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Lärm durch aerodynamische Geräuschentwicklung bei Schienenfahrzeugen

Erstellt am: 27.06.2003 | Stand des Wissens: 30.10.2018
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Ansprechpartner
TU Dresden, Professur für Integrierte Verkehrsplanung und Straßenverkehrstechnik, Prof. Dr.-Ing. Regine Gerike

Während in den unteren Geschwindigkeitsbereichen Antriebs- und Rollgeräusche dominieren, wächst die Bedeutung der aerodynamischen Geräuschentwicklung mit zunehmender Geschwindigkeit an. Dementsprechend wichtig ist die Aeroakustik für den Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) auf der Schiene. [Möhl11, S. 24 ff.] Hecht verweist aber darauf, dass aerodynamische Geräusche jedoch auch schon in unteren Geschwindigkeitsbereichen auffällig werden können, wenn schwerwiegende akustische Fehler gemacht werden. Er identifizierte verschiedene Fahrzeuge, die bereits ab 70 Kilometer pro Stunde aerodynamische Schwierigkeiten bereiten. "Sie kennen dies vielleicht von manchen Autos, wenn man das Schiebedach aufmacht. Ein sogenannter Helmholtz-Resonator für tiefe Frequenzen spricht hier bereits bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten an". [Hech02, S. 33]
Im HGV werden immer höhere Reisegeschwindigkeiten realisiert. Waren für die ICE-Generationen 1 und 2 gemäß Fahrplan noch 280 Kilometer pro Stunde das Limit, so werden auf der Strecke Köln - Frankfurt (Main) bereits planmäßig 300 Kilometer pro Stunde verwirklicht, wobei der eingesetzte ICE 3 sogar Spitzengeschwindigkeiten von 330 Kilometer pro Stunde erlaubt. Oberhalb von 300 Kilometer pro Stunde vergrößert sich der Einfluss der aeroakustischen Schallquellen deutlich gegenüber dem Rollgeräusch. Die abgestrahlte Schallleistung aerodynamischer Schallquellen nimmt ungefähr mit der sechsten Potenz der Fahrgeschwindigkeit, die des Rollgeräusches nur mit der dritten Potenz zu. [JaOn00, S. 208; ScHu98a, S. 544]
Besonders kritisch ist dabei die Schallabstrahlung des exponiert positionierten Stromabnehmers. Seine Position hoch oben am Zug hat zur Folge, dass eine Abschirmung durch die üblichen Schallschutzwände nur in den seltensten Fällen gegeben ist. Für sehr hohe Geschwindigkeiten kann in Abhängigkeit von der Zuglänge und der Anzahl der Stromabnehmer der Anteil des vom Stromabnehmer erzeugten Lärms überwiegen [ScHu98a, S. 544; UBA01g, S. 7] Zudem unterliegen die Stromabnehmer in Europa keinerlei akustischen Anforderungen den "Technical Specification for Interoperability".
In Japan wurde beispielsweise ein Stromabnehmer entwickelt, der gegenüber den europäischen um 25 Dezibel leiser ist. [Hech12, S. 10 f.] Im Herbst 2003 absolvierte der Deutsche Bahn AG Konzern Praxistests mit einem neuen, aktiv geregelten und akustisch optimierten Einholmstromabnehmer. Der gemeinsam mit Bombardier Transportation entwickelte Stromabnehmer "Actively controlled Single arm Pantograph" (ASP) konnte in Windkanalversuchen Lärmemissionssenkungen von bis zu zehn Dezibel realisieren. [Müll03b , S. 33]
Neben den beschriebenen kontinuierlich zu messenden aeroakustischen Geräuschen kann es bei Austritt eines mit Hochgeschwindigkeit fahrenden Zuges aus einem Tunnel zum Tunnelknall (englisch Sonic Boom) kommen. Durch das Komprimieren der Luft im Tunnel durch den fahrenden Zug entsteht eine Druckwelle, welche sich im Verlauf des Tunnels aufsteilt und am Tunnelausgang entlädt (Abbildung 1). Dabei wird ein kleiner Anteil als Mikrodruckwelle in die Umgebung abgestrahlt und erzeugt einen hörbaren Knall. Dieser Effekt kann besonders bei HGV-Neubaustrecken beobachtet werden, da er durch besonders lange Tunnel und kleine Tunnelquerschnitte sowie die Nutzung einer festen Fahrbahn gefördert wird. [Hiek10]

sonicboom.jpgAbb. 1: Entstehung des Sonic Booms [Hiek10, S. 39]

