Bevezetés

A vasúti közlekedés által kibocsátott zaj és rezgés keletkezésének, terjedésének okai, valamint a zajcsillapítás megoldása igen összetett kérdéskör, jelenleg is számos kutatás tárgyát képező téma. Éppen ezért hazánkban még nincs a zaj- és rezgés­csökkentésre vonatkozó tervezési segédlet, amely egy-egy pályaszakasz akusztikai tervezéséhez nyújtana segítséget, egységes elméleti szemlélet alapján.
Nem áll rendelkezésre egységes modell sem, amelyben vizsgálni lehetne a különböző megoldásokat egyenként vagy akár egymással kombinálva. Ilyen módon jelenleg nem tudunk választ adni olyan kérdésekre, hogy egyes beavatkozások (akár a felépítményi rendszerbe, akár egyéb alkalmas módon) miként befolyásolják a keletkezett zaj és rezgés mértékét. A különböző felépítményi rendszerek, az eltérő típusú, minőségű, korosságú járművek olyan szerteágazó bemeneti paramétereket jelentenek a zajok és rezgések kialakulása során, hogy egyelőre nem létezik egyetlen, univerzális megoldás a pályaépítést illetően.
A téma kidolgozása során azokat a hatékony eljárásokat, intézkedéseket kerestük a pályaszerkezet oldaláról, amelyek a vasúti közlekedés zaj- és rezgéskibocsátásának csökkentését szolgálják. A kutatási munka fő célja a zaj- és rezgéscsökkentő megoldások egységes szemléletű rendszerbe foglalása volt. Számos beavatkozási lehetőséget az általunk megépített kísérleti szerkezeten, laboratóriumi körülmények között vizsgáltunk, és ezeket helyszíni mérésekkel is kiegészítettük. A mérési eredményeket, tapasztalatokat további két cikkben ismertetjük.

A vasúti infrastruktúra zaj- és rezgéshatásai

A zaj akaratunk ellenére a mindennapi élet velejárójaként keletkező nemkívánatos vagy túl intenzív hangjelenség. Fizikai értelemben az történik, hogy a rugalmas közeg, szilárd testek, gázok és folyadékok mozgása, rezgése során az azt kiváltó mechanikai energia egy része hullámok formájában távozik, hangenergiává alakul. A vasúti zaj nagy amplitúdójú rezgés, különböző frekvenciájú, periodikus és véletlen hangok keveréke. A hangnyomás mértékegysége a decibel (dB). Az emberi hallás frekvenciafüggőségének a modellezésére az A súlyozó szűrőt használják. Ennek segítségével mért zajszint az A-hangnyomásszint, a decibel A (dBA). A környezet zajszintje a hallásküszöb (0 dB) és a fájdalomérzet (110–120 dB) között mozog. A fül által érzékelt zajok frekvenciája 20 és 20 000 Hz közé esik. Az emberi hallás (és az azt szimuláló szabványos A-szűrő) 1000–3000 Hz-es hangmagasságokra a legérzékenyebb, mélyebb hangok tartományában fülünk egyre érzéketlenebb. A hangnak az érzékelhető, emberre gyakorolt hatása egyszerre függ objektív és szubjektív tényezőktől: a rezgés fizikai tulajdonságaitól, a zaj-, illetve rezgésterhelésnek kitett személyek állapotától és az éppen folytatott tevékenységtől. A tényleges zaj ezek összhatásából alakul ki, de függ az észlelés helyétől, annak beépítettségétől is [1].
A vasúti forgalom által gerjesztett zaj kétféleképpen jelentkezik: a vágány környezetében hallható léghang (zajkibocsátás), illetve a vágány közelében lévő épületekben észlelhető testhang (rezgésgerjesztés) formájában. A vasúti pálya-jármű rendszerben az elsődleges zajforrás a jármű (meghajtás, sín-kerék kapcsolat), azonban a pálya elemeinek kialakítása, minősége és pillanatnyi állapota is befolyásolja a zaj kialakulását, a zajterhelés nagyságát. A rezgés szorosan kapcsolódik a zajhoz, hiszen mindkettő a környező közeg hullámmozgása, míg a zaj csak a levegőben, addig a rezgés általában a talajban vagy épületekben, illetve egyéb szerkezetekben terjed. A vasúti eredetű rezgési frekvenciák legfeljebb néhány 100 Hz-ig jelennek meg, de ebből a 80 Hz feletti komponenseket általában már nem érzékeljük.
A vasúti zaj- és rezgésforrásokat két részre kell bontani: egyrészről a pálya (felépítményi elemek típusa), másrészről pedig a jármű (gördülőállomány jellemzői) állapotából származó okokra. Más-más szerkezeti elemekből áll a pálya és a jármű, amelyeknek különböző, közlekedésre vonatkozó befolyásoló tényezői vannak. Fontos megemlíteni ugyanakkor, hogy az eredő zajt nemcsak a kétféle forrás együtt, hanem ezek kölcsönhatása is befolyásolja.
A vasúti közlekedés során fellépő leggyakoribb zajforrások: indulási, fékezési, elhaladási, gördülési, aerodinamikai, továbbá gépészeti/járműszerkezeti zajok (1. ábra). Ide sorolható még a kis sugarú ívekben fellépő csikorgás és kitérőn vagy kitérőcsoportokon történő áthaladáskor a többletzajterhelés is.

