Emisión de la fuente ferroviaria CNOSSOS-EU

Normas aplicables: OJ L 5 EUR 25379 EN ISO 9613

Una carretera es una única línea fuente a 5 cm del pavimento. Una vía férrea son dos, una a la altura de los ejes y otra a la del techo, porque un tren radia desde puntos separados cuatro metros que se apantallan de forma distinta. El apartado 2.3 del Anexo II de la Directiva 2002/49/CE, sustituido por los métodos CNOSSOS-EU, construye ambas a partir de un espectro de rugosidad, unas pocas funciones de transferencia y el flujo de tráfico.

Esta guía cubre la fuente ferroviaria, el apartado 2.3 del Anexo II con la base de coeficientes del Apéndice G. La fuente viaria (2.2, Apéndice F) y el modelo de propagación CNOSSOS-EU (2.5) van por separado.

1. Qué texto se implementa

El Anexo II es un blanco móvil y, del lado ferroviario, la superposición de instrumentos es peor que del lado viario: la corrección de errores sustituyó el Apéndice G entero, y la modificación de 2021 volvió a sustituir cinco de sus siete tablas y reescribió tres piezas del método.

Instrumento	Qué hace a la fuente ferroviaria
Directiva (UE) 2015/996 de la Comisión	Sustituye por completo el Anexo II. Aporta las fórmulas 2.3.1 a 2.3.18 y las Tablas G-1 a G-7.
Corrección de errores del DO L 5, 10.1.2018	Sustituye el Apéndice G entero (suprime sus columnas de validez Mín./Máx. y añade los códigos descriptores a las cabeceras) y corrige la conversión de rugosidad `f = v/lambda`, donde el texto publicado dice que la velocidad va en km/h. Va en metros por segundo: leída al pie de la letra, la fórmula impresa se equivoca en un factor 3,6.
Directiva Delegada (UE) 2021/1226 de la Comisión	Sustituye íntegramente las Tablas G-1b, G-2, G-3a, G-4 y G-7; cambia la regla de chirrido en curva; convierte el ruido de puente en una fuente independiente construida sobre una función de transferencia en lugar de una constante; reescribe la directividad vertical de la fuente A; corrige tres rótulos de banda y un par de valores de la Tabla G-5.

La biblioteca implementa el resultado consolidado, y cada tabla que se distribuye anota en su comentario de qué instrumento procede. Tres de los cambios de 2021 son de comportamiento, no cosméticos, de modo que cualquier comparación con un estudio anterior a 2021 debe tenerlos en cuenta: la rugosidad del carril de una red media es ahora mucho mayor a longitudes de onda largas, la corrección por puente tiene espectro en lugar de 1 dB o 4 dB planos, y la directividad vertical es idénticamente nula por debajo del horizonte, donde la forma antigua daba una corrección positiva.

2. Dos líneas fuente, y qué se asienta en cada una

El método sitúa dos líneas fuente incoherentes en el centro de la vía, referidas al plano tangente a las dos superficies superiores de los carriles:

Altura	Índice	Fuentes físicas asignadas
0,5 m (fuente A)	$h = 1$	Ruido de rodadura (carril, rueda y superestructura de mercancías), ruido de impacto, chirrido en curva, ruido de puente, y las componentes de tracción y aerodinámicas que van bajas: engranajes, motores, carenados y pantallas.
4,0 m (fuente B)	$h = 2$	Las componentes de tracción y aerodinámicas que van altas: escapes diésel, equipos de techo, el hueco del pantógrafo.

Nada en el método decide por ti el reparto de la tracción. La Tabla G-5 tabula la potencia acústica de tracción por separado para las dos alturas, de modo que el reparto se lee de la base de datos en lugar de suponerse; la Directiva solo añade que, cuando una componente real queda entre las dos alturas del modelo, su energía se distribuye proporcionalmente entre ambas.

Dos paneles de la geometría de la fuente ferroviaria CNOSSOS-EU. Sección: una vía de doble carril sobre balasto de 1,435 m de ancho con el plano tangente a las dos superficies superiores de los carriles dibujado como referencia, la fuente A en el eje de la vía a 0,5 m por encima de él y la fuente B a 4,0 m, cada una con la lista de componentes que se le asignan, un receptor a 25 m y a 4 m del suelo con línea de visión a cada fuente, y el ángulo vertical psi acotado desde el plano horizontal que pasa por la fuente, con el semiespacio inferior sombreado y etiquetado como la región donde la corrección vertical de la fuente A es idénticamente nula. Planta: el eje de la vía, la dirección al receptor, el ángulo horizontal phi acotado desde el eje de la vía y el diagrama polar dipolar dibujado a escala con 0 dB en la perpendicular y menos 20 dB a lo largo de la vía

De una línea real a los descriptores

Los descriptores de las Tablas [2.3.a] y [2.3.b] son la interfaz entre un registro nacional de material rodante y de vía y las tablas que se distribuyen: cada dígito del código selecciona una de ellas. Un vehículo lleva cuatro dígitos y una vía seis.

