Základní formou zvuku jsou vibrace: konkrétně komprese a zředění (roztažení) prostředí.
Šíření zvuku je způsobeno rozkmitáním molekul prodtředí (např. vzduchu) kolem své klidové polohy. Molekuly tedy necestují, ale svými kmity předávají energii sousedním molekulám a postupně se vrací do své klidové polohy.
Můžeme si to představit jako lán obilí, nad kterým fouká vítr: jednotlivé klasy se vychylují ze své polohy a zase se vrací zpět.
Obecně, zvuk se šíří v kulových vlnách od zdroje zvuku. U vyšších kmitočtů jsou kulové vlny o malém průměru a proto mají vysoké tóny velmi směrový charakter. Zároveň se jejich intenzita se vzdáleností výrazně snižuje.
U vyšších kmitčtů se intenzita zvuku snižuje zhruba s 2. mocninou vzdálenosti od zdroje.
Tohoto argumentu používají v diskuzích pseudoodborníci, kteří argumentují, že díky tomu není možné, aby byl hluk VtE slyšitelný ve větší vzdálenosti od VtE.
Zapomínají však (nebo nevědí), že to platí jen pro vyšší kmitočty. Pro zvuky o nižších kmitočtech platí jiná pravidla.
Dokonce i pro vyšší kmitočty toto pravidlo platí jen pro určité klimatické podmínky, i ve vlhkém vzduchu již toto neplatí.
Hluboké tóny (tj. nízké frekvence) mají větší průměr vlny, takže ve větší vzdálenosti od zdroje začínají mít charakter rovinné vlny. Nejsou směrové jako vysoké kmitočty a šíří se všemi směry od zdroje, přičemž útlum je výrazně menší, takže se snadněji šíří na větší (někdy i velmi velké) vzdálenosti.
Čím nižší kmitočet, tím více se vlny odrážejí od překážek a ohýbají se za nimi, takže se mohou dostat i za terénní překážky. Odrazy vln mohou být i od země nebo od teplotně zvrstvené atmosféry, takže se mohou šířit na velké vzdálenosti od zdroje, řádově kilometry. Velmi výrazný je tento jev v době kolem rozbřesku a stmívání, kdy dochází k velkém teplotnímu zvrstvení atmosféry.
Pokud se týká meteorologických podmínek, rychlost a útlum zvuku závisí především na
Je zajímavé, že útlum zvuku v závislosti na vlhkosti je různý pro různé kmitočty, jak je patrné z následujícího obrázku:
Na svislé ose je relativní pohltivost zvuku vzduchem, na vodorovné ose kmitočet zvuku a jednotlivé barevné křivky představují relativní vlhost vzduchu. Modrá čára je pro zcela suchý vzduch, černá čára pro vzduch zcela nasycený vodní párou.
Je vidět, že zatímco nízké kmitočty se lépe šíří při vyšší vlhkosti, pro vyšší kmitočty je lepší nižší vlhkost. U středních frekvencí je nejlepší žádná vlhkost, ale pokud tam vlhkost je, tak je lepší vyšší.
Obecně se zvuková vlna ohýbá kolem objektů, které jsou s ní srovnatelně dlouhé.
Nízké kmitočty se snadno ohýbají za překážkami, takže přímo za překážkou může být intenzita zvuku menší (tzv. zvukový stín), ale dále za touto překážkou je zvuk daleko silnější.
Následující obrázek velmi zjednodušeně znázorňuje šíření zvuku o různých kmitočtech za terénní překážkou ...
Rychlost zvuku závisí na teplotě a hustotě vzduchu. V teplém vzduchu se šíří zvuk rychleji než ve studeném vzduchu. Pokud se zvuk šíří přes vrstvy vzduchu s různou teplotou (např. nad zemí během dne a noci), zvuk se ohýbá směrem k pomalejšímu (studenějšímu) prostředí.
