Förslag till utarbetande av mätmetod för jämförelse av trafikbuller på olika vägytor

VTInotat

Nummer: TF 52-11»L Datum: 1990-01-03

Titel: FÖRSLAG TILL UTARBETANDE AV MÄTMETOD FÖR JÄM-FÖRELSE AV TRAFIKBULLER PÅ OLIKA VÄGYTOR

Författare: Ulf Sandberg

Avdelning: TF Projektnummer: 52338-1 Projektnamn: Uppdragsgivare: Vägverket Distribution: F ri r

(db

_ I

v:

Väg;ochTrafik-Institutet

Mätmetod .för jämförelse av trafikbuller på olika vägytor

Statens väg- och trafikinstitut

Pa: 581 01 Linköping. Tel. 013-2040 00. Telex 50125 VTISGIS. Telefax 013- 14 14 36 Besök: Olaus Magnus väg 32 Linköping

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

Sida

1 INLEDNING 1

2

BEHov AV MATMETOD FÖR VAGYTEKLASSIEICERING

1

3

KRAV PÅ MÄTMETOD FÖR VAGYTEJÄMFÖRELSER

4

4

BEFINTLIGA MATMETODER

5

4.1 Dagsläget 5

4.2 Metoder grupperade efter syftet 6

4.3 Huvudtyper av mätmetoder 7

4.4 Diskussion av metodernas lämplighet 7

4.5 Hänsyn tlll internbullret 10

4.6 Rekommendation av metod 10

4.7 Kompetens och erfarenhet utomlands ll

5 TYP AV STANDARD . ll

6 REKOMMENDATIONER 12

7 REFERENSER 13

BILAGA 1 15

1. INLEDNING

Standardiserade metoder för att mäta buller från enskilda fordonstyper finns idag (specificerade bl a inom ISO, ECE och EG). Detta är motiverat eftersom fordonen bullrar olika mycket och metoderna möjliggör önskad kontroll av fordonsbullret. Motsvarande internationella metoder att mäta buller från trafik finns ej. Ej heller finns metoder att separat mäta inverkan av vägytan på trafikbullret.

2. BEHOV AV MÃTMETOD FÖR VÄGYTEKLASSIFICERING

Undersökningar vid VTI har visat att spridningen i trafikbuller mellan olika vägbeläggningar, med trafik av enhetligt slag, är i princip lika stor som spridningen i fordonsbuller mellan olika enskilda fordon på samma vägbeläggning. Detta gäller för fritt flytande trafik i högre Skyltad hastighet än 50 km/h. Det är således genom val av vägbeläggning egentligen lika lätt eller svårt att påverka totala trafikbullret som genom

urval av fordon. nu .1 <

3, ,.

Fig. 1 Spridning i fordonsbuller på olika vägytor och mellan indivuduella fordon, enligt mätningar av VTI 1982-88 på fritt flytande trafik vid ca 70 km/h. Endast torra, bituminösa vägbeläggningar

Fig. 1 illustrerar ovanstående förhållande. Staplarna visar spridningen i fordonsbuller mellan "tystaste" och "bullrigaste" fall (ca 95-percentil avses) för dels fallet att fordonen är olika men att vägytan är konstant (de båda vänstra staplarna), dels att fordonssammansättningen är konstant men vägytan varierar (de båda högra staplarna). Således visar de båda vänstra staplarna hur mycket fordonsbullret från olika fordon varierar och de båda högra hur mycket fordonsbullret varierar vid körning på olika vägytor. Resultatet är således att vägytan påverkar totalbullret ungefär lika mycket som det enskilda fordonet.

Figuren gäller för fritt flytande trafik i ca 70 km/h, men är lika giltig för

högre hastigheter. Vid lägre hastigheter eller vid accelererande trafik minskar de högra staplarna, dvs vägytans inverkan blir mindre. Eventuellt ökar då de vänstra staplarna i stället. Emellertid har i figuren t ex våta eller extrema vägytor inte medtagits. Om våta vägytor medtagits liksom cementbetongvägytor eller gatstensbeläggningar skulle vägytans inverkan ha ökat ytterligare.

Tabell 1 kan ge lite kompletterande information. Den visar vilken korrektion till det predikterade trafikbullret enligt den Nordiska Trafik-bullermodellen som skulle behövas för vägytans inverkan (referens nr 1). En följd av ovanstående är emellertid att trafikbullerreduktion är ett ansvar för fordonstillverkare och fordonsförare såväl som för väghållare. En annan följd är att det bör finnas en mätmetod som medger jämförbara och reproducerbara mätningar av inte endast hur olika fordon bullrar utan 7 även hur mycket olika vägytor påverkar bullret.

Tabell 1 Korrektionstermer för vägyta i dB(A) vid fritt flytande trafik med konstant hastighet.

