專利名稱：風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電機音頻測試領域，具體涉及一種用于測試與分析風力發(fā)電機
組音調(diào)的多參數(shù)測試儀器，適用于風力發(fā)電機組噪聲測試時在各整風速下準確的測試和分 析音調(diào)，以便評估風機音調(diào)能聽度，從而為風機降噪和噪聲評估提供客觀依據(jù)。
背景技術：
依據(jù)IEC 61400-11風力發(fā)電機組噪聲特性試驗的技術要求，風力發(fā)電機組的聲 學噪聲測試，需要在規(guī)定的地理條件下，同時進行功率、風速、風向、氣溫、氣壓、偏航角、漿 距角、轉速和A計權聲壓級測試，并在每個整風速下進行音調(diào)分析，以便評估風機音調(diào)能聽 度，從而為噪聲評估和風機降噪提供客觀依據(jù)。風力發(fā)電機噪聲的音調(diào)由嚙合齒輪、氣動不 穩(wěn)定性因素與轉子葉片表面的相互作用，以及作用于孔洞、裂縫或鈍尾緣上的失穩(wěn)氣流等 造成，該現(xiàn)象的噪聲信號屬于典型的非平穩(wěn)信號。而現(xiàn)有的風機噪聲音調(diào)判定采用的是基 于平穩(wěn)信號分析的窄帶譜判定方法，將會為判斷結果帶來頻率模糊現(xiàn)象。同時，常規(guī)的風力 發(fā)電機組聲學噪聲測試儀通常采用多通道數(shù)據(jù)記錄儀、聲級計、l/3倍頻程譜分析儀、頻譜
分析儀等分體式儀器進行測量和分析。 現(xiàn)有風力發(fā)電機音調(diào)測試的缺點測量精度低，同步性差，頻率模糊現(xiàn)象嚴重，操 作復雜，價格昂貴。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量精度高、同步性高、頻率模糊現(xiàn)象影響小、操作簡
單、成本低的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法。 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下 —種風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其關鍵在于，按照以下步驟進行 步驟一，獲取風速信號、氣溫信號、氣壓信號、噪聲信號、轉速信號、電功率信號、風
速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙度，可通過儀器測得。 步驟二，確定整風速，按照以下幾步進行 第一步，根據(jù)所述氣溫信號、氣壓信號、風速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和
地表粗糙度，將所述風速信號轉換為標準風速信號，該標準風速的換算為公知技術；其中，
標準風速范圍將涵蓋風速為6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s的整風速。 第二步，定義整風速序號P的初始值P = 1 ; 第三步，在所述標準風速信號中選取第P整風速； 第四步，確定第P整風速的風速大小Vp ; 在國際標準中，通常選取風速大小Vi = 6m/s的整風速作為第1整風速，必要時可 以選取其他風速初始值。 步驟三，確定轉速擬合曲線，按照以下幾步進行 第一步，確定待分析的噪聲數(shù)據(jù)段組，該噪聲數(shù)據(jù)段組由第一噪聲數(shù)據(jù)段和第二噪聲數(shù)據(jù)段組成在所述第P整風速內(nèi)，選取最接近所述風速大小Vp的一段1分鐘噪聲信 號作為第一噪聲數(shù)據(jù)段；選取最接近所述風速大小Vp的另一段1分鐘噪聲信號作為第二噪 聲數(shù)據(jù)段； 第二步，確定噪聲子數(shù)據(jù)段組，該噪聲子數(shù)據(jù)段組由第一噪聲子數(shù)據(jù)段組和第二 噪聲子數(shù)據(jù)段組組成將所述第一噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲子數(shù)據(jù)段，每段噪聲子數(shù)據(jù) 段的時間長度為10秒，作為第一噪聲子數(shù)據(jù)段組；將所述第二噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲 子數(shù)據(jù)段，每段噪聲子數(shù)據(jù)段的時間長度為IO秒，作為第二噪聲子數(shù)據(jù)段組；
第三步，確定轉速數(shù)據(jù)段組，該轉速數(shù)據(jù)段組由第一轉速數(shù)據(jù)段和第二轉速數(shù)據(jù) 段組成選取與第一噪聲數(shù)據(jù)段同時采集的轉速信號作為第一轉速數(shù)據(jù)段，選取與第二噪 聲數(shù)據(jù)段同時采集的轉速信號作為第二轉速數(shù)據(jù)段； 第四步，確定轉速子數(shù)據(jù)段組，該轉速子數(shù)據(jù)段組由第一轉速子數(shù)據(jù)段組和第二 轉速子數(shù)據(jù)段組組成將所述第一轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速子數(shù)據(jù)段，每段轉速子數(shù)據(jù) 段的時間長度為10秒，作為第一轉速子數(shù)據(jù)段組；將所述第二轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速 子數(shù)據(jù)段，每段轉速子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第二轉速子數(shù)據(jù)段組；
第五步，在轉速數(shù)據(jù)段組上，確定第k段轉速子數(shù)據(jù)段的擬合曲線Rk(t)，其表達式 為Rk(t) = akt2+bkt+Ck，其中，t為時間，ak、bk、 ck為擬合曲線系數(shù)；由于風機轉速較低，可 以采用在轉速子數(shù)據(jù)段上尋找Rk(t)和t之間的關系來獲得分段擬合曲線系數(shù)，實現(xiàn)風機 轉速曲線高精度擬合。 步驟四，確定鑒相時標，按照以下幾步進行 第一步，確定所述擬合曲線Rk(t)的采樣頻率fs,k，其表達式為《,k^2(U,k，(U,k 為所述擬合曲線Rk(t)的最大階比成分。等角度采樣間隔滿足了采樣定理，使鑒相時標對 擬合曲線的等角度采樣更加合理。 第二步，確定所述擬合曲線Rk(t)的等角度采樣間隔A e k，其表達式為A e k = l/fs,k; 第三步，確定所述擬合曲線Rk(t)的積分方程，其表達式為(^Rk(t)dt二nA0k+T^,k，其中，n為時標序號，T。,k為所述擬合曲線Rk(t)
的初始時刻，T—u為該擬合曲線Rk(t)的終點時刻； 第四步，根據(jù)所述等角度采樣間隔A 9 k和擬合曲線Rk(t)的積分方程，獲得公式
,akTn,k丄bkTn，k丄八T 、 , akTo,k丄bkT0,k丄^ 丁 、< n 丄丁 r么^ 、* a* , pn_ (++ckTn,k )-(++ckTo,k )《^~~ +T-i，k ，確定所述鬼k段
max，k
噪聲子數(shù)據(jù)段的鑒相時標Tn,k。為方便獲得準確的鑒相時標Tu，可取fs,k = 20max,k。
步驟五，確定所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的準平穩(wěn)噪聲信號x (Tn, k)，其表達式為
xcrn,k)=x(t0k:)+ x( ) ，(to'k) crn,k-t0,k;> ，其中，t。, k為所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段中時間坐
標小于等于Tn,k的第一個點，為t。,k的下一個點；采用鑒相時標對待分析的一分鐘長度
噪聲信號進行線性插值，實現(xiàn)等角度重采樣，可獲得準平穩(wěn)的噪聲信號。 步驟六，對所述準平穩(wěn)噪聲信號x (Tn, k)進行A計權，模擬人耳聽覺，再加漢寧窗，減少噪聲信號能量泄露，進行FFT變換，獲得第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的A計權窄帶聲壓譜級
l^A-NS ， k ; 步驟七，判斷音調(diào)，按照以下幾步進行 第一步，在所述A計權窄帶聲壓譜級LA—NS, k上，確定臨界頻帶Sk，其表達式為
<formula>formula see original document page 8</formula>
，其中f。,k為第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的中心頻率；依據(jù)人耳的
聽覺掩蔽效應，選取臨界頻帶，作為后續(xù)判斷音調(diào)是否能被人耳感知的臨界分析范圍。
第二步，選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70%根譜線，確定判據(jù)級L7。^k，其表
達式為<formula>formula see original document page 8</formula>其中，M為所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70%
根譜線的總數(shù)，Lm,k為該臨界頻帶Sk內(nèi)第m個幅值最小譜線的噪聲頻譜能量； 第三步，選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值小于L7^,k+6dB的譜線，確定為所述臨界頻帶
Sk內(nèi)的掩蔽噪聲； 第四步，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的平均掩蔽噪聲級Lpn,^,k，其表達式為 <formula>formula see original document page 8</formula>其中，H為所述掩蔽噪聲的譜線總數(shù)，Lh,k為所述臨界頻
帶sk內(nèi)第h個掩蔽噪聲的噪聲頻譜能量； 第五步，在所述臨界頻帶Sk內(nèi)，選取噪聲頻譜能量大于Lpn,avg,k+6dB的譜線作為該 臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)譜線，音調(diào)可能會出現(xiàn)在該音調(diào)譜線中。 第六步，對音調(diào)譜線進行分貝求和，可確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的譜線音調(diào)級Lpt。,k，
G
其表達式為<formula>formula see original document page 8</formula>，其中，G為所述音調(diào)譜線的總數(shù)，Lg,k為所述臨界頻帶sk g=i
內(nèi)第g個音調(diào)譜線的噪聲頻譜能量； 第七步，判斷所述臨界頻帶Sk內(nèi)相鄰的音調(diào)譜線的個數(shù)i是否大于l :如果i = 1，
二L。t。,k;如果i〉l，則所述相鄰
則該音調(diào)譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpu 的音調(diào)譜線中幅值最大的譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpt,k = Lpt。,k/1. 5 ;
當音調(diào)中包含兩根以上的相鄰譜線時，考慮到漢寧窗的散布效應增加了 FFT的等 效連續(xù)帶寬，將譜線音調(diào)級除以1.5，使音調(diào)測試結果更加準確，測試方法更加合理。另外， 臨界頻帶內(nèi)除掩蔽噪聲與音調(diào)之外的譜線將不被用于后續(xù)分析。
步驟八，修正背景噪聲，按照以下幾步進行 第一步，根據(jù)所述電功率信號，確定在風機停機時，所述臨界頻帶Sk內(nèi)的背景噪聲 的等效連續(xù)聲壓級Ln,k; 第二步，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的修正掩蔽噪聲級k，,^,k，其表達式為<formula>formula see original document page 8</formula>s，pn,avg，k b 為確保分析結果的有效性，必須確認音調(diào)成分并非來自背景噪聲。經(jīng)過修正背景 噪聲后，所得到的修正掩蔽噪聲級能更準確地表達風機運行時單獨的等效連續(xù)聲壓級，即不含背景噪聲的風機噪聲。 步驟九，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的掩蔽噪聲級Lpn,k和所述第P整風速中第k段噪 聲子數(shù)據(jù)段的最終音調(diào)級ALtn,k，按照以下幾步進行 第一步，確定有效噪聲帶寬Z，其表達式為Z = 1.5XR，其中R為頻率分辨率；有
