Numerische Simulation der Schallausbreitung unter Berücksichtigung meteorologischer Einflüsse

Hampel, Sebastian

Bei der Schallausbreitung im Freien treten z.B. im Vergleich zur Raum- oder Bauakustik zusätzliche Phänomene auf, die meteorologisch bedingt sind. Besonders die Refraktion infolge eines Wind- oder Temperaturprofils spielt eine große Rolle bei der Ausbreitung und muss daher bei der Simulation berücksichtigt werden. Weitere Besonderheiten sind neben dem inhomogenen Medium das halbunendliche Ausbreitungsgebiet und große Entfernungen zwischen der Schallquelle und dem interessierenden Immissionsort. Für die numerische Simulation der Schallausbreitung im Freien existieren sehr unterschiedliche Berechnungsmodelle, wobei für den universellen Einsatz keines davon mit vertretbarem Aufwand alle Anforderungen zufriedenstellend erfüllt. Mit der Randelementmethode (BEM) als wellenbasiertes Verfahren können nur homogene Medien berechnet werden, geometrische Strahlenverfahren vernachlässigen den Wellencharakter des Schalls und somit z.B. Beugung. In dieser Arbeit werden zunächst verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, die Problematik inhomogener Medien bei Verwendung der BEM zu überwinden. Die Vorteile der BEM liegen in der impliziten Berücksichtigung aller Wellenphänomene wie z.B. Beugung und die exakte Berechnung unendlicher Gebiete. Für typische Problemstellungen der Schallausbreitung unter Einfluss eines Wind- und Temperaturprofils wird schließlich ein hybrides Verfahren entwickelt, welches die Randelementmethode und ein Strahlenverfahren kombiniert, bei dem ein vertikales Profil der Atmosphäre vorgegeben werden kann. Dadurch wird sowohl der Wellencharakter des Schalls zur Erfassung von Beugung an Hindernissen berücksichtigt als auch eine Berechnung der Ausbreitung über große Distanzen unter Einfluss der Refraktion ermöglicht.

During outdoor sound propagation some additional meteorological phenomena appear compared to e.g. room or building acoustics. Refraction due to a wind or temperature profile plays an important role during the propagation and has to be taken into account for the simulation. Further characteristics beside the inhomogeneous medium are the semi-infinite propagation domain and large distances between the source and the receiver of interest. For the numerical simulation of outdoor sound propagation several computation models exist. However, none of them implies all requirements and relevant phenomena with a reasonable effort and for general purpose. With the Boundary Element Method (BEM) as a wave-based method only homogeneous media can be considered. Geometrical methods such as ray tracing neglect the wave character and so e.g. diffraction. In this work several possibilities are presented to overcome the problem of inhomogeneous media using the BEM. The advantages of the BEM are that wave phenomena are included implicitely and infinite domains can be handled easily and exactly. Furthermore, a hybrid method is developed to solve typical problems involving wind and temperature profiles. It combines the BEM and a ray method where a vertical profile of the atmosphere can be prescribed. On the one hand the model preserves the wave character of sound in order to represent diffraction at obstacles. On the other hand it allows to compute long distance propagation including refraction.

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Hampel, Sebastian: Numerische Simulation der Schallausbreitung unter Berücksichtigung meteorologischer Einflüsse. 2006.

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