Lärmschutz an Straÿen mit horizontalen (periodischen) Strukturen Wolfram Bartolomaeus
Bundesanstalt für Straÿenwesen, 51427 Bergisch Gladbach, Deutschland, Email: bartolomaeus@bast.de
Einleitung
Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Lärmschutz an Straÿen mit horizontalen Strukturen; also eher achen Strukturen neben der Straÿe statt senkrechter Lärm- schutzwände.
Die Strukturen müssen nicht periodisch sein, sind es hier auch im Gegensatz zur Ankündigung nicht.
Untersuchungen HAMANN CONSULT
Die Fa. HAMANN CONSULT hat im Jahre 2003 Schall- technische Untersuchungen zur Wirksamkeit von Lärm- schirmen an zwei- und sechsstreigen Straÿenquerschnit- ten durchgeführt [1].
Abbildung 1 zeigt Immissionsmessungen, die 2003 von der Fa. HAMANN CONSULT durchgeführt wurden.
(a) Ausbreitungsgebiet ... (b) ... hinter einem Wall.
(c) Skizze des Messaufbaus.
Abbildung 1: Immissions-Messungen an einem Wall; durch- geführt von HAMANN CONSULT im Jahr 2003.
Die Messungen bei leichtem Mitwind ergaben:
- Im Nahbereich (bis ca. 70 m hinter dem Schirm) weist die Rechnung nach RLS90 [2] eine zu gerin- ge Dämpfung auf. Diese Abweichung liegt allerdings i. a. unter 1 dB.
- Die Verhältnisse hinter Lärmschutzwänden werden durch die RLS90 gut wiedergegeben, Abweichungen zu den Messwerten liegen im Bereich von wenigen Zehntel dB.
- Bei Wällen und Einschnitten können im Einzelfall Pegelmindereungen von bis zu 7 dB auftreten.
Es kann vermutet werden, dass der Bewuchs von Wällen und Einschnitten unter den achen Schalleinfallswinkeln stark absorbierend wirkt.
EUProjekt HOSANNA
Im EUProjekt HOSANNA [3] wurde neben vielen inter- essanten weichen Lärmschutzmaÿnahmen, z.B. durch Vegetation, auch die Einfügedämpfung von streifenför- migen und gitterförmigen periodischen Hindernissen ent- lang der Straÿe untersucht. Es ergaben sich fast 3 dB Minderung.
Abbildung 2 zeigt zwei periodische Anordnungen aus dem Projekt HOSANNA, die direkt neben der Straÿe aufgebaut waren.
(a) Streifenförmige und ...
(b) ... gitterförmige Strukturen.
Abbildung 2: Niedrige Hindernisse neben der Straÿe aus dem HOSANNA Projekt.
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Modikationen am Wall
Die Grundidee zur Modikation am Wall war
- ein streifenförmiges Hindernis wie bei HOSANNA, - eine Anordnung auf einem Wall und
- die Verwendung der Idee der Fresnel`schen Zonen- platte.
Der Wall neben der Straÿe hat meist davor und dahinter Grasstreifen und ist in Vorder und Rückseite eingeteilt (siehe Abbildung 3). Er ist von der Straÿe meist weit ent- fernt. Hier sind es 8 m. Zudem ist er schräg mit einem Gefälle von 1:1,5. Die Interferenz einer Quelle wirkt da- her im Modikationsbereich auf der Vorderseite des Walls über einen recht groÿen Bereich.
Abbildung 3: Der Modikationsbereich an einem Wall.
Die Einfügungsdämpfung wurde mit drei Mikrofonen ge- messen, die sich in 25 m Abstand zur Quelle befanden.
in Abbildung 4 wird eine Fresnel`sche Zonenplatte ge- zeigt.
(a) Vorderansicht und ... (b) ... Seitenansicht einer Fres- nel'schen Zonenplatte.
Abbildung 4: Ansicht und Konstruktion einer Fresnel'schen Zonenplatte.
