CN111781396A - 一种风速测量方法 - Google Patents

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赵亚丽
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments

Abstract

本发明属于风速测量技术领域，具体涉及一种风速测量方法，包括以下步骤：S1、配备不同的波纹管探测器，并校准；S2、放置在待测空气中，让空气顺着管道通过，发出声音，呈现稳定状态；S3、采集声音数据，利用声音收集装置采集声音，转化为电子学信号；S4、采集左右两个声道的声音数据，得到两组处理结果；S5、处理声音数据，传输到终端处理设备上，获得对应的声音频率的分布；S6、确定共振频率的值fn；S7、对照数据，最后根据参数对照表格，数据拟合，自动根据声音频率fn与风速的对照表，得出此时风速通过波纹管的速度，最终测量得到此时风的速度v。该方法解决了现有风速测量方法具有局限性的问题，可以广泛应用于各类风速测量场合。

Description

一种风速测量方法
技术领域
本发明属于风速仪技术领域，具体涉及一种风速测量方法。
背景技术
普通风速计有杯状风速计、翼状风速计、卡他温度计和热球式电风速计几种类型。翼状和杯状风速计使用简便，但其惰性和机械磨擦阻力较大，只适用于测定较大的风速，热球式电风速计虽能测量低风速，但易于损坏、灰尘和湿度对它都有一定影响。
日常生活中我们听到风从管道流过时，会有声音发出，在更为特殊的情况，当管道为波纹管时，发出的声音会更为规律、有节奏和独特，材质为塑料或者PE的这种物品被人们称作为“声管”，可以基于此现象，定量地研究波纹声管所产生的声音。
因此，有必要对上述问题做出改进。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种风速测量方法，该方法可以解决现有风速测量方法具有局限性的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种风速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、配备螺纹间距不同的波纹管探测器，并对波纹管进行校准；
S2、将波纹管探测器放置在待测空气中，让空气正常尽量顺着管道通过，期间调节波纹管的入口方向，使空气流过波纹管发出声音，呈现稳定状态；
S3、采集声音数据，利用声音收集装置采集声音，利用采集系统将采集到的声音信号转化为电子学信号；
S4、采集左右两个声道的声音数据，同时得到两组数据的处理结果；
S5、处理声音数据，传输到终端处理设备上，根据声音数据随时间变化的函数，用MATLAB软件对采集到的数据进行如下式的傅里叶变换，获得对应的声音频率的分布F(ω)；
Figure RE-GDA0002618380410000021
S6、通过MATLAB软件中的寻值函数，找到S5中峰值频率对应的位置，确定共振频率的值fn；
S7、对照数据，最后根据程序内部内置好的不同规格的波纹管参数对照表格，通过数据拟合，自动根据声音频率fn与风速的对照表，得出此时风通过波纹管的速度，最终测量得到此时风的速度v。
所述步骤S1中波纹管的选择，根据公式
Figure RE-GDA0002618380410000022
选择管径较大、螺纹间距较大的波纹管，可实现精度的提高。
所述步骤S3中的声音收集装置为麦克风。
所述步骤S3到步骤S7由自动化程序完成。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：
1、本发明通过空气流过波纹管内部，会形成驻波，长度为L的波纹管在这种情况下，满足
Figure RE-GDA0002618380410000023
这种威尔效应现象，应用到风速的测量中，提供了一种新型风速测量方法。
2、本发明通过增加波纹管的管径，减小了基频的频率，使每个速度对应的阶数更密，提高了该方法测量风速的精度。
3、本发明将实验测试结果形成对照表并进行相应的自动化编程，使风速的测量过程快速智能准确。
综上所述，本发明可行性高，适用范围广，不受条件限制，所需结构简单，操作方便，是一种高效的风速测量方法。
附图说明
图1为本发明的整体原理示意图；
图2为本发明采集到的左声道信号波形示意图；
图3为本发明采集到的右声道信号波形示意图；
图4为本发明频率和风速线性关系示意图；
图5为本发明声阶和风速线性关系示意图；
图6为本发明左声道信号频谱示意图；
图7为本发明右声道信号频谱示意图；
图8为本发明的波纹管结构示意图；
图9为本发明的声速对照表。
其中：1为波纹管探测器、2为声音收集装置、3为终端处理设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种风速测量方法，包括以下步骤：
S1、由于不同规格的波纹管探测器具有不同的测量曲线，因此配备螺纹间距不同的波纹管探测器1，为保证测量设备的精度，要对其进行校准，在确定使用的某一规格的波纹管探测器后，要对该探测器对应测量曲线，即频率阶数N 和速度v的线性关系，与出厂设置的波纹管探测器对应值进行测量校准；
S2、将波纹管探测器1放置在待测空气中，让空气正常尽量顺着管道通过，期间调节波纹管探测器1的入口方向，使空气流过波纹管探测器1发出声音，呈现稳定状态，使得威尔效应作用达到最强，这样测量得到的信号质量更好；
