基于Matlab GUI的風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)

施 祥，李爭(zhēng)光，方 琳

(1.浙江科技學(xué)院 a.信息與電子工程學(xué)院;b.土木與建筑工程學(xué)院, 杭州 310023；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058)

基于Matlab GUI的風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)

施 祥1a，李爭(zhēng)光1b，方 琳2

(1.浙江科技學(xué)院 a.信息與電子工程學(xué)院;b.土木與建筑工程學(xué)院, 杭州 310023；2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058)

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲污染范圍及程度，設(shè)計(jì)了一款風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)軟件。軟件基于風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，采用Matlab語(yǔ)言編寫，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的圖形用戶界面(GUI)。該軟件能結(jié)合不同地面類型(山地、草地、平地)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)周邊環(huán)境的等聲級(jí)線圖繪制和敏感點(diǎn)噪聲計(jì)算。

風(fēng)電場(chǎng)；噪聲預(yù)測(cè)；Matlab GUI

風(fēng)能作為一種重要的清潔能源，近年來(lái)被當(dāng)作補(bǔ)充能源廣泛應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電的重要設(shè)備，在把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的同時(shí)，也產(chǎn)生了令人煩惱的噪聲污染問(wèn)題。由風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲是風(fēng)電機(jī)組最主要的噪聲來(lái)源。該部分噪聲屬于寬頻噪聲，低頻成分較為顯著，與高頻聲相比，經(jīng)過(guò)相同的傳播距離后空氣吸收衰減較小，因此,距風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)處的居民仍可能受其影響[1-2]。當(dāng)前，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組噪聲問(wèn)題已成為風(fēng)電場(chǎng)選址的一個(gè)重要考慮因素[3]。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組噪聲的預(yù)測(cè)，不僅需要科學(xué)的噪聲傳播數(shù)學(xué)模型，也需要采用合適的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編程計(jì)算。在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)噪聲模擬計(jì)算的編程語(yǔ)言有很多種，國(guó)內(nèi)外同類預(yù)測(cè)軟件一般采用VB、C++等平臺(tái)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。Matlab是一種用于科學(xué)與統(tǒng)計(jì)計(jì)算的專業(yè)工具語(yǔ)言，科學(xué)計(jì)算更加簡(jiǎn)便快捷，只要少量語(yǔ)句就能實(shí)現(xiàn)指數(shù)、積分等運(yùn)算，而且有專門的圖形處理函數(shù)[4]。因此，本研究基于風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，采用Matlab語(yǔ)言編寫風(fēng)電場(chǎng)的聲環(huán)境模擬計(jì)算程序，并利用Matlab的GUIDE交互界面開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場(chǎng)聲場(chǎng)模擬的圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)。

1 風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型

20世紀(jì)80年代，后緣鈍形的雙葉片風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)模型由美國(guó)國(guó)家航空航天局[5-6](National Aeronautics and Space Administration, NASA)提出，得到較廣泛的認(rèn)可。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，當(dāng)前主流風(fēng)電機(jī)組都是后緣為尖形的三葉片結(jié)構(gòu)。因此，該模型已不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組噪聲。針對(duì)當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組，已有國(guó)內(nèi)學(xué)者在該模型上進(jìn)行了修正[7-8]。

1.1 風(fēng)電機(jī)組的噪聲預(yù)測(cè)模型

風(fēng)電機(jī)組的寬頻噪聲預(yù)測(cè)模型如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組位于z立面；聲場(chǎng)中任意點(diǎn)P設(shè)為噪聲傳播預(yù)測(cè)點(diǎn)；風(fēng)電機(jī)組葉輪中心點(diǎn)坐標(biāo)(xi,yi,zi)；預(yù)測(cè)點(diǎn)P坐標(biāo)(x,y,z)；風(fēng)電機(jī)組輪縠高度h，m；風(fēng)輪半徑R，m；風(fēng)輪中心點(diǎn)到預(yù)測(cè)點(diǎn)的距離是r0，m；風(fēng)輪中心和預(yù)測(cè)點(diǎn)連線與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平面間的夾角φ，rad。