Při určitém rozvrstvení vzduchových hmot v atmosféře (zejména po východu a před západem slunce) se může zvuk o nízké frekvenci snadno odrážet od rozhraní těchto vzduchových hmot, poté se odrazit od země a opět od atmosféry, takže se vytvoří jakýsi tunel či potrubí, kterým se zvukové vlny šíří na velké vzdálenosti.
Na ohyb zvukových vln má vliv i vítr: Rychlost větru se obvykle zvyšuje s výškou, což způsobuje, že se zvukové vlny ohýbají směrem dolů po větru a směrem nahoru proti větru.
Refrakce je důvodem, proč je zvuk i ve slyšitelném pásmu v noci lépe slyšitelný na delší vzdálenosti (teplejší vzduch je výše, zvuk se láme k zemi).
Z obrázku je vidět, že za vhodných atmosferických podmínek se zvuk o nízkých kmitočtech může šířit až několik kilometrů (10-15 km) od zdroje.
Díky odrazům od země a od atmosféry se mohou zvukové vlny v některých místech sčítat, zatímco v jiných odečítat, v závislosti na fázovém posuvům v daném místě.
Na obrázku se v místech označených znaménkem mínus vlny odečítají, takže výsledná intenzita zvuku je nižší (až nulová), zatímco v jiných místech (zde označených znaménkem plus) se mohou vlny sčítat a výsledná intenzita je vyšší.
Díky tomuto charakteru šíření mohou být v různých vzdálenostech od zdroje zvuku velmi rozdílné hodnoty hladiny akustického tlaku.
Tuto skutečnost je třeba brát v potaz i při měření hluku VtE. Protože je prakticky nemožné určit chování zvukových vln v daném místě (protože je to ovlivněno mnoha faktory, jako např. okamžitým rozvrstvením atmosféry), bylo by třeba provést více měření v různých vzdálenostech od zdroje s poměrně malými vzdálenostmi mezi jednotlivými měřicími body. Což je v praxi velmi obtížně dosažitelné.
Tím, jak se zvukové vlny šíří prostředím, ztrácí postupně část své energie pohlcovánám tímto prostředím.
Pokud je někde v pozadí terénu nějaká větší překážka, od které se mohou zvukové vlny odrážet zpět směrem ke zdroji zvuku, může vzniknout tzv. stojaté vlnění, kdy se mohou zvuky o jednotlivých kmitočtech v závislosti na fázovém posuvu v některých místech sčítat a jinde odečítat, takže v daném prostoru vznikají lokální minima a maxima intenzity zvuku.
K podobném jevu dochází i v uzavřených budovách, pokud se mechanické rozměry budovy (místnosti) blíží vlnové délce zvukové vlny, nebo jejím celočíselným násobkům nebo zlomkům.
Interference je charakteristickou vlastností vlnění.
Vyskytne-li se v jednom místě více zvukových vln současně, dochází k jejich interferenci. Výsledný kmitavý pohyb v daném místě je dán principem superpozice ("součtu") kmitání jednotlivých vlnění.
V důsledku interference vlnění tedy dochází v některých místech ke zvýšení (zesílení) amplitudy a v některých místech k jejímu snížení (zeslabení).
Určení výsledného vlnění je v obecném případě značně složitý proces, neboť skládaná vlnění se mohou odlišovat amplitudou, frekvencí, fází nebo směrem šíření.
Zvukové zázněje (rázy) jsou jevy vznikající interferencí dvou zvukových vlnění s blízkými, ale odlišnými frekvencemi. Projevují se jako pravidelné kolísání hlasitosti (zesilování a zeslabování).
Frekvence výsledného vlnění je dána průměrem obou frekvencí, zatímco frekvence záznějů je rovna absolutní hodnotě rozdílu frekvencí obou původních tónů (f=|f2-f1|).
Výsledná frekvence záznějů se projevuje jako periodické kmitání amplitudy ("hlasitosti") a je tím nižší, čím jsou si původní frekvence bližší.
Například pokud se liší oba signály o 1 Hz, hlasitost výsledného signálu bude pulzovat s touto frekvencí.
