sunnuntai 15. tammikuuta 2017

Muhosperän infraäänisimulaattori

Päivitetty 09.02.2017: Simulaattoriin lisätty valmiita karttoja voimaloineen (25kpl)- Kartoilla yhteensä 316 voimalaa. Voimaloiden määrää voi muuttaa nyt 1-40 kpl. Käyttöliittymää on myös paranneltu.

Päivitetty 25.1.2017: Simulaattoriin on lisätty mahdollisuus ladata eri 15km x 15km karttoja. 

Päivitetty 22.1.2017: Simulaattoriin on lisätty tuulivoimalan infraäänen suuntajakauma (Lambert's cosine law) ja tuulen suuntaa voi säätää.

Kirjoituksen tarkoitus on selvittää tuulivoimaloiden tuottamien infraääniaaltojen etenemistä ja vaimentumista ympäristössään. Tehtävän helpottamiseksi olen luonut selaimessa toimivan reaaliaikaisen ja interaktiivisen simulointiympäristön, jossa käyttäjä voi muutella erilaisia muuttujia ja nähdä niiden vaikutuksen heti.


Simulointialueen koko on 15 km x 15 km. Alueen karttaan on asetettu 9 voimalaa Muhosperään suunnitellun voimala-alueen päälle. Alue on jaettu 40m x 40m ruudukoksi ja simulaattori laskee ruudukon jokaisen solmupisteen arvot reaaliaikaisesti. Simulaattorissa näkyvät vaaleat renkaat ovat kilometrin välein mitattuna tuulivoima-alueen keskeltä.

Simulaattorin saa käynnistettyä erilliseen ikkunaan tästä linkistä (ainakin Google Chrome ja Firefox toimivat hyvin). Simulaattoriin on lisätty mahdollisuus ladata eri karttoja. Kartan koko täytyy olla 15km x 15km (1024 x 1024 pikseliä, .png tai .jpg kuvaformaatti). Voimala-alue aseteltuna mielellään noin keskelle karttaa.
Huomioi, että kartta näkyy vain siinä koneessa, jossa se ladataan, ladattu kartta ei siis näy muissa koneissa. Selaimen päivityksen jälkeen kartta palautuu Muhosperän kartaksi.
Hyviä karttakuvia voi tehdä mm. https://asiointi.maanmittauslaitos.fi/karttapaikka/, jossa rakennetut tuulivoimalat on merkitty karttaan.



Kaapattua videota simulaattorista, jos simulaattori ei toimi:


Simulointianimaatio kuvaa useista voimaloista lähtevien n. 1 Hz taajuisten ilmanpaineaaltojen summautumista ja summa-aallon vaimenemista etäisyyden kasvaessa. Jokaiselle voimalalle on oletettu 70 dB SPL taso 2 km päässä kyseisestä voimalasta, mikä vastaa kohtuullisen hyvin kentällä mitattuja tuloksia.

Simulointi osoittaa esimerkiksi, että 9:n voimalan aaltojen summautunut taso 5-6 km päässä voimala-alueen keskipisteestä vastaa yhden voimalan aiheuttamaa tasoa 2 km:n päässä voimalasta.

Simulaation ei ole tarkoitus olla tieteellinen todistus, vaan sen tehtävä on havainnollistaa pistemäisistä lähteistä leviävien yksinkertaisten paineaaltojen summautumista ja vaimenemista.

Ilmanpaineaallon huipusta huippuun vaihtelualue pienenee kertoimella 1.0/etäisyys^2 (geometrinen vaimentuminen), jossa etäisyys on etäisyys lähteestä eli tuulivoimalasta. Tämä tarkoittaa, että äänentaso pienenee 6 dB etäisyyden kaksinkertaistuessa. 6 dB vaimennus koskee siis vain yhtä voimalaa, simulaatiossa on mukana 9 voimalan summautuneet aallot, joten niiden yhteenlaskettu vaimennus on siten vähemmän kuin 6dB. Kiinnostuneet voivat kokeilla asiaa simulaattorissa  "Tasomittaus_dB" liukusäätimellä, jolla voi liikutella mittaustasoa (karttapohjaa) dB yksikköinä.

Infraäänialueen paineaaltojen (0 - 20 Hz) on osoitettu vaimentuvan käytännön mittauksissa vähemmän kuin 6 dB / 2*etäisyys, vaimentuminen on ollut lähempänä 3dB / 2*etäisyys. Syitä tähän voivat olla mm. heijastumissummautumiset esimerkiksi maasta ja ilman inversiokerroksesta. Aalto ei oikeasti leviä pallomaisena, vaan itseasiassa lähdettä pitäisi ehkä tarkastella puolipallona pitkän aallonpituuden (330m) vuoksi. Lisäksi mittaamalla ja simuloimalla on myös havaittu, että tuulivoimalan paineaallot suuntautuvat tuulen suunnassa eteen ja taakse, jolloin myös niissä oleva energiakin keskittyy kyseisiin suuntiin.

Huolimatta edellisestä, tässä simulaatiossa on käytetty konservatiivista 6 dB /2*etäisyys vaimennuskerrointa, joten simulaatio voi antaa jopa liian optimistisia tuloksia.

Simulointi-ikkunan kontrollit:
- Hiiren vasen nappi pohjassa = kuvan pyöritys
- Hiiren oikea nappi pohjassa = kuvan keskitys/siirto
- Hiiren rulla tai keskinappi pohjassa = zoom in/out

Oikeassa laidassa olevasta kontrollipaneelista voi säätää:
- Rand_taajuudet nappi = Arpoo satunnaiset taajuudet kullekin tuulivoimalalle väliltä 0.8Hz - 1.2Hz.
- Rand_vaiheet nappi = Arpoo satunnaiset vaiheet kullekin voimalalle,  -180 - +180 astetta.
- Tasomittaus_dB = Mittaustaso desibeleinä (dB)
- Tuulen_suunta = Tuulensuunnan säätö
- Color_scale liukusäädin = Väriskaalan säätö (vaikuttaa ainoastaan väreihin)

- Voimaloita = Voimaloiden lukumäärä
- Voimala_asetus = Voimalan valinta
- ON_OFF = Voimala_asetus valikon osoittama voimala päälle/pois
- Xcoord = Voimala_asetus valikon osoittaman voimalan X-koordinaatti
- Xcoord = Voimala_asetus valikon osoittaman voimalan Y-koordinaatti

- Close Controls = Kontrollipaneelin sulkeminen

Simuloinnin pitäisi toimia kohtuullisesti ainakin uudehkoissa tehokkaanpuoleisissa kännyköissä, tableteissa ja kannettavissa tietokoneissa. Sujuvimman toiminnan saa kohtuullisella näytönohjaimella varustetulla PC:lla, esimerkiksi noin 5 vuotta vanha Geforce GTX 560 jaksaa laskea täydet 60 kuvaa sekunnissa ilman ongelmia (FPS vasen yläkulma).

Markus Littow

7 kommenttia:

  1. Tällä simulaattorilla voi tutkia muista muitakin aaltoja, kun unohtaa taajuudet - esimerkiksi suuntaavia ns. vaiheistettujen antennien suuntakuvioita, kun laittaa voimaloiden vaiheet sopivasti. Reaalielämässä tuulivoimaloiden vaiheet ovat satunnaisia, mutta satunnaisesti voivat muodostaa myös ns. "beam forming" efektin, jota käytetään mm. nykyaikaisissa WLAN reitittimissä. Silloin summautuminen vahvistuu tietyssä suunnassa enemmän ja siten myös kantaa pidemmälle.
    Lisää aiheesta:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Tosin tässä tapauksessa tuulivoimaloiden muodostama "verkko" ei ole säännöllinen, joten sopivien vaiheiden löytäminen on vaikeaa käytännössä.

      Poista
  2. Miten tuon simulaattorin saisi simuloimaan mitä tahansa tuulipuistoa missä tahansa maailman nurkassa. Esim. Hiidenmaan suunnitelmien simulointiin tarvittaisiin yht. 3000 MV (siis montasataa) voimaloita sijoitettuna hienosti ympäri saaren. Myös myllyjen kokoa ja taajuuksia pitäisi säätää, jotta tulos olisi toteudenmukainen.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Ei ollenkaan huono idea.
      -Kartan vaihto taustalle on erittäin yksinkertainen toimenpide, mutta jos ajatus oli interaktiivisesti rullailla ympäri palloa, niin sitten ei niin yksinkertaista
      -Myllyjen koon / tehon muuttaminen on mahdollista

      -simulointiverkon resoluutio rajoittunee Hiidenmaan tapauksessa 60m x 60m (60km x 60km alue /1000x1000 ruutuihin silloinkin täytyy olla näytönohjaimessa muistia 4GigaByteä (esim. Nvidia Geforce GTX 970 4GB mun koneessa)
      -kokeilin tuolla 1000x1000 ruudukolla simulointia, mahtuu juuri muistiin, mutta jaksaa laskea ainakin noita 9 voimalaa edelleen 60 kuvaa sekunnissa. Joten laskentavoimaa pitäisi vielä olla jäljellä aika merkittävällekin lisäykselle voimaloiden määrälle. Mutta en ole ollenkaan varma jaksaako n. 300:a voimalaa.
      -Tietty jos päivittää johonkin uusimmista grafiikkakorteista (Esim Geforce GTX 1070 tai 80 4GB, niin Hiidenmaan simulointi 40mx40m resoluutiolla pitäisi onnistua 300:n voimalan kanssa hyvin todennäköisesti.

      Poista
    2. Ja toki taajuuksiakin voi muuttaa melkein minkälaiseksi tahansa.

      Poista
  3. Mikähän lienee puuston ja muiden maastoesteiden vaikutus tuulivoimaloiden melun etenemiseen? Tämä jää huomiotta. Luulisi olevan merkittävä tekijä, etenkin summasignaalin tapauksessa.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Hyvä kysymys.
      Mallissa ei tosiaan ole mukana maasto- tai muitakaan esteitä, vaan se esittää etenemistä vapaassa ilmassa. Se kuitenkin tiedetään, että infraäänet etenevät satojenkin kilometrien päähän metsistä maastonmuodoista huolimatta. Ja se, että tietyt eläinlajit käyttävät infraääniä pitkän matkan kommunikointiin.

      En usko, että infraäänikään etenee tiheässä kuusimetsässä vaimentumatta, koska eteneminen vaatii ilmamolekyylien liikettä. Joten jos asuinpaikka on tiheän metsän keskellä, niin voisi kuvitella, että infraäänikään ei olisi kovin voimakas siellä.

      Tuulivoimalan tapauksessa infraäänipulssi syntyy kohtuullisen korkealla. 140m napakorkeassa voimalassa lapojen mitta on 60m, joten voimakkain pulssi lähtee n. 80-100m korkeudelta. Siltä korkeudelta on normaalisti suora näköyhteys suurimpaan osaan lähialueen taloista, senkin vuoksi että talojen ympärillä on usein jonkinlainen aukio/piha-alue.

      Kauempana esim. 10 - 20km päässä oleviin taloihin ei taas ole näköyhteyttä, mutta jos ne ovat aukiolla, niin diffraktio levittää puuston yläpuolella vapaassa ilmassa kulkeneen infräänen kyllä heti alas kun vapaata tilaa on. Diffraktio on sitä jyrkempi mitä pienempi taajuus on, joten äänen pitäisi levitä alaspäin heti puurajan jälkeen.
      Diffraktioefektin havainnollistus (esim.): http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/diffrac.html tai http://www.physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-3/Reflection,-Refraction,-and-Diffraction.
      Summasignaaliin sen ei juuri pitäisi vaikuttaa, koska diffraktio tapahtuu aukiolla kaikista suunnista tuleville infraäänille samalla tavalla fysiikan lakien mukaisesti.

      Toki ylläoleva ei ole mikään tieteellinen todistus, pikemminkin ensiarvaukset siitä, mistä voisi olla kyse.

      Poista