Untersuchung der akustischen Alterung von Belägen nach SPB-Verfahren unter Berücksichtigung der vor Ort bestimmten Temperatur- und
Geschwindigkeitskoeffizienten Angelo Bernasconi, Nicola Notari, Dario Bozzolo
IFEC ingegneria SA, 6802 Rivera, Schweiz, E-Mail: angelo.bernasconi@ifec.ch
Abstract
Die Lärmemissionen von Fahrzeugen entlang der Autobahnen A2 und A13 in der Schweiz werden an vier fixen Standorten nach der “Statistical Pass-By“ (SPB) Methode (ISO 11819) vollautomatisch erfasst und ausgewertet. Zusammen mit dem Lärm werden Verkehrseigenschaften und meteorologische Grössen gemessen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden anhand der an den verschiedenen Standorten gemessenen Daten die Einflüsse der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lufttemperatur und des Alters des Belages auf die Lärmemissionen der Vorbeifahrten untersucht. Es wurde ein Modell erstellt, das den Zusammenhang zwischen dem mittleren Dauerschallpegel der Vorbeifahrten und den betrachteten Parametern beschreibt. Für jeden Messstandort und jede Fahrzeugkategorie wurde das Modell an den gemessenen Daten der Vorbeifahrten gefittet und damit die zugehörigen Koeffizienten (für Temperatur, Geschwindigkeit und Alterung) bestimmt.
Die angewandte mathematische Methode hat eine gleichzeitige Bestimmung der verschiedenen Einflüsse auf die Lärmemissionen erlaubt. Aufgrund der riesigen Menge gesammelter Lärmdaten (275'011 Vorbeifahrten wurden untersucht) konnten statistisch relevante Aussagen für die Fahrzeugkategorien Personenwagen, Lieferwagen sowie Lasten- und Sattelzüge gemacht werden. Die Ergebnisse haben insbesondere gezeigt, dass die erhaltenen Temperaturkoeffizienten im absoluten Wert tendenziell grösser als die üblicherweise in der Schweiz benutzten Korrekturfaktoren sind.
Zudem erlaubte die entwickelte Methode, die Lärmemissionen von Winter- und Sommerreifen zu vergleichen.
Einleitung
Die schweizerische Verkehrspolitik hat zum Ziel, den Schwerverkehr von der Strasse auf die Schiene zu verlagern.
Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) hat ein Programm zur Beobachtung der Konsequenzen der Verkehrsentwicklung auf verschiedene Aspekte der Umwelt und auf die Gesundheit der betroffenen Bevölkerung in die Wege geleitet. Dieses Programm “Monitoring Flankierende Massnahmen – Umwelt (MFM-U)“ soll vor allem die langfristige Entwicklung der Umweltbelastung (Luftschadstoff- und Lärmbelastung) entlang der Haupttransitrouten des alpenquerenden Güterverkehrs auf der Strasse erfassen. Im Rahmen des Programms werden
Lärmdaten an fünf Standorten entlang der Transitachsen erhoben. In dieser Studie wurden insgesamt vier Standorte entlang der Autobahnen A2 (Camignolo, Moleno, Reiden) und A13 (Rothenbrunnen) untersucht. Die Eigenschaften der an diesen Messorten eingebauten Beläge sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Eigenschaften der an den verschiedenen Messstandorten eingebauten Beläge. Der Hohlraumgehalt ist für beide Richtungen (Nord-Süd (NS) und Süd-Nord (SN)) separat angegeben.
Standort Belagstyp Einbaujahr Hohlraum- gehalt [%]
(NS / SN)
Camignolo ACMR 8 2013 7.5 / 7.5
Moleno ACMR 8 2011 7.8 / 10.2
Reiden SMA 11 1999 -
Rothenbrunnen ACMR 8 2013 9.3 / 9.3 Die vier Standorte sind mit einer Verkehrszählstelle vom Typ M660 (Taxomex) ausgestattet. Jede Zählstelle besitzt Induktionsschleifen, die unter der Fahrbahn angeordnet sind (s. Abbildung 1) und die Messung der Geschwindigkeit, der Fahrzeuglänge und der Fahrzeugklasse (gemäss SWISS10 [4]) jeder Vorbeifahrt ermöglichen.
