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通过水下声发射监测海洋可再生能源设备的状况：在英国法尔茅斯湾布设转换器进行波浪能研究的案例

（英国埃克塞特大学康沃尔校区数学与物理科学学院可再生能源研究小组）

摘要

保持海洋可再生能源装置的正常运行是限制其自身的经济可行性主要原因之一，因为海洋干预的条件十分昂贵并且具有挑战性。声发射对状态的监测成功地用于陆基设备，本文主要论述声发射如何在水下使用。我们通过审查从海洋可再生能源装置的操作和故障模式中得到的声学特征，为基础分类系统提供依据。这些声学特征根据英国法尔茅斯湾测试波能量得转换器得出，此转换器测试时长为两年，水下噪声测量水平在10 Hz-32 kHz之间，期间包括经营和闲置期，海洋可再生能源装置的噪声对环境的影响可忽略不计，时频分析用于检测声学特征（60 Hz-5 kHz）的特定操作活动，例如有效动力输出，并将它们与工程和环境条件相联系，这些结果表明使用水下的声发射来监测海洋可再生能源装置的状况和性能的可行性。

关键词：水下声学、声发射、状态监控、性能监测、海洋可再生能源、波浪能转换器

1绪论

海洋可再生能源设备对未来全球能源结构和减少温室气体的排放有潜在影响，公认的有英国^{[ 1 ]}和通过国际政策的^{[ 2][3 ]}。最新英国报道说明英国目前电力需求的20%可以由潮汐流设备和波浪能转换器来提供^{[ 4 ]}。2030年之前，他们对能源生产的贡献预计每年平均增长15.2% ^{[ 5 ]}。然而，一些技术障碍和高成本的操作和维护，使他们的使用受到限制。

潮汐流装置和波浪能转换器尚未形成统一的规定，例如，只有波浪能转换器具备三个不同的叶片的水平轴风机涡轮设计。1000多项专利分布在北美洲，日本和欧洲^{[ 6 ]}，涵盖9个主要类别^{[ 7 ]}，并对操作和维护及更多问题进行了标准化。

恶劣的海洋环境和极端天气可能会导致海洋可再生能源设备损坏或出现故障在可能^{[ 8 ]}，在波浪能转换器设计方面，增加设备的耐受性当前开发的另一个领域。此外，典型的天气条件使海洋的干预更加困难甚至不可能^{[ 9 ]}，例如，波浪能转换器应该安设在波浪比较大并且持续时间较长的区域）。这与高成本的运行与维护相关，使用专业的船只和工人并不是随时可得，因此，海洋可再生能源设备必须是可靠的并且进行有效的维护，来减少停机和维修的概率，这些装置就可以长时间运行进行盈利并降低成本。

自动操作和维护意味着需要对因操作设备发生故障而导致计划外停机做出及时反应，它在风力工业的早期被采纳，越来越多运营维护成本占海上风力发电涡轮机产生的总收入的25％^[10]。1989年 - 2005年，对750台陆上涡轮机的分析得出，每年停机时间的75％中有15%是由故障停机造成的^[11]。这些数据预示着由于苛刻的海洋环境，和长时间的停机，使海上风力涡轮机工作将更加困难的，同样，海洋可再生能源也很可能出现这种严重的停机数据。预防性的维护，定期检查和系统部件更换，可以降低这些成本，但它仍然需要定期停机并且昂贵的组件可能无法更换^[12]。状态检修是一种更有效的且具有成本效益的方法，根据实际情况安排运行与维护工作，以维护设备稳定运行^[12]。从整个设备或整个研究区域来说，它一般包括原位工具，如振动和油温监测和声发射^[13]。

本文研究使用声发射远程监控实际的波能量转换器设备，Olsen的“Bolt-2 Lifesaver”在英国法尔茅斯湾进行为期两年的部署。应该注意的是，整个长期监测数据集已经在两个着重于环境影响的出版物中进行了分析^[14,15]。本文的目的是探讨在该数据集内能否检测到工程特征。因此，本文的范围限于检测工程特征。

论文结构如下。第2节将审查海上设备中的预期声发射来源，重点是波能量转换器，但适用于潮汐流涡轮机和其他海洋可再生能源。第3节将介绍正在考虑的波能量转换器设备，支持数据（声学，环境和工程）和一般方法。第4节将展示该波能量转换器在其活动期间的环境噪声水平的一般贡献，比较运行和非运行期间，以及确定波能量转换器部分的特定声发射（在这种情况下是功率起飞） 。第5节将讨论这些结果，与其他公布的数据进行比较，确定这种方法的优点和局限性，并展示如何将其扩展到其他波能量转换器设计。在特定频段使用水下声发射有可能降低运行维护成本和提高波能量转换器的可靠性，从而提高该行业作为能源生产的重要因素的可行性。

