朱小輝，傅惠南，尚 偉

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006；2.明陽智慧能源集團股份公司，廣東中山 528437）

0 引言

聲壓級僅僅反映聲音強度對人響度感覺的影響，但很大程度上忽略了聲音頻率對人響度感覺的影響，而對聲壓級進行加權(quán)處理則可以解決這個問題。為了模擬人耳對不同頻率段下聲音的敏感程度，使接收到的聲音滿足人耳聽覺的主觀感受，用頻率計權(quán)模擬人耳的響度感覺特性，A 計權(quán)聲壓級能夠較好地反映噪聲對人聽覺的主觀感受和人耳的損傷程度，在工程中運用最為廣泛[1-2]。雖然A 計權(quán)聲壓對于穩(wěn)定的寬頻噪聲是一種較好的評價方法，但不適合風(fēng)力發(fā)電機整機噪聲這種不穩(wěn)定的噪聲信號，所以用一段持續(xù)相同時間、能量等效的穩(wěn)態(tài)A 聲級來表示該時間段內(nèi)噪聲段的總能量，并將這個穩(wěn)態(tài)A聲級稱為等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級[3]。

本文主要研究對風(fēng)機組噪聲信號進行時域分析、頻譜分析，然后通過設(shè)計頻率A 計權(quán)，獲得一種評價風(fēng)機噪聲的等效連續(xù)A 聲級分析方法，最后基于MATALB 軟件平臺，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號關(guān)于時域分析、頻譜分析、等效連續(xù)A聲級的仿真。

1 風(fēng)力機組噪聲信號的時域、頻譜分析

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號時域分析

時域分析作為信號處理中最為基礎(chǔ)的一個部分，有著廣泛的應(yīng)用[4]。其是一種直接在時間域中對信號進行分析的方法，該分析手段具有直觀、準確的特性。

本文研究對象是針對錫林浩特某風(fēng)場單臺風(fēng)力機組在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的運行噪聲和在停機狀態(tài)的背景噪聲。風(fēng)力發(fā)電機組整機噪聲信號是基于《IEC61400-11風(fēng)電機組噪聲測方法》[5]采集獲取，聲級計的采樣頻率為25 600 Hz，每組數(shù)據(jù)集的采樣周期為10 s，故每組噪聲信號包含的采樣點數(shù)為256 000。

通過對風(fēng)力機組每組噪聲數(shù)據(jù)進行時域波形分析，可以直觀地反映該周期下不同時刻的聲壓特征。圖1所示為在某一相同風(fēng)速下，風(fēng)力機組在停機狀態(tài)下背景噪聲和運轉(zhuǎn)狀態(tài)下運行噪聲的時域波形圖。

圖1 風(fēng)力機組運行噪聲和背景噪聲時域圖

1.2 風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號頻譜分析

為觀察風(fēng)力機組噪聲信號各頻率成分及頻率分布情況，對其進行頻譜分析，采集的風(fēng)力機組原始聲壓數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，而離散傅里葉變換是連續(xù)時間信號有限離散樣本集得到的有限離散頻率集[6]。但實際采集的信號為長序列數(shù)據(jù)，那么在對其作傅里葉變換時就會產(chǎn)生頻譜泄漏，為了減少這種泄漏，需要采用加權(quán)窗函數(shù)，而加窗實質(zhì)就是用一個窗函數(shù)與原始的時域信號作乘積的過程，使得相乘后的數(shù)據(jù)更好地滿足傅里葉變換處理的周期性要求，從而減少泄漏[7-8]。常見的窗函數(shù)有矩形窗、漢明窗、漢寧窗，而根據(jù)風(fēng)力機組噪聲信號的特征選擇加漢寧窗（Hanning）。

由離散傅里葉變換（DFT）可知，利用傅里葉變換計算一個長度為N的噪聲數(shù)據(jù)需要進行N次乘法運算，那么計算N個點則需要進行N2次乘法運算。現(xiàn)場采集的每組噪聲信號長度為256 000，完成傅里葉變換計算，不僅運算量大而且耗時長，直到快速傅里葉變換的提出，使得運算速度提高了一個量級。離散傅里葉變換表示式如下式所示：

快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的快速計算方法，目前運用最廣泛的為-2FFT 算法，該算法要求采樣點數(shù)為2 的整次冪，其特點就是利用TDF 的周期性和對稱性，減少運算次數(shù)，從而提高計算速度，尤其當計算的采樣點數(shù)越多，F(xiàn)FT算法計算量節(jié)省越顯著[9]。其定義為將N個數(shù)據(jù)點分成兩段，將N點DFT轉(zhuǎn)化為N/2的DFT，設(shè)N=2r，將X[k ]按奇偶分成N/2序列，其表示式如下式所示：

進行快速傅里葉變換得到的頻譜是一組對稱譜，所以選擇頻譜一半即可表示該頻域的振幅特征，通過聲學(xué)采集模塊采集的噪聲信號，選擇在某一相同風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機組在停機狀態(tài)下背景噪聲和運轉(zhuǎn)狀態(tài)下運行噪聲的頻譜圖如圖2所示。

