華科-機(jī)械工程測(cè)試信息信號(hào)分析-課件-專(zhuān)題1-時(shí)頻分析

1、MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING,機(jī)械工程測(cè)試?信息?信號(hào)分析,機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 機(jī)械電子信息工程系,Time-Frequency Analysis,時(shí)頻分析,本周討論內(nèi)容,Wednesday, 9th November復(fù)習(xí)信號(hào)分類(lèi)復(fù)習(xí)Fourier變換的幾種形式復(fù)習(xí)能量泄漏與柵欄效應(yīng)時(shí)域分析與頻域分析FT不足時(shí)

2、頻分析時(shí)頻分析實(shí)例短時(shí)傅立葉變換短時(shí)傅立葉變換的應(yīng)用實(shí)例（軸承故障診斷）短時(shí)傅立葉變換的應(yīng)用實(shí)例（發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷）,信號(hào)的頻域分析,連續(xù)時(shí)間、連續(xù)頻率—傅里葉變換 FT,連續(xù)時(shí)間、離散頻率—傅里葉級(jí)數(shù) FS,離散時(shí)間、連續(xù)頻率—序列的傅里葉變換,離散時(shí)間、離散頻率—離散傅里葉變換 DFT,Fourier變換的幾種可能形式,,,,0,,,,0,t,時(shí)域連續(xù)函數(shù)造成頻域是非周期的譜，而時(shí)域的非周期造成頻域是連續(xù)的譜密度函數(shù)。,連續(xù)

3、時(shí)間、連續(xù)頻率-FT,連續(xù)時(shí)間、離散頻率-FS,當(dāng)x(t)為連續(xù)時(shí)間周期信號(hào)時(shí)，可展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù),,時(shí)域連續(xù)函數(shù)造成頻域是非周期的譜，頻域的離散對(duì)應(yīng)時(shí)域是周期函數(shù)。時(shí)域周期為T(mén)0, 頻域譜線間隔為2?0/T0,離散時(shí)間、連續(xù)頻率--序列的FT,對(duì)離散序列x(n)，其傅立葉變換為：,若x(n)是信號(hào)x(t)的采樣序列，采樣間隔為T(mén),則有：,序列的FT,時(shí)域的離散化造成頻域的周期延拓，而時(shí)域的非周期對(duì)應(yīng)于頻域的連續(xù),,,上述三種情

4、況至少在一個(gè)變換域有積分(連續(xù))，因而不適合進(jìn)行數(shù)字計(jì)算。,時(shí)域的離散造成頻域的延拓（周期性）。因而頻域的離散也會(huì)造成時(shí)域的延拓（周期性）。要想在時(shí)域和頻域都是離散的，那么兩域必須是周期的。,離散傅立葉變換,對(duì)序列的傅立葉變換在頻域上加以離散化，令d?=?0，從而,離散傅立葉變換,離散傅立葉變換,四種形式歸納,非周期信號(hào)的傅里葉變換,FT：,IFT：,,變換核,FS：,IFS：,周期信號(hào)的傅里葉系數(shù),FS與FT,DFT與FFT,采樣

5、信號(hào)頻譜是連續(xù)頻譜，不可能計(jì)算出所有頻率點(diǎn)值，設(shè)頻率取樣間隔為Δf ，頻率取樣點(diǎn)為{0,Δf, 2Δf, 3Δf, ....},DFT一詞是為適應(yīng)計(jì)算機(jī)作傅里葉變換運(yùn)算的專(zhuān)用名詞。,DFT與FFT,FFT是離散傅立葉變換的一種有效的算法，通過(guò)選擇和重新排列中間結(jié)果，減小運(yùn)算量。,離散傅立葉計(jì)算公式(DFT),DFT正變換,DFT反變換,如果信號(hào)中的頻率分量與頻率取樣點(diǎn)不重合，則只能按四舍五入的原則，取相鄰的頻率取樣點(diǎn)譜線值代替。,柵欄效

6、應(yīng),頻率混疊與能量泄漏,混疊時(shí)域欠采樣時(shí)，出現(xiàn)頻率混疊無(wú)法恢復(fù)原信號(hào)頻譜，因而不能從時(shí)域采樣點(diǎn)準(zhǔn)確地重建原連續(xù)信號(hào)。同理，頻域欠采樣時(shí)，出現(xiàn)波形混疊無(wú)法恢復(fù)原頻譜對(duì)應(yīng)的信號(hào)，也不能從頻域采樣值重建原連續(xù)頻譜。改進(jìn)方法：提高采樣速率，增加采樣點(diǎn)數(shù)，減少混疊對(duì)頻譜分析的影響,將截?cái)嘈盘?hào)譜 XT(ω)與原始信號(hào)譜X(ω)相比較可知，它已不是原來(lái)的兩條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)譜. 原來(lái)集中在f0處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象

