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普通高等教育“十三五”规划教材 振动信号处理 VIBRATION SIGNAL PROCESSING 盛美萍 杨宏晖 著 内 容 简 介 本书详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的基础知识，并提供各种应用实例，还详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的软硬件系统和算法。全书共 8 章，主要包括：绪论，振动测试传感器，振动测试系统，振动信号处理基础，振动信号时域处理，振动信号频域处理，基于虚拟仪器的振动信号处理，振动信号采集及处理。本书提供配套电子课件。本书可为从事振动相关研究的专业人士提供参考，也可作为高等院校相关专业的本科生和研究生的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 振动信号处理/盛美萍，杨宏晖著.北京：电子工业出版社，2017.5 ISBN 978-7-121-31874-0 I振 II盛 杨 III振动信号处理高等学校教材 IVTN911.7 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2017)第 133703 号 策划编辑：王晓庆 责任编辑：王晓庆 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：10.5 字数：236 千字 版 次：2017 年 5 月第 1 版 印 次：2017 年 5 月第 1 次印刷 定 价：52.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254113，。III前 言 振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至原子，无不存在振动。在生物界，声带的振动让人们发出声音，耳膜的振动让人们听到声音。在工程界，太空中的宇宙飞船，天空中的飞机，地面上的汽车、火车，海洋里的舰船等，都存在着振动。通过对振动的测试可以获得振动信号。振动信号中蕴含着有关振动源的奥秘和振动传递的规律，利用振动信号处理方法可以从振动信号中获取振动源和传递特性的信息，提取有关振动的特征。因此，振动信号处理方法在航空、航天、航海、医学和机械故障诊断等领域有着广泛的应用。本书不仅详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的基础知识，还提供了各种应用实例，并详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的软硬件系统和算法。本书由盛美萍、杨宏晖著。盛美萍负责第 2、3、8 章和附录的内容，杨宏晖负责第 1、4、5、6、7 章的内容。作者衷心希望本书能够对广大学生和工程技术人员的学习和工作有所帮助。本书提供配套电子课件，请登录华信教育资源网（http:/）注册下载，或联系编辑（010-88254113，）索取。本书在撰写中得到了研究生李江涛、高洁宇、谢步亮、屈忠鹏、王骁和王嘉惠的协助，在此表示感谢。由于作者水平有限及时间仓促，本书中难免出现一些错误或遗漏，恳请各位读者批评指正。作 者 2017 年 5 月 V 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 振动测试传感器 2 2.1 振动的描述 2 2.2 质点振动系统 3 2.2.1 无阻尼系统的自由振动 3 2.2.2 有阻尼系统的衰减振动 4 2.2.3 质点的强迫振动 6 2.3 工程振动测试方法 7 2.4 常用振动传感器 8 2.4.1 电动式传感器 8 2.4.2 电涡流式位移传感器 9 2.4.3 电感式传感器 9 2.4.4 电容式传感器 10 2.4.5 压电式加速度传感器 10 2.4.6 压电式力传感器 11 2.4.7 阻抗头 11 2.4.8 