Key words
(German)
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Straßenlärm, Lärmarme Beläge, Akustik, Labormessungen, Schallabsorption, Messverfahren
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Key words
(English)
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Road noise, low noise pavements, acoustics, laboratory measurements, sound absorption, measuring method
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Short description
(German)
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Die akustischen Eigenschaften von Fahrbahnbelägen werden im wesentlichen durch Fahrbahnrauigkeit (Oberflächentextur), Offenporigkeit und Nachgiebigkeit bestimmt. Die Fahrbahnrauigkeit ist dabei für die durch Reifenschwingungen verursachten Geräuschemissionen verantwortlich. Durch die Offenporigkeit von Fahrbahnoberflächen werden sowohl aerodynamische Schallentstehungsmechanismen (Air Pumping) vermindert als auch die Schallabstrahlung und -ausbreitung durch Schallabsorption verringert. Fahrbahnkonstruktionen mit nachgiebigen Eigenschaften zeigen geringere Schallemissionen als steifere Konstruktionen. Durch den Nachweis dieser Eigenschaften sind die akustischen Eigenschaften von lärmarmen Belägen gezielt bestimmbar bzw. optimierbar. Die charakteristischen akustischen Parameter der Fahrbahnrauigkeit (Texturspektrum, Gestaltfaktor) lassen sich mit Hilfe von Lasertexturmessungen bestimmen. Die Offenporigkeit wird durch die Parameter Strömungswiderstand und Schallabsorptionsgrad charakterisiert, wobei der Schallabsorptionsgrad stark vom Hohlraumgehalt der Schicht abhängt, während der Strömungswiderstand darüber hinaus auch von den entlüftenden Eigenschaften der Oberflächentextur beeinflusst wird. Für die beschriebenen Parameter existieren bereits Messmethoden, die von Müller-BBM gezielt für die Anwendung auf Fahrbahnoberfächen weiterentwickelt worden sind. Für die mechanische Impedanz ist ein im Rahmen des Projekts ein geeignetes Verfahren zu entwickeln. Die Messmethoden sind (weiter)zuentwickeln, an Probekörpern anzuwenden und zu validieren. Darüber hinaus ist in Zusammenarbeit mit EP 2 die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung dieser Parameter, also die Analyse der akustischen Dauerhaftigkeit lärmarmer Beläge, vorgesehen. Weiterhin werden mit Hilfe des Modells SPERoN Vorbeifahrtpegel aus den ermittelten akustischen Parametern prognostiziert.
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Short description
(English)
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The acoustical properties of road pavements are mainly determined by surface texture, porosity and flexibility. The surface texture is accountable for the sound emissions caused by tyre vibrations. The porosity can both reduce aerodynamical mechanisms of sound emission (air pumping) and reduce the sound transmission by absorption. Road constructions with flexible properties show lower sound emissions than more rigid ones. By proofing the properties named above with the help of certain parameters the acoustical properties can be determined and optimised. The characteristic acoustical parameters of the surface texture (spectral analysis, shape factor) can be determined by laser texture measurement. The porosity depends on the parameters flow resistivity and sound absorption coefficient. The sound absorption coefficient strongly depends on the porosity of the pavement, while the flow resistivity is additionally influenced by ventilation properties of the surface texture. For the described parameters measuring methods, which were developed in regardance of the special requirements of road pavements, already exist. As far as the mechanical impedance is concerned a method has to be developed. The described methods should be enhanced, applied to laboratory slabs and validated on pilot sections. In cooperation with the other sub-project EP 2, which refers to the determination of the durability of low noise pavements, changes of the acoustical parameters under controlled conditions over the years shall be analysed. Using the model SPERoN pass-by noise levels, which are commonly used to characterise road pavements, can be predicted from the acoustical parameters.
