Nu meer mensen op het goede spoor komen voor duurzame hogesnelheidstreinen, zal het verminderen van geluidsoverlast en geavanceerd verkeersbeheer de acceptatie stimuleren.

Het fluitje dat over de rails komt, is het geluid van de renaissance van de Europese spoorwegen. De bocht komt om de hoek kijken naar een toegenomen gebruik van hogesnelheidsvervoer per spoor, dat belooft het wegverkeer te verminderen en schadelijke emissies te beteugelen. Auto's zijn grote boosdoeners bij luchtvervuiling, goed voor 14,5% van de totale CO2-uitstoot in Europa. Ongeveer de helft van de vluchten in Europa zijn korte afstanden van minder dan 1.500 km, wat veel meer uitstoot veroorzaakt dan een vergelijkbare treinreis.

Het Europese Green Deal-beleid omvat plannen om het hogesnelheidsspoor tegen 2030 te verdubbelen en tegen 2050 te verdrievoudigen. Op dit moment wordt 75% van het vrachtvervoer over de weg vervoerd, dus het goederenvervoer per spoor zal tegen 2050 verdubbelen.

Om treinen concurrerender te maken met weg- en vliegreizen, moet de markt worden hervormd en moet de passagierservaring worden verbeterd, evenals infrastructurele upgrades. Prioriteit geven aan duurzaam spoorvervoer belooft aanzienlijke voordelen, maar helaas brengt het ook ongeziene gevaren met zich mee en niet alleen voor passagiers.

Lage frequentie

Een van de minder bekende gevaren van het spoorvervoer is het soort geluidsoverlast dat niemand kan horen. Onhoorbare, laagfrequente grondtrillingen komen voort uit het rollend materieel op de spoorweg terwijl deze passeert. Deze trillingen kunnen niet alleen de structurele integriteit van nabijgelegen infrastructuur aantasten, maar kunnen ook een schadelijk effect hebben op de gezondheid van mensen, waardoor ze hoofdpijn, vermoeidheid en zelfs prikkelbaarheid kunnen veroorzaken bij mensen die ze ervaren.

"Op dit moment is het mogelijk om trillingen te verminderen door rubberen pads onder de sporen te plaatsen", zegt Giovanni Capellari, mede-oprichter van Phononic Vibes. "Dat systeem is oké voor nieuwe spoorwegen, omdat je ze tijdens de aanleg kunt plaatsen." Zijn bedrijf is gespecialiseerd in geluids- en trillingstechnologie. Voor een bestaande spoorlijn zijn rubberen pads erg duur omdat je de sporen moet verwijderen om ze te installeren, aldus Capellari.

Het BioMetaRail-project onderzoekt en ontwikkelt speciale verzonken barrières die langs het spoor kunnen worden ingezet om de trillingen op te vangen. De barrièrewanden vertrouwen op hun vorm voor hun geluiddempende prestaties, in plaats van op de eigenschappen van het materiaal.

Deze synthetische composietmaterialen, ook wel metamaterialen genoemd, hebben designeigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Hun interne structuren zijn ontworpen om te interageren met de laagfrequente geluidsgolven van een passerende trein om ze op te sluiten en te isoleren.

"Kortom, het idee is dat we vormen gebruiken die een aantal resonerende effecten hebben op frequenties die typerend zijn voor trillingen in de spoorwegsector," zei Capellari. In deze context ligt de frequentie van trillingen typisch tussen 30 en 60 Hertz. Het resultaat is een ontwerp voor een betonconstructie van twee bij drie meter die lijkt op een groot raam.

Dit werkt voor zeer lage frequenties, wat erg goed is voor treintreinen. Bovendien zouden de "ruiten" in nog kleinere formaten kunnen worden verdeeld om een ​​groter frequentiebereik op te vangen.

Onderscheidend ontwerp

Als de panelen niet hun kenmerkende vorm en ontwerp hadden en gewoon betonplaten waren, zouden ze de trillingen van de trein niet zo effectief kunnen stoppen als de barrières van BioMetaRail. Om de installatie te vergemakkelijken, is het niet nodig om de spoorlijn op te tillen, omdat deze panelen als een verzonken hek in de grond langs het spoor kunnen worden gestoken om clusters van huizen of gebouwen te beschermen.

Het onderzoeksteam onderzoekt ook het ideale materiaal, de dikte en de afmetingen van de barrières voor hun trillingsdempende effecten.

Het BioMetaRail-project van Capellari is een uitloper van het BOHEME-project, wat staat voor Bio-Inspired Hierarchical MetaMaterials. BOHEME onderzoekt en ontwikkelt verschillende soorten mechanische metamaterialen, geïnspireerd op principes uit de natuur.

Van spinnenwebben tot schelpenkransen, BOHEME karakteriseert natuurlijke systemen en bestudeert hun mogelijke toepassingen. "Het doel is om de resultaten van BOHEME te nemen en te proberen de beste geometrie (voor de spoorbarrières) te begrijpen, rekening houdend met de markt, de kosten, productie en installatie", zei Capellari.

"De volgende stap is om naar de markt te gaan", zei hij, evenals het verkrijgen van certificering voor de trillingsblokkerende interventie. "Er is momenteel geen dergelijk systeem op de markt."

Uiteindelijk zullen deze panelen langs het spoor in woonwijken langs de grond komen te liggen, waardoor spoorwegnetwerken hun treinverkeer aanzienlijk kunnen stimuleren zonder nadelige gevolgen voor de mensen en gebouwen in de buurt.

In 2021 werd voorgesteld om de snelheidslimieten voor treinen van het Trans-European Transport Network tegen 2040 te verhogen tot 160 km/u of meer. Door het toenemende treinverkeer is het ook van vitaal belang dat netbeheerders de volledige lengte van hun spoorwegen in realtime kunnen volgen. Akoestische monitoring kan beide doelen helpen bereiken.

Richard Aaroe's Next Generation Rail Technologies heeft een passief luisterapparaat ontwikkeld dat spoorwegexploitanten vroegtijdig kan waarschuwen voor obstakels op het spoor. Het kan zelfs voorspellen wat de obstructie het meest waarschijnlijk is en waar het kan worden gevonden. Het SAFETRACK-project werkt aan een op zichzelf staand systeem om 'nauwkeurige realtime waarschuwing te geven voor alles wat er op de infrastructuur gebeurt', zei Aaroe.

Het systeem bestaat uit sensoren die trillingen op de baan opvangen en software die identificeert waar op de baan het geluid vandaan komt en wat de oorzaak kan zijn.

Geavanceerde microfoon

"In zekere zin is het een zeer, zeer geavanceerde microfoon", legt Aroe uit. De akoestische trillingen op de baan die worden opgevangen door de sensoren hebben een 'unieke vingerafdruk'. Het geluid van een boomtak die op de baan valt, is anders dan bijvoorbeeld een modderstroom. Aaroe's bedrijf heeft een "bibliotheek" opgebouwd van deze spoor akoestische vingerafdrukken.

Hij vergelijkt de technologie met wanneer onderzeeërs sonar gebruiken om oppervlakteschepen te detecteren door de akoestische signatuur ervan op te pikken. "Tegenwoordig is die technologie geëvolueerd, zodat je niet alleen kunt oppikken dat er een schip passeert, maar je kunt ook het type motor, de klasse van het schip zelf, de snelheid, richting, enzovoort oppikken," Aaroe gezegd.

Dezelfde principes gelden voor spoorakoestiek. "Elk incident heeft een uniciteit en dat hebben we geïdentificeerd en dan kunnen we dit melden aan de treindienstleider, operator of zelfs de machinist zelf."

De sensoren zijn relatief klein, ongeveer zo groot als een smartphone. Een installatie omvat vier sensoren, één op elke rail van het spoor en nog eens twee 10 meter verder langs het spoor. Omdat geluid veel beter door massieve rails gaat dan door lucht, kan één sensorpakket akoestische trillingen vijf kilometer in elke richting detecteren.

De technologie wordt momenteel getest door nationale spoorwegnetwerken in het VK, Duitsland en Spanje, en zal volgens Aaroe binnenkort in nog eens drie landen worden ingezet.

De Europese Unie zet zich in om haar spoorvervoer uit te breiden als onderdeel van de Europese Green Deal die tot doel heeft van Europa het eerste CO2-neutrale continent te maken in 2050. Naarmate meer mensen kiezen voor het spoor in plaats van auto's, zal technologie die treinen veiliger en stiller maakt steeds meer worden belangrijk. + Verder verkennen

Hoe toekomstige treinen minder lawaaierig kunnen zijn