Korrektionsterm

Vägbeläggningstyp

50 km/h

70 km/h

90-110 km/h

eller kondition % tunga fordon % tunga fordon 9-6 tunga fordon 0-5 6-19 20-100 0-5 6-19 20-100 0-5 6-19 20-10C l. Tät,slät asfaltbetong ref ref ref ref ref ref ref ref ref

minst ett år gammal, t ex MABlZT, HAB16T

2. Dzo, men mindre än 0 -1 -2 -2 -1 -1 -2 -2 -1

ett år gammal

3. Dränerande asfaltbetong, -4 -4 -4 -4 -4 -5 -5 -5 -5 HABDIZ, 0-1 år

4. Dzo medelålders -2 -2 -2 -3 -3 -3 -3 -3 -3 5. D:o, gammal 0 -l -2 0 -1 -2 -1 -2 -2

6. Dubbel ytbehandling, Y2, +2 0 -1 +1 0 -2 0 0 -2

översta lagret 4-8 mm, skrovlig 7. Enkel ytbehandling, +3 +1 -2 +3 +1 -1 +2 +1 0 Yl 12-16 eller 12-20 mm, 0-1 år 8. D:o, sliten +2 +1 . -1 +2 +1 0 +2 +1 0 9. Bituminiserad chip-sten, +2 +1 0 +2 +1 0 +2 +1 0 BCS, minst 1 år gammal 10. Som nr 1, men våt +6 +5 +3 +4 +4 +2 +3 +2 +2 11. Som nr 3, men våt 0 -1 -2 -1 -2 -2 -2 -2 -2

11. Som nr 1, men vinter- +4 +3 0 +4 +3 +1 +3 +3 +1

förhållanden med minst 50 % dubbdäck

13. Som nr 3, men vinter- 0 -1 -2 0 -l -2 -1 -l -1

förhållanden med minst 50 % dubbdäck

Övriga, indirekt uppmätta vägytor:

Enkel ytbehandling, Yl, med 8-12 mm*sten torde motsvara ungefär nr 6 ovan. Nr 6 i slitet tillstånd torde motsvaras närmast av nr 8.

Oljegrus, o.d. torde motsvaras av nr 7.

Dränasfalt av typ Drainor 12 torde mest likna nr 3-5. Rubit-beläggningar torde mest motsvaras av nr 1-2.

Våt-vägs-korrektionen, nr 10, kan troligen gälla för samtliga vägytor utom nr 3-5 (de

dränerande). Den är dock starkt avhängig regnintensiteten (värdena här gäller ett kraftigt regnväder).

3. KRAV PÅ MÄTMETOD FÖR VÄGYTEJÄMFÖRELSER

Följande egenskaper bör uppfyllas i så hög grad som möjligt för en mätmetodför vägytejämförelser vad avser trafikbuller:

1. Metoden ska vara enkel och snabb. En mätning och komplett analys får inte ta mer än en dag i anspråk; helst endast några timmar.

2. Metoden skall vara tillräckligt noggrann .för att kunna särskilja olika beläggningars bulleregenskaper. Därför krävs en total noggrannhet på ca +/- 1 dB(A).

3. Den ska helst kunna användas 'för att beskriva bullersituationen både i

och utanför fordon, dock med högst prioritet för den externa miljön. 4. Metoden skall helst mäta totalt trafikbuller (fordonsbuller).

5. Bullervärdena skall vara jämförbara oavsett var eller vid vilken tid man utfört mätningarna.

6. Metoden bör helst vara användbar utan högre krav på vägens topografi, bredd och närmaste omgivning.

7. Det bör vara möjligt att ställa krav på beläggningen utifrån

mätmetoden. Eventuellt ska den kunna användas för kvalitetskontroll

4. BEFINTLIGA MÃTMETODER

4.1 Dagsläget

Ett standardförslag har utarbetats inom ECE:s ram (referens nr 2) vad gäller mätmetod för buller från olika bildäck. Detta förslag som nu är några år gammalt, kommer under 1990 att bearbetas till ett förslag till nytt ECB-reglemente. Förslaget innehåller bl a en specifikation av två referensbeläggningar - en slät och en skrovlig. I detta standardförslag är det i princip däcken som är variabeln och vägytorna konstanta. Referensbeläggningarna motsvaras ungefär av typen HABlZT resp Yl 8-12

(nytillstånd).

Det finns ett förslag till s k INSTA-standard (Nordisk standard) benämnt "Akustikk. Måling av lydnivå fra veitrafikk" vilket nyligen har varit ute på remiss. Denna standard kan användas generellt för att mäta trafikbuller inom- och utomhus, men är ej anpassad för de speciella krav som ställs på en noggrann mätning för att kunna jämföra olika trafikbuller på olika vägytor.

INSTA-förslaget bygger i sin tur på s k Nordtestmetoder, dvs metoder som har arbetats fram av de nordiska provningsanstalterna: NT ACOU 039 "Road Traffic: Noise" och NT ACOU 056 "Road Traffic: Noise - Simplified Method". Inte heller dessa är anpassade för de specialkrav som gäller för en metod för här avsett ändamål. Vissa delar av dem kan dock utnyttjas i en eventuell ny standard.

Idag finns således ingen metod standardiseradför att mäta trafikbuller på olika vägbeläggningar. Att ta fram en sådan metod framstår därför som synnerligen angeläget _för att resultat av mätningar skall vara jämförbara från tidpunkt till tidpunkt, från plats till plats och från land till land.

Därför har detta planprojekt kommit till stånd för att utreda hur en

standard skall kunna utarbetas, t ex inom vilken ram den skall utges (ISO, ECE, PIARC eller eventuellt inom nordiskt samarbete), vad den skall

omfatta, dess användning och vilka som skall utarbeta den. Ämnet bör diskuteras inom diverse organ varvid ett bakgrundsdokument av denna typ bör finnas. Arbetet bör vidare uppmärksammas på den internationella däck/vägbullerkonferensen 1990.