Dígito del vehículo	Qué selecciona	Códigos	Biblioteca
1	Tipo de vehículo	`h` alta velocidad (> 200 km/h), `m` coche de viajeros automotor, `p` coche de viajeros remolcado, `c` tranvía urbano o metro ligero, `d` locomotora diésel, `e` locomotora eléctrica, `a` mercancías genérico, `o` otros	Elige la fila de `TractionVehicle` de la Tabla G-5 y si aplica el término de superestructura de mercancías
2	Número de ejes por vehículo	el número real	`RollingStock(axles=...)`, el $10 lo g_{10} N_{a}$ de (2.3.8)
3	Tipo de freno	`c` zapata de fundición, `k` zapata de material compuesto o sinterizado, `n` sin freno sobre la banda de rodadura (disco, tambor, magnético)	`BrakeType.CAST_IRON` / `.COMPOSITE` / `.NON_TREAD` → la rugosidad de rueda de G-1a
4	Medida en la rueda	`n` ninguna, `d` amortiguadores, `s` pantallas, `o` otras	No selecciona ninguna tabla en el Apéndice G

Dígito de la vía	Qué selecciona	Códigos	Biblioteca
1	Base de la vía	`B` balasto, `S` losa, `L` puente con balasto, `N` puente sin balasto, `T` vía embebida, `O` otras	Con el dígito 3, la `TrackTransferClass` de G-3a; `L`/`N` activan además la fuente de puente de la sección 8
2	Rugosidad de la cabeza del carril	`E` bien mantenida y muy lisa, `M` mantenimiento normal, `N` mal mantenida, `B` sin mantener y en mal estado	`RailRoughnessClass.WELL_MAINTAINED` / `.NORMAL` / `.NOT_WELL_MAINTAINED` / `.BAD` → G-1b
3	Tipo de placa de asiento	`S` blanda (150-250 MN/m), `M` media (250-800), `H` rígida (800-1 000)	La segunda mitad de la etiqueta de `TrackTransferClass`: `MONOBLOCK_MEDIUM` es «M/M»
4	Medidas adicionales	`N` ninguna, `D` amortiguador de carril, `B` barrera baja, `A` placa absorbente sobre losa, `E` carril embebido, `O` otras	Fuera del modelo de emisión
5	Juntas de carril	`N` ninguna, `S` una sola junta o aguja, `D` dos por cada 100 m, `M` más de dos por cada 100 m	La densidad de juntas $n_{l}$ de (2.3.12)
6	Curvatura	`N` recta, `L` 1 000-500 m, `M` por debajo de 500 y por encima de 300 m, `H` por debajo de 300 m	El radio que se pasa a `curve_squeal_excess`

Dos selectores no tienen ningún dígito de descriptor y hay que tomarlos de la hoja de características del vehículo: el diámetro de rueda (WheelDiameter, que elige la función de transferencia de rueda de G-3b) y el filtro de contacto (ContactFilter, una carga por eje en kN emparejada con ese diámetro, Tabla G-2). Los fragmentos de esta página nombran los miembros de la enumeración directamente por esa misma razón.

Cuando el registro no contesta, el propio método se agota: las clases de rugosidad N y B no llevan espectro en el Apéndice G y las tiene que aportar el Estado miembro, y lo mismo pasa con un sistema de vía que no encaje en ninguna fila de G-3a: no hay valor por defecto ni interpolación, así que lo honrado es declarar el espectro sustituido junto al resultado.

Para cada banda de tercio de octava, la ecuación de flujo convierte la potencia acústica de un vehículo en potencia por metro de línea (2.3.2):

L_{W, eq, line, i}^{'} (ψ, φ) = L_{W, 0, dir, i} (ψ, φ) + 10 lo g_{10} (\frac{Q}{1000 v}),

o, para un vehículo parado, la misma potencia direccional referida al tiempo al ralentí sobre el periodo de referencia (2.3.4):

L_{W, eq, line, i}^{'} (ψ, φ) = L_{W, 0, dir, i} (ψ, φ) + 10 lo g_{10} (\frac{T _{idle}}{T _{ref} L}) .

La segunda sustituye a la primera; no se suma a ella. $Q$ va en vehículos por hora, $v$ en km/h, $L$ es la longitud del tramo de vía en metros, y $T_{idle}$ y $T_{ref}$ comparten la unidad de tiempo en que se den. Atención a la unidad: el término de flujo usa km/h, mientras que la conversión de rugosidad dos apartados más abajo usa m/s. Las dos son correctas, y confundirlas es el error más caro disponible en este modelo.

