西工程公司（Xi Engineering）技术总监布雷特·马尔默（Brett Marmo）在本文中利用声学模拟技术分析了潮汐涡轮机对海豹的影响。

　　在全球气候变化的严峻挑战下，寻找能够替代温室气体排放的清洁能源至关重要。潮汐能是一种稳定且可再生的能源。与太阳能和风能不同，潮汐能不受天气条件的限制，因此具有更高的可预测性。通过在潮汐流中安装潮汐涡轮机可以利用潮汐能发电，而这便是MeyGen项目建立的基础。作为一个大型可再生能源项目，MeyGen致力于建设全球最大的潮汐能发电厂。近日，该项目部署了一系列潮汐涡轮机阵列，将流经大西洋和北海的潮汐汇集到苏格兰与斯特罗马岛之间，形成一股高能流。

　　尽管控制温室气体排放关系到地球未来，但减排必须建立在不对环境造成其他有害影响的前提下。就潮汐涡轮机而言，其环境影响不容忽视，尤其是可能对海洋生物构成的风险，例如：海洋生物与涡轮机运行部件的碰撞，及其高于平均水平的运行噪音带来的伤害。因此，涡轮机的运行噪音需要达到一个“刚刚好”的水平，足够警示海洋生物涡轮机的存在，从而避免碰撞，但同时又不会太大，以至于对它们造成伤害。

　　潮汐涡轮机的布局与水平轴风力涡轮机类似，转子由三个叶片组成，通过轮毂和传动轴紧密相连。转子在水下快速转动时，通过升压齿轮箱与发电机进行电能转换，然后通过水下电缆将电能输出到陆上电网。

　　在这一过程中，齿轮箱和发电机振动时会产生机械噪音，而齿轮箱中的齿轮啮合将使其噪声水平达到最大。通常情况下，齿轮箱有三个升压阶段——低速阶段、中速阶段和高速阶段，所产生的音调振动范围分别为10-30Hz、80-150Hz和200-1000Hz。另一个振动源则是发电机中磁铁和线圈的相互作用，振动频率约在500-2000Hz之间。传动系统中的振动将通过涡轮机结构传播到叶片、机舱壁和支撑结构，与周围的水体相互作用，并以音调噪声的形式向四周辐射开来。

　　由于产生噪声的涡轮机大小不同（差值可达数十米），以及噪声影响海洋生物的水域面积不同（差距可达数公里），对潮汐涡轮机阵列产生的累积噪声进行建模是一项重大挑战。尽管可以使用有限元网格解析单个涡轮机周围的噪声场，然而想覆盖整片可影响海洋生物的水体范围，所需的网格面积过大，难以实现，因此必须采用几何声学方法。

　　潮汐涡轮机的声学输出通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行建模，涉及耦合压力声学、频域和结构力学。涡轮机由实体和壳体单元表示，传动系统激励载荷基于Xi Engineering对风力涡轮机中等效齿轮箱和发电机的测量值。结构域与声学域完全耦合，以精准再现涡轮机周围水域的声学特征。建模将水模拟成一个具有完全匹配层的半球形，以允许声能自然溢出模型空间，而远场辐射模式则使用外部场计算功能进行计算。研究小组对模型进行了频域求解。

　　该模型包含的第二部分使用射线声学接口（Ray Acoustic）对苏格兰和斯特罗马岛之间的海洋进行建模。该模型基于海底测深，为其模拟了适当的声阻抗条件，并假定海面为完美反射体。该模型使用外部声场计算释放填充噪声源，从而将单个涡轮机周围的噪声场结果直接导入模型中的正确空间位置。

　　2020 年，SAMS部署了漂流水听器，以测量MeyGen项目中的一台潮汐涡轮机在不同距离下（最远达1400米）产生的运行噪声。

　　随后，我们使用多物理场建模确定20-2000Hz区间内每个三倍频程的空间声压级。为确定涡轮机对海洋哺乳动物的影响，模型基于不同物种的听觉阈值，对作为频率的函数进行m加权；相当于人类听力的A加权曲线。建模结果对海豹进行了m加权，并在建模中进行整理，绘制出噪声图，证明运行噪声级低于可能对海豹造成伤害的噪声级。此外，噪声图显示，即使涡轮机的运行噪声扩大到覆盖数百米，也依旧高于环境噪声。因此，海豹能够感知到涡轮机的存在，并避免与之接触。这些涡轮机的运行噪声处于海豹的安全声级范围内。

　　目前，我们正积极使用COMSOL Multiphysics制作的噪声图与海豹跟踪数据进行整合，以确定声学输出对动物的影响。在潮汐流速高达3米/秒的极端环境中，收集水下声学数据极为困难。仅靠测量无法实现与跟踪数据进行比较所需的声场空间保真度；本文讨论的建模方法提供了研究所需的保真度，为海洋科学家研究潮汐涡轮机对环境的影响提供了宝贵资料。

　　未来，MeyGen项目计划部署更多的潮汐涡轮机，并提升其运行效率。利用建模和模拟可快速评估阵列所产生的累积噪声，并帮助海洋科学家在确定涡轮机位置的同时，考虑到其对海洋物种的影响。Xi Engineering提供的多物理场建模与SAMS收集的声学和跟踪数据相结合，有助于部署对人类有益、对海洋生物友好的海洋清洁能源系统。