Zavod za varstvo pri delu
Center za fizikalne meritve
Št: LFIZ-20140066/1 – FD
Laboratorij za fizikalne meritve
Datum: 19.12.2014
STROKOVNE PODLAGE ZA VZPOSTAVITEV SISTEMA NADZORA NAD PODVODNIM
HRUPOM V SKLADU Z DIREKTIVO O MORSKI STRATEGIJI (DIREKTIVA 2008/56/ES)
2. FAZA
Naročnik:
INŠTITUT ZA VODE
REPUBLIKE SLOVENIJE
Hajdrihova 28c
1000 Ljubljana
Poslano:
2 x naročnik
1 x arhiv ZVD (kopija poročila)
Člani projektne naloge:
dr. Ferdinand Deželak, univ.dipl.inž.
Luka Čurović, dipl.fiz.un.
Jernej Jenko, dipl.var.inž.
Poročilo pripravili:
dr. Ferdinand Deželak, univ.dipl.inž.
Luka Čurović, dipl.fiz.un.
Jernej Jenko, dipl.var.inž.
Dokument vsebuje 55 strani.
Poročilo je dovoljeno reproducirati samo v celoti.
Chengdujska cesta 25, 1260 Ljubljana - Polje, Slovenija • T +386(0)1 585 51 00 • F +386(0)1 585 51 01 • E [email protected] • W www.zvd.si
Davčna št.: 21282692 • ID št. za DDV: SI21282692 • Matična št.: 5055580 •
Vpis družbe: Okrožno sodišče v Ljubljani, vložna št.: 10024700 • Osnovni kapital: 779.402,44 EUR
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
KAZALO:
DEL I - UVOD ....................................................................................................................................... 5
DEL II - MERITVE PODVODNEGA HRUPA ................................................................................. 6
1.
2.
3.
UPORABLJENE KOLIČINE IN METODOLOGIJA.................................................................. 6
1.1
Osnovni kazalci podvodnega hrupa ...................................................................................... 6
1.2
Indikatorji podvodnega hrupa ............................................................................................... 8
MERITVE AMBIENTNEGA PODVODNEGA NA REŠREZENTATIVNIH LOKACIJAH .... 9
2.1
Splošno .................................................................................................................................. 9
2.2
Lokacija meritev.................................................................................................................... 9
2.3
Rezultati meritev ................................................................................................................. 10
2.4
Zaključek ............................................................................................................................. 12
MERITVE PODVODNEGA HRUPA PRI POGLABLJANJU KONTEJNERSKEGA
TERMINALA .................................................................................................................................... 13
3.1
Splošno ................................................................................................................................ 13
3.2
Lokacija meritev.................................................................................................................. 13
3.3
Rezultati meritev ................................................................................................................. 14
3.4
Zaključek ............................................................................................................................. 16
DEL III – MODELIRANJE PODVODNEGA HRUPA .................................................................. 17
1.
UVOD ........................................................................................................................................ 17
2.
RAZŠIRJANJE PODVODNEGA HRUPA ................................................................................ 18
3.
4.
2.1
Ambientni hrup ................................................................................................................... 18
2.2
Geometrijska divergenca ..................................................................................................... 19
2.3
Absorpcija zvoka ................................................................................................................. 19
2.4
Vpliv zračnih mehurčkov .................................................................................................... 20
2.5
Hitrostni profili in lom valovanja ........................................................................................ 21
2.6
Interakcija zvoka z morskim dnom in gladino .................................................................... 22
2.7
Napoved ravni zvoka ........................................................................................................... 23
2.8
Značilnosti vira zvoka ......................................................................................................... 23
FIZIKALNI MODELI ...................................................................................................................... 24
3.1
Akustični model za razširjanje zvoka .................................................................................. 26
3.2
Preprosti modeli .................................................................................................................. 31
3.3
Širokospektralni hrup .......................................................................................................... 31
3.4
Metoda končnih elementov ................................................................................................. 32
3.5
Uporaba modelov ................................................................................................................ 32
KARTIRANJE ............................................................................................................................... 33
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 3/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
4.1
Podatki o ladijskem prometu ............................................................................................... 33
4.2
Spekter virov SL.................................................................................................................. 33
4.3
Parametri okolja .................................................................................................................. 34
4.4
Model razširjanja hrupa....................................................................................................... 36
4.5
Ekvivalentna raven hrupa zaradi ladijskega prometa .......................................................... 47
5.
ZAKLJUČEK ................................................................................................................................. 49
6.
LITERATURA ............................................................................................................................... 49
DEL IV - POROČILO O UDELEŽBI NA SESTANKU 7TH MEETING TECHNICAL GROUP
UNDERWATER NOISE .................................................................................................................... 51
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 4/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
DEL I - UVOD
Poročilo z naslovom Strokovne podlage za vzpostavitev sistema nadzora nad podvodnim hrupom v
skladu z Direktivo o morski strategiji (Direktiva 2008/56/ES) 2. faza je razdeljeno na štiri dele. V
drugem delu so prikazani rezultati kratkotrajnih meritev podvodnega hrupa na nekaterih
reprezentativnih lokacijah v Slovenskem morju in rezultati meritev podvodnega hrupa pri poglabljanju
Luke Koper. V tretjem delu je podan pregled razpoložljivih matematično fizikalnih modelov in
algoritmov, ki se najpogosteje uporabljajo pri modeliranju podvodnega hrupa. Glede na strokovno
literaturo in posvetovanje z eksperti s področja podvodnega hrupa v okviru tehnične skupine TG Noise
je bil kot vzorčen model izbran model, ki rešuje parabolično oblike Helmholtzove valovne enačbe in je
implementiran v algoritmu GEO. Prikazana je tudi uporaba modela na primeru ladijskega hrupa. Četrti
del je poročilo o udeležbi in organizaciji tehnične skupine TG Noise v Ljubljani.
Poročilo o osnutku metod za izvajanje monitoringa podvodnega hrupa, skupaj z analizo vplivnih
faktorjev in merilne negotovosti ter predlaganih osnov za predlog ukrepov za zmanjševanje
podvodnega hrupa je bil že podan v septembrskem poročilu Strokovne podlage za vzpostavitev
sistema nadzora nad podvodnim hrupom v skladu z Direktivo o morski strategiji (Direktiva
2008/56/ES) 1. faza.
Iz priloženega obsega del v sklopu te naloge so izvzete prvotno načrtovane kontinuirane meritve
podvodnega hrupa. Te so bile prvotno zamišljene na boji sredi morja (na svetilni boji v Koprskem
zalivu). Po analizi realnih objektivnih razmer pa je bilo ugotovljeno, da bi bila najprimernejša lokacija
za te meritve svetilnik na zahodni strani Debelega Rtiča. Po drugi strani ni bila v roku dobavljena tudi
merilna oprema za izvedbo kontinuiranih meritev podvodnega hrupa, prav tako doslej še niso bila na
voljo vsa potrebna soglasja za namestitev in kalibracijo merilne opreme in opravljanje meritev v
neposredni bližini svetilnika. Pričetek tovrstnih del načrtujemo v februarju leta 2015, njihov zaključek
pa v mesecu maju 2015. Temu ustrezno se tudi del stroškov prenese na opisano obdobje v začetku
prihodnjega leta.
Določene podatke potrebne za register impulznih virov podvodnega hrupa smo zbrali že v
septembrskem poročilu (Strokovne podlage 1. faza), vendar njihovo obratovanje ni bilo aktivirano
oziroma zaznano. Tipičen primer je bilo prvotno načrtovana razstrelitev ameriške letalske bombe tipa
AN-M65 z maso 454 kg in 240 kg eksploziva TNT, katere aktiviranje (prvotno načrtovano za
24.6.2014) je bilo v zadnjem trenutku preloženo. V zvezi s podatki o drugih eksplozijskih virih hrupa
smo se povezali tudi z MORS-om ter z njihovim sektorjem za potapljače, kjer so nam obljubili tudi
podatke o sonarjih, ki jih uporablja Slovenska vojska. Na njihov odgovor še čakamo. Sistem za
zabijanje pilotov, ki se je uporabljal v sklopu gradbenih del za Luko Koper v mesecih februar in marec
2014 pa je bil že podrobneje opisan v prejšnjem poročilu.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 5/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
DEL II - MERITVE PODVODNEGA HRUPA
Podvodni hrup v našem akvatoriju je v prvi vrsti posledica vpliva raznih plovil, tako transportov večjih
ladij na velikih oddaljenostih, kot tudi vpliva manjših in hitrih plovil na manjših oddaljenostih, zlasti v
bližini marin in sidrišč. Hrup večjih plovil na rednih plovbah je v glavnem kontinuiranega oziroma
stalnega značaja, za manjša hitra plovila (gliserji, sky jeti) pa ima v znatni meri značaj prehodnih
pojavov oziroma nestacionarnega hrupa; pri velikih gostotah manjših plovil v poletnem obdobju pa do
neke mere tudi kvazi stacionarnega hrupa. Pri določenih pogojih pa lahko dobi tudi določene
značilnosti impulznega hrupa, na primer poskakovanje oziroma udarjanje spodnjega dela hitrih plovil
v morsko površino.
Meritve dne 14.11.2014 so bile opravljene z namenom spremljanja obremenjenosti Slovenskega morja
z ambientnim podvodnim hrupom v jesenskem času.
Meritve podvodnega hrupa pri poglabljanju kontejnerskega terminala so bile opravljene z namenom
preiskave ravni hrupa v času, ko se izvajajo podvodna dela.
1.
UPORABLJENE KOLIČINE IN METODOLOGIJA
1.1
Osnovni kazalci podvodnega hrupa
Kot že navedeno, je v našem akvatoriju najbolj prisoten hrup različnih plovil, ki smo ga beležili tekom
vsakih meritev. V podvodni akustiki se kot izhodišče za popisovanje emisije hruupa uporablja raven
vira, to je raven zvočnega tlaka na oddaljenosti 1 m od vira. Skladno z evropsko direktivo pa se sicer
uporabljajo predvsem tri akustične metrike:
• RMS raven hrupa za kontinuirani hrup,
• Zvočna ekspozicija (sound exposure) za impulzni hrup,
• Konična raven (zero to peak pressure level) za impulzni hrup.
Vse navedene ravni se v podvodni akustiki zaenkrat obravnavajo kot nevrednotene.
RMS raven popisuje efektivno vrednost kvadrata (root mean square) zvočnega tlaka in jo označimo
kot pRMS, izraža pa se v pascalih (Pa). Vrednost RMS se tako izračuna s kvadriranjem vrednosti
zvočnega tlaka p(t), njegovim povprečenjem (integracijo) preko določenega časovnega intervala t2-t1,
na koncu pa se tako povprečena vrednost še koreni, kar se matematično zapiše kot:
= () (1)
Pri tem sta t1 oziroma t2 časovna trenutka pričetka oziroma zaključka vrednotenja tega povprečja.
Zvočno ekspozicijo E dobimo s kvadriranjem zvočnega tlaka preko časovnega intervala, v katerem
traja določen dogodek, običajno zvočni impulz.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 6/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
= () (2)
Izraža se v enotah Pa2s. Ta količina se lahko vzame tudi kot kazalec za energijo zvočnega vala (po
deljenju s specifično akustično impedanco mediuma jo lahko spremenimo, oziroma prikažemo kot
gostoto energijskega pretoka).
V tej nalogi obravnavamo tudi impulzni hrup v podmorju, katerega izvor je na primer zabijalni sistem
za zabijanje pilotov v morju. Pri tovrstnem zaporedju enkratnih oziroma impulznih dogodkov, kot so
udarci pri zabijanju pilotov, lahko uporabimo kazalnik SEL (sound exposure level) med trajanjem tega
dogodka. SEL je definiran kot raven stalnega hrupa s časom trajanja 1s in z enako energijo kot jo ima
izolirani dogodek (to je udarec pri zabijanju pilota), torej z enačbo:
() = ∞
(3)
kjer je t0 referenčna časovna enota enaka 1s. Seveda lahko SEL izrazimo tudi neposredno preko že
definirane zvočne ekspozicije E kot
= (4)
Pri čemer predstavlja E0 referenčno ekspozicijsko vrednost, enako 1 µPa2s.
Pri oceni spreminjajočega se hrupa pa uporabljamo predvsem energijsko ekvivalentno raven, ki je v
akustiki definirana kot:
() , = (5)
kjer je T celotni čas merjenja, p(t) časovno odvisni zvočni tlak in p0 nazivni zvočni tlak (1µPa). Kar v
bistvu predstavlja aritmetično sredino.
Namesto neskončnih meja za SEL (enačba (3)) v praksi izberemo za spodnjo in zgornjo mejo
vrednosti, pri katerih je raven zvočnega tlaka bistveno nižja od konične vrednosti (n.pr. 10 dB), ali ko
pade pod raven preostalega hrupa.
SEL in Leq sta povezani količini, zato je možno določiti ekvivalentno raven kot posledico prispevkov
posameznih dogodkov (na primer posameznih udarcev pri zabijanju pilotov), iz povprečne vrednosti
SEL-a za posamezni dogodek in njihovega števila n tekom določenega časa T, kar popisuje naslednja
enačba:
, = + − (6)
pri tem za T upoštevamo obdobje, ki ga ocenjujemo oziroma čas, v katerem predpostavljamo te hrupne
dogodke.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 7/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Konična vrednost zvočnega tlaka Lpeak predstavlja najvišjo vrednost zvočnega tlaka v določenem
časovnem intervalu. Enota zanjo je Pa. Lahko jo štejemo od pozitivne konice (zgostitve) ali od
negativne vrednosti konice (razredčitve) in se zato obravnava do ničelne vrednosti zvočnega tlaka
(zero to peak sound pressure). Redkeje se uporablja vsota absolutnih vrednosti konic zgostitvenega in
razredčitvenega vala (peak to peak sound pressure).
