JP5795936B2 - 低周波騒音低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁の振動による低周波騒音の発生を抑制する低周波騒音低減装置に関する。

従来、高架橋等の橋梁の振動の抑制のために様々な手法が用いられている。例えば、トラックといった車両等が路面を走行する際の橋梁の振動を抑制するため、路面の平準化、ノージョイント化、エクスパンジョン・ジョイント（Ｅｘｐ．Ｊ．）の改良等が行われている。

また、橋梁の振動を抑制する制振装置としては、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）を用いる構成（例えば、特許文献１）や、ＡＭＤ（Active Mass Damper）を用いる構成が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献１に記載の制振装置では、橋梁の３Ｈｚ程度の振動を低減することができる。この橋梁の３Ｈｚ程度の振動は、地盤を伝わって付近の建築物等を振動させ、この建築物等の振動に伴って騒音を生じさせる。

また、特許文献２に記載の制振装置では、アクチュエータによって重錘の振動の周波数を調整することで、振動の抑制対象となる周波数を調整でき、例えば、橋梁の風等による振動を低減することができる。

特開平８−２３９８０５号公報 特許第４４８１４７６号

ところで、高架橋等の橋梁に車両が進入するとき、橋梁の振動によって、低周波、例えば１０Ｈｚ〜２０Ｈｚの空気振動が発生し、空気を伝わって周辺環境に伝播してしまう場合がある。このような低周波の空気振動は人の聴覚では音として認識され難いが、人に不快感を与える要因となるおそれがある（低周波騒音）。

上述した特許文献１の制振装置では、橋梁の３Ｈｚ程度の振動を低減することはできるが、低周波騒音を生じさせる橋梁の振動は比較的周波数が高い分、振幅が小さくなるため、このような振動を抑制することが難しかった。また、特許文献２の制振装置では、構造が複雑であるためコストが高くなってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、橋梁の１０Ｈｚ〜２０Ｈｚの振動による低周波騒音を抑制可能な、低周波騒音低減装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の低周波騒音低減装置は、橋梁に固設して橋梁から発生する低周波騒音を低減する低周波騒音低減装置であって、複数の皿ばねを連接してなり、橋梁の振動を直接的に受け、橋梁の振動に連動して振動するばね部と、ばね部の振動方向に連結された重錘と、を備えるチューンドマスダンパで構成され、ばね部および重錘によって構成される振動系の共振周波数は、１０〜２０Ｈｚの範囲に含まれる周波数に調整されていることを特徴とする。

ばね部は、重錘を挟んで対称的に複数配されてもよい。

本発明によれば、橋梁の１０Ｈｚ〜２０Ｈｚの振動による低周波騒音を抑制可能となる。

低周波騒音低減装置の概略的な構成を説明するための説明図である。 車両の振動モデルを説明するための説明図である。 図１（ａ）のＡ矢視図である。 モデル橋梁の２次のねじり振動の概念図を示す。 低周波騒音低減装置の設置位置を説明するための説明図である。 ばね部を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（低周波騒音低減装置１００）
図１は低周波騒音低減装置１００の概略的な構成を説明するための説明図である。特に、図１（ａ）は、橋梁１１０の下部に配された低周波騒音低減装置１００の橋梁１１０の側方から見た図を示し、図１（ｂ）は、低周波騒音低減装置１００の鉛直上方からの上面図を示す。

高架橋等の橋梁１１０において、トラック等の車両１１２が橋梁１１０を走行すると、騒音が発生する場合がある。この騒音の要因は、車両１１２全体の振動と、車両１１２のサスペンション等のばねより下の質量（以下、ばね下質量と称す）の振動と、が挙げられる。

図２は、車両１１２の振動モデルを説明するための説明図である。ここでは、図２に示すように、車両１１２の振動を２自由度系の振動モデルに置き換える。また、振動モデルにおける各部のパラメータは、表１に示す値を例に挙げる。

