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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008 Physik der Reifen-Fahrbahn-Geräusche Geräuschentstehung, Wirkungsmechanismen und akustische Wirkung unter dem Einfluss von Bautechnik und Straßenbetrieb Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge in der Praxis – Lärmaktionsplanung 4. Informationstage Dr.-Ing. Thomas Beckenbauer Müller-BBM Physik der Reifen-Fahrbahn-Geräusche Seite 1 03_bec_GMFB-Grundlagen\Physik der Reifen-Fahrbahn-Geräusche_bec.doc 06.06.2008 15:59

Physik der Reifen-Fahrbahn-Geräusche - LfU Bayern · 4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008 1 Einleitung

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

Physik der Reifen-Fahrbahn-Geräusche Geräuschentstehung, Wirkungsmechanismen und

akustische Wirkung unter dem Einfluss von Bautechnik und Straßenbetrieb

Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge in der Praxis – Lärmaktionsplanung

4. Informationstage

Dr.-Ing. Thomas Beckenbauer Müller-BBM

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3 2 Entstehung der Reifen-Fahrbahn-Geräusche 4 2.1 Systematik 4 2.2 Schallanregung 4 2.3 Schallabstrahlung 8 2.4 Schallemission 9 2.5 Schallausbreitung 10 3 Akustische Eigenschaften von Fahrbahnoberflächen 11 3.1 Systematik 11 3.2 Einfluss der Textur 12 3.3 Einfluss der Schallabsorption 17 3.4 Einfluss der Nachgiebigkeit 24 4 Literatur 26

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1 Einleitung Die Zusammensetzung der Fahrgeräusche der unterschiedlichen Fahrzeugkatego-rien, aufgeteilt nach Rollgeräusch- und Antriebsgeräuschanteil, ist eine wichtige Basis bei der Ermittlung des Geräuschminderungspotenzials der unterschiedlichen Schallquellen. Im Rahmen der Typprüfung von Kraftfahrzeugen nach den Richtlinien der Europäischen Gemeinschaft wurden die Grenzwerte für den zulässigen Geräuschpegel in den vergangenen dreißig Jahren um 8 dB für Pkw und 11 dB für Lkw verschärft. Das in der Typprüfung vorgeschriebene Verfahren der stark beschleunigten Vorbeifahrt hat jedoch dazu geführt, dass die hierbei dominierenden Geräusche des Antriebs - bestehend aus Motor, Getriebe, Ansaugung und Abgas-anlage – aufgrund der stufenweise abgesenkten Grenzwerte ständig geringer wur-den. Die zusätzlich auftretenden Geräusche des auf der Fahrbahnoberfläche abrol-lenden Reifens, die in der Typprüfung keine Rolle spielen, tragen dagegen heute bei Pkw bereits ab Geschwindigkeiten von 40 km/h und bei Lkw von 60 km/h den Haupt-anteil an den vom fließenden Verkehr ausgehenden Schallemissionen bei.

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Geschwindigkeit v in km/h

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Rollgeräusch Pkw

Rollgeräusch Lkw

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Antriebsgeräusch Pkw

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Abbildung 1. Anteil der Intensität der Rollgeräusche bzw. der Antriebsgeräusche an der Gesamtemission in % getrennt für Pkw und schwere Lkw auf dichten Standard-Fahrbahn-belägen (z.B. Asphaltbeton 0/11 oder Splittmastixasphalt 0/8 oder 0/11).

In Abbildung 1 sind die mittleren Geräuschanteile für Pkw und schwere Lkw prozen-tual gegenübergestellt. Aus ihr können die folgenden Zusammenhänge für die in die dB-Skala umgerechneten, ganzzahlig abgerundeten Schallpegelanteile abgeleitet werden:

Situationen außerorts:

Pkw mit 120 km/h im fließenden Verkehr: LRollPkw = LAntriebPkw + 9 dB

Lkw mit 80 km/h im fließenden Verkehr: LRollLkw = LAntriebLkw + 3 dB

Situationen innerorts:

Pkw mit 50 km/h im fließenden Verkehr: LRollPkw = LAntriebPkw + 3,5 dB

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Lkw mit 50 km/h im fließenden Verkehr: LRollLkw = LAntriebLkw – 0,5 dB

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Die im außerörtlichen Verkehr dominierende Komponente des Fahrzeuggeräusches besteht also im Reifen-Fahrbahn-Geräusch des auf der Fahrbahnoberfläche abrol-lenden Reifens, an dessen Entstehung die Eigenschaften des Reifens und der Fahr-bahn gleichermaßen beteiligt sind. In innerstädtischen Situationen mit langsamen Fahrgeschwindigkeiten ist zu beachten, dass zwar das Reifen-Fahrbahn-Geräusch ebenfalls eine wichtige Rolle spielt, die Antriebsgeräusche gerade von Nutzfahrzeu-gen jedoch nicht vernachlässigt werden können. Besonders in innerstädtischen Situ-ationen ist man also auf Fahrbahnbeläge angewiesen, die eine hohe Pegelminderung erzielen.

2 Entstehung der Reifen-Fahrbahn-Geräusche 2.1 Systematik

Mit Reifen-Fahrbahn-Geräusch wird Schall bezeichnet, der durch den auf der Fahr-bahnoberfläche abrollenden Reifen hervorgerufen wird und sich über die ihn umge-bende Luft ausbreitet. Die Entstehung der Reifen-Fahrbahn-Geräusche an einem Ort in bestimmter Entfernung wird durch drei Komponenten beeinflusst:

• die Schallanregung

• die Schallabstrahlung

• die Schallausbreitung

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2.2 Schallanregung Hinsichtlich der Schallanregung sind zwei Arten von Mechanismen zu unterscheiden:

• Anregung mechanischer Schwingungen des Reifens

• Auslösung aerodynamischer Vorgänge in der Kontaktfläche

2.2.1 Mechanische Anregung Die Anregung des Reifens zu mechanischen Schwingungen betrifft im wesentlichen die Profilklötze und die Lauffläche im Kontaktbereich. Sie werden beim Abrollen unter Einwirkung tangentialer und radialer dynamischer Kräfte verformt, was zur Anregung von Schwingungen führt. Kommt der Profilklotz wieder los, schwingt er sowohl in radialer als auch tangentialer Richtung aus (Abbildungen 2a und 2b). Die Bewegun-gen der Profilklötze und der Lauffläche übertragen sich auf die umgebende Luft und werden letztlich als Luftschall abgestrahlt.

