3D-Reflektor

Das Objekt „3D-Reflektor“ ist ein Sonderobjekt, dass nicht in Normen oder Richtlinien hinsichtlich seiner Eigenschaften und seiner abschirmenden Wirkung beschrieben ist.

Geneigter, schwebender 3D-Reflektor in der 3D-Ansicht

Der 3D-Reflektor modelliert eine frei im Raum orientierbare, beliebig geformte geschlossene, ebene Polygonfläche, bei der der kürzeste Umweg zwischen Quelle und Aufpunkt die Schirmwirkung bestimmt. Zudem werden Seitenbeugung und Reflektionen bis zur 1.Ordnung berücksichtigt. Einzelne Kanten des 3D-Reflektors können von der Berechnung der Seitenbeugung ausgenommen werden (s.u. „Kanten verbieten“). Dies verhindert die Beugung um die gewählte Kante, z.B. bei geometrisch anschließenden Hindernissen.

Der 3D-Reflektor wird immer als koplanare Fläche in der Berechnung berücksichtigt. Falls Polygonpunkte eingegeben werden, die nicht in einer Ebene liegen, wird zunächst durch quadratische Mittelung eine ebene Fläche erzeugt.

Normative Hinweise

Der 3D-Reflektor als Sonderobjekt ist nur mit solchen Normen und Richtlinien vereinbar, die ein Beugungsmodell unterer Verwendung des rein geometrisch bestimmten Strahlumwegs verwenden. Daher ist der 3D-Reflektor nicht bei Normen und Richtlinien wirksam (d.h. ohne abschirmende Wirkung), deren Beugungsmodell z.B. eine Zusatzhöhe Δh benutzt oder bestimmte abschirmende Objekte im Strahlweg von der Beugungsrechnung ausschließt („wirksamster Schirm“).

Standardmäßig ist der 3D-Reflektor daher nur bei Normen und Richtlinien wirksam, deren Beugungsmodelle die oben genannte Bedingung erfüllen und bei denen die Schirmwirkung von mehreren Hindernissen im Strahlweg mittels der sogenannten „Gummiband-Methode“ ermittelt wird, wie z.B:

• ISO 9613-2 (1996) und ISO 9613-2 (2024)
• RLS-90
• Schall 03 (1990) und Schall 03 (2014)

Weitere Informationen zur Richtlinien-spezifischen Vorgehensweisen bei der Beugungsrechnung und der Wirksamkeit des 3D-Reflektors siehe Registerkarte Industrie, Registerkarte Straße und Registerkarte Schiene.

Berechnungskonfiguration

Die Konfigurationen auf den Registerkarten „Industrie“, „Straße“ und „Schiene“, die Beugungsrechnung betreffen, sind auch beim 3D-Reflektor relevant. Ggf. ist zu beachten:

• Die Nichteinbeziehung der Seitenbeugung und der Wegfall der Bodendämpfung ist für Straßen in RLS-90 und für Schienen in Schall 03 streng geregelt (Option „Streng nach ...“).
• Für Industriequellen kann die Einbeziehung der Seitenbeugung eingestellt und die Schirmkoeffizienten ggf. modifiziert werden (siehe Registerkarte Industrie).

Dialogoptionen

BEZ, Info-Fenster, ID, ObjectTree, Master

siehe Dialogfelder BEZ, ID, INFO, ObjectTree, Master im Handbuch „Einführung in CadnaA“

Reflexionsverlust (dB)/Absorptionsgrad Alfa

Standardmäßig erzeugt der 3D-Reflektor keine Reflexionen (Option „keine Reflexion“). Bei gewählter Option „Reflexionsverlust“ oder „Absorptionsgrad“ kann über die jeweiligen Auswahlsymbole die Reflexionsart (siehe Kapitel 3 - Hindernisse, Reflexionseigenschaften) ausgewählt oder auf die lokale oder - mit SHIFT-Klick - auf die globale Absorptions-Bibliothek zugegriffen werden.

In diesem Fall werden Reflexionen von der Reflektoroberfläche nach dem Spiegelquellenverfahren berücksichtigt, wenn in der Berechnungskonfiguration, Registerkarte „Reflexion“ (siehe Registerkarte Reflexion), mindestens die erste Reflexionsordnung eingestellt und der Strahlweg konstruierbar ist.

Seiten Links/Rechts

Bezüglich der „linken“ und „rechten“ Seite gilt die „Rechte-Hand-Regel“: Wird die rechte Hand so gekrümmt, dass diese entlang der Außenkante des Polygons verläuft, wobei die Finger vom ersten zum letzten Polygonpunkt zeigen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen in Richtung der Flächennormalen der „rechten“ Seite.

