JP4531992B2 - 棒付き凹部の空力音低減化構造 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
物体が空気中を高速で移動する場合、すなわち物体表面上を高速の空気流が通過する場合において、物体表面に凹部が在り、この凹部内に棒体が空気流を横切る方向に設けられていると、この凹部及び棒体から周波数帯域の狭い空力音が発生する場合がある。本発明は、このような棒付き凹部から発生する空力音レベルを低減化することを目的とする。
【0002】
【従来の技術】
物体表面上に凹部が在り該凹部内に棒体が設けられている場合において、この物体が高速で空気中を移動することにより物体表面を高速の空気流が流れると、棒体と凹部との干渉により、周波数の狭い帯域で騒音レベルが卓越する空力音が発生することがある。このような棒付き凹部の構造は、例えば新幹線(登録商標)の先頭車両(及び後尾車両)において観察される。図14に示すように、新幹線(登録商標)の先頭車両Eには一般に、乗務員乗降用扉Dの左右両側に乗務員が乗降の際に利用する棒体よりなる手摺Hが設けられている。この手摺Hは、図15の(A)(B)に示す如く、車両Eの表面に形成した凹部P内に設けられ、乗務員が容易に掴めるようにするため、手摺Hの前端が車両Eの表面とほぼ同一となるように配置されている。
【0003】
ところで本発明者らの研究によると、高速の空気流に曝されたとき、凹部だけでも空力音が発生するが、凹部内に棒体を設けて棒付き凹部とすると、騒音レベルのピークがより高い空力音を発生させることが分かった。すなわち従来の新幹線(登録商標)用の車両における手摺構造は、高速走行の際に、騒音レベルの高い空力音を発生させる可能性が高い構造であると言える。しかも、手摺H等の棒体を取り付けた凹部Pから発生する空力音は、特定の狭い周波数帯域でレベルが高いという性質を有するため、同時に発生する走行騒音に埋没せず、明瞭に聞き分けられる非常に耳障りな鉄道騒音となる可能性がある。それ故、新幹線(登録商標)における低騒音の高速走行を目指すには、何らかの対策を講ずることが必要とされる。そこで、新幹線(登録商標)用車両の手摺から発生する空力音の低減化のため、手摺が設けられる凹部を開閉可能な蓋で覆うことが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
手摺が設けられる凹部を機械的に開閉する蓋で覆う構造を採用した場合、車両走行中は容易に開くことがなく且つ手摺使用時には簡単に開けられることが要件となる。その上、車両の高速化に伴い空気流速度が増大しているので、開閉蓋の強度も必要である。そのため開閉蓋を採用すると、構造が複雑になり、設計が難しくなるという欠点が生ずる。また既存の車両を対象とする場合、構造の複雑な開閉蓋を新たに取り付けることになるから、費用と時間とを要する。新規車両を設計する場合でも、開閉蓋の設置のための手間と経費の増大は避けられない。さらに蓋の開閉機構に故障が生じて蓋を開けることが出来なくなった場合は、地上から運転室へ昇ったり運転室から地上を降りたりすることが非常に困難になる。反対に、開閉機構の故障のため蓋を閉じることが出来なくなった場合は、走行中の騒音防止が不可能になる。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鉄道車両における手摺構造の如く凹部内に棒体を設けた棒付き凹部から発生する空力音を、簡単で且つ低コストな構造により低減化できる手段を提供するものであって、その特徴とするところは、 物体表面に形成された凹部内に棒体が取り付けられ、前記物体表面に沿って空気流が前記棒体を横切る方向に且つ前記棒体に対し正逆両方向に流れる場合において、前記凹部における内側面のうち、正方向に流れる空気流の風下側となり且つ当該空気流と対向する領域及び逆方向に流れる空気流の風下側となり且つ当該空気流と対向する領域の双方に傾斜面を形成すると共に、前記棒体の全体が、物体表面よりも所定距離だけ凹部の奥側に位置するよう設定したことにある。かかる構成に基づき、凹部内に流入して風下側内側面に衝突することにより生ずる空気流の乱れが、凹部内の風下側内側面を傾斜面とすることによって抑えられるので、凹部から発生する空力音のレベルを低下させる。また棒体位置を物体表面よりも凹部の奥側に設定したので、棒体表面を流れる空気流の速度が小さくなると共に、棒体と凹部との相互作用が緩和されるため、発生する空力音が低減化されると考えられる。
