2. 国家电网温州供电公司, 浙江 温州 325000
2. State Grid Corporation Wenzhou Electric Power Company, Wenzhou 325000, China
为满足供电需求, 输电线路向超、特高压化发展, 但因选址等问题很多线路架设无法避开人口密集区, 由此产生的环境噪声问题如风噪声等越来越受到社会关注.日本某线路收到居民的“类似于飞机从头顶飞过的噪声”投诉[1], 在浙江温州某山区居民反映房屋上方新建线路存在“类似于飞机飞过的轰鸣声”, 严重影响当地居民的日常生活.
输电线风噪声是一种气动噪声[2], 当风流经输电线产生漩涡脱落, 致使在周围空气中产生压力波动, 形成风噪声.对于输电线风噪声的风洞试验研究, 1990年前后日本有过集中的研究, Tsujimoto等[1]利用声学风洞试验测试普通导线和异形股导线的风噪声水平.此后的研究通常是针对圆柱或类圆截面杆件, Fujita[3]通过添加端板研究了圆柱二维风噪声, Iglesias等[4]对比了不同横截面和风攻角下的杆件风噪声特性, King等[5]研究了不同截面形状长宽比对风噪声的影响, Moreau等[6-7]进行了一端固定一端自由的不同长细比下圆柱杆件风噪声试验, Hutcheson等[8]研究了不同来流湍流度下的圆形及方形杆件的风噪声特性, Munekata等[9]进行了不同风攻角下的圆柱和翼型串列风噪声试验.此外还有针对圆截面的降噪研究, Alomar等[10]进行了多组增加表面粗糙度方法的圆柱风噪声降噪试验, Geyer等[11]和Sueki等[12]探究了圆截面包裹多孔材料后的降噪特性.以上声学风洞试验大多针对圆柱截面, 针对输电线风噪声的研究较少, 在国内根据作者的文献查找未发现相关报道.
鉴此, 本文研制了用于风致噪声试验的声学风洞, 针对国内输电线路中常用导线、地线通过风洞试验进行风噪声的研究, 并通过圆杆件的风噪声测试以检验风洞测试结果的合理性, 最后对输电线进行缠绕扰流线的风噪声试验以探究扰流线的抑噪效果, 试验结果为实际工程中输电线的风噪声水平提供参考.
1 声学风洞的建造及试验布置为进行风致噪声的风洞试验, 研制了浙江大学ZD-2声学风洞, 气动轮廓图如图 1所示.该风洞于2016年3月份落成, 为开口直流式, 由动力段、扩散段、稳定段和消声段组成, 试验风速范围为0.5~35 m/s.试验段的半消声室尺寸为2.8 m×2.8 m×2.6 m, 进风口尺寸为0.4 m×0.25 m, 如图 2所示.吸声尖劈的截止频率(99%的吸声系数)为200 Hz, 实际测试发现在100 Hz以上有良好的降噪效果.经标定, 风洞动压稳定性及湍流度均在0.5%以下, 室内本底噪声小于25 dB.
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图 1 ZD-2声学风洞轮廓 Fig. 1 Sketch of ZD-2 acoustic wind tunnel |
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图 2 试验段的进风口和尖劈 Fig. 2 Nozzle and splitter-type silencers in test section |
在进风口左右两侧布置端板, 以形成二维流, 端板内侧壁面均黏贴吸声海绵, 将导线水平布置在试验段进风口中轴线处, 截面中心距离进风口为47 cm, 在导线中心正上方83.5 cm处布置1个高分辨率无指向性声压麦克风, 以接收风噪声信息.
试验分别针对光滑圆柱、地线和导线进行了3组主要工况的试验, 具体见表 1, 其中D为外径, d为外侧子线直径.实际输电线所在高度处的设计风速一般为20~30 m/s, 故设定每种工况的试验风速为6档, 从5 ~30 m/s每隔5 m/s为1档.麦克风的采样频率为50 kHz, 每种工况均采集20 s.
