Seminarium Instytutu Akustyki, 26.01.2016

W dniu 26.01.2016 odbyło się seminarium Instytutu Akustyki, w ramach którego referat pt.: ”Modulacja amplitudowa hałasu turbin wiatrowych” wygłosił dr Piotr Kokowski, adiunkt w Zakładzie Akustyki Środowiska.
Fluktuacje zmierzonego skutecznego poziomu ciśnienia akustycznego w pobliżu turbin wiatrowych osiągają wartości między 5 a 7 dB w zależności od pory dnia. W prognozowaniu przyjmuje się jednak średnią wartość 6 dB i to tylko dla pory wieczorno-nocnej w perspektywie średniorocznej. Porę dzienną można pominąć w obliczeniach, gdyż w tym okresie występuje mniejsza wrażliwość na tego typu hałas. Okresowe fluktuacje amplitudy są zaledwie jednym z uciążliwych czynników ogólnie wpływającym na całkowitą dokuczliwość hałasu turbin.

friendly_turbines
Inżynier Budownictwa 09/2014; str. 122

Nawet jeżeli procedura micrositingu [1] uwzględnia szereg parametrów związanych z warunkami wietrznymi planowanej inwestycji z zakresu OZE [2], określa wymogi konstrukcyjne chociażby co do kształtu śmigieł turbiny, to i tak nie jest w stanie przewidzieć chwilowych zmian adwekcji wirowości oraz gradientu cyrkulacji wiatru, które są kluczowe z punktu widzenia intensywności modulacji amplitudowych.
Autor skonstruował teoretyczny model trzech źródeł niekoherentnych emitujących dźwięk bezkierunkowo. Dla uproszczenia modelu, jak także redukcji złożoności obliczeniowej, były to końcówki trzech wirujących śmigieł jednej turbiny wiatrowej. Zasadniczy cel rozważań stanowiła próba wytłumaczenia, jakie czynniki odpowiedzialne za propagację dźwięku w atmosferze mają decydujący wpływ na wielkość fluktuacji hałasu turbin dochodzących przynajmniej do 6 dB. W trakcie dokumentowania pomiarów dokonano jeszcze jednej generalizacji, a mianowicie zrównano czas emisji z czasem obserwacji zaniedbując tym samym fakt, że bodziec dźwiękowy dociera znacznie wolniej do obserwatora niż bodziec optyczny. Wszystkie pomiary ważone były krzywą korekcyjną A. Stanowiska pomiarowe zlokalizowano pod kątem 0º oraz 45º w stosunku do turbiny. Kąt 0º oznacza niejako „stanie z boku” turbiny, równolegle do kierunku wektora wiatru. Nie dokonywano pomiarów pod kątem 90º, czyli dokładnie frontem lub tyłem do wiatraka. Celem zapewnienia maksymalnej staranności oraz zminimalizowania wpływu aparatury na wynik pomiarów, zastosowano osłony przeciwwietrzne na kapsułach mikrofonów.
Pierwszym analizowanym czynnikiem był tzw. ground effect, czyli zjawisko odbicia się fali o powierzchnię gruntu otaczającego źródło dźwięku [3: 36] skutkujące z reguły wydłużeniem drogi fali akustycznej w zależności od impedancji akustycznej podłoża. Jest to jeden z istotniejszych czynników odpowiedzialnych za dyssypację energii mechanicznej (akustycznej) przed dotarciem do obserwatora.
Przeanalizowano jednoczesny wpływ ground effectu oraz absorbcji fali akustycznej przez powietrze na stanowiskach pomiarowych zlokalizowanych pod kątem 0º oraz 45º w stosunku do turbiny. Maksymalne zsumowane zmiany amplitudy na tak rozłożonych stanowiskach nie dochodziły nawet do 3 dB, ponadto z przeprowadzonych obliczeń wynika, że wpływ ground effectu jest w tych warunkach zaniedbywalny. Po wykluczeniu tego czynnika maksymalne fluktuacje spowodowane pochłanianiem fali przez powietrze wynosiły: dla kąta 0º 16 dB, zaś dla kąta 45º około 1 dB. Różnice te mogą być spowodowane zaistnieniem ścieżki wirowej von Kármána. W dużym uproszczeniu wynika ona z zaburzeń laminarnego opływu płynu (tu: gazu) wokół ośrodka stałego [4].
Kolejne badanie dotyczyło wpływu trzech czynników naraz, tj. ground effectu, efektu unoszenia oraz absorbcji fali akustycznej przez powietrze. Również tutaj maksymalne wartości, zarówno pod kątem 0º, jak i 45º nie dają satysfakcjonującej klaryfikacji sześciodecybelowych zmian amplitudy. W tym przypadku zsumowane wartości wahają się w przedziale zaledwie 0,8÷1 dB. W założeniach początkowych wspomniano, że źródła mają charakterystykę bezkierunkową. Ekwiwalent kierunkowości otrzymuje się natomiast uwzględniając efekt unoszenia (refrakcji) – znacząco wpływa na ukierunkowanie fali bezpośredniej, jako że przyczynia się do dekoherencji wiązki fali akustycznej. Refrakcję często utożsamia się z rozpraszaniem na fali akustycznej na termicznych turbulencjach atmosfery wynikłych ze zmiennego stopnia nagrzania powierzchni podłoża, nad którym propagowana jest fala akustyczna. Refrakcję można określić jako zjawisko antagonistyczne wobec ground effectu – podczas unoszenia dochodzi do redukcji tłumienia fali wskutek odbicia od powierzchni ziemi [3: 51].
Trzecim rozważanym czynnikiem był kąt natarcia na śmigło (AoA – angle of attack), który warunkuje następującą relację: kwadrat ciśnienia akustycznego jest proporcjonalny do piątej potęgi amplitudy prędkości obrotu śmigła (p2 ~ U5). Jest to empiryczna zależność wynikająca ze specyfiki zjawisk falowych oraz turbulencji wietrznych [3: 51] powstających wokół krawędzi prowadzącej (leading edge), a także krawędzi spływu (trailing edge) śmigła turbiny.

J. Energ. Resour. Technol http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2288781
J. Energ Resour. Technol 137/5, (http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2288781)

Kąt natarcia wiatru musi być rozważany również w momencie, gdy w modelu obliczeniowym uwzględni się dywergencje mocy akustycznej zastępczego źródła dźwięku, którym tu wprawdzie jest końcówka śmigła, ale, jak zaznaczył prelegent, wcale nierzadko spotykane są też propedeutyki uwzględniające nawet 90 % długości śmigła. Obojętnie jednak, jak duże przyjmie się przyczynki dla powierzchni zastępczego izotropowego źródła dźwięku, tak obliczone modulacje wynoszą jedynie ok. 3 dB. Nawet lokalne zmiany mocy akustycznej spowodowane chwilowymi pionowymi i poziomymi turbulencjami termicznymi powietrza skorelowane z efektem rozproszenia (scattering) fali dźwiękowej w otoczeniu krawędzi śmigła nie wprowadzają dodatkowych kontrybucji prowadzących do zwiększenia wartości fluktuacji do postulowanych 6 dB. Empirycznie wyznaczono, że kąt optimum – dla którego notuje się największe wartości – wynosi 12º.
Głównym celem badania było teoretyczne udowodnienie zmierzonych fluktuacji amplitudowych hałasu turbin wiatrowych w oparciu o wpływ czynników pośredniczących w propagacji fali akustycznej w sąsiedztwie tych obiektów. Czynnikiem najlepiej korelującym z badanym zjawiskiem były periodyczne zmiany mocy akustycznej turbiny wiatrowej pojawiające się wraz ze zmiennym kątem natarcia wiatru na krawędź prowadzącą śmigła turbiny, szczególnie pod kątem około 12º względem wektora wiatru. Dużo do dyskusji wnoszą również fluktuacje powodowane absorbcją fali przez powietrze, ale rozprzestrzeniające się tylko zgodnie ze zwrotem wektora wiatru.

Źródła:

1. Kalina Łukasz, Pastuszka Krzysztof: Micrositing – planowanie techniczne elektrowni wiatrowych [w:] Inżynier Budownictwa 09/2014, str. 48-51.

2. Ustawa o odnawialnych źródłach energii
(http://www.odnawialnezrodlaenergii.pl/ustawa-o-oze).

3. Gołębiewski Roman (2014): Prognozowanie hałasu samochodowego Wydawnictwo Naukowe UAM: Poznań.

4. Ścieżka wirowa von Kármána
(http://www.imc.pcz.czest.pl/instytut/pl/3/3.8/www/von_karman/teoria.html).

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *