Propulsión Eléctrica y de Combustión Interna

Evaluación del Ruido Submarino Emitido por Embarcaciones Turísticas Pequeñas. Estudio Comparativo entre Propulsión Eléctrica y de Combustión Interna.

aA., Yori

a Instituto de Acústica, Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile, ayori@uach.cl

Abstract— Las embarcaciones pequeñas de motor fuera de borda son ampliamente utilizadas en el trabajo de turismo y avistamiento de mamíferos marinos dentro de zonas marinas protegidas. El ruido generado por este tipo de fuentes tiene la capacidad de afectar negativamente la fauna marina, especialmente a los mamíferos marinos, quienes utilizan el sonido a lo largo de todas las etapas de sus vidas. Estas embarcaciones de turismo de avistamiento de mamíferos marinos pueden ocupar distintos sistemas de propulsión, tales como motores a gas, diesel o eléctricos. Caracterizar el ruido submarino emitido por este tipo de embarcaciones toma importancia a la hora de evaluar el impacto acústico que los distintos sistemas de propulsión pueden producir sobre la fauna marina existente dentro de estas áreas marinas protegidas y determinar cual de estos es el de menor impacto.

En este trabajo se llevó a cabo un estudio comparativo de las emisiones de ruido submarino emitidas por embarcaciones pequeñas de turismo, similares en capacidad y funcionalidad, pero con distintos sistemas de propulsión. Se realizaron mediciones a dos embarcaciones con motores fuera de borda de combustión interna de 50 Hp y a una embarcación de motor eléctrico de 5 Hp. Se escogieron estas embarcaciones para el estudio debido a que son prácticamente del mismo tamaño, poseen igual capacidad de pasajeros, y son utilizadas para realizar trabajos y rutas similares dentro del área protegida donde son empleadas. Las mediciones se realizaron entre los meses de septiembre de 2018 y enero de 2020.

Keywords—palabras claves; ruido antropogénico subacuático; impacto ambiental acústico; avistamiento de mamíferos marinos; propulsión eléctrica; propulsión a combustión interna.

1. INTRODUCCIÓN

De los diferentes tipos de ruidos submarinos antropogénicos que existen, el de mayor presencia en el mundo es el producido por las embarcaciones, el cual tiene el potencial de afectar negativamente a los organismos marinos [1][2][3]. En Europa, los esfuerzos para monitorear y gestionar la contaminación acústica de los buques se incorporan a través de la Directiva Marco de la Estrategia Marina MSFD y su descriptor 11.2 [4].

En Chile existe un gran número de áreas marinas protegidas donde se realizan actividades turísticas de avistamiento de mamíferos marinos. De todas las embarcaciones que circulan dentro de estas áreas, un gran número de ellas son del tipo pequeñas, con motor fuera de borda y de combustión interna. Hace unos años, se sumaron a esta actividad turística, embarcaciones con motor eléctrico y de alimentación a través de paneles solares. El objetivo de introducir este tipo de propulsión fue emplear embarcaciones turísticas más amigables con el medioambiente. Chilenas, es importante caracterizar el ruido submarino emitido por este tipo de embarcación. Lo anterior llevó a realizar este estudio comparativo de las emisiones de ruido submarino, generadas por embarcaciones pequeñas de turismo, similares en capacidad y funcionalidad, pero con distintos sistemas de propulsión. En el estudio se llevaron a cabo mediciones a dos embarcaciones con motores de combustión interna de 50 Hp cada una y a una embarcación con motor eléctrico de 5 Hp (ver Tabla I).

TABLA I CARACTERÍSTICAS DE LOS BOTES EVALUADOS. * CLASIFICACIÓN ENTREGADA POR LA ARMADA DE CHILE

Nombre L(m) Motor Hp Pax Tamaño*

Bote 1 combustión 9.5 Combustión interna/ fuera de borda 50 16 pequeña

Bote 2 combustión 8.2 Combustión interna/fuera de borda 50 12 pequeña

Bote eléctrico 9.5 Eléctrico/dentro de borda 5 16 pequeña

2. MÉTODO

2.1. Sistema de medición

El sistema empleado para medir el ruido emitido por las embarcaciones consta de un hidrófono Cetacean Research y un grabador digital Tascam DR680, con los cuales se registran las emisiones de ruido. Posteriormente los archivos se cargan en un software Spectraplus donde se obtienen los descriptores de ruido requeridos. La calibración del sistema hidrófonograbador-software, se realizó empleando el procedimiento señalado en la norma EN 60565/2007 [5].