4.2 Metoder grupperade efter syftet

Mätmetoder för däck/vägbanebuller kan grupperas enligt följande, bero-ende på syftet:

A. Översiktliga kartläggningar

a. för att rangordna däck b. __för att rangordna vägytor

c. för att allmänt kartlägga vägtrafikbuller B. Typtestning eller lagstiftning '

a. för att godkänna eller rangordna däck b. .för att godkänna eller rangordna vägytor C. Forskning

a. för att undersöka däckkonstruktioner b. för att undersöka vägytors konstruktion c. för att undersöka bulleralstringsmekanismer

(ofta är a, b och c intimt relaterade)

d. för att undersöka däck/vägbanebullrets bidrag till trafikbullret

Kraven är olika för dessa syften. Medan lagstiftning och i viss mån kartläggningar fordrar hög fältmässig realism, hög precision and enhetliga metoder, bör de inte vara komplicerade och dyrbara. Å andra sidan, kräver experiment för forskningssyfte sofistikerade och dyrbara metoder, kompromisser med realismen kan accepteras, och de behöver på intet sätt vara enhetliga. Vid rangordning eller undersökning av däck är det viktigt att ha någon typ av "standardiserad" vägyta, medan vid rangordning eller undersökning av vägytor motsvarande behov torde uppkomma vid standardisering av däck.

De olika kraven har lett till en stor skillnad i* de metoder som används och till stora investeringar i instrumentering och andra hjälpmedel vilket gör det önskvärt att få möjlighet att omvandla mätningar mellan metoderna.

4.3 Huvudtyper av mätmetoder

Följande huvudtyper av metoder lämpliga för mätning av däck/vägbane-buller, eller buller starkt relaterat till detta, förekommer:

Förbifartsmetoden (coast-by) Släpvagnsmetoden (trailer) Trummetoden

Fordonsmonterad mikrofon (variant av släpvagnsmetoden)

k i t -P b ) d e

Accelerationsmetoden (variant av förbifartsmetoden eller metoden

med fordonsmonterad mikrofon)

m

.

Ljudutbredningsmetoden

7. Trafikmetoden

För var och en av dem kan man använda olika mer eller mindre sofistikerade mikrofontekniker såsom en mikrofon (ljudnivåmätning), två mikrofoner (mätning av ljudintensitet och -effekt) och åtskilliga mikrofoner (ljudeffektsummering). De kan också kompletteras med samtidig registrering av däckvibrationer.

4.4 Diskussion av metodernas lämplighet

För en mer allmän diskussion om metodernas för- och nackdelar samt detaljutformning hänvisas läsaren till referenserna 3 (som utarbetats under året bl a med tanke på detta planprojekt) och 4.

Ett utdrag ur referens 3 där metoderna beskrivs, bifogas i bilaga 1.

Här nedan diskuteras metodernas lämplighet med avseende på möjligheterna att mäta vägbeläggningars bulleregenskaper med hänsyn till de krav som har redovisats i kapitel 3.

Förbifartsmetoden kan uteslutas i detta sammanhang bl a av följande anledningar:

- den är nästintill praktiskt oanvändbar på motorväg

- den kräver särskilda provfordon och i övrigt lågtrafikintensitet för att de särskilda provfordonens bulleremission ej skall störas

- den ställer höga krav på vägens topografi och omgivning

- den kräver referensdäck för att uppfylla kraven nr 5 och 7 i kap. 3. Släpvagnsmetoden används idag av en del institutioner för mätning av här avsett slag. Den har fördelarna av att vara snabb, enkel, noggrann, ställer lindriga krav på vägens topografi och omgivning, och är nästan oberoende av omgivande trafik. Den har emellertid följande nackdelar:

- den mäter endast däck/vägbanebuller. Trafikbullret får uppskattas utgående från detta.

- den I underskattar dränerande vägbeläggningars bullerreduktion eftersom den mäter nära ett provdäck och då inte tar hänsyn till dessa beläggningars ljudabsorption över längre avstånd. Se bilaga 2. - den kräver referensdäck för att uppfylla kraven nr 5 och 7 ovan. - den kräver tillgång till en särskild släpvagn.

Nackdelarna har dock inte hindrat vissa forskare att använda metoden

även för att mäta på dränerande vägbeläggningar. Man har helt enkelt negligerat dess problem att korrekt mäta på dessa.

Trummetoden kan uteslutas eftersom det är omöjligt att med den testa olika på vägar befintliga beläggningar. Den är ju en renodlad laboratoriemetod och än så länge finns ingen anläggning som medger att prover från vägytor monteras på trumma utan oacceptabla problem.

Metoden med fordonsmonterad mikrofon har som enda fördel gentemot släpvagnsmetoden att ingen släpvagn krävs, men den har en lång rad extra nackdelar som gör att den inte bör övervägas, t ex att den är känslig för störningar från annan trafik och mycket känslig för vindbrus i mikrofonen pga fartvind.

Accelerationsmetoden, dvs att mäta däck/vägbanebuller (eller totalt fordonsbuller) från ett fordon som accelererar, är mycket svår och opraktisk. I de fall då vägbeläggningens egenskaper är viktiga torde trafiken flyta fritt utan nämnvärda accelerationer varför den inte skulle vara representativ i detta sammanhang.

Ljudutbredningsmetoden är en delmetod som syftar till att studera hur ljudutbredningen påverkas från källan till mottagaren. Den är i detta å sammanhang intressant för attstudera dränerande beläggningar men kan inte ensam ge den sökta informationen om beläggningars bulleregenskaper eftersom deras påverkan på emissionen inte beaktas med denna metod. Trafikmetoden har använts i olika former under drygt ett tiotal år och är

den som har närmast anknytning till en verklig trafiksituation. Den går till så att en eller flera mikrofoner sätts upp vid sidan av vägen (vanligen 74,5 eller 10 och högst 15 m från denna) och man mäter bullernivåerna och/eller bullerspektra från den förbipasserande (normala) trafiken under en tidsperiod som är tillräckligt lång för att ett stort antal fordon skall hinna passera så att man 'får ett medelvärde för "typisk" och "normal" trafik. Vanligen mäts även fordonens hastigheter och man räknar antalet fordon av olika typer. Om medelhastigheten och/eller fordonssammansätt-ningen avviker frân något "normalvärde" görs i vissa fall korrektioner för detta så att de erhållna värdena skall vara jämförbara.

