Bruit rayonné sous-marin : que manque-t-il au design ?

Nous reconnaissons tous l’impact environnemental du bruit rayonné sous-marin (URN) des navires et les défis qu’il pose aux compagnies maritimes et aux organisations à terre. Alors que le bruit est produit par les systèmes d’entraînement et d’autres composants mécaniques, le bruit provenant spécifiquement de l’hélice peut être particulièrement dommageable car c’est la source avec la plus grande force URN et la plus grande distance de propagation. L’atténuation de ce type de production d’URN est également d’un intérêt opportun, car certaines populations de baleines – qui présentent un risque critique d’extinction – sont particulièrement sensibles aux effets du bruit des hélices.

Pourquoi le bruit des hélices est-il si important ? Pour répondre à cela, considérons le spectre de bruit d’un cargo en vrac moderne typique [1]. Le graphique de la figure 1 ci-dessous montre les niveaux de la source (« niveaux de pression acoustique », en dB) en fonction de la fréquence du bruit (en Hz). Le spectre complet que nous voyons dans le graphique comprend le bruit produit par un certain nombre de sources d’excitation – hélices, moteurs, engrenages, autres machines, même à partir d’un écoulement d’eau externe autour du navire. L’environnement sonore riche causé par toutes ces sources est généralement représenté comme une approximation à l’aide de ce que l’on appelle une « analyse spectrale de bande passante de 1/3 d’octave », qui est un grand nom pour l’intégration de l’énergie sonore totale dans les bandes de fréquences pour un plus image facilement communicable.


Figure 1 – Spectre typique d’URN de bande de 1/3 d’octave. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’HydroComp


Les courbes avec des points de repère sont des valeurs mesurées à différentes vitesses du navire et la ligne bleue épaisse est la notation « DnV Silent E », un critère de seuil de bruit contemporain. Vous remarquerez qu’à toutes les vitesses sauf les plus lentes, le vaisseau dépasse le critère dans la gamme de fréquences de plus ou moins 20 à 100 Hz. La raison pour laquelle le bruit généré par les hélices est si important est double : a) l’énergie dans cette bande de fréquences est principalement causée par l’hélice (par la cavitation de l’hélice, en fait, par rapport aux diverses autres sources de bruit) et b) les populations de baleines (en particulier celles actuellement à risque) sont les plus affectés par le bruit dans cette bande. Ainsi, le spectre nous indique que nous devons rendre le navire plus silencieux. Mais il le fait après le lancement du navire. Une fois que toutes les dépenses de conception et de fabrication ont été dépensées. Après vous êtes engagé dans un plan d’affaires pour le navire.

Il devrait être évident maintenant que le meilleur moment pour garantir un fonctionnement silencieux et la conformité réglementaire est pendant la phase de conception. Le test de modèle est une option, mais c’est une entreprise coûteuse et qui prend du temps. L’analyse par CFD évolue encore pour la prédiction d’URN, et est limitée au domaine des spécialistes techniques. En tant que développeur d’outils d’ingénierie pour divers aspects de l’hydrodynamique, du système de propulsion et de la simulation des performances des hélices, ainsi que de plus de trois décennies d’expérience dans la conception et l’analyse des hélices, je crains qu’il n’y ait actuellement aucun outil disponible et facilement accessible aux architectes navals. et les concepteurs pour la prédiction technique du bruit entraîné par les hélices.

Évaluation de l’URN pour la conception

L’écriture est sur le mur. L’URN devrait bientôt être formellement classée comme polluant, avec toutes les exigences réglementaires et d’atténuation qui l’accompagnent. La prédiction et la réponse de conception à l’URN doivent faire partie du processus de conception du navire depuis ses premières étapes jusqu’à l’évaluation après livraison – pas différent de la stabilité, de la tenue en mer ou de la vitesse. Par conséquent, je voudrais proposer une voie à cette fin.
Récemment, HydroComp a été appelé à apporter son expertise dans le domaine des performances des hélices à un certain nombre de sociétés professionnelles et d’agences de réglementation internationales travaillant sur l’atténuation et la réglementation de l’URN. Simultanément, nous avons un projet de R&D interne pour évaluer le potentiel de modèles simplifiés appropriés pour prédire de manière fiable l’URN à hélice. Ces deux activités nous ont amenés à proposer un cadre de calcul et d’évaluation préliminaire adapté à la prédiction et à l’atténuation du bruit lors de la conception.

