机械工程测试与控制技术Ⅱ项目设计动态测试信号采集仿真与实例分析学号xxxx姓名xxxx指导老师贾民平日期 2014年 6月目录1.信号仿真、采集与分析处理1.1 项目内容1.2 项目设计过程1.2．1 初始信号1.2．2参数更改一1.2．3参数更改二1.2．4参数更改三1.2．5参数更改四1.2．6参数更改五1.3讨论分析2.基于计算机的声信号采集与分析2.1项目内容2.2项目设计过程2.2．1 程序代码2.2．2 数据图像2.3讨论分析3机械运行数据分析与处理3.1项目内容3.2 项目设计过程3.2．1 程序代码3.2．2 数据图像3.3讨论分析动态测试信号采集仿真与实例分析xxxxx xxxx指导教师贾民平摘要：本项目设计围绕课程讲授的动态信号的采集、分析与处理的基本原理与方法进行，包括以下三个部分内容：1、信号仿真、采集与分析处理；2、基于计算机的声音信号的采集与分析；3、机械运行数据分析与处理。
运用信号的分析与处理等测试技术相关知识，借助matlab软件，利用傅里叶变换等手段，对采集信号进行数学处理并做时域和频域分析，了解不同信号的特征，进而分析不同人的声音信号以及转子实验台运行的震动原因等。
关键词：matlab；频谱分析； FFTAbstract：The project focuses on the basic principles and methods of dynamic signal acquisition, analysis and processing, including the following three parts: 1.signal simulation, acquisition and analysis process; 2. computer-based audio signal acquisition and analysis; 3. the mechanical operation of the data analysis and processing. With the Matlab software and the use of the Fourier transform methods, using the testing technology-related knowledge, such as the signal analysis and processing, the paper makes the mathematical processing of the collected signals and time domain and frequency domain analysis to understand the different characteristics ofthe signal. Then is analysis the sound signals of different people and the cause for a rotor vibration test machine.Key words：matlab; Spectrum Analysis; FFT1、 信号仿真、采集与分析处理1.1 项目内容信号采集过程中一般需要考虑以下几个参数：信号频率、采样频率、采样长度等，不同参数的数值设定对于信号采集的效果会产生直接影响，为了掌握信号采集过程中这些参数对采集过程及其效果产生的影响，可以通过Matlab 或C 语言对信号采集与分析处理的过程进行仿真分析，具体要求如下：利用Matlab 或C 语言产生信号x (t )，)()2sin()2sin()2sin()(333222111t n t f a t f a t f a t x ++++++=ϕπϕπϕπ 其中，Hz f 501=、Hz f 2002=、Hz f 1000`3= n (t ) 为白噪声，均值为零，方差为0,7； 幅值、相位任意设定； 对上述等式进行DFFT 处理。
讨论：1） 通过设置不同的采样频率，画出时域波形和傅里叶变换后的幅频谱图，用数据分析验证采样定理。
讨论在采样点数一定（2的整数次方）的情况下，如1024点，2048点、4096点，采样频率对信号时域复现、频域分析的影响；2）采样频率、采样长度（采样点数）与频率分辨率的关系；3）通过设置不同幅值的信号与噪声，讨论噪声对信号时域分析和频域分析的影响； 4）考虑矩形窗和汉宁窗对频谱的影响。
1.2 项目设计过程1.2.1 初始信号给定周期信号：)()2sin()2sin()2sin()(333222111t n t f a t f a t f a t x ++++++=ϕπϕπϕπ其中Hz f 501=、Hz f 2002=、Hz f 1000`3=; n (t ) 为白噪声，均值为零，方差为0,7；41=a ，52=a 、63=a 、0321===ϕϕϕ； 采样频率Fs=3000Hz ，采样长度N=1024.程序代码如下：得到的时域和频域图形为：矩形窗（一）：汉宁窗（一）：1.2.2 参数更改一采样频率Fs=2000Hz，采样长度N=1024.汉宁窗（二）：1.2.3 参数更改二采样频率Fs=5000Hz，采样长度N=1024.汉宁窗（三）：1.2.4 参数更改三采样频率Fs=3000Hz，采样长度N=2048.汉宁窗（四）：1.2.5 参数更改四采样频率Fs=3000Hz，采样长度N=4096.汉宁窗（五）：1.2.6 参数更改五采样频率Fs=3000Hz ，采样长度N=1024.4.01=a ，5.02=a ，6.03=a ， 0321===ϕϕϕ，噪声方差0.7矩形窗（六）：汉宁窗（六）：1.3 讨论分析（1）当采样长度一定时，不同采样频率对时域复现、频率分析的影响：对时域复现的影响：当采样长度为1024，采样频率分别为3000Hz、2000Hz、5000Hz 时，此时由矩形窗所截断的时域图形分别如（一）（二）（三）所示，从图中可以发现，随着采样频率的提高，信号时域的图形会表现的更为复杂，凸显出更多时域的细节，因此较高的采样频率下，对信号时域的复现更为有利，能够更加准确的反应出原始信号的信息。
