Pijlsnel railgeluid meten met het ARRoW systeem

Ard Kuijpers & Wout Schwanen, M+P - raadgevende ingenieurs, mei 2008

Rolgeluid

Rolgeluid is de belangrijkste bron van railverkeerslawaai voor doorgaand spoor. Het rolgeluid van treinen wordt veroorzaakt door trillingen in wiel en rail die de omringende lucht in beweging brengen wat als geluid waarneembaar is. De trillingen worden veroorzaakt door de oneffenheden op het loopvlak van het wiel en de rail. Deze oneffenheden worden meestal aangeduid met ruwheid.

 
Het ontstaan van rolgeluid bij wiel en rail

Rolgeluid wordt beďnvloed door de specifieke eigenschappen van het railvoertuig en van de baan. De voertuiginvloed bestaat voornamelijk uit het wieltype en de ruwheid van het wiel. Deze laatste wordt voornamelijk bepaald door het remsysteem van de trein. De invloed van de baan bestaat uit de railruwheid en de dynamische eigenschappen van de rail en de railbevestiging.

De invloed van het voertuig op het rolgeluid kunnen we meten. Op een baandeel, waarvan de akoestisch relevante eigenschappen bekend zijn, meten we langs de baan het rolgeluid van verschillende voertuigen die voorbij komen. De verschillen die we dan vinden tussen de verschillende voertuigen worden alleen veroorzaakt door het voertuig: hetzij door de voertuigeigenschappen of door de snelheid.

De invloed van de baan op het rolgeluid kunnen we meten door met een voertuig, waarvan de akoestisch relevante eigenschappen bekend zijn, op verschillende stukken spoor met verschillende eigenschappen te meten. We kunnen het rolgeluid naast de baan meten en dit op verschillende plekken doen voor hetzelfde voertuig. Dit is echter nogal tijdsintensief en dus duur.

Het ARRoW systeem is ontwikkeld om aan dit bezwaar tegemoet te komen. Het systeem is ontwikkeld om zo efficiënt mogelijk verschillen in rolgeluid te registreren die het gevolg zijn van veranderingen in de baan. ARRoW is een acroniem voor “Acoustic Rail-influence Recording on Wheels”. Het ARRoW systeem meet het rolgeluid bij het een draaistel van een rijdende trein dus alle gemeten veranderingen in rolgeluid zijn het gevolg van verandering van de baan, de trein blijft immers gelijk. Op die manier kunnen we snel van grote lengtes spoor de geluidstechnische eigenschappen vastleggen.

De meetwagon van BAM Rail met het ARRoW systeem

Het ARRoW systeem kan in veel toepassingen worden ingezet. Een belangrijke toepassing is het vaststellen en monitoren van invloed van de railruwheid op het rolgeluid. Dit is de aanleiding geweest voor het starten van de ontwikkeling van het ARRoW systeem.

Monitoring railruwheid

Het beheersen van de railruwheid is op de HSL-Zuid gekozen als geluidsreducerende maatregel, naast het plaatsen van geluidschermen. In tegenstelling tot geluidschermen is het beheersen van de railruwheid een bronmaatregel. Als we de ruwheid van de rail laag houden blijft de aanstoting van de wielen en de rail laag en dus zal er minder rolgeluid ontstaan. Het beheersen van de railruwheid heeft als bijkomend voordeel dat de kosten flink lager zijn dan die van traditionele maatregelen.

Het beheersen van de railruwheid vereist monitoring. Dit kunnen we doen met stationaire railruwheidsmeters, maar dat is niet praktisch. Stationaire railruwheidsmetingen zijn arbeidsintensieve metingen waarbij maar een klein stukje spoor in kaart wordt gebracht. Daarom is het op deze manier meten van grote stukken spoor praktisch niet haalbaar. Waarom volgen we geen logischere aanpak: de ruwheid beďnvloedt het rolgeluid direct dus door het rolgeluid te meten kunnen we de railruwheid achterhalen. Deze logische stap heeft geresulteerd in de ontwikkeling het ARRoW systeem.

Ontwikkeling

Het gebruik van een geluidmetingen om de railruwheid te monitoren is niet uniek. In Duitsland wordt al jaren de SchallMessWagen (SMW) van de Deutsche Bahn ingezet om rolgeluid te meten. In Nederland is gekozen voor het ontwerp van een nieuw systeem waarin nieuwe ontwikkelingen op gebied van meettechniek en dataverwerking zijn meegenomen. Bij deze ontwikkeling was het essentieel gebruik te kunnen maken van de uitgebreide ervaring die M+P heeft met het in eigen beheer ontwikkelde CPX-systeem voor wegverkeer. De CPX-methode hanteert immers hetzelfde principe: door rolgeluid te meten kunnnen we de invloed van de infrastructuur in kaart brengen. Als we autoband door treinwiel en wegdek door rail vervangen hebben we een vergelijkbaar systeem.

Bij de ontwikkeling van het ARRoW systeem was het uitgangspunt om de railruwheid zeker zo nauwkeurig te kunnen meten als met de SMW. Een tweede uitgangspunt was het systeem flexibeler in inzetbaarheid te maken door het systeem niet te koppelen aan een specifiek meetvoertuig. Een derde uitgangspunt was het systeem zoveel mogelijk te automatiseren zodat het systeem snel resultaten levert en een mogelijke operator-invloed zoveel mogelijk uitsluit.

