一种风机叶片气动噪声检测仪的制作方法

1.本实用新型提供一种风机叶片气动噪声检测仪，属于风机检测领域。


背景技术：

2.目前，风电机组长期暴露在风沙、雨雪、温度骤变等恶劣环境中，叶片受到风荷载作用以及各种突发外部因素的影响，表面往往会出现磨损、表皮脱落、砂眼甚至裂纹。随着时间的推移，上述问题不可避免地给叶片带来损伤，给机组造成发电损失和安全风险，因此对叶片损伤进行有效、准确的检测非常重要。风力机叶片运行时的噪声信号中蕴涵着设备丰富的状态信息，声学检测技术具有非接触式测量、易于发现早期故障、方便移动目标监测等优势，能够应用于风力机叶片的故障诊断，需要通过采集噪声和后续分析进行测定，现有的采集装置不能够形成定点的采集，存在测定误差。


技术实现要素：

3.本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪，提供的力机叶片噪声的非接触式测量传感器。结构简单，使用方便。
4.本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪是这样实现的，本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪：包括分析处理装置、采集装置，采集装置和分析处理装置交互设置，分析处理装置用于采集数据的分析计算，采集装置包括壳体组件、置于壳体组件上的噪声传感器，噪声传感器螺接置于壳体侧壁，且和壳体内的控制板对应电连接，壳体组件包括上壳体、下壳体，上壳体盖合置于下壳体上，且通过紧固螺钉紧固，下壳体两侧设置有固定座，固定座上设置有多组安装孔，下壳体上设置有散热孔，扇热孔贯穿下壳体侧壁，且设置有多个，下壳体上沿设置有缺槽，上壳体边缘对应卡嵌置于缺槽内，上壳体和下壳体之间设置有密封垫，上壳体和下壳体对应设置有紧固螺钉连接的连接套，连接套之间设置有支撑弹簧，支撑弹簧对应套置于紧固螺钉上，上壳体顶部设置有固定扣，固定扣为横向贯穿上壳体底部的卡槽，卡槽内设置有防滑条，噪声传感器外侧设置有传感器防滑罩；
5.所述传感器防护罩螺接置于上壳体、下壳体中部贴合面上；
6.所述噪声传感器和传感器防护罩之间设置有防护海绵；
7.所述上壳体上设置有驱鸟器；
8.所述安装座底部设置有橡胶垫，固定座底部位于下壳体底部上1mm-2mm；
9.所述上壳体、下壳体为铝合金材质支撑，边缘设置有容置密封条的凹槽；
10.所述紧固螺钉端部通过封堵盖密封防护。
11.有益效果：
12.一、通过固定设置传感器位置，进行准确定点的风机叶片噪声的采集；
13.二、配合分析处理装置，建立可靠相关性实验进行数据摸底，建立数据库和可靠性模型，完成对叶片运行工况场景的监测。成熟后可以应用于安装相同机型风机的各风电场；
14.三、结构简单，使用方便。
附图说明
15.图1为本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪的采集装置立体结构图。
16.图2为本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪的采集装置紧固结构示意图。
17.图3为本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪的系统示意图。
18.图4为本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪电路示意图。
19.附图中：
20.1、下壳体；2、固定座；3、噪声传感器；4、传感器防护罩；5、固定扣；6、上壳体；7、防滑条；8、散热孔；9、支撑弹簧；10、紧固螺钉；11、封堵盖。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型进一步说明。
