特別研究費に係る論文・総説・速報

成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.43 No.2 (2006) pp.63-70（特別研究費に係る論文）

低周波音測定のための実形状列車模型射出実験装置の開発
増渕貴教

，土肥哲也

，，，小川隆申，，序論

列車がトンネルや建物などの地上構造物付近を通過すると，列車によって誘起された亜音速流れ

年代に時速の速度で開発された高が構造物と干渉する．この干渉が圧力波を引き起

速列車は，さらに高速化が進められており，日本

こし，それは時に沿線環境に対して低周波問題との高速列車である新幹線は，最近では時速なりうる．特に，列車がトンネルに突入する際，最で営業運転する計画がある．また，中国のリニアも顕著な問題となる．列車によるトンネル内の空モーターカーは時速

気の圧縮はトンネル内外の両方に圧力波を形成すで営業運転を始めており，日本のリニアモーターカーは時速る．トンネル内では圧縮波が形成され，その圧縮の営業運転に向け実験を積み重ねている．このよ波がトンネル出口に向かって伝播し，出口から出うな著しい高速化により様々な空力的問題を引きると 微気圧波 と呼ばれるパルス状の圧力波と起こすことが懸念される．その一つに低周波騒音なって放出される．微気圧波は年代の新幹線問題がある．

開業当初からの問題であり，小沢は実験的，および理論的にこの問題を解明している．微気圧波

工学研究科機械工学専攻博士前期課程

は列車速度の三乗に比例するため，近年の更なる高速化に対する対策が必要となってきている．一財 小林理学研究所研究員

方，トンネルの外では，圧力波は列車がトンネル理工学部エレクトロメカニクス学科に突入する際にトンネル入口から直接放出される．

助教授

この圧力波は 突入波 と呼ばれ，近年の高速列─ 63 ─

．これらのせるために，列車模型の加速装置内の流れをモデ以下であるのが一般的でル化し，最適な列車模型射出装置を設計する．実車の高速化にともなって顕在化した
圧力波の周波数は

験装置内の圧力時間履歴や列車模型変位を測定すある．
列車によって引き起こされる圧力波の実験的研ることにより，このモデルの妥当性を検証する．開究では，トンネルや構造物を設置した軌道上に沿っ発した装置を用い，列車がトンネル内に突入するて列車模型を射出する装置が必要である．縮小し際の圧縮波や突入波の実験結果についても示す．

た列車模型を使用したとしても，流れの相似則によって列車模型は実際の列車と同じマッハ数で走実験装置行しなければならない．それゆえ，そのような高速の列車模型を射出するための実験装置の開発は実験装置概要

実験的研究において技術的な問題の一つであり，
図

過去に様々な技術を用いて開発されている．斎藤ら，飯田らに開発した実験装置を示す．装置は縮尺がで，主に貯気槽，加速管，走行区間，そして停は微気圧波を研究するためにダクト内に発射体を射出するため，回転円盤を用いた．

止管の つの部分から構成されている．直径で射出実験の加速管に接続されている貯気槽内に圧縮空気を行っている．他の射出方式では圧縮空気を用いを貯め，列車模型を加速管内に設置したのち，貯るものがあるが，この方式は列車模型をより速く気槽からの圧縮空気によって列車模型を押し出す．

射出できると考えられる．高山ら

は圧縮空気を

列車模型は金属製のレールで作られた軌道上の走を達成

行区間を走行した後，停止管に突入し，停止管内している． これら過去の研究においては，列車模の空気を列車自身によって圧縮することによって型もしくは発射体は円錐や放物体のような幾何学徐々に減速し停止する．走行区間内にトンネル模的に単純化されているものがほとんどである．こ型などの模型構造物を設置することにより，列車れは流れ場をよりよく理解するためであるが，一まわりの流れと構造物との干渉による圧力波を計方で実験装置の制約のためでもある．