根據(jù)理論和實(shí)測(cè)分析，當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的寬頻噪聲主要由吸入湍流噪聲和湍流邊界層流動(dòng)噪聲兩部分組成[7]。吸入湍流噪聲是指空氣流動(dòng)的隨機(jī)振動(dòng)引起的風(fēng)電機(jī)組葉片表面噪聲，湍流邊界層流動(dòng)噪聲是指葉片后緣與湍流邊界層相互作用產(chǎn)生的噪聲。2種噪聲的計(jì)算公式如下：

(1)

fpeak=SU0.7/(h-0.7R)。

(2)。

式(1)和式(2)中:Lp1,1/3為吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，dB；B為風(fēng)電機(jī)的葉片數(shù)量； C0.7為位于0.7倍風(fēng)輪半徑的葉片弦長(zhǎng)，m；σ2為平均紊流強(qiáng)度；U0.7為位于0.7倍風(fēng)輪半徑的自由層速率，m/s；ρ、c0分別為空氣密度、聲速；fpeak為風(fēng)電機(jī)組的特征頻率，當(dāng)f=fpeak時(shí)，Ka(f)達(dá)到最大值；S為斯特勞哈爾數(shù)，取值16.6；Ka(f)為與頻率相關(guān)的修正因子，該因子通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到，如圖2所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組的噪聲預(yù)測(cè)模型Fig.1 Wind turbine noise prediction model

圖2 Ka(f)曲線Fig.2 Ka(f) curve

(3)

式(3)中:Lp2,1/3為湍流邊界層流動(dòng)噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，dB；U為自由層氣流速率，m/s；D為氣流指向性因子；δ為湍流邊界層厚度，m；l為葉片單元的寬度，m；S=fδ/U;Smax取值0.1；Kb為修正值，取5.5 dB。

將上述兩個(gè)聲壓級(jí)按頻帶相加，并進(jìn)行A計(jì)權(quán)衰減，再把各頻帶的A聲級(jí)疊加得到總A聲級(jí)LA，即

(4)

(5)

(6)

考慮風(fēng)向、地面吸收衰減等因素，需在式(6)上進(jìn)一步修正[9]。

1.2 多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲疊加

多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組噪聲疊加方法為

(7)

式(7)中:Lp為多個(gè)噪聲源同時(shí)存在時(shí)該預(yù)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)，即疊加后的聲壓級(jí)，dB；Lpi為某個(gè)風(fēng)電機(jī)組的噪聲貢獻(xiàn)值，dB。背景噪聲的疊加，也可以參照式(7)進(jìn)行疊加計(jì)算。

2 基于Matlab的風(fēng)電場(chǎng)噪聲計(jì)算程序

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow

在Matlab編程環(huán)境下，基于風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)模型開(kāi)發(fā)了風(fēng)電場(chǎng)噪聲計(jì)算程序。該軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)等聲級(jí)線圖的繪制和敏感點(diǎn)的噪聲計(jì)算。其中，風(fēng)電場(chǎng)等聲級(jí)線繪制又調(diào)用了若干子程序，程序流程見(jiàn)圖3。

2.1 計(jì)算單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的兩種噪聲

依據(jù)圖1風(fēng)電機(jī)組的噪聲預(yù)測(cè)模型，輸入葉片數(shù)B，葉輪半徑R，空氣密度ρ，聲速C0，葉片根部弦長(zhǎng)Cr，地面類型WTGS，風(fēng)速Vw，風(fēng)向V-Alf，1/3倍頻程中心頻率f 等參數(shù)。根據(jù)式(1)，可求得預(yù)測(cè)點(diǎn)P的吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)Lp1,1/3(f)。其主要程序代碼如下：

r_2=(x-xi)∧2+(y-yi)∧2+(z-zi)∧2; % r0的平方

sinA=(y-yi)/sqrt(r_2); %sinφ

C07=0.7*Cr; %C0.7

switch WTGS %判斷地面類型

case{1};I_ref=0.16;%山地

case{2};I_ref=0.14;%草地

case{3};I_ref=0.12;%平地

end

w=I_ref*(0.75*Vw+5.6); %計(jì)算平均紊流強(qiáng)度σ

R07=0.7*R;

