JP4213070B2 - 鉄道用防音装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道軌道の側方に設置された遮音壁上端部に取り付ける防音装置に関する。

道路や鉄道には、車両が走行する時に発生する騒音が外部に伝搬することを抑制するために遮音壁が設けられている。特に高速道路や高速鉄道が市街地を通過する部分では、通常の遮音壁では騒音抑制作用が十分とはいえず、高度な防音性能を付与することが求められている。このために、種々の工夫がなされてきた。
特に、音の干渉を利用した防音装置を遮音壁の頂部に取り付けることによって、遮音壁を高くすることなく騒音低減効果を向上できることが知られている。

たとえば、特許文献１には、騒音の主成分をなす音波の波長の１／４の長さを有し終端が閉じたいわゆる１／４波長音響管を多数集合した筒状体構造を遮音壁の頂部に形成した遮音壁が開示されている。
１／４波長音響管を用いるため、音響管の口で音圧が位相反転して音波の反射率がほぼマイナス１の位相反転構造を形成することができ、遮音壁の上縁における音波の回折が低減して、遮音量が著しく増大する。
また、特許文献２には、管路長の異なる複数個の中空通路を備え、騒音源から伝播する音波の一部をこれら中空通路を通過させて遅延させ、直接伝播音と遅延伝播音を干渉させて減音する干渉型防音装置が記載されている。
特許文献２に記載された防音装置は遮音壁の上端に配設することによって優れた減音効果を呈し、遮音壁をあまり高くすることなく騒音を大きく低減することができる。

さらに、特許文献３には、本願出願人によるさらに高性能な防音装置が開示されている。特許文献３に開示した防音装置は、遮音壁の頂部にいわゆるヘルムホルツ型の共鳴器と、音吸収体からなる吸音構造とを備えたハイブリッド型防音装置で、吸音構造体で騒音の高周波成分を吸収すると共に、複数個備えたヘルムホルツ型共鳴器の共鳴周波数を適当に選択して比較的低周波の騒音成分を相殺することにより、広い周波数に亘って防音効果を高めるようにしたものである。共鳴器と吸音構造を組み合わせることにより、音響管を用いたものよりコンパクトに防音装置を構成することができる。

図８は、特許文献３に開示された発明を適用して製造された従来技術のハイブリッド型防音装置の端部を断面表示した斜視図である。図８に示した通り、従来技術の防音装置の共鳴構造は、道路あるいは鉄道軌道に平行な開口を備えた開口部と開口部の下に設けた空洞部を備え、空洞部と開口部の寸法で共鳴周波数が決まる複数のヘルムホルツ共鳴器で構成される。また、吸音構造は、共鳴器の開口部周囲にグラスウールなどの吸音材を充填して形成する。

それぞれのヘルムホルツ共鳴器は空洞部と開口部の寸法を変えることにより、騒音領域に対応してそれぞれ異なる最適な共鳴周波数に調整されていて、入射する音波の周波数が共鳴周波数に近ければ共鳴器からの位相が逆転した反射波が入射波と干渉して相殺し音圧を低下させる。ヘルムホルツ共鳴器は低・周波数領域の騒音に対して有効である。
一方、吸音材は高周波数帯域の音波をよく吸収するので、共鳴構造と吸音構造を複合した防音装置は、広い周波数領域に亘って騒音を抑制する効果を有する。
さらに、防音装置は幅方向に広がりを持ち端部に頂角を持つため、道路や鉄道敷地の側方に設けられる遮音壁の上端に設けることにより、道路や鉄道側から放射される音波が共鳴器の端部で二重回折して行路差を増大し、騒音を効果的に低減する。

図９は、図８の従来技術に係る防音装置を道路に適用したときの騒音低減効果を測定した結果を表すグラフである。グラフは、横軸に周波数を１／３オクターブ中心周波数で振り、縦軸に騒音レベルをプロットしたものである。道路脇に設けた高さ３ｍの遮音壁の上端外側に防音装置を取り付けて、遮音壁から５ｍ離れた地上地点で道路交通騒音の低減効果を観察したものである。
道路で発生する騒音は、標準的な遮音壁単体で図中白丸グラフで示す水準まで低減するが、本出願人の防音装置を適用することによって、共鳴構造と吸音構造の複合で図中黒丸グラフで示す水準まで低減する。なお、図中右部のプロットはそれぞれの状態におけるＯ．Ａ．値を表す。本出願人の従来技術装置は標準的遮音壁のみの場合と比較してＯ．Ａ．値で約５ｄＢの騒音低減効果があることが分かった。

