Physikalische und Numerische Akustik - Laufende Projekte

Beschreibung

 

Wir danken dem FWF für die Förderung des Projekts mit der Nummer I 4299-N32

Schallquellenlokalisierungsverfahren sind weit verbreitet in der Automobil-, Schienenfahrzeug- und Luftfahrtindustrie. Viele verschiedene Methoden stehen für die Analyse von ruhenden Schallquellen zur Verfügung. Geeignete Verfahren für bewegte Schallquellen kämpfen nach wie vor mit den Problemstellungen der Dopplerverschiebung, der vergleichsweise kurzen Messzeiten und Ausbreitungseffekten durch die umgebende Atmosphäre. Das Projekt LION kombiniert die Expertise von vier Arbeitsgruppen aus drei verschiedenen Ländern im Bereich der Schallquellenlokalisierung: Die Beuth Hochschule für Technik Berlin (Beuth), das Fachgebiet Turbomaschinen- und Thermoakustik der TU Berlin (TUB), das Akustische Forschungsinstitut (ARI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und das Schweizer Forschungslabor für Akustik / Lärmminderung der EMPA. Die genannten Institutionen kooperieren, um die existierenden Methoden zur Analyse von bewegten Schallquellen zu erweitern und zu verbessern. Dabei soll der Dynamikbereich erweitert sowie die räumliche und die Frequenzauflösung erhöht werden. Die neuen Verfahren sollen auf komplexe Probleme wie die Analyse von tonalen Quellen mit starker Richtcharakteristik oder kohärenten, räumlich verteilten Quellen angewandt werden.

 

Methoden

Die Partner werden die Methoden gemeinsam entwickeln, validieren und Synergieeffekte heben, die sich durch diese Partnerkonstellation ergeben. Beuth plant, die Methode der äquivalenten Schallquellen im Frequenzbereich auf bewegte Quellen im Halbraum zu erweitern und dabei die Einflüsse des Bodens und der Schallausbreitung in der Atmosphäre zu berücksichtigen. ARI steuern die akustische Holografie, die Hauptkomponentenanalyse und die Methode der unabhängigen Komponenten bei und möchten diese zusammen mit ihrer Expertise für vorbeifahrende Züge nutzen, um numerische Randelementeverfahren inklusive der Transformation vom stehenden in das bewegte Bezugssystem zu verbessern. TUB entwickelt Optimierungsmethoden und modellbasierte Ansätze für die Lokalisierung von bewegten Schallquellen und bringt eine umfangreiche Datenbasis an mit einer großen Anzahl von Mikrofonen erfassten Überflugversuchsdaten ins Projekt ein. EMPA fügt seine Expertise zur Schallausbreitungsmodellierung mit atmosphärischer Turbulenz und Bodeneffekten basierend auf zeitvarianten digitalen Filtern hinzu. Sie werden überdies einen synthetischen Testfall zur Validerung der erweiterten und verbesserten Schalllokalisierungsmethoden aufsetzen. Das Projekt ist für eine Laufzeit von drei Jahren geplant. Das Arbeitsprogramm ist in vier Arbeitspakete organisiert: 1) Entwicklung der Algorithmen und Modelle, 2) die Entwicklung einer virtuellen Testumgebung für die Methoden, 3) die Simulation von Szenarien in der virtuellen Testumgebung und 4) die Anwendung der verbesserten und erweiterten Verfahren auf existierende Mikrofonmessungen von Zügen und Flugzeugen.

 

Das Projekt PASS, welches in Kooperation mit dem IEW der TU Wien und psiacoustic GmbH durchgeführt wird, beschäftigt sich mit der psychoakustischen Bewertung von Lärm. Aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes RELSKG werden dabei hohe und niedrige Lärmschutzwände numerisch simuliert mittels der 2.5 dimensionalen Randelemente Methode (2.5 D). Der Vergleich mit Messungen zeigt, dass die Annahme einer inkohärenten Linienquelle, wie sie mit der 2.5 D Methode möglich ist, für die Reproduktion der Messergebnisse erforderlich ist. Zusätzlich werden Schienenstegdämpfer aus Messdaten psychoakustisch bewertet. Die Bewertung erfolgt in zwei Tests mit 40 Probanden. Der erste Test vergleicht die relative Lästigkeit und der zweite die Schwellen für lästiger bzw. weniger lästig. Es ergab sich, dass Güterzüge bei gleichen A-Pegel als weniger lästig als Personenzüge eingestuft werden und dass bei gleichen A-Pegel der Lärm hinter einer Lärmschutzwand als geringfügig lästiger empfunden wird. Das Projekt starte in 2013 und läuft bis Ende 2014.

