测试技术期末大作业

机械工程测试与控制技术1动态测试信号采集仿真与实例分析姓名：苏冠明学号：02010220指导老师：贾民平东南大学机械工程学院2013年6月12日机械工程测试与控制技术2动态测试信号采集仿真与实例分析摘要：本次研究是利用实际的动态测量数据结合信号的处理分析，运用数学软件得出信号的频谱，了解信号分析的实际应用方法。过程主要分为三个过程，信号仿真、采集与分析处理，基于计算机的声信号采集与分析，机械运行数据分析与处理。第一个过程是对已经连接好的轴系统进行信号采集，运用计算机记录数据，得出时域以及频域信号的图像；第二个过程是采集三个不同人所说的同一句话，进行ASCII码转换并加入噪声干扰进行分析；第三个过程，利用实验台在不对中不平衡的情况下数据采集，频域分析，并与一过程进行比较。主要得出的结果是：得出系统的固有频率，分析出频谱图形不稳时对应的解决方法以及故障分析。创新应用有：在原有的测试技术信号处理中的傅里叶变换，计算方法的一些知识。核心在于matlab的运用，运用matlab，进行编程并以图的方式进行表达时域和频域下的信号图形。关键词：信号时域分析频域分析Matlab1设计题一：信号仿真、采集与分析处理机械工程测试与控制技术31.1题目：信号采集过程中一般需要考虑以下几个参数：信号频率、采样频率、采样长度等，不同参数的数值设定对于信号采集的效果会产生直接影响，为了掌握信号采集过程中这些参数对采集过程及其效果产生的影响，可以通过Matlab或C语言对信号采集与分析处理的过程进行仿真分析，具体要求如下：利用Matlab或C语言产生信号，)()2sin()2sin()2sin()(333222111tntfatfatfatx其中：f1=50Hz、f2=200Hz、f3=1000Hz；n(t)为白噪声，均值为零，方差为0.7；幅值、相位任意设定；对上述等式进行DFFT处理。讨论：1）通过设置不同的采样频率，画出时域波形和傅里叶变换后的频谱图，讨论在采样点数一定的情况下，如1024点，采样频率对信号时域复现、频域分析的影响；2）采样频率、采样长度（采样点数）与频率分辨率的关系；3）通过设置不同幅值的信号与噪声，讨论噪声对信号时域分析和频域分析的影响；1.2分析：令)()2sin()2sin()2sin()(333222111tntfatfatfatx其中f1=40Hz、f2=400Hz、f3=2000Hz；n(t)为白噪声，均值为零，方差为0.7；最后再确定各参数，得到如下)(tx:)()2sin()2sin()2sin()(333222111tntfatfatfatxx(t)=1*sin(2*pi*50*t+30)+3*sin(2*pi*200*t+45)+5*sin(2*pi*1000*t+60)+white_noise首先研究这个信号的时域状态：在Matlab中输入：机械工程测试与控制技术4plot(x);number=1024;y=fft(x,number)/number;n=0:length(y)-1;f=fs*n/length(y);figure(2)plot(f,abs(y));可以得到采样频率为2000Hz如下的时域响应以及接下来用拉普拉斯变换后我们可以看到此信号的频域响应：图（1）采样频率分别取4000Hz，,6000Hz采样点数分别取1024点和512点得图像如下：机械工程测试与控制技术5图（2）图（3）图（2）图（3）是在4000Hz采样频率下取1024点和512点的时域频域图形机械工程测试与控制技术6图（4）图（5）图（4）图（5）为采样频率为6000Hz下，取1024点和512点的图形机械工程测试与控制技术71.3讨论(1)在采样点数一定的情况下，如1024点，采样频率对信号时域复现、频域分析的影响从图（2），图（4）可以看出，采样点数一定时（1024点），6000HZ的频谱比4000HZ的峰值频率带更加窄，可以更清晰的看出峰值频率，并且两个峰值频率的混叠情况比低频率的少。但是时域信号比较复杂，采样频率变化后肉眼很难进行区分，故此处难以分析，略去。(2)采样频率、采样长度（采样点数）与频率分辨率的关系采样频率越高，频率分辨率越高。采样越短，采样点数越多，频率分辨率越高。(3)噪声对信号时域分析和频域分析的影响将噪声方差改为1后，提取频域信号如下：图（6）512采样点2000Hz机械工程测试与控制技术8图（7）1024采样点2000HZ比较分析上面几图：图（7）对比图（1），图（7）频域中还是能看清主要的频率，但其他干扰信号的频率复制明显增大了。2、设计题二：基于计算机的声信号采集与分析机械工程测试与控制技术92.1题目现代计算机具有对声音、视频进行采样的功能，把模拟信号转换为数字信号。通过计算机上的麦克风及声卡与AD，录制各人在不同环境噪声、不同发声状态下讲话“机械工程测试与控制技术”语句（不少于3次，最好是他人的声音），利用软件转换语音数据文件为ASCII码，然后进行频谱分析，画出时域、频域图形。讨论：1）该设置至少为多少的采样频率？采样长度多长为合适？2）不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别？根据你的分析，该怎样区分不同人员的讲话声音？3）要使他人不易识别你的讲话声音，该怎么处理？2.2分析在Matlab中输入：clear;fs=5000;[x,fs]=mp3read('D:\MyDocuments\Desktop\a.mp3');lengthx=length(x);t=(0:lengthx-1)/fs;subplot(211);plot(t,x);title('a声音时域波形');xlabel('时间/s');ylabel('幅值');num=lengthx;y=fft(x,num);n=0:length(y)-1;f=fs*n/lengthx;subplot(212);plot(f,abs(y));axis([020001.1*min(abs(y))1.1*max(abs(y))])机械工程测试与控制技术10title('a声音频谱');xlabel('频率（Hz）');ylabel('幅值')录制三人讲话“倒塌万岁”语句，进行频谱分析，得出时域频域图形如下（声音来自于不同的三个人，图形中苏冠明为本人默认姓名，并非一人声音）：a同学录音b同学录音机械工程测试与控制技术11c同学录音2.3讨论(1)该设置至少为多少的采样频率？采样长度多长为合适？机械工程测试与控制技术12在录音软件中，其设定的采样频率为44100Hz，则在matlab中的采样频率不可以低于44100Hz，否则会产生失真。所以采样长度至少要与录音的频率相等才可以防止失真。(2)不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别？根据你的分析，该怎样区分不同人员的讲话声音？如上图abc同学录音的时域频域所示，每个人讲话的声都在一定的频域范围内，但是由于三个人都为男生，所以其说话频率的范围是有点接近的，，不过依然可以区分三人三人的声音频率，a同学的录音由于外界噪音的干扰，所以波形有所不同。但声音频率分别可以由图形明显区分出是三个人的。(3)要使他人不易识别你的讲话声音，该怎么处理？要使发声者发出的声音不易被人识别，主要方法是使声音发生失真处理，失真的越严重就越发不易被人识别，但是又不能无限制的失真，例如，在matlab中将sound(x1,44100);%播放语音信号采样频率为44100Hz，则在播放时，可设置为30000Hz，从而产生失真，所产生的失真使得别人很难轻易识别发声者发出的声音。3、设计题三：机械运行数据分析与处理机械工程测试与控制技术133.1题目两文件中数据为某转子试验台运行时的振动位移数据，利用软件对其进行频谱计算，得到其时域和频域特征，分析机器振动原因：不平衡、不对中故障特征及其诊断方法。3.2分析平衡：机械工程测试与控制技术14不平衡：机械工程测试与控制技术15不对中：3.3讨论从时域波形来看，在平衡时，振动有明显的周期性，且杂乱的噪声较少，几乎看不出噪声。不平衡时，震动虽具有一定的周期性，但是里面肯定混有很多噪声，使得时域波形出现畸形，显得很复杂。在不对中时，其波形波形完全畸形。从频域图上看，平衡时的振动有明显的衰减性，不平衡时的，属于整体式衰减的，但是中间有出现“异峰”。衰减特性没有第一组明显。至于在不对中时，波形没有衰减，而出现了颤振。不对中，明显是在传动过程中因为安装问题，倒置在传动轴的轴向没有达到对中传动，尤其是在140Hz处有很大的幅值，需要检查固有频率在140Hz附近的零件是否存在问题，这类零件可能是引起大幅振动的原因，因予以消除。机械工程测试与控制技术16结论本次大作业的论文内容以机械工程测试与控制级数为基础，主要研究了信号的采集，模拟，处理与分析。结合Matlab软件，解决了实际中的声音信号的波形已经试验台震动波形的测试。在试验中应用了书本上学到的知识，在巩固的同时更得到了很多课本以外的知识。在完成整个实验后，对信号的仿真、采集、处理加深了印象，更对生活中类似问题的解决有了很大帮助。致谢本次大作业文本格式，论文构架，要感谢贾民平老师。让我在格式上懂得如何正确的论文总结方法。论文格式是十分重要的，正确的格式在我们学习工作中都是有十分重要的意义。机械工程测试与控制技术17另外，贾老师也向我们提供了一些示例帮助我完成此次大作业。此外，也要感谢同学对我的帮助，让我更熟练地应用matlab软件，帮助我解答一些遇到的困难和问题，解除一些我的疑惑。参考文献[1]测试技术.。贾民平等编著.北京：高等教育出版社.2001.12[2]测试技术。董长虹主编。北京：国防工业出版社，2005.84-89[3]MATLAB在数字信号处理中的应用。薛年喜。北京：清华大学出版社，2003.117-130