代元軍，姜金榜，吳 柯，郭 程

(1.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引 言

隨著我國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的壯大，風(fēng)力機(jī)噪聲問(wèn)題日漸顯現(xiàn)，其噪聲不僅造成周邊環(huán)境污染且對(duì)其自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞[1]。風(fēng)力機(jī)噪聲源主要由葉輪旋轉(zhuǎn)的氣動(dòng)噪聲和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械噪聲構(gòu)成[2]，其中機(jī)械噪聲隨著我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)工藝的進(jìn)步大幅降低，葉輪旋轉(zhuǎn)造成的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題成為制約風(fēng)力機(jī)發(fā)展的重要因素[3]，因此風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲抑制技術(shù)成為研究重點(diǎn)，而氣動(dòng)噪聲抑制技術(shù)的關(guān)鍵就是找到風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)噪聲源的位置、產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律。

為了弄清風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源的產(chǎn)生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲源定位及降噪進(jìn)行研究，如王梟等展開關(guān)于運(yùn)行中風(fēng)力機(jī)聲源識(shí)別的傳聲器陣列測(cè)試技術(shù)的高分辨率方法研究，結(jié)合旋轉(zhuǎn)噪聲運(yùn)動(dòng)特征推論得到風(fēng)輪噪聲源識(shí)別的DAMAS2優(yōu)化算法[4]；伍岳等在經(jīng)典波束形成定位原理基礎(chǔ)上，研究圓形聲陣列半徑、聲陣列面與風(fēng)輪面間距、聲源頻率對(duì)噪聲源定位的影響，優(yōu)化了實(shí)際風(fēng)力機(jī)測(cè)量時(shí)聲陣列與風(fēng)輪面的位置關(guān)系，并對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源進(jìn)行了定位[5]；岳巍澎等針對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲，提出了一種測(cè)量風(fēng)力機(jī)葉片在一定范圍內(nèi)的噪聲頻率的方法，有利于對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)噪聲的監(jiān)測(cè)[6]；胡昊等研究了典型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)噪聲特點(diǎn),提出了使用渦發(fā)生器的風(fēng)力機(jī)降噪方法[7]；汪泉等針對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了低噪聲的葉片氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了具有更低噪聲特性的葉片[8]；Fisher等對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行聲源分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)噪聲主要是來(lái)自葉尖后緣處，葉尖后緣加裝鋸齒結(jié)構(gòu)后風(fēng)力機(jī)低頻噪聲明顯減小[9]；Oerlemans等對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲源進(jìn)行了量化和定位，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉尖后緣噪聲是風(fēng)力機(jī)的主要噪聲源[10]。

本文試驗(yàn)在新疆工程學(xué)院直流低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室使用B&K噪聲采集分析系統(tǒng)對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲源試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)搭建風(fēng)力機(jī)噪聲源數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，采用近場(chǎng)聲全息法[11]和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法[12]對(duì)額定來(lái)流風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速下的S翼型水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集及聲源定位，得到氣動(dòng)噪聲源聲壓級(jí)和聲源位置的移動(dòng)規(guī)律，為水平軸風(fēng)力機(jī)降噪研究提供可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

被測(cè)對(duì)象為300 W水平軸風(fēng)力機(jī)，其葉片數(shù)為3，葉片三維圖如圖1所示。

圖1 葉片三維圖

其額定風(fēng)速為6 m/s，額定轉(zhuǎn)速為550 r/min，葉片參數(shù)見表1。

表1 300 W風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為采集不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源信息，該試驗(yàn)使用聲學(xué)攝像機(jī)，分別采用近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法，在額定來(lái)流風(fēng)速6 m/s，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速分別為 350 r/min、450 r/min、550 r/min、650 r/min、750 r/min時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集與分析。波束形成法對(duì)低頻段噪聲源定位能力差但對(duì)高頻段噪聲具有良好的定位能力，近場(chǎng)聲全息法對(duì)中低頻段噪聲源具有良好的定位能力[13]，將這兩種噪聲源定位方法結(jié)合使用可對(duì)風(fēng)力機(jī)不同頻段噪聲源準(zhǔn)確定位。

