Vibroacoustic Underwater Noise from Fixed and Floating Offshore Wind Turbines

Cette étude présente un cadre vibroacoustique fondé sur la physique pour prédire et comparer les émissions de bruit sous-marin en fonctionnement de turbines éoliennes offshore fixes au fond et flottantes de 10 MW, révélant que les configurations flottantes génèrent des niveaux sonores plus élevés dans les basses fréquences et des diagrammes de rayonnement plus complexes et dépendants de la direction que les structures monopieu, tandis que la profondeur de l'eau influence considérablement la propagation globale et les niveaux sonores.

L'essentiel

Imaginez l'océan comme une immense salle de concert silencieuse. Depuis des années, nous nous inquiétons des « bangs » forts et soudains des travaux de construction (comme l'enfoncement de pieux dans le fond marin) qui perturbent la vie marine. Mais cette nouvelle étude s'intéresse au bourdonnement continu produit par les éoliennes lorsqu'elles fonctionnent réellement et génèrent de l'électricité.

Les chercheurs voulaient répondre à une question simple : Est-ce que cela change quelque chose si l'éolienne est fixée au fond de l'océan ou flottante à la surface ?

Pour le savoir, ils ont construit un « jumeau numérique » sophistiqué d'une éolienne massive de 10 mégawatts. Ils ont simulé comment le vent pousse les pales, comment les engrenages à l'intérieur de la turbine grincent, et comment ces vibrations voyagent le long du mât et dans l'eau. Ils ont ensuite comparé deux versions :

1. La version « Fixe » (Monopieu) : Un immense pieu en acier enfoncé profondément dans le fond marin.
2. La version « Flottante » : Une plateforme massive qui tangue et oscille à la surface, ancrée par des câbles.

Voici ce qu'ils ont découvert, expliqué à travers des analogies du quotidien :

1. Le « Nageur Lourd » vs Le « Poteau Rigide »

Pensez à l'Éolienne Flottante comme à un nageur lourd dans une piscine. Parce que la plateforme est immense et libre de bouger, elle tangue, roule et oscille avec les vagues. Ce mouvement crée beaucoup de bruit basse fréquence (un son profond et grondant).

• La Découverte : La version flottante est beaucoup plus bruyante dans la gamme des grondements profonds (en dessous de 10 Hz). C'est comme un tambour basse qui continue de frapper. L'étude a révélé qu'elle peut être jusqu'à 15 dB plus bruyante que la version fixe à ces basses fréquences, car toute la plateforme bouge comme une immense peau de tambour vibrant.

Pensez à l'Éolienne Fixe (Monopieu) comme à un poteau rigide planté dans du béton. Il ne peut pas osciller. Au lieu de cela, les vibrations provenant des engrenages et des arbres en rotation voyagent directement le long du poteau.

• La Découverte : La version fixe est en réalité plus silencieuse dans le grondement profond, mais elle devient plus bruyante sur les aigus (le « sifflement » des engrenages). Parce que le poteau est rigide, il transmet très efficacement ces vibrations mécaniques haute fréquence dans l'eau, comme un diapason.

2. La Forme du Son

Le son ne se propage pas tout droit ; il se diffuse selon des motifs.

• L'Éolienne Fixe : Le son se propage assez uniformément, comme des rides causées par une pierre jetée dans un étang calme. C'est prévisible et symétrique.
• L'Éolienne Flottante : Le son est chaotique et directionnel. Parce que la plateforme flottante possède trois pieds et des poutres transversales qui bougent de manière complexe, le son crée un motif « bosselé ». Il projette des faisceaux de son bruyants dans certaines directions et laisse des zones calmes dans d'autres. C'est moins comme une ride et plus comme un faisceau de lampe torche qui clignote et pointe dans différentes directions.

3. L'Effet « Taille de la Pièce » (Profondeur de l'Eau)

La profondeur de l'eau agit comme la taille de la pièce dans laquelle le son est joué.

• Eaux Peu Profondes (La Petite Pièce) : Dans les eaux peu profondes, le son rebondit entre la surface et le fond, restant piégé. Cela fait voyager le son plus loin et le maintient plus fort, en particulier pour les éoliennes flottantes. C'est comme crier dans une petite salle de bain ; le son reste piégé et résonne.
• Eaux Profondes (La Grande Salle) : Dans les eaux profondes, le son peut se propager dans les trois dimensions (haut, bas et sur les côtés). Cela provoque une dissipation plus rapide de l'énergie. L'étude a révélé que déplacer une éolienne flottante d'eaux peu profondes vers des eaux profondes peut faire baisser le niveau de bruit d'environ 9 dB, simplement parce que le son a plus d'espace pour se diffuser et s'estomper.

4. Qui Peut l'Entendre ?

Les chercheurs ont comparé leurs cartes de bruit aux plages d'audition des créatures marines.

