article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(93)/2013
Krzysztof Biskup1, Adam Gałęzia2, Kamil Lubikowski3, Paweł Rzeszódko4,
Michał Wikary5
POMIAR HAŁASU TRAMWAJOWEGO
1. Wstęp.
Dynamiczny rozwój miast wiąże się z szeregiem problemów komunikacyjnych i z
zagrożeniami środowiskowymi obniżającymi komfort życia mieszkańców. Zwiększająca
się liczba samochodów osobowych wpływa na powstawanie korków, wydłużenie czasu
dojazdu, zanieczyszczenie środowiska oraz hałas. Rozwiązaniem tego problemu jest
rozwój zrównoważonego transportu miejskiego. Jednakże należy mieć na względzie, iż
również środki transportu publicznego mogą być źródłami hałasu, drgań i zanieczyszczeń
spalinami. Jakość świadczonych usług transportowych jest jednym z czynników
wpływających na liczbę pasażerów komunikacji miejskiej. Głównymi czynnikami, według
pasażerów, świadczącymi o wysokiej jakość usług transportowych są: punktualność,
niskopodłogowy tabor, hałas emitowany na zewnątrz i wewnątrz pojazdu.
W ramach współpracy Instytutu Pojazdów wydziału Samochodów i Maszyn
Roboczych oraz Tramwajów Warszawskich przeprowadzono badania akustyczne taboru
używanego w zajezdni R3 Mokotów. Publikacja przedstawia wyniki pomiarów hałasu
emitowanego przez poruszające się tramwaje z prędkością 50 km/h na odcinku ulicy
Wołoskiej między przystankami Wołoska – Woronicza. W trakcie pomiarów starano się
dochować dbałości o poprawność badań i stosować się do wymogów przedstawionych w
załączniku nr 3 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 28 stycznia 2011 (Dziennik
Ustaw nr 65)[1].
W trakcie badań zarejestrowano po kilka przejazdów tramwajów typu: 13N, 105N,
120NA. Rejestrowano sygnały czasowe, z których wyliczono widma tercjowe oraz
poziomy ekwiwalentne hałasu.
2. Wpływ warunków środowiskowych na pomiar.
Najważniejsze czynniki wpływające na rozchodzenie się hałasu to:
a) rodzaj źródła dźwięku,
b) odległość od źródła,
c) pochłanianie dźwięku w powietrzu,
d) wiatr,
e) temperatura,
f) przeszkody – przegrody, budynki,
g) pochłanianie dźwięku przez grunt.
W trakcie pomiarów źródło dźwięku było traktowane jako źródło liniowe. Odległość
od źródła była ustalona na podstawie wymagań Załącznika 3 Dziennika Ustaw nr 65
mgr inż. Krzysztof Biskup, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska
mgr inż. Adam Gałęzia, asystent, Instytut Pojazdów, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska
3
mgr inż. Kamil Lubikowski, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska
4
mgr inż. Paweł Rzeszódko, Tramwaje Warszawskie
5
mgr inż. Michał Wikary, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska
1
2
5
(7,5 m). Zarówno wpływ odległości, pochłanialności dźwięku w powietrzu jak i
temperatury był identyczny dla wszystkich wykonanych pomiarów, przez co można
porównać ich wyniki. Dla redukcji wpływu wiatru na wynik pomiarów zastosowano na
mikrofonach
osłony
przeciwwietrzne,
których
zadaniem
jest
redukcja
niskoczęstotliwościowego szumu, wynikającego z przepływu powietrza wokół mikrofonu.
Dla dodatkowej redukcji zaburzeń od wiatru w trakcie rejestracji sygnałów zastosowano
filtrację górnoprzepustową. Miejsce realizacji pomiarów zostało wybrane w taki sposób,
aby nie występowały przeszkody, między obiektem mierzonym a stanowiskiem
pomiarowym, mogące wpłynąć na wyniki. Bezpośrednio za stanowiskiem pomiarowych
nie znajdowały się budynki lub inne obiekty mogące odbijać falę dźwiękową. Na gruncie
znajdowała się cienka warstwa ubitego śniegu, powodująca rozpraszanie i tłumienie
dźwięku. Oszacowano, iż warstwa tłumiła dźwięk o 3 dB. Oznacza to, iż poziomy
dźwięku, zarejestrowane w trakcie pomiarów, należałoby powiększyć o 3 dB, aby
odwzorowywały poziom mierzony w warunkach określonych w normach [2, 3, 4].
3. Układ pomiarowy, stanowisko badawcze.
Układ pomiarowy składał się z trzech mikrofonów pomiarowych Bruel&Kjaer
4189-A-021 w osłonach przeciwwiatrowych, czujnika drgań Bruel&Kjaer 4504 A oraz
miernika natężenia dźwięku (sonometr) Bruel&Kjaer 2250 z osłoną przeciwwiatrową.
Sygnały z mikrofonów oraz czujnika drgań były rejestrowane za pomocą karty
pomiarowej Bruel&Kjaer 3050-B-060 podłączonej do laptopa. Parametry akustyczne
rejestrowane przez sonometr były zapisywane na pamięci wewnętrznej miernika. W
przypadku sygnałów rejestrowanych przez mikrofony, dla większego ograniczenia
wpływu wiatru, zastosowano filtr górnoprzepustowy o granicy tłumienia 24 Hz –
składowe sygnału o częstotliwościach mniejszych od 24 Hz ulegały tłumieniu w trakcie
rejestracji nie wpływając i nie zaburzając wyników analiz[5, 6].
Schemat pomiarowy oraz lokalizację przedstawiono na poniższym rysunku
(Rysunek 1). Rysunek 2 przedstawia zdjęcia stanowiska pomiarowego.
Mikrofony znajdowały się w odległości 7,5 m od osi torów, odległość między
mikrofonami wynosiła po 2 metry. Mikrofon 2 wyznaczał środek obszaru rejestracji,
zaczynającego się, w linii równoległej do torów, 15 metrów przed mikrofonem a kończący
się 15 metrów za nim. Na przeciwko mikrofonu, na boku szyny, był zamocowany czujnik
drgań.
Poniższy opis oraz analiza będzie dotyczyć wyłącznie sygnałów rejestrowanych przez
mikrofon 2.
6
D
15m
15m
7,5m
kierunek jazdy
S
M1
2m
M2
2m
M3
2m
S – sonometr
D – czujnik drgań
M1, M2, M3 - mikrofony
Rys. 1. Schemat pomiarowy i zdjęcie lotnicze z zaznaczoną lokalizacją stanowiska
badawczego
7
Rys. 2. Stanowisko pomiarowe
W trakcie pomiarów rejestrowano sygnał akustyczny tramwajów poruszających się z
prędkością 50 km/h. W trakcie badań zarejestrowano po kilka przejazdów tramwajów
typu: 13N (zestaw dwu-wagonowy), 105N (zestaw dwu-wagonowy), 120NA (zestaw
jedno-wagonowy) (Rysunek 3).
8
a)
c)
b)
Rys. 3. Typy rejestrowanych tramwajów: a – 13N, b – 105N, c – 120NA
(zdjęcie przykładowe)
4. Wyniki pomiarów, analiza wyników.
Analiza sygnałów została wykonana przy użyciu specjalistycznej aparatury badawczej
firmy Bruel&Kjaer. Dla każdego z zarejestrowanych sygnałów akustycznych, wyliczono
poziom ekwiwalentny przy korekcji A – LAeq, za czas przejazdu przez odcinek badawczy,
oraz wyliczono widmo tercjowe. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.
Łatwo zauważyć, iż nowoczesne tramwaje, których przedstawicielem w badaniu jest
tramwaj PESA 120NA, są cichsze między innymi ze względu na osłony kół, lżejszą
konstrukcję oraz nowsze rozwiązania techniczne.
Poniżej na rysunkach od 4 do 7, przedstawiono przykładowe widma tercjowe
wyliczone dla sygnałów z korekcją A. Widmo tercjowe przedstawia rozkład mocy sygnału
dla pasm tercjowych. Dodatkowo dla tła akustycznego oraz tramwaju typu 120NA,
przedstawiono widma tercjowe sygnałów bez korekcji A. Przedstawione widma zostały
wykonane dla zakresu częstotliwości od 16 Hz do 20000 Hz, czyli dla zakresu słuchu
człowieka. Widma są przedstawione w skali decybelowej, z poziomem odniesienia
po=20*10-6 [Pa].
