毕业设计(论文)
UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)
题 目: 冲击测试常用滤波算法研究
学 院 专 业 学 号 学生姓名 指导教师 起讫日期 毕业设计(论文)
目录
摘要 ............................................................................................................................... 2 ABSTRACT .................................................................................................................. 3 第一章 绪论.................................................................................................................. 4
1.1课题背景 ............................................................................................................................ 4 1.2国内外相关领域的研究 .................................................................................................... 4 1.3主要研究内容与创新 ........................................................................................................ 5
1.3.1研究内容与意义 .................................................................................................... 5 1.3.2课题的创新点 ........................................................................................................ 5 1.3.3 研究目的与技术指标 ........................................................................................... 6
第二章 数字滤波基础.................................................................................................. 7
2.1数字滤波算法概念 ............................................................................................................ 7 2.2数据采样与频谱分析原理 ................................................................................................ 8
2.2.1 时域抽样定理 ....................................................................................................... 8 2.2.2 离散傅立叶变换(DFT) ......................................................................................... 8 2.2.3 快速傅立叶变换(FFT) ......................................................................................... 9 2.2.4 频谱分析原理 ....................................................................................................... 9 2.3常用数字滤波算法基础 .................................................................................................. 10
2.3.1常用数字滤波算法分类 ...................................................................................... 10 2.3.2常用数字滤波算法特点 ...................................................................................... 11 2.3.3常用滤波算法相关原理 ...................................................................................... 13 2.4 冲击测试采样数据 ......................................................................................................... 16
2.4.1噪声的特点与分类 .............................................................................................. 16 2.4.2冲击测试采样数据特点 ...................................................................................... 17 2.5 MATLAB简介 .................................................................................................................... 17
2.5.1 MATLAB功能简介 ................................................................................................ 18 2.5.2 MATLAB的发展 .................................................................................................... 18
第三章、冲击测试滤波算法设计及滤波效果分析.................................................. 20
3.1 冲击测试采样数据的分析 ............................................................................................. 20 3.2 滤波算法设计及效果分析 ........................................................................................... 21
3.2.1 中位值平均法的设计 ......................................................................................... 21 3.2.2限幅法和限速法的设计 ...................................................................................... 23 3.2.3一阶滞后法的设计 .............................................................................................. 25 3.2.4低通法的设计 ...................................................................................................... 26
第四章 结论与展望.................................................................................................... 34
4.1冲击测试的滤波算法总结 .............................................................................................. 34 4.2冲击测试的滤波算法展望 .............................................................................................. 34
致 谢............................................................................................................................ 36 参考文献...................................................................................................................... 37 附录：程序代码清单.................................................................................................. 38
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冲击测试常用滤波算法研究
摘要
动态信号分析仪是一种主要应用在噪声、振动分析、模型分析、电子设计和声学测试的工具，冲击测试和冲击谱分析是确定设备在经受外力冲撞或作用时的安全性、可靠性和有效性的实验方法，也是动态信号分析仪的一项重要功能。冲击测试采样数据往往会受到来自环境中的各种噪声干扰，有必要对其进行滤波以更好地分析其真实的冲击谱特性。本文中主要研究了一些应用于冲击测试数据滤波的常用滤波算法如中位值法、算术平均法、中位值平均法、限幅法、限速法、一阶滞后法、低通法等。MATLAB是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。本文在MATLAB环境下实现各常用数字滤波算法并讨论了各滤波算法的特点及其选用原则。针对冲击测试仪采样数据的噪声干扰特点，挑选出合适的算法对冲击测试采样数据进行滤波，分析比较各滤波算法的实际滤波效果并且进行相关优化以实现更优的滤波效果。
论文的主要内容：
第一章、绪论主要介绍了有关动态信号分析仪的课题背景、国内外发展情况，课题的研究意义及创新点等。
第二章、介绍了数字滤波的基本原理、常用滤波算法分类与特点、频谱分析基本原理和环境噪声的相关知识。
第三章、主要介绍各滤波算法的参数选择和具体设计流程，并对各算法的滤波效果进行分析比较。
第四章、对冲击测试常用滤波算法实现和滤波效果的分析总结及前景展望。
关键词：数字信号处理、数字滤波、滤波算法、MATLAB
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ABSTRACT
Dynamic signal analyzer is a tool mainly applied in noise, vibration analysis, model analysis, electronic design and acoustic test. Impact test and impact spectrum analysis are experimental methods that examine the safety, reliability and validity of the equipment under external force impact. Impact test sample data often suffers from all kinds of noises in the environment, it is necessary to filter the data for better and real impact spectrum characteristics.