Beschreibung

Wir danken für die Förderung durch die Forschungsförderungsgesllschaft (FFG), Projektnummer 873588. Lärm bedeutet Ärger. Er wird neben Verkehr und Gewerbe vor allem von Heiz- oder Kühlgeräten emittiert: Luftwärmepumpen, Rückkühlern und Lüftern. Um die Schallimmissionen auf die Bevölkerung im urbanen Gebiet zu minimieren, werden im Projekt Methoden entwickelt, die einen einfachen, intuitiven und zugleich akkuraten Umgang mit Schallemissionen und deren Minderung ermöglichen.

 

Methoden

Ziel ist, die Lärmquellen vor deren Installation VOR ORT in realer Umgebung mittels Augmented Reality virtuell zu platzieren und die Schallemissionen visuell farblich darzustellen und hörbar zu machen. Hindernisse oder Schalldämmmaßnahmen, wie Wände, Zäune und Mauern werden automatisiert erkannt oder können virtuell hinzugefügt werden. Um diese Ziele zu erreichen, sind umfassende Methodenentwicklungen zur effizienten akustischen Berechnung erforderlich: frequenzabhängiges und zeitabhängiges Verhalten, Absorption und Reflexion. Dieser einzigartige Ansatz erleichtert die Planung von erneuerbaren Heiz- und Kühlgeräten, erhöht die Akzeptanz und damit den Anteil erneuerbarer Energien und senkt den Lärmpegel in Städten.

 

 

 

 

 

Objective:

In order to numerically calculate individual head-related transfer functions (HRTFs), a boundary element model (BEM) was developed. This model makes it possible to calculate the sound pressure at the head that is caused by different external sound sources with frequencies up to 20,000 Hz.

Method:

In engineering, the traditional BEM is widely used for solving problems. However, the computational effort of the BEM grows quadratically with the number of unknowns. This is one reason why the traditional BEM cannot be used for large models, even on highly advanced computers. In order to calculate the sound pressure at the head at high frequencies, very fine meshes need to be used. These meshes result in large systems of equations. Nevertheless, to be able to use the BEM, the equations must be combined with the Fast Multipole Method (FMM). With the FMM, the resulting matrices can be kept smaller, thus allowing the numeric solving of the Helmholtz equation with feasible effort and almost no accuracy loss as compared to the traditional BEM.

Application:

The geometry of the head (especially the form of the outer ear or pinna) acts as a kind of filter. This geometry is very important in localizing sound in the vertical direction and distinguishing between sounds coming from the front or the back. The BEM model can be used to numerically calculate these filter functions, which are dependent on the position and the frequency of the sound source.

Funding:

FWF (Austrian Science Fund): Project #P18401-B15

Publications:

  • Kreuzer, W., Majdak, P., Chen, Z. (2009): Fast multipole boundary element method to calculate head-related transfer functions for a wide frequency range, in: J. Acoust .Soc. Am. 126, 1280-1290.
  • Kreuzer, W.  and Chen, Z. S. (2008). "A Fast Multipole Boundary Element Method for calculating HRTFs," AES preprint  7020, AES Convention, Vienna.

Introduction

Railway vehicles passing through tight curves can produce a high pitched noise called curve squeal. Curve squeal is a very salient type of noise located in the high frequency range that can range between a tonal narrow band and a wide band noise. The reason for the tonal noise is lateral creepage on the top of the rail, which excites wheel vibration at frequencies corresponding to their modes. Wide band noise, however, is caused by wheel flanges touching the rail.

Aims

The project PAAB aims at investigating the effect on the perceived annoyance of such noises using in a perception test. Using the resulting perceptual characterization of curve squeal should aid in more adequately considering this type of noise in noise mapping.

Methods

Based on previous conventional large-scale emission measurements as well as new measurements at immission distances using a head-and-torso-simulator representative samples for curve squeal will be derived and used in a perception test. This will also be aided by using synthetic well defined curve squeal noise.

PAAB is funded by the FFG (project 860523) and the Austrian Federal Railways (ÖBB). The project is done in cooperation with the Research Center of Railway Engineering, Traffic Economics and Ropeways, Institute of Transportation, Vienna University of Technololgy (project leader), Kirisits Engineering Consultants, and psiacoustic Umweltforschung und Engineering GmbH.

 

 

Biotop Beschreibung
Workflow Biotop

Einführung

Die Lokalisierung von Schallquellen spielt eine wichtige Rolle im täglichem Leben. Die Form des menschlichen Kopfs, des Torsos und vor allem des Außenohrs (Pinna) bewirken einen Filtereffekt für einfallenden Schall und spielen daher eine wichtige Rolle bei der Ortung einer Schallquelle. Dieser Filtereffekt kann mittels der s.g. head related transfer functions (HRTFs, kopfbezogene Übertragungsfunktionen) beschrieben werden. Diese Filterfunktionen können mittels numerischer Methoden (zum Beispiel der Randelemente Methode, BEM) berechnet werden. In BIOTOP sollen diese Berechnungen durch Anwendung adaptiver Wavelet und Frame Methoden effizienter gemacht werden.

Ziel

Verglichen mit den herkömmlichen BEM Ansatzfunktionen haben Wavelets den Vorteil, besser an gegebene Schallverteilungen angepasst werden zu können. Als Verallgemeinerung von Wavelets sollen Frames dabei helfen, eine noch flexiblere Berechnungsmethode und damit eine noch bessere Anpassung an das gegebene Problem zu entwickeln. BIOTOP verbindet abstrakte mathematische Theorie mit numerischer und angewandter Mathematik. BIOTOP ist ein internationales DACH-Projekt (DFG-FWF-SFG) zwischen der Philipps-Universität Marburg (Stephan Dahlke), der Unicersität Basel (Helmut Harbrecht) und dem Institut für Schallforschung. Die gemeinsame Erfahrung dieser drei Forschungsgruppen soll helfen, neue numerische Strategien und Methoden zu entwickeln. Das Projekt wird vom FWF (Proj. Nummer: I-1018 N25) gefördert.

 

Objective:

Standard noise mapping software use geometrical approaches to determine insertion loss for a noise barrier. These methods are not well suited for evaluating complex geometries e.g. curved noise barriers or noise barriers with multiple refracting edges. Here, we aim at deriving frequency and source- as well as receiver-position dependent adjustments using the boundary element method. Further, the effect of absorbing layers will be investigated as a function of the geometry. Results will be incorporated into a standard noise mapping software.

Method:

The cross-sections of different geometries are first parameterized and discretized and then evaluated using two-dimensional boundary element simulations. The BEM code was developed at our institute. Different parameter sets are evaluated in order to derive the adjustments for the specific geometries compared to a straight noise barrier. To make the simulations more realistic, a grassland impedance model is used instead of a fully reflecting half plane. Simulations will also be evaluated using measurements from actual noise barriers.

Wirkung einer T-Wand bei 800 Hz

Project partners:

  • TAS Schreiner (measurements)
  • Soundplan (implementation in sound mapping software)

Funding:

This project is funded from the VIF2011 call of the FFG (BMVIT, ASFINAG, ÖBB)

Introduction                                                                                                                                                   

Rumble strips are (typically periodic) grooves place at the side of the road. When a vehicle passes over a rumble strip the noise and vibration in the car should alert the driver of the imminent danger of running off the road. Thus, rumble strips have been shown to have a positive effect on traffic safety. Unfortunately, the use of rumble strips in the close vicinity of populated areas is problematic due to the increased noise burden.

Aims

The aim of the project LARS (LärmArme RumpelStreifen or low noise rumble strips) was to find rumble strip designs that cause less noise in the environment without significantly affecting the alerting effect inside the vehicle. For this purpose, a number of conventional designs as well as three alternative concepts were investigated: conical grooves to guide the noise under the car, pseudo-random groove spacing to reduce tonality and thus annoyance, as well as sinusoidal depth profiles which should produce mostly vibration and only little noise and which are already used in practice.

Methods

Two test tracks were established covering a range of different milling patterns in order to measure the effects of rumble strips for a car and a commercial vehicle running over them. Acoustic measurements using microphones and a head-and-torso-simulator were done inside the vehicle as well as in the surroundings of the track. Furthermore, the vibration of the steering wheel and the driver seat were measured. Using the acoustics measurements, synthetic rumble strip noises were produced, in order to get a wider range of possible rumble strip designs than by pure measurements.

Perception tests with 16 listeners were performed where the annoyance of the immissions as well as the urgency and reaction times for the sounds generated in the interior were determined also using the synthetic stimuli.

LARS was funded by the FFG (project 840515) and the ASFINAG. The project was done in cooperation with the Research Center of Railway Engineering, Traffic Economics and Ropeways, Institute of Transportation, Vienna University of Technology, and ABF Strassensanierungs GmbH.

Objective:

SysBahnLärm was a joint project of the ARI with the TU Vienna the Austrian Railways and industrial partners funded by the FFG as well as the ÖBB. Aim of the project was to create a handbook on the systemic reduction of railway noise. The ARI was responsible for the psychoacoustic evaluation of the effects of noise from wheels with different roughness and of different noise reduction systems e.g. rail damping systems. Further, the ARI investigated the emission pattern of the rail-wheel contact using our 64-channel microphone array.

Method:

Using measured train pass-by signals, a psychoacoustic testing procedure was developed and stimuli for this test were selected. Subjects had to rate the relative annoyance of different trains or different noise reduction systems with respect to each other.
For investigating the rail-wheel contact, a beamforming technique was used in order to determine the point of the maximal emission relative to the top of the rail.

Application:

The handbook should act as a guideline for the different noise reduction measures and their respective advantages and problems.