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技术队伍声学博士核心
南京同韵声学科技有限公司是一家致力于将声学理论和技术工程化、应用化的科技型企业。目前主要开展的业务包括系统的噪声与振动控制、建筑声学设计、噪声测试分析以及咨询和培训等业务。
机械噪声及其产生机理
机械噪声是由与冲击、摩擦、交变应力或磁性应力等作用下,引起的机械设备结构部件碰撞、摩擦、振动产生的。在风电机组中,主要的机械噪声来源有齿轮箱、发电机、偏航设备、冷却风扇(实际上,这一部分应归到气动噪声中)和其他设备等。
对于齿轮箱,偏航设备这类旋转零件较多的部件,其噪声多是由于转动零部件的不平衡引起的,对于转子的形状不对称、材质不均匀,毛坯缺陷,热处理变形,加工和装配误差以及与转速有关的变形等原因,是质量分布不均,造成转子偏心,当转子运转时就产生了不平衡的离心惯性力,从而是机械产生振动和噪声。
发电机的噪声问题比较复杂,其噪声源主要有电磁噪声、流体产生的空气动力噪声及转子和轴承的机械噪声。电磁噪声是因为交变磁场引起定子铁心和电驱绕组振动时产生的噪声,该噪声为固体传播声,传向定子机座,成为噪声源。空气动力噪声则是由于安装在转子轴端的风扇和转子自身的的旋转而使发动机内各部分的冷却空气流动,继而产生的噪声。此外转子自身旋转也会产生空气动力声。转子和轴承的机械噪声则是由振动产生的。
冷却风扇的噪声机制基本相近,在此以轴流风扇为例进行说明。轴流风扇的噪声包括旋转噪声和涡流噪声,当风机出口直接排入大气时还有排气噪声。
电磁噪声及其产生机理
1.该部分噪声主要来自风电机组的变电站:变电站运行期间的噪声主要是主变压器、电抗器和室外配电装置等电器设备所产生的电磁噪声,主要以中低频为主。这类噪声是由电磁场交替变化而引起某些机械部件或空间容积振动而产生的噪声。常见的电磁噪声产生原因有线圈和铁心空隙大、线圈松动、载波频率设置不当、线圈磁饱和等等。
2. 风电系统的噪声控制方法
考量风力发电机组的整体性能中,很重要的一个就是高的风电转换效率,而在进程噪声控制实施过程中,先要保证噪声处理方案不会对其能量转换效率造成影响。其次,需要确保在噪声控制措施实施后,不会影响其后续的操作、维修等工作。另外,风力发电机组塔筒内部需要很好的散热,在进行降噪处理时一定不能影响塔筒内整个空间的散热效率,保证机组各部件的安全运行。同时还需要考虑风场的气候条件,确保安装的外部隔声装置能够耐湿,耐寒,经久耐用。
在气动噪声上,实际降噪措施有降低翼尖速度比,减少叶尖速度,减小叶片的迎角,将涡轮机设计为逆风型(即将转子移动到上风口位置,因为叶片顺风的时候会产生间歇性的重击声),设定合适的变速控制策略,改变叶片尾缘,增加转子的力矩,增加涡轮机的重量和成本,叶片间距的调节,改进叶片的形状设计,使之有较好的流线型和合适的弯曲角度,此外需要及时的清洁表面,修补漏洞。在设计阶段,则需要对叶片的噪声情况建模以优化结构,设计生产。一般的来说,选用逆风型的、低转速、合理的叶片间距控制,这样的风电机组产生的气动噪声较小。
有研究表明,风扇的叶片材料,对其噪声也有一定程度的影响。总体说来,材料的损耗系数越大,其噪声越小。增加风扇的叶片数,在转速不变的条件下,可以增加风扇的风量。或者在获得同等风量的前提下,可以降低风扇的转速,从而降低风扇噪声。但叶片数在6以上时,增加叶片数,风量增加有限,且在降噪特性上往往有的作用。低速宽叶风扇与高速窄叶风扇在相同的风量情况下,前者比后者产生的噪声声压级低4dB(A),并且功率消耗要减少27%。缩小风扇与护风圈的间隙,防止气流紊乱,可以降低风扇噪声。
对于机械噪声,我们可以通过采用精加工的齿轮,将组件安装于机舱内而不是直接接触地面,在机舱中增加挡板和隔声件,在主要组件上采用隔振器和柔性支撑安装,在相应的主要发声设备周围进行吸声隔声处理,对有振动的地方安装阻尼缓冲件,优化设计涡轮机结构避免将噪声传递到整个结构上。
对于电磁噪声,采用磁致伸缩小的高导磁材料,降低铁心磁密,改良和缩小铁心接缝,采用多级接缝,以及进行隔声隔振处理等。此外,有研究对发电机进行主动降噪,将转子材料改变,从而实现低额定转速,从而在声源上控制了发电机的噪声。

