Resiina-keskustelu

Suomessa sähköjunat ovat lähes äänettömiä kulkupelejä, mutta ilmeisesti joka paikassa tilanne ei ole sama. Nyt nimittäin verkossa leviää video, jossa juna kuulostaa lähinnä syntetisaattorilta ja saa varmasti äänet ensimmäisen kerran kuulevalta kahvin väärään kurkkuun.

Videolla nähtävä juna on itävallassa valmistettu Siemens OBB 1016. Tällaiset junat kuljettavat matkustajia Keski-Euroopassa esimerkiksi Salzburgin ja Zurichin välillä.

Video löytyy tästä (http://www.youtube.com/watch?v=jeRYuEDD8SA&feature=player_embedded)

Uutinen löytyy tästä (http://www.stara.fi/2012/04/09/junan-aani-hammentaa/)

Teksti kuulostaa iltapäivälehden tyypillisen asiaa tuntemattoman toimittajan hengentuotokselta. Mistähän tämä viime vuosikymmenen uutinen on peräisin? Linkkiä ei tekstissä mainita.

Aihe ei ole uusi, ja herää kysymys, ketä nämä äänet hämmentävät   ???

Videonpätkä, johon tekstin linkki viittaa, ja joka "nyt leviää verkossa", on ladattu youtubeen viisi (5) vuotta sitten.

1016-Taurukset lienevät valmistettu Siemensillä Münchenissä eikä suinkaan Itävallassa.

Pääasia on, että toimittajaa taas joku asia hämmentää ja saadaan klik aikaan.

Kimmo, kun tiedät sähkövetureista(kin) paljon, niin sanopa mistä komponentista tuo ääni tulee ja miksi juuri noin?

Noita Taurus-videoita löytyy youtubesta vaikka kuinka paljon. Aiheenahan tämä on tosiaan wanha, eikä menny aamukahvit väärään kurkkuun tällä kertaa.  ;D

Vaikuttaa kyllä harvinaisen huonolaatuiselta tyhjänhehkutuslehdeltä, mistä tuo artikkeli on kopioitu

Ihmetyttää, että Joonas ei kopoidessaan edes korjannut Ö:npisteitä tuon Itävallan rautatiefirman nimen päälle, eikä muutenkaan korjannut mallinimeä.
"Siemensin OBB 1016" nimittäin on vastaava ilmaus kuin "Transtechin UR DR16" tai "Valmetin UR SM1". (Jossa siis UR on vastaava versio VR:stä kuin OBB on ÖBB:stä)

Uutisen linkki lisätty ensimmäiseen viestiin ja pyydän anteeksi jos kyseisen "roskalehden" uutinen aiheutti jollekulle mielipahaa tms. Uutinen on julkaistu 09.04.2012, eli tänään.

Niin, osaako joku sanoa mistä tuo "hämmentä" ja kahvit väärään kurkkuun aiheuttava ääni johtuu?

Kiitos, Lauri. Yritetäänpä selvittää: (osa selvityksestä on päättelyä eikä tarkistettuja faktoja)

Äänen muodostaa taajuusmuuttaja, mutta en ole aivan varma, missä ääni varsinaisesti syntyy. Mahdollisia paikkoja ovat taajuusmuuttaja itse, jonka pääteaste värähdellessään saattaisi äännellä, ja todennäköisempänä paikkana ajomoottorin kenttäkäämitys, johon taajuusmuuttajan syöttämä vaihtovirta syötetään. Mahdollista on myös, että ajomoottorin ankkuri, joka on hyvin lyhyt, oikosulkuun kytketty käämi, johon kenttäkäämiltä indusoituu virtaa, värähtelee.

Taajuusmuuttajahan on laite, joka tekee tasavirrasta (jota tarvittaessa tasasuunnataan vaihtovirrasta) veturikäytössä kolmivaiheista vaihtovirtaa, ja jolla syötetään ajomoottoreita (myös apukäytöissä, kuten kompressorin ja tuulettimien jne. moottorien yhteydessä voidaan käyttää taajuusmuuttajakäyttöä).

