高速列車走行に伴う低周波音の発生・影響と

博 士 （ 工 学 ） 北 村 敏 也

学 位 論 文 題 名

高速列車走行に伴う低周波音の発生・影響と      その制御に関する研究

学位論文内容の要旨

  1964年 の 東 海 道 新 幹 線 開 業 か ら 現 在 に か け 新 幹 線 網 の 整 備 と 高 速 化 が 進 め ら れ 利 便 性 が 高 ま っ て い る 。 ー 方 で 騒 音 ・ 振 動 ・ 低 周 波 音 等 の 環 境 問 題 も 深 刻 と な っ て い る 。 本 研 究 は 在 来 鉄 道 で は 問 題 と な ら な か っ た 高 速 列 車 の 走 行 に よ り 発 生 す る 低 周 波 音 に 注 目 し ， 列 車 軌 道 を 覆 う 構 造 物 の 無 い 区 間 （ 明 か り 区 間 ） で 観 測 さ れ る 低 周 波 音 ， 明 か り 区 間 か ら ト ン ネ ル 区 間 へ 突 入 す る 際 に 発 生 す る 低 周 波 音 の 発 生 原 理 と 特 性 に っ い て 模 型 実 験 お よ び シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 解 明 を お こ な い ， 山 陽 新 幹 線 岡 山 ‐ 博 多 間 開 業 時 か ら 問 題 と な っ て い る ト ン ネ ル 出 口 か ら の 放 射 音 （ ト ン ネ ル 微 気 圧 波 ） に つ い て 新 し い 動 的 な 制 御 法 を 提 案 す る 。 ま た 高 速 列 車 の 低 周 波 音 に よ る 苦 情 で 主 に 問 題 と な っ て い る 建 具 の が た っ き に っ い て が た っ き 開 始 の 閾 値 を 調 査 し ； 高 速 列 車 の 走 行 に 伴 う 低 周 波 音 に よ り 苦 情 と な る 可 能 性 の あ る レ ベ ル を 示 す 。 さ ら に 低 周 波 音 と と も に 建 具 が た っ き の 原 因 と な る 地 盤 振 動 に つ い て も 建 具 が た っ き の 闘 値 を 調 査 し ， 適 切 な が た っ き 対 策 の た め の 評 価 基 準 を 示 す 。   第 1章 で は ， 本 論 文 の 背 景 お よ び 研 究 の 必 要 性 と 目 的 を 簡 単 に 説 明 し て い る 。   第2章 で は ， 本 論 文 に お け る 研 究 背 景 と し て ， 日 本 国 内 に お け る 新 幹 線 網 整 備 の 歴 史 と 最 高 営 業 速 度 の 推 移 ， 将 来 の 高 速 営 業 運 転 の た め の 試 験 車 両 に よ る 最 高 速 度 の 推 移 お よ ぴ 海 外 に お け る 高 速 鉄 道 網 の 整 備 と 最 高 速 度 の 推 移 ， 新 幹 線 に 係 る 公 害 訴 訟 と 騒 音 ・ 振 動 に 関 す る 環 境 基 準 ， 低 周 波 音 問 題 の 推 移 と 現 状 で の 対 策 に つ い て 解 説 し て い る 。 ま た 低 周 波 音 の 定 義 と 物 理 的 な 特 性 。 低 周 波 音 の 人 体 へ の 生 理 ・ 心 理 的 反 応 ， 低 周 波 音 苦 情 の 評 価 と 対 応 の 現 状 に つ い て 解 説 す る と と も に 、 高 速 列 車 に よ る 低 周 波 音 の 直 接 的 人 体 影 響 の 可 能 性 に っ い て 述 べ て い る 。

