《今日声学（Acoustic Today）》是美国声学学会创办的面向专业与大众读者的专业科普杂志。杂志为季刊，大多数文章以约稿形式向业内人士征集，尤其是前沿的声学家、第一线的声学工程师、跨学科跨领域的科学家。此外，《今日声学》作为美国声学学会的会刊也定期发布声学界的各类新闻、短评、采访、讣告，是美国乃至全世界声学工作者的一个交流平台。
原文标题：“The Underwater Sound from Offshore Wind Farms”
作者：Jennifer Amaral（罗德岛大学博士，海洋声学领军学者）, Kathleen Vigness-Raposa, James H. Miller, Gopu R. Potty, Arthur Newhall, and Ying-Tsong Lin
编译：邹林洋（南京大学光声超构材料研究院）
校对：齐妙（南京大学光声超构材料研究院）
前 沿
近年来，由于化石燃料的大量使用，导致碳排放不断增加，全球变暖现象在逐渐加剧。为了减少碳排放，人们把视野逐渐转向了清洁能源。其中，海上风力发电提供了一种在陆地面积受限制的情况下利用海洋风能提供大量电能的方式。人类的第一座海上风力发电站于1991年在丹麦海岸建成，在此后的30年内，世界各地陆续建成了大量的海上风力发电机。然而，在海上风力发电站的建设，运行和拆除过程中，噪声也随之产生，并通过其结构在空气和水下进行传播。近年来，科学家们逐渐意识到，这类环境噪声会对海洋生物带来精神上和行为上的损伤。人类的行为已经改变了海洋声场，掩盖了依赖声音交流沟通的动物发出的声音，也将影响哺乳生物、无脊椎动物、鱼类的迁徙行为。
海上涡轮风机的建设
目前海上风力发电机的支撑结构根据不同的水深情况和涡轮大小分为单桩，架套，和悬浮结构。在单桩和架套支撑柱安装的过程中，需要使用重锤反复敲击支撑柱使其进入海床从而固定。锤与支撑杆的碰撞是最初海底的噪声源，高振幅声波通过支撑柱传播，传播角度由杆材料特性和周围环境水下波速决定。通常情况下该角度在15度到19度之间。在声波传播的过程中，横波，纵波和表面波在海底沿各个方向传播，其中纵波是在海底传播最快的，横波在这之中传播第二慢，表面波作为横波和纵波的干涉结果，沿海底的液-固表面传播。这三种波中，表面波作为能够传输低频慢速且振幅很大的波，最有可能影响生活在海底附近且对低频声音敏感的海洋生物。声音传播的振幅随着距离界面加大呈指数衰减，因此距离海底几个波长的距离内的生物会受到影响。
图1：某些类型的海上风力发电机基础结构。
图二：左: 简化图显示了锤子敲打支撑柱所产生的声音类型。声压以相对于桩轴的角度辐射到水中，在沉积物中产生压缩波和剪切波，界面波沿着海底边界传播。右：在12米深的水中垂直桩的打桩的有限元模拟结果。海底深度为12米（黑色水平线）。显示了锤击产生的水中声压（<12米）和沉积物中的指点运动速度（> 12米）。可以看到各种波动现象，包括从桩成角度向水中辐射的声压波，以及在海底产生的表面波。
辐射波的测量和评估
通常情况下人们使用声音暴露等级（SEL, sound explosion level）描述在施工情况下周围噪音的水平，SEL指在单个信号内能量的量度，它的定义是声压平方的时间积分，可以比较不同的持续时间段内的声音的总能量。此度量标准可用于描述单次敲击的声压级，和在多次锤击或整个打桩活动期间累积的声压级。在评估脉冲声音对海洋哺乳动物和鱼类生理的潜在影响时，通常使用峰值声压级和SEL。
风机安装过程中产生的噪音
在支撑柱的安装过程中，为使支撑柱达到预期位置，打桩机的撞槌每分钟会产生15-60次的撞击，而对于架套式结构需要三倍于单桩结构的撞击数量来保证结构稳定在海床上。每次碰撞冲击打桩机都将相当大的低频脉冲噪声辐射到环境中。通常情况下打桩机会以一个较低的能量开始撞击，随着桩深度的增加不断增加能量强度。产生的宽带声场中的大部分能量都在2kHz以下，频谱峰值在100至400Hz之间，这期间的声音在浅水区会出现弥散现象。同时在测量单桩和架套结构的打桩过程的辐射声波得到了相似的频谱结果。
