Einführung

Das Teilprojekt Schallquellenlokalisierung im Forschungsverbund Leiser Verkehr bündelt die Bestrebungen mehrerer Projektgruppen, die Techniken zur Ortung von Schallquellen an Schienen- und Straßenfahrzeugen sowie Flugzeugen zu verbessern. Jedes einzelne Arbeits­paket innerhalb dieses Rahmens verfolgt dabei individuelle Entwicklungsziele und wird inhaltlich, zeitlich und organisatorisch unabhängig durchgeführt. Allen Arbeitspaketen ist hingegen gemeinsam, dass die darin entwickelten Messtechniken unmittelbar innerhalb des Forschungsverbunds Leiser Verkehr zum Einsatz kommen werden, so dass der erfolgreiche Abschluss der Arbeiten in anderen Teilprojekten die Realisierung der in diesem Teilprojekt vorgeschlagenen Arbeitspakete voraussetzt.

Das Projekt ist abgeschlossen, den Abschlussbericht finden Sie hier.

Kurzbeschreibung  

Für die zielgerichtete Geräuschminderung an Straßen-, Schienen- oder Luftfahrzeugen ist die detaillierte Kenntnis der jeweils dominierenden Schallquellen nach Lage, Quellstärke und Frequenzzusammensetzung erforderlich. Aufschluss darüber erhält man nur durch Messungen in für das jeweilige Fahrzeug typischen Betriebsarten, beispielsweise Konstant- oder Beschleunigungsfahrt von Straßenfahrzeugen, Fahrten mit konstanter betrieblicher Geschwin­digkeit von spurgebundenen Fahrzeugen sowie Start oder Landung von Verkehrsflugzeugen.

Die messtechnische Trennung und Analyse von Teilschallquellen, z. B. Antriebs-, Roll- und aerodynamisches Geräusch von Straßen- und Schienenfahrzeugen, Triebwerks- und Umströmungsgeräusch von Verkehrsflugzeugen, ist durch den Einsatz von Mikrofon-Arrays (auch bekannt als akustische Kamera und akustische Antenne) möglich. Hierbei wird das Geräusch des sich bewegenden Fahr- oder Flugzeugs mit einer großen Zahl von in zwei Dimensionen verteilten Mikrofonen aufgezeichnet und mit einem rechnergestützten Verfahren ausgewertet. Bei der Verarbeitung der Mikrofonsignale wird jeweils auf einen Punkt am Fahrzeug fokussiert und der Fokus mit dem Fahrzeug mitbewegt. Als Ergebnis erhält man Frequenzspektren für die Schallemission aus den Bereichen jedes betrachteten Fokuspunkts. Durch Zusammensetzung der Ergebnisse für viele Fokuspunkte lassen sich schmal- und breitbandige zweidimensionale "Schallbilder" erzeugen, in denen alle relevanten Einzelschall­quellen eines Fahr- bzw. Flugzeugs erkennbar sind.

Detailuntersuchungen an einzelnen Schallquellen mit dem Ziel der Geräuschminderung können dann in Prüfständen oder Windkanälen durchgeführt werden. Auch in diesem Fall kann die Array-Technik eingesetzt werden. Der Vorteil des Einsatzes von Mikrofon-Arrays bei Prüfständen ist, dass sich die Schallquellen am untersuchten Objekt von anderen Schall­quellen in der Versuchshalle oder von Wandreflektionen trennen lassen.

Durch die Anwendung der Array-Technik lassen sich Untersuchungen zur Schallemission der Straßen-, Schienen- und Luftfahrzeugen sehr zielgerichtet durchführen und anhand der gewonnenen Ergebnisse können die Minderungspotentiale für die Schallemission der verschiedenen Fahrzeuge ausgeschöpft werden, so dass im Anschluss an diese unmittelbare akustische Optimierung der Verkehrsträger gegebenenfalls sogar auf sekundäre Maßnahmen zum Schallschutz der Bevölkerung verzichtet werden kann. Die Anwendung der Array-Technik unterstützt daher die Zielsetzung des Projekt-Netzwerks Leiser Verkehr, da aufgrund der weiter erwarteten Zunahme des Verkehrs Verbesserungen auf dem Gebiet der Schall­emission von Fahrzeugen und Flugzeugen dringend erforderlich sind. Folgende Ziele werden mittels der Schallquellenortung verfolgt:

• Experimentelle Ermittlung der akustischen Quellenverteilung an Straßen- und Schienen­fahrzeugen sowie an Flugzeugen und Bestimmung der Emissionsdaten von Einzelschall­quellen (z. B. Räder, Schienen, Lüfter, Stromabnehmer, Motoren, Getriebe, Abgasanlagen, Triebwerke, Fahrwerke, Landeklappen, Rotoren etc.). Die Messungen werden jeweils in der originären Betriebssituation der Untersuchungsobjekte gemacht, d. h. ohne die bei Modellversuchen unvermeidbaren Vereinfachungen und Abstrahierungen. Die so ermittelten Quellenverteilungen geben die für eine gezielte Geräuschminderung unerläss­liche Information darüber, welche Quellen die Emission dominieren und wo Maßnahmen zur effektiven und ökonomischen Reduzierung des Gesamtgeräuschs ansetzen müssen.

• Beschreibung der Einzelquellen nach Intensität, Frequenzgehalt und Richtcharakteristik. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden akustischen Entstehungs­mechanismen ziehen, die wesentlich für eine erfolgreiche Geräuschminderung sind. Diese Informationen finden weiterhin Eingang in Rechenmodelle für die Gesamt­geräuschemission von Fahrzeugen und im Anschluss daran auch in Verfahren zur Immis­sionsprognose.

• Validierung theoretischer oder numerischer Modelle für Einzelschallquellen. Als aktu­elles Beispiel sei hier das im Verbundprojekt Leise Züge und Trassen zu bearbeitende "Simulationstool Rollgeräusch" genannt.

Die Erfahrungen bei Array-Messungen an Eisenbahnfahrzeugen und bei Überflügen haben aber auch Probleme der Messtechnik offenbart, die mit weiteren Entwicklungen im Rahmen dieses Projektes behoben oder zumindest verringert werden sollen:

• Die quantitative Bewertung der Array-Ergebnisse erfordert Detailkenntnis über den Einfluss der Geometrie der Mikrofonanordnung auf das frequenzabhängige Ergebnis.

• Die Höhe der Nebenkeulen in der Richtcharakteristik eines Mikrofon-Arrays schränkt die Dynamik erheblich ein.

• Das Ortungsvermögen wird bei hohen Frequenzen durch Aliasing-Effekte beeinträchtigt, wenn die Mikrofonabstände im Array zu groß sind.

• Zur Aufrechterhaltung des Ortungsvermögens bei tiefen Frequenzen benötigt das Array erhebliche Außenabmessungen.

Der Schwerpunkt Schallquellenlokalisierung umfasst die folgenden drei Aufgabenpakete:

• Entwicklung eines zweidimensionalen Mikrofon-Arrays zur Lokalisierung der seitlichen Schallquellen von Straßen- und Schienenfahrzeugen

• Verbesserung der Auswerte-Algorithmen für zweidimensionale Mikrofon-Arrays

• Entwicklung eines hochauflösenden Verfahrens zur Untersuchung der Geräusch­quellen von Fans, Lüftern und Rotoren.  

Partner

Ingenieurbüro akustik-data, Berlin 

EADS Deutschland GmbH, Forschung und Technologie, Ottobrunn

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Schwerpunkt Akustische Simulationsverfahren

Leitung:  Prof. Dr. Peter Költzsch
             Institut für Akustik und Sprachkommunikation
             TU-Dresden
             Mommsenstraße 13
             01062 Dresden

Das Projekt ist abgeschlossen, den Abschlussbericht finden Sie hier.

Kurzbeschreibung

Der durch Strömungen und Strukturen verursachte Lärm stellt eine erhebliche Belastung der Bevölkerung und der Reisenden beim Hochgeschwindigkeitsverkehr (Schiene, Straße, Luft) dar. Während die Strategie bisheriger Lärmminderungsverfahren weitestgehend auf eine nachträgliche Lärmsanierung am konkreten technischen Gegenstand ausgerichtet war, ist das Ziel zukünftiger Vorgehensweisen beim Lärmschutz, durch die akustische Auslegung des Verkehrsmittels ein bereits leises Verkehrsmittel entstehen zu lassen. Dies bedeutet, dass die Lärmproblematik vollständig in den Entwurf und in die Konstruktion des Verkehrsmittels integriert wird. Das Verkehrsmittel muss bereits „auf dem Reißbrett“, d. h. im Computer, anhand der Kette von der Schallanregung, über die Schallübertragung, Schallabstrahlung, Schallausbreitung und Schallbewertung, im Detail und im Ganzen, akustisch behandelt werden.

