Klare Ansagen für Verkehrsteilnehmer: Neue Chancen zur sicheren Sprachalarmierung in Tunneln

Ausgangslage

Lautsprecherdurchsagen gehören zu den Sicherheitseinrichtungen, die in Brand- und Katastrophenfällen in Straßentunneln einen ganz beträchtlichen Stellenwert für die Selbstrettung der Tunnelnutzer besitzen. In verrauchter Umgebung werden akustische Informationen nicht beeinträchtigt, und Menschen reagieren auf verbale Ansprache rascher und präziser als auf allgemeine Gefahrensignale oder optische Symbole. Die Vorteile einer schnellen und gezielten Information des Tunnelnutzers mittels Lautsprecherdurchsagen wurden bereits durch die Vorgabe von Lautsprechern in den 1985 erstmalig veröffentlichten „Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln“ (RABT) [1] gesehen und seitdem beibehalten.

Voraussetzung für die Wirksamkeit von Sprachalarmierung ist jedoch die ausreichend gute Verständlichkeit der übermittelten Sprachinformation. Die Akustik eines Straßentunnels mit immensem Nachhall und Verkehrslärm stellt der Verständlichkeit jedoch hohe Hürden entgegen. Gerade die für die Tunnelbetriebspraxis wichtigste Beschallungsart des sogenannten Sammelrufs, also eines gleichzeitigen Rufs in eine Röhre über deren vollständige Länge, musste in der Mehrzahl aller Tunnel in die Kategorie „unverständlich“ eingeordnet werden. Da aber die RABT [1] nicht allein den Einbau der Anlagen, sondern eine Verständlichkeit der Lautsprecherdurchsagen fordert, gilt es, den bisherigen Widerspruch zwischen definiertem Anspruch und realer Beschallungspraxis durch ergänzende Untersuchungen aufzulösen. Mit der Durchführung dieser Untersuchungen hat die Bundesanstalt für Straßenwesen in Vertretung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) das Ingenieurbüro IFB Consulting beauftragt.

Ziel der Untersuchungen ist die Erarbeitung weitergehender Anforderungen an elektroakustische Anlagen in Straßentunneln unter Beachtung der technischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit. Hierbei ist zunächst zu klären, ob sich eindeutige Potenziale zur Verbesserung der bisherigen Beschallungsergebnisse aufzeigen lassen. Darauf aufbauend ist zu ermitteln, ob Beschallungsanlagen auf der Basis definierter Tunneltypen mit jeweils voneinander differierenden akustischen Eigenschaften ohne aufwändige Einzelfalluntersuchungen geplant werden können bzw. eine Verringerung des Planungsaufwandes erreichbar ist. Die Ergebnisse sollen in konkrete Empfehlungen zur Fortschreibung des für Straßentunnel geltenden betriebstechnischen Regelwerkes münden.

Untersuchungsansatz

Akustisch-theoretische Grundlagen, neuartige beschallungstechnische Konzepte sowie weitere Ergebnisse aus Forschungsprojekten und Untersuchungen zum Thema Tunnelbeschallung waren zu analysieren und den Erkenntnissen aus einer Anzahl schalltechnischer Einzeluntersuchungen zu Straßentunneln, die vom Forschungsnehmer unabhängig vom Forschungsvorhaben aufgestellt worden waren, gegenüberzustellen. Als Ergebnis sollten die für die Auslegung von Beschallungsanlagen relevanten akustischen Einflussgrößen bei unterschiedlichen Tunnelgeometrien zusammengestellt und messtechnisch bestimmt werden. Dies sollte einhergehen mit der Definition präziser Grundanforderungen an die elektroakustischen Funktionsparameter von Beschallungsanlagen. Eine ergänzende Marktanalyse sollte das Potenzial am Markt vorhandener aber im Tunnelbereich nicht eingesetzter elektroakustischer Ausrüstung im Hinblick auf die Verbesserung der Verständlichkeit von Sprachinformationen im Tunnel aufzeigen.

Nach der Festlegung geeigneter Anforderungen waren die jeweiligen Tunnelbeschallungskonzepte auf die jeweils erzielbaren elektroakustischen objektiven Sprachverständlichkeits-Parameter zu untersuchen. In diesem experimentell geprägten Teil des Vorhabens waren in einem Straßentunnel vergleichende Untersuchungen zwischen unterschiedlichen Beschallungskonzepten in Form von prinzipiellen Messaufbauten vorgesehen. Die aus diesen Versuchsanordnungen gewonnenen ersten vorläufigen Ergebnisse hatten eine starke Fokussierung des Untersuchungsansatzes hin zu einem als „synchronisierte Längsbeschallung“ bezeichneten Konzept zur Folge, verbunden mit der Fragestellung, wie sich das Konzept unter den Realbedingungen einer vollständigen Tunnelbeschallung darstellen würde. Ein in der Nachrüstung befindlicher Tunnel wurde kurzfristig mit Lautsprechersystemen, die auf die akustischen Gegebenheiten eines Straßentunnels hin optimiert worden waren, ausgestattet und ermöglichte somit die weitere vertiefende Untersuchung dieses Konzepts unter realen Tunnelbedingungen, die Ableitung von Zielvorgaben für die Beurteilung entsprechender Beschallungsanlagen, sowie die Formulierung allgemeiner Regeln für deren Errichtung.

