Modelling of ground and atmospheric effects on wind turbine noise

International audienceAmiet's analytical model for trailing edge noise is used to predict the noise radiated by a Siemens SWT 2.3-93 wind turbine. Good agreement with experiment is found for sound power level (SWL) spectrum for frequencies higher than 1kHz. The immission level is then calculated with an image source model and compared with point source calculation. Ground reflection and atmospheric absorption are considered for the propagation model. The effect of ground reflection is seen to modify the sound pressure level spectrum and the amplitude modulation strength. The point source approximation yields accurate results for the overall sound pressure level, but exaggerates interference dips in the spectrum and thus overestimates the strength of amplitude modulation

Prediction of variability in wind turbine noise calculations

International audienceWe propose in this work a method to predict the variability in wind turbine noise calculations due to wind speed and direction fluctuations. First, wind lidar data measurements during a 24-hour period are analyzed, and four periods with different atmospheric stability conditions are selected. Then, a wind turbine noise model based on Amiet's theory for trailing edge noise is presented and used to predict the sound pressure level at a fixed receiver during the 24-hour period. Finally, a Monte Carlo sampling method is described that allows us to accurately predict the statistics of sound pressure level during each selected period. The variability is seen to be much more pronounced during the day than during the night, and statistical quantities are shown to depend on the period duration considered

Wind turbine noise modeling: prediction of amplitude modulation and influence of atmospheric conditions

International audienceAeroacoustic noise from a wind turbine is mainly caused by the interaction between the wind turbine blade and the air flow. For a modern wind turbine, trailing edge noise is often the dominant noise source. In this paper, a detailed study of trailing edge noise is carried out using Amiet's frequency domain analytical source model. Model results are compared with experimental data. Features of wind turbine noise, such as amplitude modulation, ground directivity, influence of blade twist and pitch are studied. In the last part, the influence of realistic wind profiles is investigated. Wind shear is seen to increase the sound power level and the amplitude modulation

Effets météorologiques sur le bruit rayonné par les éoliennes

National audienceCette étude vise à expliquer les différences observées entre le bruit rayonné par une éolienne en champ proche et en champ lointain, en montrant l'influence des conditions météorologiques à la fois sur les sources de bruit d'une éolienne et sur la propagation de ce bruit dans l'atmosphère. Des données expérimentales ont été analysées afin d'obtenir des profils de vent et de température réalistes dans l'atmosphère. Dans certains cas, les profils de vent prédits par la théorie de la similitude différent fortement des profils mesurés, ce qui conduit à des prédictions erronées du bruit rayonné en champ proche (100m) comme en champ lointain (jusqu'à 1km). Le modèle de source montre que les plus fortes amplitudes de modulation sont obtenues dans la direction perpendiculaire au vent, alors que le modèle de propagation met en évidence des niveaux sonores plus importants dans la direction du vent pour des distances supérieures à 800mètres environ

Modélisation de la propagation acoustique à moyenne distance du bruit des trains à grande vitesse

Cette étude a pour but d'identifier les paramètres influant sur la propagation acoustique du bruit émis par des trains à grande vitesse (TGV). Une campagne expérimentale est présentée, pendant laquelle des passages de TGV ont été enregistrés à des distances de la voie comprises entre 7,50 et 600 mètres. Des mesures de température et de vent ont également été réalisées pour caractériser les conditions atmosphériques pendant les passages. Les profils moyens de température et de vent sont estimés à partir des mesures à l'aide de la théorie de la similitude. Un modèle de propagation du bruit de TGV est ensuite présenté. Dans une première étape, le train est décomposé en un ensemble de sources équivalentes. Dans une seconde étape, un modèle de propagation analytique est utilisé pour calculer le niveau acoustique au récepteur. Les résultats du modèle sont comparés aux mesures en champ acoustique proche

Propagation acoustique en milieu extérieur complexe: problèmes spécifiques au ferroviaire dans le contexte des trains à grande vitesse

