《振動噪音科普專欄》甚麼是頻譜分析儀(FFT spectrum Analyzer)？

這個單元要來探討的主題是：甚麼是「頻譜分析儀」(FFT spectrum Analyzer)或簡稱為(FFT Analyzer)？

 

為什麼要探討這個主題呢？因為一部FFT Analyzer「頻譜分析儀」是進行EMA「實驗模態分析」(experimental modal analysis, EMA)必要的量測儀器，同時，也是進行振動噪音量測，所必需的儀器設備。

 

首先，參閱圖1左上角圖示，回顧一下先前單元：#263，【EMA系列：典型之實驗模態分析EMA量測系統架構】，主要在瞭解：進行EMA「實驗模態分析」，所需要的量測系統架構及其設備，而最基本的設備需求：

 

1.      輸入的「驅動器」(actuator)：「衝擊鎚」(hammer) ＋「力轉換器」(force transducer)。

2.      輸出的「感測器」(sensor)：「加速度計」/「加速規」(accelerometer)。

3.      信號處理的「頻譜分析儀」(FFT analyzer)，以及對應的分析軟體。

4.      進行「曲線嵌合」(curve fitting)的「模態分析」(modal analysis)軟體。

 

本單元著重在介紹甚麼是FFT analyzer「頻譜分析儀」？再參閱圖1的其他結構的EMA架構示意圖，例如：

 

1.      矩形平板結構之EMA架構示意圖：使用具有力感測器(force transducer)的衝擊槌(impact hammer)，當作驅動器(actuator)，可量測得到𝒇𝒋 (𝒕)敲擊外力時間波形。同時，以加速度規(accelerometer)，當作感測器(sensor)，黏貼在矩形鋼板結構表面，量測到任意點的𝒂𝒊 (𝒕)加速度時間波形。採用的FFT analyzer「頻譜分析儀」，是一個數據採集裝置(Data Acquisition device, DAQ)是NI-9234，可接收感測器的信號，進行類比/數位轉換(Analog to Digital conversion)，搭配的是我們振動噪音實驗室自行發展的SVM (Sound and Vibration Measurement, SVM)軟體。

2.      頌缽結構EMA量測架構示意圖：也是採用同樣的FFT analyzer「頻譜分析儀」量測系統架構，甚至還多了麥克風(microphone)感測器，可以量測聲音的信號。

3.      UV車架之EMA實驗架構示意圖：測試的結構是如圖示的3D桁架管路結構的UV車架，採用中型衝擊槌固定於相同位置敲擊結構，而以移動三軸向加速規(triaxial accelerometer)於所有的佈點規劃，就是採用「移規定槌」(roving the accelerometer, fixed the hammer)方式，進行EMA。如圖示，也是有一部完整功能的FFT analyzer「頻譜分析儀」。

 

由以上圖示探討，可以知道進行EMA，都需要有一部FFT analyzer「頻譜分析儀」，當然就要知道一部FFT analyzer在做些甚麼樣的事？

 

首先，回顧先前單元：#338，【如何進行EMA量測數據之信號處理？】，參閱圖1左下方，EMA量測數據之信號處理流程圖，簡要說明如下：

 

1.      𝒇𝒋 (𝒕)、𝒂𝒊(𝒕)：「時間波形」(time waveform)，是EMA實驗量測的「原始數據」(raw data)。

2.      𝑭𝒋 (𝒇)、𝑨𝒊 (𝒇)：「傅立葉頻譜」(Fourier spectrum)，是透過FFT分析取得。

3.      𝑮𝒋𝒋 (𝒇)、𝑮𝒊𝒊 (𝒇)：「自身功率頻譜」(auto power spectrum, auto PSD)。𝑮𝒋𝒊(𝒇)、𝑮𝒊𝒋(𝒇)：「交叉功率頻譜」(cross power spectrum, cross PSD)。都是透過PSD分析取得。

4.      𝑯𝒊𝒋 (𝒇)：「頻率響應函數」(frequency response function, FRF)，是透過FRF分析取得。

5.      𝜸𝒊𝒋^𝟐 (𝒇)：「關聯性函數」(coherence function, COH)，是透過COH分析取得。

 

在這些量測與分析的信號當中，參閱圖1左下方，可以區分為兩個階段的信號處理：

 

