Bevezetés

A laboratóriumban végzett kísérleti vizsgálatokkal megállapítottuk a pályaszerkezeti elemek (aljpapucs, sínleerősítések, sínkamraelemek) rezgésátviteli és rezgéscsökkentő hatásait. Ezeket az eredményeket helyszíni mérésekkel egészítettük ki, hogy valós adatokat nyerjünk az elemek zaj- és rezgéscsillapítási hatékonyságairól.
A vasúti pálya-jármű rendszerben az elsődleges zajforrás a jármű (meghajtás, sín-kerék kapcsolat), azonban a pálya elemeinek kialakítása, minősége és pillanatnyi állapota is befolyásolhatja a zaj kialakulásának nagyságát. A helyszíni mérések célja, hogy összehasonlítsuk az egyes felépítményszerkezeti megoldások, rétegrendek vagy a zajcsillapítási kísérletek hatékonyságait. Olyan mérési helyszínekre volt szükség, ahol közel azonos körülmények és környezeti hatások (környezet, beépítettség, növényzet stb.) mellett azonos forgalmi terhelés tapasztalható, illetve csak egyetlen paraméterben tér el a pálya szerkezete, rétegrendje, minősége vagy állapota. Az eltérés háromféle lehet: eltérő pályaszerkezeti megoldás (sínleerősítések); azonos pályaszerkezeti megoldás, de valamilyen elemben eltérő állapot (sínfelület minősége); azonos pályaszerkezeti megoldás, azonos állapot, de eltérő aktív zajcsillapítási megoldás alkalmazása (kamraelem, aljpapucs). Másrészt vizsgálni kí­ván­tuk a különféle pályaszerkezeteken közlekedő, különböző szerelvények által keltett zajt és rezgést.
A pályamérések körülményeinek és eredményeinek részletezése mellett kifejtjük a CNOSSOS-EU-metodika gördülési zajok meghatározására vonatkozó számítási eljárását is, ugyanis az egyik elvégzett helyszíni mérés adatait ezzel a módszerrel is feldolgoztuk.

Mérési helyszínek

Célkitűzéseink érdekében olyan helyszíneket kerestünk a mérések végrehajtására, ahol akusztikai szempontból megfelelő és közel azonos körülmények között, ugyanazon szerelvények közel azonos üzem­állapotban keltett zaja és rezgése vizsgálható a referencia pályaszakaszon, illetve az annak közelében levő módosított pályaszerkezeten.
A vasúti járművek és szerelvények zajvizsgálatára vonatkozó szabvány [1] szerint a méréseket sík (a sínkorona magasságához képest legfeljebb 0 és –1 m közötti magasságú) terepen fekvő pályán kell végezni. A mérőmikrofonok közelében nem lehetnek hangvisszaverő objektumok és felületek. A pálya és a mérőmikrofon közötti területnek szabadnak és lehetőség szerint mentesnek kell lennie nagy hangelnyelési fokú anyagoktól (pl.: nem lehet közben másik vágány, magas növényzet vagy hó), de nem lehet teljesen vissza­verő felület sem (pl.: vízfelület vagy jég). A megengedett maximális szélsebesség 5 m/s, az alapzajnak a vonat elhaladása közben mért értéknél minimum 10 dB-lel alacsonyabbnak kell lennie.
Ilyen, az ideális körülményeket maradéktalanul biztosító pályaszakasz Magyarországon tudomásunk szerint nincs, a vizsgálatokat ezért csak kisebb-nagyobb kompromisszumok árán kiválasztott helyszíneken tudtuk megvalósítani. Öt kijelölt helyszínen új sín, kamraelem, aljpapucs és sínleerősítések vizsgálatát végeztük el (1. ábra). A vonalakon ott mértünk, ahol a felépítményi szerkezetben váltás történt. Egy mérőpontot a szerkezetváltás előtt, illetve egyet az után kb. 200 m távolságban vettünk fel, hogy a zaj- és rezgéskeltés egyértelműen és tisztán a kijelölt szakaszon haladó szerelvénytől származzon. A két mérőponton azonos felépítésű mérőrendszert telepítettünk.

Mérőeszközök

A sínfej alatt, az alátétlemezen (ahol lehetett), a keresztaljon és a zúzottkő ágyazat melletti padkánál talajba levert talajszondán fokozatosan növekvő érzékenységű gyorsulásérzékelőket helyeztünk el, amelyek rögzítése csavarral vagy erős mágnes segítségével történt (2. ábra). PCB tí­pusú gyorsulásérzékelőket alkalmaztunk 2 és 1000 mV/g közötti érzékenységgel. A PCB típusú, 28 mV/g érzékenységű mérőmikrofonokat szabvány [1] szerint a vágánytengelytől 7,5 m távolságban és a sínkorona felett 1,2 m magasságban, illetve 25 m távolságban és 3,5 m magasságban állítottuk fel, továbbá a szélzajok mérséklése érdekében zajcsökkentő szivacsfeltéttel láttuk el.

A rezgésgyorsulással, illetve hangnyomással arányos feszültséget PCB 482 A20, illetve PIM típusú előerősítővel kondicionáltuk, és National Instruments gyártmányú, NI 9234 típusú analóg-digitális konverterekkel digitalizáltuk. A mérőrendszerek energiaellátását 12 V-os akkumulátorról táplált, szinuszos 230 V-os feszültséget előállító inverterek szolgáltatták. A digitalizált jelet a helyszínen egy laptop segítségével rögzítettük.
A mérőrendszer egyik fontos, egyben meglehetősen kritikus eleme a szerelvények helyzetét és elhaladási sebességét mérő és rögzítő berendezés volt. Az eszköz egymástól kb. 1,2 m távolságban elhelyezett két fénykapuból és a jelek egyetlen mérőcsatornán való rögzítését lehetővé tevő analóg áramkörből állt. A fénykapukat és a fényvisszaverő prizmákat kezdetben a pálya mellett helyeztük el, ez azonban megbízhatatlannak bizonyult, ezért a második méréssorozattól kezdve közvet­lenül a sínszálon rögzítettük (3. ábra).

