ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013 Krzysztof Biskup 1, Adam Gałęzia 2, Kamil Lubikowski 3, Paweł Rzeszódko 4, Michał Wikary 5 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 1 mgr inż. Krzysztof Biskup, doktorant, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 2 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 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
15m D 15m kierunek jazdy 7,5m S M1 M2 M3 2m 2m 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) b) c) 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 L Aeq, 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 p o =20*10-6 [Pa]. 9
Poziom L Aeq [db] Tabela 1. Poziom L Aeq [db] typ nr. tło akustyczne 13N 105N 120NA pomiaru 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 Rys. 4. Widmo tercjowe tła poziom dźwięku L Aeq =65,2 [db] 10
Rys. 5. Widmo tercjowe tramwaju typu 13N poziom dźwięku L Aeq =77,3 [db] Rys. 6. Widmo tercjowe tramwaju typu 105N poziom dźwięku L Aeq =81,5 [db] 11
Rys. 7. Widmo tercjowe tramwaju typu 120NA poziom dźwięku L Aeq =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
16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 Moc sygnału [db] 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 Moc sygnału [db] 8,00E+01 Porównanie tło 120NA 7,00E+01 6,00E+01 5,00E+01 4,00E+01 3,00E+01 2,00E+01 1,00E+01 0,00E+00 Częstotiwość [Hz] Rys. 8. Porównanie widm tercjowych tła oraz tramwaju typu 120NA. 80 Porównanie 13N 120NA 70 60 50 40 30 20 10 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