7、稱(chēng)之為頻譜能量泄漏。如果窗口寬度無(wú)限大，就不存在泄漏誤差。,信號(hào)截?cái)嗪螽a(chǎn)生能量泄漏現(xiàn)象是必然的，窗函數(shù)-頻帶無(wú)限，原信號(hào)-限帶寬信號(hào)。解決方法：整周期截?cái)?；加窗處理?能量泄漏,設(shè)有余弦信號(hào)x(t), 用矩形窗函數(shù)w(t)與其相乘，得到截?cái)嘈盘?hào): y(t) =x(t)w(t),頻譜的離散取樣造成了柵欄效應(yīng)，譜峰越尖銳，產(chǎn)生誤差的可能性就越大。,例如，余弦信號(hào)的頻譜為線譜。當(dāng)信號(hào)頻率與頻譜離散取樣點(diǎn)不等時(shí)，柵欄效應(yīng)的誤差為無(wú)窮大。,能量

8、泄漏與柵欄效應(yīng)的關(guān)系,實(shí)際應(yīng)用中，由于信號(hào)截?cái)嗟脑?，產(chǎn)生了能量泄漏，即使信號(hào)頻率與頻譜離散取樣點(diǎn)不相等，也能得到該頻率分量的一個(gè)近似值。,從這個(gè)意義上說(shuō)，能量泄漏誤差不完全是有害的。如果沒(méi)有信號(hào)截?cái)喈a(chǎn)生的能量泄漏，頻譜離散取樣造成的柵欄效應(yīng)誤差將是不能接受的。,能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏可以減小因柵欄效應(yīng)帶來(lái)的譜峰幅值估計(jì)誤差，有其好的一面，而旁瓣泄漏則是完全有害的。 采用不同的窗函數(shù)截?cái)嘈盘?hào)，使能量集中在主瓣,同時(shí)

9、提高信號(hào)最高頻率和頻率分辨率，需增加采樣點(diǎn)數(shù)N。,信號(hào)最高頻率與頻率分辨率之間矛盾,提高頻率分辨率方法： 增加信號(hào)實(shí)際記錄長(zhǎng)度 補(bǔ)零并不能提高頻率分辨率,窗函數(shù)類(lèi)型：1）冪窗 采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其他2）三角函數(shù)窗 應(yīng)用三角函數(shù)，組合成復(fù)合函數(shù)，如漢寧窗、海明窗3）指數(shù)窗 采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如 ，高斯窗,常用的窗函數(shù),1）矩形窗,不加窗-通過(guò)了矩形窗優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中缺點(diǎn)：

10、旁瓣較高，有負(fù)旁瓣。變換中有高頻干擾和泄漏，負(fù)頻譜,2）三角窗,與矩形窗比較主瓣寬約為矩形窗的2倍，旁瓣小，無(wú)負(fù)旁瓣,3）漢寧窗,3個(gè)矩形窗的頻譜和；兩項(xiàng)對(duì)于第一個(gè)譜窗向左右各移動(dòng)了 ,旁瓣抵消，消除高頻干擾和泄漏,3）漢寧窗,與矩形窗比漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣顯著減小，衰減速度快；減少泄漏，漢寧窗優(yōu)于矩形窗但漢寧窗主瓣加寬，分析帶寬加寬，頻率分辨力下降,4）海明窗,海明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同。海明窗加權(quán)的

11、系數(shù)能使旁瓣達(dá)到更小。海明窗的第一旁瓣衰減為-42dB．海明窗的頻譜也是由3個(gè)矩形時(shí)窗的頻譜合成，但其旁瓣衰減速度為20dB/(10oct)，比漢寧窗衰減速度慢。海明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數(shù)．,常用窗函數(shù),常用窗函數(shù)比較,窗函數(shù)選擇,根據(jù)被分析信號(hào)的性質(zhì)和處理要求； 要求準(zhǔn)確讀出主瓣頻率，不考慮幅值精度，選用主瓣寬度比較窄的矩形窗，如測(cè)量物體的自振頻率； 分析窄帶信號(hào)，且有強(qiáng)噪聲，選用旁瓣幅度小的窗

