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Research unit
FEDRO RBT
Project number
ASTRA2010/014
Project title
EP5: Optimisation of the accuracy of acoustic measurements

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Short description
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Project description
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Expected findings/ usefulness, beneficiaries
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Methods
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Special tools and infrastructure
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Overview of research activities
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Project aims
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Research agenda
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Transfer and application
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Berichtsnummer
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Literature
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(German)

CPX-Messungen, SPB-Messungen, Schallabsorptionsgrad, Temperaturkorrektur, Genauigkeit, Umgebungsbedingungen, Akustik

Key words
(English)

CPX-Measurements, SPB-Measurements, Sound Absorption Coefficient, Temperature Correction,  accuracy, environmental conditions, acoustics

Short description
(German)

Zur Erreichung der Projektziele werden Messungen nach dem CPX- und SPB-Verfahren auf Straßen bei unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen werden zusammen mit den Umgebungsbedingungen anschließend statistischen Analysen unterworfen. Es werden CPX-Messsysteme im akustischen Windkanal durchgeführt, um Windgeräusche am Messanhänger zu untersuchen. Es werden Messungen auf akustischen Rollenprüfständen durchgeführt, um die Innenraumakustik von CPX-Messanhängern zu charakterisieren.

Es wird überprüft, inwieweit Sicherungsmaßnahmen das Fahrverhalten und damit den Vorbeirollpegel von Fahrzeugen bei SPB-Messungen beeinflussen. Es wird ein Ringversuch mit bis zu vier schweizerischen Instituten durchgeführt, um Unterschiede bei der Messdurchführung und Fahrzeugauswahl bei SPB-Messungen festzustellen.

Zur Bestimmung des Absorptionsgrades werden Messungen im akustischen Labor (Impedanzrohr, Hallraum, Hallkabine, reflexionsarmer Raum) und in-situ durchgeführt und miteinander verglichen. Es werden theoretische Ansätze zur Fresnelzonentheorie zur Ermittlung der erfassten Probenoberfläche aufgestellt und mit Messungen validiert.    
Short description
(English)

In order to reach the project objectives CPX- and SPB-measurements will be performed at different meteorological conditions. Statistical analyses of the measurement results and the meteorological conditions will be made. CPX-measurement systems will be tested in acoustic wind tunnels to investigate the aerodynamic noise of the trailer enclosures. Measurements with CPX-trailers on an acoustic roller type test stand will be performed to characterize the acoustic conditions in the trailer enclosure.  

It will be tested if and how safeguarding affects the driving behaviour of road users and the coast-by-level consequently. A round-robin test with up to four Swiss institutions will be made to investigate differences in the measurement procedure and the selection of vehicles under test.

Absorption measurements will be done in the acoustic laboratory (Impedance tube, reverberation room, reverberation chamber, semi-anechoic room) and in-situ and compared to each other. Theoretic considerations regarding the Fresnel thoerie will be made to describe the captured surface and will be validated via measurements
Project description
(German)

Zur Erreichung der Projektziele werden Messungen im Feld (auf realen Straßenoberflächen) und im Labor durchgeführt. Es werden folgende Problemstellungen durch Messungen und theoretische Betrachtungen bearbeitet:

CPX-Messsystem:

·          Temperaturkorrektur: Die Schalldruckpegel der Reifen-Fahrbahn-Geräusche sind temperaturabhängig. Um die Ergebnisse vergleichbar zu halten müssen sie auf Normtemperatur (20 °C) umgerechnet werden (Temperaturkorrektur). Der Normentwurf gibt kein Verfahren an, nach dem die Temperaturkorrektur durchzuführen ist.

·          Qualitätssicherung der Reifen: Die Messreifen ändern im Verlauf mehrerer Jahre ihre akustischen Eigenschaften durch Alterung und Abnutzung. Dies führt zu systematischen Fehlern bei CPX-Messungen.

