2中的信号分析.ppt

* 华中科技大学机械学院 * 华中科技大学机械学院 第二章、信号分析基础 2.1 信号的分类　　　 2.2 信号的时域统计分析 2.3 信号的幅值域分析 2.4 信号的频域分析 2.5 信号的相关分析 2.6 卷积 目的： （1）理解信号的定义； （2）掌握信号描述方法及信号分类 （3）理解信号分析中的常用函数及性质 （4）掌握信号的时域波形分析方法，幅值域分析方法 信号（signal）：随时间或空间变化的物理量 2.1 信号的分类 一、信号的概念及其描述方法 自然和物理信号 人工产生信号经自然的作用和影响而形成的信号 信号是信息的载体，信息蕴含于信号中。(举例) 信号与信息的关系？ 信号分析与处理（Signal Analysis and Processing）不考虑信号的具体物理性质，将其抽象为变量之间的函数关系，从数学上加以分析研究，从中得出具有普遍意义的结论 信号的描述： 一般可以从三个变量域来描述信号：幅值域、频率域、时间域。 （1）信号的时域描述 以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值随时间变化的关系 波形图：时间为横坐标的幅值变化图 优点：形象、直观 缺点：不能明显揭示信号的内在结构（频率组成关系） （2）信号的频域描述 应用傅立叶级数或傅立叶变换，对信号进行变换，以频率为独立变量建立信号幅值相位与频率的函数关系 频谱图：以频率为横坐标的幅值、相位变化图 幅值谱：幅值—频率图 相位谱：相位—频率图 频域描述抽取信号内在的频率组成及其幅值和相角的大小，描述更简练、深刻、方便。 用于研究被测对象的振动特性、振型和动力反应等。 （3）信号的幅值域描述 信号在某一范围内的幅值出现的概率。 多用概率密度函数表示。 不同的信号有不同的概率密度图形，可以借此来识别信号的性质。 注意：信号在不同域的描述仅仅是从不同角度去认识同一事物，并不会改变信号的本质，但是可以从不同变量域中的不同描述取得不同的信息。 通过付氏分析可以将信号在时间域和频率域之间互相转换。 1. 确定性信号与非确定性信号 不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。 二、信号的分类 在信号分析中，以信号所具有的时间函数特性分类：确定性信号与非确定性信号、能量信号与功率信号、时限信号与频限信号、连续信号与离散信号等。 确定性信号 能用明确数学关系式或图像表达的信号。 a) 周期信号（Period Signal）： 经过一定时间可以重复出现的信号 数学表示： x(t)=x(t+nT0) （n=±1，±2，……） 周期T0：满足上式的最小T值。 T0=2π/ω0=1/f0 频率：周期的倒数，f=1/T。单位：赫兹（Hz） 圆频率/角频率ω：频率乘以2π。 即 ω=2πf =2π/T 周期： 角频率： 简单 复杂 可看成由若干频率比为有理数的正弦信号叠加而成，存在公共周期 例：某钢厂减速机上测得的振动信号波形(测点3)，可以近似地看作为周期信号。 机械系统中，回转体不平衡引起的振动，往往也是一种周期性运动。 b) 非周期信号：也常称为瞬变信号。持续时间有限的信号。 如单自由度振动模型在脉冲力作用下的响应。 例如，锤子的敲击力、承载缆绳断裂时的应力变化、热电偶插入加热炉中温度的变化过程等， C）准周期信号：由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数，因而无法按一时间间隔周而复始重复出现。如 是两个正弦信号的合成，其频率比不是有理数，不成谐波关系。 这种信号往往出现于通信、振动系统，应用于机械转子振动分析、齿轮噪声分析、语音分析等场合。 不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。 根据是否满足平稳随机过程的条件又可以分成平稳随机信号和非平稳随机信号。 非确定性信号（随机信号） 加工过程中螺纹车床主轴受环境影响的振动信号波形 汽车奔驰时所产生的振动、飞机在大气流中的浮动、树叶随风飘荡、环境噪声等。 2. 能量信号与功率信号 a)能量信号 在所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件： 一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。 信号瞬时功率： 信号能量： b)功率信号 在所分析的区间（-∞，∞），能量不是有限值。 一般持续时间无限的信号都属于功率信号 但在有限区间的平均功率是有限的: 3. 时限与频限信号 a) 时域有限信号 在时间段 (t1，t2)内有定义，其外恒等于零． b) 频域有限信号 在频率区间(f1，f2 )内有定义，其外恒等于零． 三角脉冲信号 正弦波幅值谱 一个严格的频限信号， 不能同时是时限信号； 反之亦然 时间有限信