Schall entsteht nur dann, wenn Vorgänge im Spiel sind, die zeitlich variieren. Im Falle der mechanischen Anregung des Reifens sind dies die Kontaktkräfte zwischen Rei-fen und Fahrbahn, die sich während des Rollvorgangs zeitlich ändern. Die Änderung der Kontaktkräfte zwischen Reifen und Fahrbahnoberfläche über der Zeit kann meh-rere Ursachen haben:

• Inhomogenitäten des Reifens („Unrundheit“ des Reifens, inhomogene Material-eigenschaften, schadhafte Stellen auf der Reifenoberfläche)

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• das Reifenprofil aufgrund seines geometrischen „Musters“ über den Reifenum-fang, das in Zusammenhang mit dem Abrollvorgang in ein zeitlich veränderli-ches „Muster“ und letztlich in zeitveränderliche Kräfte umgesetzt wird

• die Rauigkeit (Textur) der Fahrbahnoberfläche, die wie das Reifenprofil durch die zeitliche „Abtastung“ beim Abrollvorgang in zeitveränderliche Kräfte umge-setzt wird

• Haft- und Gleitvorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt, die zur tangentialen Ver-formung des Reifens führen

a) b)

Abbildung 2. Maler Schwingun

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Abbildung 3. BFahrbahn-Kont

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In Abbildung 3Reifen-FahrbaKropp [2] dargeiner die Belaschlagt. Danastreuung mit e

Lauffläche

echanische Schwingungsanregung am rollenden Reifen. Entstehung a) radi-

gen, b) tangentialer Schwingungen an Profilklötzen und Lauffläche.

Zeitl. Ausschnitt

eispiel des simulierten Zeitverlaufes der resultierenden Kontaktkraft im Reifen-

akt durch Berechnung mit Hilfe des analytischen Modells nach Kropp [2].

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ist ein Beispiel für den Zeitverlauf der resultierenden radialen Kraft im hn-Kontakt bei Simulation mit Hilfe des analytischen Modells nach estellt. Zu Beginn der Simulation wird der profillose Reifen statisch mit stung durch das Fahrzeug repräsentierenden Kraft von 4218 N beauf-ch beginnt der Rollvorgang auf der rauen Fahrbahnoberfläche (hier Ab-iner Korngrößenverteilung von 5 bis 8 mm) mit einer Geschwindigkeit

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von rund 80 km/h. Nach Abklingen der Einschwingvorgänge ergibt sich der im Aus-schnitt dargestellte, wiederkehrende Zeitverlauf für eine Umdrehung des Reifens. Die Rauigkeit der Fahrbahnoberfläche führt zu erheblichen zeitlichen Schwankungen der resultierenden Kraft.

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Abbildung 4. Frequenzspektrum der Kontaktkraft für den in Abbildung 3 gekennzeichneten Zeitausschnitt.

In Abbildung 4 ist das Frequenzspektrum der zeitlich veränderlichen Kontaktkraft für den vorher beschriebenen Fall dargestellt. Der Frequenzbereich gut wahrnehmbarer Schalle beginnt bei etwa 50 Hz und reicht bis etwa 10.000 Hz. Wie aus der Abbildung hervorgeht, entstehen durch die mechanische Anregung Kontaktkräfte mit hohen Anteilen zwischen etwa 150 Hz und 1.000 Hz. Über 1.000 Hz nehmen die Kontakt-kräfte und damit auch die damit zusammenhängenden Schallanteile des Reifen-Fahrbahn-Geräusches zu höheren Frequenzen hin rasch ab. Dies ist typisch für den Beitrag radialer Kontaktkräfte zum Reifen-Fahrbahn-Geräusch. In Abbildung 5 sind zum besseren Vergleich die Spektren der Textur (Wellenlängenspektrum) sowie die Spektren der resultierenden radialen Kraft im Reifen-Fahrbahn-Kontakt und des Rei-fen-Fahrbahngeräusches (Frequenzspektren) für drei unterschiedlich raue Oberflä-che dargestellt. Die Darstellungen gelten für einen repräsentativen Pkw-Reifen mit einer Geschwindigkeit von 80 km/h.

Abbildung 5 zeigt deutlich die Auswirkungen des unterschiedlichen Größtkorns der Abstreuung, dessen Durchmesser zwischen 1 und 8 mm variiert. Mit kleiner werden-dem Größtkorn nimmt der Pegel der Kontaktkraft und damit auch der Pegel des Rei-fen-Fahrbahn-Geräusches deutlich ab. Dies betrifft jedoch hauptsächlich den Fre-quenzbereich unter 1 kHz, in dem die größten Unterschiede der Kontaktkräfte auf-treten. Im Frequenzbereich über 1 kHz kommen dagegen die im folgenden beschrie-benen aerodynamischen Vorgänge zum Tragen, die bei kleiner werdender Makro-rauigkeit der Fahrbahnoberfläche sogar zu einem leichten Pegelanstieg führen.

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In diesem Zusammenhang ist noch zu bemerken, dass eine Verminderung der hier dargestellten Kontaktkraft nichts mit einer verschlechterten Griffigkeit des Fahrbahn-belages zu tun hat. Die hier dargestellten Kontaktkräfte beziehen sich auf die Anre-gung des Reifens zu Schwingungen und resultieren aus Unterschieden der Makro-textur der Fahrbahnoberfläche im Wellenlängenbereich zwischen 2 mm und 500 mm. Die Griffigkeit eines Fahrbahnbelages resultiert dagegen aus der Rauigkeit der Fahr-bahnoberfläche im Mikrotexturbereich unter 1 mm Wellenlänge.

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Abbildung 5. Texturspektren, Kontaktkraftspektren und Spektrum des Reifen-Fahrbahn-Geräusches dreier Fahrbahnoberflächen, die mit einer Abstreuung unterschiedlicher Korn-größenverteilung versehen sind. Die Spektren der Kontaktkräfte und der Reifen-Fahrbahn-Geräusche gelten für einen repräsentativen Pkw-Reifen und eine Geschwindigkeit von v = 80 km/h.

2.2.2 Aerodynamische Anregung Luft ist ein kompressibles Medium. Dies führt dazu, dass die Luft in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn - im Gegensatz zu Wasser - nicht nur verdrängt, son-dern bei hohem Staudruck in den Hohlräumen auch komprimiert wird (bei zu hohem Staudruck von Wasser schwimmt der Reifen wegen der sehr geringen Kompressibi-lität des Mediums auf („Aquaplaning“)). Rollt der Reifen weiter, kommen diese Hohl-räume wieder frei und die eingeschlossene Luft wird entspannt (air pumping). Wichtig für die Schallentstehung sind zwei Eigenschaften des air pumpings:

• der beim Einsaugen und Ausblasen der Luft in den Hohlräumen entstehende Luftstrom ist nicht konstant, sondern ändert sich mit der Zeit

• Einsaug- und Ausblasstelle sind räumlich voneinander getrennt

Die räumliche Trennung zwischen Profileinlauf, an dem die Luft eingesaugt wird, und dem Profilauslauf, an dem die komprimierte Luft ausströmt, ist akustisch von Bedeu-tung. Sie führt zur Abstrahlung höherfrequenter Schallanteile (f > 1 kHz), wogegen sich tieffrequente Schallanteile mit - im Vergleich zur Länge der Reifenaufstandsflä-che - großen Wellenlängen bereits unmittelbar an der Kontaktfläche aufgrund der Gegenphasigkeit der Vorgänge am Profilein- und -auslauf kompensieren.

