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講義No.03810

新幹線のスピードアップのカギをにぎる、トンネル騒音対策

圧縮された空気が伝わって衝撃音が発生

 日本が世界に誇る新幹線の特長は、安全性と信頼性、快適性です。そして、もうひとつが環境との調和であり、一番大きいものがトンネル騒音対策です。列車が高速でトンネルに入ると、空気鉄砲と同じ原理で列車の前の空気がぐっと圧縮され、音速に近い速度で空気がトンネル内を伝わります。そしてトンネル出口に到達すると、パルス(瞬間的な波動)状の圧力波が出口から周囲へ向けて放出され、「ボン」という低周波の衝撃音が発生するのです。

速度を10%上げると騒音は50%以上アップ

 トンネル騒音が問題になったのは、1975年に山陽新幹線が全線開通したときで、ドカンという音に苦情が相次ぎました。当時の車両は0系と呼ばれ、最高速度はまだ220km/hでした。この衝撃音は鉄道関係者の間では「微気圧波」と呼ばれ、その強さはトンネルの長さにもよりますが、列車速度の3乗以上で比例して大きくなります。速度を10%上げると騒音は50%以上大きくなる計算です。そこで1988年、新幹線を新しい車両で、300km/hで走らせたいJRの意向を受けて、トンネル騒音対策が本格化したのです。

解決策はトンネル入口と列車の先頭形状

 まず空力音響学によって、トンネル内の空気圧力の上がり方(勾配)が速いと音が大きくなることがわかりました。そして圧力勾配を下げるためには、トンネル入口での空気圧力の低減が重要であり、対策としてトンネル入口を手前に延長した筒状の構造物・緩衝工を設置し、また列車先頭の形状を工夫したのです。列車先頭は、カモノハシのくちばしのような独特な形状のロングノーズとなりました。運転席を含めた断面積を小さくして空気圧力を下げ、後は空気の流れを考慮しながら自由にデザインされています。
 さらに最近の研究では、長さが20kmを超える長大トンネルでは、いくら高速で列車が進入しても、先へいくと空気の圧力勾配が下がるため、騒音問題が発生しないこともわかってきました。新幹線を取り巻く環境は日々変化しているのです。

参考資料
1:新幹線のトンネル騒音の実態

この学問が向いているかも 流体力学、流体音響学、音響学

九州大学
工学部 エネルギー科学科 教授
青木 俊之 先生

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メッセージ

 現在、私は「空気の流れ」と「音」の研究をしていますが、その前は機械工学でいろいろなことを研究してきました。しかし、昔から音は好きでした。好きだから、空気の流れと音の関連に興味を持って研究できるのです。今やっていることに何ひとつ無駄はありません。小学生の頃から鉄道が好きだった私に、JRから新幹線の騒音対策の共同研究の話が来たのも必然かもしれません。なんでも興味を持って取り組んでいれば、いつか結びつきます。若いあなたにはいろいろな好奇心があるはずです。たくさんのことにチャレンジしてください。

先生の学問へのきっかけ

 小学生の頃から鉄道が好きで、鉄道模型を欲しがったりしたものです。中学生の時には真空管のラジオを作り、高校生になるとステレオアンプを作ってレコードを聴いていました。
 大学の学部を選ぶ時には、電気か機械か悩みましたが、機械を選びました。たぶん、ものを作りかったのだと思います。大学では機械工学科で機械力学、熱力学、流体力学、材料力学などを研究してきました。

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※夢ナビ講義はそれぞれの先生の見解にもとづく講義内容としてご理解ください。

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