Käytettäessä kolmivaihe(oikosulku)moottoria ajomoottorina, on ongelmana se, että moottorin kierrosluku seuraa hyvin tarkasti siihen syötettävän virran taajuutta. Niinpä 50 Hz syöttö ei tule kysymykseen, koska ajomoottori pyörisi vain ja ainoastaan 50 Hz:iä vastaavalla kierrosluvulla, suostumatta pyörimään millään muulla nopeudella, esim. liikkeellelähtö olisi jokseenkin mahdotonta (eräänlainen ratkaisu on ollut käytössä kolmivaihesähköistetyillä radoilla mm. Pohjois-Italiassa 1920-70 -luvuilla, mutta se oli niin hankala ja kankea, että sen käytöstä luovuttiin).

Taajuusmuuttaja tekee tavallaan synteettistä kolmivaihevirtaa ja se käyttää sihen GTO-tyristoreja (myös IGBT-transistorien tai tavallisten tyristorien käyttö on mahdollista, mutta puhutaan nyt GTO:sta). GTO on (puolijohteista valmistettu) tyristori, joka voidaan ohjata joko läpäisemään virtaa tai katkaisemaan se. Tyristorissa ei ole lainkaan liikkuvia osia, vaan ohjaus tapahtuu ohjaussähköllä täysin elektronisesti.

GTO-tyristoria käytetään hyvin nopeana kytkimenä, jolla muodostetaan peräkkäisiä pulsseja niin, että ensimmäiset pulssit ovat hyvin lyhyitä, ja pidentyvät maksimiinsa lyhentyäkseen jälleen niin, että ajomoottorin käämin läpi syötettynä (käämi hidastaa virran vaihteluita) pulssisarja muistuttaa siniaaltoa. Yhden puoliaallon muodostamiseen voidaan käyttää esim. 16 tai 8 pulssia liikkeellelähdössä, jolloin ajomoottoriin syötettävä taajuus pitää olla hyvin pieni. Pulssien suhteellista kokoa ja niiden välistä aikaa lyhentämällä saadaan pulssisarjan kestoaika lyhenemään, ja kun (vuorotellen positiiviset ja negatiiviset) pulssisarjat seuraavat toisiaan tihentyvässä tahdissa, saadaan aikaiseksi syöttötaajuuden nousu, johon ajomoottori reagoi pyörimällä nopeammin.

Tätä ei kuitenkaan voida tehdä loputtomiin, vaan tyristorin syttymis- ja sammumisaika on nopea mutta rajallinen, ja jossain vaiheessa vastassa olisi tilanne, jossa tyristori ei enää ehtisi syttyä ja sammua vaadittavassa tahdissa. Tällöin vähennetään pulssien määrää per puoliaalto esimerkiksi kahdeksasta neljään, jolloin tyristoreilla on kaksi kertaa enemmän aikaa syttyä ja sammua; toisaalta näin aikaansaatu siniaalto on muodoltaan karkeampaa. Taajuuden edelleen lisääntyessä joudutaan jälleen pulssien määrää muuttamaan esimerkiksi neljästä kahteen per puoliaalto ja niin edelleen. Sr2 -veturissa tämä kuuluu käyntiäänen muutoksena ensin noin-nopeudessa 29 km/h (kuuluu asemilla selvästi) ja uudelleen noin-nopeudella 87 km/h).

