JP4380568B2 - 鉄道車両及び吸音材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、走行時に発生する騒音を低減した鉄道車両に関するものである。

鉄道車両が高速化するにつれ、沿線への騒音問題が深刻となってくる。
鉄道車両が走行するときに発生する騒音は主として、
（１）集電装置が移動することによって起こる風切り音、
（２）台車部において車輪とレールの摩擦・振動によって発生する転動音、
（３）床下の電装機器がそれ単体で発生させている機器音、
などがあり、このうち、（１）の集電装置からの風切り音は、車両人編成あたりの集電装置の個数が少ないことと、碍子カバーや低騒音船体などの開発など集電装置周りの各種低騒音化施策の検討により、将来的には解決できると考えられる。また、床下機器音は基本的には走行速度に依存しないと考えられるため、高速化によって急激に深刻化することはない。ところが台車部からの転動音は、
（１）騒音発生個所が車両一編成分に及ぶことと、
（２）発生周波数が１００〜５００Ｈｚ程度で比較的低周波であること、
などから、車両側での積極的な低騒音化は非常に難しい。地上設備側では防音壁などを施工するなどして対策が成されているが、走行区間の全区間に渡り実施することは施工コストが膨大となり現実的ではない。

一般的な吸音方法は非特許文献１に詳しく記されている。
これによると代表的な吸音方法は適用周波数別に
（１）低周波数用のレゾネーター、
（２）中〜高周波数用の背後空気層付き多孔質材料、
（３）膜振動型吸音材、
などがあげられる。主として床下で発生する騒音は１００〜４００Ｈｚの比較的低い周波数であることから、（１）のレゾネーターや（２）の背後空気層付きの多孔質材料が有効である。

ところで、前記のような鉄道車両の床下で発生する転動音を吸音する場合は、使用する上で注意を必要とする項目や車両の構造上の制限がある。たとえば、樹脂製の多孔質材料は長期にわたり使用すると雨水や車両を洗浄する際に使用する洗浄液などに触れて劣化して破砕されて飛散する恐れがあるため、列車運行安全上の問題があり好ましくない。

また、アルミ製多孔質材料も開発されているが、前述のように床下で発生する転動音のような低音部まで吸音するためには背後空気層が必要である。しかし、床下は台車や、床下の電装機器が配置されているためスペースに限界があり、あまり背後吸音層の厚さを大きく取れない。そのため、実際には低周波帯域までの吸音には困難がある。

特許文献１には車両構体の下端をレゾネーターとする構造が記載されている。この構造は、構体の一部をレゾネーターの共鳴箱として利用することで省スペース性を実現しており、また低周波数域に対して有効であるが、基本的にレゾネーター構造であるがゆえに穴があいており、ここから前述のように雨水や洗浄液が入り込んで腐食し、アルミ製の構体が侵食されて強度が低下するなど安全性に問題がある。また、吸音帯域についても低周波数のごく狭い帯域に限られるため、低い周波数から中間周波数までの幅広い帯域で発生する床下の転動音を全て吸音することはできない。

また、非特許文献１には膜構造による吸音方法が記載されており、特許文献２では摩擦を利用してさらにその吸音特性を追求した構造などが記載されている。防水性のある膜構造であれば上記の浸水による腐食の問題は解決する。しかしながら、このような膜構造であっても低周波数域まで吸音するためには背後空気層が必要となり、床下空間のような限られたスペースでは困難がある。

特開２００４−４２７３５号公報 特開２００４−２６４３７４号公報 前川純一、森本政之、阪上公博：建築・環境音響学（第２版）２０００ 共立出版

上記特許文献１，２や非特許文献１は、いずれも車両の床下空間の吸音については配慮されていない。

本発明の目的は、鉄道車両が走行するときに床下で発生する転動音・機器音などの騒音を吸音することが可能な鉄道車両を提供することにある。

上記目的は、屋根構体と側構体と床構体とからなる車両であって、前記床構体の下面に電装機器が取付けられ、この電装機器を覆うように前記側構体にスカートが設けられた鉄道車両において、前記スカートの一部に空気層を設け、この空気層の表面に音響エネルギー減衰性を有する吸音材で覆ったことにより達成される。

また、上記目的は、前記吸音材は非水分透過性の音響エネルギー減衰性を有することにより達成される。

また、上記目的は、前記空気層は前記板材に支持部材と反射板を備えていることにより達成される。

また、上記目的は、前記吸音材の表面に外力保護材を設けたことにより達成される。

また、上記目的は、屋根構体と側構体と床構体とからなる車両であって、前記床構体の下面に電装機器が取付けられ、この電装機器を覆うように前記側構体にスカートが設けられた鉄道車両に取付けられる吸音材の製造方法において、前記吸音材は防水性を有する音響エネルギー減衰材表面シートで包まれていることにより達成される。