Outdoor sound propagation involves complex physical phenomena, mainly associated with temperature and wind variations in the atmospheric boundary layer and with boundary conditions (influence of the ground impedance, terrain effects, ...). Furthermore, in the context of high speed trains (TGV), noise sources are in motion at a relatively high speed, cannot be considered as compact, and are of different types (rolling noise, aerodynamic noise, ...). This work aims at modeling TGV noise propagation outdoors and at understanding the physical phenomena associated with this type of propagation. In a first part, acoustic scattering by turbulent fluctuations of temperature and wind is considered in the presence of a refractive shadow zone. The scattering effect of a given turbulence scale depends on acoustic frequency and propagation geometry. This coupling between turbulent structures, acoustic frequency and geometry is studied using tools from the theory of wave propagation in random media and parabolic equation simulations, in order to estimate the smallest and largest turbulence scales to be taken into account in a given configuration. In a second part, a solver of the linearized Euler equations is described which uses finite-difference time-domain methods. The use of optimized numerical schemes enables to apply this propagation model to long range sound propagation configurations. One of the main difficulties encountered with time domain propagation models is to take into account the reflection of acoustic waves by an impedance ground. Time-domain impedance boundary conditions that are efficient from a numerical point of view are proposed for impedance models commonly used in outdoor sound propagation studies. To obtain these boundary conditions, the impedance is approximated by well chosen template functions, which enables the use of the recursive convolution method. They are validated in two- and three-dimensional propagation geometries, considering a homogeneous atmosphere and then a stratified atmosphere. Finally, specific applications to TGV noise are presented in a third part. First, a TGV noise propagation model is described where the train is represented by a set of equivalent point sources. Model results are compared to measurements performed at different distances from the track assuming homogeneous propagation conditions. The equivalent sources model is also coupled to a parabolic equation code in order to take into account the influence of a vertical profile of temperature or wind. Second, the characteristics of a "rumbling" noise that can be heard tens of second before or after some TGV pass-bys are analyzed. In some circumstances, it is indeed possible to hear a relatively low-frequency noise perceived as an aircraft pass-by, which is referred to as "rumbling" noise. The analysis is mainly based on experimental results and enables to determine the characteristics of this "rumbling" noise and the circumstances in which it occurs. Parabolic equation simulations are also performed to show the importance of the wind in the appearance of this phenomenon.La propagation acoustique en milieu extérieur fait intervenir des phénomènes physiques complexes, liés essentiellement aux variations de température et de vent dans la couche limite atmosphérique et aux frontières du domaine (effet de l'impédance du sol, de la topographie, ...). De plus, dans le contexte des trains à grande vitesse (TGV), les sources de bruit sont étendues, en mouvement 'a une vitesse relativement élevée, et de nature diverse (bruit de roulement, bruit d'origine aérodynamique, ...). Ce travail de thèse a pour but de modéliser la propagation du bruit des TGV en milieu atmosphérique, et de comprendre les phénomènes physiques associés à ce type de propagation. La première partie de ce travail s'intéresse à l'effet de diffusion des fluctuations turbulentes de température et de vent sur les ondes acoustiques en présence d'une zone d'ombre acoustique. L'effet de diffusion d'une taille de structure turbulente donnée dépend de la fréquence acoustique et de la géométrie de propagation. Ce couplage entre échelles de turbulence, fréquence acoustique et géométrie est étudié à l'aide d'outils de la théorie de la propagation des ondes en milieu aléatoire et de simulations d'équation parabolique, afin d'estimer les plus petites et les plus grandes tailles de structure turbulente à prendre en compte dans une configuration donnée. Dans une deuxième partie, une méthode de résolution des équations d'Euler linéarisées par différences finies dans le domaine temporel est décrite. L'utilisation de schémas numériques optimisés permet d'appliquer ce modèle de propagation à des configurations de propagation acoustique longue distance. Une des principales difficultés rencontrées avec les modèles temporels de propagation est la prise en compte de la réflexion des acoustiques sur un sol d'impédance finie. Des conditions limites d'impédance performantes d'un point de vue numérique sont proposées pour des modèles d'impédance couramment employés dans les études de propagation en milieu extérieur. Ces conditions limites sont obtenues en approchant l'impédance par des fonctions-type particulières, ce qui permet d'utiliser la méthode de convolution récursive. Elles sont validées dans des configurations de propagation bi- et tridimensionnelle, en considérant une atmosphère homogène puis une atmosphère stratifiée. Enfin, les applications spécifiques au bruit des TGV sont présentées dans une troisième partie. Dans un premier temps, un modèle de propagation du bruit des TGV basé sur une décomposition du train en un ensemble de sources ponctuelles équivalentes est décrit. Les résultats de ce modèle sont comparés à des mesures réalisées à différentes distances de la voie de circulation en supposant les conditions de propagation homogènes. Le modèle de sources équivalentes est également couplé à un code d'équation parabolique afin de prendre en compte l'effet d'un profil vertical de température ou de vent. Dans un deuxième temps, les phases d'approche et d''éloignement de passages de TGV sont analysées afin de caractériser un phénomène de "grondement". Dans certaines circonstances, il est en effet possible d'entendre un bruit similaire à un passage d'avion une dizaine de secondes avant ou après un passage de TGV, bruit qualifié de "grondement". L'analyse s'appuie principalement sur des résultats expérimentaux, qui permettent de déterminer les caractéristiques du "grondement" et les circonstances dans lesquelles il se produit. Cette étude est complétée par des simulations d'équation parabolique qui montrent l'importance du vent dans l'apparition de ce phénomène

Coupling of an aeroacoustic model and a parabolic equation code for long range wind turbine noise propagation

International audienceThis study proposes to couple a source model based on Amiet's theory and a parabolic equation code in order to model wind turbine noise emission and propagation in an inhomogeneous atmosphere. Two broadband noise generation mechanisms are considered, namely trailing edge noise and turbulent inflow noise. The effects of wind shear and atmospheric turbulence are taken into account using the Monin-Obukhov similarity theory. The coupling approach, based on the backpropagation method to preserve the directivity of the aeroa-coustic sources, is validated by comparison with an analytical solution for the propagation over a finite impedance ground in a homogeneous atmosphere. The influence of refraction effects is then analyzed for different directions of propagation. The spectrum modification related to the ground effect and the presence of a shadow zone for upwind receivers are emphasized. The validity of the point source approximation that is often used in wind turbine noise propagation models is finally assessed. This approximation exaggerates the interference dips in the spectra, and is not able to correctly predict the amplitude modulation