风电站、无人机太吵怎么办？法国科学家用建模技术防治噪声污染

Olivier Doaré

法国国立高等先进技术大学（ENSTA）流体力学专业教授

Benjamin Cotté

法国国立高等先进技术大学（ENSTA）副教授

随着专业及业余无人机的普及以及风电站数量的增加，空气动力性噪声源也在不断增加。这种噪声不仅会影响到生物多样性，还会给居民带来困扰。在欧洲，相关的噪音控制法规正在不断完善，但确定统一的标准却并非易事。如何在不同噪声源之间制定统一的噪声标准？人们对噪声大小的感知如何受到影响？风力涡轮机等噪声源的建模研究如何帮助我们更好地理解和控制噪声？

近年来，空气动力性噪声（无人机、风力发电机的噪声）不断增加，会影响生物多样性，也会对居民造成困扰。

困难在于，风电站噪音与多重因素有关——地形、天气、叶片形状等。

学界对风电站降噪展开了积极研究，部分新方案已投入应用。

降噪方案既要通过调整无人机速度、风力发电机转速减少噪音，又需兼顾设备性能。

近年来，专业及业余无人机快速普及，陆上和离岸风电站数量上升，空气动力性噪声源因而增加。噪声会影响生物多样性，也会对居民造成困扰。在欧洲层面，控制噪音的相关法规愈发完善。但对噪声大小的感知是主观的，确定统一的标准并非易事。

01

噪声也能建模

2017年，研究人员邀请约四十名被试者聆听不同高度飞行的无人机发出的103种声音，以及各类四轮车辆发出的噪音，并根据给定尺度对每种声音打分，从“一点也不烦人”到“非常烦人”。结果发现，即使音量相同，无人机的声音也比汽车卡车更让人心烦[1]。研究人员们推测，可能是因为人类已经习惯了车辆的噪音，但无人机、风力涡轮机的噪音比较陌生。

与其他人为噪声源和自然噪声源相比，风电站的噪声水平仅为中等，民宅门口很少超过40分贝（数据来自法国风险、环境、人口规划和城市规划研究中心Céréma[2]），而车量噪音则可高于 70 分贝，超过法律规定的标准。位于农村地区的风电站产生的背景噪声水平相对较低，但由于乡村原本就安静，噪声反而更加明显。此外，风电噪声包含低频率（20-200 Hz，人耳可听见）或次声频率（低于 20 Hz，人耳听不见），能比高频声音传播得更远。

法国国立高等先进技术大学（ENSTA）流体力学专业教授 Olivier Doaré 解释道：“虽然总体而言，暴露在噪声环境中越久，就越会感到噪声扰人，但扰人程度也与噪声源的具体情况和噪声的特性（连续/间歇、低频/高频）相关，变化规律难以简单概括。”他的实验室正在建模研究风力涡轮机等各类噪声源，以及噪音在大气中的传播情况。“对于风力涡轮机，分贝值不能作为其噪声水平的决定性指标。它发出的声音受天气、叶片形状等因素影响，时大时小，并不均匀。”

图片来源：PI France

研究项目由Doaré教授与ENSTA大学讲师Benjamin Cotté和凯捷管理顾问公司工程师的 David Mascarenhas共同开展。学者们解释道：“我们希望在风电站规划阶就模拟出它的噪音，像生成3D效果图一样，给人以直观的印象。”他们认为，以往测量风力涡轮机噪声忽略了多种因素，例如风力涡轮机的安装高度、地面土质的吸收性强弱、风向和叶片剖面对噪声传播的影响等。

团队开发的新型建模技术能直接虚拟合成噪音，便于研究人耳的实际感知，不再须要实地采集噪音录音样本。虚拟合成还能调整各种参数，包括叶片的几何形状、风力、气温、上游湍流率等，便于模拟不同气象条件下的噪声，甚至能模拟叶片每个部位发出的噪声大小。

基于建模实现风力涡轮机噪声的“可听化”，可用于构建虚拟现实环境，所以这项研究也被纳入了欧盟的“网络环境虚拟现实音频”（VRACE）项目。

02

新型降噪方案

风电站设计者和运营商为了避免当地居民的投诉，不得不减少设备噪音，为此头痛不已。学界正在对此问题展开积极研究，部分新方案已投入应用。Cotté 教授解释道：“改变叶片的旋转速度和桨距角，便能减少噪音，所以有些团队正在开发可自动调节风力涡轮机的智能工具，兼顾发电效率和降噪。”还有一项最新技术是在叶片上加装锯齿状部件，灵感来自于夜间捕猎的猛禽的翅膀。由于猛禽的翼尖羽毛在飞行时会展开，让空气顺畅通过，减少湍流，所以飞行悄无声息。同理，锯齿状部件安装在叶片的后缘，减少叶片尖端空气摩擦产生的湍流，可将空气动力噪音平均降低2至3分贝。

就无人机降噪而言，目前正在进行的研究数量更多。法国工业设备企业APRO与ENSTA大学的计算机科学与系统工程专业合作开启了“无人机多推进系统的航空声学”项目，旨在进一步了解多推进系统噪声产生的机理，并对其建模，实现降噪。ENSTA博士生Caroline Pascal 正在使用机器人自动测量分析声场，精确测出螺旋桨发出的声波，优化无人机的轨迹、速度和加速度，减少噪音污染。

作者

Marina Julienne

编辑

Mascarenhas, D., Cotté, B., & Doaré, O. (2023). Propagation effects in the synthesis of wind turbine aerodynamic noise. Acta Acustica, 7, 23.

Mascarenhas, D., Cotté, B., & Doaré, O. (2022). Synthesis of wind turbine trailing edge noise in free field. JASA Express Letters, 2(3).

1. https://www.newscientist.com/article/2140944-buzz-of-drones-is-more-annoying-than-any-other-kind-of-vehicle/

2. Centre d’études et d’expertise sur les risques, la mobilité et l’aménagement https://www.mdpi.com/1660–4601/19/1/23