Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2010

In der folgenden Ausarbeitung wird eine erweiterte Version des Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray tracing) vorgestellt, mit dem der gekoppelte Einfluss der Meteorologie und des Bodens auf die Schallausbreitung dargestellt werden kann. Dieses Modell basiert auf der Berechnung des Weges, den der Schall in einer geschichteten Atmosphäre zurücklegt. Sensitivitätsstudien mit verschiedenen Modellparametern und unterschiedlichen Vertikalprofilen der Temperatur zeigen den Vergleich des modellierten Schallweges mit einer analytischen Lösung. Diese Untersuchungen stellen eine notwendige Grundlage für die Erweiterung des Schallstrahlmodells um den Effekt einer Schallschutzwand dar. Mit dem Einbringen einer solchen Schallschutzwand in das Modell soll die Anwendung im urbanen Raum möglich werden. In einem ersten Schritt wurde das Einfügungsdämpfungsmaß nach VDIRichtlinie 2720 in die Dämpfungsberechung mit SMART einbezogen, um eine Schallschutzwand zu simulieren. / The sound ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using raytracing) is presented. With this model it is possible to combine the effect of meteorology and ground in outdoor sound propagation. This model is based on the calculation of sound ray paths in a stratified atmosphere. The calculated ray path was compared with the analytic solution of the 2-dimensional sound path integral in a non-moving atmorsphere. This analysis was done with two different thicknesses of the atmosperic layering and various vertical temperature and wind profiles. This is an essential basis for the extension of the sound ray model about a noise barrier. With the insertion of a noise barrier in the model the use in urban regions should be possible. A first study is the parametrisation of the influence of a noise barrier with VDI 2720.

In dieser Studie wird der aktuelle Stand des Modells SMART (Sound Propagation Model of the Atmosphere using Ray Tracing) vorgestellt, welches die Schallausbreitung in der Atmosphäre anhand von Schallstrahlen simuliert. Die Auswirkungen von Wind- und Temperaturgradienten auf die Schallausbreitung können mit einem solchen Modell besonders gut beschrieben werden. Neben diesen Faktoren werden in der Modellierung auch die frequenzabhängige Luftabsorption, die Schallabsorption und multiple Reflexionen am Boden berücksichtigt. Zur Validierung der Ergebnisse von Schallausbreitungssimulationen wurden die modellierten Zusatzdämpfungen durch den Boden und Atmosphäreneinfluss mit Messdaten verglichen. Bei einer Schallausbreitung entgegen der Windrichtung korrelieren die Messwerte sehr stark mit den modellierten Ergebnissen. In der Mitwindrichtung werden die Schallstrahlen stärker in Richtung des Erdbodens refraktiert, was zu häufigeren Reflexionen an der Oberfläche führt. Deshalb legt der Schall eine längere Wegstrecke in der Mitwindrichtung zurück und wird dadurch von den im Modell noch nicht enthaltenen Faktoren stärker beeinflusst, was zu einer geringeren Korrelation zwischen Messwerten und Modellergebnissen führt. In den Messdaten als auch in den Modelldaten zeigt sich, dass die Verwendung der Berechnungsvorschrift für das Boden-Meteorologiedämpfungsmaß nach VDI-2714 gerade für stabile Schichtungen zu Fehlprognosen führen kann. Eine Verstärkung des Schallpegels durch die Zusatzdämpfung durch die Einflüsse von Boden und Atmosphäre wird nicht in Erwägung gezogen, da das Boden-Meteorologiedämpfungsmaß stets positiv, das heißt lärmabschwächend, ist.

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft hängt wesentlich von der Temperatur, aber auch in gewissen Maße von deren Feuchtigkeit und Zusammensetzung, ab. Den Einfluss der Lufttemperatur auf die Schallgeschwindigkeit nutzen Messverfahren aus, um aus der Laufzeit von Schallsignalen die Temperatur entlang des Ausbreitungsweges zu bestimmen. Dabei wird jedoch häufig die Beeinflussung durch die Luftfeuchte unzureichend berücksichtigt. Hier wird ein Verfahren aufgezeigt, das die Zusammensetzung der Luft und die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmen detailliert berücksichtigt. Die auf diesem Wege aus der Schallgeschwindigkeit abgeleitete Temperatur wird mit der in der Mirkometeorologie üblichen Approximation der akustisch virtuellen Temperatur verglichen. / The speed of sound in humid air depends besides the temperature to some degree on their humidity and compositions. Several measuring methods uses the influence of the temperature on speed of sound to calculate from the travel time of acoustic signals the temperature along the propagation path. However, thereby the influence of the humidity is often ignored. This paper described a method, which take the impact of the atmospheric composition and the temperature dependence of the specific heats explicit into account. The subsequent from the speed of sound recalculated temperature is compared with the mircometeorological standard approximation, the acoustic virtual temperature.