Dem Sonic Boom kann jedoch zum Beispiel durch eine spezielle Konstruktion der Tunnelausgänge oder durch die Nutzung von Schallabsorbern vorgesorgt werden. So wurde bei dem Bau des im Dezember 2012 errichteten Katzenbergtunnels - dem längsten Zwei-Röhren-Tunnel der Bundesrepublik Deutschland - dem Sonic Boom konstruktiv entgegen gewirkt. Die Tunnelmünder wurden um mehr als 50 % des lichten Querschnitts aufgeweitet und mit Schlitzen in der Decke bzw. den Seitenwänden versehen. [Haid13a, S. 46 ff.]
Ansprechpartner
TU Dresden, Professur für Integrierte Verkehrsplanung und Straßenverkehrstechnik, Prof. Dr.-Ing. Regine Gerike
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Ursachen von Schienenverkehrsstreckenlärm (Stand des Wissens: 01.11.2018)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?312898
Literatur
[Haid13a] Haid, Heinz-Georg Innovatives Bauwerk für den europäischen Schienenverkehr, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 05/2013, Bahn Fachverlag GmbH, Berlin, 2013/05, ISBN/ISSN 0948-7263
[Hech02] Hecht, Markus, Prof. Dr.-Ing. Lärm durch Schienenverkehr, veröffentlicht in VCD Tagungsband - Anforderungen an eine neue Verkehrslärmgesetzgebung, 2002
[Hech12] Hecht, Prof. Dr.-Ing. Markus Anhörung Bundestag zu Änderung Bundesimmissionsschutzgesetz, 2012/11/07
[Hiek10] Hieke, Michael Standardaspekt der Tunnelaerodynamik, veröffentlicht in Deine Bahn, Ausgabe/Auflage 08/2010, Bahn Fachverlag GmbH, Berlin, 2010/08, ISBN/ISSN 0948-7263
[JaOn00] Jäger, Klaus, Dipl.-Ing., Onnich, Johannes, Dipl.-Ing. Fortschritte und Besonderheiten bei der Reduzierung des Schienenverkehrslärms, veröffentlicht in Zeitschrift für Lärmbekämpfung, Ausgabe/Auflage 47, Springer-Verlag Heidelberg , 2000
[Möhl11] Möhler, U. Grundlagen des Lärmschutzes an Schienenwegen, veröffentlicht in Der Eisenbahningenieur, Ausgabe/Auflage 2011 / 05, DVV Media Group GmbH / Hamburg, 2011/05, ISBN/ISSN 0013-2810
[Müll03b] Müller, Christoph Aktiv geregelter Stromabnehmer, veröffentlicht in Der Eisenbahningenieur, Ausgabe/Auflage 10, 2003, ISBN/ISSN 0073-2810
[ScHu98a] Huber, Thomas, Dr.-Ing., Lölgen, Thomas, Dr.-Ing., Matschke, Gerd, Schulte-Werning, Burkhard, Dr.-Ing., Willenbrink, Ludger, Dipl.-Phys. Umweltverträglicher Hochgeschwindigkeitsverkehr auf der Schiene - eine Gemeinschaftsaufgabe von Aerodynamik und Aeroakustik, veröffentlicht in Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe/Auflage 8+9, Hestra-Verlag, 1998, ISBN/ISSN 0013 - 2845
[UBA01g] Günther, Michael, Rechtsanwalt, Popp, Christian, Dipl.-Ing., Stoyke, Burkhard Hinweise zum Schutz gegen Schienenlärm, Ausgabe/Auflage 1, 2001/11
Weiterführende Literatur
[DBAG99] Möhler + Partner Beratende Ingenieure für Schallschutz und Bauphysik, Obermeyer Planen und Beraten Untersuchung zur Lästigkeit von Hochgeschwindigkeitszügen am Beispiel der Neu- und Ausbaustrecke Hannover-Göttingen, 1999/12
Glossar