A zajforrások a járművek sebességének függvényében is osztályozhatók: 60 km/h-ig a motorok, hajtóművek, szellőzők és a felépítmények zajai, 300 km/h-ig a gördülési zajok meghatározóak, mintegy 300 km/h sebességtől pedig az aerodinamikai zajok jelentősége növekszik.
A szerelvények meghajtását biztosító gépészet zajcsillapítása is szükséges, ennek megoldása jármű-, illetve gépészmérnöki feladat. A nagysebességű pályák és vonatok esetében számottevő aerodinamikai zajforrások csökkentése pedig az áramlástechnika témakörébe tartozik. Pályavasúti szempontból viszont a kerék és a sín dinamikus kölcsönhatásából eredő gördülési zaj a meghatározó. A pálya építésével és karbantartásával csak ennek a rész-zajforrásnak a csökkentésére van lehetőség, így a kutatás-fejlesztési projekt keretében is a járművek gördülésének hatásaival foglalkoztunk. Fontos, hogy ezáltal csak kisebb mértékű csillapítás érhető el, mivel egy szerelvénynek számos más zajforrása is van, amelyek együttesen határozzák meg a vasúti közlekedés eredő zajszintjét.

Vasúti járművek gördülése

A vasúti járművek gördülése közben dinamikus erők keletkeznek. A pályán álló vasúti jármű a pályában és annak környezetében mechanikai feszültséget hoz létre. Amint a jármű gördülni kezd, ez a feszültségállapot – a feszültséghullámok véges terjedési sebessége által kissé módosított formában – együtt mozog a járművel. Ez a mozgó feszültségállapot akkor is létrejön, ha a pálya és a rajta gördülő kerék futófelülete ideális, hibamentes, és a futás tökéletesen egyenes vonalú. A valóságban azonban a járműnek számos olyan mozgásformája is kialakul, amely az egyenes vonalú mozgástól eltér. A gördülés közben kialakuló támolygó, bólintó és oldalirányú kígyózó mozgás ingadozó erővel hat a sínekre. A kerekek geometriai hibái, mint az excentricitás, a kiegyensúlyozatlanság és a keréklaposodás (a tuskófék laposít, hullámosít és felhord) további dinamikus erőket keltenek csakúgy, mint a periodikusan változó merevségű sínalátámasztás, illetve annak esetleges folytonossági hibái. A környezeti zajkeltés szempontjából pedig különösen fontosak azok, a fentieknél sokkal gyorsabban változó dinamikus erők, amelyek a sínszál és a rajta gördülő kerekek egyenetlenségeiből, szabálytalanságából és így a sín-kerék kapcsolat erőingadozásaiból adódnak. 
Mindezek a dinamikusan változó erők nagyon különböző rezgésformákat hoznak létre, amelyek egy része követi a gördülő járművet, míg mások lokális hatások maradnak. A keletkező rezgések jellemzőit, azaz rezgésamplitúdóit és frekvencia-összetételét számos további paraméter is befolyásolja: a jármű teljes és rugózatlan tömege, sebessége, a felfüggesztés kialakítása. A gerjesztési mechanizmusok egy része periodikus ingadozást, míg mások véletlen lefolyású dinamikus erőket hoznak létre. Ennek megfelelően különböző rezgéskomponensek keletkeznek, amelyeket frekvenciaelemzéssel viszonylag jól el lehet különíteni.
A jármű és a pálya egy olyan komplex rendszer, amelynek nagyszámú saját frekvenciája van. Ha egy gerjesztő frekvencia megfelel egy saját frekvenciának, különösen erős lengés gerjed. Minél nagyobb az utazósebesség, annál nagyobb lesz a dinamikus erő, és annál magasabb frekvenciájúak lesznek annak összetevői.
A környezeti hatások tehát mindenekelőtt a kerék-sín érintkezési ponton fellépő jelentős erők hatására keletkeznek. Ezek az erők a kerék- és sínegyenetlenségeknek megfelelően ingadoznak. Ezáltal széles frekvenciatartományú, dinamikus erőspektrum keletkezik [3]. A sín és kerék kapcsolatát döntően meghatározó tényezők és az azokból származó zajok és rezgések terjedésének mechanizmusát a 2. ábra mutatja.

