华科机械工程测试信息信号专题1-时频题库.ppt

STFT的时间-频率分辨率 1、理想的时间分辨率 分析窗为无穷窄。可选择?(t)函数作为窗函数，则： STFT退化为x(t)，保留了信号的所有时间变化，失去了频率分辨率 2、理想的频率分辨率 选择理想的频率分辨率，用不变窗?(t)?1，则： STFT变为傅里叶变换，没有提供任何时间分辨率。 短时傅立叶变换本质 STFT 方法最大的优点是容易实现 STFT 分析实质上是限制了时间窗长的Fourier分析。 STFT只能选定一个固定的窗函数, 且STFT 分析受限于不确定性原理, 较长的窗可以改善频域解但会使时域解变糟; 而较短的窗尽管能得到好的时域解, 频域解却会变得模糊。 短时傅立叶变换的进一步解释 时域加窗再滑动时窗 红带是固定时间t得到的加窗变换结果，得到t附近的“局部频谱” 红带在时间轴上滑动(窗滑动)，得到所有时刻的“局部频谱”。 频域带通滤波再滑动中心分析频率 绿带是通过中心分析频率为f得到的滤波结果。 绿带在频率轴上滑动(选不同中心分析频率的带通滤波器)，得到所有频率的滤波结果。 [t+th-0.5△th, t+th-0.5△t h] [f+fH-0.5△ fH, t+ fH +0.5△ fH] 短时傅立叶变换的其它问题 STFT逆变换 原信号是按一系列“基信号”的时频展开 STFT的离散实现 分断截取：通过滑移加窗处理得到离散的短序列 谱估计：对各短序列进行谱估计，可以直接利用FFT进行计算 短时功率谱(STP) STFT在轴承故障诊断中的应用(1-1) 研究背景 与其他机械零部件相比，滚动轴承寿命离散性很大。 轴承故障诊断的发展经历了以下几个阶段 第一阶段利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。 第二阶段利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。 第三阶段利用共振解调技术诊断轴承故障。 第四阶段以计算机为中心的故障诊断。 基于信号处理技术诊断方法而言，可以分为两大类 基于传统信号处理的故障诊断方法，如频谱分析法、幅值参数指标分析法、冲击脉冲法、共振解调法等 基于现代信号处理的故障诊断方法，如现代谱分析法、时频分析法、非高斯信号处理法、非线性技术处理法、智能诊断法等方法。 STFT在轴承故障诊断中的应用(1-2) 研究背景 故障轴承的振动信号特征：局部冲击性 STFT在轴承故障诊断中的应用(2) 诊断方法 通过滑动窗，可以从噪声背景中检测出信号的冲击和突变 STFT在轴承故障诊断中的应用(3) 诊断过程 分段采样 STFT 特征抽取 短时AR分析在发动机诊断中的应用(1) 柴油机工作原理 四冲程：每720度作功一次。一个冲程曲轴转角180度 。 (1) 进气行程：活塞由上止点移至下止点。进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。工质是纯空气。进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85～0.95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300～340K，比汽油机低。 (2) 压缩行程：进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。工质是纯空气，柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16～22)。压缩终点压力3000～5000kPa，压缩终点温度750～1000K(柴油自燃温度约520K)。 (3) 做功行程：活塞接近上止点 ，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5000～9000kPa，最高温度达1800～2000K。 (4) 排气行程：排气门开启，进气门关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气温度比汽油机低。一般700～900K。 动画演示 短时AR分析在发动机诊断中的应用(1) 柴油机工作原理 二冲程：四冲程柴油机，进排气两个冲程，活塞的功用相当于一个空气泵。二冲程柴油机，曲轴每转一转，即活塞每两个冲程完成一个工作循环，为进排气安装专用扫气泵(增压器)。 第一冲程—活塞从下止点向上止点运动。当活塞处下止点时，排气阀和进气孔已打开，贮气室的压缩空气进入气缸内，并冲向排气阀，自动清除废气，气缸内充满新空气。当活塞由下止点向上止点运动时，进气孔首先由活塞关闭，然后排气阀也关闭；空气在气缸内受到压缩。 第二冲程—活塞从上止点向下止点运动。活塞行至上止点前，喷油器将燃油喷入燃烧室中，压缩空气所产生的高温，点燃雾化的燃油，燃烧所产生的压力，推动活塞下行，直到排气阀再打开时为止。燃烧后的废气在内外压力差的作用下，自行从排气阀排出。当进气孔被活塞打开后，气缸内又进行扫气过程。 动画演示 短时AR分析在发动机诊断中的应用(1) 研究背景 利用缸盖表面振动信号进行柴油机潜在故障的诊断 缸盖振动信号具有局部冲击