測することができる．

発射体はの縮尺で，時速利用し，の縮尺模型で時速

本研究では，実列車の縮尺模型を射出する実験

加速管，停止管ともに正方形の断面積となって装置を開発する．列車の三次元形状が圧力波に影おり，列車模型も圧縮空気から推進力を得るため響を与えることが明らかになっている．例えば，に正方形の断面積となっているが， 列車模型先頭ら部分は実列車の形状となっている．この部分は硬は列車がたとえ同じ断面積分布をしてても，列車形状によって圧力波のピーク値に質発泡スチロールでできており，影響を及ぼすことを報告している．このことから，用いコンピュータのモデリングマシンによって正本研究で開発する実験装置によって列車形状が圧確に実列車形状を再現することができる．

力波発生に与える影響をより詳細に把握することができると期待できる．
列車模型の駆動には圧縮空気を用い，現時点の列車としての最高速度である時速を目標とする．圧縮ガスによって列車を効率的に加速さ─ 64 ─

データを

空気力学モデルは列車質量が以上になるとの区間では減速はほとんど見られない．それゆえ，今回の研実験装置において，列車模型の速度に影響を及究における列車模型の質量はぼすパラメータがいくつか存在する．貯気槽の圧とした．

次に，貯気槽から加速管に至るまでの流れ場を力と容量，加速管の長さ，そして列車模型の質量図である．これらのパラメータを決定する上で加速に示す．この流れ場をつの領域に分ける．

領域 は貯気槽内を示し，領域 は加速管内にお管内の空気の流量を知ることは重要であり，それける流れを示す．そのにより射出性能を向上することができる．よって貯気槽から加速管に至る空気の流れをモデル化し，貯気槽に必要となる圧力と容量，加速管の最適長つの領域の間には，貯気槽からの空気を開放するための弁があり，領域は貯気槽と弁の間の流れを示す．領域

は弁の隣のチャンバーの流れで，このチャンバーは弁を開さを決定する．

放するためのものである． 弁を開放すると，圧縮はじめに，列車模型の質量を決定する．列車模型は加速管から射出された後，軌道上に生じる摩擦力と空気抵抗によって減速しながら走行区間を走行する． 列車模型が重くなればより大きな慣性が働き減速しにくくなる．一方で，列車が重くなると目標速度まで加速するために貯気槽に必要な圧力が大きくなる．よって，列車模型の走行区間における減速を運動方程式を解くことによって計算し，列車模型の最適な質量を見つける．図は走行区間における初速度と終端速度の比を，質量からまでの列車模型について求めた結果である．この比率は走行区間内での列車の減速率を示している．列車模型の空気抵抗係数
また列車模型と軌道の間の摩擦力，は実験

空気が貯気槽から弁を通って流れる．はじめの段
階では，弁において的に求めた．列車質量が増えるにつれて，列車速となり，貯気槽内の質量流量は次式で求められる．

度は列車の慣性が大きくなるために減速しにくくなっていることがわかる．この計算から列車模型
貯気槽内の圧力は圧縮空気が貯気槽から流出するにつれて下がり，最終的に弁での空気の流速は亜音速になる．すると，質量流量は流れの断面積変化による圧力損失に依存する．この圧力損失は以下のように求められる．

ここでとは圧力損失係数では空気の密度であり，添え字は領域の番号を示している．領域における空気の流速は，となるため，微小時間─ 65 ─に流れる流量はとなる．弁を完全に開放するためかかる時間秒であり，領域の断面積はは開放時間に比例すると仮定して，以下のように求める．

領域 とではタンクから流れ込んだ流量により圧力が増加する．弁の開放から列車模型を押し出すためにかかる時間は熱移動に要する時間より短い．それゆえ，断熱条件を適用することができ，時間経過後の領域 の圧力が得られる．その式はである．領域 の圧力は圧縮空気の開放によって減少する．
列車模型の後部における圧力を求めるために，管内摩擦による圧力損失や領域 との間の断面実験結果積変化による圧力損失を考える．

空気力学モデルの検証
ここでは加速管の直径で， はムーディ線図から得られる管摩擦係数である．この圧力はじめに，加速管内の圧力と加速管出口におけは列車る列車模型の速度を計測し，空気力学モデルの検模型を加速し，それと同時に列車には空気抵抗や証を行う．図