2.2. Embarcaciones evaluadas en el estudio

Las embarcaciones con motor a combustión y fuera de borda se identificaron como “Bote combustión 1” y “Bote combustión 2”. Las Figuras 1 y 2 muestran estas naves respectivamente.

La embarcación con motor eléctrico de alimentación solar se identificó como “Bote eléctrico”. Esta nave realiza los mismos recorridos turísticos que las embarcaciones a combustión 1 y 2. La Figura 3 muestra la nave eléctrica evaluada. Debemos recordar que la eficiencia de un motor a combustión interna está entre el 35% y 45%, y la de un motor eléctrico entre el 85% y 95% [6].

Figura 1. Bote combustion 1

Figura 2. Bote combustion 2

2.3. Procedimiento de medición

El hidrófono y su boya de flotación se despliegan desde el kayak sobre el cual se encuentran el grabador y el operador. El hidrófono se sumerge a una profundidad de 4 m. La distancia “d” a la cual pasa la embarcación frente al hidrófono se mide a través de un medidor de distancia óptico. El paso de la embarcación frente al hidrófono sigue un pista de aproximadamente 250 m de largo (ver Figura 4) Desde el archivo de audio grabado correspondiente al paso de la embarcación, se selecciona una sección de longitud 15 segundos, centrada en el punto en que la embarcación alcanza la menor distancia al hidrófono, distancia llamada “closest point of approach” o CPA [7][8]. Desde este archivo se obtienen tres niveles de ruido equivalente Leq,T de 5 segundos, siendo el Leq,5s central el que entrega el ruido submarino emitido por la embarcación durante el paso frente al hidrófono. Así, este nivel representará la peor condición de emisión desde la nave, ya que solo considera el intervalo de emisión de mayor energía.

Figura 4. Bote eléctrico

2.4. Corrección por distancia y Nivel de fuente

Los niveles de ruido obtenidos durante las mediciones deben ser corregidos en función de la distancia a la cual fueron realizadas. Existen distintos modelos de propagación del sonido bajo el agua, donde la propagación esférica se asume para grandes profundidades o distancias de medición menores a la profundidad, y la propagación cilíndrica se asume en presencia de canales sonoros y ciertas condiciones de aguas poco profundas [9]. En aguas poco profundas, el tipo del fondo marino puede cambiar ampliamente la pérdida de propagación del sonido, donde por ejemplo, si el fondo es muy absorbente podría darse un comportamiento incluso cercano al esférico [9]. En este trabajo, para obtener el nivel de fuente se utilizó la ecuación.

Donde: 1 ����1�� =������.�� −15log(��)���� 1

• ����1�� es el nivel de fuente • �� es la distancia a la fuente desde donde se midió ������.��.

En aguas poco profundas y estuarios donde hay cambios continuos de mareas, es poco probable una dependencia de la velocidad del sonido con la profundidad, ya que se produce una columna de agua mezclada isotérmica [55]. En cuanto a la absorción sonora, en este estudio no se consideró ya que para distancias menores a 100 m ésta es despreciable [9][10].

3. RESULTADOS

3.1. Niveles de fuentes

Para las tres embarcaciones evaluadas en este estudio, se realizaron en total 44 mediciones, con un mínimo de 13 mediciones por embarcación. Para cada embarcación se hicieron mediciones con tres velocidades distintas, velocidad máxima, media y mínima, las que correspondieron a 6000, 3000 y 1000 rpm respectivamente, para el caso de las embarcaciones de motor a combustión interna, y a 1100, 3000 y 5500 rpm

Para obtener los niveles de fuente Lp1m, el decaimiento por distancia entre esférico y cilíndrico fue el que se ajustó de mejor forma a los valores de campo obtenidos. Este ajuste se puede apreciar en la Figura 5 donde se muestra uno de los resultados obtenidos.

Figura 5. Comparación entre el decaimiento por distancia calculado y los niveles obtenidos en la medición para el bote a combustión 1, a una velocidad de 1000 rpm.