Potencia de la línea fuente por bandas de octava de una línea convencional: barras grises para las dos alturas de fuente combinadas, una línea azul con marcadores para la fuente A a 0,5 m y otra roja para la fuente B a 4,0 m, con la fuente A entre veinte y treinta decibelios por encima de la fuente B en todas las bandas

A 160 km/h la vía es fuente A en casi todas partes: la línea de 4,0 m solo lleva el ruido de tracción de la unidad, unos veinticinco decibelios por debajo. Es por encima de 200 km/h, cuando aparece el ruido aerodinámico en el pantógrafo, cuando la fuente B empieza a importar.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
from phonometry import (
    BrakeType, ContactFilter, RailRoughnessClass, RailwayTrack, RailwayVehicle,
    RollingStock, TrackTransferClass, TractionVehicle, WheelDiameter,
    aerodynamic_sound_power, contact_filter, impact_roughness_single,
    rail_roughness, railway_source_power, track_transfer, traction_sound_power,
    wheel_roughness, wheel_transfer,
)

stock = RollingStock(
    axles=4,
    wheel_roughness=wheel_roughness(BrakeType.NON_TREAD),
    contact_filter=contact_filter(ContactFilter.LOAD_50_DIAMETER_920),
    wheel_transfer=wheel_transfer(WheelDiameter.MM_920),
    traction=traction_sound_power(TractionVehicle.ELECTRIC_MULTIPLE_UNIT),
    aerodynamic=aerodynamic_sound_power(),
)
track = RailwayTrack(
    rail_roughness=rail_roughness(RailRoughnessClass.NORMAL),
    track_transfer=track_transfer(TrackTransferClass.MONOBLOCK_MEDIUM),
    impact_roughness=impact_roughness_single(),
)
result = railway_source_power(
    RailwayVehicle(stock, flow_rate=96.0, speed=160.0), track, phi=90.0, psi=10.0,
)
result.plot(language="es")
plt.show()

Dos paneles para una unidad eléctrica de cuatro ejes sobre vía monobloque con mantenimiento normal. Izquierda: la potencia acústica en tercios de octava de cada componente de la escena de 160 km/h, con el ruido de rodadura de la fuente A unos veinte decibelios por encima del ruido de tracción, el ruido de tracción presente en las dos alturas de fuente, y las componentes aerodinámica y de puente ausentes porque ninguna está activa a esta velocidad. Derecha: la potencia de línea total por bandas de octava de la fuente A a 0,5 m y de la fuente B a 4,0 m frente a la velocidad de 60 a 350 km/h; la fuente A sube de forma continua todo el rango mientras que la fuente B baja despacio hasta un mínimo a 200 km/h y luego salta nueve decibelios cuando se activa el término aerodinámico, estrechando la separación entre las dos líneas de unos 30 dB a 19 dB

Izquierda: la tabla de asignación de esta sección, dibujada. El ruido de rodadura es toda la fuente A a 160 km/h; la tracción es la única componente presente en las dos alturas, y las entradas aerodinámica y de puente de result.components vuelven como nan porque ninguna está activa aquí, que es la regla de asignación mostrándose. Derecha: la fuente B es casi plana y luego salta, porque el ruido aerodinámico solo se modela por encima de 200 km/h; la fuente A no deja de subir. La fuente B no adelanta a la fuente A en este vehículo a ninguna velocidad. La separación se cierra de 29,9 dB a 200 km/h a 18,7 dB a 350 km/h, y ese estrechamiento es el sentido en que el pantógrafo empieza a importar.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# `stock`, `track`, `railway_source_power` y `RailwayVehicle` vienen del
# fragmento de la figura anterior; el resultado lleva sus propios ejes de frecuencia.
def total(bands):
    return 10.0 * np.log10(np.sum(10.0 ** (np.asarray(bands) / 10.0)))

fig, (izq, der) = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 4.6))
result = railway_source_power(
    RailwayVehicle(stock, flow_rate=96.0, speed=160.0), track, phi=90.0, psi=10.0)
for name, spectrum in result.components.items():
    for row, height in ((0, "0,5 m"), (1, "4,0 m")):
        values = np.asarray(spectrum)[row]
        if np.any(np.isfinite(values)):
            izq.semilogx(result.third_octave_frequencies, values,
                         label=f"{name} @ {height}")
izq.set(xlabel="Banda de 1/3 de octava [Hz]", ylabel="Potencia acústica [dB]")
izq.legend(fontsize="small")

velocidades = np.linspace(60.0, 350.0, 30)
for row, label in [(0, "Fuente A (0,5 m)"), (1, "Fuente B (4,0 m)")]:
    der.plot(velocidades, [
        total(railway_source_power(
            RailwayVehicle(stock, flow_rate=96.0, speed=float(v)),
            track, phi=90.0, psi=10.0).line_power[row]) for v in velocidades],
        label=label)
der.axvline(200.0, ls=":", label="Umbral aerodinámico")
der.set(xlabel="Velocidad v [km/h]", ylabel="Potencia de línea total [dB/m]")
der.legend(fontsize="small")
plt.show()

