测试技术期末大作业.docx
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测试技术期末大作业
动态测试信号采集仿真与实例分析
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学号：
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指导老师：
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东南大学机械工程学院
2013年6月12日
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Matlab
1设计题一：
信号仿真、采集与分析处理
1.1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，
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
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
:
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：
plot（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：
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
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
1.3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
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
2.1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））]）
title（'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
c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？
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
3.1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：
不平衡：
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。
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。
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
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