過水設施水流噪聲的形成機理及影響因子研究綜述

王 煜，石 敏，盧曉春

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

水流通過大型過水設施，如溢流堰、水閘、水輪機、引水隧洞以及泄洪孔等，由于水流復雜的流道邊界，往往導致水流高速紊動，進而引發高分貝水流噪聲，對過水設施及其附屬建筑的安全造成一定威脅。城市景觀水體中常用過水設施如低堰、閘壩的運行也會產生一定程度的水流噪聲，有的甚至會超過居住環境噪聲標準，污染環境，不利于周邊居民的身心健康。例如：湖南藍山縣舜水河壩產生了擾民的水流沖擊聲，遭到周邊居民的投訴；福建永安市城市慢線1號生態壩從投入使用以來產生的沖擊噪聲經4次檢測均超過居住環境噪聲標準，嚴重影響了周圍居民的正常生活，最終通過降噪措施得到改善；福州市富泉鄉三級電站運行中水力發電機組產生的噪聲對周邊居民產生了難以忍受的噪聲污染。為提高過水設施的運行安全和壽命，減少環境噪聲污染，有必要對常用過水設施水流噪聲的形成機理及關鍵影響因子進行深入研究。

水流噪聲特征與水流水動力特性和過流邊界特性密切相關，不同水流特性及過流邊界將產生不同聲級(本文所述“聲級”均采用A計權聲級)、不同頻率、不同音色的噪聲。過水設施中有壓流道與無壓流道形成具有不同特征的水流噪聲；不同類型的無壓泄水建筑物(如溢流堰等)泄水時會在消力池中形成不同類型的水躍，水躍紊動程度及摻氣濃度具有較大差別，相應地，形成的水流噪聲聲級不同；水電站水輪機有壓流道在不同的運行工況下產生具有不同聲級和頻率的水流噪聲。水流流經不同材料構成的壓力水管形成不同聲級的水流噪聲，如水流流經硬聚氯乙烯塑料管道與流經鑄鐵管道產生的水流噪聲聲級明顯不同[1]；水流進入水電站進水口時，由于斷面收縮形成的加速收縮流會產生較大聲級的水流噪聲；水流進入水電站水輪機流道，由于水輪機復雜流道邊界以及水輪機轉輪、導葉等過流部件的阻流作用，產生較大聲級及頻率范圍的水流噪聲，同時會對水力發電機組運行安全和電站工作人員的身體健康造成較大影響[2]。胡志華等[3]對渾河中相同流量條件下的不同泄水建筑物進行了水流噪聲研究，發現橡膠壩水流噪聲頻率最大，其次是渠首滾水壩，最后是翻板閘。可見，不同過水設施產生的水流噪聲具有不同的特征，與過水設施結構及運行特點密切相關，可作為實時監測過水設施運行狀態及流道特性的有效信號源，特別是對于有壓引水隧洞、壓力管道、水輪機流道等難以直接監測流道水流特性的過水設施，可通過水流噪聲有效監測其運行狀態及流道特征，及時識別運行故障和流道缺陷，確保過水設施運行安全。然而，不同過水設施水流噪聲的產生機理不同，影響因子較多，如何識別影響水流噪聲的關鍵因子是提高水流噪聲對過水設施運行安全診斷效果的關鍵問題。因此，探明過水設施水流噪聲的形成機理及影響因子對提高過水設施噪聲監測效率、保護環境和人類健康都具有重大的意義。

1 過水設施水流噪聲特征及產生機理

聲音是由物體振動產生的，一切不規則的聲信號稱為噪聲。據研究，人類長期處于超過50 dB噪聲的環境下，容易引發聽力下降以及頭疼等疾病[4]。高速水流通過過水設施，如消力池、水閘、溢流堰、水輪機流道等，往往會產生高于50 dB的水流噪聲，對周邊環境和人類健康造成威脅，例如：水流通過米易縣城北閘壩工程產生的最大水噪聲值為73.9 dB[5]；某市景觀壩所形成的跌水噪聲在夜間達到60～63 dB[6]。水電工程中高速水流與流道摩擦撞擊形成的水流噪聲甚至會高至100 dB以上，例如：烏弄龍水電站運行發生異常時水機室流道噪聲高達108 dB[7]；劉殿程[8]對某水電站水輪機機坑和蝸殼進人孔噪聲進行測量，其聲壓高達106 dB。水電工程中巨大的水流噪聲不但造成周邊環境的噪聲污染，同時也給水電工程的安全運行帶來威脅。

