点音源モデルに基づく戸建て住宅群による道路交通騒音減衰慮の予測法 [ PDF

全文

(1)点音源モデルに基づく戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量の予測法辻京祐. 2. 模型実験 2.1 実験方法模型実験の方法はこれまで 1)2) と同じである。すなわち，簡易無響室内に 100 m×80 m の住宅地を設定し，その一辺 (100 m) を道路とみなして，辺上に高さ 0.3 m の点音源を定速走行させて住宅地内の受音点における音圧を測定し，戸建て住宅群を配置したときとしないときの測定結果の差から，住宅群による騒音減衰量を求めるというものである。模型の縮尺は 1/20 である。実験条件を表-1 に示す。住宅群の配置は，道路から受音点までの距離 droad を 20 m，30 m，40 m，50 m の 4 種類，建物密度 (住宅地全体に対する住宅の建築面積の割合)ω を 16.8 %，21.6 %，28.0 %，34.4 % の 4 種類，各建物密度，受音点位置ごとに異なる配置パターンを 4 種類作り，これらの組み合わせの合計 64 配置とした (例を図-1 に示す)。なお，受音点高さ hp は 1.2 m である。 2.2 騒音減衰量の算出 AD 変換されたマイクロホンの出力信号を時系列順に 16,384 個ごとに区切ってフーリエ変換し，それより 1/3 オクターブバンド音圧レベルを算出した。それに， ASJ RTN-Model 2008 3) に示されている自動車走行騒音の周波数特性 (密粒舗装道路，定常走行) と実験で用いたジェットノイズの周波数特性の相対的なレベル差を補正し，全周波数帯域の A 特性音圧レベル LpA を求めた。本実験の目的は，音源を点音源と想定し，自動車騒. 50-1. 表-1 実験条件 d road. 建物密度. ω. 配置パターン数. 20m 30m 40m 50m. 16.8% 21.6% 28.0% 34.4%. 4 4 4 4. 100m. 住宅平面 8m×8m. 8m×16m 高さ H = 10m. receiving point. 80m. 1. 研究の背景と目的平成 11 年 4 月に施行された「騒音に係る環境基準」で導入された “面的評価” を行うには沿道に立地する建物群による騒音減衰量を推計する必要があるため，当研究室ではこれまで平面道路 1) 及び盛土道路 2) に面する地域における戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量の予測法 (F2006 及び F2006+ ) を提示してきた。これらは，日本音響学会道路交通騒音予測計算法 ASJ RTN-Model 2008 3) にも採用されている。F2006 及び F2006+ は，直線道路を想定して線音源に対する騒音減衰量を予測するもので，道路が直線でない場合は適用できない。一方，ASJ RTN-Model 2008 の騒音予測は，道路を走行する車両を点音源と想定し，点音源から騒音予測点までの騒音伝搬の計算を基本モデル (点音源モデル) としており，これにより道路が曲線であっても騒音予測が可能となっている。必ずしも直線ではない実際の道路沿道における道路交通騒音の面的評価を行うためには，“点音源モデルに基づく建物群による騒音減衰量の予測計算法” が必要である。そこで本論文は，沿道に立地する戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量を点音源モデルに基づいて予測する方法について検討した。これまでの研究 1)2) と同様に，戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量を模型実験によって求め，得られた騒音減衰量と住宅群の配置条件の関係を分析して騒音減衰量の予測方法を見出そうというものである。. droad = 30m, ω = 21.6%. droad = 50m, ω = 34.4%. 図-1 住宅群の配置例音が道路上の 1 点 (音源の位置) から受音点に伝搬するときの住宅群による騒音減衰量を求めることであるが，これは以下のように算出した。実験誤差を小さくするために，車両が道路 10 m を走行したときの LpA のエネルギ平均値 LB を実験データの 1 サンプルとし，住宅を配置してない場合 LB0 と配置した場合 LB1 の差を建物群による騒音減衰量 ∆LB (= LB1 − LB0 ) とした。なお，ここで定義する “減衰量” は通常の定義と符号が逆となっている。また，音源から受音点に伝搬する騒音は，音源から受音点に至る経路上の周辺に立地している住宅群の影響を受けると考えられるが，どの範囲に立地する住宅群の影響を受けるかはわからない。そこで，得られた ∆LB のうち，音源から受音点に至る経路上の住宅立地に大きな偏りのないよう，音源が道路 100 m のうちの中央 60 m の範囲にある場合だけを分析対象とした。このようにして得られる ∆LB は 1 つの実験条件で 121 個となるので，実験全体で 7,744 個の ∆LB が得られた。. 3. 騒音減衰量の予測式の検討音の伝搬には直接，反射，回折の 3 つが考えられる。 ∆LB が 3 つの伝搬による音響エネルギ成分の和で表現できると考えて，予測式を式 (1) で構成することとした。そして，それぞれの現象ごとの音響エネルギについて検討した。 ( ) ∆LB = 10 log10 Edir + Eref + Edif /E0 (1) ここで，Edir は直接音によるエネルギ，Eref は反射音によるエネルギ，Edif は回折音によるエネルギ，E0 は建物を配置していないときの音響エネルギである。 3.1 直接音 ∆LB 算出時に行った騒音レベルの平均化範囲，すなわち音源を中心に道路上前後 5 m の範囲 (以下，音源範囲) を考える。図-2 のように，建物が全くない場合は受音点から音源範囲を見通す角度 Φ の範囲，建物が.