In this paper, we mainly study commonly used digital filtering algorithm such as median value method, the arithmetic average method, weighted average method, clipping method, limited speed method, and low pass method and so on. MATLAB is a computing language and interactive environment for senior technical computing algorithm development, data visualization, data analysis and numerical analysis. Using MATLAB, we simulate the commonly used digital filtering algorithms and discuss the characteristics and selection principles of the algorithms. According to the characteristics of noise of the data sampling impact tester, a suitable algorithm it is selected, analyzed, justified to achieve better filtering effect.
The reminder of the thesis is as follows:
Chapter one introduces the project background, the development of the dynamic signal analyzer domestic and abroad, the research significance and innovations etc.
Chapter two includes the basic principle of digital filtering, classification and characteristics of filtering algorithm commonly used, basic principle of spectrum analysis and the relevant knowledge of environmental noise.
Chapter three is the design and effect analysis of digital filtering algorithm in details.
The last chapter is the conclusion of the design and effect analysis of impact test filtering algorithms.
Keywords: Digital signal processing; Digital filtering; Filtering algorithm; MATLAB
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第一章 绪论
1.1课题背景
动态信号分析仪是从表示物理量的电信号中分析其特性参数的仪器，由硬件和分析软件构成。动态信号分析仪可从时域、频域和幅值域分析被测信号，具有功能全、分析速度快、测量参数多、频率分辨力和幅值精度高等特点，广泛应用于如计算机制造、航空航天、电子、军事、生物医学、通讯等高科技产品的质量检测和诊断分析[1]。
动态测试、信号处理、模态试验、环境试验、状态监测、故障诊断的核心
手段是动态信号分析仪[2]。而随着科技的进步，特别是微电子技术的迅猛发展，嵌入式微控制器的出现与使用，诞生了集动态信号采集、分析、存储、显示为一体的动态信号分析仪。该种动态信号分析仪体积小、重量轻、速度快、功能强大、方便携带于工程现场的使用，需要时可将所存的数据传送到计算机进行更详细的分析。
冲击测试一般是确定军民用设备在经受外力冲撞或作用时产品的安全性、可靠性和有效性的一种试验方法。而冲击响应谱通常简称“冲击谱”，它是将受到机械冲击作用的一系列单自由度系统的最大响应(如位移、速度或加速度)响应值随系统的固有频率而变化的频谱[3]。国家标准化组织(ISO)所属的技术委员会以及我国的国家标准，都已经把冲击谱作为规定冲击环境的方法之一。冲击谱是对设备实施抗冲击设计的分析基础，也是控制产品冲击环境模拟实验的基本参数。因此冲击响应谱分析是动态信号分析仪应具备的一项重要功能。
由于在冲击测试中，采样数据不可避免地受到各种环境噪声的干扰。所以在进行冲击响应谱分析前，对冲击测试采样数据进行数字滤波处理是很有必要的。本文主要研究冲击测试的常用数字滤波算法，数字滤波根据有用信号与噪声的不同特性，消除或减弱噪声。它对信号安全可靠和有效灵活地传递是至关重要的[4]。数字滤波方式具有精度高、可靠性高、灵活易用(可程控改变特性)、便于集成等特点。
数字滤波是语音处理、图像处理、模式识别、频谱分析等应用的基本处理算法[5]。语音处理是最早应用数字滤波的领域之一，也是最早推动数字信号处理理论发展的领域之一。语音的去噪与增强技术已取得许多成果。目前，数字信号滤波在图像处理、数据压缩等方面取得了巨大的进展和成就。小波理论由于其局部分析性能的优异在图像处理中的应用研究得到迅速发展，尤其是在图像压缩、图像去噪等方面的应用研究[6]。而在数字通信、网络通信、图像通信、多媒体通信等应用中，离开了数字滤波几乎是寸步难行。
1.2国内外相关领域的研究
动态信号分析仪在电子测量领域中被称为频域中的“射频万用表”，具有较高的实用性，并得到了广泛的应用[7]。它同时具备几种仪器的功能，坚固、轻
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