3. Ruido de rodadura: entra rugosidad, sale potencia acústica

El ruido de rodadura es la rueda y el carril excitándose mutuamente a través de la rugosidad de las dos superficies de rodadura. El método separa la causa de la radiación:

causa: la rugosidad del carril $L_{r, TR}$ (la segunda tabla de la G-1, aquí G-1b, que selecciona el dígito 2 del descriptor de vía) y la rugosidad de la rueda $L_{r, VEH}$ (la primera, G-1a, que selecciona el tipo de freno, dígito 3 del descriptor de vehículo), sumadas energéticamente y filtradas después por el filtro de contacto $A_{3}$ (Tabla G-2), que da cuenta del tamaño finito de la huella de contacto:

L_{R, TOT, i} = 10 lo g_{10} (1 0^{L_{r, TR, i} /10} + 1 0^{L_{r, VEH, i} /10}) + A_{3, i};

radiación: tres funciones de transferencia independientes de la velocidad convierten esa rugosidad en potencia acústica por eje, una para la vía (Tabla G-3a, que selecciona los códigos de traviesa y placa de asiento), otra para la rueda (Tabla G-3b, que selecciona el diámetro de rueda) y otra para la superestructura de un vagón de mercancías (Tabla G-3c, que vale 0,0 dB en todas las bandas):

L_{W, 0, TR, i} = L_{R, TOT, i} + L_{H, TR, i} + 10 lo g_{10} N_{a},

y la misma suma para la rueda y la superestructura. Las tres componentes se suman después energéticamente, y las tres se asientan en la fuente A.

El término de superestructura se aplica solo al tipo de vehículo a (mercancías). Se emplea una velocidad mínima de 50 km/h, o 30 km/h para tranvías y metro ligero, para determinar la rugosidad, lo que congela el espectro de la fuente por debajo de ella; el término de flujo sigue usando la velocidad real. Mientras un vehículo está al ralentí, el ruido de rodadura se excluye por completo.

4. La conversión de longitud de onda a frecuencia

La rugosidad se tabula frente a la longitud de onda y se lee en $λ = v / f$ , así que todo el espectro de rugosidad se desplaza a lo largo del eje de frecuencias a medida que el tren acelera. Esa es la razón de que un tren rápido suene brillante y uno lento no: la misma rugosidad de escala milimétrica excita una banda más alta.

Rugosidad efectiva total frente a la frecuencia en tercios de octava para 60, 160 y 300 km/h, tres curvas de la misma forma desplazadas hacia arriba y hacia la derecha al aumentar la velocidad, que cruzan los cero decibelios cerca de 400 Hz, 1 kHz y 2 kHz respectivamente

La misma vía y la misma rueda a tres velocidades. La curva no cambia de forma, se desplaza: multiplicar la velocidad por 2,7 la mueve bastante más de una octava y la levanta, porque las longitudes de onda largas de una red media son las rugosas.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
from phonometry import (
    RAILWAY_THIRD_OCTAVE_BANDS, BrakeType, ContactFilter, RailRoughnessClass,
    contact_filter, rail_roughness, roughness_to_frequency,
    total_effective_roughness, wheel_roughness,
)

rail = rail_roughness(RailRoughnessClass.NORMAL)
wheel = wheel_roughness(BrakeType.NON_TREAD)
filt = contact_filter(ContactFilter.LOAD_50_DIAMETER_920)

fig, ax = plt.subplots()
for speed in (60.0, 160.0, 300.0):
    total = total_effective_roughness(
        roughness_to_frequency(rail[1], rail[0], speed),
        roughness_to_frequency(wheel[1], wheel[0], speed),
        roughness_to_frequency(filt[1], filt[0], speed),
    )
    ax.semilogx(RAILWAY_THIRD_OCTAVE_BANDS, total, label=f"v = {speed:g} km/h")
ax.legend()
plt.show()

Sobre esta conversión hay dos cosas que conviene decir con claridad, porque la Directiva no zanja ninguna de las dos.

La velocidad va en metros por segundo. El texto publicado en 2015 dice km/h en los dos sitios donde aparece la conversión, lo que situaría el espectro 3,6 veces demasiado bajo en frecuencia. La corrección de errores de 2018 arregló ambos. Esta biblioteca implementa la forma corregida.