12、函數(shù)，如漢寧窗、三角窗； 隨時(shí)間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來(lái)提高信噪比,,總結(jié)：,信號(hào)截?cái)?能量泄漏,FFT?柵欄效應(yīng),從克服柵欄效應(yīng)誤差角度看，能量泄漏是有利的。,信號(hào)的表示,1,時(shí)域表示x(t),頻域表示X(f),,,信號(hào)的特征描述量,1,時(shí)域表示x(t)瞬時(shí)功率部分能量總能量平均時(shí)間時(shí)寬,頻域表示X(f)能譜密度部分能量總能量平均頻率帶寬,時(shí)域分析與頻域分析,1,時(shí)域分析信號(hào)的時(shí)域表示只描述

13、了信號(hào)幅值隨時(shí)間的變化歷程，時(shí)域分析反映的是局部時(shí)間特性與整個(gè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性之間的關(guān)系或變化關(guān)系，絲毫不涉及信號(hào)的頻率成分，即毫無(wú)頻率信息。 頻域分析信號(hào)的頻域表示告訴了我們信號(hào)在總的持續(xù)時(shí)間內(nèi)存在哪些頻率，但沒(méi)有告訴我們這些頻率是在什么時(shí)候存在的，即毫無(wú)時(shí)間信息。 從信號(hào)分解的角度來(lái)看，是將信號(hào)分解為不同頻率的成分（即信號(hào)由不同頻率的正弦波組成），反映的是從全局角度來(lái)看信號(hào)的頻率組成情況，完全失去了局部時(shí)間上的信息。,,,平穩(wěn)信號(hào)與

14、非平穩(wěn)信號(hào),1,平穩(wěn)信號(hào)平穩(wěn)信號(hào)（時(shí)不變信號(hào)）的統(tǒng)計(jì)特性（相關(guān)函數(shù)或功率譜）不隨時(shí)間而變化。 非平穩(wěn)信號(hào)非平穩(wěn)信號(hào)（時(shí)變信號(hào)）的統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間而變化。平穩(wěn)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)最簡(jiǎn)單的特例。,,Fourier Transform,FT的不足,對(duì)處理非線性問(wèn)題力不從心不能表征隨時(shí)間變化的頻率變換在無(wú)限的時(shí)域上進(jìn)行不具有靈活可變的時(shí)間-頻率窗,1,時(shí)頻分析,時(shí)頻分析的必要性非平穩(wěn)信號(hào)是普遍存在在的，平穩(wěn)信號(hào)只是個(gè)特例時(shí)域分析和頻域

15、分析方法都不能處理非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)變特性 時(shí)頻分析(Time-Frequency Analysis)用于處理非平穩(wěn)信號(hào)，建立一種分布，以便能在時(shí)間和頻率上同時(shí)表示信號(hào)的能量描述頻譜含量是怎樣隨時(shí)間而變化的 時(shí)頻分析方法分類(lèi)線性時(shí)頻表示(Time-Frequency Representation)由傅氏譜轉(zhuǎn)化而來(lái)，典型形式為STFT，小波變換和Gabor變換線性(Linear)時(shí)頻表示，變換滿足線性疊加原理,1,時(shí)頻分析,1,

16、時(shí)頻分析方法分類(lèi)二次型雙線性時(shí)頻表示，時(shí)頻分布(Time-Frequency Distribution)應(yīng)用廣泛的時(shí)頻分布嚴(yán)格意義下的時(shí)頻表示，能夠直接獲得信號(hào)的能量密度分布獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)的二次型(Quadratic)就是其能量的表示包括Wigner-Ville分布以及所有Cohen類(lèi)的時(shí)頻分布,時(shí)頻分析的特點(diǎn),1,時(shí)間和頻率同時(shí)局部化 由時(shí)間軸和頻率軸兩個(gè)坐標(biāo)組成的相平面來(lái)進(jìn)行表示 可以得到整體信號(hào)在局部時(shí)間域內(nèi)的頻率

17、組成 可以看出整體信號(hào)各個(gè)頻帶在局部時(shí)間上的分布和排列,Time,Frequency,Power,時(shí)頻分析實(shí)例(1),1,Same spectral results as for wide band white noise,時(shí)頻分析實(shí)例(2),1,The instantaneous frequency increases linearly with time,STFT,時(shí)頻分析實(shí)例(3),1,信號(hào)由三個(gè)不同頻率的正弦波組成，但頻率在不

