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NVH測試中的頻譜分析
2019-05-20 22:34:32· 來源：朗德科技
小伙伴們，今天讓我們一起來聊聊Something about DATA系列。我們先回顧一下本系列對NVH測試中的數(shù)據(jù)采集做的整體介紹：A數(shù)據(jù)采集過程；B硬件設(shè)備；C數(shù)采軟件；DA
小伙伴們，今天讓我們一起來聊聊Something about DATA 系列。我們先回顧一下本系列對NVH測試中的數(shù)據(jù)采集做的整體介紹：
A 數(shù)據(jù)采集過程；
B 硬件設(shè)備；
C 數(shù)采軟件；
D ATOM中的數(shù)據(jù)采集；
相關(guān)文章鏈接：
NVH測試中的數(shù)據(jù)采集；
NVH測試中的信號(hào)處理......；
ATOM=NVH數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)？No，Much More！；
外場測試的那些事兒......
接下來的幾篇文章，我們將繼續(xù)對NVH測試中的信號(hào)處理展開進(jìn)行介紹。
NVH測試過程其實(shí)就是用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將反映試驗(yàn)對象狀態(tài)振動(dòng)噪聲等的物理信號(hào)進(jìn)行記錄，并采用相應(yīng)的信號(hào)處理算法對記錄到的信號(hào)進(jìn)行有目的的信息提取的過程。
數(shù)據(jù)采集完成后，得到時(shí)域數(shù)據(jù)，而我們要提取有用的信息,需要有各種各樣的信號(hào)處理算法對時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以便得到更能突出所要提取的信息。常用的信號(hào)處理方法有：頻譜分析，心理聲學(xué)分析、系統(tǒng)分析（自譜、互譜、自相關(guān)、互相關(guān)、傳遞函數(shù)）等。今天我們將針對NVH測試中的最常用的頻譜分析做一個(gè)簡要的介紹。
頻譜分析是對采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到頻域結(jié)果的分析過程。信號(hào)不僅隨時(shí)間變化，還與頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值、相位等信息有關(guān)，如果想了解信號(hào)的頻率組成信息，就需要進(jìn)一步分析信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，并在頻率域中對信號(hào)進(jìn)行描述。
信號(hào)從時(shí)間域變換到頻域主要通過傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)，在一定的采樣率下采集到時(shí)域信號(hào)，通過設(shè)置頻率分辨率確定進(jìn)行一次傅里葉變換所需要的時(shí)域信號(hào)長度，根據(jù)步長/重疊確定時(shí)域信號(hào)截取，在信號(hào)截取的過程中為減小泄漏，通常會(huì)加入窗函數(shù)對截取的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，然后對加窗后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)，頻域數(shù)據(jù)再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行計(jì)權(quán)及譜格式等處理，最后進(jìn)行頻譜呈現(xiàn)，完成頻譜分析。
參與到頻譜分析的算法或參數(shù)有：傅里葉變化、采樣定理、頻率分辨率/譜線數(shù)、步長/重疊、窗函數(shù)、計(jì)權(quán)、譜格式等。接下來進(jìn)行一一介紹。
1.傅里葉變化
時(shí)域和頻域是信號(hào)的基本性質(zhì)，時(shí)域分析與頻域分析是從兩個(gè)角度對信號(hào)的進(jìn)行分析。時(shí)域分析是以時(shí)間為變量，反映信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的關(guān)系；頻域分析是把信號(hào)變?yōu)橐灶l率為變量，反映信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值、相位關(guān)系。
通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到時(shí)域信號(hào)，通過傅立葉變換將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域。在頻率域，研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的關(guān)系，揭示了信號(hào)內(nèi)在的頻率特性以及信號(hào)時(shí)間特性與其頻率特性之間的密切關(guān)系。
任意連續(xù)測量的時(shí)域信號(hào)都可以用若干不同頻率的正弦波信號(hào)相加來表示，這些正弦信號(hào)則都可由其頻率、幅值和相位來標(biāo)識(shí)，在頻率軸上則可以由這些正弦信號(hào)的實(shí)部和虛部來表達(dá)。對頻率軸，通?？捎谜瓗?、倍頻程（如：三分之一倍頻程）來表示。
通常，頻譜分析只用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析，并通過多次平均來得到。對于變化較快的信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的加速過程，則可進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換或時(shí)頻域分析。
