专利名称：风力发电机组音调测试方法
技术领域：
本发明属于风力发电机音频测试领域，具体涉及一种用于测试与分析风力发电机
组音调的多参数测试仪器，适用于风力发电机组噪声测试时在各整风速下准确的测试和分 析音调，以便评估风机音调能听度，从而为风机降噪和噪声评估提供客观依据。
背景技术：
依据IEC 61400-11风力发电机组噪声特性试验的技术要求，风力发电机组的声 学噪声测试，需要在规定的地理条件下，同时进行功率、风速、风向、气温、气压、偏航角、浆 距角、转速和A计权声压级测试，并在每个整风速下进行音调分析，以便评估风机音调能听 度，从而为噪声评估和风机降噪提供客观依据。风力发电机噪声的音调由啮合齿轮、气动不 稳定性因素与转子叶片表面的相互作用，以及作用于孔洞、裂缝或钝尾缘上的失稳气流等 造成，该现象的噪声信号属于典型的非平稳信号。而现有的风机噪声音调判定采用的是基 于平稳信号分析的窄带谱判定方法，将会为判断结果带来频率模糊现象。同时，常规的风力 发电机组声学噪声测试仪通常采用多通道数据记录仪、声级计、l/3倍频程谱分析仪、频谱
分析仪等分体式仪器进行测量和分析。 现有风力发电机音调测试的缺点测量精度低，同步性差，频率模糊现象严重，操 作复杂，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度高、同步性高、频率模糊现象影响小、操作简
单、成本低的风力发电机组音调测试方法。 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下 —种风力发电机组音调测试方法，其关键在于，按照以下步骤进行 步骤一，获取风速信号、气温信号、气压信号、噪声信号、转速信号、电功率信号、风
速计安装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙度，可通过仪器测得。 步骤二，确定整风速，按照以下几步进行 第一步，根据所述气温信号、气压信号、风速计安装高度、风力发电机中心高度和
地表粗糙度，将所述风速信号转换为标准风速信号，该标准风速的换算为公知技术；其中，
标准风速范围将涵盖风速为6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s的整风速。 第二步，定义整风速序号P的初始值P = 1 ; 第三步，在所述标准风速信号中选取第P整风速； 第四步，确定第P整风速的风速大小Vp ; 在国际标准中，通常选取风速大小Vi = 6m/s的整风速作为第1整风速，必要时可 以选取其他风速初始值。 步骤三，确定转速拟合曲线，按照以下几步进行 第一步，确定待分析的噪声数据段组，该噪声数据段组由第一噪声数据段和第二噪声数据段组成在所述第P整风速内，选取最接近所述风速大小Vp的一段1分钟噪声信 号作为第一噪声数据段；选取最接近所述风速大小Vp的另一段1分钟噪声信号作为第二噪 声数据段； 第二步，确定噪声子数据段组，该噪声子数据段组由第一噪声子数据段组和第二 噪声子数据段组组成将所述第一噪声数据段分成6段的噪声子数据段，每段噪声子数据 段的时间长度为10秒，作为第一噪声子数据段组；将所述第二噪声数据段分成6段的噪声 子数据段，每段噪声子数据段的时间长度为IO秒，作为第二噪声子数据段组；
第三步，确定转速数据段组，该转速数据段组由第一转速数据段和第二转速数据 段组成选取与第一噪声数据段同时采集的转速信号作为第一转速数据段，选取与第二噪 声数据段同时采集的转速信号作为第二转速数据段； 第四步，确定转速子数据段组，该转速子数据段组由第一转速子数据段组和第二 转速子数据段组组成将所述第一转速数据段分成6段的转速子数据段，每段转速子数据 段的时间长度为10秒，作为第一转速子数据段组；将所述第二转速数据段分成6段的转速 子数据段，每段转速子数据段的时间长度为10秒，作为第二转速子数据段组；
第五步，在转速数据段组上，确定第k段转速子数据段的拟合曲线Rk(t)，其表达式 为Rk(t) = akt2+bkt+Ck，其中，t为时间，ak、bk、 ck为拟合曲线系数；由于风机转速较低，可 以采用在转速子数据段上寻找Rk(t)和t之间的关系来获得分段拟合曲线系数，实现风机 转速曲线高精度拟合。 步骤四，确定鉴相时标，按照以下几步进行 第一步，确定所述拟合曲线Rk(t)的采样频率fs,k，其表达式为《,k^2(U,k，(U,k 为所述拟合曲线Rk(t)的最大阶比成分。等角度采样间隔满足了采样定理，使鉴相时标对 拟合曲线的等角度采样更加合理。 第二步，确定所述拟合曲线Rk(t)的等角度采样间隔A e k，其表达式为A e k = l/fs,k; 第三步，确定所述拟合曲线Rk(t)的积分方程，其表达式为(^Rk(t)dt二nA0k+T^,k，其中，n为时标序号，T。,k为所述拟合曲线Rk(t)
的初始时刻，T—u为该拟合曲线Rk(t)的终点时刻； 第四步，根据所述等角度采样间隔A 9 k和拟合曲线Rk(t)的积分方程，获得公式
,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 ，确定所述鬼k段
max，k
噪声子数据段的鉴相时标Tn,k。为方便获得准确的鉴相时标Tu，可取fs,k = 20max,k。
步骤五，确定所述第k段噪声子数据段的准平稳噪声信号x (Tn, k)，其表达式为
xcrn,k)=x(t0k:)+ x( ) ，(to'k) crn,k-t0,k;> ，其中，t。, k为所述第k段噪声子数据段中时间坐
标小于等于Tn,k的第一个点，为t。,k的下一个点；采用鉴相时标对待分析的一分钟长度
噪声信号进行线性插值，实现等角度重采样，可获得准平稳的噪声信号。 步骤六，对所述准平稳噪声信号x (Tn, k)进行A计权，模拟人耳听觉，再加汉宁窗，减少噪声信号能量泄露，进行FFT变换，获得第k段噪声子数据段的A计权窄带声压谱级
l^A-NS ， k ; 步骤七，判断音调，按照以下几步进行 第一步，在所述A计权窄带声压谱级LA—NS, k上，确定临界频带Sk，其表达式为
<formula>formula see original document page 8</formula>
，其中f。,k为第k段噪声子数据段的中心频率；依据人耳的
听觉掩蔽效应，选取临界频带，作为后续判断音调是否能被人耳感知的临界分析范围。
第二步，选取所述临界频带Sk内幅值最小的70%根谱线，确定判据级L7。^k，其表
达式为<formula>formula see original document page 8</formula>其中，M为所述临界频带Sk内幅值最小的70%
根谱线的总数，Lm,k为该临界频带Sk内第m个幅值最小谱线的噪声频谱能量； 第三步，选取所述临界频带Sk内幅值小于L7^,k+6dB的谱线，确定为所述临界频带
Sk内的掩蔽噪声； 第四步，确定所述临界频带Sk内的平均掩蔽噪声级Lpn,^,k，其表达式为 <formula>formula see original document page 8</formula>其中，H为所述掩蔽噪声的谱线总数，Lh,k为所述临界频
带sk内第h个掩蔽噪声的噪声频谱能量； 第五步，在所述临界频带Sk内，选取噪声频谱能量大于Lpn,avg,k+6dB的谱线作为该 临界频带Sk内的音调谱线，音调可能会出现在该音调谱线中。 第六步，对音调谱线进行分贝求和，可确定所述临界频带Sk内的谱线音调级Lpt。,k，
G
其表达式为<formula>formula see original document page 8</formula>，其中，G为所述音调谱线的总数，Lg,k为所述临界频带sk g=i
内第g个音调谱线的噪声频谱能量； 第七步，判断所述临界频带Sk内相邻的音调谱线的个数i是否大于l :如果i = 1，
二L。t。,k;如果i〉l，则所述相邻
则该音调谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpu 的音调谱线中幅值最大的谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpt,k = Lpt。,k/1. 5 ;
当音调中包含两根以上的相邻谱线时，考虑到汉宁窗的散布效应增加了 FFT的等 效连续带宽，将谱线音调级除以1.5，使音调测试结果更加准确，测试方法更加合理。另外， 临界频带内除掩蔽噪声与音调之外的谱线将不被用于后续分析。
步骤八，修正背景噪声，按照以下几步进行 第一步，根据所述电功率信号，确定在风机停机时，所述临界频带Sk内的背景噪声 的等效连续声压级Ln,k; 第二步，确定所述临界频带Sk内的修正掩蔽噪声级k，,^,k，其表达式为<formula>formula see original document page 8</formula>s，pn,avg，k b 为确保分析结果的有效性，必须确认音调成分并非来自背景噪声。经过修正背景 噪声后，所得到的修正掩蔽噪声级能更准确地表达风机运行时单独的等效连续声压级，即不含背景噪声的风机噪声。 步骤九，确定所述临界频带Sk内的掩蔽噪声级Lpn,k和所述第P整风速中第k段噪 声子数据段的最终音调级ALtn,k，按照以下几步进行 第一步，确定有效噪声带宽Z，其表达式为Z = 1.5XR，其中R为频率分辨率；有
