A vasúti közlekedési rendszer által kibocsátott zaj és rezgés keletkezésének, terjedésének okai, valamint a zajcsillapítás megoldása rendkívül összetett kérdéskör. Jelenleg nem áll rendelkezésre egységes modell, amelyben vizsgálni lehetne a különböző zajcsillapítási megoldásokat egyenként vagy egymással kombinálva. Ilyen módon még nem tudunk választ adni olyan kérdésekre, hogy egyes beavatkozások a felépítményi rendszerbe miként befolyásolják a keletkezett zaj és rezgés mértékét. Mindezek tudatában a téma kidolgozása során azokat a hatékony eljárásokat, intézkedéseket kerestük a pályaszerkezet oldaláról, amelyek a vasúti közlekedés zaj- és rezgéskibocsátásának csökkentését szolgálják.
A laboratóriumi vizsgálatok célja a valóságos üzemi állapotokat lehető legjobban megközelítő, ugyanakkor a BME Út és Vasútépítési Tanszék Pályaszerke­zeti Laboratóriumának fizikai kötöttségei ellenére is megvalósítható rezgésvizsgáló berendezés összeállítása volt. Az összeállított mérési rendszer segítségével elvégzett kísérleti vizsgálatokkal a pályaszerkezeti elemek (aljpapucs, rugalmas sínleerősítések, sínkamraelemek) rezgésátviteli és rezgéscsökkentő hatásainak megállapítása volt a feladatunk. A kísérletek megtervezésekor fontos szempont volt, hogy az összeállított modellen elvégzett mérések alkalmasak legyenek a helyszíni, üzemi állapotban végzett vizsgálatok eredményei­vel történő összehasonlításra. Célkitűzései­nk között volt továbbá, hogy a helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok eredmé­nyei alapján választ kapjunk a pályaszerkezeti elemek hatékonyságára, illetve arra, hogy az elemek együttesen milyen kombinációban bizonyulnak a legalkalmasabbnak. A legeredményesebb pályaszerkezeti elemekre és azok kombinációira a jövőben kiemelt figyelmet kell fordítani, további vizsgálatokkal szükséges hatékonyságukat alátámasztani.

Mérési rendszer

Tudomásunk szerint hazánkban még nem végeztek hasonló jellegű laboratóriumi vizsgálatokat. Egy teljesen új modell és összeállítás, új mérési metodika és eljárás megtervezését, valamint annak fizikai megvalósítását kellett elvégeznünk. Törekedtünk a valós vasúti pályához leginkább közel álló modell felépítésére. A rezgésvizsgáló modell összeállítását egyrészről a felépítményi szerkezet, másrészről pedig az alkalmazott mérőeszközök összehangolásával kellett megterveznünk a rendszer működőképessége és a mérési eredmények sikeressége érdekében. Mindenekelőtt, komplex tervezésre volt szükség. Már a tervezés fázisában a hazai vasútvonala­kon járatos felépítményi szerkezetek megépítését tűztük ki célul. A klasszikus vasúti felépítmény és annak elemei kellő határokat szabnak egy rendszer összeállításánál. Az elemek méretei és funkciói adottak, azok viselkedéseit ismerjük, a mérőműszereket ezekhez a korlátokhoz kellett igazítanunk. A kalodában megépített felépítményi szerkezetből, mérőeszközökből és keretből álló teljes rezgésvizsgáló mérési rendszer az 1. ábrán látható.

A laboratóriumban végzett vizsgálatoknak számos előnyük van, hiszen ott a vasúti pályához képest steril körülmények adottak, valamint a környezet zavaró zaj- és rezgéshatása is minimális. A mérések könnyebben, biztonságosabban, az időjárási körülményektől és a forgalomtól függetlenül, bármikor  elvégezhetők. Legnagyobb hátrány azonban, hogy a valós vasúti pályához képest jelentős egyszerűsítések alkalmazása szükséges a modellben. Mindemellett a pályán üzemi körülmények között közlekedő járművek terheléseit is csak nagyságrendekkel kisebb mértékben lehet szimulálni.