また、上記目的は、前記音響エネルギー減衰材表面シートに包まれた密閉空間の内部に空気とは異なる吸音媒体を封入したことにより達成される。

また、上記目的は、前記音響エネルギー減衰材表面シートで囲まれる密閉空間を複数個重ね、それぞれの該音響エネルギー減衰材表面シートに包まれた密閉空間の内部に空気と異なる吸音媒体を封入する際、隣同士の該密閉空間内には異なる吸音媒体を封入することにより達成される。

また、上記目的は、前記音響エネルギー減衰材表面シートで囲まれる密閉空間に、吸音媒体を封入しない場合、この音響エネルギー減衰構造の該音響エネルギー減衰材表面シートの内側を樹脂などでラミネートコーティングし、外側から熱圧着で接着し、前記密閉空間を分割することにより達成される。

本発明によれば、鉄道車両が走行するときに床下で発生する転動音・機器音などの騒音を吸音することが可能な鉄道車両を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は一般的な鉄道車両の構体１０の断面を示した図である。
図１において、一般的な鉄道車両の構体１０の断面は基本的に、屋根構体１１、側構体１２、床構体１３からなっており、屋根構体１１、側構体１２には中空押し出し型材と呼ばれるアルミ製の材料が用いられている。床構体１３は床下電装機器１４（ただし図１では床板で隠れている）を吊るすための横梁、牽引装置からの動力を伝達する枕梁、車両長手方向の圧縮荷重に耐えるための中梁１６などからなっている。側構体１２下部には車両の曲げ剛性を確保するための側梁１７が設けられているのが一般的である。

図２は図１の丸で囲んだ部分の詳細図を示し、一般的な鉄道車両の側梁部分の構造を示している。
図２において、側梁１７もまた図で示すように中空押し出し型材が使用されているのが一般的である。

図３は本発明を図２に示した側梁１７部分に適用した場合の実施例を示している。
図３において、側梁１７の中空押し出し型材の断面形状を変形させ、この側梁１７の一部を吸音構造における背後空気層２２が反射板２４とリブ２１とで形成され、該リブ２１に水分透過性のない、且つ薄い膜状あるいは板状の吸音性を有する表面材３０を貼り付ける。従ってリブ２１は構体と一体形成される。これにより、スペースを取ることなく、また、施工コスト・車両重量を上げることなく、鉄道車両が走行するときに床下で発生する転動音・機器音などの騒音を効果的に吸音することができる。しかも、浸水しないため背後空気層２２に雨水や洗浄液が入り込むことがないので、構体１０や表面材３０が腐食することなく、保守性に優れて高速走行時にも信頼性が確保された構造を提供することができる。

図４から図８は、図３に示す実施例１の構造の表面材３０に関しての製造方法について具体的に示したものである。
図４において、鉄道車両の側梁部はレールに敷かれたバラストと呼ばれる石が跳ねて当たることもあるため、表面材３０は内部の音響エネルギー減衰構造３１をパンチングメタルなどの表面保護材３２で覆われた構成とする必要がある。そして、この表面保護材３２に該音響エネルギー減衰構造３１を取り付ける。このとき適当な取り付け具３３などを用いてもよい。

図５はこのようにして構成された表面材３０の断面を示した図である。
図５において、音響エネルギー減衰構造３１は表面保護材３２および取り付け具３３に防振ゴム３４などを介して挟み込むようにして取り付けてあってもよい。また、表面保護材３２と取り付け具３３の接触部も防振ゴムを介して取り付けてあればそれぞれの部材が干渉することでカタカタと音を発生することを防ぐことができる。

図６において、音響エネルギー減衰構造３１については、薄い吸音材３１ｂを、一つもしくは複数の薄くて穴のない防水性のあるシート状の音響エネルギー減衰材表面シート３１ａに包んで形成したものである。このようにすることにより、多孔質材料などで構成された既存の吸音材３１ｂを活用しても浸水を防ぐことで腐食を回避することができる。

実施例３で示したように、音響エネルギー減衰材表面シート３１ａによる密閉空間３１ｃに空気と異なる媒質を吸音材と共に封入してもよい。このようにすれば空気との音速の差から音波の反射・屈折が促進され、音響エネルギーが散乱されて吸音効果がさらに高まる。音響エネルギー減衰構造３１の重量・厚さに余裕がない場合は内部の吸音材３１ｂを省いてもよい。

尚、図７では、音響エネルギー減衰材表面シート３１ａによる音響エネルギー減衰構造として、密閉空間３１ｃが多段複層構造を形成する場合は、それぞれ隣り合う密閉空間の媒質を変化させてもよい。