Na wikipedii je tento jev krásně ukázán včetně akustické ukázky výsledného zvuku.
Z uvedeného textu vyplývá, že seriozní měření zvuku je velmi obtížné a může být velmi závislé na výběru měřicích bodů v terénu.
Na rozdíl od slyšitelného zvuku, který je zdmi budov značně tlumen a lze ho omezit např. zavřením oken, infrazvuk je běžnými stavebními materiály tlumen jen nepatrně, takže zdmi budov proniká v nezmenšené intenzitě. Na následujícím obrázku je znázorněn průchod slyšitelného zvuku a infrazvuku zdí budovy.
Z obrázku je názorně vidět, jak intenzita zvuku o vyšší frekvenci klesá průchodem zdí (a zvuková energie se mění na teplo), zatímco zvuk o nízkém kmitočtu prochází zdí nijak výrazně nezeslaben.
Dalším faktorem může být i vznik stojatého vlnění, popsaný výše.
Když lopatka rotoru prochází kolem věže, dochází k:
Výsledkem je periodické zesilování a zeslabování zvuku - amplitudová modulace. Základní kmitočet je mezi 100 - 1000 Hz (šum lopatek) pulsující s frekvencí 0,1 -1 Hz.
Mozek slyší hlavně vyšší frekvence, ale jejich hlasitost pulsuje v rytmu rotoru.
Pro ilustraci je zde příklad zvuku VtE Ostružná, která měří pouhých 40m:
Atmosféra může mít obecně různé teplotní zvrstvení, které je závislé kromě jiného na denní době.
Velmi důležitá je teplotní inverze v atmosféře. Normálně je vzduch je teplejší dole, zvuk se ohýbá nahoru.
V noci se ale často vytvoří inverze, kdy studený vzduch je dole a teplejší vrstva nad ním. Tomu může napomoci i promíchávání vzduchových vrstev vrtulemi turbíny.
Potom se zvuk láme zpět k zemi, odráží se od ní, posléze se opět odráží od teplotního rozhraní vzduchových vrstev, takže se vytvoří jakési potrubí, kterým se zvuk šíří na velké vzdálenosti, mnohdy to jsou kilometry od turbíny.
Průměr rotoru velkých turbín je dnes běžně 120–180 m. Ve větší výšce je vítr silnější a turbulence vzduchu je jiná než u země.
Proto může nastat situace, kdy dole téměř bezvětří, zatímco nahoře je silný vítr → turbína hlučí. Zvuk pak přichází do tichého prostředí a je lépe slyšitelný.
Nízké frekvence se šíří velmi dobře, protože:
Proto nízkofrekvenční složky zvuku mohou cestovat na velké vzdálenosti.
Lidský sluch je velmi citlivý na periodické změny hlasitosti. Mozek vnímá pulzování jako:
Proto může být pulzující zvuk subjektivně rušivější než konstantní šum a zároveň slyšitelný i při relativně nízké hladině hluku.
Pulzující zvuk větrných turbín může být slyšitelný na velkou vzdálenost díky kombinaci:
Infrazvuk samotný většinou slyšitelný není, ale moduluje slyšitelný šum lopatek, což vytváří charakteristické pulzování.
Porovnávají šíření zvuku o různých kmitočtech v denních a nočních hodinách.
Následující obrázek ukazuje, jak se nízké kmitočty (v tomto případě 50Hz) večer odrážejí od atmosféry zpět k zemi...
V případě infrazvuku o kmitočtu 5Hz jsou odrazy ještě výraznější a zeslabení zvuku v závislosti na vzdálenosti ještě menší:
Z ilustrací je rovněž patrné, že při silnějším větru se šíří infrazvuk s větší intenzitou a do větší vzdálenosti.
Pro ilustraci ještě uvádím obrázek, který znázorňuje hladiny intenzity zvuku o kmitočtu 1Hz kolem větrného parku v obci Åseda ve Švédsku v 16 hod. a ve 4 hod. Všimněte si měřítka mapky, z které je patrné, že tento infrazvuk má značnou úroveň kolem 95dB ješte 15km od VtE a že situace je výrazně horší v nočních hodinách.