Pályavasúti zaj- és rezgéscsökkentő megoldások

A felépítmény több egymás feletti merev elemből áll, amelyek a dinamikus erőket egymásnak továbbítják. A vasúti zaj és rezgés csökkentésének elsődleges módja a sín és a kerék közötti érintkezés dinamikus erőinek csökkentése, amit egyrészt a vasúti felépítmény elemeinek helyes megválasztásával vagy utólagos szigetelésével érhetünk el. Önmagában a klasszikus zúzottköves pályának is jelentős a rezgéscsillapító hatása, de ez ma már nem elegendő. A vasúti pályák okozta rezgések csillapítására a rezgésterjedési útban elhelyezett rugalmas elemek – elsősorban a modern műanyagipari technológiáknak köszönhetően rendelkezésünkre álló elasztomerek – nyújtanak lehetőséget. Szinte valamennyi pályaszerkezeti elem közvetlen környezetébe beépíthetők rugalmas rezgéscsillapító elemek (lemezek, tömbök, kiöntések stb.). Ezek külön-külön, vagy valamilyen kombinációban helyezhetők el a sínszálak hevederkamráiba, a sínleerősítésekbe, a keresztaljak vagy a zúzottkő ágyazat, illetve speciális pályákon, főként alagutakban, a pályalemez alá. Mindegyik esetre érvényes az a megállapítás, hogy csak akkor várhatunk megfelelő rezgéscsökkentő hatást, ha a rezgésterjedési útban egymást követő elemek mechanikai impedanciája (azaz ellenállása vagy merevsége) jelentősen eltér egymástól.

A táblázatban felsoroljuk – a teljesség igénye nélkül – a vasúti pálya elemeit, az azokhoz tartozó, üzemi körülményekből vagy nem megfelelő karbantartásokból fakadó zaj- és rezgésforrásokat. Összefoglaljuk a beavatkozási lehetőségeket, valamint ismertetjük az intézkedések zaj- és/vagy rezgéscsillapító hatásait. A megoldások közül a projekt során többet helyszínen és laboratóriumi körülmények között is vizsgáltunk, a továbbiakban ezek tulajdonságait, működési mechanizmusait és alkalmazásuk fontosságát mutatjuk be. A következő két részben ezeknek az elemeknek a mérési eredményeit is részletezzük.

A sínegyenetlenség szorosan összefügg az eredő zajkeltéssel. A sínfelületi hibák – mint például a hullámos kopások – a nem kívánt zajterhelés mellett a vasúti pálya nagyobb dinamikai igénybevételét is okozzák. Ma már a normál pályafenntartási folyamat részévé kell válnia a síngondozásnak, a jó minőségű sínfelület biztosításának. Ennek egyik elengedhetetlen eszköze a sínek folyamatos karbantartása – a hibák nagyságának és a megmunkálás pontossági igényének függvényében – csiszolással, köszörüléssel, gyalulással vagy marással. Megjegyezzük ugyanakkor, hogy a nagyon jó állapotban tartott síneken továbbra is közlekedő hibás, egyenetlen (pl.: lapos) kerekek alapvetően is jelentős zajt okoznak, és ismételten feldurvítják a sínfelületet. Ha csak a sínszálakkal – és a kerekekkel nem – foglalkozunk, akkor önmagában a sínmegmunkálással – ami egyébként vitathatatlanul szükséges karbantartási munka – nem elég, illetve csak átmenetileg hatékony zajcsökkentés érhető el, előbb-utóbb a hibás kerekek ismételten lerontják a sínek állapotát.
Ma egyre gyakrabban alkalmazzák a sínszálak kamráiba helyezett, ragasztással vagy egyéb módon rögzített, erősen viszkózus tulajdonságú csillapító elemeket, amelyek új pályaszerkezeti elemként jelennek meg a vasúti pálya felépítményében. A rezgéscsillapító kamraelemeket a síngerinc – mint rezgésforrás – zajkibocsátásának csökkentésére használják. A síngerinc csekély tömege miatt könnyen rezgésbe jön, emiatt a rendszer akusztikai megítélésekor gyenge pontnak tekinthető, és egyben a pályaszerkezet legnagyobb zajkibocsátását is okozza. A kamraelemek, nagy belső súrlódásuk révén, a síngerinc rezgési energiáját alakítják át hővé.
A kerék-sín kapcsolatban rezgésbe került sínszál csillapítását közvetlenül és természetes módon a sínleerősítések végzik. Bár a sínleerősítések elsődleges feladatköre mechanikai jellegű, azonban a sínszálak megfogásának, ágyazásának körülményeitől és minőségétől függően az akusztikai jellegű igénybevételek kezelésében is szerepet vállalnak. Ebben leginkább a rugalmas kapcsolatot nyújtó (szorítókengyelek, spirálrugók), illetve a rugalmas megtámasztást vagy ágyazást biztosító elemek (közbetétek, alátétlemezek, kamraelemek stb.) vesznek részt. Kutatásunkban különböző típusú és rugalmasságú leerősítések vizsgálatát végeztük el.
A keresztaljak alsó felületére különböző eljárási módokkal rögzített rugalmas rétegek az aljpapucsok vagy keresztaljalátétek. Alkalmazásukkal a vágányok egyenletesebben fekszenek, a keresztalj alatti hézagok elkerülhetők, javítják a vágány minőségét, csökkentik az ágyazat romlását és kopását, valamint a fenntartási költségeket is. Elsődleges céljuk a pálya élettartamának hosszabbítása, ugyanakkor hatékony rezgéscsökkentő elemként is funkcionálnak. Rugalmas rétegként csökkentik az érintkezési/felületi nyomást, ezáltal a keresztaljakat függetlenítik az ágyazattól, a rezgésterjedés útját gátolják. Fontos azonban kiemelnünk, hogy – az általános vélekedéssel szemben – a levegőben terjedő zaj csökkentésére az aljpapucsok nem alkalmasak. Aljpapucsok beépítésével inkább növekszik az eredő hangnyomásszint, amit mérésekkel is bizonyítottunk.

A vasúti zaj értékelése az új európai szabályozás alapján

A környezet védelmének általános szabályairól – zaj és rezgés – az 1995. évi LIII. törvény rendelkezik. A zajterhelési határértékeket a 27/2008. (XII. 3.) KvVM–EüM közös rendelet tartalmazza mind az üzemi, mind az építkezési-kivitelezési, mind pedig a közlekedési zajok tekinteté­ben. A zajtól védendő terület függvényében nappal 55–65, éjszaka 45–55 dB értékeket határoztak meg. A megengedhető zajszintelőírások és határértékek meglehetősen szigorúak, betartatásuk sok problémát vet fel. A zavaró hatások főként a sűrű beépítettségű települések és városrészek, illetve a nagy forgalmú (leginkább tranzitforgalmú) vasútvonalak közelében érvényesülnek. 2016-ban közel hetven zajpanasz érkezett a MÁV Zrt.-hez [5]. A hazai vasútvonalakon alkalmazott megoldások egyelőre a zajvédő falak használatában merülnek ki.
A vasutak által keltett zaj mérése Európában a többször átdolgozott, jelenleg 2013-as kiadású ISO szabvány [6], [7] alapján történik. A külső zajok mérési metodikája egyrészt a meglevő, illetve új gyártású vasúti járművek minősítését szolgálja, másik fontos alkalmazása pedig az új európai zajszámítási eljáráshoz tartozó mérések egységes megalapozása.
Európában a környezetvédelem egyik meghatározó eleme volt a környezeti zaj értékeléséről és kezeléséről szóló, EU 2002/49/EK számú európai parlamenti és tanácsi irányelv. Ez a dokumentum úgy rendelkezett, hogy a cselekvési terveknek a stratégiai zajtérképeken kell alapulniuk. A stratégiai zajtérképeket a közös értékelési módszerek felhasználásával kell elkészíteni, amennyiben ezeket a módszereket a tagállamok elfogadták. A tagállamok ugyanakkor más módszereket is alkalmazhattak a környezeti zaj megelőzésére és csökkentésére irányuló egyéb nemzeti intézkedések értékeléséhez.
2008-ban az Európai Bizottság elindította a közös zajértékelési módszertani keret kidolgozását a Közös Kutatóközpontja (a továbbiakban: JRC – Joint Research Centre) által irányított „Közös zajértékelési módszerek az EU-ban” (a továbbiakban: CNOSSOS-EU) projekten keresztül. A projektet a kültéri használatra tervezett berendezések zajkibocsátására vonatkozó tagállami jogszabályok közelítéséről szóló, 2000. május 8-i 2000/14/EK európai parlamenti és tanácsi irányelv 18. cikke alapján létrehozott bizottsággal szoros együttműködésben valósították meg. A projekt eredményeit a JRC-nek a CNOSSOS-EU-ról szóló referenciajelentésében tették közzé [8]. Ennek a jelentésnek az alapján az Európai Bizottság 2015. május 19-én közzétette 996. sz. irányelvét [9]. Az irányelv mellékletében rögzített értékelési módszereket az irányelv 2. cikkének (1) bekezdése értelmében a tagállamoknak legkésőbb 2018. december 31-éig el kell fogadniuk. Addig az időpontig a tagállamok a 2002/49/EK irányelv 6. cikkének (2) bekezdése értelmében tovább használhatják a korábban nemzeti szinten elfogadott, fennálló értékelési módszereket.
A zajértékelési módszerek egységesítése érdekében az Európai Bizottság XII. igazgatósága két K+F projektet finanszírozott (Harmonoise: 2000–2004 és Imagine: 2005–2008). E projektek adatait és eredményeit elsősorban nem nyilvános, belső használatra szánt projektjelentésekben foglalták össze; a vizsgálatok módszerei és eredményei kisebb részben a nyilvános szakirodalomban is elérhetők.
Az új CNOSSOS-metodika jelentős eltéréseket tartalmaz a korábbi, a tagálla­mokban jelenleg széles körben alkalmazott, eltérő, de viszonylag egyszerűen megvalósítható eljárásokhoz képest. A legfontosabb változás az, hogy a zajforrások értékelését a jövőben nem egyszerű hangnyomásmérések, hanem a mért hangnyomásokból származtatható mennyiség, a hangteljesítmény meghatározására alapozzák. E változás hatásainak feltárása érdekében egy hazai szakértőkből álló munkaközösség tanulmányt készített [10]. A tanulmány néhány fontos megállapítása:
„A számítások lényegi, meghatározó részét képezik a számításhoz alkalmazandó ún. »bemenő adatok«, amelyeket a jogszabályban közölt képletek és összefüggések konstansaiként kell alkalmazni a számítások során. A JRC referenciakiadványában az szerepel, hogy a kutatás első részének befejezése után készül majd egy további, 2. kötet, amely a számításokba beépítendő teljes adatbázist fogja tartalmazni. (Ez lenne hivatott a tagállamokban meglevő sajátosságokat, infrastrukturális adottságokat tükrözni – a szerző megjegyzése.) Ez a 2. kötet azonban a mai napig nem jelent meg, és nem is tervezik kiadni.” Továbbá:
„Az Irányelv ún. »alapértelmezett adatokat« tartalmaz, amelyek fejlett infrastruktúrájú környezetet tételeznek fel. (Ezt az azóta elvégzett vizsgálatok – a tanulmányban részletesebben bemutatott európai és japán mintaprojektek – is alátámasztják.) Érthető, hogy egy fejletlenebb infrastruktúrával működő közúti vagy vasúti forgalom – ilyennek tekinthetők európai viszonylatot alapul véve a magyar adottságok is – okozta zajkibocsátás számításakor az Irányelv »alapértelmezett adataival« végzett számítások eredményei jelentősen eltérnek (eltérhetnek) a valós, tényleges helyzettől. (Az Irányelv elő is írja, hogy »nem szabad az alapértelmezett bemenő adatokra, illetve feltételezésekre hagyatkozni«!)
Az alapadatok méréssel történő meghatározása meglehetősen összetett, sok munkát igénylő, és ezért költséges eljárás. Az Irányelv azonban „…biztosít egy »kiskapus« megoldást. Ez a valós kibocsátást tükröző számítások elvégzéséhez szükséges tényleges adatok összegyűjtése alól »felmentést ad«, amennyiben az »aránytalanul« magas költségekkel jár.
A tanulmányban ugyanakkor megállapítják, hogy „Szakmailag nehezen értel­mezhető és nem fogadható el ez a »megoldás«, mert ezzel – amennyiben a számítások a tényleges kibocsátástól/terheléstől jelentősen eltérő eredményt adnak – megkérdőjelezzük az eljárás szakmaiságát, lejáratjuk és erodáljuk a teljes zajvédelmi politikát, annak intézményrendszerét.”
„Mindezek figyelembevételével szükséges, hogy áttekintsük a CNOSSOS-számítási eljárást, és választ keressünk azokra a kérdésekre, amelyek megválaszolása lehetővé teszi a számítási eljárás magyarországi implementálását.”
Felismerve a tanulmányban megfogalmazott problémák realitását – és a Magyarország ellen jelenleg folyó kötelezettségszegési eljárásra is tekintettel –, a magyar kormány rendeletet alkotott a környezeti zaj értékeléséről és kezeléséről [11], továbbá jelentős forrásokat biztosított a CNOSSOS-metodika hazai bevezetésének és gyakorlati alkalmazásának céljára [12].
A leírtakat szem előtt tartva a következő részben összefoglaljuk a CNOSSOS vasúti zajokra vonatkozó főbb módszereit, és az egyik elvégzett mérés adatait újra feldolgozva javaslatokat adunk a problémakör méréstechnikai vonatkozású feladatainak megoldására.