Man kan 'mäta antingen den ekvivalenta ljudnivån från hela trafiken (varvid man ofta även registrerar hela den distributiva eller kumulativa ljudnivåfördelnigen), eller toppnivåerna från enskilda förbipasserande fordon (ibland även frekvensspektra), eller båda delarna.

Fördelarna är:

- Metoden mäter trafikbuller

- Metoden är relativt snabb och inte särskilt personalkrävande (2 pers.) - Metoden kräver inte referensdäck

lO

Nackdelarna är:

- Metoden ställer höga krav på vägens topografi och omgivning.

- De erhållna bullervärdena gäller för den typ av fordon som passerar förbi just vid mätningen. Genom att mäta på ett tillräckligt stort antal kan ett bra och typiskt medelvärde fås. Emellertid är det troligt att, över längre tidsperioder, bulleremissionen kan ändras p g a annorlunda

fordon och däck.

'4.5 Hänsyn till internbullret

Ingen av metoderna mäter internbullret i ett fordon, endast externbullret. Emellertid är det känt att internbullret i huvudsak bestäms av det lågfrekventa bullret. Det senare kan i ett fordon rätt väl predikteras av motsvarande lågfrekventa buller utanför fordonet. Man skulle behöva applicera ett speciellt viktningsfilter på ett frekvensspektrum uppmätt med t ex trafikmetoden eller släpvagnsmetoden och med hygglig noggrannhet sedan kunna prediktera internbullret. Emellertid fordrar detta att man mäter frekvensspektrum och inte endast ekvivalent ljudnivå och det kräver dessutom vissa kompletterande studier innan prediktionen kan göras.

4.6 Rekommendation av metod

Mot bakgrund av ovanstående rekommenderas i första hand trafikmetoden och i andra hand släpvagnsmetoden. Med den senare förekommer, för detta ändamål, emellertid vissa problem som kan ta lång tid att få kontroll över. Detta gäller i huvudsak vilka referensdäck som skall väljas (kan förutses bli en tvistefråga), hur typiska och långlivade dessa är, samt hur man skall kompensera för nackdelen att ljudutbredningseffekten av dränerande beläggningar inte tas hänsyn till. Detta fordrar en del forskning. Det är ju just de dränerande vägbeläggningarna som är de

intressantaste för att åstadkomma bullerreduktion.

Att utveckla trafikmetoden till en erkänd standard torde vara det snabbaste sättet eftersom den inte fordrar särskilda materiella resurser och den är använd eller har använts av ett stort antal forskare.

11

4.7 Kompetens och erfarenhet utomlands I

Om en arbetsgrupp för att utarbeta en standard enligt trafikmetoden bildas, skulle den kunna utnyttja bl a följande experter vilka har egen erfarenhet av mätningar av denna typ:

- S-Ä. Storeheier, ELAB/RUNIT, Trondheim, Norge - J. Kragh, Lydteknisk Institut, Lyngby, Danmark

- P. Nelson, TRRL, Crowthorne, England

(Nelson var den förste som jag vet utnyttjade metoden) - H. Steven, FIGE GmbH, Aachen, Västtyskland

- J. J. van Houdt, Rijkswaterstaat, Delft, Nederländerna

* G. Descornet, CRR, Sterrebeek, Belgien

- J. Ejsmont, Tekn. Högskolan i Gdansk, Polen _

- S. Canale, Rome University, Rom, Italien

- W. Bowlby, Vanderbilt Univ., Nashville, Tenn., USA - A. Banuelos, LABEIN, Bilbao, Spanien

- U. Sandberg, VTI, Linköping, Sverige

Som synes, täcker dessa ett geografiskt mycket brett spektrum. Av dessa har t ex van Houdt gjort vissa studier av problem med själva metoden.

5. TYP AV STANDARD

Standarden skulle kunna utarbetas inom ramen för följande organisationer: - Internationella standardiseringskommissionen (ISO), tekniska kommitten för Akustik, subgrupp Buller (ISO/TC 43/SC i). Svensk

huvudman: Svenska Elektriska Kommissionen (SEK). Standarden

utarbetas lämpligen av en ny arbetsgrupp inom ISO/TC 43/SC 1.

- PIARC - Permanent International Association of Road

Con-gresses. Inom PIARC finns en kommitté för vägytekarakteristik. PIARC utarbetar dock ej standarder med formell status.

12

Förenta Nationernas ekonomiska Europakommission (ECE).' Dess rapportörgrupp om buller (GRB) skulle säkert vara intresseradav att en sådan standard tas fram. Emellertid gäller ECE:s standardarbete mer kravspecifikationer och mindre mätmetoder. Nordiska bullergruppen (en grupp under Nordiska Ministerrådet). Den utarbetar dock ej standarder med formell status.

nordiska

Nordtest (ett samarbetsorgan mellan de provningsanstalterna)

INSTA (internationell nordisk standardisering). Ett förslag till

svensk standard förs då fram även som förslag till standard i de övriga nordiska länderna.

Av dessa förefaller det p g a frågans internationella intresse vara lämpligast att arbeta inom ISO. Med hänsyn till listan 1 avsnitt 4.7 bör förutsättningar för detta finnas. Vidare får en ISO-standard högst status och genomslagskraft. Om ett förslag tas fram inom t ex PIARC kommer det ändå ej att ha formell status förrän det gått vidare till och blivit godkänt av ISO.

6. REKOMMENDATIONER

Följande tillvägagångssätt rekommenderas:

1. Ett bakgrundsdokument på engelska produceras för ISO. Det kan bygga på delar av detta dokument. Se Ref. 5.

En framställan görs från VTI till SEK med innebörden att SEK bör gå vidare till ISO:s sekretariat i Köpenhamn och föreslå, såsom svensk V nationalkommitté inom ISO, att en arbetsgrupp inom ISO inrättas med uppgift att ta fram en standard för mätning av vägtrafikbuller på olika vägytor.

13

3. Vilken princip/metod som skall användas bestäms av 150-arbetsgruppen men vi bör rekommendera att i första hand "trafikmetoden" och i andra hand "släpvagnsmetoden" utväljes för vidare bearbetning.

4. De personer som listas i 4.7 tillskrives och förbereds på att de, om de

så önskar, bör hålla sig framme då deras nationalkommitté skall utse

sitt lands representant i arbetsgruppen.

5. Framställan till SEK och vidare till ISO görs så att ISO/TC 43/sc 1 kan

behandla förslaget vid nästa plenarmöte i maj 1990 i Holland. Då bör arbetsgruppen kunna etableras i slutet av 1990, förutsatt att ISO:s medlemsomröstning ger positivt resultat.

6. Vid utarbetandet av metodförslaget bör tillämpliga delar av Nordtests metod NT ACOU 039 beaktas, förutsatt att ISO-arbetsgruppen väljer den s k "trafikmetoden". Väljer man släpvagnsmetoden bör förslaget i ECE/WP29/GRB/R.85 (referens 2) beaktas i tillämpliga delar.

7. ECE/WP 29/GRB bör informeras om arbetet.

För att kunna arbeta efter dessa rekommendationer fordras att anslag till projektet erhålles för att täcka svenskt deltagande i arbetet.

7. REFERENSER

l. SANDBERG, U.: "Korrektion för vägyta vid beräkning av vägtrafikbuller". VTI Notat TF 52-09 (1987).

2. ECE/GRB Ad-hoc Group on Methods for Measurement of Tyre/Road Noise: "Methods for Measurement of Tyre/Road Noise - Proposed Methodology." TRANS/SCl/WP29/GRB/R.85, 25 April 1986.

3. SANDBERG, U.: "Techniques for Measuring External Tire/Road Noise". Uppsats presenterad vid "Workshop on Rolling Noise Generation", Tekn.

14

4. SANDBERG, U.; EJSMONT, lA.: "Development of Three Methods for Measurement of Tire/Road Noise Emission: Coast-by, Trailer and Laboratory Drum". Publiched in Noise Control Engineering Journal, Vol. 27, No 3, 1989. Institute of Noise Control Engineering, USA.

5. SANDBERG, U.: "Measuring Method for Comparison of Traffic Noise on Different Road Surfaces - Background Document". Swedish Road and Traffic Research Institute, Linköping, Sweden, 1989-12-30.

15

BILAGA ]: BESKRIVNING AV OLIKA MÃTMETODER.

Utdrag ur "Techniques for Measuring External 'Fire/Road Noise av Ulf Sandberg, VTI, oktober 1989.

Ål. METHODS ACCORDING TO MAIN TYPE

4.1 General

The following main types of methods applied for tire/road noise testing will be described: The coast-by method

The trailer method

The laboratory drum method

The on-board micr0phone method (variant of the trailer method)

The acceleration method (variant of the coast-by or on-board methods) Sound propagation methods

The traffic method

N O W D W N H

For each of them one can apply different measuring microphone techniques like single-microphone (sound pressure level), two micr0ph0nes (sound intensity and power) and multiple microphone arrays (sound power summation). They may also be supplemented by simultaneous recording of tire vibrations (local displacement).

4.2 Methods currently Specified

ISO 362 and ISO 7188 both specify conditions for noise emission testing basically applicable also for tire/road noise with the major exception that they rely on powered pass-by instead of coast-by with the engine switched off. A Japanese standard for tire/road noise based on the ISO methods is specified in JASO (3606-81 (Ref. 8). The SAE Recommended Practice for truck tires, SAE J57a (Ref. 9), has been used for a long time in the USA but it differs from ISO and JASO mainly in the measuring distance - 15 m instead of 7.5 m. It also specifies a recommended emission limit; 85 dB(A) at 80 km/h which is equivalent to 90-91 dB(A) at 7.5 m distance.

4.3 Proposed methods within the ECE

Various suggested methods have appeared. Lippman and Reid of Uniroyal suggested a laboratory drum method in 1.976 as an alternative to SAE JS7a (Ref. 10). Swedish and U.S.

coast-by methods were pr0posed in the same year with little impact (Refsg 11-12) and in 1.982 the GDR representative in the Group of Rapporteurs of Brakes and rRunning Gear (GRRF) of the United Nations Economic Commission for Europe (ECE) pr0posed the standardization of a drum method. The latter led to the establishment of an ad-hoc group with the task to develOp three methods: The coast-by, trailer and drum methods., These are described briefly below.

This task was completed in 1986 (Ref. 13) and the result discussed at a meeting in Geneva in 1987 where representatives of GRB (Group of Rapporteurs on Noise) and GRRF participated. The subject is still on the agenda of GRB.

To some extent related to this work is also the on-going development within the ISO of standardized road surfaces for vehicle noise emission tests according to ISO 362 and 7188 (Ref. 14), with the purpose to control tire/road noise at a relatively low and reproduceable level during constant-speed and full-throttle acceleration pass-by tests.

