結(jié)合CZT與Z-FFT的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量系統(tǒng)構(gòu)建研究

文章編號：1674-6139（2025）06-0129-05

中圖分類號：X593文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Construction of Environmental Noise Pollution Measurement SystemforOffshoreWindTurbineBasedonCZTandZ-FFT

Ma Lu Li Peng Zhang Xianfeng Zhao Xiong Fu Guangze

Abstract：Inodertoducetheenvironmentaloisepolltionoffshorewindturbinesndprovidefectivedatasupportforpolution control，ameasetfooalseiofeidbleealodal procesorareodfdndCZndZ-FFgoritperatosaededtustheintealructureofestecommucatioo ule.Accordingtotestructureandworkingprincipleoffsorewindturbines，thepostionofnoisepolutionmeasuringointsisdeter mined，enviotalseialsreledydarentseurectedbyngnd rithms.Tensefrequencyoundpresure，oundlevelanderparametesarecalclatedsstalizethevirometalisepo tionmeasurementfunctionofofshorewindturbines.Thesystemtestshowsthatcomparedwiththetraditionalmeasurementsystem，temeas urement error of output pollution noise frequency and sound level of the system is reduced by 10.25Hz and 3.05db respectively.

Key words：spectrumrefinement；ZoomFFTalgorithm；ofshore wind turbines；noisepollution；polution measurement system

前言

海上風(fēng)電機(jī)組是應(yīng)用于海上風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)電設(shè)備，由于海上風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部故障、磨損以及元件間連接度不足，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動，進(jìn)而生成環(huán)境噪聲[1]，不僅影響海上風(fēng)電場附近的居民和動物，還可能對海洋生物造成一定程度的干擾，為此構(gòu)建海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量系統(tǒng)具有重要意義。

文獻(xiàn)[2]提出基于綜合權(quán)重-TOPSIS法的噪聲測量系統(tǒng)運(yùn)用綜合權(quán)重-TOPSIS方法，但將其應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組的噪聲測量工作中，無法保證測量精度。文獻(xiàn)[3]提出基于5G網(wǎng)絡(luò)的噪聲測量系統(tǒng)借助地理信息系統(tǒng)，然而受到海上復(fù)雜環(huán)境的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，影響系統(tǒng)的噪聲測量效果。文獻(xiàn)[4]提出基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與高斯混合模型的噪聲測量系統(tǒng)，但該方法無法保證海上風(fēng)電機(jī)組噪聲污染的測量精度。文獻(xiàn)[5]提出基于組合聲學(xué)特征的噪聲測量系統(tǒng)，將其應(yīng)用到海上風(fēng)電機(jī)組的噪聲測量工作中，存在明顯的測量誤差問題。為此文章引入CZT與Z-FFT算法，CZT算法是頻譜細(xì)化算法，通過引入Chirp信號，對時域序列進(jìn)行特定的運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對信號頻域信息的精確提取。Z-FFT算法是一種針對特定頻率范圍進(jìn)行頻譜細(xì)化分析的高效算法。通過CZT與Z－FFT算法的配合使用，構(gòu)建海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量優(yōu)化系統(tǒng)。

1海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量硬件系 統(tǒng)構(gòu)建

1.1 噪聲信號傳感器

構(gòu)建的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量系統(tǒng)中噪聲信號傳感器主要用來采集海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境中的噪聲信號，為保證噪聲信號的采集質(zhì)量，需要對傳感器設(shè)備進(jìn)行改裝、優(yōu)化，優(yōu)化的噪聲信號傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理見圖1。

從圖1中可以看出，改裝的噪聲信號傳感器由振膜、絕緣體等部分組成。薄膜隨之振動，進(jìn)而造成與后極板間距的變動。這一間距的變動直接影響了電容的大小，導(dǎo)致電容內(nèi)的電量產(chǎn)生變化。電量的這種變化進(jìn)一步影響了電路中的電壓信號，使其產(chǎn)生相應(yīng)的波動。通過特定的轉(zhuǎn)換過程，這種聲信號被成功轉(zhuǎn)化為電信號，并由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采樣和輸出。為保證噪聲信號的采集質(zhì)量，改裝的噪聲信號傳感器以ADC采樣芯片作為采集設(shè)備，該芯片包括一個線性相位抗混疊的數(shù)字濾波器和高通濾波器，能夠去除輸入信號的直流偏移，從而保證傳感器采集噪聲信號的輸出質(zhì)量。