La regla de interpolación es prosa, no una fórmula. Todo lo que dice la Directiva es que «las dos bandas de tercio de octava correspondientes definidas en el dominio de longitud de onda se promediarán energética y proporcionalmente», sin fórmula ni ejemplo numérico. Se distribuyen dos lecturas, y la que va por defecto es la que reproduce el propio módulo de fuente de referencia de la Comisión:

from phonometry import RoughnessInterpolation

RoughnessInterpolation.PROPORTIONAL   # niveles interpolados linealmente en lambda
RoughnessInterpolation.ENERGY         # energías interpoladas linealmente en lambda

Difieren hasta cerca de 1 dB en un tramo de pendiente pronunciada del espectro. Este es el mayor riesgo de interpretación del modelo ferroviario, y una implementación que no diga qué regla usa no es comparable con otra.

Una tercera ambigüedad, menor, se resuelve sin conmutador. La modificación de 2021 puso las tablas que sustituyó en la serie normalizada de tercios de octava de longitud de onda, pero su punto (20)(a) sustituye solo «la segunda tabla» de la G-1, así que la rugosidad de rueda de la primera se sigue imprimiendo en 120, 12, 3,2 y 1,2 mm donde el resto de tablas ya dice 125, 12,5, 3,15 y 1,25 mm. En lugar de forzar ambas a una rejilla común, cada tabla se remuestrea en la rejilla que la Directiva imprime para ella.

5. Ruido de impacto y chirrido en curva

El ruido de impacto de juntas, agujas y cruzamientos se añade como una rugosidad ficticia adicional, sumada energéticamente al total antes de aplicar las funciones de transferencia (2.3.11). La Tabla G-4 se da para una junta cada 100 m, y cualquier otra densidad la escala (2.3.12):

L_{R, IMPACT, i} = L_{R, IMPACT - SINGLE, i} + 10 lo g_{10} (\frac{n _{l}}{0 , 01}) .

Para vía con juntas se prescribe un valor por defecto $n_{l} = 0, 01 m^{- 1}$ . El ruido de impacto no se modeliza por debajo de la velocidad mínima ni al ralentí. El incremento se aplica desde 50 m antes de la junta hasta 50 m después, lo que es una instrucción de segmentación: el modelo da la potencia de la fuente, y corresponde a la segmentación de la vía colocarla sobre los 100 m correctos.

El chirrido en curva es un exceso que se añade a la potencia acústica de rodadura en todas las frecuencias. La regla es la que sustituyó la modificación de 2021, no la de 2015:

Vehículo	Condición	Exceso
Tren	$300 m < R \leq 500 m$ sobre al menos 50 m de curva	5 dB
Tren	$R \leq 300 m$ sobre al menos 50 m de curva	8 dB
Tren	aguja con $R \leq 300 m$	8 dB
Tranvía	curva o aguja con $R \leq 200 m$	5 dB

from phonometry import curve_squeal_excess

curve_squeal_excess(280.0)                       # 8.0 dB
curve_squeal_excess(450.0)                       # 5.0 dB
curve_squeal_excess(280.0, tram=True)            # 0.0 dB, los tranvías piden R <= 200 m
curve_squeal_excess(280.0, track_length=20.0)    # 0.0 dB, la curva es demasiado corta

El texto de 2015 decía «8 dB para R < 300 m y 5 dB para 300 m < R < 500 m», lo que dejaba los dos extremos sin regla alguna aunque el mismo párrafo acotaba el efecto a «curvas con radio inferior o igual a 500 m». La redacción de 2021 cierra ambos intervalos.

6. Ruido de tracción y ruido aerodinámico

El ruido de tracción se tabula por vehículo y por altura de fuente (Tabla G-5). La Directiva solo modeliza dos condiciones de marcha, velocidad constante (que, dice, vale igualmente cuando el tren acelera o decelera) y ralentí, y en las dos toma la potencia de la fuente en condiciones de carga máxima. La Tabla G-5 tabula por tanto un único valor por banda y altura, y el método lo lee para las dos condiciones: que $L_{W, 0, const, i} = L_{W, 0, idling, i}$ es una consecuencia de cómo está impresa la tabla, no una afirmación física de que una locomotora al ralentí suene tanto como una en marcha. El ralentí solo se considera si los trenes están parados más de media hora.

El ruido aerodinámico solo es relevante por encima de 200 km/h y sigue una ley logarítmica de velocidad en torno a $v_{0} = 300 km/h$ (2.3.13, 2.3.14):

L_{W, 0, i} = L_{W, 0, h, i} (v_{0}) + α_{h, i} lo g_{10} (\frac{v}{v _{0}}),

con $α_{1} = α_{2} = 50$ en todas las bandas, así que duplicar la velocidad añade 15,05 dB. La Tabla G-6 es el espectro de referencia de un vehículo de 20 m a $v_{0}$ : en la altura baja es de banda ancha, en la alta es prácticamente silencioso salvo una meseta de 1,6 kHz a 3,15 kHz entre 105 y 110 dB, que es el pantógrafo.