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Rotation und Fortbewegung des Reifens und die Verdrängung an Hindernissen in der Kontaktfläche (Fahrbahnrauigkeit) führen zu Strömung der Luft durch die von Profil und Fahrbahn gebildeten Kanäle, Hohlräume und Begrenzungsflächen. Mit zuneh-mender Fahrgeschwindigkeit wächst die Intensität der durch die Strömung verur-sachten Geräusche an. Sowohl die Gestalt als auch die Abmessungen dieser von Reifen und Fahrbahn gebildeten Hohlräume und Begrenzungsflächen spielen dabei eine wichtige Rolle. Insofern geht also die dreidimensionale Gestalt der Fahrbahn-oberfläche in die Wirksamkeit auch dieses Entstehungsmechanismus ein.

Hinsichtlich der aerodynamischen Anregung sind im wesentlichen zwei Mechanismen zu unterscheiden:

• Kompressions- und Dekompressionsvorgänge in abgeschlossenen Hohlräumen (air pumping)

• Resonanzerscheinungen in offenen Hohlräumen

In Abbildung 6 sind beide Mechanismen schematisch dargestellt. a) b)

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Abbildung 6. Aerodynamische Schwingungsanregung am rollenden Reifen. a) „air pumping“, b) schwingende Luftsäulen im Reifen-Fahrbahn-Kontakt (Resonanzerscheinungen).

2.3 Schallabstrahlung Der von Blasmusikinstrumenten bekannte Schalltrichter dient dazu, die Abstrahlung der vom Musikinstrument ausgehenden Schallwellen zu verbessern, das heißt zu verstärken. Ronneberger et al. [3] haben nachgewiesen, dass der von der ge-krümmten Lauffläche und der Fahrbahnoberfläche gebildete Schalltrichter im Ein- und Auslauf des Reifens ebenfalls erheblich zu einer Verstärkung der Schallabstrah-lung im Frequenzbereich zwischen 1 und 3 kHz beitragen kann („Horneffekt“, Abbil-dung 7). Kropp et al. [4] geben das Verstärkungsmaß mit Werten zwischen 7 dB und fast 20 dB an, je nach Frequenz und Abstrahlwinkel. Die Wirksamkeit dieses und an-derer Mechanismen hängt aber auch von den akustischen Eigenschaften der Fahr-bahn ab. Die Schallabstrahlung wird wesentlich davon beeinflusst, inwieweit die Fahrbahn schallreflektierend oder schallabsorbierend („schallschluckend“) wirkt. Im Falle der Schallabsorption, wie es für offenporige Deckschichten zutrifft, trägt diese akustische Eigenschaft der Fahrbahn zu einer deutlichen Verminderung der Schallabstrahlung bei.

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Abbildung 7. Schallabstrahlung und „Horneffekt“ (Schalltrichter blau dargestellt).

2.4 Schallemission in Abbildung 8 sind die Spektren der Reifen-Fahrbahn-Geräusche und Antriebs-geräusche für Pkw, leichte Lkw (Zweiachser) und schwere Lkw (Mehrachser) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt. Aus der Abbildung geht deutlich das Überwiegen der Reifen-Fahrbahn-Geräusche gegenüber den Antriebsgeräu-schen der Pkw hervor. Außerdem wird sichtbar, dass sowohl die Reifen-Fahrbahn-Geräusche als auch die Antriebsgeräusche der Lkw im tieffrequenten Bereich deut-lich höhere Schallanteile aufweisen als die für Pkw.

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Abbildung 8. Spektren des Schallleistungspegels der Reifen-Fahrbahn-Geräusche und der Antriebsgeräusche von Pkw, leichten und schweren Lkw in Abhängigkeit von der Geschwin-digkeit.

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2.5 Schallausbreitung Auch die Schallausbreitung auf dem Weg von den Schallquellen des Reifen-Fahr-bahn-Geräusches zum Empfänger wird von Fahrbahneigenschaften beeinflusst. Hier spielen die akustischen Eigenschaften der Fahrbahn und der angrenzenden Flächen eine Rolle. Auch hier gilt, dass die Schallausbreitung über schallabsorbierende Ober-flächen - wie im Falle offenporiger Deckschichten - zu geringeren Schallimmissionen am Ort des Empfängers führt als bei schallreflektierenden Oberflächen. Abbildung 9 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Die Abbildung zeigt die Dämpfung in dB, die der vom Fahrzeug ausgehende Schall auf dem Ausbreitungsweg erfährt. Der Schallaus-breitungsweg ist in diesem Fall ein herkömmlicher Drainasphalt (einschichtiger offen-poriger Asphalt) mit einer Schichtdicke von 4 cm. Die Schalldämpfung ist für vier ver-schiedene Höhen der Schallquelle über der Fahrbahnoberfläche dargestellt. Diese vier Höhen repräsentieren vier verschiedene Schallquellen von Straßenfahrzeugen: den Reifen-Fahrbahn-Kontakt (Quellhöhe 1 cm) und die Antriebsschallquellen von Pkw (30 cm), leichten Lkw (50 cm) und schweren Lkw (75 cm).

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Dämpfung in dB

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Terzmittenfrequenz in Hz

Abbildung 9. Frequenzabhängige Dämpfung der Schallanteile von Kraftfahrzeugen auf dem Ausbreitungsweg eines einschichtigen offenporigen Asphalts mit einer Schichtdicke von 4 cm, a) Reifen-Fahrbahn-Geräusche, b) Antriebsgeräusche Pkw, c) Antriebsgeräusche leichte Lkw, d) Antriebsgeräusche schwere Lkw.

Wie der Abbildung zu entnehmen ist, ist die dämpfende Wirkung des Fahrbahnbela-ges frequenzabhängig. Im Frequenzbereich um 1 kHz ist die Dämpfung mit etwa 10 dB am größten, wogegen in den benachbarten Frequenzbändern deutlich niedri-gere Dämpfungswerte auftreten bzw. gar keine Dämpfung vorhanden ist. Beim Ver-gleich der verschiedenen Quellhöhen fällt jedoch ein entscheidender Vorteil des OPA gegenüber dichten Fahrbahnbelägen auf. Wenn Dämpfung vorhanden ist, wirkt diese nicht nur pegelmindernd auf die Reifen-Fahrbahn-Geräusche, sondern auch auf die Antriebsgeräusche sowohl von Pkw als auch von Lkw.