この場合、車両１１２全体は１．５Ｈｚ程度で振動し、ばね下質量は１６Ｈｚ程度で振動することとなる。このうち、ばね下質量の振動は、橋梁１１０を強制振動させ、床板がスピーカのコーンの役割を果たして周囲の空気を振動させて、低周波騒音として付近に伝達され、実際の音としては認識され難いが人に不快感を与える、所謂低周波騒音の要因となる可能性がある。

実際に橋梁付近の低周波騒音を測定すると、その周波数は、１６Ｈｚを含む範囲、例えば１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度の値である。このように、低周波騒音の周波数に幅があるのは以下の理由による。

橋梁１１０に進入してくる車両１１２は、様々な固有振動数を持ち、ランダムなタイミングで橋梁１１０に進入する。このように、複数の車両１１２が位相をずらして橋梁１１０に進入し、橋梁１１０に強制振動を発生させるため、位相がずれた複数の振動が重なり合い周波数に幅が生じていると推定できる。

図１に示す、本実施形態の低周波騒音低減装置１００は、橋梁１１０の鉛直下側の橋桁１１０ａに固設され、橋梁１１０から発生する低周波騒音を低減するもので、ばね部１２０と、重錘１３０とを含んで構成される。

図３は、図１（ａ）のＡ矢視図である。本実施形態の橋梁１１０の橋桁１１０ａは、図３に示すように、例えば、Ｈ型鋼等で構成され、複数、本実施形態においては、鉛直方向および水平方向に２本ずつ、延伸方向が平行となるように計４本が配される。

ばね部１２０は、複数の皿ばね１２２を連接してなり、鉛直方向に並んだ２本の橋桁１１０ａの間に配され、橋梁１１０の振動を直接的に受けて、橋梁１１０の振動に連動して振動する。ここで、「直接的に受ける」は、例えば、てこの原理等を利用した機構を介さず、橋梁１１０の振動が、橋桁１１０ａや橋脚１１０ｂを介して直接伝達されることを意味する。

重錘１３０は、例えば、大きさによって質量が調整された２枚の金属板で構成される。２枚の金属板は、ボルトやナット等の固定具１３０ａで重ね合わせた状態で固定される。そして、重錘１３０は、ばね部１２０の振動方向に連結される。図３に示すように、重錘１３０の上下にはばね部１２０が配される。換言すれば、ばね部１２０は、ばね部１２０の振動方向に直列に、重錘１３０を挟んで対称的に複数配される。

重錘１３０を挟んでばね部１２０を配することで、重錘１３０の上方への揺れも、下方への揺れも、確実にばね部１２０が吸収でき、重錘１３０の振動によって橋梁１１０の構成部材に与える負荷を抑制することが可能となる。

（低周波騒音低減装置１００の橋梁１１０への取り付け位置）
制振装置の計画にあたっては、スピーカのコーンに相当する平板が、１０〜２０Ｈｚの範囲で振動している部位を特定し、振幅の大きい位置に制振装置を取り付ける必要がある。ここで想定する橋梁１１０をモデル化したモデル橋梁では、この１０〜２０Ｈｚの範囲の振動は２次のねじり振動となる。

図４は、モデル橋梁２００および２次のねじり振動の概念図である。図４では、モデル橋梁２００のねじれの状態を理解し易くするため、モデル橋梁２００の表面に破線のメッシュを示す。２次のねじり振動によって、モデル橋梁２００は、図４に矢印で示す部分の近傍が最もよく変動する。

モデル橋梁２００と同様に、橋梁１１０にもねじり振動が起きることから、本実施形態のように、低周波騒音低減装置１００を、橋梁１１０における当該橋梁１１０の幅方向の外側、すなわち外桁近傍に配置することで、効果的に制振できる。

図５は、低周波騒音低減装置１００の設置位置を説明するための説明図であり、橋梁１１０の床板１１０ｃの上面視に、低周波騒音低減装置１００の設置位置を破線の円で示す。

図５に示すように、低周波騒音低減装置１００は、上述したモデル橋梁２００の矢印の位置に相当する、橋梁１１０における橋長方向の全長Ｌの１／４点と３／４点の部位の外桁内側に取り付けるものとする。