【0006】
本発明は、鉄道車両のように、空気流が物体表面に沿って前記棒体に対し正逆両方向に流れる場合を想定して、前記凹部における内側面のうち、正方向に流れる空気流の風上側(つまり、逆方向に流れる空気流の風下側)であって、当該空気流と対向する領域にも傾斜面を形成する。かかる構成により、空気流が逆方向に流れるときには、空気流が正方向に流れるときの風上側(逆方向に流れるときの風下側)に形成した傾斜面が空気の流れを乱して、空力音を低減化することができる。さらに上記構成において、前記凹部の内側面に形成する風上側の傾斜面と風下側の傾斜面を、前記棒体を挟んで実質的に面対称に形成してもよい。
【0007】
ところで、空力音を低減化する手段としては、凹部内に傾斜面を形成するほかに、凹部内における棒体の周囲に突起を設ける構造を採用してもよい。かかる構成によっても、凹部内に流入する空気流が突起で乱されるから、空力音を低減化することが可能である。
【0008】
以上述べた本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造は、物体表面が鉄道車両表面であり、凹部内に取り付けられる棒体が手摺である場合、すなわち、既存の鉄道車両及び新規設計される鉄道車両へ容易に適用することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明に係る棒付き凹部の空力音低減化構造(以下、本発明構造と言う)は、凹部内に棒体を設けて成る棒付き凹部が高速の空気流に晒されることにより、空力音を発生させる場合一般に適用し得るものである。すなわち、鉄道車両に適用する以外に、トラック等の自動車の如く、高速で移動する物体から発生する空力音の低減化を目的とする場合にも有効である。
【0010】
〔第1の実施形態〕
本発明構造の一実施形態を図1に示す。本例の特徴とするところは、物体表面Sに形成した凹部P内に棒体Qが設けられ、該物体表面Sに沿って棒体Qを横切る方向に空気流Fが流れる場合において、該凹部Pにおける内側面のうち、空気流Fと対向し、且つ、棒体Qよりも空気流Fの風下側となる領域及び風上側となる領域の双方に、傾斜面R,Rを実質的に面対称となるように形成した点、並びに、前記棒体Qの全体が物体表面Sよりも所定距離だけ凹部Pの奥側に位置するよう設定した点にある。
【0011】
凹部P内に前記傾斜面Rを形成する手段としては、例えば本発明構造を適用する対象が鉄道車両であり、棒体Qが乗務員乗降用扉の両脇に配置される手摺である場合には、車両製造時に、手摺を設ける凹部を前記形状に製作されるよう設計することが考えられる。また既存の車両に対しては、図2に示すようなアタッチメントTを、手摺が設けられる凹部P内へ嵌合装着することにより、当該凹部P内に傾斜面Rを形成することが考えられる。上記アタッチメントTの材質は、アルミニウム,ジュラルミン,ステンレス鋼等の金属、プラスチック、セラミック等が使用可能であり、軽量化のため中空体とすることが望ましい。
【0012】
図3は、前記の如く構成された本発明構造を平面断面視して示す図面である。
本発明構造が空力音の低減化に有効に作用するためには、凹部P内に傾斜面Rを形成すると共に、同図に示す如く、棒体Qの位置を物体表面Sよりも奥側に設定することが必要とされる。空力音の低減化に有効となる物体表面Sから棒体Qまでの距離Gは、凹部Pの大きさにもよるが、大きければ大きい程、空力音低減効果は大きい。但し棒体Qを手摺とする場合に凹部Pのあまり奥側へ配置すると、使用者が掴みにくくなるという問題が生ずる。それ故、前記距離Gの最大値は、凹部Pの間口寸法や棒体Qの直径等の各種寸法に基づき、適宜制限されることとなる。
【0013】
図3に示す如く傾斜面R,Rを棒体Qを挟んで実質的に面対称に形成したことにより、物体表面Sを流れる空気流Fの方向が正逆いずれの場合でも、本発明構造は空力音の低減化に有効に作用する。従って本実施形態は、例えば鉄道車両のように、往復運行するため空気流Fの方向が正逆反対方向となる場合に、特に有効と考えられる。なお、空力音の低減化に良好な傾斜面Rの勾配θは、傾斜面Rの長さにもよるが、およそ30〜60°の範囲と考えられる。
