振动信号处理方法综述

    1 引 言

    信号是信息的载体，为了从实际测量的振动信号中提取各种特征信息，必须采取各种有效的振动信号处理方法进行分析，从而进行参数检测、质量评价、状态监测和故障诊断等，因此振动信号的处理方法已成为科学研究的热点之一［1］。

    振动信号是指由非静止结构体所产生的信号，尽管与一般信号具有很多相同之处，但也具有其独立特征。结构体受到振动源的激励而产生振动信号，分为平稳振动信号和非平稳振动信号。结构体的运动是绝对的( 静止是相对的) ，所以都具有一定的振动特性。任何结构都有其本身的固有振动特性参数，当振动源的激励与结构的固有特性参数相同或接近时，会产生共振响应。结构体的振动响应是各个频率特征信息的叠加。振动信号的时域特征主要体现在振幅、周期、相位等特性上，其频域特征则主要表现在频率、能量信息中。

    振动信号的处理方法很多，大致可分为 2 类: 一类是传统方法，典型的有幅值域分析法、傅里叶变换和相关分析等。幅值域分析法是描述幅值随时间变化的时域分析方法，傅里叶变换和相关分析都是基于时域统计分析，一般处理的信号对象都为平稳信号。另一类是现代方法，典型的有 Wigner-Ville 分布、谱分析、小波分析、盲源分离、Hilbert-Huang 变换和高阶统计量分析等。其中 Wign-er-Ville 分布、小波分析、盲源分离、Hilbert-Huang 变换和高阶统计量分析对非平稳信号都有很好的效果，所以得到了广泛的应用。本文分别对幅值域分析法、傅里叶变换、相关分析、Wigner-Ville 分布、谱分析、小波分析、盲源分离、Hilbert-Huang 变换和高阶统计量分析的发展、特点和应用进行讨论，最后对振动信号处理方法做出总结与展望。

    2 传统方法

    2． 1 幅值域分析法

    对于振动信号而言，幅值是比较直观的特征信息。在信号的时域中描述幅值随时间的变化关系称作幅值域分析。幅值域分析方法是信号处理中最常用的信号分析手段［2］。信号的幅值域参数主要包括均值、均方值、方差等。

    均值用来描述信号的平均水平，也称数学期望或一次矩，反映了信号变化的中心趋势; 均方值用来描述信号的平均能量或平均功率，又称二次矩，其正平方根值又称为有效值，也是信号平均能量的一种表达; 方差反映了信号绕均值的波动程度，是描写数据的动态分量，与随机振动能量成比例。另外，可通过时域幅值波形图获取最大值、最小值等，根据离散随机信号得到斜度与峭度、方根幅值与平均幅值等特征参数。