列車と軌道の間の摩擦も作用する．よって列車模速管内には，圧力計型の運動方程式はの近くに設置した．加速管出口には列車模型に取は計測器の位置を示している．加をチャンバーり付けた磁石を関知するためのコイルを設置し，列車が出口を通過する速度を計測した．となる．ここでは列車模型の変位である．この式から列車模型の変位と速度が求まる．
列車模型の目標速度の達成に必要である貯気槽圧力と貯気槽容量を計算するため，前記の式を数値的に解く．図 は列車質量果で，貯気槽圧力がのときの計算結からのときの貯気槽容量に対する射出速度を示している．貯気槽容量が大きくなるとともに速度は速くなる．貯図

気槽容量の増加による射出速度の向上は，低い圧力のとき緩やかになっていることがわかる．本実験で使用する開放弁は変化を示している．図の貯気槽圧力で設の目標速度の達成に必要な貯気槽容量はである． しかし，将来の列車模型が貯気槽圧力と図を見ると，で弁が開放した後，加速管内の圧力が増加計されており， この貯気槽圧力に関して図 を見ると，時速は質量で射出されたときの加速管内の圧力時間し列車が加速し始めていることがわかる．
列車が移動するにつれて，列車後部の空気の体のスピードアップの可能性を考慮し，積が増加し，それと同時に加速管内に空気が流出の貯気槽容量で装置を製作した．

することによって貯気槽内の圧力が減少する．そ─ 66 ─

して約る最大速度に影響を与えるわけではない．そのた秒後に貯気槽は圧縮空気を失い，加め，製作した実験装置は空気力学モデルによる設速管内の圧力は減少しはじめる．
列車模型の速度と変位を図と図計通りの性能が得られている．モデルによる推定に示す．空気力学モデルによる計算結果では，列車模では，列車模型の最大速度は型が加速管内を約力で時速進んだときに時速の貯気槽圧を出すことが可能である また，まで加速するということが示されている．そして，貯気槽圧力を調節することにより，列車模型を任列車後部の圧力が大気圧になった後で列車は減速意の速度で射出できる．

する．よって，今回開発した実験装置では加速管の最適長さはであることがわかる．

列車突入によるトンネル内圧縮波
次に，列車模型がトンネル内に突入したときの圧縮波について検証する．流れ場はらによる実測と同じで，図に測定状況を示した．

トンネルに新幹線が時速で突入する際のトンネル内圧力変動を，トンネルからの地点で測定する．列車模型とトンネルの断面積の比率は長さの加速管を使用したとき，列車の射出速度は時速の予測値に近い時速を計測した．空気力学モデルによる計算結果は，列車速度も圧力波形も実験結果とほぼ一致した．
図を見ると，秒後に圧力波形に不一致が見られる．この実験では長さの加速管を使い，また管内の圧力は列車模型が管から出た後は大気圧になる． しかしながら，空気力学モデルでは加速管は無限に長く，また加速管内の圧力も列車模型が停止するまで減少し続ける．これが秒後に空気力学モデルによる圧力の計算値が実験値より低くなった原因である．しかし，この不一致は列車模型が加速管から出た後に生じているので，与えられた加速管の長さに対す

─ 67 ─である．

図はトンネル入口から圧力波形を示している．

突入波の点で計測したらにならって以次に，列車形状が突入波に与える影響を調べる．

下のように定義される無次元時間を用いる．

この実験では 種類の列車模型を使用する．一つは新幹線の縮尺模型で，もうひとつは図 に示されている放物形模型である．どちらの列車模型もここでは列車先頭部の長さである．

同じ断面積分布を持つ．図

圧力は列車先頭がトンネル入口に到達するから上がり始め，からは圧力時間履歴の測定点を示している．圧力波形はマイクロフォン

までの圧力波で水平面上の形は列車の突入による圧縮波の波面に相当する．
でのピークは列車先頭部の正圧によるもの

図は点で計測した．
，た圧力波形である．の点で計測されのとき列車はトンネルである．そして，列車の肩部が計測点を通過する入口に到達する．入口波は際には圧力が急激に降下する．この圧力変動は列な圧力降下として計測されている．突入波の主な