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Project description
(German)
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Die akustische Wirksamkeit geräuschmindernder Fahrbahnbeläge ist je nach Belagstyp von diversen schalltechnischen Parametern abhängig, die wiederum von der Bautechnik beeinflusst werden. Die schalltechnischen Parameter von Fahrbahnbelägen werden im wesentlichen durch Fahrbahnrauigkeit (Oberflächentextur), Offenporigkeit und Nachgiebigkeit bestimmt.
Hinsichtlich der Fahrbahnrauigkeit ist die Oberflächentextur im allgemeinen und im einzelnen die folgenden bautechnischen bzw. geometrischen Parameter der Textur als schalltechnisch relevant zu betrachten: Rauigkeitstiefen und –wellenlängen sowie Gestalt der Textur. Eine weitere akustische Kenngröße der Textur ist der texturinduzierte Strömungswiderstand (Entlüftungswirkung).
Die Offenporigkeit wird durch das akustische Parameterpaar Strömungswiderstand und Schallabsorptionsgrad charakterisiert. Die bestimmenden bautechnischen Eigenschaften dieser akustischen Parameter sind Hohlraumgehalt, Schichtdicke und Struktur der Hohlräume.
Die Nachgiebigkeit kann mit den bautechnischen bzw. mechanischen Parametern Steifigkeit und Verlustfaktor näher charakterisiert werden.
Die bautechnischen Parameter bestimmen die akustischen Parameter eines Fahrbahnbelags. Allein aus der Kenntnis der bautechnischen Parameter ist aber aufgrund sehr komplexer Abhängigkeiten die Ableitung des akustischen Verhaltens bzw. der maßgebenden akustischen Parameter nicht möglich.
In dem Projekt werden deshalb Labormethoden zur Bestimmung akustischer Eigenschaften lärmarmer Beläge entwickelt bzw. bereits bestehende Methoden weiterentwickelt.
Für die beschriebenen Parameter existieren bereits Messmethoden, die von Müller-BBM gezielt für die Anwendung auf Fahrbahnoberfächen weiterentwickelt worden sind. Für die mechanische Impedanz ist im Rahmen des Projekts ein geeignetes Verfahren zu entwickeln.
In Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt EP 2 zur Bestimmung der Dauerhaftigkeit lärmarmer Beläge sollen zudem Veränderungen der akustischen Eigenschaften mit zunehmender Liegedauer unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden.
Dazu werden die verschiedenen Messmethoden, die bei Müller-BBM bereits vorliegen und erprobt sind, auf die speziellen Anforderungen des Versuchsstands in EP 2 ertüchtigt, angepasst und erprobt. Die Messgrößen sollen geeignet sein, in das Rechenmodell SPERoN für die Vorhersage von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen eingespeist zu werden, um eine direkte Aussage für den Lärmminderungswert (Vorbeifahrtpegel) des Fahrbahnbelages bzw. Prüfkörpers im jeweiligen Zustand zu erhalten.
Die Validierung der akustischen Messverfahren erfolgt an realen Fahrbahnoberflächen bzw. den bestehenden Versuchsstrecken, an denen die akustischen (und bautechnischen) Parameter ermittelt werden, daraus mit dem validierten Modell SPERoN Vorbeifahrtpegel prognostiziert werden und mit Messungen des Vorbeifahrtpegels verglichen werden. Zusätzlich können die in-situ bestimmten Werte an Bohrkernen aus der Schicht in einem Laborverfahren überprüft werden.
Die Evaluierung des Prüfstands (aus EP 2) im Allgemeinen und der Prüfverfahren (aus EP 4) im Besonderen erfolgt in einem zwischen EP2 und EP4 übergreifenden Prozess. Die Validierung der im EP2 und EP4 entwickelten Methode erfolgt durch Vergleichsmessungen auf den Versuchsstrecken (für EP4) und durch mechanische Beanspruchung und Messung der Veränderung der akustischen Eigenschaften (für EP2).
