Vibroacoustic Underwater Noise from Fixed and Floating Offshore Wind Turbines

本研究は、10MW 級海底固定式および洋上浮体式風力タービンの運転時における水中騒音放射を予測・比較するための物理モデルに基づく振動音響フレームワークを提示し、モノパイル構造に比べ浮体式構成はより高い低周波音圧レベルと、より複雑で方向依存性を有する放射パターンを生成すること、および水深が全体的な伝播と音圧レベルに著しく影響することを明らかにした。

要約

海を巨大で静かなコンサートホールだと想像してみてください。長年、私たちは海底に杭を打つ建設作業のような、海洋生物を混乱させる騒々しく突発的な「バン」という音に懸念を抱いてきました。しかし、この新しい研究が注目しているのは、風力タービンが実際に稼働して電力を生成している間に発生する「連続的な低周波の唸り音」です。

研究者たちは、単純な疑問に答えようとしていました：風力タービンが海底に固定されているのか、それとも水面に浮いているのか、それは問題になるのでしょうか？

その答えを見つけるために、彼らは巨大な10メガワットの風力タービンの高度な「デジタルツイン」を構築しました。彼らは、風がブレードを押し、タービン内部の歯車がガタつき、その振動がタワーを伝って水中へ到達する様子をシミュレーションしました。そして、以下の2つのバージョンを比較しました。

1. 「固定」バージョン（モノパイル）： 海底深くに打ち込まれた巨大な鋼鉄製の杭。
2. 「浮体式」バージョン： ケーブルで係留され、水面で揺れ動きながら浮かぶ巨大なプラットフォーム。

彼らが発見したことを、日常の比喩を用いて説明します。

1. 「重い泳ぎ手」対「硬い杭」

浮体式タービンを、プールの中の重い泳ぎ手に考えてみてください。プラットフォームが巨大で自由に動くことができるため、波に合わせて揺れ、転がり、上下に動きます。この動きは、多くの低周波ノイズ（深く響くうなり音）を生み出します。

• 発見： 浮体式バージョンは、深い響きを持つ低域（10Hz以下）において、はるかに騒々しいものです。それは絶え間なく打たれるバスドラムのようです。この研究によると、プラットフォーム全体が巨大で振動するドラムスキンのように動くため、これらの低周波数において固定式バージョンよりも最大15dBも騒音レベルが高いことがわかりました。

一方、固定式タービン（モノパイル）は、コンクリートに植えられた硬い杭のように考えてください。これは揺れることができません。代わりに、回転する歯車やシャフトからの振動は、杭をまっすぐ下へ伝達されます。

• 発見： 固定式バージョンは、深い響きにおいては実際には静かですが、高い音域（歯車の「うなり音」）では騒々しくなります。杭が硬いため、それらの高周波の機械的振動を音叉のように水中へ非常に効率的に伝達するからです。

2. 音の形状

音はまっすぐ広がるだけでなく、パターンを広げていきます。

• 固定式タービン： 音は、静かな池に石を投げたときの波紋のように、比較的均等に広がります。予測可能で対称的です。
• 浮体式タービン： 音は混沌としており、方向性があります。浮体式プラットフォームは、複雑な動きをする3本の脚と横木を持っているため、音は「でこぼこした」パターンを作ります。ある方向には騒々しい音のビームを放ち、他の方向には静かな場所を残します。それは波紋というよりは、点滅して異なる方向を指し示す懐中電灯の光のようです。

3. 「部屋の大きさ」効果（水深）

水深は、音が鳴っている部屋の大きさの役割を果たします。

• 浅い水（小さな部屋）： 浅い水では、音は水面と海底の間で跳ね返り、閉じ込められます。これにより、特に浮体式タービンにおいて、音がより遠くまで伝わり、より大きく残ります。それは小さなバスルームで叫ぶようなもので、音が閉じ込められて反響します。
• 深い水（大きなホール）： 深い水では、音は3次元（上下、左右）に広がることができます。これにより、エネルギーはより速く散逸します。この研究では、浮体式タービンを浅い水から深い水へ移動させることで、音が広がる余地が増え、減衰するため、単に9dBほど騒音レベルが低下することがわかりました。