このように、特許文献３に開示された防音装置は、幅４５０ｍｍ程度の小型軽量サイズでありながら、道路の遮音壁に適用することにより、通常の遮音壁と比較してほぼ４．５ｄＢ程度騒音水準を下げることができ、騒音障害は大幅に改善された。この防音装置の効果は、遮音壁の高さを約２．５ｍ嵩上げすることに相当する。
特開平１−１６５８０８号公報 特開平８−３０５３７３号公報 特開２００２−２２０８１７号公報

ところが、道路用として高い効果が認められた特許文献３開示のハイブリッド型防音装置を在来線や新幹線など鉄道の遮音壁に適用しても、道路では重要でなかった多重反射の現象が存在するため、道路に適用したときに得られるような顕著な効果が発揮できない場合があることが分かった。
多重反射の問題は、図１０に模式的に示すように、鉄道においては車両と側壁が近いため車体側面と遮音壁の間にほぼ垂直な平行壁面を持った狭い空間ができることと、車窓確保、耐風強度などの観点から遮音壁を車体高さに比べて相対的に低くすることから発生するもので、レールと車輪から発生する転動音や床下に装備されたモーターなどの機器から発生する音など、車両下部騒音は狭い空間を伝播する間に多重反射して拡散しないためエネルギーを保存したまま上昇して側壁の上方に至り、軌道の外へ放射されることに起因する。

図１１は、鉄道車両の下部騒音が車体側面と遮音壁の間で発生する多重反射により受ける影響を算定した結果を示すグラフである。グラフは、軌道面からの高さを対数目盛で示す横軸に取り、縦軸にその高さにおける音圧レベルをｄＢ単位でプロットしてある。細線は多重反射がない場合の音圧レベルを表し、太線は多重反射を考慮したときの音圧レベルである。遮音壁は車窓からの視界を妨げないように、地面から２ｍの高さとした。図１１（ａ）は周波数５００Ｈｚの音波、図１１（ｂ）は１０００Ｈｚの音波についての算出結果である。

図から、多重反射の影響で軌道面から５ｍ程度の高さまで、すなわち遮音壁先端から高さ３ｍ程度の範囲に、強いところでは数ｄＢも音圧が上がる領域が現れることが分かる。このように、鉄道における遮音壁には、上縁部の上方数ｍに亘って騒音レベルの高い領域、いわば仮想的な音源を出現させる現象が生じる。したがって、図１０に示すように、高音圧領域から受音点に伝播する騒音が生じる。
このため、防音装置の二重回折効果と干渉効果を十分活用することができなくなるので、鉄道における車両下部騒音を十分抑制するためには、この車体側面と側壁の間の多重反射を考慮した対策が必要になる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、鉄道の軌道近くに設置される遮音壁の上端部に音波の干渉により防音効果を上げる音波干渉機構を付加した防音装置において、車体側面と遮音壁の間に発生する多重反射を抑制して遮音壁上方に出現する仮想的音源の音圧を低減し、車両下部騒音に対して防音効果を十分発揮させるようにした防音装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明の防音装置は、鉄道軌道の側方、近くに設置される遮音壁上端に音波干渉機構を設けると共に、遮音壁上端近くに軌道側に向けて張り出すように配置された複数の遮蔽板の表面に吸音材を貼付して形成された吸音突起部を有し下方から上昇してくる音波を吸収する音吸収体構造を付与したことを特徴とする。この音吸収体構造は、車体側面と遮音壁表面の平行性を乱して多重反射の反射効率を低減すると共に、音吸収体構造に入射する音波を吸収するので、車体側面と遮音壁の間で発生する多重反射を抑制する効果がある。音吸収体機構は、表面をひだ構造にして吸音面積を増大させてもよい。
この音吸収体構造は、遮音壁上方にできる仮想的な音源の強さを低下させることにより仮想的な音源から受音点に到達する騒音を小さくする効果を有する。この効果によって、遮音壁上端に設けた音波干渉機構による騒音低減効果を発揮させると共に、軌道側に突出して設ける音吸収体構造と音波干渉機構の間で二重回折効果を生じさせて、防音装置の防音効果を増進することができる。

なお、音波干渉機構自体を遮音壁の鉄道軌道側に突出するように設けて、その軌道側に面する外表面に吸音材を貼付して音吸収体機構としても良い。
また、音波干渉機構を遮音壁の鉄道軌道と反対側に突出するように設けて、遮音壁の軌道側に突起を設けて音吸収体機構としてもよい。この場合は、遮音壁上端における幅が実質的に拡大するため、音波の行程差が増大して受音点における車両下部騒音の騒音レベルが低下する。さらに、架線部など集電系音源や車体上部で発生する空力騒音源を直接に見通せない範囲が増大し、これらの音源からの騒音を遮蔽する範囲が拡大する。
音吸収体機構は、襞構造を有して、大きな表面積を持つようにすることが好ましい。
音吸収体機構は、遮音壁上端付近のみでなく、遮音壁の裾部分まで達するように構成しても多重反射の抑制効果が増大することは言うまでもない。

また、音吸収体機構は水平でなく斜め上方に向くように構成してもよい。
音吸収体機構の端部が上に向いているようにすると、車体表面と遮音壁や音吸収体構造の間で反射しながら上方に伝播する音波が軌道側方に放射されるときの回折角が大きくなるので、遮音効果が大きくなり防音装置の防音効果が増大する。
なお、音吸収体機構と車体側面の空間の開口を車両側に寄らせると、軌道から発生する騒音の放射指向特性が上方に向くので、側方への騒音伝播を抑制する効果がある。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
本実施例の防音装置は、上記本出願人の先願に係る特許文献３に開示した発明を適用したハイブリッド型防音装置をさらに改良したものであって、低・中周波数帯域の騒音低減に有効な共鳴構造と、高周波数帯域の騒音低減に有効な吸音構造を組み合わせたハイブリッド構造を特徴とする防音装置を鉄道、特に高速鉄道に適用して効果を発揮させるようにした防音装置である。しかし、本発明の技術的思想は、本実施例に記載した防音装置に具現化したものに限らないことはいうまでもない。

図１は、本実施例に係る防音装置を示す斜視図で、端部を断面で表したものである。図２は、防音装置を鉄道軌道側方の遮音壁に装着した状態を示す説明図である。
本実施例の防音装置１は、共鳴機構と吸音機構を複合した従来技術のハイブリッド型防音部１０と吸音突起部２０で構成され、鉄道軌道側方の遮音壁３の上部外側にハイブリッド型防音部１０が張り出し、遮音壁上部軌道側に吸音突起部２０が張り出すように設備される。

ハイブリッド型防音部１０は、遮音壁に沿った長方形の開口を有する開口部１１と開口部の下に設けた空洞部１２を備えたもので、複数（図では３個）のヘルムホルツ共鳴器を構成し、それぞれ空洞部と開口部の寸法が異なるため異なる共鳴周波数を有する。なお、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数には開口面積が影響するので、開口の形状は長方形に限らず、たとえば円形のパンチ穴などであってもよい。
ハイブリッド型防音部１０における上面の開口部１１に挟まれた部分には、グラスウールなどの吸音材を充填した吸音構造１３が配置されている。吸音構造１３は、共鳴構造が吸収しきれない数１００Ｈｚ以上の高周波騒音成分をよく吸収する。

吸音突起部２０は、軌道側に突出した遮蔽板２１にグラスウールやロックウール、軟質ウレタンフォームなどの吸音材２２を貼り付けて、吸音材の上から耐候性フィルムを被せ、さらにパンチングメタルなどの保護材２３で覆ったものである。遮蔽板２１は、通気性を有する吸音材２２に入射した音波が吸音突起部２０の内部を伝播して裏面に抜けないようにする機能を持っている。
吸音突起部２０は、鉄道車両４と遮音壁３の間にできる空間を音波が伝播する間に吸収材でエネルギーを吸収して低減させ、遮音壁３の上方に形成される仮想的な騒音源の強度を低下させる。また、音波が伝播する空間の壁に凹凸面を形成することにより音波を乱反射させて特定周波数の音波成分が共振により成長することを抑制し、遮音壁上端での開口を鉄道車両４の方向に片寄らせることにより開口から音波が放射される方向を軌道側に寄せて遮音壁３の外側に回り込む騒音を減少させる作用を有する。

遮蔽板２１は１枚あるいは図に表したような３枚構成に限らず、適当枚数設けることができる。遮蔽板２１の数を増やすことにより、音波通路の壁面の乱反射効果が大きくなり、吸音材２２の表面積が増大して吸音効果が大きくなる。したがって、吸音材２２は表面が襞状になって表面積を増大するように構成されていることが好ましい。なお、吸音材の表面積は襞の深さと数の積に対応するので、細かい襞を多数形成した構造であっても良い。
遮蔽板２１は、やや下方に向くように取り付けても良い。吸音材２２が入射する音波に露呈される表面が大きいほど効果的に音波エネルギーを吸収するため、遮蔽板２１の向きを騒音の入射方向に近付けることにより騒音抑制効果を向上させる意義がある。

なお、少なくとも最上面の遮蔽板２１は、壁面から軌道方向に向かって緩い上向きの傾斜を有するように形成されていることがより好ましい。鉄道車両４の車輪やレールの付近で発生する転動音や床下機器音は、遮蔽板２１の先端でハイブリッド型防音部１０の上面に沿った方向に回折するが、回折角度が大きいほど伝播する音波エネルギーは低減する。したがって、遮蔽板２１の先端部は上に向いている方が防音効果が大きいからである。

ハイブリッド型防音部１０の上面を回折した騒音は、上面を通過する間に干渉と吸収により騒音レベルを低減し、さらにハイブリッド型防音部１０の外側外側の先端部で下方に回折して、外部の受音点に達する。また、二重回折によって音波の行程差が増大することも、騒音低減効果を著しく向上させる要因になっている。

図３は、これらの効果を表した概念図である。
レールや車輪から発生する転動音や床下機器音からなる車両下部音は、遮音壁と車体側面に挟まれた空間を上昇する間に吸音突起部２０により音波エネルギーを吸収されて騒音レベルを低減させ、車両側に寄った開口部から上方に向けて放射される。したがって遮音壁３の外側に回折してくる騒音成分が減少する。
開口部から放射された騒音の一部は、開口部で回折してハイブリッド型防音部１０の上方を通過する間にさらに音波エネルギーを低減させて、防音部の外側エッジに達し、ここで２回目の回折を行ってさらに騒音レベルを低下させた後に、空中を伝播して軌道側方の受音点に到達する。このようにして、受音点に到達する騒音レベルが従来と比較して著しく低下する。

なお、鉄道車両ではパンタグラフで発生する集電系騒音があり、特に高速鉄道ではこの騒音の低減も重要な課題になっている。図４は本実施例の防音装置が集電系騒音を抑制するメカニズムを説明する図面である。
本実施例の防音装置では、図４に示すように、ハイブリッド型防音部１０が外側に張り出しているため、集電系騒音が直接届かず回折によって減衰してから到達する陰の領域を拡大させる効果を有する。

また、吸音突起部２０が遮音壁３の上端部近くに設けられているが、吸音材を遮音壁３の内壁下方部まで配設すれば、多重反射抑制と吸音の効果をさらに増進することは明らかである。

図５は本発明の第２の実施例に係る防音装置を表す斜視図、図６は本実施例の防音装置を遮音壁に装着した状態を示す説明図である。
本実施例の防音装置は、第１の実施例におけるハイブリッド型防音部の軌道に面する外表面に吸音材を添設したものを遮音壁の上部軌道側に装着して、車体側面と遮音壁の間に生じる多重反射を抑制するようにしたものであるので、図１や図２と異なる部分について主に説明する。

第２実施例の防音装置５は、空洞部１２と開口部１１で構成される複数のヘルムホルツ型共鳴構造の開口部１１の周囲に吸音材を充填した吸音構造１３を備えた、従来技術のハイブリッド型防音部１０の軌道に面する外表面にグラスウールなどの吸音材５２を配置し、吸音材の上から耐候性フィルムを被せ、さらにパンチングメタルなどの保護材５３で覆って吸音突起部を構成したものである。
同種の防音装置を道路で利用する場合には先端が外側に突出するように設置されるのに対して、本実施例の防音装置５は、図６に示すように、鉄道軌道の遮音壁３の上端に軌道方向に突出するように固定して用いる。

防音装置５の底面に形成された吸音突起部が鉄道車両４の表面に対向するので、車体側面と遮音壁３の間にできる空間の平行性が乱れ、この空間を通過する音波のエネルギーを吸音材が吸収し、空間内の多重反射の作用を弱める。したがって、遮音壁上端の開口部から放射される騒音の騒音レベルが低下し、放射方向がより軌道側に寄るので、遮音壁３の上方に形成される高音圧領域は十分に発達することができない。
遮音壁上端の開口部から放射される騒音は、ハイブリッド型防音部の上面で共鳴および吸音効果で低減すると共に、防音装置５の両端で二重回折して観察者に到達するので、騒音レベルは十分低下する。

図７は、本実施例の防音装置の防音効果を解析により求めた結果を示すグラフである。解析の前提は、軌道部分が地上２ｍの高さにあり、遮音壁が外側に近い軌道の中心から側方２．６ｍの位置に設けられており、軌道面から遮音壁の上端までの高さが２．７ｍあるとした。図７における左の（ａ）と（ｂ）のグラフは、それぞれ軌道中心から２２．６ｍと１２．５ｍの位置で得られる結果を、それぞれ遮音壁がない状態と比較した防音改善量を、一般の直立遮音壁だけの状態と、遮音壁の上端に本願出願人の従来技術に係るハイブリッド型防音装置を設置した状態と、本実施例の防音装置を設置した状態について表している。
この図から、いずれの地点でも、従来技術品と比較して防音性能がさらに３ｄＢ程度向上することが確認された。

本実施例の防音装置は、従来技術に係る防音装置の側面と底部に音吸収体構造を付加させただけであるので、第１実施例の防音装置より簡単に構成することができ、また現場における設置工事も簡易になる利点がある。

本発明第１の実施例に係る防音装置を説明する断面を表した斜視図である。 第１実施例の防音装置を鉄道軌道側方の遮音壁に装着した状態を示す説明図である。 第１実施例の防音装置の車両下部音に対する効果を説明する概念図である。 第１実施例の防音装置の集電系騒音に対する効果を説明する概念図である。 本発明第２の実施例に係る防音装置を説明する断面を表した斜視図である。 第２実施例の防音装置を鉄道軌道側方の遮音壁に装着した状態を示す説明図である。 第２実施例の防音装置の防音効果を示すグラフである。 従来技術に係るハイブリッド型防音装置の構造を模式的に示した斜視図である。 従来技術に係るハイブリッド型防音装置を道路に適用したときの騒音低減効果を示すグラフである。 鉄道における多重反射の問題に係る説明図である。 多重反射により遮音壁上に音圧の高い領域が発生することを解析的に確認した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 防音装置
３ 遮音壁
４ 鉄道車両
５ 防音装置
１０ ハイブリッド型防音部
１１ 開口部
１２ 空洞部
１３ 吸音構造
２０ 吸音突起部
２１ 遮蔽板
２２ 吸音材
２３ 保護材
５２ 吸音材
５３ 保護材

Claims (5)

1. 鉄道軌道の側方に設置される遮音壁の上端部に音波の干渉により防音効果を上げる音波干渉機構を付加した防音装置において、前記遮音壁上端に音波干渉機構を設けると共に、該遮音壁の上端部に設けられ軌道側に張り出した複数の遮蔽板の表面に吸音材を貼付した吸音突起部を有し下方から上昇してくる音波を吸収する音吸収体構造を付与したことを特徴とする防音装置。
2. 前記吸音材は、ひだ構造を有することを特徴とする請求項１記載の防音装置。
3. 前記音吸収体機構は、前記遮音壁上端付近から該遮音壁の裾部分まで達するように構成することを特徴とする請求項１または２記載の防音装置。
4. 前記遮蔽板は少なくとも最上面が軌道側の斜め上方に向かって傾斜するように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の防音装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の防音装置を付設した鉄道用の遮音壁。

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