Innehållsförteckning RAPPORT 2 (11) BAKGRUND... 5

Transkript

1

2 RAPPORT 2 (11) Innehållsförteckning 1 BAKGRUND GENOMFÖRT ARBETE OCH RESULTAT Litteraturstudie Efterklangs- och ljudutbredningsmätningar Ljudutbredningsberäkningar Referensgruppsmöten Presentation vid konferenser DISKUSSION SLUTSATSER OCH FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE LITTERATURFÖRTECKNING... 10

3 RAPPORT 3 (11) Sammanfattning Ljudvågor som ett vindkraftverk skickar ut från rotorn faller in mot trädtopparna i en skog uppifrån eftersom dagens vindkraftverk i skogsterräng har en navhöjd kring 100 m och träden normalt är m höga och kommer på så vis in i skogen. Ljudet som når en mottagare på marken dämpas av ljudspridning från trädstammarna, men efterklang i skogsrummet ger samtidigt en förhöjning av ljudnivån. Fenomenen är frekvensberoende. Spridningsdämpningen beror på tätheten av träd och stammarnas tjocklek och ökar med frekvensen. Dämpningen börjar vid ca 300 Hz och kan vara 5 db på 100 m avstånd och 25 db på 400 m avstånd vid 1000 Hz vid ljudutbredning från en källa på 1,5 m höjd över marken. Efterklangens ljudhöjande effekt ökar också med avståndet. Uppmätt efterklang var störst, ca 2 sek, kring 500 Hz. En fördubbling av efterklangstiden i ett rum, ökar ljudnivån i efterklangsfältet, dvs där nivån av ljudet som gått raka vägen kan försummas, med 3 db. Ljudhastighetens variation med höjden har också betydelse för ljudnivån inne i skogen. Inne i skogen är vinden svag, medan den ökar betydligt ovanför trädtopparna. Ljud som utbreder sig inne i skogen kan öka med 4 dba på avstånd m för en ljudkälla på 1,5 m höjd och med ett typiskt vindkraftspektrum jämfört med en vindhastighetsprofil utan skog. På avstånd över 200 m sjunker istället beräknad ljudnivå med ca 5 dba. Luften kring trädkronorna kan värmas upp mer än luften längre ner mot marken. Det leder också till att ljudhastigheten kan öka med höjden och en ökande ljudnivå. Temperaturgradienten 0,1 ºC/m kan ge någon dba högre beräknad ljudnivå för avstånd över 250 m jämfört med 0,05 ºC/m, som är det standardvärde som inte ska överskrida vid en ljudimmissionsmätning. Reflektion av ljudvågen i marken ger en förstärkning av ljudnivån med 6 db vid låga frekvenser. För en låg ljudkälla på 1,5 m höjd kan marken ge en dämpning. Utredningen bekräftar att träden i skogen kan skapa en efterklang som höjer ljudnivån, men också en ljudspridning som sänker ljudnivån. Fenomenet har olika inverkan vid olika frekvenser. Nya hypoteser om förstärkning av ljudet i skogen är att ett vindhastighetssprång ovan trädkronorna i medströmsriktningen, liksom en lokal temperaturförhöjning vid övre delen av trädkronorna, kan ge en refraktion av ljudet som stänger in det i skogen, som om hade den ett tak. Ytterligare en orsak till förhöjning av ljudnivån kan vara att markdämpningen försämras, genom att korrelationen mellan den direkta ljudvågen och den markreflekterade försämras, eftersom trädstammarna sprider ljudvågorna.

4 RAPPORT 4 (11) I arbetet har vi dels utvecklat en semi-empirisk modell RT-Forest och dels använt en så kallad PE-modell. I PE-modellen kan man räkna med refraktion som orsakas vindens och temperaturens variation med höjden, markeffekt och luftabsorption, men inte med trädens ljudspridande effekt. Det verkar inte heller vara praktisk möjligt, på grund av för lång beräkningstid, att räkna med höga ljudkällor, såsom vindkraftverk på höjden 100 m till mottagare på 1,5 m höjd på några hundra meters avstånd eller kortare. Det vore intressant att fortsätta att utreda och testa om det är möjligt. Det kan kanske göras inom ramen för KTHs projekt för Energimyndigheten av Ilkka Karasalo och Karl Bolin. Den semi-empiriska modellen RT-forest är inte kommersiellt användbar. Den bygger på att exempelvis markdämpningen beräknas med en separat modell. Efterklangstiden måste mätas upp eller antas vara ungefär lika med den vi redan mätt. I modellen ingår en faktor för beräkning av den volym av skogsrummet som medverkar i efterklangen. Den modellen kan förfinas efter tips från Conny Larsson på Uppsala Universitet, som också har ett akustik-projekt för Energimyndigheten. Tipset innebär att man tittar på gångtiden för ljudvågorna och får tillföljd att man ska beräkna volymen av ett ellipsoidliknade rum istället för ett parallellepipediskt rum. Den metoden används också i undervattensakustik när man räknar på efterklang för sonarsystem i havet. För ett vindkraftprojekt med navhöjder kring 100 m och avstånd upp till några hundra meter kan man tills vidare räkna med att slutsatsen från Elforsk rapport 09:22, se (1), står sig, dvs att inne i skogen bland träden kan man räkna med att ljudnivån ökar med upp till 2 db jämfört med om träden inte fanns. Utanför skogen blir ljudnivån snarare lägre än utan skog, om ljudvågorna från vindkraftverket passerar genom skogen.

5 RAPPORT 5 (11) 1 Bakgrund Alltfler vindkraftverk placeras i skogsterräng. I ett Vindforskprojekt mätte ÅF- Ingemansson ljudet från ett vindkraftverk inne i en skog, se Elforsk rapport 09:22, (1). Det visade sig oväntat att ljudnivån inne i skogen blev högre än beräknat. Det rör sig om några decibel. Olika anledningar kan finnas till detta som behöver utredas mer. Bostäder ligger sällan inne i skogar. De kan i och för sig ligga nära ett skogsbryn eller i en skogsglänta, så man kan fråga sig om ljudnivån orsakad av vindkraftverk inne i skogen är av betydelse. Det är den. I Naturvårdsverkets Riktvärden för ljud från vindkraft finns ett förslag att i områden där ljudmiljön är viktig och låg bakgrundsnivå eftersträvas bör ljudnivån från vindkraftverk inte överskrida 35 dba. Området ska vara utpekat i kommunens översiktplan som ett område där låg ljudnivå utgör en särskild kvalitet, (2). Ljudnivån inne i skogen har således också betydelse i vissa fall. 2 Genomfört arbete och resultat 2.1 Litteraturstudie Vid litteraturstudien, som rapporteras i (3), framkom nya hypoteser om orsaker till ljudnivåförhöjningen i skogen. Förutom hypotesen med spridning från trädstammarna och en temperaturgradient vid trädtopparna skulle ljudnivåförhöjningen kunna orsakas av det tak i skogen för ljudvågor som skapas av en kraftig vindhastighetsgradient ovan trädtopparna. En annan möjlighet är att den ljuddämpning som porös mark normalt ger, försämras av att ljudvågorna studsar okorrelerat mellan trädstammarna. Litteraturstudien presenterar kortfattat faktorerna kring ljudutbredningen utomhus, där det allmänna fallet är ljudutbredning på öppet fält. Vid öppna fält påverkas ljudutbredningen av geometrisk spridning, luftabsorption, markdämpning och meteorologin. Ljudutbredning i skogsterräng är ett specialfall av ljudutbredning utomhus. I skogen har marken oftare en porösare uppbyggnad. Skogen har också speciella väderförhållanden, ofta med lägre vindhastighet och en temperaturutbredning som skiljer sig från öppna fält. I skog kan temperaturen vara lägre vid marken än vid trädkronorna, vilket skapar refraktion, som lokalt bryter ner ljudet mot marken. Skogens träd påverkar ljudutbredningen och effekten är som kraftigast i mellanfrekvenserna runt 500Hz. Eftersom trädstammarna är cylindriska reflekteras och sprids ljudet i många olika riktningar.

6 RAPPORT 6 (11) Ibland kan det uppstå en förhöjd ljudnivå i skogsterräng. Detta kan bero på efterklang i skogen, lokala temperatur- och vindförhållanden i skogen eller ljudspridande effekter. Lokala förhållanden i skogen kan skapas då solljus värmer trädkronorna, men lämnar marknivån kall eftersom den hamnar i skuggan. Denna effekt borde vara störst vid perioder då träden har löv eller i barrträdsskogar. Effekten har alltså ett säsongsberoende för lövträdsskogar. Trädstammarnas ljudspridande påverkan beror i huvudsak på trädens diameter och medelavståndet mellan träden. Trädstammarnas absorptionsförmåga varierar med trädtyp. Efterklangen i skog kan sägas bero av både skogens lokala temperatur- och vindskiktning och trädstammarnas ljudspridande förmåga. Efterklang i skog ökar med avståndet från källan. Ju tätare träden står, desto längre blir efterklangen. 2.2 Efterklangs- och ljudutbredningsmätningar Ljudmätningar i skog har genomförts i skogar i Göteborgs omnejd. Se (4). I huvudsak har mätningarna undersökt efterklang i skog och skogens avståndsdämpning för ljudkällor och mottagare på 1,5 m höjd. Mätningar har också gjorts av dels vädret, såsom vindhastighet och temperatur med höjd och dels skogens egenskaper med avseende på antalet träd, träddiameter och trädhöjd. Resultatet visar på att efterklang finns i skog och kan ha betydelse för ljudutbredningen. Efterklangen ökar med avståndet åtminstone vid uppmätta förhållanden. Efterklangen var störst kring 500 Hz och kunde vara upp till 2 sek. Avståndsdämpningen är kraftigare i både skog och öppna områden än värden från enkel beräkningsmetod. Avståndsdämpningen är dock svagare i skog än öppna områden, vilket kan tyda på att skogens efterklang eller väderförhållanden gör att ljudet inte dämpas i samma utsträckning. 2.3 Ljudutbredningsberäkningar Arbetet rapporteras i delrapport 3, se (5). Simulering med en rumsmodell utgående från uppmätt efterklangstid visar god överensstämmelse efter att rumsvolymen skalats upp med en faktor 17,5 från det första antagande baserat på skogen dimensioner. Se Figur 1

7 RAPPORT 7 (11) OPTIMAL ALL EFFECTS: Lreverb optimized with σ =25000 and V scale = r = 100m (MEASURED) r = 100m (PREDICTED) frequency [Hz] Figur 1 Beräknad och uppmätt ljudtrycksnivå i tersband vid försök med högtalare som ljudkälla i skogen. Ljudutbredningsberäkningar med en CNPE-metod visar att en ljudnivåförhöjning kan orsakas av en ljudhastighetsgradient vid trädtopparna, se Figur 2

8 RAPPORT 8 (11) no wind Log wind Swearingen wind no wind Logarithmic wind Swearingen wind f=250 Hz 5 z=height [m] SPL [db re free field] sound speed [m/s] Range [m] Figur 2 Antagen vindhastighetsgradient visas till höger med och utan skog. Beräknad ljudtrycksnivå relativt fritt fält som funktion av avståndet vid 250 Hz visas till höger 2.4 Referensgruppsmöten Referensgruppen består av tekn dr Karl Bolin och adj professor Ilkka Karasalo på KTH MWL, Docent Conny Larsson på Uppsala Universitet, Inst för geovetenskaper, luft-, vatten- och landskapslära, professor em Sten Ljunggren från KTH, Hans Ohlsson på WPD Scandinavia och Martin Almgren på ÅF- Ingemansson. Tre möten har varit hittills: 21 maj 2010 på KTH i Stockholm, 8 november 2010 på Uppsala Universitet och 6 april 2011 på ÅF i Göteborg. Vid mötet i Uppsala deltog även Conny Larssons doktorand Olof Öhlund och i Göteborg Olof Öhlund och Elis Johansson från ÅF. Nästa möte är planerat till 26 oktober Presentation vid konferenser Vid Wind Turbine Noise Conference, WTN 2009, I Ålborg, presenterades bakgrunden till problemet, se (6), och vid WTN 2011 i Rom, se (7), redovisades metod och slutsatser. 3 Diskussion Ljudvågor som ett vindkraftverk skickar ut från rotorn faller in mot trädtopparna i en skog uppifrån eftersom dagens vindkraftverk i skogsterräng