U07=2*pi*R07*n; %計(jì)算U0.7

it=Bn*sinA∧2*p*p*C07*R*w∧2*U07∧4/r_2/C0/C0;

Lp1=10*log10(it)+Kaf; %計(jì)算吸入湍流噪聲Lp1

同樣，輸入葉片數(shù)B，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n，1/3倍頻程中心頻率f 等參數(shù)。根據(jù)式(3)，可求得預(yù)測(cè)點(diǎn)P(x,y,z)的湍流邊界層流動(dòng)噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)Lp2。

2.2 計(jì)算單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的A聲級(jí)

根據(jù)式(4)～(6)，把上述2個(gè)聲壓級(jí)按頻帶相加，進(jìn)行A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，再把各頻帶的聲級(jí)疊加，得到單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在預(yù)測(cè)點(diǎn)P(x,y,z)的A聲級(jí)。其關(guān)鍵代碼如下：

f0=12.5; %選擇1/3倍頻程的基準(zhǔn)頻率f0=12.5；

sum_P=0;

Ct=1.43;

for i=6:1:26 %對(duì)不同中心頻率進(jìn)行計(jì)算

f=f0*2∧(i/3);

Lp1 = inflow_turbulence2(x,y,z,xi,yi,zi,Cr,R,n,Vw,f,Ct,WTGS);%調(diào)用Lp1子程序

Lp2 = trailing_edge_interaction3(x,y,z,xi,yi,zi,R,n,Cr,s,f,Ct);%調(diào)用Lp2子程序

Lp=10*log10(10.∧(Lp1/10)+10.∧(Lp2/10);%某個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)

switch i %條件語(yǔ)句

case {0}; Lpj=Lp-63.4;%某個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

～

case {31}; Lpj=Lp-6.6;

otherwise;Lpj=Lp-9.3;

end

sum_P=sum_P+10*log10(1+10∧((Lpj-sum_P)/10)); %把各頻帶的A聲級(jí)疊加

end

La=sum_P; %得到預(yù)測(cè)點(diǎn)P(x,y,z)的A聲級(jí)

2.3 等聲級(jí)線繪制和敏感點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算

在環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)中，繪制聲源的等聲級(jí)線圖，可以了解該建設(shè)項(xiàng)目(即聲源)建成后受影響的人口分布、噪聲超標(biāo)的范圍和程度，從而可以預(yù)先做好隔聲、吸聲等噪聲防護(hù)措施，降低聲源對(duì)周邊人群的不利影響[10]。在噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，也必須關(guān)注噪聲影響區(qū)域的醫(yī)院、學(xué)校和居民住宅區(qū)等敏感點(diǎn)的噪聲值。

等聲級(jí)線繪制是風(fēng)電場(chǎng)噪聲模擬計(jì)算程序中的主程序，其功能包括導(dǎo)入地圖、設(shè)置聲場(chǎng)范圍、獲取聲源位置、調(diào)用計(jì)算聲場(chǎng)中所有點(diǎn)的A聲級(jí)、繪制等值線圖，其程序流程圖見(jiàn)圖3。其中，“計(jì)算聲場(chǎng)中所有點(diǎn)的A聲級(jí)”子程序，需調(diào)用“計(jì)算單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在某預(yù)測(cè)點(diǎn)P(x,y,z)的A聲級(jí)”。敏感點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算程序可參考等聲級(jí)線繪制程序。

等聲級(jí)線繪制程序的關(guān)鍵代碼如下：

[filename,pathname]=uigetfile({′*.jpg′;′*.bmp′},′選擇圖片′);%選擇地圖

image(pic); %顯示地圖

hold on; %使得圖形疊繪

[xgin,ygin]=ginput; %獲取聲源位置

gxy=[xgin,ygin];

for i=1:1:N %對(duì)N個(gè)聲源產(chǎn)生的聲壓做循環(huán)累計(jì)

A=gxy(i,:); %提取聲源坐標(biāo)值

xi=A(1,1);yi=A(1,2); %獲取聲源橫坐標(biāo)xi，縱坐標(biāo)用yi表示

Li= point_sound_all(xm,ym,z,xi,yi,zi,Cr,R,Vw,n,s,WTGS,V_Alf);

%調(diào)用聲場(chǎng)所有點(diǎn)的聲壓計(jì)算子函數(shù)，括號(hào)內(nèi)為聲場(chǎng)范圍、聲源參數(shù)

pi2=Po_2*(10.∧(Li/10)); %由Li求pi∧2

p2=p2+pi2; %由pi∧2，求(p總)∧2

end

Lp=10*log10(p2/Po_2); %計(jì)算N個(gè)聲源疊加后的總聲壓級(jí)

La=Lp+10*log10(1+10.∧((Ab-Lp)/10)); %考慮背景噪音后的聲壓級(jí)

h1=contour(La,′DisplayName′,′L′); % 畫等值線

3 圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)

為了便于用戶使用，在M程序的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用Matlab的GUIDE交互界面開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場(chǎng)聲場(chǎng)模擬的圖形用戶界面(GUI)。

3.1 功能描述

設(shè)計(jì)的圖形用戶界面分為以下幾個(gè)模塊：

1)參數(shù)輸入，導(dǎo)入地圖，輸入風(fēng)電場(chǎng)的聲源、聲場(chǎng)的各種參數(shù)；

2)執(zhí)行命令，繪制曲線、清除參數(shù)和曲線；

3)顯示窗口，主要顯示繪制的等聲級(jí)線、顯示風(fēng)電機(jī)組的位置；

4)敏感點(diǎn)計(jì)算，計(jì)算敏感點(diǎn)的聲壓值。

3.2 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)如圖4所示，界面主要分為菜單欄、聲場(chǎng)圖、參數(shù)表和敏感點(diǎn)聲壓級(jí)計(jì)算4個(gè)區(qū)域。在界面設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要編輯各控件的回調(diào)函數(shù)，以便界面能真正運(yùn)行。現(xiàn)舉3例：

“聲源設(shè)置”的“葉輪半徑(m)”，包含一個(gè)文本編輯框。該文本框的作用是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪半徑R的輸入，其程序代碼：R=str2num(get(handles.edt_R,′string′));%讀取字符串并轉(zhuǎn)換為數(shù)值類型。這樣，就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑R的輸入。

“繪制聲場(chǎng)”控件，需右擊該控件，在彈出菜單中選擇Callback函數(shù)，把“等聲級(jí)線繪制主程序”的程序代碼粘貼上去。

“設(shè)置預(yù)測(cè)點(diǎn)”控件，需在其Callback函數(shù)中輸入如下代碼：

[xgin2,ygin2]=ginput(1); %鼠標(biāo)點(diǎn)擊當(dāng)前坐標(biāo)系的某個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn),并返回該點(diǎn)的x，y坐標(biāo)

plot(xgin2,ygin2,′k∧′);%在圖上做預(yù)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)志，黑色三角形

set(handles.edt_x,′string′,num2str(round(xgin2)));%顯示預(yù)測(cè)點(diǎn)x,y坐標(biāo)

set(handles.edt_y,′string′,num2str(round(ygin2)));

