İstanbul Boğazı Sualtı Ortam Gürültüsünün İncelenmesi Ve Modellenmesi

(1)

STANBUL TEKNK ÜNVERSTES FEN BLMLER ENSTTÜSÜ

YÜKSEK LSANS TEZ Ufuk ÜLÜ

Anabilim Dal : Elektronik ve Haberleme A.B.D. Program : Telekomünikasyon Mühendislii

HAZRAN 2009

STANBUL BOAZI SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜNÜN NCELENMES VE MODELLENMES

(2)

(3)

HAZRAN 2009

STANBUL TEKNK ÜNVERSTES FEN BLMLER ENSTTÜSÜ

YÜKSEK LSANS TEZ Ufuk ÜLÜ

(504061352)

Tezin Enstitüye Verildii Tarih : 04 Mays 2009 Tezin Savunulduu Tarih : 03 Haziran 2009

Tez Danman : Prof. Dr. Tayfun AKGÜL (TÜ)

Dier Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Mehmet Erturul ÇELEB (TÜ) Doç. Dr. Zehra ÇATALTEPE (TÜ) STANBUL BOAZI SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜNÜN

(4)

(5)

ÖNSÖZ

Deerli danmanm Prof. Dr. Tayfun AKGÜL’e, çalmalarmda gösterdii sabr, ilgi, destek ve bulunduum seviyeye ulamamdaki katklar için sonsuz teekkürü bir borç bilirim. Ayrca çalma arkadalarm Süleyman BAYKUT ve Cengiz Gezer’e de yardmlar ve destekleri için minnettar olduumu belirtmek isterim. Tüm çalmalarmda desteini eksik etmeyen, her zaman yanmda olan ve olacak annem Kübra ÜLÜ, kardeim afak ÜLÜ ve sevgilim Özge GÜNGÖR’e tüm kalbimle teekkür ederim.

Haziran 2009 Ufuk ÜLÜ

(6)

(7)

ÇNDEKLER

Sayfa

ÖNSÖZ...iii

ÇNDEKLER ... v

KISALTMALAR ... vii

ÇZELGE LSTES ... iix

EKL LSTES ... xi ÖZET...xiii SUMMARY ... xv 1. GR ... 1 2. SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜ ... 3 2.1 Ortam Gürültüsü Kaynaklar ... 7 2.1.1 Rüzgar gürültüsü ... 7 2.1.2 Ya gürültüsü ... 9 2.1.3 Gemi gürültüsü... 11 2.1.4 Endüstriyel gürültü ... 14 2.1.5 Sonar gürültüsü ... 15 2.1.6 Biyolojik gürültü ... 16 2.1.7 Isl gürültü ... 16 3. ANALZ YÖNTEMLER ... 19 3.1 statistiksel Yöntemler... 19

3.1.1 Sualt ortam gürültüsünün rastlant süreç modeli 19

3.1.2 Olaslk younluk ilevleri 22

3.2 zgesel Yöntemler ... 23 3.2.1 Welch methodu ... 23 3.2.2 1/3 Oktav izge ... 24 4. ÖLÇÜM VE MODELLEME ... 27 4.1 Ölçüm Sistemi ... 27 4.1.1 Donanm birimleri ... 28 4.1.2 Yazlm birimleri ... 32 4.1.3 Yardmc birimler ... 34

4.2 stabul Boaz Ortam Gürültüsü Ölçüm ve Modelleme Çalmas... 36

4.2.1 stanbul Boaz’nn genel özellikleri ... 37

4.2.2 Sualt ortam gürültüsünün modellenmesi... 40

5. SONUÇ VE ÖNERLER... 59

KAYNAKLAR ... 61

(8)

(9)

KISALTMALAR

ADC : Analog/Saysal Dönütürücü

BG : Bant Genilii

dB : Desibel

GT : Groston

RANDI : Research Ambient Noise Directionality Model

SBS : Ses Basnç Seviyesi

(10)

(11)

ÇZELGE LSTES

Sayfa

Çizelge 2.1: Eitlik 2.2 için Katsaylar 8

Çizelge 2.2: Farkl Frekans Bantlar çin D ve E Sabitleri 10

Çizelge 2.3: Eitlik 2.8 için Katsay Tablosu (Ya Hz=2-5 mm/h (üstte) ve 5-10 mm/h (altta)) 11

Çizelge 2.4: Sualt Canl Seslerinin Kaynak Seviyeleri 16

Çizelge 3.1: 1/3 Oktav Filtre Merkez Frekanslar ve Bant Genilikleri 25

Çizelge 4.1: Ölçüm Sistemi Genel Özellikleri 32

Çizelge 4.2: Meteoroloji stasyonu Genel Özellikleri 35

Çizelge 4.2: Ölçüm Noktalar Ayrntlar 41

Çizelge C.1: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Düük Kayt için 1/3 Oktav Frekans Bantlarnda Momentler 77

Çizelge C.2: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Yüksek Kayt için 1/3 Oktav Frekans Bantlarnda Momentler 77

(12)

Çizelge C.17: “Ölçüm Noktas 9” Gürültü Seviyesi En Düük Kayt için 1/3 Oktav

Frekans Bantlarnda Momentler 84

Çizelge C.18: “Ölçüm Noktas 9” Gürültü Seviyesi En Yüksek Kayt için 1/3 Oktav

Frekans Bantlarnda Momentler 85

Çizelge D.1: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Düük Kayt için 1/3 Oktav

Frekans Bantlarnda “t location-scale” Dalm Parametreleri 87

Çizelge D.2: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Yüksek Kayt için 1/3 Oktav

(13)

EKL LSTES

Sayfa

ekil 2.1: Derin Denizler için Sualt Ortam Gürültüsü zgesi (Urick, 1983) 4

ekil 2.2: Sualt Ortam Gürültüsü Kaynaklar ve Seviyeleri (Wenz, 1962) 5

ekil 2.3: Farkl Deniz Tabanlar ve Su Yükseklikleri için Ses Yaylm Kesim Frekanslar 6

ekil 2.4: Farkl Ya Hzlar çin Frekansa Bal zge Seviyesi 10

ekil 2.5: Gemi Gürültüsü zgesinin Genel Görünümü 12

ekil 2.6: Gemilerden Yaylan Gürültünün Kaynaklar ve Frekans Bantlar 13

ekil 2.7: Gemi Hz Kaynak zge Seviyesi likisi 14

ekil 2.8: Farkl Gemiler için Kaynak zge Younluklar 15

ekil 3.1: Örnek Ortalama ve Deiinti Deerleri için Normal Dalmlar 20

ekil 3.2: Negatif (solda) ve Pozitif (sada) Yamukluklu Dalmlar 21

ekil 3.3: Farkl Savrukluk Deerlerine Sahip Dalmlar 21

ekil 3.4: Farkl Sigma (a) ve Nu (b) Parametreleri için “T location-scale” Dalm Frekanslar 23

ekil 4.1: Ölçüm Sistemi Donanm Birimi Genel Görünümü 29

ekil 4.2: Elektronik Donanm Birimi emas 31

ekil 4.3: Veri Toplama Yazlm Arayüzü 34

ekil 4.4: stanbul Boaz Limanlarndaki Deniz Tatlarnn Dalm 38

ekil 4.5: stanbul Boaz’ndan Boylarna (a) ve Arlklarna (b) Göre Geçi Yapan Yllk Gemi Says 39

ekil 4.6: stanbul Boaz ve Çevresinde Ölçüm Alnan Noktalar 40

ekil 4.7: “Ölçüm Noktas 1” için Ortam Gürültü Seviyeleri (a) 100 Hz (b) 500 Hz (c) 1000 Hz (d) 2000 Hz 42

ekil 4.8: “Ölçüm Noktas 1” için 1/3 Oktav Ortam Gürültü Seviyesi 43

ekil 4.9: “Ölçüm Noktas 2” için 1/3 Oktav Ortam Gürültü Seviyeleri 44

ekil 4.13: “Ölçüm Noktas 6” için 1/3 Oktav Ortam Gürültü Seviyeleri 48

ekil 4.17: “Ölçüm Noktas 4” için Rüzgar Gürültüsü Kestirimi 52

ekil 4.20: “Ölçüm Noktas 4” için Ya Gürültüsü Kestirimi 56

ekil A.1: stanbul Boaz Günlük Rüzgar Hz (m/s) ve Yönü Grafikleri (Florya, 2006) (Url-1) 65

(14)

ekil B.1: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Düük Kayt çin 1/3 Oktav

Frekans Bantlarnda Dalmlar 67

ekil B.2: “Ölçüm Noktas 1” Gürültü Seviyesi En Yüksek Kayt çin 1/3 Oktav

Frekans Bantlarnda Dalmlar 70

ekil B.18: “Ölçüm Noktas 9” Gürültü Seviyesi En Yüksek Kayt için 1/3 Oktav

(15)

STANBUL BOAZI SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜNÜN NCELENMES VE MODELLENMES

ÖZET

Sualt ortam gürültüsü, çeitli kaynaklardan yaylan akustik dalgalarn toplamsal olarak oluturduu ve genellikle yönsüz olan gürültü türüdür. Özellikle sonar sistemlerinin performans ve deniz canllar üzerinde dorudan ilikisi olan ortam gürültüsü son yllarda birçok aratrma grubu tarafndan incelenmektedir. Sualt ortam gürültüsünün mekana, zamana ve çevresel etkilere bal yaps gerei, literatürde çeitli denizler için türetilmi birçok ortam gürültü modeli bulunmaktadr. stanbul Boaz, dier denizlere kyasla fiziksel özellikler ve çevresel etkiler bakmndan oldukça büyük farkllklar göstermesi nedeniyle, ortam gürültüsü modeli de dier denizlerden farkllklar gösterecektir.