Schaltfläche „Kanten verbieten“

Im sich öffnenden Dialog Kanten verbieten (siehe unten) können die Reflektorkanten markiert werden, die von der Beugungsrechnung ausgenommen werden sollen. Bis zu 32 Kanten des 3D-Reflektors können verboten/ausgenommen werden. Besitzt ein 3D-Reflektor mehr als 32 Kanten, können diese weiteren Kanten nicht mehr ausgeschlossen werden.

Dialog Kanten verbieten

Liste „Verbotene Kanten“

Klicken Sie zum Ausschließen einer Kante einmal auf die Bezeichnung der Kante (z.B. K01) oder Doppelklicken Sie auf eine Kante in der Grafik darunter. Zusätzlich sind Tastaturbefehle verfügbar, um die nächste Kante zu selektieren (K) und die Aktivierung zu ändern (SPACE).

Grafikanzeige

Eine verbotene Kante wird in der Grafik dadurch kenntlich gemacht, dass kein Fassadenpunktsymbol (Achteck) mehr angezeigt wird. Ein erneuter Klick auf die Bezeichnung schließt die Kante in die nächste Beugungsrechnung wieder ein.

In der Grafik wird die betroffene Kante durch einen schwarzen Balken markiert. Alternativ kann auch in der Grafik auf eine Kante doppelt geklickt werden, um diese aus- oder einzuschließen.

Zoomen in der Grafik

Nach Klick in das Grafikfenster kann die Anzeige mit dem Mausrad gezoomt werden.

Zusätzliche Hinweise

Im Zusammenhang mit der Anwendung des 3D-Reflektors stellen sich ggf. mehrere Fragen, die im nachfolgenden beantwortet werden.

Beschränkung auf bestimmte Normen

Die gängigen Normen und Richtlinien erlauben nur Schirme, die vertikal auf der Bezugsebene stehen und mit einer geraden, ggf. geneigten, Oberkante abschließen. Der 3D-Reflektor ermöglicht eine Lösung für spezielle Fälle, bei denen eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften berücksichtigt werden sollen:

• Reflexion von irregulär begrenzten vertikalen Flächen,
• Reflexion von Flächen, die weder horizontal noch vertikal sind,
• Beugung an beliebig positionierten Kanten, auch Beugung nach oben.

Diese Lösung stellt insofern eine „stand-alone“ Lösung dar, da die Berechnung der Reflexion und Beugung am 3D-Reflektor erfolgt, ohne die (möglichen) Interaktionen mit anderen abschirmenden Objekten zu berücksichtigen.

Zur Berechnung der Schirmwirkung sind nur solche Normen bzw. Verfahren geeignet, die auf dem rein geometrisch ermittelten Strahlumweg basieren, ohne Einbeziehung einer Zusatzhöhe (z.B. um eine parabolische Strahlkrümmung über die Schirmoberkante einzubeziehen). Zudem sind keine Normen bzw. Verfahren geeignet, die auf dem „effektivsten“ Schirm oder ähnlichen Kriterien basieren. Diese Methoden sind im Falle des 3D-Reflektors ungeeignet, da die die Schirmwirkung bestimmende Schirmkante beliebig im Raum orientiert sein kann, wobei o.g. Konstrukte nicht anwendbar sind.

Beschränkung auf ebene Platte

Die Abschirmformeln in den zugrundeliegenden Normen gelten nur für ebene Schirmflächen. Daher muss - zur Anwendung dieser Algorithmen - die Ebenheit programmseitig ggf. erzwungen werden. Dies erfolgt im ersten Berechnungsschritt (siehe Programm-interne Vorgehensweise weiter unten).

Beschränkung auf Reflexionen 1.Ordnung

Da der 3D-Reflektor im Raum frei orientierbar ist, können Strahlen, die vom 3D-Reflektor nach einmaligen Reflexion ausgehen (Reflexion 1.Ordnung), geometrisch auf den Boden treffen. Da alle Modelle zur Schallausbreitung im Freien jedoch die Bodenreflexion nicht mit Hilfe von Spiegelquellen, sondern algorithmisch auf Basis von Quelle- und Empfängerhöhe, sowie deren Abstand, in die Ausbreitungsrechnung einbeziehen, kann eine derartige Reflexion am Boden nicht durch Strahlen abgebildet werden, ohne die grundlegenden Prinzipien der Schallausbreitungsmodelle zu verletzen. Daher können Reflexionen höherer als der 1.Ordnung nicht zugelassen werden.

