什么是功率谱密度？PSD 分析 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"，用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。 什么是功率谱密度？PSD 分析 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"，用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。

什么是功率谱密度？功率谱密度分析

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理解功率谱密度

定义：什么是功率谱密度？

功率谱密度 （PSD）是以下方面的表示： 振动 能量随频率的分布，以单位频率带宽内的能量表示（单位：加速度为 (m/s²)²/Hz，速度为 (mm/s)²/Hz）。与标准不同 振幅谱 其中，振幅图显示了每个频率下的振幅；功率谱密度 (PSD) 则显示了振动功率在频率上的分布情况，其数值已根据频率分辨率带宽进行了归一化。这种归一化使得 PSD 与分析带宽无关，从而可以对使用不同分辨率设置测量的频谱进行有意义的比较。.

PSD 对于分析随机振动（能量在频率上连续分布，而不是集中在离散的峰值处）、噪声分析以及需要与带宽无关的频谱表征的应用（如振动测试和环境鉴定）尤为重要。.

功率谱密度与幅度谱

幅度谱

  • 显示振动 振幅 在每个频率下
  • 单位：毫米/秒、米/秒²、密耳等。.
  • 离散频率处的峰值振幅（不平衡、轴承故障）
  • 数值取决于FFT分辨率带宽。
  • 用于机械诊断的标准显示器

功率谱密度

  • 显示每赫兹带宽的振动功率
  • 单位：(mm/s)²/Hz、(m/s²)²/Hz 等。.
  • 能量分布随频率变化
  • 与分析带宽无关
  • 随机振动分析标准

关系

  • 功率谱密度 = (振幅)² / Δf
  • 其中 Δf = 频率分辨率（频点宽度）
  • 平方运算强调大振幅
  • 归一化使得带宽无关性

应用

1. 随机振动分析

主要PSD应用：

  • 随机过程： 湍流、路面振动、地震、声学
  • 连续光谱： 能量分布在整个频率范围内，而不是离散的峰值
  • 统计描述： PSD 描述随机过程能量分布
  • 标准格式： PSD中的振动测试规范

2. 宽带噪声特性分析

  • 气蚀 水泵噪音
  • 风扇中的湍流噪声
  • 空气动力噪声
  • 轴承缺陷噪声特性分析

3. 与带宽无关的比较

  • 比较使用不同FFT设置测量的频谱
  • 来自不同仪器或分辨率的数据
  • 历史数据及不同分析参数
  • 无论带宽如何，PSD 值均可直接比较。

4. 环境测试

  • 振动测试规范以功率谱密度 (PSD) 与频率的关系图表示。
  • 基于PSD的振动台控制
  • 产品鉴定测试
  • 冲击和振动标准

计算功率谱密度

来自快速傅里叶变换

  • 计算振动信号的快速傅里叶变换
  • 每个振幅值的平方
  • 除以频率分辨率（Δf = Fmax / 线数）
  • 结果：PSD（单位：²/Hz）

单位

  • 加速度 PSD： (m/s²)²/Hz 或 g²/Hz
  • 速度 PSD： (mm/s)²/Hz 或 (in/s)²/Hz
  • 位移PSD： (µm)²/Hz 或 (mils)²/Hz
  • 经常发生的情节： 对数刻度（相对于参考值的dB）

解读功率谱密度图

平坦频谱（白噪声）

  • 频率范围内恒定的功率谱密度
  • 所有频率下每赫兹的能量相等
  • 宽带随机振动的特征
  • 例如：用于测试的理想随机振动

倾斜频谱（有色噪声）

  • 功率谱密度随频率变化
  • 上升斜率：高频能量更强
  • 下降斜率：低频能量更高（常见于机械领域）
  • 斜率表示能量的频率分布

PSD 峰值

  • 离散频率分量表现为高于总体水平的峰值。
  • 共振表现为增强的PSD区域
  • 能够识别对能量有贡献的主要频率

与均方根值和总能量的关系

PSD的总能量

  • 整合整个频率范围内的功率谱密度
  • 结果：均方值
  • 平方根给出均方根值
  • RMS = √[∫ PSD(f) df]

频率带中的能量

  • 在特定频率范围内对功率谱密度进行积分
  • 在该频段中提供能量
  • 可用于评估不同频率范围的贡献

PSD的优势

决议独立性

  • 无论FFT分辨率如何，PSD值都具有可比性。
  • 能够比较不同设置下的历史数据
  • 标准化不同仪器间的分析

能量表示

  • 直接表示振动能量分布
  • 平方值强调主导频率
  • 适用于基于能量的分析

统计框架

  • PSD是随机振动理论的基础
  • 支持概率分析
  • 支持基于随机载荷的疲劳寿命预测

何时使用PSD

何时使用 PSD：

  • 分析随机振动或噪声
  • 比较不同分析带宽的数据
  • 遵循 PSD 格式的测试规范
  • 宽带过程的特征
  • 需要进行基于能量的分析

何时使用幅度谱：

  • 常规机械诊断
  • 识别离散故障频率
  • 特定组件的趋势
  • 振幅值直接有意义

功率谱密度是随机振动分析中的一个基本概念，它提供了一种与带宽无关的频谱表征。虽然在常规机械诊断中，功率谱密度不如振幅谱常用，但它对于随机振动应用、噪声分析以及任何需要比较使用不同分析参数或不同仪器测量的频谱的情况都至关重要。.

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