(2) 1次反射 10 m. 5m 5m. road. S. S. S. road. 10 m. road. d road. φ. θi. Φ. d ref , i. d road (d ref , i ). d road. P. θi. P P 図-2 直接音の見通し角度. 図-3 関係. ∆LB と ϕ/Φ の. P’ 2次反射. 10 m. road. S. d road (d ref , i ). θi. d road d ref , i. P. θi P’. Edir ϕ Φ = 10 log10 − 10 log10 E0 droad droad (2) ϕ = 10 log10 Φ. 10 m. road. S. ある場合は建物に邪魔されずに受音点から音源範囲を見通せる角度 ϕ の範囲が音源と考えられるので，これを自由音場における有限長線音源の伝搬理論で表すと， ∆LB の直接音エネルギ (Edir ) は，. 10 log10. P’. P’’. P. P’. P’’. 図-4 反射音の見通し角度 S. road. O. となる。ただし，Φ は建物がないときの見通し角度 [rad]， ϕ は建物があるときの見通し角度 [rad]，droad は受音点から道路までの距離 [m] である。 ∆LB と ϕ/Φ の関係を図-3 に示す。両者に相関が見出せるが，受音点から道路を見通せる場合 (ϕ/Φ̸= 0) には ±5 dB 程度のバラつきが，全く見通せない場合 (ϕ/Φ=0) にはそれ以上のバラつきが認められる。したがって，∆LB を捉えるには，建物群による反射や回折の影響を考慮する必要がある。 3.2 反射音反射による音響エネルギ (Eref,i ) を，幾何音響学に基づく鏡面反射の原理 (図-4) だけで捉えることにすると，建物壁面を反射面として対称移動した点を鏡像受音点とし，その鏡像受音点から音源範囲を見通せる角度 θi 内にある道路を反射音源と考えることができるので， ) ∑ ( θi Φ Eref = 10 log10 − 10 log10 E0 dref,i droad i ( (3) ∑ θi droad ) = 10 log10 · Φ dref,i i となる。ここで，θi は鏡像受音点から音源範囲を見通せる角度 [rad]，dref,i は鏡像受音点から道路までの距離 [m] である。i は幾何音響学的反射経路ごとに求めることを意味する。式 (3) は反射回数に関係なく反射音エネルギを表現できるが，3 次以上の反射音は寄与が小さいと考え，i は 1 次反射音と 2 次反射音だけを考慮することにする。 3.3 回折音音源から放射された音は，直接音，反射音以外にも，建物群の間隙や建物上部の様々な経路を経て受音点に到達している。この中で最も大きな成分を有するのは，図-5 に示すように，音源 (S) から建物の 1 つの頂点 (O) だけで回折して受音点 (P) に到達する音であると考えられる。これを 1 次回折音エネルギ (Edif,1 ) と考えることにする。このような回折は近似的には行路差 δ(= SO + OP − SP) で捉えることができると考えられるので，7,744 個の ∆LB のうち，直接音，反射音がない. 50-2. P δ = SO+OP-SP. 図-5 1 次回折音. 図-6 ∆LB と δ の関係. 場合 (85 個) について，行路差 δ との関係をみた (図-6)。両者に比較的高い相関が認められるので，最小 2 乗法により回帰式を求めた (10∆LB /10 = 0.251/(1 + 0.522δ))。ここで，Edif,1 は，音源を 1 点 (S) と想定するのではなく，直接音エネルギや反射音エネルギと同様に “音源範囲”(3.1 参照) を対象とする。具体的には，音源範囲に十分な個数の点音源を設定し，それぞれの音源点からの 1 次回折音エネルギを求め，その平均値を算出する。すなわち， ) n ( 1∑ 0.251 Edif,1 = n 1 + 0.522δk k=1. ここで，k は音源範囲に存在する点音源を意味し，n は点音源の個数である。ただし，全点音源のうち受音点 (P) から見える音源からの 1 次回折音エネルギについては，計算しない。次に 1 次回折音以外の経路で伝搬する音のエネルギ (Edif,2 ) を考える。これは伝搬経路によって捉えることは困難であると思われるので，音源から受音点の経路上に立地する建物密度で捉えることにする。すなわち，図-7 に示すように，音源と受音点を結ぶ線 (距離 d) について，その左右に 7.5 m の幅の長方形を考え，この長方形 (幅 15 m，長さ d) 内の建物密度を ξ とし，ξd と ∆LB の関係をみた (図-8)。ここで用いたデータは， 7,744 個の ∆LB のうち，直接音，反射音，1 次回折音がない場合 (1,301 個) である。ξd は ∆LB (エネルギー値) と相関が認められるので，最小 2 乗法により回帰式を求めた。. Edif,2 = 10−0.0904ξd.

