(57)【要約】【課題】確実、かつ効果的に台車枠の振動を抑え、車内騒音を低減することができる鉄道車両の車内騒音の低減方法及び装置を提供する。【解決手段】鉄道車両の車内騒音の低減装置において、台車枠側はり１の中央の上面に配置される第１のピエゾ素子７と、台車枠側はりの中央の側面に配置される第２のピエゾ素子８と、前記第１のピエゾ素子７及び又は第２のピエゾ素子８の電極に接続される負荷回路とを備え、台車枠の振動エネルギーを電気的エネルギーに変換して前記負荷回路で熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車枠側はりの中央の上面及び又は下面及び又は側面にそれぞれピエゾ素子を貼り付け、台車枠の振動に伴い前記ピエゾ素子の電極から出力される電気的出力を前記ピエゾ素子の電極に接続される負荷回路により熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減することを特徴とする鉄道車両の車内騒音の低減方法。
【請求項２】
（ａ）台車枠側はりの中央の上面又は下面に配置される第１のピエゾ素子と、
（ｂ）台車枠側はりの中央の側面に配置される第２のピエゾ素子と、
（ｃ）前記第１のピエゾ素子及び又は第２のピエゾ素子の電極に接続される負荷回路とを備え、
（ｄ）台車枠の振動エネルギーを電気的エネルギーに変換して前記負荷回路で熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減することを特徴とする鉄道車両の車内騒音の低減装置。
【請求項３】
請求項２記載の鉄道車両の車内騒音の低減装置において、前記負荷回路は、第１のピエゾ素子用と第２のピエゾ素子用の２回路を具備することを特徴とする鉄道車両の車内騒音の低減装置。
【請求項４】
請求項２記載の鉄道車両の車内騒音の低減装置において、前記負荷回路は、第１のピエゾ素子用及び第２のピエゾ素子用の１回路を具備することを特徴とする鉄道車両の車内騒音の低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車内騒音の低減方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道車体の軽量化に伴い車内騒音の低減は重要な課題となっている。
【０００３】
これまで、本願出願人は、車両の車室を画成する壁、床、天井などの板状構造体にピエゾ素子を貼り付けて、該ピエゾ素子を制御することにより、前記板状構造体の振動又はそれから放出される音を制御し、前記室内の騒音を低減することを研究してきた（下記特許文献１）。
【０００４】
さらに、研究を進めた結果、数十〜数百Ｈｚの周波数帯域の騒音は台車を加振源とする固体伝播音の寄与が高いということが分かった。
【特許文献１】特願２００４−１０２４５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本願発明者らは、台車枠にピエゾ素子を貼付し、負荷回路を接続することによって、台車枠の振動を抑え、車内騒音を低減する方法を研究した結果、有効なピエゾ素子を用いた台車枠の振動低減方法及び装置を開発するに至った。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、確実、かつ効果的に台車枠の振動を抑え、車内騒音を低減することができる鉄道車両の車内騒音の低減方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
〔１〕鉄道車両の車内騒音の低減方法において、台車枠側はりの中央の上面及び又は下面及び又は側面にそれぞれピエゾ素子を貼り付け、台車枠の振動に伴い前記ピエゾ素子の電極から出力される電気的出力を前記ピエゾ素子の電極に接続される負荷回路により熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕鉄道車両の車内騒音の低減装置において、台車枠側はりの中央の上面又は下面に配置される第１のピエゾ素子と、台車枠側はりの中央の側面に配置される第２のピエゾ素子と、前記第１のピエゾ素子及び又は第２のピエゾ素子の電極に接続される負荷回路とを備え、台車枠の振動エネルギーを電気的エネルギーに変換して前記負荷回路で熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔２〕記載の鉄道車両の車内騒音の低減装置において、前記負荷回路は、第１のピエゾ素子用と第２のピエゾ素子用の２回路を具備することを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔２〕記載の鉄道車両の車内騒音の低減装置において、前記負荷回路は、第１のピエゾ素子用及び第２のピエゾ素子用の１回路を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、台車枠にピエゾ素子を貼付し、負荷回路を接続することによって振動エネルギーを熱エネルギーとして散逸し、台車枠の振動を抑え、車内騒音を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の鉄道車両の車内騒音の低減方法は、台車枠側はりの中央の上面及び又は下面及び又は側面にそれぞれピエゾ素子を貼り付け、台車枠の振動に伴い前記ピエゾ素子の電極から出力される電気的出力を前記ピエゾ素子の電極に接続される負荷回路により熱エネルギーとして散逸させ、台車枠の振動を低減する。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す台車枠のピエゾ素子の貼付位置を示す図であり、図１（ａ）はその上面図、図１（ｂ）はその側面図である。