18、同的時(shí)候存在,時(shí)頻分析實(shí)例(4),1,弓頭鯨發(fā)出聲音的聯(lián)合時(shí)頻分布曲線,時(shí)頻分析實(shí)例(5-1),1,圖 正常心音時(shí)域波形圖 圖 房室隔缺損病人心音時(shí)域波形圖,時(shí)頻分析實(shí)例(5-2),1,采用Gauss窗的STFT對(duì)正常第二心音的變換結(jié)果，可以看出心音的特征在時(shí)間-頻率二維平面上的變化情況,時(shí)頻分析實(shí)例(5-3),1,圖 第二心音分裂的時(shí)域波形和時(shí)頻分布圖,時(shí)頻分析實(shí)例(6),1,齒輪破齒故障,,,,Pini

19、on,Broken Tooth,時(shí)頻分析實(shí)例(7),1,齒輪發(fā)生故障時(shí)的沖擊特性及其聯(lián)合時(shí)頻分布曲線(1),時(shí)頻分析實(shí)例(8),1,齒輪發(fā)生故障時(shí)的沖擊特性及其聯(lián)合時(shí)頻分布曲線(2),時(shí)頻分析實(shí)例(9),1,齒輪發(fā)生故障時(shí)的沖擊特性及其聯(lián)合時(shí)頻分布曲線(3),STFT數(shù)學(xué)描述1 選擇一個(gè)中心在t的窗函數(shù)h(t);2 改變函數(shù) 使3 對(duì)函數(shù) 作FT 因此，在t時(shí)刻信號(hào)的能量密度頻譜是,短時(shí)傅立葉變換,

20、,短時(shí)傅立葉變換,,STFT的物理意義是信號(hào)x(τ)在時(shí)間 t 附近（時(shí)寬為△th ）的“局部頻譜”,STFT的定義給信號(hào)加窗后作Fourier變換，并令窗滑動(dòng),短時(shí)傅立葉變換的濾波解釋,,STFT的等價(jià)定義“加窗譜”X(v)H *(v-f)的Fourier逆變換,STFT的帶通濾波器解釋信號(hào)x(τ)通過(guò)中心頻率為f的帶通濾波器后再移頻到零頻率濾波器的頻率響應(yīng)為H *(v-f)濾波器的帶寬與分析頻率f無(wú)關(guān)，而是等于分析窗h*

21、(t)的帶寬△fH,短時(shí)傅立葉變換的窗函數(shù),STFT的分辨率 時(shí)間分辨率由時(shí)寬△th所決定 頻率分辨率由帶寬△fH所決定 當(dāng)窗函數(shù)確定后，時(shí)間分辨率和頻率分辨率將固定不變，并滿足測(cè)不準(zhǔn)原理(Uncertainty principle ),,時(shí)窗中心時(shí)寬,頻窗中心帶寬,測(cè)不準(zhǔn)原理,又名“測(cè)不準(zhǔn)原理”、“不確定關(guān)系”,英文"Uncertainty principle"，是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，由德國(guó)物理學(xué)家海

22、森堡于1927年提出。該原理表明：一個(gè)微觀粒子的某些物理量（如位置和動(dòng)量，或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等），不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。測(cè)量一對(duì)共軛量的誤差的乘積必然大于常數(shù) h/2π （h是普朗克常數(shù)）是海森伯在1927年首先提出的，它反映了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，是物理學(xué)中又一條重要原理。,STFT的時(shí)間-頻率分辨率,1、理想的時(shí)間分辨率分析窗為無(wú)窮窄?？蛇x擇?(t)函數(shù)作為窗函

23、數(shù)，則：STFT退化為x(t)，保留了信號(hào)的所有時(shí)間變化，失去了頻率分辨率2、理想的頻率分辨率選擇理想的頻率分辨率，用不變窗?(t)?1，則：STFT變?yōu)楦道锶~變換，沒(méi)有提供任何時(shí)間分辨率。,短時(shí)傅立葉變換本質(zhì),STFT 方法最大的優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)STFT 分析實(shí)質(zhì)上是限制了時(shí)間窗長(zhǎng)的Fourier分析。 STFT只能選定一個(gè)固定的窗函數(shù), 且STFT 分析受限于不確定性原理, 較長(zhǎng)的窗可以改善頻域解但會(huì)使時(shí)域解變?cè)? 而較

24、短的窗盡管能得到好的時(shí)域解, 頻域解卻會(huì)變得模糊。,短時(shí)傅立葉變換的進(jìn)一步解釋,時(shí)域加窗再滑動(dòng)時(shí)窗 紅帶是固定時(shí)間t得到的加窗變換結(jié)果，得到t附近的“局部頻譜” 紅帶在時(shí)間軸上滑動(dòng)(窗滑動(dòng))，得到所有時(shí)刻的“局部頻譜”。 頻域帶通濾波再滑動(dòng)中心分析頻率 綠帶是通過(guò)中心分析頻率為f得到的濾波結(jié)果。 綠帶在頻率軸上滑動(dòng)(選不同中心分析頻率的帶通濾波器)，得到所有頻率的濾波結(jié)果。,,[t+th-0.5△th, t+th-0.5△t

25、h],[f+fH-0.5△ fH, t+ fH +0.5△ fH],短時(shí)傅立葉變換的其它問(wèn)題,STFT逆變換 原信號(hào)是按一系列“基信號(hào)”的時(shí)頻展開(kāi),STFT的離散實(shí)現(xiàn) 分?jǐn)嘟厝。和ㄟ^(guò)滑移加窗處理得到離散的短序列 譜估計(jì)：對(duì)各短序列進(jìn)行譜估計(jì)，可以直接利用FFT進(jìn)行計(jì)算,短時(shí)功率譜(STP),STFT在軸承故障診斷中的應(yīng)用(1-1),研究背景 與其他機(jī)械零部件相比，滾動(dòng)軸承壽命離散性很大。軸承故障診斷的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段第

26、一階段利用通用的頻譜分析儀診斷軸承故障。第二階段利用沖擊脈沖技術(shù)診斷軸承故障。第三階段利用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承故障。第四階段以計(jì)算機(jī)為中心的故障診斷。基于信號(hào)處理技術(shù)診斷方法而言，可以分為兩大類(lèi)基于傳統(tǒng)信號(hào)處理的故障診斷方法，如頻譜分析法、幅值參數(shù)指標(biāo)分析法、沖擊脈沖法、共振解調(diào)法等基于現(xiàn)代信號(hào)處理的故障診斷方法，如現(xiàn)代譜分析法、時(shí)頻分析法、非高斯信號(hào)處理法、非線性技術(shù)處理法、智能診斷法等方法。,STFT在軸承故障診斷中的應(yīng)

27、用(1-2),研究背景 故障軸承的振動(dòng)信號(hào)特征：局部沖擊性,STFT在軸承故障診斷中的應(yīng)用(2),診斷方法 通過(guò)滑動(dòng)窗，可以從噪聲背景中檢測(cè)出信號(hào)的沖擊和突變,STFT在軸承故障診斷中的應(yīng)用(3),診斷過(guò)程 分段采樣 STFT 特征抽取,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(1),柴油機(jī)工作原理 四沖程：每720度作功一次。一個(gè)沖程曲軸轉(zhuǎn)角180度 。(1) 進(jìn)氣行程：活塞由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)。進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟，排氣門(mén)

28、關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。工質(zhì)是純空氣。進(jìn)氣系統(tǒng)阻力較小，進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pa= (0.85～0.95)p0，比汽油機(jī)高。進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta=300～340K，比汽油機(jī)低。(2) 壓縮行程：進(jìn)、排氣門(mén)同時(shí)關(guān)閉?；钊麖南轮裹c(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。工質(zhì)是純空氣，柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)高(一般為ε=16～22)。壓縮終點(diǎn)壓力3000～5000kPa，壓縮終點(diǎn)溫度750～1000K(柴油自燃溫度約520K)。(3) 做

29、功行程：活塞接近上止點(diǎn) ，進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)均關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。柴油以10MPa左右的高壓通過(guò)噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時(shí)間內(nèi)與空氣混合后立即自行發(fā)火燃燒。汽缸內(nèi)氣體的壓力急速上升，最高達(dá)5000～9000kPa，最高溫度達(dá)1800～2000K。(4) 排氣行程：排氣門(mén)開(kāi)啟，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°。排氣溫度比汽油機(jī)低。一般700～900K。動(dòng)畫(huà)演示,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷

30、中的應(yīng)用(1),柴油機(jī)工作原理 二沖程：四沖程柴油機(jī)，進(jìn)排氣兩個(gè)沖程，活塞的功用相當(dāng)于一個(gè)空氣泵。二沖程柴油機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，即活塞每?jī)蓚€(gè)沖程完成一個(gè)工作循環(huán)，為進(jìn)排氣安裝專(zhuān)用掃氣泵(增壓器)。 第一沖程—活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞處下止點(diǎn)時(shí)，排氣閥和進(jìn)氣孔已打開(kāi)，貯氣室的壓縮空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)，并沖向排氣閥，自動(dòng)清除廢氣，氣缸內(nèi)充滿新空氣。當(dāng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣孔首先由活塞關(guān)閉，然后排氣閥也關(guān)閉；空氣在氣缸內(nèi)受到壓

