Allveeakustika laboratoorium | Ehituse ja arhitektuuri instituut

Allveeakustika on akustika haru, mis uurib helinähtusi vees. Peamiselt käsitletakse helinähtusi veekogudes ja enamasti looduslikes veekogudes (ookeanid, mered, järved ja jõed). Seejuures uuritakse heliallikaid, helilevi, helililainete peegeldumist ja murdumist veekihtidel ning vee piirikihtidel (näiteks vee ja õhu piirikiht, vee ja merepõhja piirikiht). Allveeakustika rakenduslikuma taustaga allharusid nimetatakse mõnikord ka hüdroakustikaks.

Allveeakustika peamised rakendused on:

• Allveemüra kahjustava mõju hindamine mereloomadele ja selle mõju vähendamine (keskkonnahinnangud, pikaajaliste muutuste mõõtmine).
• Veealuste sihtmärkide või takistuste avastamine, tuvastamine ja asukoha määramine (laevade navigeerimine, kalapüük ja allveearheoloogia).
• Merekeskkonna ja merepõhja erinevate omaduste mõõtmine (merepõhja topograafia, maavarade otsimine, mereloomade uurimine, hoovuste ja lainete mõõtmine).
• Juhtmevaba veealune informatsiooni edastamine (laevade kommunikatsioon, meres olevate mõõteseadmete andmeedastus veepinnale).

Tehnikaülikoolis taaselustati allveeakustika alased uuringuid BIAS-projektis osalemisega aastal 2011 - 2017. Allveeakustika projektist saadi olulisi kogemusi veealuste helide mõõtmises ja modelleerimises. Koostatud on Läänemere allveemüra mõjuhinnanguid, osaletud keskkonnamõjude uurimisega seotud projektides ja avaldatud uurimistulemusi teadusartiklites. Aktiivsemalt on allveeakustikaga tegelenud Aleksander Klauson, Janek Laanearu, Madis Ratassepp, Priit Peterson, Andres Braunbrück, Mirko Mustonen ja Muhammad Saladin Prawirasasra.

Peamised helisid iseloomustavad suurused

Helisid üldiselt iseloomustatakse füüsikalise suurusega helirõhk p, millel on rõhuga sama mõõtühik Paskal (Pa). Kuna erinevate amplituudidega helilainete korral võivad maksimaalsed helirõhu väärtused erineda väga laias vahemikus, siis on kasutusel kümnendlogaritm mõõdutust suhtest ehk helirõhutase Lp (Sound Pressure Level , SPL), mille ühikuks on detsibell (dB). Täpsemalt on helirõhutase kümme korda kümnendlogaritm ruutude keskmise helirõhu suhtest määratud lähteväärtusesse ehk valemi kujul

Lp=10 log10(p2/p02)

Valemis on p2 ruutude keskmine helirõhk ja p0 on lähteväärtus. Helirõhutasemete korral vees kasutatakse lähteväärtuseks rõhku p0=1 μPa. Eristamaks vees mõõdetud helirõhutaset õhus mõõdetust märgitakse mõõtühikuks tihti dB re 1 μPa (detsibell ühe mikropaskali suhtes).

Heli tavaliselt koosneb mitmest sageduskomponendist. Helirõhutasemete jaotust mingis sagedusribas näitab helispekter või helivõimsuste spektraaltihedus. Helispekter näitab helirõhutasemete sõltuvust sagedusest väikese sageduse sammuga (näiteks 1 Hz). Kvalitatiivse hinnangu andmiseks sobib tihti suurem sageduse samm. Seetõttu jagatakse kogu helispekter suuremateks osadeks ehk sagedusribadeks. Akustikas on laialt levinud tertsribade ehk 1/3 oktavriba laiuste sagedusvahemike kasutamine. MSRD pakub pideva inimtekkiliste müratasemete indikaatorsagedusvahemikeks kolmandik (⅓) oktaavriba (tertsriba) kesksagedustel 63 Hz ja 125 Hz.

Veebilehe administreerimine/GIS töövahendi arendamine: 
E-post:  mirko.mustonen@taltech.ee
Telefon: 620 2557 

Ookeanidesse ja meredesse kiirgub akustilist energiat nii looduslike nähtuste kui ka inimtekkeliste heliallikate tõttu. Seejuures on mere elustik loodusliku ehk peamiselt merelainetusest pärinevate helidega harjunud. Samas inimtekkelise ja peamiselt laevaliikluse tekitatud allveemüraga pole mere elustik evolutsiooni käigus arenenud koos elama ja seetõttu võib selline müra omada kahjulikku mõju.

Inimtekkeline allveemüra on potentsiaalse meresaastena leidnud tunnustust ka Euroopa Liidu õigusaktides. Euroopa Parlament ja nõukogu võtsid 17. juunil 2008. a vastu direktiivi 2008/56/EÜ, millega kehtestatakse ühenduse merekeskkonnapoliitika-alane tegevusraamistik (merestrateegia raamdirektiiv; edaspidi MSRD). Selle direktiivi kehtestatud raamistiku piires võtavad liikmesriigid vajalikke meetmeid, et säilitada või saavutada hiljemalt aastaks 2020 oma mereala hea keskkonnaseisund. MSRD paneb igale liikmesriigile kohustuse töötada välja ökosüsteemil põhinevast lähenemisviisist lähtudes ja rakendada oma merealas merestrateegia, mille eesmärk on:

a) kaitsta ja säilitada merekeskkonda, hoida ära selle seisundi halvenemine või taastada võimaluse korral mereökosüsteemid piirkondades, kus need on kahjustatud;

b) hoida ära ja vähendada heiteid merekeskkonda, et järk-järgult kõrvaldada reostus, eesmärgiga tagada, et see ei mõjutaks ega ohustaks oluliselt mere elustiku mitmekesisust, mere ökosüsteeme, inimese tervist ega mere õiguspäraseid kasutusviise.

Üheks heidete liigiks on tunnustatud ka inimtekkeline müra. MSRD muuseas nõuab, et kõik inimtekkelise päritoluga impulss- ja pideva müra tasemed ei tohi ületada taset, mis mõjuks mereloomade populatsioonidele kahjulikult. Siin peetakse kahjulikuks mõjuks näiteks mereloomade elupaikade hävimist läbi nende omavaheliseks kommunikatsiooniks vajamineva

kauguse vähenemise ning kroonilise pikaajalise stressi mõjul.
 

Aastal 2014 toimus EL Life+ BIAS projekti raames senini Läänemere kõige laiaulatuslikum müra monitooring. BIAS (Baltic Sea Informatsioon on Acoustic Soundscape – Läänemere helipildi informatsioon) projektis mõõtsid kuus Läänemere rannikuriiki (Rootsi, Taani, Saksamaa, Poola, Eesti ja Soome) veealust müra 2014. aasta jooksul üheaegselt 38 eri punktis.

Projektis kasutati müra monitoorimiseks merepõhja paigaldatavaid autonoomseid salvestusseadmeid. Salvestusamisseade talletab veealuseid helisid iseseisvalt kuni patareide tühjenemise või mälukaartide täitumiseni. Seejärel poijaam vabastatakse merepõhjast akustilise vabastaja abil ning seadmestik tõuseb merepinnale. Pärast seadme laeva pardale tõstmist saab teda ümber seadistada ning andmeid analüüsiks maha laadida (joonis 1).

Üksik salvestusseade salvestab helisid vaid ligikaudu 15 km raadiusest. Selleks, et hinnata helide tasemeid laiematel merealadel kasutatakse veealuse helilevi modelleerimist. Modelleerimisel võetakse arvesse nii valitsevaid looduslikke tingimusi (sügavused, helikiiruse profiilid, loodusliku müra päritolu müra tasemed, jne) kui ka laevade liikumise trajektoore ning laevade akustilise energia kiirgamist vette. Laevade liikumised kajastuvad automaatses identifitseerimissüsteemis (AIS-is).

Joonis 1. Vasakul -– poijaama ettevalmistamine veeskamiseks uurimislaeva „Salme“ pardal, paremal -– merepõhjapoijaama skeem: 1- hüdrofon, 2- SM2M andmeloger, 3- ujuk, 4- akustiline vabastaja, 5-betoonist ankur;

Joonis 2. Läänemere helipilt – aastal 2014 esinenud kogu veesamba keskmiste helitasemete väärtuste ruumiline paiknemine. Helipilt modelleeritud tertsribas 125 Hz. Näidatud helirõhutasemed, millest kõrgemad tasemed esinevad vaid 10% ajast.

Allveeakustika uurimisgruppi eestvedamisel analüüsiti BIAS projekti mõõtmistulemusi, mille alusel koostati mõõdetud Läänemere allvee ümbrushelide üldistus ning näidati helide muutlikkust sõltuvalt asukohast ja ajaperioodist. Seejuures osutusid samas asukohas salvestatud helitasemed aastate võrdluses sarnasteks. Joonisel 3 on esitatud salvestatud veealuste aastaste helitasemete esinemise tõenäosuse tihedusfunktsioonid, mis on väga sarnased kahe erineva aasta pikkuse mõõtmisperioodi jaoks.

Salvestatud helides on võimalik eraldada inimtekkelist ja tuuletekkelisi komponente Joonisel 4 on esitatud sellise loodusliku ja inimtekkelise helide eraldamise tulemused.

Joonis 3. Tõenäosuse tiheduse funktsioonid kolme tertsriba jaoks kahes mõõtmispunktis: 20 – Soome laht, 26 – Puki laht (Poola). On võrreldud kahte mõõtmisperioodi aastatel 2014 ja 2015/16.

Joonis4. Soome laht. Helitasemete aegread koos tõenäosuse tihedusfunktsioonidega, mis on jaotatud looduslikeks (roheline) ja inimtekkelisteks (punane) komponentideks. Sinise värviga on näidatud summaarne jaotus.

Liivi laht on üks Läänemere suhteliselt vaikne koht, kus saab kohata hall- ja viigerhülgeid. Liivi lahes tehtud salvestused lubasid tuvastada hüljeste veealuseid häälitsusi. Valiks salvestatud hallhüljeste häälitsuste spektrogramme on näidatud joonisel 5. 

Joonis 5. a-c hallhülge häälitsuste erinevad tüübid, d – esilestade löögid paaritumise perioodil.

Valitud publikatsioonid:

Mustonen, M.; Klauson, A.; Andersson, M.; Clorennec, D.; Folegot, T.; Koza, R.; Pajala, J.; Persson, L.; Tegowski, J.; Tougaard, J.; et al. Spatial and Temporal Variability of Ambient Underwater Sound in the Baltic Sea. Sci. Rep. 2019, 9.

Mustonen, M.; Klauson, A.; Folégot, T.; Clorennec, D. Natural sound estimation in shallow water near shipping lanes. J. Acoust. Soc. Am. 2020, 147, EL177–EL183.

Prawirasasra, M.S.; Mustonen, M.; Klauson, A. The Underwater Soundscape at Gulf of Riga Marine-Protected Areas. J. Mar. Sci. Eng. 2021, 9, 915. https:// doi.org/10.3390/jmse9080915

Sissejuhatus:

Laevaliiklus on meredes ja ookeanides oluliseks veealuse müra allikaks ja põhjustab olulise suurusega helitasemete tõusu. Selle tulemusena esineb laiadel aladel madalsageduslik pidevmüra foon, mis võib avaldada pikaajaliselt olulist kahjulikku mõju Läänemere elustikule. MSRD sätestab, et liikmesriigid peavad seirama ümbrusmüra tasemeid tertsribades 63 ja 125 Hz. Seejuures on veealuse müra tasemete seire tänapäevaks osa Eesti mereseire programmist.

Ümbrusmüra mõõtmisel kasutatakse laialdaselt autonoomseid salvestussüsteeme, mis paigaldatakse merepõhja salvestama pikemaks ajaperioodiks. Sellise mõõtmismeetodiga kaasneb risk andmete kaoks, kuna salvestuse katkemine ilmneb seadme veest välja võtmisel ning salvestuses esinenud tõrkeid ei ole võimalik operatiivselt kõrvaldada. Autonoomse süsteemi levinumaks alternatiiviks on kaabliga ühendatavad süsteemid. Kaabliga ühenduse eeliseks on salvestussüsteemi tõhus energiavarustus ning võime edastada andmeid reaalajas. Merekaablid ja nende paigaldamine on aga suhteliselt kallid ning selline tehnoloogiline lahendus vajab suuremaid investeeringuid.

Viimastel aastakümnetel on kiiresti arenenud traadita side tehnoloogiad, mis tänapäevaks võimaldavad edastada suuri andmehulkasi ning tagada ligi reaalaja olukorra teadlikust. Käesolevas projektis on arendatud uudne allveemüra seire lahendus, milles töödeldud allveeheli andmed edastatakse Wi-Fi võrgu kaudu kaldajaamale. Lahendus koosneb salvestajast RS Aqua Orca, mis on ühendatud Wi-Fi antenniga varustatud poiga (Joonis 1). Kaldal olev antenn võtab vastu poi saadetud signaali ning edastab ta kasutaja tööjaama. Süsteemi komponente saab näha Joonisel 2.

Projekti eesmärk:

EL MSRD tunnus 11 nõuab, et inimtekkeline pidev madalsageduslik heli ei ületaks taset, mis mõjuks mereloomade populatsioonidele kahjulikult. Allveeheli mõõtmiseks praegu kasutatavate autonoomsete süsteemide puuduseks on võimatus kontrollida salvestamise kulgu, mis toob kaasa andmete kao riske. Käesolevas taotluses pakuti välja kuluefektiivne traadita side lahendus, mis lubab jälgida mõõtmisi ligi reaalajas.

Läbiviidud katsetused:

Projekti raames tehti seadmetega mitmeid merekatseid:

23.04.2021 – meremiini lõhkamise impulssmüra salvestused (Joonis 3);

09.03.2022 – helisalvestused Soome lahes;

Suurem osa merekatseid on sooritatud ajavahemikus 2. aprill kuni 30. mai 2022 Väinamerel (Joonis 4). Koha valiku määras hästi varustatud ning paraja suurusega päästepaadi olemasolu Puise sadamas. Sadam asub 110 km kaugusel TalTech’ist ning osutus logistiliselt kõige mõistlikumaks asupaigaks katsete läbiviimiseks. Lisaks puudub Väinamerel ka suurem laevaliiklus ning piirkonnas asuv Kesselaid sobib suurepäraselt kaldajaama paigaldamiseks, kuna saarel on olemas Wi-Fi levi (Joonis 5).

Projekti tulemused:

Katsetamised näitasid, et arendatud süsteemil on omad plussid ning ka miinused.

Plussid:

• pakutud lahendus lubab paindlikult juhtida salvestamise protsessi ning paremini korraldada allveeheli seiret;

• helimaastiku jälgimine ja selle muutuste visualiseerimine ligi reaalajas lubab seda teha laeva pardal nii, et laeva enda müra ei häiri salvestamist.

Miinused:

• kuna süsteem on merepinnal nähtav ja kergesti kättesaadav, siis on vajalikud täiendavad turvameetmed, nagu näiteks GPS jälgimisseade paigaldamine.

• Wi-Fi võrgul on piiratud ulatus. Katsetest selgus, et hea ilmastiku tingimustes töötas side stabiilselt vaid kuni 800 meetri kaugusel.

• vastuvõtuantenn on kitsa suunadiagrammiga, ning side töötamiseks ta peab olema poile piisavalt täpselt suunatud (±10°).

Süsteemi edasise arenduse plaanid:

Kuna Wi-Fi side ulatus ei ole suur siis järgmise sammuna võib proovida paralleelselt Wi-Fi sidega 4G mobiilside rakendamist. See lubaks saavutada parema side ulatuse ning mobiilsuse. Süsteemi turvamiseks on plaanis kasutada GPS jälgimise süsteemi.

PROJEKTI ON RAHASTANUD KIK