Neben der Abnahme des Schalldruckes bzw. der Schallintensität mit zunehmender Entfernung von einer Schallquelle (Kugelwellendivergenz) spielt bei der Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht der Einfluss der höhenveränderlichen meteorologischen Größen, speziell der Temperatur und des Windvektors, auf die Geschwindigkeit und Richtung der Schallwellen eine entscheidende Rolle. Da in den bisherigen Richtlinien zur Erstellung von Lärmkatastern (über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Schalldruckpegelverteilung in einem Gebiet) oder zur Messung der Schallimmission in der Umgebung von Schallquellen aktuelle meteorologische Informationen nicht einfließen, wird in dieser Studie untersucht, inwieweit ein entsprechend erweitertes Konzept bzw. Modell zu modifizierten Ergebnissen führt. Die Untersuchungen münden in ein Verfahren, das die Schallausbreitungsbedingungen an einem Ort für einen einzelnen Zeitpunkt bzw. während eines bestimmten Zeitraumes entsprechend der aktuellen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung bestimmt. Die dafür benötigten Eingangsinformationen können durch Atmosphärenmodelle jederzeit und für beliebige Gitterpunkte bereitgestellt werden. / Except for the decrease of the acoustic pressure and the acoustic intensity with increasing distance between sound source and receiver (spherical divergence) the sound propagation and thereby the velocity and direction of sound waves inside the atmospheric boundary layer will be mainly influenced by the height-variable meteorological quantities, especially temperature and wind vector. Because actual meteorological information are ignored by the existing rules to create a noise register (averaged sound-pressure level distribution during a definite time interval and over a fixed region) or for the measurement of noise in the environment of sound sources, it will be investigated in this study whether an extended concept and model for the sound propagation will lead to modified results or not. The investigations lead to a technique which quantify the local conditions of sound propagation for one time or for a definite period corresponding to the vertical profiles of the air temperature as well as of wind speed and wind direction. The needed input data can be provided anytime and for any grid point by an atmospheric model.

Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches im Rahmen einer Projektbearbeitung für die Bundeswehr entwickelt wurde und die Einbeziehung des meteorologischen Einflusses auf die Schallausbreitung in die Schallimmissionsprognose auf relativ einfache Weise ermöglicht. Zunächst wurden alle denkbaren meteorologischen Situationen (Unterscheidung nach Temperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung) klassifiziert. Für die verschiedenen Klassen wurden Verteilungen der Schalldruckpegeldämpfung mit dem Schallausbreitungsmodell SMART (Sound Propagation Model for the Atmosphere using Ray Tracing) berechnet. Die Ergebnisse wurden in einer Datenbank zusammengefasst. Die Analyse und Bewertung dieser Prognosen, sowie der Zugriff auf die Datenbank erfolgt über das Visualisierungstool MetaVIS (Meteorological attenuation visualization). Damit ist eine schnelle Schallimmissionsprognose für aktuelle Schallausbreitungssituationen möglich. Im Rahmen dieses Verfahrens ist die Regionalisierung eines Gesamtgebietes in schallklimatologisch ähnliche Teilgebiete möglich. Eine solche Untersuchung erfolgte durch die Analyse von Schalldruckpegeldämpfungskarten für eine Vielzahl von Atmosphärenstrukturen. Im Ergebnis konnte eine Karte zur Neustrukturierung der Beratungsräume der Bundeswehr, unter Berücksichtigung meteorologischer Einflüsse auf die Schallausbreitung, erarbeitet werden. / A procedure is described, which has been developed within the framework of a project for the Bundeswehr. This method provides a relatively simple way to include meteorological influences on the sound propagation for forecasting sound immission. Therefore, at first, different meteorological situations (differentiation regarding temperature, wind speed, wind direction) have been classified. For the different classes the spatial distribution attenuation of sound level have been calculated using a model of sound propagation SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The results are stored in a database. The analysis and evaluation of this forecasts as well as the access to the database is realized using the visualization tool MetaVIS (Meteorological attenuation visualization). Therewith fast forecasts of sound immission for present meteorological situations are enabled. Moreover, with this procedure a regionalization of an entire territory in areas with a similar sound climatology is possible. Such an estimation has been done by analysing maps of sound level attenuation for different atmospheric structures. As a result, a map for restructuring the consulting areas of the Bundeswehr, considering meteorological influences on the sound propagation, could be acquired.

