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《振動噪音科普專欄》甚麼是洩漏(leakage)?

FFT快速傅立葉轉換的信號處理中,常會碰到洩漏(leakage)這個名詞,到底洩漏是甚麼?為什麼會有洩漏?洩漏有甚麼影響?如何避免洩漏?如果無法避免洩漏,該如何處理呢?本單元就介紹洩漏!

本單元的介紹,假設讀者已經看過先前的【甚麼是頻譜分析?】,或是已經了解FFT的基本概念。

1分別有f=50 Hzf=77 Hz的時間域x(t),以及頻譜X(f)的圖示,可以觀察:
(1)      左圖,時間域x(t)的振幅,X=1;在頻譜圖X(f)f=50Hz,振幅X=1
(2)      右圖,時間域x(t)的振幅,X=1;在頻譜圖X(f)f=70Hz,振幅X=1

在圖1,兩個不同頻率的正弦波信號,在其對應的頻譜圖X(f),都有正確的頻率及振幅解析。這是我們進行頻譜分析的最理想狀態,是無洩漏的頻譜分析。

2,左圖的x(t)是,f=50.2 Hz,右圖的x(t)是,f=50.25 Hz,兩者其時間域振幅確實都是X=1,但是在頻譜圖X(f),左圖在f=50Hz,振幅X=0.7571,兩側鄰近的頻率,也都不是0。而右圖在f=50Hz,振幅X=0.6379,兩側鄰近的頻率,也都不是0。當然,對於實際的信號而言,頻率以及振幅的解析都不正確,這就是洩漏的現象。

綜合討論如下:
(1)      洩漏的現象:在信號的頻譜圖,其頻率的振幅,有不正確的分析結果。
(2)      洩漏的原因:是信號的頻率f,與FFT的分析參數:頻率解析度Δf,沒有能夠整除。
(3)      洩漏的影響:因為f/Δf整數,所以,就沒有能夠完全正確的解析信號的頻率f,連帶也不能正確解析信號的振幅X
(4)      如何避免洩漏:必須令f/Δf=整數,但是,我們要進行FFT的目的,就是要分析實際信號的頻率及其振幅特徵,當我們不知道實際信號的頻率,是無法調整頻率解析度Δf,達到f/Δf=整數的目標。而且,實務上,頻率解析度Δf是有一定的限制,對於各種頻率都有的實際量測信號而言,肯定是無法避免洩漏的。
(5)      如果無法避免洩漏,該如何處理呢?需要使用視窗函數(window function)、或稱加權函數(weighting function),只能降低洩漏之影響,我們爾後再另文討論。

本單元討論對信號進行頻譜分析之洩漏的現象、原因及其影響,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村

2017.10.12






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‧主辦單位/協辦單位: ANSYS TAIWAN / 虎門科技股份有限公司

本研討會由ANSYS TAIWAN主辦,虎門科技將協助您報名。ANSYS TAIWAN 保有審核報名資料之最後權力,如您有任何問題歡迎與虎門科技聯繫。


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08:30~09:00
註冊&報到
Session 1
研討會 A
上機課程
研討會艾爾法廳(301會議室)
西格瑪廳 (303會議室)
09:00~09:05
皮托科技股份有限公司 簡榮富 CEO
開幕致詞
COMSOL Multiphysics® 5.3a
新功能與基礎課程
09:05~10:10
COMSOL®公司  劉建 博士/資深應用工程師
COMSOL Multiphysics®5.3a
新功能&最佳數值建模技巧與方法
10:10~10:30
休息
10:30~11:00
財團法人精密機械研究發展中心 陳信宏 工程師
射出成型模具感應加熱線圈電磁熱耦合分析
by COMSOL Multiphysics®
COMSOL®  App
客製模擬器建立
11:00~11:30
國立勤益科技大學 汪正祺 教授
COMSOL Multiphysics®
在工具機轉動軸的設計模擬 
11:30~12:00
台灣愛美科股份有限公司 洪志毅博士
COMSOL Multiphysics®設計與模擬醫學用超音波探頭
12:00~13:10
午餐休息 
Session 2
研討會C
 上機課程D
上機課程E
艾爾法廳(301會議室
奧米伽廳 (302會議室)
西格瑪廳 (303會議室
13:10~13:40 
中央研究院 蕭惠心博士
使用COMSOL®研究金屬奈米結構之二倍頻非線性訊號
COMSOL Multiphysics® 5.3a
熱流與結構耦合案例
 COMSOL Multiphysics® 5.3a
電磁與聲學耦合案例
13:40~14:10
台北科技大學 鄭鈺潔 助理教授
COMSOL®
光學模擬與大學課程教學
14:10~14:40
成功大學 陳維新 教授
COMSOL®
應用於鈀薄膜之氫氣分離
14:40~15:10
休息
Session 3
研討會F
上機課程G
上機課程H
艾爾法廳(301會議室)
奧米伽廳 (302會議室)
西格瑪廳 (303會議室)
15:10~15:40
台灣日電產股份有限公司
陳建佑 博士
COMSOL®
在電動機馬達設計
開發的應用
COMSOL Multiphysics® 5.3a
PDE/ODE
數學式建模
COMSOL Multiphysics® 5.3a
多參數批次計算與最佳化求解
15:40~16:10
中科院 陳彥斌 博士
COMSOL®
軟體解決雷達模組的散熱問題和多重物理耦合研究
16:10~16:40
皮托科技-技術團隊
COMSOL® App
製作
工業案例應用分享
16:40~17:00
頒獎/Q&A 討論 / 賦歸 


