Drukschommelingen in tunnel

[jkien]

In een trein die door een tunnel rijdt kun je soms de luchtdrukverandering met je trommelvliezen voelen. Hoe ziet die drukverandering er uit? Gisteren heb ik de luchtdruk gemeten in treinen die door de Hemtunnel onder het Noordzeekanaal rijden. Bij elke rit zie je hetzelfde luchtdrukverloop: helling (toerit in de open lucht) - drukpiek bij de ingang - grondtoon in de tunnelbuis - helling. De tunnelbuis is 1550 m lang,[1] zodat de trillingstijd van de grondtoon 9.3 s moet zijn (grondtoon 0.11 Hz, geluidssnelheid 335 m/s). Die grondtoon is goed zichtbaar in de onderstaande luchtdrukregistraties, met een amplitude van ongeveer 2 mbar. In sommige gevallen is de grondtoon minder duidelijk door boventonen of zo. Misschien speelt de rijsnelheid een rol.

De grondtoon wordt waarschijnlijk opgewekt door de rijdende trein. Dat de amplitude van de grondtoon groter is dan in de Wijkertunnel zal samenhangen met de grote doorsnee van de trein t.o.v. de tunnel. Ik zie geen grote invloed van het type trein.

Merkwaardig: de gemiddelde luchtdruk halverwege de Hemtunnel lijkt in de meeste registraties (behalve registratie #2) ongeveer gelijk te zijn aan de druk buiten de tunnel. Maar het diepste punt van de tunnel ligt 21 m onder het maaiveld, de gemiddelde druk zou er 1.5 mbar verhoogd moeten zijn.

Hemtunnel.png (18.43 KiB) 545 keer bekeken

Luchtdruk in trein tijdens rit door Hemtunnel. Links noordwaarts, rechts zuidwaarts. Type trein: 1-2-5 virm (dubbeldekker), 3-4 slt (sprinter), 6 nid (nieuwe dubbeldekker). De curves zijn verticaal verschoven voor de overzichtelijkheid.

Een bijzaak die me opviel buiten de tunnel, bij stations, is dat de luchtdruk in de trein circa 0.5 mbar toeneemt op het moment dat de deuren sluiten, en evenveel afneemt op het moment dat de deuren weer open gaan. Blijkbaar kan het ventilatiesysteem van de trein een overdruk opwekken als de deuren gesloten zijn, maar niet als ze open zijn. Zou die overdruk een doel hebben, bijvoorbeeld voor de machinist een signaal zijn dat het sluiten van de deuren geslaagd is, zonder kieren door klemgeraakte passagiers, en dat hij veilig kan vertrekken? Of een hulpmiddel om de zwenkzwaaideuren snel te openen en zachtjes te sluiten?

(De overdruk verschilde per treintype: 0.6 mbar in de virm, 0.4 mbar in de slt, 0.2 mbar in de nid).

[jkien]

Vandaag een treinreis gemaakt door de Drontermeertunnel, de nieuwe treintunnel die vorig jaar na de opening de kranten haalde omdat de passagiers er 'zere oren' van krijgen. De klap op je trommelvliezen bij de ingang van de tunnel is inderdaad een sensatie ('worth a detour'). Prorail vindt dat de oorpijn meevalt als je gaapt of slikt, en de NS vermoedt dat het ongevaarlijk is. Ik was natuurlijk benieuwd naar de met de smartphone in de trein gemeten luchtdruk. Sommige drukveranderingen zijn groter dan 10 mbar, veel groter dan in de Hemtunnel. Het globale patroon lijkt wel op de Hemtunnel: helling (toerit) - drukpiek bij de ingang - grondtoon in de tunnelbuis - helling. De waargenomen grondtoon is gelijk aan de berekende grondtoon van de 800 m lange tunnelbuis (frequentie 0.21 Hz, trillingstijd 4.8 s). De grondtoon dempt snel uit, met een halveringstijd van 5 tot 10 s.

Opmerkelijk is weer dat de gemiddelde druk in de tunnelbuis lager is dan luchtdruk buiten de tunnel, terwijl je hydrostatisch gezien verwacht dat de gemiddelde druk in de ondergrondse tunnel hoger is. Dat behoeft nog verklaring.

Bij twee grafieken heb ik gemarkeerd wanneer ik de druk op mijn oren voelde. De klap bij de ingang was gevoelsmatig het heftigste. Misschien komt dat door het verrassingseffect; de drukverandering erna is eigenlijk groter.

