基于LabVIEW的随机振动信号生成技术

王冠

摘 要：研究设计了一种基于LabVIEW的随机振动信号生成系统。具体介绍了信号的产生原理，系统主程序的设计思想以及界面操作流程。该系统其操作简便、程序快速、谱线误差小，可做为振动信号源完成振动测试实验，具有一定实用价值。

关键词：随机振动；LabVIEW；信号产生；加速度谱密度；振动量级

中图分类号：TB123 文献标识码：A

振动试验是仿真产品在运输、安装及使用环境中所遭遇到的各种振动环境影响，用来确定产品是否能承受各种环境振动能力的实验手段。其中随机试验被大量应用到实验中，其信号复杂计算量大必须通过计算机辅助完成，信号发生器无法产生需求的波形，因此亟需一款软件辅助其完成信号发生过程进行振动实验。

1 随机信号

不能用确定函数描述，只能用概率和统计方法描述。在实验中信号平均值需为零，而信号的均方根值则为振动量级。其能量分布用加速度谱密度图表示。

2 软件实现波形生成

2.1软件平台

软件采用美国NI公司所设计的虚拟仪器开发平台-LabVIEW，它是一种图形化的编程语言，利用数据流框图接受指令这样使得程序简明，缩短虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程，充分发挥G语言的优点。

2.2目标谱输入部分

加速度谱密度曲线是表征随机信号的重要参数，是生成目标随机信号的第一步，它包含了振动信号能量分布的信息。规定振动试验一般都会提供该曲线谱图，其横纵坐标为对数坐标。依次输入不同折点利用两点式，将各分段函数合并，如此就确定了目标谱的谱线形状。而系统则以正常坐标记录点集放入数组变量中供后续程序使用。

2.3频域时域转换（IFFT）

频域所描述的是对应频率能量密度即振动信号加速度谱密度，谱线是连续的曲线。在计算机进行信号生成时必须将其谱线离散化，这里选定1Hz为分辨频率对谱线进行离散。离散化之后可认为随机信号由这些个离散的频率点所对应的谐波组成，而各谐波单频幅值可由公式求出。式中A为单频幅值W为频率对应的加速度谱密度。

信号生成可由LabVIEW中的基本带幅值混合单频 VI生成。该VI可将指定频率幅值以及相位的正弦波相加产生规定波形。这里设置起始频率为1，单频幅值由数组形式输入，程序由数组元素个数确定频率个数，由1Hz起始频率delta频率为1Hz向上递增对应各谐波波形幅值参数。在相位输入接口中选择相位随机选项，这样就满足了随机振动信号相位随机化的要求。对于采样信息机械传递的振动最高频率一般为2kHz因此根据采样原则采样频率需至少为最高谐波频率的两倍否则就会失真。因此选择了1W为波形采样频率以及采样点数产生1s时长的随机信号。波形公式如下

式中：n为截止频率；Ai为各频率幅值；x为时间单位s；φi为0-360度的随机机相位服从均匀分布。

2.4伪随机信号随机化

上述频域时域转化即IFFT变换，其信号是一种伪随机信号，其一帧信号就为一个周期。在一个周期中它的频谱呈随机频谱形式。但在多周期分析时其频谱为离散的各点能量集中整数的频率上。这样对某些实验是不利的，如果待测试件其共振频率恰在能量所集中的频率就会造成过实验，反之则为欠实验。为了克服伪随机信号的不足，需进行信号的随机化处理。信号随机化的处理中有两种不同的方法，一种是IFFT变换后的信号与满足高斯分布的信号进行卷积，这种方法不需要加窗等处理但计算量太大不适合软件快捷迅速的要求。另一种采用加窗重叠技术的时域随机化方法，这种方法计算量小但有一定的能量泄漏。这里采用此法。

第一步为信号的随机抽头。当系统产生一帧伪随机信号后可将信号存入数组变量中，利用拆分一位数组功能将数组一分为二，由于为随机抽头选取随机数VI乘以系数做为索引，最后合并数组。第二步加窗函数，常用窗函数有正弦窗、三角窗、汉宁窗。前两者频谱泄漏较大，控制精度低动态范围小，因此需选择有着更大第一旁瓣衰减的汉宁窗。该窗泄漏较小，控制精度高，因此选择此窗。第三步重叠，重叠选择50%的重叠率。可先对加窗信号进行拆分，检索选取信号的中心位置，前半部分与上一个信号的后半部分进行叠加，而后半部分则与下一个信号的前半部分相加。如此各得到半帧信号，合并则为一帧完整信号。这种计算需用循环结构实现其循环次数与信号长度关系为：n=2T+1式中n为循环次数，T为信号帧数。软件中设定每帧为一秒即在生成波形前需输入信号的总时间则软件进行规定的循环生成目标波形。

2.5信号振动量级修正

利用LabVIEW中的单边功率谱密度VI可计算其加速度谱密度分布，其总能量为谱线所围面积，而振动量级则为平方根值。在信号随机化后都会有能量的泄漏从而降低振动量级，这样的信号会导致欠实验，所以必须提供一个能量恢复系数，该修正系数可有以下公式求得：

式中：E为待修正信号能量E目为目标谱总能量，则修正信号为F修=F原*K。这样就保证了振动量级防止欠实验。

修正的随机振动信号通过单边功率谱密度VI可求的其能量分布的谱线图，与目标谱对比可知满足信号规定要求。

2.6 信号保存

生成的随机信号最终是要被波形发生器所接收的因此需将信号存储为仪器可读的文件，以Handyscope HS5波形发生器为例。将波形数据由数组至电子表格字符串转换为并加文件头[SCOPE]，，，以*.dat为文件后缀这样就可得到仪器可读波形文件。

结语

以上介绍了信号的产生原理，系统主程序的设计思想以及界面操作流程，软件操作简便耗时短，波形也满足实验需求，在实验中得到了很好的应用，具有一定实用价值。

参考文献

[1]周鹏，许刚，马晓瑜，等.精通LabVIEW信号处理（第1版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]蒋瑜，陈循，陶俊勇.基于时域随机化的超高斯真随机驱动信号生成技术研究[J].振动工程学报，2005，18（04）：491-493.

[3]王述成，陈章位.随机振动实验中时域随机化技术的研究[J].机械工程学报，2005，45（05）：230-233.