《機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理：傅里葉變換分析的時(shí)域窗GB/T29716.2-2018》全文詳細(xì)解讀contents目錄1范圍2規(guī)范性引用文件3術(shù)語和定義4符號(hào)5常用時(shí)域窗口5.1概述contents目錄5.2漢寧窗5.3平頂窗5.4矩形窗6實(shí)例6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口參考文獻(xiàn)011范圍適用范圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一組代數(shù)函數(shù)，用于描述振動(dòng)和沖擊數(shù)字樣本數(shù)據(jù)的前處理時(shí)所選擇的一組時(shí)域窗口，作為離散傅里葉變換頻譜分析的先導(dǎo)。這些時(shí)域窗口的選擇對(duì)于確保頻譜分析的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。被選用窗口：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，被選用的窗口主要包括漢寧窗、平頂窗和矩形窗。這些窗口各有特點(diǎn)，適用于不同的信號(hào)處理場(chǎng)景，以確保信號(hào)在時(shí)域和頻域之間的有效轉(zhuǎn)換和分析。實(shí)施日期：該標(biāo)準(zhǔn)自2018年10月1日起實(shí)施，為機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理領(lǐng)域的相關(guān)工作提供了重要的技術(shù)依據(jù)和參考。標(biāo)準(zhǔn)概述：GB/T29716.2-2018《機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理第2部分:傅里葉變換分析的時(shí)域窗》是中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)等同采用ISO18431-2:2004，旨在規(guī)范機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中傅里葉變換分析的時(shí)域窗使用。1范圍022規(guī)范性引用文件2規(guī)范性引用文件ISO2041該標(biāo)準(zhǔn)界定了振動(dòng)與沖擊領(lǐng)域的基本術(shù)語和定義，為GB/T29716.2-2018提供了必要的術(shù)語基礎(chǔ)，確保標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語使用準(zhǔn)確、一致。其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T29716.2-2018還可能引用了其他與振動(dòng)、沖擊、信號(hào)處理或傅里葉變換分析相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可能涉及信號(hào)處理的基本原理、方法、測(cè)試條件等方面，為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了全面的技術(shù)支撐。最新版本原則對(duì)于未注明日期的引用文件，GB/T29716.2-2018要求使用其最新版本，包括所有的修改單，以確保標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的時(shí)效性和先進(jìn)性。這一原則有助于保持標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的同步，提高標(biāo)準(zhǔn)的適用性和可靠性。版權(quán)保護(hù)由于GB/T29716.2-2018采用了ISO等國(guó)際國(guó)外組織的標(biāo)準(zhǔn)，因此在引用過程中需遵守相關(guān)的版權(quán)保護(hù)規(guī)定。這要求標(biāo)準(zhǔn)在制定和實(shí)施過程中，對(duì)引用的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?biāo)注和說明，以尊重原作者的權(quán)益。2規(guī)范性引用文件033術(shù)語和定義離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform,DFT）基于傅里葉積分變換，通過時(shí)域和頻域的離散變換，得到在有限連續(xù)時(shí)間上觀測(cè)到的均勻等時(shí)差樣本的譜估計(jì)值。DFT是信號(hào)處理中分析振動(dòng)和沖擊信號(hào)的重要工具，能夠?qū)⑿盘?hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，便于分析信號(hào)的頻率成分。