【００１５】
これらの図において、１は台車枠の両側に配置される側はり、２は車輪、３は車軸、４は軸箱、５は枕はり、６は空気ばね、７は台車枠側はり１の上面に貼付されるピエゾ素子、８は台車枠側はり１の側面に貼付されるピエゾ素子である。
【００１６】
台車を加振源とする固体伝播音はヨーダンパ、牽引リンクを伝って鉄道車両の床や腰板などを振動させ、車内に音として放出される。このため、台車枠の振動を抑えることによって車内騒音を低減することができる。
【００１７】
そこで、台車枠の振動を抑えるために、変形することにより電圧が発生するピエゾ素子に着目した。ピエゾ素子７を台車枠側はり１の上面に、ピエゾ素子８を台車枠側はり１の側面にそれぞれ貼付し、それらのピエゾ素子７，８の電極に回路を接続する。台車枠側はり１が振動すると、ピエゾ素子７，８が変形し、電圧が発生する。これにより、ピエゾ素子７，８の電極に接続した回路に電流が流れ、抵抗によってジュール熱として散逸される。つまり、機械的なエネルギーが電気エネルギーに変換され、最終的に熱エネルギーとして散逸され、台車枠の振動を低減することができる。
【００１８】
ここで、ピエゾ素子は、台車枠の最適な位置に貼付する。すなわち、台車枠側はり１に振動加速度ピックアップや歪みゲージを設置し、その測定値をモード解析して、得られた振動モードの腹の位置または曲率の大きい位置を貼付位置として設定した。具体的には、図１に示すように、台車枠側はり１の空気バネ６周辺の上面（又は下面）および側面にそれぞれ貼り付けるのが望ましい。また、ここでは、台車枠側はり１の上面及び側面の２箇所に貼り付けているが、１箇所だけに貼り付けるようにしてもよい。
【００１９】
図２は本発明にかかるピエゾ素子とその接続回路の等価回路図（その１）であり、図２（ａ）はそのＬ−Ｒ回路、図２（ｂ）は合成インダクタンス回路である。図３は本発明にかかるピエゾ素子とその接続回路の等価回路図（その２）であり、図３（ａ）はその−Ｃ−Ｒ回路、図３（ｂ）は近似積分回路である。
【００２０】
図２（ａ）において、１１，１２はピエゾ素子の等価回路を表し、１１はピエゾ素子７，８から発生する電圧源、１２はピエゾ素子７，８のキャパシタンスＣｐ、１３はピエゾ素子７，８に接続されるインダクタンスＬ、１４はインダクタンスＬに直列に接続される可変抵抗Ｒである。
【００２１】
図２（ｂ）において、２１，２２はピエゾ素子の等価回路を表し、２１はピエゾ素子７，８から発生する電圧源、２２はキャパシタンスＣｐ、２３は抵抗Ｒ2 、２４は可変抵抗Ｒ、２５は抵抗Ｒ2 と可変抵抗Ｒ間に接続される第１の差動増幅器ＯＰ１、２６はキャパシタンスＣ、２７は可変抵抗Ｒ1 、２８は可変抵抗Ｒ1 の出力端子と可変抵抗Ｒの第１の差動増幅器ＯＰ１側の端子間に接続される第２の差動増幅器ＯＰ２、２９は抵抗Ｒ3 、３０は抵抗ｒ（＝抵抗Ｒ3 ）であり、第１の差動増幅器ＯＰ１と第２の差動増幅器ＯＰ２にはそれぞれ電源＋１５Ｖと−１５Ｖが接続されている。
【００２２】
図３（ａ）において、３１，３２はピエゾ素子の等価回路を表し、３１はピエゾ素子７，８から発生する電圧源、３２はピエゾ素子７，８のキャパシタンスＣｐ、３３はその電圧源３１に接続されるキャパシタンス−Ｃ、３４はキャパシタンス−Ｃに直列に接続される可変抵抗Ｒである。
【００２３】
図３（ｂ）において、４１は可変抵抗Ｒ、４２はスイッチＳＷ、４３，４５は抵抗Ｒb 、４４は第３の差動増幅器ＯＰ３、４６は可変抵抗Ｒ1 、４７は第４の差動増幅器ＯＰ４、４８はキャパシタンスＣ2 、４９は可変抵抗Ｒ2 であり、第３の差動増幅器ＯＰ３には電源＋１５Ｖと−１５Ｖが、第４の差動増幅器ＯＰ４には電源＋ＶCCと−ＶCCが接続されている。
【００２４】
このように、ピエゾ素子７，８に接続する負荷回路としては、図２に示すようなインダクタンスＬと抵抗Ｒを直列に接続する回路（Ｌ−Ｒ回路）や、図３に示すような負性キャパシタンス−Ｃと抵抗Ｒを直列に接続した回路（−Ｃ−Ｒ回路）を用いる。
【００２５】
Ｌ−Ｒ回路は、図２（ａ）に示すように、インピーダンスＬに実際にコイルを用いた回路や、図２（ｂ）に示すように、ＯＰアンプ２５，２８を用いて等価的なインダクタンスＬを構成するような合成インダクダンス回路を用いる。
【００２６】
また、−Ｃ−Ｒ回路には、図３（ｂ）に示すように、近似積分回路を用いる。