【0014】
〔第2の実施形態〕
本実施形態は参考例である。空力音の低減化に有効なのは凹部内に形成した風下側の傾斜面Rである。従って凹部P内に形成する傾斜面Rは、少なくとも空気流Fの風下側に在ればよい。このような理由から、図4に示す如く、凹部Pの底面部分の全幅にわたり空気流Fに対向する傾斜面Rを形成する構造を採用することも可能である。なお本例にあっては、傾斜面Rを空気流Fの風下側のみに形成したため、棒体Qの位置を風上側へ若干移動させてある。
【0015】
本実施形態は、物体表面Sを空気流Fが一方向にしか流れない場合、あるいは空気流が逆方向に流れるときは空力音の発生が問題になりにくい場合などに適用するとよい。例えば、トラック等のように走行方向が一方向のものに設けられる手摺構造は、前者の場合に相当する。また、鉄道列車の両端車両は、往復運行時に先頭と後尾が入れ代わるが、後尾車両の表面を流れる空気流の速度は先頭車両に比べて低くなるから、後者の場合に相当し、依って本例を適用することが可能なときがある。
【0016】
〔第3の実施形態〕
凹部Pの内側面における空気流の風上側にも風下側にも傾斜面R,Rを形成する場合、傾斜面R,Rを面対称(図3参照)とするのみならず、図5に例示する如く、非対称に形成することも可能である。棒体Qが設置される凹部Pの周囲の状況によっては、棒体Qの設置位置を凹部Pの中心位置から左右いずれかの方向へ移動させるほうが好都合な場合がある。本実施形態はこのような場合に対応させたものであり、棒体Qの配置に基づき、傾斜面R,Rの形成領域を適宜設定すればよい。
【0017】
〔第4の実施形態〕
本発明構造は、棒体Qの位置を、物体表面Sよりも凹部Pの奥側となるように設定することを要件としている。しかるに図6に示す如く、物体表面Sに突出部材Uを付設することにより、棒体Qの配置を変更することなく、本発明構造を提供することが可能となる。すなわち、図6(A)に示す如く、凹部Pの内側面には傾斜面Rを形成すると共に、適当な厚みgを有する突出部材Uを用意する。そして図6(B)の如く、この突出部材Uを、物体表面Sにおける凹部Pの風上側及び風下側に装着することにより、当該突出部材Uの厚みgの分だけ、棒体Qの取付位置を変更することなく、相対的に棒体Qを凹部Pの奥側とすることが可能である。前記突出部材Uの厚み寸法gは、車両限界を考慮して設定する。
【0018】
なお本例では、突出部材Uにおける傾斜面Rと隣接する面rの勾配を、当該傾斜面Rと同一となるように設定し、面R,rが単一の傾斜面を構成するように設定してある。また突出部材Uにおける風上側の領域を緩やかな傾斜面jに形成したことも、空力音の低減化に効果を発揮すると考えられる。
【0019】
〔第5の実施形態〕
図7は、請求項3に対応する実施形態を示すものであり、棒体Qが設置される凹部P内において、棒体Qの近傍に多数の突起Vを形成したものである。突起Vは、例えば同図(A)のように、棒体Qに近接させて適宜間隔で配置することが考えられる。この場合、突起Vの先端が物体表面Sより突出させないようにすることが望ましい。さらに本例の場合、棒体Qの位置を、必ずしも物体表面Sよりも凹部Pの奥側となるように設定する必要はないが、凹部Pの奥側とすることにより、空力音の低減化効果をより確実にすることができる。
【0020】
本実施形態は、凹部P内において突起Vを棒体Qの周囲に設けたことにより、凹部P内に入り込んだ空気流の流れを乱して、空力音を低減化するものである。なお突起Vの材質は、プラスチック,ゴムなどの弾性体が最適と考えられるが、金属やセラミックでも製作することが可能である。また突起Vの形成位置や個数は特に制限されるわけではなく、例えば図8に例示するように、凹部Pの底部のみならず内側面にも設けてもよい。
【0021】
〔風洞実験〕
(実験装置)