7. Directividad de la fuente

Cada fuente se corrige en los dos planos antes de añadir el término de flujo (2.3.5). La corrección horizontal es un dipolo (2.3.15), 0 dB en la perpendicular a la vía y $10 lo g_{10} 0, 01 = - 20 dB$ a lo largo de ella:

Δ L_{W, dir, hor, i} = 10 lo g_{10} (0, 01 + 0, 99 sin^{2} φ) .

La corrección vertical de la fuente A (2.3.16) depende de la banda, y es una de las piezas que reescribió la modificación de 2021. El texto vigente suprime las barras de valor absoluto de la forma de 2015 y hace la corrección idénticamente nula para $ψ \leq 0$ :

Δ L_{W, dir, ver, i} = \frac{40}{3} [\frac{2}{3} sin 2 ψ - sin ψ] lo g_{10} (\frac{f _{c, i} + 600}{200}), 0 < ψ < π /2,

y nula en el resto. Las dos ediciones discrepan en todo el semiespacio inferior, y también por encima de unos 41,4 grados, donde el corchete se vuelve negativo. Ambas están disponibles, porque comparar con un estudio calculado antes de 2021 requiere la antigua:

from phonometry import DirectivityEdition, vertical_directivity

vertical_directivity(-30.0)                                        # ceros
vertical_directivity(-30.0, edition=DirectivityEdition.ORIGINAL_2015)  # positivo

Dos diagramas polares de la directividad ferroviaria de CNOSSOS-EU. Izquierda, la corrección vertical de la fuente A a 250 Hz y 4 kHz para las dos ediciones: la forma de 2021 es idénticamente nula en todo el semiespacio por debajo del horizonte y por encima de unos 41,4 grados se vuelve negativa, mientras que la de 2015 es simétrica respecto al horizonte y positiva a ambos lados, coincidiendo las dos solo en la cuña de 0 a 41,4 grados. Derecha, el dipolo horizontal en el plano de la vía: 0 dB en la perpendicular a la vía y menos 20 dB a lo largo de ella, con el cero longitudinal marcado

Izquierda: las dos ediciones solo coinciden en el primer cuadrante por debajo de 41,4°, que es exactamente donde el corchete $\frac{2}{3} sin 2 ψ - sin ψ$ es positivo. Por debajo del horizonte, el texto de 2021 devuelve 0 dB donde el de 2015 devolvía hasta +2,4 dB a 250 Hz y 60° por debajo del horizonte; por encima de 41,4° la forma vigente se vuelve negativa y la antigua no. Un estudio calculado antes de 2021 no es comparable banda a banda si no se declara la edición. Derecha: el dipolo horizontal vale 20 dB entre un receptor situado al lado de la vía y otro situado en su prolongación, y por eso una vía que apunta a una vivienda es un problema distinto de una que pasa por delante.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# `vertical_directivity` y `DirectivityEdition` vienen del fragmento de arriba;
# el dipolo horizontal es la propia fórmula (2.3.15), una línea de numpy.
psi = np.linspace(-89.0, 89.0, 179)
bands = {7: "250 Hz", 19: "4 kHz"}       # índices en los 24 tercios de octava
fig, (izq, der) = plt.subplots(1, 2, subplot_kw={"projection": "polar"},
                               figsize=(12, 5.0))
for band, name in bands.items():
    for edition, style in [(DirectivityEdition.CURRENT, "-"),
                           (DirectivityEdition.ORIGINAL_2015, "--")]:
        values = [float(vertical_directivity(float(a), edition=edition)[band])
                  for a in psi]
        izq.plot(np.radians(psi), values, style,
                 label=f"{name}, {edition.value}")
izq.legend(fontsize="small", loc="lower left")

phi = np.radians(np.linspace(0.0, 360.0, 361))
der.plot(phi, 10.0 * np.log10(0.01 + 0.99 * np.sin(phi) ** 2))
der.set_title("Dipolo horizontal (2.3.15)", fontsize="small")
plt.show()

En la fuente B solo es direccional la fuente aerodinámica, $10 lo g_{10} (cos^{2} ψ)$ para $ψ < 0$ (2.3.17); todo lo demás a 4,0 m es omnidireccional, igual que el ruido de puente a 0,5 m.

Un punto de interpretación: el 2.3.15 ofrece el dipolo «por defecto […] para la rodadura, el impacto, el chirrido, el frenado, los ventiladores y los efectos aerodinámicos». El ruido de tracción distinto de los ventiladores no está en esa lista, y la Directiva no da ninguna otra directividad horizontal para él. Esta biblioteca aplica el dipolo a todas las fuentes, que es lo que hace el módulo de fuente de referencia de la Comisión.

