理解振动分析中的混叠现象
混叠 这是一种信号处理错误，可能会导致振动数据的数字分析出现偏差。当信号采样率过低，无法捕获其最高频分量时，就会发生这种情况，从而导致这些高频分量“折叠”下来，在最终结果中伪装成较低的频率。 快速傅里叶变换 频谱。其结果是产生了在实际设备中根本不存在的虚假峰值——这些峰值可能会导致严重的误诊。理解混叠现象及其防范措施，是信赖任何数字 振动频谱.
1. 定义：什么是锯齿？
当分析仪对振动信号进行数字化处理时，它记录的并非连续曲线，而是一系列离散采样点——即在固定时间间隔内捕获的“快照”。如果这些快照的间隔时间相对于信号的变化速度而言过长，分析仪实际上将无法区分快速波与慢速波。它所捕获的高频分量中那几个点，可以被拼接成一个看似合理的低频正弦波。这种虚假的低频信号就是 alias，一旦它出现在 光谱 在该频率下，它与真实的振动无法区分。
2. 奈奎斯特定理与采样率
要理解混叠现象，首先必须了解 Nyquist theorem （奈奎斯特-香农采样定理）。这一数字信号处理的基础原理指出：
为了将模拟信号准确地转换为数字形式，采样频率（Fs) 必须至少是最高频率分量 (F最大) 存在于信号中。
该最小采样率（2 × F最大）称为 奈奎斯特速率. 反过来说，给定采样率所能准确测量的最高频率是其一半：F最大 = Fs / 2. 那个上限是 奈奎斯特频率. 任何高于奈奎斯特频率的实际频率都无法真实地表示出来，而是会被反射回该频率以下。实际上，所选的 F最大 还同时设置了分析的分辨率和FFT线数——您可以使用 FFT分辨率计算器 在规划测量时。
3. 锯齿现象是如何产生的？
设想一种高频振动，由以固定速率进行离散采样的数字分析仪进行测量：
- 如果采样率足够高——远高于奈奎斯特频率——分析仪就能在每个周期内捕获足够的采样点，从而准确地重建波形。
- 如果采样率过低，分析仪就会遗漏采样间隔内发生的情况。它所捕获的寥寥几个数据点会拼接成一条完全不同的、频率较低的正弦波。这种虚假的低频信号就是混叠。
一个具体的例子：假设一个信号包含一个900 Hz的实部分量，但分析仪的F最大 该参数设置为 500 Hz，这对应于 1000 Hz 的采样率。900 Hz 的信号成分位于 500 Hz 的奈奎斯特频率之上，因此无法被正确测量。该信号会产生混叠，并在频率 F 处重新出现。s − 900 = 1000 − 900 = 100 Hz。分析人员在扫描频谱时，很容易将那个 100 Hz 的峰值误认为是 1 倍运行速度 振动，或是将无实质的缺陷误认为真实缺陷，从而去追查一个并不存在的故障。更糟糕的是，那些高频干扰源——轴承冲击、齿轮啮合能量、电气噪声——往往正是分析人员最想信赖的信号。
4. 防止锯齿：抗锯齿滤波器
我们无法预先知晓信号中可能包含的所有高频成分——超声噪声、剧烈冲击、射频干扰以及电感拾取都可能侵入信号。因此，仅仅指望采样率足够高并不是一种稳妥的策略。
每台现代数字振动分析仪所采用的解决方案是 抗混叠滤波器: a steep 低通滤波器 置于信号路径中 前 模数转换器（ADC）。其工作原理如下：
- 用户设置所需的最大频率 F最大，用于分析。
- 基于该 F最大, 分析仪会自动将抗混叠滤波器的截止频率设置在略高于 F 的位置最大.
- The analogue 传感器 信号通过滤波器，该滤波器会去除或大幅衰减截止频率以上的所有成分。
- 只有经过滤波的干净信号才会送至模数转换器（ADC）进行采样。
由于滤波器会滤除高频成分，因此所选的采样率无法处理这些成分 前 由于采样过程的存在，混叠现象在物理上是不可能发生的。 真正的滤波器无法实现无限陡峭的截止，因此截止频率通常设定在奈奎斯特频率稍低的位置，以便在截止带边缘保留一个保护带。抗混叠滤波器是任何振动分析仪中最关键的元件之一，它确保最终的FFT结果能够真实、准确地反映所选范围内机器的振动状况。请注意，这种滤波必须是模拟的，并且必须在数字化之前进行——应用 数字滤波 一旦ADC处理完毕，就无法撤销别名，因为此时错误的频率已经锁定在数据中。
5. 对分析师的实际意义
对于现场工程师而言，需要汲取的教训是：务必遵守仪器的频率设置。选择 F最大 太低了，无法保持良好状态 resolution 低阶峰值可能会掩盖重要的高频信息；抗混叠滤波器虽能防止出现虚假峰值，但无法显示已被滤除的能量。可靠的仪器会自动处理这一问题——例如便携式分析仪 平衡仪-1a 在模数转换器（ADC）之前通过硬件实现抗混叠处理，因此其用于诊断的频谱以及用于平衡的1×幅相信号，在整个工作范围内均不存在混叠伪影。实际要点：设置 F最大 频带宽度应足够宽，以覆盖您关注的最高故障频率；相信设计合理的分析仪不会产生混叠；对于任何无法解释的低频峰值，在排除其他原因之前，应保持警惕。
