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ArtemiS SUITE中的階次分析

2020-09-25 21:08:10·  來(lái)源：海德聲科 HEAD acoustics  
　
這期分享ArtemiS SUITE中的階次分析常規(guī)設(shè)置和計(jì)算方法。頻譜分析對(duì)于NVH工程師來(lái)說(shuō)應(yīng)該是耳熟能詳了，它是基于時(shí)域以等時(shí)間間隔采樣后經(jīng)過(guò)FFT把信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換
這期分享ArtemiS SUITE中的階次分析常規(guī)設(shè)置和計(jì)算方法。
    
頻譜分析對(duì)于NVH工程師來(lái)說(shuō)應(yīng)該是耳熟能詳了，它是基于時(shí)域以等時(shí)間間隔采樣后經(jīng)過(guò)FFT把信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，能有效分析信號(hào)全局意義上的頻率和能量分布，適用于絕大部分穩(wěn)態(tài)信號(hào)。而用頻譜分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)時(shí)，常出現(xiàn)頻率模糊現(xiàn)象，無(wú)法真實(shí)有效地反映頻率特性和時(shí)變規(guī)律，尤其是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的階次噪聲和軸承齒輪轉(zhuǎn)子等故障診斷問(wèn)題，因此引入階次對(duì)于振動(dòng)噪聲分析有著舉足輕重的作用。
階次分析與頻譜分析方法一樣，也可理解為階次分析的本質(zhì)就是頻率（可變頻率），而頻率、階次和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：
 
 
階次和頻譜分析二者都是基于傅里葉變換。頻譜分析基于對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換得到頻譜，而階次分析基于對(duì)信號(hào)進(jìn)行等角度域采樣再進(jìn)行傅里葉變換得到階次譜。在非平穩(wěn)信號(hào)中，轉(zhuǎn)速不斷變化，因此頻率也在變，如果采用基于時(shí)域的等時(shí)間間隔采樣會(huì)導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速采樣點(diǎn)數(shù)不足而損失信號(hào)特征，而基于等角度域采樣的階次譜能很好地表征其特點(diǎn)（圖1-1）。
 
圖1-1階次譜與頻譜
ArtemiS SUITE中關(guān)于Order Spectrum vs. RPM有三種計(jì)算方法：
1）Variable DFT-Length/可變時(shí)長(zhǎng)離散傅里葉變換
頻譜分析時(shí)只要譜線數(shù)確定，那么傅里葉變換截取的時(shí)間塊和頻率分辨率就確定，但在轉(zhuǎn)速與振動(dòng)噪聲關(guān)聯(lián)的階次分析中，振動(dòng)噪聲會(huì)隨著轉(zhuǎn)速變化，所以DFT截取的時(shí)間塊也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速變化，并且和階次分辨率成負(fù)相關(guān)，關(guān)系如下：
 
公式中截取時(shí)間塊長(zhǎng)度由轉(zhuǎn)速和階次分辨率共同決定，當(dāng)階次分辨率不變時(shí)，轉(zhuǎn)速越高時(shí)間長(zhǎng)度就越短，就能更好地獲取轉(zhuǎn)速變化特征，尤其在高轉(zhuǎn)速時(shí)，從而更加精確追蹤轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)階次分析。
 
 
圖1-2 Variable DFT-Length

2）RPM-Synchronous Resampling/轉(zhuǎn)速同步重采樣
可變時(shí)長(zhǎng)DFT算法仍是基于時(shí)域信號(hào)的等時(shí)間間隔采樣并且認(rèn)為在每個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)速恒定（階次頻率恒定），所以對(duì)于短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速急劇變化的工況而言，該算法就會(huì)出現(xiàn)上述提到頻率模糊現(xiàn)象。因此為避免模糊現(xiàn)象，建議采用基于等角度的轉(zhuǎn)速同步采樣算法，也稱階次跟蹤。階次跟蹤主要分兩步：第一步，對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)等時(shí)間間隔采樣，同時(shí)以恒定的采樣率對(duì)轉(zhuǎn)速或脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣得到同步信號(hào)，為保證采樣精度和后期精準(zhǔn)的階次分析，對(duì)轉(zhuǎn)速和脈沖通常采用過(guò)采樣技術(shù)，即以高于Nyquist采樣定理的頻率進(jìn)行采樣；第二步，對(duì)已采樣得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行等角度插值重采樣，運(yùn)用擬合插值算法將時(shí)域的非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度域平穩(wěn)信號(hào)。首先通過(guò)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)算每個(gè)脈沖間隔內(nèi)的等角度采樣發(fā)生的時(shí)刻序列，然后在計(jì)算出的時(shí)刻序列附近對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)插值重采樣，最后再進(jìn)行DFT分析，則可以得到等角度重采樣的階次信號(hào)。
 
 
  
該計(jì)算方法主要運(yùn)用在：
  • 轉(zhuǎn)速急劇變化的工況
  • 需要分析更高的階次
  • 期望獲得更高的階次分辨率
 
圖1-3 轉(zhuǎn)速急劇變化工況下DFT與轉(zhuǎn)速同步采樣結(jié)果對(duì)比
  
3）Time Domain Average/時(shí)域平均
該分析方法也是基于轉(zhuǎn)速同步重采樣，與算法2的不同主要在于會(huì)對(duì)具有相同相位和相同轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，目的在于有效抑制轉(zhuǎn)速中的不同步信號(hào)，避免因?yàn)檗D(zhuǎn)速波動(dòng)而導(dǎo)致階次波動(dòng)。隨著平均次數(shù)的增加，不同相位的信號(hào)被抑制的越嚴(yán)重，從而保證分析階次的相對(duì)平穩(wěn)性和同相位。在發(fā)動(dòng)機(jī)Runup_ RPM2000-4000過(guò)程中存在背景白噪聲，采樣后分別用RPM-sync和TDA分析。由于白噪影響，RPM-sync分析的20階貢獻(xiàn)量小，基本被掩蔽掉，并且整個(gè)量級(jí)發(fā)生平移。而TDA則相反，在相位抑制作用下，2、4、10和20 仍為主貢獻(xiàn)階次，顯然在該工況下更符合分析需求（見(jiàn)圖1-4）。
 
圖1-4 DFT與轉(zhuǎn)速同步采樣結(jié)果對(duì)比
以上三種分析方法的特點(diǎn)可以用一張圖表來(lái)總結(jié)：
 
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海德聲科（HEAD acoustics China）是全球領(lǐng)先的聲學(xué)解決方案及聲音與振動(dòng)分析領(lǐng)域供應(yīng)商HEAD acoustics GmbH在中國(guó)設(shè)立的子公司。HEAD acoustics憑借其在聲學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)性和相關(guān)軟硬件研發(fā)的先驅(qū)地位，在NVH、聲學(xué)和語(yǔ)音音頻質(zhì)量的測(cè)量、分析和優(yōu)化領(lǐng)域廣受贊譽(yù)。其產(chǎn)品和服務(wù)廣泛用于汽車、電信，IT設(shè)備、辦公用品和家電行業(yè)的制造商和研究機(jī)構(gòu)，以及在聲音環(huán)保領(lǐng)域的企業(yè)與院所等。
 
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