Узкополосный спектральный анализ
Программа Узкополосный спектральный анализ предназначена для узкополосной спектральной обработки сигналов, поступающих с входных каналов модулей АЦП и анализаторов спектра (в реальном масштабе времени или в режиме воспроизведения записанных временных реализаций), а также просмотра различных спектральных характеристик сигналов.
Спектральный анализ используется для разделения сигналов на простейшие составляющие в частотной области. В основе данного типа анализа лежит принцип разложения временной реализации сигнала в частотный спектр с равномерным шагом по частоте с помощью преобразования Фурье.
При помощи программы Узкополосный спектральный анализ пользователь по форме спектра может определить наличие в измерительном канале тональных сигналов (дискретных составляющих) и шумовых компонент. Дополнительные возможности построения спектрограмм (в 2-мерном или 3-мерном виде) позволяют проследить динамику нестационарных процессов. Спектрограмма представляет собой спектрально-временное представление сигнала, рассчитанных за равные промежутки времени. Построение сечений спектрограммы по времени и по частоте позволяет измерить параметры нестационарных процессов.
Возможность получения максимальных и усредненных спектров и сравнение их с заданных спектром (нормой) позволяет легко определить различие между заданным и реальным уровнем спектров. Это необходимо при проведении различного вида мониторинга оборудования, входного/выходного контроля.
Одновременный спектральный анализ в различных частотных диапазонах одного и того же сигнала дает возможность наблюдать спектр как во всем частотном диапазоне (панорамный режим), так и детальный анализ спектра в выбранных частотных диапазонах. Это необходимо при наличии в сигнале высокочастотных и низкочастотных дискретных составляющих.
Высокое частотное разрешение (до 50 000 полос) позволяет с высокой точностью определить частоту стационарного тонального сигнала; разделить несколько близлежащих частотных компонент. Эта ситуация часто наблюдается при виброакустическом анализе различных механизмов с электрическим приводом. В окрестности 50 Гц, как правило, наблюдается несколько дискретных составляющих, связанных с электромагнитной наводкой, механическими колебаниями, например, связанными с вращением асинхронного электродвигателя. Как правило, все эти источники находятся в полосе не более 0,5 Гц.
При анализе шумовых компонент мешающим фактором является наличие дискретных составляющих на спектре. В программе имеется опция Очистка спектра от дискретных составляющих (ДС). Эта функция подавляет все стационарные тональные сигналы.
При виброакустическом анализе обычно используется пьезоэлектрические акселерометры. Эти датчики отдают сигнал, пропорциональный ускорению в точке крепления. Нормы на уровни вибрации и их спектральный состав часто задаются по виброскорости. Для того чтобы получить сигнал виброскорости, необходимо проинтегрировать по времени сигнал виброускорения. Для балансировки важно получать виброперемещение в точке крепления датчика. Двойной интеграл по времени сигнала виброускорения позволяет получить сигнал виброперемещения. Эти дополнительные функции интегрирования и дифференцирования сигнала реализованы в программе.
Для измерения уровня дискретных составляющих обычно используют измерение уровня среднеквадратического значения (СКЗ) в полосе фильтра. В этом случае уровень дискретной составляющей практически не меняется от полосы анализа. Для измерения уровня шумовых компонент необходимо измерять спектральную плотность мощности (СПМ), которая задается в единица измерения/√Гц. Это необходимо, так как спектральная плотность мощности шума не зависит от полосы анализа. Программа Узкополосный спектральный анализ позволяет рассчитывать спектры по СКЗ, СПМ и амплитудным значениям.
Дополнительные возможности программы
Помимо стандартных параметров настройки, в программе «Узкополосный спектральный анализ» реализованы дополнительные функции, такие как:
- расчёт резонансов;
- тиггер;
- дополнительные графики: отображение максимального, минимального и среднего уровней с определённым интервалом расчета, отображение графика нормы, график третьоктавного спектра, график спектра отклика;
- дополнительные окна: кепстр, спектрограмма, 3D-спектрограмма, проходная характеристика сигнала, фазовая характеристика сигнала.
Расчет резонансов
В программе Узкополосный спектр реализован режим по расчету резонансов. Основной областью применения опции расчета резонансов является мониторинг строительных конструкций или установок, подверженных сильным вибрациям при работе.
Поскольку, в любой конструкции (будь то высотное здание, мост или промышленное оборудование) при совпадении вынужденных и собственных колебаний возникает резонанс, который может привести к аварийным последствиям, был разработан эффективный программный инструмент, позволяющий выделять все резонансные частоты и выполнять мониторинг наиболее опасных зон.
Для активации режима, необходимо в Настройках параметров узкополосного спектра на вкладке Резонансы установить флаг рядом в параметром «Расчёт резонансов» и сохранить настройки, нажав кнопку «Применить».
Программа запустит дополнительное окно: Узкополосный спектр — Резонансы, в котором будут отображаться рассчитанные параметры резонансных частот, зона слежения и тренд резонансной частоты для анализа поведения структуры.
Формирование параметров слежения осуществляется в Настойках параметров мониторинга, для запуска которых необходимо в окне программы нажать одноимённую кнопку.
Также в окне программы доступны две кнопки быстрого управления: «Стоп» и «Запись», для оперативного реагирования на события.
В окне «Настройка параметров мониторинга» пользователю доступны для управления следующие параметры:
- Отображение: интервал расчета и основной параметр (резонансная частота или период колебаний);
- Мониторинг объекта: активация данной опции позволяет задать определенные пороги, соответствующие параметрам объекта мониторинга и производить контроль за выходом сигнала за пределы заданных порогов;
- Столбцы таблицы: управление параметрами, значения которых будут рассчитываться и отображаться в таблице для каждого выбранного измерительного канала;
- Запись трендов сигналов: сохранение долговременных данных мониторинга.
Задание и настройка пороговых значений осуществляется в xml-файле «Monitoring.xml», который открывается при помощи кнопки «Редактировать описатель» в поле «Мониторинг объекта». Для вступления в силу заданных в описателе параметров необходимо активировать кнопку «Прочитать описатель». Для наглядности тип порогов в таблице представлен в цветых комбинациях.
Триггер
Не редко на практике встречаются задачи, когда важно рассчитывать спектр сигнала в определённый момент времени или по определённому событию, для детального анализа поведения частотных составляющих исследуемого образца.
В программе Узкополосный спектральный анализ реализована функция триггера для двух режимов работы:
- по каналу датчика оборотов;
- по значению уровня сигнала.
По каналу датчика оборотов определяется тип синхромарок. Частота следования синхромарок должна быть не менее 1,5 Гц. Импульсы могут быть любой полярности и любой амплитуды.
Спектр рассчитывается в узкой полосе по сигналу с датчика оборотов. Данный вид анализа позволяет выделить сегмент спектра, вносящего наибольший вклад, на уровне общих помех. Удобен при анализе узлов конструкций, имеющих в составе вращающиеся механизмы.
Режим триггера по датчику оборотов
Узкополосный спектр без триггеров
Узкополосный спектр с триггером
Расчет спектра также может осуществляться по установленному значению уровня сигнала в следующих вариантах:
- больше положительного значения;
- между ними;
- меньше отрицательного значения;
или по амплитуде при выставленном пороге сигнала:
- больше порога;
- меньше порога.
Весовые функции
В программе Узкополосный спектральный анализ реализованы различные весовые функции — окна данных, также известные как обуживающие функции. Основная задача окна данных заключается в уменьшении величины смещения в периодограммных спектральных оценках. Обработка при помощи окна используется для управления эффектами, обусловленными наличием боковых лепестков в спектральных оценках. Дискретно-временные функции окна из числа предложенных в разное время для использования при спектральном анализе, доступные для выбора в программе, следующие:
- прямоугольное окно;
- окно Ханна;
- окно Хемминга;
- окно Блэкмана;
- окно Бартлетта;
- окно Кайзера;
- окно Рифа-Винсента;
- окна Блэкмана-Харриса;
- окно Наталла;
- окно Блэкмана-Наталла;
- окно с плоской вершиной;
- синус-окно;
- асимметричное окно.
Ниже приведены примеры частотных характеристик, полученных посредством вычисления дискретно-временного преобразования Фурье каждого окна:
Многоканальный режим
При необходимости рассчитывать спектры сигналов по большому количеству каналов, пользователь может воспользоваться функцией Многоканальный режим.
Для расчета спектров по нескольким каналам одновременно достаточно запустить одну программу «Узкополосный спектральный анализ», в меню настройки программы в поле Измерительные каналы выбрать необходимое количество каналов из списка, и установить основные параметры рассчета спектров сигналов.
Настройка отображения графиков
При желании, пользователь может настроить отображение графика в программе Узкополосный спектр по своему усмотрению. Для вызова панели настройки параметров графика, необходимо активировать правую кнопку «мыши» сетке графика.
Для настройки пользователю доступны:
- настройка размерности вертикальной и горизонтальной шкалы (равномерная, логарифмическая, децибельная/1/n октавная);
- настройка параметров сетки;
- настройка параметров отображения — тип линий, цвет графика, толщина линий и пр.;
- настройка цвета сетки и размера шрифта;
- добавление окон с подсказками — заметка на графике с привязкой к определённой точке с возможностью добавления пояснений.
Основные функции программы
- измерение уровней сигнала в узких спектральных полосах. Количество полос может быть равным степени 2 (64, 128, 256, 512, 1024, 2048, …, 32768) или произвольным целым (50, 100, 200, 500, …, 50 000);
- динамический диапазон спектрального анализа: 170 дБ;
- усреднение анализируемого сигнала: от 0,01 до 1000 с;
- типы усреднения: линейное, экспоненциальное;
- использование весовых функций: прямоугольная, Хана, Хэмминга, Блэкмана, Барлета;
- интегрирование/дифференцирование сигнала;
- обработка сигналов по алгоритмам: быстрое (БПФ) и дискретное (ДПФ) преобразования Фурье;
- тип представления анализируемого сигнала: спектральная плотность, спектральная мощность, среднее квадратичное или амплитудное значение;
- возможность использования медианного фильтра для очистки спектра от дискретных составляющих.
- расчет и отображение кепстра сигнала (обратное преобразование Фурье);
- расчет и отображение проходной характеристики;
- расчет и отображение спектрограмм в режиме 2-мерной топографической карты с отображением уровней по цветам и в режиме 3-мерной карты;
- расчет и отображение графиков максимальных и средних значений за заданный промежуток времени;
- возможность наложения нормирующего графика для оценки характеристик переходных процессов;
- анализ гармонических составляющих;
- запись и чтение конфигурации программы для облегчения проведения измерений в случаях, когда требуется повторяемость действий;
- встроенная коррекция амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
Частотный диапазон анализа в программе Узкополосный спектр для анализаторов спектра ZET 017-U
Характеристики
| Частота дискретизации устройства f, Гц | Диапазон, Гц Частотное разрешение, Гц | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 50 000 | 0…20 000 | 0…2 000 | 0…200 | 0…20 | 0…2 |
| от 0,5 до 500 | от 0,05 до 50 | от 0,005 до 5 | от 0,0005 до 0,5 | от 0,00005 до 0,25 | |
| 25 000 | 0…10 000 | 0…1 000 | 0…100 | 0…10 | 0…1 |
| от 0,25 до 250 | от 0,025 до 25 | от 0,0025 до 2,5 | от 0,00025 до 0,25 | от 0,000025 до 0,025 | |
| 5 000 | 0…2 000 | 0…200 | 0…20 | 0…2 | 0…0,2 |
| от 0,05 до 50 | от 0,005 до 5 | от 0,0005 до 0,5 | от 0,00005 до 0,05 | от 0,000005 до 0,005 | |
| 2 500 | 0…1000 | 0…100 | 0…10 | 0…1 | 0…0,1 |
| от 0,25 до 25 | от 0,025 до 2,5 | от 0,0025 до 0,25 | от 0,00025 до 0,025 | от 0,000025 до 0,0025 | |
Частотный диапазон анализа в программе Узкополосный спектр для анализаторов спектра А19
Характеристики
| Частота дискретизации устройства f, Гц | Диапазон, Гц Частотное разрешение, Гц | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 250 000 | 0…100 000 | 0…10 000 | 0…1 000 | 0…100 | 0…10 |
| от 2,5 до 2500 | от 0,25 до 250 | от 0,025 до 25 | от 0,0025 до 2,5 | от 0,00025 до 0,25 | |
| 50 000 | 0…20 000 | 0…2 000 | 0…200 | 0…20 | 0…2 |
| от 0,5 до 500 | от 0,05 до 50 | от 0,005 до 5 | от 0,0005 до 0,5 | от 0,00005 до 0,25 | |
| 25 000 | 0…10 000 | 0…1 000 | 0…100 | 0…10 | 0…1 |
| от 0,25 до 250 | от 0,025 до 25 | от 0,0025 до 2,5 | от 0,00025 до 0,25 | от 0,000025 до 0,025 | |
| 5 000 | 0…2 000 | 0…200 | 0…20 | 0…2 | 0…0,2 |
| от 0,05 до 50 | от 0,005 до 5 | от 0,0005 до 0,5 | от 0,00005 до 0,05 | от 0,000005 до 0,005 | |
| 2 500 | 0…1000 | 0…100 | 0…10 | 0…1 | 0…0,1 |
| от 0,25 до 25 | от 0,025 до 2,5 | от 0,0025 до 0,25 | от 0,00025 до 0,025 | от 0,000025 до 0,0025 | |
| 500 | 0…200 | 0…20 | 0…2 | 0…0,2 | 0…0,02 |
| от 0,005 до 5 | от 0,0005 до 0,5 | от 0,00005 до 0,05 | от 0,000005 до 0,005 | от 0,0000005 до 0,0005 | |
| 250 | 0…100 | 0…10 | 0…1 | 0…0,1 | 0…0,01 |
| от 0,0025 до 2,5 | от 0,00025 до 0,25 | от 0,000025 до 0,025 | от 0,0000025 до 0,0025 | от 0,00000025 до 0,00025 | |
Поддерживаемое оборудование
Входными данными программы Узкополосный спектр являются цифровые данные канала сервера ZETLAB.
Программа Узкополосный спектр входит в состав следующего ПО:
- ZETLAB BASE – программное обеспечение, поставляемое с модулями АЦП/ЦАП,
- ZETLAB ANALIZ – программное обеспечение, поставляемое с анализаторами спектра,
- ZETLAB VIBRO – программное обеспечение, поставляемое с системой управления вибростендами,
- ZETLAB TENZO – программное обеспечение, поставляемое с тензостанциями,
- ZETLAB SEISMO – программное обеспечение, поставляемое с сейсмостанциями,
- ZETLAB NOISE – программное обеспечение, поставляемое с виброметром-шумомером,
- ZETLAB SENSOR – программное обеспечение, поставляемое с цифровыми датчиками ZETSENSOR.
Узкополосный спектр входит в группу программ Анализ сигналов