Das Schallstrahlenmodell SMART (Sound Propagation Model for the Atmosphere using Ray Tracing) simuliert die Schallausbreitung in der Atmosphäre unter der Berücksichtigung der Einflüsse einer frequenzabhängigen Schallabsorption in der Luft, eines frequenzabhängigen Bodeneinflusses sowie der Refraktion auf Grund vertikaler Gradienten im Wind- und Temperaturfeld. Die Berechnungsgrundlage für das Strahlenmodell SMART bilden dabei synthetische Temperatur- und Windprofile, welche mit dem atmosphärischen Grenzschichtmodell HIRVAC gewonnen worden. Grundlage für diese Erörterungen ist eine für das Landesamt für Natur Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein Westfalen (LANUV NRW) durchgeführte Studie in der das Schallausbreitungsverhalten in Abhängigkeit von der Jahreszeit sowie bei verschiedenen Quellhöhen bis 140 m untersucht worden ist. Es zeigten sich große Unterschiede zwischen dem Ausbreitungsverhalten ausgehend von einer hohen Quellhöhe im Vergleich zu einer bodennahen Schallausbreitung. Ebenso konnten Unterschiede bei einer tages- bzw. jahreszeitlichen Betrachtung festgestellt werden. / The sound propagation model SMART (Sound Propagation Model for the Atmosphere using Ray Tracing) simulates the sound propagation in a stratified atmosphere. It considers frequency-dependent absorption of sound in air, frequency-dependent influence of ground on absorption as well as refraction due to vertical gradients of wind and temperature. Based on simulated profiles of wind and temperature, which have been calculated by the atmospheric boundary layer model HIRVAC, sound level attenuation values are estimated using SMART. This discussion based on a study, carried out for the Landesamt für Natur Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein Westfalen (LANUV NRW), Germany. In this study, the dependence of sound propagation on seasons as well as on different source heights has been determined. The results show great differences between the sound propagation with a source at ground and different source heights above ground. Furthermore, daily and seasonaldifferences could be established.

In der folgenden Ausarbeitung soll der Einfluss der vertikalen Auflösung der Eingangsprofile auf die Schallausbreitungsrechnungen eines Schallstrahlenmodells näher untersucht werden. Der Grund hierfür liegt in dem Auftreten eines „Schichtenproblems“ bei der Arbeit mit einem solchen Modell. Das bedeutet, dass je größer die vertikale Auflösung der Eingangsprofile ist, desto mehr weicht die mit dem Computermodell bestimmte Lösung von der analytischen ab. Im folgenden Beitrag werden verschiedene vertikale Auflösungen untersucht und es wird gezeigt, dass eine höhere Auflösung dieses Problem lösen kann. Die Berechnungen erfolgen mit dem Schallstrahlenmodell SMART. Dieses Modell basiert auf der Berechnung des Weges, den der Schall in einer geschichteten Atmosphäre zurücklegt. Die Berechnungsgrundlage für das Strahlenmodell bilden dabei aus Radiosondendaten interpolierte, sowie klimatologisch klassifizierte Temperatur- und Windprofile. Diese Untersuchungen stellen eine notwendige Grundlage bei der Analyse und Interpretation der durch ein Strahlenmodell gewonnenen Dämpfungsberechnungen dar. / In the following article, effects of the vertical resolution of input data on numerical sound attenuation simulations are investigated. The reason for this lies in the occurrence of a „layer problem“ during work with such a model. That means, even larger the vertical resolution of the input profiles is, so much more the calculated answer deviates from the analytic. Therefore, different vertical resolutions are examined. The analyzed results show that a higher resolution can solve this problem. Calculations are carried out using the sound ray model SMART which considers the dependency of sound ray propagation on stratified atmosphere. As a basis for calculating the sound ray paths interpolated and climatologically classified profiles of temperature and wind obtained from radiosonde data are utilized. These investigations provide a basis for the analysis and interpretation of attenuation calculations derived from a sound ray model.