8. Puentes

Sobre un puente el tablero también radia. El texto de 2015 añadía una constante al ruido de rodadura, 1 dB para hormigón o fábrica y 4 dB para acero con vía balastada. La modificación de 2021 lo sustituyó por una fuente independiente, construida exactamente como una componente de rodadura pero con la función de transferencia de puente de la Tabla G-7 (2.3.18):

L_{W, 0, bridge, i} = L_{R, TOT, i} + L_{H, bridge, i} + 10 lo g_{10} N_{a} .

El ruido de rodadura del vehículo sobre el puente se sigue calculando de forma normal, con la función de transferencia del sistema de vía que hay realmente en el puente; el término de puente se le suma. Se asienta en la fuente A y es omnidireccional, cosa que la modificación declara de forma explícita.

La Tabla G-7 tiene exactamente dos columnas, y la Directiva las rotula por el exceso de puente ponderado A que representan y no por un tipo constructivo: BridgeType.PLUS_10_DBA selecciona la columna «+10 dB(A)» y BridgeType.PLUS_15_DBA la de «+15 dB(A)». No hay tercera columna ni interpolación, así que elegir entre las dos es un juicio sobre el tablero, hecho antes del cálculo y registrado con él.

from phonometry import BridgeType, RailwayTrack, bridge_transfer

RailwayTrack(
    rail_roughness=..., track_transfer=...,
    bridge_transfer=bridge_transfer(BridgeType.PLUS_10_DBA),   # Tabla G-7, col. 1
)

9. Entregar la fuente a un modelo de propagación

La fuente ferroviaria se deriva en bandas de tercio de octava y se suma después energéticamente en bandas de octava para la propagación, que es lo que exige el 2.3.2 y lo que hizo explícito el punto (1) de la (UE) 2021/1226. El objeto de resultado lleva ambas:

El result de aquí es el que construyó el fragmento de la sección 2 (abre su bloque <details> para ver el vehículo y la vía que describe). La fila 0 es la fuente A a 0,5 m y la fila 1 la fuente B a 4,0 m, los $h = 1$ y $h = 2$ de la tabla de la sección 2:

result.third_octave_line_power   # (2, 24), las dos alturas en tercios de octava
result.line_power                # (2, 8), lo mismo en bandas de octava
result.total_line_power          # (8,), las dos alturas sumadas energéticamente
result.components["rolling"]     # el desglose por fuente, antes de la directividad
result.frequencies               # los 8 centros de banda de octava
result.third_octave_frequencies  # los 24 centros de tercio de octava

Una componente que no está activa en la condición modelada vuelve como nan en lugar de como un valor de suelo, así que components["aerodynamic"] por debajo de 200 km/h y components["bridge"] fuera de un puente son ambas todo nan.

Dividir una línea fuente en fuentes puntuales equivalentes queda, en palabras del apartado 2.5.3, «fuera del alcance de la presente metodología»: una fuente puntual que represente un tramo de longitud $d L$ simplemente lleva $L_{W, eq, line, i}^{'} + 10 lo g_{10} (d L)$ , que es aritmética.

CNOSSOS-EU tiene su propio método de propagación en el apartado 2.5 del Anexo II, y no es la ISO 9613-2. Encadenar una emisión CNOSSOS con la propagación ISO 9613-2 de esta biblioteca es una estimación de ingeniería legítima, pero no es la cadena normativa CNOSSOS y no debe declararse como tal.

10. Qué está fijado con dígitos y qué no

El Anexo II no imprime ningún ejemplo numérico ni valor de comprobación en todo el 2.3 ni en el Apéndice G, así que conviene ser explícito sobre qué mide la concordancia del conjunto de pruebas.

Verificado contra dígitos publicados. Todas las tablas del Apéndice G, contra el texto del Diario Oficial del instrumento que las promulgó. Y toda la cadena de ecuaciones de extremo a extremo, contra el libro de pruebas de emisión que la Comisión Europea publicó con su módulo de fuente de referencia: alimentar las ecuaciones distribuidas con la base de coeficientes de 2015 con la que se calculó ese libro reproduce las 34 560 filas publicadas de los veinte vehículos cuyas entradas de catálogo están bien formadas, es decir 17 280 casos en las dos alturas de fuente, con 0,0055 dB, dentro de los dos decimales que imprime. Ciento veintitrés de esos casos están versionados en el repositorio y se ejecutan en integración continua. Los tres vehículos que quedan fuera se describen en tests/data/cnossos/README.md: sus filas recogen defectos del programa de referencia, no del método.

Esa concordancia resuelve las partes ruidosas de la base de datos y no las silenciosas: un coeficiente veinte decibelios por debajo de su vecino no mueve el total, de modo que las filas de relleno del catálogo de referencia y la columna de tracción de la fuente A, que el ruido de rodadura siempre tapa, van en el conjunto de pruebas sin quedar acotadas por él. tests/data/cnossos/README.md recoge la medida.

Verificado como ecuaciones por tablas transcritas, no de extremo a extremo. Todo lo que cambió la modificación de 2021. El libro de pruebas es anterior, así que la nueva regla de chirrido en curva, la función de transferencia de puente, la directividad vertical vigente y las cinco tablas sustituidas están fijadas una a una, por transcripción y por aserción en forma cerrada, pero su combinación no se ha contrastado nunca con un resultado publicado independiente.

Sin anclaje en ningún oráculo. La elección de la regla de interpolación del apartado 4; el reparto proporcional de la potencia acústica de tracción cuando una componente real queda entre las dos alturas del modelo, para el que la Directiva no da fórmula; y la segmentación de una línea en fuentes puntuales, que el propio método declara fuera de alcance.

Qué cubre esta guía

Cubierto
El apartado 2.3 del Anexo II de la Directiva 2002/49/CE en el texto consolidado: los descriptores de vehículo y de vía de las Tablas [2.3.a] y [2.3.b], la potencia de línea por flujo de tráfico (2.3.1, 2.3.2, 2.3.4), la potencia acústica direccional (2.3.5), el ruido de rodadura (2.3.6 a 2.3.10), el ruido de impacto (2.3.11, 2.3.12), el chirrido en curva, el ruido de tracción, el ruido aerodinámico (2.3.13, 2.3.14), la directividad de la fuente (2.3.15 a 2.3.17) y el ruido de puente (2.3.18), junto con toda la base de datos del Apéndice G, a través de railway_source_power y las funciones de componente que la rodean.
No cubierto
La fuente viaria (2.2 y Apéndice F), la fuente industrial (2.4 y Apéndice H), la fuente de aeronaves (2.6 y 2.7) y el método de propagación CNOSSOS-EU del apartado 2.5, que es un modelo distinto del de la ISO 9613-2 implementado en esta biblioteca. Las clases de rugosidad de carril N (mal mantenida) y B (en mal estado) no tienen espectro en el Apéndice G y ha de aportarlas el Estado miembro. Las demás fuentes ferroviarias del 2.3.3, como depósitos, estaciones y megafonía, se tratan por el método industrial.

Véase también

Referencia de la API: environment.sources.cnossos_rail.
Propagación del sonido en exteriores: la cadena ISO 9613-2 que lleva una potencia de fuente hasta un receptor.
Niveles de ruido ambiental: los indicadores $L_{den}$ y $L_{night}$ para los que se trazan los mapas resultantes.

Referencias

European Union. (2015). Commission Directive (EU) 2015/996 establishing common noise assessment methods according to Directive 2002/49/EC of the European Parliament and of the Council (Directive (EU) 2015/996). Sustituye por completo el Anexo II de la Directiva 2002/49/CE por los métodos CNOSSOS-EU. La fuente ferroviaria implementada es el apartado 2.3 (fórmulas 2.3.1 a 2.3.18) con la base de coeficientes del Apéndice G.
European Union. (2018). Corrigendum to Commission Directive (EU) 2015/996 (OJ L 5, 10.1.2018, p. 35). Sustituye íntegramente el Apéndice G y corrige la conversión de rugosidad ferroviaria, donde el texto publicado escribía km/h para una velocidad que ha de ir en metros por segundo.
European Union. (2021). Commission Delegated Directive (EU) 2021/1226 amending, for the purposes of adapting to scientific and technical progress, Annex II to Directive 2002/49/EC as regards common assessment methods for noise (Directive (EU) 2021/1226). La modificación en vigor desde el 31 de diciembre de 2021. Sustituye las Tablas G-1b, G-2, G-3a, G-4 y G-7, cambia la regla de chirrido en curva y el modelo de puentes, y reescribe la directividad vertical de la fuente A.
International Organization for Standardization. (1996). Acoustics — Attenuation of sound during propagation outdoors — Part 2: General method of calculation (ISO 9613-2:1996). El modelo de propagación que aquí lleva la emisión hasta un receptor. CNOSSOS-EU tiene su propio método de propagación en el apartado 2.5 del Anexo II, que no es la ISO 9613-2.
Kephalopoulos, S., Paviotti, M. y Anfosso-Lédée, F. (2012). Common noise assessment methods in Europe (CNOSSOS-EU) (EUR 25379 EN). Publications Office of the European Union. https://doi.org/10.2788/31776El informe de referencia del Centro Común de Investigación del que desciende el texto de la Directiva, con las campañas de medida IMAGINE que hay detrás de los coeficientes del Apéndice G.

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