Neubaustrecke Als Neubaustrecken bezeichnet man gänzlich neu errichtete Verkehrswege, die einem bestehenden Netz hinzugefügt werden. Im Eisenbahnwesen findet der Begriff zumeist auf für den Hochgeschwindigkeitsverkehr gebaute Strecken Anwendung, wobei diese entweder exklusiv durch Personenbeförderungsangebote oder gemeinsam mit dem Güterverkehr genutzt werden. Das konstruktive Anforderungsniveau von Neubaustrecken reicht dabei gemeinhin über die für Ausbaustrecken (ABS) geltende Anforderungen hinaus.
Hochgeschwindigkeitsverkehr Als Hochgeschwindigkeitsverkehr (HGV) werden Zugfahrten von Trieb[wagen]zügen (sog. Hochgeschwindigkeitszüge) bzw. dafür geeigneten lokbespannten Zügen mit mehr als 200 km/h Spitzengeschwindigkeit auf extra dafür [um]gebauten HGV-Strecken bezeichnet.
Technical Specification for Interoperability Die Technical Specification for Interoperability (TSI) machen für Teilsysteme bzw. Teile von Teilsystemen der transeuropäischen (Hochgeschwindikgkeits-)Eisenbahnsysteme Vorgaben, um deren grundsätzliche (technische) Eignung sowie die Kompabilität untereinander zu gewährleisten. Dabei handelt es sich um eine unionsrechtliche, technische Vorschrift der Europäischen Kommission.
Aufsteilen
Aufsteilen ist ein Begriff, der zur Beschreibung von Wellenausbreitung verwendet wird. Wenn die von einem Körper ausgesandten Signale (bzw. Schall) sich in unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, kann es zu einem senkrechten Aufstellen der Welle führen. Es entstehen Stoßwellen. Der Vorgang der Aufsteilung hat gewisse Ähnlichkeit mit Wasserwellen, die sich überschlagen.
dB(A) Messgröße des A-bewerteten Schalldruckpegels zur Bestimmung von Geräuschpegeln. Die dB-Skala ist logarithmisch aufgebaut, d. h. eine Verdoppelung der Lärmintensität führt zu einer Erhöhung um 3 dB. Das menschliche Ohr empfindet eine Erhöhung um 10 dB als Verdoppelung der Lautstärke. Hierzu ist eine Schallintensitätsverzehnfachung erforderlich. Der Zusatz "(A)" gibt an, dass dem betreffenden Messergebnis die standardisierte A-Berwertungskurve zugrunde liegt. Sie berücksichtigt einen nichtlinearen frequenz- und pegelabhängigen Zusammenhang zwischen subjektiv wahrgenommenem Läutstärkepegel und vorliegendem Schalldruckpegel. So empfindet das menschliche Gehör bspw. mittlere Frequenzen im Vergleich zu niedrigen Frequenzgängen als wesentlich lauter, weshalb die Einheit dB(A) entsprechende Tonhöhen stärker gewichtet. Ein gesundes Ohr kann bereits einen Schalldruck von 0 dB (A) wahrnehmen (Hörschwelle), bei Werten über 120 dB (A) wird die Geräuschbelastung unerträglich laut (Schmerzgrenze). Eine Langzeiteinwirkung von über 85 dB(A) zieht u. U. dauerhafte Gehörschäden nach sich.
Feste Fahrbahn Unter dem Begriff Feste Fahrbahnwird im allgemeinen ein Oberbau von Schienenfahrwegen verstanden, bei dem der herkömmliche Schotter durch ein anderes Material (insbesondere Beton oder Asphalt) ersetzt wird, welches im Gegensatz zum Schotter nur geringe Verformungen aufweist. Die geforderte Elastizität wird bei der FF durch Verwendung von elastischen Materialien zwischen Schiene und Schwelle und/oder unter der Schwelle (so genannte Zwischenlagen) erreicht.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?49235

Gedruckt am Donnerstag, 29. September 2022 04:39:43