9 RAPPORT 9 (11) har en navhöjd kring 100 m och träden normalt är m höga och kommer på så vis in i skogen. Ljudet som når en mottagare på marken dämpas av ljudspridning från trädstammarna, men efterklang i skogsrummet ger samtidigt en förhöjning av ljudnivån. Fenomenen är frekvensberoende. Spridningsdämpningen beror på tätheten av träd och stammarnas tjocklek och ökar med frekvensen. Dämpningen börjar vid ca 300 Hz och kan vara 5 db på 100 m avstånd och 25 db på 400 m avstånd vid 1000 Hz vid ljudutbredning från en källa på 1,5 m höjd över marken. Efterklangens ljudhöjande effekt ökar också med avståndet. Uppmätt efterklang var störst, ca 2 sek, kring 500 Hz. En fördubbling av efterklangstiden i ett rum, ökar ljudnivån i efterklangsfältet, dvs där nivån av ljudet som gått raka vägen kan försummas, med 3 db. Ljudhastighetens variation med höjden har också betydelse för ljudnivån inne i skogen. Inne i skogen är vinden svag, medan den ökar betydligt ovanför trädtopparna. Ljud som utbreder sig inne i skogen kan öka med 4 dba på avstånd m för en ljudkälla på 1,5 m höjd och med ett typiskt vindkraftspektrum jämfört med en vindhastighetsprofil utan skog. På avstånd över 200 m sjunker istället beräknad ljudnivå med ca 5 dba. Luften kring trädkronorna kan värmas upp mer än luften längre ner mot marken. Det leder också till att ljudhastigheten kan öka med höjden och en ökande ljudnivå. Temperaturgradienten 0,1 ºC/m kan ge någon dba högre beräknad ljudnivå för avstånd över 250 m jämfört med 0,05 ºC/m, som är det standardvärde som inte ska överskrida vid en ljudimmissionsmätning. Reflektion av ljudvågen i marken ger en förstärkning av ljudnivån med 6 db vid låga frekvenser. För en låg ljudkälla på 1,5 m höjd kan marken ge en betydande dämpning kring Hz, så kallad markdämpning. 4 Slutsatser och förslag på fortsatt arbete Utredningen bekräftar att träden i skogen kan skapa en efterklang som höjer ljudnivån, men också en ljudspridning som sänker ljudnivån. Fenomenet har olika inverkan vid olika frekvenser. Nya hypoteser om förstärkning av ljudet i skogen är att ett vindhastighetssprång ovan trädkronorna i medströmsriktningen, liksom en lokal temperaturförhöjning vid övre delen av trädkronorna, kan ge en refraktion av ljudet som stänger in det i skogen, som om hade den ett tak. Ytterligare en orsak till förhöjning av ljudnivån kan vara att markdämpningen försämras, genom att korrelationen mellan den direkta ljudvågen och den markreflekterade försämras, eftersom trädstammarna sprider ljudvågorna. I arbetet har vi dels utvecklat en semi-empirisk modell RT-Forest och dels använt en så kallad PE-modell.

10 RAPPORT 10 (11) I PE-modellen kan man räkna med refraktion som orsakas av vindens och temperaturens variation med höjden, markeffekt och luftabsorption, men inte med trädens ljudspridande effekt. Det verkar inte heller vara praktisk möjligt, på grund av för lång beräkningstid, att räkna med höga ljudkällor, såsom vindkraftverk på höjden 100 m till mottagare på 1,5 m höjd på några hundra meters avstånd eller kortare. Det vore intressant att fortsätta att utreda och testa om det är möjligt. Det kan kanske göras inom ramen för KTHs projekt för Energimyndigheten av Ilkka Karasalo och Karl Bolin. Den semi-empiriska modellen RT-forest är inte kommersiellt användbar. Den bygger på att exempelvis markdämpningen beräknas med en separat modell. Efterklangstiden måste mätas upp eller antas vara ungefär lika med den vi redan mätt. I modellen ingår en faktor för beräkning av den volym av skogsrummet som medverkar i efterklangen. Den modellen kan förfinas efter tips från Conny Larsson på Uppsala Universitet, som också har ett akustik-projekt för Energimyndigheten. Tipset innebär att man tittar på gångtiden för ljudvågorna och får tillföljd att man ska beräkna volymen av ett ellipsoidliknade rum istället för ett parallellepipediskt rum. Den metoden används också i undervattensakustik när man räknar på efterklang för sonarsystem i havet. För ett vindkraftprojekt med navhöjder kring 100 m och avstånd upp till några hundra meter kan man tills vidare räkna med att slutsatsen från Elforsk rapport 09:22, se (1), står sig, dvs att inne i skogen bland träden kan man räkna med att ljudnivån ökar med upp till 2 db jämfört med om träden inte fanns. Utanför skogen blir ljudnivån snarare lägre än utan skog, om ljudvågorna från vindkraftverket passerar genom skogen. 5 Litteraturförteckning 1. Almgren, Martin. Ljudemission och ljudutbredning för vindkraftverk i skogsterräng. Stockholm : Elforsk, : Adolfsson, Ebbe. Riktvärden för ljud från vindkraft. Naturvårdsverket. [Online] den 23 juni [Citat: den 30 juni 2011.] 3. Johansson, Elis; Almgren, Martin;. Utbredning av vindkraftljud i skog - Rapport 1 litteraturstudie. Göteborg : ÅF Ljud & vibrationer, Projekt Utbredning av vindkraftljud i skog - Rapport 2 mätning av ljudutbredning och efterklang. Göteborg : ÅF Ljud & vibrationer, Projekt Utbredning av vindkraftljud i skog. Delrapport 3 modellering av ljudutbredning och efterklang. Göteborg : ÅF Ljud & vibrationer, 2011.

11 RAPPORT 11 (11) 6. Sound Emission and Sound Propagation for Wind Turbines in Forest Terrains. Almgren, Martin; Schönfeld, Stephan; Grönlund, Josefin;. Aalborg : WTN2009 INCE, The wind turbine sound amplifying forest. Johansson, Elis; Almgren, Martin;. Rome : WTN 2011 INCE, 2011.