Ein kleiner Beitrag zur technischen Akustik

Teil 1: Fokus Straßenbahnen und Nahverkehr

Die technische Akustik ist leider in der ingenieurtechnischen Ausbildung oft ein Randgebiet. Mit zwei Beiträgen möchte ich Grundwissen auffrischen und etwas von meiner langäjhrigen Berufserfahrung weiter geben.

Das menschliche Gehör registriert bekanntermaßen Schallwellen. So wichtig das Gehör für die gegenseitige Kommunikation und für die Erfassung der Umwelt ist, so kann störender Schall, der dann als Lärm bezeichnet wird, unsere Lebensqualität deutlich verschlechtern. Das Gehör selbst kann geschädigt werden. Durch Lärm am Arbeitsplatz verursachte Schwerhörigkeit war jahrelang eine der häufigsten Berufskrankheiten. Das betraf auch das Fahrpersonal auf den ersten Diesellokomotiven. Durch viele technische Maßnahmen konnte dieses Problem später zurück gedrängt werden.

Dauerhafter Lärm am Arbeitsplatz und/ oder im Wohnbereich kann zu ernsthaften Schlafproblemen und zu Krankheiten wie z.B. Bluthochdruck, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und zu chronisch erhöhter Freisetzung von Stresshormonen führen. Der Übergang vom Schall zum störenden Lärm ist fließend, vieles hat auf diese Grenze ihren Einfluss. Diskolärm wird beispielsweise zumindest von jungen Menschen oft weniger störend wahr genommen als Verkehrslärm.

Die Eigenschaften der Schallwellen sind durch den Schalldruck und die Frequenz gekennzeichnet. Die Empfindung der Lautstärke steigt nicht linear mit dem Schalldruck, sondern degressiv. Diese Degressivität ähnelt sehr stark der Kurve des dekadischen Logarithmus.

Bei der Verbesserung einer Lärm-Situation muss man immer bei der dominierenden Quelle beginnen bzw. bei der ausschlaggebenden Schwachstellle in der Dämmung. Das erklärt sich aus der notwendigen logarithmischen Addition der Lärmquellen. Erklärung und Rechenbeispiele mit einem Nomogramm habe ich in speziellen Wissensseiten in [1], aber auch in [2] dargelegt. Die Wiederholung ist in diesem kleinen Beitrag nicht möglich. Man kann sich aber als erweitertes technisches Allgemeinwissen merken:

• Schallquellen, die 10 dB oder mehr unter der dominierenden liegen, spielen praktisch keine Rolle.
• Kommt zu einer Schallquelle eine gleich große Schallquelle dazu, steigt der Pegel um 3 dB.

Das menschliche Gehör erfasst nicht alle Frequenzen gleich. Der Hörbereich liegt zwischen ca. 16 und 16.000 Hz, besonders empfindlich ist das Gehör zwischen 500 und 6.000 Hz. Details, eingebettet in ein Lautstärke-Frequenz-Diagramm, sind sehr gut im Duden Physik [3] beschrieben, der das heutige Schulwissen widerspiegeln sollte.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, dieses freuquenzabhängige Verhalten des Gehörs so darzustellen, dass mit einem für Vergleiche, Verträge, Normen und technische Spezifikationen griffigen Gesamtwert für den Schall gearbeitet werden kann. N-Kurven, Phon usw. sind heute schon fast Begriffe aus der technischen Geschichte, durchgesetzt hat sich die in den USA entstandene A-Bewertung. Dabei wird jede Frequenz mit einem Korrekturwert gemäß der Kurve in Bild 1 summiert. Aufpassen: Die Korrekturwerte sind meist negativ. Somit kommt es tatsächlich zu einer Reduktion der Pegelwerte. Im tiefen Frequenzbereich ergeben sich wegen dem dort schlechteren Hörvermögen relativ große Abzüge vom physikalisch gemessenen Schalldruckpegel.

Im Zusammenhang mit der A-Bewertung sind die folgenden Indizes zur eindeutigen Kennzeichnung wichtig:

• Der lineare Summen-Schalldruckpegel L_lin in dB stellt das physikalische Messergebnis dar, bei der alle Frequenzen gleichberechtigt zu einem Summenpegel aufaddiert werden.
• Der A-bewertete Summen-Schalldruckpegel L_A in dB(A) stellt das physikalische Messergebnis dar, wenn das Messgerät mit der Einstellung „A-bewertet“ bereits die Korrektur gemäß Bild 1 vorgenommen hat. Der A-bewertete Wert ist bei unseren Anwendungen immer niedriger als der lineare.

