Sound propagation in a duct of periodic wall structure

A boundary condition, which accounts for the coupling in the sections behind the duct boundary, is given for the sound-absorbing duct with a periodic structure of the wall lining and using regular partition walls. The soundfield in the duct is suitably described by the method of differences. For locally active walls this renders an explicit approximate solution for the propagation constant. Coupling may be accounted for by the method of differences in a clear manner. Numerical results agree with measurements and yield information which has technical applications

Schallimmissionsprognose über einer schallharten Oberfläche

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

Auswirkungen unterschiedlicher Schallausbreitungsmodelle auf die Lärmprognose

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

Meteorological effects on long-range outdoor sound propagation

Measurements of sound propagation over distances up to 1000 m were carried out with an impulse sound source offering reproducible, short time signals. Temperature and wind speed at several heights were monitored simultaneously; the meteorological data are used to determine the sound speed gradients according to the Monin-Obukhov similarity theory. The sound speed profile is compared to a corresponding prediction, gained through the measured travel time difference between direct and ground reflected pulse (which depends on the sound speed gradient). Positive sound speed gradients cause bending of the sound rays towards the ground yielding enhanced sound pressure levels. The measured meteorological effects on sound propagation are discussed and illustrated by ray tracing methods

Zum Einfluss vertikaler Gradienten meteorologischer Größen auf die Laufzeit von akustischen Signalen zwischen Schallquellen und Schallempfängern in der bodennahen Atmosphäre

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

Untersuchung der Schallausbreitung am Flughafen Wien Schwechat

Durch den ständig zunehmenden Flugverkehr steigt die Lärmbelästigung für die Bevölkerung in den flughafennahen Gebieten und entlang der Flugkorridore. Seit 1992 misst die Fluglärmüberwachungsanlage FANMOS (Flight Track and Monitoring System) in den Siedlungsgebieten des Flughafen Wien Schwechat die Schallpegel aller Überflüge. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Teil dieser Daten - nämlich zwei Sommer- und zwei Wintertage aus dem Jahr 2006 - ausgewertet werden. Die dafür nötigen Grundlagen der Schallausbreitung sowie der Einfluss der Atmosphäre auf diese werden in den Kapiteln 2 und 3 erklärt. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt aufgrund der Komplexität des Flugverkehrs die Trennung des Datensatzes nach Starts und Landanflügen und anschließend nach den vier Pistenrichtungen am Flughafen. Zum Schluss erfolgt die statistische Auswertung der nicht normalverteilten Daten mit Hilfe des U-Tests. Von 74 gerechneten Tests ergaben 61, dass zwischen den Stichproben kein signifikanter Unterschied besteht. 13 Tests hatten jedoch das Ergebnis, dass ein signifikanter Unterschied besteht. Eine generelle Aussage ist nicht möglich, tendenziell ist aber die Annahme der Nullhypothese (kein Unterschied) wahrscheinlicher. Die Erstellung der Schallkarten mittels dem am Institut für Meteorologie und Geophysik entwickeltem Analyseverfahren VERA (Vienna Enhanced Resolution Analysis) wird ebenfalls in Kapitel 7 präsentiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte kein wesentlicher Unterschied zwischen den Sommer- und Wintertagen aufgezeigt werden. Die Gründe dafür sind eine möglicherweise zu kleine betrachtete Datenmenge und die geringe Überflugshöhe der Messgeräte. Da diese Arbeit nur ein oberflächliches Berühren der Thematik ermöglichte, wären Auswertungen im größeren Rahmen sinnvoll und wünschenswert.The noise disturbance for people who live in areas close to the airport and alongside air lanes increases due to the constant upstream of air traffic. The measurement equipment that is controlling the aircraft noise – FANMOS (Flight Track and Monitoring System) – has been measuring the noise level of all overflights in the settlement area of Vienna International Airport since 1992. A part of this information – two days of summer and two days of winter 2006 – shall be analyzed during the following exposition. Chapters 2 and 3 are supposed to explain the necessary basics of sound propagation and the influence of the atmosphere on the sound propagation. The main part of this diploma thesis is split into data concerning starts and approaches as well as the four available flight paths of the airport due to the complexity of air traffic. The statistical evaluation of non-normally distributed data by using the U-test concludes this exposition. 61 out of 74 tests did not show any significant difference between the samples. But 13 out of 74 tests did show a significant difference. No general conclusion can be made, but by trend the assumption of the null hypothesis (no difference) is more probable. How to create noise cards by using the analysis method VERA (Vienna Enhanced Resolution Analysis) – developed by the department of meteorology and geophysics – will be presented in chapter 7. In conclusion: This diploma thesis wasn’t able to show any significant difference between the days of summer and the days of winter. Reasons may be found in the analyzing of a too small amount of data and a too low crossing altitude of measuring instruments. It should be mentioned that this diploma thesis touches the topic only in a superficial way. Evaluation in a bigger context would be reasonable and desirable

Zum Einfluss vertikaler Gradienten meteorologischer Größen auf die Laufzeit von akustischen Signalen zwischen Schallquellen und Schallempfängern in der bodennahen Atmosphäre

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

Gekoppelter Atmosphäre-Boden-Einfluss auf die Schallausbreitung einer höher gelegenen Schallquelle

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)