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Expected findings/ usefulness, beneficiaries
(German)
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Entwicklung, Anwendung und Validierung von akustischen Prüfverfahren zur Bestimmung der für die lärmmindernde Wirkung relevanten akustischen Eigenschaften: Dies ist unerlässlich, da es unmöglich ist, allein aus der Bestimmung bautechnischer Parameter die akustische Wirkung eines lärmarmen Belags zu bestimmen bzw. vorherzusagen. Diese Prüfverfahren bilden somit ein dringend notwendiges Komplementär zu den bautechnischen Prüfungen. Es können für zukünftige Vorhaben auch Ziel- bzw. Anforderungswerte für akustische Parameter definiert werden, die auch in Regelwerken verankert werden können und somit Bestandteil der Abnahme von lärmarmen Belägen werden können.
Erkenntnisse zur akustischen Dauerhaftigkeit von lärmarmen Belägen (in enger Kooperation mit EP 2): Bisher ist diesbezüglich noch wenig bekannt, was zu einem verhaltenem Einsatz dieser Beläge führt und Innovationen und die Anwendung von Neuentwicklungen hemmt.
Der Nutzen liegt in einer besseren Überprüfung der akustischen Eigenschaften von lärmarmen Belägen sowohl im Laborstadium als auch auf realen Strecken. Auf diese Weise kann die Wirkung von lärmarmen Belägen optimiert werden, ohne dabei die bautechnisch notwendige Haltbarkeit aus dem Auge zu verlieren. Durch die Zusammenarbeit mit EP 2 kann die zeitliche Entwicklung der akustischen Wirksamkeit überprüft werden, die Beläge können hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit optimiert werden. Auf diese Weise lassen sich vorhandene Mittel für den Lärmschutz wesentlich effizienter einsetzen.
Die Nutznießer sind besonders die Einwohner in den Nutzungszonen mit der Lärmempfindlichkeitsstufen II und III. In diesen Zonen können in unmittelbarer Nähe der Hauptverkehrstrassen die Immissionsgrenzwerte des Strassenlärms mit gängigen Belägen oft dauerhaft nicht eingehalten werden. Nutznießer sind darüber hinaus die öffentlichen Stellen, die mit dem Straßenbau und- sanierung betraut sind, da sie vorhandene Mittel wirtschaftlicher und effektiver einsetzen können.
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Methods
(German)
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· Validierung der bei Müller-BBM bereits vorhandenen erfolgreich eingesetzten akustischen Messverfahren (Texturmessung, Strömungswiderstandsmessung und Schallabsorptionsgradmessung) an den vorhandenen Versuchsstrecken
· Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der mechanischen Impedanz (Parameter für die Nachgiebigkeit)
· Prognose des Vorbeifahrpegels aus den ermittelten Parametern mit Hilfe des Modells SPERoN und Überprüfung der Prognose durch Messungen der Statistischen Vorbeifahrt ((SPB) an den Versuchsstrecken
· Weiterentwicklung und Ertüchtigung der akustischen Messsysteme zum Einsatz in dem Prüfstand zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit (EP 2)
· Anwendung der akustischen Messsysteme im Prüfstand von EP 2 zur Ermittlung der Veränderung bzw. der Dauerhaftigkeit von akustischen Parametern
· Validierung der durch das Verfahren aus EP 2 durch mechanische Belastung erzeugten/veränderten akustischen Eigenschaften durch Vergleich mit realen Fahrbahnoberflächen bzw. den Versuchsstrecken
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Special tools and infrastructure
(German)
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Vorhandenes Laser-Texturmesssystem (Müller-BBM). Vorhandene Messsysteme (Müller-BBM) zur Bestimmung des Schallabsorptionsgrads im Labor an Bohrkernen und an realen Fahrbahnoberflächen und zur Bestimmung des Strömungswiderstands m Labor an Bohrkernen und an realen Fahrbahnoberflächen.
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Overview of research activities
(German)
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Die verschiedenen Beläge werden dem Hohlraumgehalt nach in dichte, semi-poröse und poröse Bauweisen unterschieden.