噪聲根據頻率可分為低頻噪聲(小于500 Hz)、中頻噪聲(500～2 000 Hz)和高頻噪聲(大于2 000 Hz)。人的可聽音范圍為20～20 000 Hz。常用過水設施水流噪聲頻率范圍較廣，低至因大壩溢洪道泄洪產生的0～10 Hz的超低頻噪聲[9]，高至因水輪機流道水流空化形成的20 kHz以上的超聲波[10]。

水流噪聲是指在不涉及流動誘發的結構共振發聲時由于運動流體與固體邊界相互作用以及流體內部湍流所引起的輻射噪聲，其主要激發機理是由于固體與流體的相對運動以及流體自身的不規則運動所激起的流體內部應力及壓力擾動在介質中的傳遞[11]。Lighthill流體聲學理論中流體動力聲源根據不同的激發機理分為單極子聲源、偶極子聲源以及四極子聲源[12]。單極子聲源是和流體介質的脈動質量有關的單點聲源[13]，周圍的流體通過膨脹或收縮適應該種徑向運動，從而形成一個球體對稱聲場；偶極子聲源是在流速較高的條件下流體遇到物體產生作用力引起渦流而形成，也稱為力聲源，輻射指向性為8字形；四極子聲源又被稱為應力聲源，因運動流體自身的黏滯應力作用而產生，該種聲源由兩個距離相近、大小相同而相位相反的偶極子構成，聲源輻射具有較強的指向性，在偶極子軸向及垂向處的聲壓為0，對角處的聲壓值最大[12]。Lighthill流體聲學理論建立在不存在固體邊界或固體邊界對流場影響不大的情況下，但實際上流體與固體邊界存在的相互作用直接影響流場，已有學者對靜止固體邊界對流體動力聲場的影響以及運動固體邊界聲場進行了研究[13]；Powell[14]提出渦聲理論，低馬赫數條件下的等熵絕熱流體，其產生的流體動力場和輻射聲場的基本且唯一的源是渦。

噪聲聲源不同，其聲輻射形成的聲場也不同，根據聲輻射特性可對水流噪聲進行監測。過水設施水流噪聲按其產生機理通常分為水流自身紊動產生的噪聲(四極子聲源)、水流與固定部件撞擊產生的噪聲(偶極子聲源)、水流中的空腔從發展到破裂產生的噪聲以及水流摻氣產生的噪聲(單極子聲源)[15]。

1.1 水流自身紊動產生的噪聲

液體具有黏滯性，液體與流道邊界的摩擦導致各流束之間具有相對運動，流速較快的流束與流速較慢的流束形成方向相反的切應力從而導致液體形成渦體，發生激烈的紊動，形成水流噪聲。湍流中隨機性和擬序結構運動的規律性，導致流體的各種物理參數(如速度、壓力和溫度等)隨時空近乎隨機變化，湍流物理參數的這種脈動是誘發水動力噪聲的首要原因[16]。胡志華[15]在測量該類型噪聲時，選擇平直段水槽進行測量再減去水流與流道作用噪聲，以此計算出水流自身紊動產生的噪聲，該實驗測得在水流流速小于6 m/s時其噪聲譜顯示為衰減下降的曲線，主頻位于500 Hz以下的低頻段。水流通過壓力管道流入水電站，在管道彎管處由于內側水流流速梯度較大，水流易形成旋渦，管道內流速越大，流速梯度越大，則越容易形成渦體，從而產生噪聲[17]。

