Spektrivuodon ymmärtäminen
Määritelmä: Mikä on spektrivuoto?
Spektrivuoto on eräänlainen mittausvirhe, joka tapahtuu mittausvaiheessa Nopea Fourier-muunnos (FFT) signaalin analyysi. Se on energian "leviämistä" tai leviämistä yhdestä erillisestä taajuushuipusta viereisiin taajuusalueisiin. Tämä vuoto voi vääristää todellisen värähtelysignaalin amplitudia ja taajuutta, mikä voi peittää pienempiä signaaleja tai johtaa epätarkkaan diagnoosiin.
Perimmäinen syy: Epäjatkuvuus
Spektrivuoto johtuu FFT:n perusoletuksen rikkomisesta. FFT-algoritmi olettaa, että analysoimansa äärellinen aika-aaltomuotodatan lohko on yksittäinen, täydellisesti toistuva jaksollisen signaalin sykli. Jotta signaali olisi täydellisesti jaksollinen, sen arvon aikalohkon lopussa on oltava identtinen sen arvon alussa.
Käytännössä reaalimaailman värähtelysignaalia analysoitaessa on lähes mahdotonta tallentaa aikalohkoa, joka sisältää tarkan kokonaislukumäärän syklejä jokaiselle taajuuskomponentille. Tämä johtaa katkonaisuus jossa signaalin loppu ei vastaa alkua. FFT-algoritmi tulkitsee tämän jyrkän hypyn korkeataajuiseksi transienttitapahtumaksi, joka muistuttaa iskua. Tämä keinotekoinen transientti sisältää energiaa, joka ei ole osa alkuperäistä signaalia, ja juuri tämä energia "vuotaa" ulos laajalla taajuusalueella tuloksena olevassa spektrissä.
Spektrivuodon vaikutukset
Spektrivuodon aiheuttamalla energian leviämisellä on kaksi pääasiallista negatiivista vaikutusta:
- Rajallinen amplituditarkkuus: Energia, jonka olisi pitänyt keskittyä yhteen taajuusalueeseen, on nyt levinnyt useille. Tämä aiheuttaa sen, että päähuipun amplitudi on pienempi kuin sen todellinen arvo, kun taas viereisten "sivukeila"-alueiden amplitudit keinotekoisesti nousevat.
- Alennettu taajuusresoluutio: Vuoto voi olla niin voimakas, että se peittää kokonaan lähellä olevat pienemmät taajuuspiikit. Esimerkiksi laakeriviasta johtuva pieni signaali voi kadota kokonaan suuren 1-kertaisen epäsymmetriapiikin aiheuttaman vuodon "helmaan".
Ratkaisu: Ikkunointi
Spektrivuotoa hallitaan käyttämällä ikkunointi funktiot. Ikkuna on matemaattinen funktio, joka kerrotaan aika-aaltomuototiedolla *ennen* kuin se lähetetään FFT:lle.
Yleisin tähän tarkoitukseen käytetty ikkuna on Hanning-ikkunaHanning-ikkunalla on tasainen, kellonmuotoinen muoto, joka kapentaa signaalin nollaan sekä aikalohkon alussa että lopussa. Tämä kapeneva toiminta pakottaa signaalin päät vastaamaan toisiaan, mikä tehokkaasti poistaa keinotekoisen epäjatkuvuuden.
Esittämällä FFT:lle tasaisen periodisen signaalin ikkunointifunktio vähentää dramaattisesti spektrivuotoa. Tämä johtaa paljon puhtaampaan spektriin, jossa on terävämmät piikit ja matalampi kohinataso, mikä mahdollistaa tarkemman ja herkemmän analyysin.