9
Tabela 1. Poziom LAeq [dB]
Poziom LAeq [dB]
typ
tło akustyczne
13N
105N
120NA
1
65,2
77,3
79,9
74,9
2
64,1
82,4
81,5
76,0
3
66,4
78,8
79,3
74,4
wartość średnia
65,2
79,5
80,2
75,1
nr.
pomiaru
Rys. 4. Widmo tercjowe tła –poziom dźwięku LAeq=65,2 [dB]
10
Rys. 5. Widmo tercjowe tramwaju typu 13N – poziom dźwięku LAeq=77,3 [dB]
Rys. 6. Widmo tercjowe tramwaju typu 105N – poziom dźwięku
LAeq=81,5 [dB]
11
Rys. 7. Widmo tercjowe tramwaju typu 120NA – poziom dźwięku
LAeq=74,9 [dB].
Analiza widm terowych ujawnia różną strukturę częstotliwościową sygnału tła i
sygnałów emitowanych przez poruszające się tramwaje. Szczególnie zauważalne są
wyższe udziały tercji 250 Hz, 315 Hz i 400Hz struktury.
Analiza porównawcza widm tercjowych tła akustycznego oraz tramwaju typu 120NA
uwzględniająca korekcję A sygnałów (Rysunek 8), ujawnia nie tylko różnice mocy
sygnałów w danych tercjach, ale również szerszy zakres częstotliwości rejestrowany w
trakcie przejazdu tramwaju. Szczególnie należy zwrócić uwagę na częstotliwości poniżej
1000 Hz, ze względu na znaczną dominację hałasu pochodzącego od współpracy koło
szyna oraz działających urządzeń na pokładzie tramwaju, takich jak kompresory oraz
wentylatory.
Widma tramwajów mają zbliżoną strukturę częstotliwości. Widma tercjowe
porównujące przejazdy tramwajów typu 13N i 120NA (Rysunek 9), pokazują, iż struktura
widmowa jest bardzo podobna należy jednak zwrócić uwagę, iż tramwaj nowego typu
dzięki nowoczesnym rozwiązaniom jest cichszy w większości tercji.
12
Porównanie
tło
120NA
8,00E+01
7,00E+01
Moc sygnału [dB]
6,00E+01
5,00E+01
4,00E+01
3,00E+01
2,00E+01
1,00E+01
20000
16000
12500
8000
10000
6300
5000
4000
3150
2500
2000
1600
1250
800
1000
630
500
400
315
250
200
160
125
80
100
63
50
40
32
25
20
16
0,00E+00
Częstotiwość [Hz]
Rys. 8. Porównanie widm tercjowych tła oraz tramwaju typu 120NA.
Porównanie
13N
120NA
80
70
Moc sygnału [dB]
60
50
40
30
20
10
20000
16000
12500
10000
8000
6300
5000
4000
3150
2500
2000
1600
1250
1000
800
630
500
400
315
250
200
160
125
100
80
63
50
40
32
25
20
16
0
Częstotliwość [Hz]
Rys. 9. Porównanie widm tercjowych tramwajów typu: 13N i 120NA.
5. Podsumowanie
Proces unowocześnienia taboru Tramwajów Warszawskich jest jednym ze sposobów
poprawy środowiska akustycznego i drganiowego przestrzeni miejskiej. Innymi metodami
13
redukcji hałasu są: szlifowanie torów, stosowanie okładzin tłumiących na szynach,
obsadzanie torowisk roślinnością.
Jak przedstawiono w publikacji rysunki przedstawiające widma tercjowe, problem
emisji hałasu rozprzestrzeniającego się w środowisku bezpośrednio wpływa na zdrowie
ludzkie, a firmy świadczące usługi transportu publicznego powinny przestrzegać norm
hałasu. Dlatego badania hałasu są ważnym elementem funkcjonowania i diagnozowania
taboru tramwajowego eksploatowanego w przestrzeni publicznej.
Planowane regulacje UE dotyczące hałasu w przyszłości narzucą potrzebę redukcji
dźwięków wewnątrz i na zewnątrz tramwajów. Producenci nowoczesnego taboru będą
zmuszeni do rozwiązania problemów akustycznych związanych z ich produktami, a
instytucje użytku publicznego takie jak Tramwaje Warszawskie będą zobligowane do
monitorowania zadeklarowanych przez producentów norm hałasu.
