Узкополосный спектральный анализ
Программа Узкополосный спектральный анализ предназначена для узкополосной спектральной обработки сигналов, поступающих с входных каналов модулей АЦП и анализаторов спектра (в реальном масштабе времени или в режиме воспроизведения записанных временных реализаций), а также просмотра различных спектральных характеристик сигналов.
Спектральный анализ используется для разделения сигналов на простейшие составляющие в частотной области. В основе данного типа анализа лежит принцип разложения временной реализации сигнала в частотный спектр с равномерным шагом по частоте с помощью преобразования Фурье.
При помощи программы Узкополосный спектральный анализ пользователь по форме спектра может определить наличие в измерительном канале тональных сигналов (дискретных составляющих) и шумовых компонент. Дополнительные возможности построения спектрограмм (в 2-мерном или 3-мерном виде) позволяют проследить динамику нестационарных процессов. Спектрограмма представляет собой спектрально-временное представление сигнала, рассчитанных за равные промежутки времени. Построение сечений спектрограммы по времени и по частоте позволяет измерить параметры нестационарных процессов.
Возможность получения максимальных и усредненных спектров и сравнение их с заданных спектром (нормой) позволяет легко определить различие между заданным и реальным уровнем спектров. Это необходимо при проведении различного вида мониторинга оборудования, входного/выходного контроля.
Одновременный спектральный анализ в различных частотных диапазонах одного и того же сигнала дает возможность наблюдать спектр как во всем частотном диапазоне (панорамный режим), так и детальный анализ спектра в выбранных частотных диапазонах. Это необходимо при наличии в сигнале высокочастотных и низкочастотных дискретных составляющих.
Высокое частотное разрешение (до 50 000 полос) позволяет с высокой точностью определить частоту стационарного тонального сигнала; разделить несколько близлежащих частотных компонент. Эта ситуация часто наблюдается при виброакустическом анализе различных механизмов с электрическим приводом. В окрестности 50 Гц, как правило, наблюдается несколько дискретных составляющих, связанных с электромагнитной наводкой, механическими колебаниями, например, связанными с вращением асинхронного электродвигателя. Как правило, все эти источники находятся в полосе не более 0,5 Гц.
При анализе шумовых компонент мешающим фактором является наличие дискретных составляющих на спектре. В программе имеется опция Очистка спектра от дискретных составляющих (ДС). Эта функция подавляет все стационарные тональные сигналы.
При виброакустическом анализе обычно используется пьезоэлектрические акселерометры. Эти датчики отдают сигнал, пропорциональный ускорению в точке крепления. Нормы на уровни вибрации и их спектральный состав часто задаются по виброскорости. Для того чтобы получить сигнал виброскорости, необходимо проинтегрировать по времени сигнал виброускорения. Для балансировки важно получать виброперемещение в точке крепления датчика. Двойной интеграл по времени сигнала виброускорения позволяет получить сигнал виброперемещения. Эти дополнительные функции интегрирования и дифференцирования сигнала реализованы в программе.
Для измерения уровня дискретных составляющих обычно используют измерение уровня среднеквадратического значения (СКЗ) в полосе фильтра. В этом случае уровень дискретной составляющей практически не меняется от полосы анализа. Для измерения уровня шумовых компонент необходимо измерять спектральную плотность мощности (СПМ), которая задается в единица измерения/√Гц. Это необходимо, так как спектральная плотность мощности шума не зависит от полосы анализа. Программа Узкополосный спектральный анализ позволяет рассчитывать спектры по СКЗ, СПМ и амплитудным значениям.
Дополнительные возможности программы
В программе «Узкополосный спектральный анализ» реализованы дополнительные функции, такие как:
- Многоканальный режим
- Расчёт резонансов
- Синхронизация
Многоканальный режим
При необходимости рассчитывать спектры сигналов по большому количеству каналов, пользователь может воспользоваться функцией Многоканальный режим.
Для расчета спектрв по нескольким каналам одновременно достаточно запустить одну программу «Узкополосный сректральный анализ» и в меню настройки программы в поле Многоканальный режим указать количество каналов и вырать один отображаемый канал для настройки его параметров.
Для сохраниения всех изменений в файле конфигураций, после настройки каждого канала необходимо установить фложок в строке Общий CFG и применить соответствующие настройки.
Синхронизация
Не редко на практике встречаются задачи, когда важно рассчитывать спектр сигнала в определённый момент времени или по определённому событию, для детального анализа поведения частотных составляющих исследуемого образца.
В программе Узкополосный спектральный анализ реализована функция синхронизации двух режимов работы:
- по каналу датчика оборотов
- по значению
По каналу датчика оборотов определяется тип синхромарок. Частота следования синхромарок должна быть не менее 1,5 Гц. Импульсы могут быть любой полярности и любой амплитуды.
Спектр рассчитывается в узкой полосе по сигналу с датчика оборотов. Данный вид анализа позволяет выделить сегмент спектра, вносящего наибольший вклад, на уровне общих помех. Удобен при анализе узлов конструкций, имеющих в составе вращающиеся механизмы.
Режим синхронизации по датчику оборотов
Узкополосный спектр без режима синхронизации
Узкополосный спектр с режимом синхронизации
Синхронизация расчета спектра также может осуществляться по значению при установленных вариантах:
- больше положительного значения;
- между ними;
- меньше отрицательного значения;
или по амплитуде при выставленном пороге сигнала:
- больше порога;
- меньше порога.
Весовые функции
В программе Узкополосный спектральный анализ реализованы различные весовые функции — окна данных, также известные как обуживающие функции. Основная задача окна данных заключается в уменьшении величины смещения в периодограммных спектральных оценках. Обработка при помощи окна используется для управления эффектами, обусловленными наличием боковых лепестков в спектральных оценках. Дискретно-временные функции окна из числа предложенных в разное время для использования при спектральном анализе, доступные для выбора в программе, следующие:
- прямоугольное окно;
- окно Ханна;
- окно Хемминга;
- окно Блэкмана;
- окно Бартлетта;
- окно Кайзера;
- окно Рифа-Винсента;
- окна Блэкмана-Харриса;
- окно Наталла;
- окно Блэкмана-Наталла;
- окно с плоской вершиной;
- синус-окно;
- асимметричное окно.
Ниже приведены примеры частотных характеристик, полученных посредством вычисления дискретно-временного преобразования Фурье каждого окна:
