机械工程测试信息信分析课件-第1章.ppt

1、04:10,1,MEASUREMENT INFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING,机械工程测试信息信号分析,汽车工程学院,04:10,2,前言,1、研究生阶段学习 目标、职业规划： 导师、研究课题的选择： 为人，心态：诚，平和、淡定 2、国际化？ 3、参考教材 奥本海默 信号与系统 吴湘淇 信号、系统与信号处理 杜润生 本科生教材 专题研究参考书,04:10,3,前言,4、学习工具 软件 Matlab 5、讲课内容 4个专题讲座: 专题1 时频分析 专题2 小波分析 专题3 高阶谱分析 专题4 Hilbert-Huang 变换

2、6、实验,04:10,4,教材,教材 1 卢文祥，杜润生 。机械工程测试 信息 信号分析（第三版），武汉：华中科技大学出版社，2014.5。 2 卢文祥，杜润生 。机械工程测试 信息 信号分析习题例解，华中科技大学教材科，2003。,04:10,5,参考资料及相关数学知识,参考资料 TP 14 信息、信号类 TN 911 信号系统类 相关的数学知识 1. 积分变换 2. 概率论与数理统计 3. 随机过程,04:10,6,一、课程简介,名称：机械工程测试 信息 信号分析 测试 具有试验性质的测量 工程测试 工程中物理量为研究对象的测试 机械工程测试 应用背景广泛的机械领域 信息 事物运动的状态和

3、方式 信号 信息的载体 信号分析 研究信号的构成和特征 以信息为核心，研究工程中信息的获取。 课程的理论基础：信息理论。 主要研究内容：工程信息的获取、传输、转换、分析、变换、处理、显示及应用。,04:10,7,考核评分标准,考核评分标准 平时成绩 10% 作业 20% 期末考试 60% 考试方式待定,04:10,8,二、工程测试方法,测试对象的特征 动态 被测量是时间 t 的函数 f (t ) 测试方法 非电量电测法,04:10,9,例：电机振动测量及频谱分析,04:10,10,图 电动机在线识别,在某电动机生产线上，利用频谱诊断技术实现电动机在线自动识别、分类的过程。,例：电机故障诊断,0

4、4:10,11,例：电机故障诊断实验步骤,具体检测步骤如下： （1）将装有微型加速度计的测头接触传送带上运送的电动机； （2）检测电动机的振动信号，经放大器后输入FFT分析仪； （3）将检测得的振动频谱与预先在分析仪中设定的判别谱进行比较； （4） 进行合格与否判断，输出判断信号。,04:10,12,例：电机故障诊断实验结果,上图分别为典型合格品与废品的振动频谱。 图中可看出，废品的频谱图中往往在某一频率有较大的幅值。,04:10,13,第二章 信号分析基础,主要内容 一、信号的概念 二、信号的描述 三、信号的分类 四、信号处理的目的、步骤 五、典型信号介绍 六、信号的基本运算,04:10,1

5、4,一、信号的概念,信号是反映（或载有）信息的各种物理量，是系统直接进行加工、变换以实现通信的对象。 信号是信息的表现形式，信息则是信号的具体内容。传输信息的载体称为信号 自然和物理信号 例如：语音、图象、 地震信号、生理信号等 实例：雨声、地震信号,04:10,15,一、信号的概念,自然和物理信号 例如：语音、图象、地震信号、生理信号等 实例：人的心音，弓头鲸发出的声音,图 正常心音时域波形图,图 房室隔缺损病人心音时域波形图,印尼大地震震前次声异常信号分析,04:10,17,印尼大地震震前次声异常信号分析,2004年12月26日印尼苏门答腊岛附近印度洋海域的地震震级高达9. 0 (MW 9

6、. 0),04:10,18,一、信号的概念,人工产生的信号 例如：雷达信号、通讯信号、医用超声信号、机械探伤信号等 实例：雷达信号、机械声音,04:10,19,二、信号描述方法-数学,数学描述 使用具体的数学表达式，把信号描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。,因此，常可将“信号”与“函数”和“序列”等同起来,04:10,20,信号描述方法-时域波形,波形描述 函数的图象称为波形 用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。横坐标为时间或整数。,04:10,21,信号描述方法-波形绘制,04:10,22,信号描述方法-频谱图,横坐标为频率：(),f,04

7、:10,23,信号描述方法-时频分析,时间,频率,能量,STFT,The instantaneous frequency increases linearly with time,04:10,24,信号描述方法-时频分析,1,信号由三个不同频率的正弦波组成，但频率在不同的时候存在,时间,频率,04:10,25,信号描述方法-时频分析,弓头鲸发出声音的联合时频分布曲线,时间,频率,能量,/brp/listen-to-project-sounds/soundfiles/BowSong2000.au,弓头鲸发出的声音,04:10,26,三、信号的

8、分类,1. 按能否用明确的数学关系式描述分类 确定性信号 非确定性信号 2. 按信号的功率和能量是否有限分类 功率信号 能量信号 3. 按函数的自变量存在范围分类 时限信号 频限信号 物理可实现信号 4. 按自变量是否连续分类 连续信号 离散信号,04:10,27,三、信号的分类,04:10,28,三、信号的分类,确定信号与非确定性信号 要点：给定的自变量的值，是否可以唯一确定信号的取值。 区分方法：任意给定一个自变量的值，如果可以唯一确定其信号和取值，则该信号是确定信号，否则，如果取值是确定的随机值，则是随机信号。 非平稳随机信号是非确定性信号。,04:10,29,三、信号的分类,周期信号与

9、非周期信号 经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件 T周期，T2/0, 0基频; n0，土l，. 周期T(正值)，最小T值。 非周期信号可以视为是周期T无穷大。 例，机械系统回转体不平衡引起的振动信号是周期性的。,简单周期信号:正余弦信号,复杂周期信号,04:10,30,三、信号的分类,非周期信号 瞬变非周期信号 非周期信号往往具有瞬变性。,准周期信号 组成信号的各频率相互间不是公倍关系，合成信号不满足周期条件,04:10,31,三、信号的分类,瞬态信号:持续时间有限的信号，如,04:10,32,三、信号的分类,非确定性信号,噪声信号(平稳),04:10,33,三、信号的分类,非确定性信号-

10、平稳随机信号 统计特征参数不随时间变化的随机信号，概率密度函数为正态分布 集平均与子集平均,04:10,34,三、信号的分类,平稳随机信号-各态历经信号 若一个平稳随机信号的集平均等于任一子集的时间平均值，则称为各态历经信号。,集平均,04:10,35,三、信号的分类,时间连续信号与时间离散信号 信号的自变量是否在整个连续区间内都有定义?,定义域连续？,NO,时间离散信号,YES,时间连续信号,通常被称为“序列”,时间连续信号:在所有时间点上有定义,04:10,36,三、信号的分类,模拟信号与数字信号 模拟信号的定义域和值域都有是连续的； 数字信号在定义域和值域都是离散的。,适合于计算机处理,

11、04:10,37,三、信号的分类,因果信号与非因果信号 如果信号在时间零点之前，取值为零，则称为因果信号，为物理可实现信号，又称为单边信号，满足条件：t0时，x(t) = 0，即在时刻小于零的一侧全为零。,表示信号不能在过去存在(有值)！ 也表示信号的产生是符合逻辑的！,04:10,38,三、信号的分类,因果信号与非因果信号 不是因果信号，就是非因果信号。在时间零点之前信号有值（或存在），则称为反因果信号，是物理不可实现信号：在事件发生前(t0)就预知信号。,04:10,39,三、信号的分类,能量信号与功率信号,信号的能量定义为：所分析的区间（-，），能量为有限值的信号称为能量信号，如一般持续

12、时间有限的瞬态信号。,离散时间信号,连续时间信号,04:10,40,三、信号的分类,能量信号与功率信号,信号的功率定义为：在所分析的区间（-，），能量不是有限值。研究信号的平均功率更为合适。如：一般持续时间无限的信号,离散时间信号,连续时间信号,04:10,41,三、信号的分类,时限信号与频限信号 时限信号 矩形脉冲、三角脉冲、余弦脉冲,时域无限 周期信号、随机信号、指数衰减信号 频域无限 白噪声,04:10,42,三、信号的分类,实值信号与复值信号,如果信号的取值是实数，则称为实值信号。 如果信号的取值是复数，则称为复值信号。,复信号是为了研究方便而引入的,复值信号： Richard Lyo

13、ns: Quadrature Signals: Complex, But Not Complicated.,04:10,43,四、信号处理及其目的,信号处理,对信号进行提取、变换、分析和综合等处理过程的统称。,信号处理的目的,去伪存真,特征抽取,编码解码,去除信号中冗余的和次要的成分，包括不仅没有任何意义反而会带来干扰的噪音。,把信号变成易于进行分析和识别的形式。,把信号变成易于传输、交换与存储的形式（编码），或从编码信号中恢复出原始信号（解码）。,04:10,44,四、数字信号处理的步骤,04:10,45,五、典型信号-指数信号,(1)指数信号：,重要特性：其对时间的微分和积分仍然是指数形式