2海洋可再生能源设备的声学评估

与材料相关的能量释放，例如组件的磨损或零件失效，产生声波，在固体或流体中传播。它们的使用形成了声发射分析的基础，并在陆地上的设备（例如英国标准^[16]）中有详细记录，并且主要与1 kHz- 1 MHz之间的频率相关联（例如参考文献^[17]）。他们的监控是在设备本身上进行的，也可以在近场或远场执行，但后者受空气中强烈衰减的声音（最佳条件下为14-4000 dB / km）^[18]。水下环境更适合于远程监测，在相同频率下海水衰减数dB / km，因此通过声传播引起的扩散损耗主要降低了接收水平^[18]。这允许：将传感器远离所考虑的设备，从不同部件检测声发射，并且由于海洋可再生能源旨在以大阵列部署，因此每个传感器可以理论上检测来自多个设备的声发射，以及监视其对环境的影响。然而，水下环境噪声将比空气中更大的考虑，因此存在限制水下声发射的实用性。

海洋可再生能源产生的水下噪声因设备而异，使用方式和当前环境条件所影响。它也受到本地设置（水深，海底构图和声速曲线）的调制。最近的合成（例如参考文献^[19]）表明，海洋可再生能源噪声最多延伸到几千赫兹。运行过程中的长期噪声源可能包括设备本身的部件，空气或水的运动（例如船体上的拍打波），与天气相关的噪音（波浪，风和降水）到运输或动物生活，所有这些都可能被周围环境所抵消。

可以通过在空气（有时在水中）为其各个部件完成的工作来通知海洋可再生能源预期的声发射和频率的估计。早期打破钢丝绳的工作中，事件（与相同原因相关的数量）随轴承中不同类型缺陷的尺寸而增加。齿轮箱内的劣化证明产生类似的声学结果^[20]表明，在某些情况下，声发射频率范围从25 kHz延伸到数百千赫兹。在空气中的断线研究中，确定了0-100 kHz ^[21]的频率，单个断路事件的窄带峰值，幅度随电线损伤程度而变化。空气中环氧基复合纤维的断裂显示出类似的结果^[22]，声级达到40-100 dB 20MPa （宽带kHz范围）。滚动元件轴承可以在宽频率范围（高达2 MHz）内产生脉冲和连续发射，这又可能与轴承的几何形状和速度有关^[23-28]，具有高频（高达1 MHz）脉冲和音调声发射组件。峰值振幅，均方根声压级和振铃计数（脉冲串信号越过检测阈值的次数）都随着缺陷尺寸^[26-28]而增加，而均方根声压级随着齿轮的不对准而增加^[29]。此外，泵内的空气中的气蚀产生了连续的宽带光谱（20Hz-20kHz）^[30]，并且在更宽的频率范围（0.1Hz-100kHz），水下发现初始空化增加了均方根声压级和峰值振幅^{[30,31] [32]}。

这些结果总结在表1中，但它们仅作为可能的趋势：空气中的声发射频率在水下测量可能不一样，一些研究使用直接监测（例如，在齿轮或齿轮箱上的传感器）和剪切波现在）不会在水下传播。最后，一些部件如轴承和齿轮箱可能会固定在波能量转换器中的水面以上，或者与直接与水分离，因此只能产生机载声音。在遥感的情况下，频率依赖衰减和与其他声源（来自其他海洋可再生能源天气，航运和动物生活）的竞争也可能影响这些结果的相关性。因此，下一节将根据监测期为2年，在复杂的环境中提供来自全面波能量转换器的现场测量，以确定哪些声发射元素在实际情况下最有希望。

3.法尔茅斯湾（英国）波能量转换器的案例研究

3.1波能转换器及其环境

法尔茅斯湾是在英吉利海峡的西入口处的一个大而深的自然港。 它很接近航线，所以使当地的商业繁华，广泛航运和休闲划船等活动，其噪音贡献在参考文献 ^[35]。 法尔茅斯湾考场是一个2.8公里的测试区域，埃克塞特大学位于法尔茅斯港口3-5公里处，在蜥蜴半岛的庇护下，长期从盛行的风和暴露于来自浪潮中获取。这种温和的气候，潮汐高峰表面电流约0.8米/秒，其成为理想海洋可再生能源的“苗圃”测试点，特别是波能量转换器^[36]。

2012年3月，弗雷德奥尔森有限公司部署和试用^[37]机电波能量转换器获得运营设备的经验和调查其性能总期限超过2年。这个的波能量转换器是一种甜甜圈形浮动装置（图1）。浮选平台内径为10米，外径为16米，高1米，共55吨。浮选平台具有安装五台功率起飞（动力起飞）系统的能力，但只有三台在试验期间安装，如图1所示。

与水下AE技术有关的组分的AE质量矩阵^[33]

表格1