sonAIR

sonAIR ist ein Berechnungsmodell für Fluglärm, das durch die Empa Abteilung Akustik/Lärmminderung zwischen 2012 und 2016 entwickelt wurde und laufend aktualisiert wird. Kernstück von sonAIR ist ein Quellenmodell zur detaillierten Beschreibung der richtungsabhängigen Schallemissionen in Abhängigkeit des Flugzustandes (Leistungssetzung und Flugkonfiguration wie Klappen- und Fahrwerkstellung). Dieses Emissionsmodell wird mit dem Schallausbreitungsmodell sonX der Empa kombiniert. Die Einzelflugsimulation erfolgt nach einem Zeitschrittverfahren. Das Gesamtmodell kann zum einen die Lärmbelastung auch in grösseren Abständen vom Flughafen mit hoher Genauigkeit ausweisen. Zum anderen kann das Modell dazu verwendet werden, lärmarme An- und Abflugverfahren zu entwickeln und so einen Beitrag zur Reduktion der Belästigung tags, der Schlafstörungen nachts und schliesslich der (Lärm-)Kosten zu liefern.

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Beispielhafte Simulation eines Airbus A320 entlang seiner Trajektorie
Akustische Messungen und Flugzeugdaten

Es wurden in den Jahren 2013 und 2014 aufwändige Messungen des realen Flugbetriebes im Nah- und Fernbereich des Flughafens Zürich durchgeführt, um die wichtigsten in der Schweiz verkehrenden Grossflugzeuge zu erfassen. Insgesamt wurden ca. 2‘600 Überflüge mit jeweils acht Mikrofonen im direkten Nahbereich des Flughafens gemessen und während sechs Monaten ca. 11‘000 Überflüge im Fernbereich des Flughafens an zehn Messstellen vom Pfannenstiel bis nach Winterthur als auch Bellikon (Aargau) aufgezeichnet.
Im Hinblick auf die Modellentwicklung stellen Cockpit-Daten – welche innerhalb des Projektes für Swiss und Edelweiss Flüge zugänglich waren – eine ideale Grundlage dar, um die akustischen Messungen mit dem jeweiligen Flugzeugzustand zu korrelieren. Für Flugzeuge anderer Fluggesellschaften wurden neben Radardaten im Nahbereich des Flughafens ergänzend ein optisches Ortungssystem sowie ein spezielles Auswertverfahren eingesetzt, welches die Bestimmung der Triebwerkdrehzahl aus den akustischen Messungen der an- und abfliegenden Luftfahrzeuge erlaubt.

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Vermessung der Landungen auf Piste 14 im Nahbereich des Flughafens Zürich
Quellenmodell

Zur Erstellung von Quellenmodellen werden die gemessenen Spektren zur Quelle zurückgerechnet und mit dem entsprechenden Flugzustand verknüpft. Dabei werden die Laufzeiten des Schalls, der Dopplereffekt (Frequenzverschiebung und Intensität) als auch alle wichtigen Ausbreitungsphänomene einschliesslich des Bodeneffekts und der jeweiligen vertikalen Höhenschichtung der Atmosphäre (Temperatur, Feuchte, Wind, Luftdruck) berücksichtigt.
Im Rahmen der Dissertation von C. Zellmann wurde eine Methodik entwickelt, um die Teilschallquellen am Flugzeug in zwei Anteile zu trennen und separate Regressionsmodelle für den Triebwerks- und den Umströmungslärm zu erstellen. Für beide Modellansätze wurden die wichtigsten Parameter identifiziert und auf jeden erfassten Flugzeugtyp angewendet. Die energetische Summe beider Modelle ergibt den richtungsabhängigen Schallleistungspegel in Abhängigkeit des Flugzustands.

