📘 Porovnání metod modelování šíření zvuku
Zvuk se v prostoru šíří různými způsoby a jeho šíření je závislé na více faktorech, jako například
- typ prostředí (vzduch, zem, voda, stavební konstrukce)
- vlastnosti prostředí (např. vlhkost vzduchu, směr větru, rozložení vrstev atmosféry, ...)
- kmitočet zvuku
Střední a vyšší frekvence se šíří v podstatě přímočaře od zdroje zvuku a málo se u nich uplatňuje ohyb vln na překážkách a odrazy od atmosféry. Pro ně přibližně platí pravidlo, že jejich intenzita se snižuje se čtvercem vzdálenosti od zdroje (i když i tady záleží např. na vlhkosti vzduchu či směru a intenzitě větru).
Jiná situace je u zvukových vln nízkých a velmi nízkých kmitočtů, které jsou prostředím tlumeny daleko méně a proto se snadno šíří do velkých vzdáleností.
Většina lidí zná z vlastní zkušenosti, že při venkovní produkci hudby ve větší vzdálenosti od posluchače slyšela především nízké tóny basové kytary a bicích nástrojů ...
Metody výpočtu hlukového zatížení
Tento přehled shrnuje rozdíly mezi metodou sledování paprsků (Ray Tracing) a metodou parabolických rovnic (Parabolic Equation, PE), které se používají pro numerické modelování šíření akustických vln.
1️⃣ Základní princip
- Ray Tracing: Sleduje dráhy jednotlivých "paprsků" zvuku – podobně jako světlo. Modeluje odrazy a lom na rozhraních prostředí.
- Parabolická rovnice (PE): Řeší zjednodušenou vlnovou rovnici, která popisuje, jak se zvuk ve formě vln opravdu šíří. Umožňuje modelovat ohyb (difrakci) a interference (vzájemné ovlivňování) zvukových vln.
2️⃣ Typ fyzikálního přístupu
- Ray Tracing: Geometrická akustika – předpokládá přímé šíření paprsků, vhodné pro vyšší frekvence. Nezohlednňuje difrakci - ohyb zvukových vln kolem překážek.
- Parabolická rovnice: Vlnová akustika – zahrnuje vlnové jevy (difrakce, refrakce a interference), je přesnější pro nízké kmitočty a složitý terén.
3️⃣ Oblasti použití
- Ray Tracing: Urbanistická akustika, interiéry, dopravní a průmyslový hluk, je rychlá, ale méně přesná.
- Parabolická rovnice: Šíření zvuku na větší vzdálenosti, vhodná pro nízké kmitočty a infrazvuk. Je používána pro vědecké a vojenské účely.
4️⃣ Výpočetní náročnost metody
- Ray Tracing: Rychlá a jednodušší – každý paprsek se počítá samostatně.
- Parabolická rovnice: Vyžaduje řešení parciálních diferenciálních rovnic – náročnější na výkon i paměť.
5️⃣ Použití metod
Ray Tracing: vhodná pro vyšší frekvence (od 500 Hz do 10 kHz i výše).
PE metoda: efektivní pro (velmi) nízké až střední frekvence (≈ 1–500 Hz).
6️⃣ Přesnost a omezení
Ray Tracing: Rychlá a jednoduchá, dobře počítá odrazy zvukových vln.
Nezohledňuje ohyb a interferenci vln, není vhodná pro nízké kmitočty
PE metoda: Velmi přesná pro složité situace v obtížném terénu, i pro velké vzdálenosti.
Je náročná na výpočetní kapacitu.
Shrnutí
| Vlastnost | Ray Tracing | Parabolická rovnice (PE) |
|---|---|---|
| Typ modelu | Geometrický (paprsky) | Vlnový (parciální rovnice) |
| Frekvenční rozsah | ~500 Hz – 10 kHz+ | ~1 – 500 Hz |
| Difrakce a interference | Nezahrnuty / aproximovány | Zahrnuty přirozeně |
| Výpočetní náročnost | Nízká až střední | Střední až vysoká |
| Typické použití | Města, budovy, dopravní hluk | Venkovní a dálkové šíření, výzkum |
📎 Poznámka: V praxi se často používají hybridní přístupy — např. kombinace Ray Tracingu pro vyšší frekvence a PE či difrakčních modelů pro nízké frekvence.
Grafické porovnání obou metod modelování
Uvedené informace byly čerpány z přednášky prof. Kena Mattssona ze švédské univerzity v Upsale, shrnutí bylo vytvořeno pomocí AI.
Které metody používají programy pro modelování šíření zvuku
Ray-tracing: používají programy jako Nord2000 nebo český Hluk+.
Aktuální verze Hluk+ 14.5 splňuje požadavky současné platné legislativy, jíž je Metodický návod MZ-HH ze dne 25.10.2023 (Věstník MZ ČR částka 14/2023) pro měření a hodnocení hluku v mimopracovním prostředí (účinný od 25.10.2023).
Parabolické rovnice: používá např. švédský program SoundSim360. Tento program poskytuje daleko přesnější výsledky než programy používající mnetodu Ray tracing (používané v ČR a SR). Tyto simulace se shodují s měřením reálných zdrojů hluku.
Závěr
Z uvedeného popisu vyplývá, že programy doporučené Ministerstvem pro životní prostředí nejsou vhodné pro jejich nasazení pro posuzování hlukové zátěže způsobované větrnými elektrárnami, protože nezohledňují šíření nízkých kmitočtů a infrazvuku - tedy oblasti, kde je největší skutečná hluková zátěž způsobovaná větrnými elektrárnami.