《Ocean Engineering》：Airborne noise propagation from offshore wind turbines into ocean environments: Influence of sea-surface waves and turbine wakes through advanced high-order modeling
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一项耦合的DG-LES和波束射线追踪框架预测了空气到水的噪声传输。涡轮尾流折射为声学传输进入水中创造了额外的路径。海面波浪将升高的水下声压级（SPL）扩展到下游300米以外，将远场SPL平均提高高达17分贝，局部超过20分贝。反射海床进一步将远场SPL提高高达
一项耦合的DG-LES和波束射线追踪框架预测了空气到水的噪声传输。涡轮尾流折射为声学传输进入水中创造了额外的路径。海面波浪将升高的水下声压级（SPL）扩展到下游300米以外，将远场SPL平均提高高达17分贝，局部超过20分贝。反射海床进一步将远场SPL提高高达约21分贝。预测的声学发射与海洋动物的听觉范围重叠。
**论文解读：基于高阶耦合模型的海上风力涡轮机空气噪声向水下传播机制研究**
**1. 研究背景与问题**
海上风能作为全球脱碳战略的基石，涡轮机尺寸的快速增长和广泛部署使量化其声学辐射对海洋环境的影响变得日益重要。水下声音传播速度比空气中更快且吸收更小，因此即使是中等强度的空气传播/结构声源也能产生延伸的水下声学足迹，可能影响海洋生物。涡轮叶片上的气动噪声源（主要贡献来自尾缘和前缘噪声）以及机械噪声（传动系统/塔架振动）是运行中水下噪声的主要来源，其频谱能量通常集中在低于约10kHz的频率范围内，与许多鱼类、无脊椎动物和海洋哺乳动物的听觉频带重叠。因此，预测生物相关频带的频谱声级对于影响评估和缓解至关重要。
现有研究存在三个关键物理机制尚未被充分量化：第一，涡轮运行工况（从额定到接近切出）影响噪声源产生和传播；第二，海况通过调制空气-水界面传输影响水下噪声；第三，涡轮尾流在空气中引入速度和有效声速梯度，折射声学路径（射线），使其以更陡、更有利的入射角弯向海面。然而，现有传播模型存在明显不足：经验模型（如ISO 9613-2）不适用于预测声传输进入水中的情况；早期解析理论仅适用于平坦海面和均匀介质；基于抛物方程（PE）的波动模型计算成本高且通常局限于单介质域，难以纳入真实波状海面；波数积分方法（如OASES）在频率和水平距离增加时计算成本急剧上升；射线追踪方法虽能高效捕捉折射，但现有方法仅限于单介质传播，未纳入空气-水界面、阻抗失配或斯涅尔定律传输锥，尤其未同时考虑涡轮尾流折射和动态波状海面的联合效应。这一关键空白严重限制了当前海上风电场环境影响评估的准确性。
**2. 研究内容与结论**
研究人员开发了首个耦合的高阶间断伽辽金大涡模拟（DG-LES）与有限宽几何波束射线追踪框架，能够同时解析尾流诱导折射和波状空气-水传输。该框架能够模拟涡轮叶片在代表运行点（额定、接近切出）的气动声辐射，通过尾流场和空气-水界面传播噪声，并量化在生物相关范围和深度上的噪声级，同时研究海面形状的影响。研究主要结论：涡轮尾流折射为声学传输进入水中创造了额外的路径；海面波浪将升高的水下声压级（SPL）扩展到下游300米以外，远场SPL平均提高高达17分贝，局部超过20分贝；反射海床进一步将远场SPL提高高达约21分贝；预测的声学发射与海洋动物的听觉范围重叠，特别是低频鲸类可能在数百米外被暴露。该研究发表在《Ocean Engineering》。
**3. 主要关键技术方法**（不超过250字）
研究人员采用以下关键方法：首先，利用开源高阶h/p间断伽辽金（DG）求解器Horses3D进行大涡模拟（LES），通过致动线模型模拟旋转叶片，利用浸入边界方法处理塔架、轮毂、机舱和海面，使用中性大气边界层前驱模拟生成湍流入流条件。其次，采用Brooks、Pope和Marcolini（BPM）模型计算叶片气动噪声源，该方法结合叶素动量（BEM）计算与气动声学半经验模型，考虑湍流边界层尾缘噪声、尾缘钝度涡脱落噪声和湍流入流噪声。最后，基于有限宽几何波束模型开发了sTrawts射线追踪求解器，用于计算声传播，通过方向依赖有效声速嵌入涡轮尾流对流效应，处理任意形状波状倾斜界面的空气-水双介质配置，并应用界面处声压传输系数和斯涅尔定律。