效噪聲帶寬Z修正了使用漢寧窗的影響，使測試結果更加準確合理。 第二步，確定所述掩蔽噪聲級L,.k，其表達式為L
<formula>formula see original document page 9</formula>
第三步，確定所述最終音調(diào)級ALtn,k，其表達式為ALtn,k = Lpt,k_Lpn,k ; 步驟十，確定音調(diào)能聽度，按照以下幾步進行 第一步，確定所述第P整風速的能聽度ALt，其表達式為
<formula>formula see original document page 9</formula>):
第二步，確定基于頻率的能聽度判據(jù)k，用于補償人耳對不同頻率成分音調(diào)的響
應，其表達式為La = —2 — lg
<formula>formula see original document page 9</formula>
，其中ff為音調(diào)頻率值； 第三步，確定音調(diào)能聽度A La，其表達式為A La = A Lt_La ; 步驟i^一，判斷所述整風速序號P是否小于P'，如果P小于P'，則P加l，返回 所述在所述標準風速信號中選取第P整風速的步驟，即步驟二的第三步；如果P等于或大于 P'，則分析結束；其中，P'為終止整風速序號。在國際標準中，通常選取風速大小Vp'= 10m/s的整風速作為最后一個待分析的整風速，即在標準風速信號中依次選取風速為6m/ s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s的整風速進行分析，必要時可選取更多的整風速。在每一個選取 的整風速下，重復進行以上所有分析步驟，直至分析完選取的每一個整風速下的音調(diào)。
在所述獲取風速信號、氣溫信號、氣壓信號、噪聲信號、轉速信號、電功率信號、風 速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙度的步驟中，即步驟一中，用預極化傳聲器 獲取所述噪聲信號，用噪聲信號調(diào)理采集器處理該噪聲信號，用風機運行參數(shù)傳感器組獲 取所述風速信號、氣溫信號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號，用風機運行參數(shù)信號采集 調(diào)理器處理該風速信號、氣溫信號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號。 其中，所述預極化傳聲器用于獲取噪聲信號。它的信號輸出端連接所述噪聲信號 調(diào)理采集器的信號采集端，噪聲信號調(diào)理采集器對采集到的噪聲數(shù)據(jù)進行抗混疊濾波，提 高分析時的信噪比，同時提高鑒相時標對噪聲數(shù)據(jù)進行線性插值時地精度。該噪聲信號調(diào) 理采集器的Wi-Fi無線數(shù)據(jù)輸出端與計算機的Wi-Fi無線數(shù)據(jù)輸入端無線連接，將A/D轉 換后的噪聲信號數(shù)據(jù)通過無線傳輸提供給計算機處理。所述風機運行參數(shù)傳感器組的信號 輸出端連接所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的信號采集端組，該風機運行參數(shù)信號采集 調(diào)理器的USB輸出端連接所述計算機的USB輸入端，將采集到的數(shù)據(jù)轉化為電壓信號，通過 USB接口傳輸給計算機處理。 所述噪聲信號調(diào)理采集器設置有內(nèi)置壓電ICP激勵恒流源、交流耦合器、抗混濾
波器、第一 A/D轉換器和Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述內(nèi)置壓電ICP激勵恒流源的輸出端
連接所述預極化傳聲器的電源端，用于給預極化傳聲器提供恒定的電流激勵。該預極化傳聲器的信號輸出端連接所述交流耦合器的信號采集端，該交流耦合器的信號輸出端連接所 述抗混濾波器的信號輸入端，該抗混濾波器的信號輸出端連接所述第一 A/D轉換器的信號 輸入端，該第一A/D轉換器的信號輸出端連接所述Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號輸入端， 該Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號輸出端與所述計算機的Wi-Fi無線數(shù)據(jù)輸入端無線連 接；所述噪聲信號調(diào)理采集器由可充電電池組供電。 預極化傳聲器將采集到的噪聲信號送入噪聲信號調(diào)理采集器進行信號調(diào)理和A/ D轉換，然后通過Wi-Fi無線通信模塊將數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C，實現(xiàn)對噪聲信號的實時采 集。 所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器設置有多路轉換器、放大濾波器、第二 A/D轉 換器和USB數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述風機運行參數(shù)傳感器組的信號輸出端連接所述多路轉換器 的信號采集端組，該多路轉換器的信號輸出端連接所述放大濾波器的信號輸入端，該放大 濾波器的信號輸出端連接所述第二 A/D轉換器的信號輸入端，該第二 A/D轉換器的信號輸 出端連接所述USB數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號輸入端，該USB數(shù)據(jù)傳輸模塊的信號輸出端連接所 述計算機的USB輸入端。 風機運行參數(shù)傳感器組將風機運行參數(shù)轉換為電壓信號，由風機運行參數(shù)信號采 集調(diào)理器將電壓信號進行調(diào)理和A/D轉換，然后通過USB數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)字信號實時傳 輸?shù)接嬎銠C，實現(xiàn)對風機運行參數(shù)的實時采集。 所述風機運行參數(shù)傳感器組由電功率傳感器、風速傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感 器和轉速傳感器組成，分別用于獲取電功率信號、風速信號、氣溫信號、氣壓信號和轉速信 號。所述電功率傳感器的信號輸出端連接所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的電功率信 號采集端，所述風速傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的風速信號 采集端，所述氣溫傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的氣溫信號采 集端，所述氣壓傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的氣壓信號采集 端，所述轉速傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器的轉速信號采集