效噪声带宽Z修正了使用汉宁窗的影响，使测试结果更加准确合理。 第二步，确定所述掩蔽噪声级L,.k，其表达式为L
<formula>formula see original document page 9</formula>
第三步，确定所述最终音调级ALtn,k，其表达式为ALtn,k = Lpt,k_Lpn,k ; 步骤十，确定音调能听度，按照以下几步进行 第一步，确定所述第P整风速的能听度ALt，其表达式为
<formula>formula see original document page 9</formula>):
第二步，确定基于频率的能听度判据k，用于补偿人耳对不同频率成分音调的响
应，其表达式为La = —2 — lg
<formula>formula see original document page 9</formula>
，其中ff为音调频率值； 第三步，确定音调能听度A La，其表达式为A La = A Lt_La ; 步骤i^一，判断所述整风速序号P是否小于P'，如果P小于P'，则P加l，返回 所述在所述标准风速信号中选取第P整风速的步骤，即步骤二的第三步；如果P等于或大于 P'，则分析结束；其中，P'为终止整风速序号。在国际标准中，通常选取风速大小Vp'= 10m/s的整风速作为最后一个待分析的整风速，即在标准风速信号中依次选取风速为6m/ s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s的整风速进行分析，必要时可选取更多的整风速。在每一个选取 的整风速下，重复进行以上所有分析步骤，直至分析完选取的每一个整风速下的音调。
在所述获取风速信号、气温信号、气压信号、噪声信号、转速信号、电功率信号、风 速计安装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙度的步骤中，即步骤一中，用预极化传声器 获取所述噪声信号，用噪声信号调理采集器处理该噪声信号，用风机运行参数传感器组获 取所述风速信号、气温信号、气压信号、转速信号和电功率信号，用风机运行参数信号采集 调理器处理该风速信号、气温信号、气压信号、转速信号和电功率信号。 其中，所述预极化传声器用于获取噪声信号。它的信号输出端连接所述噪声信号 调理采集器的信号采集端，噪声信号调理采集器对采集到的噪声数据进行抗混叠滤波，提 高分析时的信噪比，同时提高鉴相时标对噪声数据进行线性插值时地精度。该噪声信号调 理采集器的Wi-Fi无线数据输出端与计算机的Wi-Fi无线数据输入端无线连接，将A/D转 换后的噪声信号数据通过无线传输提供给计算机处理。所述风机运行参数传感器组的信号 输出端连接所述风机运行参数信号采集调理器的信号采集端组，该风机运行参数信号采集 调理器的USB输出端连接所述计算机的USB输入端，将采集到的数据转化为电压信号，通过 USB接口传输给计算机处理。 所述噪声信号调理采集器设置有内置压电ICP激励恒流源、交流耦合器、抗混滤
波器、第一 A/D转换器和Wi-Fi无线数据传输模块，所述内置压电ICP激励恒流源的输出端
连接所述预极化传声器的电源端，用于给预极化传声器提供恒定的电流激励。该预极化传声器的信号输出端连接所述交流耦合器的信号采集端，该交流耦合器的信号输出端连接所 述抗混滤波器的信号输入端，该抗混滤波器的信号输出端连接所述第一 A/D转换器的信号 输入端，该第一A/D转换器的信号输出端连接所述Wi-Fi无线数据传输模块的信号输入端， 该Wi-Fi无线数据传输模块的信号输出端与所述计算机的Wi-Fi无线数据输入端无线连 接；所述噪声信号调理采集器由可充电电池组供电。 预极化传声器将采集到的噪声信号送入噪声信号调理采集器进行信号调理和A/ D转换，然后通过Wi-Fi无线通信模块将数字信号传输到计算机，实现对噪声信号的实时采 集。 所述风机运行参数信号采集调理器设置有多路转换器、放大滤波器、第二 A/D转 换器和USB数据传输模块，所述风机运行参数传感器组的信号输出端连接所述多路转换器 的信号采集端组，该多路转换器的信号输出端连接所述放大滤波器的信号输入端，该放大 滤波器的信号输出端连接所述第二 A/D转换器的信号输入端，该第二 A/D转换器的信号输 出端连接所述USB数据传输模块的信号输入端，该USB数据传输模块的信号输出端连接所 述计算机的USB输入端。 