Bu çalmada sualt ortam gürültüsünü kaydedebilmek için özgün bir sistem tasarlanmtr. Sistem, 8 adet tüm-yönlü hidrofonun eit aralklarla dizilerek oluturduu 30 metre uzunluunda düey bir hidrofon dizisi, su szdrmaz muhafaza içerisine yerletirilmi analog/saysal dönütürücü kartlar, gömülü bilgisayar, güç sistemleri ve veri iletim sistemlerinden meydana gelmektedir. Tüm sistem yaklak 1.5 metre çapnda silindirik amandra içerisine yerletirilmi ve amandra belirlenen konumda dört noktadan beton bloklarla sabitlenerek sürekli veri toplayacak ekilde tasarlanmtr. Sistemin kydaki istasyon ile veri ve enerji balants, içerisinde fiber optik ve bakr teller bulunduran 500 metre sualt kablosundan salanmaktadr.

Prototipi üretilen sistem ile stanbul Boaz ve çevresinde çeitli noktalarda ölçüm çalmalar yaplmtr. Toplanan veriler istatistiksel ve izgesel yöntemler kullanlarak incelenmi ve sonuçlar bu tezde tartlmtr. Ayrca stanbul Boaz’na ilikin gürültü haritalar oluturmu ve çeitli çevresel etkiler altnda ortam gürültüsünün deiimi üzerine kestirimler yaplmtr.

(16)

(17)

ANALYSIS AND MODELLING THE UNDERWATER AMBIENT NOISE OF THE BOSPHORUS

SUMMARY

Underwater ambient noise, which is generally omni directional, is the sum of the acoustic signals radiated from different sources. In recent years, many rearch groups work on the ambient noise characteristics and models since it has direct effects on the sonar performance and marine animals. There are various underwater ambient models in the literature, due to its highly dependence on location, time and environmental conditions. Bosphorus has unique physical structure that makes its noise model totally different compared with the models in the literature.

In this thesis, an underwater ambient noise record system is designed.The system has equally spaced and vertically located hydrophone array, which consists of 8 omni-directional hydrophones, plus ADC cards, an embedded computer, power units, data transfer boards located inside an isolated box. All the components are located in a nearly 1.5 meters diameter buoy, which is planned to be fixed its location with 4 concrete blocks. The system is designed to realize continuous 24 hours data acquisition. Data and power are transfered to the buoy over a 500 meters of underwater cable consists of fiber optic cores and copper lines.

With this ambient noise acquisition system, various underwater noise data sets are collected from different locations in and around the Bosphorus. Spectral and statistical methods are used to analyse the data and results are presented. Additionally ambient noise maps of the Bosphorus are generated and the possible effects of different environmental sources are estimated.

(18)

(19)

1. GR

Gürültü, ister elektronik veya akustik, hangi alanda olursa olsun istenmeyen sinyal olarak tanmlanr. Sualt ortam gürültüsü de çeitli kaynaklardan yaylan ve akustik temelli çalan cihazlar veya sualt canllarnn yaamn etkileyen tüm sinyallerin toplamdr. Sualt ortam gürültüsünün tanm, hangi kaynaklarn gürültü kayna olarak göz önünde bulundurulaca çeitli aratrma alanlarnda birbirinden farkllk gösterebilir.

Sualt ortam gürültüsü ile ilgili çalmalar 1940’larda II. Dünya Sava yllarnda balam olup özellikle son yirmi yldr ortam gürültüsü ve etkileri üzerine birçok okyanus ve denizde incelemeler yürütülmektedir. Günümüzde, ortam gürültüsü üzerine yürütülen çalmalar askeri sonar sistemleri, sualt akustik iletiim sistemleri, dip görüntüleme sistemleri, sismik aratrma sistemleri ve deniz canllarn inceleyen çalmalar ile paralel yürütülmektedir.

Literatür incelendiinde sualt ortam gürültüsü konusunda çok çeitli deniz ortamlarnda yaplm ölçüm ve modelleme çalmalarna ulalabilir. Ancak stanbul Boaz, birkaç nedenden ötürü dier denizlerin ortam gürültü yapsna uymaz ve bu denizlerde oluturulan modeller stanbul Boaz gürültü yapsn yanstmaz. Öncelikle stanbul Boaz dier denizlerden farkl olarak bir kanal yapsna sahiptir. Literatürdeki çalma ortamlarnn açk denizler ya da körfezler olmas dolaysyla Boaz bunlarla karlatrldnda oldukça dar ve kvrml bir yapdadr. Ayrca dier denizlere kyasla stanbul Boaz ar s deniz yapsndadr ve akustik dalgalarn yaylm söz konusu olduunda s sular derin sulara göre önemli farkllklar getirir. Daha da ilginci, Boaz’n iki yönlü aknt rejimine sahip olmasdr. Taban ve yüzeyde farkl yönlerde hareket eden su, orta derinliklerde türbülans oluturmakta, dolaysyla da gürültü yapsn deitirmektedir. Gürültü kaynaklar ve dalm açsndan da Boaz dier denizlerden farkldr. Karadeniz ile Marmara Denizi arasnda transit gemi geçii açsndan önemli bir suyolu olduundan, birim zamanda geçen gemi says oldukça yüksektir.

(20)

Üstelik Boaz’n iki yakasnda gerçekletirilen yolcu tamacl ve çeitli noktalarda younlaan balkçlk faaliyetleri ortam gürültüsünü etkilemektedir.

stanbul Boaz’nn, ortam gürültü modellemesi yaplan dier denizlerden farkllklar göstermesi nedeniyle Boaz’n çeitli noktalarnda ölçüm alnarak incelenmesi, modellenmesi ve arivlenmesi önem kazanmtr. Bu kapsamda ortam gürültüsünün ölçülebilmesi için özgün bir ölçüm sistemi tasarlanm, donanm birimlerinin yurtiçinden ve yurtdndan temini salanm ve sistem laboratuar ortamnda kurulmutur. Ayrca sistemin tüm yazlm birimleri de tarafmzdan gelitirilerek sisteme bütünletirilmitir. Sistemin laboratuvar, havuz ve saha testlerinin ardndan Boaz ve çevresinde ölçüm çalmalar gerçekletirilmi ve veriler çeitli yöntemler ile analiz edilerek arivlenmitir.

Bu çalma, stanbul Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi’nde yürütülen 106Y090 numaral “stanbul Boaz’nn Sualt Ortam Gürültüsünün ncelenmesi, Modellenmesi ve Arivlenmesi” projesi kapsamnda TÜBTAK tarafndan desteklenmitir.

(21)

2. SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜ

Ortam gürültüsü, yönsüz bir alc tarafndan alnan, alcnn kendisinin veya monte edildii platformun (amandra, tekne, vb.) gürültüsü harici gürültüler olarak tanmlanr. Alcnn kendisinden veya monte edildii platformdan kaynaklanan gürültülere ise kendi-gürültüsü (self-noise) ad verilir. Ortam gürültüsü, doal kaynaklardan oluabilecei gibi dorudan ya da dolayl olarak insanlar tarafndan da üretilebilir.

Baz aratrmaclar ortam gürültüsünü, ortamda bulunan gemi gibi insan kaynakl gürültüleri süzgeçledikten sonra arta kalan gürültü olarak tanmlarlar. Bu tezde ortam gürültüsü tanm, yakn ve uzak tüm kaynaklardan yaylan akustik gürültüleri kapsamaktadr.

Ortam gürültüsü genellikle üç bileenden olumaktadr: Geni bant sürekli gürültü, tonaller ve darbesel gürültü. Darbesel gürültü doada geçici olup genellikle geni bantl ve ksa sürelidirler. Tepe genlikleri ve tekrarlama sklklar ile karakterize edilirler. Sürekli geni bant gürültü ise Hertz bana düen güç younluunu veren izge seviyesi ile belirlenir. Bu seviye genellikle “dB” cinsinden güç younluunun 1 mikro paskal (μPa) referans seviyeye oran eklinde kullanlr. Tonaller ise çok dar bantl sinyaller olup frekansa bal “dB ref 1μPa” birimiyle ifade edilirler. Sualt akustik ortam gürültüsü 1 Hz’in altndan 100 kHz’in üzerine dek tüm izgeyi kapsamaktadr.

Günümüze dek derin denizlerde ortam gürültü seviyesi ve kaynaklar ile ilgili çalmalar yaplmtr. Literatür bu konuda oldukça zengindir, örnein ekil 1’de verilen Urick (1983) tarafndan elde edilmi grafik derin denizlerde ortam gürültü izgesinin genel yapsn özetlemektedir. Buna göre I ve II bölgelerinde gürültü kayna türbülans ve hidrostatik kaynaklardr (dalga, gelgit vb.). Bölge III’te gürültü seviyesi daha deiken olup genellikle uzak gemi kaynakldr. Bölge IV ise ya, rüzgar gibi yüzey kaynakl gürültülerden etkilenmektedir ve ölçüm noktasna yakn bölgelerde etkili olmaktadr. V. Bölge’de ise baskn gürültü termal gürültüdür. Bu

(22)

çalmada, ölçüm sisteminin donanmsal özellikleri nedeniyle çounlukla II., III. ve IV. Bölge’lere younlalmtr.

ekil 2.1: Derin Denizler için Sualt Ortam Gürültüsü zgesi (Urick, 1983)

Ayrca Wenz (1962), yapt aratrmalar neticesinde gürültü kaynaklar ile izge seviyelerini frekansa bal olarak tanmlamtr (bkz: ekil 2.2). Ortam gürültü izgesi genellikle üstten ve alttan snrlandrlm bölgede bulunur ve alçak frekanslarda baskn gürültü, gemi kaynakl gürültüler iken yüksek frekanslarda rüzgar ve ya gürültüleri etkili olmaktadr. Bu izgedeki deiiklikler, yerel batimetri, ortam yaylm koullar, gemi trafik seviyesi ve hava durumuna baldr.

S (20-200 m derinlikteki) ve ar s (0-20 m arasndaki) sularda bu grafiklerde gösterilen seviyeler gerçei yanstmayp sadece bir yaklaklk vermektedir. stanbul Boaz’nn Marmara ve Karadeniz çklarndaki batimetrik koullar, grafikleri çizilen ortam koullarna uysa da Boaz boyunca ortam, s ve ar s su olarak tanmlanmaktadr. Su derinliinin az olduu bölgelerde akustik dalgalarn yaylm, okyanuslara veya derin sulara kyasla daha karmaktr (Frisk, 1994).

(23)

ekil 2.2: Sualt Ortam Gürültüsü Kaynaklar ve Seviyeleri (Wenz, 1962)

Bu tür bölgelerde akustik dalgalar su içerisinde ilerlerken sürekli yüzeyden ve tabandan yansmaya urar. Her yansyan dalga orijinal dalga ile giriir ve su kolonu içerisinde bir giriim örüntüsü oluturur. Tek bir frekansta gürültü yayan bir kaynak,

(24)

her biri birbirinden farkl sayda maksimum ve minimum basnç seviyelerine sahip birçok ayrk düey giriim örüntüleri oluturacaktr (Ferris, 1972). Her bir düey giriim örüntüsü veya duran dalga yatay düzlemde kendi hzlar ile hareket eder. Ancak duran dalga, frekans çok düük ise hareket edemez. Bu frekans deerine kesim frekans denir ve bunun altndaki frekansa sahip dalgalar yatay düzlemde ilerleyemezler. Bu yüzden belirli bir derinlikte mutlak kesim frekans, en az sayda maksimum ve minimum basnç deerine sahip olan düey duran dalgann kesim frekansna eittir (Rogers ve Cox, 1988).

Homojen su ve taban özellikleri varsaym altnda s sular için basit bir matematiksel model çkarlabilir. Bu modelde, s sularda, altndaki frekanslarda hiçbir sesin ilerleyemeyecei frekans deeri olan mutlak kesim frekans u formüle göre hesaplanr:Equation Section 2

2 2 4 1 w kesim w b c f c h c (2.1)

Burada cw sudaki ses hz, cb taban sedimentindeki ses hz ve h metre cinsinden su

derinliidir. Gerçek deniz tabanlar, yukarda verilen modelden çok daha karmak olup taban da ses dalgalarnn yaylmasnda önemli bir etmendir. ekil 2.3’teki grafie göre yumuak tabanl bir deniz için kesim frekans, sert tabanl denize göre daha yüksektir. Buna göre, yumuak tabanl s su ortamnda alçak frekansl ses dalgalarnn ilerlemesi daha zor olacaktr.

ekil 2.3: Farkl Deniz Tabanlar ve Su Yükseklikleri için Ses Yaylm Kesim

(25)

S sular akustik dalgalar için yüksek geçiren özellik gösterdiinden, ölçüm verilerinde gözlenen, ortamn kesim frekansnn altndaki gürültü uzak kaynaklardan ziyade yerel kaynaklardan yaylmaktadr. Yüksek frekanslarda ise akustik dalgalarn sorulmas daha fazla olacandan uzak mesafelerden bu frekanslarda gürültü ulamas pek mümkün olmamaktadr. Dolaysyla yüksek frekans bandnda da izge seviyesi yerel kaynaklara baldr. Frekans 10 kHz civarndaki akustik dalgalarn sorulma seviyesi 1 dB/km iken 100 kHz’e çkldnda bu seviye 30 dB/km’yi bulmaktadr. 100 kHz’in üzerinde ise moleküler düzeyde termal gürültü baskn hale geçmektedir. Sonuçta s su olarak ifade edilen bölgelerde gürültü kaynaklar, ortam artlar, fiziksel yap ve batimetrik koullara da bal olmak üzere genellikle yakn mesafede bulunan kaynaklardr. Aada sualt ortam gürültü kaynaklar hakknda bilgi verilmektedir.

2.1 Ortam Gürültüsü Kaynaklar

Sualt ortam gürültüsünün balca kaynaklar rüzgar, ya, deniz tatlar, endüstriyel kaynaklar, sonar, deniz canllar ve sl gürültüdür. Aada bu kaynaklarn özellikleri ve ortam gürültüsüne etkileri hakknda bilgi verilmitir.

2.1.1 Rüzgar gürültüsü

Ortam gürültüsü ile ilgili yaplan çalmalar göstermektedir ki, gemi, ya, biyolojik kaynaklara göre daha geni bir bantta etkin ortam gürültüsü rüzgar gürültüsüdür (Urick, 1984). Dünya üzerindeki birçok denizde on yllardr yaplan çalmalar çounlukla derin denizlerdeki ortam gürültüsü rüzgar hz balantsna younlam, sadece birkaç çalmada s sulardaki durum incelenmitir. Bu çalmalar nda oluturulan Knudsen izgesi (bkz: ekil 2.2) üzerinde rüzgar hzna veya deniz durumuna bal izge seviyeleri belirlenmitir. Daha sonraki çalmalar ile rüzgar hz izge seviyesi ilikisinin ayn zamanda ölçüm sisteminin corafi konumuna da bal olduu anlalmtr.

Rüzgara bal gürültü oluumunda etkin mekanizma dalga yapsna bal olarak dalgann krlma etkisidir. Laboratuvar ölçümleri, Knudsen rüzgar gürültü izgesindeki 5dB/oktav’lk eimin dalga krlmas esnasnda oluan baloncuklarn titreimi ile meydana gelen gürültülerin toplam sonucu olutuunu göstermitir

(26)

(Medwin, 1989,1990). Daha yüksek dalgalarn olutuu deniz durumlarnda, dalga krlmas ile çok daha fazla hava su içerine girer ve baloncuklarn birleip daha büyük balonlar olumasn salar. Buna göre baloncuklarn ürettii gürültünün seviye ve frekans, su içerisindeki hava miktar ile orantl olacaktr (Prosperetti, 1988). Düük rüzgar hzlarnda, dalga krlmasnn meydana gelmedii durumlardaki ortam gürültüsünün kayna, rüzgarn su yüzeyine demesiyle oluan ak gürültüsüdür. Piggott, çalmasnda s su ortamnda ortam gürültüsünün yüksek frekans bandnda rüzgar hz ile ilintili olduunu göstermitir (Piggott, 1964). Ayrca gürültü seviyesinin, tüm frekans bandnda mevsimsel bir deiim gösterdiini ortaya koymutur. Walkinshaw’n (Walkinshaw, 2005) güney Norveç denizinde yapt çalmasnda, ortam gürültüsünün alçak frekans bandnn da rüzgar gürültüsü ile ilintili olduunu göstermitir. Dahas, mevsimsel olarak da gürültünün klar yaza göre 5 dB daha yüksek olduunu göstermitir. Mevsimsel deiimin sebebi, gürültü kaynaklarndaki deiimin yan sra ortam gürültüsünü etkileyen akustik yaylm gibi etmenlerdeki farkllk olarak gösterilmitir.

Literatürde en genel olarak, rüzgar hznn logaritmas ile ortam gürültüsü arasnda doru orant olduu gösterilmitir (Ramji, 2008).