Los niveles de fuente promedios, junto con su desviación estándar s, niveles máximos y mínimos, se muestran en la Tabla II.

3.2. Espectros de emisión

Se obtuvieron espectros de frecuencia de las tres embarcaciones evaluadas, dos de ellos se muestran en las Figuras 6 y 7. Los espectros son de las emisiones sonoras correspondientes al momento en que las embarcaciones pasan frente al hidrófono y a la menor distancia o CPA. Los espectros corresponden a un solo paso de la embarcación frente al hidrófono y para cada una de las tres velocidades de paso. Junto a los espectros de las embarcaciones, las figuras muestran el espectro del ruido de fondo medido en el lugar.

TABLA II NIVELES DE FUENTE LP1M DE LAS EMBARCACIONES EVALUADAS, JUNTO A SU DESVIACIÓN ESTÁNDAR S Y SUS VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS.

Electric motor boat, Lp dB [re. 1μPa

Vel. Lp,1m S Lp,max Lp,min

1100 rpm 122,3 2,17 124,2 119

3000 rpm 126,6 0,99 127,8 125,5

5500 rpm 135,7 1,43 138,6 134,2

Combustion motor boat 1, Lp dB [re. 1μPa]

Vel. Lp,1m S Lp,max Lp,min

1000 rpm 147,6 1,8 149,5 145,3

3000 rpm 151,7 1,07 152,7 150,7

6000 rpm 161,3 1,00 162,6 160,4

Combustion motor boat 2, Lp dB [re. 1μPa]

Vel. Lp,1m S Lp,max Lp,min

1000 rpm 146,9 0,56 147,5 146,4 Figura 6. Espectro de tercio de octava del bote eléctrico, para las tres velocidades de paso evaluadas. También se muestra el ruido de fondo medido en el lugar.

Figura 7. Espectro de tercio de octava del bote con motor a combustión 1, para las tres velocidades de paso evaluadas. También se muestra el ruido de fondo medido en el lugar.

4. DISCUSIÓN

Los resultados muestran que los niveles de fuente Lp1m de las embarcaciones evaluadas que poseen motor fuera de borda y de combustión interna, se encuentran entre los 145.3 dB y los 162.6 dB [re. 1μPa], para el bote con motor a combustión 1, y entre 146.4 dB y 158.2 dB [re. 1μPa], para el bote con motor a combustión 2. Los niveles de fuente Lp1m obtenidos para la embarcación con motor eléctrico fluctuaron entre 119 dB y 138.6 dB [re. 1μPa]. Todos estos niveles de emisión se obtuvieron para velocidades de paso de las embarcaciones entre 1000 rpm y 6000 rpm.

Para la velocidad de paso baja (1000-1100 rpm), el nivel del ruido submarino emitido por la embarcación de motor eléctrico es aproximadamente 25 dB menor que el nivel que emite el bote con motor a combustión 1, y 24.6 dB menor que el nivel que emite el bote con motor a combustión 2. Para la velocidad de paso media (3000 rpm), la embarcación de motor eléctrico emite aproximadamente 25.1 dB menos que el bote con motor a combustión 1, y 22.4 dB menos que el bote con motor a combustión 2. Para la velocidad de paso máxima (5500-6000 rpm), el nivel del ruido submarino emitido por la embarcación de motor eléctrico es aproximadamente 25.6 dB menor que el nivel que emite el bote con motor a combustión 1, y 19.7 dB menor que el nivel que emite el bote con motor a combustión 2.

Esta diferencia de niveles toma mucha importancia cuando consideramos su uso dentro de áreas protegidas, en tareas tales como el avistamiento de mamíferos marinos, y también, cuando se quiera cumplir con los niveles máximos de ruido recomendados para evitar algún tipo de molestia, daño temporal TTS o permanente PTS, sobre las especies observadas[11][12]. Su importancia viene del hecho que una diferencia de 22 dB entre el nivel de ruido submarino emitido por dos fuentes significa que habrá una diferencia aproximada de 30 veces en la distancia mínima a la cual se podrán acercar la nave menos ruidosa a un determinado objeto de conservación, respecto de la distancia a la cual podrá acercarse la embarcación mas ruidosa.