1.2
Indikatorji podvodnega hrupa
Skladno z 9. členom uredbe in direktivo 2010/477/EU je potrebno upoštevati indikatorje za
vrednotenje podvodnega hrupa, kot deskriptorja D11. V ta namen se uporabljata dva indikatorja:
1.2.1
Indikator 11.1.1. za nizko in srednjefrekvenčni impulzni hrup
Ta indikator obravnava prostorsko in časovno porazdelitev nizko in srednjefrekvenčnega impulznega
hrupa in sicer kot delež dni in njihovo porazdelitev v koledarskem letu, kot tudi njihovo prostorsko
porazdelitev, znotraj katerih antropogeni hrupni viri presegajo ravni, pri katerih lahko pride do
občutnega vpliva na morske živali. Meri se kot ekspozicijska raven SEL (v dB re 1µPa2s) ali kot
konična raven zvočnega tlaka Lpeak (v dB re 1µPa) na enem metru, merjen v frekvenčnem območju 10
Hz do 10 kHz.
Raven zvočnega tlaka zvoka iz kontinuiranega zvočnega vira je lahko konstantna, nihajoča ali rahlo se
spreminjajoča preko določenega časovnega intervala. Kontinuiran hrup je običajno opisan z
enoštevilčno vrednostjo, kot ekvivalentna kontinuirana raven zvočnega tlaka v določenem časovnem
intervalu.
1.2.2
Indikator 11.2.1. za nizkofrekvenčni kontinuirani hrup
Ta indikator obravnava trende v ravni ambientnega hrupa v terčnih pasovih 63 Hz in 125 Hz
(središčna frekvenca), in sicer povprečne ravni hrupa v teh pasovih preko leta, v dB re 1µPa RMS,
merjenega v statistično reprezentativni množici opazovalnih postaj in/ali pridobljenih z modeliranjem.
Trend lahko definiramo kot splošno usmeritev, v katero se določen proces razvija oziroma spreminja.
Trend v smislu monitoringa podvodnega hrupa se nanaša na spremembe njegove ravni iz leta v leto ali
v daljšem obdobju. Za določitev statistično signifikantnega trenda je potrebno zbiranje in modeliranje
oziroma merjenje tekom desetletij. Zato bo trend naraščanja hrupa možno z zanesljivostjo določiti šele
enkrat po letu 2020. Do takrat pa je potrebno opravljati vsakoletne meritve oziroma modeliranje in
ustrezna letna povprečenja.
Technical Sub-group Underwater Noise (TSG Noise) definira impulzni zvok kot zvok, katerega
efektiven čas trajanja individualnega zvočnega dogodka ne presega deset sekund in katerega čas
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 8/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
ponavljanja presega štirikratnik tega efektivnega časa trajanja. V tem smislu se upošteva predlog, da
so vsi zvoki s časom trajanja manj kot 10 s, ki se ne ponavljajo, prav tako impulzni.
2.
MERITVE
AMBIENTNEGA
PODVODNEGA
NA
REŠREZENTATIVNIH
LOKACIJAH
2.1
Splošno
Meritve podvodnega hrupa, smo opravili dne 14.11.2014 na šestih lokacijah v Slovenskem morju.
Meritve smo izvajali z modularnima merilnikoma zvoka BK tipa 2270 in BK 2250 ter s hidrofoni BK
tipa 8104, ki so bili pred meritvami kalibrirani. Podatke smo obdelali s programsko opremo BK
Evaluator tip 7820.
Meritve obsegajo predvsem spremljanje kazalnika ambientnega hrupa oziroma energijsko povprečeno
raven hrupa znotraj terčnega frekvenčnega pasu s srednjo frekvenco 63 Hz (LEQ63Hz) oziroma 125 Hz
(LEQ125Hz) tekom časa merjenja v dB, s katerimi opisujemo obremenitev morja z ambientnim hrupom.
Uporabljeni hidrofoni omogočajo meritve podvodnega hrupa v frekvenčnem razponu med 10 Hz in 20
kHz in so tako primerni za spremljanje obeh z Direktivo določenih kazalnikov podvodnega hrupa
(kazalnika 11.1.1 in 11.2.1). Modularni merilniki hrupa BK 2270 in BK 2250 izmerjene podatke tudi
shranjujejo, zato smo podatke analizirali naknadno v laboratoriju.
Poleg stalnega ozadja smo zabeležili tudi nekatere prehodne dogodke, ki so povezani z vožnjo plovil v
bližini merilnih mest.
Meritve smo opravili v jesenskem času, ko prevladuje predvsem hrup tovornih ladij in vlačilcev.
2.2
Lokacija meritev
Meritve smo izvedli na šestih lokacijah na različnih globinah v Slovenskem morju na območju Marine
Portorož, Piranske Punte, Luke Koper in v bližini ladijskih koridorjev. Merilna mesta so prikazana na
sliki 1. Okvirne zemljepisne dolžine in širine merilnih točk so prikazane v tabeli 1.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 9/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Tabela 1: merilna mesta z dne 14.11.2014
Merilno
mesto
Lat
Lon
1
-
-
2
45.5064
13.5875
Pred Marino Portorož
3
45.5330
13.5636
Piranska Punta
4
45.5547
13.5608
Točka B
5
45.6128
13.6236
Točka CZ
6
45.5647
13.6994
Pred Luko Koper
Lokacija
Na pomolu marine Portorož
Slika 1: položaj merilnih mest. Slika je informativna. Vir: https://earth.google.com/
2.3
Rezultati meritev
Rezultati meritev so prikazani v tabeli 2. Terčni frekvenčni spektri oziroma analize so prikazane na
sliki 2. Meritve na posameznem merilnem mestu smo izvajali 8 minut. Izvajali smo jih z dvema
merilnikom BK tip 2270 in BK tip 2250 na različnih globinah, pri čemer nismo zaznali pomembnejših
razlik med obema globinama. V tabeli 2 so poleg ekvivalentnih ravni hrupa LEQ, LEQ63Hz, LEQ125Hz
prikazane še globina na kateri se je nahajal hidrofon in globina morja.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 10/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Tabela 2: meritve na šestih lokacijah z dne 14.11.2014
z (m)
H (m)
LEQ (dB)
LEQ63 Hz
(dB)
LEQ125Hz
(dB)
3
9
113.1
89.7
90.2
-vpliv manjšega plovila v marini Portorož
3
9
121.7
90.4
91.8
3.Pred Piransko punto
Lat: 45.5331
Lat: 13.5636
-vpliv čolna ribiškega inšpektorja na oddaljenosti cca
25 m
4.Točka B
Lat: 45.5547
Lat: 13.5608
3
5
114.3
93.9
92.1
-vpliv barkače na oddaljenosti cca. 30 m
8
20
123.1
92.1
91.8
5
14.1
119.4
91.1
97.8
5
14.1
133.5
120.4
121
-ozadje
5
13.9
113.8
91.8
89.7
-ozadje
5
13.9
114.5
93
91.8
Merilno mesto
1.Na pomolu marine Portorož
Lat: Lon: -ozadje
2.Pred Marino Portorož
Lat: 45.5064
Lat: 13.5875
5.Točka CZ (ozadje)
Lat: 45.6128
Lat: 13.6236
-ozadje
-vpliv dveh kontejnerskih ladij na oddaljenosti cca
500 in 1500 m
6.Pred Luko Koper
Lat: 45.5647
Lat: 13.6994
V zgornji tabeli se z nanaša na globino hidrofona, H pa globino vode. LEQ je energijsko ekvivalentna raven
tekom 8 min, kolikor je znašal čas meritve. LEQ63Hz in LEQ125Hz sta energijsko ekvivalentni ravni hrupa znotraj
terčnih frekvenčnih pasov s srednjima frekvencama 63 Hz oziroma 125 Hz.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 11/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 2: terčni frekvenčni
ni spekter podvodnega hrupa. Raven ozadja se je gibala med 90 in 100 Hz znotraj
celotnega frekvenčnega
nega spektra med 50 in 5000 Hz. Izjema je raven ozadja na točki
to ki CZ, ki se nahaja bližje
ladijskim koridorjem. Višje ravni hrupa so posledica prehodnih hrupnih pojavov (ladijski
(ladijski promet v bližini
merilnega mesta). V vseh primerih je hrup plovil povezan s povečanjem
pove anjem ravni hrupa v nizko in
srednjefrekvenčnem področju.
čju. Najbolj izrazito
izraz je povečanje nizkofrekvenčnega
ga hrupa zaradi plovbe
kontejnerskih ladij, medtem ko je plovba manjših plovil povezana s porastom srednjefrekvenčnih
srednjefrekven
komponent
hrupa.
2.4
Zaključek
Ekvivalentna neutežena raven hrupa LEQ izmerjena dna 14.11.2014 je na večini
ini merilnih mest znašala
med 113 in 114 dB. Nekoliko višja raven ozadja (LEQ=119dB, LEQ125Hz=97.8 dB) je bila izmerjena v
točki
ki CZ, ki se nahaja bližje ladijskim koridorjem. Kazalca hrupa LEQ63Hz in LEQ125Hz sta bila pod 100
dB in znašata okoli 90 dB. Iz terčnih
ter
frekvenčnih
nih analiz hrupa je razvidno, da je porast
nizkofrekvenčnega
nega hrupa povezan predvsem
pr
s prometom večjih
jih in težjih tovornih ladij, medtem, ko
manjša plovila povzročajo
ajo povišanje srednjefrekven
srednjefrekvenčnega hrupa.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 12/55
Strokovne podlage
3.
LFIZ-20140066/1- FD
MERITVE PODVODNEGA HRUPA PRI POGLABLJANJU KONTEJNERSKEGA
TERMINALA
3.1
Splošno
Meritve podvodnega hrupa, smo opravili dne 22.08.2014 na območju Luke Koper v času poglabljanja
kontejnerskega terminala Luka Koper in vplovnega kanala v pristanišče.
Poglabljanje morskega dna se je izvajalo s sesalnim bagerjem Dravo Costa Dorada. Plovilo je
opremljeno s sesalno glavo, ki deluje med plovbo. Sesalna glava odstranjuje morski sediment (mulj).
Odstranjen material se začasno shrani v podpalubju, od koder se nato po cevovodu prečrpa do kasete
(bazena na ankaranski Bonifiki). Samo črpanje traja približno 30 minut. Poglabljanje vplovnega
kanala je izvajal rezalno sesalni bager Martin Krpan
Meritve smo izvajali z modularnima merilnikoma zvoka BK tipa 2270 in BK 2250 ter s hidrofoni BK
tipa 8104, ki so bili pred meritvami kalibrirani. Podatke smo obdelali s programsko opremo BK
Evaluator tip 7820.
Meritve obsegajo predvsem spremljanje kazalnika ambientnega hrupa oziroma energijsko povprečeno
raven hrupa znotraj terčnega frekvenčnega pasu s srednjo frekvenco 63 Hz (LEQ63Hz) oziroma 125 Hz
(LEQ125Hz) tekom časa merjenja v dB, s katerimi opisujemo obremenitev morja z ambientnim hrupom.
Uporabljeni hidrofoni omogočajo meritve podvodnega hrupa v frekvenčnem razponu med 10 Hz in 20
kHz in so tako primerni za spremljanje obeh z Direktivo določenih kazalnikov podvodnega hrupa
(kazalnika 11.1.1 in 11.2.1). Modularni merilniki hrupa BK 2270 in BK 2250 izmerjene podatke tudi
shranjujejo, zato smo podatke analizirali naknadno v laboratoriju.
3.2
Lokacija meritev
Meritve smo izvedli na območju Luke Koper v bližini kontejnerskega terminala. Lokacija posameznih
merilnih mest je prikazana v tabeli z rezultati meritev. Okvirne koordinate merilnih točk so prikazane
v tabeli 3 in sliki 3.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 13/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Tabela 3: merilna mesta
Merilni
mesto
Lat
Lon
1
45.5531
13.7287
Costa dorada dreadging
2
45.5537
13.7228
Martin Krpan
3
45.5527
13.7209
Martin Krpan
4
45.5533
13.7203
Martin Krpan
5
45.5616
13.7024
Hrup ozadja na odprtem morju
6
45.5534
13.7294
Plutje Costa Dorada
Opomba
Slika 3: položaj merilnih mest. Slika je informativna. Vir: https://earth.google.com/
3.3
Rezultati meritev
20. julija je z delom pričel nizozemski bager Dravo Costa Dorada. Njegova naloga je bila poglobiti
morsko dno ob kontejnerski obali na -14 metrov. Plovilo, ki je bilo zgrajeno leta 1987 meri v dolžino
86 m, v širino pa 14 m. Je sesalni bager, ki deluje med plovbo. Proces poglabljanja se prične tako, da
sesalno glavo z bagra spustijo na morsko dno ter pod visokim pritiskom v mulj vbrizgajo vodo da ga
zmehčajo in razredčijo. S sesanjem nato mešanico vode in mulja odložijo v skladišče na palubi. Ko ga
napolnijo odplujejo na mesto praznjenja. Material pridobljen s poglabljanjem so prečrpali v tretjem
bazenu. Celoten proces polnjenja in praznjenja je trajal cca 2 ur. Bager pa je delal 24 ur na dan in 7 dni
v tednu. Vsak dan je približno dvajsetkrat opravil pot iz prvega v tretji bazen. Na bagru Dravo Costa
Dorada delata dve 20-članski ekipi. Pot, ki jo je bager Costa Dorada opravil tekom dneva je prikazana
na sliki 4.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 14/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 4: fotografija prikazuje kako se bager Costa Dorada premika med poglabljanjem in praznjenjem
prečrpanega materiala. Vir: https://earth.google.com/, https://www.marinetraffic.com/
Rezultati meritev so prikazani v tabeli 4. Terčni frekvenčni spektri oziroma analize so prikazane na
sliki 5. V tabeli 4 so poleg ekvivalentnih ravni hrupa LEQ, LEQ63Hz, LEQ125Hz prikazane še globina na
kateri se je nahajal hidrofon in globina morja.
