振动测试和分析技术综述
黄盼
（西华大学，成都四川 610039）
摘要:振动测试和分析对结构和系统动态特性分析及其故障诊断是一种有效的手段。综述了当前振动测试和分析技术，包括振动测试与信号分析的国内外发展概况、振动信号数据采集技术、振动测试技术、以及振动测试与信号分析的工程应用，最后对振动测试与分析技术的未来发展方向进行了展望。
关键词:振动测试; 信号分析; 动态特性; 综述
Summary of Vibration Testing and Analysis
HuangPan
( Xihua University，Chengdu 610039，China)
Abstract: Vibration testing and analysis is an effective tool in analyzing structure and system dynamic characteristic and detecting the failures of structures,systems and facilities. The present paper reviews the current vibration testing and analysis techniques，including the development of vibration measurement and analysis of domestic and foreign，vibration signal data acquisition,vibration testing technology ,vibration measurement and analysis in engineering application. Finally,the future development in the field of vibration testing and analysis is predicted.
Key words: vibration testing; signal analysis; dynamic characteristic;overview
0 引言
随着科学技术的发展，振动及设备动态特性引起的问题受到各行各业的高度关注。例如: 导弹、飞机和火箭在飞行中，由于发动机和气流扰动及结构动态特性所造成的振动直接影响到飞行安全和控制精度; 车辆在凹凸不平的路面上行驶时的振动直接关系到驾驶性能与乘坐的舒适性; 机械加工设备的振动直接影响到加工的精度和有效性; 大型旋转机械的振动信号直接反映了设备运转的主要信息; 高层建筑、桥梁由于风载和地震所产生的振动直接关系到这些结构的安全。
要解决各种各样的振动及动态特性问题，研究系统的动力学特性，分析产生振动的原因，考核设备适应振动与环境的关系，除了理论分析外，对结构、系统和设备进行振动测试与信号分析是必不可少的重要手段。
振动测试与信号分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动信号分析技术的研究提出了越来越高的要求［1］，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业以及环境保护等尤为重要。可以说，振动测试与分析技术已广泛应用在产品研究、设计、生产和运行的全过程。
1 振动测试与信号分析的国内外发展概况
1.1 信号测试与分析技术发展概述
信号分析技术已经被广泛地应用于许多学科与领域[4]，诸如：通信、雷达、声纳、地震、遥感、生物医学、机械振动等。特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使信号分析技术得到了迅速的发展，目前，它已成为信息科学技术中一种必不可少的手段。
50 年代以前，信号分析技术主要使模拟分析方法。进入50 年代，大型通用数字计算机在信号分析中有了实际的应用，当时曾经争论过模拟与数字分析方法的优缺点，争论的焦点是运算速度，精度与经济性。进入 60 年代，人造卫星、宇航探测以及通信、雷达技术的发展，对信号分析的速度，分辨能力提出了更高的要求，1965 年，美国库列[5]（J.W.Cooley）和图基（J.W.Tukey）提出了快速傅立叶变换（FFT）的计算方法，使计算离散傅立叶变化（DFT）的复数乘法次数从N2减少到Nlog2N 次，从而大大节省了计算量。这一方法大大促进了数字信号处理的发展，使其获得了更广泛的应用。因为卷积可以利用DFT 来计算，故FFT 算法也可以用正比于Nlog2N 的运算次数来计算卷积，而卷积运算在计算机科学和其他领域有广泛的应用。70 年代以后，大规模集成电路的发展以及微型计算机的应用，使信号分析技术具备了广阔的发展远景，许多新的算法不断出现。例如，1968 年美国C.M.Rrader提出的 NFFT 算法，DFT 可用循环卷积算法；1976 年美国S.winograd 提出了WFTA算法，用它计算DFT 所需要的乘法次数仅为FFT 算法乘法次数的1/3；1977 年法国H.J.Nussbaumer 提出了PFTA 算法，结合使用FFT 和WFTA 方法，在采样点数较大时，较之FFT 算法快3 倍左右。上许几种方法与DFT 方法比较；当采样点N＝1000时，DFT 算法为200 万次；FFT 为1.4 万次；NFFT 为0.8 次；WFTA 为0.3 万次；PFTA 为0.3 万次。此外，信号处理芯片是近年来出现的一种用于快速处理信号的器件，它的出现，对简化信号处理系统的接受，提高运算精度，加快信号处理的实时能力等有很大作用。例如TMS320C25 芯片，运算速度达1000 万次每妙，用其进行1024 复数点FFT运算，只需14ms 便可完成。这一进展，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信息处理方面，展示了宽阔的应用前景。
目前信号分析技术的发展目标是：
