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《振動噪音產學技術聯盟》純Sine波、有雜訊Sine波、扭曲Sine波、截斷Sine波的信號,頻譜會有甚麼不同特徵?– Harmonics 諧頻

 

這個單元要來探討的主題是:純Sine波(pure sine wave)、有雜訊Sine波(sine wave with random noise)、扭曲Sine波(distorted sine wave)、截斷Sine波(clipped sine wave)的信號,他們的「頻譜」(spectrum)會有甚麼不同特徵?。特別要來介紹「諧頻」(Harmonics)的特徵。

 

首先,參閱圖片中間的系列圖示,呈現的是不同Sine波的「時間波形」(time waveform),簡要說明如下:

 

1.      純Sine波(pure sine wave):需要知道這個Sine波的頻率(frequency)以及其對應的振幅(amplitude/magnitude)。一般正常的「轉動機械」(rotary machinery) /「轉子系統」(rotor system),最常見到的Sine波信號,就是其「轉速頻率」(rotating frequency)。

2.      有雜訊Sine波(sine wave with random noise):實務量測到的Sine波,常會有隨機雜訊(random noise)。如圖示,在Sine波上,有些微的微小隨機波動信號。

3.      扭曲Sine波(distorted sine wave):由於除了「轉速頻率」會有其他頻率效應的影響,會使得「轉速頻率」的純Sine波,呈現扭曲Sine波(distorted sine wave)的現象。

4.      截斷Sine波(clipped sine wave):可能是來自不當的量測,或是機器的轉動受到某種因素的限制,而形成截斷Sine波(clipped sine wave)的現象。

 

本單元的重點,要來觀察以上這4種Sine波的「頻譜」(spectrum)特徵。當然就需要進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform)。參閱圖片左上方,FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),重點說明如下:

 

1.      Input輸入:就是一個信號的「時間波形」(time waveform),本單元將探討4種Sine波的時間波形。純Sine波(pure sine wave)的頻率(frequency)是10 Hz,而其對應的振幅(amplitude/ magnitude)是1。

2.      System系統:在此FFT,就是系統。就是要進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform)。

3.      Output輸出:當然就是「時間波形」信號的「頻譜」(spectrum)。圖片右邊的圖示,可以觀察到對應4種Sine波之「頻譜」。

4.      Control控制:有三大項,包括:(1) FFT 參數(parameters),(2) 窗函數形式(Window Type),(3) 平均處理(Averaging)。

 

針對第一個重要選項,是FFT 參數(parameters),主要有兩個變數需要設定,定義如下:

 

1.      Fmax = 200 Hz:最高有效頻率(maximum effective frequency),單位:Hz。

2.      LOR = 200 條:頻率解析條數(lines of resolution, LOR),單位:條(lines)。

 

在此設定,R = Fmax / LOR = 1 Hz:頻譜的頻率解析度(Resolution)。因為,純Sine波(pure sine wave)的頻率(frequency)是F=10 Hz,F / R =整數,所以,進行FFT分析,不會有洩漏(leakage)問題。

 

同時,第二個重要選項,是窗函數形式(Window Type),因為,沒有洩漏(leakage)問題,就可以選擇”Box”「窗函數」,就是「方形/均勻/矩形窗函數」,相當於是”無”「窗函數」(without window)的效應。

 

第三個重要選項,是平均處理(Averaging),定義如下:

 

1.      線性平均(Linear averaging)。

2.      平均次數(Number of Averaged):Navg = 5次。

3.      平均重疊率(Overlap % for averaging):Overlap = 50 %。

 

採用以上的Control variables控制變數,進行FFT分析,可以取得對應4種Sine波之「頻譜」,如圖片右邊的圖示,討論如下:

 

1.      純Sine波(pure sine wave):其「頻譜」,分別有Linear和Logarithmic兩個圖示。只有在F=10 Hz有峰值,且振幅(magnitude)為1。其他頻率的振幅皆為0,實際上,若由Logarithmic圖示觀察,其數值為負的十幾次方,這是數值分析上的效應,實際上,就是0。

2.      有雜訊Sine波(sine wave with random noise):其「頻譜」,也是只有在F=10 Hz有峰值,且振幅(magnitude)為1.00329,此振幅值,比純Sine波略大一些,因為來自隨機雜訊(random noise)的影響。更可以從Linear和Logarithmic兩個圖示,可以看出,在其他頻率時,都有微小的振幅值,這個現象稱之為「基底雜訊」(noise floor),主要是此隨機雜訊(random noise)是寬頻帶的隨機雜訊。

3.      扭曲Sine波(distorted sine wave):其「頻譜」,在F=10 Hz有峰值,且振幅(magnitude)為1.05467。同時,在20、30、…等頻率,剛好是F=10 Hz的倍數,都可以觀察到峰值(peaks),這種類型的頻譜特徵,稱之為「簡諧倍頻」(Harmonics),常簡稱為「諧頻」。會有這種Harmonics「諧頻」現象的頻譜,主要是因為,時間波形若是接近Sine波,但又不是Sine波,就會有此現象。

4.      截斷Sine波(clipped sine wave):其「頻譜」,也和扭曲Sine波(distorted sine wave)的F=10 Hz的Harmonics「諧頻」現象,很相似。不過,在F=10 Hz有峰值,且振幅(magnitude)為0.857621,略小於1。這是因為,截斷波(clipped wave)的效應,此Sine波的振幅減小了。又,會出現Harmonics「諧頻」現象,除了解釋為接近Sine波,但又不是Sine波。更具體的物理意義是:這個截斷Sine波(clipped sine wave)是週期的(periodic)、重複的(repeated)、連續的(continuous)信號。其數學意義是:傅立葉級數(Fourier series)的概念,所以,就會有「諧頻」、「簡諧倍頻」(Harmonics)的頻譜特徵。

 

其中的扭曲Sine波(distorted sine wave)以及截斷Sine波(clipped sine wave),呈現接近sine波,但,又不是純Sine波(pure sine wave),所以,從「頻譜」(spectrum)圖,會觀察到的「諧頻」(Harmonics)現象。

 

綜合一下這個單元的討論,重點說明如下:

 

1.      列舉了4種類型sine波的「時間波形」(time waveform),包括:(1) 純Sine波(pure sine wave)、(2) 有雜訊Sine波(sine wave with random noise)、(3) 扭曲Sine波(distorted sine wave)、(4) 截斷Sine波(clipped sine wave)。

2.      複習討論了:FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),包括:Input輸入、System系統、Output輸出、Control控制。以瞭解如何取得「頻譜」(spectrum)。

3.      針對Control variables控制變數,尤其重要,設定的參數,包括:(1) FFT 參數(parameters):Fmax = 200 Hz,以及LOR = 200 條。(2) 窗函數形式(Window Type):選擇”Box”「窗函數」,就是「方形/均勻/矩形窗函數」,相當於是”無”「窗函數」(without window)的效應。(3) 平均處理(Averaging) 定義:線性平均(Linear averaging)、Navg = 5次、Overlap = 50 %。

4.      透過FFT分析,取得了4種Sine波的「時間波形」(time waveform),所對應之「頻譜」(spectrum)。在(1) 純Sine波以及(2) 有雜訊Sine波,會有單一頻率的峰值(peak)。而,(2) 有雜訊Sine波,同時會有「基底雜訊」(noise floor)的現象。對於 (3) 扭曲Sine波以及(4) 截斷Sine波,則會有所謂「諧頻」、「簡諧倍頻」(Harmonics)的頻譜特徵。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.23


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