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3 Akustische Eigenschaften von Fahrbahnoberflächen 3.1 Systematik

Um Fahrbahnen dauerhaft herzustellen, werden im Straßenbau, den Normen und Technischen Regelwerken entsprechend, Mischungen aus bestimmten Mineralstof-fen und leistungsfähigen Bindemitteln verwendet. Werden die feinstkörnigen Mineral-stoffanteile im Mischgut vermieden, entstehen in der fertigen Deckschicht mehr oder weniger große, von außen für Luft zugängliche Hohlräume, also offenporige Beläge. Dichte wie offenporige Beläge können sowohl aus zementgebundenem als auch bituminösem Mischgut, das heißt sowohl aus Beton als auch aus Asphalt hergestellt werden, wobei die dauerhafte Herstellung offenporiger Betone noch am Anfang steht. Sowohl die Korngrößenverteilung der Mineralstoffe als auch der Gehalt und die Sorte des Bindemittels haben Einfluss auf die akustisch relevanten Eigenschaften der Fahrbahn. Form und Sorte des Mineralstoffs spielen bei dichten Fahrbahnbelägen akustisch keine Rolle. Bei offenporigen Belägen beeinflussen sie Gestalt und Beschaffenheit der Hohlräume, was akustisch bedeutsam ist. Aus Sicherheitsgrün-den muss die Fahrbahnoberfläche auch griffig sein, was durch entsprechende Ober-flächenbearbeitung bewerkstelligt wird. In Abbildung 10 ist die beschriebene Syste-matik der akustisch relevanten bautechnischen Merkmale von Fahrbahnbelägen zusammengefasst dargestellt.

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offenporigdichtDeckschichttyp

Bauweise

Mischgutzusammensetzung

Oberflächenbearbeitung

Mineralstoffe KorngrößenverteilungKorngrößenverteilung(Kornform)(Kornform)(Gesteinsart)(Gesteinsart)

AsphaltAsphaltBetonBeton

AsphaltAsphalt(Beton)(Beton)

Bindemittel MengeMengeSorteSorteAbstreuung mit MineralstoffAbstreuung mit Mineralstoff

(Texturierung) Freilegung von MineralstoffFreilegung von MineralstoffWalzenWalzenmechan. Bearbeitungmechan. Bearbeitung

Abbildung 10. Systematik akustisch relevanter, bautechnischer Merkmale von Fahrbahnbelägen.

Unabhängig von der Bauweise und damit von den bautechnischen Eigenschaften lassen sich drei Merkmale zur Beschreibung der akustischen Eigenschaften von Fahrbahnbelägen angeben: Fahrbahnrauigkeit, Offenporigkeit und Nachgiebigkeit. Alle drei Merkmale lassen sich ihrerseits jeweils durch einen Satz akustisch bedeut-samer Parameter qualifizieren und quantifizieren. Dies ist in Abbildung 11 dargestellt.

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Fahrbahnrauigkeit (Textur) RauigkeitstiefeRauigkeitstiefeRauigkeitswellenlängeRauigkeitswellenlängeGestaltGestaltStrömungswiderstandStrömungswiderstand

Offenporigkeit

Nachgiebigkeit

ReibwertReibwertSchichtdickeSchichtdickeHohlraumgehaltHohlraumgehaltStrömungswiderstandStrömungswiderstandStrukturfaktorStrukturfaktor(Akustische Impedanz)(Akustische Impedanz)

SteifigkeitSteifigkeitVerlustfaktorVerlustfaktor(Mechanische Impedanz)(Mechanische Impedanz)

Abbildung 11. Bauweisenunabhängige Merkmale und Parameter zur Beschreibung der akustischen Eigenschaften von Fahrbahnbelägen.

3.2 Einfluss der Textur 3.2.1 Eigenschaften und Kenngrößen

03_b

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MFB

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gen\

Phy

sik

der R

eife

n-Fa

hrba

hn-G

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sche

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Die geometrische Feingestalt von Fahrbahnoberflächen, die sogenannte Textur, weist je nach Art und Zusammensetzung der verwendeten Baustoffe und des Her-stellverfahrens sehr unterschiedliche Formen auf, die in den üblichen Einzahlwerten wie der Mittleren Texturtiefe (Mean Texture Depth - MTD) kaum oder überhaupt nicht berücksichtigt sind. Es ist deshalb zwingend, für die Betrachtung der Zusammen-hänge zwischen der Fahrbahntextur und dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch andere Kenngrößen heranzuziehen.

Texturen herkömmlicher Fahrbahndeckschichten setzen sich aus vielfältigen Überla-gerungen von Rauigkeitswellen eines kontinuierlichen Spektrums zusammen. Bedeutsam für die Akustik sind die Wellenlängen der Textur im Bereich zwischen etwa 2 mm und 200 mm, der sogenannten Makrotextur, deren Wellenlängen unge-fähr mit den Abmessungen des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes übereinstimmen.

Die Textur der Fahrbahnoberfläche und damit die Rollgeräuschanregung hängt auch vom Herstellverfahren ab. Bei gewalzten Fahrbahnbelägen wie beispielsweise Splittmastixasphalt, Asphaltbeton oder auch offenporigem Asphalt entstehen pla-teauartige Texturen mit schluchtenförmigen Vertiefungen (konkave Gestalt), bei abgestreuten Deckschichten wie Gussasphalt oder Deckschichten mit freigelegtem Mineralstoff wie Waschbeton entstehen dagegen eher „gebirgige“ Texturen mit dazwischenliegenden „Tälern“ (konvexe Gestalt). Der erstgenannte Typ von Fahr-bahntextur führt bei gleichem Größtkorndurchmesser des Mineralstoffgemischs ten-denziell zu leiseren Reifen-Fahrbahn-Geräuschen als der zweite.

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

Beide Gestalttypen sind in Abbildung 12 für zwei reale Oberflächen dargestellt. Die Gestalt stellt eine zusätzliche, (statistisch) unabhängige Information über die Textur einer Fahrbahnoberfläche dar. Daraus ergeben sich die in Abbildung 12 dargestellten Parameter zur Beschreibung der geometrischen Feingestalt von Fahrbahnoberflä-chen. Die in Abbildung 11 zusätzlich eingetragenen Parameter Strömungswiderstand und Reibwert sind darüber hinaus zu einer akustisch vollständigen Beschreibung der Textur notwendig.

Rau

igke

itstie

fe R

Rau

igke

itstie

fe R

Abstreuung 5/8

Rauigkeitstiefe

Texturwellenlänge

Gestalt

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Abbildung 12. Beschreibung der Textur von Fahrbahnoberflächen. Akustisch relevante Parameter am Beispiel der Rauigkeitsprofile zweier grundsätzlich verschiedener Typen von Deckschichten.

In Abbildung 13 sind Texturspektren von dichten Fahrbahndeckschichten zweier Deckschichttypen dargestellt: auf der linken Seite Deckschichten mit freigelegtem bzw. abgestreutem Mineralstoff mit Größtkorndurchmessern von 1 mm bis 8 mm, auf der rechten Seite Deckschichten mit gewalzter Oberfläche und Größtkorndurchmes-sern des Mineralstoffs im Mischgut von 3 mm bis 11 mm. Die Texturspektren weisen in allen Fällen ausgeprägte Maxima (Rmax, λmax mit λmax = λ|R=Rmax) auf, deren Höhe (bei gleichem Größtkorndurchmesser) von der Art der Oberflächenbearbeitung und deren Lage auf der Wellenlängenachse vom Größtkorndurchmesser (bei gleichem Deck-schichttyp) abhängt.

