振动信号的阶数分析

这个例子展示了如何使用阶数分析来分析振动信号。阶数分析用于量化转速随时间变化的旋转机械中的噪声或振动。一个阶指的是一个频率是参考转速的一定倍数。例如，频率等于电机转动频率的两倍的振动信号对应的阶数为2，同样，频率等于电机转动频率的0.5倍的振动信号对应的阶数为0.5。在这个例子中，确定了大振幅的阶数来研究直升机舱内有害振动的来源。

介绍

本例分析了在直升机机舱内的加速度计在主发动机助跑和滑行时的模拟振动数据。直升机有几个旋转部件，包括发动机、变速箱、主旋翼和尾翼。每个部件相对于主电机以已知的固定速率旋转，每个部件都可能造成不必要的振动。主要振动部件的频率可以与电机的转速相关，以研究高振幅振动的来源。这个例子中的直升机在主旋翼和尾旋翼上都有四个叶片。当直升机旋翼叶片产生振动时，旋翼振动的重要部件往往位于旋翼转动频率的整数倍处。

这个例子中的信号是一个随时间变化的电压，vib，抽样率财政司司长等于500hz。数据包括rpm，涡轮发动机的角速度，矢量t瞬间的时间。每个转子的转子转速与发动机转速的比值存储在变量中mainRotorEngineRatio和尾旋翼发动机．

电机转速信号通常由转速计脉冲序列组成。tachorpm可用于从转速计脉冲信号提取转速信号。tachorpm自动识别两电平转速计波形的脉冲位置，并计算脉冲之间的间隔来估计转速。在本例中，电机转速信号包含转速，rpm，因此不需要转换。

绘制电机转速和振动数据作为时间的函数:

负载helidataVib = Vib - mean(Vib);%拆下直流组件子批次（2,1,1）图（t，rpm）%绘制发动机转速包含(“时间(s)”) ylabel (“发动机转速(RPM)”)标题(发动机转速的次要情节(2,1,2)情节(t, vib)%绘制振动信号包含(“时间(s)”) ylabel (“电压(mV)”)标题(振动加速度计数据的）

发动机转速在助跑过程中增加，在滑行过程中降低。振动振幅随转速的变化而变化。这种类型的RPM型线是分析旋转机械振动的典型方法。

使用rpm频率图可视化数据

利用该函数可以在频域上显示振动信号rpmfreqmap．这个函数计算信号的短时间傅里叶变换并生成rpm -频率图。rpmfreqmap在省略输出参数时，在交互式绘图窗口中显示地图。

为振动数据生成并可视化RPM频率图。

rpmfreqmap (vib fs, rpm)

由生成的交互式图形窗口rpmfreqmap包含一个RPM-频率图，对应于该图的RPM与时间曲线，以及一些可用于量化振动部件的数字指标。地图的振幅默认表示均方根(RMS)振幅。其他振幅选择，包括峰值振幅和功率，可以用可选参数指定。瀑布图菜单按钮生成一个三维视图:

RPM频率图中的许多轨迹的频率随电机转速的增加而增加或减少。这表明轨迹是电机旋转频率的阶数。RPM峰值附近有高振幅分量，频率在20至30 Hz之间。十字光标可放置在此位置的地图上，以查看RPM曲线下方指示框中的频率、RPM值、时间和地图振幅。

默认情况下，rpmfreqmap通过将采样率除以128来计算分辨率。分辨率显示在图的右下角，在这种情况下等于3.906 Hz。默认情况下使用Hann窗口，但有几个其他窗口可用。

将分辨率值的较小值传递给rpmfreqmap以更好地分辨某些频率成分。例如，在峰值转速时，低频部件是不分离的。在低转速值，高振幅轨道似乎混合在一起。

生成分辨率为1hz的RPM-frequency映射来解析这些组件。

rpmfreqmap (vib fs, rpm, 1)

低频成分现在可以在峰值转速下解析，但当转速变化更快时，会出现明显的涂抹。随着电机转速的增加或降低，振动阶数在每个时间窗口内改变频率，产生更宽的光谱轨迹。这种涂抹效应对于更细的分辨率更为明显由于所需的时间窗口较长，因此会出现延迟。在这种情况下，提高光谱分辨率会导致在启动和滑行阶段增加涂抹伪影。可以生成顺序图以避免这种权衡。

使用rpm顺序图可视化数据

这个函数rpmordermap生成顺序与RPM的光谱图，用于顺序分析。该方法通过在恒定的相位增量上对信号进行重采样，为每个阶产生一个平稳的正弦信号，从而消除污迹。采用短时傅里叶变换对重采样信号进行分析。由于每个订单都是参考转速的固定倍数，因此订单映射包含一个作为每个订单RPM函数的直线订单轨迹。

这个函数rpmordermap接受与相同的参数rpmfreqmap并且在调用时也会生成一个交互式绘图窗口，无输出参数。分辨率参数现在以顺序而不是Hz指定，贴图的光谱轴现在是顺序而不是频率。默认情况下，该函数使用平顶窗口。

使用可视化直升机数据的顺序图rpmordermap．指定订单分辨率为0.005订单。

rpmordermap (vib fs, rpm, 0.005)

图中包含了每一个指令的直线轨迹，表明振动发生在电机转速的固定倍数。顺序图可以很容易地将每个光谱分量与电机速度联系起来。与RPM-frequency映射相比，涂抹工件显著减少。

使用平均阶谱确定峰值阶数

接下来，确定订单映射的峰值位置。寻找主旋翼和尾旋翼的整数倍的阶数，在那里这些旋翼会产生振动。这个函数rpmordermap返回映射以及相应的顺序和RPM值作为输出。通过对数据的分析，确定了直升机舱内高振幅振动的阶数。

计算并返回数据的顺序映射。

(地图,mapOrder, mapRPM mapTime] = rpmordermap (vib, fs, rpm, 0.005);

下一步,使用有序谱计算和绘制…的平均光谱地图．该函数接受由rpmordermap作为输入并随时间平均。

图orderspectrum(地图,mapOrder)

返回平均频谱和呼叫findpeaks返回两个最高峰的位置。

[规范,specOrder] = orderspectrum(地图,mapOrder);[~, peakOrders] = findpeaks (specOrder规范,“SortStr”，“下降”，“NPeaks”2);peakOrders =圆(peakOrders, 3)

peakOrders =2×10.0520 - 0.0660

在该图中，可以看到两个紧密分布的优势峰，约为0.05级。由于振动频率低于电机转速，因此阶数小于1。

分析一段时间内的订单高峰

接下来，使用以下公式计算峰值阶数的振幅随时间的变化ordertrack使用地图作为输入，并通过调用绘制两个峰值阶的振幅ordertrack没有输出参数。

ordertrack（地图、地图订单、地图RPM、地图时间、peakOrders）

两阶振幅都随着电机转速的增加而增加。虽然在这种情况下订单可以很容易地分离，ordertrack当存在多个RPM信号时，还可以分离交叉指令。

接下来，提取每个峰值阶的时域阶波形orderwaveform．顺序波形可以直接与原始振动信号进行比较，并以音频形式回放。orderwaveform使用Vold-Kalman滤波器提取指定阶数的阶数波形。比较两个峰阶波形与原始信号的和。

orderWaveforms=orderWaveforms（vib、fs、rpm、peakOrders）；helperPlotOrderWaveforms（t、orderWaveforms、vib）

降低舱室振动

为了识别座舱振动的来源，将每个峰值的顺序与直升机每个旋翼的顺序进行比较。每个转子的顺序等于转子转速与发动机转速的固定比率。

mainRotorOrder = mainRotorEngineRatio;tailRotorOrder = tailRotorEngineRatio;ratioMain = peakOrders / mainRotorOrder

拉蒂奥曼=2×14.0310 - 5.1163

ratioTail = peakOrders / tailRotorOrder

比率=2×10.7904 - 1.0032

最高峰值位于主转子转速的4阶，所以振幅最大分量的频率是主转子频率的4倍。主旋翼，它有四个叶片，是这种振动的一个很好的候选源，因为，对于直升机N叶片每转子，振动N倍转子转速是常见的。同样，第二大分量位于尾转子转速的一阶，表明振动可能来自尾转子。由于转子转速与整数因子无关，第二大峰值相对于主转子转速的阶数不是整数R

在对主旋翼和尾翼进行跟踪和平衡调整后，将收集新的数据集。加载并比较调整前后的阶谱。

负载helidataAfterVib = Vib - mean(Vib);%拆下直流组件[mapAfter, mapOrderAfter] = rpmordermap (vib, fs, rpm, 0.005);图保存在orderspectrum（map，mapOrder）orderspectrum（mapAfter，mapOrderAfter）图例(“调整前”，调整后的）

现在主要峰值的振幅要低得多。

结论

本例使用阶次分析确定直升机的主旋翼和尾桨是机舱内高振幅振动的潜在来源。首先，rpmfreqmap和rpmordermapRPM顺序图提供了整个RPM范围内的顺序分离，而RPM频率图中不存在涂抹伪影。rpmordermap是最好的选择，以可视化振动组件在较低的RPM期间，发动机助跑和滑行。

接下来是所使用的示例有序谱为了确定峰值订单，ordertrack可视化峰值阶数随时间的振幅，以及orderwaveform提取峰值阶的时域波形。最大振幅振动分量的阶数出现在主转子转动频率的4倍处，表明主转子叶片存在不平衡。第二大成分发现在转动频率的尾旋翼。对转子的调整降低了振动水平。

参考文献

布兰德,安德斯。噪声和振动分析：信号分析和实验程序．英国奇切斯特:约翰·威利父子公司，2011。

另见

有序谱|ordertrack|orderwaveform|rpmfreqmap|rpmordermap