Wir sollten bei unserer Arbeit auf die richtige Kennzeichnung der Pegel achten.

So gut es ist, mit dem A-Pegel einen nun schon seit längerer Zeit international anerkannten Vergleichspegel zu haben, so sollte man doch wissen, dass jedes Gehör individuell ist und vor allem im tiefen Freqenzbereich der Abzug etwas hoch ist, zumindest in bei den bei der Eisenbahn normalerweise vorhandenen Lärmpegeln.

Besonders bei den für den Schienen-Nahverkehr typischen engen Kurven ist das Kurvenkreischen oder Kurvenquietschen ein besonderes Problem. Es entsteht schwerpunktmäßig am inneren Rad. Dazu erzählt man sich die folgende technische Legende: In einem Münchener Luxushotel hatte der Portier nachts die Aufgabe, beim Herannahen einer nächtlichen Strassenbahn einen Eimer Wasser auf die innere Schiene des Gleisbogens vor dem Hotel zu schütten, womit durch die veränderten Gleiteigenschaften offensichtlich das Quietschen beseitigt wurde.

Das Kurvenkreischen entsteht, wenn in engen Kurven die konische Form der Radsatzlaufflächen nicht mehr ausreicht, die unterschiedlichen Laufwege des Innen- und Außenrades mit reinem Abrollen zu kompensieren (siehe [1] – Wissensseiten Schienenfahrzeugtechnik). Da durch die Reibung die Räder im gewissen Grad auf der Schiene haften, verformt sich das Rad wie eine Feder, um dann, wenn die Haftreibung am Aufstandspunkt nicht mehr für die Fixierung ausreicht, zurückzuschnellen. Dieser Vorgang (auch Stick Slip-Effekt genannt) wiederholt sich unglaubliche einige Hundert Mal in der Sekunde, so dass hörbarer, quietschender Lärm entsteht, und zwar in den Frequenzen, in denen es Resonanzen mit den mechanischen Systemen gibt.

Eine zweite Komponente des Lärms entsteht, wenn das äußere Rad an der Schiene anläuft. Hier kann eine gute Spurkranzschmierung Abhilfe schaffen. Nach meinen Erfahrungen tritt dies bei Strassenbahnen seltener auf, es spielte in der oben erzählten technischen Legende offenbar auch keine Rolle.

Ich hatte einmal eine sehr unangenehme Erfahrung mit dem Kurvenkreischen. Erst mehrere Monate nach der Inbetriebnahme stellten sich bei neuen Fahrzeugen für die damalige Trogenerbahn (heute Bestandteil der Appenzeller Bahn, Schweiz) hässliche Kreischgeräusche in Bögen ein. Natürlich berichteten in diesem Falle die Medien darüber. So in die Öffentlichkeit zu geraten, war eine meiner wenigen wirklich unangenehmen Erfahrungen in meinem mehr als 40-jährigen Berufsleben. Zur Ursachenfindung setzten wir auch die Akustische Kamera der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (gfai tech GmbH Berlin) ein [2], [4]. Bild 2 zeigt die bei dieser Mess-Kampagne oftmals festgestellte dominierende Schallabstrahlung der Schiene in einem Breich von einigen Metern vor dem ersten Rad. Das Ergebnis war auch für uns sehr überraschend. In diesem Fall brachte die Installation einer Schienenkonditionierung dauerhafte Abhilfe [2]. Bei einer Schienenkopfkonditionierung werden oberflächenaktive Flüssigkeiten oder Pasten appliziert. Der Reibwert Rad-Schiene wird beim Einsatz guter Mittel dabei nicht, oder zumindest nicht wesentlich, verringert. Aus diesem Grund vermeidet man auch den früher gebräuchlichen, irreführenden Begriff „Schienenkopfschmierung“ .

Weitere Bilder zum Einsatz der Akustischen Kamera in der folgenden Bildergalerie und auf www.acoustic-camera.com

Bei Straßenbahnen bestimmen geteilte Räder den Stand der Technik. Zwischen Radscheibe und Spurkranz wird zur Schwingungs-Entkopplung ein Gummielement angeordnet (Bild 3). Das Eindringen der Schallwellen in die für die Schallabstrahlung besser geeignete Radscheibe soll vermieden werden. Man hoffte, mit dieser Bauweise das Kurvenkreischen zu vermeiden, was aber nicht immer gelang. Solche Räder sind wesentlich schwerer als Monoblockräder, was gerade bei Straßenbahnen unangenehm ist. Dort zählt der Leichtbau besonders. Auf zusätzliche Schallabsorber hatte ich aber verzichtet. Diese gibt es auch für die Spurkränze, bedingen aber noch mal erhebliches (unabgefedertes) Mehrgewicht. Nach den geschilderten Erfahrungen bei der Trogenerbahn habe ich aber bei späteren Projekten den Anbau von Schallabsorbern an den Spurkränzen vorbereitet, indem die entsprechenden Gewindebohrungen zur Befestigung vorgesehen wurden.

