風力發電機組的噪聲控制

摘 要：

    簡要分析了風力發電機組的噪聲源，重點介紹了阻尼減振降噪控制和噪聲傳播降噪控制的原理和方法，提出風力發電機組的噪聲控制措施和方法。

關鍵詞：風力發電機 阻尼減振 噪聲控制

0 引言

    能源是現代社會和經濟發展的基礎。在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為最有開發利用前景和技術最成熟的一種新能源和可再生能源之一，已成了全球能源工業關注的熱點。自二十世紀七十年代以來，風能開發和利用在歐美發達國家發展非常迅速，風力發電的技術也日趨成熟。中國國家計委于1996 年3 月制定了“乘風計劃”，以風力發電機的國產化來帶動風電場建設的產業化。該計劃旨在采取技貿結合的形式，引進國外先進技術，通過消化吸收，達到自主開發，自行設計和制造大型風力發電機的能力[1]。

    風能開發能減輕空氣污染和水污染，但如果處理不當，則會增加噪聲污染。近幾年，隨著風力發電機國產化程度的不斷擴大，而我國制造業與歐美發達國家還有一定的差距，因此國產化風力發電機振動噪聲問題逐漸顯現出來。風力發電場附近居民對風力發電機組產生大噪聲煩擾的投訴、申告也越來越多，甚至威脅到風力發電機的正常國產產業化，因此，風力發電機的減振降噪控制是非常重要和必要的。本文將重點討論阻尼減振降噪技術和噪聲傳播降噪技術在風力發電機組噪聲控制中的應用。

1 噪聲源分析

    風力發電機組工作過程中在風及運動部件的激勵下，葉片及機組部件產生了較大的噪聲，其噪聲源主要有：

（1）機械噪聲及結構噪聲

 齒輪噪聲。嚙合的齒輪對或齒輪組，由于互撞和摩擦激起齒輪體的振動，而通過固體結構輻射齒輪噪聲。

② 軸承噪聲。由軸承內相對運動元件之間的摩擦和振動及轉動部件的不平衡或相對運動元件之間的撞擊引起振動輻射產生噪聲。

③ 周期作用力激發的噪聲。由轉動軸等旋轉機械部件產生周期作用力激發的噪聲。

④ 電機噪聲。不平衡的電磁力使電機產生電磁振動，并通過固體結構輻射電磁噪聲。

    機械噪聲和結構噪聲是風力發電機組的主要噪聲源，而且對人的煩擾度最大。這部分噪聲是能夠控制的，其主要途徑是避免或減少撞擊力、周期力和摩擦力，如提高加工工藝和安裝精度，使齒輪和軸承保持良好的潤滑條件等。為減小機械部件的振動，可在接近力源的地方切斷振動傳遞的途徑，如以彈性連接代替剛性連接；或采取高阻尼材料吸收機械部件的振動能，以降低振動噪聲。
（2）空氣動力噪聲

空氣動力噪聲由葉片與空氣之間作用產生，它的大小與風速有關，隨風速增大而增強。處理空氣動力噪聲的困難在于其聲源處在傳播媒質中，因而不容易分離出聲源區。

（3）通風設備噪聲

散熱器、通風機等輔助設備產生的噪聲。

2 噪聲控制

    噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播途徑和噪聲接受者三方面入手[2]。噪聲控制技術主要以噪聲的聲學控制方法為主，具體的技術途徑一般包括隔聲處理、吸聲處理、振動的隔離、阻尼減振等。隔聲處理和吸聲處理屬于噪聲傳播降噪控制；振動的隔離和阻尼減振屬于阻尼減振降噪控制。這些噪聲控制方法的機理在于，通過噪聲聲波與聲學材料或聲學結構、振動波與阻尼材料或阻尼結構的相互作用消耗能量，從而達到降低噪聲的目的。
    2.1 阻尼減振降噪控制
阻尼減振降噪技術是利用阻尼材料的特性以及阻尼結構的合理設計，耗散結構件的振動能量，來達到減振降噪的目的。阻尼減振技術近年來得到了迅速的發展，尤其在航空航天、汽車工業、儀器儀表、兵器、建筑業及家電行業等領域有著廣泛的應用。無論是在基礎理論方面，還是在新材料的研制以及應用技術方面都已成長為一個獨立的科學分支。

2.1.1 阻尼材料及其特性

    材料阻尼是指材料內部在經受振動變形過程中損耗振動能量的能力[3]。阻尼材料也稱粘彈阻尼材料，或粘彈性高阻尼材料。它是一種兼有某些粘性液體和彈性固體特性的材料。粘性液體有耗散能量的能力，而不能儲存能量；相反，彈性材料有儲存能量的能力，而不能耗散能量。粘彈性材料介于兩者之間，當它產生動態應力和應變時，有一部分能量被轉化為熱能而耗散掉，而另一部分能量以位能的形式儲存起來。能量被轉化和耗散的現象表現為阻尼特性。利用它可抑制共振頻率下的振動峰值，減少振動沿結構的傳遞，降低結構噪聲。