Felépítményi szerkezetek

A Pályaszerkezeti Laboratórium fizikai kötöttségei miatt a rendszer összeállítása a felépítményi szerkezet szempontjából nem volt könnyű feladat. A klasszikus vasúti felépítmény helyigénye a laboratórium szabad és meglehetősen korlátozott területeihez képest jelentős. A helyhiány mellett a zúzottkő ágyazat szabott további korlátokat. Túlzott mennyisége és tömege kezelhetetlenné válik egy ilyen méréssorozat végrehajtása során. A két szűk keresztmetszetből adódóan (és további korlátozások miatt) fél vágányrács vizsgálata mellett döntöttünk. Az elemek beszerzésekor az ebből adódó méreteket vettük figyelembe.
A felépítményi rendszerek összeállításakor a valós vasúti pályában használatos pályaszerkezeti elemek alkalmazására törekedtünk. A klasszikus felépítményt további, a kutatás során vizsgálni kívánt, rugalmas gumielemekkel láttuk el. Ennek eredményeképpen aljpapucs, sín­kamraelemek, valamint rugalmas sínleerősítések rezgéshatásainak vizsgálatára alkalmas berendezést tudtunk építeni. 
Különböző sínleerősítések vizsgálata érdekében kétféle vasbeton keresztaljat alkalmaztunk: LM-GEO jelűt a közvetett és LM-S jelűt a közvetlen rendszerű sínleerősítésekhez. A sínleerősítések meghatározták a keresztalj típusát, és ezzel együtt a s ínrendszert is, így a vizsgálati modellben első körben az 54 E1 sínrendszert alkalmaztuk.
Az 54 E1 sínrendszerű felépítményekhez csak a Sofidon-F típusú kamraelem volt megfelelő. Sínkamraelemeket jellemzően új építésű, 60 E1 sínrendszerű vágányoknál alkalmaznak, a gyártók pedig ehhez az igényhez alkalmazkodtak. Ahhoz, hogy különböző kamraelemek hatásait tudjuk vizsgálni, több, 120 cm hosszú, 60 E1 rendszerű sínszálra volt szükségünk, mivel túlnyomórészt az elemeket ragasztják, és nem szerelve rögzítik a sínszálak gerincére.
A 60 E1 rendszerű sínszálakhoz rendelkezésünkre álltak L4 jelű vasbeton keresztaljak, valamint azokhoz alkalmas Skl–1 típusú szorítórugóval kialakított sínleerősítések is.  Az LM-GEO, LM-S és L4 jelű keresztaljakra 6 mm vastagságú FRT-USP típusú gumielemet ragasztottunk, miután az aljpapucs nélküli méréseket elvégeztük.
A zúzottkő ágyazat megtámasztása és összetartása miatt szükség volt egy kalodára, amelyet fapallókból építettünk, rögzítését pedig szögvasakkal és csavarokkal oldottuk meg. A kaloda négy oldalát 30 mm vastagságú gumiszőnyeggel béleltük ki, amelyeket csavarokkal rögzítettünk a fapallókhoz. A kaloda által bezárt területen, a zúzottkő ágyazat alá ugyanolyan gumiszőnyeget helyeztünk. Az alkalmazott gumielemekkel célunk egyrészről az üzemi állapotokat lehető legjobban megközelítő modell érdekében a födém merevségének feloldása, vagyis az altalaj rugalmassági értékének megközelítése, másrészről pedig a zúzottkő mentesítése volt az annak gátat szabó, merev kalodától.
A laboratóriumi mérések során alkalmazott pályaszerkezeti elemeket az 1. táblázat foglalja össze.

Mérőeszközök

Üzemi állapotok között a járművek gördülése több ponton ható, időben és térben folyamatosan változó erőgerjesztés. A gördüléskor keletkező erőhatások valósághű szimulálása érdekében TIRAvib 5220 típusú elektrodinamikus rezgésgerjesztő berendezést (shakert) alkalmaztunk. A shaker a mérési rendszer fő egysége. Legfontosabb jellemzője a vele előállít­ható legnagyobb szinuszos erő, amelynek értéke 1000 N csúcstól csúcsig. A szinuszos gerjesztés maximális sebessége 1,5 m/s, maximális elmozdulása 25,4 mm, ami szintén csúcstól csúcsig vett érték. Armatúrájának átmérője 120 mm.
A shaker felfüggesztése érdekében további szerkezetre, rögzítőkeretre volt szükség. Az elemeket úgy kellett megépíteni, hogy a shaker (felfelé álló) talpán fellépő reakcióerő a keretet, annak oszlopain keresztül a födémet, általa pedig a zúzottkő ágyazatot ne hozza rezgésbe, a vizsgált felépítményi szerkezet egyes pontjain fellépő rezgés csak a sínszálra ható erő következményeként jöjjön létre. A shakert emiatt acéllemezek és légrugók segítségével függesztettük fel. A keret egy-egy, a födémet tartó oszlopgerendához volt leerősítve, az oszlopok távolsága adta meg a támaszközt. A keret támaszközén belül kellett megépítenünk a felépítményi szerkezeteket.
A shakerhez PCB 201B10 típusú erőmérő cellát csatlakoztattunk, amelynek segítségével ismert erővel történt a gerjesztés. A berendezés folyamatos hűtést igényelt működése közben, ezért TB 0140 típusú hűtőventilátor is a rendszer részét képezte. A shaker elektromos gerjesztéséhez BAA 100-E típusú teljesítményerősítő egység alkalmazására is szükség volt. 
A laboratóriumi vizsgálatok során öt rezgésérzékelőt alkalmaztunk, amelyekkel a rezgések függőleges komponenseinek értékét mértük. Különböző érzékenységű érzékelőkkel PCB, illetve B&K típusúakkal dolgoztunk. A sínszál geometriai középpontja fölé szereltük fel a shakert, ezáltal a dinamikus erőgerjesztés a sínszál közepén hatott, és ez szimmetrikus hatásokat eredményezett. Ennek okán elegendő volt a fél vágányrács egyik oldalán, függőlegesen elhelyezni az érzékelőket. Egy rezgésérzékelőt a sínfejen, a középpont mellett, valamint egyet a sínfejen, a sínleerősítések vonalában helyeztünk el. A keresztaljakra jutó rezgéshatások mérése érdekében egy rezgésérzékelőt az egyik keresztaljon rögzítettünk. Közvetett (szétválasztott) rendszerű sínleerősítések esetén az alátétlemez viselkedését is vizsgáltuk egy további érzékelővel.
Az utolsó rezgésérzékelőnek a helyét többször változtattuk. Mértük a zúzottkő befogását szolgáló kaloda és a shaker felfüggesztését biztosító keret rezgéseit is. Célunk ezzel a felépített rendszer hatásának feltérképezése volt, hogy miként befolyásolják az ott kialakuló rezgések a mérési eredményeket. Az esetleges mérési hibák feltárása érdekében móduselemzést is végeztünk a kereten. Az eredmények azt mutatták, hogy az acélkeret rezgései nem zavarják a méréseket, mert kis szintűek, és az általunk vizsgált frekvenciatartományokon kívül jelennek meg. A kalodán elhelyezett érzékelő jele pedig értékelhetetlenül alacsony szintű volt. Ez azt jelentette, hogy a zúzottkőnek kellően erős a csillapító hatása. 
A laboratórium födémének merev kialakítása miatt nem volt lehetőségünk az ágyazatból az altalajra jutó, azaz a padka rezgésének vizsgálatára.