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

a) b)

0

100

200

300

400

500

600

1 2 4 8 16

31,5 63 125

250

500

λ [mm]

SMA 0/11 g=85%SMA 0/8 g=84%AC 0/8 g=91%SMA 0/5 g=91%SMA 0/3 g=90%

0

100

200

300

400

500

600

1 2 4 8 16

31,5 63 125

250

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λ [mm]

SMA 0/11 g=85%SMA 0/8 g=84%AC 0/8 g=91%SMA 0/5 g=91%SMA 0/3 g=90%

0

100

200

300

400

500

6001 2 4 8 16

31,5 63 125

250

500

λ [mm]

R[µ

m]

Abstreu. 5/8 g=45%Abstreu. 3/5 g=45%Abstreu. 1/3 g=40%Abstreu.0,5/1 g=51%

0

100

200

300

400

500

6001 2 4 8 16

31,5 63 125

250

500

λ [mm]

R[µ

m]

Abstreu. 5/8 g=45%Abstreu. 3/5 g=45%Abstreu. 1/3 g=40%Abstreu.0,5/1 g=51%

Wellenlängenvertei-lung hängt ab von

der Korngröße

Rauigkeitstiefe wird bestimmt vom

Einbauverfahren

freigelegtes Korn oderAbstreuung

freigelegtes Korn oderAbstreuung

gewalzteOberflächegewalzteOberfläche

Rmax, λmax

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Abbildung 13. Texturspektren (Rauigkeitstiefe R in Abhängigkeit von der Texturwellenlänge λ) für mehrere Fahrbahnoberflächen zweier Deckschichttypen. a) abgestreute Oberflächen, b) gewalzte Oberflächen, jeweils mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung; (a) ◊ Abstreuung 5-8 mm (Rmax,1 λmax,1), Abstreuung 3-5mm (Rmax,2 λmax,2), ∆ Abstreuung 1-3 mm (Rmax,3 λmax,3), ο Abstreuung 0.5-1 mm (Rmax,4 λmax,4).(b) ο Splittmastixasphalt 0/11, ∆ Splittmastix-asphalt 0/8, X Asphaltbeton 0/8, ◊ Splittmastixasphalt 0/5, Splittmastixasphalt 0/3. Rmax, λmax siehe Text.

Die beiden Gestalttypen von Fahrbahnoberflächen sind nochmals in Abbildung 14 dargestellt. Auf der linken Seite ist als Rauigkeitsprofil der Verlauf der Rauigkeitstiefe in Längsrichtung der Fahrbahnoberfläche über eine Länge von 100 mm, die etwa der Länge der Reifenaufstandsfläche entspricht, aufgetragen. Auf der rechten Seite ist die sogenannte Tragflächenkurve dargestellt. Die Tragflächenkurve gibt an, welcher Tragflächenanteil TFA in % bei einer bestimmten relativen Profiltiefe erreicht wird. An der tiefsten Stelle des Profils beträgt der Tragflächenanteil dementsprechend 100 %. Der Verlauf der Linien für die Tragflächenanteile ist bei den beiden Gestalttypen sehr unterschiedlich und daher charakteristisch. Durc Abgreifen des Wertes des Tragflä-chenanteils bei der halben maximalen Profiltiefe /2 entsteht ein Maß zur Kenn-zeichnung der Gestalt der Textur, das als GestaWerte kennzeichnen dabei tendenziell konkave Ttendenziell konvexe.

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h R̂

ltfaktor g bezeichnet wird. Hohe g-

exturen, niedrige g-Werte dagegen

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

a) konvexe Form

b) konkave Form

Anteil Kontaktlänge

0 20 40 60 80 100%

Anteil Kontaktlänge

0 20 40 60 80 100%0 20 40 60 80 100%

Position x

100 mm

Position x

100 mm

Rau

igke

itR

Rau

igke

itR

Rau

igke

itR

Rau

igke

itR

R̂R̂R̂

R̂R̂R̂

g = 28%

g = 84%

R/2^

R/2^

R/2R̂/2^

R/2R̂/2^

R/2^

R/2^

R/2R̂/2^

R/2R̂/2^

konvexe Form

konkave Form

Abbildung 14. Definition des Gestaltfaktors g zur Kennzeichnung der unterschiedlichen Gestalt von Texturen.

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9

In Abbildung 13 sind die Gestaltfaktoren der Oberflächen, deren Texturspektren dar-gestellt sind, rechts oben eingetragen.

Tendenziell konkave Gestalt entsteht bei allen gewalzten Oberflächen wie beispiels-weise Asphaltbeton oder Splittmastixasphalt, tendenziell konvexe Gestalt dagegen bei allen abgestreuten Oberflächen wie beispielsweise abgestreutem Gussasphalt, Oberflächenbehandlungen und auch Waschbeton.

Drei Texturkenngrößen bestimmen maßgeblich die akustischen Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche:

• der Wert der Rauigkeitstiefe im Maximum der spektralen Hüllkurve Rmax (siehe Abbildung 13)

• die Wellenlänge im Maximum der spektralen Hüllkurve λmax (siehe Abbildung 13)

• der Gestaltfaktor g (siehe Abbildung 14)

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

3.2.2 Optimierung Aus einer Vielzahl von Untersuchungen weiß man heute, dass bei der Kombination bestimmter Texturwellenlängen, Rauigkeitstiefen und Gestalttypen besonders leise Fahrbahnbeläge entstehen. Die Texturwellenlängen im Maximum des Texturspekt-rums λmax liegen bei solchen Fahrbahnbelägen in einem Bereich von 4 mm bis 8 mm, was bei herkömmlichen Fahrbahnbelägen einem Größtkorndurchmesser zwischen etwa 2 mm und 5 mm entspricht. Die Rauigkeitstiefen im Maximum des Textur-spektrums Rmax liegen dann optimalerweise zwischen 60 Mikrometer und 200 Mikro-meter. Die Gestalt entspricht der gewalzter Oberflächen, also tendenziell der einer plateauartigen Oberfläche mit schluchtenförmigen Vertiefungen mit einem Gestalt-faktor über 80 %.