    各種阻尼材料都受環境溫度和工作頻率的影響，溫度不同，工作頻率不同，阻尼特性也不同。作為良好的阻尼材料，應在較寬溫度范圍和較寬頻率范圍具有較高的損耗因子，如圖1 所示。

2.1.2 表面阻尼處理

    表面阻尼處理主要應用于受彎曲振動為主的厚度不大的構件或薄板零件。風力發電機艙以及隔板等均為薄板振動件，因此表面阻尼處理在風力發電機上能得以應用。表面阻尼處理通常分為自由阻尼處理和約束阻尼處理兩大類。

（1）自由阻尼處理

    將一層一定厚度的粘彈阻尼材料粘貼于基板表面上，當基板產生彎曲振動時，阻尼層隨基本層一起振動，在阻尼層內部產生拉-壓變形。根據阻尼材料的耗能機理，當阻尼材料內部產生交變應力時，阻尼材料就會將有序的機械能轉化為無序的熱能，從而起到耗能的作用。自由阻尼結構如圖2 所示，阻尼層越厚，阻尼損耗因子越大，制振效能就越好。

（2）約束阻尼處理

    在自由阻尼處理的阻尼層外側表面再粘貼一彈性層，這一彈性層應具有遠大于阻尼層的彈性摸量。當阻尼層隨基本結構層一起產生彎曲振動而使阻尼層產生拉-壓變形時，由于粘貼在外側彈性層的彈性摸量遠大于阻尼層的彈性摸量，因此這一彈性層將起到約束阻尼層的拉-壓變形的作用，所以這一彈性層被稱為約束層，而受彈性層約束的阻尼層被稱為約束阻尼層。由于阻尼層與基本層接觸的表面所產生的拉-壓變形不同于與約束層接觸的表面所產生的拉-壓變形，從而在阻尼材料內部產生剪切變形。因此約束阻尼處理結構中，阻尼層不僅承受拉-壓變形，還同時承受剪切變形，它們都能起到耗能作用，如圖3 所示。約束阻尼結構比自由阻尼結構耗散更多的能量，因此具有更好的減振降噪效果。

a) 自由狀態              b) 振動拉-壓及剪切變形狀態
1—基本層      2—阻尼層     3—約束層
圖3 約束阻尼處理結構
    實際應用中往往將基本層與約束層采用同一種材料，且厚度相同，稱為對稱型復合阻尼材料結構。
2.1.3 阻尼材料種類及其應用

    阻尼材料分為阻尼板材和阻尼涂料兩大類，阻尼板材根據基體成分又分為瀝青阻尼板材和橡膠阻尼板材，阻尼板材具有良好的減振隔聲性能，性能穩定，但對結構表面形狀和安裝工藝性要求較高。阻尼板材可用于振動源附件的結構部件表面，也可貼附于薄殼結構表面做自由阻尼處理結構。阻尼涂料是一種特殊的涂料，可以將其涂覆于各種材料、各種復雜形狀的結構表面上，它具有減振、降噪、隔振和密封的作用。阻尼涂料可以噴涂或刮涂于薄殼結構表面，做成自由阻尼處理結構。阻尼涂料施工簡便，特別適合于形狀復雜的殼體涂覆，可以做到整體美觀。

    由于風力發電機的主要機組部件安裝于機艙內部，這些部件產生的振動直接傳遞給機艙，引起機艙振動并輻射產生噪聲。因此可以在機艙內表面貼附阻尼材料對機艙進行表面自由阻尼處理，衰減振動，降低結構輻射噪聲，同時隔離機艙內部的噪聲向外傳播。

2.2 噪聲傳播降噪控制

    噪聲傳播控制，又稱無源噪聲控制，它是在噪聲傳播途徑中使用聲學材料或聲學結構來隔離或吸收一部分聲能，使聲波在通過聲學材料或聲學結構時得到衰減而達到降噪控制的目的。噪聲傳播降噪控制與阻尼減振降噪控制是相輔相成、密不可分的，阻尼對提高材料的隔聲性能有明顯的作用。
對風力發電機機艙內表面貼覆阻尼隔聲材料做阻尼、隔聲處理，當機艙內齒輪箱、電機等部件產生的噪聲入射到機艙殼體表面時被轉化成以下主要部分：1）一部分被反射回機艙內部；2）一部分在經過機艙表面時被轉化成其它形式的能量或波形而被吸收。如：其中一部分被貼附于機艙殼體上的高阻尼材料轉化成熱能而被損耗了，另一部分轉換為結構輻射噪聲或其它形式的波形；3）最后剩下的一部分透過機艙傳入外部環境。噪聲傳播過程中的能量分配見圖4。