車胴体部分での負圧領域を観測した結果である．

周波数は秒における急より低く，窓や窓枠のがたつきをこの装置を用いて観測された圧力変動は実測デー引き起こす要因となる．圧力ピーク値

タとほぼ一致していることがわかる．しかしなが車形状が放物形よりも約ら以降には不一致が生じている． この不この結果により列車細部形状が圧力波生成に影響

一致は列車の肩部分における剥離領域で生じたもを及ぼす可能性があるということがわかる．よっのである．実測と模型実験とではレイノルズ効果て，正確な形状の列車模型を使用することは圧力によって剥離領域の大きさが異なっているはずで，波を評価することが大切であるが とりわけ列車これが不一致の原因となっている．ただし，この形状の設計においては重要である．

ことは圧縮波の波形にはほとんど影響がない．

─ 68 ─は実列％ほど小さくなった．

またトンネルに対する列車の走行位置が突入波に与える影響も調べた．図と図は列車がトンネルに対して左側走行したときと中央走行したときの突入波のピーク値
図は左側走行，図の分布を示しており，は中央走行のときの分布である．列車が左側走行したときはトンネルの左側に強い圧力変動が生じる．一方で，中央走行した場合には，ピーク値の分布はほとんど左右同じとなり，最大値は左側走行したときの約半分ぼどである．これもまた流れ場の幾何形状が圧力波に与える影響を示している．

─ 69 ─

斎藤実俊，飯田雅宣，梶山博司， 大深度地下

結論

トンネル内圧力変動シミュレーションの開発と列車走行に伴う圧力波の実験的研究をおこなう

検証 ，鉄道総研報告，ため，圧縮空気による列車模型射出実験装置を開巻号，，．

発した．列車模型は実形状列車の縮尺模型で，時速以上での射出が可能である．装置の縮飯田雅宣，松村豪，福田傑，中谷浩二，前田

尺はで，列車模型射出実験装置としては最達夫， トンネル微気圧波低減のための列車先頭部形状の最適化 ，日本機械学会論文集大のものとなる．
列車模型を効率よく目標速度まで加速するため，実験装置内の圧縮空気の流れをモデル化し，最適

編 ，

巻号，，佐宗章弘，小野寺収，高山和喜，金子良一，松井な加速管長さ，貯気槽の圧力と体積を求めた．装良博， トンネル微気圧波 ，静粛工学，置内の列車速度や圧力波形を計測したところ空気，．

力学モデルで予測した結果と一致し，製作した実験装置がモデルによる設計通りの性能が得られていることが確認できた．
，

本実験装置を用い，列車トンネル突入によって発生するトンネル内圧縮波を計測したところ，圧縮波だけでなく列車先頭部や肩部によって生じる圧力変動も観測でき，実測値と一致する結果が得られた．また，異なる形状の模型列車をトンネルに突入させ，突入波がどのように変化するかを調べた．その結果，列車の断面積分布が同じであっても列車形状が異なれば突入波のピーク値に影響し，またトンネルへの列車の走行位置によって突入波の強さと指向性に影響を与えるということが田中正一，後藤賢光，瀬林伝， 新幹線のト観測できた．このように，圧力波には列車の詳細ンネル突入により発生する低周波音の測定な形状が大きく影響するため，特に列車先頭形状

例 ，日本騒音制御工学会講演論文集，，の設計では忠実に実車形状を再現した実験を行うことが重要である．本研究で開発した実験装置は土肥哲也，上村聡史，小川隆申， 高速列車走

このような実験を可能にし，圧力波対策のための行時の低周波騒音に関する実験的研究

列車形状設計のみならずトンネルなど軌道構造物の設計にも非常に有効な手段となる．

参考文献
小沢智， トンネル出口微気圧波の研究 ，鉄道技術研究報告，，．

田中靖幸，飯田雅宣，福田傑，菊池勝浩， 列車のトンネル突入時に突入側坑口から放射される圧力波の低減対策に関する模型実験 ，日本機
械学会流体工学部門講演会講演論文集，，

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列車

高速射出実験装置の開発，成蹊大学工学研

究報告，，巻号，．