JP4043031B2 - 橋梁の騒音低減装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、橋梁からの一次音を遮音する遮音体がこの一次音によって振動したときにこの遮音体からの二次音を低減する橋梁の騒音低減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼橋やコンクリート橋などの構造物を列車が通過するとこの構造物の振動によって音が放射される構造物音が知られている。このような構造物音は、鋼橋の場合には縦桁や張り板の振動により発生し、コンクリート橋の場合にはスラブの曲げ振動により発生する。このような構造物音を低減するために、鋼橋の場合には構造物に制振材料を使用する対策が考えられており、コンクリート橋の場合には軌道と構造物との間に弾性材料を挿入する対策が考えられている。特に、開床式鋼橋の騒音には、列車からの音を含む鉄桁の下部から放射される下面放射音と、列車からの音を含む鉄桁の上部から放射される上部音と、鉄桁を構成する部材である主桁の振動音である主桁音とが知られている。このような鉄道橋梁の騒音では、騒音寄与度の高い下部放射音の遮音が重要な要素となる。このため、従来、鉄道橋梁の騒音対策としては、鉄道橋梁を列車が通過するときに発生する騒音を遮音する遮音板などを鉄桁の下部開口部に取り付けて、下部放射音を遮音する下部遮音工が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の鉄道橋梁の騒音対策では、制振石綿セメント板や制振鋼板などの耐久性や強度的に十分な重量の重い材料を遮音板に使用している。しかし、従来の鉄道橋梁の騒音対策では、橋梁からの一次音を遮音する遮音板がこの一次音によって振動すると、この遮音板が二次音を発生してしまう問題があった。このような二次音を低減するためには遮音板の厚さを厚くすると遮音効果を向上させることができるが、遮音板の重量の増大によって適用可能な橋梁が限定されてしまう問題があった。
【０００４】
この発明の課題は、軽量で高い遮音性能を持つ遮音体によって橋梁からの騒音を低減することができる橋梁の騒音低減装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、一次音（Ｓ₁ ）を遮音する遮音板（２）がこの一次音によって振動したときにこの遮音板からの二次音を低減する橋梁の騒音低減装置であって、前記遮音板に発生する前記振動を電気信号に変換する圧電材料（６）と、前記圧電材料が出力する前記電気信号を熱に変換する電気回路（８）とを備え、前記遮音板は、この遮音板の特性が規格化されているとともに、前記一次音を遮音するように並べて配置されており、前記圧電材料は、前記遮音板毎に前記振動を前記電気信号に変換し、前記電気回路は、前記遮音板の特性に応じて抵抗値及びインダクタンスが予め調整され、前記圧電材料毎に前記電気信号を熱に変換することを特徴とする橋梁（１）の騒音低減装置（５）である。
【０００７】
請求項２は、請求項１に記載の橋梁の騒音低減装置において、前記圧電材料は、前記橋梁の下部開口部（１ｉ）を塞ぐように前記遮音体が複数設置されているときに前記遮音体毎に前記振動を前記電気信号に変換することを特徴とする橋梁の騒音低減装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置が設置された橋梁の断面図である。図２は、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置を備える遮音板の設置状態を示す平面図である。
橋梁１は、鉄道車両が走行する線路の下部に空間を確保し列車の荷重を支持する構造物である。橋梁１は、図１に示すように、鋼板と山形鋼とを溶接などによって接合してＩ形の桁に組み立てて互いに平行に並べた主桁１ａ，１ｂと、主桁１ａの上部と主桁１ｂの上部とを連結する上横構１ｃと、主桁１ａの下部と主桁１ｂの下部とを連結する下横構１ｄと、主桁１ａの上部と主桁１ｂの下部とを連結する中間対傾構１ｅ，１ｆと、主桁１ａ，１ｂの下端部に接続された下フランジ１ｇ，１ｈと、主桁１ａ，１ｂの上端部に接続された上フランジ１ｉ，１ｊなどから構成された上路プレートガーダーである。橋梁１は、主桁１ａと主桁１ｂとの間に下部開口部１ｉを有する。橋梁１は、列車が通過するときに下部放射音Ｓ₁ 、上部音Ｓ₂ 及び主桁音Ｓ₃ を発生する。
【００１０】
遮音板２は、一次音を遮音する部材である。遮音板２は、橋梁１の下部開口部１ｉから放射する下部放射音Ｓ₁ を遮音するように、この下部開口部１ｉを塞ぐように並べて設置されている。遮音板２は、図２に示すように、所定の寸法、硬さ及び重量などを有する四角形状の鋼板であり、周縁部にはリブ２ａが形成されている。防振ハンガー３は、橋梁１の下フランジ１ｇ，１ｈに遮音板２を吊り下げるための部材であり、上端部が下フランジ１ｇ，１ｈに連結されており下端部が遮音板２に連結されている。ロックウール４は、橋梁１の下フランジ１ｇ，１ｈと遮音板２との間の隙間を塞ぐ部材であり、下フランジ１ｇ，１ｈと遮音板２との間に挟み込まれている。
【００１１】
図３は、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置における圧電材料の取付状態を示す断面図である。図４は、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置の電気回路の回路図である。
騒音低減装置５は、一次音を遮音する遮音板２がこの一次音によって振動したときに、この遮音板２が発生する二次音を低減する装置である。騒音低減装置５は、図１及び図２に示すように、各遮音板２の上面に設置されている。騒音低減装置５は、図３及び図４に示すように、圧電材料６と、固定部７と、電気回路８とを備えている。
【００１２】
圧電材料６は、遮音板２に発生する振動を電気信号に変換する機械電気変換部である。圧電材料６は、橋梁１の下部開口部１ｉを塞ぐように遮音板２が複数設置されているときに、遮音板２毎に振動を電気信号に変換する圧電セラミックスなどであり、歪みを加えると電圧を発生する圧電効果と、電圧を加えると歪みを発生する逆圧電効果とを合わせ持つ。圧電材料６としては、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）、PLZT（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、PMN（マグネシウムニオブ酸鉛）、PVDF（ポリフッ化ビニリデン）などが使用される。圧電材料６は、遮音板２が一次音によって振動したときにこの遮音板２の振動に応じて変形して起電力を発生する。圧電材料６は、図４に示すように、遮音板２の振動に応じて電圧を発生する電圧源Ｅと、この電圧源Ｅと直列に接続されたコンデンサＣとからなる等価回路として表される。
【００１３】
固定部７は、圧電材料６を遮音板２に固定する部分である。固定部７は、図３に示すように、遮音板２と圧電材料６との間に形成された接着剤層であり、圧電材料６の一方の表面にエポキシ系接着剤などを塗布することによってこの圧電材料６を遮音板２に全面接着し固定する。
【００１４】
電気回路８は、圧電材料６が出力する電気信号を熱に変換する電気熱変換部である。電気回路８は、圧電材料６毎に出力する電気信号を熱に変換する。電気回路８は、圧電材料６が減衰効果を発揮するように、この圧電材料６が発生する起電力を熱により発散して電力を消費する電力消費回路として機能する。電気回路８は、図４に示すように、圧電材料６の等価回路である電圧源Ｅ及びコンデンサＣと直列に接続された抵抗ＲとコイルＬとから構成されている。電気回路８は、遮音板２の長さ、幅、厚さ（寸法）、硬さ及び重量などの特性に応じて抵抗Ｒの抵抗値及びコイルＬのインダクタンスが予め調整されている。電気回路８は、インダクタンスが可変調整されコンデンサＣとコイルＬとが共振回路を構成するように調整される。その後に、電気回路８は、抵抗値が調整されることで消費電力が調整され減衰量が決定されて、これらの抵抗値やインダクタンスが所定値に固定される。
【００１５】