本発明構造による空力音の低減化効果を風洞実験を行って確認した。実験装置は図9に示す如くである。風洞装置内へ水平に設けた支持台1上に試験体2を設置する。空気流を吹き出すためのノズル3が、その吹出口3aの下縁と試験体2の前端上縁とが一致するように設置される。試験体2の表面には、ノズル3から吹き出される空気流に対し直角となる方向に配置した棒体Qを収納する凹部Pが形成される。棒体Qは、その両端部を支持台1上に取り付けたブラケット4,4によって支持する。なお図9(B)に示すように、試験体2及び棒体Qの横方向の長さ寸法はいずれも、ノズル吹出口3aの横幅寸法yよりも十分に長く設定される。ノズル吹出口3aは、縦x=400mm、横y=450mmの長方形であり、吹出口3aから棒体Qの中心までの距離lは462.5mmである。また空力音測定用の精密騒音計Mを、棒体Qにおける中央部の鉛直上方、支持台1から距離k=750mmの箇所に配置した。
【0022】
(実験方法)
実験方法は、ノズル3から高速の風を送り、棒付き凹部Pから発生する空力音を前記騒音計Mで集音して測定する。そして、本発明構造と従来構造とそれぞれについて、空力音レベルを調べた。
【0023】
(実験1)
本実験は、本発明構造の第1の実施形態について空力音の低減化効果を調べたものである。実験に用いた棒付き凹部の構造は図10に示すとおりであり、同図(A)に従来構造、同図(B)に本発明構造をそれぞれ示している。凹部Pの深さa=80mm、間口幅b=125mm、棒体Qの直径=25mm、及び断面した棒体Q中心が凹部Pの中心軸線上に位置するように設定した点は、両者に共通である。但し、図(A)の従来構造では、棒体Qの前端位置が試験体表面Sと同じ位置にある。他方、図(B)の本発明構造では、凹部P内に、棒体Qを挟んで面対称となるように傾斜面R,Rを形成すると共に、試験体表面Sから棒体Qまでの距離Gを20mmに設定した。両構造について風速285kmにおける空力音を測定した結果を、図12のグラフに示す。
【0024】
図12のグラフから分かるとおり、本発明構造は250〜2000Hzの周波数帯域において、従来構造より明らかに空力音レベルが低下している。また、全周波数帯域(O.A.)における従来構造の空力音レベルが約95dBであったのに対し、本発明構造の空力音レベルは約88dBであり、約7dBもの低減化が認められた。なお、本実験において、暗騒音の空力音レベル(O.A.)は約88dBであった。
【0025】
(実験2)
本実験2は、第5の実施形態に係る本発明構造の空力音の低減化効果を調べたものである。本実験に用いた凹部構造は図11に示す通りであり、同図(A)は従来構造、同図(B)及び(C)は本発明構造を示している。両構造において、凹部Pの深さa=100mm、間口幅b=80mm、棒体Qの直径=25mmとした点、及び棒体Qの断面の中心が凹部Pの中心軸線上となるように設定した点は共通である。本発明構造は、図(B)及び(C)に示す如く、凹部P内において棒体Qの近傍に複数の突起V,V,…を設けたところに特色を有する。突起Vの直径c=約20mm、物体表面Sから突起b先端までの距離fは約12mm、突起Vの棒体Qに沿った配設ピッチdは約50mmである。両構造について風速300kmにおける空力音を測定した結果を、図13のグラフに示す。
【0026】
同グラフから分かるとおり、本発明構造によれば、500〜800Hzの最もレベルの高い周波数帯域における空力音レベルが低下している。また、全周波数帯域(O.A.)における従来構造の空力音レベルが約99dBであったのに対し、本発明構造の空力音レベルは約97dBであり、約2dBの低減化が認められた。なお暗騒音の空力音レベル(O.A.)は、約89dBであった。
【0027】
(実験3)
実験3は、棒体Qの位置の違いにおける空力音レベルの違いを調べたものである。すなわち、物体表面Sに形成した凹部Pに設ける棒体Qの位置を、▲1▼物体表面Sと同一であるとき、▲2▼物体表面Sから10mmだけ奥側へ移動させたとき、▲3▼物体表面Sから27mm移動させたときそれぞれについて、風速300kmにおける全周波数帯域(O.A.)の空力音レベルを測定した。測定結果は、▲1▼が95dB、▲2▼が93dB、▲3▼が92dBであった。また暗騒音は89dBであった。この結果から、棒体Qを物体表面から凹部Pの奥側へ10mm以上移動させると、空力音レベルを低減化させることのできることが分かる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明構造によれば、簡単な構成によって、棒付き凹部から発生する空力音の騒音レベルを確実に低減化することができる。