对频域分析的影响：当采样长度为1024，采样频率分别为3000Hz、2000Hz、5000Hz 时，此时由矩形窗所截断的频域图形分别如（一）（二）（三）所示，其中（一）（三）为满足采样定理的图形，（二）不满足采样定理，由图中可以发现，当不满足采样定理时，1000Hz的谐振成分丢失，即丢掉有用信息，不能复见原始信号。
此外，对于采样长度一定的信号，采样频率越高，峰值频率带越窄。
（2）采样频率、采样长度（采样点数）与频率分辨率的关系由图（一）（二）（三）对比可以发现，采样长度一定时，采样频率越高，频率分辨率越高；由图（一）（四）（五）对比可以发现，当采样频率一定时，采样长度越长，频率分辨率越高。
（3）在图（五）中，减小了初始信号的幅值，即相当于改变信噪比，增大了噪声对原信号的影响，通过（一）（五）进行对比，可以发现，当提高噪声的影响时，频域信号杂乱无章的程度会增加，可以推想，当把噪声的影响增大到一定程度时，会完全遮盖原信号（即此时的信号主要是噪声）。
同样的，如果增加原信号的幅值，可以有效的减小噪声对信号的影响，使得对原始信号的分析更为容易。
（4）矩形窗和汉宁窗对频谱的影响矩形窗在频谱分析中使用最多，缺省即默认为加了矩形窗，矩形窗的主瓣比较集中，旁瓣比较高，这样容易导致高频干扰和泄露，相较于矩形窗，汉宁窗的主瓣加宽并且降低（从所得的图形中对比可以轻易发现），旁瓣显著减少，从减小泄露观点出发，汉宁窗优于矩形窗，但是汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。
2、基于计算机的声信号采集与分析2.1 项目内容现代计算机具有对声音、视频进行采样的功能，把模拟信号转换为数字信号。
通过计算机上的麦克风及声卡与AD，录制各人在不同环境噪声、不同发声状态下讲话“蜀道难于上青天”语句（不少于3次，最好是他人的声音），利用软件转换语音数据文件为ASCII码，然后利用1.1的软件进行频谱分析，画出时域、频域图形。
1）该设置至少为多少的采样频率？采样长度多长为合适？2）不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别？根据你的分析，该怎样区分不同人员的讲话声音？3）要使他人不易识别你的讲话声音，该怎么处理？2.2 项目设计过程2.2.1程序代码在不同环境下，录制四个人（三个男生，一个女生）讲同一句话“蜀道难于上青天”。
并利用matlab软件进行时域、频域分析。
程序示例如下（通过多次更改程序参数实现不同声音的作图）：2.2.2数据图像第一个人（男生一号）：第二个人（男生二号）：第三个人（男生三号）：第四个人（女生）：2.3 讨论分析1）该设置至少为多少的采样频率？采样长度多长为合适？因为录音软件设置的采样频率为44100Hz，为了保证不失真，所以设置的采样频率至少为44100Hz。
此外，人耳能够感觉到的最高频率为20KHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40次采样，即采样率为40KHz，因此，采样率为44100Hz是满足要求的。
采样长度即为音频文件实际时间长度。
2) 不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别？根据你的分析，该怎样区分不同人员的讲话声音？通过对四个人的时域、频域图像进行对比，可以发现，不同人讲话，在时域上，主要表现为信号的幅值不同（三个男生同女生相比尤为明显），即声音的响度是不一样的。
在频域上，主要表现为特征频率的不同，通过图可以看出，男生一号的特征频率在290Hz左右，男生二号的特征频率在196Hz左右，男生三号的特征频率在130左右，女生的特征频率在1244Hz左右。
女性的特征频率显著比男生高，即我们通常所说的女生的音调比较高。
辨别不同人说话，从时域波形上很难进行判断，应该主要从频域波形上进行分析，通过分析频谱中特征频率所在位置，从而判断是否是同一个人的讲话声音。
3）要使他人不易识别你的讲话声音，该怎么处理？通过前面的分析我们可以知道，辨别一个人的声音主要是从特征频率上进行分析，所以要想让他人不易识别自己的讲话声音，可以通过改变自己声音的特征频率来达到目的，一方面可以使用假声发音，另一方面则是可以使用专业的变音工具。
3、机械运行数据分析与处理3.1 项目内容附件数据为某转子试验台运行时的振动位移数据，利用软件对其进行频谱计算，得到其时域和频域特征，分析机器振动原因：不平衡、不对中故障特征及其诊断方法。
3.2 项目设计过程3.2.1 程序代码提前将已知数据转存为mat格式3.2.2 数据图像3.3 讨论分析1）从1、2两组数据的时域波形来看，两组数据的共同点在于都有明显的周期性，但是通过比较不难发现，第一组的时域波形较为平滑，属于比较理想的谐波信号，而第二组数据的时域波形存在了大量的噪声信号，使得整个波形显得较为畸形。