A rezgésérzékelők által mért jeleket és az erőmérő cella adatait mérésadatgyűjtő berendezés digitalizálta, amelyet számító­géphez csatlakoztattunk. Front-end egységként feladata a bemenő és kimenő adatok fogadása és továbbadása volt. LMS Test.Lab programcsomag segítségével számítógépen értékeltük ki az érzékelők által felvett rezgésátviteli függvényeket. A mérőeszközök egységei és funkcionális összefüggései blokksémaként láthatók a 2. ábrán.

Mérési metódus

Az alkalmazott mérőeszközök zajjellemzői, a shaker rezgése által keltett szekunder zajlesugárzás, valamint a ventilátor működésének zaja és a további zavaró hanghatások miatt nem volt módunk zajmérések végrehajtására, illetve az elemek hangnyomásszint-különbségeinek meghatározására sem. Laboratóriumi körülmények között az összeállított mérési rendszerrel emiatt a felépítményi szerkezet kiválasztott elemeinek (mint aljpapucs, sínkamraelemek, valamint közvetlen és közvetett rendszerű sínleerősítések) rezgésátviteli hatásainak vizsgálatát végeztük el.
A lehetséges összes kombinációban összeállítható felépítményi szerkezetet megépítettük annak érdekében, hogy az elemek saját és együttes rezgéshatásait vizsgáljuk, és megállapítsuk hatékonyságuk mértékét. Minden mérésnél legalább egy pályaszerkezeti elemet változtattunk, így összesen 26 felépítményi kombinációt vizsgáltunk meg. A mérések értékelésénél a referencia felépítményi szerkezet minden esetben a kamraelem és aljpapucs nélküli, csillapítatlan rendszer volt (2. táblázat).

A berendezés folyamatosan adott, széles frekvenciatartományra kiterjedő, véletlen erőgerjesztése következtében kialakuló rezgésgyorsulásokból kalibrált rezgésát­viteli függvények határozhatók meg. A sínszál két pontján, az alátétlemezen (ha az adott kombinációban értelmez­hető volt), a keresztaljon, valamint a shakert felfüggesztő acélkeret (illetve kaloda) különböző pontjain elhelyezett gyorsulásérzékelőkkel, rezgésgyorsulás per erő típusú frekvenciaátviteli függvényeket mértünk. A vizsgált felépítményi szerkezetek rezgésátvitelét a referencia felépítményi kombináció frekvenciaátviteléhez viszonyítva relatív frekvenciaátviteli függvények voltak számíthatók. Ezek összehasonlításával megállapítható a vizsgált szerkezet rezgéscsillapító hatása keskenysávú esetben a frekvencia, tercsávos adattömörítés esetében pedig a tercsávok középfrekvenciájának függvényében.

Eredmények

Minden méréshez három (közvetett rendszerű sínleerősítések esetén négy), az el­helyezett érzékelők által felvett rezgésgyorsulás per erő típusú frekvenciafüggvény tartozik, összesen 86 db. Az összes mérési eredmény ismertetését mellőzve csak a legfontosabb, illetve az általánosságban tapasztalt eredményeket emeljük ki. Az eredmények ismertetését csak a keresztaljon elhelyezett rezgésérzékelő által felvett függvényeken keresztül ismertetjük, mivel ez volt a legalsó pályaszerkezeti elem, azaz mérési pont a felépítményben, ahol mérni lehetett a rezgéshatásokat. A vasúti közlekedés által a felépítményben kialakuló rezgések a teherátadás útján terjednek egészen a talajig, onnan pedig az épületekbe. A vasúti felépítményt vizsgálva emiatt általában a legalsó pont hordozza a legtöbb információt a rezgések tekintetében.
A vizsgált sínleerősítések viselkedése erősen frekvenciafüggő, rezgéscsillapítás terén eltérő értékeket és tendenciákat mutatnak (3. ábra).