従って本発明を、例えば新幹線(登録商標)の先頭車両において乗務員乗降用扉の左右両側に設けられる手摺構造へ適用することにより、車両走行時の騒音レベルを容易に且つ確実に低減化することが可能である。しかも本発明構造は構成が簡単であるから、既存の各種形態の車両に対し、低コストで確実な騒音対策を施すことができる。また、新規に鉄道車両を設計・製造する場合でも、本発明を採用すれば、騒音対策のコストダウンを図れる。さらに本発明は、鉄道車両以外の高速で移動する物体、例えばトラックやダンプカー等の自動車などにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明構造の第1の実施形態を示す斜視図である。
【図2】 本発明構造の第1の実施形態に係るものであって、傾斜面を形成するためのアタッチメントを凹部から分離して示す斜視図である。
【図3】 本発明構造の第1の実施形態を示す平面断面図である。
【図4】 参考例に係る第2の実施形態を示す平面断面図である。
【図5】 本発明構造の第3の実施形態を示す平面断面図である。
【図6】 本発明構造の第4の実施形態に係るものであって、図(A)は突出部材を装着する前の状態を示す平面断面図、図(B)は突出部材を装着した状態を示す平面断面図である。
【図7】 本発明構造の第5の実施形態に係るものであって、図(A)は正面図、図(B)は平面断面図である。
【図8】 本発明構造の第5の実施形態に係るものであって、別態様を示す平面断面図である。
【図9】 本発明構造の空力音低減化効果を調べるための風洞実験装置を示すものであって、図(A)は側面図、図(B)は風下側から見た正面図である。
【図10】 風洞実験1に供する棒付き凹部の構造を概略的に示すものであって、図(A)は比較のための従来構造の平面図、図(B)は第1の実施形態に係る本発明構造の平面図である。
【図11】 風洞実験2に供する棒付き凹部の構造を概略的に示すものであって、図(A)は比較のための従来構造の平面図、図(B)は第5の実施形態に係る本発明構造の平面図、図(C)は第5の実施形態に係る本発明構造の要部の正面図である。
【図12】 風洞実験1の空力音測定結果を示すグラフであり、縦軸に空力音レベル、横軸に1/3オクターブバンド中心周波数をプロットしたものである。
【図13】 風洞実験2の空力音測定結果を示すグラフであり、縦軸に空力音レベル、横軸に1/3オクターブバンド中心周波数をプロットしたものである。
【図14】 従来の新幹線(登録商標)の先頭車両の要部を示す側面図である。
【図15】 図(A)は、新幹線(登録商標)の先頭車両における乗務員乗降用扉の左右両側に設けられる従来の手摺構造を示す正面図、図(B)は図(A)のX−X線における平面断面図である。
【符号の説明】
P…凹部 Q…棒体 R…傾斜面 S…物体表面 T…アタッチメント U…突出部材 V…突起 F…空気流
Claims (4)
- 物体表面に形成された凹部内に棒体が取り付けられ、前記物体表面に沿って空気流が前記棒体を横切る方向に且つ前記棒体に対し正逆両方向に流れる場合において、前記凹部における内側面のうち、正方向に流れる空気流の風下側となり且つ当該空気流と対向する領域及び逆方向に流れる空気流の風下側となり且つ当該空気流と対向する領域の双方に傾斜面を形成すると共に、前記棒体の全体が、物体表面よりも所定距離だけ凹部の奥側に位置するよう設定したことを特徴とする棒付き凹部の空力音低減化構造。
- 前記凹部の内側面における正方向に流れる空気流の風下側に形成する傾斜面と逆方向に流れる空気流の風下側に形成する傾斜面を、前記棒体を挟んで実質的に面対称に形成した請求項1に記載する棒付き凹部の空力音低減化構造。
- 物体表面に形成された凹部内に棒体が取り付けられ、当該棒体を横切る方向に前記物体表面に沿って空気流が流れる場合において、前記凹部内における棒体の周囲に突起を設けたことを特徴とする棒付き凹部の空力音低減化構造。
- 前記物体表面が鉄道車両表面であり、前記凹部内に取り付けられる棒体が手摺である請求項1乃至3のいずれかに記載する棒付き凹部の空力音低減化構造。
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