外部騒音・固定伝搬音に対する設計例

技術部 戸口 健治・青木 雅彦

ホテルや店舗、事務所等の商業建築物のすぐ近くを道路や鉄道が走ることは、特に郊外型のリゾートホテルを除けばごく当然のことです。 逆の言い方をすれば、それらから遠く離れたホテルは利用客からしてみれば不便な施設ということになります。
ここでは、都市型の複合建築物について、前面道路の高速道路(高架)とその下の一般道路からの外部騒音に対するホテル客室(14~28階)と事務所(4~12階)の窓仕様の検討例を示します。
また、前面道路地下部分(地下鉄構築から建物外壁まで約10m離れ)に併走している地下鉄から地下1階イベントホールへの固体伝搬音の対策検討例も併せて示します。
なお、図1に建物概要を示します。

建物概要
図1 建物概要

1. 窓仕様の検討

窓仕様の検討は、通常、以下の手順に従って進められます。

  1. 室内騒音の設計目標値の設定(ホテル客室;NC-25、事務所;NC-35とする)
  2. 外部騒音値(音源のレベル)の設定
  3. 必要な遮音性能(透過損失;TL)の計算と窓仕様の選定

1-1 外部騒音値の設定方法

外部騒音の設定の仕方は大きく分けて、(1)予測計算式を用いて机上で設定する方法、 (2)実際の建設現場で騒音を実測する方法の2種類がありますが、場合によってはその両方を踏まえた上で模型実験を行うこともあります。

(1) 学会式による予測

計画の初期段階において、建設予定地や道路の事情によって現場実測が困難な場合は、 文献データや日本音響学会の予測式<(1)式>を用いて概略の仕様を検討します。

[道路交通騒音予測計算式(車種構成を2車種分類とする場合)]

L50=Lw-8-20log(l)+10log{π・l/d・tanh(2π・l/d)}+αd+αi ... (1)式

ただし、Lw=87+0.2V+10log(a1+10a2)
L50:時間率騒音レベルの中央値[dB(A)]
Lw :1台の車の発生騒音の平均パワーレベル[dB(A)]
a1:2車種分類とした場合の小型車混入率
a2:2車種分類とした場合の大型車混入率
l:音源から予測計算する受音点までの距離[m]
d:平均車頭間隔(=1000V/N)[m]
N:交通量[台/h]
V:平均走行速度[km/h]
αd:回折減衰による補正値[dB(A)]
αi:種々の原因による補正値[dB(A)]

ここで仮に受音点までの距離40m、平均走行速度70km/h、交通量2000台/h、大型車混入率0.2とし、 補正値の項を0とすれば、L50の予測値は71dB(A)となります。
ただし、求まる値が時間率平均レベルのL50であるため、ある時間中の半分はそのレベル以下となるものの、 残りの半分の時間はその値を上回ることになります。また、その程度もどの程度なのか、何dB上回るかが推測できないため、 あらかたの騒音を予測することはできても、これだけで窓サッシの設計を行うことは実状にそぐわない場合もあり、 予測式を一部改変して、上端値(L5)を求めることを試みた例もあります。1)

(2) 現場での実測

実際の建設予定地で騒音測定を実施し、その高さ方向の騒音分布や距離減衰性状、 時間変動の様子を把握することが最も正確で、安全な外部騒音値の設定方法となります。

具体的には、工事見積に窓仕様を見込んでおく必要から、更地時や旧(既存)建屋解体前に行うことが多く、 対象とする前面道路が高架である場合は、特に地上近くだけではなく、クレーン車を敷地に入れたり、 気球を上げたりして騒音計のマイクロホンを高く吊り、高さ方向の騒音の分布性状を把握する場合もあります。 これは、高架道路からの交通騒音の場合、高架下(裏)と高架上ではかなり特性が異なるためで、 高層階に対する検討の際には、高架の防音塀に遮蔽されない位置での騒音実測値を用いることが必要となります。 (高架下は構造物から放射される低音成分が特に大きくなり、逆に高音成分は遮蔽されて減衰が大きくなります)

