sapiСистемный анализ и прикладная информатика«System analysis and applied information science»2309-49232414-0481Belarusian National Technical University10.21122/2309-4923-2022-1-4-8sapi-545Research ArticleСистемный анализSystem analysisЦифровая технология спектрального анализа параметров колебанийDigital technology for spectral analysis of oscillation parametersГулайА. B.GulajA. V.

Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Intelligent and Mechatronic Systems

is@bntu.byЗайцевВ. М.ZajcevV. M.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Intelligent and Mechatronic Systems

is@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus2022080620220148Copyright © Гулай А.B., Зайцев В.М., 20222022Гулай А.B., Зайцев В.М.Gulaj A.V., Zajcev V.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sapi.bntu.by/jour/article/view/545

Эффективным подходом к исследованию вибрационных процессов в машинах и механизмах является выполнение Фурье- анализа гармонического состава колебаний. Этот метод экспресс-контроля остается актуальным и востребованным в акустической диагностике машин благодаря своей относительно высокой информативности. Расширение его аналитических возможностей проводится за счет внедрения дополнительных средств цифровой обработки вибрационных сигналов, в том числе интеллектуальных систем. Целью настоящей работы является создание цифрового метода спектрального анализа вибрационных сигналов, реализация которого возможна с применением интеллектуальных приборов. В работе на основе аддитивных комбинаций синусоидальных функций представлен метод полигармонической аппроксимации параметров сигналов, отображающих колебательные процессы в машинах. С использованием теоремы Релея и равенства Ляпунова – Парсеваля реализована технология усечения дискретизированного по времени разложения указанных сигналов в ряд Фурье. Устранение искажений частотного спектра колебаний выполняется путем подавления его боковых лепестков с помощью оконных фильтров. Для сопоставления эффективности различных окон использованы специальные параметры: ширина главного лепестка частотного спектра; коэффициент относительного расширения главных лепестков; максимальный относительный уровень боковых лепестков; коэффициент относительного ослабления энергии сигналов. При этом рассмотрены окна Хэннига, Натолла, Хэмминга, Барлетта, а в качестве базовых значений приняты параметры прямоугольного окна. Выработаны ограничения разрядности аналого-цифровых преобразователей сигналов в зависимости от требуемой точности соблюдения энергетического баланса при усечении дискретных Фурье-разложений. Приведен пример реализации цифровой технологии спектрального анализа параметров колебательных процессов.

Performing the Fourier analysis of the harmonic composition of oscillations is an effective approach to the study of vibration processes in machines and mechanisms. This method of express control remains relevant and highly demanded in the acoustic diagnostics of machines due to its relatively high informativeness. The expansion of its analytical capabilities is implemented by introducing additional means for digital processing of vibration signals, including smart systems. The objective of this work consists in creating a digital method for spectral analysis of vibration signals, the implementation of which would be possible with the use of smart devices. This work presents a method of polyharmonic approximation of the parameters of the signals reflecting oscillatory processes in machines based on the additive combinations of sinusoidal functions. The technology of truncation of the time discretised decomposition of the above signals into a Fourier series is implemented using the Rayleigh theorem and the Lyapunov – Parseval equality. The distortion of the frequency spectrum of oscillations is eliminated by suppressing its side lobes using window filters. To compare the efficiency of different windows, the following special parameters are used: width of the main lobe of the frequency spectrum; coefficient of relative expansion of the main lobes; maximum relative level of side lobes; coefficient of relative attenuation of signal energy. In so doing, the windows of Hanning, Nuttall, Hamming, Barlett were considered, and the parameters of a rectangular window were taken as basic values. The limitations of the digit capacity of analogto-digital signal converters depending on the required accuracy of maintaining the energy balance when truncating the discrete Fourier expansions have been determined. An example of implementation of the digital technology of spectral analysis of the parameters of oscillatory processes is given.

колебательный процессспектральный анализцифровая технологияoscillatory processspectral analysisdigital techniqueReferencesПетрухин, В. В. Основы вибродиагностики и средства изучения вибрации / В. В. Петрухин, С. В. Петрухин. – М.: Инфра, Инженерия – Петербург, 2010. – 176 с.Petruhin, V. V. Fundamentals of vibrodiagnostics and means of studying vibration / V. V. Petruhin, S. V. Petruhin. – M.: Infra, Inzhenerija – Peterburg, 2010. – 176 s.Приборы и системы для изучения вибрации, шума и удара. Книга 1 / Под ред. В. В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1978. – 439 c.Instruments and systems for studying vibration, noise and shock. Book 1 / Pod red. V. V. Kljueva. – M.: Mashinostroenie, 1978. – 439 s.Фурунжиев, Р. И. Проектирование оптимальных виброзащитных систем / Р. И. Фурунжиев. – Минск: Высшая школа, 1971. – 315 c.Furunzhiev, R. I. Design of optimal vibration protection systems / R. I. Furunzhiev. – Minsk: Vysshaja shkola, 1971. – 315 s.Гулай, А. В. Архитектура интеллектуальных систем / А. В. Гулай, В. М. Зайцев. – Минск: ИВЦ Минфина, 2018. – 367 с. – (Библиотека инженера по интеллектуальным системам).Gulaj, A. V. Intelligent systems architecture / A. V. Gulaj, V. M. Zajcev. – Minsk: IVC Minfi 2018. – 367 s. – (Biblioteka inzhenera po intellektual’nym sistemam).Тропченко, А. Ю. Цифровая обработка сигналов. Методы предварительной обработки / А. Ю. Тропченко, А. А. Тропченко. – CПб.: ГУИТМО, 2009. – 100 с.Tropchenko, A. Ju. Digital signal processing. Pre-processing methods / A. Ju. Tropchenko, A. A. Tropchenko. – CPb.: GUITMO, 2009. – 100 s.Григорьев, А. А. Лекции по теории сигналов / А. А. Григорьев. – М.: МФТИ, 2014. – 327 с.Grigor’ev, A. A. Lectures on signal theory / A. A. Grigor’ev. – M.: MFTI, 2014. – 327 s.Шахнович, И. В. Современные технологии беспроводной связи / И. В. Шахнович. – М.: Техносфера, 2006. –288 с.Shahnovich, I. V. Modern wireless technologies / I. V. Shahnovich. – M.: Tehnosfera, 2006. –288 s.Сапожников, Н. Е. Применение спектрального анализа при диагностике технического состояния турбоагрегатов АЭС / Н. Е. Сапожников, Б. М. Демидюк, О. Д. Чижикова. – Севастополь: Сборник научных трудов СНУЯЭиП, 2013. – № 6. – C. 60–67.Sapozhnikov, N. E. Application of Spectral Analysis in Diagnostics of Technical Condition of NPP Turbine Units / N. E. Sapozhnikov, B. M. Demidjuk, O. D. Chizhikova. – Sevastopol’: Sbornik nauchnyh trudov SNUJaJeiP, 2013. – № 6. – S. 60–67.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.