哎呦不错哦 发表于 2021-6-3 14:17

频谱分析真的很难吗?再来get一个新技能吧

今天要分享在噪声识别和解决中特别特别特别重要的一个知识点——频谱,这东西很容易让人看不懂,但我们不用怕,希望大家能克服对新知识,对复杂知识学习的抵触和恐惧心理,我们慢慢看~。

第一次接触频谱还是刚工作的那年,看到这个东西的第一感觉我想到的就是,这个东西怎么和心电图一样,杂乱无章的线条,只有医生才能看的懂。
下面是我找到以前用matlab画的噪声频谱分析图,我滴个天,现在回想一下,那时我居然面对的是这么凶残的一个鬼东西,而当时我却毫无感觉。

【画外音】
我还是个孩子啊!

频谱图的原理
下面我们来看一下频谱到底是个什么。我们简化一点讲。

前面我们讲到过,声音的本质是振动,振动的感知和测试都是在时间历程上的,也就是测试几秒或一段时间内的振动信号,再进行分析。

要理解频谱我们先看一个简单的例子。

比如有一个简单的简谐振动信号【你可以把它当一个以固定频率振动的一个信号,频率就是一秒钟振动的次数】,假设它的方程描述为:y(t)=2sin(2πf0t),然后我们画出它的时间历程图像,也就是它的时域图就是这个样子(也就是描述在不同的时间点它的振幅大小):
将它进行FFT(快速傅里叶变换)变换之后,就可以得出它在频域内的响应,响应图是这个样子:
从这个频谱图可以简单的描述就是这个振动信号,一秒钟振动4次,每次的振幅1mm。

为什么只有一根线? 因为它是一个最简单的振动形式,它只有一个振动量,只有一个振动频率,所以它的横坐标只有一个频率点。

再下来,假设我们又增加了一个振动源,y1(t)=4sin(4πf0t),那这个振动的时域描述就多了一个黄色的振动信号,如下图:
这个时候我们再对其进行FFT变换,可以看出频谱图中多出了一根线,这个就是我们刚刚增加的振动信号。
因为生活中很多振动都不可能是简单的简谐振动,是有无数振动信号的叠加,而每一个振动源它都会有它自己特有的振动特性,所以我们测试中看到的频谱图中间就是来回起伏的线条。
至于傅里叶变换,这玩意很重要但也很复杂,我们暂时先不管它是什么东西,我们只要知道,它可以将时域的描述转换成频域的描述就好了。
变换完成以后就得到了振动信号在不同频率下的振动特性(振幅、加速度等等,声音就是分贝)的描述,这就是频谱。

小结一下
讲上面这个点,是为了帮助理解噪声分析中很重要的一点:频谱中每一个频率点对应的都会是一个振动信号(也可以理解为声音信号)。
比如风机单独转动会有一个频谱A,
压缩机工作会有一个频谱B,
它们两个一起工作的时候也会有一个频谱C,
频谱C中间是会包含频谱A和频谱B的频率特征的(想跑也跑不掉),也就是我们是可以从频谱C中分别出哪些频率点是风机产生的,哪些频率点是压缩机产生的,这就是频谱分析的好处,这一点在时域信号中是很难区分出来的。
一句话说:频谱是能反应真正内涵的存在,谁在努力奔跑,谁在睡觉一眼就能看出来。

应用场景
下面我们看一个频谱分析的一个简单应用。
比如下面的这个频谱图:
红色的为空调内机送风模式的噪声频谱(也就是只开风机)
绿色的为空调制热模型下的噪声频谱(压缩机正常工作)
两个频谱叠加在一起以后,我们就可以看的出来,哪些频率的噪声是制热模式启动以后产生的,哪些频率的噪声是一直存在的(风机产生)。

分析出上面这些频率成分特征之后,我们就可以做更改方案,在更改方案中看对应的频率噪声的大小是否有变化,就可以判断出更改方案是否有效。
当然,很多振源会有自己的频率特征,比如风叶旋转频率,我们通过计算可以判断出哪些频率是风叶产生的。
再比如压缩机转子转动频率f=n/60,以上面的频谱图为例,我们查压缩机规格书中,压缩机额定转速为2855r/min,则转子转动频率为:

f=2855/60=47.58Hz,所以上面频谱图中47.5Hz(和47.5倍数的频率)会是压缩机工作引起的噪声频率。

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