A közvetett és közvetlen rendszerű sínleerősítések azonosan viselkednek egészen 100 Hz-ig, minimálisan rugalmasabb leerősítésnek bizonyulnak itt a közvetlen rendszerűek. 100 és 500 Hz frekvenciatartományban eltérően viselkedik a két rendszer. A W21 és GEO + Skl-24-es leerősítések itt merevebbek (szorosabban erősítik a sínszálat a keresztaljhoz), ezáltal a rezgéseket a keresztaljak felé továbbítják. Ebben a tartományban rugalmasak a GEO és W14-es rendszerű leerősítések, emiatt csökkennek a keresztaljra jutó rezgések. 500 Hz felett már jelentősebb eltérések tapasztalhatók a sínleerősítések között, és az előző tartományban ismertetett viselkedések megfordulnak. Itt a legrugalmasabb leerősítés a W21-es, majd azt követi a GEO + Skl-24-es rendszerű. Az előző két leerősítéshez viszonyítva merevnek tekinthetők a GEO és W14-es rendszerű leerősítések. A sínleerősítések meglehetősen eltérő, szinte frekvenciánként változó eredményei további elemzést és kutatást igényelnek. 
Az 54 E1 rendszerű sínszálak mérésekor sínleerősítésenként négy felépítményi kombinációt különböztettünk meg. A 3. ábrán bemutatott eredmények szolgáltak referencia felépítményi szerkezetként. Mind a négy sínleerősítést vizsgáltuk kamraelemmel, aljpapuccsal, majd együttesen a két rugalmas elemmel.

A 4. ábrán a W21 típusú sínleerősítéssel kialakított felépítmény komplett mérésének eredményeit emeltük ki. A grafikonon piros színnel jelöltük a referenciagörbét, amelyhez a többi mérési eredményt kell hasonlítani. Azok az eredmények, amelyek a referenciaértékek alá estek, csökkenést, a fölötte levők erősítést jelentenek. A grafikonról leolvasható, hogy a vasúti közlekedésből származó rezgések – amelyek legfeljebb néhány 100 Hz-ig jelennek meg – frekvenciatartományában folyamatos erősítő hatással bír az aljpapucs, illetve az aljpapucs a kamraelemmel együttesen. Ebben a tartományban a kamraelem hatása elvész. 100 és 400 Hz közötti tartományban nem olvashatók le jelentősebb eltérések a rugalmas elemek beépítéseinek hatására. 500 és 1600 Hz tartományban a kamraelem csillapító hatása kétségtelen. Az aljpapucs viselkedése azonban nem egyértelmű ebben a tartományban, némely frekvencián minimális a csillapító hatása. A grafikon meglepő eredménye, hogy a kamraelemet aljpapuccsal együttesen alkalmazva akár erősítő hatások is felléphetnek. Az aljpapucs mérsékeli, illetve teljesen megszünteti a kamraelem csilla­pító hatását.
A 60 E1 rendszerű sínszálakon a különböző típusú kamraelemeket vizsgáltuk aljpapucs nélkül, illetve azonos, FRT-USP típusú aljpapuccsal. A kamraelemek közül a STRAILastic_A inox 2.0 eredményeit mutatjuk be az 5. ábrán.

A grafikon alsó részén az előző grafikonok alapján a rezgésgyorsulás per erő típusú frekvenciafüggvények láthatók, felső részén pedig a csillapítatlan referenciafelépítményhez képesti különbségértékek. Mindkét esetben ugyanazokat a mérési eredményeket ábrázoltuk. A grafikon alsó részét a korábbiak szerint kell értelmezni. A grafikon felső része az alsó függvények különbségeit mutatja. Azok az értékek, amelyek a piros szaggatott vonal fölé emelkednek, erősítést; amelyek alá süllyednek, azok rezgéscsökkenést képviselnek. Az 54 E1 rendszerű mérésekhez képest itt az látható, hogy a vasúti felépítményből származó rezgések frekvenciatartományában minimális hatások alakultak ki. Az eltérések 630 Hz-től jelentkeznek, ahol azonos módon a kamraelem csillapító hatása, illetve az aljpapucs erősítő hatása figyelhető meg. Ezen a grafikonon egyértelműen látszik, hogy az aljpapucs teljes mértékben megszünteti a kamraelem csillapító hatását.