20 log( )

NL B n U (2.2)

Burada NL ortam gürültü seviyesini U ise rüzgar hzn göstermektedir. B ve n katsaylar ise ölçüm ortamna göre deien parametrelerdir. Yaplan çalmalarda bu dorusal ilikinin 500 Hz – 6 kHz bandnda geçerli olduu görülmütür.

Çizelge 2.1: Eitlik 2.2 için Katsaylar Frekans (Hz) B n 500 78.37 0.93 2000 71.67 0.70 3000 68.30 0.63 4000 66.92 0.39 5000 65.34 0.21

(27)

Wenz tarafndan ortaya konan ve derin sular için 500 Hz’den yüksek frekanslarda rüzgar hz ile ortam gürültüsü ilitisini ortaya koyan bant,

( , )NL f U 25 5 log( ) 5 log( f U/ 5) (2.3)

eklinde verilmitir. Burada f kHz cinsinden frekans ve U knots cinsinden rüzgar hzdr. 500 Hz’den düük frekanslarda rüzgar hznn gürültüye etkisi dier etmenlerin etkileriyle karlatrldnda ihmal edilebilir düzeydedir (Wenz, 1962). Vagle, çalmasnda, yalnzca rüzgarn etkisindeki ortam gürültüsü izge seviyesinin rüzgar hz ile ilikisini u ekilde ortaya koymutur:

(1 50 )( ) * (log( ) log(8)) 8

rüzgar kHz rüzgar kHz

SPL f eim f SPL (2.4)

Burada eimrüzgar deneysel sonuçlara dayanarak -15.7 dB/onkat olarak belirlenmi

olup f kHz cinsinden frekanstr. Bu bant, 8 kHz frekansndaki rüzgar hzna bal gürültü seviyesini kullanarak 1-50 kHz bandndaki izgeyi hesaplamaktadr. Bu frekans deerindeki gürültü seviyesi, U m/s cinsinden rüzgar hz olmak üzere

8kHz log( *53.91 104.5) * 20

SPL U (2.5)

biçiminde bulunmutur. Bantdaki dorusal iliki, 14 m/s rüzgar hzna kadar geçerlidir. Bundan daha yüksek hzlarda yüzeyde oluan kabarck katman yüksek frekans gürültülerinin su altndaki yaylmn etkilediinden 2.5 bants geçerliliini yitirmektedir (Vagle, 1990).

2.1.2 Ya gürültüsü

Deniz yüzeyine hzlca düen yamur damlalar, frekans 1 – 10 kHz arasnda deien gürültü olutururlar. Ya iddetinin artmasyla gürültü seviyesi de artar. Yamur damlalar boyutunun ve yüzeye ulama hzlarnn deiimi, izge seviyesinde deiimlere neden olur. iddetli ya esnasndaki gürültü seviyesi rüzgar ve dalgalarn oluturduu gürültüden çok daha fazladr.

Orlic tarafndan, ya miktar ile gürültü seviyesi arasndaki balant 1.4 log

NL D E R (2.6) eklinde bulunmutur; bu eitlikteki D ve E frekansa baml birer sabit (bkz: Çizelge

2.2) olup R mm/h cinsinden ya miktardr (Orlic, 2001). Örnek olarak ekil 2.4’te ya hznn ortam gürültü izgesine etkisi görülebilir.

(28)

Çizelge 2.2: Farkl Frekans Bantlar çin D ve E Sabitleri Frekans Aral (Hz) D E 300-600 600-1200 1200-2400 2400-4800 4800-9600 75,6 74,0 74,5 74,1 71,9 13,9 14,7 15,8 16,3 16,1

ekil 2.4: Farkl Ya Hzlar çin Frekansa Bal zge Seviyesi

Ma ve Nystuen yaptklar çalmada, yamur kaynakl ortam gürültüsünü iki farkl bantta incelemilerdir. Genel olarak 2-3.5 mm çapndaki yamur damlalar says ile ya hznn ilintilidir. Yalnzca yamur etkisinin mevcut olduu verilerde 5 kHz ortam gürültü seviyesi ile yamur hz arasnda dorusal iliki olduu gözlemlenmitir. 5 kHz frekansndaki yamur gürültüsü seviyesinden yararlanlarak 1-10 kHz bandnda etkili yamur gürültüsü u ekilde geniletilmitir:

1 10 5 5 ( ) (log( ) log(5)) * ( ) 15.4 *log( ) 42.4 8.33*log( ) 14.3 kHz yamur kHz kHz yamur SPL f f eim SPL R SPL R eim R (2.7)

(29)

Burada f kHz cinsinden frekans, R mm/h cinsinden ya hz ve eimyamur 1-10 kHz bandnda geçerli yamur gürültüsü eimidir. Bu bant 2-200 mm/h hzlarndaki tüm yalar için geçerlidir (Ma, 2005).

Daha düük çaptaki (0.8-1.2 mm) yamur damlalar says ile ya hz arasnda tutarl bir ilinti yoktur. Bu tip yamurlarda ya hz rüzgar hzna da yakndan baldr. Bu yüzden küçük çapl damlalara sahip yamur gürültüsü incelenirken rüzgarn etkisi de göz önünde bulundurulmutur. Deneysel sonuçlar bu tip yamurdan kaynaklanan gürültünün 2 mm/h hznn altnda rüzgar gürültüsü etkisiyle kaybolduunu, 10 mm/h hznn üstünde ise büyük damlalardan kaynaklanan gürültünün daha etkili olduu göstermitir. 10-25 kHz bandnda küçük damlal yamur etkisinin ortam gürültüsüne etkisi öyle bulunmutur:

10 50 0 0 1 * 1 kHz _lslope _hslope A SPL f f f f _§ _{· §} _· § · § · ¨ _¨ _¸ ¸ ¨ _¨ _¸ ¸ ¨ _© _¹ ¸ ¨ _© _¹ ¸ © ¹ © ¹ (2.8)

Burada f kHz cinsinden frekans, f0 15.5 kHz, A genlik, lslope alçak frekans eimi ve

hslope yüksek frekans eimidir. Bu katsaylar çeitli rüzgar ve ya hzlarna bal

olarak Çizelge 2.3’te verilmitir (Ma, 2005).

Çizelge 2.3: Eitlik 2.8 için Katsay Tablosu (Ya Hz=2-5 mm/h (üstte) ve 5-10 mm/h (altta)) Rüzgar Hz 0-2 m/s 2-4 m/s 4-6 m/s 6-8 m/s 8-14 m/s A 224.9443 223.7316 217.0343 219.2085 209.0711 214.1092 206.3746 210.2187 204.8878 207.0281 Lslope 1.8199 1.2810 1.4904 1.0731 1.2577 0.7853 1.1173 0.7121 1.0084 0.4557 Hslope -1.8993 -1.2137 -1.5843 -1.0274 -1.3486 -0.7070 -1.1938 -0.5934 -1.0421 -0.2976 2.1.3 Gemi gürültüsü

Gemilerden yaylan akustik dalgalar, izgenin 1000 Hz ve altnda yer alr ve bu bölgede önemli akustik basnç seviyelerini meydana getirir. Özellikle boazlar gibi gemi trafiinin youn olduu yerlerde, bu frekans band için baskn gürültü kayna

(30)

gemilerdir. Gemilerden yaylan akustik dalgalarn birkaç kayna vardr (Lutron, 2002). Bunlar aada ksaca özetlenmitir:

Pervane Gürültüsü: Gemilerin hareketini salayan pervaneler, deiik çaplara, kanat saylarna ve dönü hzlarna sahiptirler. Dönmekte olan bir gemi pervanesi 0.1 Hz ile 10 Hz aralnda deien izgesel çizgiler (tonaller) üretir. Pervane sesinin bu izgesel özelliini pervanenin kanatçk says, ekli ve hz belirler. ekil 2.5’te gemi pervanesi etkisiyle düük frekanslarda oluan tonaller gösterilmitir.

Aknt Gürültüsü: Geminin su içerisinde ilerlerken oluturduu türbülanslardan kaynaklanan gürültüdür. Bu gürültünün seviyesi geminin hzna ve gemi gövdesinin yapsna baldr.

Makine Gürültüsü: Geminin ilerlemesini salayan motoru, aft, anzman, jeneratörleri, hidrolik sistemleri, her biri birer akustik dalga kaynadr. Bunlar çalrken oluan titreimler geminin gövdesinden suya geçerler ve geminin akustik gürültüsüne katkda bulunurlar. Makine gürültüsü geminin hzyla ilikilidir.

Gemi akustik gürültü izgesi incelendiinde geni ve sürekli bir banda sahip olduu görülebilir. Geminin oluturduu gürültünün farkl frekans bantlarndaki etkili kaynaklar ekil 2.6’da sunulmutur. zge seviyesi gemini hzndaki arta bal olarak artabilir (bkz: ekil 2.7). Genellikle 100 Hz civarnda en yüksek genlie sahiptir ve bu noktadan itibaren frekansn artmasyla 20log(f) mertebesinde düü gösterir. Çok düük frekanslarda bu geni bandl iaret, geminin makine ve dililerinden kaynaklanan, çok dar bandl bileenler (izgesel çizgiler) içerir (bkz: ekil 2.5). te bu çizgiler, gemilerin akustik imzasn belirler ve gemilerin birbirlerinden ayrt edilebilmesini salar (Lutron, 2002).