Het ontwikkeling van het ARRoW systeem heeft geresulteerd in een meetsysteem aan boord van een trein en analysesysteem dat online of offline wordt gebruikt voor de verwerking van de meetdata.

De uitgangspunten bij het ontwerp hebben geleid tot de volgende uitvoering van het meetsysteem:

• Het rolgeluid wordt gemeten op 4 wielen: Hierdoor hebben we niet alleen meer signalen, wat het systeem robuuster maakt bij eventuele uitval van microfoons, maar realiseren we ook een betere signaal/ruisverhouding.
• We meten dicht bij de wielen. Hierdoor hebben we minder last van stoorlawaai. Verder wordt de verstorende invloed van absorberend ballast op deze manier zo klein mogelijk gehouden.
• Traditioneel wordt de snelheid van een trein gemeten met de asgever. Op de ARRoW gebeurt dit echter met GPS. Hierdoor kunnen we naast de snelheid ook zeer nauwkeurig de positie vastleggen. Daarnaast zijn we niet afhankelijk van de aanwezigheid van een asgever en kunnen we het systeem flexibeler inzetten.
• Het systeem opereert onafhankelijk van een stroomvoorziening op trein.
• Het systeem is niet gebonden aan een specifiek voertuig. Het is niet alleen in te bouwen in normaal spoormaterieel maar ook op light-rail en trams.
• Bij een onbekend railvoertuig kan een ijking noodzakelijk zijn om absolute waarden voor railruwheid te krijgen of om de gegevens direct te kunnen vergelijken met passeergeluidmetingen.
• Er kan gemeten worden in de snelheidsrange van 40 tot 160 km/h.

Het analysesysteem bestaat uit een aantal software-modules die op basis van geluidmeetdata, GPS-data en informatie over de baanligging automatisch een rolgeluid(reductie) als functie van de kilometrering levert. Eventuele gegevens over ijking worden hierin automatisch verwerkt. Ook is het mogelijk om een correctie voor een hoge of lage ruwheid van de wielen van het meetdraaistel toe te passen indien dit nodig is.

Geluidreductie als functie van de kilometrering

De eerste inzet van het ARRoW systeem vond plaats tijdens de proefritten op de HSL-Zuid in 2006. Hierbij is het systeem ingebouwd in een Thalys trein en heeft autonoom de aanvangstoestand van railruwheid van het HSL-Zuid in kaart gebracht.

Meetwagon

Voor het meten van zeer lage railruwheden is het van belang dat de meetwielen zelf ook een lage ruwheid hebben. Als de meetwielen te ruw zijn dan overschaduwt dit de te meten railruwheid. Voor het goed meten van lage railruwheden is het noodzakelijk om het ARRoW systeem te gebruiken op een goed geconditioneerd draaistel met lage wielruwheid.

Bovengenoemde opzet is gerealiseerd op de meetwagon van de BAM Rail in nauwe samenwerking met M+P. Het ARRoW systeem is vast gemonteerd op deze wagon. Van deze wagon kunnen we de wielruwheid goed beheersen, waardoor we de invloed van het treindeel op het totale rolgeluidniveau kennen. Een lage (en constante) wielruwheid wordt gegarandeerd doordat het meetstel ontdaan is van de reminrichting. Indien er toch een te hoge wielruwheid optreedt kunnen de wielen opnieuw afgedraaid worden.

Detailfoto van een meetmicrofoon gemonteerd op de BAM Rail meetwagon

Het ARRoW systeem op de BAM Rail meetwagon heeft zijn praktische inzetbaarheid aangetoond in het IPG project “Monitoring akoestisch slijpen”. In dit project is onderzocht wat de nauwkeurigheid is van het instrument (in termen van repeteerbaarheid, reproduceerbaarheid en representativiteit). Het instrument blijkt goed in staat om de verschillen in railruwheid in kaart te brengen. Een vergelijking met de SMW heeft aangetoond dat de ARRoW zeker zo betrouwbaar is en dat bijv. verstoring van de meting door windgeruis bij de microfoons niet aan de orde is.

Berekende geluidreductie op basis van de rolgeluidmetingen met ARRoW en SMW

Breed inzetbaar

Op dit moment wordt het ARRoW systeem vooral gebruikt voor het meten van railruwheid. Maar het ARRoW systeem is veel breder inzetbaar. Het systeem kan wordt toegepast voor:

• Het meten van het effect van andere maatregelen aan de bestaande infrastructuur. Denk hierbij aan de stijfheid van de oplegging of het effect van toepassing van raildempers als geluidreducerende maatregel.
• Het scheiden van rolgeluid en bruggeluid bij kunstwerken.
• Het uitschakelen van de invloed van de spoorconstructie bij interieurgeluidmetingen van treinstellen.
• Het opsporen van raildefecten (squats en golfslijtage) in combinatie met videobeelden op de BAM Rail meetwagon (in ontwikkeling)

home...