パンチングメタルから発生する風騒音に関する研究
孔径および板厚による影響
吉川 優
＊１・浅見 豊
＊１・田端 淳
＊２・冨高 隆
＊２Keywords : perforated metal, low noise wind tunnel test , aerodynamic noise
パンチングメタル，低騒音風洞実験，風騒音
１．はじめに
バルコニー手摺や目隠しパネル，または化粧部材とし てパンチングメタルが広く使用されている。パンチング メタルに関しては，強風時に風騒音が発生することが知 られているが，その発音傾向については不明な部分が多 い。本研究では基本的な発音特性および傾向を把握する ことを目的として風洞実験を実施する。主に，孔径およ び板厚が風騒音に及ぼす影響に着目して実験結果を報 告する。２．実験概要
実験には低騒音風洞1)を使用する。本風洞は，消音チ ャンバーおよび吸音パネルを用いることにより，風洞装 置から発生する騒音を低減し，試験体から発生する風騒 音を精度よく計測できる（図－１）。 風洞気流は一様流とし，吹出口から 600mm の位置に試 験体を設置する。試験体は，中心鉛直軸まわりに回転さ せることにより風向角を変化させる。試験体の設置状況 を図－２および図－３に示す。 ＊１ 技術センター建築技術研究所防災研究室 ＊２ 技術センター建築技術研究所環境研究室 図－１ 低騒音風洞 Fig.1 Low noise wind tunnel図－２ 実験概要 Fig.2 Schema of the test
図－３ 実験状況 Fig.3 Experiment situation
8φ 10φ 12φ 20φ 風速 [m/s] 風速 [m/s] 風速 [m/s] 風速 [m/s] 10 15 20 10 15 20 10 15 20 10 15 20 0 0 0 0 5 5 5 5 10 10 10 10 15 15 15 15 風 20 風 20 風 20 風 20 25 25 25 25 向 30 向 30 向 30 向 30 35 35 35 35 角 40 角 40 角 40 角 40 45 45 45 45 [°] 50 [°] 50 [°] 50 [°] 50 55 55 55 55 60 60 60 60 65 65 65 65 70 70 70 70 75 75 75 75 80 80 80 80 85 85 85 85 90 90 90 90 明瞭に知覚される 僅かに知覚される 知覚されない 凡例
～
～
ﾊﾟﾝﾁﾝｸﾞﾒﾀﾙ３．試験体および実験条件
試験体は丸孔千鳥配置（60°配置）のステンレス製パ ンチングメタルであり，寸法は 750mm×750mm である。 実験条件は，孔径および板厚をパラメータとし（開口率 は一定），風向角および実験風速を変化させて計測する （表－１，図－４，図－５）。 パンチングメタルから発生する風騒音については，自 励振動に関する報告等2) 3)もあることから，発音特性が 気流の作用条件および振動特性に依存することが予想 される。本実験では試験体の４辺を鉄製フレームで回転 治具に固定し，剛支持としている。 板厚[mm] 1.0 2.0 3.0 孔径×ﾋﾟｯﾁ 8φ×12p - ○ -開口率は 10φ×15p ○ ○ ○ 全て40.2% 12φ×18p - ○ - 20φ×30p ○ ○ ○ 風向角 0°～90° （ 5°ﾋﾟｯﾁ ） 実験風速 10[m/s] , 15[m/s] , 20[m/s] 計測には，治具に固定したマイクロフォンを用いるも のとし（実験気流の影響を受けない位置とする），収録 データはＦＦＴアナライザによる周波数分析を行う。４．孔径による影響
4.1 聴感による記録 パンチングメタルの板厚を 2mm に固定し，孔径による 発音傾向の違いに着目する。 実験風向および実験風速を変化させ，風騒音の有無お よびその程度を聴感に基づいて記録したものを表－２ に示す。主な発音領域は風向角 55°～85°であり，風 速の増加および孔径が大きくなるにしたがい知覚の程 度が小さくなる傾向がみられる。 表－１ 実験パラメータ Table 1 Test cases表－２ 聴感による記録 Table 2 Hearing impression examination
図－４ 試験体 Fig.4 Specimen
図－５ 実験風向 Fig.5 Wind angle
4.2 計測結果（風向角による変化） 板厚 2mm の各孔径の試験体に関して，風速 15m/s，風 向角 60°～80°の計測結果を図－６に示す。風騒音の ピーク周波数は 700Hz～3kHz の領域にあり，音圧レベル は聴感に基づく記録に概ね対応している。8φのケース は 1kHz および 2 kHz 付近で顕著なピークを持ち，最大 のもので約 55dB に達している。20φのケースでは 1.5 kHz 付近にピークを持ち，最大で約 45 dB である。 ピーク周波数が風向角によらずほぼ一定であるのは，試 験体が板状であるために，ある一定以上の風向角では面 に沿った流れが支配的になり，剥離・付着・渦放出とい った流れのパターンが定常状態になるためであると推 察される。 [ 8φ ] [ 10φ ] [ 12φ ] [ 20φ ] 図－６ 音圧レベルのパワースペクトル（風向角 60°～80°）
Fig.6 Power spectrum densities of SPL (wind angle between 60°and 80°) [60°]
[65°]
[70°]
[75°]
風速 [m/s] 風速 [m/s] 風速 [m/s] 10 15 20 10 15 20 10 15 20 0 0 0 5 5 5 10 10 10 15 15 15 風 20 風 20 風 20 25 25 25 向 30 向 30 向 30 35 35 35 角 40 角 40 角 40 45 45 45 [°] 50 [°] 50 [°] 50 55 55 55 60 60 60 65 65 65 70 70 70 75 75 75 80 80 80 85 85 85 90 90 90 風速 [m/s] 風速 [m/s] 風速 [m/s] 10 15 20 10 15 20 10 15 20 0 0 0 5 5 5 10 10 10 15 15 15 風 20 風 20 風 20 25 25 25 向 30 向 30 向 30 35 35 35 角 40 角 40 角 40 45 45 45 [°] 50 [°] 50 [°] 50 55 55 55 60 60 60 65 65 65 70 70 70 75 75 75 80 80 80 85 85 85 90 90 90 10φ-15P t = 3mm 20φ-30P t = 3mm 10φ-15P t = 1mm 20φ-30P t = 1mm 10φ-15P t = 2mm 20φ-30P t = 2mm 4.3 計測結果（風速による変化） 板厚 2mm の各孔径の試験体に関して，風向角 70°に おける風騒音の実験風速による変化を図－７に示す。同 図は，実験風速 5.0m/s から 20.0m/s まで 2.5m/s ピッチ で行った計測結果に基づくものであり，それぞれ別途同 風速で計測した試験体なし（治具のみ）の計測結果との 差（パワースペクトルにおける差分）をグレースケール （0～25dB）で表したものである。 同図より，実験風速 7.5m/s から明瞭なピーク周波数 が出現しており，１～２つのピーク周波数が風速に比例 して推移していることがわかる。
５．板厚による影響
5.1 聴感による記録 板厚による発音傾向の違いに着目し，前章同様，聴感に 基づいて記録したものを表－３に示す。 風向角 0°～45°においては，低風速では発音が知覚 されないのに対して，板厚 3mm，風速 15～20m/s の条件 において高音域の発音が知覚された。 風向角 45°～90°においては，孔径によらず風速 10m/s の条件で聴感上中・高音域の発音が広い風向角範 囲で知覚された。風速が大きくなるにしたがって，聴感 上発音は小さくなり，発音が知覚できる風向角範囲も狭 くなる傾向が現れている。 500 1k 2k 3k [Hz] 5 10 15 20 [m/s] 500 1k 2k 3k [Hz] 5 10 15 20 [m/s] 500 1k 2k 3k [Hz] 5 10 15 20 [m/s] 500 1k 2k 3k [Hz] 5 10 15 20 [m/s] 8φ 10φ 12φ 20φ 図－７ 風騒音ピーク周波数の風速による変化 Fig.7 Variation of peak frequencieswith wind speed
表－３ 聴感による記録
