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analisi del rumore acustico sottomarino e

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Associazione Italiana di Acustica
41° Convegno Nazionale
Pisa, 17-19 giugno 2014
ANALISI
DEL
RUMORE
ACUSTICO
SOTTOMARINO
E
CORRELAZIONE CON IL TRAFFICO NAVALE PRESENTE
NELL’AREA DEL GOLFO DI CATANIA
Sara Pulvirenti (1), Paola Inserra (1,2), Francesco Caruso (1,2), Gabriele Giovanetti (3),
Rosaria Grasso (1), Giuseppina Larosa (1), Gianni Pavan (1,6), Carmelo Pellegrino (4),
Giorgio Riccobene (1), Francesco Simeone (5), Fabrizio Speziale (1), Virginia Sciacca
(1,2), Salvatore Viola (1) per conto delle collaborazione SMO, KM3NeT Italia e
EMSO.
1) INFN – LNS (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Laboratori Nazionali del Sud) via
Santa Sofia 62, 95125 Catania, Italia.
2) Dipartimento di Scienze Biologiche e Ambientali, Università degli Studi di Messina, viale
Ferdinando Stagno d’Alcontres 31, 98166 Messina, Italia.
3) INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), Via di Vigna Murata 605, 00143
Roma, Italia.
4) INFN sezione di Bologna, viale Carlo Berti Pichat 6/2, 40127, Bologna, Italia.
5) INFN, Sezione Roma 1, P. le A. Moro 2, 00185 Roma, Italia.
6) CIBRA (Centro Interdisciplinare Bioacustica e Ricerche Ambientali), D.S.T.A., Università
degli Studi di Pavia, Via Taramelli 24, 27100 Pavia, Italia.
1. Premessa
Il rumore ambientale sottomarino negli ultimi decenni è divenuto un’importante area
di studio in diversi ambiti di ricerca. Nell’acustica sottomarina gli studi sono rivolti
all’analisi dei modelli di propagazione del suono, al monitoraggio del rumore acustico
ed agli effetti collegati alla fauna marina; nel campo geofisico si studiano i segnali idroacustici di bassa frequenza, che sono possibili precursori di tsunami; nel campo della
fisica delle alte energie (astro-particellare), gli studi si concentrano sulla possibile
rivelazione acustica di neutrini astrofisici di altissima energia.
L’interesse generale della comunità scientifica per la valutazione del rumore acustico
sottomarino ha spinto numerosi enti di ricerca a collaborare al tema con un
orientamento multidisciplinare [1, 2].
Il lavoro presentato è stato svolto nell’ambito della collaborazione tra i progetti
ESFRI (Forum Strategico Europeo per le infrastrutture di Ricerca) KM3NeT [3] ed
EMSO (European Multidisciplinary Seafloor & water coloumn Observatory) [4] e del
progetto FIRB SMO (Submarine Multidisciplinary Observatory) [5].
2. Introduzione
In questo lavoro sono presentati i risultati ottenuti dall’analisi dei dati acustici
acquisiti tramite un idrofono per la rivelazione acustica di bassa frequenza installato a
bordo dell’osservatorio EMSO-SN1. Quest’osservatorio sottomarino è realizzato
all’interno del progetto europeo EMSO, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di
Fisica Nucleare (INFN) e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV).
EMSO-SN1è stato installato a 25 km a largo del Porto di Catania a circa 2100 m di
profondità ed ha trasmesso dati in tempo reale tramite un cavo elettro-ottico sottomarino
dal Giugno 2012 al Maggio 2013. La stazione ospita sensori geofisici, oceanografici ed
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acustici [6]. I dati acustici qui analizzati per valutare il rumore acustico sottomarino
nell'area di indagine, sono stati acquisiti dall’idrofono a bassa frequenza SMID DT405DV1, successivamente descritto. Al fine di analizzare il traffico marittimo dell’area
e ricavare informazioni sul rumore diffuso prodotto dalle navi in transito nel Golfo di
Catania, è stato installato presso i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) dell’ INFN di
Catania un sistema di ricezione VHF-AIS (Automatic Identification System, sistema
automatico di monitoraggio del traffico navale). L'antenna ed il decoder AIS ricevono in
tempo reale i dati identificativi, di posizione e di navigazione delle navi in transito nel
Golfo di Catania.