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Das Teilschallquellenmodell und seine Parameter im Überblick (Lem- richtungsabhängiger Schallleistungspegel)
Simulationstool
Bei der Fluglärmsimulation kommt ein Zeitschritt-Verfahren zur Anwendung, welches einzelne Flüge im Modell nachbildet. In feiner zeitlicher Auflösung fliessen für die Flugereignisse Position und Orientierung im Raum sowie Schubsetzung und Konfiguration ein. Dies erlaubt es, die Lärmbelastung an jedem Immissionspunkt detailliert auszuweisen und neben Spektren auch Pegel-Zeit-Verläufe zu ermitteln. Aus der Überlagerung von Einzelflügen können Gesamtbelastungen abgeleitet und so Aussagen zu Grenzwertüberschreitungen und Anzahl belästigten oder im Schlaf gestörten Personen gemacht werden.
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Berechnung der Maximalpegelbelastung eines Starts einer A330-300 ab Piste 16. Es sind Einflüsse der Schallquelle und der Schallausbreitung gekennzeichnet.

Programmstatus
sonAIR wurde als Forschungswerkzeug entwickelt und wird laufend weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit der Firma n-Sphere AG sind Arbeiten im Gange, sonAIR zu einem GIS-basierten Dienstleistungswerkzeug zur Berechnung von Jahresbelastungen zu erweitern. Diese Programmversion soll künftig einem breiteren Nutzerkreis zugänglich gemacht werden.

Finanzierung
sonAIR wurde und wird im Rahmen der Spezialfinanzierung Luftverkehr vom Schweizerischen Bundesamt für Zivilluftfahrt BAZL gefördert. Zusätzliche Unterstützung erfuhr das Projekt durch die Empa, die Flughafen Zürich AG, den internationalen Flughafen Genf (AIG), das Amt für Verkehr des Kantons Zürich sowie skyguide, im Rahmen des Projektes CHIPS. Als Partner während der ersten Projektphase eingebunden waren die Firmen SciTracks GmbH für die mobile Flugbahnerfassung und BeSB GmbH Berlin für die Bestimmung der Triebwerksdrehzahl.
Die Umsetzung des Berechnungsmodells in einem geographischen Informationssystem GIS wird finanziert durch das Schweizerische Bundesamt für Umwelt BAFU.

References:
Wunderli J. M.; Zellmann C.; Köpfli M.; Habermacher M.; Schwab O.; Schlatter F.; Schäffer B. (2018). "sonAIR - a GIS-Integrated Spectral Aircraft Noise Simulation Tool for Single Flight Prediction and Noise Mapping", Acta Acustica united with Acustica, Vol. 104 (2018) 440-451
Zellmann C., Schäffer B., Wunderli J. M., Isermann U., Paschereit C.O. (2017).
„Aircraft Noise Emission Model Accounting for Aircraft Flight Parameters”, Journal of Aircraft (2017), accessed September 09, 2017. doi: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.C034275
Zellmann C., Wunderli J. M., Paschereit C.O. (2016). „The sonAIR sound source model: spectral three-dimensional directivity patterns in dependency of the flight condition”, INTER-NOISE 2016 - 45th International Congress on Noise Control Engineering: Towards a Quieter Future; Hamburg, p. 786-94.
Zellmann C., Wunderli J. M. (2014). „Influence of the atmospheric stratification on the sound propagation of single flights”, INTER-NOISE 2014 - 43rd International Congress on Noise Control Engineering: Improving the World Through Noise Control; Melbourne.
Zellmann, C., Wunderli J. M. and Schäffer B. (2013). „SonAIR - Data acquisition for a next generation aircraft noise simulation model.” 42nd International Congress and Exposition on Noise Control Engineering 2013, INTER-NOISE 2013: Noise Control for Quality of Life.
Schäffer, B., Zellmann C., Krebs W., Plüss S., Eggenschwiler K., Bütikofer R. and Wunderli J. M. (2012). „Sound source data for aircraft noise calculations – state of the art and future challenges.” Proceedings of Euronoise 2012, Ninth European Conference on Noise Control, Prague, Czech Republic, pp. 589-594

 

 

Dr. Jean-Marc Wunderli

Dr. Jean-Marc Wunderli
Abteilungsleiter Akustik/Lärmminderung

Telefon: +41 58 765 4748