Auswertung der Hydroschallmessungen im OWP London Array. Dr. rer. nat. Michael A. Bellmann

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1 Untersuchung und Erprobung von Hydroschalldämpfern (HSD) zur Minderung von Unterwasserschall bei Rammarbeiten für Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen Messstelle nach 26 BImSchG für Geräusche und Erschütterungen Akkreditiertes Prüflaboratorium nach ISO/IEC Akkreditiert durch: Auswertung der Hydroschallmessungen im OWP London Array Telefon (0441) Fax Projekt Nr.: 1918-c-bel (0441) Oldenburg, den 17. Juni 2013 Postanschrift Auftraggeber: Bearbeiter: TU Braunschweig Institut für Grundbau und Bodenmechanik Beethovenstraße 51b D Braunschweig Patrick Remmers, B. Eng. Dr. rer. nat. Michael A. Bellmann Marie-Curie-Straße Oldenburg Geschäftsführer Dr. Manfred Schultz-von-Glahn Dipl. Phys. Hermann Remmers Sitz Marie-Curie-Str Oldenburg Amtsgericht Oldenburg itap GmbH Institut für technische und angewandte Physik GmbH Marie-Curie-Straße 8 D Oldenburg HRB: Bankverbindung Raiffeisenbank Oldenburg Kto.-Nr BLZ: Berichtsumfang: 55 Seiten Version 3

2 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 2 von 55 Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter den Förderkennzeichen gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor/bei den Autoren.

3 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 3 von 55 Änderungsverzeichnis Version Datum Änderung Version Erste Fassung Version Kommentare vom AG eingefügt Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Aufgabenstellung Schalltechnische Grundlagen Pegelgrößen Schallausbreitung in der Nordsee Einfluss des Abstands Einfluss der Wassertiefe Durchführung der Hydroschallmessungen Versuchsaufbau und Messkonzept Verwendetes Schallminderungssystem: Hydro Sound Damper Ablauf der Messungen Auswertung der Wassereigenschaften Auswertungsmethode Ergebnisse zur Messung der Schalldurchgangsdämpfung des Hydro Sound Dampers im akustischen Fernfeld Referenzmessung ohne HSD Einfluss der Bodenbeschaffenheiten und der Eindringtiefe des Pfahls auf den Einzelereignispegel Einfluss der Messhöhe auf den Einzelereignispegel Kodierung der Messpositionen für die graphische Auswertung Einfluss des Abstands und Richtung zum Testpfahl Schallminderung des Hydro Sound Dampers Allgemein Darstellung der Messergebnisse im akustischen Fernfeld Messunsicherheiten und Messvarianz Messunsicherheit Messvarianz Diskussion Frequenzabhängigkeit der Schalldurchgangsdämpfung Mögliche geografische Einflussfaktoren auf die Schalldurchgangsdämpfung des Hydro Sound Dampers Einfluss des Abstands zum Testpfahl auf die Schalldurchgangsdämpfung Einfluss der Hydrophonhöhe auf die Schalldurchgangsdämpfung Einfluss der Richtung zum Testpfahl auf die Schalldurchgangsdämpfung Zusammenfassung Verwendete Literatur... 54

4 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 4 von 55 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Geographische Lage des Offshore Windkraftparks London Array in der Themsemündung südwestlich von Großbritannien (Quelle: 7 Abbildung 2: Lageplan des OWPs London Array mit den drei Teststandorten G10, F04 und F Abbildung 3: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls bei einem Rammschlag in einigen 100 Metern Entfernung Abbildung 4: Schematischer Versuchsaufbau (unmaßstäblich) Abbildung 5: Foto des Installationsschiffes MPI Adventure während das HSD über den Monopile gesetzt wurde Abbildung 6:Lage der verwendeten Messpositionen am jeweiligen Fundamentstandort. Der schwarze Pfeil markiert die Hauptströmungsrichtung Abbildung 7: Autonome abgesetzte Messsysteme der itap GmbH für Unterwasserschallmessungen. oben: Foto; unten: schematische Skizze in Verbindung mit einem OBS- System der Uni Kiel Abbildung 8: Gemessene Wassereigenschaften (Temperatur blau und Schallgeschwindigkeit - grün) während der Hydroschallmessung im OWP London Array Abbildung 9: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten ohne Schallschutz am Pfahl F04 am Messort MP 4 in ca. 750 m Entfernung. Blau: Einzelereignispegel für jeden einzelnen Rammschlag, Rot: Einzelereignispegel über 30 s gemittelt Abbildung 10: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten ohne Schallschutz am Pfahl G10 am Messort MP 4 in ca. 750 m Entfernung. Blau: Einzelereignispegel für jeden einzelnen Rammschlag Abbildung 11: Am Messort MP 4 ermittelte 1/3-Oktavspektren der Perzentilgrößen des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten am Pfahl G Abbildung 12: Am Messort MP 4 ermittelte 1/3-Oktavspektren der der Perzentilgrößen des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten am Pfahl F Abbildung 13: Eindringtiefe der jeweiligen Pfähle über die Rammenergie. Der vergleichbare Bereich der Fundamente F04 und F05, der für die nachfolgende Auswertung verwendet wurde, ist blau hinterlegt Abbildung 14: Eindringtiefe der jeweiligen Pfähle über die Anzahl der Schläge. Der vergleichbare Bereich der Fundamente F04 und F05 ist blau hinterlegt Abbildung 15: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels (blau), gemessen an der Messposition MP 4 (StUK 3 konform in 750 m Abstand mit einer Hydrophon-höhe von 1,0 m über Grund) und der Rammenergie (grün) für die Referenz-messung F04, d.h. ohne Schallminderungssystem. Die zur weiteren Auswertung herangezogenen Einzelereignispegel der Rammschläge sind rot dargestellt Abbildung 16:1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) an der Messposition MP 4 in 750 m Abstand gemessen in zwei unterschiedlichen Hydrophonhöhen: 1,0 m und 7,0 m über Grund Abbildung 17: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) an der Messposition MP 5 in 750 m Abstand gemessen in zwei unterschiedlichen Hydrophonhöhen: 1,0 m und 7,0 m über Grund