风机运行参数传感器组将风机运行参数转换为电压信号，由风机运行参数信号采 集调理器将电压信号进行调理和A/D转换，然后通过USB数据传输模块将数字信号实时传 输到计算机，实现对风机运行参数的实时采集。 所述风机运行参数传感器组由电功率传感器、风速传感器、气温传感器、气压传感 器和转速传感器组成，分别用于获取电功率信号、风速信号、气温信号、气压信号和转速信 号。所述电功率传感器的信号输出端连接所述风机运行参数信号采集调理器的电功率信 号采集端，所述风速传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器的风速信号 采集端，所述气温传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器的气温信号采 集端，所述气压传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器的气压信号采集 端，所述转速传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器的转速信号采集
丄山顺。 所述计算机的测试软件是虚拟仪器。计算机中的虚拟仪器软件通过模块化和硬
件触发方式实现噪声信号和风机运行参数信号的同时采集，以便实现标准风速下的音调分
析。该方法可以完成信号通信、信号预处理、非声学信号分析、音调分析、数据显示、数据管
理、报表打印和输出以及网络通信等功能，且可脱离硬件进行离线分析和前期模拟。 本发明的显著效果是实时采集信号，同步性高，测量精度高，采用阶比分析技术，
消除频率模糊现象，模拟人耳听觉和心理特点，结果准确合理，操作简单，性价比高，实现了
风力发电机组在各个整风速下的音调分析。
图1为本发明的装置结构框图。
图2为本发明的主流程图；
图3为确定转速拟合曲线的流程图；
图4为确定鉴相时标的流程图；
图5为判断音调的流程 图6为修正背景噪声的流程图； 图7为确定掩蔽噪声级和最终音调级的流程图； 图8为确定音调能听度的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 如图1所示，一种风力发电机组音调测试方法，首先要获取风速信号、气温信号、 气压信号、噪声信号、转速信号和电功率信号，采用预极化传声器1获取所述噪声信号，用 噪声信号调理采集器2处理该噪声信号，用风机运行参数传感器组3获取所述风速信号、气 温信号、气压信号、转速信号和电功率信号，用风机运行参数信号采集调理器4处理该风速 信号、气温信号、气压信号、转速信号和电功率信号； 噪声信号调理采集器2的内置压电ICP激励恒流源6的输出端连接预极化传声器 1的电源端，该预极化传声器1的信号输出端连接交流耦合器7的信号采集端，该交流耦合 器7的信号输出端连接抗混滤波器8的信号输入端，该抗混滤波器8的信号输出端连接第 一 A/D转换器9的信号输入端，该第一 A/D转换器9的信号输出端连接Wi-Fi无线数据传 输模块10的信号输入端，该Wi-Fi无线数据传输模块10的信号输出端与计算机5的Wi-Fi 无线数据输入端无线连接；噪声信号调理采集器2由可充电电池组供电。
风机运行参数传感器组3的信号输出端连接风机运行参数信号采集调理器4的多 路转换器11的信号采集端组，该多路转换器11的信号输出端连接放大滤波器12的信号输 入端，该放大滤波器12的信号输出端连接第二 A/D转换器13的信号输入端，该第二 A/D转 换器13的信号输出端连接USB数据传输模块14的信号输入端，该USB数据传输模块14的 信号输出端连接计算机5的USB输入端。 如图2所示，一种风力发电机组音调测试方法，按照以下步骤进行 获取风速信号、气温信号、气压信号、噪声信号、转速信号、电功率信号、风速计安
装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙度； 根据所述气温信号、气压信号、风速计安装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙 度，将所述风速信号转换为标准风速信号；
定义整风速序号P的初始值P = 1 ;
在所述标准风速信号中选取第P整风速； 确定第P整风速的风速大小Vp，其中，初始分析风速K = 6m/s。