When the three methods (Nos. 1-3 listed above) are presented in the following, the specifications refer to the pr0posed ECE standard if nothing else is stated.

4.4 The coast-by method

In the coast-by method (Fig. 1), the test vehicle coasts by a roadside microphone which is placed 1.2 m above the road level and 7.5 m from the center line of the vehicle*s path. The engine is switched off. Using time constant "F" and frequency weighting "A" the maximum sound level during the coast-by is recorded. It is recommended that also the frequency Spectrum be recorded at maximum sound level although it is not mandatory. At least five runs should be averaged.

As for all the pr0posed ECE methods, the recommended speed is 70 km/h. lf lower and higher speeds are required it is recommended that they be either 30, 50, 90 or 110 km/h. The main reasons for choosing 70 km/h are that it gives a good S/N ratio, low influence of external variables (such as test vehicle design) as well as .safe and practical driving conditions. Also, 70 km/h is a speed where tire/road noise is likely to be a great nuisance to the environment in most types of traffic.

This Classical method is judged to be the most relevant when the emission to the external environment is considered but is also the most time consuming and weather dependent.

1/0/ 4,: r:m14.._,Mm

,2/1040 -//x/

Fig. 1

The Classical coast-by method

Fig. 2

The trailer method,

here represented by /' / i

0 ,#42 t ,

I ' /7 4

equ1pment from the _ i i .

_//1

Technical University / x / of Gdansk la w/ xt .. , 9/ 04 . n wa »

The drum facility at the Technical University of Gdansk,

utilizing the trailer for tire mounting

The method could be used for type testing of tires and road surfaces, and for all testing where high precision and representative operation is essential. its disadvantages are mainly:

0 A special test track or a low-trafficked road with suitable surface is required.

0 A test vehicle equipped with 4-6 test tires is required. The test vehicle must be coasted along the test area, without too much lateral variation.

o There may be practical and safety problems for some vehicles when they are coasted (e.g. power steering).

o If one is not careful, there may be an influence of vehicle type, brakes, transmission and suspension.

In addition, it is necessary to minimize:

o Climatic and meteorological influences (rain, wind etc. ...)

o Sensitivity to disturbance from other traffic (if any) or other background noise.

In USA, 15 m instead of 7.5 m micrOphone distance is used (Ref. 9) which generally decreases the peak levels by 5-6 dB(A). This gives increased problems with S/N ratio and with sound propagation but may better record the true peak sound level comparisons for vehicles of very different lengths like cars and tractor-trailer combinations. A 12-24 m long vehicle behaves more like a point source seen from 15 m than from 7.5 m. However, a change to 15 m could impose more problems than it solves.

4.5 The trailer method

A test tire is mounted on a trailer which is towed by a car or truck (Fig. 2). The trailer may be of a single-wheel type or have extra supporting wheels. A micrOphone is positioned close to the tire/road interface and the articulated vehicle is driven along a test track or a road having a suitable surface. The microphone position chosen by the GRRF working group is 0.2 m outside the undeflected tire sidewall, 0.1 m above the road level and 0.2 m behind the vertical axle plane. This position is in this paper designated 1350- A130 tWO other micr0phone positions have been tested and are optional: one designated 900 (when the micr0phone was positioned in the vertical axle plane) and one designated 450 (with the microphone 0.2 m in front of the axle plane).

i

i

,

v /Å\\< / >\\\(

The microphone position

in the trailer and drum :

methods. h : 0.1.0 m and - l '

d : 0.20 m for car tires /Microphon

(d : 0.40 m for truck tires)

In order to increase the signal/noise ratio and reduce climatic influence, an enclosure around the test tire and micrOphone is useful. Special care concerning acoustical reflections must then be observed, however.

This method is suitable' where relatively high precision is required but some lack of realistic operation can be accepted. Surveys of noise emission from large numbers of tires under various Operating conditions can be made. The method is relatively independent of wind conditions and noise from other traffic, and requires only one test tire. it is especially recommended in environments with disturbing traffic, for instance on highly trafficked roads where no other method is possible without closing the road. Long measuring times can be used to reduce errors. The disadvantages are:

0 A special test track or a road with suitable surface is required. 0 It requires a special towed trailer.

0 Background noise from wind turbulence in the micrOphone can be a great problem at low frequencies.

0 The near-field microphone location is unsuitable for road surfaces having a significant sound absorption.

Some researchers have recently used the trailer method for road surface ranking purposes. This is very convenient andcompletely relevant for_ all cases except where porous (sound absorbing) surfaces are included. The noise reducing effect of a porous surface is partly, although not entirely, due to sound absorption of noise pr0pagating at a low angle of incidence over the surface. A micrOphone located close to the tire will then record noise which may be less attenuated with distance than one would record from a micrOphone in the far field (say at 7.5 m), where. sound has been additionally absorbed.

In Sweden, the authorand Dr. Ejsmont, Techn. Univ. of Gdansk, have recorded such effects with the trailer method. The noise reduction from dense to porous aSphalt was 3 dBfA) less when recorded with the trailer than for corresponding measurements by the coast-by method. However, if a trailer Chamber onld haVe poor sound absorption linings (semi-reverberant field), the apparent noise reduction could probably be m with the trailer or the effects could average out, since multiple reflections between road and Chamber could more or less influence the noise according to the actual sound absorption of the road/Chamber system. As a general rule; the trailer method should be avoided on porous surfaces.