Drontermeertunnel.png (19.93 KiB) 544 keer bekeken

Luchtdruk in trein die door tunnel rijdt. Links oostwaarts, rechts westwaarts. Snelheid 140 km/h. Treintype 1-2: virm (dubbeldekker); 3-4: slt (sprinter). De oranje markering geeft aan wanneer ik druk op mijn oren voelde. De curves zijn verticaal verschoven voor de overzichtelijkheid.

 
Hoe nauw de Drontermeertunnel is blijkt uit deze video (klik), gemaakt door de voorruit van de trein. Beide reisrichtingen hebben een eigen tunnelbuis. De doorsnee van de tunnelbuis is weinig groter dan die van de trein. De toerit is links en rechts van het spoor ingesloten door muren.

[Flisk]

Bij twee grafieken heb ik gemarkeerd wanneer ik de druk op mijn oren voelde. De klap bij de ingang was in mijn beleving de heftigste. Misschien komt dat door het verrassingseffect; de drukverandering erna is eigenlijk groter.

De eerste die je aanduidt is een stijging van druk. De volgende zijn dalingen.

In het algemeen hebben oren meer last tijdens het stijgen van druk. Dat zeiden ze toch tegen mij toen mijn oren werden getest in een drukkamer.

Ik denk dus dat daarom je beleving het heftigste was bij de ingang.

[jkien]

Er blijkt een grafiek te zijn die aangeeft hoe 'human ear discomfort' afhangt van de combinatie van de 'amplitude' Δp en Δp/Δt, volgens de Duitse Spoorwegen. Die combinatie sluit aan bij de oranje lijntjes in mijn bericht van eergisteren: ik voelde druk op mijn oren op de momenten waarop Δp en Δp/Δt groot waren.

De positie van de Drontermeertunnel heb ik met een rood vierkantje gemarkeerd in de grafiek (Δp 5 mbar, Δp/Δt 5 mbar/s). Die positie betekent dat de druk op de oren in die tunnel bad is, maar niet very bad. De lichtgroene letter H markeert de positie van de Hemtunnel. In die treintunnel is de druk op de oren nog net waarneembaar voor wie goed oplet, maar zo zwak dat het geenszins hinderlijk is. De letter W markeert de positie van de Wijkertunnel (autotunnel), waar de druk op de oren soms waarneembaar is voor wie goed oplet, zonder dat het hindert.

link

[jkien]

Gisteren reed ik in de bus door de Westerscheldetunnel, de langste autotunnel van Nederland (6,6 km). Vanwege de lengte moet de trillingstijd van de grondtoon 39 s zijn (0.026 Hz; geluidssnelheid 340 m/s, 15°C). De grondtoon was aanwezig tijdens de eerste rit, maar afwezig tijdens de tweede rit. De Westerscheldetunnel is dus de langste orgelpijp van Nederland, en zijn grondtoon is misschien wel de laagste toon van Nederland.

Westerscheldetunnel.png (17.61 KiB) 535 keer bekeken

Busrit  door Westerscheldetunnel (2x, noordwaarts). Eerste rit blauw, tweede rood. De blauwe curve vertoont de grondtoon, de rode niet. De afstand tussen de driehoekjes is 39 s.

De asymmetrische vorm van de rode curve correspondeert met de vorm van de tunnel.[1] Het diepste punt is 60 meter, het verwachte drukverschil over 60 m is 7.2 mbar.

[jkien]

De drukschommelingen die de trein opwekt in de Velsertunnel zien er klankrijk uit, met een grondtoon die herhaaldelijk vijf trillingstijden doorrinkelt (zie figuur). Misschien is dit wel de muzikaalste tunnel van Nederland. Het lijkt me interessant om het druksignaal versneld af te spelen als geluid. Kent iemand eenvoudige software om het druksignaal dat ik in excel heb te converteren naar een audiofile, bijvoorbeeld van .csv naar .wav?

Velsertunnel2.png (13.48 KiB) 531 keer bekeken

 
Ook bijzonder aan deze tunnel is de aanwezigheid van twee ventilatieschachten. Ze verdelen de tunnelbuis in drie segmenten, met lengtes van 661, 743 en 661 m, volgens de bouwtekening 1. In de figuur heb ik bij beide druksignalen twee grote drukpieken gemarkeerd met een v; ze horen bij de ventilatieschachten. De trillingstijd van de grondtoon is ongeveer 4 s. Dat correspondeert met de lengte van een segment, dus niet met de totale lengte van de tunnelbuis. De trillingstijd van het middensegment (zichtbaar in curve 2) is iets groter dan die van het voorafgaande segment.