确定转速拟合曲线；
确定鉴相时标； 确定所述第k段噪声子数据段的准平稳噪声信号X(Tn,k)，其表达式为x(Tnk)=x(t0k)+ X(t:'k) ，o'k) (Tnk-t0k)，其中，t。, k为所述第k段噪声子数据
段中时间坐标小于等于Tn,k的第一个点，为t。,k的下一个点； 对所述准平稳噪声信号x (Tn,k)进行A计权、加汉宁窗、FFT变换，获得第k段噪声 子数据段的A计权窄带声压谱级LA—NS,k ;
判断音调；
修正背景噪声； 确定所述临界频带Sk内的掩蔽噪声级Lpn, k和所述第P整风速中第k段噪声子数 据段的最终音调级ALtn,k;
确定音调能听度； 判断所述整风速序号P是否小于P'，如果P小于P'，即Vp < 10m/s，则P加1，返 回所述在所述标准风速信号中选取第P整风速的步骤；如果P等于或大于P'，即Vp》10m/ s，则分析结束；其中，Vp' = 10m/s，为终止分析风速。
如图3所示，确定转速拟合曲线，按照以下几步进行 确定待分析的噪声数据段组，该噪声数据段组由第一噪声数据段和第二噪声数据 段组成在所述第P整风速内，选取最接近所述风速大小Vp的一段1分钟噪声信号作为第一 噪声数据段；选取最接近所述风速大小Vp的另一段1分钟噪声信号作为第二噪声数据段；
确定噪声子数据段组，该噪声子数据段组由第一噪声子数据段组和第二噪声子数 据段组组成将所述第一噪声数据段分成6段的噪声子数据段，每段噪声子数据段的时间 长度为IO秒，作为第一噪声子数据段组；将所述第二噪声数据段分成6段的噪声子数据段， 每段噪声子数据段的时间长度为10秒，作为第二噪声子数据段组； 确定转速数据段组，该转速数据段组由第一转速数据段和第二转速数据段组成 选取与第一噪声数据段同时采集的转速信号作为第一转速数据段，选取与第二噪声数据段 同时采集的转速信号作为第二转速数据段； 确定转速子数据段组，该转速子数据段组由第一转速子数据段组和第二转速子数 据段组组成将所述第一转速数据段分成6段的转速子数据段，每段转速子数据段的时间 长度为IO秒，作为第一转速子数据段组；将所述第二转速数据段分成6段的转速子数据段， 每段转速子数据段的时间长度为10秒，作为第二转速子数据段组； 在转速数据段组上，确定第k段转速子数据段的拟合曲线Rk(t)，其表达式为 Rk(t) = akt2+bkt+Ck，其中，t为时间，apbpCk为多项式系数。
如图4所示，确定鉴相时标，按照以下几步进行 确定所述拟合曲线Rk(t)的采样频率fs,k，其表达式为fs,k = 2(U,k，(U,k为所述 拟合曲线Rk(t)的最大阶比成分； 确定所述拟合曲线Rk(t)的等角度采样间隔A 9 k，其表达式为A 9 k = l/fs,k ;
确定所述拟合曲线Rk(t)的积分方程，其表达式为 fn'k Rk (t)dt=nA0k+T_lk ，其中，n为时标序号，T。,k为所述拟合曲线Rk(t)的
初始时刻，T—u为该拟合曲线Rk(t)的终点时刻； 根据所述等角度采样间隔A 9k和拟合曲线Rk(t)的积分方程，获得公式 (，+，+CkTn,k》(，+，+CkT。，k戶^^+T^确定所述第k段噪声子数
max,k
据段的鉴相时标Tn,k; 如图5所示，判断音调，按照以下几步进行 在所述A计权窄带声压谱级U—^k上，确定临界频带Sk，其表达式为<formula>formula see original document page 13</formula>，其中f。,k为第k段噪声子数据段的中心频率； 选取所述临界频带Sk内幅值最小的70%根谱线，确定判据级L7。％, k，其表达式为 L7。％,k = 101g(^J]lOaiLm'k)，其中，M为所述临界频带Sk内幅值最小的70%根谱线总
M m=l
数，Lm,k为该临界频带Sk内第m个幅值最小谱线的噪声频谱能量； 选取所述临界频带Sk内幅值小于L7。％,k+6dB的谱线，确定为所述临界频带Sk内的 掩蔽噪声； 确定所述临界频带Sk内的平均掩蔽噪声级Lm,avK,k，其表达式为
Lpn,avg,k=101g(^f」10
0.1Lh,k
)，其中，H为所述掩蔽噪声的谱线总数，Lh,k为所述临界频
h=l
带Sk内第h个掩蔽噪声的噪声频谱能量； 在所述临界频带Sk内，选取噪声频谱能量大于Lp
Sk内的音调谱线；
,k+6dB的谱线作为该临界频带
G 确定所述临界频带Sk内的谱线音调级Lpt。,k其表达式为LptQ,k=^201gLg，k ，其
g=l
