Ikkunoinnin ymmärtäminen FFT-analyysissä

Määritelmä: Mikä on ikkunointifunktio?

A ikkunointifunktio, eli ”ikkuna”, on matemaattinen funktio, jota sovelletaan aika-aaltomuotodatan lohkoon ennen kuin se käsitellään nopealla Fourier-muunnosalgoritmilla (FFT). Ikkunan muoto on suunniteltu pienentämään signaalin amplitudia tasaisesti nollaan aikalohkon alussa ja lopussa. Tämä prosessi on ratkaiseva signaalinkäsittelyvaihe, joka minimoi tietyn tyyppisen virheen, joka tunnetaan nimellä spektraalinen vuoto, mikä parantaa tuloksena olevan taajuusspektrin tarkkuutta.

Ongelma: Spektrivuoto

FFT-algoritmilla on sisäänrakennettu oletus: se olettaa, että analysoitava äärellinen aikalohko on yksittäinen, täydellisesti toistuva jaksollisen signaalin sykli. Todellisuudessa näin ei juuri koskaan ole. Kun tiedonkeruu alkaa ja pysähtyy, se luo teräviä, keinotekoisia epäjatkuvuuksia aikalohkon rajoille, koska signaalin loppu ei täsmää täydellisesti alkuun.

FFT tulkitsee nämä jyrkät "hypyt" korkeataajuisiksi komponenteiksi, joita ei todellisuudessa ole olemassa todellisessa signaalissa. Tämä aiheuttaa sen, että yhden todellisen taajuushuipun energia "vuotaa" spektrin viereisiin taajuusalueisiin. Spektrivuodon vaikutukset ovat:

• Rajallinen amplituditarkkuus: Huipun mitattu amplitudi on pienempi kuin sen todellinen arvo, koska sen energia on levinnyt laajalle.
• Leveämmät huiput: Huippu näyttää leveämmältä ja vähemmän määritellyltä kuin sen pitäisi olla.
• Resoluution menetys: Vuoto voi nostaa kohinatasoa suuren huipun ympärillä, jolloin pienempien, lähellä olevien taajuushuippujen näkeminen on mahdotonta.

Ratkaisu: Ikkunan käyttö

Ikkunointifunktio ratkaisee tämän ongelman pakottamalla signaalin tasaisesti jaksolliseksi aikalohkon sisällä. Kertomalla raaka aika-aaltomuoto ikkunafunktiolla, lohkon alun ja lopun amplitudit pienenevät nollaan. Tämä poistaa jyrkät epäjatkuvuudet ja "huijaa" FFT:n näkemään tasaisen, jatkuvan signaalin.

Tuloksena on paljon puhtaampi spektri, jossa on:

• Merkittävästi parantunut amplituditarkkuus.
• Terävämmät, selkeämmin määritellyt taajuushuiput.
• Alhaisempi kohinataso, jonka ansiosta pienet signaalit näkyvät suurten vieressä.

Yleisiä Windows-tyyppejä

Ikkunointifunktioita on monia erilaisia, ja jokaisella on hieman erilaiset ominaisuudet. Yleiskäyttöisessä koneiden värähtelyanalyysissä käytetään lähes aina yhtä ikkunaa:

Hanning-ikkuna

The Hanning-ikkuna tarjoaa erittäin hyvän kompromissin taajuusresoluution ja amplituditarkkuuden välillä, ja se on suositeltu ja oletusarvoinen ikkuna käytännössä kaikille standardikoneiden värähtelymittauksille. Ellei sinulla ole erityistä syytä toimia toisin, Hanningin ikkunaa tulisi aina käyttää.

Muut ikkunat

• Suorakulmainen ikkuna (tai Yhtenäinen/Ei mitään): Tämä vastaa ikkunattomuuden soveltamista. Sillä on paras taajuusresoluutio, mutta huonoin spektrivuoto. Se sopii vain silloin, kun signaalin tiedetään olevan täysin jaksollinen aikalohkon sisällä tai erittäin terävien, ohimenevien tapahtumien analysointiin.

– Tasainen ikkuna: Tämä ikkuna tarjoaa tarkimmat amplitudimittaukset, mutta sen taajuusresoluutio on erittäin huono (hyvin leveät piikit). Sitä käytetään kalibrointitarkoituksiin tai silloin, kun piikin tarkka amplitudi on tärkeämpi kuin sen tarkka taajuus.

– Hamming-ikkuna: Hyvin samanlainen kuin Hanningin ikkuna, pienin kompromissein.

Milloin käyttää ikkunaa

Koneiden kunnonvalvonnan yksinkertainen sääntö on: käytä aina Hanning-ikkunaa yleiseen spektrianalyysiin. Ikkunan poistaminen käytöstä johtaa epätarkkoihin ja mahdollisesti harhaanjohtaviin tietoihin. Nykyaikaiset värähtelyanalysaattorit käyttävät Hanning-ikkunaa oletusarvoisesti, koska se on välttämätön luotettavan ja tarkan taajuusspektrin tuottamiseksi.

← Takaisin päähakemistoon