基于LabVIEW的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)生成技術(shù)

王冠

摘 要：研究設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)生成系統(tǒng)。具體介紹了信號(hào)的產(chǎn)生原理，系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)思想以及界面操作流程。該系統(tǒng)其操作簡(jiǎn)便、程序快速、譜線誤差小，可做為振動(dòng)信號(hào)源完成振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動(dòng)；LabVIEW；信號(hào)產(chǎn)生；加速度譜密度；振動(dòng)量級(jí)

中圖分類號(hào)：TB123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

振動(dòng)試驗(yàn)是仿真產(chǎn)品在運(yùn)輸、安裝及使用環(huán)境中所遭遇到的各種振動(dòng)環(huán)境影響，用來(lái)確定產(chǎn)品是否能承受各種環(huán)境振動(dòng)能力的實(shí)驗(yàn)手段。其中隨機(jī)試驗(yàn)被大量應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，其信號(hào)復(fù)雜計(jì)算量大必須通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助完成，信號(hào)發(fā)生器無(wú)法產(chǎn)生需求的波形，因此亟需一款軟件輔助其完成信號(hào)發(fā)生過(guò)程進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

1 隨機(jī)信號(hào)

不能用確定函數(shù)描述，只能用概率和統(tǒng)計(jì)方法描述。在實(shí)驗(yàn)中信號(hào)平均值需為零，而信號(hào)的均方根值則為振動(dòng)量級(jí)。其能量分布用加速度譜密度圖表示。

2 軟件實(shí)現(xiàn)波形生成

2.1軟件平臺(tái)

軟件采用美國(guó)NI公司所設(shè)計(jì)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)-LabVIEW，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言，利用數(shù)據(jù)流框圖接受指令這樣使得程序簡(jiǎn)明，縮短虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程，充分發(fā)揮G語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)。

2.2目標(biāo)譜輸入部分

加速度譜密度曲線是表征隨機(jī)信號(hào)的重要參數(shù)，是生成目標(biāo)隨機(jī)信號(hào)的第一步，它包含了振動(dòng)信號(hào)能量分布的信息。規(guī)定振動(dòng)試驗(yàn)一般都會(huì)提供該曲線譜圖，其橫縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。依次輸入不同折點(diǎn)利用兩點(diǎn)式，將各分段函數(shù)合并，如此就確定了目標(biāo)譜的譜線形狀。而系統(tǒng)則以正常坐標(biāo)記錄點(diǎn)集放入數(shù)組變量中供后續(xù)程序使用。

2.3頻域時(shí)域轉(zhuǎn)換（IFFT）

頻域所描述的是對(duì)應(yīng)頻率能量密度即振動(dòng)信號(hào)加速度譜密度，譜線是連續(xù)的曲線。在計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)生成時(shí)必須將其譜線離散化，這里選定1Hz為分辨頻率對(duì)譜線進(jìn)行離散。離散化之后可認(rèn)為隨機(jī)信號(hào)由這些個(gè)離散的頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的諧波組成，而各諧波單頻幅值可由公式求出。式中A為單頻幅值W為頻率對(duì)應(yīng)的加速度譜密度。

信號(hào)生成可由LabVIEW中的基本帶幅值混合單頻 VI生成。該VI可將指定頻率幅值以及相位的正弦波相加產(chǎn)生規(guī)定波形。這里設(shè)置起始頻率為1，單頻幅值由數(shù)組形式輸入，程序由數(shù)組元素個(gè)數(shù)確定頻率個(gè)數(shù)，由1Hz起始頻率delta頻率為1Hz向上遞增對(duì)應(yīng)各諧波波形幅值參數(shù)。在相位輸入接口中選擇相位隨機(jī)選項(xiàng)，這樣就滿足了隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)相位隨機(jī)化的要求。對(duì)于采樣信息機(jī)械傳遞的振動(dòng)最高頻率一般為2kHz因此根據(jù)采樣原則采樣頻率需至少為最高諧波頻率的兩倍否則就會(huì)失真。因此選擇了1W為波形采樣頻率以及采樣點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生1s時(shí)長(zhǎng)的隨機(jī)信號(hào)。波形公式如下

式中：n為截止頻率；Ai為各頻率幅值；x為時(shí)間單位s；φi為0-360度的隨機(jī)機(jī)相位服從均勻分布。

2.4偽隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)化

上述頻域時(shí)域轉(zhuǎn)化即IFFT變換，其信號(hào)是一種偽隨機(jī)信號(hào)，其一幀信號(hào)就為一個(gè)周期。在一個(gè)周期中它的頻譜呈隨機(jī)頻譜形式。但在多周期分析時(shí)其頻譜為離散的各點(diǎn)能量集中整數(shù)的頻率上。這樣對(duì)某些實(shí)驗(yàn)是不利的，如果待測(cè)試件其共振頻率恰在能量所集中的頻率就會(huì)造成過(guò)實(shí)驗(yàn)，反之則為欠實(shí)驗(yàn)。為了克服偽隨機(jī)信號(hào)的不足，需進(jìn)行信號(hào)的隨機(jī)化處理。信號(hào)隨機(jī)化的處理中有兩種不同的方法，一種是IFFT變換后的信號(hào)與滿足高斯分布的信號(hào)進(jìn)行卷積，這種方法不需要加窗等處理但計(jì)算量太大不適合軟件快捷迅速的要求。另一種采用加窗重疊技術(shù)的時(shí)域隨機(jī)化方法，這種方法計(jì)算量小但有一定的能量泄漏。這里采用此法。

第一步為信號(hào)的隨機(jī)抽頭。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生一幀偽隨機(jī)信號(hào)后可將信號(hào)存入數(shù)組變量中，利用拆分一位數(shù)組功能將數(shù)組一分為二，由于為隨機(jī)抽頭選取隨機(jī)數(shù)VI乘以系數(shù)做為索引，最后合并數(shù)組。第二步加窗函數(shù)，常用窗函數(shù)有正弦窗、三角窗、漢寧窗。前兩者頻譜泄漏較大，控制精度低動(dòng)態(tài)范圍小，因此需選擇有著更大第一旁瓣衰減的漢寧窗。該窗泄漏較小，控制精度高，因此選擇此窗。第三步重疊，重疊選擇50%的重疊率?？上葘?duì)加窗信號(hào)進(jìn)行拆分，檢索選取信號(hào)的中心位置，前半部分與上一個(gè)信號(hào)的后半部分進(jìn)行疊加，而后半部分則與下一個(gè)信號(hào)的前半部分相加。如此各得到半幀信號(hào)，合并則為一幀完整信號(hào)。這種計(jì)算需用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其循環(huán)次數(shù)與信號(hào)長(zhǎng)度關(guān)系為：n=2T+1式中n為循環(huán)次數(shù)，T為信號(hào)幀數(shù)。軟件中設(shè)定每幀為一秒即在生成波形前需輸入信號(hào)的總時(shí)間則軟件進(jìn)行規(guī)定的循環(huán)生成目標(biāo)波形。

2.5信號(hào)振動(dòng)量級(jí)修正

利用LabVIEW中的單邊功率譜密度VI可計(jì)算其加速度譜密度分布，其總能量為譜線所圍面積，而振動(dòng)量級(jí)則為平方根值。在信號(hào)隨機(jī)化后都會(huì)有能量的泄漏從而降低振動(dòng)量級(jí)，這樣的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致欠實(shí)驗(yàn)，所以必須提供一個(gè)能量恢復(fù)系數(shù)，該修正系數(shù)可有以下公式求得：

式中：E為待修正信號(hào)能量E目為目標(biāo)譜總能量，則修正信號(hào)為F修=F原*K。這樣就保證了振動(dòng)量級(jí)防止欠實(shí)驗(yàn)。

修正的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)單邊功率譜密度VI可求的其能量分布的譜線圖，與目標(biāo)譜對(duì)比可知滿足信號(hào)規(guī)定要求。

2.6 信號(hào)保存

生成的隨機(jī)信號(hào)最終是要被波形發(fā)生器所接收的因此需將信號(hào)存儲(chǔ)為儀器可讀的文件，以Handyscope HS5波形發(fā)生器為例。將波形數(shù)據(jù)由數(shù)組至電子表格字符串轉(zhuǎn)換為并加文件頭[SCOPE]，，，以*.dat為文件后綴這樣就可得到儀器可讀波形文件。

結(jié)語(yǔ)

以上介紹了信號(hào)的產(chǎn)生原理，系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)思想以及界面操作流程，軟件操作簡(jiǎn)便耗時(shí)短，波形也滿足實(shí)驗(yàn)需求，在實(shí)驗(yàn)中得到了很好的應(yīng)用，具有一定實(shí)用價(jià)值。

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