3. Analisi Dati
In questo lavoro sono stati analizzati 26.050 file, registrati continuamente-24 h su 24dal mese di Settembre 2012 al mese di Febbraio 2013. Ogni file ha durata di 10 minuti.
Per ogni singolo file acquisito è stato calcolato il valore medio della densità spettrale
di potenza per ognuna delle bande di 1/3 d’ottava comprese tra 12.5 Hz e 800 Hz.
Particolare attenzione va posta per le bande centrate alle frequenze di 63 Hz e di 125
Hz, come richiesto dalla Marine Strategy attraverso il descrittore numero 11 (Marine
Strategy Framework Directive - Task Group 11, 2010) per la valutazione di rumori
continui a bassa frequenza. Il descrittore indica che per garantire il buon stato ecologico
delle acque marine, il valore medio di rumore acustico in tali bande non deve superare il
limite di 100 dB re 1μPa2/Hz [7].
Le curve di rumore ottenute sono state correlate con le informazioni AIS sulla
presenza di natanti nelle acque del Golfo di Catania.
I dati acustici, sono stati acquisiti tramite l’idrofono digitale a bassa frequenza SMID
DT-405D(V)1 installato su SN1. Tale idrofono è dotato di una ceramica con sensibilità
di -197 ±1dB re 1V/μPa il cui segnale è diramato su 2 canali di acquisizione
(preamplificatore e convertitore A/D 12bit, 2 kHz), posti all’interno di un cilindro di
acciaio inossidabile di dimensioni130x190 mm (Figura 1).
Figura 1 – Idrofono bassa frequenza SMID DT-405D(V)1
La risposta in frequenza del sensore misurata nella banda da 0.05 Hz a circa 1kHz è
piatta entro circa 2 dB. Il guadagno dei due preamplificatori è sul canale ch0 60 dB e,
sul canale ch1 30 dB. Utilizzando i dati provenienti da questi due stadi di
amplificazione (e quindi due canali di conversione analogico – digitale a 12 bit) la
dinamica di conversione complessiva risulta pari a 102 dB.
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In Figura 2 sono riportati i valori medi della densità spettrale di potenza in bande di
terzi d’ottava, registrati per ogni file acquisito (area in grigio) nei sei mesi d’indagine.
Nella stessa figura sono riportati i valori dei percentili (5°, 25°, 50°, 75° e 95°) della
distribuzione dei valori medi e, per confronto, le curve di Wenz relative al traffico
navale ed alla velocità del vento presenti in letteratura [7, 8].
Figura 2 – Livello di rumore calcolato in bande di 1/3 di ottava (214 punti FFT, overlap
50%, finestra di Hanning). Le curve in grigio riportano i valori medi della densità
spettrale di potenza per ogni banda di terzi d’ottava di tutti i 26.050 file acquisiti da
Settembre 2012 a Febbraio 2013 nel range di banda da 12.5 Hz a 800 Hz. Le linee
colorate, in giallo, blu, rosso, verde e viola indicano rispettivamente i percentili 5°, 25°,
50°, 75°e 95° della distribuzione dei valori medi. I livelli di rumore sono confrontati con
le curve di Wenz relative al rumore prodotto dal traffico navale e dalla velocità del
vento (curve nere tratteggiate).
I risultati mostrano che il limite proposto della strategia marina europea (100 dB re
1μPa2/Hz nelle bande centrate a 63 Hz e 125 Hz) è spesso superato in molte delle bande
di frequenza di interesse.
3.1 Studio dei dati AIS
Allo scopo di correlare il traffico navale con i dati acustici acquisiti dalla stazione
sottomarina EMSO-SN1 sono state studiate le informazioni trasmesse dei natanti in
transito entro un raggio di 18 km dalla stazione acustica, zona in cui la batimetria del
fondo marino può essere considerata piatta e pertanto si possono escludere effetti
acustici di geometria complessa.