5 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 5 von 55 Abbildung 18: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) an der Messposition MP 6 in 750 m Abstand gemessen in zwei unterschiedlichen Hydrophonhöhen: 1,0 m und 7,0 m über Grund Abbildung 19: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) an den Messpositionen MP 4, MP 5 und MP 6 in einem Abstand von 750 m zum Testpfahl. Die Messpositionen liegen jeweils westlich, südlich und östlich des Pfahls Abbildung 20: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) an den Messpositionen MP 1, MP 2 und MP 3 in einem Abstand von m zum Testpfahl. Die Messpositionen liegen auf der jeweils westlich, südlich und östlich des Pfahls Abbildung 21: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzkonfiguration (Fundamentstndort F04 ohne Schallminderungssystem) an den Messpositionen MP 2, MP 5 und MP 8(MP 8 in 7 m Messhöhe) in einem Abstand von 1500 m, 750 m und 250 m südlich zum Testpfahl Abbildung 22: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels (blau), gemessen an der Messposition MP 4 (StUK 3 konform in 750 m Abstand mit einer Hydrophon-höhe von 1,0 m über Grund) und der Rammenergie (grün) für den Standort F05, d.h. mit Schallminderungssystem. Die zur weiteren Auswertung herangezogenen Einzelereignispegel der Rammschläge sind rot dargestellt Abbildung 23: 1/3-Oktavspektren des Einzelereignispegels der Referenzmessung (Fundamentstandort F04 ohne Schallminderungssystem) im Vergleich zur Testkonfiguration mit dem Hydro Sound Damper (Fundamentstandort F05) an einer Messposition (MP 5; 1 m Hydrophonhöhe) Abbildung 24: Zu Abbildung 23 dazugehöriges Differenzspektrum (F05-F04) Abbildung 25: Blau: Differenzspektren aller Messpositionen in 750 m und m Entfernung (MP 1 MP 6) in 1 m Höhe. Rot: Median aller dargestellten Differenzspektren Abbildung 26: Differenzspektren beider Messpositionen in östlicher Richtung (Schallausbreitung mit der Strömung) in 1 m Höhe. Blau: MP 6 in 750 m Entfernung, grün: MP 3 in 1500 m Entfernung und rot: Median beider dargestellten Differenzspektren Abbildung 27: Differenzspektren aller Messpositionen in südlicher Richtung (Schallausbreitung senkrecht zur Strömung) in 1 m Höhe. Grau: MP 8 in 250 m Entfernung (Hinweis: Aufgrund unvollständiger Datenlage konnten nur die Werte aus 1 m Höhe mit dem aus 7 m Höhe verglichen werden), blau: MP 5 in 750 m Entfernung, grün: MP 2 in 1500 m Entfernung und rot: Median der dargestellten Differenzspektren in 1500 m und 750 m Entfernung Abbildung 28: Differenzspektren beider Messpositionen in westlicher Richtung (Schallausbreitung gegen die Strömung)in 1 m Höhe. Blau: MP 4 in 750 m Entfernung, grün: MP 1 in 1500 m Entfernung und rot: Median beider dargestellten Differenzspektren Abbildung 29: Differenzspektren des Einzelereignispegels an der Messposition MP 6 (Schallausbreitung mit der Strömung) in 1 m Höhe. Die roten Kreise markieren die Resonanzfrequenzen der HSD- Elemente Abbildung 30: Zeitliche Verläufe des Schalldruckes während eines Rammimpulses in mehreren hundert Metern Entfernung zum Rammort. Links ohne Schallschutzsystem und

6 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 6 von 55 rechts: bei Verwendung des Hydro Sound Dampers. Die Amplituden des Preblows sind rot dargestellt Abbildung 31: Differenzen zwischen der m Position minus der 750 m Position der erzielten Dämpfungen in 1/3-Oktaven in dem Frequenzbereich 125 Hz bis 4 khz. Magenta: MP 2 MP 5 (Messpositionen in südlicher Richtung), cyan: MP 1 MP 4 (Messpositionen in westlicher Richtung) und schwarz: MP 3 MP 6 (Messpositionen in östlicher Richtung) Abbildung 32: Differenzen der erzielten Dämpfungen des Einzelereignispegels in 1/3- Oktaven an allen Messpositionen der Messhöhen in 1 m Höhe minus 7 m Höhe in dem Frequenzbereich 125 Hz bis 4 khz Abbildung 33:Mediane der Differenzspektren des Einzelereignispegels(frequenzaufgelöste Durchgangsdämpfung) über alle Messpositionen in jeder erfassten Himmelsrichtung.. 51 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Spezifikationen der drei gewählten Monopiles für die Anwendung des HSD Systems Tabelle 2: Liste der verwendeten Geräte Tabelle 3: Liste der verwendeten Messpositionen inkl. des Abstandes zum Pfahl Tabelle 4: Positionen und Messzeiträume Tabelle 5: Überblick über die erfolgten Hydroschall-Messungen Tabelle 6: Kodierung der graphisch dargestellten Ergebnisse nach Hydrophonhöhe, Abstand und Kondition: Referenz/HSD Tabelle 7: Übersicht der breitbandigen Einzelereignispegel an den jeweiligen Messpositionen

7 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 7 von Einleitung und Aufgabenstellung Die TU Braunschweig, Institut für Grundbau und Bodenmechanik, in Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Karl-Heinz Elmer (OffNoise-Solutions GmbH) haben ein neuartiges Schallminderungssystem, Hydro Sound Damper (dt. Hydroschalldämpfer - HSD) genannt, für schallintensive Arbeiten zum Errichten von Fundamentstrukturen bei Offshore-Windenergieanlagen (WEA) mittels Impulsrammverfahren entwickelt. Im Rahmen des Forschungsprojekts: Untersuchung und Erprobung von Hydroschalldämpfern (HSD) zur Minderung von Unterwasserschall bei Rammarbeiten für Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen soll dieses neuartige Schallminderungskonzept (HSD) für einen sicheren, praktisch handhabbaren und wirtschaftlich darstellbaren Schallschutz beim Bau von gerammten Offshore-Windenergieanlagen unter realen Offshore-Bedingungen an zwei unterschiedlichen Standorten weiterentwickelt und getestet werden. Die erste Erprobung dieser Weiterentwicklung unter Offshore-Bedingungen wurden im Offshore Windpark (OWP) London Array durchgeführt, Abbildung 1. Abbildung 1: Geographische Lage des Offshore Windkraftparks London Array in der Themsemündung südwestlich von Großbritannien (Quelle:

8 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 8 von 55 Im Fokus der ersten Messkampagne stand die technische Optimierung des HSD-Systems hinsichtlich eines praktikablen und offshore-tauglichen Schallschutzsystems, das sich ohne große zeitliche Restriktionen in den realen Errichterprozess einbinden lässt. Der OWP London Array befindet sich ca. 20 km nordwestlich vor Kent in der Themsemündung, Abbildung 1. Die Wassertiefe beträgt in diesem Gebiet zwischen 7,0 m und 27,0 m. Die Fundamente für die geplanten 175 Windenergieanlagen bestehen aus Monopile- Strukturen, die mittels Impulsrammverfahren gegründet werden. Die Pfähle besitzen jeweils einen Durchmesser von 5,7 m. In der Abbildung 2 ist ein detaillierter Lageplan der Anlagen und der Teststandorte dargestellt. Abbildung 2: Lageplan des OWPs London Array mit den drei Teststandorten G10, F04 und F05. Die itap - Institut für technische und angewandte Physik GmbH ist von der TU Braunschweig beauftragt worden, im Rahmen des 1. Offshore-Tests Unterwasserschallmessungen (Hydroschall) bei der Gründung von drei Monopiles (d.h. drei Fundamenten) mittels Rammverfahren mit und ohne der o.g. neuartigen Schallschutzmaßnahme Hydro Sound Damper (HSD) durchzuführen. Dazu gehörte ebenfalls die Entwicklung eines entsprechenden Mess- und Auswertungskonzepts zur Evaluation der Wirksamkeit hinsichtlich der Schallminderung des eingesetzten Schallschutzsystems. Die Messungen und die Auswertung der Unterwasserschallimmissionen sollten dabei in Anlehnung an das bestehende Standarduntersuchungskonzept (StUK 3, 2007) und der Messvorschrift zur Durchführung von Hydroschallmessungen des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH, 2011) durchgeführt werden.