試驗(yàn)在 DZS-1400×1400/2000×2000-Ⅰ型直流低速風(fēng)洞開口試驗(yàn)段進(jìn)行，該驗(yàn)段尺寸為2 000 mm×2 000 mm×500 mm，風(fēng)速范圍為 0.5～15.0 m/s，為避免風(fēng)力機(jī)尾舵對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集造成影響，故將風(fēng)力機(jī)尾舵固定后對(duì)正風(fēng)洞中心安裝；噪聲源識(shí)別采用9712-W-FEN型聲學(xué)攝像機(jī)，包含WA-1764-W-001型30通道切片輪式陣列以及3660-C-100型5模塊LAN-XI前端機(jī)箱；風(fēng)力機(jī)外特性測(cè)試系統(tǒng)采用艾德克斯IT8512A+型負(fù)載儀控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使用Fluke公司NORMA 4000CN功率分析儀監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，噪聲源試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。采集到的風(fēng)輪噪聲源信息經(jīng)由BK Connect系統(tǒng)分析完成后得到噪聲云圖。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備圖

2 采樣區(qū)域設(shè)置

使用聲學(xué)照相機(jī)分別采用近場(chǎng)聲全息法和遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)不同轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，試驗(yàn)系統(tǒng)各部分安裝位置如圖3所示，以風(fēng)洞開口段平面幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)o，以風(fēng)洞開口試驗(yàn)段平面為xy平面，以風(fēng)力機(jī)基座軸線向上方向?yàn)閤軸正方向，以垂直于基座軸線右側(cè)方向?yàn)閥軸正方向，以風(fēng)洞來(lái)流相反方向?yàn)閦軸的正方向建立空間直角坐標(biāo)系。

圖3 噪聲源試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

1）以風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心作為風(fēng)力機(jī)的坐標(biāo)位置定位點(diǎn)其坐標(biāo)為x=0,y=0,z=-30 cm，保持風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)洞來(lái)流方向垂直。

2）使用遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法采集風(fēng)力機(jī)噪聲數(shù)據(jù)時(shí)，以聲學(xué)照相機(jī)圓形陣列面中心點(diǎn)作為聲學(xué)照相機(jī)的坐標(biāo)位置定位點(diǎn)其坐標(biāo)為x=0,y=0,z=-180 cm，此時(shí)聲學(xué)照相機(jī)設(shè)備可采集到完整風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)；使用近場(chǎng)聲全息法采集風(fēng)力機(jī)噪聲數(shù)據(jù)時(shí)，以聲學(xué)照相機(jī)圓形陣列面中心點(diǎn)作為聲學(xué)照相機(jī)的坐標(biāo)位置定位點(diǎn)其坐標(biāo)為x=0,y=-65 cm,z=-50 cm，此時(shí)聲學(xué)照相機(jī)設(shè)備可采集到以風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)為圓心直徑35 cm范圍內(nèi)近場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在額定來(lái)流風(fēng)速6 m/s風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速分別為350，450，550，650，750 r/min時(shí)采集風(fēng)力機(jī)的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)BK Connect系統(tǒng)處理后獲得風(fēng)力機(jī)噪聲云圖，分析額定來(lái)流風(fēng)速6 m/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源分布特性的規(guī)律。

3.1 背景噪聲分析

在風(fēng)力機(jī)未安裝時(shí)，風(fēng)洞開口試驗(yàn)段保持穩(wěn)定來(lái)流風(fēng)速6 m/s測(cè)得近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)背景噪聲，噪聲頻譜圖如圖4所示。

圖4 背景噪聲頻譜圖

從圖4中可以看出風(fēng)洞存在3 700～4 300 Hz對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的高頻背景噪聲，為避免3 700～4 300 Hz背景噪聲試驗(yàn)分析的影響，本實(shí)驗(yàn)將此頻段的背景噪聲進(jìn)行剔除，分析頻段分組如下：0～1 000 Hz為低頻段，1 000～3 700 Hz為高頻Ⅰ段，4 300～5 600 Hz為高頻Ⅱ段。

3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲云圖分析

采用遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成法對(duì)額定來(lái)流風(fēng)速6 m/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其噪聲云圖如圖5所示，以噪聲源位置距風(fēng)力機(jī)葉尖前緣點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心的距離為r，葉輪半徑為R，其比值即r/R為遠(yuǎn)場(chǎng)聲源定位位置。

在高頻Ⅰ段，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為 350，450，550，650，750 r/min時(shí)噪聲源最高聲壓級(jí)分別為65，66，67，69，70 dB，噪聲源分別位于r/R=0.52、0.53、0.52、0.52、0.52區(qū)域；在高頻Ⅱ段，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為350，450，550，650，750 r/min 時(shí)噪聲源最高聲壓級(jí)分別為 62，63，64，65，66 dB，噪聲源分別位于r/R=0.66、0.67、0.67、0.66、0.66區(qū)域附近。隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的增加噪聲源的聲壓級(jí)隨之升高；在高頻Ⅰ段、高頻Ⅱ段范圍內(nèi)，風(fēng)力機(jī)噪聲源在葉輪旋轉(zhuǎn)面上的位置不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。

為得到更加精確的噪聲源位置，將高頻Ⅰ段分為兩組(1 000～2 300 Hz頻段組、2 300～3 700 Hz頻段組)，高頻Ⅱ段分為兩組(4 300～5 000 Hz頻段組、5 000～5 600 Hz頻段組) 進(jìn)行噪聲源定位分析。以風(fēng)力機(jī)額定工況（來(lái)流風(fēng)速6 m/s，轉(zhuǎn)速550 r/min）為例，不同頻段噪聲源分布位置如圖6所示，噪聲頻率在1 000～2 300 Hz、2 300～3 700 Hz、4 300～5 000 Hz、5 000～5 600 Hz頻段時(shí)，噪聲源最高聲壓級(jí)為分別為 66，65，64，63 dB，噪聲源分別位于r/R=0.51、0.54、0.66、0.73區(qū)域處。隨著噪聲源頻率的升高噪聲源聲壓級(jí)減小且聲源位置由葉片中部沿葉片展向朝葉尖處移動(dòng)。

圖6 額定工況下高頻段組噪聲云圖

3.3 近場(chǎng)噪聲云圖分析

近場(chǎng)聲全息法對(duì)中低頻段噪聲源具有較好的定位能力，為更清晰觀測(cè)到風(fēng)力機(jī)葉尖處噪聲源位置變化規(guī)律，使用近場(chǎng)聲全息法對(duì)葉尖處低頻段噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，來(lái)流風(fēng)速6 m/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機(jī)噪聲云圖如圖7所示，以聲源位置距葉尖距離d為近場(chǎng)噪聲源定位位置。

圖7 低頻段不同轉(zhuǎn)速下噪聲云圖

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速分別 為 350，450，550，650，750 r/min時(shí)低頻段噪聲源分別位于d=9.30，9.30，9.40，9.30，9.30 cm區(qū)域，噪聲源對(duì)應(yīng)最高聲壓級(jí)分別為 72，74，76，77，79 dB，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化噪聲源位置未發(fā)生明顯移動(dòng)，但隨轉(zhuǎn)速增加噪聲源聲壓級(jí)隨之升高。

為尋找風(fēng)力機(jī)聲源面內(nèi)噪聲源位置與噪聲頻率的關(guān)聯(lián)，以額定工況（來(lái)流風(fēng)速 6 m/s，轉(zhuǎn)速550 r/min）為例將低頻帶分為四段(0～250 Hz頻段組，250～500 Hz頻段組，500～750 Hz頻段組，750～1 000 Hz頻段組) 進(jìn)行噪聲源定位分析，不同頻段噪聲源分布位置如圖8所示。噪聲頻率在0～250 Hz、250～500 Hz、500～750 Hz、750～1 000 Hz頻段時(shí)，噪聲源分別位于d=16.00，9.20，4.80，1.10 cm 處，其對(duì)應(yīng)最高聲壓級(jí)分別為75，74，73，71 dB。隨著噪聲源頻率的升高聲壓級(jí)減小且聲源位置沿葉片展向朝葉尖處移動(dòng)。

圖8 額定工況下低頻段組噪聲云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源聲壓級(jí)變化情況分析發(fā)現(xiàn)，在額定來(lái)流風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源聲壓級(jí)隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，轉(zhuǎn)速越高噪聲源頻率越高，其對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)也越高；在額定來(lái)流風(fēng)速及額定轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源頻率越高其對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)越小。

2)通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲源分布特性的分析發(fā)現(xiàn)，其噪聲源在葉片上的分布位置主要集中在葉片中部到葉尖這一區(qū)域內(nèi)且分布呈不對(duì)稱性；在額定來(lái)流風(fēng)速下不同噪聲頻段噪聲源位置不隨風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而改變；在額定來(lái)流風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著氣動(dòng)噪聲源頻率由低頻段向高頻段過(guò)渡，其葉片氣動(dòng)噪聲源位置由葉片中部沿葉片展向朝葉尖處規(guī)律移動(dòng)。