电阻应变式传感器 12 2.4.9 激光测振仪 12 第 3 章 振动测试系统 14 3.1 激振系统 14 3.1.1 激振信号分类 14 3.1.2 激振器 17 3.1.3 冲击锤 18 3.2 压电式加速度传感器测量系统 18 3.3 电涡流位移传感器测量系统 19 3.4 传感器的安装方式 21 3.5 振动测试仪器校准 21 3.5.1 分部校准与系统校准方法 22 3.5.2 绝对校准法 23 3.5.3 相对校准法 23 3.6 振动测试系统中的常见问题 24 3.6.1 系统噪声与抑制 24 VI 3.6.2 信号的隔离与屏蔽 25 3.6.3 信号失真问题 25 第 4 章 振动信号处理基础 27 4.1 振动信号的特性分析与分类 27 4.1.1 振动信号的定义 27 4.1.2 振动信号的特性与分类 27 4.2 振动信号处理的一般方法 29 4.2.1 信号预处理常用方法 29 4.2.2 振动信号的时域处理方法 30 4.2.3 振动信号的频域处理方法 30 4.3 振动信号处理的高级方法 30 第 5 章 振动信号时域处理 31 5.1 时域统计分析 31 5.1.1 时域统计分析的概述 31 5.1.2 时域统计分析常用参数及指标 31 5.2 相关分析 32 5.2.1 自相关分析的原理、算法及实现 33 5.2.2 自相关消噪和周期提取实验 37 5.2.3 互相关分析的原理、算法及实现 39 5.2.4 互相关测速仿真实验 41 5.3 积分和微分变换 42 5.3.1 积分和微分的基本原理 43 5.3.2 积分和微分在振动信号处理中的应用 43 第 6 章 振动信号频域处理 44 6.1 频域处理简介 44 6.2 傅里叶变换 44 6.3 功率谱密度函数 44 6.3.1 自功率谱分析的原理、算法、实现及应用 45 6.3.2 互功率谱分析的原理及算法 46 6.4 频率响应函数与相干函数 47 6.4.1 频响函数分析的原理及算法 47 6.4.2 相干函数分析的原理及算法 49 6.5 窗函数在振动信号处理中的实现与应用 51 6.5.1 加窗对振动信号处理的影响 51 6.5.2 常用窗函数的特性分析与对比 52 6.5.3 窗函数的选取原则 54 6.5.4 窗函数选择实验 54 6.6 三分之一倍频程分析的原理、算法、实现与应用 56 VII 6.6.1 三分之一倍频程分析的原理 56 6.6.2 三分之一倍频程分析的算法 57 6.6.3 三分之一倍频程分析的实现 58 6.6.4 高斯白噪声的三分之一倍频程分析实验 59 6.7 倒频谱分析的原理、算法、实现与应用 61 6.7.1 实倒谱分析的原理、算法、实现 62 6.7.2 复倒谱分析的原理及算法 63 6.7.3 倒频谱分析进行故障检测的仿真实验 64 6.7.4 倒频谱分析的优越性 66 第 7 章 基于虚拟仪器的振动信号处理 67 7.1 虚拟仪器 67 7.1.1 虚拟仪器的概念 67 7.1.2 实验室虚拟仪器工程平台 68 7.2 基于虚拟仪器的振动信号时域处理 69 7.2.1 时域统计分析 69 7.2.2 相关分析 72 7.3 基于虚拟仪器的振动信号频域处理 81 7.3.1 加窗处理 81 7.3.2 三分之一倍频程处理 84 7.3.3 倒谱处理 88 7.4 本章小结 91 第 8 章 振动信号采集及处理 92 8.1 阻抗参数测试 92 8.1.1 机械阻抗理论 92 8.1.2 隔振器阻抗参数测试原理 93 8.1.3 隔振器阻抗参数测试系统及振动信号采集 94 8.1.4 基于虚拟仪器的隔振器阻抗测试平台 96 8.2 阻尼测试 103 8.2.1 阻尼测试原理 103 8.2.2 阻尼测试系统及振动信号采集 105 8.2.3 稳态方法的信号处理 107 8.2.4 瞬态方法的信号处理 110 附录 A 振动测试相关标准 116 附录 B 阻尼材料 阻尼性能测试方法 GB/T 182582000 118 附录 C 振动与冲击 机械导纳的试验确定 125 附录 D 声学与振动 弹性元件振动声传递特性实验室测量方法 140 参考文献 160 第 1 章 绪 论 振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至原子，无不存在振动。