Schiesslärmberechnung mit sonARMS Modell und Anwendung ERFA-Tagung Lärmsanierung 7. Mai 2015, Konferenzzentrum Walcheturm Dr. J.M. Wunderli, Empa, Abteilung Akustik/Lärmminderung

Inhalt Zur Vorgeschichte von sonARMS Zum Modell Zur Projekterstellung Zu den Schiesslärmquellen und der Emissionsmodellierung Zum Ausbreitungsmodell Zur Modellvalidierung und –genauigkeit Zur Projekterstellung Zu den Eingangsgrössen Zu den Projektelementen Zur Meteorologie und den Meteostatistiken Zu den Resultaten Einzelschusspegel, Beurteilungspegel und Lärmkarten Detailresultate Fazit Demonstration

Zur Vorgeschichte von sonARMS Ausgangslage – zivile Modelle: SL-90  SL2000  sonGun Kritik: Ausbreitungsrechnung nicht mehr zeitgemäss (nicht spektral, kein Wettereinfluss) Handling nicht mehr zeitgemäss (manuelle Geländeeingabe, keine Lärmkarten) Keine gemeinsame Beurteilung nach LSV A7 und A9 Konzept: Kombination des Quellenmodells von WL04 (militärisches Schiesslärmmodell) mit dem Ausbreitungsmodell des Eisenbahnlärmmodells sonRAIL ( sonX) Ergänzung einer Laufzeitanalyse zur Maximalpegelberechnung 2006: Revision LSV A7 2010: LSV A9

Schiesslärmquellen / Emissionsmodellierung Aufprall / Detonation  Berechnung nach ISO 17201-2 Geschossknall  Berechnung nach ISO 17201-4 Mündungs- knall  Messung im Halbkreis um die Waffe (Richtwirkung) 17201-2: Energiebilanz / Webermodell 17201-4: Quellenstärke = f(Kaliber, Projektillänge, Geschwindigkeit, Form) Waffendatenbank mit 44 zivilen Einzelwaffen und Klassenmittelwerten gemäss LSV Anhang 7

Mündungsknall – Mittelwerte der Waffen-kategorien gemäss LSV Anhang 7 Lmax(A,fast) (1 m) Lmax(j) = A + B·cos(j)+C·cos(2j) A B C a) 137.4 6.0 -0.5 b) 131.7 7.1 1.0 c) 122.4 6.4 0.5 d) 104.7 11.1 4.1 e) 136.5 5.7 0.2 f) 131.3 7.4 4.6 Nachdem wir nun die Waffenkategorien einzeln gesehen haben, kommt hier nun noch eine Zusammenstellung sämtlicher Klassenmittelwerte: Abbildung zeigt Klassenmittelwerte des Mündungsknalls. In der Tabelle sind zusätzlich die Parameter der dargestellten Formeln gemäss obigem Ansatz zusammengestellt. Man erkennt: Sturmgewehre und Jagdwaffen sind praktisch vergleichbar, sowohl bzgl. Lautstärke als auch Richtcharakteristik. Schrotflinten haben eine ausgeprägtere Richtwirkung. Gegen Vorne sind sie vergleichbar laut wie die Sturmgewehre und Jagdwaffen, Zur Seite sind sie aber ca. 10 dB leiser. Dies ist jedoch darauf zurückzuführen, dass hier der GK nicht separiert sondern in den MK integriert wurde (Grund: Die Pellets verlangsamen sich sehr schnell, so dass Unterschallschnelle schon nach wenigen Metern erreicht wird. – GK wird nur bei Sturmgewehren und Jagdwaffen explizit ausgewiesen.) Pistolen und Revolver (Kat b) sind etwas mehr als 5 dB(A) leiser als Sturmgewehre. Deutlich leiser sind die Kleinkaliberwaffen, wobei speziell bei den Kleinkaliber-Gewehren die Differenz besonders gross ist. Es kann somit gefolgert werden, dass diese Kategorie ohne schlechtes Gewissen vernachlässigt werden kann, sofern Aktivitäten bei den anderen Kategorien statt finden. f) Schrotflinten e) Jagdgewehre(Kugelpatronen) b) Faustfeuerwaffen(Zentralfeuerpatronen) a) Sturmgewehre und Handfeuerwaffen… c) Faustfeuerwaffen(Randfeuerpatronen) d) Handfeuerwaffen(Randfeuerpatronen)

Zum Ausbreitungsmodell In Terzen von 25 Hz bis 5 kHz BASIS-Modul: Direktschallberechnung Luftdämpfung nach ISO 9613-1 Bodeneffekt: Analytische Lösung für Kugelwellen, erweitert für unebenes Gelände und variierende Oberflächeneigenschaften Walddämpfung nach ISO 9613-2 Hinderniswirkung nach ISO 9613-2 oder Pierce inkl. seitlichen Schallpfaden Optionale Ergänzungsmodule Modul METEO zur Berechnung von Wettereinflüssen Modul REFLECT für Reflexionen an künstlichen Objekten Modul FOREST für diffuse Reflexionen an Wald und Fels

Wettereinflüsse Temperatur und Feuchte  Luftdämpfung Wind und Temperaturgradienten  Hinderniswirkung Die Direktschallberechnung wird in sonRail in einem separaten Schritt um den Wettereinfluss erweitert. Diese separate Behandlung hat den Vorteil, dass eine Änderung der Wettersituation berechnet werden kann, ohne dass die restlichen Teile nochmals wiederholt werden können. Als Wettereinfluss werden zum einen lokale Temperatur und Feuchte berücksichtigt. Diese beeinflussen die Luftdämpfung. Zum anderen führen Wind und Temperaturgradienten zu einer Ausbreitung entlang gekrümmter Schallstrahlen. Wir setzen dazu ein Ray tracing Verfahren ein, welches den Schallpfad von der Quelle zum Empfänger in komplexem Terrain sucht. Auf diesem Weg werden auch die relevanten Hinderniskanten identifiziert. Das erfolgt quasi Schrittweise von Kante zu Kante. (Identifikation des Direktschallpfades in inhomogener Atmosphäre) Ray tracing Nummerisches Verfahren zur schrittweisen Konstruktion der Schallstrahlen ,

Reduktion der Hinderniswirkung Längen- und winkeltreue Transformation Wenn der resultierende Schallstrahl einmal gefunden ist, so wird eine längen- und winkeltreue Transformation des Geländes vorgenommen, welche die gekrümmten Schallstrahlen salopp gesagt, gerade biegt. Situation 1: Gekrümmte Schallstrahlen, Original Geländeschnitt Situation 2: Gerade Schallstrahlen, transformiertes Gelände Diese transformierte Situation kann nun mit den bekannten Algorithmen der Direktschallberechnung behandelt werden. Bei förderlichen Ausbreitungsbedingungen, wie hier dargestellt, führt der Wettereinfluss somit zu einer Reduktion der Hinderniswirkung. Überführung in eine bekannte Situation  Behandlung nach den Ansätzen der Direktschallberechnung ,

Behandlung akustischer Schattenzonen Der Pegel in der Schattenzone wird durch Beugung und Streuung bestimmt. Rezept: Schallstrahlsuche Geometrische Parameter Empirischer Ansatz Jetzt gibt es aber auch Situationen, bei welchen dieses Verfahren nicht angewendet werden kann, weil gar kein Schallstrahl den Empfänger trifft. Dies ist der Fall, wenn sich eine akustische Schattenzone ausbildet. Akustische Schattenzonen entstehen, wenn die Schallstrahlen gegen oben abgelenkt werden. Dies ist am Tag bei starker Einstrahlung oder bei Gegenwind der Fall. Die Pegel in der Schattenzone sind zwar in der Regel deutlich tiefer als bei förderlichen Ausbreitungsbedingungen, aber eben trotzdem nicht vernachlässigbar. Die Immissionen in der Schattenzone werden durch Beugung und Streuung bestimmt. Die Behandlung dieser Situationen erfolgt in sonRail immer noch mittels des Ray tracing Verfahrens gemäss folgendem Rezept: 1) Suche des Strahls, der dem Empfangspunkt am nächsten kommt. 2) Bestimmung geometrischer Parameter dieses Strahls. 3) Immissionspegel wird dann mit einer empirische Erweiterung bestimmt, welche im Vergleich zu Berechnungen mit einem Referenzmodell abgeleitet wurden. dx dr lr ,

Zur Modellvalidierung und –genauigkeit Einzelereignisse (Messung – Berechnung): mittlere Abweichung : -0.1 dB(A), Standardabweichung: 4.4 dB(A)  Jahresmittelwerte: resultierende Unsicherheit im Bereich der Immissionsgrenzwerte: 1 - 2 dB(A) im Sinne einer Standardabweichung

Zur Projekterstellung Notwendige Grundlagen für den Projektstart Topographie (Höhenraster) Primärflächendatensatz (Polygone mit einer ID der Landnutzung) Gebäudedatensatz (Grundriss und Höhe)  Werden für Kt. ZH durch die FALS zur Verfügung gestellt! Objekte, welche in der Benutzeroberfläche definiert werden Empfangspunkte Quellen (Mündung / Ziel / Waffe) Schützenhäuser ( First) Hoch- und Seitenblenden Hindernisse Lärmkarten Meteorologie

Meteostatistik für die Berechnung von Jahresmittelwerten sonARMS-GUI: lokale Meteostatistiken für die ganze Schweiz 15 Meteoklassen in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit und der atmosphärischen Stabilität Pro Meteoklasse: mittlere Temperatur und Feuchte 3 wichtigsten Windrichtungen Auftretenshäufigkeiten Vorschlag des GUI zur Auswahl der dominanten Situationen (prozentuale Abdeckung) sonARMS rechnet jede Situation einzeln und liefert ein gewichtetes Mittel

Beispiel resultierender Schallstrahlen Quelle Empfänger

Zu den Resultaten Einzelschusspegel Beurteilungspegel Lärmkarten (nach Export von Rasterberechnungen ins GIS)

Ergänzende Informationen zu den Berechnungen Detailresultate Laufzeitanalyse + Geländeschnitte, Identifikation des dominanten Reflektors… Direktschall Gebäude-Reflexion Wald-Reflexion

Fazit sonARMS ist ein hochentwickeltes Schiesslärmmodell, das für sich in Anspruch nimmt nicht nur Jahresmittelwerte, sondern auch einzelne Ausbreitungssituationen korrekt abzubilden. Es ist ein Expertensystem, das sowohl ein vertieftes akustisches Verständnis als auch einiges Wissen über das Schiesswesen voraussetzt. Speziell die Abbildung von Wettereinflüssen stellt eine zusätzliche Komplexität dar. Durch eine Vorgabe der zu erzielenden statistischen Abdeckung sollte aber gleichwohl ein einheitlicher Vollzug gewährleistet sein. Das Modell kann auf der Homepage des Bafu inkl. Dokumentation bezogen werden. Eine aktualisierte Version (inkl. Französisch) sollte ab Anfang Juni zur Verfügung stehen.

Demonstration…