基于MATLAB的信号波形与频谱分析

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1、辽宁科技大学毕业设计（论文） 第30页基于MATLAB的信号波形与频谱分析摘 要本文利用MATLAB软件进行信号频谱分析的设计，并通过GUI界面(图形用户界面)实现信号频谱分析的动态设计。用户可与计算机交互式地进行对象参数的设置、控制算法的选取、以及对离散信号与连续信号的动态频谱分析。并利用MATLAB内嵌的Simulink模块，实现系统的信号频谱分析，满足不同用户的不同要求。MATLAB的GUIDE是专门用于图形用户界面（GUI）程序设计的快速开发环境，本文从介绍GUIDE入手结合具体的软件图形界面实例，给出了利用GUIDE制作图形用户界面的基本方法。通过本文的研究得出利用GUIDE设计的仿

2、真界面不仅可以对离散信号与连续信号的动态频谱进行相关分析，而且还可以对此问题作进一步的预测和分析。基于GUIDE技术制作的图形用户界面，具有友好性，开放性，方便科研人员不断地研究和扩充。 关键词频谱分析；GUI；SIMULINK；MATLABAbstractUsing MATLAB software for signal spectrum analysis of the design, and through the GUI interface (graphical user interface) signal spectrum analysis of the dynamic design.

3、Users can interactively with the computer targeting parameters for the establishment, control algorithm selection, and the discrete signals and continuous signal analysis of the dynamic spectrum. MATLAB and Simulink embedded module, the signal system to achieve spectral analysis, meet the needs of d

4、ifferent users with different needs. MATLAB GUIDE is devoted to the graphical user interface (GUI) design procedures for the rapid development environment, This paper introduced GUIDE start from the context of the specific examples of graphical interface software, GUIDE is produced using a graphical

5、 user interface methods. Through this paper, the study of the use of simulation GUIDE interface design can not only right for discrete signal and the signal dynamic spectrum analysis, but also the issue for further analysis and forecasts. GUIDE technology based on the production of graphical user in

6、terface is friendly and open, facilitate researchers continue to study and expanded. Keywords Spectrum Analysis ；GUI；SIMULINK；MATLAB目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 MATLAB应用软件简介11.2课题研究的内容21.2.1信号的频谱分析21.2.2信号频谱分析的原理31.2.3频谱分析与显示原理31.2.4对三阶交调进行模拟分析31.2.5伪彩色编码的动态频谱图显示41.2.6宽带频谱图与窄带频谱图51.3 GUI界面设计实现51.4 SI

7、MULINK61.4.1 SIMULINK模型与文件71.4.2 SIMULINK仿真原理7第2章MATLAB工具箱的概述及GUI界面的简介82.1引言82.2句柄图形及图形用户界面82.3 GUIDE82.4编制回调程序102.5主界面102.6子界面112.7基于MATLAB信号处理工具箱的数字滤波器设计与仿真112.8带通滤波器设计实例12第3章 GUI界面下噪声信号的频谱分析与实现143.1概述143.2 MATLAB信号处理工具箱介绍及功能143.2.1MATLAB工具箱介绍143.2.2工具箱功能153.3通风机噪声信号的采集方法173.4噪声信号的频谱分析183.5 GUI界面下

8、噪声频谱分析的实现19结 论22致 谢23参考文献24附录A25附录B27第1章 绪论1.1 MATLAB应用软件简介MATLAB是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件，它的交互式集成界面能够帮助用户快速地完成数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用在科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用 MATLAB 产品的开放式结构，可以非常容易地对 MATLAB 的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善 MATLAB 产品以提高产品自身的竞争能力。

9、MATLAB语言采用与数学表达式相同的形式，不需要传统的程序设计语言，因而不像其他高级语言那样难于掌握。一般来说，用户可以在极短的时间内掌握MATLAB解决简单的问题，由于MATLAB的这些特点，它现在已经成为科研工作和工作仿真的高级助手。MATLAB是mathworks公司开发的，目前国际上最流行应用最广泛的科学与共程计算软件，它广泛应用于自动控制、数字运算、信号分析、航天工业、汽车工业、计算机技术、图像信号处理、财务分析、生物医学工程、语言处理和雷达工程等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB6.5是它的最新版本，由于它具有强大的计算和绘图功能，大量稳定