Eri valmistajien eri taajuusmuuttajasukupolvien toisistaan poikkeavat tekniset ratkaisut aiheuttavat sen, että eri taajuusmuuttajakäytöt kuulostavat erilaiselta. Niinpä Helsingin metrossa, jossa käytetään ensimmäisen sukupolven perinteisillä tyristoreilla toteutettua taajuusmuuttajaa, käyntiääni on hyvin omaperäinen. Edelleen 1016/1116 -Tauruksissa käyntiääni on juuri videon mukainen ja siinä on kyse juuri siitä, että liikkeellelähdössä pitäisi kehittää matalaa, mahdollisimman paljon siniaaltoa muistuttavaa kolmivaihevirtaa, ja nopeuden noustessa muodostustapaa muutetaan. Muistaakseni juuri Siemensin taajuusmuuttaja poikkeaa perusrakenteeltaan Strömbergin ja ABB:n taajuusmuuttajista. Toisaalta, tasavirtasyöttöisten Taurusten ääni on jostain syystä erilainen; ehkä kyseessä on taajuusmuuttajasukupolven muutos.

Ei niinkään mielipahaa, Joonas, mutta kyllähän vanhaa ja tunnettua asiaa käsittelevä kovin sensaationhajuinen teksti ns. valistunutta harrastajaa helposti ärsyttää. Olisi ehkä ollut selkeämpi, jos olisit kirjoittanut tekstin tyyliin:

Www.stara.fi:n artikkelissa sanotaan: "Suomessa sähköjunat ovat lähes äänettömiä kulkupelejä, mutta ilmeisesti joka paikassa tilanne ei ole sama. Nyt nimittäin verkossa leviää..." ja olisit voinut esittää oman kommenttisi jo siinä vaiheessa. Nyt tekstistä sai käsityksen, että olet kirjoittanut sen itse.

Lepo. Jatkakaa.  ;)

Edes opiskelematta Kimmon asiantuntevaa selvitystä tarkoin, totean minäkin, että ei sähkö äänetöntä ole. Siis itse sähkö taitaa olla, mutta sähköiset laitteet kyllä ääntä aiheuttavat. Jokainen joka on kuunnellut vanhaa putkiradiota, tietää ns. verkkohurinan, joka ehkä syntyy mm. muuntajassa metalliosien resonoidessa. Enempää en viitsi kertoa, kun joku taas rupeaa viisatelemaan, mutta noiden elektronien vaivalloinen tie erilaisten esteiden läpi aiheuttaa  ääniä tavalla tai toisella.

Mielenkiintoistahan tuon veturin äänissä on siis se, että se soittaa koko sävelasteikon do-re-mi-fa-so-la-ti-do.
Se, että nuo äänet sattuvat muodostamaan noin siististi säveliä, ei välttämättä ole ihan täyttä sattumaa. Sävelethän ovat sitä, että peräkkäin kuuluvat ääniaallot ovat täsmälleen samanlaisia.
Kun näiden ääniaaltojen pituus on sellainen, että niitä mahtuu sekuntiin vaikkapa 440 kappaletta muodostuu A-sävel. Jos ne 440 ääniaaltoa ovat keskenään erilaisia, kyseessä ei ole sävel, vaan epämääräistä kohinaa tai "nuotin vierestä" oleva ikävältä kuulostava ääni.

Myös sähkötekniikassa, jossa pyritään pyörittämään moottoria tietyillä kierrosnopeuksilla, päädytään siis tuottamaan pulsseja tietyillä taajuuksilla. Koska taajuuksia vaihdetaan mielellään kohdissa, joissa moottori (tai mikä lie pyörivä asia) on pyörinyt aika tasan niin ja niin monta kierrosta, pyörimisen aiheuttama värähtely päätyy muodostamaan sellaisia taajuuksia, jotka tunnistamme peräkkäisiksi säveliksi.