  第3章 で は ， 高 速 列 車 走 行 に よ る 低 周 波 音 に 関 す る 苦 情 の 主 要 因 で あ る 建 具 の が た っ き 現 象 に つ い て ， 低 周 波 音 と 地 盤 振 動 に よ る 影 響 を 調 べ た 。 低 周 波 音 に よ る 影 響 に つ い て は ， 国 内 で 一 般 的 に 使 わ れ て い る6種 類 の 建 具 を サ ン プ ル と し て 聴 覚 的 が た っ き 閾 値 お よ び 視 覚 的 が た っ き 閾 値 を 計 測 ・ 評 価 し た 。 低 周 波 音 に よ る が た っ き 閾 値 は 聴 覚 的 に も 視 覚 的 に も 建 具 の 固 有 振 動 数 で あ る10Hz前 後 に お い て 最 も 低 く な り ， そ れ よ り 低 い 或 い は 高 い 周 波 数 で は 高 く な る こ と を 示 し た 。 ま た ガ ラ ス 板 が は め 込 ま れ た 建 具 の が た っ き 閾 値 は ， ガ ラ ス 板 の は め 込 ま れ て い な い 建 具 に 比 ベ 低 い 周 波 数 域 で 音 圧 レ ベ ル が20dB程 低 い こ と を 示 し た 。 が た っ き 閾 値 は10Hz付 近 の 周 波 数 に お い て50dBと な っ て お り ， 環 境 省 の 示 す 物 的 苦 情 の 参 照 値 よ り も 20dB程 低 い こ と を 示 し た 。   地 盤 振 動 に よ る が た っ き 現 象 は ， 鉛 直 振 動 に っ い て が た っ き や す い ガ ラ ス 板 の は め 込 ま れ た 建 具 2種 類 を 試 験 し ， 建 具 の 面 に 垂 直 と な る 水 平 振 動 に っ い て 低 周 波 音 に よ る 影 響 評 価 に 用 い た6種 類 の 建 具 を 評 価 し た 。 鉛 直 振 動 に よ る が た っ き 閾 値 は 振 動 加 速 度 レ ベ ル75dB以 上 と た り ， 水 平 振 動 に よ る が た っ き 閾 値 は 振 動 加 速 度 レ ベ ル40dB〜70dBで あ り ， 建 具 の が た っ き は 水 平 振 動 に 敏 感 で

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あることを示し た。振動による建具のがた っき閥値は，周波数に応じて緩やかに上昇する傾向を示

