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ArtemiS SUITE中的阶次分析

2020-09-25 21:08:10·  来源：海德声科 HEAD acoustics  
　
这期分享ArtemiS SUITE中的阶次分析常规设置和计算方法。频谱分析对于NVH工程师来说应该是耳熟能详了，它是基于时域以等时间间隔采样后经过FFT把信号从时域转换
这期分享ArtemiS SUITE中的阶次分析常规设置和计算方法。
    
频谱分析对于NVH工程师来说应该是耳熟能详了，它是基于时域以等时间间隔采样后经过FFT把信号从时域转换到频域，能有效分析信号全局意义上的频率和能量分布，适用于绝大部分稳态信号。而用频谱分析非稳态信号时，常出现频率模糊现象，无法真实有效地反映频率特性和时变规律，尤其是针对发动机、电机或旋转机械的阶次噪声和轴承齿轮转子等故障诊断问题，因此引入阶次对于振动噪声分析有着举足轻重的作用。
阶次分析与频谱分析方法一样，也可理解为阶次分析的本质就是频率（可变频率），而频率、阶次和转速的关系如下：
 
 
阶次和频谱分析二者都是基于傅里叶变换。频谱分析基于对采集的时域信号做傅里叶变换得到频谱，而阶次分析基于对信号进行等角度域采样再进行傅里叶变换得到阶次谱。在非平稳信号中，转速不断变化，因此频率也在变，如果采用基于时域的等时间间隔采样会导致高转速采样点数不足而损失信号特征，而基于等角度域采样的阶次谱能很好地表征其特点（图1-1）。
 
图1-1阶次谱与频谱
ArtemiS SUITE中关于Order Spectrum vs. RPM有三种计算方法：
1）Variable DFT-Length/可变时长离散傅里叶变换
频谱分析时只要谱线数确定，那么傅里叶变换截取的时间块和频率分辨率就确定，但在转速与振动噪声关联的阶次分析中，振动噪声会随着转速变化，所以DFT截取的时间块也会随着转速变化，并且和阶次分辨率成负相关，关系如下：
 
公式中截取时间块长度由转速和阶次分辨率共同决定，当阶次分辨率不变时，转速越高时间长度就越短，就能更好地获取转速变化特征，尤其在高转速时，从而更加精确追踪转速变化，实现阶次分析。
 
 
图1-2 Variable DFT-Length

2）RPM-Synchronous Resampling/转速同步重采样
可变时长DFT算法仍是基于时域信号的等时间间隔采样并且认为在每个内转速恒定（阶次频率恒定），所以对于短时间内转速急剧变化的工况而言，该算法就会出现上述提到频率模糊现象。因此为避免模糊现象，建议采用基于等角度的转速同步采样算法，也称阶次跟踪。阶次跟踪主要分两步：第一步，对振动噪声信号等时间间隔采样，同时以恒定的采样率对转速或脉冲信号进行采样得到同步信号，为保证采样精度和后期精准的阶次分析，对转速和脉冲通常采用过采样技术，即以高于Nyquist采样定理的频率进行采样；第二步，对已采样得到的时域信号进行等角度插值重采样，运用拟合插值算法将时域的非平稳信号转换为角度域平稳信号。首先通过转速脉冲信号计算每个脉冲间隔内的等角度采样发生的时刻序列，然后在计算出的时刻序列附近对振动噪声信号实现插值重采样，最后再进行DFT分析，则可以得到等角度重采样的阶次信号。
 
 
  
该计算方法主要运用在：
  • 转速急剧变化的工况
  • 需要分析更高的阶次
  • 期望获得更高的阶次分辨率
 
图1-3 转速急剧变化工况下DFT与转速同步采样结果对比
  
3）Time Domain Average/时域平均
该分析方法也是基于转速同步重采样，与算法2的不同主要在于会对具有相同相位和相同转角的数据进行平均，目的在于有效抑制转速中的不同步信号，避免因为转速波动而导致阶次波动。随着平均次数的增加，不同相位的信号被抑制的越严重，从而保证分析阶次的相对平稳性和同相位。在发动机Runup_ RPM2000-4000过程中存在背景白噪声，采样后分别用RPM-sync和TDA分析。由于白噪影响，RPM-sync分析的20阶贡献量小，基本被掩蔽掉，并且整个量级发生平移。而TDA则相反，在相位抑制作用下，2、4、10和20 仍为主贡献阶次，显然在该工况下更符合分析需求（见图1-4）。
 
图1-4 DFT与转速同步采样结果对比
以上三种分析方法的特点可以用一张图表来总结：
 
关于我们
 
海德声科（HEAD acoustics China）是全球领先的声学解决方案及声音与振动分析领域供应商HEAD acoustics GmbH在中国设立的子公司。HEAD acoustics凭借其在声学领域的专业性和相关软硬件研发的先驱地位，在NVH、声学和语音音频质量的测量、分析和优化领域广受赞誉。其产品和服务广泛用于汽车、电信，IT设备、办公用品和家电行业的制造商和研究机构，以及在声音环保领域的企业与院所等。
 
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