Previously used standardized calculation methods for sound propagation contain the influence of meteorological parameters just in a very simplified way. But the propagation of acoustic signals over a distance of several kilometers is essentially dependent on the distribution of temperature and wind. The sound level attenuation maps shown in this work have been calculated with the use of the sound ray model SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing). They demonstrate the meteorological influence on the sound attenuation in a distance of up to 15 km from the sound source. SMART takes the current or the predicted state of the atmosphere into account to depict the distribution of sound attenuation near the ground surface. Therefore it is an instrument which is able to estimate sound immission for a current or future moment (sound weather). Applied to meteorological data of longer time periods typical mean sound immissions for individual regions can be derived, which is referred as sound climate. On the one hand these attenuation maps firstly clarify the difference between these two terms. On the other hand they show the dependence of sound propagation on atmospheric conditions on several timescales. Radiosonde data from the years 1990 – 2009 were used for this analysis. A second part of this study deals with the question whether observational data (radiosonde) can be replaced by model data (COSMO-EU). For this purpose data of the station of Bergen was used for the year 2009. / Bisher verwendete standardisierte Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung beinhalten meteorologische Einflüsse nur in stark vereinfachter Weise. Die Ausbreitung akustischer Signale über mehrere Kilometer Entfernung hängt jedoch wesentlich von der Temperatur- und Windverteilung im Gebiet des Emissionsortes ab. In der Umgebung einer Schallquelle bis hin zu einer Entfernung von 15 km wird in dieser Studie der meteorologische Einfluss auf Schallpegeldämpfungskarten dargestellt, die mit Hilfe des Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing) berechnet wurden. Das Modell SMART bezieht dabei die beobachteten bzw. prognostizierten meteorologischen Verhältnisse in die Darstellung der bodennahen Schalldämpfungsverteilung ein. Es ist damit ein Instrument für die Abschätzung der Schallimmission zu einem aktuellen oder zukünftigen Zeitpunkt (Schallwetter). Angewendet auf meteorologische Daten aus längeren Zeitabschnitten sind mittlere, für einzelne Regionen typische Schallimmissionsaussagen ableitbar, was hier als Schallklima bezeichnet wird. Diese Dämpfungskarten sollen zum einen den Unterschied dieser beiden Begriffe verdeutlichen, auf der anderen Seite aber auch die Abhängigkeit beider Zeitrahmen von der Meteorologie aufzeigen. In die Auswertungen gehen Radiosondenbeobachtungen aus den Jahren 1990 – 2009 ein. Ein zweiter Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage der Ersetzbarkeit von Beobachtungsdaten (Radiosonde) durch Modelldaten (COSMO-EU). Diese Analyse erfolgt beispielhaft für die Station Bergen für das Jahr 2009.

Die Schallausbreitung in der Atmosphäre wird durch vertikale Gradienten meteorologischer Größen, insbesondere Lufttemperatur und Windvektor, maßgeblich beeinflusst. Ziel dieser Studie ist die Abschätzung des Einflusses einer Schallstrahlenrefraktion infolge von Temperatur- und Windgradienten auf die Laufzeit akustischer Signale zwischen Sendern und Empfängern. Mit Hilfe des hier vorgestellten Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) wird die Differenz der Laufzeiten entlang des gekrümmten Schallweges (mit Refraktion) und entlang der geraden Verbindungslinie (ohne Refraktion) zwischen einem Sender und einem Empfänger berechnet. Je größer die Sender-Empfänger-Entfernung und je größer der Unterschied zwischen Sender- und Empfängerhöhe sind, desto größer sind auch die Beträge der Laufzeitunterschiede. Der gekoppelte Einfluss von Temperatur- und Windprofil auf die Schallstrahlenrefraktion lässt zum großen Teil jedoch keine pauschalen Abschätzungen der Laufzeitdifferenz zu. Die erzielten Untersuchungsergebnisse werden insbesondere für eine Einschätzung der Anwendbarkeit einer Schallstrahlapproximation (geradlinige Schallstrahlen) bei der akustischen Laufzeittomographie benötigt. / Sound propagation inside the atmosphere is mainly influenced by vertical gradients of meteorological quantities, in particular air temperature and wind vector. The aim of this study is to estimate the influence of the sound ray refraction on the travel time of acoustic signals between transmitters and receivers due to temperature and wind gradients. The difference of the travel times along the curved sound ray (with refraction) and along the straight line (without refraction) between the transmitter and the receiver is calculated by means of the presented sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The greater the transmitter-receiver-distances, and the greater the height-level differences of transmitter and receiver, the greater are the travel-time differences. However, the coupled influence of temperature and wind profiles on the sound-ray refraction does mostly not allow an universal estimation of the travel-time difference. The obtained results are necessary to validate the sound-ray approximation (straight-line approximation) applied by the acoustic tomography.

Eine wichtige Aufgabe des Umweltschutzes besteht in der Überwachung von Geräuschimmissionen. Die Grenzen der bisher verwendeten, operationellen Verfahren zeigen sich vor allem darin, dass der Einfluss der Atmosphäre auf die Schallausbreitung nur unzureichend berücksichtigt wird. In dieser Studie wird deshalb ein Modell aus dem Bereich der geometrischen Akustik zur Einbeziehung des Atmosphärenzustandes in die Schallprognose vorgestellt. Das Modell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) bestimmt die durch Schallstrahlenrefraktion modifizierten Schallausbreitungsbedingungen für ein Gebiet entsprechend der vorgegebenen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung. Ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung von SMART war die Implementierung eines Refraktionsgesetzes, welches die Schallstrahlenbrechung an Schichtgrenzen in einem zweidimensional geschichteten, bewegten Medium exakt beschreibt. Die Unterschiede in der Schallstrahlenberechnung zwischen diesem Modell und früheren Simulationen machen sich insbesondere für Entfernungen von der Schallquelle zwischen 1 und 3 km bemerkbar. Da in diesem Bereich eine verstärkte Lärmbelastung gegenüber vorangegangenen Simulationen auftritt, wird die Verwendung des physikalisch exakten Refraktionsgesetzes für eine bewegte Atmosphäre im Rahmen von Lärmschutzuntersuchungen empfohlen. / An important problem regarding the environmental protection is the immission control of noise. The applicability of currently operational methods is limited because the influence of the atmosphere on the sound propagation is only insufficiently taken into account. Thus, a geometrical sound propagation model is presented in this study to include the state of the atmosphere into the forecast of noise immission. The model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) calculates the modified sound propagation conditions due to sound-ray refraction for an area according to the given thermal stratification of the atmosphere and the vertical profiles of wind speed and wind direction. An important step during the further development of the model SMART was the implementation of a refraction law, that is exactly valid for the sound-ray refraction at the boundary between two layers with different properties inside a twodimensional, stratified moving medium. Maximal differences between simulations with this model and former investigations occur at a distance of 1-3 km away from the sound source. A stronger noise immission is also notable in this area. Because of this result it is recommended to use the presented physically more exact refraction law for a moving atmosphere within the scope of noise immission control.

Mit dem Schallstrahlenmodell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) werden die Auswirkungen der Schallstrahlenrefraktion in der Atmosphäre und der Schallstrahlenreflexion am schallharten Boden auf die Schallimmission untersucht. Die gekoppelte Wirkung von Temperatur-, Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsprofilen auf die Lärmbelastung an einem Ort über einer schallharten Oberfläche wird für eine große Anzahl möglicher Atmosphärenzustände simuliert und mit Schallausbreitungsrechnungen für eine absorbierende Bodenschicht verglichen. Ein Drittel der Bildpunkte der resultierenden Schalldämpfungskarten unterscheiden sich im Mittel signifikant voneinander. Die größten Unterschiede ergeben sich bei Temperaturinversionen. Hier treten für die Simulationen mit Bodenreflexionen geringere Schalldämpfungen gegenüber dem Fall ohne Bodenreflexionen auf. Diese kritischen Situationen mit einer verstärkten Lärmbelastung sind bei einer Überarbeitung von Lärmschutzrichtlinien besonders zu beachten. / Effects of sound-ray refraction in the atmosphere and sound-ray reflection at the sound-hard surface on the sound immission are investigated using the sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The coupled effect of temperature, wind velocity and wind direction profiles on the noise immission at one location over a sound-hard surface is simulated for a great number of possible states of the atmosphere. The results are compared with sound propagation simulations over a sound-absorbing soil layer. One third of the pixels of the resulting sound attenuation maps are significantly different from each other on the average. The greatest differences appear in cases of temperature inversion. Thereby, the simulations with reflections at the surface lead to smaller sound attenuation in comparison to the case without reflections at the surface. Such critical situations with an amplified noise immission have to be especially considered during the improvement process of noise immission control.