Tabela 4: meritve poglabljanja z dne 22.8.2014
Merilno mesto
1.Lat: 45.5531 Lon: 13.7287
Costa dorada dreadging na
oddaljenosti 180-515m
2.Lat: 45.5537 Lon: 13.7228
Martin Krpan na oddaljenosti 70
(vpliv sesanja in rezanja)
3.Lat: 45.5527 Lon: 13.7209
Martin Krpan na oddaljenosti 81
(brez sesanja)
4.Lat: 45.5533 Lon: 13.7203
Martin Krpan na oddaljenosti 120
(brez sesanja)
z (m)
H (m)
LEQ (dB)
LEQ63 Hz (dB)
LEQ125Hz
(dB)
5
13.5
130.7
115.9
121.2
5
12.1
137.3
122.6
128
5
12.1
134.1
119.1
126.3
5
12.1
129.9
118.2
122.6
5
17.9
118.9
103.1
110.7
4
5.5
121.3
95
100
5.Lat: 45.5616 Lon: 13.7024
Hrup ozadja na odprtem morju
6.Lat: 45.5534 Lon: 13.7294
Plutje Costa Dorada
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 15/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
V zgornji tabeli se z nanaša na globino hidrofona, H pa globino vode. LEQ jee energijsko ekvivalentna raven
tekom 8 min, kolikor je znašal čas meritve. LEQ63Hz in LEQ125Hz sta energijsko ekvivalentni ravni hrupa znotraj
terčnih frekvenčnih
nih pasov s srednjima frekvencama 63 Hz oziroma 125 Hz.
ni spekter podvodnega
p
hrupa. Raven ozadja se je gibala med 100 in 105 Hz znotraj
Slika 5: terčni frekvenčni
frekvenčnega
nega spektra med 50 in 5000 Hz. Najvišje ravni hrupa so bile izmerjene v bližini bagerja Martin Krpan,
ki pri delu tudi reže v morsko dno. Poglabljanje Costa Dorade je povezano z nizkofrekvenčnimi
nizkofrekvenč
komponentami
hrupa.
3.4
Zaključek
Ekvivalentna neutežena raven hrupa LEQ zaradi poglabljanja izmerjena dna 22.08.2014
22.08
je na večini
merilnih mest na območju
ju Luke Koper znašala nad 130 dB, kar pomeni cca. 30 dB nad ozadjem.
Iz terčnih frekvenčnih
nih analiz hrupa je razvidno, da so povišane ravni hrupa povezane predvsem z
porastom nizko in srednjefrekvenčnih
srednjefrekvenč
komponent hrupa, ki se lahko širijo na daljše razdalje.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 16/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
DEL III – MODELIRANJE PODVODNEGA HRUPA
1. UVOD
Indikator 11.2.1 je bil skladno z Odločitvijo Komisije 2010/477/EU (CD) [1] definiran kot trend
letnega povprečja ravni zvočnega tlaka (SPL), ki je povezan z ambientnim hrupom znotraj terčnih
frekvenčnih pasov s centralnima frekvencama 63 Hz in 125 Hz. Raven zvočnega tlaka se podaja v
enotah dB z referenčno vrednostjo 1 µPa. Indikator 11.2.1 se spremlja z meritvami na podvodnih
merilnih postajah ali pa s pomočjo akustičnih modelov, s katerim lahko interpoliramo ravni hrupa med
posameznimi merilnimi točkami. Najbolj priporočljiva je prav kombinacija meritev in modelnih
izračunov. V povezavi z monitoringom indikatorjev hrupa 11.1.1 in 11.2.1 je tehnična skupina (MFSD
Technnical subgroup on underwater noise – TG noise) izdala priporočila za izvajanje monitoringa
ambientnega hrupa [2], [3] in [4], kjer priporočajo izvajanje meritev v kombinaciji z modelnimi
izračuni in izdelavo kart hrupa. S kombinacijo obeh metod je določanje kazalcev dobrega stanja okolja
bolj učinkovito, saj:
•
s pomočjo modelov hrupa lažje in hitreje določimo trend hrupa,
•
s kombinacijo modeliranja in meritev, lahko z manjšim številom merilnih postaj učinkoviteje
pokrijemo večjo površino morja,
•
na podlagi modelnih izračunov se lažje odločimo o namestitvi merilnih postaj (npr. izberemo
merilna mesta, kjer ladijski hrupa prevladuje v primerjavi z drugimi viri podvodnega hrupa),
•
z modeli hitreje odkrijemo območja, ki odstopajo od dobrega stanja okolja in z njihovo
pomočjo hitreje spoznamo vplive podvodnega hrupa na okolje.
Slovensko morje sodi med plitva morja (meja med plitvim in globokim morjem je v prvem približku
postavljena pri 200 m globine, ko postane interakcija zvočnih valov z morsko gladino odločilen
dejavnik pri obravnavi razširjanja zvoka v vodnem mediju). Trendi nizkofrekvenčnega podvodnega
ambientnega hrupa v plitvih vodah niso znani. Pričakovati pa je, da se trendi v plitvih vodah
razlikujejo od trendov v globokih vodah [3], zaradi vrste plovil, ki pljujejo v plitvih vodah in
značilnosti razširjanja zvočnega valovanja v plitvih vodah. Prav tako je prostorska porazdelitev hrupa
v plitvih vodah razpršena. To je zaradi bližine virov (s tem se poveča verjetnost za prehodne oblike
zvoka z visoko amplitudo) [3]. TG noise v svojih priporočilih prav tako svetuje, da državam članicam
ni potrebno opisati celotnega zvočnega polja v svojih vodah. Meritve so potrebne za kalibracijo
modelov, pri tem pa je potrebno upoštevati, da so meritve podvržene spremembam v npr.
klimatoloških pogojih ali pa pride do spremembe plovnih poti, tovrstne spremembe pa lahko hitreje
obravnavamo z akustičnimi modeli.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 17/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
V nadaljevanju poročila opisujemo fizikalne osnove razširjanja zvoka v morskem okolju,
obravnavamo najbolj uporabljene akustične modele, ki opisujejo razširjanje zvočnega valovanja v
slani vodi in prikažemo kako lahko matematične modele uporabljamo pri izdelavah kart hrupa.
Pri izdelavi karte hrupa in modeliranju razširjanja zvoka smo sledili priporočilom tehnične skupine in
pregledali, kako so bile izdelane do sedaj obstoječe karte hrupa na področju EU [4]. Karte hrupa so
bile izdelane v sklopu naslednjih projektov:
•
karte hrupa o hrupu ladij in eksplozij v Nizozemskem Severnem morju [5],
•
karte hrupa v Irskem morju [6],
•
projekt BIAS za Baltik [7],
•
izdelava modelov hrupa v Nemčiji [8].
Modeliranje podvodnega hrupa je obravnavano tudi v priporočilih NPL [9], kartiranje hrupa zaradi
ladijskega prometa v vodah Britanske Kolumbije (Kanada) je podrobno opisano tudi v poročilih WWF
(World Wildlife Fund) Kanada [10] in [11].
2. RAZŠIRJANJE PODVODNEGA HRUPA
2.1
Ambientni hrup
Ambientni hrup je ozadje zvoka na določeni lokaciji v določenem časovnem obdobju. V odprtem
oceanu prevladuje nizkofrekvenčni hrup oddaljenih ladij in vpliv bioloških virov ter visokofrekvenčni
šum zaradi vetra. Hrup ladijskega prometa je prevladujoč v frekvenčnem območju med 20 in 500 Hz.
Glede na obstoječe raziskave pričakujemo, da se hrup zaradi ladijskega prometa povečuje za okoli 2.53 dB na dekado v frekvenčnem območju med 30 in 50 Hz [12]. Stalno ozadje lahko preglasijo občasni
viri hrupa npr. ribje jate, morski sesalci ali dež. Pomemben vir hrupa so tudi rakci, ki povzročajo
širokospektralni zvok z visoko amplitudo.
Pri razširjanju zvoka je najbolj očitno zmanjševanje njegove intenzitete zaradi geometrijske
divergence in absorpcije akustične energije v mediju po katerem se širi. Zmanjševanju zvočne
intenzitete pravimo slabljenje zvoka (ang. transmission loss) in nam pove kako se amplituda zvočnega
signala zmanjšuje z oddaljenostjo od vira. Slabljenje zvoka označimo s simbolom TL in je podamo v
enotah dB. Dejavniki, ki vplivajo na razširjanje zvočnega valovanja so v splošnem:
•
geometrijska divergenca zvoka od vira proti sprejeniku,
•
absorpcija zvoka v morski vodi in morskem dnu,
•
interakcija zvoka na vodni površini (odboj in sipanje),
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 18/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
•
interakcija in prepustnost zvoka na morskem dnu,
•
lom zvočnega valovanja zaradi gradienta hitrosti vzdolž vodnega stolpca in na poti proti
sprejemniku,
•
batimetrija oziroma globina vode na poti med virom zvoka in sprejemnikom,
•
razne naravne in umetne ovire
•
globina vira in sprejemnika.
Vsi dejavniki so načeloma odvisni od frekvence.
2.2
Geometrijska divergenca
Razširjanje akustičnega vala od vira pomeni, da se akustična energija širi po večji površini. Ker se
energija ohranja, pomeni, da se intenziteta zmanjšuje obratno sorazmerno s površino. V najpreprostejši
obliki obravnavamo širjenje zvoka od točkastega izotropnega vira v neskončnem homogenem mediju.
Pri tem govorimo o kroglenem razširjanju valovanja, kjer je jakost (I) med dvema točkama, ki sta
različno oddaljena od vira enaka razmerju površin dveh krogel z radijem R1 in R2:
"#
"$
&
(
= %&$ '
#
(2.1)
Slabljenje zvoka TL zaradi geometrijske divergence je potem enaka:
&
'
&#0
)* = 20 log %
(2.2)
kjer je R1m referenčna oddaljenost enaka 1 m, R pa je oddaljenost vira od preiskovane lokacije. TL
izražamo v enoti dB.
2.3
Absorpcija zvoka
Do absorpcije zvoka v vodnem mediju pride zaradi viskoznosti in kemične relaksacije ionov. Lokalno
zmanjšanje amplitude zvoka je sorazmerno sami amplitudi zvočnega tlaka. Zato zvočni tlak z
oddaljenostjo upada eksponentno:
1(2, 3) ≈
56
781(−92)
&
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
(2.3)
Str. 19/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
kjer je γ absorpcijski koeficeint v enotah m-1, R je oddaljenost od vira. Ker ponavadi razširjanje zvoka
obravnavamo v logaritemski skali pomeni, da je absorpcija zvočnega valovanja sorazmerna z
oddaljenostjo kot to podaja enačba 2.4. V morski vodi je absorpcija posledica viskoznosti vode in
kemijske relaksacije ionov MgSO4 in B(OH)3, ki so raztopljeni v vodi. V praksi se največkrat
uporablja model Francois Garrison [13], ki upošteva viskoznost in kemijsko relaksacijo, frekvenco
valovanja, slanost, temperaturo, globino in pH vrednost vode. Model se matematično zapiše z enačbo
2.4.
;<
)*: = =>>>
(2.4)
kjer je r oddaljenost preiskovane lokacije od vira hrupa v km. Α je absorpcijski koeficient v dB/km
podan z enačbo:
C C$
? = 0.106 C$#DC$ 7
#
EFGH
6.IJ
L
O
C C$
Q
U
W
+ 0.52 %1 + MN' NP C$$DC$ 7 J + 4.910
M T ( 7 $VD#V (2.5)
$
kjer sta koeficienta f1=0.78(S/35)0.5 exp(T/26) in f2=42 exp(T/17), pH je pH vrednost, f je frekvenca v
kHz in α absorpcijski koeficient v dB/km. T je temperatura in S slanost v promilih ‰.
Enačba 2.5 je veljavna v območju temperatur med -60C in 350C, pH med 7.7 in 8.3, slanosti med 5 in
50 promilov in globina med 0 km in 7 km.
Absorpcija naglo narašča s frekvenco, zaradi česar se visoke frekvence ne morejo razširjati daleč od
zvočnega vira. Pri vseh frekvencah je absorpcija zvoka v vodi precej nižja kot v zraku, zaradi česar
lahko zvok v vodi potuje na dolge razdalje. Primerjavo med absorpcijo zvoka v zraku in morski vodi
pri različnih frekvencah je podana v spodnji tabeli ([14]).
Frekvenca (Hz)
Absorpcija v suhem zraku (dB/km)
Absorpcija v slani vodi (dB/km)
10
0.15
0.0033
100
1.20
0.0045
1000
1.50
0.0690
10000
60.00
1.2000
2.4
Vpliv zračnih mehurčkov
Zračni mehurčki nastanejo zaradi gibanja morske gladine, in zaradi ladijskega ugreza. Pri tem dobimo
nehomogeno plast proti površju vode in dobimo dodatno atenuacijo.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 20/55
Strokovne podlage
2.5
LFIZ-20140066/1- FD
Hitrostni profili in lom valovanja
Meritve hitrosti zvoka so kompleksne in težko izvedljive. Hitrost zvoka v vodi se povečuje s
temperaturo, slanostjo in globino ( oziroma hidrostatskim tlakom). Hitrost zvočnega valovanja v vodi
navadno določamo na podlagi parametrov, ki vplivajo na hitrost zvoka v vodi. V literaturi se zaradi
preprostosti največkrat uporablja model oziroma enačba, ki jo predlaga Medwin [15]:
X = 1449.2 + 4.6) − 0.055) ( + 0.00029) N + (1.34 − 0.01))(Z − 35) + 0.016[
(2.6)
kjer je c hitrost zvoka v m/s, T je temperatura v 0C, S slanost v promilih ‰ in z globina vode v m.