また、ホテル客室の場合、人が在室するのは夕方から朝までの時間帯ですが、 一般的な事務所の場合は朝から夜までの日中だけであることから、在室時間の異なる両室について窓仕様を検討するためには、 丸一日の騒音の時間変動を把握しておく必要があります。

ポータブル型データ測定システム(DL-80/PT)
写真1 ポータブル型データ測定システム(DL-80/PT)

騒音の時間変動の傾向は、一般道路の場合は朝と夕が高く、深夜午前3時から4時頃が最も騒音が小さくなりますが、 高速道路や幹線道路の場合は比較的騒音の時間変動は小さく、ほぼ一日中、定常に近いケースもあるため、 その道路(環境)の特徴を把握することが重要となります。

当計画例では、クレーンを使って4階(事務所検討用)と10階(ホテル用)相当の高さにマイクロホンを吊り上げ、 24時間(15分毎)の騒音測定を実施しました。
なお、道路交通騒音は不規則かつ大幅に変動する騒音であるため、その評価は騒音計の瞬時値を読み取るのでなく、 統計処理分析して、等価騒音レベル;Leqまたは時間率騒音レベル;Lxを算出して行うことが JIS Z 8731「騒音レベル測定法方」に規定されています。 具体的には、連続的に5~10分間程度の騒音測定を実施し、それを1時間に1回、定期的に繰り返す(24時間測定ならば24回)というような測定方法が一般的です。

以前は、測定点毎に人が張り付いて徹夜するという肉体労働を行うこともありましが、 最近は当社では自社開発したポータブル型データ測定システムを用いて自動無人測定を行っています(写真1)。 その場合、測定者は現地で機器をセッティングして一旦現場から引き上げ、24時間後に測定機器を撤収に行くわけですが、 後で騒音の状況が確認できるよう、DATに同時録音し、レベルレコーダでレベル波形をモニターしています。

なお、測定で注意する事項としては、まず天候が挙げられます。強風の場合はもちろん、 雨天の場合もできれば測定を延期することが望ましく、また、特殊な場合を除いて測定は平日に実施し、 工事が始まっている場合は工事騒音(大型車の出入り等も含め)の影響にも注意が必要です。

10階測定結果の時間変動図
図2 10階測定結果の時間変動図

その後、得られたデータより統計分析(5秒毎100個のサンプリングなど)を行い、LeqやLxを算出するわけですが、 窓仕様の検討では通常、測定時間中の騒音レベル上下(大小?)それぞれ5%を除いた90%レンジの上端値(L5)やLeqを算出します。 騒音規制法に定める道路交通騒音の場合は、中央値(L50)を騒音の代表値としますが、 一般にこれらの値を比較するとL5 > Leq > L50の順でレベルが小さくなります。なお、ポータブル型データ測定システムでは、 測定と同時に(測定現場で)統計処理演算した結果が測定器のRAMカードに記憶されるため(後分析なし)、より細かく測定を行うことが可能となります。

図2に15分毎、1秒間隔で500個のサンプリングを行った測定結果(時間変動図)を示します。

外部騒音設定値としては、それぞれの室の在室(予想)時間中、最大となる時間帯のL5またはLeqを用いれば、 ホテル客室に対する最大値は朝7時(10階測定点)、事務所に対しては16時(4階測定点)の値となります。

1.2 必要な遮音性能の計算と窓仕様の選定

以上の外部騒音設定値から、窓として必要な遮音性能(TL;透過損失)を算出し、具体的な窓仕様を検討します。

なお、室内に伝搬する外部騒音は、窓サッシからのみ伝搬するものとみなし(壁からは侵入しないと仮定)、 騒音伝搬計算式<(2)式>を用いて予測します。

SPLi=SPLo-TL+10log{Sw/(2πr2+Sw)+2Sw/R} ... (2)式
SPLi:室内における外部騒音の音圧レベル[dB]
SPLo:外部設定音圧レベル[dB]
TL :窓サッシの透過損失[dB]
Sw :窓面積[m2]
r :窓面から受音点までの距離[m]
R :室内室定数[R=A/(1-α)]
A :室内総吸音力(m2)、α:平均吸音率]

事務所(4~12階)に対しては、4階の測定結果そのままを外部騒音設定値としました。
ホテル客室に対しては、10階の測定値に距離減衰(理論上、道路の場合は距離が2倍離れれば3dBの減衰)を考慮する場合もあります。 ただし過去の測定例からは、一般に高層になる程、影響を受ける騒音源の範囲が広がるため、前面道路以外の外部騒音が重畳し、 計算どおりの減衰が期待できないことが多いため、今回は高さ方向の減衰はないものと仮定しました。
なお、窓サッシの仕様は現設計を、【ホテル客室;FL8t+FL10t/空気層6mmのペアガラス】、【事務所;FL10tのFix窓】とし、 受音点は窓面から2mの位置を想定しました。
ホテル客室(NC-25目標)については、そのグレードからLeqは参考にとどめ、L5で検討を行っています。 現設計の場合、250Hz帯域に低域共鳴透過現象【中空層を挟んだ部材の共鳴により特定の周波数の透過損失が低下する現象; ペアガラスの場合は中低音域で発生する2)】が生じ、その影響により透過音はL5でNC-40(NC値決定周波数は250Hz)、 LeqでもNC-35になるものと予想されました。計算上、L5で目標値を満たすためには250Hzで36dBの透過損失が必要となるため、 ペアガラスより空気層の大きい2重窓(FL10t+FL12t/空気層100mm)を想定すると、透過音の予測値はL5でNC-25、LeqでNC-20となり、目標値を満たします(図3)。

ホテル客室に対する検討結果
図3 ホテル客室に対する検討結果

なお、ホテル客室の場合、実際には室内にベッドやソファ等の什器が設置されるため、室内の吸音力が増し、室内騒音は低下します。 更に、遮光カーテンや遮光引戸による遮音効果(カーテンの場合は中高音域で数dB程度、引戸の場合はカーテン以上に効果あり)によって、 ガラスのコインシデンス効果【ガラス板の曲げ波の波長が透過音の波長と一致し、 透過損失が落ち込む現象;fc(Hz)≒12100/t、t;ガラス厚(mm)】による高音域(1~2kHz)の遮音劣化を補うことが期待できます。
一方、事務所(NC-35目標)については、Leqで検討を行っています。現設計では、単板ガラスのコインシデンス効果(1kHz)の影響が大きく、 NC-40が予想されました。そこで、コインシデンス効果による落ち込みの少ない合わせガラス(L12mm)を用いるとNC-35となり、 目標値を満足します(図4)。なお、事務所においては、間仕切りのない大スペースの場合は自らの騒音も大きいため、あまり問題とならなくても、 入居後、細かく間仕切られ、応接・会議室や重役室等比較的静かな室用途に供される場合は騒音が目立つこともあり、注意が必要です。

事務所に対する検討結果
図4 事務所に対する検討結果

2. 地下鉄からの固体音対策

地下鉄から伝搬する固体音に対する検討は、通常、以下の手順に従って進めらます。

  1. 室内へ放射される固体伝搬音に対する設計目標値(室内騒音許容値)の設定
  2. 室内各面の振動加速度レベルの設定と放射音の計算
  3. 必要な防振性能の計算と防振構造の選定