振动打桩是另一种用来将支撑柱打入海底或建立暂时围堰的方法，该方法通过使支撑柱在特定频率振动，使其插入并固定于海床，振动通常频率在20Hz到40Hz之间。该方法避免了用重槌敲击从而产生高振幅的脉冲波，其中最高振幅的声波是贴近海床的表面波，辐射声波的频谱基本由其振动频率决定，从而可以根据海床沉积结构和周围海洋生物的生活习惯来改变振动频率，从而减少发电机建设过程中对海洋环境的影响。
图三：上：在布洛克岛风电场（BIWF）进行冲击桩打桩期间的时域频谱图，锤击的时频表示形式记录在7.5公里的范围内在中部水深的频谱。下：时域图表示在BIWF测得的一个涡轮工作时的71Hz的频谱，鲸鱼的声音是在20Hz左右。
风机运行过程中的噪音
建成一台风力发电机需要几个月的时间，而普通的风力发电机的运行时间可达20-25年。电机建成之后，除定期检测维护或极端天气外，涡轮将持续运转。因此发电机运行产生的噪音是更具持续性且影响周期更长的。在其运行时产生的水下噪音较低，不足以对海洋生物造成生理损伤，但如果有生物在发电机周围行动时，水下噪声可能会对动物行为产生影响。运行时主要的噪音来源是发电机的机舱，其中包含变速箱和发电机本身，当叶片旋转时，噪音会通过支撑塔传递到海水中，进而传播到海底。
风机拆除时产生的噪音
除安装和运行过程中产生的噪声外，海上风力发电机的拆除也会在水下造成噪音污染。2015年，人们拆除了第一批海上风力发电机。随着更多的风力发电站因为使用寿命而达到拆除的年限，风力发电站的拆除过程产生的噪音会愈发严重。拆除的手段基本有整体切合和水下爆破。这些方法产生的辐射声波都会对海洋生物造成不利的影响。
为减弱噪声采取的保护性措施
对于水下噪声影响海洋生物的问题，有很多可行的解决方案来避免或减轻这种潜在的影响。荷兰的反噪音法禁止在7月1日至2月31日之间进行支撑桩的建设活动来避免工程噪音对于哺乳季的海洋生物的影响；在美国东海岸达成了在一月到五月期间禁止从事发电机建设的协议，因为鲸类在这段时间常常出没在目标海域。除禁止建造以外，物理声音壁垒也被用来减少发电机产生的噪音，这种方法利用水和空气屏障间声阻抗的不匹配来削弱噪音能量。
渐变增强法，也就是在锤击建设支撑塔的过程中，逐步增加锤击的能量直到最大能量。这种方法可以给海洋生物提供游离工作区域的时间，尽管此方法还没有被证实是否对于鱼类，无脊椎动物和龟类有效。另外利用水温和海水咸度的季节性差异对于声音传播的影响，还可以选择在水下传输损耗较高的季节进行风力发电站的建设，比如BIWF的打桩过程在夏天，而组装过程在冬天，是因为冬季水温较低，在周围大于6公里的范围内收到的噪声声压级会高于8dB，导致海底界面的声阻抗比更大。
图四：BIWF地区水下声传播的季节性变化，该图显示了2015年9月（夏季；a）和2015年12月（冬季；b）以200 Hz声源为单位的分贝的传输损耗（TL）预测。模型中的源深度（Zs）为15米，接收器深度（Zr）为20米，显示了相应的声速曲线（SSP）。与冬季相比，夏季的TL更高。
总 结
随着人类对清洁能源的利用走向海洋，也伴随着人类活动和建设对于海洋生物的影响，风力发电机在建设，运行和拆除的不同阶段都在用声音影响着不同海洋生物的哺乳，迁徙和生存。庆幸的是人类已经意识到了这个问题，并通过限制噪声活动和物理壁垒隔绝的方法减轻海上风力发电机对与海洋生物的影响，随着全球海上风电场的不断发展，将有更多的机会来测量风力发电站在所有阶段产生的水下声音，并评估这种声音对海洋环境的任何潜在的长期影响。
文章链接
https://acousticstoday.org/the-underwater-sound-from-offshore-wind-farms-jennifer-amaral/
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