3.2.3 Anforderungen und praktische Umsetzung Die bestehenden Normen und Regelwerke für den Straßenbau sind nicht dazu geeignet, die erhöhten Anforderungen an die Textur reproduzierbar mit geringen Schwankungen des Geräuschminderungswertes umzusetzen. Geräuscharme Fahr-bahnoberflächen lassen sich vor dem Hintergrund der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Anforderungen an die Textur nur durch eine erweiterte Qualitätskon-trolle im Bauprüflabor, im schalltechnischen Labor und auf der Baustelle herstellen. Dabei ist zu bedenken, dass alleine die obersten 10 mm bis 20 mm (!) einer Fahr-bahndeckschicht über einen Pegelunterschied von bis zu 6 dB entscheiden können, je nachdem wie gut die Mischkonzeption an das Ziel eines geräuschmindernden Fahrbahnbelages angepasst ist und wie gut der Einbau gelingt!

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In Abbildung 15 sind die Unterschiede der Dimensionen des Straßenbaus und der Dimensionen der Fahrbahnoberfläche, die akustisch von ausschlaggebender Bedeutung sind, nochmals dargestellt. Die Unterschiede führen vor Augen, dass zwi-schen den straßenbautechnischen Zielgrößen und akustisch relevanten Zielgrößen mindestens drei Größenordnungen liegen. In jedem Meter Fahrbahnbelag, der ein-gebaut wird, sind millimetergroße Strukturen „verborgen“, die darüber entscheiden, ob das Rollgeräusch laut oder leise ist.

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

Straßenbau

Reifen-Fahrbahn-Kontakt10 Zentimeter

10 Meter

Fahrbahnrauigkeit10 Millimeter

Straßenbau

Reifen-Fahrbahn-Kontakt10 Zentimeter

10 Meter

Fahrbahnrauigkeit10 Millimeter

Abbildung 15. Dimensionen des Straßenbaus und akustisch relevanter Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche.

3.3 Einfluss der Schallabsorption

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Offenporige Deckschichten sind im Gegensatz zu dichten Fahrbahnoberflächen zusätzlich durch schallabsorbierende Eigenschaften gekennzeichnet. Offenporigkeit wird derzeit durch Weglassen der Feinkornanteile im Mischgut erzielt. Dadurch ent-stehen Deckschichtstrukturen, die miteinander vernetzte Hohlräume aufweisen. Struktur und „Maschenweite“ dieses Netzes bestimmen maßgeblich das Schall-absorptionsvermögen. Wesentliche Kenngröße ist der Schallabsorptionsgrad α, der den relativen Anteil an der auf die Fahrbahnoberfläche auftreffenden Schallenergie darstellt, der nicht reflektiert, sondern in der Oberfläche absorbiert wird. Bei einem Absorptionsgrad von 1 wird die gesamte auf die Oberfläche treffende Schallenergie „geschluckt“, bei einem Wert von 0 vollständig reflektiert. Der Schallabsorptionsgrad von offenporigen Deckschichten, wie sie derzeit eingebaut werden, hat jedoch nicht über den gesamten Frequenzbereich, in dem die Reifen-Fahrbahn-Geräusche wirk-sam sind, den gleichen Wert, sondern ist frequenzabhängig und erreicht nur in bestimmten schmalen Frequenzbereichen hohe Werte.

Offenporige, schallabsorbierende Oberflächen wirken in dreierlei Hinsicht geräusch-mindernd:

1. Minderung des durch air pumping hervorgerufenen Geräuschanteils der Reifen-Fahrbahn-Geräusche durch „Entlüften“ der Reifenkontaktzone

2. Minderung der Verstärkung durch den „Horneffekt“ bei der Schallabstrahlung der Reifen-Fahrbahn-Geräusche (siehe Abschnitt 2.3).

3. Erhöhung der Schalldämpfung auf dem Ausbreitungsweg (siehe Abschnitt 2.4)

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a)

herkömmlicherDränasphalt

2500,0

1,0

125 2000Frequenz [Hz]

α

0,4

Frequenz [Hz]

α

2500,0

1,0

125 2000Frequenz [Hz]

α

0,4

Frequenz [Hz]

α

Bohrkern 2 4Bohrkern 2 4

40mm40mm

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Vor

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2lagiger offenporigerAsphalt

0,0

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Frequenz [Hz]

α

70mm70mm

Abbildung 16. Frequenzgang der Schallabsorptionsgrade α offenporiger Deckschichten. (a) einschichtiger OPA, Schichtdicke 4 cm; (b) zweischichtiger OPA, Schichtdicke 2,5 / 4,5 cm.

In Abbildung 16 ist der Schallabsorptionsgrad in Abhängigkeit von der Frequenz für einen einschichtigen offenporigen Asphalt (OPA, Dränasphalt) mit einer Schichtdicke von 4 cm (Korngrößenverteilung 4-8 mm) und einem Hohlraumgehalt von 26 % und einen sogenannten zweischichtigen offenporigen Asphalt (2OPA) neuester Techno-logie mit einer Gesamtschichtdicke von 7 cm (Korngrößenverteilung untere Lage: 11-16 mm, obere Lage: 4-8 mm) und einem Hohlraumgehalt von 27 % dargestellt. Bei dem einschichtigen OPA werden in einem schmalen Frequenzbereich bei 800 Hz nahezu 100 % der auftreffenden Schallenergie absorbiert, wogegen bei der zwei-schichtigen Deckschicht bei 500 Hz 90 % und bei 1500 Hz 80 % absorbiert werden, die absorbierende Wirkung also breitbandiger ist.

Akustisch hochwirksame, zweischichtige offenporige Asphalte repräsentieren derzeit noch eine Sonderbauweise. Die Zweischichtigkeit wird - neben der Verbesserung der absorbierenden Wirkung - insbesondere dazu ausgenutzt, das Verhalten offenporiger Asphalte gegenüber Verschmutzung zu verbessern. Die grobkörnige untere Lage mit deutlich größeren Hohlräumen sorgt dafür, dass feiner, in die Deckschicht eindrin-gender Schmutz gut ausgewaschen wird. Auf Vor- und Nachteile dieser Bauweise wird in einem anderen Beitrag dieses Tagungsbandes ausführlich eingegangen.

Der Frequenzgang des Absorptionsgrades offenporiger Asphalte ist, wie die Mess-ergebnisse für tatsächlich ausgeführte offenporige Asphalte in Abbildung 16 zeigen, gekennzeichnet durch ausgeprägte Maxima in dem für das Rollgeräusch interessie-renden Frequenzbereich von etwa 200 Hz bis 4000 Hz. Die Merkmale dieser Maxima, die Abbildung 17 nochmals modellhaft zeigt, sind ihre

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• Lage,

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• Höhe und

• Breite.

Abbildung 17. Absorptionsfrequenzgang eines gut gelungenen offenporigen Asphalts. Dargestellt ist der Einfluss verschiedener Deckschichtparameter auf den Verlauf des Frequenzgangs.

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Diese hängen direkt oder indirekt von bautechnischen Parametern ab, so dass anhand von Lage, Höhe und Breite der Maxima nicht nur Rückschlüsse auf das akustische Verhalten des Fahrbahnbelages gezogen, sondern – beispielsweise bei Nichteinhaltung der akustischen Spezifikationen – auch Aussagen darüber getroffen werden können, welche Materialparameter des Mischgutes zu ändern sind bzw. nicht den Anforderungen entsprechen.

