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项目设计报告
动态测试信号采集仿真与实例分析
摘要:
测试技术项目设计,包括信号仿真,信号采集,分析与处理等内容。
以课程所教授的信号分析处理基本原理为基础,结合matlab等计算机软件的使用完成对信号的仿真,采集,分析处理等操作,并根据获得的时域,频域图,分析得出正确结论。
由此加深对于使用傅里叶变换等方法处理信号,以及对信号频谱含义的理解,并使熟悉使用matlab软件仿真,处理信号的常用方法。
关键词;信号处理;matlab;傅里叶变换;频谱
1项目设计内容
项目设计围绕课程讲授的动态信号采集、分析与处理的基本原理与方法进行,包括以下三个部分内容:
1.1信号仿真、采集与分析处理
1.1.1内容:
信号采集过程中一般需要考虑以下几个参数:
信号频率、采样频率、采样长度等,不同参数的数值设定对于信号采集的效果会产生直接影响,为了掌握信号采集过程中这些参数对采集过程及其效果产生的影响,可以通过Matlab或C语言对信号采集与分析处理的过程进行仿真分析,具体要求如下:
利用Matlab或C语言产生信号x(t),
其中:
f1=50Hz、f2=200Hz、f3=1000Hz;
n(t)为白噪声,均值为零,方差为0,7;
幅值、相位任意设定;
对上述等式进行DFFT处理。
1.1.2处理过程:
使用matlab处理,代码如下:
N=512;
fs=2500;
n=0:
N-1;
t=n/fs;
n1=randn(1,N);
n1=n1-mean(n1);
n1=n1/std(n1);
n1=n1*sqrt(0.7);
y=1*sin(50*2*pi*t+pi/3)+2*sin(100*2*pi*t+2*pi/3)+4*sin(1000*2*pi*t+pi)+n1;
y1=fft(y,N);
mag=abs(y1);
f=n*fs/N;
figure
(1);
subplot(2,1,1),plot(t,y);xlabel(['t/sN='num2str(N)])
subplot(2,1,2),plot(f,mag);xlabel(['频率/Hzfs='num2str(fs)]);
取
=1,
=2,
=4,
=pi/3,
=2*pi/3,
=pi;N=512
取不同的采样频率,采样点的到得到实验结果如下
图1
图2
图4
图3
图5
1.1.3讨论:
1)通过设置不同的采样频率,画出时域波形和傅里叶变换后的频谱图,讨论在采样点数一定的情况下,如1024点,采样频率对信号时域复现、频域分析的影响;
由图1,图2,图3可知频域图所能画出出频域范围为采样频率的一半,当信号中的最大频率成分大于采样频率的一半时,这些频率将会在傅里叶变换时失去,不会出现在时域图上,如图1,图2,因此采样频率需大于所需观察的最大频率成分的两倍。
采样频率变高观察峰值更方便。
同时由图1,图2,图3,可知采样频率越高,时域图的失真越小。
2)采样频率、采样长度(采样点数)与频率分辨率的关系;
由图1,图2,图3得采样频率越低,分辨率越高。
由图1,图4,图5得采样点越多,采样长度越长,分辨率越高。
3)通过设置不同幅值的信号与噪声,讨论噪声对信号时域分析和频域分析的影响;
图6
(设置白噪声方差为5)
图7
(设置白噪声平均值2)
图8
(设白噪声平均值10)
比较图1,图6得增大白噪声方差对时域图影响并不大,但会增加频域图中干扰信息。
比较图1,图7,图8,得增大白噪声均值,对时域影响不明显,但会使频域图中干扰增大很多,使原来的峰值逐渐不明显,当白噪声均值大于信号幅值很多时,将无法观察到原来的峰值。
1.2基于计算机的声信号采集与分析
1.2.1内容:
现代计算机具有对声音、视频进行采样的功能,把模拟信号转换为数字信号。
通过计算机上的麦克风及声卡与AD,录制各人在不同环境噪声、不同发声状态下讲话“机械工程测试与控制技术”语句(不少于3次,最好是他人的声音),利用软件转换语音数据文件为ASCII码,然后利用1.1的软件进行频谱分析,画出时域、频域图形。
1.2.2处理过程
使用蓝光MP3录音机分别录取三位同学的声音,保存为mp3格式,再用mp3read函数读入文件,绘制频域时域图形,代码如下。
[d1,fs]=mp3read('1.mp3');
fid=fopen('3.txt','wt');
fprintf(fid,'%g\n',d1);
fclose(fid)
subplot(3,1,1);
plot((0:
(length(d1)-1))/fs,d1);
xlabel('t/s')
d2=fft(d1,length(d1));
subplot(3,1,2);
d2=abs(d2);
plot(((0:
(length(d2)-1)))*fs/length(d1),d2);
xlabel('f/Hz')
subplot(3,1,3);
d2=d2(1:
(length(d2)/30))
plot(((0:
(length(d2)-1)))*fs/length(d1),d2);
xlabel('f/Hz(0-1500Hz)')
以下为三位同学讲话“机械工程测试与控制技术”的时域和频域图。
图9
图11
图10
图12
(采样长度为原来的1/2)
图12
1.2.3讨论:
1)该设置至少为多少的采样频率?
采样长度多长为合适?
在录音软件中设置的采样频率为44100Hz,则在matlab中采样频率不能低于44100Hz,否则会失真。
代码中直接使用读取文件是所得的采样频率进行分析。
取不同采样长度,发现采样长度越短,频域图越稀疏,在长度1/2时效果较好,如图12。
本代码中取采样长度与信号长度相等。
2)不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别?
根据你的分析,该怎样区分不同人员
的讲话声音?
时域图中不同人员发出相同的字音时的幅值大小不同,频域图中可知不同人员声音在频域图中主要分布范围不同,如图9,10,两个同学声音频率主要集中在100Hz左右的范围内,其他范围分布较少,而图11中同学的声音频率主要集中在500Hz左右。
可以对声音进行频谱分析,与不同人员声音样本进行比对从而区分其讲话声音。
3)要使他人不易识别你的讲话声音,该怎么处理?
使用变声器改变自己声音信号频率。
1.3机械运行数据分析与处理
1.3.1内容
采集一转子实验台的振动数据,利用上述分析方法对其进行频谱分析,得到其时域和频域特征,分析机器振动原因:
不平衡、不对中故障特征及其诊断方法。
转子实验台转速可调,采样频率建议为转速的64倍或128倍,采样点数2048点或4096点。
每人做一次实验,单跨转子,转速限定在3000rpm以下。
1.3.2处理过程
使用matlab读入实验所得的zc.txt(正常),bhp.txt(不平衡),bdz.txt(不对中)三个文件。
采用matlab绘制出的时域图非常密集,对故障分析效果不大,故在此处未使用。
对采集数据进行傅里叶变换,绘出频谱图。
代码及图像如下,
[t,y]=textread('zc.txt','%n%n');
f=fft(y,length(y));
mag=abs(f)
fs=1/0.001;
mag=mag(1:
(length(mag)/2))
plot((0:
(length(mag)-1))*fs/length(y),mag)
图13(正常)
图14(不平衡)
图15(不对中)
实验时轴转速为2600r/min。
1.3.3图表分析
转子频率即基频为f=2600/60=43.333Hz。
采样频率fs=1/0.001=1000Hz。
将上面不对中及不平衡的频谱图与转子正常转动时的频谱图比较可知:
1)转子不平衡频谱主要表现是基频幅值较大,其余几个倍频幅值较小;
2)转子不对中主要表现是一倍二倍,三倍频处幅值相对较大;
在对转子诊断时,可以以这些特征此为依据判断转子状态。
2.总结
通过本次项目设计,实际使用了课程中对于信号处理的基本方法,并学习了使用matlab软件仿真,处理信号的基本方法,提高了自己独立处理问题的能力,受益良多。
参考文献:
[1]贾民平等.测试技术.北京:
高等教育出版社.200145-57
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