風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪聲控制

　　0 引言
　　能源是現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)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(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。自二十世紀(jì)七十年代以來，風(fēng)能開發(fā)和利用在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展非常迅速，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)也日趨成熟。中國(guó)國(guó)家計(jì)委于 1996 年3 月制定了“乘風(fēng)計(jì)劃”，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化來帶動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的產(chǎn)業(yè)化。該計(jì)劃旨在采取技貿(mào)結(jié)合的形式，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，通過消化吸收，達(dá)到自主開發(fā)，自行設(shè)計(jì)和制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能力[1] 。
　　風(fēng)能開發(fā)能減輕空氣污染和水污染，但如果處理不當(dāng)，則會(huì)增加噪聲污染。近幾年，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)化程度的不斷擴(kuò)大，而我國(guó)制造業(yè)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，因此國(guó)產(chǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)噪聲問題逐漸顯現(xiàn)出來。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)附近居民對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常國(guó)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的減振降噪控制是非常重要和必要的。本文將重點(diǎn)討論阻尼減振降噪技術(shù)和噪聲傳播降噪技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲控制中的應(yīng)用。

　　1 噪聲源分析
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作過程中在風(fēng)及運(yùn)動(dòng)部件的激勵(lì)下，葉片及機(jī)組部件產(chǎn)生了較大的噪聲，其噪聲源主要有：
　　（1）機(jī)械噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲
　　① 齒輪噪聲。嚙合的齒輪對(duì)或齒輪組，由于互撞和摩擦激起齒輪體的振動(dòng)，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(duì)運(yùn)動(dòng)元件之間的摩擦和振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)部件的不平衡或相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件之間的撞擊引起振動(dòng)輻射產(chǎn)生噪聲。
　　③ 周期作用力激發(fā)的噪聲。由轉(zhuǎn)動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件產(chǎn)生周期作用力激發(fā)的噪聲。
　　④ 電機(jī)噪聲。不平衡的電磁力使電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)，并通過固體結(jié)構(gòu)輻射電磁噪聲。
　　機(jī)械噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要噪聲源，而且對(duì)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(rùn)滑條件等。為減小機(jī)械部件的振動(dòng)，可在接近力源的地方切斷振動(dòng)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(jī)械部件的振動(dòng)能，以降低振動(dòng)噪聲。
　　（2）空氣動(dòng)力噪聲
　　空氣動(dòng)力噪聲由葉片與空氣之間作用產(chǎn)生，它的大小與風(fēng)速有關(guān)，隨風(fēng)速增大而增強(qiáng)。處理空氣動(dòng)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(fēng)設(shè)備噪聲散熱器、通風(fēng)機(jī)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(xué)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(dòng)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(dòng)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(jī)理在于，通過噪聲聲波與聲學(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)、振動(dòng)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(dá)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(jì)，耗散結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)能量，來達(dá)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(zhǎng)為一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)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(dòng)變形過程中損耗振動(dòng)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(chǔ)存能量；相反，彈性材料有儲(chǔ)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(dāng)它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，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(chǔ)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(dòng)峰值，減少振動(dòng)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(dòng)為主的厚度不大的構(gòu)件或薄板零件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙以及隔板等均為薄板振動(dòng)件，因此表面阻尼處理在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)基板產(chǎn)生彎曲振動(dòng)時(shí)，阻尼層隨基本層一起振動(dòng)，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(jī)理，當(dāng)阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力時(shí)，阻尼材料就會(huì)將有序的機(jī)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。

　　a） 自由狀態(tài) b） 振動(dòng)拉-壓變形狀態(tài)1—基本層 2—阻尼層圖2 自由阻尼處理結(jié)構(gòu)
　　（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(yuǎn)大于阻尼層的彈性摸量。當(dāng)阻尼層隨基本結(jié)構(gòu)層一起產(chǎn)生彎曲振動(dòng)而使阻尼層產(chǎn)生拉- 壓變形時(shí)，由于粘貼在外側(cè)彈性層的彈性摸量遠(yuǎn)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(shí)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。

　　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(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)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(jiǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要機(jī)組部件安裝于機(jī)艙內(nèi)部，這些部件產(chǎn)生的振動(dòng)直接傳遞給機(jī)艙，引起機(jī)艙振動(dòng)并輻射產(chǎn)生噪聲。因此可以在機(jī)艙內(nèi)表面貼附阻尼材料對(duì)機(jī)艙進(jìn)行表面自由阻尼處理，衰減振動(dòng)，降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲，同時(shí)隔離機(jī)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(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)來隔離或吸收一部分聲能，使聲波在通過聲學(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)得到衰減而達(dá)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(duì)提高材料的隔聲性能有明顯的作用。
　　對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)表面貼覆阻尼隔聲材料做阻尼、隔聲處理，當(dāng)機(jī)艙內(nèi)齒輪箱、電機(jī)等部件產(chǎn)生的噪聲入射到機(jī)艙殼體表面時(shí)被轉(zhuǎn)化成以下主要部分：1）一部分被反射回機(jī)艙內(nèi)部；2）一部分在經(jīng)過機(jī)艙表面時(shí)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(jī)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）最后剩下的一部分透過機(jī)艙傳入外部環(huán)境。噪聲傳播過程中的能量分配見圖4。

　　（2）式表明，反射聲能越小，則材料的吸聲系數(shù)就越大，其吸聲性能越好。
　　材料的隔聲性能與吸聲性能往往成反比例關(guān)系，隔聲性能越好，則其吸聲性能就越差。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲控制主要目的是降低周圍環(huán)境噪聲，也就是控制發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的噪聲傳播出來干擾周圍居民的生活，因此應(yīng)主要考慮選用阻尼隔聲材料，如阻尼涂料、瀝青阻尼板或橡膠阻尼板等，對(duì)風(fēng)電機(jī)的機(jī)艙采用阻尼隔聲處理，達(dá)到降低風(fēng)電機(jī)周圍環(huán)境噪聲的目的。另外，在對(duì)機(jī)艙進(jìn)行阻尼隔聲處理時(shí)應(yīng)注意密封及散熱問題。

　　3 結(jié)束語
　　阻尼減振降噪控制和噪聲傳播中的隔聲降噪控制可作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲治理的重要手段，它具有施工簡(jiǎn)單方便，無需維修保養(yǎng)，無需改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，投入相對(duì)較少的優(yōu)點(diǎn)。它不但可以作為一個(gè)獨(dú)立的手段予以采用，而且可以和其它降噪措施相輔相成，增加降噪效果。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司正致力于這方面的研究工作，針對(duì)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究開發(fā)的的高性能阻尼涂料和阻尼板材對(duì)風(fēng)電機(jī)艙進(jìn)行阻尼隔聲處理，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明其對(duì)降低風(fēng)電機(jī)的噪聲具有較好的效果。