【００２７】
次に、ピエゾ素子を用いて台車枠を制振することによって鉄道車両の車内騒音を低減する方法の実証実験結果について説明する。
【００２８】
騒音・振動加速度測定点については、台車枠の両側に配置される側はり１の空気バネ６近傍上面および側面にそれぞれ２枚（計８枚のピエゾ素子７，８）を長手方向に貼付した。また、軸箱４、台車枠の側はり１の上面及び側面に振動加速度ピックアップを設置した。
【００２９】
図４にそのピエゾ素子の貼付位置、及び振動加速度ピックアップの設置位置を示す。ここで、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）はその側面図であり、ｊ２は軸箱４に設置した振動加速度ピックアップ（上下）、ｔｚ３は台車枠側はり１の上面に設置した振動加速度ピックアップ（上下）、ｔｙ３は台車枠側はり１の側面に設置した振動加速度ピックアップ（左右）を示している。
【００３０】
使用したピエゾ素子１枚あたりの寸法は、１５５ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍ（質量：１４０ｇ）である。
【００３１】
次に、測定方法について説明する。
【００３２】
鉄道総研新車両試験台上の走行試験中に２８０ｋｍ／ｈの速度で５０秒間の定速走行を行い、車両および台車各部の振動加速度と騒音を測定した。車両の測定条件は客室出入台の扉を閉めて車外騒音の影響を低減するようにした。
【００３３】
その測定結果において、２位軸箱振動加速度に対する各測定点の周波数応答関数の比較を行った。
【００３４】
各測定点の走行条件とピエゾ素子の制振効果の比較を行うため、各測定点の２位軸箱振動加速度に対する周波数応答関数を以下の条件で求めた。
【００３５】
（１）ピエゾ素子に何も接続しない場合（ＯＰＥＮ）
（２）ピエゾ素子にインダクタンスＬを接続し、共振周波数を７６．８Ｈｚに調整した場合
（３）ピエゾ素子を短絡させた場合（ＳＨＯＲＴ）
の３つの条件で２８０ｋｍ／ｈの速度で５０秒間の定速走行を行った。台車直上１．２ｍ車内騒音の２位軸箱振動加速度に対する周波数応答関数を図５に示す。
【００３６】
この図より、ピエゾ素子とインダクタンスＬの共振周波数を７６．８Ｈｚに合わせた２８０ｋｍ／ｈ走行時の台車直上１．２ｍ車内騒音（ｎ１）の周波数応答関数（図中Ａ）は、ＯＰＥＮ（図中Ｂ）やＳＨＯＲＴ（図中Ｃ）の場合と比較して低くなっていることが分かる。同様に台車枠各部の振動加速度の２位軸箱振動加速度に対する周波数応答関数についても、インダクタンスＬを接続した場合、他の場合と比較して低くなる結果が得られた。
【００３７】
このように、台車枠の適切な位置にピエゾ素子を配置し、台車枠の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、さらに熱エネルギーとして消費することにより、台車枠の機械的振動を的確に制御することができる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の鉄道車両の車内騒音の低減方法及び装置は、鉄道車両の車内騒音を低減するツールとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例を示す台車枠のピエゾ素子の貼付位置を示す図である。
【図２】本発明にかかるピエゾ素子とその接続回路の等価回路図（その１）である。
【図３】本発明にかかるピエゾ素子とその接続回路の等価回路図（その２）である。
【図４】本発明の鉄道車両の車内騒音を低減する方法の実証実験におけるピエゾ素子の貼付位置と振動加速度ピックアップの設置位置を示す図である。
【図５】２位軸箱振動加速度（ｊ２）と台車直上１．２ｍ車内騒音（ｎ１）の周波数応答関数を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    台車枠側はり
２    車輪
３    車軸
４    軸箱
５    枕はり
６    空気ばね
７    台車枠側はりの上面に貼付されるピエゾ素子
８    台車枠側はりの側面に貼付されるピエゾ素子
１１，２１，３１    電圧源
１２，２２，３２    キャパシタンスＣｐ
１３    インダクタンスＬ
１４，２４，３４，４１    可変抵抗Ｒ
２３，４９    抵抗Ｒ2 
２５    第１の差動増幅回路ＯＰ１
２６    キャパシタンスＣ
２７，４６    可変抵抗Ｒ1 
２８    第２の差動増幅回路ＯＰ２
２９    抵抗Ｒ3 
３０    抵抗ｒ
３３    キャパシタンス−Ｃ
４２    スイッチＳＷ
４３，４５    抵抗Ｒb 
４４    第３の差動増幅回路ＯＰ３
４７    第４の差動増幅回路ＯＰ４
４８    キャパシタンスＣ2 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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