(31)

Gemi gürültüsünü oluturan bileenler ve bunlarn izgenin hangi bölgesinde etkili olduunu gösteren çizim aada verilmitir. Makinalardan ve pervane kanatlarndan yaylan gürültüler alçak frekanslarda etkili iken yüksek hzlarda kavitasyon gürültüsü daha geni bantta etkilidir (Ross, 1994).

ekil 2.6: Gemilerden Yaylan Gürültünün Kaynaklar ve Frekans Bantlar Uzak mesafeli gemilerin akustik gürültüleri ise 20 Hz – 500 Hz frekanslar arasnda baskn olup yatay yönlü dalgalardr ve denizin durumundan ve rüzgar hzndan bamszdr. Uygun koullarda 100 km den daha uzak gemi trafii gürültüsü bile kaydedilebilmektedir (Orlic, 2001).

Gemi gürültüsü kaynak seviyesi ile gemi hz arasndaki ilikiyi, ölçüm sonuçlarna göre açklayan grafik ekil 2.7’de verilmitir (Crocker, 1998). Düük hzlarda gemi gürültüsü seviyesinin de düük olduu, hzn artmasyla makine gürültüsünün ve pervane kavitasyon etkisinin etkisiyle özellikle alçak frekans bölgesinde gürültü seviyesinin artt görülmektedir. Ross (Ross, 1987) çalmasnda gemi gürültüsü kaynak seviyesinin hza ve gemi tonajna bal kesitirimini u ekilde sunmutur:

134 60 log 9 log( )

10

Ua

Ls §_¨ ·_¸ DT

Burada Ua knot cinsinden gemi hzn ve DT gemi tonajn göstermektedir. Bu formül, 100 Hz’in üzeri frekanslarda ve 30 GTon’un altndaki gemiler için geçerlidir.

(32)

ekil 2.7: Gemi Hz Kaynak zge Seviyesi likisi

Tüm gemiler, gövde yaplar, büyüklükleri, motor ve pervane yaplar gerei farkl gürültü yaplarna ve seviyelerine sahiptir. ekil 2.8’de RANDI modelinde kullanlan be snf deniz tat için gürültü kaynak seviyeleri verilmitir. Verilen seviyeler farkl snflardaki ve boyuttaki gemiler için çeitli hzlarda belirlenen gürültü kaynak seviyelerinin ortalamasdr (Wagstaff, 1973).

2.1.4 Endüstriyel gürültü

Kyda, ölçüm noktasna yakn bölgelerdeki endüstriyel aktivitelerden kaynaklanan akustik dalgalar ve titreimler suda yaylarak endüstriyel gürültüyü oluturur. Özellikle sanayi alanlarna ve gemilere yükleme ve yük indirme yapan limanlara yakn ölçüm noktalarnda endüstriyel gürültü ile karlalr. Çok farkl izgesel seviye ve ekle sahip olabilen bu tür gürültüler genellikle 300 Hz’ in altndadr. Köprü ayaklarndan veya tüp geçit gibi yaplarda oluan titreimlerin yarataca gürültüler de bu snfa dahil edilebilir.

(33)

ekil 2.8: Farkl Gemiler için Kaynak zge Younluklar 2.1.5 Sonar gürültüsü

Sonarlar sualt hedef belirlemede çok sk kullanlan aygtlardr. Herhangi bir uyarc sinyal yollayarak ortamdan gelen yansmalar alan ve bunlar ileyerek konum tespit edebilen sistemlere aktif sonar, herhangi bir sinyal yollamayan, sadece ortamdaki akustik dalgalar toplayan ve bunlardan bilgi çkaran sistemlere pasif sonar denir. Herhangi bir akustik dalga yaymayan pasif sonarlar doal olarak ortam gürültüsü için birer kaynak deildir. Buna karn aktif sonarlar akustik yayn yaptklar için ortam gürültüsüne de katkda bulunurlar.

Aktif sonarlarda en çok kullanlan uyarc sinyal tipleri, bir t süresince sabit frekansta darbe yollayan sürekli dalgalar ve t sürelik bir darbe içerisinde frekans deien frekans modülasyonlu dalgalardr. Günümüzde skça kullanlan aktif sonarlar genellikle 1 kHz – 20 kHz arasnda iaret yollarlar. Örnein AN/SQS-53C askeri

sonar merkez frekans 2,6 - 3,3 kHz arasnda deien 235 dB re 1 PaP seviyesinde

iaret yollarken, AN/SQS/56 sonar 6,8 – 8,2 kHz bandnda 223 dB re 1 PaP

(34)

2.1.6 Biyolojik gürültü

Sualt canllarnn çkardklar sesler çok çeitlidir ve uzun zamandan beri özellikle biyologlar tarafndan incelenen bir konudur. Çou sualt canlsnn sesleri sualt ortam gürültüsü açsndan ihmal edilebilecek düzeydeyken, bazlarnnki ortam gürültüsü açsndan göz önünde bulundurulmaldr. Özellikle derin sularda yaayan balina ve yunus gibi deniz memelileri, birbirleriyle haberlemek için belirli frekanslarda sesler çkarmakta ve bu akustik sinyaller sualtnda kolaylkla kaydedilebilmektedir (Urick, 1963). Çizelge 2.4’te baz deniz canllarnn çkardklar seslerin seviyeleri verilmitir.

Çizelge 2.4: Sualt Canl Seslerinin Kaynak Seviyeleri

Sualt Canls Sinyal Seviyesi (dB re 1 μPa, 1m)

Sperm Balinas 163-223 Beluga Balinas 206-225 Mavi Balina 155-188 Yunus 125-173 Karides Sürüsü 183-189 2.1.7 Isl gürültü

Isl gürültü, su moleküllerinin hareketinden kaynaklanan, yüksek frekanslarda hidrofonun ölçüm hassasiyetini belirleyen bir gürültü kaynadr. Akustik enerjiyi en iyi ekilde elektrik enerjisine çevirebilen yönsüz bir hidrofon için gürültü seviyesini veren eitlik u ekildedir:

2

120 20 log( f )

NL kT c

c S U

(2.10)

Burada f Hz cinsinden frekans, c, m/s cinsinden sudaki ses hz, k, Boltzman sabiti,

T mutlak scaklk ve U deniz suyu younluudur.

Eer deniz suyu scakl 0qC30qCarasnda ise Eitlik 2.10 yerine Eitlik 2.11

kullanlabilir (Orlic, 2001).

15 20 log

(35)

Frekans yükseldikçe, sl gürültünün gücü yükselmekte ve hidrofonun bant geniliini kstlamaktadr.

(36)

(37)

3. ANALZ YÖNTEMLER

Bu bölümde sualt ortam gürültüsü verilerinin analizinde kullanlan istatistiksel ve izgesel yöntemler hakknda bilgi verilmitir.

3.1 statistiksel Yöntemler

3.1.1 Sualt ortam gürültüsünün rastlant süreç modeli

Sualt ortam gürültüsünün çok sayda sualt ve su üstü doal ve yapay etkilerden kaynakland göz önünde bulundurularak bir rastlant süreç karakteristiini tad varsaylabilir. Bir x(n) ayrk zamanl rastlant süreci olaslk younluk ilevi ile istatistiksel olarak tamamen karakterize edilebilir. Bu durumda gürültü sinyallerinin belirli pencerelerde olaslk dalm fonksiyonlarnn hangi dalmlara uyduunun kestirimi önem kazanmaktadr. Olaslk younluk ilevinin ilk dört merkezi momenti, yani ortalama (beklenen deer), deiinti (variance), yamukluk (skewness) ve savrukluk (kurtousis) younluk ilevinin eklini belirlemektedir. Bu momentler aada tanmlanaktadr.

Birinci moment : Ortalama (Beklenen deer)

Beklenen deer deneylerin sonsuz kere tekrarlanmas sonucunda X rastlant deikeninin alaca ortalama deerdir. Beklenen deer olaslk younluk ilevinin hangi say civarnda dalacan temsil etmektedir. Birinci moment aadaki gibi

tanmlanr:Equation Section (Next)

>

@

1 1 ( ) ( ) N x k E x n x n N P

¦

(3.1)

(38)

kinci merkezi moment: Deiinti

Deiinti, standart sapmann () karesi olup, olaslk younluk ilevinin ortalama deer () civarnda ne ölçüde younlatn göstermektedir. Ayrca deiinti, sinyalin gücünü ifade etmektedir. kincil merkezi moment u ekilde hesaplanr:

>

@

^

2

`

2 2 1 1 ( ) ( ) [ ( ) ] N x x x k E x n n x n N V P

¦

P (3.2)

Aadaki grafikte farkl ortalama ve deiinti deerleri için Normal (Gauss) dalma ait olaslk younluk ilevleri verilmektedir.

ekil 3.1: Örnek Ortalama ve Deiinti Deerleri için Normal Dalmlar Üçüncü merkezi moment: Yamukluk

Yamukluk, normal dalma göre sürecin dalmndaki asimetriyi belirtir. Yamukluk deeri negatif (-) ise dalm sola doru, pozitif (+) ise dalm saa doru kaymaktadr. Gauss dalmnn yamukluu “0”dr. Üçüncü merkezi moment u ekilde tanmlanr: 3 3 (3) 1 ( ) 1 N ( ) x x x k x x x n x n K E N P P V V ª_§ _· º _§ _· «_¨ _¸ » _¨ _¸ «_© _¹ » _© _¹ ¬ ¼

¦

(3.3)

(39)

ekil 3.2: Negatif (solda) ve Pozitif (sada) Yamukluklu Dalmlar Dördüncü merkezi moment: Savrukluk

Savrukluk, sürecin olaslk younluk ilevindeki sivrilii veya ortalama deer etrafndaki yaylma miktarn belirtir. Savrukluk deeri 3’ten büyük ise dalm Normal’e göre daha sivri, 3’ten küçük ise dalm Normal’e göre daha yuvarlaktr. Dördüncü merkezi moment u ekilde hesaplanr:

4 4 (4) 1 ( ) 1 N ( ) x x x k x x x n x n K E N P P V V ª_§ _· º _§ _· «_¨ _¸ » _¨ _¸ «© ¹ » © ¹ ¬ ¼

¦

(3.4)

Literatürde savrukluk tanmnn Normal dalmn savrukluu sfr kabul edilerek yapld da görülebilir. Buna göre 3’ten büyük savrukluk deerleri pozitif savrukluk, 3’ten küçükler negatif savrukluk olarak adlandrlr. ekil 3.3’te bu tanma göre çizilmi olup sarukluun sfra eit olduu olaslk younluk ilevi Normal dalma aittir. Görülecei üzere, büyük savrukluk deerlerine sahip dalmlar daha sivridir.

(40)

3.1.2 Olaslk younluk ilevleri

Çalma kapsamnda çeitli ortam koullarnda toplanan sualt ortam gürültü sinyallerinin uyduu olaslk younluk ilevleri irdelenmitir. Literatürdeki çalmalarda sualt ortam gürültüsünün genellikle Normal dalma uyduu belirtilmitir. Yaplan analizlerde Normal dalmn yan sra, “t scale-location” dalmna da yüksek oranda uygunluk gözlenmitir. Normal dalmn olaslk younluk ilevi, ölçek ve μ konum parametresi olmak üzere u ekildedir:

“T location-scale” dalm, üç parametreli olaslk younluk ilevine sahiptir ve u ekilde tanmlanmtr: 1 2 ₂ 1 2 ( ) 2 v v x v f x v v v P V S § · ¨_© ¸_¹ ª º § · § · *_¨ _¸ _« _¨ _¸ _» © ¹ _« © ¹ _» « » § · *¨ ¸ «_{© ¹ ¬} » ¼ (3.6)

Burada μ konum, ölçek, v ekil parametresi ve gama fornksiyonudur. ekil parametresi v sonsuza doru büyüdükçe, “t location-scale” dalm Normal dalma yaknsar. Aadaki ekilde Normal ve “t location-scale” dalmlarnn olaslk younluk ilevleri farkl parametre setleri ile gösterilmitir. ekil 3.4 (a) ve (b)’de verilen “t location-scale” olaslk younluk ilevlerinden mu=0, sigma=1, nu=100 parametreli çizim ile mu=0 ve sigma=1 parametreli Normal olaslk younluk ilevi arasndaki hata oldukça düüktür.

(41)

(a) (b)

ekil 3.4: Farkl Sigma (a) ve Nu (b) Parametreleri için “t location-scale” Dalm

3.2 zgesel Yöntemler

Verilerin izgesel analizi Welch methodu ile yaplm olup ayrntlar aada verilmitir. Ayrca literatürdeki çalmalar ile uyum açsndan 1/3 oktav filtre bankalar da kullanlmtr.

3.2.1 Welch methodu

Sinyalin izgesel analizini yapabilmek için temel olarak kullanlan yöntemlerin banda Fourier dönüümlü yöntemler gelir. Ancak yüksek boyutlu veriler ile çallrken hesaplama zaman önemli bir ölçüt olmakta ve analizleri etkilemektedir. Bu nedenle Welch tarafndan 1967 ylnda kendi adn tayan yöntem önerilmitir (Welch, 1967).

Güç izge younluu kestiriminde kullanlan Welch ortalanm periyodogram (averaged modified periodogram) yönteminde sinyal ilk olarak %50 örtüen sekiz adet parçaya ayrlr. Her bir parça Hamming pencere ile çarplarak ayrk Fourier dönüümü hesaplanr. Fourier dönüümlerinin genlik deerlerinin karelerinin ortalamas ile sinyalin güç spektral younluu kestirilir. Örnein x(n), N uzunluklu veri ve K parça says olmak üzere:

(42)

Burada w(n), L uzunluklu hamming pencere ve D ofset miktardr. Eer D<L ise veri parçalar kesiiyor, D=L ise veri parçalar kesimeden ayrlm demektir.

Bu yöntemin avantaj, klasik izge kestirim yöntemlerine göre daha hzl çalmas ve zaman bölgesinde daha yüksek çözünürlük sunmasdr. Buna göre i’nci segmentin periodogram u ekilde hesaplanr:

2 1 2 , 0 1 1 ( ) ( ) ( ) L j j j n x i i i n R e X e x n e L L Z Z

¦

Z _(3.8)

Ortalama periodogram ise:

2 1 1 ( ) , 0 0 1 1 ( ) ( ) ( ) K K PA j j j x x i i i i R e R e X e K KL Z

¦

Z

¦

Z (3.9) olarak bulunur (Manolakis, 2005).

3.2.2 1/3 Oktav izge

Sinyalin farkl frekans bantlarnda analizini yapabilmek için uygulanan yöntem süzgeç bankalar kullanmaktr. Süzgeç bankalarnn genel mant, birbirinden farkl merkez frekanslarna ayarlanm bant geçiren süzgeçlerin paralel ekilde balanmas eklindedir. Kullanlan bant geçiren süzgeçlerin merkez frekanslarna, bant geniliklerine ve derecelerine bal olarak süzgeç çklarnda belirli bantlara ayrlm sinyaller elde edilir.

Literatürde, özellikle ses analiz çalmalarnda sklkla kullanlan süzgeç bankas türü 1/3 oktav süzgeçlerdir. 1/3 oktav süzgeç bankasnda bant geçiren süzgeçlerin merkez frekanslar dorusal bir biçimde sralanmamtr. Süzgeçlerin bant genilikleri ise sabit olmayp merkez frekansa göre deimektedir. 1/3 oktav süzgeç bankas için merkez frekans deerleri ve bant genilikleri Çizelge 3.1’de verilmitir:

(43)

Çizelge 3.1: 1/3 Oktav Süzgeç Merkez Frekanslar ve Bant Genilikleri Merkez Frekans (Hz) Band Genilii (Hz) Merkez Frekans (Hz) Band Genilii (Hz) Merkez Frekans (Hz) Band Genilii (Hz) 25 5.75 251 57.73 2512 577.76 32 7.36 316 72.68 3162 727.26 40 9.2 398 91.54 3981 915.63 50 11.5 501 115.23 5012 1152.76 63 14.49 631 145.13 6310 1451.3 79 18.17 794 182.62 7943 1826.89 100 23 1000 230 10000 2300 126 28.98 1259 289.57 12589 2895.47 158 36.34 1585 364.55 15849 3645.27 200 46 1995 458.85 19953 4354

1/3 oktav süzgeç bankasnn kullanld analizlerde ses basnç younluu izge seviyeleri dB/Hz yerine dB/oktav olarak verilir. Kullanlan süzgeçlerin derecesi yeterince yüksek olduu durumda, 1 Hz band genilikli analiz sonucu 1/3 oktav band geniliklerinde toplanarak 1/3 oktav izge elde edilebilir (Richardson, 1995). Logaritmik olarak toplama ilemi Li toplanacak bileenlerin dB cinsinden seviyeleri olmak üzere u ekilde tanmlanr:

/10 10 1 10 log 10i n L toplam i L

¦

(3.10)

Buna göre 1 Hz bant genilikli izgenin 1/3 oktav merkez frekanslarnda ve bant geniliklerinde (BG) seviyesi sabit kabul edilirse, bu iki ses basnç seviyesi izgesi (SBS) arasndaki dönüüm u ekilde basitletirilebilir:

1 1/ 3 10 1/ 3 1 10 10 log ( ) 10 log ( ) Hz oktav oktav Hz SBS SBS BG SBS SBS BG (3.11)

Sualt ortam gürültü sinyalinin frekansa bal gücünü analiz edebilmek ve sonuçlar literatürdeki çalmalar ile karlatrabimek için 1/3 oktav gürültü izgeleri incelenmitir. Özellikle yakn mesafeli ve geçici özellikteki çok dar bantl gürültü seviyeleri oktav süzgeç ile bastrldndan, geni bantta ortam gürültüsünün analizi ve dier ölçüm noktalarnda elde edilen sonuçlar ile karlatrlmas bakmndan oktav süzgeç etkili bir araçtr.