2 頻率計權(quán)的等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級分析

由于聲壓級單純地反映聲音強度對人響度感覺的影響，忽略了聲音頻域?qū)θ隧懚鹊挠绊?，而對聲壓級進行加權(quán)處理則可以解決這個問題，計權(quán)聲壓級就是根據(jù)等響曲線設(shè)置一定的頻率計權(quán)電網(wǎng)絡(luò)測量得到的聲壓級，使接收的聲音按不同程度進行頻率濾波，以模擬人耳的響度感覺特性[10]。常見的計權(quán)方式有A、B、C 三種，計權(quán)值分別對應(yīng)低強度、中強度和高強度聲音條件下的主觀感受。A 計權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性曲線對應(yīng)于倒置的40 方等響度曲線；B 計權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對應(yīng)于倒置的70方等響度曲線；C計權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對應(yīng)于倒置的100方的等響度曲線[11]。無論噪聲強度是高還是低，A計權(quán)聲級能夠較好地反映噪聲對人耳聽覺的主觀感受，所以在工程運行中最為廣泛。

基于頻域A計權(quán)可以通過以下式進行計算：

式中：f1=20.6；f2=107.7；f3=737.9；f4=12 200。 Ra( f )為A 計權(quán)修正系數(shù)；LA為A計權(quán)曲線對應(yīng)的修正值。

圖3 A計權(quán)對應(yīng)的修正系數(shù)Ra( f )和修正值LA

A計權(quán)對應(yīng)的修正系數(shù)和修正值如圖（3）所示。

頻域A 計權(quán)，其原理是對原始的聲壓信號進行快速傅里葉變換（FFT），得到一組對稱的雙邊FFT，同時將獲得FFT的相位信息進行儲存。由于FFT 具有對稱性，所以求取單邊的FFT結(jié)果對應(yīng)的模| X(n) |，對獲取的模| X(n) |進行A計權(quán)系數(shù)修正和計權(quán)值修正，對模進行修正后，根據(jù)儲存的相位信息，求出加權(quán)后的雙邊復(fù)數(shù)值，再通過傅里葉逆變換（IFFT）換算得到A計權(quán)瞬時聲壓[12-13]，其分析計算流程圖如圖4所示。

圖4 瞬時A聲級計算的流程圖

A 計權(quán)聲壓級對于穩(wěn)定的寬頻噪聲是一種較好的評價方式，但是現(xiàn)場采集的風(fēng)力發(fā)電機組噪聲是不穩(wěn)定的噪聲，所以需要用能量時間平均的方法來評價其影響。其定義為：在聲場某一測點位置上，用一段時間能量平均的方法，將間歇出現(xiàn)變化的A 聲級用一個持續(xù)相同時間、能量等效的穩(wěn)態(tài)A聲級來表示該時間內(nèi)噪聲段的總能量大小，并稱這個穩(wěn)態(tài)A聲級為對該段時間的等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級LAeq[14]。其表示式如下式所示：

實際采樣過程中，噪聲一般是通過不連續(xù)的采樣進行，如果采樣時間相等，其表示式如下式所示：

式中： LAeq為等效連續(xù)A 聲級； LAi為每個點的A 計權(quán)瞬時聲壓。

在處理噪聲數(shù)據(jù)過程中，將每10 s 風(fēng)力機噪聲數(shù)據(jù)分成20 幀，等效為20個A計權(quán)等效連續(xù)聲壓級，在某一風(fēng)速下，對其中一組10 s 的噪聲數(shù)據(jù)作等效連續(xù)A 聲級處理，如圖5所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電機組運行噪聲的等效連續(xù)A聲級分析

3 仿真功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)的快速分析和可視化是實際工程中需要解決的一個問題，本文以MATLAB GUI 為軟件平臺，通過控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)來控制GUI 各種特征的展開，利用MATLAB 強大的數(shù)據(jù)處理和圖形可視化功能[15]，設(shè)計了針對風(fēng)力發(fā)電機組噪聲數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過導(dǎo)入現(xiàn)場采集的風(fēng)機組噪聲數(shù)據(jù)，對其進行本文上述的時域分析、頻譜分析、等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級分析，其功能如下。

（1）打開MATLAB GUI 噪聲數(shù)據(jù)處理界面，點擊“載入”按鈕，就可以在計算機上載入路徑，選擇需要進行處理的噪聲數(shù)據(jù)，然后點擊“打開”按鈕，數(shù)據(jù)就會顯示在列邊框中。

（2）通過鼠標選擇需要進行分析的噪聲數(shù)據(jù)，然后點擊功能計算按鈕，在3個坐標區(qū)域所展現(xiàn)的分析結(jié)果分別為風(fēng)機組噪聲信號的時域圖、頻譜圖和等效連續(xù)A聲級圖。

該分析模塊實現(xiàn)對風(fēng)機組噪聲信號的時域、頻譜和等效連續(xù)A聲級仿真分析，通過圖形直觀地展示上述3種分析過程的可視化形態(tài)，該分析系統(tǒng)的界面如圖6所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號的仿真分析系統(tǒng)

4 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)場采集的風(fēng)力發(fā)電機組整機噪聲數(shù)據(jù)，通過對離散的風(fēng)機噪聲信號進行時域分析、頻譜分析，并詳細討論了基于頻域計權(quán)等效連續(xù)A 計權(quán)聲壓級算法的求解過程，最后基于MATALAB軟件平臺設(shè)計基于風(fēng)力機組噪聲數(shù)據(jù)的時域、頻譜和等效連續(xù)A 計權(quán)的分析系統(tǒng)。該分析過程為風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號的等效連續(xù)A 聲級研究提供了參考，該集成化分析系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機組噪聲信號的處理分析提供便捷，并具有一定的實用性。