平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的處理方法綜述

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1、平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的處理方法周景成（東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海201620）摘要：本文主要綜述了當前對于平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的處理方法及其優(yōu)缺點，同時列舉了目前振動信號處理的研究熱點和方向。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)振動信號處理；方法；優(yōu)缺點。1．穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)振動信號的界定穩(wěn)態(tài)振動信號是指頻率、幅值和相位不變的動態(tài)信號，頻率、幅值和相位做周期性變化的信號稱為準穩(wěn)態(tài)信號，而對于頻率、幅值和相位做隨機變化的信號則稱為非穩(wěn)態(tài)信號。2.穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)振動信號的主要處理方法及其優(yōu)勢與局限對于穩(wěn)態(tài)振動信號，主要的分析方法有離散頻譜分析和校正理論、細化選帶頻譜分析和高階譜分析。對于準穩(wěn)態(tài)信

2、號主要采用的是解調(diào)分析。對于非穩(wěn)態(tài)振動信號主要采用加Hanning窗轉(zhuǎn)速跟蹤分析、短時傅里葉變換、Wigner-Ville分布和小波變換等。對于任一種信號處理方法都有其優(yōu)勢和劣勢，沒有完美的，具體在工程實際中采用哪一種分析方法得看具體的工程情況而定，不能一概而論。2.1　離散頻譜分析與校正離散頻譜分析是處理穩(wěn)態(tài)振動信號的常用方法，離散頻譜分析實現(xiàn)了信號從時域到頻域分析的轉(zhuǎn)變。FFT成為數(shù)字信號分析的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。通過離散傅里葉變換將振動信號從時域變換到頻域上將會獲得信號更多的信息。對于這一方法，提高信號處理的速度和精度是當下兩個主要的研究方向。由于計算

3、機只能對有限多個樣本進行運算，F(xiàn)FT和譜分析也只能在有限區(qū)間內(nèi)進行，這就不可避免地存在由于時域截斷產(chǎn)生的能量泄漏，離散頻譜的幅值、相位和頻率都可能產(chǎn)生較大的誤差，所以提高精度成為近一段時間主要的研究方向。上世紀70年代中期，有關(guān)學(xué)者開始致力于離散頻譜校正方法的研究。目前國內(nèi)外有四種對幅值譜或功率譜進行校正的方法：(1)比值校正法(內(nèi)插法)；(2)能量重心校正法；(3)FFT+FT譜連續(xù)細化分析傅立葉變換法；(4)相位差法。四種校正方法的原理和特點見表1[1].從理論上分析，在不含噪聲的情況下，比值法和相位差法是精確的校正法，而能量重心法和FFT+FT譜連續(xù)細化分析傅立

4、葉變換法是精度很高的近似方法。隨著頻譜校正技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，越來越廣泛地被應(yīng)用于分析各種實際問題和各類動態(tài)信號分析系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用對象特點的不同，采用不同的校正方法。一般在只需要較高幅值精度時，多采用方法簡便的三點卷積幅值法；需要精確的頻率和相位采用比值法；在噪聲較大時，采用相位差校正法或FFT+FT譜連續(xù)細化分析傅立葉變換法。2.2細化選帶頻譜分析振動信號中,對密集型頻譜的分析采用細化選帶頻譜分析方法,該方法有多種,如復(fù)調(diào)制細化、相位補償細化、Chirp-Z變換、最大熵譜分析等,4其中工程應(yīng)用最廣泛的是復(fù)調(diào)制細化選帶頻譜分析。主要研究工作在提高分析精度、細化倍數(shù)

5、和分析速度。復(fù)調(diào)制細化譜分析方法，簡稱ZoomFFT(或ZFFT)，又稱為選帶頻率細化分析方法，是信號處理領(lǐng)域在上世紀70年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。傳統(tǒng)的復(fù)調(diào)制細化譜分析方法采用：移頻(復(fù)調(diào)制)一低通數(shù)字濾波一重抽樣一FFT及譜分析一頻率成分調(diào)整，這種方法因物理概念非常明確，所以一直沿用到今。但存在以下的缺點：(1)需要很大的內(nèi)存空間來存放中間數(shù)據(jù)；(2)低通濾波器的過渡帶將帶來分析頻帶兩端譜線的幅值誤差，細化倍數(shù)越大，誤差越大；(3)計算量較大和頻率成分調(diào)整較復(fù)雜。這些缺點使最大細化倍數(shù)和精度都受到很大限制，對用軟件實現(xiàn)ZoomFFT的影響尤為巨大，這時最大細化倍數(shù)

6、一般不超過150倍。2.3包絡(luò)分析(解調(diào)分析)包絡(luò)分析主要用于機械設(shè)備故障分析。具有齒輪、滾動軸承的機械設(shè)備故障,一般有周期性的脈沖沖擊力,產(chǎn)生振動信號的調(diào)制現(xiàn)象,在頻譜上表現(xiàn)為在嚙合頻率或固有頻率兩側(cè)出現(xiàn)間隔均勻的調(diào)制邊頻帶。采用解調(diào)分析方法,從信號中提取調(diào)制信息,分析其強度和頻次就可以判斷零件損傷的程度和部位。信號的頻率成分在調(diào)制邊頻帶內(nèi)，這個問題還有待解決。表1四種校正方法的原理和特點2.4高階譜分析4在振動信號分析中,,多是假設(shè)信號具有線性、高斯性和最小相位的性質(zhì),但實際信號中有時含有非線性、非高斯性或非最小相位性質(zhì)的成分。周期信號與準周期信號、復(fù)雜機械系統(tǒng)的

7、自激信號和故障信號等可當作非高斯信號處理。高階譜是分析非高斯信號的有力工具,它從更高階概率結(jié)構(gòu)表征隨機信號,可以彌補二階統(tǒng)計量(功率譜)不包含相位信息的缺陷。高階譜在振動信號中的應(yīng)用研究剛剛開始。2.5加Hanning窗轉(zhuǎn)速跟蹤分析根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速進行整周期采樣,作DFT求出與轉(zhuǎn)頻相關(guān)的各次諧波信號幅值與相位。在進行旋轉(zhuǎn)機械的升降速過程或動平衡分析時，轉(zhuǎn)速跟蹤分析方法是精確分析振動諧波信號幅值和相位的一種應(yīng)用廣泛的信號處理方法。其實質(zhì)是根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速進行整周期采樣，作DFT求出與轉(zhuǎn)頻相關(guān)的各次諧波信號幅值與相位。如果采集轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的振動信號作