Sie wird gebildet durch abwechselnd (licht)durchlässige und (licht)undurchlässige Ringe. Für unsere Zwecke den- ken wir uns die Ringe abwechselnd absorbierend und reektierend. Im Schnitt sieht man die Wirkungsweise dieser Zonenplatte. Nur die Bereiche mit gerader halben Wellenlänge lassen Wellen durch, die konstruktiv interfe- rieren. Die destruktiven Anteile werden geblockt.
Dieses Prinzip wird hier in Form von Streifen auf einem Wall realisiert (siehe Abbildungen 5).
Die Strahlen, die eine ungradzahlige halbe Wellenlänge länger sind als der direkte Strahl zur Wallkrone sollen reektiert werden. Die anderen Bereiche sollen hingegen
Abbildung 5: Konstruktion der Modikation an einem Wall.
absorbiert werden. Problematisch ist hier natürlich die Kombination aus einer Punktschallquelle mit einer Strei- fenstruktur.
Absorbermaterial
Als Absorbermaterial wurde eine 1 cm dicke Kas- setteneinlage für Decken verwendet. Die Messung im Kundt`schen Rohr ergab einen stetigen Anstieg des Ab- sorptionsgrades hin zu hohen Frequenzen (siehe Abbil- dung 6).
Abbildung 6: Absorptionsgrad gemessen im Kundt'schen Rohr.
Messaufbau
In Abbildung 7 sind die getesteten WallVariationen dar- gestellt.
Abbildung 7: Getestete WallVariationen.
Ich verwende im Folgenden die Abkürzungen: SMA für Splittmastixasphalt, re. für reektierend, OPA für Of- fenporiger Asphalt, abs. für absorbierend und Fres. für Fresnel-Modikation. Hier die untersuchten Fälle:
- alles reektierend,
- Wall absorbierend, Straÿe aber reektierend,
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- Wall mit FresnelModikation an reektierender Straÿe,
- reektierender Wall an absorbierender Straÿe, - alles absorbierend und
- Wall mit FresnelModikation an absorbierender Straÿe.
In Abbildung 8 ist der Messaufbau für drei Variationen dargestellt.
(a) re-OPA ... (b) ... abs-SMA ... (c) ... Fres-SMA.
Abbildung 8: Drei WallVariationen in der Halle für aku- stische Modelltechnik.
Die Modelle wurden im Maÿstab 1:10 aufgebaut. Unten ist die verwendete Schallquelle, ein CORONAR Plasma Hochtöner mit einem Frequenzumfang von 2 bis 120 kHz zu erkennen. Im Hintergrund am Stativ sind drei 1/4 Mikrofone angebracht.
Links ist der reektierende Wall vor OPA aufgebaut. In der Mitte ist der absorbierende Wall vor reektierender Fahrbahn installiert und rechts der FresnelAufbau vor reektierender Fahrbahn.
Ergebnisse
In Abbildung 9 sind oben links die gemessenen Pegel an den drei Mikrofonpositionen (blau unten M1, grün Mitte M2 und rot oben M3) als FFT mit einer Frequenzbreite von 125 Hz im Bereich von 2 KHz bis 80 kHz für den Fall alles reektierend aufgetragen.
Im Vergleich dazu sind die Pegel für den Fall alles absor- bierend unten links aufgetragen. Die Pegelschwankun- gen fallen hier deutlich geringer aus. Das sieht man auch bei den Terzspektren für die gleichen Fälle (rechts dar- gestellt).
Die FFT und CPBSpektren für die Fresnel Modikation vor SMA (oben) und vor OPA (unten) sind in Abbildung 10 dargestellt.
Zum Vergleich der Spektren können die Dierenzen ge- bildet und das normierte Verkehrslärmspektrum (Abbil- dung 11 (a)) addiert werden. Dadurch wir eine akustische Gewichtung der spektralen Anteile vorgenommen.
In Abbildung 11 (b) ist der Dierenzpegel zwischen alles reektierend und alles absorbierend dargestellt. Diese haben die gröÿten Schwankungen.
Der Einuss eines Belagswechsels von SMA zu OPA bei
(a) reSMA FFT ... (b) ... reSMA CPB ...
(c) ... absOPA FFT ... (d) ... absOPA CPB.
Abbildung 9: FFT und CPBSpektren für alles reektie- rend und alles absorbierend.
