Что такое анализатор быстрого преобразования Фурье (БПФ)?

Что такое анализатор быстрого преобразования Фурье (БПФ)?

Анализатор быстрого преобразования Фурье (БПФ) — это прибор, который выполняет анализ БПФ. В машинах и зданиях могут возникать различные типы вибрации, и анализатор БПФ можно использовать для определения причины вибрации и способов ее уменьшения.

Хотя анализаторы спектра и регистраторы памяти являются приборами, аналогичными анализатору БПФ, анализатор БПФ в основном используется для наблюдения за частотными составляющими низкочастотных сигналов.

Применение анализаторов быстрого преобразования Фурье (БПФ)

Анализаторы FFT часто используются для анализа вибрации машин, оборудования и зданий. Датчики ускорения прикрепляются к измеряемому объекту, преобразуются в электрические сигналы и вводятся в анализатор быстрого преобразования Фурье (FFT) для обработки и анализа частотных компонентов. Проверяя частоты вибрации и резонанса, генерируемые машинами и зданиями, можно усилить конструкцию и подавить вибрацию, чтобы предотвратить усталостное разрушение. Изменение порядка таким образом проясняет причинно-следственную связь между усилением конструкции, подавлением вибрации и предотвращением усталостного разрушения.

Другое применение — неравномерное вращение двигателей: анализ вибрации двигателя с помощью FFT может использоваться для определения источника вибрации. Например, он может помочь определить, исходит ли вибрация от вращающегося вала двигателя (ротора), шестерен или подшипников.

Другая область, где может использоваться FFT, — это анализ речи. Его можно использовать для идентификации звуковых областей, производимых людьми или музыкальными инструментами, или для анализа частоты шума, чтобы определить местоположение и оборудование, из которого исходит звук. В этом случае звук передается через усилитель с помощью микрофона, а сигнал преобразуется и усиливается для анализа FFT.

В последнее время разработка офисного оборудования и бытовой техники является еще одной областью, где используется БПФ, например, для оценки бесшумности продуктов и изучения источников шума и мер противодействия им. Поскольку он также используется для определения источников шума для низкочастотных сигналов, он также применяется для мер противодействия шуму для продуктов, которые обрабатывают частотные сигналы.

Принцип анализаторов быстрого преобразования Фурье (БПФ)

Быстрое преобразование Фурье основано на теории рядов Фурье, предложенной французским математиком Жаном-Батистом Жозефом Фурье. Теория рядов Фурье утверждает, что любая сложная форма волны с периодичностью может быть представлена ​​серией простых синусоидальных (sin) и косинусоидальных (cos) волн.

В общем случае неизвестно, какая часть сигнала, который должен быть фактически измерен, является периодической. Поэтому преобразование Фурье вырезает соответствующее количество времени из наблюдаемой формы волны и предполагает, что вырезаемая форма волны является бесконечно повторяющимся сигналом. На заре преобразования Фурье вычисление преобразования Фурье требовало огромного количества умножений. Однако Дж. У. Турция и Дж. У. Кули предложили метод сокращения количества вычислений путем возведения количества данных в n-ную степень 2. Например, если количество данных равно 1024, количество вычислений сокращается с 1024 × 1024 = 1 048 576 раз до 10 240 раз. Этот метод называется быстрым преобразованием Фурье, а его аббревиатура — БПФ.

Типичная форма волны может быть представлена ​​тремя параметрами: амплитудой, частотой (или периодом) и фазой (разницей во времени). Применяя БПФ к этому принципу и используя анализатор БПФ, входной сигнал формы волны со временем на горизонтальной оси преобразуется в график с частотой на горизонтальной оси и амплитудой формы волны на каждой частоте на вертикальной оси.

Разница между анализатором быстрого преобразования Фурье (БПФ) и анализатором спектра

Первое различие между анализатором БПФ и анализатором спектра заключается в диапазоне частот, с которыми они могут работать. Анализаторы спектра работают в очень широком диапазоне частот от 10 кГц до 10 ГГц. Некоторые последние модели могут работать с частотой до 50 ГГц.

Другое различие в использовании заключается в том, что анализаторы быстрого преобразования Фурье используются, когда неизвестно, какие частотные компоненты присутствуют, тогда как анализаторы спектра используются для анализа частотных компонентов известных высокочастотных сигналов (например, сотовых телефонов и передатчиков Wi-Fi).

Рассматривая разницу между ними с точки зрения структуры устройств, можно сказать, что анализатор спектра обычно состоит из аналоговых схем, тогда как анализатор БПФ использует АЦП для оцифровки полученной формы сигнала, а затем выполняет процесс ФФ для расчета распределения частоты и интенсивности.