(3) 7.5 m road. ξ d. 5. N = 7,744. 0 -5 -10 +3 dB -15 -3 dB. -20. P. -20 -15 -10 -5. 図-7 建物密度. Measured ∆Lbldgs [dB]. S. Measured ∆LB [dB]. 7.5 m. 0. 5 -5 -10. +3 dB. -15 -3 dB. -20. 5. -20 -15 -10 -5. Predicted ∆LB [dB]. 図-8 ∆LB と ξd の関係. N = 64. 0. 0. 5. Predicted ∆Lbldgs [dB]. 図-10 予測値と実験値の対応. 図-9 ユニットパターン. n. (. 0.251 1 + 0.522δk. k=1. ). + 10−0.0904ξd. (4). 3.4 住宅群による騒音減衰量の予測式以上から，住宅群による騒音減衰量 ∆LB は，式 (2)， (3)，(4) を式 (1) に代入した式となる。ただし，それぞれ項の寄与は不明であるので，最小 2 乗法によって係数を定めた。さらに，式から算出される ∆LB と実験値の差の 2 乗和が最小となるように定数項 a0 を求めた。このようにして得られた住宅群による騒音減衰量の予測式を式 (5) に示す。以降，本予測式を F2012 と呼ぶ。 {. ∑ ( θi droad ) ϕ + a2 · Φ Φ dref,i i } ) n ( 0.251 1∑ −0.0904ξd + a4 · 10 + a3 · n 1 + 0.522δk. ∆LB = 10 log10. a0 + a1 ·. k=1. (5) ただし， ϕ :. 建物があるときの見通し角度 [rad]. Φ. :. 建物がないときの見通し角度 [rad]. θi droad. : :. 鏡面受音点からの見通し角度 [rad]. dref,i δk d. : : :. 鏡面受音点から道路までの距離 [m]. 受音点から道路までの距離 [m] 一次回折の行路差 [m] 音源受音点間距離 [m]. ξ : 長方形内の建物密度 [-] ここで，a0 = 0.0390，a1 = 1.16，a2 = 0.238， a3 = 0.394，a4 = 0.257 である。 3.5 予測値と実験値の比較図-9 に F2012 を用いて計算した結果のユニットパターンの一例を示す。横軸は音源位置である。また， F2012 を用いて全ての ∆LB を計算し，実験結果と比較した。両者の差の 2 乗平均平方根は 1.6 dB となり， ±3 dB 以内に 7,150 個 (92%) のデータが収まった。最 50-3. Measured ∆LB [dB]. Edif 1∑ = E0 n. 5. Measured ∆Lbldgs [dB]. 図-11 ユニットパターン (直線道路). 以上から，回折音を次式で表現した。. N = 1,936. 0 -5 -10. +3 dB. -15 -20. -3 dB -20 -15 -10 -5. 0. 5. Predicted ∆LB [dB]. 5. N = 16. 0 -5 -10. +3 dB. -15 -20. -3 dB -20 -15 -10 -5. 0. 5. Predicted ∆Lbldgs [dB]. 図-12 予測値と実験値の対応 (直線道路) 大誤差は 6.0 dB となった (図-10 左)。さらに，全 64 配置について，住宅群による騒音減衰量 ∆Lbldgs を計算し実験値と比較した (図-10 右)。∆Lbldgs は，車両が道路を一端から他端まで走行したときの受音点における騒音レベルのユニットパターンを計算し，住宅群がある場合とない場合の差を計算したものである。実験値との差の 2 乗平均平方根は 0.7 dB となり，最大誤差は 1.8 dB となった。. 4. F2012 の検証 4.1 直線道路模型実験 4.1.1 実験条件本実験と住宅配置の異なる計 16 配置を実験した。その他の実験条件は 2. と同じである。∆LB は 1 配置につき 121 個，合計 1,936 個得られた。 4.1.2 予測値と実験値の比較図-11 にユニットパターンの一例を示す。また，全ての ∆LB を計算し，実験結果と比較した。両者の差の 2 乗平均平方根は 1.5 dB となり，±3 dB 以内に 1,878 個 (97%) のデータが収まった。最大誤差は 5.6 dB となった (図-12 左)。さらに，∆Lbldgs を計算し実験値と比較した (図-12 右)。実験値との差の 2 乗平均平方根は 0.8 dB となり，最大誤差は 1.7 dB となった。以上のように，F2012 の予測精度は予測式導出の実験と概ね同程度であることが確認され，その有効性が示された。 4.2 曲線道路模型実験 4.2.1 実験条件道路の形状を曲線に変更し，建物密度 ω を 16.6%， 21.5%，28.3%，34.2%の 4 段階として，計 16 配置を実.