(a)風向角 0°，風速 20m/s 5.2 計測結果（代表的な風騒音の周波数特性） 前章同様に風騒音の計測を行った。前節に示した表－ ３において特徴的な傾向が確認された条件のうち，代表 的な 2 条件（(a) 風向角 0°－風速 20m/s，(b) 風向角 70°－風速 10m/s）における周波数特性を図－８ (a)お よび(b)に示す。 (a)風向角：0°，風速：20m/s t=2mm－20φにおいて，7kHz 付近にピークが確認され， t=3mm では，20φ，10φともに 4kHz より高周波数帯域 に複数の比較的大きなピークが計測されている。 両試験体を比較すると 10φの発音レベルの方が大き い。 (b)風向角：70°，風速：10m/s t=1mm では孔径によらず，1kHz～2kHz 付近に広帯域に わたる 1 つのピークが計測されているが，10φでは t=2mm において 2 つのピーク，t=3mm では t=2mm で出現 したピーク周波数に近接する周波数において非常に鋭 いピークを持つ発音が計測され，20φとは明らかに傾向 が異なる。 図－８ 音圧レベルのパワースペクトル Fig.8 Power spectrum densities of SPL
(b)風向角 70°，風速 10m/s 2 0φ 1 0φ 2 0φ 1 0φ
9K Frequency (Hz) Frequency (Hz) Frequency (Hz)
t=3mm 1K 3K 5K 7K 9K 1K 3K 5K 7K 7K 9K 3K 5K 風 速 10m /s 風 速 20m /s 1K 風向 角 風向 角 風向角 60° 30° 0° 風 速 1 5m /s 90° 30° 60° t=1mm t=2mm 10φ－15P 0° 90° 60° 30° 0° 90° (a) 10φ (b) 20φ 5.3 計測結果（風向角による変化） 実験風速および風向角による風騒音の変 化（「試験体なし」とのレベル差）を図－９ (a)および (b)に示す。この結果より以下の 点が言える。 ・風向角 0°～40°で知覚される発音は，風 速 20m/s－板厚 t=3mm で顕著であり，そのう ち複数確認されるピーク周波数は，風向角に よらずほぼ一定である。 ・風向角 45°～90°で知覚される広周波数 帯域にわたる発音は，板厚が増すにつれてそ のピーク周波数が低い帯域へとシフトし，発 音する風向角範囲も狭くなる傾向がみられ る。 ・風向角 55°～85°，板厚 2mm～3mm で出現 する複数のピーク周波数は，風向角が大きく なるにつれて低い周波数へとシフトする傾 向がみられる。
６．まとめ
パンチングメタルの孔径および板厚を主 なパラメータとし，実験風速と風向角による 風騒音の発音特性および発音傾向を低騒音 風洞実験により確認した。 孔径のみならず板厚によってもその発音 傾向は大きく異なり，それぞれ風速や風向角 に応じて周波数特性が複雑に変化すること から，音源となる流れのパターンも複数種類 であることが推察される。詳細なメカニズム の解明については今後の課題としたい。 参考文献 1) 浅見他：基本断面部材の風騒音に関する研究 日本建築学会大会梗概集,2005 2) 高久，鈴木：パンチングメタルから発生する 風切り音に関する一考察，日本音響学会講演 論文集,2004 3) 近藤他：パンチングメタルの風による騒音， 日本機械学会 機械力学・計測制御講演論文 集,1991 4) 高倉他：建物周辺における風切り音に関する 実験的研究 その４,日本建築学会大会梗概 集,1999 5) 吉川他：パンチングメタルの風騒音に関する 研究,日本建築学会大会梗概集,2007 6) 冨高他：パンチングメタルの風騒音に関する 研究,日本建築学会大会梗概集,2007 60° 30° 0° 90° t=2mm 20φ－30P 0° 90° 90° 30° 60° t=1mm 風速 10m/s 風速 2 0m /s 1K 風向 角 風向角 風向角 60° 30° 0° 風速 15m/s t=3mm 1K 3K 5K 7K 9K 1K 3K 5K 7K 9K Frequency (Hz) Frequency (Hz) Frequency (Hz)7K 9K 3K 5K
図－９ 風騒音ピーク周波数の風向角による変化 Fig.9 Variation of peak frequencies with wind angle