It should also be mentioned that a hybrid version of the trailer and coast-by methods has been in use. A test tire on 8 trailer has been towed over a test track and the sound measured by one or more road-side microphones. See e.g. Ref. 15 from GM in USA. Also FIGE GmbH in Germany has used the method. The advantage of the trailer is to provide a long distance between the test tire and the towing vehicle, thus acoustically isolating the test object.

4.6 The drum method

A test tire is mounted so that it can roll against a drum surface in a laboratory (Fig. 3). Special care must be observed concerning the acoustical environment. The micrOphone is positioned as in the trailer method. A drum diameter of at least 1.5 m is required for an "outer drum" facility, i.e. when the tire is rolled against the outer part of the drum shell. The drum curvature problem has been particularly addressed by Donavan and Oswald and found to be acceptable (Ref. 16).

This method is suitable where high precision is important but a lack of realistic Operation can be accepted. Surveys of noise emission from large numbers of tires under various operating conditions can be carried out in a short time. The method is particularly useful for research and deve10pment work and for detecting small differences in noise emission from different tires. It is independent of weather conditions and requires little space and only one tire sample per test. Long measuring times can be used to reduce errors. Truck tires can be tested more easily than by the other methods. The disadvantages are:

0 A special drum facility is required.

0 The drum curvature, the close measurement position, sound reflections and the need for a representative surface make the method more questionable than the others concerning realistic operating conditions.

4.7 The on-board micrOphone method

By the on-board microphone method is meant the method where no trailer with test tire is used, but the micrOphone is close to 3 wheel on the test vehicle (in principle, of course, the trailer method is an "extended" on-board micrOphone method). To this author's knowledge, nobody has suggested a standard for this method. Several researchers, however, have used their own versions of the method for research purposes. Usually, close microphone locations similar to the ones used in the trailer method have been utilized with the addition of locations fore and aft of the tire. There is basically one major problem with the on-board method as compared to the trailer method, namely that there is no enclosure around the tire and microphone and thus S/N problems from wind and

external sources are much worse. Also, the micr0phone is closer to the exhaust or engine noise sources of the vehicle and to the other tires.

4.8 The acceleration method

It has been noted that when applying driving torque to the tires the noise increases. Typically, it may increase during ISO 362 conditions relative to coast-by by 1-2 dB(A) for moderately powerful cars and 5 dBfA) for Porsche cars (Ref. ,17). However, it seems to be a more pronounced effect in the near-field on-board method than in the coast-by method. Anyway, this effect is very important for vehicle noise testing purposes according to currently in-use procedures.

The coast-by or on-board micr0phone methods may simply be modified regarding the driving condition, so that the vehicle is accelerated (e.g. as in ISO 362) instead of coasted. However, this requires extreme care regarding attenuation of the noise from the power unit. The author knows of one vehicle* manufacturer that has screened the power unit sources to such an extreme extent that their contribution appears negligible in relation to tire/road noise even during full throttle operation in the ISO 362 method.

It is more practical, at the expense of representativity, to use the on-board method during full-throttle operation. Such a method is currently being developed by FIGE GmbH in Germany (Ref.*]_8). One should, however, remember the observation mentioned below that the near-field method may exaggerate the acceleration effect.

Whichever method is used, it is desirable to measure the acceleration or speed increase, which then requires at least two measurements of speed.

4.9 Sound pr0pagation methods

A family of methods used for tire/road noise research purposes completely different to the ones described above are the sound pr0pagation methods. The first attempts, which aimed at specifying how tire/road noise was attenuated by sound absorbing surfacings were presented by Bennerhult (Ref. 19). Basically, it relies on the emission of white or pink noise from a source close to the road (a loudspeaker) replacing a tire and measurement of the received SPL spectrum in the far field (same microphone location as in the coast-by method). By normalizing with respect to the spectrum received over a perfectly reflecting surface one could get the sound absorption effect. Rather critical here is the source location in order to get representative direct-reflected wave

interfer-GHCBS.

At least one attempt has used the two-micrOphone method and a two-channel FFT analyzer to obtain the cross correlation for the pr0pagation between the micrOphones (the additional micr. close to the source), see Ref. 20.

In connection to this, one should mention also the recording of the sound absorption coefficient at normal incidence using the tube method (Kundt's tube), see also Ref. 19. According to personal communication, such measurements were made at TRRL (UK.) already in 1975. Nowadays, this is more or less standard in in-depth investigations of porous surfaces.

Another method to determine the effect of porous surfaces, but even more to investigate the effect of "horn amplification" in the "throat" between tire trailing edge and road surface, has been presented by Schaaf and Ronneberger (Ref. 21). They emitted impulse sound with a flat spectrum in the tire/road trailing edge (via apneumatic device with an outlet from a tube in the "floor") with and without the tire and recorded the sound amplification between the cases and in 16 different micr0phones around the tire (Fig. 5).

_.

nu

ri

The measurement of sound

emitted at the trailing

10--edge by 16 different 10" '

microphones around the '

tire (7 micr. symmetrically 0.5 st ,0

in the left half are not '

shown). From Ref. 21.

0 - .

Q51kHzSiO 0_

QSlkHZSlO

A most interesting evolution bf the "horn method" mentioned above has been reported by Bergmann (Ref. 22) who used the reciprocity principle, i.e. instead of emitting noise near the anticipated actual source and measuring in the far field, he emitted noise in the "far field" and measured it very close to the tire.

Bergmann mounted a micr0phone as close as possible to the trailing edge (the "mouth" of the horn) of the stationary tire, which was positioned on road surfaces in the laboratory, and had another micr0phone out in the room, and then exposed the reverberation room to white noise by a loudspeaker in the room. The difference between the two micr0phone signals constituted the horn effect.