·          Akustik des Innenraums von CPX-Anhängern: Geschlossene CPX-Anhänger sind innenseitig mit schallabsorbierendem Material ausgekleidet, um Reflexionen möglichst zu vermeiden. Da Reflexionen allerdings nicht vollständig ausgeschlossen werden können, wird versucht diese über einen Laborversuch mit einem Reifenlautsprecher zu charakterisieren und nachträglich bei den Messergebnissen zu berücksichtigen. Da dieses Verfahren allerdings bisher nicht validiert ist, ist fraglich, ob verschiedene Anhänger zu gleichen Ergebnissen kommen.

·          Strömungsgeräusche zwischen Messanhänger und Fahrbahnoberfläche: Zwischen dem Messanhänger und der Fahrbahnoberfläche ist generell ein Luftspalt, dessen Höhe von der Konstruktion und den verwendeten Testreifen abhängt. Es wird vermutet, dass die aerodynamischen Geräusche vor allem im tieffrequenten Bereich die Reifen-Fahrbahn-Geräusche stark beeinflussen und Messergebnisse verschiedener Anhänger zum derzeitigen Wissenstand zumindest spektral schlecht nur schlecht miteinander verglichen werden können.

·          Geschwindigkeitskorrektur: Im Normenentwurf ist derzeit nur ein sehr allgemeiner Ansatz zur Geschwindigkeitskorrektur angegeben. Dieser muss auf die sehr unterschiedlichen Charakteristika der beiden Normmessreifen angepasst werden, um genauere Messergebnisse zu erzielen.

SPB-Messsytem

·          Sichtbarkeit des Messaufbaus: Durch Sicherungen (Warnpylonen, Sicherungsfahrzeuge) werden Verkehrsteilnehmer auf SPB-Messungen aufmerksam und ändern ihr Fahrverhalten. Auf diese Weise wird das SPB-Messergebnis beeinflusst.

·          Messdurchführung und Fahrzeugauswahl: Die vorhandenen Festlegungen der Fahrzeugkategorien werden unterschiedlich ausgelegt. Deshalb sind Messungen unterschiedlicher Institutionen teilweise nicht vergleichbar.

·          Temperaturkorrektur: Das Verfahren zur Temperaturkorrektur ist nicht normativ geregelt. Untersuchungen aus der Vergangenheit sind veraltet.

·          Geschwindigkeitsmessung: Die Messergebnisse sind sehr sensibel auf genaue Geschwindigkeitsmessungen. Deren notwendige Genauigkeit ist nicht normativ festgelegt. 

Schallabsorptionsgradmessung

·          Messsystemvarianten: Es ist eine Reihe an Verfahren bekannt. Allerdings sind nicht alle Verfahren für den Einsatz im Straßenverkehr geeignet.

·          Einzugsbereich von Messflächen: Die Größe der Messfläche, die bei in-situ Messungen untersucht wird ist frequenzabhängig und im tieffrequenten Bereich sehr groß. Ist die Messfläche nicht groß genug, werden die Ergebnisse verfälscht.

Expected findings/ usefulness, beneficiaries
(German)

Erkenntnisse: Beschreibung/Messung der physikalischen/akustischen Effekte zu den oben genannten Problemstellungen. Ableitung von Gesetzmäßigkeiten.

Nutzen: Eingang der Ergebnisse in Normen, Richtlinien und Merkblätter zur Steigerung der Genauigkeit der akustischen Messsysteme. Erweiterung des Standes der Technik.

Methods
(German)

Durchführen von Messungen im Feld (auf eingebauten Fahrbahnbelägen) und im Labor (z.B. Windkanal und akustischer Rollenprüfstand). Entwicklung theoretischer Ansätze inklusive rechnerischer Validierung und Literaturstudien (international). 

Special tools and infrastructure
(German)
2 CPX-Anhänger, 2 SPB-Messsysteme, Hallraum, Hallkabine, 3 Impedanzrohre, 3 in-situ Messsysteme Schallabsorptionsgrad, Reflexionsarmer Raum, EDV-Ausrüstung, GIS-System (alle Geräte sind bei Müller-BBM vorhanden).
Overview of research activities
(German)

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.