（橋梁１１０の振幅の推定）
以下、橋梁１１０の振動の振幅について検討する。振動数ｆが１６Ｈｚの場合、円振動数ωは以下の数式１によって導出される。

…（数式１）
したがって、橋梁１１０の振動の振幅Ａが１ｃｍであると仮定すると、加速度ａは、以下の数式２によって導かれる。

…（数式２）
この加速度ａの値は、大凡重力加速度の１０倍程度である。

しかし、上記の数式２で導出された加速度ａは、ねじりの２次モードとしては値が大きすぎる。加速度ａが取り得る常識的な範囲を考慮すると、振幅Ａは、１ｃｍの１０分の１である１ｍｍ程度と推定される。一般に、低音スピーカ等では、１ｍｍ程度の振幅で音を発することが可能である。このことから、この推定値である１ｍｍは、騒音の要因となる振動の振幅として十分な大きさであると判断される。

続いて、上述した低周波騒音低減装置１００の設計例を以下に示す。かかる設計例は一例であって、低周波騒音低減装置１００は、設計例として以下に記載した数値に限定されない。

（重錘１３０の質量）
ねじりの２次モードの場合、振動に寄与する質量の橋梁１１０全体の質量に対する割合（以下、寄与割合と称す）は１／８程度と考えられる。ここで、寄与割合を１／８としたのは以下の根拠による。すなわち、ねじり振動であることから橋梁１１０の幅方向の中心付近は振動しないため、橋梁１１０全体の質量の１／２程度は振動に寄与しない。また、低周波騒音低減装置１００は橋梁１１０と４点で接続されていることから、負荷が分散されるため、各点ではそれぞれ１／４の質量を受ける。そのため、寄与割合は１／２と１／４を掛け合わせた１／８となる。

また、寄与割合のより詳細な計算手段として、例えば、橋梁１１０の全面積のモード鉛直成分の二乗和を、低周波騒音低減装置１００を接続する４点の位置のモード鉛直成分の二乗和で除算した値を、寄与割合としてもよい。

橋梁１１０の鉛直方向の単位面積当たりの重量を１トン、橋長を３０ｍ、総幅８ｍ２０ｃｍと仮定すると、橋梁１１０全体の質量は２４６トンとなる。そのため、振動に寄与する質量は１／８の約３０トンとなる。

ここでは、重錘１３０の質量Ｍを、この橋梁１１０の振動に寄与する質量３０トンの２％、すなわち、約６００ｋｇとする。

（ばね部１２０の設計）
重錘１３０の質量Ｍが６００ｋｇ、制振の対象とする振動の固有振動数ωが１６Ｈｚとすると、ばね部１２０のばね定数Ｋは、以下の数式３によって導かれる。

…（数式３）

ここでは、ばね部１２０の片振幅を２ｃｍ程度、すなわち、橋梁１１０の振幅とばね部１２０の振幅の比Ｂを２０倍と設定する。すると、ばね部１２０の反力Ｐは、以下の数式４によって導かれる。

…（数式４）

重錘１３０は４点支持とする。この場合、各点に配される４つのばね部１２０それぞれのばね定数は１／４、すなわち、１．５３ｋＮ／ｍｍとなる。

図６は、ばね部１２０を説明するための説明図である。特に、図６（ａ）は、皿ばね１２２を示し、図６（ｂ）は、棒部材１２４を示し、図６（ｃ）は、皿ばね１２２と棒部材１２４とを組み合わせたばね部１２０を示す。

例えば、ばね部１２０のばねには皿ばね１２２を使用する。この皿ばね１２２は、例えば、軽荷重用で、変形能の最大値（図６（ａ）に示すｈ）が３．２ｍｍ、変形量が１．６ｍｍ（変形能の最大値の５０％）のときの反力Ｐ_δ０．５は１３．７２ｋＮ、変形量が２．４ｍｍ（変形能の最大値の７５％）のときの反力Ｐ_{δ０．７５}は１８．２５ｋＮとする。