1.2 水流與固定部件撞擊產生的噪聲

水流與固定部件撞擊產生的噪聲是指水流流動過程中與流道中的閘墩、尾坎、閥門、轉輪等固有部件發生摩擦撞擊產生的噪聲或是水流在水下撞擊消能設施形成的沖擊噪聲。胡志華[15]將消力池底板脈動壓力引起的振動噪聲作為水流與建筑物噪聲。該種噪聲的實質為脈動壓力作用的結果，固體邊界振動等外力對流體產生影響，使流體邊界受到脈動壓力作用而產生噪聲。

1.3 水流中的空腔從發展到破裂產生的噪聲

水流在流動過程中，因壓力降低至氣化壓力時，水體會發生氣化，形成氣泡或是氣泡團，這些氣泡或氣泡團形成的空腔會隨著水流運動發展直至破裂，在這個過程中空腔的膨脹-壓縮-破裂導致流體內部壓力脈動。空化流的壓力脈動包括3種不同特性的分量：紊流基礎噪聲，其噪聲頻帶較寬，幅值較小，并與空化數大小無關；空化即將發生時出現的低頻振蕩，當空化數減小到臨界空化數時發生，一般頻率為幾十赫茲，類似于周期振蕩；空泡潰滅產生的壓力脈沖，其幅值很大，可達上萬個大氣壓，歷時很短，僅數微秒至幾十微秒[18]。目前針對過水設施水流噪聲的研究多集中在高速水流形成的空化噪聲[19-20]，且部分高流速泄水水工建筑物針對空化噪聲進行水力學安全監測[21]，本文主要集中于其余水流噪聲機理的研究。

1.4 水流摻氣產生的噪聲

水流在紊動的過程中流速增加，紊動強度迅速增大，水流中的渦體繞流產生升力，當渦體具有的豎向瞬時動能足夠大時，能夠克服水流表面張力和自身重力躍出水面，在重力作用下重新落入水中，帶入空氣形成氣泡[22]。從空氣摻入到水流中隨水流摻混流動至破滅的過程，形成激烈的水流摻氣噪聲。田茹妍[23]將水滴滴落水面摻入空氣形成水聲的機理分為：脈動輻射噪聲、初生氣泡噪聲及次生氣泡噪聲。該種噪聲受摻氣機理、摻氣水深、摻氣濃度、摻氣條件等因素的影響[24]，不同位置的摻氣濃度與過水設施結構形式相關[25-26]，且水流摻氣程度以及氣泡的位置對水流斷面平均流速具有影響[27]，不同工況下的噪聲受諸多因子綜合作用。張宏偉等[28]研究表明適當的摻氣濃度會使摻氣水流的聲速顯著降低；壓強的減小和相間傳熱的增強可使聲速減小、衰減加快，所以水流中摻氣水流噪聲的采集會受到一定的影響。

2 過水設施水流噪聲關鍵影響因子研究

水流噪聲特征與水流水動力特征、過流邊界特征密切相關，是水流特性與其邊界特性及其相互耦合作用的綜合表征。為明確水流特性及其過流建筑物特性對水流噪聲特性的影響，識別影響水流噪聲表征的水力要素及產生機理，國內外學者通過大量的實際工程的噪聲監測和分析進行了水流噪聲特性影響因子的相關研究。