Összefoglalás

A laboratóriumi munka összes mérési eredményét figyelembe véve megállapít­ható, hogy rugalmas pályaszerkezeti elemekkel leginkább az 500 Hz feletti frekvenciákon lehetünk hatással a kialakuló rezgésekre. A vasúti eredetű rezgési frekvenciákon – amelyek legfeljebb néhány 100 Hz-ig jelennek meg – általában minimális hatások voltak kimérhetők. Mindazonáltal a vasúti forgalom rezgésgerjesztéséből származó, főként magas frekvenciájú zajok, az ún. testzajok tekintetében a vágányok közelében észlelhető zajszintek csökkenthetők.
Jellemzően a sín kamrájába ragasztott elemekkel rezgéscsillapítás nyerhető magasabb frekvenciákon, amelyből várható, hogy ezeknek az elemeknek az alkalmazásával zajcsökkentést érhetünk el a valós vasúti felépítményben. Előrelátható volt, hogy az aljpapucs többnyire erősíteni fogja a keresztalj rezgéseit. Sajnálatos módon a laboratóriumi körülmények nem adtak módot a keresztaljból az ágyazat felé terjedő rezgések vizsgálatára, azonban feltételezhető, hogy szigetelőrétegként csillapítja a lefelé hatoló rezgések mértékét.
A laboratórium legnagyobb előnye, hogy itt – a valós vasúti pályával szemben – bármely felépítményi kombináció egyszerűen kivitelezhető. Az összeállított mérési rendszerrel az általunk kívánt összes kimenetel lejátszható, illetve a zaj- és rezgéscsillapításra irányuló beavatkozási lehetőségek együttes vizsgálata is itt végezhető el. Meglepő és nem várt eredményt nyújtott a kamraelem és aljpapucs közös alkalmazása. A rezgéseket alapvetően csökkentő kamraelem hatását az aljpapucs mérsékelte vagy teljesen megszüntette, illetve több esetben erősítő hatások érvényesültek. Végeredményben együttesen rezgésnövekedést vagy kisebb csillapítást okoznak, mint ha csak magát a kamraelemet építenénk be a felépítményi rendszerbe. A jövőben mindenképp szükséges lehet ezt a laboratóriumi eredményt élőpályás zaj- és rezgésvizsgálatokkal tovább elemezni. 
A laboratóriumban végzett kísérletekkel elértük kitűzött céljainkat. A kidolgozott új modell és mérési metodika segítségével jól értelmezhető eredményeket kaptunk, az elemek rezgésekre gyakorolt hatásai feltérképezhetők. Ugyanakkor a szükségszerű egyszerűsítések miatt az elemek valódi hatásait helyszíni mérésekkel szükséges ellenőrizni, verifikálni. Az összeállított mérési rendszer akár további, új megoldások kikísérletezésére is alkalmassá válhat.
A továbbiakban is a cikkekben ismertetett intézkedések és pályaelemek zajra és rezgésekre gyakorolt hatásainak vizsgálatával foglalkozunk. A laboratóriumi eredményeket helyszíni mérésekkel egészítettük ki. A cikksorozat harmadik – és egyben záró – részében részletezzük a pályamérések körülményeit és eredményeit, valamint kifejtjük a CNOSSOS-EU metodika gördülési zajok meghatározására vonatkozó számítási eljárását is, ugyanis az egyik elvégzett helyszíni mérés adatait ezzel a módszerrel is feldolgoztuk.