風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲傳播的數(shù)值仿真

謝雙義，金 鑫

(1.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶402247；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲傳播的數(shù)值仿真

謝雙義1，金 鑫2

(1.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶402247；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

探討風(fēng)力機(jī)噪聲的傳播問題，推導(dǎo)了噪聲隨距離分布的數(shù)學(xué)關(guān)系。由于噪聲的接受者一般位于地面，以接受者到塔架的距離作為自變量來分析噪聲傳播特征。繼而應(yīng)用Cadna A軟件進(jìn)行噪聲仿真預(yù)測(cè)，將數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示了良好的一致性。

聲學(xué)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；噪聲傳播；風(fēng)能

1 風(fēng)力機(jī)噪聲簡(jiǎn)介

風(fēng)力機(jī)噪聲的來源主要分為兩種[3]：

(1)機(jī)械噪聲：產(chǎn)生于各部件之間的相互作用，如齒輪嚙合，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航電機(jī)的工作，冷卻風(fēng)扇及液壓機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)等等；

(2)氣動(dòng)噪聲：產(chǎn)生于空氣流過葉片的過程。如圖2所示，主要有三種噪聲：a.低頻噪聲，葉片旋轉(zhuǎn)到塔架附近時(shí)由于氣流變化導(dǎo)致的低頻噪聲；b.入流湍流噪聲，葉片與來流中的湍流相互作用產(chǎn)生的噪聲；c.翼型噪聲，包括氣流流過翼型表面產(chǎn)生的噪聲，鈍尾緣或葉片上的裂紋小孔等產(chǎn)生的噪聲。

圖2 氣動(dòng)噪聲

2 模型描述

為了簡(jiǎn)化噪聲傳播模型，本文基于以下假定：

(1)風(fēng)力機(jī)看成一個(gè)點(diǎn)狀聲源，并且產(chǎn)生的噪聲呈球形擴(kuò)散；

(2)地面完全吸收噪聲；

(3)不考慮短距離內(nèi)空氣對(duì)噪聲的吸收；

(4)聲源發(fā)出的噪聲為寬帶噪聲。

假定2成立是因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)一般建在郊區(qū)等鄉(xiāng)村環(huán)境，地面對(duì)聲音的吸收率很高。由于本文強(qiáng)調(diào)的是聲強(qiáng)隨各種變量的變化特性，因此可以采用這些理想假定，后續(xù)可以討論更為精確的模型。模型的幾何簡(jiǎn)圖如圖3所示。圖中黃色標(biāo)記的是聲源和接受者。

圖3 噪聲傳播簡(jiǎn)圖

建立模型的第一步首先要估計(jì)聲源的聲能級(jí)LwA（A計(jì)權(quán)）。目前很多實(shí)測(cè)的或理論的數(shù)據(jù)可供參考。因?yàn)長(zhǎng)wA僅影響曲線垂直方向的偏移，故對(duì)LwA的精確程度要求不高。

計(jì)算的LwA通過制造廠商提供。如表1所示是基于IEC 61 400-11標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力機(jī)噪聲表。

表1 Nordex N 80型風(fēng)力機(jī)噪聲傳播數(shù)值表(輪轂高度≤80 m)

通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式插值可獲得任意風(fēng)速下的噪聲值[4]。這些數(shù)據(jù)可以用來計(jì)算距離風(fēng)力機(jī)r米處（見圖3）的聲強(qiáng)級(jí)LI。在點(diǎn)狀聲源和完全吸收的地面條件下，有如下公式

式中LwA是聲源的聲能級(jí)，r0是參考距離，選取為1 m，α是空氣吸收系數(shù)，它和聲源頻率，溫度以及空氣濕度有關(guān)，可以參考文獻(xiàn)[6]計(jì)算得到。本例中，假定α為常數(shù)，其值如下[5]

距離聲源100 m范圍之內(nèi)的衰減可以忽略不計(jì)[8]。參考ISO9 613標(biāo)準(zhǔn)中給出的噪聲傳播公式，忽略地面反射，阻擋等因素。并且其影響可以很容易地作為附加條件模擬得到。

