Das tieffrequente Dröhnen bis hin zum hochfrequenten Summen des Motors, das rhythmische Klirren der Räder, der Windstoß, das gelegentliche Quietschen der Bremsen: Ein vorbeifahrender Zug erzeugt eine Vielzahl von Geräuschen, die jeweils aus unterschiedlichen Quellen im Betrieb des Zuges stammen. Um die Entwicklung Schienenverkehrslärms umfassend zu verfolgen, hat das Eisenbahn-Bundesamt, im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), ein deutschlandweites Lärmmesssystem in Deutschland eingerichtet. Diese Initiative beinhaltet die kontinuierliche Erfassung von Schallmessungen an strategisch ausgewählten Punkten im Eisenbahnnetz.
Im Rahmen dieser ambitionierten Lärmmessung und -analyse kommt unsere fortschrittliche Akustische Kamera zum Einsatz, um den Vorbeifahrlärm im Zusammenhang mit Zugbewegungen zu erfassen und zu verfolgen, sowohl bei der Durchfahrt von Personenzügen als auch von Güterzügen. Diese hochmoderne Technologie ermöglicht es uns, das komplexe akustische Schallfeld zu verstehen, welches von diesen Zügen erzeugt wird, und liefert wertvolle Einblicke in die Welt der Lärmanalyse im Schienenverkehr.
Die Vorbeifahrtfunktion in der NoiseImage-Software ist dabei ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung und Verwaltung des akustischen Einflusses von schnell bewegten Objekten wie Zügen. Sie unterstützt Maßnahmen zur Geräuschreduktion, zur Optimierung des Designs und zur Aufrechterhaltung einer angenehmen akustischen Umgebung.
Ortung von Schallquellen an vorbeifahrenden Zügen mittels Beamforming
DB Regio Regionalzüge
Die Akustische Kamera FlexStar120 wurde in einem Abstand von 13,2 Metern von der Mitte des vorderen Gleises, aus Sicht des Arrays, installiert. Das Array kann mithilfe eines schirmartigen Faltmechanismus innerhalb von Sekunden in einem offenen Feld aufgestellt und aufgeklappt werden.
Nach der Messung, kombiniert die Software das Videosignal im ersten Schritt zu einem optischen Panoramabild und ermittelt dabei das Geschwindigkeitsprofil. Im zweiten Schritt werden die zeitsynchronen Audiodaten verwendet um eine akustische Karte des gesamten Zuges zu berechnen. Schallquellen oder spezifische Frequenzbereiche, die maßgeblich zum Gesamtlärm beitragen, können präzise lokalisiert werden.
Die Bewegung des Zuges beeinflusst jedoch, wie wir seinen Klang wahrnehmen. Es kommt zu einer scheinbaren Änderung in der Frequenz. Dieses Phänomen wird als Doppler-Effekt oder Doppler-Verschiebung bezeichnet und wird von unserem PassBy 2D-Modul durch Verwendung eines angepassten Beamforming-Algorithmus korrigiert.
Der Kontakt zwischen Rad und Schiene ist oft die Hauptursache, und in den meisten Fällen die wesentliche Quelle von Lärmemissionen von Zügen oder Schienenverkehr bei Geschwindigkeiten unter 200 km/h. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit gewinnen jedoch aeroakustische Quellmechanismen an Bedeutung.
Bezüglich des ICE werden die Hauptlärmquellen, abgesehen von den Rädern, hauptsächlich als der Stromabnehmer und ein Lüfter auf dem Dach identifiziert. Der Stromabnehmer ist eine Vorrichtung, die auf dem Dach eines elektrischen Zuges montiert ist und Kontakt mit den Oberleitungen hat, was dem Zug ermöglicht, elektrische Energie für seinen Betrieb zu ziehen.
Im Fall des IC wurde der Motor vorrangig als primäre Lärmquelle identifiziert. Beim ICE ist es hingegen nicht so einfach, die Motorengeräusche von dem durch die Radquellen erzeugten Lärm zu trennen.
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Vorbeifahrtmessung eines ICE-Zuges mit Akustischer Kamera
In diesem Video wurden akustische Messungen an einem ICE-Hochgeschwindigkeitszug durchgeführt. Bei der Messung bewegter Objekte befinden sich die Schallquellen zu jedem Zeitpunkt an unterschiedlichen Stellen der akustischen Karte. Außerdem verändert der sogenannte Dopplereffekt das Spektrum und den zeitlichen Verlauf der Amplitude des abgestrahlten Signals am Empfänger. Gängige Beamforming-Methoden führen daher zu diffusen akustischen Karten.
Das NoiseImage Softwaremodul PassBy wurde speziell für bewegte Messobjekte entwickelt. Es berücksichtigt die Bewegung und eliminiert den Dopplereffekt. Somit können auch bei sich schnell bewegenden Objekten exakte akustische Karten berechnet werden.
Die in dem PassBy-Modul verwendete Delay-and-Sum-Beamforming-Technik wird häufig zur Analyse und Lokalisierung von Schallquellen eingesetzt, einschließlich derer, die von schnell bewegten Objekten erzeugt werden. . Wenn sie auf schnell bewegte Objekte wie Züge angewendet wird, passt der Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmus die Zeitverzögerung und Amplitude der Signale an, die von jedem Mikrofon im Array empfangen werden. Dynamische Schallquellen können so effektiv verfolgt und lokalisiert werden.
Im Fall von schnell bewegten Objekten wie einem vorbeifahrenden Zug weisen die von den Mikrofonen aufgenommenen Schallsignale aufgrund des Doppler-Effekts Frequenzänderungen auf. Der Doppler-Effekt tritt auf, wenn die Quelle eines Schallsignals eine feste Position des Beobachters und des Messwerkzeugs passiert und dadurch eine Änderung der wahrgenommenen Frequenz verursacht.
Um dies zu berücksichtigen, erfasst der Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmus die Geschwindigkeit und Richtung des sich bewegenden Objekts, z. B. eines vorbeifahrenden Zuges. Er passt die Zeitverzögerung und Amplitude der Mikrofonsignale entsprechend an. Durch die Berücksichtigung des Dopplereffekts und die Kompensation der durch den fahrenden Zug verursachten Frequenzverschiebungen, kann der Algorithmus genaue Messungen der tatsächlichen Schallmerkmale des vorbeifahrenden Zuges liefern.