Beachten Sie im übrigen, dass Reflexionen - wie auch bei allen anderen reflektierenden Objekten - generell nur dann in die Berechnung einbezogen werden, wenn die entsprechenden Strahlwege geometrisch konstruierbar sind (mit Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Ist eine Reflexionspfad nicht konstruierbar, so kann die Reflexion an diesem Objekt dennoch akustisch relevant sein, nur kann diese im Modell unter Anwendung der verwendeten Berechnungsmethodik (Strahlmodell) nicht abgebildet werden. Daran ist erkennbar, dass die Einbeziehung von Reflexionen innerhalb der normativen Verfahren allenfalls eine Näherungslösung darstellt.

Programm-interne Vorgehensweise

Im Zuge der Berechnung werden Programm-intern folgende Schritte durchgeführt:

• Die Eingabe eines 3D-Reflektors erfolgt als beliebiger Polygonzug mit beliebiger Fläche oder ggf. verschiedener Höhe an jedem Polygonpunkt. Es wird geprüft, ob das eingegebene Polygon eine Ebene aufzieht (siehe „eingegebenes Polygon“ in nachstehender Abbildung). Ist dies nicht der Fall, so werden die neuen z-Koordinaten so bestimmt, dass alle Punkte auf einer Ebene liegen und die Summe der Quadrate aller Korrekturen dH minimal ist (siehe „flaches 3D-Polygon für Berechnung“). Dabei werden die eingegebenen Objektkoordinaten beibehalten.

• Im Zuge der Reflexionsberechnung wird - wie üblich - das Spiegelquellen-Verfahren benutzt, um den möglichen Reflexionspunkt zu ermitteln. Nur wenn der Reflexionspunkt innerhalb des Polygons liegt, wird der Reflexionsbeitrag unter Berücksichtigung von Absorption bzw. Reflexionsverlust berechnet (als separater reflektierter Strahl).

• Bei der Beugungsrechnung wird davon ausgegangen, dass maximal drei gebeugte Strahlen zum Immissionspegel beitragen: der (gebeugte) Direktstrahl und zwei Seitenbeugungspfade. Dazu wird folgende Strategie angewendet:

1. Durchstößt der Verbindungsstrahl Quelle-Immissionsort den 3D-Reflektor, so wird zunächst der Durchstoßpunkt S ermittelt (siehe nachstehende Abbildung).

2. Es wird Strahlweg ermittelt, der zum kürzesten Umweg führt und damit den höchsten Beitrag liefert. Dazu wird der Abstand aller Polygonkanten vom Durchstoßpunkt berechnet. Der kürzeste Abstand bestimmt die Kante mit dem größten Beitrag. Mit der Länge (Q-S1*-P) – (Q-P) wird die Dämpfung dieses Beitrags berechnet (siehe nachstehende Abbildung).

3. Zur Berechnung der Seitenbeugung wird wie folgt vorgegangen: Eine in der Ebene des 3D-Reflektors verlaufende Gerade, die den Durchstoßpunkt S enthält und senkrecht zur Strecke Durchstoßpunkt-erster Umwegpunkt (S-S1*) verläuft, bildet mit den von ihr geschnittenen Kanten des 3D-Reflektors die beiden anderen Umwegpunkte S2* und S3* (siehe nachstehende Abbildung).

• Die Beiträge dieser beiden Seitenbeugungsstrahlen und des gebeugten Direktstrahls werden bei der Berechnung der letztlichen Schirmwirkung berücksichtigt.In nachstehende Abbildung sind alle drei gebeugten Strahlen blau eingezeichnet.

Anschlüsse zwischen Objekten

Anschlüsse zwischen normativen Objekten (z.B. zwischen Häusern und Schirmen) werden von CadnaA automatisch und ohne manuellen Eingriff erkannt.

Beim 3D-Reflektor werden Wechselwirkungen mit anderen abschirmenden Objekten nur sehr eingeschränkt berücksichtigt. So wird nicht geprüft und damit auch nicht automatisch erkannt, ob ein 3D-Reflektor an ein anderes Objekt wie z.B. ein benachbartes Haus anschließt. Das heißt, die Beugung um die betreffende Kante wird nicht automatisch verhindert (siehe auch Abschirmende Wirkung weiter unten in diesem Kapitel).

