Model for the consideration of meteorology in sound propagation

Abstract

Die Bestimmung der Schallausbreitung ist eine wichtige Herausforderung für den richtigen Entwurf des Lärmschutzes für Anwohner und Natur. Die Schallausbreitung im Freien wird jedoch von vielen Faktoren beeinflusst, wobei atmosphärische Einflüsse mit zunehmender Entfernung an Bedeutung gewinnen. Diese atmosphärischen Einflüsse, d.h. meteorologische Effekte, sind schwierig genau zu modellieren, und in der Literatur sind mehrere Modelle vorgestellt worden, um ihre Auswirkungen auf die Schallausbreitung zu beschreiben. In dieser Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung der meteorologischen Bedingungen, nämlich der effektive Schallgeschwindigkeitsgradient, im Detail untersucht. Dieses Modell geht davon aus, dass die Atmosphäre turbulenzfrei und vertikal geschichtet ist. Somit werden die Schallstrahlen in Abhängigkeit von den vertikalen Temperatur- und Windgeschwindigkeitsgradienten gebrochen. Dies führt zu einer sehr einfachen Beschreibung, die den Vorteil hat, dass nur geringe Anforderungen an die meteorologischen Messmethoden gestellt werden, um die notwendigen Parameter für die Berechnung zu bestimmen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die prädiktiven Eigenschaften des effektiven Schallgeschwindigkeitsgradienten in Bezug auf die von den meteorologischen Bedingungen beeinflusste Pegelminderung und die Korrelation zwischen dem effektivem Schallgeschwindigkeitsgradienten und der Pegelminderung. Zu diesem Zweck wurden vier Messstellen eingerichtet, von denen zwei Autobahnen und zwei vorbeifahrenden Zügen als Lärmquelle hatten. Die analysierten Daten umfassten meteorologische Daten bis zu einer Höhe von 10m über dem Boden und akustische Daten, wobei ein Referenzpunkt in der Nähe der Quelle und mehrere Messpunkte in Abständen von 100 bis 1000m aufgestellt wurden. Die gesammelten Daten wurden auf verschiedene Weise ausgewertet. Die Zeitreihen des effektiven Schallgeschwindigkeitsgradienten wurden mit den Zeitreihen der Pegelminderung an den vier Messstellen verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Arten von Reihen festgestellt wurde. Die Korrelation zwischen den beiden Werten wurde mit einer linearen Regressionsanalyse untersucht, die eindeutig eine Korrelation zeigt. Sie zeigt jedoch auch, dass die Messpunkte in Entfernungen von mehr als 500m unter dem geringen Signal-Rausch-Verhältnis leiden. Ferner zeigt sich, dass Lärmschutzwände den meteorologischen Einfluss auf die Pegelminderung verringern können. Schließlich wurden fünf Normen (ISO 1996-2, NF S31-085, NMBP2008, CONCAWE, IMAGINE) zur Klassifizierung der meteorologischen Bedingungen für die Schallausbreitungsmessung verglichen. NF S31-085 und NMBP2008 basieren auf dem effektiven Schallgeschwindigkeitsgradienten, während die anderen auf anderen Modellen basieren. Der Vergleich der durchschnittlichen Schallpegel zeigte im Allgemeinen die erwarteten Unterschiede zwischen den Klassifizierungen für alle Normen. Allerdings konnte die Verteilung der Datenpunkte für einige wenige Messpunkte erheblich variieren. Dies deutet darauf hin, dass die in den Normen festgelegten Grenzen zwischen den Klassifizierungen eine Quelle für systematische Fehler sein könnten. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass ungünstige meteorologische Bedingungen (z.B. Gegenwind) für die Schallausbreitung die Messunsicherheit im Vergleich zu günstigen meteorologischen Bedingungen stark erhöhen.Daraus kann gefolgert werden, dass der effektive Schallgeschwindigkeitsgradient zur Beurteilung der meteorologischen Bedingungen für die Schallausbreitung in üblichen Wettersituationen verwendet werden kann. Ein positiver effektiver Schallgeschwindigkeitsgradient kann als Indikator für gute meteorologische Bedingungen zur Messung der Schallausbreitung verwendet werden, da die Messunsicherheit durch atmosphärische Einflüsse geringer sein sollte. Die Klassifizierungen der Normen können zur Analyse eines Datensatzes für statistische Zwecke verwendet werden. Aufgrund der drastisch unterschiedlichen Klassifizierungsergebnisse einzelner Datenpunkte ist es jedoch nicht empfehlenswert, gute meteorologische Bedingungen für akustische Messungen allein auf der Grundlage einer der Normen zu bestimmen.

Determining sound propagation is a crucial challenge for the correct design of noise protection for residents and nature. However, sound propagation in an outdoor environment is affected by many factors where atmospheric influences gain importance with rising distance. These atmospheric influences, i.e. meteorological effects, are particularly difficult to model precisely and several models have been introduced in the literature to describe their effect on sound propagation. In this thesis, one promising model, namely the effective sound speed gradient, is investigated in detail. This model assumes that the atmosphere is turbulence free and vertically stratified. Thus, sound rays get refracted depending on the vertical temperature and wind speed gradients. This leads to a very simple description which comes with the advantage of low requirements for the meteorological measurement methods to determine the necessary parameters for its calculation. The focus of this thesis are the predictive properties of the effective sound speed gradient in regards to sound attenuation affected by meteorological conditions and the correlation between effective sound speed gradient and sound attenuation. To investigate this, four measurement sites were set up where two had highways as noise source and two had passing trains. The analysed data included meteorological data up to 10m height above ground and acoustical data, where a reference point close to the source and several measurement points at distances of 100 to 1000m were set up. The collected data was analysed in a number of ways. Time series of the effective sound speed gradient were compared with sound attenuation time series over the four measurement sites, where a good fit between both types of series was established. The correlation between both values was investigated with a linear regression analysis, which clearly shows a correlation. However, it also indicates that the measurement points at distances larger than 500m suffer from the low signal to noise ratio. It further shows that noise protection barriers can lower the meteorological effect on sound attenuation. Finally, five standards (ISO 1996-2, NF S31-085, NMBP2008, CONCAWE, IMAGINE) to classify meteorological conditions for sound propagation measurement were compared. NF S31-085 and NMBP2008 are based on the effective sound speed gradient, while the others are not. Comparing the average sound levels generally showed the expected differences between the classifications for all standards. However, the data point distribution could vary significantly for a few measurement points. This indicates the set limits between classifications in the standards could be a source for systematic errors. The results further showed how unfavourable meteorological (e.g. headwind) conditions for sound propagation strongly increase the measurement uncertainty compared to favourable meteorological conditions. It can be concluded that the effective sound speed gradient can be used to assess the meteorological conditions for sound propagation in usually occurring weather situations. A positive effective sound speed gradient can be used as an indication for good meteorological conditions to measure sound propagation, as the measurement uncertainty from atmospheric influences should be lower. The classifications of the standards can be used to analyse a data set for statistical purposes, however due to the drastically different categorisation results of single data points it is not recommended to determine good meteorological conditions for acoustical measurements based purely on one of the above mentioned standards.