公式（1）從常用的牛頓場(chǎng)公式演化而來，牛頓場(chǎng)公式給出了某點(diǎn)聲強(qiáng)級(jí)I關(guān)于聲源能級(jí)W和距離r之間的關(guān)系

式中I0，W0和r0是將這些對(duì)數(shù)參數(shù)無量綱化的參考值。將所有常數(shù)代入式(3)并假定K如下

文中K僅和風(fēng)速有關(guān)，因?yàn)轱L(fēng)速影響聲源的能級(jí)大小。考慮圖2中的幾何關(guān)系

式中H=HR-HS，于是聲強(qiáng)級(jí)最終可寫成下式

可得到聲強(qiáng)的表達(dá)式

圖4為聲強(qiáng)隨水平距離x的變化趨勢(shì)?？疾旃?7)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)x=0時(shí)，聲強(qiáng)最大,在處存在拐點(diǎn)。從這個(gè)結(jié)果可以看出，在離風(fēng)力機(jī)更近的某個(gè)范圍內(nèi)噪聲減小慢，而在整個(gè)范圍之外噪聲減小更快。曲線的凹陷程度影響聲強(qiáng)函數(shù)的斜率?？梢钥闯?，影響拐點(diǎn)位置的唯一因素是聲源與接受者的高差H。

另外，考察聲強(qiáng)和聲源高度的關(guān)系，從公式(7)可以發(fā)現(xiàn)聲強(qiáng)與兩個(gè)變量x和H的關(guān)系是一樣的。這表明聲強(qiáng)關(guān)于H的曲線與關(guān)于x的曲線是一樣的,如圖5所示。從圖中可以看出，聲源離地越高，對(duì)地面接受者的影響越小。

圖4 聲強(qiáng)級(jí)—水平距離曲線

3 軟件仿真

通過噪聲預(yù)測(cè)軟件Cadna A（Computer Aided Noise Abatement）獲得了不同的預(yù)測(cè)結(jié)果。Cadna A是一款德國(guó)的噪聲預(yù)測(cè)軟件?！敖嵌葤呙琛焙汀吧渚€追蹤”方法是這款軟件的基礎(chǔ)。軟件將仿真區(qū)域分割成很多小的表面，形成計(jì)算網(wǎng)格。接受器可放置于不同的高度，本例中為2 m。每個(gè)網(wǎng)格單元在所有的方向釋放出射線，這些射線經(jīng)過多次的反射和接收器相遇。每根射線段的長(zhǎng)短表明噪聲的衰減。放置于仿真區(qū)域的接收器可以記錄下各自位置的聲強(qiáng)，并可以導(dǎo)出為列表。本文算例中，接收器的間隔為5 m。表2為仿真參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)

圖5為單個(gè)風(fēng)力機(jī)仿真的結(jié)果，圖中黑白相間的小圓點(diǎn)是接收器，聲源位于左起第一個(gè)接收器的位置。波浪形的黑色線條是等聲區(qū)的分界線，等聲區(qū)用不同的顏色來區(qū)分。從圖中可以看出，位于塔架處的噪聲最大，隨著距離的增加，噪聲值減?。伾桨翟肼曉叫。?，可以初步反應(yīng)仿真結(jié)果的正確性。圖6為軟件仿真的結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果的比較，兩者有很好的一致性，驗(yàn)證了模型的正確性。

圖5 仿真結(jié)果

圖6 結(jié)果比較

在單個(gè)風(fēng)力機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，建立了一組風(fēng)力機(jī)的模型來模擬風(fēng)場(chǎng)的噪聲。風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)力機(jī)水平方向間隔200 m，前后方向間隔100 m。如圖7所示，仿真參數(shù)采用表一所示，接收器間隔擴(kuò)大成10 m。結(jié)果清楚的顯示了臨近風(fēng)力機(jī)噪聲的疊加效果。將接收器測(cè)得的噪聲值導(dǎo)出并繪制曲線得到圖8。通圖中可以看出，距離塔架越遠(yuǎn)的接收器測(cè)得的噪聲值越小。隨著接收器位置的變換，噪聲值呈近似的正弦變化。

