Auto-Spektrum verstehen

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Definition: Was ist Auto-Spectrum?

Auto-Spektrum (auch Autospektrum, Leistungsspektrum oder einfach Spektrum genannt) ist die Frequenzbereichsdarstellung eines einzelnen Vibration Signal, das die Verteilung der Schwingungsenergie zeigt oder Amplitude als Funktion der Frequenz. Es wird berechnet, indem man die Schnelle Fourier-Transformation (FFT) des Signals und Anzeige der Größe jeder Frequenzkomponente. Der Begriff “Autospektrum” unterscheidet es vom Kreuzspektrum (das zwei verschiedene Signale in Beziehung setzt) und betont, dass es sich um das Spektrum eines Signals mit sich selbst handelt.

In der Praxis ist das Autospektrum das, was die meisten Leute einfach “das Spektrum” oder “FFT-Spektrum” nennen – es ist die Standard-Frequenzanalyseanzeige in Schwingungsanalysatoren, die Spitzen bei Unwucht, Lagerfehlerfrequenzen, Zahnradeingriff und andere Diagnosekomponenten. Das Verständnis, dass es sich technisch gesehen um ein Autospektrum handelt, ist wichtig, wenn Sie mit Mehrkanalanalysen arbeiten, bei denen Kreuzspektren und andere Korrelationsfunktionen ins Spiel kommen.

Mathematische Grundlagen

Berechnungsmethoden

Direkte FFT

• FFT des Zeitsignals berechnen
• Berechnen Sie die Größe jeder komplexen FFT-Komponente
• Anzeigegröße im Vergleich zur Frequenz
• Am häufigsten und einfachsten

Über Autokorrelation

• Berechnen Sie die Autokorrelationsfunktion des Signals
• Nehmen Sie die FFT der Autokorrelation
• Ergebnis ist Autospektrum (Wiener-Khinchin-Theorem)
• Mathematisch gleichwertiger, aber rechnerisch anderer Weg

Mittelwertbildung

• Mehrere Autospektren, berechnet aus aufeinanderfolgenden Zeitaufzeichnungen
• Zusammen gemittelt, um Rauschen zu reduzieren und die statistische Zuverlässigkeit zu verbessern
• Typisch: 4-16 Mittelwerte für die Maschinendiagnose
• Mehr Durchschnittswerte für zufällige Vibrationen (50-100+)

Eigenschaften und Merkmale

Realwertig

• Autospektrum ist immer reell (kein Imaginärteil)
• Stellt nur die Größe dar, keine Phase Information
• Phasenverlust bei der Berechnung der Stärke
• Ausreichend für die meisten Einzelpunktdiagnosen

Immer positiv

• Werte immer ≥ 0 (Betrag im Quadrat oder Betrag)
• Kann keine negativen Spektralwerte haben
• Steht für Energie oder Kraft (von Natur aus positiv)

Symmetrisch (für reale Signale)

• Autospektrum des realen Signals symmetrisch um die Nyquist-Frequenz
• Negative Frequenzen spiegeln positive Frequenzen wider
• Nur positive Frequenzen werden angezeigt (enthalten alle Informationen)

Auto-Spectrum in der Maschinendiagnose

Standarddiagnoseanzeige

• Was Techniker “das Spektrum” oder “FFT” nennen”
• Zeigt alle Schwingungsfrequenzkomponenten
• Peaks identifiziert und Fehlertypen zugeordnet
• Primäres Werkzeug zur Fehlerdiagnose

Typische Merkmale

• 1× Spitze: Unwucht oder andere 1×-Quellen
• 2× Spitze: Fehlausrichtung oder Lockerheit
• Lagerfrequenzen: BPFO, BPFI, BSF, FTF
• Zahneingriff: Zahneingriffsfrequenz
• Elektrisch: 2× Netzfrequenz (120/100 Hz)
• Grundrauschen: Hintergrundpegel durch zufällige Vibrationen und Geräusche

Auto-Spektrum vs. Kreuzspektrum

Auto-Spektrum (Einzelkanal)

• Spektrum eines Signals
• Zeigt Frequenzinhalte an
• Keine Phaseninformationen
• Ausreichend für die meisten Diagnosen
• Standard-Einkanal-FFT

Kreuzspektrum (Zweikanal)

• Beziehung zwischen zwei Signalen
• Zeigt häufig vorkommende Inhalte an
• Beinhaltet Phasenbeziehung
• Wird in der Übertragungsfunktionsanalyse, Kohärenz
• Erfordert zwei synchronisierte Kanäle

Mittelwertbildung bei Autospektren

Lineare Mittelwertbildung

• Arithmetischer Durchschnitt mehrerer Autospektren
• Reduziert zufällige Rauschschwankungen
• Verbessert die Schätzung des wahren Spektrums
• Standard für Maschinenanalyse

Exponentielle Mittelung

• Gewichteter Durchschnitt, der den jüngsten Spektren mehr Gewicht verleiht
• Nützlich zum Verfolgen sich ändernder Bedingungen
• Echtzeit-Überwachungsanwendungen

Peak Hold (Maximales Spektrum)

• Jeder Frequenzbereich enthält den Maximalwert
• Erfasst vorübergehende Komponenten
• Nützlich für die Start-/Herunterfahranalyse

Anzeigeformate

Lineare Skalierung

• Y-Achse linear (mm/s, m/s², etc.)
• Leicht ablesbare Absolutwerte
• Kleine Peaks können unsichtbar sein, wenn große Peaks vorhanden sind
• Häufig für Routineanalysen

Logarithmische Skala (dB)

• Y-Achse in Dezibel (20 log(Amplitude/Referenz))
• Großer Dynamikbereich sichtbar
• Kleine und große Gipfel sind beide sichtbar
• Gemeinsam für Forschung und detaillierte Analyse

Frequenzachse

• Linear: Gleichmäßiger Hz-Abstand, Standard für Maschinen
• Logarithmisch: Gleichmäßiger Oktavabstand, nützlich für breite Frequenzbereiche

Qualitätsindikatoren

Spektrale Qualität

• Sauberes Spektrum: Klare Spitzen, niedriges Grundrauschen
• Rauschspektrum: Hoher Hintergrund, unklare Peaks
• Mittelwertbildung: Verbessert die Qualität durch Reduzierung des Rauschens
• Auflösung: Ausreichend, um nahegelegene Peaks zu trennen

Überlastungsanzeigen

• Überprüfen Sie während der Erfassung, ob eine Signalüberlastung vorliegt.
• Überlastung erzeugt falsche Spektralkomponenten
• Passen Sie die Eingangsverstärkung an, wenn eine Überlastung auftritt

Das Autospektrum ist das grundlegende Frequenzanalysetool in der Schwingungsdiagnose. Es stellt die einkanalige FFT dar, die Techniker täglich zur Fehleridentifizierung und Zustandsbewertung verwenden. Das Verständnis, dass “das Spektrum” technisch gesehen ein Autospektrum ist und wie es mit Kreuzspektren und anderen Spektralanalysetechniken zusammenhängt, bildet die Grundlage für erweiterte Mehrkanalanalysen und umfassende Maschinendiagnosen.

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