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.

The propagation paths of sound in water can be somewhat complicated due to the fact that the sound speed in water varies with properties such as water temperature and pressure, which has the effect of curving the propagation paths. This thesis shows how sound propagation in water can be simulated using a ray-tracing based approach on a GPU using Nvidia’s OptiX ray-tracing engine. In particular, it investigates how much speed-up can be achieved compared to CPU based implementations and whether the RT cores introduced in Nvidia’s Turing architecture, which provide hardware accelerated ray-tracing, can be used to speed up the computations. The presented GPU implementation is shown to be up to 310 times faster then the CPU based Fortran implementation Bellhop. Although the speed-up is significant, it is hard to say how much speed-up is gained by utilizing the RT cores due to not having anything equivalent to compare the performance to.

La propagation acoustique en milieu externe est fortement influencée par l'environnement. Les effets liés à la géométrie, comme la topographie ou la présence d'obstacles, sont principalement les réflexions et les diffractions. Concernant l'effet de l'atmosphère, les gradients moyens génèrent des réfractions tandis que la turbulence provoque des fluctuations aléatoires et une perte de cohérence du signal. La plupart de ces effets sont généralement bien décrits de manière théorique, cependant dans les configurations réelles le cumul de tous ces effets rend l'utilisation des expressions analytiques très difficile. Les études expérimentales présentent également des limites liées à la difficulté de connaître l'environnement parfaitement et d'isoler un effet physique particulier. Dans cette perspective, la simulation numérique est une alternative pratique et complémentaire à la théorie et l'expérimentation. Parmi les modèles numériques de propagation existants, ceux basés sur une résolution par différences finies dans le domaine temporel (FDTD pour Finite-Difference Time-Domain) des équations d'Euler linéarisées sont récents et particulièrement prometteurs. Cependant comme pour tout modèle nouveau, il reste à montrer qu'effectivement l'ensemble des phénomènes physiques d'intérêt sont retranscrits.Dans le cadre de ses études sur la propagation acoustique extérieure, l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) a implémenté un tel modèle de propagation. Cette implémentation est ci-après appelée ITM, pour ISL FDTD Model. L'objectif de cette thèse, proposée par l'ISL en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA), est de poursuivre le développement et les validations de cette implémentation. Une part importante du travail consiste également à illustrer les potentialités du code ITM pour des applications de propagation de signaux acoustiques complexes dans un environnement complexe. [...] / Outdoor sound propagation is strongly influenced by the environment. The geometry, such as topography and the presence of obstacles, alters the sound through reflexions and diffractions. Regarding atmosphere-related effects, the mean gradients produce refractions while turbulence cause random fluctuations and signal coherence loss. Most of those effects are generally well described theoretically. Still, in real configurations, the accumulation of those effects makes the use of analytical expressions difficult. Experimental studies are also limited because of difficulties in perfectly determining the environment or in separating a precise physical effect. In that perspective, numerical simulation is a convenient and complementary alternative approach to theory and experimentation. Among the existing numerical propagation models, those based on a Finite-Difference resolution in the Time-Domain (FDTD) of the linearized Euler equations are recent and particularly promising. However as for every new model, it remains to show that indeed the physical phenomena of interest are reproduced. In the framework of its studies on outdoor sound propagation, the french-german research Institute of Saint-Louis (ISL) has implemented such a propagation model. This implementation is hereafter called ITM, for ISL FDTD Model. The objectives of the thesis, proposed by ISL in collaboration with the Laboratory of Fluid Mechanics and Acoustics (LMFA), are to pursue the developments and validations of this implementation. An important part of the work is also given on the illustration of the potentialitiesof the ITM code in propagating complex acoustic signals in complex environments. […]

