评估海上风力机气动噪声(Aerodynamic Noise)在水下的传播影响

《Wind Energy》：Assessing the Underwater Impact of Aerodynamic Noise From Offshore Wind Turbines

　　

摘要：随着海上风能需求的不断增长，海上风力机尺寸显著增大，大型风电场（通常由100–150台机组组成）不断开发，然而水下噪声排放的环境影响在很大程度上尚未得到充分研究。本文首次量化了三款大型海上风力机（5 MW、10 MW及22 MW）及由其组成的风电场的水下气动噪声足迹(Underwater Aerodynamic Noise Footprint)。研究人员提出了一种新方法，将经过验证的风力机噪声产生模型（即叶素动量理论(Blade Element Momentum Theory, BEMT)与Amiet理论）与不同介质中的平面波传播理论(Plane Wave Propagation Theory)相结合，使风力机设计者能够预测水下噪声排放。研究结果表明，这三款风力机产生的水下噪声在0.1–1 kHz频段内超过低频(Low-Frequency, LF)听阈组的听力阈值(Hearing Threshold)。按比例放大至风电场工况时，预测噪声水平在高达10 kHz频率处可被其他听力组检测到。在所考虑的场景中，结果表明海上风电场的气动噪声可能贡献于水下声景(Underwater Soundscape)，并对海洋生物产生潜在影响。这些发现凸显了在海上风能开发环境影响评价(EIA, Environmental Impact Assessment)中考虑气动噪声的重要性。

论文解读：评估海上风力机气动噪声在水下的传播影响

一、研究背景与意义

人为水下噪声(Anthropogenic Underwater Noise)显著影响海洋生态系统，尤其海洋哺乳动物依赖声音进行交流、导航、觅食和繁殖，噪声引起的掩蔽效应(Masking Effect)会改变动物行为、缩减通信距离。以往对海上风电场水下噪声的研究主要关注通过塔架/平台传播的结构噪声(Structure-borne Noise)及机械噪声(Mechanical Noise, 齿轮箱、发电机等 tonal成分)，而由叶片旋转与气流相互作用产生的气动噪声(Aerodynamic Noise, 即前缘Leading Edge, LE噪声与后缘Trailing Edge, TE噪声)经空气-水界面(Air-Water Interface)透射进入水中的部分长期被忽视——传统观点认为斯涅尔定律(Snell's Law)限制仅有入射角小于约13°（相对于法线）的声波能透入水中，加之水的声阻抗约为空气的3600倍导致大幅衰减，故气动噪声被认为可忽略。然而，随着单机容量增至5–22 MW且风场规模扩大至百余台，研究人员认为有必要定量评估其水下气动声学足迹。本文首次建立耦合BEMT、Amiet理论与平面波透射模型的方法，量化NREL 5 MW、DTU 10 MW及IEA 22 MW单机和100台方阵风电场的水下气动噪声谱，并与四类海洋哺乳动物功能听力组(Functional Hearing Groups: LF/MF/HF鲸类及海豹Phocid Pinnipeds, PW)的复合测听图(Composite Audiogram)及暂阈移(TTS)、永阈移(PTS)标准对比，探讨生态影响。该论文发表于《Wind Energy》。

二、主要关键技术方法概述

研究人员选取NREL 5 MW、DTU 10 MW、IEA 22 MW三种参考风力机模型，采用叶素动量理论(BEMT, 通过OpenFAST求解，含Prandtl尖/根损失修正及Pitt/Peters偏航尾迹修正)获取各剖面攻角与相对速度；用XFOIL计算边界层特性输入TNO-Blake模型求壁面压力谱以预测后缘(TE)噪声；用von Kármán湍流谱模型结合Amiet理论预测前缘(LE)噪声；将叶片沿展向分段（近叶尖加密），各段LE与TE噪声视为非相干源叠加并计入多普勒因子(Doppler Factor)；通过Snell定律确定能透入水中的声线（限定斯涅尔锥Snell Cone, θ_air≤~13°），用平面波声压透射系数(Transmission Coefficient, 基于平面波理论)计算空气-水界面的透射损失；界面观测点噪声先算于气-水交界面的虚观测者处再按水中柱面扩散(Cylindrical Spreading, 浅海适用)及海水衰减(Francois-Garrison模型, 2 atm, 8°C)传播至水下10 m深处观测者；风电场假定各机组为非相干等强源、按4.5倍转子直径(Diameter, D)正方形布置，观测者在末排下游100 m、水下10 m；海洋动物听力阈值采用NMFS推荐的U形函数拟合复合测听图，累计声暴露级(SEL_cum, 24 h连续运行假设)按物种听觉加权函数(Auditory Weighting Function)积分频谱并与TTS/PTS比对；方法用Siemens SWT-2.3-93实测数据验证。

三、研究结果

3 结果与讨论(Results and Discussion)

研究人员将单机和100台方阵风电场的水下1/3倍频程远场气动噪声谱与各类海洋动物听力阈值对比。结果显示：单台5 MW、10 MW、22 MW风力机的透射水下气动噪声在0.1–1 kHz频段已超过低频(LF)鲸类听力阈值，可被LF组感知；100台5 MW风场水下噪声较LF阈值高约9 dB，100台22 MW风场高约13 dB，且可让中频(MF)等其他听力组在部分频段感知，存在掩蔽生物相关声信号的风险。累计声暴露级(SEL_cum)经物种听觉加权后，所有功能听力组均低于TTS和PTS阈值，表明不直接造成听觉损伤，但因超越听阈而有行为和生态干扰可能。风场布局、间距及浅海传播条件影响实际噪声场，本文简化方阵结果需谨慎推广。此外，来流湍流强度(Turbulence Intensity, TI, 典型9%)增大使1 kHz以下LE噪声升高，强化对LF/MF组的影响；TE噪声在所有工况均存在且处于动物最敏感频段附近，是主要需管控的噪声源。尾缘锯齿(Trailing-Edge Serrations)等降噪技术值得引入海上机型。气侧与水侧观测者对比显示低频差源于偶极源指向性及斯涅尔锥限制，高频(>5 kHz)因空气中传播路径缩短反而水下较气侧衰减小；水下辐射呈略不对称的偶极指向性，向下行桨叶半平面声级稍高。平面波与球面波透射损失差异<0.6 dB，平面波近似合理。

四、结论与讨论总结(翻译自Conclusions and Future Works)

海上能源装置的环境影响须仔细考量以实现真正可持续开发，水下噪声尤甚。此前海上风力机设计偏重产能而忽视声足迹，特别是透入水中的气动噪声未被量化。本研究提出将既有风力机噪声预测模型与波传播理论整合以预测水下气动噪声的方法，可供制造商与决策者量化风能装置噪声排放相关的环境影响，方法简便适用于优化及法规低精度模型，也可耦合高精度流场/传播模型。研究人员首次量化了5 MW、10 MW、22 MW单机及100台阵列的水下气动声学足迹，并与已发表海洋物种测听图及TTS标准比较。结果表明气动噪声可穿越海气界面并在宽频带被多种海洋物种察觉，可能参与掩蔽生物相关声音；所设场景下预测级低于考察物种的暂阈移(TTS)；水下气动噪声级随风力机尺寸、湍流强度及阵列台数增加而升高。这些发现强调在未来大型海上风电场环评中应考虑气动噪声，且陆上既有的后缘降噪策略（如锯齿后缘）可在海上场景探索应用。实际实施中建议进一步考虑海况（波浪改变界面倾角影响Snell锥）、背景噪声叠加、基于24小时运行直方图精确计算SEL及针对具体风场布局和观测点做尾流解析模拟。

（注：文中所涉透射系数公式T_p=2ρ₂c₂cosθ₁/(ρ₂c₂cosθ₁+ρ₁c₁cosθ₂)，斯涅尔定律sinθ₁/c₁=sinθ₂/c₂，声压级SPL_water=SPL_interface+20log₁₀|T_p|-TL_air-TL_water+TL_cyl，其中c_air=343 m/s, c_water=1480 m/s, ρ_water/ρ_air≈3600，已按原文含义浓缩表述。）