<博士論文>
ソフトな円筒エッジを持つ防音壁の遮音性能に関する研究

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概要 広く知られているように、エッジに取り付けた吸音体は防音壁の遮音性能を向上させる。防音壁背後の音場に対する仮想的な音源としてふるまうエッジ部の音圧が、吸音力によって低減されるためである。同様の方針にもとづき、本論文では音響的にソフトな円筒エッジをもつ防音壁の遮音性能について検討する。ソフトな円筒エッジの表面では音圧がゼロになる、すなわちエッジ部の音圧が極めて小さくなるため、吸音エッジ付き防音壁よりも...大きな遮音性能が期待される。   最初に、水車のような断面を持つ円筒によってソフトな円筒の実現を試みた。放射状に配置された深さ1/4波長の音響管内を伝搬させることにより反射波の位相を反転させ、入射波との間に生じる干渉を利用して円筒表面の音圧を消去しようとするものである。境界要素法による数値解析、模型実験、解析解の結果を比較した結果、1/4波長が管の深さと一致する周波数よりも若干高い周波数において管端の音圧が極小になること、その周波数では水車型円筒およびソフトな円筒の周辺の散乱場が非常に似ていることから、水車型円筒はソフトな円筒を近似的に実現できることが確認された。ただし、干渉を利用するという構造上、円筒表面の性質が極端な周波数特性を持つことは避けられない。表面音圧が特殊な周波数特性を持つ原因について考察するため、水車型円筒周辺の音場について音響インテンシティ解析を行なった。円筒周辺の音響エネルギーは、表面音圧が極小になる周波数では円筒から遠ざかるように流れ、逆に表面音圧が増加する周波数では円筒の表面近傍を流れていることがわかった。 水車型円筒をエッジに取り付けた半無限障壁の遮音性能について、模型実験により検討を行った。ソフトな表面を実現する周波数において音圧分布を測定した結果、障壁背後の広い領域でかなり大きな効果が確認された。解析解との比較から、この領域の音場は円筒エッジの性質によって決定され、防音壁の直壁部の性質はほとんど影響しないことがわかった。また、効果の周波数特性は、水車型円筒単体の表面音圧の周波数特性と密接な関係があることも明らかになった。 反射性の地面に設置された防音壁に水車型円筒を取り付け、遮音性能の変化について検討した。水車型円筒の効果の周波数特性を解析した結果、半無限障壁の場合と同様、円筒の表面音圧が小さくなる帯域で遮音性能が10dB以上向上し、その帯域の幅は2/3から1オクターブにわたることがわかった。その一方で、円筒表面の音圧が大きくなる帯域ではやはり遮音性能が低下してしまうこともわかった。円筒表面の音圧が極小になる周波数において水車型円筒の効果の分布を計算すると、防音壁からある程度はなれた領域で平均10dB近い効果が確認された。水車型円筒付防音壁周辺の音響インテンシティについて解析した結果、円筒が有効な周波数ではエネルギー流が上方へと向きを変えるのに対し、遮音性能が低下する周波数では円筒や防音壁の表面沿いを流れるエネルギー流の発生が認められた。最後に、ここまでの解析結果を半無響室における縮尺模型実験および屋外における実験の結果と比較した結果、ほぼ予測通りの遮音性能が得られていることが明らかになった。  最後に、水車型円筒付防音壁の遮音性能について得られた知見をもとに、道路交通騒音の制御を目的とする減音装置の設計を行なった。設計の前に、実在の高速道路沿いで測定した結果を平均し、制御対象となる交通騒音の代表スペクトルを決定した。この代表スペクトルのオーバーオール音圧レベルの低減幅を評価値とし、最も大きな効果が得られる減音装置の断面形を探った。まず、一様な深さの音響管を配列した水車型円筒の広帯域騒音に対する効果には限界があることがわかった。そこで、水車型円筒の負の効果に対応する深さの溝を組み合わせ、効果の改善を試みた。解析の結果、数種類の溝の深さの組合せが有効であること、さらに円筒の下半分には溝を配列する必要がないことが明らかになった。この方針にもとづいて設計した新たな減音装置は、従来の一様な深さの溝を持つ水車型円筒と比べてデシベル値で2倍近い効果を持つことがわかった。装置の効果を直壁の嵩上げ分に換算すると、3mの防音壁の上に3.2mの直壁を追加した場合に相当する。この減音装置について、境界要素法などの繁雑な計算をしなくても簡便に効果を予測できる図表および算出式を示した。最後に、減音装置を取り付けた防音壁の遮音性能について実験を行なった。屋外実験では解析結果との明確な対応関係が見出せなかったものの、半無響室で行なった実験ではほぼ予測通りの遮音性能が確認された。
The sound shielding efficiency of a noise barrier with an acoustically soft cylindrical edge was investigated. Soft cylindrical edge where the surface sound pressure vanishes is expected to be more effective than the well-known absorptive cylindrical edge. Firstly, a waterwheel-shaped cylinder which consists of tubes arranged radially was proposed to develop a cylinder with soft surface. It is shown that the waterwheel approximates a soft cylinder at frequencies where surface sound pressure is minimized by the interference in the tubes. The surface sound pressure is, however, inevitably frequency dependent and exceeds that of a rigid cylinder in a certain frequency range. Secondly, the numerical and experimental results showed the waterwheel-shaped edge improves the sound shielding efficiency of a half plane and a noise barrier on the ground. Effect of the waterwheel is frequency dependent as well as its surface sound pressure; efficiency of the barrier is improved by more than 10 dB in a range of 2/3 octave but decreased unfortunately in another range. Acoustic intensity analyses indicated that the waterwheel-shaped edge deflects energy flow upward to improve efficiency of barrier although the energy flow along the cylindrical edge increases when the waterwheel harms the efficiency. The waterwheel-shaped edge is more effective by 5 dB than an absorptive edge in the effective frequency range whereas it is ineffective in the overall-range effect against road traffic noise. Experiments in hemi-anechoic room and outdoor field confirms that the numerical simulations predict the effect of the waterwheel-shaped edge accurately. Lastly, a new edge device for controlling road traffic noise was designed based on the waterwheel-shaped edge concept. Relationship between the depth of tubes and its overall effect shows that the uniform-depth waterwheel edge is not so effective even at the maximum efficiency because of the negative effect in the ineffective frequency range of the waterwheel. Thus tubes of different depths were added to improve the negative effect of the uniform-depth waterwheel. The assignment of the tubes with various depths flattens the frequency dependence of the effect so that the overall effect is improved largely. It was also shown that the tubes are only needed in the upper half of the cylinder. These findings led to the design of a new edge device for controlling road traffic noise. Numerical simulations suggest that it is twice as efficient in overall SPL as the original waterwheel with uniform-depth channels.
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目次 目次 第1章 序論 第2章 境界要素法による音場の数値解析 第3章 水車型円筒 第4章 水車型円筒付半無限障壁 第5章 地面上に設置された水車型円筒付防音壁 第6章 水車型円筒の原理を利用した減音装置の設計 第7章 結論 謝辞 参考文献 関連論文・口頭発表

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K034 pdf 21.6 MB 312  

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登録日 2013.07.09
更新日 2018.01.17