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表 1 风洞试验的3组工况 Table 1 cases in wind tunnel test |
试验获得采集点的声压时程, 通过傅里叶变换可获得声压谱信息.其中声压级(sound pressure level, SPL)如下定义：
| ${\rm{SPL}} = 20{\rm{lg}}\left( {p/{p_{{\rm{ref}}}}} \right).$ | (1) |
式中:p为采样点声压, pref为参考声压, 即人的听觉下限声压, 为2×10-5 Pa.通过对各个倍频段下的声压级进行累加, 可得采样点处的总声压级为
| ${\rm{OASPL}} = 10{\rm{lg}}\sum\limits_{{f_{{\rm{min}}}}}^{{f_{{\rm{max}}}}} {{{10}^{0.1{\rm{SPL}}(f)}}} .$ | (2) |
式中:fmin为研究声频率的下限, 一般为人的听觉下限频率20 Hz；fmax为研究声频率的上限, 一般为人的听觉上限频率20 000 Hz.
因人耳对声音强弱的主观感觉不仅同声压级有关, 还和频率和波形有关, 工程中常对声音信号进行计权处理以与人的主观感觉保持一致, 常用A、B、C、D这4种记权特性来表示[13], 如图 3所示为A计权计权量Δ随频率f的变化关系.研究表明A记权能够较好地反映人耳对噪声的主观感觉, 通过对各频带声压级进行A计权网络修正, 可获得相对应的A计权声压级.
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图 3 A计权特性曲线 Fig. 3 Curve of A-weighted characteristics |
输电线总体上可视为带有粗糙度的圆柱, 对于圆柱绕流, 常用斯特罗哈数St来表征漩涡脱落的频率特性：
| $St = {f_{\rm{s}}}D/V.$ | (3) |
式中:fs为漩涡脱落的卓越频率, V为风速.对于雷诺数处于亚临界的圆柱, St数通常取为0.2.
3 圆柱风噪声的特征图 4给出了风洞在6种风速时背景噪声的1/3倍频声压级频谱, 从图 4中可以发现：1) 在高于200 Hz的频段内背景噪声较小, 1/3倍频带声压级均在65 dB以内, 表明消声室的降噪效果良好；2) 在中心频率约为200 Hz的频带内背景噪声出现尖峰, 高风速时(20 m/s及以上)较125 Hz增长约5 dB, 推测为消声室内吸声尖劈的声学特性所致.
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图 4 不同风速下的背景噪声的1/3倍频声压级频谱 Fig. 4 1/3 octave SPL spectrum of background noise at different wind speed |
如图 5所示为19 mm光滑圆柱在5 ~30 m/s风速下的声压级频谱.由图 5可见：1) 在10 m/s及以上风速时, 采样点处的风噪声出现显著峰值, 表明需要风速达到一定程度时方可获得较显著的风噪声；2) 随着风速的增长, 所测得的风噪声声压级有所提高, 在风速为5~20 m/s时峰值声压级增加较快, 在20 m/s及以上的风速时峰值声压级增速放缓.
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图 5 不同风速下的19 mm光滑圆柱风噪声声压级频谱 Fig. 5 SPL Spectrum of aeolian noise of smooth circular cylinder with 19 mm diameter at different wind speed |
将图 5中不同风速下的卓越频率绘于图 6, 并经式(3) 换算得到对应的St数.可见随着风速的增大, 风噪声的卓越频率逐步升高, 同风速增长基本呈线性关系.在各个风速下St数均在0.20附近, 6种风速下的平均值为0.200, 同圆柱在雷诺数为亚临界时的St数一致, 表明采样点处圆柱风噪声的声学特性同圆柱绕流漩涡脱落特性之间存在一致性.圆柱风噪声测试结果的合理性说明本文风噪声的测试设备、测试方法的适用性.
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图 6 不同风速下的19 mm光滑圆柱风噪声卓越频率 Fig. 6 Peak frequency of aeolian noise of smooth circular cylinder with 19 mm diameter at different wind speed |
如图 7和8所示分别为地线(JLB20A-120) 和导线(LGJ300/25) 在500 Hz内的声压级频谱.从图中可以发现：1) 输电线风噪声频谱类似于光滑圆柱风噪声频谱, 在较高风速下(10 m/s及以上)出现明显尖峰, 同时地线的尖峰对应卓越频率均大于导线卓越频率；2)2种输电线的噪声峰值声压级基本随风速的增加而呈线性增长, 其中地线在风速增加到15 m/s后增速放缓, 导线在5种风速下增长率基本保持不变；3) 在风速为10 m/s时导线的风噪声峰值声压级(约47 dB)大于地线风噪声峰值声压级(约40 dB), 在高风速时两者差距减小, 至30 m/s时两者几乎相同, 均约为65 dB.