対策は、まず、工事前の地盤振動測定値をもとに概略の防振仕様を検討し、 工事中の躯体振動測定により詳細の仕様を検討するものとしました。

なお、イベントホールの室内騒音の設計目標値は、NC-35として検討を進めるものとします。

2.1 室内の振動加速度レベルの設定と放射音計算

(1) 地盤での振動測定

イベントホールの固体音対策の概略(浮き構造の必要性の有無)をチェックするため、 工事が始まる前に建築予定地の地盤上で振動測定を実施しました。 測定は地盤上に振動レベル計のピックアップ(X,Y,Zの3方向測定)を設置し、地下鉄通過時の振動をデータレコーダに録音しました。 分析はレベルの高い上位10列車について、通過時のエネルギー平均値を求めました。

測定に用いた振動レベル計の周波数範囲は1~90Hzですが、通常、地下鉄からの固体音で問題となるのは63Hz帯域が主であることから、 概略のチェックにおいては問題ないとしました。鉛直方向(Z方向)の測定結果を図5に示します。

地盤振動の測定結果
図5 地盤振動の測定結果

(2) 概略検討

測定した振動加速度レベルから、室内に放射される音圧レベルの予測は下記の変換式<(3)式>を用います。

SPLs=VALe-20log(f)+10log(K・Sv/A)+36 ... (3)式

SPLs:固体音による音圧レベル[dB]
VALe:面の振動加速度レベル[dB]
f:周波数[Hz]
K:放射係数
Sv:設定した面の面積[m2]
A:室内総吸音力[m2]

ここで過去の測定例等から、63Hzの室内の平均吸音率を0.10、放射係数を0.3とし、地盤から建物への振動増幅を0~+10dBと仮定すると、 63Hzの振動加速度レベルに5~15dBを加えた値が室内の放射音レベルとなります。逆に言えば、目標値(NC-35)の63Hzの値が60dBであることから、 振動加速度の測定値が63Hzで45dB以下~55dB以下であることが目標値を満たすための条件となります。
地盤での測定値をもとにした概略チェックによると、固体伝搬音は最大値でNC-40~55と推定され、 63Hzでみると4~14dBの防振対策が必要と予想されました。
地下鉄からの固体音対策3) 4)は、地下鉄に近い側から、

  1. 地下鉄軌道を防振する方法
  2. 地中に防振溝、防振連続地中壁を設ける方法
  3. 建物全体を防振(免振)する方法
  4. 対象室のみを防振する方法(浮き構造)

などが挙げられますが、特にB.、C.の防振効果は、地下鉄構築と建物の深さや位置の関係、 伝搬経路の地盤性状などから、地上を走る鉄道に較べて複雑で、予測が難しくなります。
当イベントホールに対しては必要とされる防振対策量などから、D. 対象室のみを防振する方法を採用するものとし、 防振ゴムを使った防振仕様を計画しました。

(3) 工事中の測定

防振仕様の詳細を検討するため、底盤の地下3階のスラブが出来上がった段階で、振動測定を実施しました。 測定は地下鉄通過時の振動を躯体スラブに取り付けた振動加速度ピックアップよりチャージアンプを通してデータレコーダに録音しました。 分析は地盤振動測定時と同様としましたが、周波数の上限を500Hzまでとしました。
なお、騒音の測定と同様、振動の測定においても、測定しているフロアや離れた階からの工事作業の影響を受けることがあります。] したがって、測定は現場で工事作業が終了した18時以降に実施しました。
測定結果によると、地下鉄構築に近いスパンで最もレベルが高く、63Hzでは 65dBとなります。

(4) 詳細検討

上の結果から地下1階スラブ床面の振動加速度レベルを<(4)式>にて予測し、 放射する音圧レベルは<(3)式>を用いて計算しました。

VALe=VALs+ΔL1+ΔL2 ... (4)式

VALe:地下1階スラブの振動加速度レベル[dB]
VALs:地下3階スラブの振動加速度レベル[dB]
ΔL1:20・log(t1/t2)2
t1,t2:測定面及び予測面の躯体スラブ厚さ[mm]
ΔL2:建物垂直方向振動伝搬減衰量[dB] (-2dB/フロアと仮定)