9 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 9 von Schalltechnische Grundlagen Schall ist eine rasche, oft periodische Schwankung des Drucks, die dem Umgebungsdruck (im Wasser also dem hydrostatischen Druck) additiv überlagert ist. Damit einher geht eine Hinund-Her-Bewegung der Wasserteilchen, die üblicherweise durch deren Geschwindigkeit, der sogenannten Schallschnelle v (engl. particle velocity), beschrieben wird. Die Schallschnelle kennzeichnet die Wechselgeschwindigkeit, mit der ein Teilchen um seine Ruhelage in einem Medium schwingt. Die Schallschnelle ist nicht mit der Schallgeschwindigkeit c Wasser, also der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles in einem Medium zu verwechseln, die in der Regel bei Wasser im Bereich von c Wasser = 1500 m/s liegt. I. d. R. ist die Schallschnelle v deutlich kleiner als die Schallgeschwindigkeit c. Schalldruck p und Schallschnelle v sind über die akustische Kennimpedanz Z, die den Wellenwiderstand des Mediums charakterisiert, folgendermaßen verknüpft: p Z = Formel 1 v Im akustischen Fernfeld, d. h. in einigem Abstand (frequenzabhängig) von der Schallquelle, ist die Impedanz gegeben durch: mit ρ - Dichte des Mediums. Z = ρc Formel 2 Für eine Schalldruckamplitude von beispielsweise 1 Pa (entspricht bei einem sinusförmigen Signal einem Schalldruckpegel von 117 db re 1 µpa bzw. einem Spitzenpegel von 120 db re 1 µpa, siehe Kapitel 2.1) erhält man daraus für die Schallschnelle in Wasser einen Wert von ca. 0,7 µm/s. 2.1 Pegelgrößen In der Akustik wird die Intensität von Geräuschen in der Regel nicht direkt durch die Messgröße Schalldruck (oder Schallschnelle) beschrieben, sondern durch den aus der Nachrichtentechnik bekannten Pegel in db (Dezibel). Allerdings gibt es verschiedene Schallpegelgrößen. Für die vorliegende Untersuchung im Zusammenhang mit der StUK3 sind folgende Pegelgrößen von Bedeutung: (Energie-) Äquivalenter Dauerschallpegel L eq Einzelereignispegel L E (identisch mit dem Sound Exposure Level SEL) Spitzenpegel L peak

10 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 10 von 55 Der L eq und der L E bzw. SEL können sowohl frequenzunabhängig angegeben werden, d. h. als breitbandige Einzahlwerte, als auch frequenzaufgelöst, z. B. in 1/3-Oktavbändern (Terzspektrum). Im Folgenden werden die o. g. Pegelgrößen kurz beschrieben. (Energie-) Äquivalenter Dauerschallpegel L eq Der L eq ist die gebräuchlichste Messgröße in der Akustik und ist definiert als L mit p(t) - zeitlich verändernder Schalldruck p 0 T eq T 2 1 p( t) = 10 log dt [db] Formel 3 2 T p der Bezugsschalldruck (bei Unterwasserschall 1 µpa) - die Mittelungszeit. In Worten bedeutet Formel 3: Quadriere die beobachteten zeitlich veränderbaren Schalldrücke p(t), bilde den Mittelwert über die Zeit T und teile durch den quadrierten Bezugsschalldruck p 2 0 (energetische Mittelung). Der mit 10 multiplizierte Logarithmus von diesem Wert ist der energieäquivalente Dauerschallpegel L eq in db. Einzelereignispegel L E bzw. SEL Zur Charakterisierung von Rammgeräuschen ist der L eq allein kein ausreichendes Maß, da er nicht nur von der Stärke der Rammschläge abhängt, sondern auch von der Mittelungszeit und von den Pausen zwischen den Rammschlägen. Besser geeignet ist der Einzelereignispegel L E bzw. engl. Sound Exposure Level - SEL (im deutschen Sprachraum wird vorwiegend der Einzelereignispegel L E verwendet), der folgendermaßen definiert ist: T = p( t) SEL 10log dt [db] Formel 4 2 T0 T p 1 0 mit T 1 und T 2 T 0 - Anfangs- bzw. Endzeit der Mittelungen (sind so zu wählen, dass das Schallereignis zwischen T 1 und T 2 liegt, Abbildung 3) - Bezugswert 1 Sekunde

11 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 11 von 55 Der Einzelereignispegel eines Schallimpulses (Rammschlag) ist damit der Pegel (L eq ) eines kontinuierlichen Schalls von 1 s Dauer und der gleichen Schallenergie wie der Impuls. Der SEL bzw. L E ist schwieriger direkt zu messen als der L eq, die beiden Größen können jedoch einfach ineinander umgerechnet werden: eq 10 L ( hg ) L nt0 SEL = 10 log log [db] Formel 5 T mit n T 0 L hg - Anzahl der Schallereignisse, also der Rammschläge, innerhalb der Zeit T - 1 s - Stör- bzw. Hintergrundpegel zwischen den einzelnen Rammschlägen Die Formel 5 liefert somit aus einer L eq -Messung den mittleren Einzelereignispegel SEL bzw. L E von n Schallereignissen (Rammschlägen). Im Falle, dass der Hintergrundpegel zwischen den Rammschlägen deutlich geringer als der Rammschall ist (z. B. > 10 db), kann mit hinreichender Genauigkeit mit einer Vereinfachung von Formel 5 folgendermaßen gerechnet werden: nt0 SEL Leq 10 log [db] Formel 6 T Spitzenpegel L peak Diese Größe ist ein Maß für Schalldruckspitzen. Im Gegensatz zu L eq und L E bzw. SEL gibt es keine Mittelwertbildung: p peak L = 20log peak [db] Formel 7 p0 mit p peak - maximal festgestellter positiver oder negativer Schalldruck Ein Beispiel ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Spitzenpegel L peak ist stets höher als der Einzelereignispegel. In der Regel beträgt der Unterschied zwischen dem L peak und dem SEL bei Rammarbeiten 20 db bis 25 db. (z.b. Nehls & Betke, 2011). Eine Definition des Peakto-Peak Wertes ist ebenfalls in der Abbildung 3 dargestellt. Im Falle dass der Überdruck gleich dem Unterdruck ist, entspricht der Unterschied zwischen dem L peak und dem L peak-to-peak 6 db. Aus Messungen der letzten Jahre zeigt sich, dass der Unterschied zwischen beiden Kenngrößen i.d.r. etwas kleiner als 6 db ist (z.b. Bellmann & Gerke, 2012)