风电整机噪声产生机理
风电机组的噪声来源有气动噪声、机械噪声和电磁噪声,在大功率的风电机组中气动噪声是主要的。下面将分述三类噪声的主要形式及产生机理。
气动噪声及产生机理
空气动力性噪声是气体的滚动或物体在气体中运动,引起空气振动而产生的,一般分为三类:单源、偶源和四源。风电机组噪声是其他流动过程中产生的,主要是由于气体的非稳定流动造成的,为偶子源。
风电机组的气动噪声主要有下面几种形式:
(1)低频声。这部分噪声是由于风电叶片旋转时遇到气流不均(气流围绕塔筒流动)、风速改变或者从其他叶片上的尾流脱落而产生的。
(2)流入湍流噪声。取决于空气湍流的总量。由于空气湍流造成的叶片周围的载荷力和载荷压强的波动。
(3)翼型自身噪声。包括沿翼型表面的空气生的噪声。一般为宽频噪声,但是生硬的边缘,或气流穿过狭缝和孔则会产生纯音。这一部分噪声主要由6种噪声组成。
1)后缘噪声,这是由于叶片后缘边界层湍流的相互作用造成的。在对机翼后缘的噪声预测研究中,通过仿真分析获得了机翼的不同设计参数如升力系数和几何形状对后缘噪声的影响。厚度不变,弦长变长,升力系数减小时噪声降低,升力系数不变,改变翼型厚度减少,噪声降低,而升力系数与迎角成近似线性正比关系,噪声强度则随升力系数增加而增加,且在升力系数较低时,厚翼型比薄翼型后缘噪声大,升力系数到达一定值后,则薄翼型比厚翼型后缘噪声大。
2) 翼尖噪声,这是由叶片翼尖表面的湍流交互造成的。
3) 失速,分离噪声,这是由于叶片表面湍流的相互影响。
4) 边界层噪声,叶片表面的非线性边界层不稳定交互作用。
5) 钝尾缘噪声,由于在钝尾缘的涡旋脱落。
6) 通过孔、缝隙以及入侵的空气流动产生的噪声——通过孔和缝隙的非平稳剪切向流体,入侵引起的涡旋脱落。
另外还有叶片搅动的噪声:这是一种类似通过节奏性调制的噪声,听起来接近涡轮的声音,其幅值和频率随叶片的经过改变(这相当于声源相对接受者发生了变化),其声源特性的变化可能是由湍流、偏航误差和切向风力增强导致的。随着离涡轮距离越来越远这部分噪声越来越模糊,但是这种声音经常被人们所厌烦。
有研究者采用声阵列测试对风电机组的噪声源进行定位,分析了不同频段叶片与轮毂噪声对总体噪声的贡献情况,还对比了不同处理方式的叶片其噪声分布情况。

海洋船舶噪声概况
船舶噪声属于较为严重的噪声污染问题,船上噪声不仅会影响船员的工作和生活,同时长期处在噪声环境下,也会严重影响船员的身体健康。另一方面,过大的噪声还会导致船用设备声疲劳损坏从而缩短船舶使用寿命。随着船舶大型化的发展,动力设备导致的噪声问题日益严重,再加上人们对船舶舒适性要求的不断提高,实现船舶低噪声指标逐渐成为船舶高质量高性能的标志。
为此,国际海事组织(IMO)与设备会(DE)对船舶噪声提出了新的要求。经过国内外学者的不断努力和研究,《船上噪声等级规则》终于在2012年5月份被国际海上安全会*90次会议批准。该规则是一个国际性的通用规则,规定了具体的船型、船上不同部位的限噪声值,船体主要部位的隔声指标,以及的船上噪声测量方法。国际海事组织随后批准了该准则,对新建船舶应当符合该规则的要求,减少船上噪声对船上人员的影响。
《船上噪声等级规则》规定了可接受的噪声声压级,并详细规定了船舶噪声测量的方法、测量人员的。总体来说相比以前的噪声标准要求要严格很多。新的船舶噪声等级规则,对万吨以上的船要求相对较高,在船上的居住、餐饮、部位的噪声限制值要比原标准下降5dB(A)。除此之外还增加了舱门走道处的隔声要求,对舱室和舱室之间的隔声要求提高计权指数5dB(A)。目前,CCS已于2013年4月26日发表关于实施船上噪声等级规则的通知,并于同年9月发布《船舶噪声检测指南》。新的噪声等级规则和噪声检测指南对噪声提出高标准严要求。表1.1给出了IMO、国外几个主要船级社以及CCS对船舶各个区域噪声限值的要求。
船舶声学设计
为对某海洋船舶,其1楼为甲板层,1~4楼为各类舱室,船舶主机置于负二楼,我们对其各个舱室进行了噪声测试。测试所用传声器为GRAS 1/2 英寸标准传声器,采集系统为LMS 12+ 通道振动噪声分析系统;测量方法和船舶行驶工况按照IMO的要求进行。