Der Lärm wird mittels einer SALTO-Messstelle aufgenommen, welche aus zwei Mikrofonen und einem
“Symphonie 01dB“ Aufnahme- und Auswertungsgerät besteht. Die Mikrofone sind seitlich der beiden Normalspuren in einem Abstand von 6.5 m von der Mitte der Fahrspur und auf einer Höhe von 3.2 m angeordnet. Alle 9 Tage wird eine hochaufgelöste Messung mit einer Dauer von 24 Stunden aktiviert: !"#$, ! "# und die Terzspektren von
!"# zwischen 20 Hz und 20 kHz werden alle 100 ms
automatisch ausgewertet.
Abbildung 1: Aufnahme des in Moleno neben der Nord- Süd Spur installierten Mikrofons (links) und schematische Darstellung der Messstelle (rechts).
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Eine meteorologische Messstation neben der Verkehrszählstelle ermittelt die Werte der Luft- und, Belagstemperatur sowie weiterer Grössen wie die Niederschlagsintensität und die relative Feuchtigkeit.
Alle Messwerte werden seit dem Jahr 2014 automatisch heruntergeladen und analysiert. Die Messwerte der einzelnen Vorbeifahrten werden ausgeschnitten, bearbeitet und in einer Datenbank gespeichert. Am 01.04.2016 waren 714'896 Vorbeifahrten im Informationssystem gespeichert.
Die Daten der Vorbeifahrten werden nach verschiedenen Qualitätskriterien (Meteorologie, Verkehr und Qualität des Lärmsignals) überprüft. Nur jene Vorbeifahrten, welche die Auswahlkriterien erfüllen, werden für weitere Untersuchungen benutzt.
Inhalt und Methodologie
Die Lärmemissionen einer Fahrzeugvorbeifahrt hängen von vielen physikalischen Prozessen ab. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden die folgenden 3 Faktoren untersucht:
• Vorbeifahrtsgeschwindigkeit: mit der Zunahme der Geschwindigkeit erhöht sich insbesondere das Rollgeräusch.
• Lufttemperatur: bei höheren Temperaturen werden die Reifen weicher und der durch die Reifenvibrationen erzeugte Lärm nimmt ab.
• Alter des Belages: meteorologische Einflüsse und Verkehr verursachen eine Abnutzung des Belages, was eine Änderung der akustischen Eigenschaften zur Folge hat.
Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Lärmemissionen zu bestimmen, wurde ein Modell erstellt, welches die Abhängigkeit zwischen dem mittleren Dauerschallpegel der Vorbeifahrten !"#$,&'&( (verteilt auf eine Stunde und normalisiert auf 1 m Abstand) und der Lufttemperatur !" (in
°C), der Geschwindigkeit des Fahrzeuges ! (in km/h) und dem Alter des Belages !" (in Jahren) beschreibt
!"#$,&'&(= * *+,+*+.∙ log 3 3,
+"#$∙ &'("&) + #*∙ +,;
[dB(A)] (1)
wobei !" eine Referenzgeschwindigkeit und !" eine Referenztemperatur sind. ! !" , !" , !" und !" sind die zu bestimmenden Parameter des Modells.
Das Modell (1) wurde an den gemessenen Daten der Vorbeifahrten während der Sommerperioden (April bis Oktober 2012, 2014 und 2015) gefittet, und damit die zugehörigen Koeffizienten bestimmt. Die Analyse wurde für verschiedene Fahrzeugkategorien an den 4 Messstandorten durchgeführt.
Dieselbe Analyse wurde für Vorbeifahrten während der Winterperioden (Januar bis März 2014, 2015 und 2016) durchgeführt. Das Ziel dabei war es, die Lärmemissionen von Winterreifen zu charakterisieren und mit denjenigen der Sommerreifen zu vergleichen.
Einflüsse auf die Lärmemissionen
Nachfolgend werden die Hauptergebnisse der Untersuchung der Einflüsse der Geschwindigkeit, Lufttemperatur und Alter des Belages auf die Lärmemissionen von Vorbeifahrten während Sommerperioden zusammengefasst. Für diese Analyse wurden insgesamt die Messdaten von 144'033 Vorbeifahrten ausgewertet.