中，G为所述音调谱线的总数，Lg,k为所述临界频带Sk内第g个音调谱线的噪声频谱能量；
判断所述临界频带Sk内相邻的音调谱线的个数i是否大于1 :如果i = l，则该音 调谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpt,k = Lpt。,k ;如果i > l，则所述相邻的音调 谱线中幅值最大的谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpt,k = Lpt。,k/1. 5 ;
如图6所示，修正背景噪声，按照以下几步进行 根据所述电功率信号，确定在风机停机时，所述临界频带Sk内的背景噪声的等效 连续声压级Ln,k; 确定所述临界频带Sk内的修正掩蔽噪声级Ls，,^,k，其表达式为
s，pn,avg,k
=101g
1 00'1Lpn,avg,k _100'ILl， 如图7所示，确定所述临界频带Sk内的掩蔽噪声级Lpn,k和所述第P整风速中第k
段噪声子数据段的最终音调级ALtn,k，按照以下几步进行 确定有效噪声带宽Z，其表达式为Z= 1.5XR，其中R为频率分辨率； 确定所述掩蔽噪声级L，,k，其表达式为LDnk=L
pn，k s，pn，avg，k
十ioig
z
确定所述最终音调级ALtn,k，其表达式为ALtn,k = Lpt,k_Lpn,k ; 如图8所示，确定音调能听度，按照以下几步进行 确定所述第P整风速的能听度ALt，其表达式为
△ Lt=101g(^|X.1AL'n";
确定基于频率的能听度判据k，其表达式为
<formula>formula see original document page 14</formula>，其中ff为音调频率值； 确定音调能听度ALy其表达式为ALa = A Lt_La。 其工作情况如下预极化传声器1将采集到的噪声信号输出给噪声信号调理采集 器2，经噪声信号调理采集器2转换处理后，通过Wi-Fi无线数据传输模块10输出到计算 机5。同时，风机运行参数传感器组3将采集到的风机运行参数信号输出到风机运行参数 信号采集调理器4，经风机运行参数信号采集调理器4转换处理后，通过USB数据传输模块 14输出到计算机5。计算机5对转速信号进行拟合，确定等角度采样的鉴相时标，对噪声信 号进行等角度重采样，获得准平稳噪声信号，并对噪声和音调进行判定和评估，修正背景噪 声，获得音调能听度。
权利要求
一种风力发电机组音调测试方法，其特征在于，按照以下步骤进行步骤一，获取风速信号、气温信号、气压信号、噪声信号、转速信号、电功率信号、风速计安装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙度；步骤二，确定整风速，按照以下几步进行第一步，根据所述气温信号、气压信号、风速计安装高度、风力发电机中心高度和地表粗糙度，将所述风速信号转换为标准风速信号；第二步，定义整风速序号P的初始值P＝1；第三步，在所述标准风速信号中选取第P整风速；第四步，确定第P整风速的风速大小Vp；步骤三，确定转速拟合曲线，按照以下几步进行第一步，确定待分析的噪声数据段组，该噪声数据段组由第一噪声数据段和第二噪声数据段组成在所述第P整风速内，选取最接近所述风速大小Vp的一段1分钟噪声信号作为第一噪声数据段；选取最接近所述风速大小Vp的另一段1分钟噪声信号作为第二噪声数据段；第二步，确定噪声子数据段组，该噪声子数据段组由第一噪声子数据段组和第二噪声子数据段组组成将所述第一噪声数据段分成6段的噪声子数据段，每段噪声子数据段的时间长度为10秒，作为第一噪声子数据段组；将所述第二噪声数据段分成6段的噪声子数据段，每段噪声子数据段的时间长度为10秒，作为第二噪声子数据段组；第三步，确定转速数据段组，该转速数据段组由第一转速数据段和第二转速数据段组成选取与第一噪声数据段同时采集的转速信号作为第一转速数据段，选取与第二噪声数据段同时采集的转速信号作为第二转速数据段；第四步，确定转速子数据段组，该转速子数据段组由第一转速子数据段组和第二转速子数据段组组成将所述第一转速数据段分成6段的转速子数据段，每段转速子数据段的时间长度为10秒，作为第一转速子数据段组；将所述第二转速数据段分成6段的转速子数据段，每段转速子数据段的时间长度为10秒，作为第二转速子数据段组；第五步，在转速数据段组上，确定第k段转速子数据段的拟合曲线Rk(t)，其表达式为Rk(t)＝akt2+bkt+ck，其中，t为时间，ak、bk、ck为多项式系数；步骤四，确