1.      DAQ裝置：主要是在量測𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)原始數據(raw data)的數位信號。我們實驗室使用的DAQ裝置=NI-9234，是一個具有4個通道(channel)的A/D轉換器(Analog to Digital converter)。

2.      SVM軟體：由我們實驗室發展、安裝在PC電腦上的獨立運作的軟體，可由取得的𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)數位化信號，進行FFT、PSD、FRF、COH的信號分析。

 

將衝擊槌的𝒇𝒋 (𝒕)和加速度規的𝒂𝒊(𝒕)，透過纜線，連接到NI-9234=DAQ裝置。在NI-9234，進行濾波、採樣、類比數位轉換，可以取得𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)的數位化信號。要能夠執行這些動作，NI-9234必須透過USB，和PC電腦連接，同時，必須有一套如SVM的控制軟體，才能夠啟動A/D轉換的作業，並能夠取得如先前單元：#338，所提到的所有函數的信號分析，包括：𝒇𝒋 (𝒕)、𝒂𝒊(𝒕)、𝑭𝒋 (𝒇)、𝑨𝒊 (𝒇)、𝑮𝒋𝒋 (𝒇)、𝑮𝒊𝒊 (𝒇)、𝑮𝒋𝒊(𝒇)、𝑮𝒊𝒋(𝒇)、𝑯𝒊𝒋 (𝒇)、𝜸𝒊𝒋^𝟐 (𝒇)。

 

能夠做到如上說明的 (1) DAQ裝置=NI-9234：進行濾波、採樣、類比數位轉換，取得𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)的數位化信號。(2) SVM軟體：控制DAQ量測與各種信號分析。同時，具有此兩項功能者，就是一部FFT analyzer，也是典型的FFT analyzer在做的事！

 

接著，參考圖2，是應用SVM頻譜分析儀於UV車架EMA之量測配置示意圖，重點說明如下：

 

1.      輸入的「驅動器」(actuator)：採用「衝擊鎚」(hammer) ＋「力轉換器」(force transducer)，敲擊在固定的相同位置，可以量測到類比的𝒇𝒋 (𝒕)信號。

2.      輸出的「感測器」(sensor)：採用「三軸向加速規」(triaxial accelerometer)。可以量測到類比的𝒂𝒊(𝒕)信號，因為是「三軸向加速規」，所以會有𝒂𝒊,x(𝒕)、𝒂𝒊,y(𝒕)、𝒂𝒊,z(𝒕)。採用的EMA方式是「移規定槌」。

3.      一部FFT analyzer「頻譜分析儀」：以我們實驗室的做法，係採用(1) DAQ裝置=NI-9234：連接衝擊槌和加速度規，可以分別取得𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)的數位化信號。(2) SVM軟體：控制DAQ量測與各種信號分析，最重要的就是取得FRF =𝑯𝒊𝒋 (𝒇)，以及COH= 𝜸𝒊𝒋^𝟐 (𝒇)。

 

由圖2，可以看出一部FFT analyzer「頻譜分析儀」的運作架構，要有硬體的連線架構，以及軟體應用分析的整體概念。

 

綜合一下這個單元的討論：甚麼是「頻譜分析儀」(FFT spectrum Analyzer)或簡稱為(FFT Analyzer)？討論的重點如下：

 

1.      回顧單元：#263，【EMA系列：典型之實驗模態分析EMA量測系統架構】，主要在瞭解：進行EMA「實驗模態分析」，所需要的量測系統架構及其設備。一部FFT Analyzer「頻譜分析儀」是進行EMA必要的量測儀器。

2.      回顧單元：#338，【如何進行EMA量測數據之信號處理？】，主要在瞭解：EMA量測數據之信號處理流程圖，由原始的𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)量測數據，到取得𝑯𝒊𝒋 (𝒇) 和 𝜸𝒊𝒋^𝟐 (𝒇)。

3.      介紹我們實驗室的FFT analyzer「頻譜分析儀」架構，包括：(1) DAQ裝置=NI-9234：連接衝擊槌和加速度規，可以分別取得𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕)的數位化信號。(2) SVM軟體：控制DAQ量測與各種信號分析，最重要的就是取得FRF =𝑯𝒊𝒋 (𝒇)，以及COH= 𝜸𝒊𝒋^𝟐 (𝒇)。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2024.04.08

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圖1、甚麼是頻譜分析儀？(What is the FFT Analyzer?)

圖2、應用SVM頻譜分析儀於UV車架EMA之量測配置示意圖