丄山順。 所述計算機的測試軟件是虛擬儀器。計算機中的虛擬儀器軟件通過模塊化和硬
件觸發(fā)方式實現(xiàn)噪聲信號和風機運行參數(shù)信號的同時采集，以便實現(xiàn)標準風速下的音調(diào)分
析。該方法可以完成信號通信、信號預處理、非聲學信號分析、音調(diào)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管
理、報表打印和輸出以及網(wǎng)絡通信等功能，且可脫離硬件進行離線分析和前期模擬。 本發(fā)明的顯著效果是實時采集信號，同步性高，測量精度高，采用階比分析技術，
消除頻率模糊現(xiàn)象，模擬人耳聽覺和心理特點，結果準確合理，操作簡單，性價比高，實現(xiàn)了
風力發(fā)電機組在各個整風速下的音調(diào)分析。
圖1為本發(fā)明的裝置結構框圖。
圖2為本發(fā)明的主流程圖；
圖3為確定轉速擬合曲線的流程圖；
圖4為確定鑒相時標的流程圖；
圖5為判斷音調(diào)的流程 圖6為修正背景噪聲的流程圖； 圖7為確定掩蔽噪聲級和最終音調(diào)級的流程圖； 圖8為確定音調(diào)能聽度的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。 如圖1所示，一種風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，首先要獲取風速信號、氣溫信號、 氣壓信號、噪聲信號、轉速信號和電功率信號，采用預極化傳聲器1獲取所述噪聲信號，用 噪聲信號調(diào)理采集器2處理該噪聲信號，用風機運行參數(shù)傳感器組3獲取所述風速信號、氣 溫信號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號，用風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器4處理該風速 信號、氣溫信號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號； 噪聲信號調(diào)理采集器2的內(nèi)置壓電ICP激勵恒流源6的輸出端連接預極化傳聲器 1的電源端，該預極化傳聲器1的信號輸出端連接交流耦合器7的信號采集端，該交流耦合 器7的信號輸出端連接抗混濾波器8的信號輸入端，該抗混濾波器8的信號輸出端連接第 一 A/D轉換器9的信號輸入端，該第一 A/D轉換器9的信號輸出端連接Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳 輸模塊10的信號輸入端，該Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10的信號輸出端與計算機5的Wi-Fi 無線數(shù)據(jù)輸入端無線連接；噪聲信號調(diào)理采集器2由可充電電池組供電。
風機運行參數(shù)傳感器組3的信號輸出端連接風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器4的多 路轉換器11的信號采集端組，該多路轉換器11的信號輸出端連接放大濾波器12的信號輸 入端，該放大濾波器12的信號輸出端連接第二 A/D轉換器13的信號輸入端，該第二 A/D轉 換器13的信號輸出端連接USB數(shù)據(jù)傳輸模塊14的信號輸入端，該USB數(shù)據(jù)傳輸模塊14的 信號輸出端連接計算機5的USB輸入端。 如圖2所示，一種風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，按照以下步驟進行 獲取風速信號、氣溫信號、氣壓信號、噪聲信號、轉速信號、電功率信號、風速計安
裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙度； 根據(jù)所述氣溫信號、氣壓信號、風速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙 度，將所述風速信號轉換為標準風速信號；
定義整風速序號P的初始值P = 1 ;
在所述標準風速信號中選取第P整風速； 確定第P整風速的風速大小Vp，其中，初始分析風速K = 6m/s。
確定轉速擬合曲線；
確定鑒相時標； 確定所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的準平穩(wěn)噪聲信號X(Tn,k)，其表達式為x(Tnk)=x(t0k)+ X(t:'k) ，o'k) (Tnk-t0k)，其中，t。, k為所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)
段中時間坐標小于等于Tn,k的第一個點，為t。,k的下一個點； 對所述準平穩(wěn)噪聲信號x (Tn,k)進行A計權、加漢寧窗、FFT變換，獲得第k段噪聲 子數(shù)據(jù)段的A計權窄帶聲壓譜級LA—NS,k ;
判斷音調(diào)；
修正背景噪聲； 確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的掩蔽噪聲級Lpn, k和所述第P整風速中第k段噪聲子數(shù) 據(jù)段的最終音調(diào)級ALtn,k;
確定音調(diào)能聽度； 判斷所述整風速序號P是否小于P'，如果P小于P'，即Vp < 10m/s，則P加1，返 回所述在所述標準風速信號中選取第P整風速的步驟；如果P等于或大于P'，即Vp》10m/ s，則分析結束；其中，Vp' = 10m/s，為終止分析風速。
如圖3所示，確定轉速擬合曲線，按照以下幾步進行 確定待分析的噪聲數(shù)據(jù)段組，該噪聲數(shù)據(jù)段組由第一噪聲數(shù)據(jù)段和第二噪聲數(shù)據(jù) 段組成在所述第P整風速內(nèi)，選取最接近所述風速大小Vp的一段1分鐘噪聲信號作為第一 噪聲數(shù)據(jù)段；選取最接近所述風速大小Vp的另一段1分鐘噪聲信號作為第二噪聲數(shù)據(jù)段；
確定噪聲子數(shù)據(jù)段組，該噪聲子數(shù)據(jù)段組由第一噪聲子數(shù)據(jù)段組和第二噪聲子數(shù) 據(jù)段組組成將所述第一噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲子數(shù)據(jù)段，每段噪聲子數(shù)據(jù)段的時間 長度為IO秒，作為第一噪聲子數(shù)據(jù)段組；將所述第二噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲子數(shù)據(jù)段， 每段噪聲子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第二噪聲子數(shù)據(jù)段組； 確定轉速數(shù)據(jù)段組，該轉速數(shù)據(jù)段組由第一轉速數(shù)據(jù)段和第二轉速數(shù)據(jù)段組成 選取與第一噪聲數(shù)據(jù)段同時采集的轉速信號作為第一轉速數(shù)據(jù)段，選取與第二噪聲數(shù)據(jù)段 同時采集的轉速信號作為第二轉速數(shù)據(jù)段； 確定轉速子數(shù)據(jù)段組，該轉速子數(shù)據(jù)段組由第一轉速子數(shù)據(jù)段組和第二轉速子數(shù) 據(jù)段組組成將所述第一轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速子數(shù)據(jù)段，每段轉速子數(shù)據(jù)段的時間 長度為IO秒，作為第一轉速子數(shù)據(jù)段組；將所述第二轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速子數(shù)據(jù)段， 每段轉速子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第二轉速子數(shù)據(jù)段組； 在轉速數(shù)據(jù)段組上，確定第k段轉速子數(shù)據(jù)段的擬合曲線Rk(t)，其表達式為 Rk(t) = akt2+bkt+Ck，其中，t為時間，apbpCk為多項式系數(shù)。
如圖4所示，確定鑒相時標，按照以下幾步進行 確定所述擬合曲線Rk(t)的采樣頻率fs,k，其表達式為fs,k = 2(U,k，(U,k為所述 擬合曲線Rk(t)的最大階比成分； 確定所述擬合曲線Rk(t)的等角度采樣間隔A 9 k，其表達式為A 9 k = l/fs,k ;
確定所述擬合曲線Rk(t)的積分方程，其表達式為 fn'k Rk (t)dt=nA0k+T_lk ，其中，n為時標序號，T。,k為所述擬合曲線Rk(t)的
初始時刻，T—u為該擬合曲線Rk(t)的終點時刻； 根據(jù)所述等角度采樣間隔A 9k和擬合曲線Rk(t)的積分方程，獲得公式 (，+，+CkTn,k》(，+，+CkT。，k戶^^+T^確定所述第k段噪聲子數(shù)
max,k
據(jù)段的鑒相時標Tn,k; 如圖5所示，判斷音調(diào)，按照以下幾步進行 在所述A計權窄帶聲壓譜級U—^k上，確定臨界頻帶Sk，其表達式為<formula>formula see original document page 13</formula>，其中f。,k為第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的中心頻率； 選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70%根譜線，確定判據(jù)級L7。％, k，其表達式為 L7。％,k = 101g(^J]lOaiLm'k)，其中，M為所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70%根譜線總
M m=l
數(shù)，Lm,k為該臨界頻帶Sk內(nèi)第m個幅值最小譜線的噪聲頻譜能量； 選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值小于L7。％,k+6dB的譜線，確定為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的 掩蔽噪聲； 確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的平均掩蔽噪聲級Lm,avK,k，其表達式為
Lpn,avg,k=101g(^f」10
0.1Lh,k
)，其中，H為所述掩蔽噪聲的譜線總數(shù)，Lh,k為所述臨界頻
h=l
帶Sk內(nèi)第h個掩蔽噪聲的噪聲頻譜能量； 在所述臨界頻帶Sk內(nèi)，選取噪聲頻譜能量大于Lp
Sk內(nèi)的音調(diào)譜線；
,k+6dB的譜線作為該臨界頻帶
G 確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的譜線音調(diào)級Lpt。,k其表達式為LptQ,k=^201gLg，k ，其
g=l
中，G為所述音調(diào)譜線的總數(shù)，Lg,k為所述臨界頻帶Sk內(nèi)第g個音調(diào)譜線的噪聲頻譜能量；
判斷所述臨界頻帶Sk內(nèi)相鄰的音調(diào)譜線的個數(shù)i是否大于1 :如果i = l，則該音 調(diào)譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpt,k = Lpt。,k ;如果i > l，則所述相鄰的音調(diào) 譜線中幅值最大的譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpt,k = Lpt。,k/1. 5 ;
如圖6所示，修正背景噪聲，按照以下幾步進行 根據(jù)所述電功率信號，確定在風機停機時，所述臨界頻帶Sk內(nèi)的背景噪聲的等效 連續(xù)聲壓級Ln,k; 確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的修正掩蔽噪聲級Ls，,^,k，其表達式為
s，pn,avg,k
=101g
1 00'1Lpn,avg,k _100'ILl， 如圖7所示，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的掩蔽噪聲級Lpn,k和所述第P整風速中第k
段噪聲子數(shù)據(jù)段的最終音調(diào)級ALtn,k，按照以下幾步進行 確定有效噪聲帶寬Z，其表達式為Z= 1.5XR，其中R為頻率分辨率； 確定所述掩蔽噪聲級L，,k，其表達式為LDnk=L
pn，k s，pn，avg，k
十ioig
z
確定所述最終音調(diào)級ALtn,k，其表達式為ALtn,k = Lpt,k_Lpn,k ; 如圖8所示，確定音調(diào)能聽度，按照以下幾步進行 確定所述第P整風速的能聽度ALt，其表達式為
△ Lt=101g(^|X.1AL'n";
確定基于頻率的能聽度判據(jù)k，其表達式為
<formula>formula see original document page 14</formula>，其中ff為音調(diào)頻率值； 確定音調(diào)能聽度ALy其表達式為ALa = A Lt_La。 其工作情況如下預極化傳聲器1將采集到的噪聲信號輸出給噪聲信號調(diào)理采集 器2，經(jīng)噪聲信號調(diào)理采集器2轉換處理后，通過Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊10輸出到計算 機5。同時，風機運行參數(shù)傳感器組3將采集到的風機運行參數(shù)信號輸出到風機運行參數(shù) 信號采集調(diào)理器4，經(jīng)風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器4轉換處理后，通過USB數(shù)據(jù)傳輸模塊 14輸出到計算機5。計算機5對轉速信號進行擬合，確定等角度采樣的鑒相時標，對噪聲信 號進行等角度重采樣，獲得準平穩(wěn)噪聲信號，并對噪聲和音調(diào)進行判定和評估，修正背景噪 聲，獲得音調(diào)能聽度。
權利要求
一種風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于，按照以下步驟進行步驟一，獲取風速信號、氣溫信號、氣壓信號、噪聲信號、轉速信號、電功率信號、風速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙度；步驟二，確定整風速，按照以下幾步進行第一步，根據(jù)所述氣溫信號、氣壓信號、風速計安裝高度、風力發(fā)電機中心高度和地表粗糙度，將所述風速信號轉換為標準風速信號；第二步，定義整風速序號P的初始值P＝1；第三步，在所述標準風速信號中選取第P整風速；第四步，確定第P整風速的風速大小Vp；步驟三，確定轉速擬合曲線，按照以下幾步進行第一步，確定待分析的噪聲數(shù)據(jù)段組，該噪聲數(shù)據(jù)段組由第一噪聲數(shù)據(jù)段和第二噪聲數(shù)據(jù)段組成在所述第P整風速內(nèi)，選取最接近所述風速大小Vp的一段1分鐘噪聲信號作為第一噪聲數(shù)據(jù)段；選取最接近所述風速大小Vp的另一段1分鐘噪聲信號作為第二噪聲數(shù)據(jù)段；第二步，確定噪聲子數(shù)據(jù)段組，該噪聲子數(shù)據(jù)段組由第一噪聲子數(shù)據(jù)段組和第二噪聲子數(shù)據(jù)段組組成將所述第一噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲子數(shù)據(jù)段，每段噪聲子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第一噪聲子數(shù)據(jù)段組；將所述第二噪聲數(shù)據(jù)段分成6段的噪聲子數(shù)據(jù)段，每段噪聲子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第二噪聲子數(shù)據(jù)段組；第三步，確定轉速數(shù)據(jù)段組，該轉速數(shù)據(jù)段組由第一轉速數(shù)據(jù)段和第二轉速數(shù)據(jù)段組成選取與第一噪聲數(shù)據(jù)段同時采集的轉速信號作為第一轉速數(shù)據(jù)段，選取與第二噪聲數(shù)據(jù)段同時采集的轉速信號作為第二轉速數(shù)據(jù)段；第四步，確定轉速子數(shù)據(jù)段組，該轉速子數(shù)據(jù)段組由第一轉速子數(shù)據(jù)段組和第二轉速子數(shù)據(jù)段組組成將所述第一轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速子數(shù)據(jù)段，每段轉速子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第一轉速子數(shù)據(jù)段組；將所述第二轉速數(shù)據(jù)段分成6段的轉速子數(shù)據(jù)段，每段轉速子數(shù)據(jù)段的時間長度為10秒，作為第二轉速子數(shù)據(jù)段組；第五步，在轉速數(shù)據(jù)段組上，確定第k段轉速子數(shù)據(jù)段的擬合曲線Rk(t)，其表達式為Rk(t)＝akt2+bkt+ck，其中，t為時間，ak、bk、ck為多項式系數(shù)；步驟四，確定鑒相時標，按照以下幾步進行第一步，確定所述擬合曲線Rk(t)的采樣頻率fs，k，其表達式為fs，k≥2Omax，k，Omax，k為所述擬合曲線Rk(t)的最大階比成分；第二步，確定所述擬合曲線Rk(t)的等角度采樣間隔Δθk，其表達式為Δθk＝1/fs，k；第三步，確定所述擬合曲線Rk(t)的積分方程，其表達式為其中，n為時標序號，T0，k為所述擬合曲線Rk(t)的初始時刻，T-1，k為該擬合曲線Rk(t)的終點時刻；第四步，根據(jù)所述等角度采樣間隔Δθk和擬合曲線Rk(t)的積分方程，獲得公式確定所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的鑒相時標Tn，k；步驟五，確定所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的準平穩(wěn)噪聲信號x(Tn，k)，其表達式為其中，t0，k為所述第k段噪聲子數(shù)據(jù)段中時間坐標小于等于Tn，k的第一個點，t1，k為t0，k的下一個點；步驟六，對所述準平穩(wěn)噪聲信號x(Tn，k)進行A計權、加漢寧窗、FFT變換，獲得第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的A計權窄帶聲壓譜級LA-NS，k；步驟七，判斷音調(diào)，按照以下幾步進行第一步，在所述A計權窄帶聲壓譜級LA-NS，k上，確定臨界頻帶Sk，其表達式為其中fc，k為第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的中心頻率；第二步，選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70％根譜線，確定判據(jù)級L70％，k，其表達式為其中，M為所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值最小的70％根譜線的總數(shù)，Lm，k為該臨界頻帶Sk內(nèi)第m個幅值最小譜線的噪聲頻譜能量；第三步，選取所述臨界頻帶Sk內(nèi)幅值小于L70％，k+6dB的譜線，確定為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的掩蔽噪聲；第四步，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的平均掩蔽噪聲級Lpn，avg，k，其表達式為其中，H為所述掩蔽噪聲的譜線總數(shù)，Lh，k為所述臨界頻帶Sk內(nèi)第h個掩蔽噪聲的噪聲頻譜能量；第五步，在所述臨界頻帶Sk內(nèi)，選取噪聲頻譜能量大于Lpn，avg，k+6dB的譜線作為該臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)譜線；第六步，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的譜線音調(diào)級Lpt0，k，其表達式為其中，G為所述音調(diào)譜線的總數(shù)，Lg，k為所述臨界頻帶Sk內(nèi)第g個音調(diào)譜線的噪聲頻譜能量；第七步，判斷所述臨界頻帶Sk內(nèi)相鄰的音調(diào)譜線的個數(shù)i是否大于1如果i＝1，則該音調(diào)譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpt，k＝Lpt0，k；如果i＞1，則所述相鄰的音調(diào)譜線中幅值最大的譜線作為所述臨界頻帶Sk內(nèi)的音調(diào)，音調(diào)級Lpt，k＝Lpt0，k/1.5；步驟八，修正背景噪聲，按照以下幾步進行第一步，根據(jù)所述電功率信號，確定在風機停機時，所述臨界頻帶Sk內(nèi)的背景噪聲的等效連續(xù)聲壓級Ln，k；第二步，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的修正掩蔽噪聲級Ls，pn，avg，k，其表達式為 <mrow><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>pn</mi><mo>,</mo><mi>avg</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>lg</mi><mo>[</mo><msup> <mn>10</mn> <msub><mrow> <mn>0.1</mn> <mi>L</mi></mrow><mrow> <mi>pn</mi> <mo>,</mo> <mi>avg</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi></mrow> </msub></msup><mo>-</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mn>0.1</mn><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub> </mrow></msup><mo>]</mo><mo>;</mo> </mrow>步驟九，確定所述臨界頻帶Sk內(nèi)的掩蔽噪聲級Lpn，k和所述第P整風速中第k段噪聲子數(shù)據(jù)段的最終音調(diào)級ΔLtn，k，按照以下幾步進行第一步，確定有效噪聲帶寬Z，其表達式為Z＝1.5×R，其中R為頻率分辨率；第二步，確定所述掩蔽噪聲級Lpn，k，其表達式為第三步，確定所述最終音調(diào)級ΔLtn，k，其表達式為ΔLtn，k＝Lpt，k-Lpn，k；步驟十，確定音調(diào)能聽度，按照以下幾步進行第一步，確定所述第P整風速的能聽度ΔLt，其表達式為 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>L</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>lg</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>12</mn> </mfrac> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mn>12</mn> </munderover> <msup><mn>10</mn><mrow> <mn>0.1</mn> <mi>Δ</mi> <msub><mi>L</mi><mrow> <mi>tn</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi></mrow> </msub></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>第二步，確定基于頻率的能聽度判據(jù)La，其表達式為其中ftone為音調(diào)頻率值；第三步，確定音調(diào)能聽度ΔLa，其表達式為ΔLa＝ΔLt-La；步驟十一，判斷所述整風速序號P是否小于P′，如果P小于P′，則P加1，返回所述在所述標準風速信號中選取第P整風速的步驟；如果P等于或大于P′，則分析結束；其中，P′為終止整風速序號。F2009101913622C0000021.tif,F2009101913622C0000022.tif,F2009101913622C0000023.tif,F2009101913622C0000031.tif,F2009101913622C0000032.tif,F2009101913622C0000033.tif,F2009101913622C0000034.tif,F2009101913622C0000042.tif,F2009101913622C0000044.tif