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of spatially averaged meteorological quantities, such as the virtual air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed was used to obtain estimates of the meteorological parameters. Several measuring campaigns were carried out to compare the acoustically derived data with conventional systems. The results of a cross validation during a field experiment in autumn 2000 are presented, where receivers at different heights above the ground were used. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein Verfahren zur Fernerkundung räumlich gemittelter Größen, wie der virtuellen Temperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren beruht auf der annährend horizontalen Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht. Das hier angewendete Verfahren der Laufzeittomographie beruht auf der Bestimmung der Ausbreitungszeit von Schallwellen zwischen mehreren Schallsendern und -empfängern. Die daraus abgeleitete Schallgeschwindigkeit liefert eine Information über die interessierenden meteorologischen Parameter. Eine Reihe von Feldexperimenten wurde durchgeführt mit dem Ziel, die akustisch bestimmten Größen mit denen konventioneller Verfahren zu vergleichen. Hier werden die Ergebnisse eines Vergleiches im Herbst 2000 präsentiert, bei dem die Schallempfänger in unterschiedlichen Höhen über dem Boden angebracht wurden.

Negativ empfundene Schallereignisse, d.h. Lärm, sind nach wie vor eines der bedeutendsten Umweltprobleme besonders in urbanen Räumen. Die Ausbreitung von Schallwellen findet, abgesehen von Wechselwirkungen mit dem Boden, in der Atmosphäre statt und wird durch deren Struktur beeinflusst. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei die raum-zeitliche Variabilität der meteorologischen Größen Temperatur, Windvektor sowie Luftfeuchtigkeit, die durch Brechung, Streuung und Absorption zu einer verstärkten oder verringerten Schallimmission an einem Ort führen kann. Im Rahmen einer Schülerarbeit (“Besondere Lernleistung”) wurden Schallpegelwerte an mehreren Messpunkten auf dem Gelände des Leipziger Instituts für Meteorologie bei verschiedenen Atmosphärenzuständen aufgenommen. Erste Auswertungen der Messergebnisse werden in dieser Studie vorgestellt. / Noise is one of the most important environmental problems especially in urban regions. The propagation of sound waves takes place in the atmosphere, apart from interactions with the ground surface, and is influenced by the atmospheric structure. Thereby, the spatial and temporal variability of meteorological quantities like temperature, wind vector and air moisture leads to refraction, scattering and absorption and thereupon to an increased or decreased noise exposure. Within the scope of a pupil’s work sound level measurements were carried out on different places at the site of Leipzig Institute of Meteorology during variable atmospheric conditions. First results are presented in this study.

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.

Der Risikofaktor Lärm stellt vor allem in urbanen Gebieten ein großes Umweltproblem mit teilweise erheblichen gesundheitlichen Langzeitauswirkungen für die Stadtbevölkerung dar. Dabei hängt die Ausbreitung des Schalls von einer Störquelle, wie z.B. dem Straßenverkehr, besonders auf größeren Strecken von der Atmosphärenstruktur ab. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, den Einfluss der tageszeitlich variierenden urbanen Grenzschicht auf die Schallausbreitung unter Verwendung eines Schallstrahlenmodells abzuschätzen. Basis dieser Berechnungen bildeten analytisch erzeugte urbane Vertikalprofile der Temperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Die Auswertungen der Karten der meteorologisch bedingten Zusatzdämpfung zeigten eine sichtbare zusätzliche Beeinflussung der Schallausbreitung durch die spezielle Struktur der urbanen Grenzschicht. Besonders im Nahbereich der Quelle traten nachts in Windrichtung bei labiler Atmosphärenschichtung Zonen erhöhter Lärmbelastung auf. / Especially in urban regions the risk factor noise is a huge problem, which may have a notable impact on (human) health on long-time scales. The sound propagation of a disturbing source, e.g. traffic noise, depends for larger distances in particular on the structure of the atmosphere. The aim of this study was to estimate the influence of the urban boundary layer on the propagation of sound using a sound ray model. Therefore, urban vertical profiles of temperature, wind speed, and wind direction for day and night time conditions were calculated analytically. The resulting maps considering excess attenuation of sound due to meteorology yielded an additional influence on the sound propagation in consequence of the defined structure of the urban boundary layer. Particularly in downwind areas close to the source the impact of noise increases regionally at night for the cases of unstable atmospheric layering.