Es lassen sich im wesentlichen drei Merkmale zur Beschreibung der akustischen Eigenschaften von Fahrbahnbelägen angeben:
§ Fahrbahnrauigkeit bzw. Textur
§ Offenporigkeit bzw. Porosität und
§ Nachgiebigkeit bzw. Elastizität.
Die bautechnischen Parameter (Korngröße, Kornform, Hohlraumgehalt etc.) bestimmen die akustischen Parameter eines Fahrbahnbelags. Allein aus der Kenntnis der bautechnischen Parameter ist aber aufgrund sehr komplexer Abhängigkeiten die Ableitung des akustischen Verhaltens bzw. der maßgebenden akustischen Parameter nicht möglich.
Aus diesem Grund sind zusätzliche akustische Prüfungen bzw. Labormethoden vorzusehen, wie sie in diesem Projekt (EP 4) (weiter) zu entwickeln sind.
Die aktuelle Problematik ist die langfristige Erhaltung der genannten drei akustisch relevanten Eigenschaften unter Verkehr und Umwelteinflüssen. Veränderungen im akustischen Verhalten kommen durch Verformung, Abrieb und Kornausbruch, sowie Verschmutzung der Hohlräume zustande.
Aus diesem Grund ist es in EP 4 vorgesehen, in enger Kooperation mit EP 2 auch Zeitreihen der akustischen Eigenschaften mit zunehmender Zahl der Überrollungen, also akustische Dauerhaftigkeiten von lärmarmen Belägen, zu untersuchen.
Im Jahr 2003 haben die Bundesämter ASTRA und BAFU gemeinsam die Forschungsprojekte ASTRA 2004/006-007 und ASTRA 2005/006 gestartet. Dabei wurden unter anderem Pilotstrecken realisiert und belagstechnisch und akustisch über mehrere Jahre untersucht. Der Schlussbericht 2007 und die Jahresberichte 2008 und 2009 enthalten erste Schlussfolgerungen bezüglich Langzeitverhalten sowohl in akustischer als auch in belagstechnischer Hinsicht. Darüber hinaus wurde im ASTRA Projekt ZEB-NS 09 das CPX-Messsystem zur Erfassung der akustischen Eigenschaften der Nationalstraßen flächendeckend von Müller-BBM eingesetzt
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Project aims
(German)
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Ziel ist es, Labormethoden zur Bestimmung akustischer Eigenschaften lärmarmer Beläge zu entwickeln bzw. bereits bestehende Methoden weiterzuentwickeln, an im Labor erstellten Probekörpern anzuwenden und die Methoden durch Messungen auf den Pilotstrecken zu validieren. Die Methoden zielen dabei insbesondere auf die Bestimmung der akustisch relevanten Parameter Schallabsorptionsgrad, Strömungswiderstand, Oberflächentextur und mechanische Impedanz. In Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt EP 2 zur Bestimmung der Dauerhaftigkeit lärmarmer Beläge sollen zudem Veränderungen dieser Parameter mit zunehmender Liegedauer unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden. Mit dem Rechenmodell SPERoN können aus den akustischen Parametern Vorbeifahrtpegel, wie sie zur Charakterisierung von lärmarmen Belägen herangezogen werden, prognostiziert werden
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Project aims
(English)
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Developping laboratory methods for the determination of acoustical properties of low noise pavements, enhancing already existing methods, applying the methods to laboratory slabs and validating the methods on the pilote road sections is the aim of the project. The methods aim towards the determination of the acoustically relevant parameters sound absorption coefficient, (air) flow resistivity, surface texture and mechanical impedance. In cooperation with the other sub-project EP 2, which refers to the determination of the durability of low noise pavements, changes of the acoustical parameters under controlled conditions over the years shall be analysed. Using the model SPERoN pass-by noise levels, which are commonly used to characterise road pavements, can be predicted from the acoustical parameters
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Research agenda
(German)
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Meilensteine:
· Entwicklung eines Messverfahrens für die mechanische Impedanz
· Weiterentwicklung der Messverfahren:
· Textur
· Strömungswiderstand
· Schallabsorptionsgrad
· Validieren der vorhandenen und (weiter)entwickelten Messverfahren an den (realen) Versuchsstrecken durch Vergleich von Messungen (SPB) mit Modellberechnungen (SPERoN).
· Adaption der vorhandenen Messtechnik auf den Prüfstand in EP 2 (Zusammenarbeit mit EP 2)
· Einmessen des Prüfstands aus EP 2 (Zusammenarbeit mit EP 2)
· Validieren der Messtechnik und der Wirkungsweise des Prüfstands in EP 2 im Vergleich mit (realen) Versuchsstrecken (Zusammenarbeit mit EP 2)
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Transfer and application
(German)
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Durch eine bessere Überprüfbarkeit der akustischen Wirkung von lärmarmen Belägen an Hand von akustischen Parametern ist eine wirtschaftlichere und effektivere Anwendung von dauerhaft lärmarmen Belägen machbar. Eine Optimierung von neuartigen Belägen ist bereits im Laborstadium möglich, die Überprüfung der akustischen Dauerhaftigkeit (in enger Kooperation mit EP 2) im Zeitraffer gibt Spielraum für die Anwendung innovativer Lösungen und bringt die Verwendung der bisher existierenden lärmarmen Beläge durch die Möglichkeit der Prognose des Langzeitverhaltens voran.
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Berichtsnummer
(German)
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1564
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Literature
(German)
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Beckenbauer, T., Klein, P., Hamet, J.-F., Kropp, W.: „Tyre/road noise prediction: A comparison between the SPERoN and HyRoNE models – Part 1”, Proc. Acoustics’08 conference, Paris, 2008
und
Klein, P., Beckenbauer, T., Hamet, J.-F., Kropp, W.: „Tyre/road noise prediction: A comparison between the SPERoN and HyRoNE models – Part 2”, Proc. Acoustics’08 conference, Paris, 2008
Beckenbauer, T., et al.: „Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch“. Forschungsberichte aus dem Forschungsprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen und der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Heft 847, August 2002
Ronneberger, D. et al.: “Rolling noise of tyres – fluctuation of pressure and flow velocity in the vicinity of the contact area.“ Publ. Wiss. Film Sekt. Techn. Wiss./Naturw., Ser. 8, Nr. 25/C 1503, 1984.
Kropp, W., Larsson, K., Wullens, F., Andersson, P., Becot, F.-X., Beckenbauer, T.: “The modelling of tyre/road noise - a quasi three-dimensional model”. Proceedings of InterNoise 2001, The Hague, The Netherlands, 2001
Schwanen, W. et al.: „Innovation Program Noise. Acoustic Optimization Tool – RE3: Measurement data Kloosterzande test track“. M+P report No. DWW.06.04.8, Novermber 2007.
6th Framework Programme Research and Development Project "ITARI – Integrated Tyre and Road Interaction". Further development and application of a hybrid computational model for the prediction of tyre-road noise. Further development of measurement techniques for the evaluation of acoustical road surface properties. Development of novel road pavements with improved acoustical behaviour.
German French Co-operation”P2RN” – sub-project “Validation and application of models for the prediction of rolling noise, Validation and benchmarking of the tyre road noise simulation tool “SPERoN” (“Statistical physical explanation of rolling noise”) in comparison with the french prediction model HyRoNe. Verbundprojekt “Leiser Straßenverkehr – Reduzierte Reifen-Fahrbahn-Geräusche (LeiStra1)“ Schlussbericht: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen Straßenbau, Heft 37 (2004); hier: Teilprojekte TP 3121 (in-situ-Messverfahren Schallabsorptionsgrad) und TP 3122 (in-situ-Messverfahren Strömungswiderstand)
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