2. 根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于在所述獲取風速 信號、氣溫信號、氣壓信號、噪聲信號、轉速信號、電功率信號、風速計安裝高度、風力發(fā)電機 中心高度和地表粗糙度的步驟中，用預極化傳聲器(1)獲取所述噪聲信號，用噪聲信號調(diào) 理采集器(2)處理該噪聲信號，用風機運行參數(shù)傳感器組(3)獲取所述風速信號、氣溫信 號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號，用風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)處理該風速信 號、氣溫信號、氣壓信號、轉速信號和電功率信號；其中，所述預極化傳聲器(1)的信號輸出 端連接所述噪聲信號調(diào)理采集器(2)的信號采集端，該噪聲信號調(diào)理采集器(2)的Wi-Fi 無線數(shù)據(jù)輸出端與計算機(5)的Wi-Fi無線數(shù)據(jù)輸入端無線連接，所述風機運行參數(shù)傳感 器組(3)的信號輸出端連接所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)的信號采集端組，該風 機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)的USB輸出端連接所述計算機(5)的USB輸入端。
3. 根據(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于所述噪聲信號調(diào) 理采集器(2)設置有內(nèi)置壓電ICP激勵恒流源(6)、交流耦合器(7)、抗混濾波器(S)、第一 A/D轉換器(9)和Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(IO)，所述內(nèi)置壓電ICP激勵恒流源(6)的輸 出端連接所述預極化傳聲器(1)的電源端，該預極化傳聲器(1)的信號輸出端連接所述交 流耦合器(7)的信號采集端，該交流耦合器(7)的信號輸出端連接所述抗混濾波器(8)的 信號輸入端，該抗混濾波器(8)的信號輸出端連接所述第一A/D轉換器(9)的信號輸入端， 該第一A/D轉換器(9)的信號輸出端連接所述Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)的信號輸入 端，該Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(10)的信號輸出端與所述計算機(5)的Wi-Fi無線數(shù)據(jù)輸入端無線連接；所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)設置有多路轉換器(11)、放大濾波器(12)、第 二A/D轉換器(13)和USB數(shù)據(jù)傳輸模塊(14)，所述風機運行參數(shù)傳感器組(3)的信號輸出 端連接所述多路轉換器(11)的信號采集端組，該多路轉換器(11)的信號輸出端連接所述 放大濾波器(12)的信號輸入端，該放大濾波器(12)的信號輸出端連接所述第二A/D轉換 器(13)的信號輸入端，該第二A/D轉換器(13)的信號輸出端連接所述USB數(shù)據(jù)傳輸模塊 (14)的信號輸入端，該USB數(shù)據(jù)傳輸模塊(14)的信號輸出端連接所述計算機(5)的USB輸 入端。
4. 根據(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于所述噪聲信號調(diào)理采集器(2)由可充電電池組供電。
5. 根據(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于所述風機運行參數(shù)傳感器組(3)由電功率傳感器、風速傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器和轉速傳感器組 成，所述電功率傳感器的信號輸出端連接所述風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)的電功率 信號采集端，所述風速傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)的風 速信號采集端，所述氣溫傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4)的 氣溫信號采集端，所述氣壓傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器(4) 的氣壓信號采集端，所述轉速傳感器的信號輸出端連接該風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器 (4)的轉速信號采集端。
6. 根據(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，其特征在于所述計算機(5) 的測試軟件是虛擬儀器。
全文摘要
一種風力發(fā)電機組音調(diào)測試方法，設置有預極化傳聲器和風機運行參數(shù)傳感器組。預極化傳聲器噪聲信號輸出給噪聲信號調(diào)理采集器處理，并通過Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出到計算機；風機運行參數(shù)傳感器組將風機運行參數(shù)信號輸出到風機運行參數(shù)信號采集調(diào)理器處理，并通過USB數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出到計算機。計算機利用虛擬儀器軟件對采集到的信號進行音頻音調(diào)判定，獲得音調(diào)能聽度。本發(fā)明的顯著效果是實時采集信號，同步性高，測量精度高，采用階比分析技術，消除頻率模糊現(xiàn)象，模擬人耳聽覺和心理特點，結果準確合理，操作簡單，性價比高，實現(xiàn)了風力發(fā)電機組在各個整風速下的音調(diào)分析。
文檔編號G01M15/00GK101718582SQ20091019136
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權日2009年11月6日
發(fā)明者劉小峰, 尹愛軍, 徐冠基, 柏林, 王見, 秦樹人 申請人:重慶大學