L’AIS è un sistema automatico di monitoraggio del traffico navale utilizzato al fine
di garantire la sicurezza in mare. Questo sistema utilizza le frequenze VHF marittime
161.975 e 162.025 MHz per lo scambio di dati quali identificazione del natante,
posizione, rotta e velocità, tra unità natanti dotate di tale sistema e tra queste e le
stazioni di terra (i dati sono inviati autonomamente con tempi di aggiornamento
differenti secondo la categoria di appartenenza).
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Nel 2011 è stato installato presso i Laboratori Nazionali del Sud un sistema di
ricezione VHF-AIS. Lo scopo di questo sistema è di ricevere in tempo reale i dati
identificativi, di posizione e di navigazione delle navi in transito nell’area del Golfo di
Catania. I dati registrati sono memorizzati su un database e salvati su uno storage disk
installato ai Laboratori Nazionali del Sud per la consultazione in linea grazie ad
un’applicazione web-oriented che permette la visualizzazione su mappa Google del
traffico navale nel Golfo (Figura 3).
Figura 3 – Dati AIS dell'area del Golfo di Catania (acquisiti dal sistema dei LNS)
visualizzati su mappa Google in tempo reale grazie ad un’applicazione sviluppata dalla
collaborazione SMO.
I dati AIS sono stati analizzati sulla piattaforma MATLAB. Nei sei mesi analizzati è
stato osservato nel raggio di 18 km dalla stazione EMSO-SN1 il transito di 1866 navi.
Circa il 95 % del campione è composto da tre principali classi di natanti: Cargo,
Passenger e Tanker. Infine si sono tracciate le rotte di ogni singolo natante passante
nell’area di studio al fine di avere delle mappe giornaliere del traffico marittimo del
Golfo di Catania, come mostrato a titolo d’esempio in Figura 4.
Figura 4 – Rotte dei natanti nell'area di studio del Golfo di Catania, registrate il 29
novembre 2012. Ogni linea colorata corrisponde alla traccia di un natante. Il simbolo
rosso all'interno della mappa indica la posizione della stazione EMSO-SN1.
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4. Correlazione Dati Acustici con i dati AIS
La correlazione dei dati acustici ai dati AIS ha permesso di identificare il contributo
di rumore acustico di alcuni natanti passanti transitati nell'area di studio. In Figura 5
sono mostrati i dati AIS riferiti al giorno 29-11-2012 in cui si è registrato il passaggio di
11 navi (entro un raggio di 18 km dall'osservatorio EMSO-SN1) nelle 24 h.
Figura 5 – Rumore acustico giornaliero correlato al passaggio dei natanti presenti
entro un raggio di 18 km dalla stazione. Il grafico il alto mostra il transito delle 11 navi
(riferite al 29-11-2012) indicato con una scala di colori che va dal giallo (distanza
maggiore o uguale ai 18 km da EMSO-SN1) al rosso (nave quasi in prossimità della
stazione). Si evince una chiara correlazione nello spettrogramma in basso con un
incremento di rumore al passaggio di una o più navi in corrispondenza dell’osservatore
EMSO-SN1.
Nella Figura 5 si nota un evidente aumento del rumore acustico in coincidenza al
passaggio di ogni nave in prossimità della stazione.
L’aumento del rumore acustico interessa tutta la banda di frequenza acquisita e in
particolar modo le basse frequenze (< 200Hz).
L’analisi condotta permette inoltre di identificare il contributo acustico di ogni
natante registrato. A titolo d’esempio si riportano, nella Figura 6 gli spettrogrammi
registrati durante il passaggio, al di sopra della stazione, di due navi appartenenti a due
differenti classi navali: un tanker e un cargo.
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Figura 6 – Esempio di due spettrogrammi relativi al passaggio di un tanker (a
sinistra) ed un cargo (a destra) durante il passaggio di mezz’ora entro i 500 m di
distanza dalle coordinate di ancoraggio dalla stazione.
5. Conclusioni
In questo lavoro sono mostrati i risultati dell’analisi dei dati acustici acquisiti nel
semestre Settembre 2012-Febbraio 2013, dall’idrofono a bassa frequenza SMID DT405DV1 installato a bordo della stazione acustica sottomarina EMSO-SN1. Tale analisi
ha consentito di stimare i livelli del rumore acustico a una profondità di 2100 m in
un’area fortemente interessata da traffico marittimo (come dimostrato dai dati AIS).
