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

Genauigkeit tomographischer Invertierungsalgorithmen

Die Methode der akustischen Laufzeittomographie basiert auf der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von den Umgebungsbedingungen, z.B. vom Temperaturfeld, entlang des Schallausbreitungspfades. Die Temperaturverteilung wird mit Hilfe einer tomographischen Invertierung aller Laufzeitdaten akustischer Signale zwischen Sendern und Empfängern rekonstruiert. Dabei wird ein algebraischer Rekonstruktionsalgorithmus (Simultane Iterative Rekonstruktionstechnik) angewendet. Um die Unbestimmtheit der rekonstruierten Daten abzuschätzen, wurden verschiedene Algorithmen mit einer synthetisch erzeugten Datenreihe turbulenter Temperaturschwankungen getestet. Die geometrischen Randbedingungen sowie verschiedene Parameter des Rekonstruktionsalgorithmus (Anzahl an Iterationen, Glättung von Daten) beeinflussen die erzielten Ergebnisse. Die Auswertung der Resultate weist nach, dass die Unbestimmtheit, die durch den tomographischen Rekonstruktionsalgorithmus verursacht wird, kleiner als der Messfehler der Laufzeitmessungen ist

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

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

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

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

Acoustic tomography as a method to characterize measuring sites

The method of acoustic tomography, based on external sonic energy, is applied inside the atmospheric surface layer to observe near-surface temperature fields. Important advantages of this technique as compared to other measurement methods are their remote-sensing capacity and the possibility to directly derivate area-averaged meteorological quantities. The needed input data for the tomographically inverse algorithm are provided by the interaction of sound waves with the scanned atmospheric layer. The resulting horizontal slices lead to statements on the inhomogeneity of the underlying surface which may result in noticeable difficulties during the analysis of measuring campaigns with conventional methods.Die auf der Aussendung von Schallenergie basierende Methode der akustischen Tomographie wird in der atmosphärischen Bodenschicht angewendet, um bodennahe Temperaturfelder zu beobachten. Bedeutende Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zu anderen Meßmethoden sind die Fernerkundungskapazität und die Möglichkeit, flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt abzuleiten. Die für den tomographischen Invertierungsalgorithmus benötigten Eingangsdaten werden durch die Wechselwirkung von Schallwellen mit der durchstrahlten Luftschicht bereitgestellt. Die resultierenden horizontalen Schnittbilder führen zu Darstellungen der Inhomogenität der Oberfläche. Letztere können beachtliche Schwierigkeiten während der Analyse von Messkampagnen mit konventionellen Methoden hervorrufen

Acoustic tomography in the atmospheric surface layer

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

Acoustic tomography in the atmospheric surface layer

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