課程資訊:

▲日期 : 2017 / 11/ 10 (五) 08:50~17:00
▲地點 : 台北科技大學集思會議中心(台北市忠孝東路3段197號旁 億光大樓 3 樓)
▲費用 : 研討會:500元/人、COMSOL®維護期間內客戶享免費優惠
▲上機課程:1000元/人、COMSOL®維護期間內客戶享優惠500元/人
(例:整天只參加研討會收費為500、整天只參加上機為1000、整天有參加研討會及上機課程為1000)
▲報名且完成繳費並加入皮托粉絲團及LINE@、全程參與者享現場抽獎iPHONE8及HP贊助商多樣好禮

注意事項:

▲活動下午場次請擇一報名(若報名後無法出席.請務必於兩週前取消)
▲匯款後如無法參加,恕不另行退款。
▲若需研習證明,需另行負擔 $500元發證費
▲本公司享有審核報名資料、核準通過之一切權利。

重要日期:

▲10月30日- 論文截止收件(論文格式下載)
▲11月03日- 論文審查通知日
▲11月08日- 報名截止.恕不接受現場報名
▲11月10日- COMSOL Conference in Taipei
論文投遞:E-mail: pitotech@mail.pitotech.com.tw

《振動噪音科普專欄》正弦波的相位角是甚麼?


本單元介紹正弦波的相位角(phase angle)之概念。

一個正弦波的數學方程式可寫為:x(t)=Xsin(2πft+ϕ),其中,
(1)       X為振幅(amplitude),單位以x(t)的物理量為準,若x(t)是位移(displacement),單位:m
(2)       f為頻率(frequency),單位:Hz
(3)       ϕ是相位角(phase angle),單位:rad

正弦波方程式中,相位角單位為rad,若以角度表示,需要換算為rad單位,例如:45°=45/180*π=π/4。一個正弦波完整的週期,相當於360°=2π的相位角

在圖1的左圖,當x(t)X=1.5f=1 (Hz)ϕ=0°,由時間域的響應圖示,可以看出振幅X=1.5的特徵,以及由週期推算出此信號的頻率f=1 (Hz)。同時,由X(f)頻譜圖示,可以觀察在f=1 (Hz)頻率處,會有X=1.5振幅的大小。

在圖1的右圖,當x(t)X=1.5f=1 (Hz)ϕ=45°,整個時間域的正弦波波形,向右平移了1/8個週期,因為相位角是ϕ=45°。又,雖然,相位角有差異,此正弦波的振幅都是X=1.5,所以,X(f)頻譜圖示,可以觀察在f=1 (Hz)頻率處,都會有X=1.5振幅的大小。

在圖2,有6個不同相位角的正弦波x(t),以及對應的頻譜X(f),綜合說明如下:
(1)      相位角ϕ=0°t=0x(0)=0,是個標準的正弦波
(2)      相位角ϕ=180°t=0x(0)=0,與ϕ=0°,剛好正負相反。
(3)      相位角ϕ=-90°t=0x(0)=X=1.5,剛好是餘弦波(cosine wave)
(4)      (4)~(6),分別是ϕ=45°ϕ=90°ϕ=-45°,的波形,請讀者參閱比較。

X(f)頻譜圖示,可以觀察在f=1 (Hz)頻率處,都會有X=1.5振幅的大小,這是因為相位角的變化,只是改變波形的波動基準點,然而,正弦波的振幅都相同。

本單元以一個單一頻率的正弦波,解釋說明其相位角的特徵,以及不同相位角的頻譜振幅圖的特性,也完全相同。一般在判斷振動量、或是聲音的大小,關心的是頻譜的振幅值,位移的振幅越大,振動就越大。聲音壓力的振幅越大,聲音就越大聲。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.10.11