Co je frekvenční analýza

Proč používáme při analýze signálů frekvenční analýzu? Základem měření akustických a vibračních signálů je získání časového průběhu diagnostické veličiny. Samotná práce s časovým průběhem je relativně málo použitelná, neboť základní měřidla vyhodnocují pouze celkové množství energie, která je signálem přenášena.

Výsledkem takového měření je jednočíselná hodnota popisující danou diagnostickou veličinu, nejčastěji jako ekvivalentní hodnotu za daný čas. Informační přínos takovéhoto typu měření je však velmi omezený.

Frekvenční analýza nám poskytuje jiný pohled na měřený časový průběh akustického, vibračního nebo obecného signálu. Někdy je často označována za transformaci signálu (transformace časové osy na osu frekvenční). Výsledný pohled na transformovaný signál se nazývá frekvenční spektrum.

TYPY FREKVENČNÍCH ANALÝZ

Mezi první prakticky použitelné metody zjištění množství energie nesené akustickým nebo vibračním signálem, byla aplikace laditelného frekvenčního filtru ve spojení s měřidlem vibrací. Celá soustava fungovala tak, že filtr propustil jen určitou část frekvenčního rozsahu a měřidlo proto ukázalo množství energie na daném frekvenčním rozsahu. Laděním frekvenčního filtru bylo docíleno zjištění energie nesené měřeným signálem v požadovaném frekvenčním rozsahu.

Na obrázku je typ filtru s předem připravenými filtry (oktávový filtr). Použití frekvenčních filtrů je dodnes základem například pro CPB analýzu. Jiným typem frekvenčních analýz jsou analýzy založené čistě na matematických výpočtech. Nejznámější z nich je FFT analýza, která je základem i pro jiné frekvenční analýzy založené na výpočtech (řádová analýza).

Frekvenční analýza CPB

Nejčastěji se s touto frekvenční analýzou můžeme setkat při měřeních zvuku (hluku). Pokud bychom použili více samostatných laditelných frekvenčních filtrů tak, že by jeden navazoval na druhý (reálně je mezi nimi přesah), pak můžeme po provedeném měření vidět množství energie prošlé jednotlivými filtry vedle sebe.

Tomuto výsledku odpovídá filtrovaná analýza. Pokud použijeme filtry s relativní konstantní šířkou pásma nastavená na 1/3 zlomek oktávy, získáme výsledek 1/3 oktávové CPB analýzy. Tato analýza je základem pro měření akustických signálů (zvuku). Její logaritmická stupnice na frekvenční ose odpovídá vnímání lidského ucha a jeho frekvenční rozlišitelnosti. Tato stupnice je však pro použití v technické diagnostice nepřijatelně hrubá.

Frekvenční analýza FFT

Tuto frekvenční analýzu používáme nejčastěji při zpracování vibračních signálů. FFT analýza využívá upravenou Fourierovu transformaci časového signálu. Tato transformace převádí časový signál na jednotlivé harmonické frekvence reprezentované funkcí sin(x). Výsledek je zobrazen ve formě frekvenčního spektra.

Výpočet této analýzy je velmi rychlý, ale pro začátek výpočtu je nutné nejprve získat časový signál měřením.

V technické diagnostice je výhodné, že frekvenční osa má lineární stupnici s velmi malým krokem. To je výhodné například pro přesné zjištění otáčkové frekvence. Pro její nastavení je důležité zadat požadovaný frekvenční rozsah, počet čar (dělení frekvenčního pásma), časovou váhovou funkci, typ průměrování a % překrývání.

Pracujeme s FFT

Pro práci s experimentováním s FFT analýzou nebo se zpracováním časových dat v nestandartních formátech jsme vytvořili jednoduchý software. Tento program obsahuje základní nastavení FFT analýzy, zobrazení časového průběhu, vypočtené FFT spektrum. Důležitou vlastností je export dat, ale zejména uživatelsky přizpůsobený vstup pro časová data.

Řádová analýza

Řádová analýza (Order analysis) je speciálním typem frekvenční analýzy, která využívá běžnou analýzu FFT, ale před jejím provedením provede úpravy v naměřeném časovém signálu. 

K měření s použitím řádové analýzy je nutné minimálně dvoukanálové měřidlo. První kanál slouží k měření diagnostické veličiny zvuku nebo vibrací a druhý kanál se používá pro synchronizaci počátku a konce záznamu (realizace jedné otáčky). Algoritmus řádové analýzy z naměřeného časového záznamu zajistí, aby délka záznamu (počet vzorků) pro analýzu byla stále stejná bez ohledu na otáčky stroje. Tímto způsobem je eliminován skluz otáček.

Výsledné spektrum řádové analýzy bude mít na frekvenční ose násobky otáčkové frekvence (místo frekvence u FFT spektra). Díky tomuto přepočtu se čáry ve spektru řádové analýzy nebudou frekvenčně pohybovat při změně otáček.

Řádová analýza se z tohoto důvodu hodí k měření rotujících součástí, u kterých dochází k změně rychlosti otáček nebo k jejich kolísání a diagnostikované frekvence jsou násobky otáčkové frekvence. Typickým příkladem pro použití řádové analýzy je měření hluku nebo vibrací převodovek nebo pohonného systému vozidel.