Mérések feldolgozása

A helyszínen rögzített, digitalizált jelek feldolgozása és értékelése utólag, a BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék munkatársai által kidolgozott, az adott feladathoz illesztett mérőszoftver segítségével, laboratóriumi körülmények között történt. A jelfeldolgozás több lépcsőben valósult meg.
Elsőként azokat a felvételeket válogattuk ki, amelyek környezeti alapzaj (pl.: a másik vágányon közlekedő szerelvény), a sínkoronán fellépő elektromos zavar vagy egyéb ok miatt nem voltak alkalmasak a feldolgozásra. Ezután a keresztaljon mért időjel effektív értékének csúszó időablakokban végzett meghatározásával, automatikus triggereléssel, illetve manuális beavatkozással választottuk ki a szerelvény elhaladásának idejére eső jelszakaszt.
Ezekre az időkre a mért jeleket gyors Fourier-transzformációnak vetettük alá, és a szerelvény elhaladásának idejére eső integrálást alkalmazva csatornánként és elhaladásonként egy-egy terc-sávos frekvenciaspektrumot képeztünk. A kétféle pályaszerkezeten az érzékelők közelében elhaladó szerelvények elhaladásának idejére meghatározott zaj- és rezgésspektrumokat úgy hasonlítjuk össze, hogy a beépített zaj- és rezgéscsillapító elemnél mért jellemzőket elosztjuk a referencia pályaszakaszon mért azonos típusú jellemzővel, és az eredményt decibelben kifejezve, tercsávos spektrum vagy egyszámadatos zajszint [dB (A)] formájában adjuk meg.
A hangnyomásszint-spektrumokból frek­­ven­ciasúlyozással szabványos A-hangnyomásszinteket számítottunk, amelyekhez hozzárendeltük a fénykapuk jeléből számított sebességet és a szerelvény elhaladási idejét is. A kapott egyszámadatos jellemzőket az 1. táblázatban közöljük. A helyszínenként telepített két mérőpont egy szerelvény elhaladására vonatkozó gyorsulás-, illetve hangnyomásszint-spektrumaiból kivonással különbségi frekvenciaspektrumokat képeztünk, amelyeket mérőhelyenként átlagolva megkapható a vizsgált pályaszerkezetre jellemző zaj-, illetve rezgésváltozás mértéke: ΔL = L (vizsgált pályaszerkezeti elem)-L (referencia).
Az eredmények átlagolása a mért vonattípusoktól és azok sebességétől függetlenül minden, az adott helyszínen rögzített és kiértékelhető regisztrátum feldolgozásával készült. Amennyiben az érték negatív, a pályaszerkezeti elem csökkenti, amennyiben pozitív, akkor növeli a szinteket a referenciaértékekhez viszonyítva. Az átlagértékek mellett minden különbségi spektrumból tapasztalati szórás értékeket is számítottunk, így a mérés megbízhatóságáról is információt nyertünk. A részletes adatok és számítások bemutatását mellőzve ismertetjük helyszínenként a zaj- és rezgésmérések eredményeit.

Eredmények

Az öt helyszínen végzett vizsgálat eredményeit együttesen az 1. táblázat foglalja össze. A táblázat a számított egyszámadatos zajjellemzőket, a vizsgált pályaszerkezeti elem által eredményezett szabványos A-hangnyomásszint-változásokat, illetve a sínfej alatt, a keresztaljon, valamint az ágyazat melletti padkán (talajon) elhelyezett érzékelők által mért, a vizsgált elemek rezgésekre gyakorolt hatásait tartalmazza. Az elemek mért rezgés- és zajjellemzői szoros összefüggésben állnak egymással. A zajszintek változásai szükségszerű következményei a mért rezgéseknek.

Dunavarsánynál célunk a sínfelület minőségi javításával elérhető csillapítások kimutatása volt, hogy az új vagy köszörült sínszálak milyen mértékben befolyásolják az itt közlekedő szerelvények által keltett zaj és rezgés mértékét. A két mérőpontban mért átlagos rezgésamplitúdókat frekvenciaspektrumban ábrázolva figyelhető meg, hogy melyik frekvenciahelyeken történik csillapítás, esetleg erősítés a referenciaponthoz képest (4. ábra). A grafikonokon a nulla kitérés alatti értékek csökkenést, az a feletti értékek erősítést jelentenek. Az elhelyezett három rezgésérzékelő mérési eredményeiből látható, hogy a síncserélt pályaszakaszon minden mérési ponton, de leginkább 500 Hz alatt szignifikánsan kisebb rezgésamplitúdókat mértünk, mint a referenciapontokon. 500 Hz fölött csak a sínrezgés haladta meg jelentősen a referenciaértéket. Ennek megfelelően a pálya mellett mért zajspektrumban (5. ábra) 100 és 500 Hz között jelentős, 10 dB-t is elérő csökkenés figyelhető meg. Mivel azonban a 630 és 2500 Hz közötti tartományban a csökkenés minimális, így az eredő zajszint átlagosan csak 1,2 dB(A)-val csökkent (1. táblázat).