次に、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置の製造方法を説明する。遮音板２は、図１及び図２に示すように、橋梁１の下部開口部１ｉの大きさに応じて所定の形状に予め形成されている。図３に示すように、圧電材料６の一方の表面にエポキシ系接着剤などが塗布されて遮音板２の中央に圧電材料６が全面接着され固定される。次に、図４に示すように、圧電材料６に電気回路８が接続されて、図１及び図２に示すように騒音低減装置５が遮音板２に設置される。遮音板２は寸法や材質などの特性に応じた振動モードを有するため、電気回路８のコイルＬのインダクタンスを調整して、コンデンサＣとコイルＬとが共振回路を構成するように調整されるとともに、抵抗値が調整されて減衰量が設定される。
【００１６】
次に、この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置の動作を説明する。
図１に示すように、橋梁１上を列車が通過すると下部開口部１ｉから一次音が放射される。この橋梁１からの一次音を遮音板２が遮音すると、この一次音によって遮音板２が振動してこの遮音板２から二次音が発生する。一次音による音のエネルギーによって遮音板２が振動してこの遮音板２に歪みが生ずると、圧電材料６が起電力を発生して振動エネルギーが電気エネルギーに変換される。圧電材料６が電圧を発生すると、この圧電材料６内のコンデンサＣと外部回路である電気回路８（抵抗Ｒ及びコイルＬ）とにこの電圧が分圧されて、圧電材料６の歪みを抑える印加電圧となる。このとき、電気回路８には抵抗Ｒがあるため電気エネルギーが熱エネルギーに変換されて減衰が生じる。また、共振回路（コイルＬによるチューニング）が電気エネルギーを熱エネルギーに抵抗Ｒによって効率的に変換させる。その結果、遮音板２の剛性が高くなるとともに遮音板２の振動が減衰するため、遮音板２の振動が抑制され、遮音板２が発生する二次音が低減される。
【００１７】
この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、遮音板２に発生する振動を圧電材料６が電気信号に変換し、この圧電材料６が出力する電気信号を電気回路８が熱に変換する。その結果、橋梁１上を列車が通過するときに発生する一次音によって遮音板２が振動したときに、この遮音板２の振動を制御して橋梁１の直下や周辺地域への騒音を低減することができる。このように、遮音板２が有する本来の遮音性能を低下させずに遮音板２が発生する二次音を低減することができる。さらに、遮音板２が発生する二次音を低減することができるため、遮音板２の遮音性能を維持しつつ遮音板２を薄くして軽量化を図ることができる。
【００１８】
(2) この実施形態では、橋梁１の下部開口部１ｉを塞ぐように遮音板２が複数設置されているときに遮音板２毎に振動を電気信号に圧電材料６が変換し、この圧電材料６毎に電気信号を熱に電気回路８が変換する。その結果、予め騒音低減装置５を備えた遮音板２を量産しておき、遮音板２毎に発生する二次音を騒音低減装置５によって低減することができる。
【００１９】
(3) この実施形態では、遮音板２の特性に応じて抵抗値及びインダクタンスが予め調整された電気回路８を圧電材料６が備える。その結果、所定の寸法、硬さ及び重量などにより遮音板２が規格化されているため、この遮音板２の特性に応じて圧電材料６を調整したり、電気回路８の減衰特性を選択して電気回路８の抵抗値やインダクタンスを予め調整しておくことができる。その結果、遮音板２と圧電材料６と電気回路８との最適な組み合わせを考慮しておくことで騒音低減装置５と遮音板２とをユニット化することができる。また、電気回路８の抵抗値やインダクタンスを予め製造工場である程度調整することができるため、既存の橋梁１の下部開口部１ｉを遮音板２によって塞ぐ騒音対策工事を実施する際に、電気回路８の抵抗値やインダクタンスを施工現場で最初から調整するような面倒な作業を省略することができる。
【００２０】
【実施例】
次に、この発明の実施例について説明する。
図５は、この発明の実施例に係る小型試験体の振動実験装置の外観図であり、図５（Ａ）は立面図であり、図５（Ｂ）は平面図である。図６は、この発明の実施例に係る小型試験体の外観図であり、図６（Ａ）は平面図であり、図６（Ｂ）はVI-VIB線で切断した状態を示す断面図であり、図６（Ｃ）はVI-VIC線で切断した状態を示す断面図である。図７は、この発明の実施例に係る小型試験体に使用される制振用圧電セラミックスの取付状態を示す図であり、図７（Ａ）は平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のVII-VIIB線で切断した状態を示す断面図である。