Diese Strategie der Lärmminderung, die sich gegenwärtig noch im frühen Anfangsstadium befindet, erfordert akustische Modellierungs- und Simulationsverfahren, die die akustische Optimierung des virtuellen, noch nicht gegenständlich vorhandenen Verkehrsmittels ermöglichen.
Für die Realisierung dieser prinzipiell neuartigen Vorgehensweise der Lärmbekämpfung sind im beantragten Vorhaben (vier Arbeitspakete) einerseits für den Strömungsschall von typischen Fahrzeugstrukturen (mit Strömungsabrissgebieten) aeroakustische Berechnungs- und Bewertungsverfahren zu entwickeln und mit Hilfe experimenteller Untersuchungen am aero-akustischen Windkanal zu validieren. Andererseits soll im Bereich des Körperschalls von Fahrzeugstrukturen ein Berechnungswerkzeug für den mittel- und hochfrequenten Körperschall auf der Grundlage von modernen Energieflussmethoden entwickelt werden.

Das Gesamtziel des Vorhabens besteht also in der Schaffung und Bereitstellung von Berechnungswerkzeugen für den akustisch optimalen Entwurf ausgewählter, typischer Fahrzeugstrukturen. 

Die resultierenden Berechnungsverfahren sollen an typischen, praxisnahen Fahrzeugstrukturen erprobt werden. Ihre Eingliederung in die bestehende Modellierungs- und Berechnungspraxis bei Fahrzeugherstellern wird angestrebt.

Der Schwerpunkt Akustische Simulationsverfahren umfasst die folgenden vier Aufgabenpakete:

Strömungsgeräusch – Wanddruckschwankungen (TUD)
Berechnungsverfahren für die abgestrahlte Schallenergie von abgelösten Strömungen an typischen Fahrzeugstrukturen, realisiert auf der Basis von unterschiedlichen Strömungssimulationen (einschließlich Wanddruckschwankungen) und mit Hilfe einer akustischen Analogie, Validierung des Verfahrens durch Vergleichsmessungen am aeroakustischen Windkanal, Aussagen zur Lärmminderung

Strömungsgeräusch – BEM (EADS)
Aeroakustische Berechnungsverfahren für Strömungen mit Abrissgebieten an typischen Fahrzeugstrukturen, Ankopplung eines BEM-Verfahrens an die Ergebnisse der Strömungsberechnungen, Berücksichtigung von Reflexionen und des Quadrupol-Schallanteils, Aussagen zur Lärmminderung  

Strömungsgeräusch – aeroakustische Bewertung (DLR-EA)
Aeroakustisches Bewertungsverfahren für Umströmungslärm an komplexen Geometrien (Strukturen) am Rechner, realisiert auf der Basis nichtlinearer Störungsgleichungen mit Im­plementierung in ein CAA-Verfahren, Bewertung komplexer überströmter Strukturen durch Vergleich der berechneten Schallabstrahlung als Reaktion auf eine praxisnahe Wirbelstärkeanregung, Aufdecken der aeroakustischen Quellmechanismen, Aussagen zur Lärmminderung 

Körperschall – Energieflussmethode (TUD)
Bereitstellung eines Berechnungsverfahrens für die Ausbreitung von mittel- und hochfrequentem Körperschall auf der Basis von Energieflussmethoden, das sich in die bestehende Modellierungs- und Berechnungspraxis einpassen lässt und damit zur Unterstützung der lärmarmen Konstruktion von Verkehrsmitteln beiträgt

Partner

Technische Universität Dresden, Institut für Akustik und Sprachkommunikation , Dresden

EADS Deutschland GmbH, Corporate Research Center Germany, Acoustics and Dynamics, München  

DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig