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3.2 信号分析模块的设计

根据振动测试中对信号的分析和处理基本要求，主要从时域分析、幅值域分析、频率域分析和时频联合分析方面进行程序设计。主要功能包括：波形显示、滤波器设计、窗函数、概率统计、概率密度分布、自功率谱、互功率谱、倒功率谱、频响函数、自相关函数、互相关函数、短时傅里叶变换、Gabor 变换、小波变换、模态分析等。

3.2.1 时域和幅值域分析模块

时域分析中主要是波形显示、自相关分析和互相关分析。自相关用于判断信号的随机程度，也可以检测混在随机信号中的周期信号；互相关则反映了两个随机变量的统计依赖关系。图3 是TJ1040 汽车司机座椅在50km/h 车速下振动时域波形显示图。

图3 时域波形显示图

幅值域特性分析是振动试验必不可少的一项，该模块程序可以同时观测输入、输出信号的概率密度曲线、概率密度分布曲线，还可以直接求值，尤其对随机信号数字特征的偏态和峰值有关，用于故障检测分析和模态参数识别。

3.2.2 频率域分析模块

频率域分析功能较多，主要有功率谱分析、频响函数分析、倒频谱分析等。图4 是车辆振动实时波形及功率谱分析程序的方框图，从中可见完成这些功能只需调用虚拟仪器软件中相应的自功率谱计算、显示波形等子程序模块即可以实现。

图4 波形实时分析程序方框图

频响函数表示激振力和测量点响应之间的关系，频响函数分析在车辆的振动分析中具有相当重要的地位，频响函数曲线也是模态参数识别的依据。图5 是TJ1040 在50km/h 车速下车厢地板和司机座椅振动的频响函数（传递函数）曲线。以车厢地板的振动为激励信号，司机座位的振动为响应信号。计算方法采用H3 估计，激励信号和响应信号都加哈宁窗函数，显示方式为幅频－相干。从图中可以看到相干系数有多处峰值，而其中在2.34Hz 和15.23Hz 处相干系数为极值对应为0.9762 和0.9513，这分别发生在司机座椅和车厢地板的固有频率附近，正好与相干常常发生在固有频率处这一理论相吻合。

图5 车厢与座椅振动的频响函数

3.2.3 时频联合分析模块

时频联合分析亦称时频局域化方法，是用时间和频率的联合函数来表示信号。典型的线性时频表示有：短时傅里叶变换、小波变换和Gabor 变换。时频联合分析在振动信号处理中，能够很好的表示出信号在任一时刻的频域特性，下面以短时傅里叶变换为例说明时频联合分析模块的程序设计。

短时傅里叶变换是把信号划分为许多小的时间间隔，用傅里叶变换分析每个时间间隔，以便确定该段时间间隔存在的频率。

该程序前面板共有四部分组成：参数部分、短时傅里叶变换时频平面图、瞬时频谱图和信号时域波形图。图6 为TJ1040 在50km/h 的车速下的振动曲线短时傅里叶变换频谱图。由于采集的信号为车辆平顺性分析信号，截止频率为100Hz，因此频谱平面图100Hz 以上没有信号。1 通道是司机座椅的振动情况，振动能量主要分布在2～5Hz，从时域波形图、频谱平面图和瞬时频谱图可以看出在3.52s 时刻对应的频率为2.34Hz 和13.11Hz，此时振动能量最大即发生在座椅和车厢的固有频率之处。从图中可以看出该车的振动情况在频谱允许范围值内，说明该车具有良好的乘坐舒适性。

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关键词： 振动测试 LabVIEW 实时分析 平顺性