6. Literatura
[1]
Dziennik Ustaw nr 65, pozycja 344, Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z
dnia 28 stycznia 2011 w sprawie warunków technicznych tramwajów i
trolejbusów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia,
[2]
PN-N-01307:1994; Hałas - Dopuszczalne wartości parametrów hałasu w
środowisku pracy - Wymagania dotyczące wykonywania pomiarów,
[3]
PN-K-11000:1992:;Tabor kolejowy -- Hałas -- Ogólne wymagania i badania,
[4]
PN-EN ISO 3095:2005; Kolejnictwo -- Akustyka -- Pomiar hałasu emitowanego
przez pojazdy szynowe,
[5]
Radkowski S., Szczurowski K.: „Use of vibroacoustic signals for diagnosis of
prestressed structures”, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and
Reliability, 2012, 14(1), pp. 82-88,
[6]
Radkowski S.: „Vibro-acoustic diagnostics of low-energy stage of failures
evolution”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part G-Journal
of Aerospace Engineering, 2009, Vol. 223, Issue G5, pp. 589-597.
Streszczenie
Dynamiczny rozwój miast wiąże się z szeregiem problemów komunikacyjnych i z
zagrożeniami środowiskowymi obniżającymi komfort życia mieszkańców. Zwiększająca
się liczba samochodów osobowych wpływa na powstawanie korków, wydłużenie czasu
dojazdu, zanieczyszczenie środowiska, hałasem. Rozwiązaniem tego problemu jest rozwój
zrównoważonego transportu miejskiego. Jednakże należy mieć na względzie, iż również
środki transportu publicznego mogą być źródłami hałasu, drgań i zanieczyszczeń
spalinami. Jakość świadczonych usług transportowych jest jednym z czynników
wpływających na liczbę pasażerów komunikacji miejskiej. Głównymi czynnikami, według
pasażerów, świadczącymi o wysokiej jakość usług transportowych są: punktualność,
niskopodłogowy tabor, hałas emitowany na zewnątrz i wewnątrz pojazdu.
W ramach współpracy Instytutu Pojazdów wydziału Samochodów i Maszyn
Roboczych oraz Tramwajów Warszawskich przeprowadzono badania akustyczne taboru
używanego w zajezdni R3 Mokotów. Referat przedstawia wyniki wstępnych pomiarów
hałasu emitowanego przez poruszające się tramwaje. Tramwaje poruszały się z prędkością
50 km/h na odcinku ulicy Wołoskiej między przystankami Wołoska – Woronicza. W
trakcie pomiarów starano się dochować dbałości o poprawność badań i stosować się do
wymogów przedstawionych w załączniku nr. 3 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z
dnia 28 stycznia 2011 (Dziennik Ustaw nr. 65).
14
W trakcie badań zarejestrowano po kilka przejazdów tramwajów typu: 13N (zestaw
dwuwagonowy), 105N (zestaw dwuwagonowy), 120NA (zestaw jednowagonowy).
Rejestrowano sygnały czasowe, z których wyliczono widma tercjowe oraz poziomy
ekwiwalentne hałasu.
Słowa kluczowe: tramwaj, pomiar hałasu, zagrożenie hałasem, komunikacja miejska
MEASUREMENT OF TRAM NOISE
Abstract
Dynamic expansion of cities relates with many traffic problems and environment
hazards decreasing life comfort of inhabitants. Increasing number of cars causes traffic
jams, elongation of travel time, noise and pollution of environment. Solution lies in
development of balanced municipal transport. It must be remembered that means of
transport can also be sources of noise, vibration, emissions. High quality of municipal
transport increases number of passengers. In passenger’s opinion, main factors testifying
for high quality are: punctuality, low-floor vehicles, noise emitted outside and inside of
vehicle.
In framework of cooperation between Institute of Vehicles and Warsaw Trams
acoustic measurements of trams, used in tram depot R3 “Mokotów”, were performed.
Paper presents results of preliminary measurements of external noise emitted by trams in
motion. Trams were moving 50 km/h at Wołoska Street between stops “Wołoska” and
“Woronicza”. Acoustic measurements were performed according to adequate law
regulations [1].
During measurement session, several signals were recorded emitted by passing trams:
13N, 105N, 120NA. Equivalent A-weighted sound pressure level and 1/3-octave
spectrums were calculated from recorded time signals.
Keywords: tram, noise measurements, noise hazard, municipal transport
15