Im Genehmigungsverfahren für den Bau hochliegender Schallquellen (z.B. Windenergieanlagen) muss der Nachweis geführt werden, dass von den Anlagen keine schädlichen Umwelteinwirkungen ausgehen. Es ist es daher notwendig, die Schallausbreitung derartiger Quellen grundsätzlich zu untersuchen. Eine Schwierigkeit stellt dabei die gekoppelte Wirkung von Temperatur-, Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsprofil in Zusammenhang mit dem Bodeneinfluss auf die Schallausbreitung dar. Dieser zeitlich und räumlich variable Atmosphäreneinfluss wird insbesondere bei Langzeituntersuchungen der Schallimmission bisher nur unzureichend in den operationellen Modellen beschrieben. Das Ziel der Studie besteht deshalb darin, die gekoppelte Wirkung von Atmosphäre- und Boden-Einfluss auf die Schallausbreitung in einem Bereich bis zu 2 km Entfernung von der Schallquelle mit dem Modell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing ) zu untersuchen. / The licensing procedure for the construction of high-placed sound sources (e.g. wind power stations) demands to proof that no (significant and) harmful impact on environment is outgoing from these systems. Therefore, it is necessary to analyse the sound propagation of such a kind of sources. In this context one central problem has to be managed: the coupled effect of temperature, wind speed and wind direction profiles combined with the influence of surface on sound propagation. The temporally and spatially variable influence of the atmosphere is only insufficiently described by the operational models, especially in relation to long-time investigations of sound immission. Consequently, the aim of this study was to investigate the coupled effect of atmospheric and surface influence on sound propagation up to distances of 2 km away from the sound source using the model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing).

In dieser Studie wird ein Verfahren näher erläutert, welches im Rahmen einer Projektbearbeitung für die Bundeswehr entwickelt worden ist. Dieses Verfahren prognostiziert die Ausbreitung von Schießlärm unter besonderer Berücksichtigung der Einflüsse meteorologischer Verhältnisse (Schallwetter) und ermöglicht so die Prognose erhöhter Lärmbelastungen. Weiterhin ist mit diesem Verfahren auch eine regionale Einteilung eines Gesamtgebietes in schallklimatologisch ähnliche Teilgebiete möglich. Eine solche Untersuchung erfolgt durch die Analyse von Schalldruckpegeldämpfungskarten für eine Vielzahl von Atmosphärenstrukturen. Im Wesentlichen stützt sich das Verfahren dabei auf zwei Komponenten, auf das Schallausbreitungsmodell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) und das Anwendungstool MetaVIS (Meteorological attenuation visualization). Mit Hilfe des Modells SMART werden Schalldruckpegeldämpfungen berechnet, welche dann prognostische Aussagen zur Lärmbelastung an einem Ort zulassen. Die Darstellungssoftware MetaVIS bietet schließlich die Möglichkeit, eine aktuelle Schallausbreitungssituation analysieren und bewerten zu können. Die Bewertung kann aufgrund einer umfangreichen Datenbibliothek erfolgen. Nach Beendigung des Projektes kann dieses Verfahren vom Auftraggeber zu einer bewerteten ortsabhängigen Schallausbreitungsprognose unter Einbeziehung meteorologischer Parameter genutzt werden. / In this study a method will be specified, which is developed in line of a project work for the Bundeswehr. This method predicts the propagation of shooting noise in particular consideration of the effects of meteorological conditions (weather of sound) and so allows the prediction of increased noise levels. Furthermore, with this method a regional classification of an area like Germany in sound climatologically similarly areas is possible by analysing maps of sound level attenuation for a multiplicity of structure of the atmosphere. Basically the method bases on two parts, a model of sound propagation SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) and an application software Meta-VIS (Meteorological attenuation visualization). By means of SMART the attenuation of the sound level will be calculated which approves statements about noise exposure at a certain place. The visualisation software MetaVIS offers finally the chance to analyse and to evaluate a present situation of sound propagation. The estimation can be carried out as a result of a large library of data. Upon completion of the project, the method will be used by the customer to predict the sound propagation dependent on location, namely with inclusion of meteorological parameters.

Die vorgestellte Methode der akustischen Tomographie (Simultane Iterative Rekonstruktionstechnik) und ein spezieller Auswertungsalgorithmus können flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt bereitstellen. Somit werden zur Validierung numerischer mikroskaliger Atmosphärenmodelle weitgehend konsistente Daten geliefert. Das Verfahren verwendet die horizontale Ausbreitung von Schallstrahlen in der atmosphärischen Bodenschicht. Um einen allgemeinen Überblick zur Schallausbreitung unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu erhalten, wird ein zweidimensionales Schallausbreitungsmodell genutzt. Von Messungen der akustischen Laufzeit zwischen Sendern und Empfängern an verschiedenen Punkten in einem Meßfeld kann der Zustand der durchquerten Atmosphäre abgeschätzt werden. Die Ableitung flächengemittelter Werte für die Schallgeschwindigkeit und der daraus deduzierten Lufttemperatur resultiert aus der Inversion der Laufzeitwerte für alle möglichen Schallwege. Das angewandte zweidimensionale Tomographiemodell mit geradliniger Schallstrahlapproximation stellt dabei geringe Computeranforderungen und ist auch während des online-Betriebes einfach zu handhaben. / The presented method of acoustic tomography (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique) and a special algorithm of analysis can directly provide area averaged values of meteorological quantities. As a result rather consistent data will be delivered for validation of numerical atmospheric rnicro-scale models. The procedure uses the horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. To obtain a general overview of the sound propagation under various atmospheric conditions a two-dimensional ray-tracing model is used. The state of the crossed atmosphere can be estimated from measurements of acoustic travel time between sources and receivers on different points in an tomographic array. Derivation of area averaged values of the sound speed and furthermore of air temperature results from the inversion of travel time values for all possible acoustic paths. Thereby, the applied straight-ray two-dimensional tomographic model is characterised as a method with small computational requirements and simple handling, especially, during online working.

Das Schallstrahlenmodell SMART (Sound Propagation Model for the Atmosphere using Ray Tracing) simuliert die Schallausbreitung in der Atmosphäre unter der Berücksichtigung der Einflüsse der frequenzabhängigen Schallabsorption in der Luft, des frequenzabhängigen Bodeneinflusses und der Refraktion durch vertikale Gradienten im Wind- und Temperaturfeld. Die Ergebnisse des Modells werden zum Beispiel auf Truppenübungsplätzen zur Schallortung und zur Einschätzung der allgemeinen Schallausbreitungssituation verwendet. Des Weiteren wurde eine Untersuchung einer Regionalisierung von Schallausbreitungsverhältnissen durchgeführt. Daraus ergab sich eine Einteilung Deutschlands in verschiedene Gebiete mit unterschiedlichen mittleren Schallausbreitungsbedingungen. Die Schallquellenhöhe befand sich für diese Untersuchungen am Boden. SMART ist aber auch in der Lage die Schallausbreitung für weitaus höherliegende Schallquellen zu simulieren. So wurden Simulationen für die Emissionshöhe von 140 m durchgeführt. Es zeigten sich große Unterschiede zu einer bodennahen Schallausbreitung. / The sound propagation model SMART (Sound Propagation Model for the Atmosphere using Ray Tracing) simulates the sound propagation in a stratified atmosphere. In addition to the geometrical spreading and the stratification of the atmosphere, the properties of the ground also strongly affect the sound propagation. Further the absorption in the air is dependent for the frequency of the sound signal. The results of the model are used on drill grounds of the German Federal Armed Forces, on the one side for a locating of sound sources and on the other side for an estimation of the conditions of the sound propagation. Furthermore, there was a study to find regional differences in the model results. This leads to a classification of Germany in different areas with the same mean conditions for sound propagation. The sound source for this study was positioned at the ground surface. SMART also can be used for the simulation of a sound propagation with a high-placed sound source. So there was a study for an emission height of 140 meter. There were shown great differences to a sound propagation near the ground.