JP6602655B2 - 鉄道車両および鉄道車両加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車内騒音を低減するための車体構造および車体加工方法に関する。

高速鉄道車両では高速化に伴う客室内の騒音を低減することが必要不可欠である。このため、従来より様々な車内騒音低減技術が開発されてきた。特に近年では、軽量・高強度で、製作性の良い車体構造として、ダブルスキン構体と呼ばれる構造が多く採用されている。このダブルスキン構体は、間隔をあけて対向する一対の外板、内板と、それらを連結する中空のトラス構造とから成っており、軽量かつ曲げ剛性が高く、さらに車両長手方向に同じ断面構造を持った押し出し型材を用いるため、製作性が良いという特長を持っている。

このダブルスキン構体の遮音性向上のための車両用構造が、例えば特許文献１などが開示されている。この公知例では、ダブルスキン構体の中空トラス部分に吸音材を充填することで、ダブルスキン構体を透過してくる騒音を吸音することを狙っている。また、トラス内に吸音材を充填するための製作性の観点から、ダブルスキン構体の内板に穴を開け、その開口から発泡吸音材を充填した後、開口を塞ぐ製作法が開示されている。このようにダブルスキンのトラス内に吸音材を充填することで、特に１kHz以上の高周波領域において、ダブルスキンのトラス部分を透過した騒音が吸音材によって減衰され、車内へ透過する騒音を低減できることが期待される。

特開２０１０−２４１１９５号公報

しかし、上記先行技術で開示されているように、ダブルスキンの中空トラス内部に吸音材を充填する構造は、１kHz以上の高周波領域において、一定程度の遮音効果が期待できるが、高速鉄道車両で一般的に車内騒音のレベルが大きい１kHz以下の低周波領域では、ダブルスキン構体の剛性が高いため、ダブルスキン構体の外板、トラス、および内板が一体となって振動するため、トラス内に充填した吸音材の効果がうまく発揮されないという課題があった。

また、高速鉄道車両では一般的に、構体の車内側に内装パネルが配置された構成をしており、断熱性と遮音性の確保のため、構体と内装パネルの間に空隙を設け、そこに吸音材を挟んだ積層構造が採用されている。１kHz以下の低周波領域ではダブルスキン構体の外板、トラス、および内板が一体となって振動するモードが支配的であるため、ダブルスキン構体を１枚の等価な板とみなすと、上記のダブルスキン構体、吸音材、内装パネルから成る積層構造は、ダブルスキン構体、および内装パネルという２枚の板の間に、吸音材が配置された吸音二重壁構造とみなすことができる。このような２重壁構造では、ダブルスキン構体、内装パネルの面密度を一定に保った場合、ダブルスキン構体と内装パネルの間の空隙の厚さを広げ、その空隙に挿入する吸音材の厚みを増すことで、遮音性が向上することが知られている。しかしながら、ダブルスキン構体の外形寸法は車両限界の制約があるため、ダブルスキン構体と内装パネル間の空隙を広げることは車内空間を狭めることにつながり、車体断面の幅方向は乗客定員確保の観点から、上下方向は天井高さを一定以上確保する必要性から、ダブルスキン構体と内装パネル間の空隙および吸音材厚さを増すことには制約がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、客室空間を狭めることなく、遮音性を向上させることを目的としたものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、外板、内板、トラス部とそれに囲まれる空洞部で構成されるダブルスキン構体を有する鉄道車両において、該ダブルスキン構体における車外側の該外板および該トラス部により囲まれる各車外側空洞部と、該ダブルスキン構体における車内側の該内板および該トラス部により囲まれる各車内側空洞部とにそれぞれ第１の吸音材を配置し、該ダブルスキン構体の該内板および該トラス部の両方に対して空孔部をそれぞれ形成し、該ダブルスキン構体の該内板および内装パネル間に第２の吸音材を配置することを特徴としている。

本発明によれば、ダブルスキン構体を透過してきた騒音が、ダブルスキン構体、内装パネル間の吸音層、および内装パネルを透過して車内へ伝播する際、ダブルスキン構体の内板から放射された騒音が、内板に設けた空孔を通って中空トラス内部へ逃げることが可能となるため、空孔がない場合に比べて、ダブルスキン構体と内装パネル間の吸音層での音圧が高くならず、内装パネルを透過して車内へ伝播する騒音も小さくなる。これは別の見方をすれば、ダブルスキン構体と内装パネル間の吸音層の厚さが、見かけ上、ダブルスキンの中空トラス部分の厚さ分だけ厚くなったのと同じであり、吸音２重壁間の吸音層の厚さが増すことにより、遮音性が向上する効果が得られる。