快速傅里葉變換（FastFourierTransform,FFT）優(yōu)化運(yùn)算效率的離散傅里葉變換計(jì)算算法。FFT通過減少計(jì)算量，顯著提高了DFT的計(jì)算速度，使得實(shí)時(shí)信號(hào)處理成為可能。在振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中，F(xiàn)FT被廣泛應(yīng)用于頻譜分析。3術(shù)語和定義時(shí)間窗（TimeWindows）在有限時(shí)間的觀測(cè)記錄中，采集信號(hào)的非周期性會(huì)引起能量流入臨近頻域，導(dǎo)致頻譜泄漏。時(shí)間窗是在整個(gè)采集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中采用加權(quán)函數(shù)來降低能量流失的數(shù)量，即減少頻譜泄漏。常用的時(shí)間窗包括漢寧窗、平頂窗和矩形窗等，它們各自具有不同的特性，適用于不同的信號(hào)處理場(chǎng)景。3術(shù)語和定義“3術(shù)語和定義等效噪聲帶寬（EquivalentNoiseBandwidth,ENBW）用于衡量時(shí)間窗對(duì)信號(hào)頻譜分析影響的參數(shù)。ENBW越小，表示時(shí)間窗對(duì)信號(hào)頻譜的平滑作用越小，頻譜分析的分辨率越高。在選擇時(shí)間窗時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求來權(quán)衡ENBW和頻譜分辨率之間的關(guān)系。頻譜泄漏（SpectralLeakage）由于信號(hào)的非周期性或時(shí)間窗的截?cái)嘈?yīng)，導(dǎo)致信號(hào)能量在頻域內(nèi)擴(kuò)散到相鄰頻率的現(xiàn)象。頻譜泄漏會(huì)影響頻譜分析的準(zhǔn)確性，因此需要通過選擇合適的時(shí)間窗來減少其影響。044符號(hào)055常用時(shí)域窗口漢寧窗（HanningWindow）：5常用時(shí)域窗口定義：漢寧窗是一種平滑的窗函數(shù)，通過降低邊緣的幅度來減少頻譜泄漏。特點(diǎn)：漢寧窗在時(shí)域內(nèi)具有平滑的過渡，能有效抑制旁瓣，但主瓣寬度增加，導(dǎo)致頻率分辨率降低。應(yīng)用適用于需要較高頻率分辨率且對(duì)旁瓣抑制要求較高的場(chǎng)合。5常用時(shí)域窗口平頂窗（Flat-TopWindow）：定義：平頂窗旨在保持主瓣內(nèi)的頻譜盡可能平坦，同時(shí)抑制旁瓣。特點(diǎn)：平頂窗通過調(diào)整窗函數(shù)的系數(shù)，使得主瓣內(nèi)的頻譜波動(dòng)減小，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。5常用時(shí)域窗口0102035常用時(shí)域窗口應(yīng)用適用于需要精確測(cè)量頻譜幅度，特別是在主瓣內(nèi)頻譜波動(dòng)對(duì)結(jié)果影響較大的場(chǎng)合。010203矩形窗（RectangularWindow）：定義：矩形窗是最簡(jiǎn)單的窗函數(shù)，其時(shí)域形狀為矩形，即所有樣本點(diǎn)權(quán)重相等。特點(diǎn)：矩形窗的主瓣寬度最窄，頻率分辨率最高，但旁瓣較高，頻譜泄漏嚴(yán)重。5常用時(shí)域窗口應(yīng)用適用于對(duì)頻率分辨率要求較高，且對(duì)旁瓣抑制要求不高的場(chǎng)合，如快速傅里葉變換（FFT）的初步分析。5常用時(shí)域窗口“其他窗口函數(shù)：5常用時(shí)域窗口布萊克曼窗（BlackmanWindow）：結(jié)合了漢寧窗和矩形窗的優(yōu)點(diǎn)，具有較低的旁瓣和較窄的主瓣寬度。凱澤窗（KaiserWindow）：通過調(diào)整一個(gè)參數(shù)β來控制主瓣寬度和旁瓣高度，具有較大的靈活性。5常用時(shí)域窗口漢明窗（HammingWindow）：與漢寧窗類似，但系數(shù)略有不同，通常用于減少頻譜泄漏。這些窗口函數(shù)各有特點(diǎn)，選擇時(shí)需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行權(quán)衡。065.1概述標(biāo)準(zhǔn)背景GB/T29716.2-2018《機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理第2部分:傅里葉變換分析的時(shí)域窗》是一項(xiàng)重要的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，旨在規(guī)范機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中傅里葉變換分析的時(shí)域窗選擇與應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)基于ISO18431-2:2004國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，確保了與國(guó)際接軌的技術(shù)水平。標(biāo)準(zhǔn)目的本標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是為振動(dòng)和沖擊數(shù)字樣本數(shù)據(jù)的前處理提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)域窗口選擇方法，作為離散傅里葉變換頻譜分析的先導(dǎo)。通過規(guī)范時(shí)域窗口的使用，提高信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。5.1概述5.1概述適用范圍該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有需要進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理的領(lǐng)域，包括但不限于航空航天、汽車制造、機(jī)械制造、土木工程等。它對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低噪聲和振動(dòng)水平具有重要意義。主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了三種最常用的時(shí)域窗口——漢寧窗、平頂窗和矩形窗的使用方法和應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，還介紹了離散傅里葉變換（DFT）和快速傅里葉變換（FFT）的基本原理及其在信號(hào)處理中的應(yīng)用。此外，標(biāo)準(zhǔn)還涉及了時(shí)間窗的概念及其在減少頻譜泄漏方面的作用。075.2漢寧窗5.2漢寧窗定義與特性漢寧窗（HanningWindow）是一種常用的窗函數(shù)，其形狀類似于正弦波的一半。它通過減少頻譜泄漏來提高頻譜分析的準(zhǔn)確性。漢寧窗的主要特性包括較低的旁瓣水平和較寬的主瓣，適用于需要較高頻率分辨率的場(chǎng)合。應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在機(jī)械振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中，漢寧窗能有效抑制頻譜分析中的旁瓣干擾，提高信號(hào)的信噪比。它特別適用于分析包含多個(gè)頻率成分的復(fù)雜信號(hào)，如機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)。參數(shù)設(shè)置使用漢寧窗時(shí)，需要根據(jù)信號(hào)的采樣頻率和所需分析的頻率范圍來設(shè)置窗函數(shù)的長(zhǎng)度。窗長(zhǎng)過短可能導(dǎo)致頻率分辨率不足，而窗長(zhǎng)過長(zhǎng)則可能引入不必要的相位失真。與其他窗函數(shù)的比較與矩形窗相比，漢寧窗具有更低的旁瓣水平，但主瓣寬度較寬；與平頂窗相比，漢寧窗的旁瓣抑制能力稍遜，但在某些應(yīng)用中可能具有更好的綜合性能。因此，在選擇窗函數(shù)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行權(quán)衡。5.2漢寧窗085.3平頂窗定義與特性平頂窗是一種在頻域中具有相對(duì)平坦幅度響應(yīng)的時(shí)域窗口函數(shù)，其設(shè)計(jì)目的是在減少頻譜泄漏的同時(shí)，盡量保持信號(hào)在頻域中的真實(shí)形狀。平頂窗在振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中尤為重要，因?yàn)樗苡行Ы档鸵蛐盘?hào)截?cái)嘁鸬哪芰啃孤叮岣哳l譜分析的準(zhǔn)確性。應(yīng)用場(chǎng)景平頂窗特別適用于需要精確測(cè)量信號(hào)頻率成分的場(chǎng)景，如機(jī)械故障診斷、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析等。在這些應(yīng)用中，平頂窗能夠提供更清晰的頻譜圖像，幫助工程師準(zhǔn)確識(shí)別振動(dòng)源和沖擊源。5.3平頂窗優(yōu)點(diǎn)與局限平頂窗的主要優(yōu)點(diǎn)在于其平坦的幅度響應(yīng)，這有助于減少頻譜分析中的誤差。然而，平頂窗在時(shí)域中的衰減速度相對(duì)較慢，這可能導(dǎo)致信號(hào)在窗口邊緣的截?cái)嘈?yīng)較為顯著。因此，在選擇平頂窗時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景權(quán)衡其優(yōu)缺點(diǎn)。參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化平頂窗的性能可以通過調(diào)整其窗口長(zhǎng)度和形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。窗口長(zhǎng)度的增加通常可以提高頻譜分析的分辨率，但也會(huì)增加計(jì)算量。形狀參數(shù)的調(diào)整則可以根據(jù)信號(hào)特性進(jìn)行定制，以達(dá)到最佳的頻譜分析效果。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的平頂窗參數(shù)，并進(jìn)行必要的優(yōu)化調(diào)整。5.3平頂窗095.4矩形窗5.4矩形窗定義與特性矩形窗是一種最簡(jiǎn)單的時(shí)域窗口，其時(shí)域函數(shù)在整個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持恒定，而在數(shù)據(jù)塊邊界處突然截?cái)酁榱恪＿@種窗口沒有平滑過渡，因此會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的頻譜泄漏現(xiàn)象。應(yīng)用場(chǎng)景盡管矩形窗存在頻譜泄漏的缺點(diǎn)，但在某些特定情況下，如需要快速計(jì)算或?qū)?shù)據(jù)塊的邊界效應(yīng)不敏感時(shí)，矩形窗仍被采用。此外，在某些實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中，由于計(jì)算資源的限制，矩形窗因其簡(jiǎn)單性而得到應(yīng)用。參數(shù)設(shè)置矩形窗的主要參數(shù)是窗口長(zhǎng)度，即數(shù)據(jù)塊的大小。窗口長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)信號(hào)特性和分析需求來確定。較長(zhǎng)的窗口可以提供更高的頻率分辨率，但會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜度和延遲；較短的窗口則相反。優(yōu)缺點(diǎn)分析矩形窗的優(yōu)點(diǎn)在于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高。然而，其缺點(diǎn)也顯而易見，即頻譜泄漏嚴(yán)重，可能導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，矩形窗還會(huì)引入旁瓣效應(yīng)，進(jìn)一步影響頻譜分析的精度。因此，在選擇時(shí)域窗口時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行權(quán)衡。5.4矩形窗106實(shí)例實(shí)例一漢寧窗的應(yīng)用：漢寧窗是一種常用的時(shí)域窗函數(shù)，在機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理中，它能有效減少頻譜泄漏，提高頻譜分析的精度。例如，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)加漢寧窗處理，可以更加清晰地識(shí)別出故障特征頻率，為故障診斷提供有力支持。實(shí)例二平頂窗在沖擊信號(hào)處理中的應(yīng)用：平頂窗在沖擊信號(hào)處理中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其主瓣較寬且旁瓣較低，能夠較好地保持沖擊信號(hào)的能量分布，減少能量泄漏。在爆炸沖擊、跌落沖擊等實(shí)驗(yàn)中，采用平頂窗對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行處理，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估沖擊響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供依據(jù)。6實(shí)例6實(shí)例實(shí)例三矩形窗在快速傅里葉變換中的應(yīng)用：矩形窗雖然旁瓣較高，但在某些特定情況下，如信號(hào)長(zhǎng)度較短或需要快速計(jì)算頻譜時(shí)，矩形窗因其計(jì)算簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。在快速傅里葉變換（FFT）中，矩形窗常被用作默認(rèn)窗函數(shù)，以簡(jiǎn)化計(jì)算過程，提高處理效率。實(shí)例四多窗函數(shù)組合應(yīng)用：在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得更好的信號(hào)處理效果，有時(shí)會(huì)采用多種窗函數(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用。例如，在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)處理中，可以先用漢寧窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，減少頻譜泄漏；再用平頂窗對(duì)特定頻段的信號(hào)進(jìn)行精細(xì)分析，以獲取更準(zhǔn)確的故障信息。