14、。,单边指数信号,通常把 称为指数信号的时间常数，记作 ,代表信号衰减速度，具有时间的量纲。,l 指数衰减,l 指数增长,l 直流(常数),K,O,04:10,46,典型信号-正余弦信号,(2)正余弦信号：余弦信号与正弦信号相位上相差/2，统称为正弦型信号（简称正弦信号）。工业和照明用电信号,说明： (1) K为振幅 (2) 为角频率 (3)为初相位,正弦信号,余弦信号,重要特性：正弦信号对时间的微分与积分仍然是同频率的正弦信号。,04:10,47,典型信号-单位冲激信号,(3)单位冲激信号(t) ：,信号定义：非常规的定义方法,引入原因：描述自然界中那些发生后持续时间很短的现象，1930年狄

15、拉克量子力学。广义函数。,函数极限角度看,函数面积角度看,04:10,48,典型信号-单位冲激信号,(3)单位冲激信号(t) ：理想函数，物理不可实现信号 函数在原点为无穷大；单位为1(或任意数k)；冲击力无穷大，冲击能量为有限值 波形表示： 在冲激点处画一条带箭头的线，线的方向和长度与冲激强度的符号和大小一致。,冲激点在t0、强度为E的冲激信号,04:10,49,典型信号-单位冲激信号,特点： 1）乘积特性（抽样）,对信号的抽样经常用到冲激串,04:10,50,典型信号-单位冲激信号,特点：,2）积分特性（筛选）,3）卷积特性,04:10,51,典型信号-单位冲激信号,特点： 4）对称性：偶

16、函数,5）时域压扩性,04:10,52,典型信号-单位冲激信号,函数变换： 1）拉氏变换,2）傅氏变换,04:10,53,典型信号-单位采样序列,定义：,n=0； 单位延时 k延时,04:10,54,典型信号-Sinc函数,(4)Sinc (Sa)函数： 闸门（抽样）函数 矩形脉冲的频谱为sinc(t)型函数 滤波函数 任意信号与sinc(t)型函数进行时域卷积时，实现低通滤波。 内插函数 采样信号复原时，在时域由许多sinc(t)型函数叠加而成，构成非采样点的波形,04:10,55,典型信号-Sinc函数,(4)Sinc函数特点,特点： (1) Sinc函数是偶函数 (2) 过零区间宽度 (

17、3) Sinc函数过零位置 t=、 2、 n,04:10,56,典型信号-复指数信号,(5)复指数信号：永存指数,欧拉公式：复指数信号与正余弦信号之间的关系,04:10,57,典型信号-复指数信号,(5)复指数信号：Eulers formula证明,04:10,58,频率,典型信号-复指数信号,(5)复指数信号：永存指数,(1) S为实数，=0 =0 直流 0 升降指数,放大,(2) S为虚数， =0 实部 余弦 虚部 正弦,(3) S为复数,0 , 0 实部 余弦指数 虚部 正弦指数,-,04:10,59,典型信号-复指数信号,复指数函数性质 （1）实际中遇到的任何时间函数总可以表示为复指数

18、函数的离散和与连续和。,（2）复指数函数 est 的微分、积分和通过线性系统时总会存在于所分析的函数中。,04:10,60,典型信号-高斯信号,(6)高斯信号：,特点： (1) 形状象一口钟，故有时也称钟形脉冲信号 (2) 在随机信号分析中有重要地位，可以通过均值和方差来完全描述,04:10,61,典型信号-单位斜变信号,(7)单位斜变信号R(t)：,截顶的单位斜变信号：,04:10,62,典型信号-单位阶跃信号,(8)单位阶跃信号u(t)：,特点： (1) 与单位斜变信号是积分/微分关系 (2) 用于描述分段信号,04:10,63,典型信号-单位阶跃序列,单位阶跃序列u(n)定义,u(n) ； 单位延时u(n-1) ； k延时u(n-k),04:10,64,典型信号-单位矩形脉冲信号,(9)单位矩形脉冲信号G(t)：,脉高：矩形脉冲的高度,脉宽：矩形脉冲的宽度,信号四则运算,04:10,65,典型信号-符号函数,(10)符号函数Sgn(t)：,用以表示自变量的符号