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图 7 不同风速下的JLB20A-120地线风噪声声压级频谱 Fig. 7 SPL spectrum of aeolian noise of JLB20A-120 at different wind speed |
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图 8 不同风速下的LGJ300/25导线风噪声声压级频谱 Fig. 8 SPL spectrum of aeolian noise of LGJ300/25 at different wind speed |
如图 9所示为地线和导线风噪声卓越频率随风速的变化情况, 其中5 m/s风速情况的卓越频率过低被背景噪声掩蔽, 无法获得.由图 9可见：1)2种输电线的卓越频率均随着风速的增大呈线性增加；2) 随着输电线直径的增大, 卓越频率增长率下降, 整体数值也较小.经线性拟合后, 平均每1 m/s风速变化下的地线卓越频率增长14.9 Hz, 导线卓越频率增长10.1 Hz.
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图 9 各工况的风噪声卓越频率 Fig. 9 Peak frequency of aeolian noise in each case |
由各工况卓越频率根据式(3) 获得输电线各工况对应的St数, 列于如图 10所示, 可见其St数基本上在0.2左右.地线St数均值为0.196, 导线St数均值为0.205, 同光滑圆柱St数均值差距不大.可见虽然输电线表面更粗糙, 但总体上仍具有类似于光滑圆柱绕流风噪声的特性.
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图 10 各工况的斯特罗哈数 Fig. 10 Strouhal number in each case |
通过对各工况获得的噪声时程进行频域分析, 根据式(1)、(2) 可获得采样点处的总声压级OASPL.同时对获得的各工况噪声进行A计权处理, 得到各工况A计权总声压级, 2种声压级如图 11所示, 由图 11可见：1) 输电线风噪声均随风速的增大而增大；2) 各输电线在采样点处总声压级在相同风速下差距不大, 不能明显依靠总声压级进行不同型号导、地线风噪声分析, 推测原因为低频部分(小于100 Hz)存在较大的背景噪声干扰；3) A计权后可看出不同直径的输电线之间风噪声大小的差异, 随风速增大, 地线风噪声A计权总声压级增长幅度基本大于导线, 在风速大于10 m/s时地线A计权总声压级大于导线A计权总声压级；4) 对于不同风速, A计权后的总声压级改变量不同.
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图 11 各工况的风噪声总声压级及A计权总声压级 Fig. 11 OASPL and OASPL(A) of aeolian noise in each case |
某综述中提到输电线在使用大截面时容易产生风噪声[14].根据上述试验结果, 可以发现本试验中在低风速时(10 m/s以下), 输电线的总声压级和A计权总声压级基本满足此观点, 即较粗的导线总声压级略大于较细的地线.但在较高风速下(大于10 m/s), 地线风噪声总声压级水平同导线基本相当, 且在获得的A计权总声压级中地线风噪声水平高于导线风噪声.造成该结果的原因主要有：1) 地线和导线的粗糙度不同, 图 12给出了地线和导线的截面形状, 可见两者采用了相同直径的外围子线, 子线与地线直径之比为0.2, 与导线直径之比为0.12, 不同的表面粗糙度会改变绕流的气动特性[15], 使得漩涡脱落更不规则, 从而使风噪声变化更加复杂；2) 由于导线直径大于地线, 相同风速下导线产生的风噪声卓越频率小于地线, 因此导线风噪声的卓越频率更趋于低频, 使用A计权后导线风噪声的衰减更严重, 从而会导致相同风速下地线风噪声水平高于导线风噪声.
