Introduzione

I sistemi di trasporto ad alta velocità (HSR) e di transito moderno stanno ridefinindo la mobilità interurbana e regionale, offrendo tempi di viaggio che rivalizzano il trasporto aereo riducendo significativamente le emissioni di carbonio. Tuttavia, le stesse velocità che rendono questi sistemi attraenti - spesso superiori a 300 km/h - presentano una serie di ostacoli tecnici acustici.

Fonti di rumore nei sistemi ferroviari ad alta velocità

Il rumore della ferrovia ad alta velocità deriva da fonti concomite multiple, ognuna dominata da regimi di velocità differenti, comprendendo queste fonti è la base per un design acustico efficace.

Rullo Rullo: Interazione Ruota-Rail

La fonte di rumore dominante è l'interazione tra la ruota e la rotaia. Il rumore della ruota viene generato dalla rugosità superficiale, dalla corrugazione e dalle discontinuità, come le articolazioni e gli interruttori. La patch di contatto genera vibrazioni che irradiano sia il rumore della ruota che la rotaia, sia il rumore della rotaia che la struttura, che si propaga attraverso la pista e nel terreno.

Rumore aerodinamico

Il flusso di corrente e di pressione aerodinamica sono i fattori che hanno un impatto positivo sul flusso di rumore, e il rumore di massa è più basso rispetto ai flussi di flusso di corrente e al rumore di massa.

Infrastrutture e rumore strutturale

Le tracce di lastre di cemento, pur fornendo stabilità, hanno un'umidità inferiore rispetto alla pista di ballate e possono trasmettere vibrazioni più efficienti ai ponti, che poi irradiano rumore a bassa frequenza. Nei tunnel lo spazio limitato riduce l'assorbimento del suono e aumenta la riverberazione, portando a livelli di pressione sonora più elevati all'interno del tunnel e alle aperture del portale.

Propulsione e Sistemi ausiliari

I motori di trazione, i riduttori e i ventilatori di raffreddamento producono rumore meccanico che può essere udibile all'interno del treno e negli ambienti di lato del percorso. Le moderne unità elettriche (EMU) utilizzano inverter bipolari isolati-gate (IGBT) che permettono un controllo più silenzioso del motore, ma i ventilatori di raffreddamento per le apparecchiature di trazione e le unità di condizionamento generano ancora rumore tonale.

Sfide di ingegneria acustica

Progettare un treno ad alta velocità che sia gli ingegneri silenziosi ed efficienti per bilanciare i requisiti di conflitto, le seguenti sfide sono centrali dell'ingegneria acustica moderna HSR.

Rumore Mitigazione vs. Peso e costo

L'isolamento acustico nelle cabine passeggeri, ad esempio, richiede pannelli più spessi, strati smorzanti e finestre disaccoppiate, tutte di cui aumentano il peso, una penalità critica per i veicoli ferroviari dove ogni chilogrammo riduce l'accelerazione e aumenta il consumo energetico.

Controllo delle vibrazioni e fatigue strutturale

Le vibrazioni provenienti dall’interazione con il motore non solo causano rumore ma anche inducono la fatica nei componenti del binario e dei rulli. Ad alta velocità, la risonanza può verificarsi tra le frequenze naturali del treno e le frequenze di eccitazione della pista, portando ad un’usura accelerata e a potenziali guasti.

Cabina passeggeri Comfort acustico

All'interno della cabina, i livelli di rumore devono essere tenuti sotto i 65 dB (A) per la classe business e 70 dB (A) per i comparti standard di classe standard per soddisfare gli standard di comfort come ISO 3381.

Rispetto del rumore ambientale

I sistemi di controllo del rumore sonori di tipo industriale, che prevedono un'elevata pressione sonora di 85 dB (A) a 25 m dalla pista per treni con velocità e tipo di linea.