Les trois principaux phénomènes acoustiques propres au milieu forestier nécessitant d'être pris en compte sont (1) l'absorption due à la présence d'un sol multi-couche, (2) la diffusion multiple due à la présence d'obstacles tels que les troncs, (3) les effets micro-météorologiques rattachés aux variations des gradients de vitesse de vent et de température. Parmi les méthodes numériques de référence, la méthode des lignes de transmission (TLM), semble particulièrement adaptée pour la modélisation de la propagation acoustique en présence de forêt, à condition de procéder à de nouveaux développements. La première nécessité pour l'adaptation de la méthode TLM aux simulations acoustiques sur de grandes distances est la définition de couches absorbantes, permettant de tronquer efficacement le domaine d'étude, sans introduire de réflexions parasites. La formulation ainsi développée dans le cadre de la thèse est rigoureusement équivalente à l'équation de propagation des ondes amorties, et se traduit dans la méthode TLM par l'introduction et l'optimisation d'un terme de dissipation. L'étape suivante a consisté à vérifier la capacité de la méthode TLM à modéliser les phénomènes de diffusion par des cylindres. L’une des originalités introduites dans cette thèse réside dans le placement des éléments diffuseurs, à partir de lois de distribution aléatoire et de Gibbs, permettant ainsi de définir des répartitions proches de celles rencontrées en forêt. À titre d'application de la méthode développée dans le cadre de la thèse, une étude paramétrique a été réalisée afin de définir les conditions pour lesquelles une forêt peut également être considérée comme un dispositif de protection. / The prediction of sound propagation in presence of forest remains a major challenge for the outdoor sound propagation community. Reference numerical models such as the Transmission Line Matrix (TLM) method can be developed in order to accurately predict each acoustical phenomenon that takes place inside forest. The first need for the TLM method is an efficient theory-based absorbing layer formulation that enables the truncation of the numerical domain. The two proposed absorbing layer formulations are based on the approximation of the perfectly matched layer theory. The most efficient proposed formulation is shown to be equivalent to wave propagation in a lossy media, which, in the TLM method formulation, is introduced using an additional dissipation term. Then, the ability of the TLM method for the simulation of scattering is studied comparing the numerical results to both analytical solutions and measurements on scale models. Lastly, the attenuation of acoustic levels by a simplified forest is numerically studied using several arrangements of cylinders placed normal to either reflecting or absorbing ground. It is observed that randomly spaced arrangements are more inclined to attenuate acoustic waves than periodic arrangements. Moreover, the sensitivity to the density, the length of the array and the ground absorption is tested. The main trend shows that the density and the distribution are two important parameters for the attenuation. In future work, it can be interesting to look at the sensitivity of each parameter. This study could then be used to relate the morphology (i.e. distribution, density, length) of a forest to the acoustical properties of the forest.

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.

Lärm ist ein nach wie vor ungelöstes Umweltproblem. Die wichtigste Lärmquelle in urbanen Räumen ist der Straßenverkehrslärm, der gesundheitsschädliche Langzeitwirkungen haben kann. Die Ausbreitung von Schallwellen bis zum Immissionsort wird, besonders bei längeren Entfernungen, durch die Atmosphärenstruktur beeinflusst. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diesen Atmosphäreneinfluss auf die Schallausbreitung mit Hilfe von Messungen an Autobahnen in der Nähe von Chemnitz abzuschätzen. Mit je zwei Messstellen in 25 m und 150 m Entfernung von der Autobahn wurde der Effekt der Atmosphärenschichtung und des Windprofils auf die Schallimmission frequenzaufgelöst untersucht. Die Resultate dieser Studie zeigen eine deutliche Variation des über 60 Minuten gemittelten Schalldruckpegels, die auf die unterschiedliche Atmosphärenstruktur zurückgeführt werden kann. Die Messungen ergaben dabei bis zu 5 dB höhere bzw. 11 dB geringere Schallpegel als Ergebnisse von Berechnungen mit Ingenieurmodellen, die den Atmosphäreneinfluss nur sehr vereinfacht enthalten. Es wird außerdem aufgezeigt, wie die Wirkung von Schallschutzbauten an Autobahnen insbesondere durch den Windeinfluss verändert wird. / Noise is still an unsolved environmental problem. Street noise, that will able to cause long-term effects on the state of health, is the main source of noise in urban areas. The sound propagation is influenced by the atmospheric structure, especially for longer distances. This study is aimed at the estimation of the atmospheric influence onto the sound propagation by using measurements at highways near Chemnitz. Two measurement places in distances of 25 m and 150 m from the highway were used to study the effect of atmospheric stability and wind profile on the frequency-resolved sound level. A variation of the averaged (60 minutes) sound level dependent on the atmospheric structure is clearly visible in the results. The measurements yielded up to 5 dB higher and 11 dB lower sound levels in comparison to results of engineering models which contain the atmospheric influence only in a simplified way. Furthermore, the study shows how the impact of noise screens is changed dependent on the wind influence.

Low-frequency, long-range sound propagation over a seasurface has been calculated using a wide-angel Cranck-NicholsonParabolic Equation method. The model is developed toinvestigate noise from off-shore wind turbines. Thecalculations are made using normal meteorological conditions ofthe Baltic Sea. Special consideration has been made to a windphenomenon called low level jet with strong winds on rather lowaltitude. The effects of water waves on sound propagation have beenincorporated in the ground boundary condition using a bossmodel. This way of including roughness in sound propagationmodels is valid for water wave heights that are small comparedto the wave length of the sound. Nevertheless, since only lowfrequency sound is considered, waves up to the mean wave heightof the Baltic Sea can be included in this manner. The calculation model has been tested against benchmarkcases and agrees well with measurements. The calculations showthat channelling of sound occurs at downwind conditions andthat the sound propagation tends towards cylindrical spreading.The effects of the water waves are found to be fairlysmall. Keywords:wind turbine noise, off-shore wind power,long-range sound propagation, parabolic equation, scattering,water waves / QC 20110617

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).