4.10 The traffic method

Since tire/road noise dominates overall traffic noise at free-flowing conditions, at least at speeds 30-40 km/h and above, one can measure tire/road noise also by road-side measurements on a stream of vehicles running at constant speed. Such a method was reported for the first time(?) by Franklinet al (Ref. 23) in 1979.

A micrOphone was placed at the road-side as in the coast-by method (7.5 m from the centre of the studied lane and 1.2 m above road level) and peak pass-by levels and speeds -. were noted for each vehicle passage, providing they were enough separated not to be , disturbed by other vehicles. Vehicles were characterized either as light or as heavy. Thus, it was possible to get a regression line of A-weighted level versus speed for the average vehicle in each class. Usually, this is done to obtain a noise level for each vehicle class and each tested road, i.e. it is mainly a noise Characterization method for roads.

Later, this method has been extended, e.g. by this author, to include a finer Classification of vehicles (three light and five heavy vehicle classes) and to include also average 'frequency spectra (Ref. 24). In recent years, this method has been used also in Denmark, Belgium and the Netherlands, and it should now be mature enough for international

standardization.

Even simpler is just to record the equivalent level (Leq) and/or possibly the level distribution at each measuring site for (say) 1-2 hours and normalize to a common traffic intensity and speed (e.g. 1000 vehicles/hour and 70 km/h). However, in some cases, it has been preferred to use microphones located at consecutive test sections along the same road in order to record exactly the same traffic stream.

It is this author's experience that the standard deviation between vehicles (for the same speed) is on the average 1.4 dB(A) for cars and 1.9 dB(A) for the tractor-trailer combinations. It means that for 100 cars the 95 0/o confidence limit would be around 0.3 dB(/-\) and for 30 trucks it would be around 0.7 dB(A). Usually, this is the sample size one can comfortably obtain in 1-2 hours.

The main value of the method is that it is ideal for noise Classification of roads, averaging out the individual variations between vehicles. It is also in-expensive as it is not dependent on special test vehicles and drivers. The disadvantage is that its result is not valid for ever and everywhere since there is no control over the tires used; they are simply representative of the current tire market in the geographical region during the

However, similar problems are shared by other methods as long as there are no standardized tires accepted as representative for the whole market.

4.1] Correlation between the methods

The three methods worked out by the GRRF group have been tested against each other and the correlation found to be very good, provided the recommendations are met (Sandberg and Ejsmont in Refs. 25 and 26). Slutsky et al have measured the "transfer functions", i.e. the corrections needed to translate from one method to the other, for the coast-by and on-board methods (Ref. 27).

5. SPECIFIC PROBLEMS

5.1 Reference road surfaces

It has been found that variation between road surfaces generally influence the noise from passenger car tires somewhat more than variation between tires. For truck tires, the

relations are reversed.

It implies that in order to characterize tire/road noise, the road surface must be defined in its relevant Characteristics. For ranking tires it is important to use a reference surface. This problem is addressed in Refs. 17 and 25.

Two reference road surfaces have been pr0posed. One surface is very smooth and represents the case where high frequency noise mechanisms are excited, while the other is very rough and represents the case of low frequency noise excitation. As it turned out to be very difficult to find a practical compromise, two such surfaces were chosen instead of a single one. It was also shown that tires could be ranked completely differently on such surfaces, which is an argument for using at least two surfaces. In the case of drum measurements, it would be possible e.g. to make replicas of the reference road surfaces and mount them in segments around the drum.

The surfaces are characterized with regard to their macrotexture by a surface profiling technique and calculation of their power spectra, as in normal spectral analyses of noise. The texture levels in two critical octave bands represent the noise-relevant texture Characteristics, namely [_80 (Å: 80 mm) and L5 (Å: 5 mm). The texture level is defined

26

BILAGA 2: DISKUSSION AV PROBLEM MED SLÄPVAGNSMETODEN. (kopia av brev)

Swedish Hoadand _ ' Om om No.

I Paf/Ir: ResearchInstitute

Road User and Vehicle Division 1988-10-20 143/86-52

Ulf Sandberg

Rijkswaterstaat Att.: Mr. RE. Vogelaar Postbox 5044

2600 GA Delft The Netherlands

Dear Mr. Vogelaar,

Thank you for the information you gave in your letter of 12 October. It was very valuable for me, and I hope you can supplement it later with the noise measurement results you mentioned.

However, I would like to comment on the trailer noise measurements already now. The trailer method is very practical in many ways but it is _1191 very good :for comparing noise on various roads if these roads include porous surfaces. The problem is pointed out e.g. in my thesis you received in the latest letter (page 6:4, upper right) and the reason is this. The porous surfaces rely to a significant part in their noise reduction on the sound absorption of the direct and reflected waves during their prOpagation from the source to the receiver (the microphone). If the microphone is close to the tire as in the case of the trailer method, this propagation "attenuation" is not fully utilized relative to when sound propagates over longer distances. It means that the trailer method underestimates the noise reduction of porous pavements. It has even been noticed that the coast-by method, at 7.5 m measuring distance, underestimates the Leq (equivalent sound

level) somewhat.

Theretore, I would like to "attenuate" yourenthusiasm regarding the trailer method a little. It is more suited to compare tires than roads. Yours sincerely,

/

0%/

_/

Uli Sandberg /

Encl.: VTI reprint 103

' VTI meddelande 441A

Postal address Visiting address Phone Telex

8-581 01 LINKÖPING Olaus Magnus väg 37 Int + 4613115200 50125 VT!SGl S