• L'Éolienne Fixe : Son « sifflement d'engrenage » plus aigu chevauche considérablement la plage d'audition des phoques, des dauphins et des marsouins. Cela signifie que ces animaux sont plus susceptibles d'entendre et d'être perturbés par les éoliennes fixes à des distances plus rapprochées.
• L'Éolienne Flottante : Son « grondement » profond est principalement en dessous de ce que la plupart des mammifères marins peuvent entendre. Cependant, l'étude note que ce grondement profond est souvent noyé par le bruit naturel de l'océan (comme le vent et les vagues) de toute façon, donc cela pourrait être moins problématique pour les animaux que le bruit aigu des éoliennes fixes.

La Conclusion

Cette étude fournit un nouveau « calculateur » pour les ingénieurs. Avant de construire un parc éolien, ils peuvent désormais utiliser cet outil pour prédire exactement à quel point le bruit sous-marin sera fort.

• Si vous construisez sur un pieu fixe, attendez-vous à un sifflement aigu plus fort qui se propage bien dans les eaux peu profondes.
• Si vous construisez sur une plateforme flottante, attendez-vous à un grondement plus profond et riche en basses qui se comporte différemment selon la profondeur de l'eau et la direction de propagation du son.

Le but n'est pas de dire que l'un est « mauvais » et l'autre « bon », mais de comprendre la différence afin que nous puissions concevoir des parcs éoliens plus respectueux de l'environnement acoustique de l'océan.

Résumé technique

Résumé technique : Bruit vibroacoustique sous-marin provenant d'éoliennes offshore fixes et flottantes

Énoncé du problème
Le bruit sous-marin anthropique généré par les éoliennes offshore constitue une préoccupation environnementale émergente, particulièrement alors que le secteur s'étend vers des capacités plus importantes et des eaux plus profondes, en utilisant à la fois des technologies ancrées au fond (monopieux) et flottantes. Si le bruit impulsionnel issu de la construction (par exemple, le battage de pieux) est bien réglementé, le bruit continu lié à l'exploitation reste moins bien compris. Ce bruit provient de deux voies : l'aéroacoustique aéroportée (souvent négligée en raison du désaccord d'impédance air-eau) et la vibroacoustique structurelle. Cette dernière résulte de la poussée aérodynamique fluctuante, de l'excitation de la chaîne cinématique et du chargement hydrodynamique, qui induisent des vibrations structurelles rayonnant dans l'eau. Les évaluations environnementales actuelles reposent souvent sur des mesures a posteriori ou sur des lois d'échelle empiriques simplifiées, carencées en outils prédictifs basés sur la physique capables de quantifier le bruit dès la phase précoce de conception. De plus, les mécanismes dynamiques distincts des plateformes flottantes — caractérisés par des mouvements de corps rigide et un couplage hydro-élastique — peuvent altérer le contenu spectral et l'efficacité de rayonnement par rapport aux monopieux, mais ces différences ne sont pas entièrement quantifiées.

Méthodologie
L'étude présente un cadre vibroacoustique basé sur la physique pour prédire le bruit sous-marin opérationnel d'une éolienne de référence DTU de 10 MW dans deux configurations : une fondation sur monopieu (profondeur d'eau de 30 m) et une plateforme flottante semi-submersible (testée à 30 m et 350 m de profondeur). La méthodologie intègre trois étapes séquentielles :

1. Dynamique structurelle (domaine temporel) : Des simulations sont réalisées à l'aide d'OpenFAST pour résoudre les équations couplées aéro-hydro-servo-élastiques. Le modèle inclut les modes de flexion de la tour et des pales, l'élasticité de la sous-structure (via SubDyn) et les charges hydrodynamiques (via HydroDyn). Pour la configuration flottante, six degrés de liberté de corps rigide (tangage, roulis, lacet, pilonnement, balancement, surélévation) sont inclus. Pour tenir compte du bruit de la chaîne cinématique, que OpenFAST ne résout pas en interne, des excitations tonales synthétiques représentant les harmoniques de l'arbre et les fréquences de prise d'engrenage sont introduites à la nacelle, mises à l'échelle par des facteurs d'amplification modale.
2. Reconstruction de la source : Les accélérations nodales issues des nœuds structurels immergés sont converties en sources de force dipolaires équivalentes. Une correction d'impédance de rayonnement est appliquée pour tenir compte des dimensions transversales finies des éléments structurels, traitant l'atténuation haute fréquence et les effets de blindage de phase que les modèles de source linéaire simples négligent.
3. Propagation acoustique (domaine fréquentiel) : Le champ de pression acoustique est calculé en résolvant l'équation de Helmholtz linéaire à l'aide de fonctions de Green analytiques. Le modèle utilise la méthode des images pour tenir compte des conditions aux limites : une surface libre à pression nulle et un fond marin partiellement réfléchissant (sédiment sableux). Une analyse de convergence confirme que 30 réflexions d'images suffisent pour assurer la précision.

Contributions clés
L'article apporte trois contributions scientifiques spécifiques :

1. Cadre de modélisation intégré : Il formule une approche unifiée couplant le chargement aéroélastique, la dynamique structurelle, l'interaction fluide-structure et la propagation acoustique sous-marine, dépassant la modélisation séparée de la source et de la propagation.
2. Descripteurs mesurables : Il définit des descripteurs acoustiques (SPL en bande étroite, OASPL, diagrammes de directivité) permettant une comparaison cohérente entre des structures de support fondamentalement différentes.
3. Identification mécanistique : Il identifie les mécanismes physiques à l'origine des différences de signatures acoustiques entre les éoliennes ancrées au fond et les éoliennes flottantes, isolant spécifiquement les rôles du mouvement de corps rigide, de la masse structurelle et de la profondeur de l'eau.

Résultats
L'analyse comparative produit plusieurs résultats distincts concernant le contenu spectral, la directivité et la propagation :

• Caractéristiques spectrales :
  • Basses fréquences (< 10 Hz) : Les configurations flottantes présentent des émissions nettement accrues (jusqu'à 15 % ou environ 15 dB d'OASPL en plus) par rapport aux monopieux. Cela est attribué aux degrés de liberté de corps rigide supplémentaires et à la masse structurelle plus importante de la plateforme flottante, qui augmentent l'efficacité de rayonnement aux très basses fréquences.
  • Fréquences moyennes à élevées (> 10 Hz) : Les structures sur monopieu rayonnent plus efficacement. La connexion rigide au fond marin facilite la transmission des vibrations induites par la chaîne cinématique et des modes structurels locaux, entraînant des niveaux de pression acoustique plus élevés dans cette plage par rapport aux plateformes flottantes, qui distribuent l'excitation sur une structure plus grande et plus souple.
• Directivité et distribution spatiale :
  • Monopieu : Présente une réponse lisse, presque axisymétrique aux fréquences plus élevées et un motif dipolaire clair aligné avec la direction du vent aux basses fréquences.
  • Flottant : Présente des motifs de rayonnement 3D complexes et anisotropes. Aux basses fréquences, l'axe principal d'émission tourne en raison des mouvements de corps rigide couplés. Aux fréquences plus élevées (100–1000 Hz), les plateformes flottantes montrent de fortes variations dépendantes de la direction (20–25 dB) avec des motifs multi-lobe, contrairement à l'uniformité du monopieu.
• Propagation et effets de la profondeur :
  • La profondeur de l'eau influence de manière critique les régimes de propagation. Les eaux peu profondes (30 m) contraignent la propagation à un guide d'ondes quasi bidimensionnel, conduisant à des taux d'atténuation plus lents. Les eaux profondes (350 m) permettent une atténuation géométrique 3D complète, entraînant des niveaux reçus plus faibles.
  • Les configurations flottantes en eaux peu profondes montrent des variations d'OASPL allant jusqu'à 7 % (~9 dB) par rapport à leurs homologues en eaux profondes, soulignant la sensibilité des systèmes flottants à la bathymétrie.
• Impact de la turbulence : L'introduction de la turbulence atmosphérique élargit les pics tonaux nets en bosses spectrales plus larges et augmente le SPL global d'au plus 10 dB aux basses fréquences, bien que les tendances fondamentales concernant le type de structure de support restent inchangées.

Importance et revendications
Les auteurs affirment que ce travail fournit un outil prédictif pour évaluer les impacts acoustiques sous-marins dès la phase de conception, plutôt que de se fier uniquement aux mesures post-installation. En reliant les paramètres de réponse structurelle mesurables aux niveaux de son rayonnés, le cadre soutient :

• Conception informée par l'environnement : Permettant aux développeurs d'optimiser le choix des turbines, la configuration spatiale et les détails structurels avec une considération explicite de l'empreinte acoustique.
• Soutien réglementaire : Fournissant des métriques traçables pour la normalisation, la vérification de la conformité et l'élaboration de seuils réglementaires fondés sur la science.
• Compréhension mécanistique : Clarifiant que les éoliennes flottantes ne doivent pas être traitées comme de simples extensions des systèmes à fond fixe ; leurs dynamiques uniques introduisent des sources de basses fréquences distinctes et des motifs de rayonnement 3D complexes qui nécessitent une évaluation spécifique.

L'étude conclut que si les plateformes flottantes peuvent concentrer l'énergie dans des bandes de fréquences moins sensibles à de nombreuses espèces marines (très basses fréquences), les monopieux présentent un risque plus élevé dans les bandes de fréquences moyennes à élevées où de nombreux vertébrés marins ont une ouïe sensible. Le cadre permet une évaluation quantitative de ces compromis pour soutenir les futures stratégies d'atténuation.