し，低周波音に よるがたっき閾値と同様に ガラス板のはめ込まれた建具が低いことを示した。また

建 具 が が た っ く 際 に 建 具 振 動 の 高 調 波 の レ ベ ル に 急 激 な 変 化 が 現 れ る こ と を 示 し た 。

第4 章では， 列車軌道を覆う構造物の無い 明かり区間において観測される低周波音にっいて，模

型実験およぴ非 圧縮・非粘性を仮定したポ テンシヤル流れモデルによル シミュレーションしてい

る。シミュレーションにより，高速列車の周囲には列車前方に正圧，列車先頭部側面に負圧，列車後

端部側面に負圧 ，列車後方に正圧となる特 徴的な圧力場が分布していることを示した。この圧力場

が列車と共に移動することによる圧力変動は，模型実験で観測される低周波音波形とよく一致した。

そこで明かり区 間で観測される低周波音は 音波として放射されるものでなく，列車と共に移動する

列車周りの圧力 場の移動により地上に設置 された家屋等では擬似的に音 として観測されるもので

あることを示し た。シミュレーションから ，明かり区間における低周波音の距離減衰は列車長さの

の位置まで の近傍では倍距離‑lldB の低 減を示し，列車長さの1/2 以 遠では倍距離‑17dB の低減

となることを示 した。さらに列車速度上昇 による圧力増加は倍速度12dB の増加となることを示し

た。また列車長 さの低周波音レベルヘの影 響，観測位置の低周波音スペクトルヘの影響も示した。

第5 章では， 高速列車がトンネルに突入す る際にトンネル入口で放射する低周波音を，模型実験

．およぴ非粘性・ 圧縮性を仮定したオイラー 方程式を基礎方程式とする差分法によルシミュレーショ

ンを行っている 。高速列車は明かり区間に おいて第4 章に示した圧力場を形成しながらトンネルに

突入し，トンネ ル入口において圧力場が変 形することにより音波として放射していることを明らか

とした。トンネル入口における放射音は，列車先頭部側面の負圧部が最も強く放射しており，列車進

行方向に強い指 向性を有していることを示 した。放射音の距離減衰は倍距離‑6dB の減衰を示し，ト

ンネル径を大き くすると倍直径‑9dB の減少 を示し．列車速度の上昇によ り倍速度18dB の上昇を示

すことが明らか となった。

第6 章では， トンネル出口で放射する音波（トンネル微気圧波）にっいて，トンネル微気圧波の音

圧がトンネル内 を伝搬する進行波の時間圧 力勾配に比例することに着目し，トンネル内進行波の急

激な圧力上昇を 負圧および正圧による制御 波を重ね合わせることにより制御し。微気圧波を低減す

る手法を提案し，模型実験により制御の可能性を確認した。負圧波制御波による手法では，弱い進行

波に対しては微 気圧波制御効果が得られた が，バルブ部におけるチョーク現象により制御波の体積

流量が制限されることから，強い進行波に対しては十分な制御圧力波を発生することができず，微気

圧波制御効果に も限界があることが明らか となった。正圧制御波による手法は，制御波発生装置の

タンク圧カを高 く設定することができるた め，バルブ部においてチョークした状態でも質量流量を

大きくすること ができ，任意の制御波が生 成可能であった。また進行波に対し過小・過大な正圧制

御波による微気圧波制御効果の評価を行い，過小な制御においては制御効果が小さくなるが，過大な

制御においては 制御効果が落ちることが少 ぬいことを示した。また進行波に対して早い制御および

遅い制御を行い，早い制御では制御効果が著しく低下するが，遅い制御では比較的高い制御効果が得

られることが 明らかとなった。

第

章 で は ， 本 論 文 の 結 諭 と し て 以 上 の 結 果 を 簡 単 に ま と め て い る 。

最後に本研究 は，明かり区間およぴトン ネル入口において発生する低周波音の発生原因および特

性を明らかにし ，高速列車による低周波音 環境の予測を可能とした。トンネル出口におけるトンネ

ル微気圧波を正 圧制御波により低減できる ことを示した。また，低周波音による苦情の可能性のあ

るレベルを建 具のがたっき閾値として示 した。さらに振動による建具 がたっき閾値を示した。

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学位論文審査の要旨 主査

副査 副査 副査 副査

助教授 教授 教授 教授 教授

長谷部 繪内 小林 佐藤 横山

学 位 論 文 題 名

正基 正道 幸徳 馨一 真太郎

高速列車走行に伴う低周波音の発生・影響と      その制御に関する研究

近 年 ， 高 速 鉄 道 網 の 拡 充 と 高 速 化 が 進 め ら れ ， 移 動 時 間 お よ び 都 市 時 間 距 離 の 短 縮 に よ る 利 便 性 の 向 上 と 経 済 的 効 果 が 上 げ ら れ て い る 。 一 方 で 走 行 速 度 の 向 上 に よ る 沿 線 に お け る 騒 音 ・ 振 動 ・ 低 周 波 音 に よ る 環 境 影 響 が 懸 念 さ れ て い る 。 従 来 ， 列 車 の 高 速 化 に 関 す る 研 究 は 盛 ん に 行 わ れ て い る が ， 多 く は 「 高 速 走 行 技 術 」 ， 「 車 両 内 の 快 適 化 技 術 」 ， 「 法 規 制 に 沿 っ た 一 般 騒 音 ・ 振 動 の 対 策 技 術 」 等 の 向 上 を 目 的 と し て お り ， 高 速 走 行 に よ り 新 た に 問 題 と な っ た 低 周 波 音 の 発 生 と 低 周 波 音 に よ る 環 境 影 響 の 評 価 お よ び 対 策 に 関 す る 研 究 は 少 な く ， 今 後 の 発 展 が 望 ま れ て い る 。 本 論 文 は ， 高 速 列 車 の 走 行 に よ り 発 生 す る 低 周 波 音 に つ い て ， 開 放 区 間 走 行 時 お よ ぴ ト ン ネ ル 突 入 時 の 発 生 プ ロ セ ス お よ び 低 周 波 音 の 特 性 に 関 す る 模 型 実 験 及 ぴ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 解 析 ． 以 前 か ら 問 題 と な っ て い る ト ン ネ ル 微 気 圧 波 の ト ン ネ ル 内 に お け る 進 行 波 制 御 に よ る 低 減 法 の 提 案 と 模 型 実 験 に よ る 有 効 性 の 検 証 ， 高 速 列 車 に よ る 低 周 波 音 の 主 た 苦 情 で あ る 建 具 の が た っ き 現 象 の 閥 値 に つ い て 研 究 し た 結 果 を 述 ぺ た も の で あ り ，7章 で 構 成 さ れ て い る 。