Der Anwender hat aber die Möglichkeit, jede der einzelnen Kanten des 3D-Reflektors als Anschlusskante zu kennzeichnen und diese damit von der Beugungsrechnung auszunehmen.

Hinweis

Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Reflexions- und Schirmrechnung mit dem Objekt „3D-Reflektor“ keiner Norm entspricht und somit als plausible Erweiterung von z.B. ISO 9613-2, RLS-90 und Schall 03 (1990) bzw. Schall 03 (2014) zu betrachten ist. Auch mit diesen Normen kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich in bestimmten Objektkonstellationen stellenweise unplausible Effekte ergeben.

Abschirmende Wirkung

Nachfolgend wird erläutert wie die abschirmende Wirkung des 3D-Reflektors alleine oder in Kombination mit anderen abschirmenden Objekten zustande kommt.

Ein 3D-Reflektor im Strahlweg

Falls sich nur ein einziger 3D-Reflektor im Strahlweg befindet, wird die Strategie wie im Programm-interne Vorgehensweise beschrieben angewendet (siehe oben).

Mehrere 3D-Reflektoren im Strahlweg

Falls sich mehrere 3D-Reflektoren im Strahlweg befinden, wird zunächst für jeden 3D-Reflektor einzeln die Schirmwirkung bestimmt, unter Anwendung der Strategie wie im Programm-interne Vorgehensweise beschrieben. Danach wird als resultierende Schirmwirkung für diesen Strahl die höchste Schirmwirkung aller 3D-Reflektoren im Strahlweg ermittelt und in der Pegelberechnung als A_bar verwendet.

Um diese Vorgehensweise zu verstehen, sind folgende Hinweise hilfreich: Die angewandte Strategie auf Basis des kürzesten Umwegs des Direktstrahls würde - konsequent angewandt - bei mehreren 3D-Reflektoren dazu führen, dass ein mehr oder minder mäandrierender Weg des gebeugten Strahls um alle Hindernisse zustande käme. Da ja jeder 3D-Reflektor beliebig berandet sein kann und frei orientierbar ist, geht somit der gebeugte Strahl nicht zwingender Weise „über“ die Hindernisanordnung hinweg, sondern könnte von Reflektor zu Reflektor sich einmal um die obere, dann über die untere und dann über eine linke/rechte Kante bewegen. Es ist einsichtig, das diese Vorgehensweise zu unrealistisch großen Umwegen und damit Schirmwirkungen führt und letztlich algorithmisch verhindert werden muss.

3D-Reflektor und andere Hindernisse im Strahlweg

Befinden sich ein oder mehrere 3D-Reflektoren und konventionelle Hindernisobjekte (Häuser, Schirme, Wälle etc.) im Strahlweg, so wird zunächst die summarische Schirmwirkung A_bar,conv ausschließlich der konventionellen Hindernisobjekte nach der „Gummiband-Methode“ bestimmt. Danach wird wiederum für jeden 3D-Reflektor einzeln die Schirmwirkung A_bar,3D,n bestimmt (siehe oben). Die resultierende Schirmwirkung für diesen Strahl ist gleich dem höchsten A_bar,conv oder A_bar,3D,n und wird in der Pegelberechnung als A_bar verwendet.

Anwendung

Nachfolgend werden einige Anwendungsfälle beschrieben, die entweder unter Verwendung des 3D-Reflektors oder eines anderen abschirmenden Objektes oder einer Objektanordnung modelliert werden können. Es sind auch Fälle dargestellt, die auf Basis der zur Verfügung stehenden Objekte und Algorithmen nicht oder nur näherungsweise modelliert werden können.

• nach oben abschirmende Fläche mit Quelle/n unterhalb oder zusätzlich mit seitlicher Abschirmung (Stichwort „Tankstellendach“)

frei schwebende, abschirmende Fläche

schwebende, abschirmende Fläche mit seitlich anschließender vertikaler abschirmender Fläche

RICHTIG: 3D-Reflektor zur Modellierung von schwebenden Schirmen über der Bezugsebene geeignet, keine unmittelbar an die Schirmkanten anschließenden weiteren abschirmenden Objekte Die Schallleistung der Quelle/n unterhalb muss ggf. die erhöhte Emission infolge Mehrfach-Reflexionen Dach-Boden berücksichtigen.