Geschwindigkeitsabhängigkeit
Die ! log(%) Abhängigkeit des Mittelungspegels !"#$,&'&(
wird sehr gut durch die gemessenen Lärmwerte bestätigt (s.
Abbildung 2).
Abbildung 2: Darstellung des gemessenen Mittelungspegels als Funktion der Geschwindigkeit für PW-Vorbeifahrten in Moleno Nord-Süd Richtung während der Sommerperioden: die Daten wurden in Geschwindigkeitsintervallen unterteilt und für jedes Intervall wurden der Medianwert und das 10. und 90.
Perzentil berechnet. Die rote Kurve entspricht dem gefitteten Modell (1), evaluiert am 1.5.2014 (Belagsalter = 3 Jahre) und bei einer Lufttemperatur von 20°C.
Die erhaltenen Geschwindigkeitskoeffizienten !" für Vorbeifahrten von Personenwagen sowie Lasten- und Sattelzügen sind in der Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2: Zusammenfassung der erhaltenen Geschwindigkeitskoeffizienten für Vorbeifahrten von Personenwagen sowie Lasten- und Sattelzügen während der Sommerperioden. Nur die Kategorien, für welche mehr als 1’000 Vorbeifahrten zur Verfügung standen, sind aufgelistet. Der angegebene Fehler entspricht der Standardabweichung der gefitteten Parameter.
!"#[%&(()] Personenwagen Lasten- und
Sattelzüge
Camignolo NS 17.8 ± 0.3 -
Camignolo SN 17.9 ± 0.3 -
Moleno NS 18.4 ± 0.2 18.6 ± 2.0
Moleno SN 19.4 ± 0.3 12.6 ± 2.6
Reiden NS 20.6 ± 0.4 20.5 ± 2.9
Reiden SN 18.5 ± 0.3 19.4 ± 1.5
Rothenbr. NS 19.9 ± 0.6 -
Rothenbr. SN 20.2 ± 0.5 -
Die erhaltenen Werte sind tiefer als die im Schweizerischen
Berechnungsmodell SonRoad benutzten
Geschwindigkeitskoeffizienten für das Rollgeräusch (35 dB(A) für !"#$%& , umgerechnet auf den Mittelungspegel
!"#$,&'&( 25 dB(A)) [1].
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Temperaturabhängigkeit
An allen Standorten beobachtet man für alle analysierten Fahrzeugkategorien eine Abnahme der Lärmemissionen der Vorbeifahrten mit der Zunahme der Lufttemperatur.
Abbildung 3: Darstellung des gemessenen Mittelungspegels als Funktion der Lufttemperatur für PW- Vorbeifahrten in Rothenbrunnen Süd-Nord Richtung während der Sommerperioden: die Daten wurden in Temperaturintervallen unterteilt und für jedes Intervall wurden der Medianwert und das 10. und 90. Perzentil berechnet. Die rote Kurve entspricht dem gefitteten Modell (1), evaluiert am 1.5.2015 (Belagsalter = 2 Jahr) und bei einer Vorbeifahrtgeschwindigkeit von 100 km/h.
Die Stärke dieser Reduktion (Koeffizient !" ) hängt vom Messort und in Moleno und Reiden auch von der Richtung ab. In der Tabelle 3 sind die erhaltenen Temperaturkoeffizienten für Personenwagen sowie Lasten- und Sattelzüge angegeben.
Tabelle 3: Zusammenfassung der erhaltenen Temperaturkoeffizienten (bezogen auf Lufttemperatur) für Vorbeifahrten von Personenwagen sowie Lasten- und Sattelzügen während der Sommerperioden. Nur die Kategorien, für welche mehr als 1’000 Vorbeifahrten zur Verfügung standen, sind aufgelistet. Der angegebene Fehler entspricht der Standardabweichung der gefitteten Parameter.
