Tuulivoiman infraääniin liittyy turhaa mystiikkaa – terveyshaittoja on vain kuultavilla, häiritsevillä äänillä

Suomen Tuulivoimayhdistys on ollut määrittelemässä tuulivoimaloista aiheutuvien infraäänien häiriöetäisyyksiä, missä kuuloalueen äänipainetasot vastaavat n. 40dB(A) asutuksiin nähden (vähimmäis-suositus). Äänen lähtötaso on 97dB(A):stä 103:een dB(A), missä etäisyydet tuulivoimaloihin ovat 250m:stä 450m:iin.

Infraäänet 0 – 20Hz

Ilmakehässä liikkuvia infra-ääniaaltoja emme suoraan kykene havaitsemaan, elleivät ne ole voimakkaita ja nopeita shokkiaaltoja. Shokkiaallot ovat hetkellisesti vaimenevia, moduloivia tai ne saattavat muodostaa seisovia aaltoja (interferenssi), jotka sopivissa olosuhteissa vahvistavat toisiaan. Ääniaallot etenevät ilmassa noin 344m/s taajuudesta riippumatta. Äänen nopeus vaihtelee kaikissa olomuodoissa materiaalista riippuen.

Infraääniaaltojen aallonpituudet (0 – 20Hz)

λ = v /f

λ (aallonpituus)

v (äänen nopeus)

f (taajuus)

Infraäänen aallonpituuksia, taajuuksilla 0.1Hz, 1Hz, 5Hz, 10Hz ja 15Hz 

λ = 344m/s x 10s (0.1Hz) = 3.44km

λ = 344m/s x 1.0s (1.0Hz) = 344m

λ = 344m/s x 0.2s (5.0Hz) = 69m

λ = 344m/s x 0.1s (10 Hz) = 34m

λ = 344m/s x 0.06s (15Hz) = 23m

Interferenssi, eli seisova aalto (superpositiotila)

Kahden tai useamman aallon yhteisvaikutus missä tahansa pisteessä on yksittäisten aaltojen summa (summa-aalto).

y1 + y2 = y

y3 – y4 = 0

(ks. kuva 1)

Jotta summa-aallot syntyvät, niiden on kohdattava tila (esim. huone), joka vastaa aallonpituuksien mittoja. Esimerkiksi mitoiltaan 3x4x5m huoneeseen voi syntyä seisovia aaltoja taajuudesta 34 Hz alkaen:

λ = 344m/s x 0.030s (34Hz) ≈ 10m 

Infraäänialueella, alle 20Hz (ks. λ:t) aallonpituudet ovat liian suuria seisovan aallon syntymiseksi tavanomaiseen huonetilaan.

Ihmisen kuulo

Ihmisen kuuloaistimus on periaatteeltaan suhteellisen yksinkertainen, mutta nerokas. Lähtökohtaisesti ihminen aistii ääniä taajuuksilla 20Hz:stä 20 000Hz:iin. Kuulokynnys on n. 0dB:stä 140dB:iin (spesifinen 20μPa – 20Pa). Kuuloaistimuksessa on myös joitakin poikkeamia. Ulkokorvan ja korvakäytävän tehtävänä on kerätä ääniä ja ohjata ne tärykalvolle. 

Käsitykseni mukaan, tärykalvo on ensimmäinen elin, joka varsinaisesti määrittelee, mitä taajuuksia ja minkälaisia amplitudeja ihminen ensisijaisesti havaitsee. Tästä lähtökohdasta on suhteellisen helppo lähteä määrittelemään, mikä on tärykalvon dynamiikka (normaali terve ihminen). 

Tavallisimpia laajemmassa käytössä olevia tutkimuksia ovat tärykalvon liikkuvuus ja välikorvan painetta tutkiva tympanometria ja kuuloluuketjun toimivuutta arvioiva jalustinlihasheijaste. Tarkemmin kuulon tasoa voidaan selvittää mittaamalla aivorunkovasteiden ja jatkuvaisvasteiden kynnystasoa. 

Tässä kuitenkin keskityn vain tärykalvoon ja pyrin määrittelemään mahdollisimman yksinkertaisesti sen liikkuvuuden dynamiikkaa.

Yksinkertaisimmillaan ja teoreettisesti

Kun ihmisen aistima taajuus alimmillaan on n. 20Hz, se vastaa n. 17m:n aallonpituutta. Taajuuden koko jakso on 50ms ja neljännes tästä ajasta on taajuuden nousu- ja laskuaikaa n. 12.5ms (kun äänilähde on puhdasta sini-aaltoa). Käytännössä näin ei kuitenkaan ole, mutta tärykalvon dynamiikkaa voidaan määritellä myös teoreettisesti. Vastaavasti ylimmillään ihminen aistii 20 000Hz, joka vastaa n. 17mm:n aallonpituutta. Taajuuden koko jakso on 50μs ja neljännes tästä ajasta on taajuuden nousu- ja laskuaikaa n. 12.5μs. Karkeasti tärykalvon dynamiikka on välillä:

20Hz ∝ 12.5ms

20 000Hz ∝ 12.5μs

Näistä hitaimmat tai nopeimmat muutokset eivät ole mahdollisia. 

