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Simulation für leiseren Schienenverkehr

Zuglärm auf Knopfdruck

| Autor / Redakteur: Cornelia Zogg* / Christian Lüttmann

Im Aura Lab der Empa testen Forscher die Lärmsimulation in einem schalldichten Raum.
Im Aura Lab der Empa testen Forscher die Lärmsimulation in einem schalldichten Raum. (Bild: Empa)

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Rauschen, Quietschen, Rattern, Dröhnen – Züge geben mitunter ein unangenehmes Konzert. In einer realitätsnahen Simulation können Forscher der Empa nun erstmals diesen Bahnlärm präzise nachbilden. So sollen sich leichter Lärmschutzmaßnahmen entwickeln und vorab testen lassen. Hörbeispiele finden Sie unten in diesem Beitrag..

Dübendorf/Schweiz – Der Zug rauscht heran, der Lärmpegel steigt, es dröhnt unangenehm in den Ohren, wenn die Waggons vorbeirattern. Ein paar Sekunden später ist der Spuk vorbei, die Lautstärke nimmt ab, und die Wagons verschwinden am Horizont. Die Testperson nimmt Kopfhörer und VR-Brille ab und ist wieder zurück in der echten Welt – in einem Labor der Empa. Was sie eben gesehen und gehört hat, war Teil einer Computersimulation, die die Forscher dort entwickelt haben, um dem Lärm von vorbeifahrenden Zügen seine Geheimnisse zu entlocken.

Ein Brei aus vielen Geräuschquellen

„Lärm besteht aus verschiedenen Bestandteilen“, sagt Reto Pieren von der Empa-Abteilung „Akustik und Lärmminderung“, verantwortlich für die Programmierung der Simulation, die ein Team von Empa-Forschern in einem Horizon2020-Projekt der EU entwickelte. „Die Räder, die Schienen, die Lüftung, der Motor – alles erzeugt Geräusche und verursacht als Ganzes dann die Lärmemission des Zuges.“ In anderen Worten: Pieren hat für die über 100 Geräuschquellen eines fahrenden Zuges einzelne Algorithmen entwickelt. Das ermöglicht es, den Zug als Ganzes „hörbar“ zu machen oder aber nur einzelne Komponenten lärmen zu lassen.

Neben diversen Geräuschquellen eines fahrenden Zuges integriert das Programm außerdem Umwelteinflüsse in die Berechnungen. Dazu gehören Lärmschutzwände, Fahrgeschwindigkeit, Zustand der Gleise, Außentemperatur und sogar die Beschaffenheit des Bodens. Die Simulation soll nicht nur Optimierungspotenzial bestehender Zugkompositionen aufzeigen, sondern in Zukunft auch Voraussagen treffen, wie beispielsweise neue Räder oder Bauteile den Lärm einer Bahnlinie verändern würden.

So komplex ist Zuglärm

Die Simulation der Empa ist einzigartig, denn bisherige Programme verwenden echte Tonaufnahmen, wie die Forscher betonen. Pieren jedoch hat die einzelnen Geräusche am Computer hergestellt. Dazu berechnet der Algorithmus für jede Zugkomponente das entsprechende akustische Signal, wobei er die jeweiligen physikalischen Parameter berücksichtigt. Physikalische Parameter heißt in diesem Fall Eigenschaften wie die Oberflächenbeschaffenheit und das Material der Gleise und der einzelnen Räder. Diese Grundparameter stammen aus eigenen Messungen, Messungen von Fahrzeugherstellern und Simulationsrechnungen und werden in die Simulation eingespeist. Aus diesen Daten berechnet der Algorithmus den abgestrahlten Schalldruck, aus dem wiederum das Geräusch bei einem bestimmten Zuhörerpunkt simuliert wird.

Doch es geht noch komplexer: Beim Rollgeräusch beispielsweise wird das Bremssystem der Wagen mit einberechnet. „Dahinter verbergen sich Datensätze, die die Oberflächenmikrostruktur der Räder beschreiben. So wird für jedes Rad eine individuelle Oberflächenstruktur berechnet“, erklärt Pieren. Diese Oberflächenstruktur ist maßgeblich an der entstehenden Reibung mit den Geleisen und somit an der Schall- respektive Lärmentwicklung beteiligt. Je weniger Unebenheiten die Oberfläche der Räder und der Gleise aufweisen, umso leiser das Fahrgeräusch.

Lärmschutzwände im virtuellen Praxistest

Ein vorbeifahrender Zug verursacht Lärm, so viel ist klar. Wie ein Anwohner diesen Lärm allerdings wahrnimmt, hängt maßgeblich von der lokalen Umgebung und der Schallausbreitung ab. Schall erfährt bei der Ausbreitung diverse Veränderungen. Er wird durch Luft absorbiert, was dazu führt, dass hohe Frequenzen stärker gedämpft werden als tiefe. Ähnliches passiert bei einer Lärmschutzwand: Hohe Frequenzen sind hinter der Wand tatsächlich weniger laut, tiefe Töne werden jedoch über die Wand gebeugt. Diese zentralen Faktoren können in der Simulation ebenfalls nachgestellt werden, ebenso wie der Standort des Zuhörers – von dem die eigentliche akustische Wahrnehmung des Lärms abhängt.

Ein IC-Zug in der Lärmsimulation:

Wie die Szene klingt, wenn eine Lärmschutzwand aufgebaut ist, hören Sie in dem Youtube-Video hier.

Den künstlich erzeugten Lärm hat Pieren mit Probanden in einem Hörexperiment überprüft. Erfreulicherweise zeigte sich, dass die Probanden die Simulationen und die künstlich generierten Geräusche als sehr plausibel einstuften. Mit der Simulation lassen sich also Auswirkungen von unterschiedlichen Maßnahmen „auralisieren“, also hörbar machen. Beispielsweise lässt Pieren die Simulation laufen, platziert im Anschluss eine Schallschutzwand und lässt erneut einen Zug vorbeifahren. „Wenn wir sagen, eine Maßnahme reduziert den Geräuschpegel um drei Dezibel, können sich die wenigsten vorstellen, was das bedeutet. Wenn ich diese drei Dezibel im direkten Vergleich aber hörbar mache, ist der Effekt sofort klar.“

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Die Simulation funktioniert nicht nur im Labor oder mit einem Virtual-Reality-Set. Auch Videos auf YouTube zeigen den Vergleich und machen deutlich, was die Simulation leisten kann. Zukünftig soll sie helfen, wichtige Entscheidungen bezüglich Bau und Ausbau von Bahnlinien und Zügen zu unterstützen. Davon profitieren langfristig Bahnbetreiber, Planer und vor allem die Anwohner.

Originalpublikation: R Pieren, K Heutschi, JM Wunderli, M Snellen, DG Simons: Auralization of railway noise: Emission synthesis of rolling and impact noise. Applied Acoustics, Volume 127, 1 December 2017, Pages 34-45; DOI: 10.1016/j.apacoust.2017.05.026

* C. Zogg, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf

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