4. 誰が聞こえるのか？

研究者たちは、彼らの騒音マップを海洋生物の聴覚範囲と比較しました。

• 固定式タービン： その高い音域の「歯車のうなり音」は、アザラシ、イルカ、カマイルカの聴覚範囲と大きく重なっています。これは、これらの動物がより近い距離で固定式タービンを聞き取り、混乱する可能性が高いことを意味します。
• 浮体式タービン： その深い「うなり音」は、ほとんどの海洋哺乳類が聞こえる範囲よりも低い周波数です。ただし、この研究は、この深いうなり音はともかく、自然の海洋ノイズ（風や波など）に埋もれていることが多く、固定式タービンの高周波ノイズに比べて動物にとって問題が少ない可能性があると指摘しています。

結論

この研究は、エンジニアにとって新しい「計算機」を提供します。風力発電所を建設する前に、彼らはこのツールを使って、水中の騒音がどの程度大きくなるかを正確に予測できるようになりました。

• 固定式の杭に建設する場合、浅い水でよく伝わる、騒々しい高周波のうなり音を予想してください。
• 浮体式プラットフォームに建設する場合、水深や音の進行方向によって挙動が異なる、より深く、低音重視のうなり音を予想してください。

この研究の目的は、どちらかが「悪い」でどちらかが「良い」と言うことではなく、違いを理解し、海洋の音響環境により優しい風力発電所を設計できるようにすることです。

技術概要

技術的概要：固定式および浮体式洋上風力タービンからの振動音響的水中騒音

問題提起
洋上風力タービンに起因する人為的水中騒音は、特に同セクターが底固定式（モノパイル）および浮体式の両方の技術を用いて、より大規模な容量と深海域へと拡大するにつれ、新たな環境懸念として浮上している。建設（例えば、杭打ち）に伴う衝撃音は規制されているが、連続的な運転騒音については理解が浅いままとなっている。この騒音は、空気 - 水中のインピーダンス不整合によりしばしば無視される空力音響（空中伝播）と、構造物を伝播する振動音響の 2 つの経路に由来する。後者は、変動する空気力推力、駆動系の励振、および流体力学的荷重に起因し、構造物の振動を誘発して水中へ放射される。現在の環境アセスメントは、事後測定または簡略化された経験的スケーリングに依存することが多く、設計初期段階において騒音を定量化できる物理ベースの予測ツールが欠如している。さらに、浮体式プラットフォームに特有の剛体運動や流体 - 構造連成という動的メカニズムは、モノパイルと比較してスペクトル内容や放射効率を変化させる可能性があるが、これらの差異は十分に定量化されていない。

手法
本研究は、10 MW DTU 基準タービンの運転時水中騒音を予測するための物理ベースの振動音響フレームワークを提示する。対象は、モノパイル基礎（水深 30 m）と半潜水式浮体式プラットフォーム（水深 30 m および 350 m で試験）の 2 つの構成である。手法は、以下の 3 つの連続段階を統合している：

1. 構造力学（時間領域）： OpenFAST を用いて、連成空力 - 水力 - サーボ弾性方程式を解くシミュレーションを行う。モデルには、タワーおよびブレードの曲げモード、サブ構造の弾性（SubDyn 経由）、および流体力学的荷重（HydroDyn 経由）が含まれる。浮体式構成については、6 自由度の剛体運動（前後、左右、上下、ロール、ピッチ、ヨー）を含める。OpenFAST 内部では解明されない駆動系騒音に対応するため、シャフト高調波およびギア噛み合い周波数を表す合成トーン励振をナセルに導入し、モード増幅係数でスケーリングする。
2. ソース再構築： 水中構造節点からの節点加速度を、等価双極子力ソースに変換する。構造物部材の有限な断面寸法を考慮するため、放射インピーダンス補正を適用し、単純な線ソースモデルが見逃す高周波減衰および位相遮蔽効果を扱う。
3. 音響伝播（周波数領域）： 線形ヘルムホルツ方程式を解析的グリーン関数を用いて解くことで、音圧場を計算する。境界条件を考慮するため、画像法を採用する：圧力解放自由表面と、部分的に反射する海底（砂質堆積物）。収束解析により、30 回の画像反射で精度が確保されることが確認された。

主要な貢献
本論文は、以下の 3 つの具体的な科学的貢献を行う：

1. 統合モデリングフレームワーク： 空力弾性荷重、構造力学、流体 - 構造連成、および水中音響伝播を結合した統一アプローチを定式化し、個別のソースと伝播のモデリングを超えている。
2. 測定可能な記述子： 本質的に異なる支持構造間の一貫した比較を可能にする音響記述子（狭帯域 SPL、OASPL、指向性パターン）を定義する。
3. メカニズムの特定： 底固定式と浮体式タービンの間の騒音特性の差異を駆動する物理的メカニズムを特定し、特に剛体運動、構造質量、および水深の役割を分離する。

結果
比較分析により、スペクトル内容、指向性、および伝播に関するいくつかの明確な知見が得られた：

• スペクトル特性：
  • 低周波数（< 10 Hz）： 浮体式構成は、モノパイルと比較して著しく増強された放出を示す（OASPL が最大 15%、または約 15 dB 高い）。これは、追加の剛体自由度と浮体式プラットフォームのより大きな構造質量に起因し、非常に低周波数において放射効率を高めるためである。
  • 中～高周波数（> 10 Hz）： モノパイル構造物の方が効率的に放射する。海底への剛性接続は、駆動系に起因する振動および局所的構造モードの伝達を容易にし、励振をより大きくより柔軟な構造物に分散させる浮体式プラットフォームと比較して、この範囲でより高い音圧レベルをもたらす。
• 指向性と空間分布：
  • モノパイル： 高周波数では滑らかでほぼ軸対称な応答を示し、低周波数では風向に整合した明確な双極子パターンを示す。
  • 浮体式： 複雑で異方性のある 3 次元放射パターンを示す。低周波数では、結合した剛体運動により主要放射軸が回転する。高周波数（100–1000 Hz）では、モノパイルの均一性とは異なり、浮体式プラットフォームは 20–25 dB の強い方向依存変動を示し、多ローブパターンを呈する。
• 伝播と水深の影響：
  • 水深は伝播様式に決定的な影響を与える。浅海（30 m）は伝播を準 2 次元導波管に制限し、減衰率を遅くする。深海（350 m）は完全な 3 次元幾何学的広がりをもたらすため、受信レベルは低くなる。
  • 浅海における浮体式構成は、深海の対応する構成と比較して OASPL が最大 7%（約 9 dB）変動し、浮体式システムが海底地形に対して敏感であることを浮き彫りにする。
• 乱流の影響： 大気乱流を導入すると、鋭いトーンピークがより広いスペクトルハンプに広がり、低周波数において全体的な SPL が最大 10 dB 増加するが、支持構造のタイプに関する基本的な傾向は変化しない。

意義と主張
著者らは、この研究が設計段階において水中音響影響を評価するための予測ツールを提供し、事後測定だけに依存しないことを主張する。測定可能な構造応答パラメータと放射音レベルを結びつけることで、このフレームワークは以下の点を支援する：

• 環境を考慮した設計： 開発者が、音響フットプリントを明示的に考慮してタービンの選定、空間配置、および構造詳細を最適化することを可能にする。
• 規制支援： 標準化、適合性検証、および科学ベースの規制閾値の開発のための追跡可能な指標を提供する。
• メカニズム的理解： 浮体式タービンは単に固定式海底システムの延長として扱われるべきではなく、その固有のダイナミクスは、特定の評価を必要とする固有の低周波ソースと複雑な 3 次元放射パターンを導入することを明確にする。

本研究は、浮体式プラットフォームが多くの海洋生物にとって感度の低い周波数帯（非常に低周波数）にエネルギーを集中させる可能性がある一方で、モノパイルは多くの海洋脊椎動物が感度の高い聴覚を持つ中～高周波数帯においてより高いリスクを伴うと結論づけている。このフレームワークは、将来の緩和戦略を支援するために、これらのトレードオフを定量的に評価することを可能にする。