22.根据图1-4所示：本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪是这样实现的，本实用新型一种风机叶片气动噪声检测仪：包括分析处理装置、采集装置，采集装置和分析处理装置交互设置，分析处理装置用于采集数据的分析计算，采集装置包括壳体组件、置于壳体组件上的噪声传感器3，噪声传感器3螺接置于壳体侧壁，且和壳体内的控制板对应电连接，壳体组件包括上壳体6、下壳体1，上壳体6盖合置于下壳体1上，且通过紧固螺钉10紧固，下壳体1两侧设置有固定座2，固定座2上设置有多组安装孔，下壳体1上设置有散热孔8，扇热孔贯穿下壳体1侧壁，且设置有多个，下壳体1上沿设置有缺槽，上壳体6边缘对应卡嵌置于缺槽内，上壳体6和下壳体1之间设置有密封垫，上壳体6和下壳体1对应设置有紧固螺钉10连接的连接套，连接套之间设置有支撑弹簧9，支撑弹簧9对应套置于紧固螺钉10上，上壳体6顶部设置有固定扣5，固定扣5为横向贯穿上壳体6底部的卡槽，卡槽内设置有防滑条7，噪声传感器3外侧设置有传感器防滑罩，所述传感器防护罩4螺接置于上壳体6、下壳体1中部贴合面上，所述噪声传感器3和传感器防护罩4之间设置有防护海绵，所述上壳体6上设置有驱鸟器，所述安装座底部设置有橡胶垫，固定座2底部位于下壳体1底部上1mm-2mm，所述上壳体6、下壳体1为铝合金材质支撑，边缘设置有容置密封条的凹槽，所述紧固螺钉10端部通过封堵盖11密封防护，将下壳体1安装固定，通过噪声传感器3进行叶片工作噪声采集，上壳体6、下壳体1内设置有控制板，控制板上对应设置有信号采集单元、滤波单元、信号放大单元、信号处理单元、无线收发器，通过控制板进行噪声传感器3采集信号的处理，并通过无线收发器发射至分析处理装置，分析处理装置为预加载计算机程序的计算机，由于风力机噪声主要有以下两类:一是风机叶片转动过程中的气动噪声；二是齿轮箱转动过程中的机械噪声，进一步的气动噪声分为三部分:叶片旋转噪声、湍流噪声和翼型噪声，通过上壳体6上的固定扣5配合固定带进行紧固安装，形成壳体的固定设置，避免气流的影响导出噪声传感器3位移，达到对风机叶片进行噪声采集的目的。
23.本技术中分析处理装置工作原理如下：
24.首先：风力机噪声主要有以下两类:一是风机叶片转动过程中的气动噪声；二是齿轮箱转动过程中的机械噪声。
25.气动噪声分为三部分:叶片旋转噪声、湍流噪声和翼型噪声。
26.叶片旋转噪声的产生是由于叶片周期性旋转，叶片与空气相互作用，该压力脉动可根据傅里叶级数看成一个稳态常量和一系列脉动之和，引发空气的压力脉动，可表示为：
[0027][0028]
式中，f0为常数项，各谐振激振力，幅值为fn，频率值为nw。当n为1时的激振力最大，其他均为谐振力，倍频的幅值会依次变小，且大小与原始激振力有关。
[0029]
该噪声的频率可根据叶片每秒打击空气的次数确定，可表示为:
[0030]
f＝rni
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.2)
[0031]
其中，r为风机的转速，单位为round/s,n为叶片数，i为谐波序号(i＝1为基频，2、3
…
为高次谐波)，基频处的噪声最大，而基频的各高次谐波处噪声会逐渐减小。
[0032]
叶片的旋转噪声根据声源特征可以分为厚度噪声和载荷噪声。厚度噪声的产生原理是叶片旋转中因叶片的厚度导致叶片与周围空气不固定的运动而产生；叶片与空气相互作用过程中，叶片表面压力场的旋转引发的噪声为载荷噪声。
[0033]
湍流入流噪声是流动中的雷诺应力辐射的噪声，主要是由叶片与吹向它的湍流之间的作用而产生的。当雷诺数较小时，流体分层流动，层与层之间互不干扰，随着雷诺数增大，流体的流线不稳定，相邻层之间相互产生影响，当雷诺数增大到某一值，流线变得复杂，形成许多大小不一的涡流，存在质量与动量的传递，这种现象称为湍流。在湍流中的湍涡大小不一，大的湍涡在流动过程中会不断破碎成小的湍涡，小湍涡在钻性力的作用下逐渐耗散，因此，风力机旋转过程中叶片与这些湍涡发生作用，进而产生了湍流入流噪声。湍流噪声的大小由湍涡大小和叶片弦长大小有关，当湍涡远大于弦长时产生低频噪声，而远小于弦长时则产生高频噪声。
