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信號(hào)處理幾乎涉及到所有的工程技術(shù)領(lǐng)域,而頻譜分析正是信號(hào)處理中一個(gè)非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都依靠傳統(tǒng)頻譜分析儀來完成,價(jià)格昂貴,體積龐大,不便于工程技術(shù)人員的攜帶。虛擬頻譜分析儀改變了原有頻譜分析儀的整體設(shè)計(jì)思路,用軟件代替了硬件。使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場(chǎng)就可輕松完成信號(hào)的采集、處理及頻譜分析。
2 分析儀的一般分析功能
2.1 時(shí)間域分析
時(shí)間域（時(shí)域）分析是最直觀也是第一步的分析。從時(shí)域分析中既可做出一些原始判斷，又可確定進(jìn)一步分析的方向和目標(biāo)。
2.2 幅值域分析
幅值域分析一般用直方圖表示。
2.3 頻率域分析之一——頻譜分析
將時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)再分析稱為頻譜分析。由于時(shí)域信號(hào)分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)，連續(xù)信號(hào)又可分為絕對(duì)可積、平方可積和均方可積；離散信號(hào)又可分為絕對(duì)可和、科方可和和均方可和，故對(duì)應(yīng)的頻譜也可分為多種。
2.4 頻率域分析之二——頻響函數(shù)
頻率響應(yīng)函數(shù)FRF(Frequency Response Function)是分析儀最常用的分析功能,它可作為原始數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用者作模態(tài)分析或在曲線擬合時(shí)使用。
以上功能其原理及分析均較簡(jiǎn)單,限于篇幅,本文不作詳細(xì)闡述。
3 分析儀的特殊分析功能
3.1 倒頻譜分析
輸入x(t)和輸出y(t)的關(guān)系用公式y(tǒng)(t)=x(t)×h(t)表示。系統(tǒng)自然也包括傳遞途徑,此時(shí)x(t)為信號(hào)源(振源或聲源〉,h(t)為路徑特性,y(t)為傳遞后失真的信號(hào),失真包括衰減、頻散、反射和回波等。
倒頻譜在力學(xué)、聲學(xué)等各方面得到以下應(yīng)用:
1)把信號(hào)源和路徑分離,得到信號(hào)源原始波和路徑特性(例如傳遞路徑的長(zhǎng)度),有多個(gè)傳遞路徑時(shí)還能加以區(qū)分。
2)去除回波或回聲。帶多次回波的原始信號(hào)可理解為原始信號(hào)與一系列δ函數(shù)卷積,當(dāng)傳遞路徑較近時(shí),回波與原始波形疊加,混淆了原始波形的形狀,利用倒頻譜可去掉回波。
3)把復(fù)雜的頻譜中各種信頻分開。例如某種機(jī)器有兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速的軸產(chǎn)生了兩個(gè)不同的基頻和大量倍頻。設(shè)f1=30Hz,f2=31Hz,則譜圖中將出現(xiàn)頻率為30,31,60,62,90,93,...一大堆波峰,利用倒頻譜就可將它們清晰地分離開來。同理,倒頻譜也可分離各種邊帶頻率。
3.2 希爾伯特變換
希爾伯特變換又簡(jiǎn)稱希氏變換在信號(hào)的包絡(luò)檢測(cè)、系統(tǒng)的非線性分析、相關(guān)分析等方面都有重要的用途。希氏變換將信號(hào)從時(shí)域變到時(shí)域,或從頻域變到頻域,以時(shí)域變換為例,公式為:
時(shí)域單邊信號(hào),傅立葉譜的實(shí)部和虛部互為希氏變換。漸近穩(wěn)定的LTI(線性非時(shí)變)系統(tǒng),其單位脈響函數(shù)h(t)為絕對(duì)可積的單邊函數(shù),其傅立葉變換即頻響函數(shù)的實(shí)部和虛部Rr[H(f)]和Im[H(f)]互為頻域希氏變換。利用這個(gè)特性可以判斷系統(tǒng)是否存在非線性。求出頻響函數(shù)后,對(duì)其實(shí)部(或虛部)作希氏變換再與實(shí)測(cè)的虛部(或?qū)嵅?做重疊比較,如兩者有差異,則為非線性,差異越大,非線性越嚴(yán)重。
4 分析儀的輔助功能
4.1 加窗
時(shí)域加窗可減少泄漏,頻域加窗可去除波形中毛刺(平滑),本文只介紹分析儀一些時(shí)域窗的功能,它除用于減少泄漏還有其他用途,加窗可加矩形窗,海窗、平頂窗、力窗和指數(shù)窗等,注意每種窗都是既有優(yōu)點(diǎn)、又有缺點(diǎn)。
4.1.1 矩形窗(也叫均勻窗、不加窗)它的功能僅為以采樣時(shí)間為窗長(zhǎng)度截?cái)嘣夹盘?hào),它的泄漏較大,僅用于無泄漏場(chǎng)合。
4.1.2 海窗 用于減少泄漏,缺點(diǎn)在于頻域主瓣比矩形窗主瓣寬,確定峰值頻率時(shí)誤差較大。加海窗會(huì)降低峰值高度。
4.1.3 平頂窗 平頂窗主要用于提高分析儀的幅值讀數(shù)精度。輸入一個(gè)峰值已知的正弦波,用平頂窗在頻域讀數(shù),就可發(fā)現(xiàn)它的讀數(shù)最接近于真正峰值。
4.1.4 力窗和指數(shù)窗 用于瞬態(tài)測(cè)試中的錘擊法,力窗去掉脈沖力持續(xù)時(shí)間以外的噪聲,指數(shù)窗可使小自尼系統(tǒng)采樣結(jié)束時(shí)尚未衰減完的響應(yīng)變零以避免撞漏,它也對(duì)響應(yīng)大處加大權(quán),響應(yīng)小處加小權(quán)以提高情噪比。
4.2 平均
平均的目的在于：
1)隨機(jī)噪聲污染的確定性信號(hào),通過平均提高倍噪比。
2)對(duì)純隨機(jī)信號(hào),通過平均提高置信度。
5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程
5.1 系統(tǒng)主界面
系統(tǒng)主界面如圖1所示。
圖1 主界面圖
5.2 虛擬頻譜分析儀的功能框圖
圖2為分析儀儀器框圖。
圖2 分析儀的分析功能
5.3 系統(tǒng)編程
本程序是在LabVIEW平臺(tái)上設(shè)計(jì)編制的,由于改進(jìn)傅立葉變換的算法很多,用LabVIEW中的數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊完成比較繁雜,而現(xiàn)在如VC++,MATLAB等高級(jí)語(yǔ)言更適于編制復(fù)雜運(yùn)算方法,運(yùn)算更快,效果更理想。要想達(dá)到這個(gè)目的,必定要在LabVIEW中調(diào)用某種高級(jí)編程語(yǔ)言。圖3為頻譜分析模塊程序圖。
圖3 頻譜分析儀總程序框圖
摘自《儀器儀表學(xué)報(bào)第3期增刊》