第1章 で は ， 研 究 背 景 と 研 究 目 的 お よ び 論 文 構 成 を 述 ぺ て い る 。

第2章 で は ， 日 本 国 内 お よ び 海 外 に お け る 高 速 列 車 網 の 整 備 の 状 況 ， 日 本 に お け る 新 幹 線 の 騒 音 ・ 振 動 に よ る 公 害 訴 訟 お よ ぴ 環 境 基 準 ， 新 幹 線 に よ る 低 周 波 音 問 題 と 現 在 実 施 さ れ て い る 対 策 に っ い て 解 説 し て い る 。 ま た 低 周 波 音 に よ る 直 接 的 な 人 へ の 心 理 ・ 生 理 影 響 ， 低 周 波 音 に 関 す る 苦 情 と 評 価 基 準 ， 高 速 列 車 に よ る 人 体 へ の 直 接 影 響 の 可 能 性 に つ い て 解 説 し て い る 。 こ の 章 に よ り 本 研 究 の 必 要 性 お よ ぴ 意 義 を 明 ら か に し て い る 。

第3章 で は ， 高 速 列 車 に よ る 低 周 波 音 の 主 な 問 題 で あ る 建 具 の が た っ き 現 象 に っ い て ， 日 本 に お け る 代 表 的 な 建 具6種 類 の 低 周 波 音 に よ る 聴 覚 的 閥 値 お よ ぴ 視 覚 的 閾 値 を 実 験 に よ り 求 め 。 が た っ き 現 象 が 起 こ り 得 る 最 小 レ ベ ル を 示 し て い る 。 ま た 地 盤 振 動 に よ る が た っ き 閾 値 に っ い て も 鉛 直 振 動 お よ び 水 平 振 動 に っ い て 実 験 に よ り 示 し て い る 。 が た っ き 現 象 に よ り 人 に 知 覚 し 得 る 低 周 波 音 の レ ベ ル を 示 す こ と に よ り ， 高 速 列 車 に よ る 低 周 波 音 の 目 標 レ ベ ル を 示 し て い る 。 第4章 で は ， 開 放 区 間 を 走 行 す る 高 速 列 車 に よ る 低 周 波 音 に っ い て ， 模 型 実 験 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

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に よ り 解 析 し て い る 。 高 速 列 車 を 非 圧 縮 性 ・ 非 粘 性 を 仮 定 し た ポ テ ン シ ャ ル 流 れ の 考 え 方 か ら 定 常 流 れ 中 に 直 列 に お い た 吹 き 出 し と 吸 い 込 み に よ ル モ デ ル 化 す る こ と で ， 列 車 周 り の 圧 力 塲 を 計 算 で き る こ と を 示 し て い る 。 ま た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 模 型 実 験 の 結 果 を 比 較 し ， そ の 二 致 か ら 開 放 区 間 で 観 測 さ れ る 低 周 波 音 が 圧 力 場 移 動 に よ る 擬 似 的 な 音 で あ る こ と を 明 ら か と し て い る 。 更 に 低 周 波 音 の 距 離 減 衰 ， 列 車 速 度 の 影 響 ， 軌 道 か ら の 距 離 に よ る 波 形 お よ ぴ 周 波 数 へ の 影 響 等 の 特 性 に つ い て 明 ら か に し て い る 。

