JP4531992B2 - 棒付き凹部の空力音低減化構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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