定鉴相时标，按照以下几步进行第一步，确定所述拟合曲线Rk(t)的采样频率fs，k，其表达式为fs，k≥2Omax，k，Omax，k为所述拟合曲线Rk(t)的最大阶比成分；第二步，确定所述拟合曲线Rk(t)的等角度采样间隔Δθk，其表达式为Δθk＝1/fs，k；第三步，确定所述拟合曲线Rk(t)的积分方程，其表达式为其中，n为时标序号，T0，k为所述拟合曲线Rk(t)的初始时刻，T-1，k为该拟合曲线Rk(t)的终点时刻；第四步，根据所述等角度采样间隔Δθk和拟合曲线Rk(t)的积分方程，获得公式确定所述第k段噪声子数据段的鉴相时标Tn，k；步骤五，确定所述第k段噪声子数据段的准平稳噪声信号x(Tn，k)，其表达式为其中，t0，k为所述第k段噪声子数据段中时间坐标小于等于Tn，k的第一个点，t1，k为t0，k的下一个点；步骤六，对所述准平稳噪声信号x(Tn，k)进行A计权、加汉宁窗、FFT变换，获得第k段噪声子数据段的A计权窄带声压谱级LA-NS，k；步骤七，判断音调，按照以下几步进行第一步，在所述A计权窄带声压谱级LA-NS，k上，确定临界频带Sk，其表达式为其中fc，k为第k段噪声子数据段的中心频率；第二步，选取所述临界频带Sk内幅值最小的70％根谱线，确定判据级L70％，k，其表达式为其中，M为所述临界频带Sk内幅值最小的70％根谱线的总数，Lm，k为该临界频带Sk内第m个幅值最小谱线的噪声频谱能量；第三步，选取所述临界频带Sk内幅值小于L70％，k+6dB的谱线，确定为所述临界频带Sk内的掩蔽噪声；第四步，确定所述临界频带Sk内的平均掩蔽噪声级Lpn，avg，k，其表达式为其中，H为所述掩蔽噪声的谱线总数，Lh，k为所述临界频带Sk内第h个掩蔽噪声的噪声频谱能量；第五步，在所述临界频带Sk内，选取噪声频谱能量大于Lpn，avg，k+6dB的谱线作为该临界频带Sk内的音调谱线；第六步，确定所述临界频带Sk内的谱线音调级Lpt0，k，其表达式为其中，G为所述音调谱线的总数，Lg，k为所述临界频带Sk内第g个音调谱线的噪声频谱能量；第七步，判断所述临界频带Sk内相邻的音调谱线的个数i是否大于1如果i＝1，则该音调谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpt，k＝Lpt0，k；如果i＞1，则所述相邻的音调谱线中幅值最大的谱线作为所述临界频带Sk内的音调，音调级Lpt，k＝Lpt0，k/1.5；步骤八，修正背景噪声，按照以下几步进行第一步，根据所述电功率信号，确定在风机停机时，所述临界频带Sk内的背景噪声的等效连续声压级Ln，k；第二步，确定所述临界频带Sk内的修正掩蔽噪声级Ls，pn，avg，k，其表达式为 <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>步骤九，确定所述临界频带Sk内的掩蔽噪声级Lpn，k和所述第P整风速中第k段噪声子数据段的最终音调级ΔLtn，k，按照以下几步进行第一步，确定有效噪声带宽Z，其表达式为Z＝1.5×R，其中R为频率分辨率；第二步，确定所述掩蔽噪声级Lpn，k，其表达式为第三步，确定所述最终音调级ΔLtn，k，其表达式为ΔLtn，k＝Lpt，k-Lpn，k；步骤十，确定音调能听度，按照以下几步进行第一步，确定所述第P整风速的能听度ΔLt，其表达式为 <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，确定基于频率的能听度判据La，其表达式为其中ftone为音调频率值；第三步，确定音调能听度ΔLa，其表达式为ΔLa＝ΔLt-La；步骤十一，判断所述整风速序号P是否小于P′，如果P小于P′，则P加1，返回所述在所述标准风速信号中选取第P整风速的步骤；如果P等于或大于P′，则分析结束；其中，P′为终止整风速序号。F2009101913622C0000021.tif,F2009101913622C0000022.tif,F2009101913622C0000023.tif,F2009101913622C0000031.tif,F2009101913622C0000032.tif,F2009101913622C0000033.tif,F2009101913622C0000034.tif,F2009101913622C0000042.tif,F2009101913622C0000044.tif