Enačba 2.6 velja za globine do 1000 m.
Temperatura: v splošnem se temperatura vode znižuje z globino morja. Časovna in prostorska
spremenljivost je največja v površinskih plasteh (zaradi mešanja, sončnega ogrevanja, tokov in
zunanjih vplivov). Po določeni globini (v zaprtih morjih kot npr. Mediteran ta globina znaša okoli 100
do 200 m) so spremembe temperature z globino in razdaljo majhne. Fluktuacije temperature so
majhne.
Globina: zaradi hidrostatskega tlaka se hitrost zvoka povečuje približno linearno z globino. V našem
akvatoriju so globine majhne in ne presegajo 40 m.
Slanost: povprečna slanost oceanov znaša 35 promilov, vendar lahko variira lokalno glede na
hidrološke značilnosti. Povprečna slanost zaprtih morij je odvisna od izparevanja in dotokov sladke
vode. Tako povprečna slanost Mediterana znaša 38 promilov, v Baltiku pa, zaradi številnih dotokov
sladke vode, 14 promilov [12]. Lokalno gledano se slanost le malo spreminja z globino (od 1 do 2 %),
razen na površini, kjer so prisotni prilivi sladke vode. Slanost v severnem Jadranu znaša okrog 36 %,
sicer pa se zmanjšuje ob izlivih rek (Soče, Dragonje, Rižane).
Za potrebe modeliranja predpostavimo, da je hidrološko okolje horizontalno stratificirano. To pomeni,
da se hitrost spreminja le z globino, kar nam olajša modeliranje razširjanja hrupa. Hitrostne profile
lahko v splošnem razdelimo v več plasti:
•
v homogeni mešani plasti je hitrost zvoka konstantna. Nastane zaradi mešanja vode v prvih
nekaj metrih vodnega stolpca.
•
Površinski kanal nastane zaradi naraščanja hitrosti zvoka v vodi z globino, pri čemer se
temperatura le malo spreminja.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 21/55
Strokovne podlage
•
LFIZ-20140066/1- FD
Termoklina pomeni monotono variacijo temperature z globino. Temperatura ponavadi z
globino pada. Zaradi naglega padca temperature se zmanjšuje tudi hitrost.
•
Globoki zvočni kanal se pojavi, kjer je hitrost zvoka minimalna. V oceanskih vodah se
globoki zvočni kanal (SOFAR channel) pojavi na globini med 100 in 2000 m. V vodnem
kanalu se zvok ne širi več vertikalno ampak se zvočni valovi zaradi loma širijo le po kanalu.
Ker ni odbojev, je atenuacija zvoka majhna. Ker je poleg tega absorpcija nizkofrekvenčnega
zvoka majhna, se lahko tak zvok širi zelo daleč.
•
Izotermalna plast pomeni konstantno temperaturo. Hitrost zvoka potem narašča linearno z
globino. V oceanih je to globoko področje, medtem ko je v zaprtih morjih npr. v Mediteranu
izotermalno področje v celotnem stolpcu.
Pri krajših razdaljah (do nekaj km) od vira lom zvoka ne igra pomembne vloge [12].
2.6
Interakcija zvoka z morskim dnom in gladino
Zaradi velikih razlik v zvočni impendanci med vodo in zrakom, gladka vodna površina deluje za
zvočne valove kot zrcalo. Zvok se pri tem od gladine vode odbije z nasprotno fazo (negativni tlak
postane pozitiven in obratno). V praksi vodna površina ni gladka, zato se nekaj zvočne energije izgubi
zaradi sipanja. Sipanje zvoka je odvisno od njegove valovne dolžine, od valovne dolžine površinskih
valov in kota pod katerim zvok vpada na vodno površino. Sipanje je večje pri krajših valovnih
dolžinah zvoka, pri daljših valovnih dolžinah valov in večjem vpadnem kotu. Velike razlike v
akustični impendanci med vodo in zrakom izkoriščamo pri omilitvenih ukrepih in uporabi zvočne
zavese iz zračnih mehurčkov. Interakcija zvoka z morskim dnom je bolj zapletena. Hitrost
longitudinalnega valovanja zvoka v morskem sedimentu je navadno višja in zvok, ki se širi po
morskem dnu načeloma lahko doseže sprejemnik pred direktnim zvokom, ki prihaja od vira.
Sedimenti zgornjega dela morskega dna so navadno prepojeni z vodo in jih lahko v prvem približku
obravnavamo kot tekočino. Odboj zvoka od tal je močno povezan z debelino posamezne plasti. Prav
tako sta lom in odboj povezana tudi z vpadnim kotom valovanja ter od lastnosti morskega dna.
2.6.1
Propagacija zvoka v nizki vodi
Plitva voda je v splošnem voda do globine cca. 200 m, kjer prihaja do izraza interakcija zvoka z vodno
gladino in morskim dnom. Za opis zvočnega polje v plitvih morjih je potrebno upoštevati tudi
strukturo morskih tal. Površina in morsko dno delujeta kot meji in tvorita kanal po katerem zvok
potuje podobno kot v valovnem vodniku. V plitvih vodah in kanalih ne dopuščajo propagacije nizko
frekvenčnih signalov. Zaradi tega v plitvih vodah vpeljemo kritično frekvenco f0 (ang. cut off
frequancy), kjer se zvočni valovi in zvočna energija slabše širi. Kritično frekvenco lahko določimo z
enačbo [9]:
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 22/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
\
6
T> = M] ^_`
a
(2.7)
b
kjer je c0 hitrost zvoka v vodi, θc pa je kritičen kot podan z enačbo:
c\ = cos =
\6
\#
(2.8)
kjer je c1 hitrost zvoka v morskem sedimentu. Frekvence, ki so manjše od kritične frekvence se ne
širijo skozi kanal globine H.
2.7
Napoved ravni zvoka
Raven zvoka na določeni točki je odvisna od značilnosti vira (spekter, usmerjenost, moč) in izgub pri
transmisiji t.i. transmission loss (TL), ki je odvisna od frekvence, razdalje, batimetrije, hitrostnega
profila in značilnosti morskega dna.
2.8
Značilnosti vira zvoka
Najbolje je, da značilnosti vira določimo z meritvami, kar pa večkrat ni praktično izvedljivo. Zato
uporabimo ustrezne empirične modele [5],[10],[11]. Pri tem se največkrat uporablja model ameriške
mornarice RANDI [16]. Jakost vira zvoka podajamo z ravnijo vira SL (ang. source level). Ta je
odvisen od dolžine in hitrosti plovila. Kadar modeliramo ladijski hrup navadno plovila razvrstimo v
razrede in za vsak razred upoštevamo povprečno dolžino in hitrost [16]. SL posamezne ladje
izračunamo z empirično enačbo, ki temelji na Rossovi enačbi [16]:
Z*(T, f, g) = Z*> (T) + 60 log(f/12) + 20 log(g/300) + iT ∙ ig
(2.9)
kjer je l dolžina ladje v čevljih (ang. feet), f je frekvenca, v je hitrost ladje v vozlih (kt), SL0 je
referenčna raven vira, df in dl sta podani z enačbami:
8.10 ≤ T ≤ 28.4n[
p
iT = k
22.3 − 9.77 log T 28.4n[ ≤ T ≤ 191.6n[
(2.10)
ig = g=.=P /3643.0
Referenčni vir SL0 je podan z enačbo:
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 23/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Z*> = −10
10 logt10
=.>u vwx C
=M.NM + 10N.N( vwx C
(=.M(P y 0 ≤ T ≤ 500n[
Z*> = 173.2
2 − 18 log T T z 500n[
(2.11)
Spektri posameznih plovil so prikazani na sliki 2.1.
(
posameznih razredov plovil.
Slika 2.1: Spekter ravni vira (SL)
3. Fizikalni modeli
Z matematično
no fizikalnimi modeli skušamo izra
izračunati in predvideti
eti celotno zvočno
zvo
polje danega
prostora. Vsi akustični
ni modeli temeljijo na valovni enačbi:
ena
=
=
( 3)) ∙ s {
q(r,
s1(r, 3)~ − \(r)$
|(r,})
$ 5(r,})
$ }
= (r, 3)
(3.1)
\
kjer je ρ gostota
ostota medija v katerem se širi zvok, p je zvočni
ni tlak vala, ki se propagira po prostoru kot
funkcija časa t, r je radij vektor, s je operator vektorskega odvajanja, F je vsiljeni člen, ki predstavlja
akustične vire. V večini
ini primerov se gostota vode na ra
razdaljah,
zdaljah, ki nas zanimajo pri obravnavi
razširjanja hrupa ne spreminja dosti zato lahko
lahk enačbo 3.1 zapišemo kot:
=
( 3) −
s( 1(r,
\(r)$
$ 5(r,})
$ }
= (r, 3)
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
(3.2)
Str. 24/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Valovni enačbi 3.1 in 3.2 vsebujeta štiri neodvisne spremenljivke (x,y,z in t). Direktna numerična
rešitev valovne enačbe z uporabo metodo končnih elementov ali končnih diferenc ni praktična, zato
navadno dimenzijo problema zmanjšamo tako, da v valovno enačbo vstavimo harmonično rešitev
oblike:
1(r, 3) = 1(r)781(−3)
T(r, 3) = T(r)781(−3)
(3.3 a)
(3.3 b)
kjer je ω krožna frekvenca valovanja enaka ω = 2 π f in je f frekvenca. Od tu dobimo Helmholtzovo
enačbo, ki se za posamezno frekvenco zapiše kot:
s( 1(r) − (r)( 1(r) = (r)
(3.4)
kjer je k valovno število enako k(r)=c(r)/ω. V podvodni akustiki se v plitvih vodah večkrat srečamo s
cilindrično geometrijo, kjer lahko radij vektor r zapišemo kot funkcijo oddaljenosti od vira r in globine
z, r= r(r,z). Na ta način smo število spremenljivk skrčili iz štiri na dve.
Za konstantno hitrost c=c0 in če se zaradi enostavnosti omejimo le na razširjanje vala v smeri x se
rešitev Helmholtzove enačbe 3.4 zapiše kot:
1(8, 3) = 1> 7 (}
)
(3.5)
ki ji pravijo tudi ravni val. Hitrost neviskozne kapljevine v je v odsotnosti zunanjih sil povezana z
amplitudo zvočnega tlaka p0 kot:

s1 = −q }
(3.6)
Če v enačbo za hitrost 3.6 delcev vstavimo ravni val 3.5 dobimo relacijo :
1> = qXf>
(3.7)
kjer je v0 amplituda hitrosti, ρc pa je akustična impendanca medija v katerem se širi valovanje.
Pri razširjanju valovanja v izotropnem mediju je rešitev valovne enačbe 3.4 za točkast vir enaka:
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 25/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
1(2, 3) =
56 (}
&)
7
&
(3.8)
kjer je R razdalja od točkastega vira. Zgornja enačba opisuje t.i. krogelni val, kjer amplituda tlaka pada
obratno sorazmerna z razdaljo R. Ravni in sferični valovi so osnovno orodje pri modeliranju
razširjanja valovanja. Z ravnimi valovi obravnavamo lahko lokalno valovanje, na veliki razdalji od
vira. S sferičnimi valovi opisujejo polje na majhni oddaljenosti od točkastega vira in ko nas zanima
kako amplituda valovanja pad z razdaljo od vira.
Ko je gibanje elementarnih delcev vzporedno s smerjo širjenja valovanja govorimo o longitudinalnem
valovanju. Tovrstno valovanje srečamo v kapljevinah. V trdnih snoveh poznamo tudi transverzalno
valovanje, ko se delci snovi premikajo prečno na smer razširjanja valovanja. Pri modeliranju valovanja
v trdni snovi (npr. v skalnatem morskem dnu) bi načeloma morali upoštevati tako longitudinalno kot
transverzalno valovanje s čimer pa akustični modeli lahko postanejo precej zapleteni. V vodni akustiki
lahko večino valov obravnavamo kot longitudinalne. Pri obravnavi razširjanja valovanja v trdni snovi
ali sedimentih pa je potrebno upoštevati še transverzalne valove.
Če obravnavamo nizkofrekvenčno zvočno valovanje, se moramo poslužiti tehnik, ki direktno rešujejo
valovno enačbo. Pri visokih frekvencah je bolj praktično, če uporabimo zakonitosti geometrijske
akustike, predvsem zaradi hitrosti ray tracing algoritmov.
Rešitve valovne enačbe so pomembne tudi pri modeliranju nizkofrekvenčnega hrupa zaradi ladijskega
prometa, ki je približno stalen. Predvsem v plitvem morju ne moremo predpostaviti, da je morje
horizontalno stratificirano, zato je priporočljiva uporaba modelov, ki lahko upoštevajo tudi lokalno
batimetrijo, spreminjanje hitrosti zvoka z globino in oddaljenostjo od vira in tip sedimenta, s čimer pa
se povečuje kompleksnost problema in računska zahtevnost algoritmov.
3.1
Akustični model za razširjanje zvoka
Podroben opis in razlaga teoretičnih modelov, ki obravnavajo razširjanje podvodnega zvoka najdemo
v ustrezni literaturi [17].
Prenos zvoka v vodnem mediju ni enostaven proces. Enostavni modeli in formule kot sta npr. krogelni
3.8 ali ravni val 3.5 in z njima povezana geometrijska divergenca v večini primerih nista ustrezna in
dajeta napačne rezultate.
Pri modeliranju razširjanja zvoka uporabljamo numerične modele, ki upoštevajo večino dejavnikov, ki
pomembno vplivajo na razširjanje hrupa (geometrijska divergenca, hitrost zvoka, lom, odboj,…).
Mnogi izmed teh modelov so prosto dostopni, vendar pa v večini primerov njihova uporaba ni
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 26/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
trivialna, prav tako pa zahtevajo dobro poznavanje matematično fizikalnega ozadja. Zvočni tlak v
vodnem okolju se pokorava valovni enačbi 3.2. Direktna rešitev valovne enačbe z metodo končnih
elementov ali diferenc je pri večini problemov, ki se tičejo podvodne akustike nepraktična in
nepotrebna. Zato so v preteklosti razvili številne alternativne metode, ki pa v večini ne morejo
upoštevati vseh karakteristik zvočnega polja [17]. Pri modeliranju nas zanima predvsem kako se
zvočni tlak spreminja oziroma slabi z oddaljenostjo od zvočnega vira.
Jakost zvoka se zmanjšuje zaradi geometrijske divergence in atenuacije. Geometrijska divergenca
vključuje sferično in cilindrično divergenco. Atenuacija vključuje absorpcijo, sipanje in lom zvočnega
valovanja. Na razširjanje zvoka vplivajo razmere na vodni gladini, na morskem dnu in variacije v
hitrosti zvoka znotraj vodnega stolpca. Gradient hitrosti povzroča lomne učinke, ki bodisi fokusirajo
ali razpršijo akustično energijo. Akustične modele lahko v splošnem razdelimo na 5 sklopov:
•
integracija Greenove funkcije (wavenumber integration models)
•
modeli, ki iščejo lastne rešitve valovne enačbe (normal mode models)
•
reševanje parabolične enačbe (PE) (parabolic equation model)
•
žarkovni modeli (ray and beam tracing models),
•
modeli energijskega pretoka (energy flux model)
Modele lahko razdelimo tudi na to ali lahko upoštevajo akustične značilnosti okolja glede na
oddaljenost od vira (ang. range dependent) ali globino (ang. depth dependent). Modele, ki upoštevajo
akustične parametre okolja samo glede na oddaljenost ali globino, uvrščamo med 1D modele.
Najpogosteje se uporabljajo 2D modeli, ki upoštevajo akustične parametre okolja kot funkcijo razdalje
kot tudi globine. 3D modeli upoštevajo tudi kotno odvisnost razširjanja zvoka po mediju, vendar so
računsko preveč zahtevni in se ne uporabljajo pogosto. Pri izbiri modela je potrebno upoštevati katere
fizikalne zakonitosti zvoka obravnavamo. Tako moramo paziti na globino vode (globoko ali plitvo
morje), frekvenco (visoka ali nizka frekvenca), značilnosti okolja (uporabimo range dependent ali
range independent modele). Jensen [17] je na podlagi teh zahtev oblikoval matriko, ki nam je lahko v
pomoč pri izbiri modela. Plitva voda vključuje globine, pri katerih pričakujemo, da bo zvok
pomembno interegiral z morskim dnom. Pri tem se značilno uporablja globina max 200 m, do koder
velja, da je morsko okolje plitvo [12]. Meja med nizkimi in visokimi frekvencami je navadno
postavljena pri 500 Hz. Ta meja je postavljena umetno, saj je to frekvenca pri kateri je računska
zahtevnost večja in nekateri algoritmi lahko delujejo počasi [12]. Glede na to razvrstitev se v plitvih
vodah, pri nizkih frekvencah priporoča uporaba modela PE, pri višjih frekvencah nad 500 Hz pa ray in
beam algoritme.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 27/55
Strokovne podlage
3.1.1
LFIZ-20140066/1- FD
Integracija Greenove funkcije
Če predpostavimo, da je akustično okolje neodvisno od razdalje, potem so hitrostno polje in robni
pogoji odvisni le od globine z. Za točkast vir potem lahko zapišemo:
$ 5( ,)
$
+ ( ( − <( )1(< , [) = ([ − [ )
(3.9)
Z upoštevanjem robnih pogojev v z smeri (tlak na meji med vodo in zrakom je enak 0, hitrost delcev
na togi meji med vodo in dnom je enaka 0) dobimo rešitev enačbe 3.9, ki ji pravimo Greenova
funkcija:
1(, [) = > 1(< , [)> (< , [)< i<
(3.10)
kjer je kr horizontalna komponenta valovnega vektorja in je p(kr,z) rešitev enačbe 3.9 za dani kr. A je
amplituda vira, δ je diracova delta funkcija in J0 je Besselova funkcija 0-tega reda. Enačbo 3.10 lahko
rešimo na različne načine. SCOOTER/FIELDS modeli najprej numerično rešijo enačbo 3.9 za različne
vrednosti kr potem pa numerično integrirajo enačbo 3.10. SCOOTER najprej numerično reši enačbo
3.9, FIELDS pa integrira 3.10 z uporabo hitre Fourierove transformacije (FFT). Modeli dajejo dovolj
natančne rezultate pri vseh oddaljenostih od vira, vendar ne morejo upoštevati odvisnost globine,
hitrosti ali akustičnih značilnosti morskega dna v odvisnosti od razdalje. Prav tako so računsko
zahtevni in zato nepraktični pri večjih frekvencah in velikih razdaljah. Model je implementiran v
algoritmih SCOOTER, FIELDS in OASES.
3.1.2
Modeli, ki iščejo lastne rešitve valovne enačbe
Drugi način je, da poiščemo lastne rešitve (kr = krm) homogenega dela enačbe 3.9, kjer na desni strani
enačbe postavimo 0. Rešitvam homogenega dela enačbe pravimo lastne funkcije. Integracijo v enačbi
3.10 potem izvedemo kot vsoto produkta lastnih funkcij na lokaciji vira in sprejemnika ter Hanklove
funkcije. Na ta način deluje model KRAKEN, ki išče realne lastne funkcije in lastne vrednosti,
medtem ko to KRAKENC izvaja v kompleksnem prostoru.
Model je natančen na večjih oddaljenostih od vira hrupa in manj natančen pri kratkih razdaljah.
Natančnost je odvisna od globine in od tega ali model uporablja le realna ali pa tudi kompleksna
množico števil. Algoritmi, ki rešujejo Helmholtzovo enačbo, tako da poiščejo lastne funkcije in
vrednosti so npr. KRAKEN, KRAKENC in ORCA.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 28/55
Strokovne podlage
3.1.3
LFIZ-20140066/1- FD
Reševanje parabolične enačbe
Za nizke in srednje frekvence je najbolj uporabna metoda PE, kjer Helmholtzovo enačbo
transformiramo v parabolično enačbo z dvema spremenljivkama. Metoda je uporabna za modeliranje
razširjanja zvoka v medijih, ki se ne spreminjajo bistveno z oddaljenostjo od vira, kot je to na primer v
morskem okolju.
PE metoda predpostavlja, da ima rešitev Helmholtzove enačbe obliko cilindričnega vala:
(=)
1() = (, [)n> (> )
(3.11)
kjer je ψ(r,z) počasi spreminjujoča se lastna funkcija oddaljenosti od vira r in je k0 referenčno valovno
število. Če cilindričen val vstavimo v homogeni del Helmholtzove enačbe in predpostavimo
stratifikacijo v z smeri, valovna fronta pa je določena z r potem dobimo standardno parabolično
enačbo:

$
\
(
2> < + $ + >( \6 − 1 = 0
(3.12)
Kjer je c0 referenčna hitrost zvoka, povezana s k0. Parabolična enačba je enačba prvega reda glede na
oddaljenost od vira zvoka r in zato jo lahko enostavno integriramo v r smeri. Parabolično enačbo
rešuje tudi model RAM (Range-dependent acoustic model), ki ga je razvil Mike Collins. RAM reši
parabolično enačbo tako, da funkcije razvije v Padejevo vrsto, kar je računsko hitreje. Natančnost
modela je potem povezana s številom členov Padejevega razvoja, kjer večje število členov pomeni
večjo natančnost. Poznamo več različic modela RAM od katerih se največ uporablja RAMGeo, ki
lahko upošteva tudi večplastnost sestave morskega dna, značilnosti okolja (hitrostne profile, lastnosti
morskega dna) ter globino na kateri se nahajata vir in sprejemnik. Je t.i. range dependent metoda.
Primer algoritmov, ki rešujejo parabolično enačbo so RAM, RAMS, RAMGeo in MMPE.
3.1.4
Žarkovni modeli
Modeli 1, 2 in 3 obravnavajo zvok kot valovanje, upoštevajo učinke kot so lom in uklon in so primerni
za vse frekvence. Njihova slabost je, da so računsko zahtevni in njihova učinkovitost narašča s
frekvenco. Zato pri modeliranju višjih frekvenc večkrat zanemarimo valovne učinke zvoka in
obravnavamo zvok v sklopu geometrijske akustike. Med temi so najpogosteje uporabljeni žarkovni
modeli, ki pri razširjanju zvoka uporabljajo Snell-ov lomni zakon in sledijo premočrtnim žarkom na
njihovi poti skozi vodni stolpec. Akustično polje se izračuna tako, da gledamo kako se razdalje med
sosednjimi žarki spreminjajo v odvisnosti od razdalje in globine. S preprostimi žarkovnimi modeli
lahko dobimo povsem ne fizikalne rešitve kot so npr. neskončne ravni zvoka tam, kjer se žarki med
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 29/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
seboj sekajo. Bolj primerni so žarkovni modeli, ki upoštevajo Gaussov profil intenzitete žarka.
Žarkovne metode predpostavijo, da se rešitev Helmholtzove enačbe 3.4 zapiše v obliki:
1(r) = (r)7
(3.13)
kjer sta B in τ funkciji radij vektorja vzdolž žarka. Tovrstna aproksimacija velja za visoke frekvence. Z
vstavitvijo enačbe 3.13 v Helmholtzovo enačbo in z nekaj matematične spretnosti lahko izpeljemo
enačbo [17]:
= <
% '
\
=−
=
sX
\$
(3.14)
kjer je s parameter s katerim parametriziramo žarek r=r(s)). Enačbo 3.14 numerično integriramo
vzdolž poti žarka s. Žarkovno metodo uporablja algoritem BELLHOP, ki lahko upošteva tudi
batimetrijo kot funkcijo oddaljenosti od vira.
Izbira modela je odvisna tudi od dostopnosti podatkov o batimetriji, vrsti sedimenta, temperaturi,
slanosti, itd.
3.1.5
Modeli energijskega pretoka
V primeru, ko nas npr. zanima vpliv hrupa na morske sesalce, ne potrebujemo visoko natančnih
modelov oziroma ni potrebno poznati celotnega zvočnega polja. Upoštevamo le npr. povprečno
slabljenje jakosti zvoka v vodnem stolpcu. V tem primeru govorimo o energy flux modelih, ki so
uporabni za hiter izračun slabljenja zvoka TL kjer prihaja do številnih odbojev zvoka na mejah polja in
ko potrebujemo le približne značilnosti zvočnega polja. Model je uporaben pri modeliranju hrupa v
plitvem morju. V plitvem morju je zvok omejen z morskim dnom in vodno površino. Zvočni valovi
zato doživijo številne odboje na mejah različnih medijev, ki se razlikujejo v akustični impendanci.
Akustična energija pri tem ostane ujeta v vodnem mediju. Spremenljiva hitrost vzdolž vodnega stolpca
in oddaljenosti od vira prav tako vpliva na lomljenje zvočnih žarkov. Zaradi tega lahko signal potuje
od vira do sprejemnika po različnih poteh, ki ustrezajo različnim smerem in frekvencam signala. Prvi
prispe direktni signal, nato pa še številni odmevi, katerih amplituda se manjša s številom odbojev. Pri
visokofrekvenčnih signalih navadno zaznamo sekvence s številnimi odmevi.
Pri nizkih frekvencah se ustvari stabilen interferenčni vzorec, ki se s časom ne spreminja. V tem
primeru lahko povprečno intenziteto zvoka izračunamo z uporabo algebraičnih enačb. Flux modeli so
hitri in ne potrebujejo intenzivnega računanja, saj ne iščejo lastnih nihajnih načinov ali lastnih
vrednosti. Propagacija zvoka v plitvi vodi se deli v tri regije. V bližini vira intenziteta zvoka pada s
kvadratom oddaljenosti od vira r. Na srednjih oddaljenostih od vira se absorbirajo visoke frekvence, in
intenziteta zvoka pada kot r-3/2. Na velikih oddaljenostih od vira pa je razširjanje zvoka cilindrično.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 30/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Prehod med različnimi režimi razširjanja hrupa je odvisno od frekvenc in značilnosti tal. Če je
frekvenca signala dovolj velika, da lahko oscilacije zvočnega polja obravnavamo kot slučajne, lahko
polje obravnavamo v sklopu energy flux modela, kjer jakost zvoka obravnavamo kot funkcijo
oddaljensti od vira r. Pri tem ločimo sferično razširjanje zvoka do razdalje r0. Od kritičnega radija r0
naprej obravnavamo cilindrično propagacijo, kjer se zvočna energija širi po cilindrični površini, ki je
omejena z mejami, ki jih predstavljajo mediji z različnimi akustičnimi impendancami. Intenziteta
zvočnega tlaka potem pada kot 10 log(/> ). Pri tem je potrebno upoštevati še maksimalni vpadni kot
β0. Za žarke, ki vpadajo pod večjim kotom od β0 velja, da izgubijo preveč energije pri odboju od tal,
tako da jih lahko zanemarimo. Če imamo kanal globine H in vodni profil s konstantno hitrostjo, ter vir
na sredini vodnega stolpca potem lahko zapišemo:
2> =
n
2tan >
povprečno TL potem zapišemo kot:
20 log + ?; ≤ >
)* = 20 log + 10 log < + ?; ≥ p
>
<6
>
(3.15)
Formula je dovolj enostavna, da nam omogoča hitro oceno TL in velja v pogojih, ko prihaja v kanalu
do številnih odbojev, zaradi česar dobimo stohastično polje.