In questo lavoro, inoltre, i livelli di rumore acustico sottomarino registrati sono stati
valutati seguendo anche i dettami della Direttiva quadro 2008/56/CE (MSFD, Marine
Strategy Framework Directive) che, in particolare per i suoni continui a bassa frequenza
(in cui è incluso il rumore prodotto dal traffico navale), indica nel descrittore 11 che il
livello medio di rumore nelle bande di 1/3 d’ottava, centrate alle frequenze 63 Hz e 125
Hz, non deve eccedere il valore limite di 100 dB re 1 μPa2/Hz. I risultati così ottenuti
mostrano che il valore dei 100 dB re 1 μPa2/Hz è superato per oltre il 50 % del tempo
nelle bande di frequenza di un terzo d’ottava 44.8-56.2 Hz e 56.3-70.8 Hz, per il 35 %
nella banda 70.9-89.1 Hz e per il 15% del tempo nella banda 89.2-112 Hz.
In questo lavoro è anche mostrato un approccio innovativo per la valutazione
dell’inquinamento acustico marino, ossia la correlazione fra i dati acustici del rumore
sottomarino registrati dalla stazione multidisciplinare EMSO-SN1 con i dati del traffico
navale, della stessa area, ricavati dal sistema automatico d’identificazione AIS installato
presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’ INFN di Catania. L’analisi dei dati AIS ha
permesso di ottenere dapprima una panoramica della composizione del traffico
marittimo nel Golfo di Catania. Sono stati rilevati più di 2000 transiti nell’area intorno
alla stazione e il 95 % circa del campione registrato è rappresentato dalle classi navali
Cargo, Passenger e Tanker.
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Infine la correlazione di tutti questi dati, AIS e acustici, ha permesso di verificare la
corrispondenza fra l’aumento del rumore acustico sottomarino nella banda esaminata
con il passaggio di ciascun natante in prossimità della stazione e di ottenerne, per
ciascuno, la firma acustica caratteristica.
Il metodo proposto apre la strada per studi futuri sull’identificazione acustica di
natanti che producono alti livelli di rumore e studiare quindi adeguate soluzioni per
mitigare l’inquinamento acustico in mare.
Sulla base di tale esperienza d’indagine si prevede di utilizzare il medesimo
approccio di lavoro anche per l’analisi di dati acquisiti da array acustici estesi lungo la
colonna d’acqua, come la stazione multidisciplinare SMO (Submarine Multidisciplinary
Observatory) istallata a largo di Portopalo di Capo Passero.
6. Ringraziamenti
Il presente lavoro è stato svolto nell’ambito del progetto SMO (Submarine
Multidisciplinary Observatory) supportato dal MIUR. Contratto FIRB-2008 n.
RBFR08NRZE.
7. Biblografia
[1]
Riccobene G. and NEMO Collaboration: Long-term measurements of acoustic
background noise in very deep sea. Nucl. Instr. and Meth. A. 604 (2009) S149S157.
[2]
P. Inserra, Tesi di Laurea Specialistica dal titolo: Valutazione dell’inquinamento
acustico sottomarino da traffic navale del Golfo di Catania mediante correlzione
di dati AIS ed acustici (2013).
[3] http://www.km3net.org/home.php
[4] http://www.emso-eu.org/management/
[5] https://web2.infn.it/smo/index.php
[6] G. Larosa, Le infrastrutture EMSO e KM3NeT nella Sicilia orientale: osservatori
per la rivelazione acustica multidisciplinare sottomesso all’ Associazione Italiana
di Acustica 41° Convegno Nazionale (Pisa, 17-19 giugno 2014).
[7]
European Marine Strategy Framework Directive Good Environmental Status
(MSFD-GES). Report of the Technical Subgroup on Underwater Noise and other
forms of energy, pp. 31.
[8]
Knudsen et al., 1948; Wenz, 1962; reviewed in. Urik, 1983
[9]
Pulvirenti S. for SMO NEMO, KM3NeT Italia and SN1 Teams, Correlation
between underwater noise level and AIS data in the Gulf of Catania, in Atti
dell’International School of Ethology, CETACEAN ECOLOCATION – OUTER
SPACE NEUTRINOS, Erice, 18-21 Ottobre 2013.
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