31、縮。第二沖程—活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊兄辽现裹c(diǎn)前，噴油器將燃油噴入燃燒室中，壓縮空氣所產(chǎn)生的高溫，點(diǎn)燃霧化的燃油，燃燒所產(chǎn)生的壓力，推動(dòng)活塞下行，直到排氣閥再打開(kāi)時(shí)為止。燃燒后的廢氣在內(nèi)外壓力差的作用下，自行從排氣閥排出。當(dāng)進(jìn)氣孔被活塞打開(kāi)后，氣缸內(nèi)又進(jìn)行掃氣過(guò)程。動(dòng)畫(huà)演示,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(1),研究背景 利用缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行柴油機(jī)潛在故障的診斷 缸蓋振動(dòng)信號(hào)具有局部沖擊特性，是非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)

32、希望從整循環(huán)振動(dòng)信號(hào)中直接提取特征參數(shù),Acceleration (m/s2),Time (ms),Cylinder 1,Cylinder 2,EVC IVC Combustion EVO IVO EVC,IVC Combustion EVO IVO EVC IVC,TDC BDC TDC

33、 BDC TDC BDC (of cylinder 1),Timing information important.,,,,BDC Bottom Dead Center TDC Top Dead Center EVC—排氣門(mén)關(guān)閉 IVC—進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉EVO—排氣門(mén)開(kāi)啟 IVO—進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(2),短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(3),短時(shí)AR分析 與S

34、TFT類(lèi)似，獲得短時(shí)AR功率譜STPAR(t, f) 先對(duì)原信號(hào)進(jìn)行分段截取，得到短序列 然后做短序列的AR譜估計(jì)，以代替FFT譜估計(jì) 優(yōu)點(diǎn)在于：AR譜圖比FFT譜要光滑，特別適合于短序列分析,STP(t, f),STPAR (t, f),短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(4),診斷過(guò)程 形成特征向量,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(5),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建：測(cè)點(diǎn)、傳感器、前置處理、采樣頻率(方式)信號(hào)分析和處理,實(shí)驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)

35、量系統(tǒng),短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(6),Pattern 1 - Healthy Pattern 2Pattern 3Pattern 4Pattern 5Pattern 6,實(shí)際測(cè)量波形,EVC IVC Combustion EVO IVO EVC,,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(7),Pattern 2,實(shí)測(cè)波形的短時(shí)AR功率譜,Pattern 1 - He

36、althy,短時(shí)AR分析在發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用(8),Pattern 1 - Healthy Pattern 2Pattern 3Pattern 4Pattern 5Pattern 6,整循環(huán)特征向量,姚天任, 江太輝. 數(shù)字信號(hào)處理. 華中理工大學(xué)出版社, 1988.姚天任, 孫洪. 現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理. 華中理工大學(xué)出版社, 1999.王宏禹. 隨機(jī)數(shù)字信號(hào)處理. 科學(xué)出版社, 1988.王宏禹. 現(xiàn)代譜估計(jì). 東南大學(xué)

37、出版社, 1991.張賢達(dá). 現(xiàn)代信號(hào)處理. 清華大學(xué)出版社, 1995.張賢達(dá), 保錚. 非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理. 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.楊福生. 小波變換的工程分析與應(yīng)用. 科學(xué)出版社, 1999.Cohen L. Time-Frequency Analysis: Theory and Applications. Prentice Hall, 1995. (白居憲譯. 時(shí)-頻分析: 理論與應(yīng)用. 西安交通大學(xué)出版社, 1

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39、me Books on Signal Processing,Some Journals on Signal Processing,Proceedings of IEEEIEEE Signal Processing MagazineIEEE Transactions on Signal ProcessingIEEE Transactions on Information TheoryIEEE Transactions on Aut

40、omatic ControlIEEE Transactions on Systems, Man & CyberneticsASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and ControlMechanical Systems and Signal Processing《電子學(xué)報(bào)》 《通信學(xué)報(bào)》 《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》 《中國(guó)機(jī)械工程》《振動(dòng)工程學(xué)報(bào)》 《聲學(xué)學(xué)報(bào)

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