理解振動分析中的相干性
相干性 — 也稱為相干函數 — 是一種用於 振動分析 判斷雙通道測量品質與有效性的訊號處理工具。它是一個介於 0 到 1 之間的數值，針對每個頻率分別計算，告訴您在每個 頻率 輸出訊號中，有多少是真正且線性地由輸入訊號所引起。實際上，相干性就是分析師的信心計：在從資料中得出任何結論之前，它回答了「我能相信這項測量嗎，還是訊號受到雜訊污染？」這個問題。
1. 定義：什麼是相干性？
相干性量化了兩個同時測量的訊號在 頻譜中每個頻率的線性因果關係。其刻度直觀易懂：
- 相干性為 1.0 在特定頻率下表示兩個訊號之間具有完美的線性關係 — 該頻率下 100% 的輸出均由輸入引起。
- 相干性為 0.5 表示該頻率下僅有 50% 的輸出能量與輸入呈線性相關。剩餘的一半來自其他因素：雜訊、非線性效應或其他未測量的輸入。
- 相干性為 0.0 表示在該頻率下，兩個訊號之間完全不存在線性關係。
從數學角度來看，相干性源自 互功率譜密度 以及兩個通道的 自頻譜 ，並經過正規化處理，使結果始終落在 0 到 1 之間。關鍵在於，它是一個 在樣本持續時間內 量：有意義的相干性數值需要對測量進行多次平均，這就是為什麼它只能由能夠同時擷取兩個訊號的多通道分析儀產生。
2. 驗證頻率響應函數 (FRF) 測量
相干性最常見且關鍵的用途是驗證 頻率響應函數 (FRF)。在執行 衝擊測試 — 也稱為 敲擊測試 — 以測量結構在整個頻率範圍內的響應時，相干性曲線圖對於判斷所擷取的資料是否值得保留至關重要。
- 良好的測量： 對於有效的 FRF，相干性在 共振的 峰值的頻率處應非常接近 1.0。高相干性 — 例如高於 0.95 — 讓分析師有信心，測得的響應確實是由錘擊引起，而非來自背景振動或測量雜訊。
- 不良的測量： 如果相干性在共振峰值處急劇下降，則該測量結果值得懷疑。原因可能是錘擊不佳、環境嘈雜，或結構響應確實存在非線性。正確的做法是捨棄該次衝擊並重新測試。
有一個細微之處不應被誤認為故障：相干性在 反共振 — 即 FRF 中峰值之間的谷值 — 處會自然下降，因為結構在該處幾乎沒有移動，且響應主要由雜訊主導。這些谷值處的相干性偏低是正常且預期的。這正是為什麼在 模態分析中，確認機器或結構的真正 自然頻率 取決於清晰且可信賴的峰值，因此相干性必須與 FRF 資料並讀。
3. 震源識別
相干性也可以揭示一台機器的振動是否驅動了另一台機器的振動。假設一台泵浦與一台馬達共用同一基座，且您懷疑是馬達震動了泵浦：
- 程序： 將一個 加速規 放置在馬達上（作為輸入），另一個放置在泵浦上（作為輸出），同時測量兩者並計算它們之間的相干性。
- 解讀： 如果在馬達的 運轉轉速處相干性很高，這強烈表明振動是透過共用結構從馬達傳遞到泵浦的。如果該頻率處的相干性很低，則泵浦的振動很可能是由其自身問題 — 例如其自身的 不平衡 或 空蝕— 而非馬達所引起。
如此使用相干性，有助於繪製振動傳遞路徑，並防止分析師追蹤錯誤的機器 — 當兩台耦合單元以相似速度振動時，這是一種常見且昂貴的失誤。
4. 降低相干性的因素
有幾種不同的機制會使相干性數值降至 1.0 以下，辨識出是哪一種機制在起作用也是診斷的一部分：
- 測量雜訊： 污染輸入或輸出通道的額外雜訊 — 這是最常見的原因，通常可以透過改善感測器安裝或增加平均次數來降低。
- 非線性系統： 相干性僅測量 線性 關係。如果系統表現出非線性行為 — 例如因為 鬆動，a 裂紋或流體-結構相互作用 — 即使存在真正的因果關係，相干性也會偏低。
- 時間延遲： 輸入與輸出訊號之間存在顯著延遲會降低相干性，除非分析儀已設定為考慮此延遲。
- 其他未測量的輸入： 如果輸出由多個源頭驅動，而您僅測量其中一個作為輸入，則未測量的能量會表現為相干性的損失。
5. 相干性作為品質控制工具
實務上，相干性較不像是一種診斷，而更像是一道守門員，保護所有基於雙通道資料建立的診斷。它與 傳遞函數 及其伴隨的 FRF 密切相關——FRF 告訴您 如何 結構如何響應，而相干性則告訴您 該相信多少 在每個頻率下的該答案。使用如 Balanset-1A 等便攜式分析儀進行的常規現場動平衡與單通道頻譜工作並不需要相干性曲線圖，但一旦調查進入衝擊測試、共振搜尋或多通道系統的來源追蹤階段，相干性便成為區分可靠結果與誤導性結果的關鍵參數。總之，相干性函數是進階振動測量中至關重要的品質控制工具：它為 FRF 資料的有效性提供信心，並有助於識別振動在機器中傳播的路徑。