Käytännössä siis se, että tunnistamme tietyt taajuudet keskenään harmonisiksi säveliksi johtuu samasta maailmankaikkeuden perusmekaniikasta, jonka ymmärtäminen on tarpeen myös, jos halutaan tehdä vaikkapa mahdollisimman pienellä hävikillä toimivia sähkömoottoreita. Käytännössä, jos sähköhärvelistä siis kuuluu ääntä, se osuu varsin todennäköisesti johonkin säveleen. Ihminen on kehittynyt pitämään juuri tiettyjä taajuusyhdistelmiä erityisen "kauniina", koska ne ovat kaikenlaisten maailmankaikkeuden eri osien (kuten esimerkiksi aurinkomyrskyt, aivokemia, ilmavirrat ja sen semmoiset asiat) toiminnan kannalta merkityksellisi ja niiden tunnistamisesta on ollut evolutiivista hyötyä.

Tuon veturin ääntelyn viimeinen Do on vähän "nuotin vierestä" (eli do:n sijaan enemmänkin dõõõ :)) ilmeisesti lähinnä siksi, että kun kapineesta otetaan täydet tehot irti, sitä ei enää saada toimimaan aivan niin täsmälleen sellaisilla taajuuksilla, jotka oikeastaan olisivat parhaat.

Nuo Siemensin Taurus-sarjan veturit muuten kuulostavat vielä kivemmilta silloin kun on kunnolla liukasta. Liukkaushan vaatii, että välillä kiihdytetään nopeammin ja välillä hitaammin, jotta pyörät eivät rupeaisi sutimaan. Joka on joskus lähtenyt polkupyörällä liikkelle jäältä, tuntee tämän ilmiön. Talvella Taurus-vetureista siis kuuluu vielä paljon messevämpi ääni: http://www.youtube.com/watch?v=aRf30pVGMp4
Tuossa on siis kyse siitä, että automatiikka säätää kunkin neljän akselin tehoja itsenäisesti tarpeen mukaan, eli antaa välillä lisää tehoja ja välillä taas vähemmän.
Äänet muodostavat aivan tarkoitukselliselta sävellykseltä kuulostavaa "musiikkia", koska vaatimukset sähkömoottorin tehonsäädölle ovat pohjimmiltaan samoja kuin vaatimukset sinfonian säveltämiselle. Juuri tällaisten näennäisesti toisistaan irrallisten asioiden välisten yhteyksien takia elämä on niin mielettömän mielenkiintoinen paikka :)

Musiikillisesti asiassa on kiintoisaa se, että kyseessä on duuri   :D

Matemaattinen tarkastelu antaa tähän selityksen; ilmeisesti Siemensin insinöörit ovat laskelmissaan ja kokeissaan tulleet siihen tulokseen, että pulssien määrää tai mitä tässä Siemensin järjestelmässä nyt sitten muutetaankin, kannattaa muuttaa suhteissa:

1 // 9/8 (= 1,125) // 5/4 (= 1,25) :// 4/3 (≈ 1,333)  // 3/2 (= 1,5) //  5/3 (≈ 1,667) // 15/8 (= 1,875) ja 2.

Kuten Tuukka kirjoitti, on jännää törmätä matemaattis-musiikillisiin yhteyksiin paikassa, jossa niihin ei uskoisi törmäävänsä.  :)

Tuo viimeisen jääminen vähän matalaksi häiritsee kyllä.

Tässä on kaksi toisistaan erillistä asiaa:

1. se, että moottoria käytetään jonkin aikaa yhdellä, tietyllä taajuudella, ja
2. se, että moottorin käytön peräkkäiset taajuudet suhteutuvat toisiinsa kuten peräkkäisten nuottien taajuudet.

1.-kohta ei päde Helsingin metrossa, jossa taajuus muuttuu tasaisesti vauhdin kasvaessa.

2.-kohta ei voi olla pelkkää sattumaa, vaan tarkoituksellisesta suunnittelua.  Ehkä joku Siemensin insinööreistä harrastaa musiikkia, ja viimeinen sävel osuu sivuun vain ko. tilanteen ympäristötekijöiden johdosta (esimerkiksi nopeusrajoitus, joka estää pääsemästä "perille" asteikossa).