第5章 で は ， 高 速 列 車 が ト ン ネ ル に 突 入 す る 際 に ト ン ネ ル 入 口 で 放 射 す る 低 周 波 音 を 、 圧 縮 性 ・ 非 粘 性 を 仮 定 し た オ イ ラ ー 方 程 式 を 基 礎 方 程 式 と し ，MUSCL内 挿 に よ り 高 精 度 化 し たTVD差 分 法 に よ ル シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ て い る 。 そ の 結 果 か ら 列 車 の ト ン ネ ル 突 入 に と も な い ， 低 周 波 音 の 放 射 に4段 階 の 過 程 が 存 在 す る こ と を 示 し て い る 。 ま た 低 周 波 音 の 列 車 進 行 方 向 に 対 す る 指 向 性 ， 距 離 減 衰 ， 列 車 直 径 と ト ン ネ ル 直 径 の 比 の 影 響 ， 速 度 影 響 に つ い て 評 価 し て い る 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 模 型 実 験 と の 比 較 に よ り ， 本 手 法 に よ る 評 価 が 信 頼 で き る こ と を 示 し て い る 。 第6章 で は ， 新 幹 線 ト ン ネ ル に お い て 問 題 と な っ て い る ト ン ネ ル 微 気 圧 波 に つ い て ， ト ン ネ ル 内 に お け る 圧 力 波 の 重 ね 合 わ せ に よ る 動 的 制 御 法 を 提 案 し ， 模 型 実 験 に よ り 評 価 を 行 っ て い る 。 ト ン ネ ル 内 進 行 波 に 負 圧 の 制 御 波 を 重 ね 合 わ せ る 手 法 で は ， 負 圧 制 御 波 が チ ョ ー ク 現 象 に よ り 十 分 な 出 カ が で き な い こ と か ら 有 効 性 が 低 い こ と を 示 し て い る 。 正 圧 制 御 波 を 重 ね 合 わ せ る 手 法 で は ， 支 障 な く 任 意 の 制 御 波 の 出 カ が 可 能 で あ り 、 高 い 制 御 効 果 が 得 ら れ る こ と を 示 し て い る 。 正 圧 制 御 波 の 圧 カ お よ び 制 御 タ イ ミ ン グ に 対 す る ロ バ ス ト 性 に っ い て も 評 価 し ， 安 定 し た 効 果 が 得 ら れ る こ と を 示 し て い る 。 実 際 の 新 幹 線 ト ン ネ ル ヘ の 実 現 性 に つ い て も 言 及 し 、 本 手 法 が ト ン ネ ル 微 気 圧 波 の 新 し い 対 策 と し て 期 待 で き る こ と を 示 し て い る 。  ．

第7章 で は ， 本 論 文 の 結 論 と し て 本 研 究 に お い て 得 ら れ た 成 果 に つ い て ま と め ら れ て い る 。 こ れ を 要 す る に ， 著 者 は 高 速 列 車 の 速 度 向 上 に よ り 新 た に 問 題 と な っ た 「 低 周 波 音 の 発 生 プ ロ セ ス と 特 性 」 ， 「 ト ン ネ ル 微 気 圧 波 の 制 御 波 に よ る 動 的 制 御 」 お よ ぴ 「 低 周 波 音 に よ る 建 具 の が た っ き 現 象 の 評 価 」 に つ い て 新 知 見 を 得 た も の で あ り ， 高 速 列 車 網 の 拡 充 ・ 高 速 化 計 画 に お け る 環 境 評 価 お よ び 対 策 に 貢 献 す る と こ ろ 大 な る も の が あ る 。 よ っ て 著 者 は ， 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。

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