2.1 過水設施水動力特性對水流噪聲的影響

Vracar等[29]對歐洲3大河流(多瑙河、薩瓦河和蒂薩河)進行觀測，發現水流噪聲頻率動態變化區間在100 Hz以下，頻率主要集中在20～30 Hz，多瑙河、薩瓦河水流流速相近，所形成的噪聲為20～30 dB，蒂薩河的水流流速高于多瑙河和薩瓦河，噪聲水平達40 dB，得出影響噪聲大小動態變化的原因為河流流速的結論。Dubey等[30]通過物理模型試驗模擬城市供水系統管道得出其噪聲功率譜密度的分布以及特征，在沒有水流通過時，功率譜密度峰值100 Hz，輕度取決于外部噪聲，其噪聲的概率密度函數呈現一個非高斯分布的穩定分布，恒定流量通過時，流場呈高斯分布，頻率10 Hz時聲級為120 dB，超過10 kHz后聲級下降至40 dB以下，說明管道內的水流噪聲與管道流量密切相關。Lian等[9,31]對錦屏一級水電工程溢流壩進行水流噪聲監測，結合數值模擬結果得出壩下水墊塘淹沒射流誘發低頻水流噪聲的結論，同時發現水墊塘渦度與低頻水流噪聲具有較強的相關性，得出水墊塘強剪切層是低頻噪聲的主要聲源區的結論，可見泄水建筑物低頻水流噪聲的形成與水流渦度脈動特征相關。郭維東等[32]發現同一溢流堰產生水流噪聲的聲級值隨流量的增大而增大。李莎莎等[5,33]通過對無坎寬頂堰水流噪聲研究發現，下泄水流產生的水流噪聲會隨著上游流量與堰高的增加而增加，隨下游水深的增加而減小，且在下游水深由10 cm增加到20 cm時，水流噪聲值減小幅度最大；在堰高和上游流量一定的條件下，水流噪聲與水壓力均隨下游水深的增加而減小，但水流噪聲的減小幅度遠小于水壓力，分析原因可能為噪聲是由水流自身的紊動以及對堰趾的沖擊產生，在后續研究中得出堰趾產生的湍流強度會隨堰高、上游流量及下游水深的增加而增加，而沖擊水噪聲與之相反，通過不斷調整水流下跌高度與堰高的比值，當比值為0.244時水流下跌處的水噪聲最小，說明流道邊界設置條件對水流紊動程度具有決定性作用。

由此可見，過水設施運行工況參數不同，造成流道具有不同的水動力特性，影響了水流噪聲特征[34]。其中流道過流流速越大，產生的水流噪聲聲級越大。這是因為流道流速增大，水流紊動強度增大，水體中易形成大量渦體，造成水流噪聲聲級增大。另外，流道水壓力不均勻分布及水流相對運動對水流噪聲特征具有較大影響。

2.2 過水設施結構形式對水流噪聲的影響

過水建筑物結構形式及邊界特性對水流噪聲也有較大影響。袁常樂等[35]對圓柱以及方柱進行水下遠場噪聲分析模擬，發現在均勻流中方柱產生的輻射噪聲大于圓柱，但高頻噪聲衰減速度較快；圓柱在水流中產生的輻射噪聲有更寬的頻域，說明過水建筑物體型對水流噪聲衰減及頻域特征有較強的影響。王紅艷等[36]根據相似性原理對燕尾坎挑流消能水流噪聲進行模型試驗研究，發現挑流消能產生的水流噪聲主頻段位于低頻段且噪聲強度波動最大，噪聲聲級最大值出現在頻率32 Hz、40 Hz處，測點越靠近壩體，低頻段波動幅度越大，中頻段波動幅度小。郭維東等[32]監測了不同堰型(WES堰、寬頂堰)在相同流量和測點條件下產生的水流噪聲，發現在整個噪聲聲級頻譜過程中寬頂堰出現3個波形，而WES堰出現2個波形；寬頂堰噪聲聲級的最大值在低頻段500 Hz處，而WES堰主要在中頻段2 000 Hz處；寬頂堰噪聲聲級的最小值在高頻段8 000 Hz處，而WES堰在低頻段31.5 Hz，說明過水設施結構形式對水流噪聲聲級具有較大影響。楊蟠[37]通過對比無坎寬頂堰下游的下凹型緩坡、直線型緩坡、上凸型緩坡與階梯型緩坡4種不同結構形式的緩坡產生的水流噪聲，得出直線型緩坡的噪聲聲級最低。張邱杰[38]采用閘門與直線型緩坡銜接布置于無坎寬頂堰下游面，并對比3種不同的銜接方式(閘門半圓上端，閘門半圓中端，閘門半圓下端)產生的水流噪聲特性，發現采用閘門半圓中端與直線型緩坡的銜接方式時，堰體過水產生的水流噪聲最小。另外通過對堰體下游面跌水進行水動力數值模擬，結合水流噪聲監測結果得出無坎寬頂堰跌水水流噪聲主要由下泄水體對下游邊界和水體的沖擊摩擦引起，因此堰體下游不同的結構特征造成不同的水流噪聲特征。齊春風等[39]發現消力池底板上鋪設鋼膜，消力池前端旋滾區產生的渦旋更為破碎，可有效降低底板處的水流脈動能量。由此可見，過水設施結構形式的不同造成水流流態及水動力特性的不同，使其產生的水流噪聲聲級及頻率產生較大的差異，過水設施結構形式是水流噪聲的重要影響因子。

過水設施過流面結構形式決定了水流的紊動程度。水流流經時與流道固定部件撞擊分流形成渦體，產生激烈的紊動和不規則脈動壓力。脈動壓力在固定部件與水流之間相互傳遞，在高流速情況下可能在流道某些特定部位形成水體空化，增加空化噪聲。

2.3 過水設施材料特征對水流噪聲的影響

對于不同材質的過水設施由于表面粗糙度的不同，水流與邊界的切向摩擦產生切向力，進而形成不同形態的渦體。低速水流渦體未在相鄰流層相互摻混，水流較為穩定；高速水流流體紊動激烈，與低速水流相比形成的水流噪聲具有較大的差異。對于明渠或管道等結構簡單的過水設施，水流噪聲通常應為水流與固體邊界的摩擦引出的水流紊動產生。過水設施材料特性的不同，對水流的摩擦效應不同，如流道邊界糙率變大后，流體的流速分布不同，紊動強度也不同[40]，進而誘發出不同聲級的水流噪聲。王燦祥[41]針對水流通過塑料管道、無縫鋼管和鑄鐵管3種不同材質的管道產生的水流噪聲的時頻特性進行了試驗和分析，發現管道材質的楊氏模量越低，水流噪聲信號頻率越低，塑料管道水流噪聲信號頻率主要分布在5～50 Hz；鑄鐵管道分布在1 000 Hz左右；無縫鋼管分布在400～600 Hz。

3 結 語

過水設施產生水流噪聲主要由水流高強度紊動，流層之間及與固體邊界的摩擦、碰撞等相互作用引起，其噪聲聲級及頻率特征與過水設施結構特性、材料特性、運行工況密切相關，是多種因素共同作用的結果，且過水設施水流噪聲呈現出連續寬頻等特點。水流噪聲的形成機理不同，對應的頻譜特征具有較大的差異，在噪聲形成的不同階段其呈現出的頻譜也有所區別。由此可見，過水設施水流噪聲聲級、頻率、音色是水流水動力特性變化及其與過流邊界相互作用的綜合動態表征，實時反映過水設施水流運行狀態及流道運行狀態，可作為實時監測信號，診斷過水設施的運行狀態及安全，同時評估過水設施運行對環境的影響。然而，目前國內外對過水設施水流噪聲的研究主要聚焦在某些具體過水設施水流的降噪方法上，針對水流噪聲特征值與水流水動力參數、邊界特性參數之間的相互關系卻少有研究，缺乏建立水流噪聲表象與流場特征之間的對應關系，難以借助噪聲信號對過水設施運行和安全狀態進行實時診斷。

水流通過過水設施下泄過程中，受其邊界特性的影響水動力狀態常發生較大變化，或加速、或湍動、或渦旋、或剪切，伴隨邊界形狀和結構的變化將產生不同特征的水流噪聲，因此，水流通過過水設施產生的水流噪聲與水流特性一一對應，同時也反映了過水建筑物運行的實時狀態。目前不同情況下過水設施水流噪聲形成機理錯綜復雜，應深入開展水流噪聲特征值與水流水動力特性及其邊界特性的相互關系研究，明確影響過水設施水流噪聲的關鍵因子，量化水流噪聲與水動力參數及邊界參數的相互關系，構建不同結構、不同形狀、不同材料、不同尺寸水利設施在典型水流工況運行下的水流噪聲數據庫，為通過噪聲特征準確識別水流及過水設施運行狀態提供基礎。