(4) 100m. receiving point. 80m. 15 m. road 74. 73 45 m. 69. d road = 20m, ω = 16.6%. 69. d road = 40m, ω = 28.3%. 68 66. 図-13 住宅群の配置例 (曲線道路). 61. 68 64. 15 m. 図-16 LAeq の分布 (直線道路). 図-14 ユニットパターン (曲線道路). road. N = 2,256. 0 -5 -10. +3 dB. -15 -20. -3 dB -20 -15 -10 -5. 0. 5. Predicted ∆LB [dB]. 5. N = 16. 0 -5 -10. +3 dB. 65 64. 63. 68. 66 61 57. -15 -20. 74. 72. 74 45 m. Measured ∆Lbldgs [dB]. Measured ∆LB [dB]. 72. 5. -3 dB. 図-17 LAeq の分布 (曲線道路) -20 -15 -10 -5. 0. 5. Predicted ∆Lbldgs [dB]. 戸とした)。このように，F2012 によって，直線道路だけに限らず，今まで住宅群による道路交通騒音減衰量の推計が困難だった曲線道路においても，環境基準の評価を行うことが可能となった。. 図-15 予測値と実験値の対応 (曲線道路) 験した。例を図-13 に示す。その他の実験条件は 2. と同じであり，∆LB は 1 配置につき 141 個，合計 2,256 個得られた。 4.2.2 予測値と実験値の比較図-14 にユニットパターンの一例を示す。また，全ての ∆LB を計算し，実験結果と比較した。両者の差の 2 乗平均平方根は 1.9 dB となり，±3 dB 以内に 2,016 個 (89%) のデータが収まった。最大誤差は 5.9 dB となった (図-15 左)。さらに，∆Lbldgs を計算し実験値と比較した (図-15 右)。実験値との差の 2 乗平均平方根は 1.2 dB となり，最大誤差は 3.4 dB となった。以上のように，道路が曲線の場合でも，F2012 の予測精度は予測式導出の実験と概ね同程度であることが確認され，その有効性が示された。. 5. F2012 の適用例小型車類が速度 50 km/h で定常走行している交通量 6,000 台/ h の 1 車線道路 (直線道路および曲線道路) に面した住宅地の騒音レベル分布を求めてみた (図-16，図-17)。評価区間は，F2012 の適用範囲から大きく逸脱しないよう，道路からの距離を 15 m∼60 m とした。値は，高さ 1.2 m の面の LAeq を示している。両図から，住宅の配置に対応した騒音レベル分布が得られていることが分かる。住宅に記入した値は，道路からの騒音の影響が最も大きな面の中央の点における LAeq (当該住宅の壁面反射は考慮していない) を示しており，この値を用いることで環境基準の評価を行うことができる。例えば，環境基準を 70 dB と仮定すると，環境基準達成率は直線道路で 64%，曲線道路で 54%となる (ただし，斜線を入れた住戸はすべて環境基準を超過した住. 50-4. 6. まとめ沿道に立地する戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量を点音源モデルに基づいて予測する方法について検討し，音源を中心に道路上の前後 5 m の道路両端と受音点を結んだ線分が成す角度 Φ，建物がある場合に受音点から道路を見通せる角度 ϕ，道路から受音点までの距離 droad ，音源を中心に道路上の前後 5 m の範囲内で幾何学的に反射音がある場合に鏡面受音点から見通せる角度 θ，道路から反射面で対称移動した受音点までの距離 dref ，一次回折の行路差 δ ，音源受音点間距離 d，音源受音点を結ぶ線についてその左右に 7.5 m の幅をもつ長方形内の建物密度 ξ の 8 つのパラメータを用いる新しい予測式 F2012 を提案した。さらに，検証実験を行い，F2012 が住宅群による騒音減衰量を概ね適切に捉えることができることを確認した。参考文献 1) 藤本一寿, 山口晃治, 中西敏郎, 穴井謙: 平面道路に面する地域における戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量の予測法, 日本音響学会誌, 63, 309-317 (2007) 2) 山口晃治, 藤本一寿, 穴井謙, 平栗靖浩: 盛土道路に面する地域における戸建て住宅群による道路交通騒音減衰量の予測法, 騒音制御, 33, 156-164 (2009) 3) 日本音響学会道路交通騒音調査研究委員会: 道路交通騒音の予測モデル ASJ RTN-Model 2008, 日本音響学会誌, 65, 179-232 (2009).

(5)