En cuanto a los espectros, las embarcaciones de motor a combustión presentan componentes tonales de baja frecuencia que tienden a coincidir con la frecuencia fundamental y armónicos de las vibraciones mecánicas producidas por los elementos rotatorios del motor. Estas componentes tonales tienden también a coincidir con las rpm de la hélice y las resonancias que se producen en ella producto de la generación de vórtices [13]. Sobre los 500 Hz se observa un espectro continuo el cual se debe principalmente al ruido de cavitación producido por la hélice.

En el espectro de la nave eléctrica, las componentes tonales de baja frecuencia, correspondientes a las vibraciones periódicas del motor y a la razón de giro de la hélice, presentan amplitudes extremadamente bajas. Esto se puede deber a varios motivos. Al ser un motor eléctrico, la gran vibración periódica que implica la combustión no existe; las piezas rotatorias del motor, al ser un motor interno, se encuentran al interior del casco y por último, el diseño moderno del casco permite un flujo de agua alrededor de la hélice menos turbulento, lo que reduce la excitación de resonancias en la hélice producto de los vórtices generados [13].

5. CONCLUSIÓN

Los resultados obtenidos en este estudio muestran que para el tipo de embarcación evaluada, la utilización de botes con motores eléctricos en lugar de los comúnmente utilizados botes con motores de combustión interna, reduce los niveles del ruido submarino emitidos una cantidad que se encuentra entre los 20 dB y 25 dB. Esta reducción en el nivel de ruido emitido, permite a la embarcación eléctrica en caso de ser necesario, alcanzar distancias menores al objeto de conservación observado, distancias que serán entre 22 y 46 veces menores respectivamente a la atenuación alcanzada. Además, permitirán un mayor tiempo de observación de la fauna marina y una mucho menor exposición acumulada de ésta al ruido. Sería muy interesante un estudio comparativo para evaluar el impacto acústico que causaría cada una de estas embarcaciones sobre una determinada especie. [1] IMO MEPC.1/Circ.833: Guidelines for the Reduction of Underwater Noise from Commercial Shipping to Address Adverse Impacts on Marine Life [2] Slabbekoorn, H. et al. A noisy spring: The impact of globally rising underwater sound levels on fish. Trends Ecol. Evol. 25, 419–427, (2010). [3] Nowacek, D. P., Thorne, L. H., Johnston, D. W. & Tyack, P. L. Responses of cetaceans to anthropogenic noise. Mamm. Rev. 37, 81–115, (2007). [4] European Commission. Marine Strategy Framework Directive (MSFD) (2008). [5] EN 60565:2007. Underwater acoustics, Hydrophones, Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1 MHz., 29-30. [6] Marcos Salas, Richard Luco, Hans Ekdahl. Energía Solar para Propulsión de Embarcaciones Fluviales. International Conference IDS2013 – Amazonia, Iquitos, Perú, 2013. [7] ISO/PAS 17208-1:2012: Acoustics – Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships. Part 1: General requirements for measurements in deep water. [8] ANSI/ASA S12.64-2009: Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships. Part 1: General requirements. [9] Richardson, W.J., Greene, C.R., Malme, C.I., Thomson, D.H., 1995. Marine Mammals and Noise. Academic Press, San Diego. [10] MMO: Modelled mapping of continuous underwater noise generated by activities. A report produced for the Marine Management Organisation. MMO Project No: 1097, ISBN: 978-1-909452-87-9, pp. 50, 2015. [11] National Marine Fisheries Service. 2016. Technical Guidance for Assessing the Effects of Anthropogenic Sound on Marine Mammal Hearing: Underwater Acoustic Thresholds for Onset of Permanent and Temporary Threshold Shifts. U.S. Dept. of Commer., NOAA. NOAA Technical Memorandum NMFS-OPR-55, 178 p. [12]National Marine Fisheries Service. 2018. 2018 Revisions to: Technical Guidance for Assessing the Effects of Anthropogenic Sound on Marine Mammal Hearing (Version 2.0): Underwater Thresholds for Onset of Permanent and Temporary Threshold Shifts. U.S. Dept. of Commer., NOAA. NOAA Technical Memorandum NMFS-OPR-59, 167 p. [13] Urick, R. Principles of Underwater Sound. Peninsula Publishing, Third edition, 1996.