3.3 程序執(zhí)行和使用

如圖4所示，預(yù)先導(dǎo)入地圖，并輸入風(fēng)電場(chǎng)的聲源、聲場(chǎng)的各種參數(shù)，在地圖上設(shè)置2個(gè)風(fēng)電機(jī)組聲源后，點(diǎn)擊“繪制聲場(chǎng)”命令后，顯示窗口顯示了聲場(chǎng)等值線圖。圖4顯示了2個(gè)風(fēng)電機(jī)組聲源作用下的聲場(chǎng)等聲級(jí)線圖形。

對(duì)噪聲敏感點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，可以鼠標(biāo)點(diǎn)擊敏感點(diǎn)在地圖中的位置，再點(diǎn)擊“計(jì)算”，即可計(jì)算出敏感點(diǎn)的聲壓級(jí)。如圖4聲場(chǎng)圖中的Δ標(biāo)志即為敏感點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)(1 323,1 230,1.5)，該點(diǎn)的A聲級(jí)為56.5 dB。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)聲場(chǎng)模擬的圖形用戶界面Fig.4 Graphical user interface of wind farm noise simulation

4 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證軟件的可靠性，依據(jù)風(fēng)電機(jī)組的噪聲測(cè)試規(guī)范[10-11]，對(duì)浙江省內(nèi)兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組噪聲進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，表1給出了各風(fēng)電機(jī)組參數(shù)。

根據(jù)本程序計(jì)算的噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果與噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，依據(jù)預(yù)測(cè)模型得到的數(shù)值與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，兩者差值都在±3 dB范圍內(nèi)。

表1 風(fēng)電機(jī)組參數(shù)
Table 1 Parameters of wind turbines

風(fēng)電機(jī)組序號(hào)額定功率/kW風(fēng)輪直徑/m輪縠高度/m槳葉數(shù)驅(qū)動(dòng)方式風(fēng)速/(m·s-1)葉片轉(zhuǎn)速/(r·min-1)175049503變槳距6202200080673變槳距613

表2 噪聲模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值Table 2 Predicted values of the model and surveying values

5 結(jié) 語(yǔ)

基于NASA提出的風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)版，采用Matlab語(yǔ)言編寫了風(fēng)電場(chǎng)的聲環(huán)境模擬計(jì)算程序，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的GUI程序。該程序能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)聲場(chǎng)等聲級(jí)線圖的繪制和噪聲敏感點(diǎn)的噪聲預(yù)測(cè)，有利于風(fēng)電場(chǎng)的科學(xué)選址和風(fēng)電機(jī)組的規(guī)范布局。所設(shè)計(jì)的GUI簡(jiǎn)單實(shí)用且交互界面友好, 便于用戶使用，從而為具有不同地面類型(山地、草地、平地)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)、模擬和計(jì)算機(jī)優(yōu)化提供了一種有效的工具。

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[11] 中華人民共和國(guó)發(fā)展改革委員會(huì).風(fēng)電場(chǎng)噪聲限制及測(cè)量方法：DL/T 1084-2008[S].北京：中國(guó)電力出版社， 2008.

Prediction software development for wind farm noise based on Matlab GUI

SHI Xiang1a，LI Zhengguang1b，F(xiàn)ANG Lin2

(1a.School of Information and Electronic Engineering;1b.School of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 2.College of Environment and Resources Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058,China)

Prediction software for wind farm noise was developed to predict the noise pollution level and range from the wind farm when wind turbines convert wind energy into electricity. The software was based on mathematical model of wind turbine noise prediction using Matlab language, and the graphical user interface (GUI) was also developed. This software can realize wind farm acoustic contour drawing in the field of different ground types (mountain land, grassland, flatland). Also, it can realize noise prediction of sensitive points.

wind farm; noise prediction; Matlab GUI

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.06.003

2016-10-20

浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y201120159);浙江省省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016REWB03)

施 祥(1973— )，男，浙江省杭州人，講師，碩士，主要從事聲學(xué)與電子技術(shù)研究。

TP311.52；TB529

A

1671-8798(2016)06-0427-06