Project aims
(German)
Es sollen die Messsysteme zur CPX-, SPB- und Schallabsorptionsgradmessung hinsichtlich deren Genauigkeit verbessert werden. Das Ziel des Forschungsprojektes ist, die Qualität der Bestimmung akustischer Eigenschaften von Strassenbelägen zu verbessern, indem die Messprozesse definiert und die Sensibilität der Umweltfaktoren (z.B. Temperatur, Umgebungsbedingungen) auf die Messmethoden berücksichtigt werden
Project aims
(English)

The accuracy of the measurement systems for CPX-, SPB and sound absorption measurements shall be optimized. The objective of the research project is to improve the quality of acoustic measurements of road surfaces. In order to reach this, measurement procedures shall be defined and the sensitivity of the measurement methods regarding environmental conditions (e.g. temperature) shall be considered. 

Research agenda
(German)

Messsystem CPX

Unzureichend genau bekannte Temperaturkorrektur

·          Lösungsweg

o         CPX-Messung auf porösen, semiporösen und dichten Fahrbahnbelägen

o         Wiederholung der Messung bei unterschied­lichen Witterungsverhältnissen (25 mal)

o         Statistische Analyse

·          Ergebnis

o         Genaueres Modell für die Temperaturkorrektur

o         Reifenabhängig

Qualitätssicherung der Reifen

·          Lösungsweg

o         Zeitrafferversuche zu Alterung und Abnutzung

o         Messung makroskopischer Reifenparameter

o         Messung der akustischen Eigenschaften

o         Auswertung der Ergebnisse

·          Ergebnis

o         Prüfverfahren und Kriterien für Messreifen

o         Anforderungen an einsatzfähige Messreifen

Akustik des Innen­raums geschlossener CPX-Anhänger

·          Lösungsweg

o         Messung der Innenraumakustik auf Rollen­prüfstand

o         Vergleich mit der Messung mit Reifenlaut­sprecher

o         Entwicklung eines neuen Prüfverfahrens

·          Ergebnis

o         Anforderungskatalog an Prüfverfahren

o         Konstruktionszeichnung für zu verwendende Geräte

Strömungsgeräusche zwischen Messanhänger und Fahrbahnoberfläche

·          Lösungsweg

o         Messungen im akustischen Windtunnel (mind. 2 Anhänger)

o         Auswertung der Strömungsgeräusche

o         ggf. aerodynamische Optimierung der Messanhänger

·          Ergebnis

o         Hinweise zur Konstruktion von CPX-Anhängern

o         Definition des aus­wertbaren Frequenzbereichs

Geschwindigkeitskorrektur

·          Lösungsweg

o         CPX-Messungen auf porösen, semiporösen und dichten Fahrbahnbelägen

o         Durchführung der Messungen von 25 km/h bis 85 km/h in 5 km/h Schritten, je 3 mal

o         Statistische Auswertung

·          Ergebnis

o         Genaueres Modell für die Geschwindigkeitskorrektur

o         Reifenabhängig

 

Messsystem SPB

Sichtbarkeit des Messaufbaus

·          Lösungsweg

o         SPB-Messungen auf porösem und dichtem Fahrbahnbelag

o         Durchführung der Messung unsichtbar für den Verkehr, danach mit Warnpylonen, danach mit Warnanhänger