12 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 12 von 55 Abbildung 3: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls bei einem Rammschlag in einigen 100 Metern Entfernung. 2.2 Schallausbreitung in der Nordsee Einfluss des Abstands Für überschlägige Rechnungen kann angenommen werden, dass der Schalldruck mit der Entfernung nach einem einfachen Potenzgesetz abnimmt. Der Pegel in db verringert sich dann um: r TL = k log 2 [db] Formel 8 r 1 mit r 1 und r 2 - Entfernung zur Schallquelle vergrößert sich von r 1 auf r 2 TL - Durchgangsdämpfung; engl. Transmission Loss k - Konstante (für die Nordsee kann k = 15 angesetzt werden, für die Ostsee wird für grobe Abschätzungen ebenfalls k = 15 angesetzt) Häufig wird die Durchgangsdämpfung bzw. TL für einen Abstand r 1 = 1 m (fiktiver Abstand zur punktförmig gedachten Quelle) angegeben. Die daraus zu berechnende Schallleistung eines Rammschlages in 1 m Entfernung wird oftmals auch als Quellpegel bezeichnet. Formel 8 vereinfacht sich dann zu TL = k log (r/meter). Diese einfache Rechnung berücksichtigt allerdings nicht, dass die Abnahme des Schalldrucks mit der Entfernung auch von der Frequenz abhängt. Zusätzlich ist zu beachten, dass die o. g. Formel nur für das Fernfeld eines akustischen Signals gilt, d. h. in einigem Abstand (frequenzabhängig) von der Quelle.

13 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 13 von 55 In Luft liegt die Grenze zwischen akustischem Nah- und Fernfeld frequenzabhängig bei ca. 2λ (2λ Wellenlänge; frequenzabhängig). Für Unterwasserschall bei Rammungen von Windenergieanlagen existieren keine detaillierten Studien von Nah- und Fernfeld. Es ist zu erwarten, dass die Grenze zwischen Nah- und Fernfeld im Bereich 2λ bis 10λ liegen wird. Zusätzlich macht sich bei Abständen von einigen Kilometern die Absorption im Wasser bemerkbar und bewirkt eine weitere Verringerung des Schalldrucks. Des Weiteren hat bei solch großen Entfernungen das Wetter einen Einfluss auf den Schallpegel im Wasser; bei starkem Wind und Seegang ist der Schalldruckpegel niedriger. Dies liegt an der größeren Oberflächenrauigkeit des Meeres und vor allem an dem erhöhten Lufteintrag durch Wellenschlag in die obere Meeresschicht. Von Thiele und Schellstede (1980) sind Näherungsformeln zur Berechnung der Schallausbreitung für verschiedene Gebiete der Nordsee sowie für glatte und für raue See veröffentlicht. Die nachfolgende Formel gilt für glatte See: 2 TL = ( F)(log( R) + 3) + ( F F ) R [db] Formel 9 mit F R = 10 log(f/[khz]) Abstand Strenggenommen gelten die Zusammenhänge aus Formel 9 nur für winterliche Bedingungen mit guter Durchmischung des Wassers ohne ausgeprägtes Schallgeschwindigkeitsprofil in der Nordsee (deutsche Bucht). Es ist jedoch davon auszugehen, dass eine vollständige Durchmischung des Wassers, sowie kein ausgeprägtes Schallgeschwindigkeitsprofil zum Zeitpunkt der Messungen im Untersuchungsgebiet vorlagen (Kapitel 3.4) Einfluss der Wassertiefe Die Schallausbreitung im Meer wird ebenfalls von der Wassertiefe beeinflusst. Unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz ist keine kontinuierliche Schallausbreitung möglich; je flacher das Gewässer umso höher ist diese Frequenz. In 6,0 m bis 30,0 m tiefen Wasser liegt die Grenzfrequenz f g je nach Sedimenttyp in der Größenordnung zwischen ca. 30 Hz und 130 Hz. Schall in der Nähe der Grenzfrequenz wird mit wachsender Entfernung zur Schallquelle stärker abgeschwächt bzw. gedämpft als z. B. durch Formel 9 berechnet. Anhand der Formel 10 kann die untere Grenzfrequenz annähernd bestimmt werden, bei der eine Ausbreitung von Schall im Wasser gewährleistet ist.

14 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 14 von 55 cwasser 1 f g [Hz] Formel Wassertiefe c Wasser 1 csediment Mit c Ausbreitungsgeschwindigkeit [m/s].

15 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 15 von Durchführung der Hydroschallmessungen 3.1 Versuchsaufbau und Messkonzept Für die Versuchsreihe innerhalb des OWPs London Array sind drei unterschiedliche Fundamentstandorte (Monopile an den Fundamentstandorten: G10, F04 und F05, siehe Abbildung 2) verwendet worden. Hierbei wurden während der Rammarbeiten an den Standorten G10 und F04 Hydroschallmessungen ohne das Schallminderungssystem (im Folgenden als Referenz bezeichnet) und am Standort F05 bei Verwendung des Hydro Sound Dampers durchgeführt. Auf die Auswahl der Standorte besaß weder die TU Braunschweig noch die itap GmbH einen Einfluss. In der nachfolgenden Tabelle sind die Spezifikationen der drei Monopiles inkl. Wassertiefe zusammengefasst. Tabelle 1: Spezifikationen der drei gewählten Monopiles für die Anwendung des HSD Systems. Pfahl HSD Durchmesser [m] Länge [m] Wandstärke [mm] Wassertiefe [m] G10 Nein 4,70 5,70 63, F04 Nein 4,70 5,70 58, F05 Ja 4,70 5,70 59, Alle Monopiles sind mittels eines neu entwickelten Aufrichtungsverfahrens in ein sogenanntes Pile-Guiding-Frame (PGF) gestellt worden. Die Einbringung der Pfähle in das Sediment erfolgte mit einer Freifall-Ramme des Typs MENCK Rammbär MHU 1900S. Im Falle des Fundaments F05 wurden zunächst so viele Rammschläge auf den Monopile ausgeübt, dass dieser auch ohne PGF kurzzeitig standsicher war. Der Grund liegt darin, dass das Schallminderungssystem Hydro Sound Damper in der derzeitigen Ausführung noch über den Mononpile gehoben werden musste, was eine kurzzeitige Öffnung des PGFs erforderte. Anschließend wurde das PGF wieder mit dem Monopile verbunden. Anschließend wurde die Ramme wieder auf den Pfahl gesetzt. Die verwendete Ramme besitzt eine maximale Schlagenergie bzw. Betriebsleistung von kj. Die Installationsarbeiten erfolgten vom Bord des Errichterschiffes MPI Adventure aus, Abbildung 5. Die Unterwasserschallmessungen sind in Abstimmung mit der TU Braunschweig an sieben verschiedenen Messpositionen in maximal drei unterschiedlichen Abständen zum jeweiligen Testpfahl von der itap GmbH durchgeführt worden, Abbildung 6 und Tabelle 3. Ein Messsystem befand sich in ca. 250 m sowie jeweils drei Stück in 750 m und m Entfernung zum jeweiligen Testpfahl. Hierbei befanden sich jeweils zwei Messsysteme in Strömungsrichtung und ein Messsystem 90 zur Strömungsrichtung in einer Entfernung von 750 m und 1500 m.

16 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 16 von 55 Abbildung 4: Schematischer Versuchsaufbau (unmaßstäblich). Abbildung 5: Foto des Installationsschiffes MPI Adventure während das HSD über den Monopile gesetzt wurde.

17 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 17 von 55 Es sind für alle sieben Messpositionen autonome abgesetzte Messsysteme der itap GmbH verwendet worden. Die abgesetzten Messsysteme besitzen jeweils zwei Hydrophone (Unterwassermikrophone), die mit jeweils einem Auftriebskörper in etwa 1,0 m und 7,0 m Höhe über dem Meeresboden (Sediment) positioniert worden sind (Abbildung 4). Die TU Braunschweig hat ebenfalls Hydroschallmessungen von Bord der MPI Adventure zeitgleich zu den Messungen der itap GmbH mit eigenen Messsystemen in Abständen von 18 m bis ca. 60 m durchgeführt. Diese Messungen dienen der detaillierten Untersuchung der Wirkungsweise der eingesetzten HSD-Elemente und können für mögliche Optimierung des Hydro Sound Dampers bei einer späteren Anwendung hilfreich sein. Hierbei wurde ebenfalls ein zusätzliches Messsystem der itap GmbH von der TU Braunschweig verwendet. Die Messelektronik befindet sich bei den itap-eigenen Messsystemen in einem Stahlgehäuse, das gleichzeitig auch als Gewichtsanker dient. Zusätzlich wurden an dem Stahlgehäuse ein Seil inkl. Ankerkette und Anker zur Fixierung am Meeresboden verwendet. Zur Markierung der Messposition wurden alle Systeme über ein Seil mit einer Markierungsboje inkl. Beleuchtung versehen. Bei allen Messsystemen in 250 m, 750 m und 1500 m Entfernung wurden die Zeitsignale der Unterwassergeräusche (Hydroschall) in einem unkomprimierten Datenformat (PCM WAVE 24- Bit) aufgezeichnet, die später an Land ausgewertet wurden. Das Messsystem auf der MPI Adventure zeichnete im MP3-Format auf. Die Zeitsignale der beiden Hydrophone pro Messsystem sind dabei zeitsynchron. Die Messsysteme an den unterschiedlichen Messpositionen wurden lediglich mittels einer Uhr relativ zueinander zeitlich abgestimmt. Die Messsysteme im akustischen Fernfeld wurden mit einem eigenen Schiff (Reykjanes) für jede Testlokation von Mitarbeitern der itap GmbH ausgelegt und geborgen. Nach jedem Einsatz wurden die Messsysteme gewartet und die Datensätze gesichert. An drei der sieben Messpositionen (MP 2, MP 5 und MP 8) wurden zusätzlich Messsysteme der Uni Kiel (Erschütterungsmesssysteme) mittels einer 50 m langen Leine installiert. Diese Systeme (OBS genannt) dienten zur Aufzeichnung der Sedimentbewegungen und beinhalteten auch ein einkanaliges Hydroschallmesssystem. In der Tabelle 2 sind sämtliche eingesetzte Messgeräte der itap GmbH zusammengefasst. Die Positionen der Messsysteme sind in Abbildung 6 und in Tabelle 3 dargestellt.

18 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 18 von 55 Tabelle 2: Liste der verwendeten Geräte. Gerät Hersteller Wichtige technische Daten/Anzahl Bemerkung Frequenzbereich: 10 Hz 20 khz Autonomes Unterwassermesssystem itap Aufnahmekapazität: unkomprimiert WAVE 24 bit: ca. 33 Stunden 10 Stk Empfindlichkeit: ca. 0,5 pc/pa Hydrophon TC 4033 RESON (MP 1 MP 10) Anzahl: 18 Empfindlichkeit: ca. 0,12 pc/pa Hydrophon TC 4013 RESON Anzahl: 3 Leistungsverstärker itap 0,1 mv/pc In Verbindung mit allen Hydrophonen Kalibrierquelle itap Sinussignal: 1 khz, 100 pc rms Für TC 4033 Druckkammer itap Frequenzbereich: Hz db re 1µPa einstellbar Mikrofon-Kalibrator 4231 Bruel & Kjær Mikrofon 4189 und Ververstärker 2671 als Referenz in Druckkammer Bruel & Kjær Kalibrierung von Hydrophonen und Messsystemen im Labor Signal Analyzer 35670a Hewlett- Packard

19 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 19 von Lat / decimal degrees m 750 m MP 4 MP 1 MP 3 G10 MP 6 MP 8 MP 5 MP Lon / decimal degrees 51.6 Lat / decimal degrees m 750 m MP 4 MP 1 MP 3 F04 MP 6 MP 8 MP 5 MP Lon / decimal degrees Lat / decimal degrees m MP m MP 4 F05 MP 6 MP 8 MP 5 MP 3 MP Lon / decimal degrees Abbildung 6: Lage der verwendeten Messpositionen am jeweiligen Fundamentstandort. Der schwarze Pfeil markiert die Hauptströmungsrichtung.

20 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 20 von 55 Abbildung 7: Autonome abgesetzte Messsysteme der itap GmbH für Unterwasserschallmessungen. oben: Foto; unten: schematische Skizze in Verbindung mit einem OBS-System der Uni Kiel. Es ist zunächst geplant gewesen, an 10 Messpositionen zu messen; jeweils in drei Raumrichtungen in Abständen von 250 m, 750 m und m zum jeweiligen Testpfahl zzgl. einer Messposition direkt von der MPI Adventure. Zwei der drei geplanten Messpositionen in einem Abstand von 250 m von dem jeweiligen Testpfahl wurden kurz vor den Versuchen aus Sicherheitsgründen von der MPI Adventure nicht zugelassen. Aus diesem Grund waren alle neun Messsysteme an Bord der Reykjanes, jedoch nur sieben sind zum Einsatz gekommen.