圖7 一組風(fēng)力機(jī)的噪聲

圖8 一組風(fēng)力機(jī)的噪聲

4 結(jié)語(yǔ)

推導(dǎo)了風(fēng)力機(jī)噪聲傳播的理論模型。各點(diǎn)聲強(qiáng)大小主要由聲源與接受者的距離決定，呈反平方關(guān)系（因?yàn)槁晥?chǎng)是牛頓場(chǎng)）。通過畫出聲強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)噪聲的減小速度存在一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)范圍內(nèi)噪聲減小速度較慢，在拐點(diǎn)范圍外噪聲減小速度更快。

采用噪聲預(yù)測(cè)軟件Cadna A模擬了單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的噪聲，并與理論推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了理論模型的正確性。另外通過軟件建立了一個(gè)小型風(fēng)場(chǎng)的模型，模擬了風(fēng)場(chǎng)的噪聲。噪聲預(yù)測(cè)軟件可以方便的做不同的噪聲仿真，比如考慮地形的影響以及模擬整個(gè)風(fēng)場(chǎng)。

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[5]Eja Pedersena and Kerstin Persson Waye.Perception and annoyance due to w ind turbine noise a dose response relationship[J].Acoustical Society of America 2004,116 (6):3460-3470.

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[8]Anthony L.Rogers,Wind turbine acoustic noise[R].Golden,Colorado,USA:National renewable energy laboratory,2006.

Numerical Simulation of Noise Emission of Wind Turbines

XIE Shuang-yi1,JIN Xin2

(1.Chongqing Vocational College of Public Transportation,Chongqing 402247,China; 2.State Key Laboratory of Mechanical Transm ission,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

The problem of w ind turbine noise emission and propagation is discussed,and the mathematical relationship between noise intensity and distance is formulated.Since the noise recipients are generally located on the ground,the distance from the recipient to the w ind turbine tower can be regarded as the independent variable to analyze the characteristics of noise propagation.Then,the noise is predicted numerically using software Cadna A.Results of mathematical derivation are compared w ith the simulation results,and both results are found to be in a good agreement.

acoustics;w ind turbine;noise propagation;w ind energy

1006-1355(2014)04-0189-03+196

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.041

隨著風(fēng)能技術(shù)的大力發(fā)展，風(fēng)力機(jī)對(duì)環(huán)境的影響受到越來越多的關(guān)注。風(fēng)力機(jī)對(duì)環(huán)境的影響主要有兩方面，其一是對(duì)人們視覺的沖擊，其二是噪聲干擾。風(fēng)力機(jī)的噪聲是設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮的一項(xiàng)主要指標(biāo)[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)大大減小。如圖1所示，上世紀(jì)90年代及2000年以后生產(chǎn)的風(fēng)力機(jī)其趨勢(shì)線處于80年代風(fēng)力機(jī)的下方，并且要平坦很多，表明相同尺寸的風(fēng)力機(jī)90年代以后生產(chǎn)的噪聲要小，并且噪聲隨風(fēng)輪尺寸的增大的速度要平緩許多[2]。

即便風(fēng)力機(jī)的噪聲大大減小了，如果居住者距離風(fēng)場(chǎng)太近，風(fēng)力機(jī)也會(huì)帶來噪聲污染。因此，考慮噪聲的傳播問題，分析聲強(qiáng)函數(shù)的特點(diǎn)，關(guān)注聲強(qiáng)隨不同變量變化的斜率，是有意義的課題。

圖1 風(fēng)力機(jī)噪聲

2013-12-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAA22B02)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51005255)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(20090191120005)

謝雙義（1986-），男，山東泰安人，碩士，主要從事風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)建模與仿真。

E-mail:xsy.1986@163.com