154

特集論

東北新幹線 はやて 搭載 環境に
やさしい静かなパンタグラフ

文

Development of Low Noise Pantograph Adopted
to the Superexpress HAYATE
柴田勝彦平井誠

針山隆

史佐 々 木 裕 一

近年の新幹線の高速化・路線の拡大に伴い，周辺環境に対するニーズは高くなってきている．2002 年 12 月１日に登場した東北新幹線

はやてには，走行時の車両騒音をより静かにするために，低騒音パンタグラフを搭載している．

この低騒音パンタグラフは，従来の発想を大きく変えるものであり，それまでのパンタグラフで空力騒音を低減するために用いていたパンタグラフカバーを排除し，パンタグラフ本体から出る空力騒音を最小限にする新形状を採用することで低騒音化を図っている．この低騒音パンタグラフは，従来のパンタグラフカバー形式のものに比べ４ dB 以上の騒音低減を達成した．

1．はじめに

近年の新幹線の高速化・路線の拡大に伴い，環境，とりわけ低騒音化に対するニーズは高くなってきている．

境向上のニーズが高まることにより，更にパンタグラフの低騒音化が必要になってきた．

2．新型パンタグラフのコンセプト

新幹線の主要な騒音源としてパンタグラフが挙げられる．

従来までは，パンタグラフをカバーで覆うことによりパン

パンタグラフとは車両の屋根の上に設置されている架線からタグラフの騒音を低減してきた．そのためカバー形状の開発電気を取り込む装置のことであるが，このパンタグラフからが主に行われてきた．しかしパンタグラフカバーによる低騒発生する空力騒音が，新幹線の主要な騒音の１つとなってい音化にも限界があり，より騒音を低減しようとしたとき，パる．

ンタグラフカバー自体が発生する空力音が問題となる騒音レ

新幹線の騒音は，パンタグラフ騒音のほかに，車両下部のベルまで到達していた．そこで新型パンタグラフではパンタ車輪の出す転動騒音，車体の空力騒音などが挙げられる．そグラフカバーを排除し，パンタグラフ本体を音の出ないようれらは防音壁の設置や車両表面の平滑化によって低減され，な形状にするという，従来までとは全く異なるコンセプトがパンタグラフの出す空力音の寄与が高くなってきた．そのた提案された．

めパンタグラフの空力騒音を低減するために，図１に示すよ

このコンセプトでは，パンタグラフカバーをなくすことにうに従来方式ではパンタグラフをカバーで覆うことにより一より，今までパンタグラフカバーに囲われていたパンタグラ応の低騒音化が図られた．しかし車両の高速化，沿線周辺環フ本体のアーム部，台枠部，碍子部（図２）が露出することになる．これらの空力騒音をパンタグラフカバーが発生する騒音以下に低減することが開発の焦点となる．

舟体部（集電部）
アーム部

台枠部
碍子部

車 体

図１

従来のカバー付きのパンタグラフ

図２

パンタグラフ各部の名称
三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

155

3．模
3．1

型

試

SPLreal ：実車換算した音圧レベル（dB）

験

SPLmodel ：模型試験での音圧レベル（dB）

スケール模型試験による形状策定

rreal ：模型から観測点までの距離（m）

低騒音パンタグラフの形状を策定するために，1/10 スケ

rmodel ：実車から観測点までの距離（m）

ール模型による風洞試験を実施した．図３にスケール模型試

また新方式のパンタグラフの騒音性能を従来型のパンタグ験に用いた（財）鉄道総合研究所の所有する低騒音風洞（国ラフと相対的に比較するため，現状のパンタグラフカバー方立市）を示す．低騒音風洞では，実車の 300 km/h に相当す

式の騒音レベルについても事前に風洞試験を実施した（図る流速を模擬し，空力騒音のスケール則により，次のような４）．

周波数及び音圧の補正を実施し，実車での騒音スペクトルの今回開発した新形状のパンタグラフの碍子部は，東日本鉄予測を行った．

道（株）が以前から開発を進めていた低騒音碍子を用いた．

（周波数補正）そのためスケール模型試験では主に碍子より上部の台枠部・

freal ＝ fmodel

Lmodel

アーム部の低騒音化が課題となった．

Lreal

開発要素の１つである集電部（舟体部）を含めたアーム部

ここで，freal ：実車換算した周波数（Hz）の低騒音化には，以下の要求を満たす必要があった．
（1）新幹線は，上りと下りで向きを変えないため，走行方向

fmodel ：模型試験での周波数（Hz）が反対になったときも低騒音であること．

Lmodel：模型の縮尺Lreal（2）パンタグラフの集電性能を悪化させないように，走行方向によらず安定した揚力を得ること．

（音圧補正）

以上のような要求から，アーム部の低騒音化の風洞試験でrmodelLmodelSPLreal ＝ SPLmodel −20log＋20log
Lreal
rreal

は，走行方向を反転させた試験を実施するとともに，揚力の測定も実施し形状を策定した．図５に策定に用いたアーム形

ここで，状の例を示す．
さらに集電時にはアームを固定し，集電時以外にはアーム

図３スケール模型風洞試験（鉄道総合研究所国立市）

図４

パンタカバー形式の風洞試験

例①

例②

アーム部前方から剥離する流れと舟体部が干渉し，騒音が増加する．

走行方向を変えたとき，騒音レベルが大きく増加する．

アーム形状例

不採用理由

図５

アーム形状例
三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

156
例①

例②

鋭角な部位が多く，そこからの剥離音が大きくなってしまう．

アーム部を収納するための隙間（スリット部）が深く，そこを流れる空気とアーム部が干渉し騒音が発生する．

台枠形状例

不採用理由

台枠形状例

音圧レベル（dB）

10dB

図６OverAll：従来型パンタグラフカバー方式：新型パンタ方式

10100

1000

４dB

10 000

1/3オクターブ周波数（Hz）

図７

図８

新型低騒音パンタグラフの騒音性能（300 km/h）

図９

実車サイズ風洞試験（鉄道総合研究所

新型低騒音パンタグラフの形状を格納するための台枠部についても，低騒音形状の最適化を実施した．台枠部については，単に流線形にするだけではな
く，アームとの組合わせにより発生する干渉音を低減する工夫が求められる．これに対し風洞試験により最適形状を求めていった．図６に風洞試験に用いた台枠の例を示す．
スケール模型による風洞試験は，1/10 スケール模型で形状を絞り込み，その後更に測定精度を高めるため，模型スケールを 1/5 にし風洞試験を実施した．
このスケール模型試験により得られた新型低騒音パンタグ
ラフの形状を図７に示す．さらにこの低騒音パンタグラフの実車での騒音スペクトルを予測した結果を図８に示す．新形状のパンタグラフは，ほぼすべての周波数域においてパンタ米原）グラフカバー形式の騒音レベルを大きく下回っており，トータルの騒音レベルであるオーバオール値も，４ dB 以上低減することが可能と推定された．
3．2

実車サイズ模型試験

この風洞試験により推定された 1/1 スケール模型試験結果と，1/5 スケール模型試験結果を比較した騒音スペクトルを
図 10 に示す．1/5 スケール模型は縮尺模型のため，周波新型低騒音パンタグラフの実車における騒音性能を確認す

数・レベルにおいて実車換算を実施している．縮尺の異なるるために，実車サイズ（1/1 スケール）の模型を製作し，米

この両者の騒音スペクトルは，実車換算を行うことによりレ原にある（財）鉄道総合研究所の大型低騒音風洞にて騒音試

ベル・特性ともにほぼ一致しており，1/5 スケール模型試験験を実施した．図９に風洞試験に用いた実車模型を示す．

結果の妥当性が確認された．
三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

10dB

157

音圧レベル（dB）② シングルアームの低騒音化① シングルアーム形状の採用：１/１スケール模型：１/５スケール模型

10100

1000

10 000

図 11

新型低騒音パンタグラフの特色（アーム部）

1/3 オクターブ周波数（Hz）

図 10

縮尺模型試験の有効性（低騒音パンタグラフを実車換算）② スリット部のアーム部との干渉音の抑制① 台枠部の流線型化

4．新型低騒音パンタグラフの特色
今回開発を実施した新型低騒音パンタグラフの特色を下記にまとめる．
（1）パンタグラフカバーを排除し，パンタグラフそのものから発生する騒音を低減する手法を用いた．
（2）アーム部は，両走行方向において騒音レベルが最も小さ
く，揚力に関しても実績のある図 11 ① に示すシングルア

図 12

新型低騒音パンタグラフの特色（台枠部）ームを採用した．
（3）シングルアームの可動部や集電部との結合部は，図 11② に示すようにフェアリングで覆うことにより，発生する空力音を最小限にした．
（4）台枠部を流線型にし，碍子部との接続をスムーズにすることにより空力騒音の発生を抑制した（図 12 ①）．
（5）アーム部を格納する必要がある台枠のスリット部を極力は，従来のカバーを用いる形式のパンタグラフより４ dB 以上騒音を低減することに成功した．
このパンタグラフは，2002 年 12 月から運転を開始した東北新幹線

はやてに搭載され，車両騒音の低減に貢献している．今後は車両形状も含めた車両全体の騒音レベルの低減をねらい，高速車両を開発していきたい．

薄くし，スリット部に空気が入り込まないようにすることにより，アーム部と台枠との干渉音を抑制した（図 12 ②）．
（6）（1）〜（5）項までの結果，従来型のパンタグラフカバーを用いるパンタグラフに比べ，新型低騒音パンタグラフ

参 考 文 献http://www.jreast.co.jp/hayate/special/vol03_1_1.htm (2003.1)

は４ dB 以上の騒音低減に成功した．

5．まとめ

環境にやさしいパンタグラフの開発を目指して，従来まで

柴田勝彦

平井誠

名古屋航空宇宙シス
テム製作所
情報・技術管理部長

名古屋航空宇宙シス
テム製作所
研究部
機体機器研究科

針山隆史

佐々木裕一

東日本鉄道株式会社
運輸車両部（東日本トランスポーテック(株)車両開発部課長）

東日本鉄道株式会社
新幹線運行本部
輸送課主席とは全く異なる発想の下でパンタグラフの低騒音化に取り組んだ．そのコンセプトは，パンタグラフカバーを排除し，パンタグラフそのものから発生する音を低減する手法である．
スケール模型を用いた風洞試験により，パンタグラフを構成するアーム部，台枠部，碍子部から出る空力騒音を最小限にする形状を求めた．その結果，今回開発したパンタグラフ

三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）