3.2
Preprosti modeli
V nekaterih primerih uporabimo preproste modele, ki upoštevajo sferično ali cilindrično razširjanje
hrupa. Preprosti modeli ne upoštevajo frekvenčne odvisnosti ali akustičnih značilnosti okolja.
Tovrstne modele navadno uporabljamo pri interpolaciji zvočnih ravni na različnih oddaljenostih in pri
večji oddaljenosti od virov hrupa.
3.3
Širokospektralni hrup
Pri modeliranju propagacije širokospektralnih zvočnih signalov moramo upoštevati celoten frekvenčni
spekter, tako da najprej modeliramo razširjanje zvoka pri posamezni frekvenci in potem te prispevke
energijsko seštejemo.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 31/55
Strokovne podlage
3.4
LFIZ-20140066/1- FD
Metoda končnih elementov
Večina modelov obravnava hrupne vire kot točkaste, kar lahko storimo v primeru, ko vire opazujemo
iz večje oddaljenosti. V bližnjem zvočnem polju modeli ne morejo predstaviti realne slike, saj je
večina virov usmerjenih. V tem primeru uporabljamo metodo končnih elementov.
3.5
Uporaba modelov
•
Interpolacija izmerjenih podatkov v oddaljenem akustičnem polju. V takšnih primerih lahko
uporabimo preproste modele, saj se zvočne fronte približujejo geometrijsko enostavnim
oblikam.
•
Ekstrapolacija merilnih podatkov na daljše oddaljenosti od vira. Pri tem moramo paziti, da
model upošteva spremembe v batimetriji in frekvenčno odvisnost.
•
Določanje SL. S propagacijskim modelom propagiramo merilne podatke nazaj proti viru in
določimo source level.
•
Izdelava kart hrupa. Modele uporabimo pri izdelavi kart hrupa za območje okoli vira hrupa.
Pri tem potrebujemo raven vira hrupa (source level), za katerega predpostavimo, da je točkast.
Model naj upošteva spremenljivo batimetrijo in frekvenčno odvisnost. Paziti je potrebno tudi
na hitrost algoritma. Propagacijski modeli, ki jih uporabljamo pri analizi razširjanja hrupa so
navadno dvodimenzionalni. Skupen 3D model potem dobimo, tako da tvorimo serijo 2D rezin
skozi vodni stolpec. Prav tako obstaja le malo modelov, ki bi upoštevali tudi horizontalno
razširjanje zvoka zaradi loma, uklona in odbojev. Pri izdelavi kart hrupa, pomembno vlogo
igrajo tudi prostorska ločljivost oziroma kako podatke grupiramo v 2D tabelo. Prostorska
ločljivost je navadno omejena z ločljivostjo podatkov o batimetriji ali sestavi tal.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 32/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
4. Kartiranje
Modeli razširjanja hrupa opisani v prejšnjem poglavju rešujejo dvodimenzionalne probleme oziroma
povedo nam kako se zvočni tlak spreminja z oddaljenostjo od vira in z globino. Celotni 3D modeli, ki
upoštevajo tudi razširjanje hrupa v vseh treh dimenzijah (v primeru cilindričnih koordinat so to
razdalja, globina in polarni kot), niso dostopni. V teh primerih uporabljamo t.i. Nx2D modele, kjer 3D
model razširjanja hrupa dobimo tako, da med seboj interpoliramo 2 D vertikalne ravnine, kjer gledamo
kako se zvok širi v odvisnosti od razdalje in globine pod izbranim polarnim kotom φ. V tem poglavju
opisujemo kako na podlagi dvodimenzionalnih akustičnih modelov razširjanja ladijskega hrupa
izdelamo tridimenzionalno karto hrupa, ki prikazuje prostorsko porazdelitev hrupa na večjem
območju.
4.1
Podatki o ladijskem prometu
Podatke o ladjskem prometu, velikosti ladij in njihovi hitrosti lahko pridobimo preko sistema AIS
dostopnega na Marine Traffic [18]. Ladje razdelimo v razrede glede na dolžino in hitrost. Za prikaz
modelnega izračuna smo uporabili podatke o ladijskem prometu v severnem delu Jadranskega morja z
dne 28.11.2014. Upoštevali smo plovila, ki so bila prisotna v Tržaškem zalivu okoli 8:30 ure. Seznam
plovil prikazuje spodnja tabela.
Št.
Ime plovila
Hitrost (kn)
Lat (0S)
Lon (0E)
Dolžina plovila (m)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
USODIMARE
ADRIATICA 1
CARLO ALBERTO
LASTOVKA
UN MARMARA
SEA COQUETTE
PAOLA IV
KAPICA
COUNTESS ANNA
KURKSE
METEORA
2.5
0.2
2.5
2.7
0.7
11.7
2.8
4.4
9.3
10.7
0.2
45.60228
45.68269
45.63468
45.56653
45.64127
45.5421
45.62376
45.3849
45.48957
45.41695
45.76117
13.44923
13.38528
13.54102
13.58091
13.74549
13.45862
13.25062
13.44259
13.36125
13.08729
13.16657
17
19
14
16
193
85
16
18
83
91
16
4.2
Spekter virov SL
Podvodni hrup zaradi ladijskega prometa izvira predvsem iz kavitacij propelerja in strojnih vibracij
ladje [19]. Vsaka ladja ima svoj značilen spekter podvodnega hrupa, vendar za potrebe modeliranja
uporabljamo tipične spektre za posamezen tip ladje. Za naše potrebe smo uporabili empirični model, ki
upošteva hitrost ladje in njeno dolžino. V literaturi [5], [10], [11] se največkrat uporablja model
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 33/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
RANDI (enačba 2.9). Ladje smo razdelili glede na njihovo velikost. Pri tem smo za vsak tip ladje
upoštevali povprečno dolžino in hitrost kot je to prikazano v spodnji tabeli:
Tip ladje
L1
L2
L3
L4
L5
Dolžina ladje (m)
Dolžina uporabljena v modelu (m)
Hitrost ladje uporabljena v modelu (kts)
Globina vira (m)
0-10
7.8
15.6
3
10-25
18.6
9.1
3
25-50
38.9
14.6
3
50-100
77.8
13.6
3
nad 100
155.6
15
3
Ravni vira (SL) v terčnem frekvenčnem spektru za posamezno vrsto ladij so prikazane na sliki 2.1. Pri
tem smo upoštevali, da z enačbo 2.9 dobimo spektralno gostoto, ki jo moramo še integrirati.
Razdelitev ladij v razrede je povzeta po članku ([10]), kjer je bila opravljena analiza na podlagi baze
podatkov o ladijskem prometu na območju Kanade. Za ladje, ki so daljše od okoli 150 metrov se
izkaže, da je njihova raven vira (SL) precej neodvisna od njihove dolžine in hitrosti, zato lahko vse
ladje daljše od 100 m uvrstimo v zadnji razred, čeprav je njihov razpon lahko precej velik. Enačba 2.9
je manj primerna za manjša plovila z manjšimi propelerji, kjer bi pričakovali, da se spekter SL
premakne proti višjim frekvencam, vendar v literaturi trenutno ne najdemo modela, ki bi ustrezno
obravnaval spekter manjših plovil, saj je le ta precej odvisen od hitrosti.
Prav tako smo v modelu predpostavili, da se za vse vrste plovil vir nahaja na globini 3 m.
4.3
Parametri okolja
4.3.1
Batimetrija
Podatke o batimetriji smo pridobili preko podatkovne baze, ki je dostopna npr. preko spletne strani
[20]. Podatki o globinah morja so podani v korakih po 30 stopinj, kar pomeni v ločljivosti približno 1
km x 1 km. Uporabljena batimetrija med zemljepisno širino 45 N in 46 N ter zemljepisno dolžino 13 E
in 14 E je prikazana na sliki 4.1.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 34/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 4.1: Batimetrija na osnovi baze podatkov strm30 [20].
4.3.2
Geoakustika
Geoakustični parametri odločilno
čilno
ilno vplivajo na absorpcijo zvoka v morskem dnu. Do izraza pride
predvsem v plitvih
vih vodah kjer imata absorpcija in odboj zvoka od morskih tal prevladujoč
prevladujo učinek na
slabljenje zvoka [21].. Slabo poznavanje geoakustičnih
geoakusti nih lastnostih oziroma sestave morskega dna je
večkrat
krat glavni vzrok negotovosti pri modeliranju razširjanja podvodnega hrupa
hrupa v plitvih morjih in
vodah. Akustični
ni modeli lahko upoštevajo tudi sestavo razli
različnih
nih plasti morskega dna. Lastnosti
morskih sedimentov, ki pomembno vplivajo na razširjanje zvoka so:
•
gostota sedimentov ρ,
•
transverzalna hitrost valovanja v sedimentu cT,
•
longitudinalna
ngitudinalna hitrost valovanja v sedimentu cL,
•
atenuacija v dB/λ zvoka v longitudinalni AL oziroma transverzalni smeri AT.
Ker podatki o sestavi morskega dna niso prosto dostopni, lahko lastnosti tal povzamemo iz literature,
kot n.pr. v spodnji tabeli:
Material
ρ (kg/m3)
cL (m/s)
AL (dB/λ)
cT (m/s)
AT (dB/λ)
Glina
Mivka
Pesek
Sedimentne kamnine
Tekočinski ekvivalent
Skalni fragmenti
Skala
1500
1700
1900
2189
2189
2500
2500
1500
1800
1650
2200
1096
2750
3820
0.2
1
0.8
0.1
0.65
0.75
0.75
1100
-
0.2
-
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 35/55
Strokovne podlage
Blato glina
Pesek z blatom
Mešan sediment
Pesek, blato
Pesek in skale
LFIZ-20140066/1- FD
1220
1340
2150
1270
2490
1583
1650
1870
1614
2042
1
0.94
0.9
1
0.93
-
-
Atenuacija zvoka se nanaša na delež zvoka, ki se absorbira v morskem sedimentu. Večje vrednosti
atenuacije imajo mehki materiali, kjer se zvok absorbira, medtem, ko pri trših materialih (skala)
dobimo več odbojev. Pri tem moramo poudariti, da je refleksijski koeficient odvisen tudi od vpadnega
kota pod katerim zvočni valovi ali žarki vpadajo na mejno sredstvo. Pod večjim vpadnim kotom se
zvok bolje absorbira. Zvok, ki potuje vzporedno s tlemi, pa se seveda ne absorbira.
V našem primeru smo uporabili vrednosti ρ = 2042 kg/m3 in c1 = 1800 m/s, kar ustreza mešanici skale
peska in blata. Morskega dna zaradi pomanjkanja realnih podatkov nismo razdelili na območja, ampak
smo predpostavili homogeno sestavo tal.
4.3.3
Hidroakustika
Podatke o temperaturi in slanosti morja smo prevzeli po podatkih z oceanografske boje Vida dostopne
preko spleta [22]. Poleg podatkov temperaturi in slanosti morja dobimo podatke o temperaturi zraka,
hitrosti vetra in razburkanosti morja, ki je podana z Beaufortovo skalo. Pri tem vrednost 0 Beaufortov
pomeni, da je morska gladina popolnoma ravna (kot zrcalo) in vrednost 14 Beaufort pomeni, da so
valovi visoki vsaj 14 metrov, morje se peni in, da je vidljivost slaba. Več o Beaufortovi skali najdemo
na [24]. Iz razlik temperature na dnu in na površini, ter ob predpostavki enake slanosti lahko
izračunamo hitrost zvoka z enačbo 2.6 ter predpostavimo njeno enakomerno porazdelitev po celotnem
delu obravnavanega območja.
4.4
Model razširjanja hrupa
Uporabimo preverjeni PE model, ki je bil uspešno uporabljen v številnih drugih raziskavah. (Erbe,
Strive). Teoretična ozadja modela so bila predstavljena v prejšnjih poglavjih. Prav tako je to model
izbora, ko obravnavamo razširjanje zvoka pri nizkih frekvencah, v plitvih okoljih, kjer se akustične
lastnosti okolja spreminjajo z oddaljenostjo od akustičnega izvora (range dependent model). Uporabili
smo RAMGeo algoritem implementiran v programskem okolju AcTUP, ki je odprtokodni program
dostopen preko [24]. V AcTUP-u so med drugim implementirani vsi najpogosteje uporabljeni
algoritmi za reševanje Helmholtzove enačbe (BELLHOP, RAM, KRAKEN, KRAKENC, SCOOTER,
FIELDS), ki smo jih že opisali.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 36/55
Strokovne podlage
4.4.1
LFIZ-20140066/1- FD
Parametri modela
Izmed pomembnejših parametrov RAMGeo algoritma nastopajo število členov
lenov v Padejevem razvoju, s
čimer vplivamo na natančnost.
nost. V našem primeru smo uporabili
upora
6 členov
lenov od maksimalno 10. V modelu
nastopajo še naslednji parametri:
•
razburkanost morja: 0 Beaufortov na Beaufortovi skali
•
hitrost zvoka na globini 2 m = 1516 m/s
•
hitrost zvoka na globini 23 m = 1540 m/s
•
gostota vode na površini = 1024 kg/m3
•
gostota vode na globini 23 m = 1024 m/s
•
hitrost longitudinalnih valov v sedimentu 1800 m/s
•
gostota sedimenta 2048 kg/m3
•
absorpcija zvoka v sedimentu 0.5 kg/m3.