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图 12 地线、导线的截面形状 Fig. 12 Cross-section of shielding wire and conductor |
针对导线和地线进行缠绕扰流线后的风噪声测量, 扰流线直径为3 mm, 缠绕的节径与导线与地线本身相同.针对地线缠绕了一根扰流线, 针对导线缠绕了2根扰流线, 缠绕效果如图 13所示.
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图 13 缠绕扰流线的地线和导线 Fig. 13 Shielding wire and conductor bound with spiral rod |
图 14给出25 m/s风速下输电线裸线及缠绕扰流线的声压级频谱, 由图 14可知：1) 地线和导线裸线均在卓越频率处产生了显著的风噪声, 导线风噪声的卓越频率(233 Hz)小于地线风噪声的卓越频率(348 Hz)；2) 在缠绕扰流线后, 地线和导线在卓越频率处的风噪声声压级尖峰均被消减, 其中地线声压级消减超过30 dB, 导线声压级消减超过25 dB；3) 缠绕扰流线后产生的风噪声已无卓越频率, 成为宽带噪声；4) 在远离卓越频率的频段(如大于600 Hz和小于200 Hz), 裸线和缠绕扰流线所产生的风噪声几乎一致；5) 综上所述, 缠绕扰流线通过消减卓越频率处的风噪声而获得了显著的降噪效果.
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图 14 25 m/s风速下输电线裸线及缠绕扰流线声压级频谱 Fig. 14 SPL spectrum of smooth wires and wires with spiral rod at speed of 25 m/s |
如图 15所示为4种工况的总声压级随风速的变化曲线, 由图 15可知, 类似于光滑圆柱, 由总声压级难以判断输电线和缠绕扰流线间的噪声变化, 同时可见所有工况总声压级均随风速增大而增大.
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图 15 导、地线裸线及缠绕扰流线的风噪声总声压级 Fig. 15 OASPL of smooth wires and wires with spiral rod |
如图 16所示为4种工况的A计权总声压级随风速的变化曲线, 由图 16可知：1) 在缠绕扰流线后, 地线和导线的风噪声相比裸线基本都有了可观程度的降低, 且当风速较高时(20 m/s及以上)降噪效果更明显；2) 地线缠绕扰流线在20 m/s风速时降噪效果最好, 为12.1 dB, 其他风速时降噪水平约2~10 dB；3) 导线缠绕扰流线在25 m/s风速时的降噪效果最好, 为10.4 dB, 其他风速下降噪效果约为2~4 dB；4) 由于地线的节距较短, 扰流线所引起的外形变化比导线绕螺旋线更剧烈, 从而有更好的降噪效果, 可以预期, 减小扰流线节径或增大扰流线直径可能导致更好的降噪效果.
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图 16 导、地线及缠绕扰流线的风噪声A计权总声压级 Fig. 16 A-weighted OASPL of smooth wires and wires with spiral rod |
本文在声学风洞中进行输电线的风噪声试验研究, 主要结论有：
(1) 研制的ZD-2声学风洞具有很好的声学特性, 对放入试件后的噪声频谱具有很高的分辨率, 满足输电线风噪声的试验要求.
(2) 圆柱风噪声产生的声压级和卓越频率均随着风速的增加而增大, 由卓越频率反算的斯托罗哈数为0.2, 圆柱风噪声的声学特性同圆柱漩涡脱落特性之间存在一致性, 说明本文风洞设备和测试方法适用于风致噪声的试验.
(3) 输电线风噪声的卓越频率随风速增大而增加, 随着试件直径的增大而减小, 且涡脱卓越频率反算的斯托罗哈数与0.2比较接近, 说明虽然输电线表面更粗糙, 但总体上仍具有类似于光滑圆柱绕流风噪声的特性.较低风速时导线总声压级、A计权总声压级略大于地线, 较高风速时导线风噪声总声压级水平同地线基本相当, 但导线风噪声的A计权总声压级小于地线.
(4) 导线和地线在缠绕扰流线后均产生了可观的降噪效果, 导、地线相应卓越频率附近噪声声压级尖峰均被极大消减.当风速较高时降噪效果更明显, 最高A声级降噪水平大于10 dB.扰流线相对地线所引起的外形变化更剧烈, 缠绕扰流线后的降噪效果强于导线缠绕扰流线的降噪效果.
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