2. 根据权利要求1所述的风力发电机组音调测试方法，其特征在于在所述获取风速 信号、气温信号、气压信号、噪声信号、转速信号、电功率信号、风速计安装高度、风力发电机 中心高度和地表粗糙度的步骤中，用预极化传声器(1)获取所述噪声信号，用噪声信号调 理采集器(2)处理该噪声信号，用风机运行参数传感器组(3)获取所述风速信号、气温信 号、气压信号、转速信号和电功率信号，用风机运行参数信号采集调理器(4)处理该风速信 号、气温信号、气压信号、转速信号和电功率信号；其中，所述预极化传声器(1)的信号输出 端连接所述噪声信号调理采集器(2)的信号采集端，该噪声信号调理采集器(2)的Wi-Fi 无线数据输出端与计算机(5)的Wi-Fi无线数据输入端无线连接，所述风机运行参数传感 器组(3)的信号输出端连接所述风机运行参数信号采集调理器(4)的信号采集端组，该风 机运行参数信号采集调理器(4)的USB输出端连接所述计算机(5)的USB输入端。
3. 根据权利要求2所述的风力发电机组音调测试方法，其特征在于所述噪声信号调 理采集器(2)设置有内置压电ICP激励恒流源(6)、交流耦合器(7)、抗混滤波器(S)、第一 A/D转换器(9)和Wi-Fi无线数据传输模块(IO)，所述内置压电ICP激励恒流源(6)的输 出端连接所述预极化传声器(1)的电源端，该预极化传声器(1)的信号输出端连接所述交 流耦合器(7)的信号采集端，该交流耦合器(7)的信号输出端连接所述抗混滤波器(8)的 信号输入端，该抗混滤波器(8)的信号输出端连接所述第一A/D转换器(9)的信号输入端， 该第一A/D转换器(9)的信号输出端连接所述Wi-Fi无线数据传输模块(10)的信号输入 端，该Wi-Fi无线数据传输模块(10)的信号输出端与所述计算机(5)的Wi-Fi无线数据输入端无线连接；所述风机运行参数信号采集调理器(4)设置有多路转换器(11)、放大滤波器(12)、第 二A/D转换器(13)和USB数据传输模块(14)，所述风机运行参数传感器组(3)的信号输出 端连接所述多路转换器(11)的信号采集端组，该多路转换器(11)的信号输出端连接所述 放大滤波器(12)的信号输入端，该放大滤波器(12)的信号输出端连接所述第二A/D转换 器(13)的信号输入端，该第二A/D转换器(13)的信号输出端连接所述USB数据传输模块 (14)的信号输入端，该USB数据传输模块(14)的信号输出端连接所述计算机(5)的USB输 入端。
4. 根据权利要求2所述的风力发电机组音调测试方法，其特征在于所述噪声信号调理采集器(2)由可充电电池组供电。
5. 根据权利要求2所述的风力发电机组音调测试方法，其特征在于所述风机运行参数传感器组(3)由电功率传感器、风速传感器、气温传感器、气压传感器和转速传感器组 成，所述电功率传感器的信号输出端连接所述风机运行参数信号采集调理器(4)的电功率 信号采集端，所述风速传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器(4)的风 速信号采集端，所述气温传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器(4)的 气温信号采集端，所述气压传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器(4) 的气压信号采集端，所述转速传感器的信号输出端连接该风机运行参数信号采集调理器 (4)的转速信号采集端。
6. 根据权利要求2所述的风力发电机组音调测试方法，其特征在于所述计算机(5) 的测试软件是虚拟仪器。
全文摘要
一种风力发电机组音调测试方法，设置有预极化传声器和风机运行参数传感器组。预极化传声器噪声信号输出给噪声信号调理采集器处理，并通过Wi-Fi无线数据传输模块输出到计算机；风机运行参数传感器组将风机运行参数信号输出到风机运行参数信号采集调理器处理，并通过USB数据传输模块输出到计算机。计算机利用虚拟仪器软件对采集到的信号进行音频音调判定，获得音调能听度。本发明的显著效果是实时采集信号，同步性高，测量精度高，采用阶比分析技术，消除频率模糊现象，模拟人耳听觉和心理特点，结果准确合理，操作简单，性价比高，实现了风力发电机组在各个整风速下的音调分析。
文档编号G01M15/00GK101718582SQ20091019136
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者刘小峰, 尹爱军, 徐冠基, 柏林, 王见, 秦树人 申请人:重庆大学