·          Ergebnis

o         Erkenntnis über den Effekt der Verkehrs­beeinflussung auf die akustischen Messwerte

o         Mögliche Umsetzung der Ergebnisse in Richt­linien

Messungsdurch­führung und Fahrzeugauswahl

·          Lösungsweg

o         Durchführung eines beobachteten Ring­versuchs, inkl. Videoaufzeichnung

o         Auswertung der Belagkorrekturwerte

o         Statistische Auswertung der Einzelwerte

·          Ergebnis

o         Genauere Definition der Messdurchführung

Temperatur­korrektur

·          Lösungsweg

o         Ausgangspunkt ist die vergleichbare Unter­suchung für CPX-Messungen

o         Adaption der CPX-Untersuchung

o         Validierung des neuen Temperaturmodells durch Messungen

·          Ergebnis

o         Genaueres Modell für die Temperaturkorrektur

o         Fahrzeug- und ggf. belagsabhängig

Geschwindigkeits­messung

·          Lösungsweg

o         Rechnerische Analyse der notwendigen Genauigkeit

o         Überprüfung der rechnerischen Auslegung durch SPB-Messung mit 2 Geschwindigkeits­messsystemen, von denen eines unzu­reichend genau aufgestellt wird

·          Ergebnis

o         Genauere Definition der Messdurchführung

Messsystem Schallabsorptionsgrad

Messsystem­varianten

·          Lösungsweg

o         Theoretischer und praktischer Vergleich verschiedener Verfahren (Hallraum, Impedanzrohr, pp-, ppp-, pv-Sonde)

o         Vergleich verschiedener Anregesignale

o         Untersuchung zur Störsignalanfälligkeit

·          Ergebnis

o         Empfehlung für den Einsatz von Schall­absorptions­grad­messsystemen

Einzugsbereich von in-situ Messungen

·          Lösungsweg

o         Theoretische Betrachtung zur Fresnelzonen­theorie

o         Messungen zum Einfluss früher Reflexionen

o         Messungen inhomogener Belagstypen

·          Ergebnis

o         Definition der Mess­durchführung und Messumgebung

Allgemeine Randbedingungen für akustische Messungen

Restfeuchte im Fahr­bahnbelag

·          Lösungsweg

o         Vergleich verschiedener Verfahren zur Wasserdetektion

o         Laboruntersuchung zum Trocknungsverhalten

o         Langzeit-SPB-Messung zur Validierung der Laboruntersuchnug

 

·          Ergebnis

o         Verfahren zur Detektion von Restfeuchte im Belag

o         Definition von Anfor­derungen für die Trocknungsdauer nach Regenereignissen

Transfer and application
(German)

Durch Anwendung der Erkenntnisse von Prüfinstituten und Geräteherstellern kann die Genauigkeit der Messeergebnisse dauerhaft gesteigert werden. 

Berichtsnummer
(German)
1566
Berichtsnummer
(English)
1566
Literature
(German)

Bundesamt für Straßen (ASTRA), Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft  (BUWAL): Lärmarme Straßenbeläge innerorts, Statusbericht 2003

Bundesamt für Straßen (ASTRA), Bundesamt für Umwelt (BAFU): Lärmarme Straßenbeläge innerorts, Schlussbericht 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.

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)

EN ISO 10534-2: Akustik - Bestimmung des Schallabsorptionsgrades und der Impedanz in Impedanzrohren - Teil 2: Verfahren mit Übertragungsfunktion (ISO 10534-2:1998); Deutsche Fassung EN ISO 10534-2:2001

DIN EN ISO 354: Akustik - Messung der Schallabsorption in Hallräumen (ISO 354:2003); Deutsche Fassung EN ISO 354:2003

M. Männel, J. Scheuren:
New demands on acoustic materials for road surfaces. NOVEM 2009: Noise and Vibration: Emerging Methods,
Oxford, Great Britain: 2009

M. Männel:
Acoustic performance monitoring on swiss highways. PIARC World road association congress,
Timisoara, Rumania: September 2009

M. Männel, S. Alber:
Technische Bemerkungen zur Nahfeldmessmethode CPX. Fortschritte der Akustik – DAGA 2010 (Berlin 2010) Bad Honnef: DPG-GmbH, 2010

Beckenbauer, T.; Spiegler, P.; Blokland, G.; Kuijpers, A.; Reinink, F.; Huschek, S. et al. (2002): Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahngeräusch. Bonn: Bundesministerium für Verkehr (Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik (FSS), 847).