了解自动频谱
"(《世界人权宣言》) 自谱 ——也写作autospectrum，通常被称为功率谱或简称为“谱”——是单个 振动 信号，展示该信号的能量或 振幅 分布在频率上。它是通过将 快速傅里叶变换（FFT） 记录时间数据并显示各频率分量的幅度。前缀“auto-”使其区别于 跨谱，它描述了两种不同的信号：自谱是指信号与自身求相关（自相关）所得的频谱。
在日常工作中，当大多数技术人员提到“频谱”或“FFT”时，指的正是这一点——即每台设备中标准的频率显示界面 振动分析仪，其峰值位于 不平衡, 轴承故障频率, 齿轮啮合……等等。当你涉足多通道工作时，认识到这一日常工具在技术上是一种自谱这一点尤为重要，因为在多通道环境中，跨谱…… 相干性……以及其他相关函数也随之出现。
1. 数学基础
通向同一结果的两条路径
有两种数学上等价的方法可以得到自谱：
- 直接 FFT： 对时域信号进行变换，计算每个复数FFT频窗的幅值（或幅值的平方），并将其与频率作图。这是几乎所有仪器内部采用的常见且直接的方法。
- 通过自相关： 首先计算信号的自相关函数，然后对其进行FFT。通过 维纳-金钦定理 结果与直接法完全一致——通过不同的计算路径得到了相同的谱。
当振幅平方并按单位频率归一化后，该量便成为 功率谱密度，这是宽带随机振动的首选形式。
为稳定性而进行平均
单次FFT结果通常存在统计噪声，因此需要将基于连续时间记录计算出的多个自谱进行平均，以稳定估计结果并减少随机散布。对于常规机械诊断，通常进行4至16次平均；而宽带随机振动可能需要50至100次甚至更多。这种方法的优势是以测量时间为代价换来的，因此平均次数是一个经过深思熟虑的权衡，而非“越多越好”。
2. 定义属性
有三个特征直接源于数学，在阅读任何谱时都值得牢记：
- 实值： 自动频谱图没有虚部。它仅表示幅度，因此 相位 在幅值计算中，原始信号的相位关系会被忽略。对于单点故障定位而言，这并不构成损失；但在平衡或传递函数分析等需要考虑相位的工作中，这便成为一个真正的限制。
- 恒为正值： 这些数值总是大于或等于零，因为它们代表能量或功率，而能量或功率不可能为负值。
- 真实信号的对称性： 实时信号的频谱以奈奎斯特频率为对称轴——负频率与正频率完全对称——因此仅显示正半频带，而该半频带已包含所有信息。
3. 机械诊断中的自动频谱分析
分析师每日展示
这是技术人员日常工作的图表。它能同时显示所有振动频率分量，分析人员的任务是识别每个峰值并将其与故障类型对应起来——这使得自动频谱分析成为 故障诊断 以及用于常规状态评估。
值得关注的特点
- 1× 峰值： 运行速度 振动，主要由不平衡及其他每转一次的振动源引起。
- 2× 峰值： 常见 错位 或 机械松动.
- 轴承频率： BPFO, BPFI, BSF， 和 FTF，通常被……包围 边带.
- 齿轮啮合： 齿轮啮合频率及其 谐波.
- 电气： 两倍于电源频率（60 Hz电源下为120 Hz，50 Hz电源下为100 Hz）。
- 本底噪声： 由随机振动和仪器噪声造成的背景噪声水平，真正的峰值必须在此背景下清晰显现。
4. 自动频谱与交叉频谱
单通道自动频谱分析回答的是“存在哪些频率？”，而其双通道版本则回答的是“两个信号之间有何关联？”。这种区别值得明确说明：
| Auto-Spectrum（单通道） | 跨频谱（双通道） |
|---|---|
| 一个信号的频谱 | 两个信号之间的关系 |
| 显示该信号的频率成分 | 显示两者共有的频率成分 |
| 无相位信息 | 包括相位关系 |
| 足以满足大多数诊断需求 | 支撑 传递函数 以及连贯性分析 |
| 标准单通道FFT | 需要两个同步通道 |
5. 平均模式与显示选项
选择平均模式
- 线性平均： 连续谱的简单算术平均值，既能降低随机噪声，又能收敛到真实谱值——这是机械分析领域的标准方法。
- 指数平滑： 一种优先考虑最新记录的加权平均值，非常适合条件不断变化的实时监测场景。
- 峰值保持（最大频谱）： 每个频率bin都会保留其观测到的最高值，从而捕捉瞬态成分——这在 升速运行 和 降速 测试。
调整坐标轴比例
振幅轴可以显示在 线性比例尺 (mm/s, m/s²)，这使得绝对值易于读取，但可能会掩盖大峰值旁边的小峰值，或者在 对数分贝（dB）刻度 (20·log[振幅/参考值])，这会将宽 动态范围 以便同时显示大小峰值——这是进行详细分析和研究时首选的视图。频率轴通常 线形 对于机械设备，单位为赫兹（Hz），不过 对数 轴间距为八度的轴适用于非常宽的频率范围。
6. 质量与陷阱
频谱的质量取决于其背后的数据。 纯净频谱 在低噪声底限之上显示出清晰的峰值；一个 噪声频谱 将峰值淹没在较高的背景噪声中，这一问题可通过增加平均次数和提高频率分辨率来解决。有两项采集检查至关重要：确认频率分辨率是否足够高，以分离间距很近的峰值；并注意 输入超载，这会导致信号被截断并产生虚假的频谱成分——如果出现这种情况，请降低输入增益并重新捕获信号。该 FFT分辨率计算器 有助于选择能够解析您关注的峰值的线数和带宽。
现场仪表的适用场景
在便携式双通道仪器上，例如 Balanset-1A，自动频谱是技术人员在机器上查看的日常诊断视图，用于判断能量是否集中在1×处（这表明存在不平衡，且可能是 实地平衡) 或分散在轴承和齿轮啮合频率中，这些频率可能预示着完全不同的故障——所有这些信号均在机器运行速度下由其自身的轴承捕获。
自谱是振动诊断中最重要的频率分析工具：即技术人员日常用于故障识别和状态评估的单通道FFT。理解“频谱”在技术上实际上是指自谱——以及它与互谱及其他频谱函数之间的关系——为高级多通道分析和全面的机械诊断奠定了基础。