Lage und Höhe der Maxima hängen im wesentlichen von Schichtdicke und Hohl-raumgehalt ab. Beide physikalischen Größen, die die akustischen Eigenschaften eines offenporigen Fahrbahnbelages beeinflussen, sind auch Bestandteil von Prü-fungen im Bauprüflabor und damit auch in bautechnischen Regelwerken beschrie-ben. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass zwischen den in bautechnischen Prüfungen bestimmten Hohlraumgehalten und Schichtdicken ein großer Unterschied zu den Werten bestehen kann, die aus akustischen Messungen des Schallabsorp-tionsgrades abgeleitet werden.

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Dieser Sachverhalt ergibt sich dadurch, dass für die Akustik nur die für Schallwellen, die von außen in die Deckschicht eindringen, zugänglichen Hohlräume bedeutsam sind. Nicht alle Hohlräume einer praktisch ausgeführten offenporigen Deckschicht sind jedoch zugänglich. Aus diesem Grund ist sowohl zwischen bautechnischem Hohlraumgehalt und zugänglichem Hohlraumgehalt als auch bautechnischer Schichtdicke und akustisch wirksamer Schichtdicke zu unterscheiden. Wie weit sich bautechnischer und akustischer Hohlraumgehalt, bautechnische und akustisch wirk-same Schichtdicke voneinander unterscheiden hängt entscheidend von der Qualität

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des Mischgutes und des Einbaus, später aber auch vom sich verändernden Zustand des Fahrbahnbelages im Betrieb ab.

a) b)

Abbildung 18. Dreidimensionale Abbildung der Hohlräume (gelb) einer offenporigen Asphalt-deckschicht, Mineralstoffe und Bindemittel sind in Grauschattierung dargestellt. a) zugängli-che, vernetzte und damit akustisch wirksame Hohlräume, b) Hohlraumstruktur einer ver-schmutzten OPA-Deckschicht mit isolierten und damit akustisch unwirksamen Hohlräumen. Bilder mit freundlicher Genehmigung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

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In Abbildung 18 ist der strukturelle Unterschied von zugänglichen und nicht zugängli-chen Hohlräumen in einer offenporigen Asphaltdeckschicht anhand von computer-tomographischen Analysen von Bohrkernen veranschaulicht.

Verändert man den akustisch wirksamen Hohlraumgehalt einer offenporigen Deck-schicht zwischen 0 % und 100 %, ergibt sich die in Abbildung 19 dargestellte Abhän-gigkeit des Schallabsorptionsgrades. Wie der Abbildung zu entnehmen ist, steigt der Absorptionsgrad in dem Bereich bautechnisch realisierbarer Hohlraumgehalte von bis zu 30 % auf den maximal möglichen Wert von 1 an. Andererseits wird anhand der Abbildung auch deutlich, dass für diesen hohen Wert des Absorptionsgrades auch Hohlraumgehalte von mindestens 20 % notwendig sind. Unter 20 % Hohlraumgehalt nimmt der Absorptionsgrad schnell ab.

Die obere Begrenzung des Hohlraumgehaltes ergibt sich aufgrund der Struktur des Korngerüstes in der fertig verdichteten Deckschicht. Die einzelnen Körner liegen dicht an dicht mit geringst möglichem Abstand, um eine gute bautechnische Haltbarkeit zu gewährleisten. Aufgrund der Form der Mineralstoffkörner und des fehlenden bzw. sehr geringen Feinkorn- und Fülleranteils ergeben sich „Lücken“ zwischen den Mine-ralstoffkörnern, die nicht gefüllt sind und zu dem akustisch notwendigen Hohlraum-gehalt führen. Kornform und daraus resultierende Packungsdichte der Körner führen aus geometrischen Gründen zu einem maximal möglichen Hohlraumgehalt von etwa 30 %.

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4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge MÜLLER-BBM in der Praxis – Lärmaktionsplanung 11./12.06.2008

Abbildung 19. Abhängigkeit des Schallabsorptionsgrades α von der Frequenzquenzachse) und dem Anteil zugänglicher Hohlräume einer 7 cm dicken offenpschicht. Strömungswiderstand Ξ = 420 Pa s/m.

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Der Hohlraumgehalt dagegen hat – neben der Schichtdicke – den größtauf das Absorptionsvermögen. Mit abnehmendem Hohlraumgehalt nimmAbsorptionsgrad (aller Maxima) ab. Mit abnehmenden Hohlraumgehalt nder Strömungswiderstand zu.

Ein weiterer, für die akustische Wirkung offenporiger Asphalte entscheidmeter ist die akustisch wirksame Schichtdicke, unabhängig davon, ob eeinschichtige oder zweischichtige OPA-Deckschichten handelt. Die VertSchichtdicke zwischen unterer und oberer Schicht bei zweischichtigen oAsphalten hat grundsätzlich keinen Einfluss auf das Absorptionsspektrudend ist die Gesamt-Schichtdicke. Variiert hingegen die Gesamt-Schichschieben sich die Maxima erheblich. Je dünner die Gesamtschicht, destgen die Frequenzen der Maxima und umgekehrt. Abbildung 20 zeigt demenhang zwischen dem Frequenzgang des Absorptionsgrades und derSchichtdicke für einen OPA.

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bautechnisch nicht realisierbar

bautechnisch realisierbar

(lineare Fre-origen Deck-

en Einfluss t der immt auch

ender Para-s sich um eilung der ffenporigen m. Entschei-tdicke, ver-o höher lie-n Zusam- Gesamt-

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Abbildung 20. Abhängigkeit des Schallabsorptionsgrades α von der Frequenz und der akus-tisch wirksamen Schichtdicke in der offenporigen Deckschicht.

Die Abbildung macht deutlich, wie empfindlich die akustisch wirksame Schichtdicke reagiert bezüglich des Einbaus sowohl der Dichtungsschicht als auch der Deck-schicht. Bei zu bitumenreichen Abdichtungsschichten – wie beispielsweise einer bin-demittelreichen SAMI – kann das Bindemittel beim Einbau des OPA aufgrund der Erhitzung von der Abdichtungsschicht in die unteren Schichten des OPA aufsteigen und dort den zugänglichen Hohlraumgehalt deutlich verringern, was wiederum die akustisch wirksame Schichtdicke verringert. Auch zu hohe Bindemittelgehalte, die während des Einbaus zu einem Ablaufen und Absetzen des Bitumens am Boden der offenporigen Deckschicht führen, verringern die akustisch wirksame Dicke der Deck-schicht. Die Folge ist in beiden Fällen die selbe: Das erste Absorptionsmaximum wird nach höheren Frequenzen verschoben, wodurch beispielsweise ein für Lkw-Geräu-sche optimierter OPA seine Wirkung für die tieffrequenten Lkw-Rollgeräusche ver-liert.

