下
流の枠体縁部にアールを付けた(白丸)のでは、吸い込
み量は増加しない。
【0029】図8においては、枠体両縁部にアールを付
けたもの(白丸)は、図7の上流のみアールのもの(白
三角)よりも約30%も吸い込み量が下がっている。こ
れは、下流縁アールの作用により、空気取入口に入りか
けた空気が外に出てしまうためと考えられる。しかし、
両縁アール及び仕切板有の場合(図8、白三角)は、両
縁アールだけのものよりも吸い込み量が増え、図7の上
流縁のみアールと同じくらいに多い吸い込み量となって
いる。これは、空気取入用開口部に設置された仕切板に
沿う流れが粘着(摩擦)により減速され、その分相対的
に静圧が高まった結果と考えられる。結局、空力騒音及
び吸い込み量の双方を考えると、枠体両縁にアールを付
け、さらに仕切板を入れるのが最適である。
【0030】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の空気取入口は、走行体の空力騒音の発生を抑制できる
とともに、空気取入の効率を高めることできる。そのた
め、新幹線等の高速走行体に関連する騒音問題の解決に
寄与すること多大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の対象となる新幹線車輌用空気取入口の
模式的斜視図である。(A)は従来品、(B)、(C)
及び(D)は本発明の実施例に係る対策品である。
【図2】図1に示されている対策の効果を分析した実験
の結果を示すグラフである。
【図3】走行体速度と空気吸い込み量との関係を示すグ
ラフである。
【図4】本発明の他の一実施例に係る空気取入口を示す
一部断面側面図である。
【図5】本発明の他の一実施例に係る空気取入口を示す
一部断面正面図である。
【図6】仕切板の有無等によって空気取入口の空力騒音
がどのように変化するかを示すグラフである。
【図7】各種空気取入口の空気吸い込み量を気流速度と
の関係で見たグラフである。
【図8】各種空気取入口の空気吸い込み量を気流速度と
の関係で見たグラフである。
【符号の説明】
11 空気取入口(従来) 13 枠体 15 仕切板 17 補強板 21 空気取入口 23 枠体 25 仕切板 27 補強板 31 空気取入口 33 枠体 35 仕切板 37 補強板 41 空気取入口 43 枠体 45 仕切板 47 補強板 50 走行体外壁 51 空気取入口 53 枠体 53a アール 55 仕切板 55a アール 57 補強板 57a アール部 57b 平行部 57c 細り部 57d 先端部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前橋 栄一 東京都国分寺市光町二丁目8番地38 財 団法人鉄道総合技術研究所内 (56)参考文献 特開 平3−251643(JP,A) 特開 平8−205308(JP,A) 実開 昭57−62110(JP,U) 実開 昭57−138716(JP,U) 実開 昭63−145706(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B61D 27/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 走行体の外面に設けられた空気取入口で
    あって;枠体と、 この枠体内で該走行体の進行方向に延びる仕切板と、 枠体内で、この仕切板と交差する方向に延び、該仕切板
    と連結されている補強板と、を備え;該補強板の進行方
    向における断面が丸みのある断面であることを特徴とす
    る走行体の空気取入口。
  2. 【請求項2】 走行体の外面に設けられた空気取入口で
    あって;枠体と、 この枠体内で該走行体の進行方向に延びる仕切板と、 枠体内で、この仕切板と交差する方向に延び、該仕切板
    と連結されている補強板と、を備え;該枠体の空気取入
    口の開口側のエッジに丸みが付けられていることを特徴
    とする走行体の空気取入口。
  3. 【請求項3】 走行体の外面に設けられた空気取入口で
    あって;枠体と、 この枠体内で該走行体の進行方向に延びる仕切板と、 枠体内で、この仕切板と交差する方向に延び、該仕切板
    と連結されている補強板と、を備え;該補強板が、空気
    取入口開口より奥まって設けられていることを特徴とす
    る走行体の空気取入口。
  4. 【請求項4】 走行体の外面に設けられた空気取入口で
    あって;枠体と、 この枠体内で該走行体の進行方向に延びる仕切板と、 枠体内で、この仕切板と交差する方向に延び、該仕切板
    と連結されている補強板と、を備え;該補強板の進行方
    向における断面が丸みのある断面であり、 該枠体の空気取入口開口側のエッジに丸みが付けられて
    おり、 該補強板が、空気取入口開口より奥まって設けられてい
    ることを特徴とする走行体の空気取入口。
  5. 【請求項5】 上記補強板の本数が、上記仕切板の振動
    を抑制するための最小限とされている請求項1〜4いず
    れか1項記載の走行体の空気取入口。
  6. 【請求項6】 上記仕切板の進行方向後端部に、走行体
    内側方向に凹む丸みが付けられている請求項1〜5いず
    れか1項記載の走行体の空気取入口。
  7. 【請求項7】 上記補強板の進行方向における断面が、
    走行体外側から内側に向かって、アール部、平行部、細
    り部、先端部となっている請求項1〜6いずれか1項記
    載の走行体の空気取入口。
  8. 【請求項8】 上記仕切板が多数設けられており、かつ
    走行体進行方向直交断面において、中央部の仕切板ほど
    車体外面から奥に入るように配置されている請求項1〜
    7いずれか1項記載の走行体の空気取入口。
  9. 【請求項9】 上記仕切板によって、該空気取入口への
    吸込み空気流が分断・整流される請求項1〜8いずれか
    1項記載の走行体の空気取入口。
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