実際には振動は床だけでなく、壁、上階スラブにも伝わり固体音として放射するため、 床、壁、天井の各面の振動加速度レベルを予測し、それぞれの放射音を合成しました。また、内装材による増幅4)も考慮して、 壁については63Hz、250Hzで+5dB、125Hzでは+10dBの補正を加えています。予測計算結果によると、固体音の影響はLeqでNC-45となり、 NC値を決定する周波数は63Hzと125Hzとなります。
そこで、床のみを防振ゴムによる浮き構造とし、仕上げ壁を浮床上に乗せ、天井は防振吊りとする仕様にした場合、 室内騒音はNC-35と予測されました。検討結果を図6に示し、防振仕様の概略(案)を図7に示します。

イベントホールに対する検討結果
図6 イベントホールに対する検討結果

なお、グラスウールではなく防振ゴム浮床を計画したのは、問題となる地下鉄振動の主成分が63、125Hz以下の低音域であるためです。 経験上、実際に施工された浮床の防振効果は、その(設計)固有振動数の3倍程度以上の帯域でないと十分発揮しないことから、 グラスウール浮床(固有振動数fo;20~30Hz程度)ではなく、防振ゴム(M-5タイプ2段、fo;10Hz以下)を選んでいます。

防振仕様の概略案
図7 防振仕様の概略案

ところで、浮床の施工においては、時々、失敗例を聞くことがありますが、それらのほとんどは、 浮床周辺端部の絶縁不良や設備配管によるサウンドブリッジ等が原因であるため、仕上げに隠れるところにまで、 細かい注意を払った丁寧な現場施工が要求されます。また、グラスウール浮床がその施工性の簡易さからよく計画されますが、 減衰させたい周波数帯域によっては効果があらわれにくいこともあります。
今回は室のグレードから簡易な防振ゴム浮床としましたが、室のグレードと伝搬振動の大きさによっては、 鉄骨軸組を用いた防振ゴム浮床と、浮き遮音壁を用いた完全浮き構造が必要となる場合もあります。
外部騒音と固体音に対する実際の検討方法をまとめてみましたが、この方法は現時点での1つの方法ではあるものの、 実務レベルの技術者が、それぞれの方法で対処しているのが現実であり、計算式のアレンジや補正値も様々であると思います。 特に振動について、最近はインピーダンス測定を用いた予測も試みられており、当社でもようやくデータを集め始めたところです。
また、室内騒音の評価において、関係者の打ち合わせの席上、「透過音のNC-○○はいったいどの程度に聴こえる音なのか?」 といった質問を受けることがよくあります。そういったニーズに答えるため、可聴化と併せた評価が行われつつあり、当社においても、 ディジタルフィルタリングシステムを用いて、現場でDAT録音した音源テープを加工し、 関係者に仕様の違いによる透過音の変化を試聴していただく試みを始めています。
ただし、可聴化の方法によっては、絶対レベルでの提示が困難な場合もあり、慎重に進めていかなければならない課題であると思います。 今後は更に精度の良い予測と併せて、検討結果のわかりやすい提示方法についても工夫しなければならないと考えています。 この報告は、『音響技術 No.92』(vol.24 No.4 1995年12月、(社)日本音響材料協会発行)に発表した 「外部騒音に対する遮音検討」に一部修正加筆したものです。

【参考文献】

1) 益田、井原:“道路騒音・振動の実態と対策方法”、 音響技術 no.75/sep.1991 p.9-15
2) 吉村:“開口部の遮音性能について”、音響技術 no.83/sep.1993 p37-43
3) 豊田他:“鉄道に近接したホール”、音響技術 no.79/sep.1992
4) 安藤:“鉄道振動の現状と対策事例”、音響技術 no.75/sep.1991 p.31-38