2.采樣定理
采樣定理：一個(gè)最高頻率為fm的有限帶寬信號(hào)x(t)，可以由以采樣頻率fs大于2 fm采樣得到的采樣值序列x(nΔt)唯一確定（Δt=1/ fs）。
此定理說明，采樣頻率至少應(yīng)設(shè)置到信號(hào)最高頻率的2倍以上；一般來說，采樣頻率的一半稱為分析帶寬，即為最大分析頻率。若信號(hào)最高頻率未知，或不能設(shè)置高的采樣頻率，則必須使用抗混濾波器將fs/2以上的頻率成份濾掉，且抗混濾波必須在采樣之前進(jìn)行；若被采信號(hào)最高頻率fm> fs/2，則頻率分析得到的頻率成份將不真實(shí)，會(huì)發(fā)生頻率混疊。
3.頻率分辨率
頻譜是由離散的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化來的，得到的頻譜也是離散的，每個(gè)頻率離散點(diǎn)稱為一條譜線，頻譜曲線是由譜線上的離散點(diǎn)連成的曲線，相鄰兩條譜線的頻率間隔成為頻率分辨率(Δf),譜線數(shù)（nf）等于每次參與計(jì)算的離散時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)（N）的一半。分析最高頻率（fm）等于頻率分辨率與譜線數(shù)的乘積。為高效的傅里葉的變換，一般譜線數(shù)為2的n次方冪。
4.步長/重疊
如果傅里葉變換每次計(jì)算選擇的時(shí)域信號(hào)只是原始信號(hào)的一部分，就像透過一個(gè)矩形窗口去看這個(gè)信號(hào)一樣，只能看到這個(gè)信號(hào)的一部分。在每次傅里葉變換選擇時(shí)域信號(hào)時(shí)，需要對時(shí)域信號(hào)進(jìn)行截取。
截取一次傅里葉變換的時(shí)長可由頻率分辨率來確定，隔多長時(shí)間截取一次則是由步長來控制。一般為增加時(shí)域數(shù)據(jù)利用率以及提高頻譜分析的準(zhǔn)確性，會(huì)將截取相鄰兩次信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行重疊，一般用重疊率表示。步長和重疊率是可以相互轉(zhuǎn)換的，都能確定每次傅里葉變換截取時(shí)域數(shù)據(jù)的起始時(shí)間。
5.窗函數(shù)
在傅里葉變換中對截?cái)嗪蟮男盘?hào)將會(huì)進(jìn)行周期延拓，在延拓過程中造成一些信號(hào)突變，也就導(dǎo)致出現(xiàn)一些并不存在的頻率成份，即能量泄漏。
為了減小這種突變的產(chǎn)生，可以加窗函數(shù)，如漢寧窗（Hanning），漢寧窗函數(shù)可將采樣得到的信號(hào)的兩端幅值減小到0，從而可在周期延拓中減小信號(hào)突變。但這種兩端弱化的窗函數(shù)也同時(shí)改變了信號(hào)原本的能量，需要在計(jì)算中加以補(bǔ)償。我們的測試分析系統(tǒng)中，已自動(dòng)地加入了這種補(bǔ)償。因此，加窗是為了使時(shí)域信號(hào)更好的滿足傅里葉變化的周期性的要求，減少泄漏。
當(dāng)然，如果在整周期采樣，即采樣長度正好是整數(shù)個(gè)周期，就不會(huì)造成能量泄漏。
6.計(jì)權(quán)
為了模擬人耳聽覺在不同頻率有不同的靈敏性，使測量結(jié)果能夠反映人對聲音的主觀感受，通常在進(jìn)行聲學(xué)頻譜分析時(shí)會(huì)對頻譜進(jìn)行計(jì)權(quán)，常用的有：Linear（一般指對測試的信號(hào)不做計(jì)權(quán)處理）、A、B、C計(jì)權(quán)。
A計(jì)權(quán)得到的結(jié)果反映人耳實(shí)際感受，在汽車噪聲測試中應(yīng)用廣泛。一般振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析不加計(jì)權(quán)。
7.譜格式
常用的幅值格式有Peak、RMS。時(shí)域數(shù)據(jù)通過傅里葉變換后，頻域中的每一條譜線都是單頻信號(hào)，一般默認(rèn)為RMS顯示,譜線的RMS值與Peak值之間的換算關(guān)系為：RMS=0.707*Peak。
8.ATOM中的頻譜分析
ATOM數(shù)據(jù)采集前端支持德國Zodiac公司的HEIM DataRec-4系列數(shù)采,最高采樣頻率達(dá)到192000Hz。
支持窗函數(shù): Hanning、Rectangle、Hamming、Blackman、Flattop、Bartlett、KaiserBessel8、KaiserBessel10、KaiserBessel12、KaiserBessel14、 KaiserBessel16
支持計(jì)權(quán)函數(shù): Linear 、A、B、C
支持譜格式:RMS、Peak
ATOM支持?jǐn)?shù)據(jù)采集在線頻譜計(jì)算和時(shí)域數(shù)據(jù)頻譜后處理功能，下圖為ATOM與國外xxx振動(dòng)噪聲測試系統(tǒng)頻譜分析結(jié)果對比:
某車內(nèi)加速噪聲測試，瀑布圖分析結(jié)果對比：
某車內(nèi)勻速噪聲測試，頻譜分析結(jié)果對比：
現(xiàn)在我們的ATOM數(shù)據(jù)采集已經(jīng)可以支持您日常的振動(dòng)噪聲的測試工作了，數(shù)據(jù)積累和比對分析從未那么簡單！
全新ATOM 3.0試用版本已在今年4月隆重推出。小伙伴們，還等什么，快點(diǎn)來申請?jiān)囉冒桑?/div>
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頻譜分析中常用的名詞以及相互計(jì)算關(guān)系：
接下來我們將繼續(xù)對NVH測試中的信號(hào)處理展開進(jìn)行介紹，下一個(gè)專題是NVH測試中的系統(tǒng)分析（自譜、互譜、自相關(guān)、互相關(guān)、傳遞函數(shù)、相干性）介紹，請您持續(xù)關(guān)注?。。?/div>
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