评评理 发表于 2022-7-29 13:29

试验中若干参数说明:采样频率、分析谱线等概念

本文主要讲述根据随机试验条件如何理解和设置分析谱线(L)、频率分辨率(Δf)、采样频率(fs)等参数的概念以及一些设定的注意事项,见下图红框处。
这些参数涉及到随机波形信号的采取和处理,里面涉及到很多复杂的信号处理方法,有兴趣的可以更深入地去钻研一下。我们知道,对于随机试验一开始是通过振动控制仪给一个白噪音(平直PSD谱),然后是一帧一帧进行波形采集的,每帧波形含有各个频率成分,通过加窗、防泄漏、快速傅里叶变换得到试验PSD,也就是利用谱分析技术得到试验中的PSD。将此PSD和试验要求的PSD进行比较,均衡,修正,再逆傅里叶变换产生波形和相位,使振动台按照试验PSD对应的波形振动,即反馈控制使试验中的PSD和试验要求的PSD一致,达到试验要求,如图2。
分析谱线(L)、频率分辨率(Δf)、采样频率(fs)等参数就是为了帮助随机振动控制仪能更好地读取每帧波形。如图3,一帧波形的采样,需要将模拟连续量x(t)转变成离散量xi,通过A/D转换器实施,然后通过傅里叶变化等操作得到PSD响应谱。
采样频率fs:实施采样的频率,是采样时间间隔(Δt)的倒数。
FFT帧大小N:一帧数据数N,也就是离散点数,一般取2n。

帧时间T:N点数据在实际时域中需要的时间。
频率分辨率(Δf):通过上述条件,即采样频率fs采取的N个时域数据使用FFT分析,频域内得到是DC到fs的N个在频率轴上等间隔排列的谱数据。
最大解析频率(fmax)和分析谱线数(L):由Nyquist采样定理可知,
可以得到
还有
由此可见,采样频率和1次FFT获取数据个数,或者最大解析频率和谱线数知道的话,就可以算出其他参数。通过上面的描述是不是感觉数据采样很复杂,实际情况更复杂,还要考虑数据泄漏等,进行加窗采样,平均化处理等操作,当然这些都是振动控制仪内部自行完成,我们只要在设定这些参数时注意以下几点即可。

1、频率分辨率的选择需要配合被控制系统的传递特性来进行选择。

2、分辨率大,不能正确的检测共振特性,不能很好的进行随机试验控制等。

3、谱线数超过必要的数,即取得太高,试验控制时间长,不能追踪到突变的数据。一般取800或1600即可。

4、频率分辨率取Δf=1~5Hz,一般建议2-3Hz。本人做试验时一般取1.25Hz。

5、频率范围一般取试验条件中的最大频率。

6、频率分辨率的取值,需要满足试验条件中各频率的倍数要求,都需要覆盖到各频率。比如下面的试验条件,如果分辨率取3Hz的话,显然不合适,因为100Hz、500Hz、2000Hz处都无法覆盖到,它们都不是3的倍数,试验无效。建议分辨率设置为2Hz或1.25Hz,从而都覆盖到上面试验条件中的各个频率点。
综上所述,分辨率、谱线数等参数都是涉及到波形采样数据处理方面的,对于行业初入者,没必要深究,适当了解,并能按照上述注意事项设置这些参数即可。

参考资料:
1 《振动、冲击环境与试验》P130-133,袁宏杰、姚军等编著,北京航空航天大学出版社。
2 《振动与冲击试验技术》P214-218,胡志强 编著,中国质检出版社、中国标准出版社。
3 《力学环境试验技术》P145、P161-166,本书编著委员会编著,西北工业大学出版社

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