船舶声学设计
从实际测试结果来看,该船舶一楼噪声,特别是医务室噪声**标比较严重。这主要是由于一楼紧邻下面的船舶主机;而医务室由于进出位置需要方便,它与主机之间的距离反而近所致。该船舶舱室中,比较好满足IMO要求的是三楼和四楼的船长和大副等少数舱室。整体而言,噪声**标舱室是比较多的。
因此一旦IMO要求严格执行,就会对我国船舶企业造成重大影响。船企要想满足新标准或船东以及船舶出口的要求,就必须在船舶设计的早期阶段就考虑到声学要求,并将噪声控制理念贯穿于整个船舶的设计、建造和管理工作中,变被动降噪为主动控噪,这样不仅节省了开支,也可以获得更大降低噪声的效果。研究表明在船舶设计的早阶段就要考虑声学方面的要求,相关工作的费用仅占制船建造总费用的2.5%;而在已建造的这种级别的船上,要将空气噪声级降至规范标准以下所需的费用约为该船建造总费用的9%。

高速列车室内噪声环境是决定乘客舒适度的重要因素之一。高速列车车内噪声源很多,主要的是轮轨噪声和气动噪声。高速列车运行时客室内噪声特性的测试结果表明:客室内低频噪声**。为改善高速列车的舒适性能,将车内噪声控制在乘客可以接受的范围之内已越来越受到重视。
1. 车内阻尼优化设计
轮轨噪声属于结构噪声,提高构件本身的振动衰减性能的一个重要方法是在构件上贴附粘弹性阻尼层。当阻尼材料与振动构件合成一个整体后,结构受外界激励而产生振动时,由于阻尼的作用,系统的一部分振动能量转变为热能,从而抑制系统的振动。当激励力补充的能量与损耗能量相等时,系统达到稳态振动。因此增加阻尼可以有效减小稳态振动的幅度,同时当结构表面振动幅度减小后,其的噪声一般也随之减小,从而实现减振降噪。阻尼结构一般分为自由阻尼处理和约束阻尼处理。约束阻尼处理由于其衰减振动的能力强,而广泛应用于工程实际中。实际阻尼处理时,需要根据阻尼处理方式和结构振动特性开展优化设计,即局部阻尼处理。在局部阻尼处理时,应选择应变处,而对于约束阻尼处理,则应选择弯矩处进行。
声学设计
高速动车组阻尼优化设计分析
2. 转向架和受电弓噪声分析
高速列车气动噪声以速度的6次方左右快速增长,且列车行驶速度**过260Km/h 后气动噪声源将取代轮轨噪声成为主要噪声源,这意味着高速动车主要噪声源自于气动噪声。而转向架以及受电弓是产生气动噪声的主要部位。目前主要是针对这两个结构开展气动噪声分析,从而对它们结构进行相应的优化设计。
3. 列车吸隔声设计
列车内噪声很大一部分是转向架或受电弓产生的气动噪声通过空气-车壁板传递过来的。有效降低这部分噪声贡献的方法首先是提升列车车体的隔声量。由声学理论可知,对于均匀单层构件而言,其隔声量受制于质量定理,即通常情况下,质量或厚度增加一倍,隔声量提高6dB。因此工程实际中,往往采用复合三明治隔声结构,即在两层固体板件中,加入一定厚度的吸声材料。这时需要开展复合隔声设计。
车内吸声设计一般是比较简单的,由于车内座椅较多,因此一般车内吸声量是较为足够的。为了进一步提升车内舒适度,车内吸声一般只需要考虑车内空调噪声。空调噪声的频谱范围较宽,因此需要设计相应的宽频吸声材料以满足空调管路的消声要求。而多孔吸声材料高频吸声性能较为良好,但如果要提升其低频吸声性能,就需要增加材料厚度,这一方面提高了成本;同时也会大大增加空调管路的横向尺寸,这在实际应用中也是受限的。而共振吸声结构往往只是在其共振频率处具有较大的吸声性能,其吸声频带较窄,往往也不能满足实际要求。因此需要开展复合吸声材料设计,以满足在较薄的情况下得到较宽的吸声频带。
公司已建成LMS 12+ 振动噪声分析系统;B&K PULSE 振动噪声分析系统、B&K 声强探头、B&K 传声器校准系统以及Matlab计算分析软件。具备各类家用电器、机电设备、风电设备、航空航天、工程机械以及商业建筑等多个领域的系统噪声控制能力和经验。公司获得2013年度南京型科技创业计划,于2015年通过届江苏省社会信用管理贯标验收。
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