Ergebnisse und Umsetzung

Vom Forschungsnehmer, der in seiner Funktion eines beratenden Ingenieurbüros bereits 19 Verkehrstunnelprojekte schalltechnisch betreute, wurden gutachterlich ermittelte akustische und beschallungstechnische Tunnelparameter systematisch ausgewertet. In Verbindung mit den anschließenden Einzeluntersuchungen in einem Straßentunnel wurden vorhandene Erkenntnisse präzisiert oder richtiggestellt, sowohl bezüglich der Akustik von Tunneln als auch der Eigenschaften verschiedener Tunnel-Beschallungskonzepte. Als Kriterium zur Güte der übermittelten akustischen Informationen wurde der Sprachübertragungsindex (speech transmission index (STI)) zugrundegelegt.

Der Weg aus dem Sprachverständlichkeitsdilemma in der Tunnelbeschallung führte über 2 Parameter, die beeinflusst bzw. genutzt werden mussten:

1. Die für den Nachhall verantwortlichen Schallreflexionen an den Tunnelwänden müssen reduziert werden.

2. Die besondere Schallausbreitung innerhalb der Röhrengeometrie kann als nutzbringende Größe verwertet werden.

Die für den Nachhall verantwortlichen Schallreflexionen an den Tunnelwänden werden durch eine Vielzahl von möglichen Reflektionspfaden verursacht. In Bild 1 wird eine lautsprecherseitige Reduktionsmöglichkeit durch Variation der Bauart dargestellt.

Ein kurz vor der Fertigstellung stehender Straßentunnel konnte für experimentelle Untersuchungen genutzt werden, um Details von Tunnelakustik-Parametern wissenschaftlich detaillierter zu erforschen, insbesondere die Schallleitungseigenschaften dieser speziellen Röhrensysteme. Es wurden 3 Beschallungskonzepte in experimentellen Modellaufbauten verglichen:

• Die konventionelle verteilte Lautsprecheranordnung mittels Hornlautsprechern in kurzen Montagerastern im Wand- oder Deckenbereich. Es erfolgt die Übertragung der Information gleichzeitig über alle installierten Lautsprecher.

• Die sogenannte sequentielle Beschallung, die seit 2005 bereits mehrfach praktisch umgesetzt wurde. Hierbei wird zunächst nur in einem begrenzten Abschnitt der Tunnelröhre über nur wenige Lautsprecher übertragen (deren Schallfelder zudem über Signal-Verzögerungen noch miteinander synchronisiert werden). Alle entfernteren Lautsprecher bleiben (bis auf Weiteres) „stumm“. Nach Abschluss der Übertragung im ersten Abschnitt erfolgt die Übertragung zeitverzögert im nächsten Abschnitt.

• Das noch unerprobte Konzept der synchronisierten Längsbeschallung (im Folgenden als „SLASS-Konzept“ benannt, SLASS = synchronized longitudinal announcement speaker system). Dieses Konzept beschreibt eine gerichtete Schalleinstrahlung in Tunnellängsrichtung in Verbindung mit einem elektronischen Laufzeitausgleich (Delay), das die nachfolgenden Lautsprecher in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit mit dem Schallfeld des ersten Lautsprechers synchronisiert. Das Prinzip zeigt Bild 2.

Bereits die Ergebnisse der gutachterlichen Einzeluntersuchungen zeigten, dass sich mit einer herkömmlichen Lautsprecheranordnung und deren elektrischen Ansteuerung eine ausreichende Verständlichkeit nicht erzielen lässt. Dies wurde im Tunnel erneut bestätigt.

Die sequentielle Beschallung nutzte lediglich den Einflussparameter Nachhall zur Verbesserung der Verständlichkeit: Durch eine nur segmentweise Beschallung und zeitlich nacheinander folgende Einsprechsequenzen wurde Nachhall aus den anderen Tunnelsegmenten unterbunden, und dadurch stieg die Sprachverständlichkeit innerhalb des beschallten Segments signifikant an. Die Beschallung erfolgte mit herkömmlichen Lautsprechern. Die Forschungsergebnisse zu diesem Konzept bestätigten die aus der Praxis bekannte Tatsache, dass auf diese Weise ausreichende Sprachverständlichkeit erreicht werden kann. Da das sequentielle Konzept aber keine gleichzeitige Beschallung aller Tunnelsegmente (echter Sammelruf) erlaubt, müssen alle Rufe mehrfach wiederholt werden - was die Übertragung der Informationen an alle Stellen des Tunnels in Abhängigkeit von seiner Länge ungünstig vervielfacht.

Das bisher nur theoretisch beschriebene (SLASS-)Konzept soll hingegen beide Einflussgrößen Nachhall und Schallausbreitung in Verbindung mit einer auf diesen Einsatzzweck zu optimierenden Lautsprecherbauart nutzen. Mittels sehr großer, stark schallbündelnder Lautsprecher, Bild 3 zeigt ein inzwischen ausgeführtes Modell, die den Schall längs der Tunnelröhre abstrahlen ohne aber nennenswerte Schallenergieanteile gegen die naheliegenden Tunnelwände zu strahlen, wird wenig Schall von diesen Wandbereichen reflektiert und der Nachhall auf diese Weise reduziert. Zugleich werden Schallwellen in weitem Abstand vom Lautsprecher in spitzen Winkeln an den Röhrenwänden reflektiert. Dieser so nur in Tunnelröhren nutzbare Effekt soll den effektiven Direktschallanteil über eine lange Distanz erhöhen, so dass mit relativ wenigen Lautsprechern viel verständlichkeitsrelevanter Schall über eine große Distanz übertragen werden kann.

Die praktische Umsetzbarkeit dieser theoretischen Überlegungen wurde im Rahmen der Voruntersuchungen erfolgreich nachgewiesen. Auch zeigte sich der starke Einfluss der Bauart auf den erreichbaren Sprachverständlichkeitsindex (Bild 4).

Um eine vollständige Tunnelröhre zu beschallen, sind zur Vermeidung destruktiver Echoeffekte und der Aussendung zusätzlicher Nachhallenergie, die einzelnen Schallfelder entsprechend der prinzipiellen Darstellung nach Bild 2, in Abhängigkeit von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit zu synchronisieren, also jeden Lautsprecher mit einem separaten elektronisch verzögerten Signal anzusteuern. Neben Lautsprecher-Abstrahlparametern wurden weitere Vorgaben hinsichtlich der Toleranz der Laufzeit-Synchronisierung, des beim Empfänger zu erreichenden Schalldrucks und des zu übertragenen Frequenzbereichs festgelegt, um mit dem Konzept in der Praxis die erforderliche hohe Verständlichkeit zu erzielen.

Noch während der Laufzeit des Forschungsvorhabens wurde in einem nachzurüstenden rund 800 m langen Tunnel erstmals ein vollständiges SLASS-System installiert. Messtechnisch ist das vorher berechnete, jedoch im Tunnel für Sammelruf nicht für realisierbar gehaltene Ergebnis eines Sprachübertragungsindex (STI) von größer als > 0,50 bestätigt worden. Der erzielte hohe Sprachverständlichkeitsindex hat sich auch in subjektiver Überprüfung mit Sprachdurchsagen bei Tests unter Praxisbedingungen mit Störlärmeinfluss durch Strahlventilatoren und Fahrzeuge als außerordentlich gut verständlich erwiesen.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Gewährleistung und (ständige) Verbesserung der Sicherheit von Straßentunneln ist in Deutschland ein wichtiges und allgemein anerkanntes Ziel. Verständliche Lautsprecherdurchsagen tragen mit zum richtigen Verhalten der Tunnelnutzer sowohl im Brandfall als auch bei sonstigen Störfällen bei. Während im Brandfall durch entsprechende Verhaltenshinweise insbesondere die Selbst-rettung betroffener Personen verbessern helfen, sollen bei sonstigen Störfällen (Unfall, Panne) die rasche Information mit zu einer geordneten Abwicklung des Tunnelbetriebes beitragen.

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts stellen einen erheblichen Fortschritt in der Sprachverständlichkeit von Lautsprecherdurchsagen in Tunnelröhren bei Anwendung des Konzeptes der synchronisierten Längsbeschallung dar. Mit diesem Ergebnis erweist sich das erforschte Konzept als allen bisherigen Beschallungsvarianten überlegen, und wird für zukünftige Installationen in Verkehrstunneln in typischer Bauweise die Installation der Wahl sein. Seit Bekanntwerden der Ergebnisse sind in Deutschland bereits über 10 Tunnel mit der neuen Technik ausgestattet, so dass sich das Forschungsergebnis vom ersten Moment an unmittelbar in der Praxis niedergeschlagen hat.

Um das Potenzial der elektroakustischen Ausstattung im Tunnel noch besser nutzen zu können, ist die Klärung offengebliebener Fragen wie zum Beispiel die effiziente Anpassung der Beschallungslautstärken an die wechselnden Lärmpegel, die systematische Einbeziehung der Fluchtwege und der Portalbereiche, die Ausführung von Sprachansagetexten und eine vereinheitlichte Bedien-Ergonomie für Sprachdurchsagen anzustreben.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind in einem ausführlichen und anschaulichen Bericht zusammengefasst. Dieser Forschungsbericht ist als Bericht B 80 in der Schriftenreihe der BASt unter dem Titel „Lautsprecheranlagen und akustische Signalisierung in Straßentunneln“ [2] veröffentlicht. Zurzeit werden bereits die maßgebenden Regelwerke Straßentunnelbetrieb mit dem Ziel fortgeschrieben, eine weitere Erhöhung der Tunnelsicherheit zu erreichen. Die zügige Umsetzung wesentlicher Forschungsergebnisse im Regelwerk ist somit gewährleistet.