Application of homogenous scattering theory to an ideally mixed underwater bubble curtain

FFI-Rapport 2025
Martin Fonnum Jakobsen

En boblegardin er en barriere av stigende luftbobler. Den lages vanligvis ved å føre komprimert luft gjennom et perforert rør under vann. Boblegardinen kan brukes som et beskyttelsestiltak for å skjerme marint liv fra støyforurensning under vann, for eksempel kontrollerte undervannseksplosjoner, motorer, pæling og dypvannsboring. I denne rapporten evaluerer vi beskyttelsesevnen til boblegardiner ved å konstruere en enkel metode for å beregne den tilsvarende lydtransmisjonen.

Teoretiske betraktninger forutsier at lydhastigheten i en boblegardin kan være mindre enn både lydhastigheten i luft og vann fordi tilstedeværelsen av boblene skaper en svært komprimerbar blanding. Effekten er primært avhengig av forholdet mellom det totale luftvolumet og det totale volumet av blandingen. Denne nøkkelparameteren kalles luftens volumfraksjon.

På grunn av de lave lydhastighetene er det en betydelig forskjell i impedansen mellom vannet og boblegardinen. Akustisk impedans er et mål på hvor mye et medium motstår forplantning av interne lydbølger, og defineres som produktet av tetthet og lydhastighet. Resultatet av den store impedansforskjellen er at boblegardinen fungerer som et høyreflekterende lydskjold, under de rette forholdene. Kort sagt har boblegardinen høy beskyttelsesevne.

Modellen vår viser at boblegardiner er mest effektive i å skjerme mot lyd med frekvenser opp til 100 kHz, selv om den nøyaktige beskyttelsesevnen varierer med visse parametere som hydrostatisk trykk, størrelsen på boblene og vinkelen mellom lydbølgene og boblegardinen. Modellen vår viser betydelig dårligere beskyttelsesevne ved frekvenser høyere enn 1 MHz, men den tar ikke høyde for visse fenomener i disse områdene. En forbedret fremtidig modell kan kaste mer lys over beskyttelsesevnen mot slike frekvenser.

Relevante prosjekt og tema

Prosjekt

Militær oseanografi

Fagområdet militær oseanografi søker å forstå og beskrive de fysiske prosessene som påvirker lydforplantning i havet. Sjøbunnen, havoverflaten og vannvolumet utgjør til sammen den akustiske kanalen som lyden forplanter seg i. Militær oseanografi dekker studier av hele denne kanalen samt metoder som drar militær nytte av kunnskap om undervannsmiljøet. Tidlig forskningsområde Undervannsakustikk er et av de eldste fagområdene ved FFI, og oseanografisk arbeid har alltid vært en sentral oppgave. De første forskningsoppgavene etter at instituttet ble etablert i 1946 handlet om hvordan norske havner kunne beskyttes bedre mot blant annet ubåtangrep. Det krevde kunnskap om både bunnforhold og utvikling av ulike undervannsinstrumenter. FFI arbeider fortsatt med å utvikle teknologi og metoder som gjør det mulig å kartlegge og utnytte kunnskap om lydbildet under vann bedre. Et tyngdepunkt for arbeidet er FFIs enhet ved Karljohansvern i Horten. Undervannsakustikk Sjø og hav er fullt av lyd fra bølger og vind. Mange lyder skapes også av menneskelig aktivitet. I dag kan lyd i havet registreres og analyseres med mange typer teknologi. FFI har blant annet utviklet NILUS (Networked Intelligent Underwater Sensors). NILUS-systemet består av sensorplattformer, også kalt noder. Disse nodene er på størrelse med en stol og kan lett utplasseres på havbunnen. Nodene er utstyrt med hydrofoner og andre sensorer, og kan kobles i nettverk og kommunisere med hverandre. De kan registrere lyd og mange andre fysiske variasjoner i vannet. Teknologien rundt dette utvikles stadig. Lybin er en programvare som FFI har ansvar for. Forkortelsen står for «lydbane intensitetsberegning». Lybin kan beregne sannsynligheten for å oppdage objekter under vann ved hjelp av sonar. Systemet brukes av det norske sjøforsvaret og av en rekke andre nasjoner. Lybin har eksistert i mer enn 30 år, og ble utviklet av Forsvarsmateriell. FFI har vært ansvarlig for videreutviklingen siden år 2000. Lofoten-Vesterålen havobservatorium FFI er partner i LoVe (Lofoten-Vesterålen havobservatorium). Utenfor Lofoten og Vesterålen samler en rekke instrumenter kontinuerlig inn data om hele havmiljøet, inkludert akustisk bakgrunnsstøy. FFI bruker materialet til å se på statistisk variasjon i denne støyen. Dataene fra hydrofonene på havbunnen sjekkes av FFI før de distribueres videre, for å beskytte informasjon om Forsvarets egne fartøy. Sonaren er sentral Både lydhastigheten i vannvolumet og topografien på havbunnen påvirker bruken av sonar. Sonaren er det viktigste instrumentet fartøy har for å orientere seg i dypet. God kjennskap til topografien og egenskapene til havbunnen kan gi store fordeler, for eksempel ved ubåtoperasjoner og mineleting. Innsamling av geofysiske data under vann er en prosess som krever avansert utstyr. Multistråleekkoloddet er en spesiell type sonar. «H.U. Sverdrup II» kan ved hjelp av et slikt ekkolodd kartlegge havbunnen ned til mer enn 3000 meters dyp. Når det «pinger» fanger instrumentet opp svært detaljerte data fra havbunnen. Forskerne om bord kan med ulike instrumenter registrere egenskaper ved hele vannsøylen, også under fart. Kartlegger også for sivil bruk Havbunnskartlegging er også interessant for blant annet oljeindustrien og forskere som studerer klima og miljø. FFI bidrar derfor til kartlegging både for militære forskningsformål og for sivile prosjekter. Et eksempel er Mareano-programmet. FFI har også hjulpet Olje- og energidepartementet med kartlegging. Instituttet har også deltatt i kartlegging for strømkabling til Danmark, på dumpefelt for ammunisjon i Skagerak og den tyske «kvikksølvubåten» utenfor Fedje.
Prosjekt

Hva hører vågehvalen?

Prosjektet vil bli det første som måler hvilke lyder bardehvaler hører. Denne kunnskapen er nødvendig for å beskytte slike dyr fra menneskeskapt lyd i havet.

Nylig publisert