Pochopení výkonové spektrální hustoty
Definice: Co je to výkonová spektrální hustota?
Spektrální hustota výkonu (PSD) je reprezentací vibrace rozložení energie napříč frekvencí, vyjádřené jako energie na jednotku frekvenčního pásma (jednotky: (m/s²)²/Hz pro zrychlení, (mm/s)²/Hz pro rychlost). Na rozdíl od standardního amplitudové spektrum PSD, která ukazuje amplitudu na každé frekvenci, ukazuje, jak je vibrační výkon rozložen napříč frekvencí, přičemž hodnoty jsou normalizované šířkou pásma frekvenčního rozlišení. Tato normalizace činí PSD nezávislou na šířce pásma analýzy, což umožňuje smysluplné srovnání mezi spektry měřenými s různým nastavením rozlišení.
PSD je obzvláště důležité pro analýzu náhodných vibrací (kde je energie rozložena spojitě napříč frekvencí, spíše než koncentrována v diskrétních špičkách), pro analýzu šumu a pro aplikace vyžadující spektrální charakterizaci nezávislou na šířce pásma, jako jsou vibrační testy a kvalifikace vlivů na prostředí.
PSD vs. amplitudové spektrum
Amplitudové spektrum
- Zobrazuje vibrace amplituda na každé frekvenci
- Jednotky: mm/s, m/s², mil atd.
- Špičkové amplitudy na diskrétních frekvencích (nevyváženost, poruchy ložisek)
- Hodnoty závisí na šířce pásma rozlišení FFT
- Standardní displej pro diagnostiku strojů
Spektrální hustota výkonu
- Zobrazuje vibrační výkon na Hz šířky pásma
- Jednotky: (mm/s)²/Hz, (m/s²)²/Hz atd.
- Rozložení energie napříč frekvencí
- Nezávisle na šířce pásma analýzy
- Standard pro analýzu náhodných vibrací
Vztah
- PSD = (Amplituda)² / Δf
- Kde Δf = frekvenční rozlišení (šířka intervalu)
- Kvadratura zdůrazňuje velké amplitudy
- Normalizace je nezávislá na šířce pásma
Aplikace
1. Analýza náhodných vibrací
Primární aplikace PSD:
- Náhodné procesy: Turbulence, vibrace vozovky, seismické, akustické
- Kontinuální spektra: Energie rozložená napříč frekvencí, nikoli diskrétní vrcholy
- Statistický popis: PSD popisuje náhodné rozdělení energie procesu
- Standardní formát: Specifikace vibračních zkoušek v PSD
2. Charakterizace širokopásmového šumu
- Kavitace hluk v čerpadlech
- Turbulentní hluk proudění ve ventilátorech
- Aerodynamický hluk
- Charakterizace hluku z vad ložiska
3. Porovnání nezávislé na šířce pásma
- Porovnejte spektra naměřená s různými nastaveními FFT
- Data z různých přístrojů nebo rozlišení
- Historická data s různými parametry analýzy
- Hodnoty PSD přímo srovnatelné bez ohledu na šířku pásma
4. Testování vlivů na životní prostředí
- Specifikace vibračních zkoušek udané jako PSD v závislosti na frekvenci
- Řízení třepacího stolu na základě PSD
- Testování kvalifikace produktu
- Normy pro nárazy a vibrace
Výpočet PSD
Z rychlé převodní funkce (FFT)
- Výpočet rychlé převodu (FFT) vibračního signálu
- Umocněte každou hodnotu amplitudy
- Vydělte frekvenčním rozlišením (Δf = Fmax / Počet řádků)
- Výsledek: PSD v (jednotkách)²/Hz
Jednotky
- Zrychlení PSD: (m/s²)²/Hz nebo g²/Hz
- Rychlostní PSD: (mm/s)²/Hz nebo (palce/s)²/Hz
- PSD posunutí: (µm)²/Hz nebo (mil)²/Hz
- Často vykresleno: Logaritmická stupnice (dB vzhledem k referenční hodnotě)
Interpretace PSD grafů
Ploché spektrum (bílý šum)
- Konstantní PSD napříč frekvencí
- Stejná energie na Hz na všech frekvencích
- Charakteristika širokopásmových náhodných vibrací
- Příklad: Ideální náhodné vibrace pro testování
Šikmé spektrum (barevný šum)
- PSD se mění s frekvencí
- Rostoucí sklon: více energie při vysokých frekvencích
- Klesající sklon: více energie při nízkých frekvencích (běžné u strojů)
- Sklon označuje frekvenční rozložení energie
Vrcholy v PSD
- Diskrétní frekvenční složky se objevují jako vrcholy nad obecnou úrovní
- Rezonance se projevují jako zvýšené oblasti PSD
- Dokáže identifikovat dominantní frekvence přispívající k energii
Vztah k efektivní hodnotě (RMS) a celkové energii
Celková energie z PSD
- Integrace PSD napříč frekvenčním rozsahem
- Výsledek: Střední kvadratická hodnota
- Druhá odmocnina udává efektivní hodnotu (RMS)
- RMS = √[∫ PSD(f) df]
Energie ve frekvenčních pásmech
- Integrace PSD v daném frekvenčním rozsahu
- Dává energii v tom pásmu
- Užitečné pro posouzení příspěvku různých frekvenčních rozsahů
Výhody PSD
Nezávislost na rozlišení
- Hodnoty PSD srovnatelné bez ohledu na rozlišení FFT
- Umožňuje porovnání historických dat s různým nastavením
- Standardizuje analýzu napříč různými nástroji
Energetická reprezentace
- Přímo reprezentuje rozložení vibrační energie
- Čtvercové hodnoty zdůrazňují dominantní frekvence
- Přirozené pro analýzu založenou na energii
Statistický rámec
- PSD je základem teorie náhodných vibrací
- Umožňuje pravděpodobnostní analýzu
- Podporuje predikci únavové životnosti z náhodného zatížení
Kdy použít PSD
Použijte PSD, když:
- Analýza náhodných vibrací nebo šumu
- Porovnání dat s různými šířkami pásma analýzy
- Dodržování testovacích specifikací ve formátu PSD
- Charakterizace procesů širokopásmového připojení
- Vyžaduje se analýza založená na energii
Použijte amplitudové spektrum, když:
- Rutinní diagnostika strojů
- Identifikace diskrétních frekvencí poruch
- Trendy specifických komponent
- Hodnoty amplitudy s přímým významem
Spektrální hustota výkonu (PSD) je základní koncept v analýze náhodných vibrací a poskytuje spektrální charakterizaci nezávislou na šířce pásma. I když se pro rutinní diagnostiku strojů používá méně často než amplitudová spektra, je nezbytná pro aplikace s náhodnými vibracemi, analýzu šumu a jakoukoli situaci vyžadující porovnání spekter naměřených s různými analytickými parametry nebo z různých přístrojů.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 