!"#[%&(()/°,] Personenwagen Lasten- und
Sattelzüge
Camignolo NS -0.082 ± 0.003 -
Camignolo SN -0.085 ± 0.003 -
Moleno NS -0.018 ± 0.002 -0.022 ± 0.006 Moleno SN -0.052 ± 0.003 -0.055 ± 0.008 Reiden NS -0.053 ± 0.004 -0.036 ± 0.011 Reiden SN -0.025 ± 0.004 -0.047 ± 0.006
Rothenbr. NS -0.102 ± 0.004 -
Rothenbr. SN -0.101 ± 0.003 -
Die Daten der Standorte Camignolo und Rothenbrunnen wurden vereint, um einen mittleren Wert der Temperaturkoeffizienten für die zuletzt eingebauten ACMR 8 Beläge (2013) zu erhalten:
Tabelle 4: Mittlere Werte der erhaltenen Temperaturkoeffizienten für die zuletzt eingebauten ACMR8 Beläge (Camignolo und Rothenbrunnen) bezogen auf Lufttemperatur (!" ) und Belagstemperatur (!"' ).
["#(%)/°)] !" Luft !"' Belag Leichte Fahrzeuge (N1) -0.095 -0.083 Schwere Fahrzeuge (N2) -0.060 -0.052
Die Analyse hat Temperaturkoeffizienten ergeben, welche im absoluten Wert grösser als die üblicherweise in der Schweiz benutzten Korrekturfaktoren sind [2].
Belagsalterung
Während bei der Analyse der Geschwindigkeit- und Temperaturkoeffizienten die Temperatur- und Geschwindigkeitsabhängigkeit direkt aus den Messdaten erkennbar war, ist die akustische Alterung des Belages schwierig aus den Messwerten abzulesen (s. Abbildung 4).
Man erkennt nämlich relativ grosse monatliche Schwankungen der gemessenen Lärmwerte, die wahrscheinlich auf Änderungen der Wetterbedingungen oder der Verkehrszusammensetzung zurückzuführen sind.
Abbildung 4: Darstellung des gemessenen Mittelungspegels als Funktion des Alters des Belages für PW-Vorbeifahrten in Camignolo Nord-Süd Richtung während der Sommerperioden: die Daten wurden in Intervalle von einem Monat unterteilt und für jedes Intervall wurden der Medianwert und das 10. und 90.
Perzentil berechnet. Die rote Kurve entspricht dem gefitteten Modell (1), evaluiert bei einer Lufttemperatur von 20°C und einer Vorbeifahrtgeschwindigkeit von 120 km/h.
Die akustische Alterung pro Million Vorbeifahrten wurde für die verschiedenen Standorte auf der Basis der erhaltenen Alterungskoeffizienten !" unter Berücksichtigung der Verkehrszahlen für Personenwagen berechnet und verglichen. Die resultierenden Werte sind in Abbildung 5 dargestellt. Für den Standort Rothenbrunnen konnte keine statistisch relevante Aussage gemacht werden, da die Datenverfügbarkeit auf ein Jahr beschränkt war.
Abbildung 5: Darstellung der für Personenwagen erhaltenen Werte der mittleren Alterung pro Million Vorbeifahrten (aller Fahrzeugkategorien) an den verschiedenen Messorten.
Der in Camignolo eingebaute ACMR 8 Belag ist durch eine stärkere akustische Alterung pro Vorbeifahrt charakterisiert als derjenige von Moleno. Der SMA 11 Belag von Reiden
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(eingebaut im Jahr 1999) hat vermutlich einen Abnutzungszustand erreicht, in dem die Einflüsse des Verkehrs auf die akustischen Eigenschaften des Belages sehr schwach sind.
Winter- vs. Sommerreifen
Die oben beschriebene Methode wurde ebenfalls auf die Vorbeifahrten der Winterperioden (Januar bis März, insgesamt 130'978 Vorbeifahrten) angewandt, mit dem Ziel, die Lärmemissionen von Winterreifen zu charakterisieren und mit denjenigen der Sommerreifen zu vergleichen. Im Folgenden sind die wichtigsten Ergebnisse kurz beschrieben.