S3、采集声音数据，利用声音收集装置2采集声音，由于声音是随时间发生变化的，如图2、3所示，可以利用采集系统将采集到的声音信号转化为电子学信号；
S4、采集左右两个声道的声音数据，同时得到两组数据的处理结果，这样对我们后期的数据准确性有更高的可靠性证明；
S5、处理声音数据，传输到终端处理设备3上，根据声音数据随时间变化的函数，用MATLAB软件对采集到的数据进行如下式的傅里叶变换，获得对应的声音频率的分布F(ω)，由图6、图7可以看出，时域时纷繁复杂的信号，在频域上有着明显的信号，这是由于风速与测量波纹管发生明显的共振现象，从而产生较为单一的频率，这也使得我们可以高效的得到信噪比较高的信号；
Figure RE-GDA0002618380410000041
S6、通过MATLAB软件中的寻值函数，找到S5中峰值频率对应的位置，确定共振频率的值fn；
S7、对照数据，如图9所示，当螺纹管探测器1长度为75cm，半径为1.5cm，间距为2.3cm，室温为23℃时，程序内部内置好波纹管探测器1的参数对照表格，通过数据拟合，自动根据声音频率fn与风速v的对照表，得出此时风通过波纹管探测器1的速度，最终测量得到此时风的速度v。
所述步骤S1中波纹管探测器1的选择，根据公式
Figure RE-GDA0002618380410000042
选择管径较大、螺纹间距较大的波纹管，可实现精度的提高。
所述步骤S3中的声音收集装置2为麦克风。
所述步骤S3到步骤S7由自动化程序完成，因此只要采集到的风速造成的共振信号，即可实时获得此时的风速值，方便快捷。
本发明应用的原理为威尔效应：当空气流过波纹管内部时，会形成驻波，长度L在这种情况下，管的长度满足
Figure RE-GDA0002618380410000051
其中λ是驻波的波长，N为驻波形成的阶数。
与fn(fn＝Nf0)关联，其中N是谐波驻波的阶数，我们可以计算出空气中的声音速度：
ν＝2L·N·f0
从上面的公式可以看出，波纹声管(和管道)在空气流通过时会发出声音。在内部呈波纹状的柔性波纹声管中，当空气流过一个脊然后又流过另一个脊时，它会滚落成涡流，当涡旋的频率与波纹管的自然共振频率之一匹配时，也就是共振的时候，该声音频率就会被放大，空气流过波纹管的速度越快，涡旋产生的声音的音调就越高(声音的频率就越高)。如图4、图5所示，也就是说空气流动的速度越高，对应的声音频率的阶数N越高，这样风速与声音的阶数便建立了一个如图4的线性关系，这样通过测量声音频率可以得到对应的声音阶数，而声音的阶数又对应着声速，就可以通过声音的频率测量值直接推算出空气中的流动速度。
但是我们可以发现这种方法测量风速的精度，取决于基频的大小，当基频越小测量精度越高，为了实现高精度的风速的测量，我们需要尽量减小基频的值。
如图8所示，根据文献查阅得知，声音的基频不仅与波纹声管的长度有关，还和波纹管的纹间距，波纹管的直径有关，则根据流体力学的研究，有如下公式：
Figure RE-GDA0002618380410000061
f为波纹管对应的基频，R为空气和波纹管流动产生的雷诺数，大致为2000，ρ为空气的密度1.29×10-3g/cm3，d为螺纹管相邻螺纹之间的间距，D为波纹管长度，μ为空气与波纹管流动的粘滞系数，为183×10-6。
从上面的公式可知，当波纹管管径越大，螺纹间距越大时基频的频率越小，这样每个速度对应的阶数就会越密，这样就能适当提高该方式测量风速的精度。在实际操作中我们会设计几根螺纹间距不同的波纹管，并提前校准其对应的风速测量参数，以达到不同测量精度的需求。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种风速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、配备螺纹间距不同的波纹管探测器(1)，并对其进行校准；
S2、将波纹管探测器(1)放置在待测空气中，让空气正常尽量顺着管道通过，期间调节波纹管探测器(1)的入口方向，使空气流过波纹管探测器(1)发出声音，呈现稳定状态；
S3、采集声音数据，利用声音收集装置(2)采集声音，利用采集系统将采集到的声音信号转化为电子学信号；
S4、采集左右两个声道的声音数据，同时得到两组数据的处理结果；
S5、处理声音数据，传输到终端处理设备(3)上，根据声音数据随时间变化的函数，用MATLAB软件对采集到的数据进行如下式的傅里叶变换，获得对应的声音频率的分布F(ω)；
Figure RE-FDA0002618380400000011
S6、通过MATLAB软件中的寻值函数，找到S5中峰值频率对应的位置，确定共振频率的值fn；
S7、对照数据，最后根据程序内部内置好的不同规格的波纹管探测器(1)参数对照表格，通过数据拟合，自动根据声音频率fn与风速v的对照表，得出此时风速通过波纹管探测器(1)的速度，最终测量得到此时风的速度v。
2.根据权利要求1所述的一种风速测量方法，其特征在于：所述步骤S1中波纹管探测器(1)的选择，根据公式
Figure RE-FDA0002618380400000012
选择管径较大、螺纹间距较大的波纹管，可实现精度的提高。
3.根据权利要求1所述的一种风速测量方法，其特征在于：所述步骤S3中的声音收集装置(2)为麦克风。
4.根据权利要求1所述的一种风速测量方法，其特征在于：所述步骤S3到步骤S7由自动化程序完成。
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