Soluzioni e innovazioni

Nonostante le sfide, è disponibile una gamma di soluzioni collaudate ed emergenti per gestire il rumore in rotaia ad alta velocità, che sono di seguito i principali approcci attualmente implementati o in fase di sviluppo.

Ruote e guide a basso rumore

Il rumore della ruota può essere ridotto applicando anelli di smorzamento a strati constraiati all'interno del cerchio della ruota, che dissipano l'energia vibrazionale e riducono la radiazione sonora fino a 5 dB.

Ottimizzazione aerodinamica

I progettisti utilizzano ora simulazioni CFD e test di trasmissione a vento in scala per modellare il naso, le carenature dei tetti e i pannelli sottocorpo. L'ultima generazione di treni, come il Siemens Velaro Novo e il CR400 Fuxing, presentano bogie completamente chiuse e pantografi ritrattili con profili a forma di lacrima, riducendo il coefficiente di trascinamento aerodinamico al di sotto dello 0,17 e contribuisce a una riduzione del 50 % dei treni di apertura.

Sound Barriers e Enclosures

Le barriere sonore più comuni per proteggere le comunità. Le barriere moderne sono spesso realizzate in policarbonato trasparente o in vetro laminato per preservare le viste, combinate con pannelli absorbenti sul lato del binario per evitare che i riflessi amplificano il rumore. Le barriere a forma di Y o a forma di T possono ridurre il rumore di un ulteriore 2-3 dB rispetto alle pareti verticali rette creando un picco di diffrazione che sposta il suono verso l'alto.

Vibrazione Ammortizzatori e Isolamento di Traccia

Per controllare il rumore della struttura, gli ingegneri installano ammortizzatori di vibrazioni su bogie e ponti. Gli ammortizzatori di massa (TMD) sono costituiti da un sistema di massa-spring-dashpot sintonizzato alla frequenza naturale della struttura, assorbendo fino all’80% dell’energia di vibrazione risonante.

Interni trattamenti acustici e controllo attivo del rumore

L’uso di pannelli acustici a bassa tensione (in inglese) è ridotto, con un’elevata frequenza di trasmissione dell’aria. I sistemi di smorzamento e di isolamento sono utilizzati in modo da ottenere un’elevata quantità di rumore.

Prospettive future

Un'altra direzione promettente è l'uso di gemelli digitali, modelli informatici in tempo reale dell'infrastruttura ferroviaria e di traccia che simulano il rumore e le vibrazioni in condizioni operative reali. Integrando i dati dei sensori da microfoni e accelerometro, gli operatori possono prevedere la costruzione del rumore e pianificare la manutenzione proattiva (ad esempio, rettifica ferroviaria) prima che vengano superate le soglie dei metawaner.

Sul lato del veicolo, la ricerca continua nei sistemi di levitazione magnetica superconduttiva (maglev) promette di eliminare completamente il rumore di rotolamento, lasciando solo rumore aerodinamico e ausiliario. Il prototipo cinese 600 km/h maglev utilizza un concetto vuoto-tubo chiuso che riduce drasticamente la densità dell'aria e quindi il rumore aerodinamico, ma il costo dell'infrastruttura è enorme.

Infine, i quadri normativi sono in costante aumento. L'UIC aggiorna le sue Noise Technical Specifications for Interoperability (TSI), abbassando i limiti di rumore a livello accettabile da 2 a 3 dB ogni cinque anni, costringendo gli operatori e i produttori a innovare continuamente. L'ingegneria acustica resterà un differenziatore critico per i sistemi ferroviari ad alta velocità in cui si espandono in corridoi densamente popolati dove il silenzio à ̈ à ̈ à ̈ prezioso come la velocità .

In sintesi, le sfide acustiche della guida ad alta velocità sono profonde e multifacce, ma il progresso costante nella tecnologia del rullo delle ruote, l'aerodinamica, l'umidificazione strutturale e l'isolamento della cabina sta riducendo costantemente il rumore.