また、ばね部１２０としては、皿ばね１２２を向かい合わせとなるように２枚重ねにしたものを１組として（図６（ａ）参照）、複数組、ここでは１１組で構成される。ただし、理解を容易とするため、図１（ａ）、図３、図６（ｃ）においては数を減らして示す。

皿ばね１２２を向かい合わせに組み合わせることで、皿ばね１２２が変形したときに皿ばね１２２同士の摩擦を効率的に減衰として作用させることが可能となる。

図６（ｃ）に示すように、ばね部１２０および重錘１３０には、それぞれ貫通孔１２０ａ、１３０ｂが設けられており、その貫通孔に棒部材１２４が挿通され、両端の皿ばね１２２の外側からワッシャー１２６ａを介してナット１２６ｂで締め付けられている。

１つの皿ばね１２２の変形量が仮に１．６ｍｍであった場合、１つのばね部１２０（皿ばね×２枚重ね×１１組）のばね定数Ｋ１は、以下の数式５によって導出できる。

…（数式５）

ばね部１２０は、橋梁１１０の橋長の１／４点、３／４点にそれぞれ８つずつ、すなわち、全部で１６個が配される。この１６個のばね部１２０全体のばね定数は、Ｋ１の１６倍、すなわち、６．２４ｋＮ／ｍｍとなる。

同様に、１つの皿ばね１２２の変形量が仮に２．４ｍｍであった場合、１つのばね部１２０のばね定数Ｋ１は、以下の数式６によって導出できる。

…（数式６）

そして、１６のばね部１２０全体のばね定数は、Ｋ１の１６倍、すなわち、５．５３ｋＮ／ｍｍとなる。

また、１つのばね部１２０の最大変形量は、３．２×２２＝７０．４２ｍｍである。仮に、初期プレ圧縮量を２５ｍｍとすると、振幅２０ｍｍの振動によって、ばね部１２０は、圧縮量５ｍｍ〜４５ｍｍの範囲で振動する。この設計例において、ばね部１２０は、最も変形したときで、ばね部１２０の変形能の最大値の６４．０％程度の幅で変形をしていることとなる。

以上、低周波騒音低減装置１００の設計例を示したが、低周波騒音低減装置１００は、このような設計によって、ばね部１２０および重錘１３０によって構成される振動系の共振周波数が、１０〜２０Ｈｚの範囲に含まれる周波数に調整されている。

そして、低周波騒音低減装置１００は、ばねとして皿ばね１２２を用いたＴＭＤ（Tuned Mass Damper）であるため、ばね定数がコイルばねに比べて高く、例えば、１ｍｍ程度の小さな振幅しか生じない振動も抑制できる。そのため、低周波騒音低減装置１００は、１ｍｍ程度の小さな振幅の振動による低周波騒音の発生を確実に抑制可能となる。

また、低周波騒音低減装置１００は、構造が単純であり、かつ、皿ばね１２２を使っているためコイルばねを使う場合に比べ小型化が可能となり、製造コストを抑制できる上、既存の橋梁１１０に対して、橋梁１１０の補強などをほとんど行わずとも容易に取り付けることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、橋梁の振動による低周波騒音の発生を抑制する低周波騒音低減装置に利用することができる。

１００ …低周波騒音低減装置
１１０ …橋梁
１２０ …ばね部
１２２ …皿ばね
１３０ …重錘

Claims (2)

1. 橋梁に固設して該橋梁から発生する低周波騒音を低減する低周波騒音低減装置であって、
   複数の皿ばねを連接してなり、前記橋梁の振動を直接的に受け、該橋梁の振動に連動して振動するばね部と、
   前記ばね部の振動方向に連結された重錘と、
   を備えるチューンドマスダンパで構成され、
   前記ばね部および前記重錘によって構成される振動系の共振周波数は、１０〜２０Ｈｚの範囲に含まれる周波数に調整されていることを特徴とする低周波騒音低減装置。
2. 前記ばね部は、前記重錘を挟んで対称的に複数配されることを特徴とする請求項１に記載の低周波騒音低減装置。

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