Le cadre a les attributs suivants :

Les prédictions concernent les sources de bruit critiques, telles que le vortex de pointe et la cavitation des pales, ainsi que les impulsions de pression sans cavitation.
Les relations de cause à effet sont construites pour se conformer à la physique sous-jacente, comme pour les relations entre le bruit et les caractéristiques de cavitation spécifiques.

Les données requises pour les modèles de prédiction n’utilisent que des caractéristiques significatives et faciles à définir de la géométrie de l’hélice, de la charge de poussée/puissance, des paramètres de forme de la poupe et du fonctionnement du navire.

L’évaluation de conception d’URN prendrait alors une forme beaucoup plus simple du spectre ci-dessus. Le graphique de la figure 2 ci-dessous illustre comment une source de bruit entraînée par des hélices évaluée par les modèles-cadres peut être tracée par rapport au critère de bruit d’une agence. La nouvelle ligne rouge trace les résultats de prédiction dépendant de la vitesse à partir des équations-cadres développées, et l’intersection indique donc clairement la vitesse de conformité critique. Si une variante de conception particulière ne répond pas au critère, le modèle de prédiction lui-même fournit en fait des indications aux ingénieurs sur la manière dont les différents paramètres – hélice, poupe du navire, fonctionnement – pourraient être modifiés pour s’y conformer.


Figure 2 – Prédiction simplifiée des principales métriques URN pilotées par hélice. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’HydroComp


L’utilisation de ce cadre pour l’évaluation de la conception du bruit présente un autre avantage technique. Le bruit de l’hélice a tendance à se trouver à des fréquences spécifiques liées au régime et au nombre de pales de l’hélice. Les sources de crête pour cette « fréquence de passage des pales » et ses multiples acoustiques peuvent être perdues dans l’approximation « 1/3 d’octave », mais seraient capturées par les modèles de prédiction dans ce cadre.

Un modèle de conformité réglementaire

Une dernière opportunité pour ce cadre est de servir de base à la conformité réglementaire. La conformité basée sur l’essai des navires pour leur bruit généré présente un certain nombre de lacunes potentielles, y compris a) l’incertitude due aux corrections nécessaires pour convertir un bruit de réception d’essai en un bruit de source commun (pour des comparaisons appropriées entre navires), b) la la probabilité que certains sites génèrent des résultats plus favorables conduisant à un « jeu » de la conformité, c) que les tests sont une observation instantanée qui peut ou non refléter une condition de bruit plus élevée, et comme indiqué ci-dessus, d) les tests ont lieu après « le navire a navigué », auquel cas l’atténuation peut s’avérer impossible.

L’utilisation de modèles simplifiés pour la conformité réglementaire n’est pas nouvelle. Nous avons déjà de nombreux exemples de réglementation fondée sur des règles utilisant des modèles de forme similaire, notamment les règles de société de classe, l’EEDI (et ses variantes) et les règles de sécurité de la vie (telles que la stabilité intacte et endommagée) des garde-côtes et des agences nationales. Par exemple, la mise en œuvre de la règle URN pourrait suivre ce qui est déjà utilisé pour d’autres attributs d’hélice réglementés, tels que les diverses règles de classe pour une résistance suffisante des pales. Ce sont des équations relativement simples utilisant une poutre en porte-à-faux comme cadre sous-jacent basé sur la physique. Les règles d’une « mesure du bruit » pourraient utiliser la physique du développement de la cavitation et des impulsions de pression comme fondement, les variables de données de la règle étant les caractéristiques importantes et faciles à définir indiquées ci-dessus.

Le moment est venu d’intégrer l’évaluation URN dans la planification de la conception

L’industrie du transport maritime sera certainement soumise à une réglementation à court terme du bruit rayonné sous-marin, et les navires qui dépassent les restrictions de bruit nécessiteront des mesures d’atténuation coûteuses et perturbatrices. Cependant, je pense qu’il est encore temps pour les compagnies maritimes et les autres parties prenantes d’aider à guider la manière dont l’évaluation URN doit être gérée à la fois pendant la conception et après la livraison, ainsi que pour la conformité réglementaire. Je suis d’avis que la capacité de la communauté de la conception et de la navigation à effectuer facilement une évaluation URN pour les nouvelles conceptions et les modifications – comme c’est actuellement le cas pour de nombreux paramètres de performance des navires – est une pièce manquante essentielle des objectifs plus larges et notables de réduction des dommages environnementaux. causé un bruit rayonné sous-marin entraîné par l’hélice.

[1] Arveson, PT et Vendittis, DJ « Caractéristiques du bruit rayonné d’un cargo moderne », Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 107, n° 1, 2000.

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