1.2 噪聲信號處理器

噪聲信號處理器主要用來處理噪聲信號傳感器初始采集的噪聲信號，將信號調(diào)整至系統(tǒng)終端能夠直接接收與分析的方式。噪聲信號傳感器的輸人電壓范圍有限，因此需要對傳聲器輸出的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理，確保輸出電壓范圍與數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍相匹配。當(dāng)傳聲器接收到強(qiáng)烈的聲音信號時，會產(chǎn)生較大的電壓信號，這時需要利用衰減器對信號進(jìn)行適當(dāng)減弱；相反，當(dāng)傳聲器接收到微弱的聲音信號時，產(chǎn)生的電壓信號較弱，這時則需通過放大器對信號進(jìn)行增強(qiáng)。輸入放大和輸入衰減電路不僅確保輸出電壓滿足數(shù)據(jù)采集卡的要求，還具備動態(tài)調(diào)整測量范圍的能力。在噪聲信號處理器中，前置放大器采用了場效應(yīng)管接成的源極跟隨器結(jié)構(gòu)，并加入了自舉電路，從而顯著提高了輸入電阻，有效減小了噪聲信號的輸入電容。此外，由于傳聲器輸出的信號是雙極性單端信號，因此采用了全差分模擬信號輸入方式，并通過特殊電路形式實(shí)現(xiàn)全差分輸入。

1.3 CZT與Z-FFT算法運(yùn)行器

構(gòu)建的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪音污染測量系統(tǒng)以CZT與Z-FFT算法作為技術(shù)支持，需要調(diào)整系統(tǒng)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連接方式，為算法的運(yùn)行提供硬件支持。算法運(yùn)行器以ARM處理器為核心，這款處理器基于哈佛架構(gòu)，采用三級流水線設(shè)計(jì)，主頻高達(dá) 204MHZ 。它配備了八個通道的DMA控制器，并集成了EEPROM，具有掉電保護(hù)功能，從而便于存儲運(yùn)算參數(shù)。支持外接SDRAM，用于存儲大量的運(yùn)算數(shù)據(jù)。

1.4 系統(tǒng)通信模塊

選用動態(tài)域名解析方案構(gòu)建系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，保證噪聲信號能夠在傳感器、處理器以及系統(tǒng)終端等穩(wěn)定傳輸。動態(tài)域名解析方案融合了動態(tài)IP與DNS域名解析技術(shù)，以構(gòu)建高效網(wǎng)絡(luò)。首先，需與DNS 服務(wù)商溝通，為監(jiān)測中心申請一個專用域名，并嵌入GPRS模塊中。當(dāng)監(jiān)測中心接入Internet后，會立即與DNS服務(wù)器建立聯(lián)系，向其報(bào)告當(dāng)前獲取的動態(tài)IP地址，保證系統(tǒng)終端與各元件之間就能順利建立通信鏈路。

2海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量軟件系統(tǒng)構(gòu)建

2.1確定海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測點(diǎn)位置

綜合考慮海上風(fēng)電機(jī)組的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，確定環(huán)境噪聲污染的測點(diǎn)布設(shè)位置。從組成結(jié)構(gòu)方面來看，海上風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)輪、機(jī)船、塔架三個部分組成，風(fēng)輪通常由多個葉片構(gòu)成，這些葉片通過輪轂與主軸緊密相連，確保了能量的有效傳遞。塔架不僅要承受風(fēng)輪的作用力，將風(fēng)電機(jī)組各部件的載荷安全傳遞至地面，還要為風(fēng)輪的工作提供必要的空間高度。海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲包括：機(jī)械噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲等[6]。按照上述方式，可以得出其他類型噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，并確定相應(yīng)的測點(diǎn)位置。然而在噪聲信號傳感器安裝過程中，需要保證風(fēng)電機(jī)組的測點(diǎn)基準(zhǔn)距離為式（1）：

式（1）中， H 和 D 分別為風(fēng)電機(jī)組的工作高度和風(fēng)輪直徑。按照上述方式即可得出海上風(fēng)電機(jī)組所有噪聲污染測點(diǎn)位置的確定結(jié)果，并將硬件系統(tǒng)中的噪聲信號傳感器安裝到測點(diǎn)的基準(zhǔn)位置上。

2.2 采集海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲信號

利用安裝在測點(diǎn)位置上的傳感器設(shè)備，對海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境中的噪聲信號進(jìn)行采集。在采集過程中，傳感器通過高靈敏度的聲音接收單元，實(shí)時捕捉環(huán)境中的噪聲波動，并轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行傳輸。為保證系統(tǒng)實(shí)際采集噪聲信號的精準(zhǔn)度，對初始采集的噪聲信號進(jìn)行濾波處理，處理過程如式（2）：

式（2）中 I_e 為環(huán)境噪聲信號的截止頻率， x_l（t） 為初始采集的環(huán)境噪聲信號。將任意時刻傳感器輸出的初始采集信號輸入到式（2）中，即可得出滿足質(zhì)量要求的環(huán)境噪聲信號采集結(jié)果。

2.3結(jié)合CZT與Z-FFT算法提取噪聲特征

以初始采集的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲信號作為研究對象，綜合利用CZT和Z-FFT算法對噪聲信號特征進(jìn)行提取[7]。在特征提取過程中，利用CZT算法對海上風(fēng)電機(jī)組的噪聲信號進(jìn)行初步篩選和定位，確定關(guān)鍵噪聲頻段;再利用Z-FFT算法對這些頻段進(jìn)行精細(xì)化的頻譜分析，獲取更準(zhǔn)確的噪聲特性信息。CZT與Z-FFT算法的工作流程見圖2。

在特征分量提取過程中，為了更深入地分析和觀察窄帶頻譜區(qū)間的細(xì)微特征，引入頻譜細(xì)化的理念。這一理念的核心思想，在于對特定頻段進(jìn)行局部放大處理，通過加大該頻段附近的譜線密度來實(shí)現(xiàn)。CZT方法是實(shí)現(xiàn)頻譜細(xì)化的一種具體途徑。對已知長度的噪聲信號 x_l 進(jìn)行CZT變換，變換結(jié)果為式（3）：

式（3）中， 為CZT變換函數(shù)， A₀ 和 W₀ 分別為起始相位和相位增量間隔， L 為采集噪聲信號長度 I_x 和 f_s 對應(yīng)的是感興趣頻段的下限值和上限值 算法對于有限長度的序列，進(jìn)行變換時，關(guān)鍵在于確定需要精細(xì)處理的頻帶的中心頻率以及細(xì)化倍數(shù)。遵循圖2所示的流程，對輸入的離散噪聲信號進(jìn)行調(diào)制移頻操作，確保需要精細(xì)處理的頻帶中心頻率移動至零頻位置。利用離散傅里葉變換的頻移特性，在時域內(nèi)將輸入噪聲信號乘以相應(yīng)因子。進(jìn)行離散傅里葉變換，從而實(shí)現(xiàn)在頻域內(nèi)的移動，滿足對特定頻段的精細(xì)分析需求。

2.4實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量

構(gòu)建系統(tǒng)需要輸出的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量參數(shù)包括：噪聲污染量、噪聲頻率、聲壓、聲級等，上述測量參數(shù)的計(jì)算公式如式（4）：

式（4）中， τ_ρ 和 τ_loss 分別為噪聲信號的密度特征和計(jì)權(quán)衰減特征， P₀ 為聲壓參考值， t_c 為噪聲信號的采集時間。將結(jié)合CZT與Z-FFT算法輸出的環(huán)境噪聲信號特征提取結(jié)果輸人到式（4）中，即可得出海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境任意測點(diǎn)位置的噪聲污染測量結(jié)果，并通過構(gòu)建的硬件系統(tǒng)進(jìn)行可視化輸出，完成系統(tǒng)的污染測量功能。

3 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證構(gòu)建結(jié)合CZT與Z－FFT的海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染測量系統(tǒng)的污染測量性能，采用白盒測試的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)選擇V136-8MW型號的大型海上風(fēng)電機(jī)組作為測量對象，該機(jī)組的風(fēng)輪直徑為 167m ，發(fā)電效率為 96% ，能夠在 3～25m/s 的風(fēng)速條件下完成發(fā)電工作，額定轉(zhuǎn)速和額定功率分別為 36rpm 和8MW，塔筒高度為 150m 。

為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在測量性能方面的優(yōu)勢，設(shè)置傳統(tǒng)的基于綜合權(quán)重-TOPSIS法的噪聲測量系統(tǒng)和基于5G網(wǎng)絡(luò)的噪聲測量系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對比系統(tǒng)，利用相同的開發(fā)工具完成對比系統(tǒng)的開發(fā)，并得出相應(yīng)的噪聲污染測量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置環(huán)境噪聲頻率和聲級測量誤差作為系統(tǒng)性能的量化測試指標(biāo)，公式為式（5）：

式（5）中 f_system 和 J_system 分別為系統(tǒng)實(shí)際輸出的環(huán)境噪聲污染頻率和聲級的測量結(jié)果 f_set 和 J_set 分別為海上風(fēng)電機(jī)組環(huán)境噪聲污染頻率和聲級的設(shè)定值。最終測試得出噪聲污染測量誤差越大，證明對應(yīng)系統(tǒng)測量功能越優(yōu)。

通過系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際環(huán)境噪聲污染數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出系統(tǒng)測量功能的測試結(jié)果，見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)代入到式（5）中，計(jì)算得出兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均噪聲頻率測量誤差分別為 18.1Hz 和10.0Hz ，平均噪聲聲級測量誤差分別為4.9db和2.8db ，構(gòu)建系統(tǒng)得出噪聲頻率和聲級測量誤差的平均值分別為 3.8Hz 和 0.8db 。

4結(jié)束語

海上風(fēng)電機(jī)組作為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于海上風(fēng)速更高、更穩(wěn)定，且沙塵少、粉塵零排放，使得海上風(fēng)電場的風(fēng)能資源能量效益比陸地風(fēng)電場高出20% 至 40% 。意味著在相同的條件下，海上風(fēng)電機(jī)組能夠產(chǎn)生更多的電能，從而提高了風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。受到設(shè)備工作方式與環(huán)境的影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的工作會給周圍環(huán)境帶來噪聲污染，在此次研究中通過污染測量系統(tǒng)的開發(fā)，為噪聲污染的治理提供有效數(shù)據(jù)支持，間接降低機(jī)組噪聲污染對環(huán)境產(chǎn)生的實(shí)際影響。文章結(jié)合了CZT與Z－FFT技術(shù)，可以顯著提升噪聲測量的精度，為海上風(fēng)電機(jī)組的健康狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)以及噪聲污染控制提供支持。

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