Mūsdienu pasaulē klusums kļūst arvien retāks. Satiksme, rūpniecība, ventilācijas sistēmas un citas tehnoloģijas rada pastāvīgu trokšņa fonu. Taču pastāv arī skaņas, kuras mēs pat nedzirdam – tās sauc par infraskaņu. Šie ir skaņas viļņi ar frekvenci zem 20 Hz. Lai gan cilvēks tos parasti nedzird, tie var būt jūtami kā spiediens vai vibrācija.
Infraskaņu rada gan dabas parādības, gan cilvēka radīti objekti. Dabā tā var rasties vulkānu izvirdumu, zemestrīču vai okeāna viļņu rezultātā. Savukārt cilvēka radītie avoti ir sprādzieni, dzinēji, ventilācijas sistēmas, lidaparāti un arī vēja turbīnas.
Tieši vēja turbīnu radītā infraskaņa pēdējos gados piesaista arvien lielāku zinātnieku uzmanību.
Kāpēc infraskaņu ir grūti pētīt
Atšķirībā no parastā trokšņa, infraskaņa izplatās ļoti tālu. Tās viļņu garums var sasniegt vairākus simtus metru, un atmosfērā tā gandrīz nezaudē enerģiju. Tas nozīmē, ka skaņas avots var ietekmēt vidi kilometru attālumā.
Tajā pašā laikā šādu skaņu ir ļoti grūti izmērīt un modelēt. Lai saprastu, kā infraskaņa izplatās, ir jāņem vērā daudzi faktori:
- reljefs un ēkas
- vēja virziens un ātrums
- temperatūra un atmosfēras slāņi
- zemes virsmas īpašības
Tradicionālās trokšņa simulācijas programmas šādus faktorus bieži vien vienkāršo, tāpēc tās ne vienmēr precīzi attēlo zemfrekvenču skaņas izplatību.
Jauns pieejas veids – skaņas viļņu fizikas simulācija
Lai risinātu šo problēmu, pētnieki izstrādāja jaunu simulācijas rīku SoundSim360. Tā vietā, lai izmantotu vienkāršotus pieņēmumus, šī sistēma tieši risina akustisko viļņu vienādojumu trīsdimensiju telpā.
Tas nozīmē, ka datorā tiek modelēts pats skaņas vilnis – kā tas izplatās, atstarojas no zemes vai ēkām un kā to ietekmē atmosfēra.
Simulācijā tiek izmantoti:
- reāli reljefa dati
- meteoroloģiskā informācija par atmosfēru
- precīzi matemātiskie modeļi skaņas izplatībai
Lai aprēķinus veiktu pietiekami ātri, programma izmanto GPU (grafisko procesoru). Tas ļauj sarežģītu trokšņa karti, kas aptver vairākus desmitus kilometru, izveidot dažu minūšu laikā, kamēr tradicionālie aprēķini varētu prasīt vairākas stundas vai pat dienas.
Kā citas trokšņa simulācijas programmas vienkāršo aprēķinus
Lai prognozētu, kā skaņa izplatās vidē, jau vairākus gadu desmitus tiek izmantotas dažādas simulācijas programmas. Tās ir svarīgs instruments pilsētplānošanā, transporta infrastruktūras projektēšanā un arī vēja parku attīstībā. Tomēr lielākā daļa šādu programmu izmanto vienkāršotus fizikas pieņēmumus, lai aprēķini būtu ātrāki.
Visbiežāk izmantotā pieeja ir staru izsekošanas metode (ray-tracing). Šajā metodē skaņa tiek modelēta līdzīgi kā gaismas stars – tiek pieņemts, ka skaņa izplatās taisnās līnijās un atstarojas no virsmām. Šāda pieeja darbojas salīdzinoši labi augstākām frekvencēm, taču zemfrekvenču skaņai un infraskaņai tā var būt nepietiekami precīza.
Zemās frekvencēs skaņas viļņi ir ļoti gari un var apliekt šķēršļus, piemēram, ēkas vai reljefa formas. Šo efektu sauc par difrakciju, un to vienkāršoti modeļi bieži vien neattēlo pietiekami precīzi.