Hinweis: Während der 18. Internationalen Schienenfahrzeugtagung in Dresden (22.-24.9.2021) wird ein Vortrag von GHH Bonatrans und Vibratec SA Ecully (Frankreich) zur Entwicklung von Eisenbahnrädern mit guten akustischen Eigenschaften geboten. Dabei werden die Rollgeräusche, Bodenerschütterung und das Kurvenkreischen in die Untersuchungen einbezogen.

In einem anderen Vortrag wird über eine Lösung berichtet, mit der bereits in der Planungsphase eines Fahrwerkes die Neigung zum Kurvenkreischen im entsprechenden Einsatzgebiet bestimmt werden kann. Aus meinen Erfahrungen heraus bin ich gegenüber Vorhersagen bei diesen äußerst sensiblen Vorgängen etwas skeptisch, aber natürlich trotzdem äußerst interessiert, was im Detail geboten wird. Ich werde an dieser Stelle über die Tagung berichten.

Uns sagt der Hausverstand, dass man Maßnahmen gegen den Lärm möglichst nahe am Ort der Entstehung anordnen sollte. Das bei Straßenbahnen oft verwendete Rasengleis ist dafür ein gutes Beispiel. Es gibt keine andere Möglichkeit, eine schallschluckende (schallabsorbierende) Fläche so nah an die Fahrmotoren und Fahrwerke heranzubringen wie mit dieser Technik. Bei der Internet-Recherche zu diesem Thema habe ich einen sehr interessanten Aufsatz von Jahn [5]gefunden. Er berichtet von der Erfahrung, dass mit einer hochliegenden Vegetation bessere akustische Effekte erzielt worden sind als mit einer Bauweise, bei der die Grasfläche tiefer angeordnet ist. Das passt zum eingangs dargelegten Grundsatz: Lärmabwehr möglichst nahe an der Quelle!

Da die Straßenbahnen meist nicht so schnell fahren, tragen die Aggragt-Geräusche (Kühllüfter und Klimaanlage) nicht unerheblich zur Lärmemission bei. Die Lüfterdrehzahlen sollten dabei gemäß dem thermischen Bedarf geregelt werden. Eine effiziente Frischluftregelung auf Basis der tatsächlichen Fahrgastzahlen reduziert ebenfalls nicht nur den Energieverbrauch von Klimaanlagen, sondern kann auch die Lärmemission verringern. Unbedingt sollte vermieden werden, dass die Lüfter beim Aufrüsten erst mal mit der maximalen Drehzahl arbeiten, bevor die „aufwachende“ Regelung eine Reduktion vornimmt. Das ist besonders in den Abendstunden, nachts und am frühen Morgen wichtig. Die Anwohner werden es auch so empfinden: Geweckt ist geweckt!

Demnächst werde ich im zweiten Teil zu diesem Thema auf Belange eingehen, die vor allem die „große“ Eisenbahn, die Vollbahn betreffen. Dabei werde ich über die Schallabstrahlung von Rad und Schiene, über die Schienenpflege und über Schallschutzwände berichten.

Literatur

[1] Iwainsky, H.: Von der Kunst, einen Zug zu bauen. Eigenverlag, Jenbach 2018

[2] Feierabend, J.; Iwainsky, H.; Iwainsky, A.: Einsatz der Akustischen Kamera für die Untersuchung der Lärmemission von Schienenfahrzeugen. ZEVrail 135 (2011), 11-12, S. 440-452

[3] Duden Physik- Basiswissen Schule 5.-10. Klasse; Dudenverlag Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 2007

[4] Feierabend, J.; Schröder,R.; Iwainsky, A.; Iwainsky, H.: Einsatz der Akustischen Kamera für die Untersuchung der Lärmemission von Schienenfahrzeugen. Bahntechnik aktuell Bd.19/2009; Tagungsband zur Railnoise Berlin

[5] Jahn, H.A.: Rasengleis. Grüne Bänder durch Europas Städte machen den ÖV sympatischer und leiser. Regionale Schienen 3/2013