Länsimaisessa tasavireisessä asteikossa oktaavi jaetaan 12 puolisävelaskeleeseen.  Oktaavi on taajuuden kaksinkertaistuminen joten puolisävelaskel on kahdestoista juuri kakkosesta eli kerroin 1.06.  Normaalissa sävelasteikossa peräkkäisten sävelten välimatka on sävelaskel, mutta muutamissa kohdin vain puolisävelaskel.  Eli ei mikään "insinöörisarja", vaan ennemminkin taiteilijan.

Jos moottorikäyttö tehtäisiin luontevasti, peräkkäisten taajuuksien suhde ei olisi sama kuin peräkkäisten sävelten, vaan lähestyisi kromaattista asteikkoa (puolisävelasteikkoa).  Toisin sanottuna, askel peräkkäisten taajuuksien välillä olisi koko ajan sama kerroin, kun nyt se vaihtelee sen mukaan missä kohden sävelasteikkoa ollaan menossa.  Tai se voisi olla ihan jotain muutakin, esimerkiksi oktaavi jaettuna 10 osaan, mikä voisi olla paljon luontevampi valinta kuin sävelasteikon 12 osaa.

Toisaalta, kokonaistehokkuuden kannalta tällä tuskin on suurta merkitystä, joten nuo taajuudet on voitu valita ihan pelkästään sen takia, että äänet kuulostavat sopusointuisemmilta.  Tai sitten joku ohjelmoija on hihittänyt partaansa salaa ruudun takana. :)

Pohditaanpa. Tilanteessa esiintynee kahta eri taajuutta:

1. Moottorissa pyörivän magneettikentän taajuus (jossain määrin siniaaltoa)

2. Se taajuus, jolla taajuusmuuttaja pätkii tasavirtaa (kanttiaaltoa)

Näistä tuo 2. tuottaa sen äänen, eikä sillä välttämättä ole suoraa yhteyttä moottorin magneettikentän pyörimisnopeuteen, mutta joissain tapauksissa on. Jaetaanpa äänet kahteen eri tyyppiin:

1. Jossain määrin tasasäveliset (Sr2, Taurus). Näissä siis ääni on hetken aikaa sama, vaikka vauhti kiihtyisikin. Tämä tarkoittaa sitä, että vaikka vauhti kiihtyy, tasasuuntaaja pätkii edelleen samalla taajuudella. Pätkimisestä summautuvan siniaallon taajuus kyllä kasvaa vauhdin kiihtyessä. Toteutuksesta sitten riippuu, miten ääni hyppii. Sr2:ssä on ne pari pykälää, ja Tauruksessa se heti alkukiihdytyksessä kiipeävä melkeinoktaavi.

2. Nousevasäveliset (Hki Metro, Sm4, Dr16). Näissä sen yhden nousevan vonkauksen aikana taitaa käydä niin, että tasasuuntaajan pätkäisyjen lukumäärä per ajomoottorin magneettikentän yksi kierros on vakio (joten äänenkorkeuskin on vakio), mutta pätkäisyt lyhenevät pyörimisnopeuden suhteessa (eli ääni nousee) - kunnes äänen epäjatkuvuuskohdassa äänenkorkeus putoaa äkisti (pätkäisyjen määrä per kierros vähenee).

Hankala selittää sanallisesti. Pitäisi piirtää. Ja voi tämä päättely mennä metsäänkin. :)

Taurus taitaa kuitenkin kuulua kumpaankin ryhmään, ainakin jos 'kuuntelee' seuraavan videon, oktaavin jälkeen veturi kuulostaakin yllättäen M100 metrojunalta...  ;D
http://www.youtube.com/watch?v=cdy3G_an65s&feature=player_embedded

Kiintoisa video, veturi lähtee kuin nappi housuista   :D

Ristus, notta lähtöö rapiaan, sanoisi pohojalaanen  ;D

Mutta ääni on myös kiintoisa, Ensin sävelaskeleet, sitten vakiotaajuutta ja sitten huimaa taajuuden nousua.

Tuossa on myös jännä ääniyhdistelmä, hollantilainen ICE: http://www.youtube.com/watch?v=JWwriaBmT-Q&feature=fvsr

Tulee mieleen alkuvauhdin taajuusmuuntelusta, että sillä etsittäisiin paras vetokyky, luistoon verrattuna. Olisiko "vakiotaajuus" sitten syntyneestä tilanteesta, kuten kuormituksesta riippuvainen. Nopeuden noustessa riittäisi laskennalliset taajuudet, lineaarinen taajuusnousu.?
Ääniä aiheuttaa tehopuolijohteiden jäähdytyselementit, kaapeloinnit, voimansiirto moottoreineen värähtelee, ei käämit pelkästään. Kun taajuudet ovat korkeita ja nopeanousuisia kanttiaaltoja, ei juuri tarvita värähtelyyn varsinaista mekaanista liikettä*. Myös kapistusten, kaapeleiden synnyttämät magneettikentät saavat ilmankin värähtelemään, eräänlainen corona-ilmiö?. *Koska muuten käämit "jauhautuisivat" piloille. Käämit on hyvin "sidottu, paketoitu".
KLu tietää sähköveturien muuntaja- ja moottorikäämitykset. Metrojunissa riittää lineaarinen taajuusmuutos, ei tarvita maksimaalista vetokykyä. Vertailun vuoksi äänipuolelta, kaiuttimien diskanttielementit, liikepoikkeamia ei näy, mutta ääntä lähtee.
Olisiko kaukaa haettua, kuten jo hiukan esille tuli, että luonnossa, fysiikassa*, mekaniikassakin, ilmiöt olisivat vetureissakin jotenkin yhtäpitäviä vetureissa käytettävien taajuuksien kanssa. *Kuten massa ja resonanssi.

Jos tarkoitat alkuvauhdin taajuusmuuntelulla nimenomaan noita sävelaskelia, niin luiston kanssa sillä ei voi olla suoranaisesti mitään tekemistä, koska sävelaskelet kuuluvat aina, kun Taurus lähtee liikkeelle; myös hitaasti veturina liikkuessaan, jolloin virrat ovat hyvin pieniä

Mutta kuuntelinpa tuon Tauruksen lähdön vielä kerran musiikilliselta kannalta. Ääni ei tarkkaan ottaen ole do-re-mi... vaan alkaa E:stä ja on tasan kaksi oktaavia eli mi-fa-sol-la-ti-do-re-mi-fa-sol-la-ti-do-reeeiiiieeeiieeiiiii...

 :)

Ohuesti aihetta sivuten tuli mieleen se kun kauan sitten olin koulupoikana tutustumassa Lahden pitkäaaltoradioasemaan. Jumalattoman suurten radiokomponettien täyttämässä huoneessa pauhasi radio-ohjelma, vaikka yhtään kovaäänistä ei ollut mailla halmeilla. Mitähän sanoisivat tuosta työympäristöstä kännykkäsäteilyä pelkäävät? Kai nuo veturienkin värähtelyt luihin ja ytimiin jollain tavalla vaikuttavat.

Amplitudimodulaatio sai tuon aikaan. Ohjelma kuului myös läheisen urheilukentän aidasta.
Voi olla, että ns. ULA-modulaatiokin (FM)  olisi voinut tuon tehdä. Joka tapauksessa kuuntelin monta televisio-ojhelmaa opskelijakämpässä ilman telkkaria kun ns. harmoniset värähtelyt osuivat sopiville radioaallolle.

Mutta, mistä ihmeestä tämä tulee?

http://www.youtube.com/watch?v=PV2E66JNKpU&feature=related

Todella mielenkiintoista jos tuo ääni tulee tuosta laitteistosta. Jos tulee, ei tunnu ihan autenttiselta, mutta pienellä modifioinnilla ja vahvistuksella voi tuokin onnistua. Kommentoikaa asiaa tuntevat.