FALSCH: Modellierung aus mehreren aneinander angrenzenden 3D-Reflektoren (Wand und Dach) oder aus vertikalem Schirm (Wand) und 3D-Reflektor (Dach) Begründung: Strahlweg ist nicht durch gemeinsamen Umweg bestimmt, da Anschluss Wand/Dach nicht „gesehen“ wird. RICHTIG: Modellierung durch Schirm mit Auskragung Die Schallleistung der Quelle/n unterhalb muss ggf. die erhöhte Emission infolge Mehrfach-Reflexionen Dach-Boden berücksichtigen.

• auskragende Vordächer an Gebäuden („Anlieferrampe“)

FALSCH: Modellierung des Vordachs mittels eines 3D-Reflektors, der an das Haus angrenzt Begründung: Strahlweg ist nicht durch gemeinsamen Umweg bestimmt, da Anschluss 3D-Reflektor-Haus nicht „gesehen“ wird. Die Schirmwirkung in Strahlrichtung wird nur durch das Einzel-Hindernis mit der höchsten Schirmwirkung bestimmt.	RICHTIG: Modellierung des Vordachs mittels eines an das Haus angrenzenden Schirms mit Auskragung Begründung: Beim Schirm mit Auskragung wird in alle Richtungen der gemeinsame Umweg aus dem vertikalen und dem horizontalen Teil des Schirms berücksichtigt. Die Schallleistung der Quelle/n unterhalb muss ggf. die erhöhte Emission infolge Mehrfach-Reflexionen Dach-Boden berücksichtigen.

• halb-offene oder teil-offene Einhausungen u.ä. (Quelle innerhalb)

FALSCH: Modellierung aus mehreren aneinander angrenzenden 3D-Reflektoren (Wände und Dach) oder aus Schirm und 3D-Reflektor (Dach) oder aus Schirm/en mit Auskragung Begründung: Strahlweg ist nicht durch gemeinsamen Umweg bestimmt, da Anschluss Wände/Dach nicht „gesehen“ wird. Auch bei alleiniger Verwendung von Schirmen mit Auskragung beinhaltet der Pegel innerhalb keine ggf. auftretende Erhöhung durch Boden/Dach-Reflexionen.

RICHTIG: Modellierung mit Haus und vertikaler Flächenquelle an der Öffnungsseite, Schallleistung der Flächenquelle berücksichtigt ggf. die erhöhte Emission infolge innerer Reflexionen, ggf. kann auch vereinfachend eine Punktquelle, statt einer vertikalen Flächenquelle an der Hausfassade platziert werden.

• Gebäude übereinander oder mit in der Höhe mäandrierendem Querschnitt oder mit zum Boden hin geneigten Fassaden

FALSCH: Modellierung aus einer mehr oder minder komplexen Anordnung von 3D-Reflektoren (Dreiecksflächen) in beliebiger Orientierung im Raum. Begründung: Bei mehreren 3D-Reflektoren im Strahlweg ist die Schirmwirkung in keinem Fall durch den gemeinsamen Umweg bestimmt. Zudem werden die Anschlüsse zwischen benachbarten 3D-Reflektoren nicht „gesehen“. Im einfachste Fall kann eine komplexe Anordnung von 3D-Reflektoren durch einen einzelnen (ggf. schwebenden) Schirm ersetzt werden, der senkrecht zur Strahlrichtung steht.

RICHTIG: Verwendung des Objekts „Haus“ zur Modellierung der äußeren Kubatur. Dabei geht das Objekt „Haus“ zwingend vom Boden aus (keine schwebenden Häuser algorithmisch möglich/erlaubt). Diese Modellierung stellt eine Näherungslösung auf Basis der normativ vorhandenen Hindernis-Typen dar. Alternativ kann auch eine Anordnung von Schirmen oder schwebenden Schirmen (siehe Schwebender Schirm) verwendet werden.

siehe auch: Haus, Schaltfläche „Geometrie“

• Vergleich der Schirmwirkung eines 3D-Reflektors mit einem üblichen vertikalen Schirm

Da beim Objekt „3D-Reflektor“ die Abschirmwirkung aus dem kürzesten Umweg um alle Kanten (plus Seitenbeugung) bestimmt wird, ist nicht notwendigerweise der Umweg um die Oberkante der kürzeste Umweg. Daher kann auch bei einem senkrecht auf dem Boden stehenden 3D-Reflektor nicht zwingend für jede Quelle-Empfänger Anordnung der gleiche Pegel wie bei Verwendung eines Schirms gleicher Ausdehnung und Lage resultieren.

Beim Objekt „Schirm“ wird die Abschirmwirkung immer aus dem Strahlweg über die Schirmoberkante bestimmt (plus Seitenbeugung).