Forstå spektral lekkasje

Definisjon: Hva er spektral lekkasje?

Spektral lekkasje er en form for målefeil som oppstår under Rask Fourier-transformasjon (FFT) analyse av et signal. Det er «utstryking» eller spredning av energi fra en enkelt, diskret frekvenstopp til tilstøtende frekvensfelt. Denne lekkasjen kan forvrenge amplituden og frekvensen til det sanne vibrasjonssignalet, noe som potensielt maskerer mindre signaler eller fører til en unøyaktig diagnose.

Rotårsaken: Diskontinuitet

Spektral lekkasje forårsakes av et brudd på FFTs grunnleggende antagelse. FFT-algoritmen antar at den endelige blokken med tidsbølgeformdata den analyserer er en enkelt, perfekt repeterende syklus av et periodisk signal. For å være perfekt periodisk må signalets verdi helt på slutten av tidsblokken være identisk med verdien helt i begynnelsen.

I praksis, når man analyserer et vibrasjonssignal fra den virkelige verden, er det nesten umulig å fange opp en tidsblokk som inneholder et nøyaktig heltall sykluser for hver frekvenskomponent. Dette resulterer i en diskontinuitet der slutten av signalet ikke samsvarer med begynnelsen. FFT-algoritmen tolker dette skarpe hoppet som en høyfrekvent transient hendelse, lik et støt. Denne kunstige transienten inneholder energi som ikke er en del av det opprinnelige signalet, og det er denne energien som «lekker» ut over et bredt spekter av frekvenser i det resulterende spekteret.

Effektene av spektral lekkasje

Energiutstrykingen forårsaket av spektral lekkasje har to negative hovedeffekter:

1. Redusert amplitude-nøyaktighet: Energien som skulle vært konsentrert i en enkelt frekvensbinge er nå spredt utover mange. Dette fører til at amplituden til hovedtoppen blir lavere enn dens sanne verdi, mens amplitudene til de tilstøtende «sidelobe»-bingene blir kunstig hevet.
2. Redusert frekvensoppløsning: Lekkasjen kan være så alvorlig at den fullstendig skjuler mindre, nærliggende frekvenstopper. Et lite signal fra en lagerfeil kan for eksempel gå fullstendig tapt i «skjørtet» til lekkasjen fra en stor 1X ubalansertopp.

Løsningen: Vindusbygging

Spektral lekkasje kontrolleres ved hjelp av vindusbygging funksjoner. Et vindu er en matematisk funksjon som multipliseres med tidsbølgeformdataene *før* den sendes til FFT-en.

Det vanligste vinduet som brukes til dette formålet er Hanning-vinduetHanning-vinduet har en jevn klokkeform som smalner av signalet ned til null både i begynnelsen og slutten av tidsblokken. Denne avsmalningen tvinger endene av signalet til å matche, noe som effektivt eliminerer den kunstige diskontinuiteten.

Ved å presentere FFT-en med et jevnt periodisk signal, reduserer vindusfunksjonen dramatisk spektral lekkasje. Dette resulterer i et mye renere spektrum med skarpere topper og et lavere støygulv, noe som gir mulighet for mer nøyaktig og sensitiv analyse.

← Tilbake til hovedindeksen