21 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 21 von 55 Tabelle 3: Liste der verwendeten Messpositionen inkl. des Abstandes zum Pfahl. Nr. Messposition Abstand zum Pfahl [m] Koordinaten (Grad/Min/Dez.-Sek) Hydrophonhöhe über Grund [m] 1 MP MP MP MP MP MP Nicht 7 MP 7 verwendet 8 MP Nicht 9 MP 9 verwendet G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: LAT LON F05: LAT LON F04: LAT LON G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7 G10: 1 & 7 F05: 1 & 7 F04: 1 & 7

22 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 22 von Verwendetes Schallminderungssystem: Hydro Sound Damper Im Rahmen des ersten Offshore-Tests dieses Forschungsvorhabens im OWP London Array ist ein weiterentwickelter Prototyp des Hydro Sound Dampers (HSD) als Schallminderungssystem verwendet worden. Dieser wurde durch die TU Braunschweig in Abstimmung mit der bauausführenden Firma ABJV konstruiert. Dieser Prototyp ist direkt auf die Randbedingungen des o.g. OWPs in den Punkten Wassertiefe, Fundamentart (Monopiles), Pfahldurchmesser und Handling des Hydro Sound Dampers auf dem Errichterschiff (MPI Adventure) abgestimmt worden. Der Hydro Sound Damper bestand aus einem kreisförmigen Schwimmkörper und einem kreisförmigen Ballastring. Zwischen diesen beiden Konstruktionen befindet sich ein Netz, an dem unterschiedliche Schaumstoffelemente (HSD-Elemente) in vier unterschiedlichen Größen montiert sind. Jedes HSD-Element ist dabei auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt. Das gesamte System (Ballastringe, Netze und HSD Elemente, sowie Auftriebskörper) kann für den Transport, sowie die Mobilisierung und Demobilisierung mittels Windensystemen teleskopartig ineinander gefahren werden. 3.3 Ablauf der Messungen Die Ausbringung und Bergung der Messsysteme erfolgte von der Reykjanes aus. Die Installation des Hydro Sound Dampers am Pfahl F05 erfolgte problemlos und dauerte insgesamt 1,5 Stunden. Während der Rammarbeiten an den Pfählen F04 und G10 war kein Schallschutzsystem im Einsatz. Die genauen Positionen und Messzeiträume sind der folgenden Tabelle 4 zu entnehmen. Eine Zusammenfassung aller erfolgten Hydroschallmessungen befindet sich in Tabelle 5. Aufgrund von technischen Ausfällen konnten beim Pfahl G10 an der Messposition MP 5 (beide Kanäle) keine Daten aufgezeichnet werden. An der Messposition MP 8 führten technische Probleme zum Fehlen der Daten am Pfahl F04 in 1 m über Grund und an den Pfählen G10 und F05 in 7 m über Grund. Somit stehen für die nachfolgende Auswertung 43 Datensätze, gemessen im akustischen Fernfeld, und ein Datensatz, gemessen von der MPI Adventure (Nahfeld, 30 m Entfernung), zur Verfügung.

23 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 23 von 55 Tabelle 4: Abstände der Messposition zum Fundamentstandort und Messzeiträume. G10 F04 F05 Messort Abstand Zeitraum Abstand Zeitraum Abstand Zeitraum [m] [UTC] [m] [UTC] [m] [UTC] MP :58 Uhr :18 Uhr :03 Uhr :07 Uhr :08 Uhr :57 Uhr MP :48 Uhr :48 Uhr :49 Uhr :27 Uhr :47 Uhr :13 Uhr MP :41 Uhr :41 Uhr :13 Uhr :36 Uhr :44 Uhr :34 Uhr MP :19 Uhr :10 Uhr :30 Uhr :14 Uhr :28 Uhr :43 Uhr MP :04 Uhr :04 Uhr :14 Uhr :29 Uhr :07 Uhr :00 Uhr MP :26 Uhr :26 Uhr :17 Uhr :21 Uhr :30 Uhr :10 Uhr MP :20 Uhr :21 Uhr :30 Uhr :37 Uhr :21 Uhr :23 Uhr MP Messung erfolgte ohne Unterbrechung :00 Uhr bis zum :15 Uhr Tabelle 5: Überblick über die erfolgten Hydroschallmessungen. Messposition Datenbestand der erfolgten Messung und Messausfälle Messhöhe 1 m über Grund Messhöhe 7 m über Grund MP 1 OK OK MP 2 OK OK MP 3 OK OK MP 4 OK OK Technischer Defekt bei G10, Technischer Defekt bei G10, MP 5 FO4 und F05 OK FO4 und F05 OK MP 6 OK OK MP 7 OK OK MP 8 Technischer Defekt bei F04, FO5 und G10 OK Technischer Defekt bei F05 und G10, FO4 OK MP 10 OK Nicht gemessen

24 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 24 von Auswertung der Wassereigenschaften Am wurden mithilfe einer CTD-Sonde die Wassereigenschaften Temperatur, Salzgehalt und Schallgeschwindigkeit vertikal über der Wassertiefe in einem Abstand von je 0,5 m gemessen. Diese Messung diente der Bestimmung der Wasserbedingungen während der Hydroschallmessungen. In Abbildung 8 sind die Temperatur und die Schallgeschwindigkeit als Funktion der Wassertiefe dargestellt. Die Eigenschaften des Wassers wurden jeweils im Abstand von 0,5 m Wassertiefe beim Herunterlassen und beim Einholen der CTD-Sonde gemessen. Aus Abbildung 8 ist zu entnehmen, dass sich sowohl die Temperatur als auch die Schallgeschwindigkeit über die Wassertiefe von 16 m kaum verändert. Die Schallgeschwindigkeit steigt leicht um 0,2 m/s auf 1.513,8 m/s am Boden an. Dies liegt im Bereich der Sensormessgenauigkeit, so dass von einer konstanten Schallgeschwindigkeit über der Wassersäule ausgegangen werden kann. Die Temperatur ist konstant bei ca. 17,6 C über die gesamte Wassersäule. Der Salzgehalt ist nicht dargestellt, bleibt jedoch ebenfalls über die gesamte Wassertiefe relativ konstant. Dies ist insbesondere für die Schallabstrahlung des Pfahles und die Schallausbreitung von Bedeutung, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Wasser auch vom Salzgehalt abhängig ist. Es sind keine Hinweise für die Ausbildung von Temperatur- oder Salzschichtungen in der Wassersäule zu messen. Aufgrund der Wetterlage am bis zum ist davon auszugehen, dass die Nordsee zum Zeitpunkt der Messungen gut durchmischt war und es keinerlei auffällige Wasserschichtungen gab. 3.5 Auswertungsmethode Die Hydrophon-Signale der Messpositionen MP 1 bis MP 8 liegen als 24-Bit WAV-Dateien (Zeitsignale) vor. An der Messposition MP 10 wurde im MP3-Format gemessen. Die Messdaten dieser Messung (MP 10) wurden von der TU Braunschweig für interne Zwecke verwendet und werden im Folgenden nicht näher betrachtet, da diese Messung der Optimierung der HSD-Elemente dient und nicht der Evaluierung der Schallminderung. Die Samplingfrequenz aller eingesetzten Messsysteme betrug f S = 44,1 khz. Durch eine Hochpassfilterung (Grenzfrequenz 20 Hz, Butterworth-Filter 6. Ordnung) wurden die typischen durch Wind und ggfs. Wellenschlag erzeugten tieffrequenten Signalanteile bei den Hydrophon-Signalen abgeschwächt.

25 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 25 von Temperatur / C Schallgeschwindigkeit / m/s Wassertiefe /m Abbildung 8: Gemessene Wassereigenschaften (Temperatur blau und Schallgeschwindigkeit - grün) während der Hydroschallmessung im OWP London Array. Zur Auswertung wurde zunächst der energieäquivalente Dauerschallpegel L eq über jeweils 30 s nach Formel 3 bestimmt. Daraus erfolgte die Berechnung der Einzelereignispegel nach Formel 6. Diese Größe stellt den Mittelwert des Einzelereignispegels über 30 s dar. Diese Vorgehensweise ist i. d. R. möglich, da die Störgeräusche zwischen den einzelnen Rammschlägen um mindesten 30 db leiser waren als die Rammimpulse. Für eine detailliertere Darstellung der Rammschallimmissionen wurde der Einzelereignispegel für jeden Rammschlag nach Formel 4 bestimmt. Eine frequenzabhängige Analyse der Messdaten erfolgte mittels 1/3-Oktav Bandpassfilter nach dem IEC 1260:1995 Standard.

26 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 26 von 55 Für die Darstellung der Ergebnisse werden die 1/3-Oktavspektren auf den Frequenzbereich von 12,5 Hz bis 16 khz beschränkt 1. Zur Dokumentation werden die folgenden Kenngrößen in Anlehnung an die Messvorschrift des BSHs (2011) [11] aufgeführt: L eq,30s = energetischer Mittelwert über 30 Sekunden L 90,30s = 30-Sekunden Perzentilpegel, der bei 90 % der Messungen über den betrachten Zeitraum überschritten wird. L 50,30s = 30-Sekunden Perzentilpegel, der bei 50 % der Messungen über den betrachten Zeitraum überschritten wird. L 05,30s = 30-Sekunden Perzentilpegel, der bei 5 % der Messungen über den betrachten Zeitraum überschritten wird. Sämtliche mathematischen Operationen sind mittels eines im itap entwickelten Programms für Matlab von Mathworks durchgeführt worden. Das Programm wurde mithilfe eines Spektrum-Analysators (HP35670a Dynamic Signal Analyzer) verifiziert. Die Bildung des L eq erfolgt gemäß DIN Alle dargestellten Perzentilgrößen werden analog zur in der VDI 3723, Blatt 1 beschriebenen Vorgehensweise gebildet. 1 Aufgrund der gewählten Abtastrate (Samplingfrequenz) bei der Aufnahme von 44,1 khz ist eine Darstellung der 1/3-Oktave von 20 khz nicht mehr möglich.

27 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 27 von Ergebnisse zur Messung der Schalldurchgangsdämpfung des Hydro Sound Dampers im akustischen Fernfeld Es wurden die Daten von MP 1 bis MP 8 (akustisches Fernfeld) ausgewertet und dargestellt, da mit diesen Messungen die schallmindernde Wirkung des Hydro Sound Dampers evaluiert werden kann. Die in diesem Bericht aufgeführten Messergebnisse dienen zur Darstellung der schallmindernden Wirksamkeit des eingesetzten Hydro Sound Dampers. An den Messpositionen MP 1 bis MP 8 konnten die Hydroschallimmissionen mit und ohne Verwendung des Schallschutzsystems aufgezeichnet werden. Lediglich für die Messposition MP 8 können die Daten aus 1 m Hydrophonhöhe nur mit denen aus 7 m verglichen werden. Im Kapitel 4.1 werden zunächst die Unterschiede zwischen den beiden Referenzmessungen am Pfahl G10 und F04 gezeigt. Zusätzlich werden die Einflüsse der Bodenbeschaffenheiten, sowie der Abstand und die Richtung zum Pfahl auf den Einzelereignispegel untersucht. Im Kapitel 4.2 wird die (Schall-) Durchgangsdämpfung bzw. Einfügungsdämpfung, die in der Regel zur Charakterisierung der Wirksamkeit eines Schallminderungssystems verwendet wird, dargestellt. Das Kapitel 4.3 beschäftigt sich mit der Messunsicherheit und Toleranz aller durchgeführten Messungen. 4.1 Referenzmessung ohne HSD Rammschläge ohne den Einsatz eines Schallminderungssystems werden in der Regel als Referenzmessung bezeichnet. Im Verlauf des Offshore-Tests im Baufeld des OWPs London Array wurden die Schallimmissionen während der Rammarbeiten an den Pfählen F04 und G10 ohne Verwendung eines Schallschutzsystems erfasst. Der Pfahl G10 wurde in einer Wassertiefe von ca. 25 m installiert und der Pfahl F04 in Wassertiefe von ca. 13 m. Weitere Unterschiede ergeben sich in den Bodenprofilen. Am Pfahl G10 befindet sich in ca. 4 m Tiefe unter einer Sand- und Selitschicht eine Tonschicht, während am Standort F04 unter einer 9 m tiefen Sandschicht eine Selitschicht bis in 14 m Tiefe ragt. Ab 14 m Tiefe folgt eine Tonschicht. Da die Wassertiefe und die Bodenverhältnisse an den Standorten F04 und F05 sehr ähnlich sind, werden aus Gründen der Vergleichbarkeit im Folgenden nur die Immissionen des Pfahls F04 als Referenz herangezogen. In den Abbildungen 9 und 10 sind für die Messposition MP 4 (StUK 3 konform in 750 m Entfernung) die zeitlichen Verläufe des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten an den Standorten G10 und F04 dargestellt. Die Hydrophonhöhe beträgt 1,0 m über Grund. In den Abbildungen 11 und 12 sind die dazugehörigen 1/3-Oktavspektren (Terzspektrum) dargestellt.

28 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 28 von 55 Im zeitlichen Verlauf ergeben sich beim Fundament G10 Pegeldifferenzen zwischen dem L 05 und dem L 90 des breitbandigen Einzelereignispegels von 8,4 db. Beim Fundament F04 betrug die Differenz zwischen dem L 05 und dem L 90 des Einzelereignispegels 5,2 db. Im Vergleich der Abbildungen 11 und 12 werden Unterschiede in der spektralen Zusammensetzung der an den Pfählen F04 und G10 ermittelten Einzelereignispegel deutlich. Die Unterschiede im Frequenzspektrum sind im Verlauf der Rammarbeiten an einem Fundament jedoch gering. Im Bereich 125 Hz f 400 Hz wird die größte (akustische) Energie durch die Rammung ins Wasser eingeleitet. Diese spektrale Energieverteilung ist typisch für Messungen bei Rammarbeiten in einigen 100 Metern Entfernung zum Pfahl (z.b. Nehls & Betke, 2011; Bellmann, 2011). Es zeigen sich Unterschiede in den 1/3-Oktavspektren von bis zu 5 db in einzelnen Frequenzbändern im Bereich 125 Hz f 400 Hz zwischen den Messungen in zwei unterschiedlichen Hydrophonhöhen. In den restlichen Frequenzbändern besteht eine hohe Übereinstimmung. Betrachtet man die breitbandigen Einzelereignispegel, so beträgt der Unterschied zwischen den Messungen in 1,0 m und 7,0 m über Grund ca. 0 db bis 2 db, d. h. die registrierten Schalldrücke in 1,0 m Höhe sind erwartungsgemäß lauter als in 7,0 m Höhe. Diese Verringerung des Pegels ist durch die Theorie der Schallausbreitung im Wasser durchaus zu erwarten. In den Projekten ESRa 2 und Hydroschall-OFF BO1 3 wurde diese Annahme ebenfalls durch Messungen mithilfe eines Hydrophon-Arrays (Hydrophone in unterschiedlichen Höhen vom Grund bis zur Wasseroberfläche) für den Einzelereignispegel bestätigt (Bellmann, 2011; Wilke et al., 2012; Bellmann & Gerke, 2012). 2 Projekt ESRa: Evaluation von Systemen zur Rammschallminderung an einem Offshore-Testpfahl; BMU und PTJ gefördertes Projekt, FKZ Projekt Hydroschall-OFF BO1: Untersuchung und Erprobung eines kleinen Blasenschleiers (engl. Small Bubble Curtain - SBC) zur Minderung von Unterwasserschall bei Rammarbeiten für die Gründungen von Offshore Windenergieanlagen; BMU und PTJ gefördertes Projekt, FKZ A/B/C/G.

29 SEL / db re 1 µpa SEL / db re 1 µpa :35 21:40 21:45 21:50 21:55 22:00 22:05 22:10 22:15 22:20 22:25 22:30 22:35 22:40 22:45 22:50 22:55 23:00 23:05 23:10 Zeit /HH:MM (UTC) Abbildung 10: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten ohne Schallschutz am Pfahl G10 am Messort MP in ca. 750 m Entfernung. Blau: Einzelereignispegel für jeden einzelnen Rammschlag. G10 F :20 05:25 05:30 05:35 05:40 05:45 05:50 05:55 06:00 06:05 Zeit /HH:MM (UTC) Abbildung 9: Zeitlicher Verlauf des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten ohne Schallschutz am Pfahl F04 am Messort MP 4 in ca. 750 m Entfernung. Blau: Einzelereignispegel für jeden einzelnen Rammschlag, Rot: Einzelereignispegel über 30 s gemittelt. Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 29 von 55

30 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 30 von L50 L5 L90 SEL 1/3 Oktave/ db re 1 µpa Frequenz /Hz Abbildung 11: Am Messort MP 4 ermittelte 1/3-Oktavspektren der Perzentilgrößen des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten am Pfahl G L50 L5 L90 SEL 1/3 Oktave/ db re 1 µpa Frequenz /Hz Abbildung 12: Am Messort MP 4 ermittelte 1/3-Oktavspektren der der Perzentilgrößen des Einzelereignispegels während der Rammarbeiten am Pfahl F04.

31 Projekt 1918-c-bel Version 3 HSD Test im OWP London Array Seite 31 von Einfluss der Bodenbeschaffenheiten und der Eindringtiefe des Pfahls auf den Einzelereignispegel Während der Rammarbeiten am Pfahl F04 am 03. August 2012 sind exklusive des Soft-Starts Rammenergien von ca. 650 kj bis kj eingesetzt worden. Während der Rammarbeiten sind Pegelunterschiede von ca. 3 db erkennbar (siehe Abbildung 10). Mit Ausnahme von einigen Sprungstellen nimmt der Einzelereignispegel mit zunehmendem Rammfortschritt stetig ab. Diese Abnahme lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass der Pfahl mit zunehmender Eindringtiefe immer mehr an Steifigkeit gewinnt und sich dadurch die Pfahlschwingungen immer weniger ausprägen können. Eine weitere Erklärungsmöglichkeit ist, dass der Pfahl in einer Sedimentschicht mit geringer Dichte geründet wird und somit mehr Rammenergie in den Vorschub des Pfahles als in akustische Energie umgewandelt wird. Mögliche Ursachen für die Sprungstellen sind Veränderungen der Bodenbeschaffenheiten und damit einhergehend Änderungen der Rammenergie. Abbildung 15 zeigt den Einzelereignispegel und die verwendete Rammenergie über die Zeit. Es ist zu erkennen, dass zu jedem Zeitpunkt, an dem der Einzelereignispegel sprunghaft anstieg, die Rammenergie erhöht wurde. In der Frequenzverteilung zeigen sich über den gesamten Rammzeitraum kaum Veränderungen. Um die Auswirkungen von unterschiedlichen Bodenparametern beim Vergleich von Messergebnissen zu minimieren, werden für die folgenden Darstellungen und Mittelwertbildungen Rammschläge mit ähnlicher Eindringtiefe und Rammenergie ausgewählt (siehe Abbildung 13 und 14). Hierzu werden jeweils 750 Rammschläge ausgewählt mit der die Pfähle von ca. 28 m bis ca. 32 m Eindringtiefe gebracht wurden (blau hinterlegter Bereich in Abbildung 13 und 14). Bei beiden Pfählen F04 und F05 wurde in diesen Tiefen eine Rammenergie von ca. 850 KJ verwendet. Auffällig ist in Abbildung 13 das der Pfahl F05 ohne Aufbringen einer Rammenergie auf eine Tiefe von ca. 15 m sank. Dies ist kein Darstellungsfehler, sondern der Tatsache geschuldet, dass der Pfahl tatsächlich aufgrund einer Gasblase oder Ähnlichem ohne einen Rammschlag einige Meter in den Boden sank Einfluss der Messhöhe auf den Einzelereignispegel In den folgenden Abbildungen 16 bis 18 sind die 1/3-Oktavspektren der Referenzkonfiguration am Fundament F04 an den Messposition MP 4 bis MP 6 (in jeweils 750 m Abstand) in den beiden unterschiedlichen Hydrophonhöhen von 1,0 m und 7,0 m über Grund im Vergleich dargestellt. Die Messpositionen MP 4 und MP 6 befanden sich in Strömungsrichtung und an der Messposition MP 5 wurden die Schallimmissionen senkrecht zur Strömungsrichtung erfasst. Die Wassertiefen liegen an den Messpositionen zwischen 13,0 m und 14,9 m. Die Hydrophonhöhe in 1,0 m gilt als StUK 3 konform, da sich diese im unteren Drittel der Wassersäule befindet. Es ergeben sich keine wesentlichen Unterschiede in der Form der