FFT点数对频率准确率的影响的疑问

HITliu

信号为水轮机蜗壳处水流压力脉动信号，为平稳随机信号，采样率fs=1000，采样时间30s，时域图形如图

直接做FFT分析，分析点数为30000，分析结果如图，主要由两个主频17.83Hz

当把分析点数改为15000时，分析结果如图，主频变为19.07Hz

采用其他点数时，如20000,25000等等，主频又会出现不同的结果，但基本都很接近，在17-19Hz内变化。请问出现这种现象的原因是什么呢？
另外看过一些帖子，有建议说对于平稳随机信号可采用分段处理求平均的方法，对每一段采用Hanning窗，我也尝试过一些，但发现对于每段FFT取得点数不同，依旧会出现上面的问题，比如取每段4096个点做FFT，平均后的结果主频为17.88Hz；但如果每段取1024个点，平均后的主频则又为19HZ左右。
最后请问对于这类型号采用什么样的分析方式比较好？

hcharlie

你的图画的不错，能看出主要问题。
你的分析方法是找出图上偶然出现的尖峰，说一个是17.88一个是19.07，这种分析方法不太好。
依我看，应该看出现概率最多的地方，这样看都是19Hz左右。
你可以说这样看是近似不准确，是的。要准确，去除偶然因素，要取较大量的采集平均，应该采集50~100次取谱平均，能提高精度（+/-1 dB左右），但还是要看趋势，不要取个别尖峰。

HITliu

hcharlie 发表于 2012-12-22 22:01

                               
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你的图画的不错，能看出主要问题。
你的分析方法是找出图上偶然出现的尖峰，说一个是17.88一个是19.07，这 ...

会有17.8Hz频率的原因是这样：水轮机转轮额定转速时71.4r/min,叶片数是15，71.4*60/15=17.88，因此信号中肯会存在一个17.88Hz左右的转频。但为什么会在其附近出现那么多相近频率就不知道了。

我分析的主要目的是想找出一些故障信号，比如一些不该出现的频率，但是FFT点数的不同都会造成分析结果的不同，这样感觉很难找到一个统一的标准，我现在也是刚刚接触信号处理，因此只做了一个最简单的FFT

从当前的FFT结果来看，我应该去注意哪些方面，去挖掘哪些信息呢？一直以为做FFT就是为了要找到主频之类的特征。

马社

这是个随机信号，不要看作旋转机械的单一频率，不要查找频率点，应该看频率范围的rms值，用hanning窗是对的，一定要乘上补偿系数。你的信号中电干扰太多，以后注意。传感器灵敏度估计略低，信噪比不太高。

HITliu

马社 发表于 2012-12-23 00:27

                               
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这是个随机信号，不要看作旋转机械的单一频率，不要查找频率点，应该看频率范围的rms值，用hanning窗是对的 ...

谢谢您的回复！

在此基础上还有些问题，向您请教：

1.对于旋转机械，什么情况下适合查找单一的频率点呢，信号应该符合什么特征呢？

2.您说需要观看频率范围的RMS值，这个频率范围的选取依照什么原则呢，是否和当前的旋转机械自身特征有关？另外RMS值的大小是否有统一的标准，不同的值能反映什么问题呢，是否应该与正常运转下信号的对应RMS比较才能看出问题，即比较相对大小？

3.您是怎么看出信号的信噪比不高的呢？

4.看帖子说hanning窗的恢复系数是2，还有说是8/3的，这个系数是乘以fft（x），还是abs（fft（x））呢？

5.对于随机信号，看很多帖子说应该用功率谱，这里直接使用FFT分析合适么，能说明相应的物理意义么？另外使用hanning窗后应该进行频谱校正吧？

6.目前信号电干扰太多，如果进行滤波，分析效果会提升么？

问题比较多，也是我一直不明白的地方，望您能给与帮助，谢谢！

hcharlie

HITliu 发表于 2012-12-22 22:20

                               
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会有17.8Hz频率的原因是这样：水轮机转轮额定转速时71.4r/min,叶片数是15，71.4*60/15=17.88，因此信号中 ...

你的信号应该是随机加定频，用多次平均可以加强定频信号而削弱随机信号，用多次平均吧！

HITliu

hcharlie 发表于 2012-12-23 13:23

                               
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你的信号应该是随机加定频，用多次平均可以加强定频信号而削弱随机信号，用多次平均吧！

可惜现在只有这一组数据，就是30000个点，只能在这30000点的基础上进行分段，请问每段的数据多少合适呢，因为我试过1024，2048和4096，hanning窗的大小与其对应。效果确实有，特别用功率谱，把纵坐标设为dB时，能很明显的看出主要成分，但问题还是这样，用不同的点数作出的主频会有变化，依旧是在17-19Hz之间，会不会是加hanning窗造成的呢，如果对频谱进行校正，可以改善么？

其实我主要是不理解问什么点数不同会造成主频位置的变化，难道是因为频谱泄露么？

hcharlie

你只有这么多数据，那么你将后15000点也做出打出来看看。
真要得到好的结果，要有足够的分辨率至少一幀4096点，应该有4096*50~4096*100=204800~409600个数据而不是现有的30000个数据。
无米之炊怎能做好。
关键是你对随机信号的随机性没有足够的认识，也就是说只有一幀数据，你认为的测试频率等数据，原来是不可信的，这点你没有料到。
即使平均100次我也不敢说数据是绝对可靠准确的，用术语说可以说成“误差不超过+/-1dB的置信度为90%”云云，还有10%的概率不在此区间呢。你那一次的数据可靠度是非常可怜的！
为了支持上述论点，附上一幅图说明，目标值都是0dB，但平均次数1，10，100，1000的差异是很明显的！

HITliu

hcharlie 发表于 2012-12-23 20:04

                               
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你只有这么多数据，那么你将后15000点也做出打出来看看。
真要得到好的结果，要有足够的分辨率至少一幀409 ...

谢谢您的详细解答！
请问如果拥有您所说的足够多的数据，在相关的处理方法上除了多次平均之外，还可能涉及到哪些方法，或者说方向呢？
因为我刚刚接触信号这方面知识，有很纠结的一点就是，发现对于信号处理的方法有千千万，但应该基于什么样的准则去合理选择并使用它们呢？譬如说会有FFT、小波、HHT等等，其中又包含着功率谱、倒谱。。。等等各类分析方法，那么对于我的信号，有没有使用小波或者HHT的必要呢，还是是需要FFT就能解决问题，到底选择那种分析方式？
诸如此类问题还不很明白，希望您给与指点？

hcharlie

对随机用功率谱平均就很可以的了。
重点是周期振动用频谱即可。

HITliu

hcharlie 发表于 2012-12-24 11:32

                               
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功率谱平均就很可以的了。

看过您回复过的一个帖子，说是对各段FFT谱线做线性平均，对于随机信号，可采用绝对值平方（能量）的平均再开方（PSD谱的平均）。这里说的绝对值平方是指对abs()这个函数结果进行平方么？

另外FFT后的结果会要求乘以2/N，对于PSD，也就是上面平均后的结果需要这种处理么？

马社在上面提到看频率范围的RMS，这个是什么意思呢，没想明白

望您指点一二！谢谢！

马社

1.对于旋转机械，什么情况下适合查找单一的频率点呢，信号应该符合什么特征呢？
答：比如泵、电机、发动机等旋转机械，很关心转速的情况，信号就是正弦或者几个正弦叠加在一起，用matlab自己可以演示一下。
2.您说需要观看频率范围的RMS值，这个频率范围的选取依照什么原则呢，是否和当前的旋转机械自身特征有关？另外RMS值的大小是否有统一的标准，不同的值能反映什么问题呢，是否应该与正常运转下信号的对应RMS比较才能看出问题，即比较相对大小？
答：rms值很简单，没必要什么标准，随机信号频谱分布是一片一片的，要看某一频率段的能量，所以采用rms，rms值就是你测量到的绝对运动量。要说谁有问题，你得和他没问题时候比，没有标准可套，套必错。
3.您是怎么看出信号的信噪比不高的呢？
答：两个频谱中，纵轴用的线性坐标，还能看到地下的曲线，可能是噪声比较大、或者本来就是气动力一类的振源、或者fft分析不够细致。以后还是多用对数坐标吧。
4.看帖子说hanning窗的恢复系数是2，还有说是8/3的，这个系数是乘以fft（x），还是abs（fft（x））呢？
答：加窗后补偿系数hanning窗用8/3，是abs。加窗的补偿系数是按完全稳态随机计算的，你验证时必然有些差别，并且每次不一样，因为现实中不存在正儿八经的纯随机信号，不是时不变系统。
5.对于随机信号，看很多帖子说应该用功率谱，这里直接使用FFT分析合适么，能说明相应的物理意义么？另外使用hanning窗后应该进行频谱校正吧？
答：如果用功率谱的话，自相关函数转一到能消除白噪声和衰减冲击信号，直接用fft也可以，只是振动行当的学究可能不能接受。
6.目前信号电干扰太多，如果进行滤波，分析效果会提升么？
答：电干扰要找到源头，尽可能在源头滤掉，不宜在数据中滤波，滤波必然引入失真。
问题比较多，也是我一直不明白的地方，望您能给与帮助，谢谢！
答：我这段时间没事干，谢谢

zj85225825

O(∩_∩)O谢谢

TestGuru

不见得是信号噪音，而是水流本身的紊动引起的压力、流速的紊动。

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