Az 1. rész összefoglalása

Belátható, hogy a vasúti közlekedés által okozott rezgés- és zajhatások keletkezésének folyamata meglehetősen összetett jelenség. Az eredő zajt jelentősen befolyásolják a közlekedésben részt vevő járművek tulajdonságai, valamint a gépészeti, mechanikai és áramlástani zajforrások. Pályavasúti szempontból a zajkeltési folyamat meghatározó része a kerék és a sín dinamikus kölcsönhatásából eredő gördülési zaj. A pályaépítés rendelkezésére álló eszközökkel csak ennek a részzaj forrásnak csökkentésére van lehetőség.
Általában elmondhatjuk, hogy mindazon intézkedések hasznosak, amelyek a zajcsillapítás mellett a rezgéseket is csökkentik. Különböző típusú, rugalmas anyagok beépítése a felépítmény egyes szintjein megoldást nyújthatnak a zaj- és rezgésproblémákra. Fontos felismerni azonban, hogy ezekkel az intézkedésekkel csak kisebb mértékben befolyásolható az eredő zajszint.
Továbbiakban az e cikkben ismertetett intézkedések és pályaelemek zajra és rezgésekre gyakorolt hatásainak vizsgálatával foglalkozunk. Részletezzük a pályamérések körülményeit és eredményeit, valamint bemutatjuk a laboratóriumban összeállított rezgésvizsgáló berendezés működését és az ott megvalósított mérések tapasztalatait. A CNOSSOS-EU metodika gördülési zajok meghatározására vonatkozó számítási eljárását is kifejtjük, az egyik elvégzett helyszíni mérés adatait ezzel a módszerrel is feldolgoztuk.