[0034]
翼型自激励噪声，叶片与相对来流之间相互作用形成边界层与尾流，这个过程中产生的噪声称为翼型自激励噪声，该噪声是空气动力本身造成的，无法避免，只能通过一定的方法进行降低，该噪声的组成成分主要包括湍流边界层尾缘噪声和分离流噪声。当雷诺数达到一定数值时，叶片表面的层流就会转变为湍流，相应的湍流边界层会流动，当流至尾缘处时，湍流则在尾缘的吸力面和压力面之间产生压力的波动，这样就产生了湍流边界层的尾缘噪声，如图3.2。因风机工作时雷诺数一般较大，所以该噪声在噪声中的比例较大。当来流方向与弦线之间夹角较大时，吸力面前缘湍流程度加剧，湍流边界层将在吸力面发生分离，这样就形成了分离流噪声，该噪声在气动噪声中占有较大比例。
[0035]
综上所述，简单而言气动噪声的产生原理是:在入流和塔架的共同扰动下的非定常流场与叶片相互作用，在叶片表面产生附着涡、分离涡和尾迹脱落涡等，因这些非定常涡的存在导致叶片表面成为声源而发声。人耳能够听到风力机的气动噪声，这一噪声也会影响人们的日常生活，气动噪声包含较多的频率成分，频率范围比较广阔，主要频率成分的分布没有一定的规律性，呈随机性分布，一般由主频和它的倍频组成。
[0036]
对于机械噪声风力机组的机械噪声主要由齿轮箱和轴承产生[[46]。齿轮箱噪声是由于齿轮在运转过程中产生的振动和摩擦引起的；轴承噪声是由于轴承内元件之间的撞击和摩擦引起的；另外还有通过转动轴等旋转机械部件转动时发出的噪声。机械噪声主要由机舱内的机械结构的运作而产生的，一般情况下伴有低沉的声音或周期性突发噪声。另外不平衡的电磁力会使电机产生电磁振动，从而使电机发出噪声。随着科技的进步，机械噪声在风机噪声中所占比例逐渐减小，在齿轮箱及轴承没有故障的情况下，机械噪声已不再是风力机噪声的主要组成部分。
[0037]
机械噪声在风机噪声中所占比例较小，随着风力机的大型化，为提高风能利用率，尖速比提高，使得叶片旋转引起的气动噪声逐渐增大，因此，本文中测量的风机噪声，主要集中在气动噪声。
[0038]
风轮平面上噪声分布如图3.4所示，风力机噪声中气动噪声占主要成分，气动噪声主要集中在距叶轮中心75％-95％之间区域，叶轮中心噪声主要为机械噪声。
[0039]
由公式3.2可知，风机旋转噪声的频率由风机转速决定，在相同的环境、风速及机组型号的情况下，叶片的损伤降低风机转速，进而影响旋转噪声的频率；对于湍流入流噪声以及翼型自激励噪声，叶片的砂眼、裂纹损伤将改变叶片表面的粗糙度，前后缘磨损损伤将改变前后缘的尺寸，改变叶片弦长，影响湍流入流噪声；损伤同时改变了叶片表面湍流层的形式，边界层噪声改变，边界层分离条件发生破坏，影响翼型自激励噪声。因此对以上三种噪声而言，叶片的损伤对气动噪声的影响尤为明显，对机械噪声及电磁噪声影响很小，再加上气动噪声在风机噪声中所占比例较大，因此，在外界环境相同的情况下，测量得到的风机噪声信息主要指气动噪声，通过对气动噪声的分析，提取特征值，即可监测叶片的损伤情况。
[0040]
小波去噪模型的基本依据在于信号与噪声的小波系数在不同尺度上具有不同的特征表现。小波滤波的特点在于：
①
非平滑性。平滑的目的是去除高频信息而保留低频信息；而小波滤波则试图去除所有噪声，保留所有有用信号，并且不考虑信号的频率范围。
②
小波滤波是在小波变换域对小波系数进行非线性处理。小波滤波的基本过程可分为三个步骤：
①
选择合适的小波并确定变换层数，对实际信号进行小波分解；
②
选择一定的规则，如阈值量化，对小波系数进行非线性处理；
③
根据小波分解低频系数与高频系数进行小波重构，得出滤波后信号。
[0041]
小波域主要有三种滤波方法：
①
基于小波变换模极大值原理的去噪方法，根据信号和噪声在小波变换各尺度上的不同传播特性，剔除由噪声产生的模极大值点，保留信号对应的模极大值点，然后利用剩余模极大值点重构小波系数，进而恢复信号。
②
基于空域相关性的滤波方法，根据信号与噪声的小波变换系数在相邻尺度之间的相关性进行滤波，其基本思想在于信号的突变点在不同尺度的同一位置有较大的峰值出现，噪声能量却随尺度的增大而减小。
③
小波阈值滤波法。信号经过小波变换后，认为由信号产生的小波系数包含有信号的重要信息，其幅值较大，但数目较少，而噪声对应的小波系数幅值小。包括软阈值和阈值去噪方法，即通过在不同尺度上选取合适的阈值，并将小于该阈值的小波系数置零，而保留大于阈值的小波系数，从而使信号中的噪声得到有效的抑制，最后进行小波逆变换，得出滤波后的重构信号。
[0042]
模极大值法主要适用于信号中含有白噪声且有较多奇异点的情况，能够很好地保留反映信号特征的奇异点信息，去噪后的信号没有多余震荡，能得到较高的信噪比，但计算复杂且速度较慢。基于空域相关性的滤波方法稳定性较好，但计算量较大。相比而言，小波阈值滤波法具有计算量小、滤波效果好等优点，应用范围较为广泛。因此，风力机噪声信号预处理主要采用小波阈值滤波法。
[0043]
小波去噪方法分为小波分解、对分解后的高频系数进行阈值量化处理以及信号重构3个步骤。去噪效果主要取决于小波基的选择、小波分解层数确定、阈值函数与阈值估计方法的选取。其中，阈值函数选取与量化是最为重要的环节。信噪比与最小均方误差是判断
去噪效果的依据。比较常用的阈值函数包括软阈值函数与硬阈值函数。
[0044]
硬阈值函数直接将绝对幅值不大于设定阈值的点设为零，而保留绝对幅值大于阈值的点。硬阈值函数表达式如下：
[0045][0046]
式中：w(j,k)为含噪信号分解后的小波系数；λ为选定阈值；wh(j,k)为硬阈值函数处理过的小波系数。
[0047]
软阈值函数对所有的小波系数进行抑制，其数学表达式如下：
[0048][0049]
通常，阈值λ包含如下4种估计方法：
[0050]
(1)固定阈值：阈值λ＝2ln(m)，m为信号长度。
[0051]
(2)基于stein的无偏似然估计原理的自适应阈值选择。
[0052]
(3)启发式阈值heursure：前两种阈值的综合，是最优预测变量阈值选择。
[0053]
(4)极大极小阈值minimaxi：采用固定阈值，利用最小均方误差的极值设计估计器，可以在给定的函数集中实现最大均方误差最小化。
[0054]
在进行户外风力机噪声测试时，测试结果往往容易受到外界环境噪声(如雷雨、鸟鸣、虫鸣、车辆)的影响。环境噪声类型较为复杂，产生与持续时间具有不确定性和非平稳性，在进行现场噪声测量时仪器设备无法对其进行有效处理。因此，为了提高噪声测量精度，需要对采集到的原始噪声信号进行预处理。
[0055]
传统的基于傅里叶变换的信号滤波方法要求信号与噪声的频带重叠部分尽可能少，直接使用容易造成有用信号丢失，因此难以适用。短时傅立叶变换将信号划分为多个小的时间间隔，每一个时间间隔的信号均采用傅立叶变换进行分析，确定该时间间隔存在的频段。从本质上讲，短时傅立叶变换是具有单一分辨率的分析方法。虽然可以描述某一局部时间段上的频谱信息，但仍存在较多不足之处。对于频率成分较为丰富的非稳态信号而言，当信号波形变化十分剧烈时，信号频率主要在高频段，需要采用小的时间窗进行分析，以具备较高的时间分辨率；而当波形变化较为平缓时，信号频率主要为低频，需要采用大的时间窗进行分析，即有较高的频率分辨率。然而，短时傅立叶变换对应的时频域窗口大小恒定，无法找到一个“最佳”的时频窗。
[0056]
以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。