図８において、音響エネルギー減衰構造３１として、吸音材３１ｂを省いた構造の場合は、表裏面に用いる音響エネルギー減衰材表面シート３１ａの内側を樹脂でラミネートコーティングし、ヒートシール（熱圧着）すれば、施工コストを抑えながら密閉構造３１ｃを構成することができ、しかも密閉構造３１ｃが細かく細分化されているため一部に穴が開いていても内部媒質の漏れを最小限にとどめることができる。

一方、図９から図１４は、図３に示す実施例１の構造の表面材３０を取り付ける構体１０に関しての制作方法について具体的に示したものである。
以下構体１０の構成に関する実施例を説明する。

前述のように構体１０に関しては、図１１〜図１４に示すように、構体１０の型材の一部に表面材取り付け用のリブ２１を設け、ここに該表面材を取り付ける表面材被取り付け個所２３を設ける。この際、リブと構体および表面材で囲まれる領域を吸音構造における背後空気層２２として利用することが可能であるが、この背後空気層２２が吸音周波数を決定し、該背後空気層２２の厚さが厚ければ厚いほどより低周波数域まで吸音することができる。

図９は、背後空気層２２の厚さと吸音周波数の関係について示したものである。
図９において、吸音構造の外側から到来した音波はその一部が表面材で反射され、残りは音響エネルギー減衰構造３１を透過する。透過した音波は背後空気層２２を通った後、該背後空気層２２裏面の反射板２４で反射され、再び表面材に到達する。このようにして背後空気層２２内部では反射板に入射する音波と反射板で反射された音波が干渉して、音圧および気体粒子速度の大きい個所と小さな個所が、縞状に発生する。

図１０は、入射波と反射波の干渉により発生する気体粒子速度の縞の模式図を示す。
図１０において、ある周波数において気体粒子速度の大きな個所に、多孔質材料なので構成される音響エネルギー減衰構造３１が存在すると、気体粒子の運動が妨げられて、そこでエネルギーが減衰する。気体粒子速度の大きい個所の発生位置は低い周波数ほど反射板２４から遠くなるため、一般に低い周波数では背後空気層２２を大きくとらなければならない。しかしながら、たとえばこの背後空気層の内部を伝播する音波の音速が遅ければ、その分だけ気体粒子速度の大きい個所が形成する縞の間隔を狭めることができ、結果として薄い背後空気層２２でも低い周波数から十分な吸音性能を得ることができる。そこで、この背後空気層内の音速を低下させるために、該背後空気層２２には図１１のように吸音材３１ｂを挿入してもよい。

本実施例では背後空気層２２内の音速を低下させるため吸音材を用いたが、図１２のように該構体側の該背後空気層２２に二酸化炭素などの空気よりも音速の遅い媒質２５を封入した袋２６を挿入してもよい。

さらに薄型化が必要な場合は、図１３のように二酸化炭素など空気よりも音速の遅い媒質２５を吸音材３１ｂとともに封入した袋を挿入することも考えることができる。
尚、図１４は図１３の断面を示したものである。
ここまでは構体１０の構成に関する実施例を説明したが、実施例１０からは表面材３０の構体１０への取り付け方法について説明する。

図１５は構体１０への表面材３０の貼り付け方を示した図である。
図１５においては、図１１〜図１４に示した表面材に取り付け具３３を取り付け、この取り付け具３３に車両構体１０に設けられたリブ２１部を固定したものである。

図１６は、図１５に示した取り付け具３３を取り付けなかった場合を示したものであり、その場合表面材３０を構体１０に直接取り付けてもよいが、取り付けの際には、ボルトなどの再取り付け可能な締結方法で固定すれば、仮に表面材３０に石が激しく当たって破損しても簡単に該表面材３０を取り外すことが可能となり、保守が容易となる。
ここまでは側構体に取り付ける場合について説明してきたが、床下部においても同様に取り付けることができる。

図１７はスカート部１８が付いた鉄道車両の断面図である。
図１７において、スカート部１８は床下電装機器１４（ただし図１７では床板で隠れている）を保護することを目的として取り付けられているものであり、主として豪雪地帯を走行する車両などによく取り付けられている。また、このようにスカート部１８を設けることにより、車両台車部の気流を平滑化して空気抵抗を少なくし、走行時の消費エネルギーを下げられることから、高速鉄道などにも適用されている。
一般にスカート部１８は車両構体１０ほどの強度は必要とされないので、中空押し出し型材のような剛性を出すために二重の面を持ったものではなく、リブつきの単板が用いられていることが多い。

このようなスカート部１８を持った車両に本発明を適用する場合は、図１８に示すようにスカート部１８を構成する単板１８ｂの両側にリブ部２１を設け、これに実施例７から実施例９に示したような表面材を実施例１０や実施例１１に示したような方法で固定するとよい。
尚、取り付け具３３を用いない場合は、図１９に示すように、実施例１１同様、表面材３０を単板１８ｂに直接取り付けてもよい。

また、上述したスカート部１８は車両構体１０ほどの強度は必要とされないので、たとえば図２０のように波型に形成した単板１８ｂの曲がり部に対し、表面材３０を取り付ける対象となる表面材被取り付け個所２３を設け、ここに直接表面材３０を取り付けてもよい。このようにトラス構造を形成することで、強度を確保しながら単板１８ｂで構成されるスカート部１８の両面の吸音を行うことができる。

車両の台車部ではなくて床下機器部などのように、スカート部の内側は床下電装品１４があって吸音する必要のない場合は図２１に示すように、波型に形成した単板１８ｂに複数の穴１８ｃ設け、内側に反射板２４を設けて図のように固定した後、表面材３０を固定してもよい。これにより、実施例１３同様にトラス構造を形成することで強度を確保しながら、単板１８ｂの外側面の吸音を行うことができ、しかも、表面材３０から反射板２４までの距離を大きくとることができるため、より低い周波数からの吸音が期待できる。

一般的な鉄道車両の構体断面図を示した図である。 一般的な鉄道車両の側梁部の詳細を示した図である。 本発明を一般的な鉄道車両の側梁部に適用した例を示した図である。 本発明の構造の一部を示した図である。 図４の断面図を示した図である。 図４、図５における音響エネルギー減衰構造の例を示した図である。 図４、図５における音響エネルギー減衰構造の別の例を示した図である。 図４、図５における音響エネルギー減衰構造の別の例を示した図である。 吸音のメカニズムについて説明した図である。 吸音材の配置位置と吸音周波数について説明した図である。 本発明の構造の一部を示した図である。 図１１の構造の別の例を示した図である。 図１１の構造の別の例を示した図である。 図１３の断面図を示した図である。 図４、図１１に示した本発明の構造の一部についての取り付け例を示した図である。 図１５に示した本発明の取り付け方法ついての別の取り付け例を示した図である。 スカートを有する一般的な鉄道車両の構体断面図である。 本発明を一般的な鉄道車両のスカート部に適用した例を示した図である。 本発明を一般的な鉄道車両のスカート部に適用した例を示した図である。 本発明を一般的な鉄道車両のスカート部に適用した例を示した図である。 本発明を一般的な鉄道車両のスカート部に適用した例を示した図である。

符号の説明

１０…構体、１１…屋根構造、１２…側構体、１３…床構体、１４…床下電装機器、１５ａ…横梁、１５ｂ…枕梁、１６…中梁、１７…側梁、１８…スカート部、１８ｂ…単板、１８ｃ…単板にあけられた穴、２０…吸音構造、２１…リブもしくは適当な取り付け部、２２…背後空気層、２３…表面材被取り付け個所、２４…反射板、２５…空気よりも音速の遅い媒質、２６…袋、３０…表面材、３１…音響エネルギー減衰構造、３１ａ…音響エネルギー減衰材表面シート、３１ｂ…吸音材、３１ｃ…密閉空間、３２…表面保護材、３３…取り付け具、３４…防振ゴム。

Claims (4)

1. 屋根構体と側構体と前記側構体の下部に備えられた側梁と床構体とからなる車両構体を備え、前記床構体に床下電装機器が取り付けられるとともに、前記床下電装機器を保護するために前記側梁にスカートが備えられた鉄道車両において、
   前記スカートは単板の両側に表面材を取り付けるためのリブを備えるとともに、前記リブに取り付けられた前記表面材と前記単板との間に形成された空気層に吸音材が備えられており、
   前記表面材は表面保護材と前記表面保護材に備えられた音響エネルギー減衰構造からなり、
   前記吸音材は空気より音速の遅い媒質とともに袋に封入されていること、
   を特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１に記載された鉄道車両において、
   前記音響エネルギー減衰構造は、音響エネルギー減衰材表面シートで包まれた吸音材からなること、
   を特徴とする鉄道車両。
3. 請求項１に記載された鉄道車両において、
   前記音響エネルギー減衰構造は、音響エネルギー減衰材表面シートによる密閉空間内に吸音材とともに空気と異なる媒質が封入されたこと、
   を特徴とする鉄道車両。
4. 請求項３に記載された鉄道車両において、
   前記音響エネルギー減衰構造は前記密閉空間の複層構造であり、
   隣接する前記密閉空間には異なる種類の気体が封入されたこと、
   を特徴とする鉄道車両。

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