(44)

(45)

4. ÖLÇÜM VE MODELLEME

stanbul Boaz, yaps ve konumu gerei ortam gürültüsü ölçümü ve modellemesi yaplan dier denizlerden farkllk gösterir. Derinliinin 100 metreyi amamas ve dar bir kanal olmas nedeniyle literatürde bulunan açk deniz ortam gürültüsü modelleri Boaz’da kullanlamaz. Üstelik gürültü kaynaklar ve dalmlar da dier denizlerden farkllklar göstermektedir. Boaz’daki balca gürültü kayna deniz tatlar olduundan gürültü modelinde en baskn bileen gemi gürültüsü olacaktr. Boaz, her iki yönde de akntlara sahip olduundan taban ve kylar genellikle sert kaya ve çakllarla örtülüdür. Ayrca, ky eimleri çok fazla olduundan, s sularda görülen yüzey-taban yansmalar ile ilerleyen ses dalgalar Boaz’da kylardan da yansyarak ilerleyebilmektedir.

stanbul Boaz, kapal bir deniz olduu için açk denizlerdeki ortam gürültüsü modellerinde öngörülen rüzgar ve ya etkisi ayn ölçüde etkili olmayacaktr. Bunun yan sra Boaz’da endüstriyel gürültü, köprü trafiinin oluturduu gürültü ve suyun akndan kaynaklanan gürültü de mevcuttur.

Bu çalmada stanbul Boaz’na ilikin sualt ortam gürültüsünün mekana ve çevresel etmenlere bal olarak karakteristiini ortaya koyabilmek amacyla özgün bir sualt ortam gürültüsü ölçüm sistemi tasarlanm ve gerçekletirilmitir. Sistemin donanm birimlerinin tümletirilmesi ve yazlm bileenlerinin kodlanmasnn ardndan sistem laboratuvar ve havuz testlerine tabi tutulmutur. Sorunsuz ekilde çalr hale getirilen sistem gerçek çalma ortamnda da test edilmesinin ardndan veri toplama çalmalarna geçilmitir.

Aada sistemin tüm bileenleri ile ilgili özet bilgi sunulmu ve modelleme çalmas çerçevesinde yaplan ölçümlere ve sonuçlara yer verilmitir.

4.1 Ölçüm Sistemi

Sualt ortam gürültüsü ölçüm sistemi, donanm birimleri, yazlm birimleri ve yardmc birimlerin birleiminden olumaktadr. Aada bu birimlerden ve alt bileenlerinden bahsedilmitir.

(46)

4.1.1 Donanm birimleri

stanbul Boaz için sualt ortam gürültüsü ölçüm sistemi tasarlanrken öncelikle literatürdeki çalmalar incelenmitir. Ardndan sistemin çalaca konuma ve kullanm amacna bal olarak özgün bir sistem oluturulmutur. Boaz’ dier denizlerden ayran iddetli aknt yaps, yüksek gemi trafii, batimetrisindeki farkllk gibi çevresel etmenlerin yannda sistemin kullanm amac ve spesifik özellikleri de gözönünde bulundurulmutur. ekil 4.1’de ölçüm sistemi donanm biriminin genel görünümü verilmitir. Sistem, hidrofon dizisi, elektronik sistem kutusu, tayc amandra, veri ve enerji iletim kablolar ve sabitleyici unsurlardan olumaktadr.

Hidrofon dizisi, sekiz adet ITC-6050C model geni bantl hidrofonun e mesafeli olarak birletirilmesiyle oluturulmutur. Hidrofonlar 20 dB’lik ön kuvvetlendirici katna sahip olup -158 dB//1V/Pa hassasiyete sahiptir. Ayrca hidrofonlar yönsüz olduundan tüm yönlerden ulaan sinyalleri alabilmektedir. Dizi elemanlar arasnda dört metre mesafe bulunmaktadr. Bu mesafe, n ekillendirme amaçl kullanmlarda hedef yönü tespiti için literatürde önerilen yarm dalgaboyluk mesafe kuralna uymaktadr. Elemanlar aras 4 m olan bir dizin için, ses hz 1500 m/s olan bir ortamda izleme yaplabilecek kaynak frekans 187,5 Hz’dir. Bu frekans deeri, özellikle gemilerden yaylan gürültünün en fazla olduu bant içerisinde kaldndan gemi veya denizaltlarn izlenmesi için uygundur. Hidrofon dizisi sistemde düey dorultuda yerletirilmitir. Bunun amac bir yandan düey dorultuda hedef tespiti yapabilmek, dier yandan da derinlie bal sualt gürültü profilini ve gürültü derinlik ilikisini ortaya koyabilmektir.

(47)

ekil 4.1: Ölçüm Sistemi Donanm Birimi Genel Görünümü

Elektronik sistem kutusu, sistemin çalmasn salayan tüm elektronik donanmn bulunduu özel imal edilmi su geçirmez bir polyester muhafazadr. Kutu içerisindeki donanmn emas ekil 4.2’de verilmitir. Sekiz adet hidrofondan amandraya ulaan kablolar, su geçirmez LEMO konektörler vastasyla kutu içerisine girmektedir. Her bir hidrofonun sinyal kablolar, USB üzerinden veri aktarm yapabilen analog/saysal dönütürücünün ilgili giriine balanmtr. Kullanlan dönütürücü, iki adet dört kanall, 50 kHz e zamanl örnekleme yapabilen 24 bit delta-sigma kartlar ile USB çkl tayc kasann birleiminden olumaktadr. Verilerin toplanmasnda kullanlan endüstriyel bilgisayar, zorlu koullara dayanacak

(48)

biçimde tasarlanm olup 1,6 GHz mobil ilemciye, 1 GB bellee ve 160 GB sabit diske sahiptir. Ayrca, ADC kasadan endüstriyel bilgisayara USB portu üzerinden veri aktarm için özgün bir yazlm gelitirilmitir (bkz: Bölüm 4.1.2). Sekiz kanall SOG verisi, toplanma zaman, örnekleme frekans gibi bilgileri içeren bir etiket ile bilgisayarn sabit diskinde saklanmaktadr.

amandra içerisindeki sistemin kydaki istasyon ile veri balants fiber optik kablo üzerinden salanmaktadr. Endüstriyel bilgisayarn Ethernet çkndan alnan verinin fiber optik kablo üzerinden iletimi için 100 Mbit Ethernet/Fiber dönütürücü kullanlmtr. Ayn dönütürücü kydaki istasyonda Fiber/Ethernet dönüümü yapmakta ve verileri bilgisayara aktarmaktadr. Ayrca sistemde yedek veri iletim sistemi olarak bir adet 802.11b/g kablosuz eriim noktas ve Ethernet çoklayc bulunmaktadr. Fiber hat üzerinde sorun olutuunda amandrann yaknlarndan kablosuz balant kurulabilir veya amandra dna ulaan Ethernet kablosu üzerinden veri aktarlabilir.

Sistemin enerjisi 24 VDC gerilim regülatörü üzerinden salanmaktadr. Hidrofonlar, analog/saysal dönütürücü, endüstriyel bilgisayar, zaman rölesi ve iaret feneri gibi birimler 24 VDC gerilim ile çaltndan, kydan aktarlan gerilimin bu deerde mümkün olduunca sabit kalmas salanmaktadr.

Sistemdeki Ethernet/Fiber dönütürücü ve Ethernet çoklayc cihazlarnn 5VDC gerilim ile çaltndan, bu cihazlarn enerji gereksinimi endüstriyel bilgisayar üzerindeki 5VDC çkndan karlanmtr.

amandrann gece konumunu iaret eden iaret feneri, ky emniyet tarafndan belirlenen renkte ve zaman rölesinden ayarland sklkta çakmaktadr. Sistemde en büyük akm çeken birim iaret feneri olduundan ölçüm sistemini etkilememesi için tamamyla ayr bir hat ve regülatör ile beslenmektedir.