Ve Velké Skrovnici se mělo stavět 7 VtE, každá s výkonem 6MW. Proto je možné pro porovnání použít podobnou konfiguraci ve švédské obci Lervik, kde je instalováno 7 VtE vysokých 200m s výkonem 6,6MW. U nejbližšího obydlí, vzdáleného asi 1km byla naměřena hladina akustického tlaku 105,6dB na kmitočtu 1Hz.
Také je vidět, že ještě 6km od nejbližší VtE je hodnota kolem 90 dB!
Na přednášce prof. Mattssona byla zobrazena rovněž animovaná simulace šíření infrazvuku.
Proč může být infrazvuk někdy silnější dál od turbíny než u ní?
Na první pohled by se zdálo logické, že největší akustický tlak je vždy přímo u zdroje. U VtE se ale někdy při měření nízkofrekvenčního zvuku nebo infrazvuku zjistí, že maximum může být až stovky metrů za turbínou.
Je to způsobeno kombinací několika fyzikálních jevů.
Když lopatka rotoru prochází kolem stožáru:
Tento pulz se šíří hlavně po směru větru, protože:
Ze větrnými turbínami dochází díky turbulencím k tzv. wake efektu. Ten rovněž ovlivňuje šíření zvuku a může ho i modulovat.
Uvádí se, že je patrný do vzdálenosti 7–15 násobku celkové výšky VtE, což u moderních VtE představuje 1 400–3 000 metrů.
Následující obrázek ukazuje wake-efekt u větrného parku na moři.
Každý průchod lopatky vytváří periodickou tlakovou vlnu.
Tyto vlny se mohou:
V určitých vzdálenostech může nastat situace, kdy se vlny sejdou ve fázi → vznikne lokální maximum.
Za rotorem vzniká velká turbulentní struktura proudění, která může mít i několik set metrů.
V této oblasti vznikají tlakové fluktuace, které mohou zesilovat nízkofrekvenční složky.
Proto se někdy měří vyšší nízkofrekvenční energie ve vzdálenosti 100–500 m za turbínou.
Rotor není akusticky izotropní zdroj. To znamená, že nevyzařuje zvuk ve všech směrech stejnoměrně, ale naopak je značně směrový:
To znamená, že některé směry dostávají více akustické energie než jiné.
K tomu se přidává ještě atmosféra:
Turbulence mohou způsobit, že se zvuk láme zpět k zemi nebo se soustředí do určitých vzdáleností.
Infrazvuk nebo nízkofrekvenční hluk může být někdy silnější dál od turbíny kvůli kombinaci:
Nejde o porušení fyziky – energie zdroje je stále největší u turbíny – ale lokální maxima mohou vznikat ve vzdálenosti stovek metrů.
Protože měřit se dá pouze zařízení (v tomto případě VtE), které už je v provozu, používají se pro posouzení hlukové zátěže programy pro modelování zvukového pole na základě technických informací dodaných výrobcem a profilu a charakteru okolní krajiny.
Pro simulaci se nejčastěji používá v zahraničí program Nord2000, který dává rozumné výsledky v oblasti slyšitelného zvuku, avšak pro modelování infrazvuku poskytuje naprosto nepřesné výsledky pro oblasti, kde se uplatňuje ohyb, odrazy a interference u nízkých kmitočtů, protože používá metodu Ray-tracing a vyžaduje zadání spousty parametrů uživatelem, čímž se mohou dostat velice odlišné výsledky v závislosti na těchto zadaných parametrech.
V ČR se nejčastějí používá program Hluk+, který používá stejnou metodu jako program Nord2000, takže výsledky modelování hlukové zátěže tímto programem se mohou lišit až o 20dB od skutečných hodnot.
Pro zájemce jsem přidal stránku, kde je tato problematika modelování šíření zvuku pro hlukové posudky podrobněji vysvětlena.