Staattinen (vakio) paine

Jos vielä vertaillaan painelukemia 20μPa – 20Pa ja todetaan ensin, että 20μPa (kuulokynnys) on muuttumaton staattisessa vakiopaineessa, tärykalvo on ikäänkuin biasointi (esikuulo) -tilassa, eli valmiina ottamaan vastaan suurempia paineita. Jos taas paine on 20Pa (maksimi), tärykalvo alkaa olla toisessa äärilaidassa, jolloin sen kyky ottaa vastaan vielä korkeampia paineita, ei ole enää mahdollinen. Tässä vaiheessa tärykalvon kimmoisuutta ei enää ole, jolloin syntyy kipuaistimus. Tämä siis vastaa ihmisen tärykalvon dynamiikkaa staattisessa paineessa.

Dynaaminen (muuttuva) paine

Ihminen aistii muuttuvia paineita välillä 20μPa – 20Pa (20Hz – 20000Hz), jolloin tärykalvon dynamiikka joutuu samaan aikaan sekä nopeiden, että hitaiden paineen vaihteluiden kuormitettavaksi. Käsitykseni mukaan, tärykalvon koko eli pinta-ala määrittelee, kuinka tarkka se on erottamaan taajuuksia. Mitä pienempi tärykalvo on, sitä tarkempi se on korkeilla taajuuksilla ja mitä suurempi, matalilla taajuuksilla. Tärykalvon koko siis riippuu yksilöistä ja on lähes mahdoton määritellä, mikä on tärykalvon keskimääräinen pinta-ala. Joissakin arvioissa se olisi n. 66mm2, eli halkaisijaltaan n. 8mm. Oletettavaa on, että mitä suurempi tärykalvo, sitä herkempi se voi olla myös infraäänille alle 20Hz. Toisaalta iän myötä tärykalvo muuttuu, jolloin sen dynamiikka ja kuulokynnys heikkenee. Kyseeseen tulevat myös erilaiset sairaudet jne.

Tärykalvon resoluutio (erotuskyky)

Miten sitten määritellä tärykalvon resoluutio, kun ihminen aistii herkimmin taajuuksilla 300Hz:stä  4000Hz:iin ja kun tärykalvon dynamiikka on karkeasti välillä:

20Hz ∝ 12.5ms

20 000Hz ∝ 12.5μs

Nousu- ja laskunopeus on siis tätä luokkaa matalimmasta taajuudesta korkeimpaan, missä tärykalvon dynamiikka on logaritminen. Eli kun korva (tärykalvo) reagoi äänen voimakkuuden kaksinkertaistuvan, sen voimakkuus lisääntyy 10dB.

20log10 x = 10dB

log10 = 10/20 = 0.5

100.5 = 3.16

20log10 3.16 ≈ 10dB

Infaäänitaajuuksia < 20Hz ihminen ei kuule, elleivät ääniaallot ole voimakkaasti ja nopeasti sykkiviä shokkiaaltoja, joiden painetaso voi olla myös suhteellisen alhainen. Esimerkiksi tuuliturbiinit tuottavat keskimäärin n. 1Hz:n perustaajuuden (lapojen nopeus n. 1s suhteessa johonkin pisteeseen), joka siis vastaa aallonpituutta n. 340m. Shokkiaalto mikä n. 1Hz;n taajuudella tuuliturbiinista syntyy, on siis luokkaa 97dB (A) – 103dB (A) (ks. Suomen Tuulivoimayhdistys). Eli tästä ylimeneviä painetasoja (jos > 103dB, häiriöetäisyys on määritelty suuremmaksi) hyvin lyhytaikaiset (terävät) shokkiaallot vaimenevat.

Äänen intensiteetin vaimentuminen (pallopinta)

Äänilähteen intensiteetti vaimenee etäisyyden neliössä (pallo-pinta):

W = S ∫ I⃗ x dS⃗

W (Watts)

I1 = W / 4πr2

I2 = W / 16πr2

Äänen paineen taso (kertausta)

Oli sitten äänen (tai infraäänen) taajuus, modulaatiot ja interferenssi mikä tahansa, paineen tasolla on erinomaisen tärkeä rooli. Tärykalvo on ensimmäinen varsinainen elin, joka ottaa vastaan paine-eroja 20μPa – 20Pa (~10:stä 20dB:iin – 140dB) karkeasti em. dynamiikalla 12.5ms – 12.5μs:n. Ali ja ylimenevä dynamiikka ei ole mahdollinen.

Kun tuulivoimalan lähtöpainetaso on keskimäärin 103dB + 97dB / 2 = 100dB (Suomen Tuulivoimayhdistys) ja kun häiriöetäisyydeksi on määritelty keskimäärin 450m + 250m /2 = 350m, mikä on silloin vaimennus:

28 = 256m, jolloin 8 x -6dB = -48dB. Vastaavasti 28.45 ≈ 350m, jolloin 8.45 x -6dB ≈ -51dB.

100dB – 51dB = 49dB

Vaimentuminen etäisyydellä 350m on siis 49dB, joka vastaa suunnilleen ihmisen puheäänen painetta.  

(ks. kuva 2)

0
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Työkokemusta (tietoliikenne, -atomivoima, -lääketiede, -avaruus) tutkimus- ja tuotekehitystehtävissä.

Kantavia voimia mm. Albert Einstein.

(𝝏fA / 𝝏xA, 𝝏fA / 𝝏yA) / (𝝏fL / 𝝏xL, 𝝏fL / 𝝏yL) = ∇fA / ∇fL = paljon suurempi kuin 1 ts. antroposeeni dominoi

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu