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Train pass-by noise source characterization and separation tools for cost-effective vehicle certification

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Präzisere Modellierung könnte zu leiseren Eisenbahnen führen

Im Rahmen des Projekts TRANSIT wurden Instrumente und Verfahren entwickelt, mit denen der Lärm- und Vibrationspegel von Eisenbahnen gesenkt werden kann, was der Kundschaft, dem Personal und den Menschen, die in der Nähe von Gleisen und Bahnhöfen leben und arbeiten, zugute kommt.

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Während die EU-Initiative Shift2Rail darauf abzielt, den Umfang des Schienenverkehrs zu steigern und damit zur Erreichung der Umweltziele beizutragen, wird in dem zugehörigen mehrjährigen Aktionsplan eingeräumt, dass Schienenlärm und -erschütterungen nach wie vor eine große Herausforderung darstellen. Verschiedene Initiativen zur Lärmbewertung haben zu CNOSSOS, dem europäischen Industriestandard, geführt, aber es mangelt nach wie vor an Methoden zur genauen Messung spezifischer Lärmerzeuger, wie z. B. der Zugbeschleunigung oder Radrauheit. Die Simulations- und Lärmminderungsinstrumente des EU-finanzierten Projekts TRANSIT wurden zur Lösung dieses Problems entwickelt. „Unsere Lösungen bringen uns dem Endziel der virtuellen Zertifizierung näher. Wenn wir in der Lage sind, den Lärm eines bestimmten Fahrzeugs in einem komplexen Vorbeifahrtsszenario allein auf der Grundlage von Modellvorhersagen genau vorherzusagen, können die Eisenbahnunternehmen Zeit und kostspielige manuelle Messungen einsparen“, erklärt Projektkoordinatorin Ines Lopez Arteaga von der Technischen Universität Eindhoven, an der das Projekt angesiedelt ist.

Modelle auf der Grundlage von Labor- und Feldtests

Im Labor wurden Messungen durchgeführt, um die Geräuschpegel einer Reihe von Eisenbahnkomponenten zu charakterisieren, von Heizung, Lüftung und Klimatechnik bis hin zu Traktionssystemen. Dadurch konnte das TRANSIT-Modell den Beitrag der einzelnen für den Vorbeifahrtslärm verantwortlichen Eisenbahnkomponenten isolieren und messen. Rollgeräusche werden beispielsweise durch Schwingungen von Rädern und Schienen verursacht, die durch die kombinierte Rauheit von Rädern und Schienen bestimmt werden. Um den relativen Beitrag jeder einzelnen Komponente zu ermitteln, ist nicht nur erforderlich zu wissen, wie viel Lärm jede verursacht, sondern auch, wie rau sie ist. „Selbst wenn man geräuschlose Räder hätte, würde die Schiene aufgrund der Wechselwirkung mit den Rädern umso mehr Lärm verursachen, je rauer sie sind“, so Arteaga. „Die kombinierte Rauheit kann aus der Messung von Schienenschwingungen gewonnen werden, aber die Trennung von Rad- und Schienenrauheit setzt voraus, dass mindestens eine der beiden Rauheiten gemessen wird.“ Die Lösung von TRANSIT bestand darin, auf der Grundlage mehrerer Überfahrten einen Schwellenwert für die Rauheit des Rades oder der Schiene festzulegen – je nachdem, welcher Wert am niedrigsten ist. Anschließend wurden Messungen der vertikalen Beschleunigung am Schienenkopf über einzelne Räder, Drehgestelle oder ganze Züge vorgenommen. „Unsere Methode erlaubt es, die Rad- und Schienenrauheit abzuschätzen, ohne die Schienenrauheit direkt zu messen. Das ultimative Ziel ist es, den Beitrag von Rad und Schiene zum Rollgeräusch getrennt zu messen“, fügt Arteaga hinzu. Die Isolierung des Beitrags von Rädern und Gleisen zum Vorbeifahrgeräusch hilft den Betreibern, sektorale Vorschriften wie die technischen Spezifikationen für die Interoperabilität und die Umgebungslärmrichtlinie einzuhalten und gleichzeitig die Zeit zu verkürzen, die für die Stilllegung von Gleisen bei manuellen Messungen benötigt wird.

Lösungen für Feldtests

Zur Überprüfung der Vorhersagen der Modelle wurden verschiedene Feldmessungen durchgeführt. Eine Möglichkeit, den Energieverbrauch von Zügen zu senken, besteht beispielsweise darin, ihr Gewicht zu reduzieren. Dadurch erhöht sich jedoch häufig der Geräuschpegel im Innenraum, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Um den Lärm der Klimaanlage zu verringern, entwickelte TRANSIT eine schallabsorbierende Lösung. Es wurde ein aus dünnen Scheiben bestehendes Resonator-Array entworfen, die an Membranen befestigt sind und hinter denen sich ein kleiner Hohlraum befindet. Nach ihren Berechnungen hätte dies zu einer erheblichen Verringerung des Lärmpegels führen müssen, doch als der Prototyp tatsächlich erprobt wurde, war dies nicht der Fall. „Wir arbeiten jetzt an einem neuen Design, das uns die nötige Membransteifigkeit verleiht, um die vom Modell vorhergesagte Leistung zu erreichen“, sagt Arteaga. Um die Modellierung des Projekts weiter zu validieren, arbeitet das Team nun daran, seine Methoden zur akustischen Charakterisierung auf dem Prüfstand auf weitere Quellen anzuwenden und gleichzeitig Methoden zur Vorhersage der Richtungsabhängigkeit von Lärmquellen weiterzuentwickeln.

Schlüsselbegriffe

TRANSIT, Schiene, Zug, Rad, Lärm, Modell, Gleis

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