(49)

ekil 4.2: Elektronik Donanm Birimi emas

Hidrofon dizisi ve elektronik sistem kutusu, özel olarak tasarlanan amandra vastasyla belirlenen konumda sabit bir ekilde tutulmaktadr. amandra yaklak 130 cm çapta ve 140 cm yükseklikte ve 800 kg arlktadr. ki hazneli tasarma sahip amandrann tamamen kapal ksm su geçirmeyerek güvenli bir biçimde yüzmesini salarken üstteki ksm elektronik sistem kutusunu içermektedir. amandra, belirlenen konuma dört noktadan 2,5 tonluk beton bloklar ile sabitlenecek ekilde tasarlanmtr. Beton bloklar ile amandray balayan 18 mm’lik “Dyneema” halatlar özel olarak üretilmi olup 8 tonluk yükler altnda çalabilmektedir.

amandradaki elektronik sistem ile ky istasyonunun veri balants 500 metrelik zrhl fiber optik kablo ile salanmaktadr. Dört telden oluan fiber kablodan bir çifti tek yönlü iletimler için kullanlp dier ikisi yedektir. Kullanlan fiberler Fiber/Ethernet dönütürücüde sonlanmaktadr. Ayrca sistemin enerji ihtiyac dört

adet 2,5 mm2 zrhl bakr hat üzerinden salanmaktadr. Ölçüm sisteminin ebeke

geriliminde bulunan 50Hz dalgalanmalarndan etkilenmemesi için doru gerilim iletimi uygun görülmü, bu nedenle her iki kablo çiftine de 60 VDC gerilim uygulanmaktadr. 500 metrelik enerji kablosunda zayflamaya ve bozulmaya urayan

(50)

gerilim regülatörlerde düzenlenerek sisteme verilmektedir. Çizelge 4.1’de tüm sisteme ait balca özellikler sunulmutur.

Çizelge 4.1: Ölçüm Sistemi Genel Özellikleri Hidrofon Dizisi 8 x ITC6050C

Frekans Band 0-100 kHz Hassasiyeti -158 dB//uPA/1V Yatay Yönsellik Yönsüz

Düey Yönsellik Yönsüz Uzunluk 30 metre Eleman Says 8 Elemanlar Aras Mesafe 4 metre

Besleme 24 VDC +- 4 , 0.48 W/kanal

Analog Saysal Dönütürücü

2xNI 9239 ADC, CompactDaq Kasa

Kanal Says 8

Örnekleme Frekans 50000 örnek/sn//kanal Hassasiyeti 24 bit

Veri çk USB 2.0

Besleme 12-24 VDC , 20 W

Endüstriyel Bilgisayar Advantech 3381 lemci 1.6 GHz

Bellek 1 GB, 677 GHz HDD 160 GB

Besleme 12-24 VDC, 100 W

Veri letimi HCS f/o Kablo, USRobotics Switch Fiber Optik 4 Single Core, 500 metre, 100 Mbit/s

Ethernet Cat 5, 10 metre, 100 Mbit/s Kablosuz 802.11b, 50 metre, 100 Mbit/s

amanrdra Evren Zincir

Boyutlar 130 cm x 140 cm silindir Arlk 800 kg (havada) Çakar Yeil, 20 W Toplam Arlk ~1000 kg (havada) Güç Tüketimi ~200 W 4.1.2 Yazlm birimleri

Analog/saysal dönütürücü ile endüstriyel bilgisayar arasnda veri transferi LabView ortamnda gelitirilen sürücü yazlm ile salanmaktadr. Veri transferinin yan sra veri toplama ile ilgili parametreler de arayüz üzerinden analog saysal dönütürücüye aktarlmaktadr. Ayrca veri toplama zaman ve koullar ile ilgili bilgiler kayt dosyas içine kaydedilebilmektedir. Sürücü Yazlm’nn örün(web) tarayclar ile de

(51)

uzaktan ulalabilen arayüzü ekil 4.3’te görülebilir. ekil üzerinde numaralar ile belirlenmi ksmlarn ilevlerinin ayrntlar aada anlatlmaktadr.

Örnekleme Hz:

Analog saysal dönütürücünün destekledii örnekleme hz aralndan istenilen deer ekil 4.3’te 1 ile belirli yaz kutusuna girilebilir. Bu yaz kutusunun hemen sandaki kutuda ise donanmda o an geçerli örnekleme hz gösterilmektedir. Donanm tüm ara deerleri desteklemediinden gösterilen deer girilen deer ile ayn olmayabilir.

Tampon Bellek:

SOG toplayc cihaz veri toplarken veri kaybnn önüne geçebilmek için toplanan verilerin geçici tutulduu bellektir. Bellek miktar mevcut donanmn ilem kapasitesi ve koturulmas muhtemel e zamanl veri ileme algoritmalarnn ihtiyaç duyabilecei zamanlama ile ilgilidir. ekil 4.3’te 2 ile belirli yaz kutusundan deeri girilebilir.

Dosya Boyutu:

Toplanan SOG verisi kaydedilirken oluturulacak dosyalarn kaç saniyelik veri içereceinin seçildii kutu ekil 4.3’te 3 ile belirlidir. Bu kutuya girilen deer kadar veri toplandktan sonra bu veriler diske ya da istenilen a adresine tarih ve zaman dosya ismini oluturacak ekilde yazdrlr.

Yol:

ekil 4.3’te 4 ile belirli yaz kutusu toplanan SOG verilerinin kaydedilecei yoldur. Bu veri toplama bilgisayar olabilecei gibi ayn ada bulunan uzak bir bilgisayar da olabilir.

Yorumlar:

ekil 4.3’te 5 ile belirli kutuya girilecek yorumlar kayt edilen dosyann içine gömülür. Bu sayede arayüzü yöneten operatörün SOG verilerini kaydederken gerçekleen olaylar kayt dosyalarnn içine gömmesi salanmtr. Kaydedilen dosyalar açldnda yorumlara da ulalabilir.

(52)

Hidrofon Seçimi:

ekil 4.3’te 6 ile belirli buton ve lambalardan oluan panelden aktif olarak kaytta olmas istenilen hidrofonlar sistem kayta devam ediyorken dahi seçilebilir. Hidrofonlar yukardan aaya doru 1’den 8’e butonlar ile eletirilmitir. Donanm gerei yaplan seçim tampon bellek dolduktan sonra ileme konulabilir bu sebepten her bir hidrofon butonunun sol tarafnda kendisine ait bir lamba o anda hidrofondan kayt alnp alnmadn belirtmek için yerletirilmitir. Lambann yeil renkte yanyor olmas kendisine ait hidrofonun kaytta olduu anlam tamaktadr.

Grafik:

Seçili hidrofonlardan gelen verilerin tampon bellek doldukça çizdirildii grafik ekil 4.3’te 7 ile belirlidir. Bu grafik istenilen miktarda geçmi veriyi de gösterebilir ekildedir.

ekil 4.3: Veri Toplama Yazlm Arayüzü

4.1.3 Yardmc birimler

SOG ölçüm sistemi donanm ve yazlm birimlerinin dnda, ortam gürültüsü toplanmasnda dorudan kullanlmayan, ancak gürültü analizi ve modelleme için gerekli verileri salayan sistemler de içerir. Bunlar meteorolojik veri toplama istasyonu ve hareketli görüntü kayt sistemidir.

(53)

Meteoroloji istasyonu, anlk olarak hava scakl, ya miktar, rüzgar hz ve yönü gibi, ortam gürültüsünü etkileyen ortam parametrelerini ölçen ve kaydeden bir sistemdir. Kydaki sunucu bilgisayara bal bu sistemin toplad veriler arivlenmekte ve veri analizi esnasnda kullanlmaktadr. Meteoroloji istasyonunun sensörlerine ilikin çalma parametreleri Çizelge 4.2’de sunulmutur.

Dier yardmc birim, MATLAB ortamnda gelitirilen ve ölçüm bölgesi videosunu kaydeden hareketli görüntü kayt sistemidir. stanbul Boaz ortam gürültüsünü etkileyen en önemli etmen deniz tat trafii olduundan ölçüm esnasnda sistemin yaknlarndaki tüm hareketli deniz tatlarnn görüntüsü kaydedilmektedir. Bu sistemde ayrca bir hareket alglama algoritmas bulunmaktadr. Algoritma, belirli aralklarla görüntü arka plan modellemekte, ortamda bir deiiklik olutuunda belirlenen süre video kayd almaktadr. Ortam gürültüsü verileri analizi esnasnda tarih ve saat bilgisi ile etiketlenmi görüntü verileri kullanlabilmektedir.

Çizelge 4.2: Meteoroloji stasyonu Genel Özellikleri Meteoroloji stasyonu Oregon Scientific WMR200

Rüzgar Hz ve Yönü Sensörü

Hz Hassasiyeti 2 m/s ~ 10 m/s (+/- 3 m/s) 10 m/s ~ 56 m/s (+/- 10%) Yön Hassasiyeti 16 yön ( 0o-360o +- 11.25o )

Veri letimi 14 sn aralklarla

Scaklk Sensörü Çalma Bölgesi -30 oC ~ 60o C Scaklk Hassasiyeti -20°C – 0°C: +/- 2°C (+/- 4.0°F) 0°C - 40°C: +/- 1°C (+/- 2.0°F) 40°C - 50°C: +/- 2°C (+/- 4.0°F) 50°C - 60°C: +/- 3°C (+/- 6.0°F) Nem Sensörü Çalma Bölgesi %25 ~ % 90 Nem Hassasiyeti 25% - 40%: +/- 7% 40% - 80%: +/- 5% 80% - 90%: +/- 7% Ya Sensörü Çalma Bölgesi 0 mm/hr – 999 mm/hr Ya Hassasiyeti < 15 mm/hr: +/- 1 mm 15 mm to 9999 mm: +/- 7%