Forståelse af spektral lækage

Definition: Hvad er spektral lækage?

Spektral lækage er en form for målefejl, der opstår under Hurtig Fourier-transformation (FFT) analyse af et signal. Det er "udtværing" eller spredning af energi fra en enkelt, diskret frekvenstop til tilstødende frekvensområder. Denne lækage kan forvrænge amplituden og frekvensen af det sande vibrationssignal, hvilket potentielt maskerer mindre signaler eller fører til en unøjagtig diagnose.

Grundårsagen: Diskontinuitet

Spektral lækage skyldes en overtrædelse af FFT'ens grundlæggende antagelse. FFT-algoritmen antager, at den endelige blok af tidsbølgeformdata, den analyserer, er en enkelt, perfekt gentagende cyklus af et periodisk signal. For at være perfekt periodisk skal signalets værdi i slutningen af tidsblokken være identisk med dets værdi i begyndelsen.

I praksis er det næsten umuligt at indfange en tidsblok, der indeholder et præcist heltal cyklusser for hver frekvenskomponent, når man analyserer et vibrationssignal fra den virkelige verden. Dette resulterer i en diskontinuitet hvor slutningen af signalet ikke stemmer overens med begyndelsen. FFT-algoritmen fortolker dette skarpe spring som en højfrekvent transient begivenhed, der minder om et stød. Denne kunstige transient indeholder energi, der ikke er en del af det oprindelige signal, og det er denne energi, der "lækker" ud over et bredt frekvensområde i det resulterende spektrum.

Virkningerne af spektral lækage

Udtværing af energi forårsaget af spektral lækage har to negative hovedeffekter:

1. Reduceret amplitudepræcision: Den energi, der burde have været koncentreret i en enkelt frekvensbeholder, er nu spredt ud over mange. Dette forårsager, at amplituden af hovedtoppen er lavere end dens sande værdi, mens amplituderne af de tilstødende "sidelobe"-beholdere kunstigt hæves.
2. Reduceret frekvensopløsning: Lækagen kan være så alvorlig, at den fuldstændigt skjuler mindre, nærliggende frekvenstoppe. Et lille signal fra en lejefejl kan for eksempel gå fuldstændig tabt i "skørtet" af lækagen fra en stor 1X ubalancetop.

Løsningen: Vinduer

Spektral lækage kontrolleres ved hjælp af vinduesinddeling funktioner. Et vindue er en matematisk funktion, der ganges med tidsbølgeformdataene, *før* den sendes til FFT'en.

Det mest almindelige vindue, der bruges til dette formål, er Hanning-vindueHanning-vinduet har en glat klokkeform, der tilspidses signalet ned til nul i både begyndelsen og slutningen af tidsblokken. Denne tilspidsede handling tvinger enderne af signalet til at matche, hvilket effektivt eliminerer den kunstige diskontinuitet.

Ved at præsentere FFT'en med et jævnt periodisk signal reducerer vinduesfunktionen dramatisk spektral lækage. Dette resulterer i et meget renere spektrum med skarpere toppe og et lavere støjniveau, hvilket muliggør en mere præcis og følsom analyse.

← Tilbage til hovedindekset