【００２１】
小型試験体１０は、図１及び図２に示す実際の遮音板２を小型化した鋼板（縦500mm×横500mm×厚さ6mmの正方形 重量11.7kgf）である。小型試験体１０の両端部には、幅100mmで直角に折り曲げられた接合部１０ａが形成されている。図５及び図７に示すように、小型試験体１０の上面には、制振用圧電セラミックス１１がエポキシ系接着剤による接着剤層７によって全面接着され取り付けられており、小型試験体１０の下面には加振用圧電セラミックス２１がエポキシ系接着剤による接着剤層７によって全面接着され取り付けられている。
【００２２】
制振用圧電セラミックス（幅40mm×長さ155mm×厚さ5mm 富士セラミックス製 C-6タイプ 電気機械結合係数K31＝0.380）１１は、小型試験体１０に発生する振動を抑える部材であり、図１及び図２に示す圧電材料６に対応する。
【００２３】
振動実験装置２０は、小型試験体１０を振動実験し、鋼板からの二次音の低減効果を確認するための装置であり、一次音による音響加振の代わりに鋼板に直接振動を与える。振動実験装置２０は、図５に示すように、加振用圧電セラミックス２１と、マイクロフォン２２と、取付治具２３と、架台２４と、ゴムパット２５と、防振ゴム２６などを備えている。加振用圧電セラミックス（幅40mm×長さ155mm×厚さ5mm 富士セラミックス製 C-6タイプ 電気機械結合係数K31＝0.380）２１は、小型試験体１０に振動を発生させるための部材であり、小型試験体１０の中心に全面が接着され固定されている。マイクロフォン２２は、小型試験体１０が発生する騒音を測定するための検出装置（RION製 NL04）であり、小型試験体１０の中心から鉛直方向に10cm離れた位置に設置されている。取付治具２３は、小型試験体１０の接合部１０ａと接合してこの小型試験体１０を固定する部材であり、架台２４はこの取付治具２３を支持する木製の台座である。ゴムパット２５は、取付治具２３と架台２４との間に設置される部材であり、防振ゴム２６は架台２４と設置面との間に設置され架台２４の設置面からの振動の伝播を防ぐための部材である。
【００２４】
（固体音試験結果）
図５及び図７に示す制振用圧電セラミックス１１による騒音低減効果を確認した。振動実験装置２０の加振用圧電セラミックス２１によって小型試験体１０を振動させるとともに、制振用圧電セラミックス１１によってこの小型試験体１０の振動を抑えたときに、この小型試験体１０に発生する騒音をマイクロフォン２２によって測定した。信号発生器は、エヌエフ回路ブロック製 WF1943を使用し、ピエゾドライバは松定プレシジョン製 HJPZ-0.1Pを使用した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１は、非制御時の騒音レベルがもっとも大きい３次モード（固有振動数213.2Hz）で加振したときの音圧レベル及び騒音レベルを示す。ここで、「暗騒音」は、振動実験装置２０が動作可能な状態であるが小型試験体１０を加振していないときの測定結果であり、「非制御時」は振動実験装置２０によって小型試験体１０を加振しているときの測定結果である。「制御時」は、理論的に求めたLR回路（図４に示す電気回路８に対応）のコイルＬのインダクタンス及び抵抗Ｒの抵抗値を参考にしながらコイルＬ及び抵抗Ｒを再調整したときの測定結果であり、コイルＬ＝24.7H、抵抗Ｒ＝1088Ωである。
【００２７】
表１に示すように、LR回路を調整することによって騒音レベルを「非制御時」に比べて17dB低下させることができた。その結果、実際に橋梁１上を列車が通過したときの遮音板２の振動モードを解析して、電気回路８の抵抗値及びインダクタンスを調整することによって、最も制振効果が高い状態に遮音板２を設定することができる。
【００２８】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道橋を列車が通過する場合を例に挙げて説明したが、自動車などが通過する場合についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、桁橋を例に挙げて説明したがトラス橋、アーチ橋、ラーメン橋、コンクリート橋、合成コンクリート橋などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、圧電材料として圧電セラミックスを例に挙げて説明したが圧電セラミックス以外の圧電材料についてもこの発明を適用することができる。
【００２９】
(2) この実施形態では、下部放射音Ｓ₁ を遮音する遮音板２を例に挙げて説明したが、上部音Ｓ₂ や主桁音Ｓ₃ を遮音する遮音体についてもこの発明を適用することができる。例えば、騒音低減装置５を備える防音壁などの遮音体を橋梁１上の軌道に沿って複数設置した場合には、橋梁や列車からの一次音によってこの防音壁が振動したときにこの防音壁に発生する二次音を低減することができる。また、この実施形態では、橋梁１の下部開口部１ｉを塞ぐ遮音板２を例に挙げて説明したが、コンクリート橋のスラブ下に設置された遮音板などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、電気回路８としてLR回路を例に挙げて説明したが、抵抗ＲのみのＲ回路、抵抗ＲとコイルＬとを並列に接続したLR回路などについてもこの発明を適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、軽量で高い遮音性能を持つ遮音体によって橋梁からの騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置が設置された橋梁の断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置を備える遮音板の設置状態を示す平面図である。
【図３】この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置における圧電材料の取付状態を示す断面図である。
【図４】この発明の実施形態に係る橋梁の騒音低減装置の電気回路の回路図である。
【図５】この発明の実施例に係る小型試験体の振動実験装置の外観図であり、（Ａ）は立面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図６】この発明の実施例に係る小型試験体の外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）はVI-VIB線で切断した状態を示す断面図であり、（Ｃ）はVI-VIC線で切断した状態を示す断面図である。
【図７】この発明の実施例に係る小型試験体に使用される制振用圧電セラミックスの取付状態を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のVII-VIIB線で切断した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 橋梁
１ａ，１ｂ 主桁
１ｉ 下部開口部
２ 遮音板（遮音体）
５ 騒音低減装置
６ 圧電材料（機械電気変換部）
８ 電気回路（電気熱変換部）
Ｓ₁ 下部放射音

Claims (2)

1. 一次音を遮音する遮音板がこの一次音によって振動したときにこの遮音板からの二次音を低減する橋梁の騒音低減装置であって、
   前記遮音板に発生する前記振動を電気信号に変換する圧電材料と、
   前記圧電材料が出力する前記電気信号を熱に変換する電気回路とを備え、
   前記遮音板は、この遮音板の特性が規格化されているとともに、前記一次音を遮音するように並べて配置されており、
   前記圧電材料は、前記遮音板毎に前記振動を前記電気信号に変換し、
   前記電気回路は、前記遮音板の特性に応じて抵抗値及びインダクタンスが予め調整され、前記圧電材料毎に前記電気信号を熱に変換すること、
   を特徴とする橋梁の騒音低減装置。
2. 請求項１に記載の橋梁の騒音低減装置において、
   前記圧電材料は、前記橋梁の下部開口部を塞ぐように前記遮音板が複数設置されているときに前記遮音板毎に前記振動を前記電気信号に変換すること、
   を特徴とする橋梁の騒音低減装置。

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