這種多窗函數(shù)組合應(yīng)用的方法能夠充分發(fā)揮各種窗函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高信號(hào)處理的綜合性能。116.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口漢寧窗（HanningWindow）：定義：漢寧窗是一種常用的窗函數(shù)，其形狀類似于正弦波的一半，用于減少頻譜泄漏。應(yīng)用：在截?cái)嗾倚盘?hào)時(shí)，漢寧窗能有效抑制旁瓣，提高頻譜分析的準(zhǔn)確性。6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口010203特點(diǎn)具有較低的旁瓣電平，但主瓣較寬，可能導(dǎo)致頻率分辨率降低。6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口平頂窗（Flat-TopWindow）：01定義：平頂窗設(shè)計(jì)用于在保持主瓣寬度的同時(shí)，使窗函數(shù)的頻譜更加平坦，減少旁瓣能量。02應(yīng)用：在處理需要高頻率分辨率和低旁瓣能量的信號(hào)時(shí)，平頂窗是理想選擇。03特點(diǎn)主瓣較窄，旁瓣電平較低，但計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高。6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口“6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口010203矩形窗（RectangularWindow）：定義：矩形窗是最簡(jiǎn)單的窗函數(shù)，其形狀為矩形，即信號(hào)在窗內(nèi)保持不變，在窗外截?cái)酁榱恪?yīng)用：盡管矩形窗在頻譜分析中會(huì)產(chǎn)生較大的旁瓣，但在某些對(duì)計(jì)算效率要求較高的場(chǎng)合仍被使用。特點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)單，但頻譜泄漏嚴(yán)重，旁瓣電平高，影響頻譜分析的準(zhǔn)確性。6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口布萊克曼窗（BlackmanWindow）：特點(diǎn)：布萊克曼窗在減少旁瓣電平方面優(yōu)于漢寧窗，但主瓣寬度更寬，適用于對(duì)旁瓣抑制要求較高的場(chǎng)合。補(bǔ)充說明：雖然布萊克曼窗在本文大綱中未直接提及，但它是另一種常用于截?cái)嗾倚盘?hào)的窗函數(shù)。6.1用于截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口126.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口漢寧窗（HanningWindow）：6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口定義：漢寧窗是一種常用的窗函數(shù)，其形狀類似于正弦波的一半。特點(diǎn)：漢寧窗能有效減少頻譜泄漏，特別適用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的分析。應(yīng)用在振動(dòng)與沖擊信號(hào)處理中，漢寧窗常用于提高頻譜分析的精度，減少旁瓣效應(yīng)。6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口特點(diǎn)：平頂窗在保持主瓣平坦的同時(shí)，也能有效抑制旁瓣，適用于需要精確測(cè)量頻譜成分的場(chǎng)景。定義：平頂窗是一種設(shè)計(jì)用于在頻域內(nèi)具有較平坦主瓣的窗函數(shù)。平頂窗（Flat-TopWindow）：010203應(yīng)用在需要高分辨率頻譜分析的非截?cái)嗾倚盘?hào)處理中，平頂窗表現(xiàn)出色。6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口凱澤窗（KaiserWindow）：定義：凱澤窗是一種可調(diào)的窗函數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)β可以控制主瓣寬度和旁瓣衰減。6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口特點(diǎn)：凱澤窗具有高度的靈活性，可以根據(jù)具體需求調(diào)整窗函數(shù)的形狀，以達(dá)到最佳的頻譜分析效果。應(yīng)用在非截?cái)嗾倚盘?hào)的處理中，凱澤窗因其可調(diào)性而被廣泛應(yīng)用于需要精確控制頻譜泄漏和旁瓣抑制的場(chǎng)景。6.2用于非截?cái)嗾倚盘?hào)的普通窗口定義：布萊克曼窗是一種由三個(gè)余弦項(xiàng)組成的窗函數(shù)，具有較低的旁瓣電平。02特點(diǎn)：布萊克曼窗在減少旁瓣電平方面表