**4. 研究结果**
**4.1 流场分析**
通过LES计算了额定（风速11.4 m/s）和接近切出（24.0 m/s）工况下的时均速度场。研究发现，在波状海面条件下，波浪相干运动调制了入流速度，增强了近波面混合，使尾流恢复更快。塔架和波浪诱导的效应清晰可见，波峰处风速增加，波谷处降低。
**4.2 噪声源预测**
BPM方法给出了DTU 10-MW涡轮机的噪声源频谱。额定工况下最大SPW(f)出现在315 Hz，切出工况下最大出现在低频约30 Hz，这归因于叶片攻角的变化。
**4.3 噪声传播分析**
射线追踪模拟显示，涡轮尾流使原本不满足平坦海面传输条件的射线（发射角<77°）通过折射以有利入射角进入水中。波状海面进一步扩大了射线穿透区域，使高噪声区域向下游延伸至x≈62–127 m，而平坦海面仅至x≈58 m。传输损失（TL）分布表明，波状海面在深度100 m处产生从x≈70–100 m延伸至x≈260–300 m的明显水下噪声足迹，而平坦海面情况下噪声更集中靠近涡轮。在额定工况下，波状海面使100 m深度处300 m下游的带平均声压级（SPL）提高约17 dB，达到约71 dB re 1 μPa（250 Hz附近），而平坦海面模型预测快速衰减。近场（前100 m）则被屏蔽，SPL下降10–16 dB。切出工况下，尾流诱导的射线弯曲更强，使更多射线提前进入水中，波状海面在更短下游距离（x≈185 m起）即产生远场增强。
**4.4 包含海床反射**
考虑部分反射沙质海床后，平坦海面情况下远场SPL提高约8–12 dB（中位数），波状海面情况下在远场最深接收器（z=-100 m，x=300 m）处提高约12 dB。浅水（50 m）海床使反射效应更显著，波状海面在z=-20 m、x=225 m处峰值SPL提高22 dB，超过低频率鲸类阈值23 dB。吸收海床的预测是保守的下界估计。
**5. 讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究结果表明，即使没有直接结构耦合，空气传播的涡轮噪声也可能在数百米范围内被海洋动物探测到。波状海面将噪声暴露范围扩展到更远下游，低频鲸类特别容易受影响。反射海床进一步增强了远场噪声，但近场水平基本不变。该框架提供了稳健的预测方法，但存在局限性：噪声源、尾流场和波状海面几何形状均为静态，实际环境中波浪和尾流随时间变化，导致传输窗口动态演变。此外，射线追踪假设在低频时可能不准确，衍射和干涉效应可能重要。
**研究结论翻译**：
现有的空气-水噪声预测研究主要依赖经验公式，物理分辨率有限。相比之下，本研究将涡轮尾流的高阶流场模拟与空气-水声传播的射线追踪框架相结合。这种耦合方法能够基于物理原理评估尾流和波浪诱导的流场不均匀性如何改变从大气到海洋的声传输。据我们所知，本研究首次详细描述了海上风力涡轮机尾流和波浪驱动的气载噪声方向性重分布，并定量估计了由此产生的水下声场。所提出的方法解决了尾流诱导折射、几何扩展、空气-海界面折射以及空气和水中频率依赖吸收的问题，涵盖了平坦和波状海况。因此，它建立了一个全面且计算高效的框架来预测海上风力涡轮机的气-水声学足迹。结果表明，水下声压级（SPL）的空间分布强烈受空气-水界面控制。对于研究的10 MW涡轮机，波状海面将声能输送到更远的下游，在300 m下游和100 m深度处带平均SPL提高约17 dB，而平坦海面模型预测快速衰减。涡轮尾流弯曲了原本不满足空气-水传输条件的射线，打开了额外的入口窗口，增加了海洋中的噪声水平。简化的理论公式无法捕捉这些效应，在最远接收器处可能低估SPL高达20 dB（平坦海面）和24 dB（波状海面）。该模型预测，即使没有直接结构耦合，气载涡轮噪声也可能在数百米范围内被海洋动物探测到，低频鲸类特别容易暴露。反射海床进一步扩展了暴露范围，吸收海床的预测是保守的。该框架为海上风力涡轮机水下噪声预测提供了稳健方法，但未来需要纳入瞬态模拟、分层海床和变水深等要素。