Es wurden die gefitteten Modellwerte des Dauerschallpegels
!"#$,&'&( von Winter- und Sommerperioden bei gleicher
Lufttemperatur (10°C), Vorbeifahrtsgeschwindigkeit (120 km/h für leichte Fahrzeuge, 85 km/h für schwere Fahrzeuge) und Alter des Belages (am 01/04/2015) miteinander verglichen. Dabei zeigte die Analyse, dass der Dauerschallpegel der Vorbeifahrten von leichten Fahrzeugen während der Winterperioden tendenziell höher als während der Sommerperioden ist. Die Differenz beträgt maximal 0.4 dB(A) (in Camignolo).
Es wurde auch das Emissionsspektrum, gemessen beim maximalen Vorbeifahrtspegel, untersucht. Die
‘Multiparameter fitting’ Methode wurde auf jede Terzbandfrequenz angewandt, um die Emissionsspektren während Winter- und Sommerperioden bei gleicher Temperatur, Vorbeifahrtsgeschwindigkeit und Alter des Belages zu vergleichen. Die Ergebnisse für Personenwagen für den Standort Camignolo Richtung Süd-Nord sind in der Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 6: Erhaltene Emissionsspektren von Personenwagen bei gleicher Lufttemperatur, Vorbeifahrtsgeschwindigkeit und Alter des Belages für den Standort Camignolo Richtung Süd-Nord während der Winter- (Grün) und Sommerperioden (Blau). Die angegebenen Fehlerbalken wurden auf der Basis der Standardabweichung der gefitteten Koeffizienten berechnet.
Die Vorbeifahrten von leichten Fahrzeugen während der Winterperioden sind an allen Standorten durch höhere Lärmemissionen zwischen 800 und 1’250 Hz und niedrigere Lärmemissionen zwischen 1’600 und 4’000 Hz charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen ausserdem einen systematischen Anstieg der Lärmemissionen während Winterperioden bei den niedrigsten Frequenzen (≤ 63 Hz).
Die während der Winterperioden erhaltenen Temperaturkoeffizienten !" sind im absoluten Wert tendenziell kleiner als diejenigen der Sommerperioden.
Die Repräsentativität und Interpretation der Resultate hängt vom Anteil der Fahrzeuge ab, welche während der Winterperioden mit Winterreifen ausgestattet sind. Dieser Anteil wurde auf 70% abgeschätzt.
Schlussfolgerung
Die riesige Anzahl gesammelter Lärmdaten erlaubte es, mittels einer ‘Multiparameter fitting’ Methode, die Einflüsse der Geschwindigkeit, der Temperatur und des Belagsalters auf die Lärmemissionen der Vorbeifahrten verschiedener Fahrzeugkategorien zu quantifizieren. Mithilfe der entwickelten Methoden konnten zudem die Lärmemissionen von Winter- und Sommerreifen bei gleicher Vorbeifahrtgeschwindigkeit, Lufttemperatur und Alter des Belages verglichen werden.
Beide Untersuchungen haben interessante Ergebnisse geliefert, welche in den nächsten Jahren aktualisiert und verfeinert werden können.
Das Potential für weitere zukünftige Analysen der erhobenen Lärmdaten ist sehr gross. Beispiele dazu sind die Untersuchung der spektralen Abhängigkeit der Geschwindigkeit-, Temperatur- und Alterungskoeffizienten oder die Analyse der Richtungsabhängigkeit der Lärmemissionen.
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde im Auftrag vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) durchgeführt. Wir möchten insbesondere dem MfM-U Projekt für die Bereitstellung der Messdaten danken. Wir möchten uns beim BAFU für die Unterstützung der Teilnahme an der DAGA Tagung 2017 bedanken.
Literatur
[1] Heutschi K.: SonRoad – Berechnungsmodell für Strassenlärm. Schriftenreihe Umwelt Nr. 366, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Bern, 2004
[2] ASTRA und BAFU. Technisches Merkblatt für
akustische Belagsgütemessungen an Strassen, Leitfaden Strassenlärm - Anhang 1c, 2013
[3] Sandberg U., Ejsmont J. Tyre/road noise reference book. Informex, Kisa, Sweden, 2002
[4] ASTRA, Richtlinie Verkehrszähler, 2009 DAGA 2017 Kiel
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