空力音低減構造

【課題】空力音発生物体の表面に沿って高速で流れる気流によって生じる空力音を低減するための空力音低減構造を提供する。
【解決手段】
空力音低減構造は、物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体とこれらを互いに連結する柱状体とからなる。また、空力音低減構造は、空力音発生物体の表面を覆って与えられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空力音低減構造に関し、特に物体の表面に沿って高速で流れる気流によって生じる可聴周波数域の空力音の発生を低減するための空力音低減構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
時速２００ｋｍ／ｈ以上で走行可能な高速鉄道車輌の騒音として、車輌外周近傍で発生する空力音が問題となっている。このような空力音の発生原因については多くの研究が行われている。
【０００３】
例えば、高速で一方向に流れる気流中に置かれた丸棒によって気流が分断されると、丸棒の後方では乱流が形成されてその圧力変動によって「空力音」が発生する。
【０００４】
特許文献１では、集電装置の枠組等の棒状体が風を切ることによって発生する空力音の低減のための構造が開示されている。集電装置の枠組等の一部分を多孔質体で覆うことにより、気流が枠組等に衝突して発生する乱流による圧力変動を多孔質体の内部の多数の小室内で熱エネルギに変換して空力音を減音（吸音）すると述べている。また、同様に、集電装置等の表面に多数の凹凸を設けることについても開示している。多数の凹凸によって気流による渦の成長やカルマン渦列の形成を妨げることが出来て、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を低下させると述べている。
【０００５】
さらに、高速気流中に置かれた物体の表面に沿って流れる気流が物体の後方において剥離すると乱流を形成するとともに物体表面に圧力変動を生じさせて「空力音」が発生する場合がある。
【０００６】
特許文献２では、集電装置の周囲を取り囲むように配置されている防風カバーから発生する空力音を低減するための構造を開示している。高速で走行する車輌の防風カバーの表面には、気流がこれに沿って高速で流れて空力音を発生させる。この防風カバーを網状体で覆うことで、気流は網状体の内部に導かれて細かく分断されるのである。気流が細かく分断されると、発生する空力音の周波数スペクトルが高周波数側にシフトするのである。故に、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を低減できるのである。
【特許文献１】特開平５−３２８５１５号公報
【特許文献２】特開平９−２６７７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１及び２における開示のごとく、気流による渦の成長やカルマン渦列の形成を妨げ、又は、物体の表面に沿って高速で流れる気流を細かく分断することで、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を低減することができる。一方、物体の表面に沿って流れる気流の速度や方向などによっては気流による渦の形成及び成長、又は、気流の分断の程度に変化が生じるため、空力音の低減の効果にばらつきが生じてしまうのである。
【０００８】
そこで本発明の目的は、物体の表面に沿って高速で流れる気流によって形成される空力音を確実に低減することのできる空力音低減構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による空力音低減構造は、物体の表面に沿って高速で流れる気流によって生じる空力音を低減するための空力音低減構造であって、前記物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体とこれらを互いに連結する柱状体とからなり前記物体の表面を覆って与えられることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、物体をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体が物体の表面を覆って与えられているから、比較的大なる表面積を有する物体の表面に沿って流れる気流はこれらの柱状体の間を通過しながら順次、分断されると同時にその進路を大きく変化させていくのである。故に、気流の速度や方向などに関わらず、気流が細かく分断されるとともに渦の形成及び成長を抑制し、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を低減できるのである。また上記した複数の柱状体は他の柱状体によって互いに連結されているから、高速で流れる気流による抵抗が増しても柱状体が振動することなくその位置を一定に維持できるのである。故に、空力音を確実に低減できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による１つの実施例である空力音低減構造は、高速で流れる気流中に配置される物体もしくは気流中を高速で移動する物体の表面を覆うようにして与えられる。かかる空力音低減構造は、物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体とこれらを互いに連結する柱状体とからなる。柱状体は物体の表面をよぎる方向へ順次連結されて三次元網目骨格を形成して、この間を気流が通過可能である。
【００１２】
かかる構造によれば、物体をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体が比較的大なる表面積を有する該物体表面を覆って与えられているから、物体の表面に沿って流れる気流がこれらの柱状体の間を通過しながら、順次、細かく分断されて進路を変化させていくのである。更に、物体表面に沿って流れる気流の一部は三次元網目骨格の内部をも通過することが出来る。かかる一部の気流は、三次元網目骨格を形成する柱状体によっていろいろな方向に細かく分断されながら進路を変化させ、そして物体表面に沿って流れる気流に合流するのである。つまり、物体の表面に沿って流れる気流の速度や方向などに関わらず、気流を更に細かく分断することが出来て、三次元網目骨格による三次元の多岐に亘る経路を経た気流が再び物体表面で合流し、また分断されていくのである。進路が多岐に亘って変化することにより、気流による渦の形成および成長が抑制される。
【００１３】
以上により、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を大幅に低減できるのである。換言すれば、気流と物体との相対速度にかかわらず、気流をより多岐に亘る経路に分断して且つ非常に細かくすることができるので、空力音を確実に低減できるのである。
【００１４】
また上記した複数の柱状体は他の柱状体によって互いに連結されているから、高速で流れる気流により与えられる抵抗が増しても形状を一定に維持することができるのである。故に、空力音を確実に低減できるのである。
【００１５】
なお，物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体は互いにランダムな間隔及び方向へ向けて与えられていることが好ましい。かかる構造によれば，物体表面に沿って流れる気流の速度や方向などに関わらず、気流をその進路を変化させながらより細かく分断することが出来るのである。故に、空力音を確実に低減できるのである。
【００１６】
上記した三次元網目骨格は金属材料、硬質若しくは軟質ウレタン、セラミックスなどからなる。三次元網目骨格を金属材料で形成する場合、その内部が中空であると重量を減じることができるが、稠密であっても良い。またウレタンは、加工性に優れているため、曲面で構成される物体の表面への適用に優れている。またセラミックスは一般的に絶縁性に優れているため、絶縁についての安全性を必要とする物体への適用に好適である。
【実施例】
【００１７】
次に、本発明の１つの実施例による空力音低減構造について、図１及び図１０を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、空力音発生物体２が気流ａとの間に相対速度を有している場合に空力音が発生し得る。すなわち、（Ａ）静止した空力音発生物体２の表面を高速の気流ａが流れる場合、及び、（Ｂ）高速でｂ方向に移動する空力音発生物体２が気流ａの中を移動する場合に空力音が発生し得る。空力音低減構造を有する空力音低減部材１は、このような比較的大なる表面積を有する空力音発生物体２の表面を覆うようにして設けられる。
【００１９】
図２に示すように、空力音低減構造を有する空力音低減部材１は、空力音発生物体２の表面に略垂直に立設された複数の柱状体４−１と、これらを連結する複数の柱状体４−２とからなる（以下、柱状体４−１及び柱状体４−２を併せて柱状体４と称する。）。つまり、柱状体４−１は、空力音発生物体２の表面をよぎる方向へ向けて突出しているのである。柱状体４はステンレス等の金属からなり、その断面は図２では略正方形であるが、円であっても良く、また多角形であっても良い。また図２では、柱状体４の内部が稠密であるが、中空であると重量を減じることができて好ましい。ここで柱状体４の内部が中空であっても、柱状体４−１及び４−２が互いに連結し合って空力音低減部材１の機械強度を高めているため、後述するように高速の気流がこれらの間を流れても振動などして空力音低減効果を減ずることはないのである。
【００２０】
上記した構造によれば、空力音発生物体２の表面に沿って流れる気流ａは、複数の連続して並ぶ柱状体４−１の間を通過しながら順次、細かく分断されていくとともに、その進路をより多岐に亘って変化させていくのである。故に、物体表面に沿って流れる気流の速度や方向などに関わらず、気流を細かく分断し、その進路をより多岐に亘って変化させることが出来るのである。これにより、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音を低減できるのである。
【００２１】
また、図３に示すように、空力音低減構造を有する空力音低減部材１において、空力音発生物体２の表面に垂直な方向Ａへ向けて柱状体４を順次連結するとともに、これらの間を連結する柱状体４により三次元網目骨格を形成していてもよい。各柱状体４の長さや屈曲の程度が異なるため、空力音低減部材１の表層において、柱状体４は互いにランダムな間隔及び方向へ向けて、空力音発生物体２の表面をよぎる方向へ向けて突出しているのである。
【００２２】
かかる三次元網目骨格は、例えば、溶媒中に発泡体を分散させてこれを発泡させた後に溶媒を固化させた発泡ウレタンフォームの如きの形状である。すなわち、三次元網目骨格内の空孔３は、発泡剤の発泡により形成された泡によるものである。溶媒の体積に占める泡の体積が大であると三次元網目骨格の密度が低下するが、このとき泡同士は密接して空孔の形状は「多面体」となる。
【００２３】
詳細には、図４に示すように、四面体の４つの頂部５ａ〜５ｄに四面体の１辺の長さよりも大なる直径を有する球状の仮想泡体６ａ〜６ｄを配置する。すると仮想泡体６ａ〜６ｄは互いに重なるのである。
【００２４】
図５及び図６に示すように、仮想泡体６ａ〜６ｃの交面７ａｂ、７ｃａ、７ｂｃは全て円であって、このような円を面として含む「多面体」によって空孔３は画定されるのである。一方、空孔３以外の部分が柱状体４を構成する。すなわち、「多面体」の稜線に沿って柱状体４が形成されるのである。図示したモデルでは、４つの稜線、すなわち４つの柱状体４が四重点９で交わる。つまり、柱状体４は四重点９で三方向の柱状体４に分岐するのである。四重点９が連続して配置されて三次元網目骨格を形成するのである。
【００２５】
再び特に図３に示すように、かかる構造によれば、空力音発生物体２の表面を通過する気流は、その表層の柱状体４によって細かく分断されるとともに、進路を多岐に亘って大きく変化させるのである。つまり、空力音低減部材１の表層近傍で柱状体により分断された気流は、ある方向へ向けて進路を変えたとしても更に後方の柱状体がランダムな方向を向いているためさらに細かく分断されてその進路を多岐に亘って大きく変化させるのである。つまり、空力音低減部材１は気流を細かく分断し、その進路をより多岐に亘って変化させることで、気流による渦の形成及び成長を抑制するのである。故に、空力音を確実に低減することができるのである。
【００２６】
また、空力音低減構造を有する空力音低減部材１は連通した多数の空孔３によりその内部を気流が通過可能である。よって、気流は空力音低減部材１の表層のみならず、その内部も通過可能である。三次元網目骨格の分岐構造により、気流を更に細かく分断する。また、気流による渦の形成及び成長を抑制する。故に、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音の原因となる大きさの渦の発生を抑制し、空力音をさらに低減することができるのである。
【００２７】
ここで空力音低減部材１の柱状体４は、金属からなることが好ましい。かかる材質の選択により、形状の安定性に優れ、空力音の低減効果が安定するのである。また柱状体４が中空であると重量を減じることができるが、柱状体４は稠密であってもよい。上記した空力音低減部材１はウレタンであってもよい。かかる空力音低減部材１は柔軟性に優れており、多様な形状の広範囲な部位に装着可能なのである。さらに、空力音低減部材１はセラミックスであってもよい。かかる空力音低減部材１は高い絶縁性を有し絶縁部分への使用に好ましい。
【００２８】
ところで、空力音低減部材１の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体４とこれらを互いに連結する柱状体４とからなる三次元網目骨格は、上記した以外の構造であってもよい。例えば、六面体などの多面体の稜線に柱状体を配した三次元網目骨格などであってもよい。
【００２９】
次に、本発明による空力音低減構造を含む空力音低減部材１の取り付けについての実施例を図７及び図８を参照しつつ詳細に説明する。
【００３０】
図７及び図８に示すように、鉄道車輌の車体２０の上部には、碍子１１を介して集電装置１０が取り付けられている。なお、集電装置１０の台枠１２、アーム１３、舟支え１４、集電舟１５、すり板１６、トロリ線１７及びホーン１８については公知であるが故に詳述しない。
【００３１】
集電装置１０の周囲にはこれを取り囲むようにして風防カバー１９ａ〜１９ｃが取り付けられている。空力音発生物体２としての風防カバー１９ａは、車体の長手方向に沿って集電装置１０側に向けて上方になだらかに傾斜した傾斜部を有し、その後方端部は台枠１２よりも高い位置にある。同様に風防カバー１９ｂも、車体の長手方向に沿って集電装置１０側に向けて上方になだらかに傾斜した傾斜部を有し、その後方端部は台枠１２よりも高い位置にある。
【００３２】
特に図７に示すように、矢印ｂの方向に車輌が移動している場合には、車体２０の天井部に沿って流れる気流に対して上方に張り出している風防カバー１９ａ、１９ｂにおいて空力音が発生する。上記した空力音低減構造を有する空力音低減部材１は風防カバー１９ａ、１９ｂを覆うようにして設置される。
【００３３】
かかる構造により、風防カバー１９ａ、１９ｂの比較的大なる表面積の表面を流れる気流は空力音低減部材１の表層及び内部を通過して細かく分断されていくとともに、その進路をより多岐に亘って変化させて、気流による渦の形成及び成長を抑制するのである。故に、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音の原因となる大きさの渦の発生を抑制し、空力音を低減することができるのである。
【００３４】
また、図９及び図１０に示すように、上記した実施例と比較して、風防カバー１９ａ〜１９ｃが設置されていない場合もある。かかる場合、集電装置１０の台枠１２で空力音が発生する。空力音低減構造を有する空力音低減部材１は、空力音発生物体としての台枠１２を覆うようにして設置される。なお、その他の部材については公知であるが故に詳述しない。
【００３５】
かかる構造においても、空力音低減部材１の表層及び内部を通過して気流が細かく分断されていくとともに、その進路をより多岐に亘って変化させて、気流による渦の形成及び成長を抑制するのである。故に、人間によって知覚される可聴周波数域の空力音の原因となるような大きさの渦の発生を抑制し、空力音を低減することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による空力音低減構造を含む空力音発生物体の図である。
【図２】本発明による空力音低減構造の部分斜視図である。
【図３】本発明による空力音低減構造の部分斜視図である。
【図４】本発明による空力音低減構造の要部の図である。
【図５】本発明による空力音低減構造の要部の図である。
【図６】本発明による空力音低減構造の要部の図である。
【図７】本発明による空力音低減構造を含む空力音発生物体の側面図である。
【図８】本発明による空力音低減構造を含む空力音発生物体の正面図である。
【図９】本発明による空力音低減構造を含む空力音発生物体の側面図である。
【図１０】本発明による空力音低減構造を含む空力音発生物体の正面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１空力音低減部材
２空力音発生物体
３空孔
４柱状体
６ａ〜ｄ仮想泡体
９四重点
１０集電装置
１２台枠
１９ａ、１９ｂ風防カバー

【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の表面に沿って高速で流れる気流によって生じる空力音を低減するための空力音低減構造であって、前記物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体とこれらを互いに連結する柱状体とからなり前記物体の表面を覆って与えられることを特徴とする空力音低減構造。
【請求項２】
前記物体の表面をよぎる方向へ向けて突出する複数の柱状体は互いにランダムな間隔及び方向を向けて与えられていることを特徴とする請求項１記載の空力音低減構造。
【請求項３】
前記柱状体は前記物体の表面から順次連結されて三次元網目骨格を形成し、前記三次元網目骨格の間を気流が通過可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の空力音低減構造。
【請求項４】
前記柱状体の断面形状は多角形であることを特徴とする請求項３記載の空力音低減構造。
【請求項５】
前記柱状体は金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１に記載の空力音低減構造。
【請求項６】
前記柱状体の内部が中空であることを特徴とする請求項５記載の空力音低減構造。
【請求項７】
前記柱状体はウレタンからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１に記載の空力音低減構造。
【請求項８】
前記柱状体はセラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１に記載の空力音低減構造。

【図１】