在生物界，声带的振动让人们发出声音，耳膜的振动让人们听到声音。在工程界，太空中的宇宙飞船，天空中的飞机，地面上的汽车、火车，海洋里的舰船等，都存在着振动。通过对振动的测试可以获得振动信号。振动信号蕴含着有关振动的奥秘，通过对所拾取到的振动信号的处理挖掘，可以获取振动源的特征。通过拾取不同部位的振动信号，有助于我们探究振动在结构中的传递、转换的规律。振动信号处理是深入认识振动特性，从而更有针对性地采取振动控制措施的重要基础。因此，振动信号处理方法在航空、航天、航海、医学和机械故障诊断等领域有着广泛的应用。本书不仅详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的基础知识，还提供了各种应用实例，并详细论述了实现振动信号测试、分析、处理的软硬件系统和算法。第 1 章 绪论。第 2 章 主要介绍了振动基础及测振传感器，分别阐述了描述振动的物理量，建立了自由振动、衰减振动、受迫振动的基础，介绍了工程中常用的几种振动测试方法及常用的振动传感器。第 3 章 主要讲解了振动测试系统，包括激振系统、压电加速度传感器测量系统和电涡流位移传感器测量系统，以及在振动测试系统中至关重要的传感器安装方式、校准方法等，为获取准确的振动信号奠定基础。第 4 章 论述了信号及振动信号的定义、振动信号的分类，论述了振动信号处理的意义及在振动信号处理中预处理、时域处理和频域处理的常用方法。第 5 章 论述了振动信号的时域处理方法，包括时域统计分析、相关分析和微积分变换。在论述基础知识的同时，给出了各种信号处理方法的应用实例，并给出算法。第 6 章 讲述了振动信号的频域处理方法，论述了振动信号的功率谱密度函数、频响函数、相干函数、实倒谱、复倒谱和三分之一倍频程分析等频域分析方法，并给出了相应的算法。第 7 章 结合振动信号处理理论，论述了基于虚拟仪器的振动信号处理软件平台的构建方法。第 8 章 论述了工程振动测试和振动信号处理中的应用实例，详细论述了实现振动测试与分析的软硬件系统的构成和功能。本书中的知识点都是结合应用实例来讲解的，读者可以轻松地掌握振动信号处理的理论和技术细节，本书可为相关领域的学生和科研人员提供参考。第 2 章 振动测试传感器 所谓振动，就是物体或某种状态随时间往复变化的现象。这类现象有的是其本身固有原因引起的，有的是外界干扰引起的。在工程界，太空中的宇宙飞船、天空中的飞机、地面上的汽车和火车、海洋里的舰船等，普遍存在着机械振动。在生物界，心脏的跳动、肺的呼吸等，在某种意义上来说，都是振动。振动是自然界最普遍的现象之一。可以这样说：人类生活在振动的世界里。2.1 振动的描述振动的描述 常用的描述振动的物理量有：位移、速度、加速度、力和应变。其中，位移、速度、加速度是最常用的描述振动响应的物理量。（1）位移。位移是表征物体上一点相对于某参考系的位置变化的时间变量，用符号x表示。国际标准单位：m。计算公式：21=xxx（2-1）式中，x 代表 t 时间间隔内质点位置的变化，x1表示 t 时刻质点位矢，x2代表+tt时刻质点位矢。位移的量纲是L。L是国际单位制（SI）中基本量长度的量纲。（2）速度。速度是位移随时间的变化率，用符号v表示。国际标准单位：m/s。计算公式：0dlimd=txxvtt（2-2）就是位移对时间求导。速度的量纲是1LT。T是国际单位制（SI）中基本量时间的量纲。（3）加速度。加速度是速度随时间的变化率，用符号a表示。国际标准单位：m/s2。计算公式：0dlimdtvvatt=（2-3）就是速度对时间求导。加速度的量纲是2LT。（4）力。力是物体相互间的机械作用，其作用结果使受力物体的形状和运动状态发生改变，用符号F表示。国际标准单位：N。计算公式：=Fma（2-4）就是加速度与质量的乘积。力的量纲是2MLT。M是国际单位制（SI）中基本量质量的量纲。（5）应变。应变又分为线应变和角应变。线应变：表示单位长度线段的伸长或缩短，