風力發(fā)電機組噪聲產(chǎn)生原因及控制

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摘要：本文分析了風力發(fā)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及方法,，并提出風力發(fā)電機組的噪聲控制措施和方法。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機 阻尼減振 噪聲控制

引言：

      能源是現(xiàn)代社會和經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ),。在常規(guī)能源告急和生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下,，風能作為zui有開發(fā)利用前景和技術(shù)zui成熟的一種新能源和可再生能源之一，已成了能源工業(yè)關(guān)注的熱點。自二十世紀七十年代以來,，風能開發(fā)和利用在歐美發(fā)達國家發(fā)展非常迅速,，風力發(fā)電的技術(shù)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(fā)電機的國產(chǎn)化來帶動風電場建設(shè)的產(chǎn)業(yè)化,。該計劃旨在采取技貿(mào)結(jié)合的形式，引進*技術(shù),，通過消化吸收,，達到自主開發(fā)，自行設(shè)計和制造大型風力發(fā)電機的能力,。

    風能的開發(fā)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(fā)電機國產(chǎn)化程度的不斷擴大，而我國制造業(yè)與歐美發(fā)達國家還有一定的差距,，因此國產(chǎn)化風力發(fā)電機振動噪聲問題逐漸顯現(xiàn)出來,。風力發(fā)電場附近居民對風力發(fā)電機組產(chǎn)生大噪聲煩擾的投訴、申告也越來越多,，甚至威脅到風力發(fā)電機的正常國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化,，因此，風力發(fā)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(shù)和噪聲傳播降噪技術(shù)在風力發(fā)電機組噪聲控制中的應(yīng)用,。

1 噪聲源分析

    風力發(fā)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(chǎn)生了較大的噪聲,，其噪聲源主要有：

（1）機械噪聲及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)輻射齒輪噪聲,。

② 軸承噪聲。由軸承內(nèi)相對運動元件之間的摩擦和振動及轉(zhuǎn)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(chǎn)生噪聲,。

③ 周期作用力激發(fā)的噪聲,。由轉(zhuǎn)動軸等旋轉(zhuǎn)機械部件產(chǎn)生周期作用力激發(fā)的噪聲。

④ 電機噪聲,。不平衡的電磁力使電機產(chǎn)生電磁振動,，并通過固體結(jié)構(gòu)輻射電磁噪聲。

 機械噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲是風力發(fā)電機組的主要噪聲源,，而且對人的煩擾度zui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(chǎn)生，它的大小與風速有關(guān),，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(zhì)中，因而不容易分離出聲源區(qū),。

（3）通風設(shè)備噪聲

散熱器,、通風機等輔助設(shè)備產(chǎn)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(shù)主要以噪聲的聲學控制方法為主，具體的技術(shù)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(jié)構(gòu),、振動波與阻尼材料或阻尼結(jié)構(gòu)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(shù)是利用阻尼材料的特性以及阻尼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計,，耗散結(jié)構(gòu)件的振動能量,，來達到減振降噪的目的。阻尼減振技術(shù)近年來得到了迅速的發(fā)展,，尤其在航空航天,、汽車工業(yè)、儀器儀表,、兵器,、建筑業(yè)及家電行業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。無論是在基礎(chǔ)理論方面,，還是在新材料的研制以及應(yīng)用技術(shù)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(nèi)部在經(jīng)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(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變時,，有一部分能量被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化和耗散的現(xiàn)象表現(xiàn)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(jié)構(gòu)的傳遞，降低結(jié)構(gòu)噪聲,。

各種阻尼材料都受環(huán)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(yīng)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(yīng)用于受彎曲振動為主的厚度不大的構(gòu)件或薄板零件。風力發(fā)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(fā)電機上能得以應(yīng)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(chǎn)生彎曲振動時,，阻尼層隨基本層一起振動，在阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生拉-壓變形,。根據(jù)阻尼材料的耗能機理,，當阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力時，阻尼材料就會將有序的機械能轉(zhuǎn)化為無序的熱能,，從而起到耗能的作用,。自由阻尼結(jié)構(gòu)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(cè)表面再粘貼一彈性層，這一彈性層應(yīng)具有遠大于阻尼層的彈性摸量,。當阻尼層隨基本結(jié)構(gòu)層一起產(chǎn)生彎曲振動而使阻尼層產(chǎn)生拉-壓變形時,，由于粘貼在外側(cè)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(chǎn)生的拉-壓變形不同于與約束層接觸的表面所產(chǎn)生的拉-壓變形,，從而在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形,。因此約束阻尼處理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比自由阻尼結(jié)構(gòu)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(tài)              b) 振動拉-壓及剪切變形狀態(tài)

1—基本層      2—阻尼層     3—約束層

圖3 約束阻尼處理結(jié)構(gòu)

實際應(yīng)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(fù)合阻尼材料結(jié)構(gòu)。

2.1.3 阻尼材料種類及其應(yīng)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(jù)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(wěn)定,，但對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)部件表面，也可貼附于薄殼結(jié)構(gòu)表面做自由阻尼處理結(jié)構(gòu),。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(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面,，做成自由阻尼處理結(jié)構(gòu)。阻尼涂料施工簡便,，特別適合于形狀復(fù)雜的殼體涂覆,，可以做到整體美觀。

    由于風力發(fā)電機的主要機組部件安裝于機艙內(nèi)部，這些部件產(chǎn)生的振動直接傳遞給機艙,，引起機艙振動并輻射產(chǎn)生噪聲,。因此可以在機艙內(nèi)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(jié)構(gòu)輻射噪聲，同時隔離機艙內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)電機機艙內(nèi)表面貼覆阻尼隔聲材料做阻尼、隔聲處理,，當機艙內(nèi)齒輪箱,、電機等部件產(chǎn)生的噪聲入射到機艙殼體表面時被轉(zhuǎn)化成以下主要部分：1）一部分被反射回機艙內(nèi)部；2）一部分在經(jīng)過機艙表面時被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成熱能而被損耗了,，另一部分轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)輻射噪聲或其它形式的波形；3）zui后剩下的一部分透過機艙傳入外部環(huán)境,。噪聲傳播過程中的能量分配見圖4,。