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Die Breite der Maxima des Absorptionsgrades hängt hauptsächlich vom Strömungs-widerstand für Luft in der offenporigen Deckschicht ab. Dieser stellt eine akustische Kenngröße dar, die ebenfalls von bautechnischen Eigenschaften der Deckschicht bestimmt wird. Der Strömungswiderstand ist abhängig von der Gestalt, den Abmes-sungen und der Beschaffenheit der Grenzflächen der miteinander vernetzten Hohl-räume, so dass Maximalkorngröße, Korngrößenverteilung und Kornform der Mineral-stoffe, aber auch Bindemittel und Bindemittelgehalt in den Strömungswiderstand ein-gehen. Anhand der Prinzipskizzen in Abbildung 21 wird deutlich, welchen Einfluss die Struktur der Hohlräume auf den Strömungswiderstand haben kann.

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Abbildung 21. Prinzipskizzen einer mit luftgefüllten Kapillaren (Hohlräumen) durchsetzten Deckschicht. Die Hohlräume des Beispiels links sind kaum verschränkt, weshalb einem Luft-strom wenig (Strömungs-)Widerstand entgegengesetzt wird. Die Hohlraumstruktur im Beispiel rechts weist denselben Hohlraumgehalt auf, aufgrund der Verzahnung jedoch einen deutlich höheren Strömungswiderstand.

In der Praxis zeigt sich, dass sich Hohlraumgehalt und Strömungswiderstand in offenporigen Deckschichten nicht unabhängig voneinander einstellen lassen. Ein niedrigerer Hohlraumgehalt geht stets mit einem höheren Strömungswiderstand einher. In Abbildung 22 ist dargestellt, wie sich der Strömungswiderstand in Ab-hängigkeit vom Hohlraumgehalt ergibt und der Absorptionsfrequenzgang dem-entsprechend darauf reagiert.

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Abbildung 22. a) Abhängigkeit des Strömungswiderstandes vom Hohlraumgehalt, b) Fre-quenzgang des Schallabsorptionsgrades von Hohlraumgehalt und daran gekoppeltem Strö-mungswiderstand. Frequenzachse logarithmisch.

3.3.1 Praktische Bedeutung Mit nur zwei akustischen Kenngrößen, dem Absorptionsfrequenzgang und dem Strömungswiderstand lassen sich also eine Reihe von Rückschlüssen ziehen auf bautechnische Eigenschaften der Deckschicht und deren Eignung für die Herstellung eines akustisch optimalen Fahrbahnbelages. Da sie sich nicht nur an der fertigen Deckschicht, sondern auch an Probekörpern bestimmen lassen, eignen sie sich nicht nur für die Abnahme am Bau, sondern auch für den bautechnischen Entwurf und die bautechnische Eignungsprüfung. Damit wird sowohl eine durchgängige akustische Qualitätssicherung als auch eine Möglichkeit zur bautechnischen Optimierung offen-poriger Deckschichten möglich. Die akustischen Eigenschaften sind nicht mehr dem Zufall überlassen.

3.4 Einfluss der Nachgiebigkeit

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Es wird immer wieder diskutiert, inwieweit eine eventuell vorhandene Schwingungs-fähigkeit der Fahrbahndecke auch zur Abstrahlung von Schall von der Fahrbahn-oberfläche außerhalb des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes beitragen kann. Wenngleich Fahrbahnschwingungen aufgrund der schlechten Anpassung der Wellenlängen an die Wellenlängen in Luft praktisch nicht abgestrahlt werden, ist ein lokaler Einfluss

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der mechanischen Impedanz der Fahrbahndeckschicht auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch feststellbar.

Zwischen Oberflächen auf Asphalt- und Betonuntergrund kann bei vergleichbarer Textur ein systematischer Unterschied von 1 bis 2 dB in den Vorbeirollpegeln für Pkw-Reifen zugunsten des Asphaltuntergrundes gemessen werden [5]. In einem Vergleichsexperiment mit zwei Oberflächen identischer Textur jedoch deutlich unter-schiedlicher mechanischer Impedanz konnte zusätzlich bestätigt werden, dass Elas-tizität und Dämpfungseigenschaften der Deckschicht bei der Entstehung von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen eine deutliche Rolle spielen. Auf zwei Testfeldern wurde Schleifpapier der Korngrößenverteilung 0,6 bis 1 mm einmal auf Betonuntergrund und einmal auf einer auf Betonuntergrund aufgeklebten elastischen Zwischenlage mit lastabhängigem Elastizitätsmodul E (E = 2,4 N/mm2 bei einer Flächenpressung von 0,18 N/mm2) aufgebracht. Die Terzspektren der mittleren Vorbeirollpegel für ein Kollektiv von Pkw-Normalreifen sind in Abbildung 23 dargestellt. Durch die elastische Zwischenlage nimmt der Vorbeirollpegel bei identischer Textur um 4 dB ab, wobei insbesondere der Frequenzbereich um 1 kHz, in dem Schallanregung durch mecha-nische Vorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt eine Rolle spielen, bedämpft wird.

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Abbildung 23. Spektrum des mittleren Vorbeirollpegels LpAF für ein Kollektiv von 12 Pkw-Normalreifen für v = 80 km/h; Oberflächen mit identischer Textur jedoch unterschiedlicher Nachgiebigkeit. fT: Mittenfrequenz des Terzbandes in Hz.

Nachgiebige geräuschmindernde Fahrbahnbeläge befinden sich derzeit in der Ent-wicklung. Erste umfangreiche Untersuchungen hierzu wurden im Rahmen des nie-derländischen Forschungsprojektes IPG (Innovatie Programm Geluid) bereits durch-geführt [6].

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4 Literatur [1] Betz, E., Beckenbauer, T.: „Lärmminderung von Pkw und Lkw durch offenporige

Asphalte“, Straße und Autobahn, 56, Heft 6/2005, S. 327, Kirschbaum Verlag, Bonn, 2005

[2] Kropp, W. et al.: “The modelling of tyre/road noise – a quasi threedimensional model”, Proc. Inter noise 2001, Den Haag, Niederlande, paper no. 657, 2001.

[3] Ronneberger, D. et al.: “Rolling noise of tyres - fluctuation and of pressure and flow velocity in the vicinity of the contact area”. Publ. Wiss. Film Sekt. Techn. Wiss./Naturw. Ser. 8, Nr. 25/C 1503, 1984.

[4] Kropp, W., et al.: „On the sound radiation from tyres“. Acustica – acta acustica, 86, 5, S. 760, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 2000.

[5] Beckenbauer, T. et al.: Einfluss der Fahrbahntextur auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch. Forschungsberichte aus dem Forschungsprogramm des Bundes-ministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen und der Forschungs-gesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Heft 847, August 2002.

[6] http://www.innovatieprogrammageluid.nl/data/files/algemeen/... ...RE3%20Measurement%20data%20Kloosterzande.pdf