(a) FresSMA FFT ... (b) ... FresSMA CPB ...
(c) ... FresOPA FFT ... (d) ... FresOPA CPB.
Abbildung 10: FFT und CPBSpektren für Fresnel Modikationen.
reektierendem Wall (SMAOPA) und bei absorbieren- dem bzw. reektierendem Wall sind in Abbildung 11 (c) bzw (d) dargestellt.
Der Einuss einer FresnelModikation bei SMA bzw.
OPA ist in Abbildung 12 (a) bzw. (b) dargestellt.
Die Pegeldierenzschwankungen beim Vergleich des mo- dizierten Walls mit dem absorbierenden Wall sind deut- lich geringer. Sowohl für SMA als auch für OPA.
Durch Summation der Terzpegel ergeben sich unmittel- bar die Einfügedämpfungen der Tabelle 1.
Zu erkennen ist eine hohe Einfügungsdämfung für den Fall alles absorbierend gegenüber dem Fall alles reek- tierend. Für den Belagswechel von SMA zu OPA ergeben sich, je nach Mikrofonhöhe, schon deutlich niedrigere Pe- DAGA 2017 Kiel
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(a) Verkehrslärmspektrum ... (b) ... reabs ...
(c) ... SMAOPA (re) ... (d) ... SMAOPA (abs).
Abbildung 11: Verkehrslärmspektrum und Dierenzspek- tren.
(a) Fresabs (SMA) ... (b) ... Fresabs (OPA).
Abbildung 12: Dierenzspektren für die Fresnel Modikation gegenüber dem absorbierenden Wall für SMA und OPA.
geldierenzen. Die Modikation des Walls wirkt sich nur noch gering aus bis maximal 0,7 dB.
Zusammenfassung
Wälle besitzen gegenüber Lärmschutzwänden eine um bis zu 7 dB höhere akustische Wirksamkeit gegenüber der rein geometrischen Beugung.
Durch streifen- oder gitterförmige niedrige Hindernisse direkt an der Straÿen werden Pegelminderungen von fast 3 dB erreicht (siehe z.B. EUProjekt HOSANNA).
Das Prinzip der Fresnel`schen Zonenplatte am Wall funk- tioniert zwar, bring aber nur geringe Pegelminderungen
Tabelle 1: Pegelminderungen an den Mikrofonpositionen M1, M2 und M3.
Dierenz in dB M1 M2 M3
reSMA absOPA 5,3 5,4 4,7
reSMA reOPA 2,4 3,5 3,9
absSMA absOPA 1,0 1,5 3,8 absSMA FresSMA 0,4 0,5 0,2 absOPA FresOPA 0,5 0,7 0,2
von nicht einmal 1 dB.
Kritisch anzumerken ist, dass in den hier untersuchten Fällen:
- eine kohärente Punktschallquelle verwendet wurde, obwohl dies vor allem bei hohen Frequenzen nicht der Realität entspricht [4],
- das Absorbermaterial eher zufällig ausgesucht wurde und somit nicht die Impedanz von OPA bzw. Gras aufweist und
- die Meteorologie unberücksichtigt blieb.
In Zukunft sollen weitere Reexions-, Absorptions-, Streu- und Beugungskörper im Labor und an der Stra- ÿe untersucht werden. So sollen innovative Methoden der Schallfeldbeeinussung in ihrer Eignung als Lärmschutz- maÿnahmen bewertet werden.
Literatur
[1] Weinrich, F.; Schiert, H.: Schalltechnische Untersu- chungen zur Wirksamkeit von Lärmschirmen an zwei- und sechsstreigen Straÿenquerschnitten (unveröf- fentlicht), Forschungsprogramm Straÿenwesen FE 02.206, Dresden 2006.
[2] Richtlininen für den Lärmschutz an Straÿen,RLS90, FGSV 334, Februar 1992.
[3] Forssén, J. et all.: Toolbox from the EC FP7 HO- SANNA project for the reduction of road and rail trac noise in the outdoor environment, Transport Research Arena, Paris 2014.
[4] Bartolomaeus, W.: Vorbeifahrtpegel von Straÿenfahr- zeugen, DAGA, Berlin 2010.
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