さらに、ダブルスキン内板に空孔があることで、ダブルスキン内板と内装パネルの間で反射した音波が中空トラス内に入り込み、中空トラス内の吸音材で音波が減衰されるとともに、空孔部のくびれ部分で空気が出入りすることで摩擦損失が発生するため、騒音がより減衰される効果などもある。これらのメカニズムにより、客室内の騒音が低減する。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両構体の概略図である。 本発明の実施の形態１に係る側構体を構成するダブルスキン構造から放射される放射音の発生メカニズムを説明する断面図である。 本発明の実施の形態１に係る側構体に空孔を設けた斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る側構体と内装パネルの間に吸音材を配置し、空孔の効果を説明する断面図である。 本発明の実施の形態２に係る側構体に空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る側構体と内装パネルの間に吸音材を配置し、吸音材の効果を説明する断面図である。 吸音二重壁構造において、その間の空気層および吸音材の厚みを変えた場合の透過損失の変化を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態３に係る側構体に空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る側構体と内装パネルの間に吸音材を配置し、吸音材の効果を説明する面図である。 本発明の実施の形態４に係る側構体に小径空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る側構体に空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る側構体に空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。 本発明の実施の形態７に係る吸音材を側構体の空洞部に配置する方法を説明した斜視図である。 本発明の実施の形態８に係る側構体に空孔を形成する方法を説明した斜視図である。 本発明の実施の形態９に係る側構体に空孔を形成する方法を説明した断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る側構体に空孔を形成する方法を説明した斜視図である。 本発明の実施の形態１１に係る側構体を溶接する方法を説明した斜視図である。 本発明の実施の形態１２に係る側構体に空孔を形成する方法を説明した斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る鉄道車両構体の概略図である。図１（ａ）に示す鉄道車両構体１は屋根構体２、側構体３、床構体４、および妻構体５から構成されている。図１（ｂ）はＡ−Ａ断面を示している。屋根構体２、側構体３、および床構体４はダブルスキン構造となっている。車内空間６は屋根構体２、側構体３、床構体４、および妻構体５に囲まれた空間である。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る側構体３を構成するダブルスキン構造から放射される放射音の発生メカニズムを説明する断面図である。図２（ａ）を用いてダブルスキン構造を説明する。ダブルスキン構造は車外空間側の外板３ａ、車内空間側の内板３ｂ、外板３ａと内板３ｂを連結するトラス３ｃ、外板３ａとトラス３ｃで囲まれた車外側空洞部３ｄ、および内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅから構成されている。屋根構体２および床構体４を構成するダブルスキン構造においても側構体３と同様な構造となっている。

図２（ｂ）を用いて側構体３から放射される放射音の発生メカニズムを説明する。加振力が鉄道車両構体１に負荷されると、１kHz以下の低周波領域では、側構体３を構成する外板３ａ、内板３ｂおよびトラス３ｃが一体となって振動し、第１の放射音３０が発生する。屋根構体２および床構体４においても側構体３で発生する放射音と同様なメカニズムで放射音が発生する。

図３は本発明の実施の形態１に係る側構体３に空孔を設けた斜視図である。側構体３の内板３ｂに第１の空孔３ｆが設けられており、車内空間６と車内側空洞部３ｅは第１の空孔３ｆにより空間的に連通している。

図４は本発明の実施の形態１に係る側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置し、空孔の効果を説明する断面図である。図４（ａ）は側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置した図である。側構体３の車内側には第１の吸音材２０が配置されており、さらに第１の吸音材２０の車内側には内装パネル７が配置されている。屋根構体２においても、側構体３と同様に吸音材および内装パネルが配置された構造をとることが可能である。図４（ｂ）は空孔の効果を説明する断面図である。側構体３から放射された第１の放射音３０は、内装パネル７で反射し第１の反射音３１が発生する。第１の反射音３１は第１の空孔３ｆに入射する。これにより、第１の反射音３１は車内側空洞部３ｅに閉じ込められる。また、第１の放射音３０の一部は回折して第１の空孔３ｆに入射し、同様に車内側空洞部３ｅに閉じ込められる。さらに、第１の反射音３１の一部は外板３ａを透過して車外へ第２の反射音３２となって放射される。よって、内装パネル７から車内空間６に放射される第２の放射音３３が低減する。これにより客室内の騒音が低減する。屋根構体２および床構体４を構成するダブルスキン構造においても側構体３と同様な効果を得ることが可能である。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る側構体３に空孔を設け、吸音材を側構体３の空洞部に配置した斜視図である。第２の吸音材２１は側構体３の内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されている。側構体３の内板３ｂには第１の空孔３ｆが設けられている。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材が配置され、空孔が設けられた構造をとることが可能である。

図６は本発明の実施の形態２に係る側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置し、吸音材の効果を説明する断面図である。図６（ａ）は側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置した図である。側構体３の車内側には第１の吸音材２０が配置されており、さらに第１の吸音材２０の車内側には内装パネル７が配置されている。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材および内装パネルが配置された構造をとることが可能である。図６（ｂ）は吸音材２０の効果を説明する断面図である。側構体３から放射した第１の放射音３０は、内装パネル７で反射し第１の反射音３１が発生する。第１の反射音３１は第１の空孔３ｆに入射して第２の吸音材２１に吸収される。これにより、内装パネル７から車内空間６に放射される第２の放射音３３が低減する。これにより客室内の騒音が低減する。

さらに図６において、１kHz以下の低周波領域では、ダブルスキン構造である側構体３の外板３ａ、内板３ｂ、トラス３ｃが一体となって振動するモードが支配的であるため、ダブルスキン構造である側構体３を一枚の等価な板とみなすことができる。このような場合、図６に示すダブルスキン構体３、第１の吸音材２０、内装パネル７から成る積層構造は、ダブルスキン構造である側構体３、および内装パネル７という２枚の板の間に、第１の吸音材２０が配置された吸音二重壁構造とみなすことができる。

図７は、このような吸音二重壁構造において、ダブルスキン構造である側構体３、内装パネル７の面密度を一定に保ったままで、その間の空気層および第１の吸音材２０の厚みを変えた場合の透過損失の変化を模式的に表した図である。空気層の厚さが大きい場合には、ダブルスキン構体３および内装パネル７をマス、空気層をバネとする低周波共振frLが低い周波数で表れ、これよりも高周波側では質量則よりも透過損失が向上される。これに対し、空気層の厚さが小さい場合には、低周波共振frLが空気層の厚さが大きい場合よりも高い周波数に表れ、この周波数において、空気層厚さが大きい場合に比べて、透過損失が悪化する。また、さらに高周波数領域では、ダブルスキン構造である側構体３と内装パネル７の間の壁間厚さに依存した高周波共鳴frHが表れることが知られている。

そこで本発明の実施の形態２のように、ダブルスキン構造である側構体３の内板３ｂに空孔を設けることで、ダブルスキン構造である側構体３の内板３ｂから放射された放射音３０が、吸音材２０、および内装パネル７を透過して車内空間６へ伝播する際、内板３ｂに設けた第１の空孔３ｆを通ってトラス３ｃの車内側空洞部３ｅへ逃げることが可能となるため、空孔３ｆがない場合に比べて、ダブルスキン構体３と内装パネル７の間の吸音材２０での音圧が高くならず、内装パネル７を透過して車内空間６へ伝播する第２の放射音３３も小さくなる。これは別の見方をすれば、ダブルスキン構造である側構体３と内装パネル７の間の吸音層２０の厚さが、見かけ上、ダブルスキン構造である側構体３の車内側空洞部３ｅの厚さ分だけ厚くなったのと同じであり、吸音二重壁間の吸音層の厚さが増すことにより、遮音性が向上する効果が得られる。

さらに、ダブルスキン構造である側構体３の内板３ｂに空孔があることで、内板３ｂと内装パネル７の間で反射した音波が中空のトラス３ｃ内に入り込み、中空のトラス３ｃ内部の吸音材で音波が減衰されることにより騒音がより吸音されるとともに、空孔部のくびれ部分で空気が出入りすることで摩擦損失が発生するため、騒音がより減衰される効果などもある。これらのメカニズムにより、客室内の騒音が低減する。

（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３に係る側構体３に空孔を設け、吸音材を側構体３の空洞部に配置した斜視図である。第２の吸音材２１は側構体３の内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されている。第３の吸音材２２は側構体３の外板３ａとトラス３ｃで囲まれた車外側空洞部３ｄに配置されている。側構体３の内板３ｂには第１の空孔３ｆが、トラス３ｃには第２の空孔３ｇが設けられている。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材が配置され、空孔が設けられた構造をとることが可能である。

図９は本発明の実施の形態３に係る側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置し、吸音材の効果を説明する断面図である。図９（ａ）は側構体３と内装パネル７の間に吸音材を配置した図である。側構体３の車内側には第１の吸音材２０が配置されており、さらに第１の吸音材２０の車内側には内装パネル７が配置されている。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材および内装パネルが配置された構造をとることが可能である。図９（ｂ）は吸音材の効果を説明する断面図である。側構体３から放射した第１の放射音３０は、内装パネル７で反射し第１の反射音３１、第３の反射音３４が発生する。第１の反射音３１は第１の空孔３ｆに入射して第２の吸音材２１に吸収される。さらに、第３の反射音３４は第２の空孔３ｇに入射して第３の吸音材２２に吸収される。また、第１の放射音３０の一部は回折して第１の空孔３ｆに入射して第２の吸音材２１に吸収される。さらに第３の反射音３４は第２の空孔３ｇに入射して第３の吸音材２２に吸収される。さらに、第３の反射音３４の一部は外板３ａを透過して車外へ第２の反射音３２となって放射される。よって、内装パネル７から車内空間６に放射される第２の放射音３３が低減する。これにより客室内の騒音が低減する。屋根構体２および床構体４を構成するダブルスキン構造においても側構体３と同様な効果を得ることが可能である。

（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４に係る側構体３に小径空孔を設け、吸音材を側構体３の空洞部に配置した斜視図である。第２の吸音材２１は側構体３の内板３ｂと該トラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されている。側構体３の内板３ｂには第１の小径空孔３ｈが多数設けられている。第１の小径空孔３ｈは複数個で第１の空孔３ｆの面積と等しくなる直径とする。これにより音波が入射する空孔の数が増えるため、音波は第１の空孔３ｆを設けた場合よりも車内側空洞部３ｅに入射し易くなる。これにより、第２の吸音材に吸収される音波の量が増加する。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材が配置され、空孔が設けられた構造をとることが可能である。

（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５に係る側構体３に空孔を設け、吸音材を側構体３の空洞部に配置した斜視図である。側構体３の強度が不足する箇所には、内板３ｂあるいは、トラス３ｃに空孔を設けず、一方、側構体３の強度が過剰な箇所には、側構体３の内板３ｂあるいは、トラス３ｃに空孔を設けた場合である。第２の吸音材２１は側構体３の内板に第１の空孔３ｆが設けられた内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されている。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材が配置され、空孔が設けられた構造をとることが可能である。

（実施の形態６）
図１２は本発明の実施の形態６に係る側構体３に空孔を設け、吸音材を側構体の空洞部に配置した斜視図である。側構体３の強度が不足する箇所では、内板３ｂあるいは、トラス３ｃの空孔直径を小さくし、一方、側構体３の強度が過剰な箇所では、側構体３の内板３ｂあるいは、トラス３ｃに設ける空孔直径を大きくした場合である。第２の吸音材２１は側構体３の内板に第１の空孔３ｆが設けられた内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されており、第４の吸音材２３は側構体３の内板３ｂに第３の空孔３ｉが設けられた内板３ｂとトラス３ｃで囲まれた車内側空洞部３ｅに配置されている。第２の吸音材２１と第４の吸音材２３を吸音性能の異なる材質とすることで、音波における広範囲の周波数成分を吸収することが可能となる。第３の吸音材２２と第５の吸音材２４は交互に側構体３の外板３ａとトラス３ｃで囲まれた車外側空洞部３ｄに配置されている。第３の吸音材２２と第５の吸音材２４を吸音性能の異なる材質とすることで、音波における広範囲の周波数成分を吸収することが可能となる。屋根構体２および床構体４においても、側構体３と同様に吸音材が配置され、空孔が設けられた構造をとることが可能である。

（実施の形態７）
図１３は本発明の実施の形態７に係る吸音材を側構体３の空洞部に配置する方法を説明した斜視図である。側構体３のトラス３ｃの断面形状と同様な形状をした第１の吸音材２１を鉄道車両構体１の長手方向に向かって挿入する。屋根構体２および床構体４においても、同様に吸音材を配置することが可能である。

（実施の形態８）
図１４は本発明の実施の形態８に係る側構体３に空孔を形成する方法を説明した斜視図である。側構体３に吸音材が配置された後に、ドリル８により側構体３の内板３ｂに空孔を加工する。これにより、ドリル加工時に発生する切粉を吸音材が保持することになり、切粉処理等を省くことができる。屋根構体２および床構体４においても、同様に空孔を形成することが可能である。

（実施の形態９）
図１５は本発明の実施の形態９に係る側構体３に空孔を形成する方法を説明した断面図である。側構体３に吸音材が配置された後に、ドリル８により側構体３の内板３ｂに空孔を加工する。その際に、空孔の縁部に形成されるバリ３ｊを残しておくことで、空孔周りの強度を向上させる。屋根構体２および床構体４においても、同様に空孔を形成することが可能である。

（実施の形態１０）
図１６は本発明の実施の形態１０に係る側構体３に空孔を形成する方法を説明した断面図である。側構体３のトラス３ｃの空孔は、図の上下方向からのドリル加工により形成される。屋根構体２および床構体４においても、同様に空孔を形成することが可能である。

（実施の形態１１）
図１７は本発明の実施の形態１１に係る側構体３を溶接する方法を説明した断面図である。側構体３の内板３ｂおよびトラス３ｃに空孔を形成した後に、側構体３同士を溶接する。屋根構体２および床構体４においても、同様に溶接することが可能である。

（実施の形態１２）
図１８は本発明の実施の形態１２に係る側構体に空孔を形成する方法を説明した断面図である。側構体３の内板３ｂの面外方向から斜めにドリル加工することで、内板３ｂおよびトラス３ｃに空孔を形成する。屋根構体２および床構体４においても、同様に空孔を形成することが可能である。

１…鉄道車両構体、２…屋根構体、３…側構体、３ａ…外板、３ｂ…内板、３ｃ…トラス、３ｄ…車外側空洞部、３ｅ…車内側空洞部、３ｆ…第１の空孔、３ｇ…第２の空孔、３ｈ…第１の小径空孔、３ｉ…第３の空孔、３ｊ…バリ、４…床構体、５…妻構体、６…車内空間、７…内装パネル、８…ドリル、２０…第１の吸音材、２１…第２の吸音材、２２…第３の吸音材、２３…第４の吸音材、２４…第５の吸音材、３０…第１の放射音、３１…第１の反射音、３２…第２の反射音、３３…第２の放射音、３４…第３の反射音。

Claims (7)

1. 外板、内板、トラス部とそれに囲まれる空洞部で構成されるダブルスキン構体を有する鉄道車両において、
   該ダブルスキン構体における車外側の該外板および該トラス部により囲まれる各車外側空洞部と、該ダブルスキン構体における車内側の該内板および該トラス部により囲まれる各車内側空洞部とにそれぞれ第１の吸音材を配置し、該ダブルスキン構体の該内板および該トラス部の両方に対して空孔部をそれぞれ形成し、該ダブルスキン構体の該内板および内装パネル間に第２の吸音材を配置した
   ことを特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１に記載の鉄道車両において、
   該ダブルスキン構体における各車外側空洞部には、交互に吸音性能の異なる材質の該第１の吸音材が配置された
   ことを特徴とする鉄道車両。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   該空孔部は該トラス部で区切られる該内板に対して二つ以上設けられている
   ことを特徴とする鉄道車両。
4. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   該内板および該トラス部に形成される該空孔部は該ダブルスキン構体の強度によって一定の間隔で形成される
   ことを特徴とする鉄道車両。
5. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   該内板および該トラス部に形成される該空孔部が小径であり多数形成される
   ことを特徴とする鉄道車両。
6. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   該内板および該トラス部に形成される該空孔部は該ダブルスキン構体の強度によって該空孔部の直径が変更されて形成される
   ことを特徴とする鉄道車両。
7. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両において、
   該ダブルスキン構体の該車外側空洞部及び該車内側空洞部への該第１の吸音材の封入方法と、該空孔部の形成方法に関して、はじめに該車外側空洞部及び該車内側空洞部に対して該第１の吸音材を封入したうえで、内板に対して車室内側から押しぬき加工にて該空孔部を設け、その際あえて、加工時に発生するバリが発生するように実施する
   ことを特徴とする加工方法。

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