频率响应函数(FRF)

 

动态信号分析的一个常见应用是测量机械系统的频率响应函数(FRF)。这也称为网络分析,系统的输入和输出同时测量。通过这些多通道测量,分析仪可以测量系统如何“改变”输入。一个常见的假设是,如果系统是线性的,那么这个“变化”被频率响应函数(FRF)充分描述。事实上,对于线性和稳定的系统,只要知道频率响应函数,就可以预测系统对任何输入的响应。

宽带随机、正弦、阶跃或瞬态信号在测试和测量应用中被广泛地用作激励信号。图1说明了一个激励信号x,可以应用于一个UUT(测试单元),并生成一个或多个由y表示的响应,输入和输出之间的关系称为传递函数或频率响应函数,由H(y,x)表示。一般来说,传递函数是一个复杂的函数,描述系统如何将输入信号的大小和相位作为激励频率的函数。


 

在各种激励条件下,对UUT系统的特性进行了实验测量。这些特征包括:

  • 频率响应函数(FRF),通过以下参量描述:
  • 增益频率函数。
  • 相位频率函数。
  • 共振频率
  • 阻尼因素
  • 总谐波失真
  • 非线性

图1 左 一个UUT对应一个响应 ;右 一个UUT对应两个响应

利用宽带随机激励的FFT、交叉功率谱法测量频率响应。宽带激励可以是高斯分布的真随机噪声信号,也可以是一个伪随机信号,其振幅分布可以由用户来定义。宽带这一术语可能具有误导性,因为一个好的实现的随机激励信号应该是频带有限的,并由分析频率范围的上限控制。也就是说,激励不应该激发高于测量仪器所能测量的频率。随机发生器只产生频宽在分析频率范围内随机信号。这也将把激发能量集中在有用的频率范围,以提高测试动态范围。

宽带随机激励的优点是它能在短时间内激发宽频段,因此总测试时间较短。宽带激励的缺点是其频率能量在短时间内广泛传播。每个频率点激发的能量贡献远小于总信号能量(大概是-30到-50dB小于总数)。即使对于频率响应函数(FRF)估计有一个大的平均数字,宽带信号也不能有效地测量UUT的极端动态特性。

扫频正弦测量,优化了每个频率点的测量值。由于激励信号是一个正弦波,在某一时刻其所有的能量都集中在一个频率上,改进了宽带激励中的动态范围不足的缺点。此外,如果频率响应幅值大小下降,响应的跟踪滤波器可以帮助接收到非常小的正弦信号。只要优化每个频率的输入范围,就可以将测量的动态范围扩展到150分贝以上。