Biežāk izmantotie trokšņa modelēšanas programmu veidi
Praksē tiek izmantotas vairākas dažādas pieejas un programmatūras kategorijas:
1. Staru izsekošanas (ray-tracing) programmas
Tās balstās uz ģeometrisko akustiku un skaņas izplatību modelē kā starus.
Piemēri:
- SoundPLAN
- CadnaA
- IMMI
Šādas programmas ir ļoti populāras pilsētplānošanā un transporta trokšņa modelēšanā, jo tās ir ātras un praktiskas.
2. Empīriskie trokšņa modeļi
Šīs sistēmas izmanto eksperimentāli iegūtas formulas, kas balstās uz mērījumiem.
Piemēri:
- Nord2000 modelis
- CNOSSOS-EU modelis
Tie bieži tiek izmantoti Eiropā vides trokšņa novērtēšanai.
3. Viļņu fizikas simulācijas
Šajā pieejā skaņas izplatība tiek modelēta tieši ar akustisko viļņu vienādojumiem. Tas ļauj precīzāk aprakstīt zemfrekvenču skaņu un sarežģītas vides.
Piemēri:
- SoundSim360
- citi pētniecības līmeņa akustiskie simulācijas rīki
Šāda pieeja prasa daudz lielāku skaitļošanas jaudu, taču tā var precīzāk modelēt infraskaņu, reljefu un atmosfēras ietekmi.
Ko parāda mērījumi vēja parkos
Lai pārbaudītu, vai simulācijas atbilst realitātei, pētnieki veica infraskaņas mērījumus divos vēja parkos Zviedrijā. Mērījumi tika veikti aptuveni 500 metru līdz 2 kilometru attālumā no turbīnām.
Rezultāti parādīja, ka:
- mūsdienu lielizmēra turbīnas rada ievērojamu infraskaņas līmeni
- skaņas impulsi rodas katru reizi, kad turbīnas lāpstiņa šķērso torni
- šo impulsu frekvence parasti ir 0,2–0,5 Hz
Šāda pulsējoša infraskaņa būtiski atšķiras no dabiskās infraskaņas, kas parasti ir nepārtraukta un bez izteiktiem ritmiskiem impulsiem.
Vai infraskaņa var ietekmēt cilvēku?
Par infraskaņas ietekmi uz veselību joprojām notiek diskusijas. Daži pētījumi liecina, ka infraskaņa nerada būtisku ietekmi, taču citi pētījumi norāda uz iespējamu saistību ar:
- miega traucējumiem
- galvassāpēm vai migrēnu
- paaugstinātu stresu
Daļa pētnieku uzsver, ka līdzšinējie laboratorijas eksperimenti nav pilnībā atdarinājuši reālos apstākļus, jo tajos izmantota nepārtraukta infraskaņa, nevis pulsējošā infraskaņa, kāda rodas pie vēja turbīnām.
Tāpēc zinātnieki uzskata, ka nepieciešami ilgtermiņa pētījumi ar reālistiskiem skaņas signāliem un dažādām cilvēku grupām.
Kāpēc šie pētījumi ir svarīgi
Precīza infraskaņas modelēšana ir svarīga ne tikai vēja parku izpētei. Tā palīdz arī:
- plānot pilsētvidi un infrastruktūru
- analizēt trokšņa ietekmi uz vidi
- uzlabot dabas katastrofu un sprādzienu monitoringu
- pētīt atmosfēras procesus
Jo labāk mēs saprotam skaņas izplatību, jo gudrāk varam plānot tehnoloģijas un aizsargāt cilvēku dzīves vidi.
Infraskaņa ir neredzams, bet svarīgs vides faktors. Ar jauniem simulācijas rīkiem un precīziem mērījumiem zinātnieki arvien labāk spēj saprast, kā šī skaņa izplatās un kā tā var ietekmēt cilvēkus un apkārtējo vidi.
Infraskaņa no vēja elektrostacijām tiek simulēta vienkāršoti, neievērojot pētījumā uzskaitītos ietekmes faktorus. Kas noved pie situācijas, kad patiesais infraskaņas līmenis no vēja elektrostacijām dzīvē var būtiski atšķirties.