4.4.2
Smer širjenja hrupa
Računska
unska zahtevnost algoritma RAMGeo je prevelika, da bi za vsak vir hrupa lahko pr
preverili
razširjanje zvočnega
nega valovanja v vseh smereh od vira hrupa. Zato smo izbrali princip, ki je bil izbran
pri modeliranju ladijskega hrupa na območju
obmo
Severne Kolumbije v Kanadi [10],
[10] kjer pogledamo
propagacijo zvoka v nekaj izbranih tipičnih
tipi
smereh širjenja
rjenja hrupa. V našem primeru smo izbrali 9
presekov, kot je to prikazano
azano na sliki 4.2.
4.2
Slika 4.2: V modelu je bilo upoštevano 9 presekov na podlagi katerih smo določili
dolo ili slabljenje zvoka kot funkcije
oddaljenosti in globine.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 37/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Propagacijske izgube TL smo modelirali pri frekvencah 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz,
2000 Hz in 4000 Hz. Vzdolž vsakega preseka dobimo odvisnost funkcije TL od oddaljenosti in globine
TL=TL(r,z).
). Njhova porazdelitev v horizontalni ravnini je odvisna od frekvence in števila
števi vertikalnih
nihanj. V splošnem bi lahko gledali funkcijo TL parametrično
no kot funkcijo razdalje s parametrom z, v
našem primeru pa se odločimo,
imo, da pri vsaki oddaljenosti od vira r vzamemo minimalno vrednost TL. S
tem dobimo konzervativno oceno za razširjanje
razširj
hrupa v odvisnosti od razdalje.
Na sliki 4.3 so prikazane porazdelitve funkcije TL vzdolž preseka št 1 za frekvence 63 Hz, 125 Hz,
250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz in 2000 Hz. Funkcija se spreminja z globino z in oddaljenostjo r. Slabljenje
zvoka je določeno na na osnovi PE modela. Črna krivulja označuje
uje globino morskega dna. Iz
diagramov vidimo, da se nizkofrekvenčni
nizkofrekven ni zvok širi tudi v sediment, medtem, ko se visokofrekven
visokofrekvenčni
zvok v sedimentu absorbira.
63 Hz
125 Hz
250 Hz
500 Hz
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 38/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
1000 Hz
2000 Hzz
Slika 4.3: Slabljenje zvoka (TL) kot funkcija globina in razdalje na osnovi PE modela. Črna krivulja označuje
ozna
globino morskega dna. Iz zgornjih slik vidimo, da se nizkofrekvenčni
nizkofrekvenčni
zvok širi tudi v sediment, medtem, ko se visokofrekvenčni
visokofrekven zvok v sedimentuu absorbira.
Z opisanim postopkom določimo
čimo TL kot funkcijo r za vsako posamezno frekvenco in za vsak presek
posebej. Na ta način
in dobimo množico funkcij TL pri posameznih frekvencah. Pri tem lahko
ugotovimo, da se posamezne krivulje med seboj ne razlikujejo
razliku
značilno.
ilno. Pri vsaki frekvenci smo
potem določili mediano TL(r)) in dobili krivulje TL(r)) za posamezno frekvenco. Vsaki izmed krivulj
lahko priredimo krivuljo oblike:
( T)
)*(,
T = = log + (
(4.1)
kjer sta a1 in a2 koeficienta, ki jih dobimo na podlagi prilagajanja krivulji z metodo najmanjših
kvadratov.
Družine funkcij TL(r),
), pri frekvencah 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz in
in 1000 Hz so prikazane na sliki
4.4.. Iz diagramov je razvidno, da je razširjanje nizkofrekvenčnega
nizkofrekven nega hrupa (63 Hz, 125 Hz) v pli
plitvem
kanalu približno cilindrično
no (koeficient a1 je približno 10), medtem ko se razširjanje
visokofrekvenčnega
nega zvoka nahaja nekje med sferi
sferičnim in cilindričnim
nim režimom razširjanja.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 39/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
63 Hz
125 Hz
250 Hz
500 Hz
1000 Hz
2000 Hz
Slika 4.4: TL kot funkcija razdalje na globini najmanjše atenuacije zvoka na osnovi PE modela. Pri vsaki
frekvenci smo dodali še koeficienta a1 in a2 dobljena na osnovi prilagajanja družini krivulj z metodo najmanjših
kvadratov.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 40/55
Strokovne podlage
4.4.3
LFIZ-20140066/1- FD
Določanje
anje parov vir sprejemnik
Pri določanju ravni zvočnega
nega tlaka v imisijski to
točki (točki,
ki, kjer se nahaja sprejemnik) je potrebno
upoštevati, ali sta mesti kjer se nahaja vir in sprejemnik direktno povezni preko morja, ali pa se med
njima nahaja zvočna
na bariera (npr. kopno). Če najkrajša pot med dvema točkama
kama poteka preko kopnega
potem smo prevzeli, da vir ne povzroča
povzro hrupa v tej točki.
ki. Pri tem se moramo zavedati, da smo s tem
zanemarili uklon valovanja. Prav tako nismo upoštevali odbojev zvočnega
zvo nega valovanja od obale.
4.4.4
en zvočnega
zvo
tlaka na mestu imisije
Slabljenje zvoka in raven
Slabljenje zvoka izračunamo
unamo za vse zveznice med virom hrupa (plovilom) in imisijskimi to
točkami, ki
ne potekajo preko kopnega. Raven zvočnega
zvo
tlaka v posamezni točki smo izračunali
čunali kot:
Z [)
Z* = Z*(> , T) − )*(, T) − )*: (, T) − )*(, T, ), Z,
(4.2)
pri tem je raven vira SL določena
čena z ena
enačbo 2.9, TL je slabljenje zvoka podano z enačbo
ena
4.1, ki je bila
pridobljena na osnovi PE modela, TLa pa je frekvenčno
no odvisna izguba zvočne intenzitete zaradi
absorpcije, ki jo izračunamo
unamo z empiri
empirično enačbo 2.4,, avtorjev Francois in Garrison [13]. V enačbi
nastopajo še r0 referenčna
na razdalja enaka 1 m, f je frekvenca valovanja, T je temperatura, S je slanost
in z je globina. Dodatno smo upoštevali še lastnosti
lastnosti valovanja v plitvem morju in upoštevali t.i. cut off
frekvenco oziroma minimalno frekvenco, ki se lahko še propagira v kanalu globine H. Minimalna
frekvenca je podana z enačbo 2.7.
2.7
Karte podvodnega hrupa za točkast
čkast vir hrupa,
hrupa, ki vstopa v Slovensko morje pri frekvencah 63, 125,
250, 500, 1000 in 2000 Hz so prikazane na slikah 5.1 do 5.6.
kast vir za hrup s srednjo frekvenco 63 Hz. Nizkofrekvenčni
Nizkofrekvenčni hrup se širi na dolge
Slika 5.1: Karta hrupa za točkast
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 41/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
razdalje in pomembno vpliva
vpli na raven ambientnega hrupa.
kast vir za hrup s srednjo frekvenco 125 Hz. Zaradi reliefa severnega dela Jadrana se
Slika 5.2: Karta hrupa za točkast
zvok s srednjo frekvenco 125 Hz zelo dobro propagira.
kast vir za hrup
hrup s srednjo frekvenco 250 Hz. Pri zvoku srednjih in višjih frekvenc,
Slika 5.3: Karta hrupa za točkast
do izraza pride absorpcija zvoka. Srednje in nizkofrekvenčni
nizkofrekven ni zvok se zato ne more propagirati na daljše razdalje.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 42/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.4: Karta hrupa za točkast
to
vir za hrup s srednjo frekvenco 500
00 Hz.
Slika 5.5: Karta hrupa za točkast
to kast vir za hrup s srednjo frekvenco 1000 Hz.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 43/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.6: Karta hrupa za točkast
to kast vir za hrup s srednjo frekvenco 2000 Hz.
Karte podvodnega hrupa zaradi ladijskega prometa oziroma za razmere, ki so veljale dne
dn 28.11.2014
ob 11.00 uri pri frekvencah 63, 125, 250, 500, 1000 in 2000 Hz so prikazane na slikah 5.7 do 5.12.
Plovila, ki smo jih upoštevali v modelu so podana v poglavju 4.1.
Slika 5.7: Karta hrupa pri srednji frekvenci 63 Hz zaradi ladijskega prometa
prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 44/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.8: Karta hrupa pri srednji frekvenci 125 Hz zaradi ladijskega prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
Slika 5.9: Karta hrupa pri srednji frekvenci 250 Hz zaradi ladijskega prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 45/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.10: Karta hrupa pri srednji frekvenci 500 Hz zaradi ladijskega prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
Slika 5.11: Karta hrupa pri srednji frekvenci 1000 Hz zaradi ladijskega prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 46/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.12: Karta hrupa pri srednji
dnji frekvenci 2000 Hz zaradi ladijskega prometa dne 28.11.2014 ob 8.30 uri.
4.5
Ekvivalentna raven hrupa zaradi ladijskega prometa
S pomočjo
jo podatkov o ladijskem prometu (AIS) lahko prikažemo tudi ekvivalentne (energijsko
povprečene) ravni hrupa v času,, ko se ladja nahaja v severnem delu Jadrana. Kot primer smo vzeli
ladjo Antheia, ki se je v našem morju nahajala 7.12.2014. Ravni hrupa v vsaki sprejemni točki
to
smo
povprečili,
ili, tako, da smo upoštevali efektivni čas
as v katerem se je ladja nahajala v dolo
določeni točki, kar
pove naslednja enačba:
* = Z* + 10 log
L ¡¡
L6
(4.3)
kjer sta Teff čas,
as, ko se ladja nahaja na dolo
določeni koordinati, T0 je celoten čas
as v katerem smo ladji sledili
(T0=24 ur).
Porazdelitev hrupa prikazujemo za frekvence 63 Hz, 125 Hz in 1000 Hz so prikazane na slikah 5.13,
5.14 in 5.15.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 47/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.13: Karta hrupa pri srednji frekvenci 63 Hz zaradi plovbe ladje Antheia dne 7.12.2014 v severnem
Jadranu. Karta prikazuje porazdelitev ekvivalentne ravni hrupa tekom 24 ur, kolikor časa smo spremljali ladjo.
Slika 5.14: Karta hrupa pri srednji frekvenci 125 Hz zaradi plovbe ladje Antheia dne 7.12.2014 v severnem
Jadranu. Karta prikazuje porazdelitev ekvivalentne ravni hrupa tekom 24 ur, kolikor časa smo spremljali ladjo.
Hrup s srednjoo frekvenco 125 Hz se širi na dolge razdalje in pomembno vpliva na raven hrupa v Jadranu.
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 48/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Slika 5.15: Karta hrupa pri srednji frekvenci 1000 Hz zaradi plovbe ladje Antheia dne 7.12.2014 v severnem
Jadranu. Karta prikazuje porazdelitev ekvivalentne ravni
rav hrupa tekom 24 ur, kolikor časa smo spremljali ladjo.
Visokofrekvenčni
ni hrupa se hitro zmanjšuje z oddaljenostjo od ladijskega koridorja.
5. Zaključek
V tem poglavju smo obravnavali fizikalne modele, ki obravnavajo razširjanje zvoka v vodnem mediju.
Glede na lastnosti posameznih algoritmov in pregled obstoječe
obstoje e literature na področ
področju modeliranja smo
kot najprimernejši model izbrali model PE oziroma parabolično
paraboli no obliko Helmholtzove enačbe.
ena
Model
PE je primeren pri opisovanju razširjanja nizkofrekvenčnega
nizkofrekven
hrupaa v plitvih morjih do globine 200 m.
Uporabo modela smo prikazali na primeru ladijskega hrupa v severnem delu Jadrana. V prihodnosti je
potrebno model tudi preizkusiti v praksi in modelne izračune
izra une primerjati z rezultati kontinuiranih
meritev podvodnega hrupa.
6. Literatura
[1] eur-lex.europa.eu (Na spletu; dostopano 08. 12. 2014).
[2] Tasker M.L. Van der Graaf A.J. Ainslie
A
M.A Andersson M.H. Andre M. Borsani J.F. Brensing K.
Castellote M. Cronin D. Dalen J. Folegot T. Leaper R. Pajala J. Redman P. Robinson S.P.
S. Sigray P.
Sutton G. Thomsen F. Werner S. Wittekind D. Young J.V. Dekeling, R.P.A., Monitoring Guidance for
Underwater Noise in European Seas - Executive Summary. 2nd Report of the Technical Subgroup on
Underwater Noise (TSG Noise).. TSG Noise (2013).
[3] Tasker M.L. Van der Graaf A.J. Ainslie M.A Andersson M.H. Andree M. Borsani J.F. Brensing K.
Castellote M. Cronin D. Dalen J. Folegot T. Leaper R. Pajala J. Redman P. Robinson S.P. Sigray P.
Sutton G. Thomsen F. Werner S. Wittekind D. Young J.V. Dekeling, R.P.A., Monitoring Guidance for
Dokument je dovoljeno
no reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 49/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Underwater Noise in European Seas - Part II: Monitoring Guidance Specications. 2nd Report of the
Technical Subgroup on Underwater Noise (TSG Noise). TSG Noise (2013).
[4] Tasker M.L. Van der Graaf A.J. Ainslie M.A Andersson M.H. Andre M. Borsani J.F. Brensing K.
Castellote M. Cronin D. Dalen J. Folegot T. Leaper R. Pajala J. Redman P. Robinson S.P. Sigray P.
Sutton G. Thomsen F. Werner S. Wittekind D. Young J.V. Dekeling, R.P.A., Monitoring Guidance for
Underwater Noise in European Seas – Part III: Background Information and annexes. 2nd Report of
the Technical Subgroup on Underwater Noise (TSG Noise). TSG Noise (2013).
[5] H.S. Dol G. Blacquiere C. Marasini M.A. Ainslie, C.A.F. de Jong, Assessment of natural and
anthropogenic sound sources and acoustic propagation in the North Sea. TNO (2009).
[6] Thomas Folegot, Gerry Sutton, Mark Jessopp in Dominique Clorenec, Mapping the spatiotemporal distribution of underwater noise in Irish Waters. EPA (2007-2013).
[7] https://biasproject.wordpress.com (Na spletu; dostopano 08. 12. 2014).
[8] https://www.bfn.de/fileadmin/MDB/documents/themen/ (Na spletu; dostopano
08. 12. 2014).
[9] S.P. Robinson, Lepper, P. A. in R.A. Hazelwood, Good Practice Guide for Underwater Noise
Measurement. National Measurement Office, Marine Scotland, The Crown Estate (2014).
[10] C. Erbe in A. MacGillivrayd in R. Williams, Journal of the Acoustical Society of America 5
(2012).
[11] C. Erbe, A. Duncan in M. Koessler, Report for WWF Cananda 45 (2012).
[12] P. C. Etter, Advances in Acoustics and Vibration 2012 (2012).
[13] Francois R. E. in Garrison G. R., Journal of the Acoustical Society of America 72 (1982).
[14] A.J. Duncan in A.M. Maggi, Proceedings of acoustics 2006 1 (2006).
[15] H. Medwin, Journal of the Acoustical Society of America 58 (1975).
[16] American National Standards Institute, Methods for measurement of impulse noise (ANSI S12.71986). New York: Acoustical Society of America (1986).
[17] F.B. Jensen, Numerical Models in Underwater Acoustics. NATO Science Series (1984).
[18] https://www.marinetraffic.com/ (Na spletu; dostopano 08. 12. 2014).
[19] D. Ross, Mechanics of Underwater Noise. New York: Pergamon Press (1975).
[20] http://topex.ucsd.edu/WWW_html/srtm30_plus.html (Na spletu; dostopano 08.
12. 2014).
[21] R.J. Ulrick, Principles of Underwater Sound 3rd Edition. McGraw-Hill, New York (1996).
[22] http://buoy.mbss.org Na spletu; dostopano 08. 12. 2014).
[23] http://www.unc.edu/˜rowlett/units/scales/beaufort.html (Na spletu;
dostopano 08. 12. 2014).
[24] https://cmst.curtin.edu.au/products/actoolbox.cfm (Na spletu; dostopano
08. 12. 2014).
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 50/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
DEL IV - POROČILO O UDELEŽBI NA SESTANKU 7TH MEETING TECHNICAL GROUP
UNDERWATER NOISE
V okviru projektne naloge za izdelavo Strokovne podlage za vzpostavitev sistema nadzora nad
podvodnim hrupom v skladu z Direktivo o morski strategiji (Direktiva 2008/56/ES) je predvideno
sodelovanje s tujimi strokovnjaki v regiji, na nivoju EU in izven, ki vključuje tudi organizacijo
sestanka tehnične skupine za podvodni hrup TG Noise v Ljubljani. Skladno z mejnikom št. 3 naloge
smo pripravili poročilo o organizaciji in udeležbi na sestanku.
Naslov sestanka:
−
7th Meeting Technical Group Underwater Noise 23rd - 24th October, Ljubljana, SLOVENIA
Termin sestanka:
−
23 - 24 Oktober 2014
Lokacija sestanka:
−
BEST WESTERN PREMIER HOTEL SLON, Slovenska cesta 34, 1000 Ljubljana, Slovenia
Organizator sestanka:
−
ZVD d.o.o., Chengdujska cesta 25, 1260 Ljubljana – Polje
−
Inštitut za vode Republike Slovenije, Hajdrihova 28 c, 1000 Ljubljana
Organizacija sestanka je obsegala:
−
zagotovitev in rezervacijo ustreznega prostora za izvedbo sestanka,
−
komunikacijo s predstavniki in člani TG noise
−
pripravo praktičnih napotkov glede izvedbe sestanka, lokacije sestanka, možnosti namestitve v
Ljubljani,
−
organizacijo skupnega kosila
−
organizacijo skupne večerje
−
organizacijo in zagotovitev pogostitve med odmori
−
zagotovitev internetne povezave
−
zagotovitev opreme za predstavitve (projektor, računalnik)
−
zagotovitev priklopa na električno omrežje
Sestanek je potekal pod vodstvom stalnih predstavnikov v skupini TG noise:
−
Rene Dekeling (Nizozemska, Ministrstvo za infrastrukturo in prostor)
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 51/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
−
Mark Tasker (Velika Britanija, JNCC)
−
Maria Ferreira (Nizozemska, Coastal & Marine Union (EUCC))
Vsebina sestanka in dnevni red
1. Prihod gostov dne 23.10.2014 ob 8:30 do 9.00.
2. Pozdravni govor s strani organizatorja (23.10.2014)
Pozdravni govor je imela dr. Monika Peterlin, IzVRS, ki je izpostavila pomen organizacije sestanka za
države z območje Severnega Jadrana (Slovenija, Italija, Hrvaška), ki se do sedaj niso redno
udeleževale sestankov TG noise, prav tako pa povezovanja teh držav znotraj regije še ni bilo. TG noise
Zaradi bližine so se tokrat sestanka udeležile tudi predstavniki vseh omenjenih držav, kot je razvidno
iz seznama udeležencev v tabeli 1:
Tabela 1: seznam udeležencev TG noise 23.-24.10.2014 Ljubljana
Participation list of Members of the TG Noise:
Name
Surname
Organization
René
Dekeling
Ministry of Infrastructure and the Environment, The Hague, The Netherlands
Mark
Tasker
Joint Nature Conservation Committee, Aberdeen, United Kingdom
Michael
Ainslie
TNO, The Hague, The Netherlands
Mathias
Andersson
Swedish Defence Research Agency, Stockholm, Sweden
Michel
André
Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain
Fabrizio
Borsani
Centre for Environment, Fisheries & Aquaculture Science, United Kingdom
Jukka
Pajala
Finnish Environment Institute, Helsinki, Finland
Stephen
Robinson
National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom
Predrag
Vukadin
Brodarski Institut, Croatia
John
Young
International Association of Oil and Gas Producers, London, United Kingdom
Tetrienne
Box
Joint Nature Conservation Committee, Aberdeen, United Kingdom
Tilen
Genov
MORIGENOS Dolphin Research & Conservation in Slovenia
Ferdinand
Dezelak
Institute for Occupational Safety, Slovenia
Luka
Curovic
Institute for Occupational Safety, Slovenia
Monika
Peterlin
Institute for Water of the Republic of Slovenia
Marta
Picculin
PhD Independent Scholar, Italy
Barbara
Breznik
Ministry of Environment, Slovenia
Albert
Willemsen
International Council of Marine Industry Associations (ICOMIA)
Lydia
Martin-Roumegas
EC DG Environment
Nikolina
Rako Gospić
PhD Science Director Blue World Institute, Croatia
Antonio
Codarin
Regional Agency for Environmental Protection of Friuli Venezia Giulia
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 52/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
Thomas
Folegot
Quiet Oceans, Plouzane, France
Frank
Thomsen
Central Dredging Association, CEDA
John
Dalen
Institute for Marine Research, Bergen, Norway
Andreas
Müller
Müller-BBM GmbH, Germany
Maria
Ferreira
Coastal & Marine Union (EUCC), The Netherlands
3. Predstavitev predstavnice TG noise v EC (23.10.2014)
Skupini TG noise se je predstavila Lydia Martin-Roumegas, ki je novoimenovana predstavnica EC za
TG noise.
4. Predstavitev urnika in ciljev sestanka (23.10.2014)
Urnik in cilje sestanka je predstavil Rene Dekeling. Med cilji sestanka je bilo izpostavljeno:
−
da je potrebno dokončati poročilo o delovanju skupine, ki se bo predstavilo vrhovni skupini
t.i. (MARINE DIRECTORS), ki skrbi za implementacijo Direktive.
−
Potrebno je podati predloge o morebitnih novih indikatorjih (poleg indikatorjev 11.1 in 11.2),
ki bi lahko ključno prispevali k določanju GES (good environmental status of marine waters).
Pri tem so pomembni le indikatorji, ki pomembno in dokazano vplivajo na podvodni
ekosistem. Ob tem je potrebno paziti na razsežnost vpliva posameznih aktivnosti, ki vnašajo
energijo v morje (aktivnosti naj imajo large scale učinek).
−
M. Tusker je izpostavil cross-cutting issues oziroma problem velike količine indikatorjev
GESa, ki pa se med seboj lahko prepletajo. Na to temo bo organiziran seminar v Copenhagenu.
−
Izpostavljen je bil problem pri pridobivanju registra aktivnosti, kjer se uporabljajo impulzni
viri hrupa. Večina držav tega registra ni objavila.
5. Predstavitev projektov na področju Adriatika (23.10.2014)
Meritve hrupa na področju Hrvaške sta predstavila Predrag Vukadin (Institut za brodarstvo) in
Nikolina Rako Gospić (Blue world institute). Hrvaška bo opravljala meritve hrupa na 4 lokacijah.
Meritve ambientnega hrupa v Italijanskem delu severnega Jadrana je predstavil Antonio Codarin.
Meritve izvaja 3 leta na 13 lokacijah. Meritve se opravljajo enkrat mesečno in trajajo 15 minut.
Povprečna širokospektralna ekvivalentna raven hrupa znaša 121 dB. Višje ravni hrupa so bile
izmerjene ob plovnih poteh in na območju, kjer je povišan promet komercialnih plovil.
M. Picculin je predstavila vpliv podvodnega hrupa na podvodne živali.
6. Predstavitev in zaključki projekta ''Noise Propagation and Impact' (23.10.2014)
F. Borsani (CEFAS) je predstavil rezultate delavnice na temo vpliva in razširjanja podvodnega hrupa.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 53/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
7. Standardizacija (23.10.2014)
Na področju podvodnega hrupa (meritev, modeliranja, mapiranja in monitoringa) trenutno ni veljavnih
standardov, zato imajo države članice precej problemov pri implementaciji monitoringa podvodnega
hrupa. M. Ainsle je predstavil časovni termin v katerem se bo predvidoma pripravil ustrezen ISO
standard. Priprava standarda naj bi potekala med leti 2015 in 2021, kar je tudi časovnica, ki se bo
predlagala odgovornim za implementacijo Direktive. Člani skupine so predlagali naj se za osnovo
vzame dokument, ki ga je pripravila skupina v okviru projekta BIAS.
8. Vpeljava novih indikatorjev za določanje GESa
TG noise je obravnavala vpeljavo dodatnih indikatorjev, ki se tičejo vnosa energije v morsko okolje.
Pri tem so bili izpostavljeni elektromagnena polja, vnos toplote in svetlobe v morje. Noben izmed
dodatnih kriterijev ni bil ovržen. Pomembnost indikatorja se določi na osnovi razsežnosti problema in
dokazov o škodljivih učinkih. Nekateri člani skupine (Borsani, Thomsen) so dobili nalogo, da bodo
preiskali kako so elektromagnetna polja in svetloba prisotni v razpoložljivi literaturi.
9. Pregled vprašalnika, ki je bil poslan državam članicam (24.10.2014)
Državam EU je bil poslan vprašalnik glede implementacije morske direktive, ki zadeva vnos energije
(predvsem hrupa) v morsko okolje. Meritve in ocenjevanje hrupa se izvaja na regionalnem nivoju
predvsem v severnih državah, medtem ko na Mediteranu tega povezovanja ni oziroma je okrnjeno.
Države imajo probleme pri oblikovanju registra virov impulznega hrupa. Težave izvirajo iz
nerazumevanja indikatorja za impulzni hrup. Pričakuje se predvsem register v katerem so popisani viri
po končani aktivnosti. Izvajanje meritev ali ocenjevanje vpliva ni potrebno. Slovenija je izpostavila
problem merilne negotovosti in negotovosti pri modeliranju hrupa, čemur se bo potrebno v
nadaljevanju bolj posvetiti.
10. Bodoče aktivnosti
V letu 2015 bo v Hamburgu organizirana delavnica na temo ambientnega hrupa. Konferenca o
meritvah hrupa in vpliva na organizme bo organizirana v Barceloni.
Ocena uspešnosti in pridobljena znanja
Slovenija se je kot organizator srečanja glede na komentarje udeležencev dobro odrezala pri
organizaciji sestanka. Udeleženci so bili zadovoljni z izvedbo, presenetila jih je številčna udeležba.
ZVD d.o.o. je pridobil nova poznanstva in se seznanil s stroko na področju podvodnega hrupa. S
predstavniki Italije, Hrvaške in Španije bodo potekala dogovarjanja o med-regijskem povezovanju in
skupni prijavi na nekatere projekte npr. Life. Predstavniki skupine so tudi pozdravili in se strinajali z
namestitvijo merilne opreme za kontinuirane meritve hrupa na svetilnik pred Debelim rtičem, katerega
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 54/55
Strokovne podlage
LFIZ-20140066/1- FD
postavitev načrtujemo v novembru 2015. Seznanili smo se kako potekajo meritve v sosednjih državah.
Države severnega dela EU so glede implementacije Morske direktive pred južnim delom Evrope.
Slovenija in ostale države južnega dela Evrope so izpostavile problem razumevanja izvajanja
monitoringa podvodnega hrupa na nivoju državnih inštitucij in predlagala, da se preiskave
podvodnega okolja vnesejo v pravne rede EU. Predstavniki TG noise se pri tem ne čutijo kompetentne
in odgovorne za vpeljavo monitoringa v zakonodajo, so pa predlagali, da je to delo predstavnice ES za
TG noise.
Dokument je dovoljeno reproducirati samo v celoti za potrebe Inštituta za vode RS
Str. 55/55