10、可靠的算法和简洁高校的编程语言，所以选用MATLAB6.5环境中的GUI介面、SIMULINK仿真环境来对信号进行频谱分析 。本文将以美国Metso Automation MAX公司的新一代DCS产品MAX1000+plus为例讨论如何利用MATLAB的仿真软件包SIMULINK中的S-FUNCTION1和MAX1000+plus系统中读写DPU参数的Software Backplane(软件背板)2技术实现虚拟DPU控制作用与MATLAB建立的仿真模型的连接，并用MATLAB6.5的GUI介面来进行通风机噪声频谱分析。1.2课题研究的内容1.2.1信号的频谱分析（1）连续周期信号已知一个连续

11、周期信号，在满足一定条件下，可以通过傅立叶级数展开为一系列正弦信号的线性叠加。形状不同的周期信号其区别在于它们各自不同基本频率、不同谐波的幅度和相位的正弦信号组合而成。由此可见，如果能找到具有这三个特性的频率函数，就能把该信号惟一地确定下来。从傅立叶级数展开式中可以观察到，傅立叶系数就是这样的频率函数，并可按下式求得： (1.1)式中，T是周期信号的周期，是基本角频率，K是离散变量表示谐波的次数。可见,是离散频率的复函数，可表示为： (1.2)（2）连续非周期函数 对于连续非周期信号，也可通过连续时间傅立叶变换（CTFT），从上式中求得一个频率函数X（W），在频域对信号进行分析，即 (1.3)

12、 （3）离散周期信号 对于离散周期信号，从离散傅立叶级数展开式中可以求得傅立叶系数，如下式所示，即： (1.4) （4）离散非周期信号对于离散周期信号。如同连续非周期信，通过离散时间傅立叶变换（DTFT）可求得非周期序列的频谱密度函数，即： (1.5)1.2.2信号频谱分析的原理 信号频谱分析，就是应用傅里叶分析的方法，求出与信号时域波形相对应的频率函数，从中找出描述该信号频谱结构的变化规律，以达到特征提取的目的，如频带宽度、幅度、相位以及能量、功率等随频率变化的分布规律3。1.2.3频谱分析与显示原理（1）离散信号的短时FFT频谱分析现代信号频谱分析是基于离散时域的短时FOURIER分析。设

13、离散时域采样信号为x（n）=0,1,N-1是时域采样点序号，N是信号长度。在数字信号处理中，用加窗方法将信号分段。此时表示成x(n),n=0,1,N-1，m是桢的序号，n是桢的同步的时间序号，N则是一桢内的采样点数（桢长）。信号的加窗离散时域Fourier变换（DTFT）为： （1.6）为了便于离散计算，采用的离散FOURIER变换（DFT）： （1.7） X(m,k)|便是Xm(n)的短时幅度谱估计。把m当作时间变量，k当作频率变量，则|X(m,k)|就是信号x(n)的动态频谱。由20log10(|X(m,k)|)就是以dB表示的动态频谱。为了高计算|X（m,k）|，可以运用快速Fourie

14、r变换算法，即FFT算法。1.2.4对三阶交调进行模拟分析1.输入：三个正弦信号之和，要求三个信号之间的频率相差不大。 2.过程：输入信号通过非线性放大器，放大器的放大特性为a*x+b*x*x*x。 3.输出：输入信号和输出信号的频谱4。fs=6400000; %采样频率64k t=0:(1/fs):(0.1-(1/fs); %时长0.001秒 t_len=size(t,2); f1=1400; f2=1600; %双音信号1k和1.6k f_len=linspace(-fs/2-fs/2/t_len,fs/2-fs/2/t_len,t_len); figure(1); a1=1.65; a3

15、=-0.887; a5=0.16; s=(sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t); a*x+b*x*x*xfftmov1=20*log10(abs(fft(ss); fftmov1=fftshift(fftmov1); plot(f_len,fftmov1); ylim(-100 120); xlim(0 5000); grid on; xlabel(频率hz); ylabel(幅度db); title(输出信号频谱);1.2.5伪彩色编码的动态频谱图显示在二维平面坐标上，将m作为横坐标，k作为纵坐标，把|X（m,k）|的值作为灰则得到X(n)的动态频谱图。对|X(m,k)

16、|的值实施伪彩色映射，可得到伪彩色的动态频谱图，以获得更好的分辨率和视觉效果，并增强频谱图的可读性性。把|X(m,k)|的最小值映射为归一化的0电平，最大值映射归一化的1电平，而将|X（m,k）|线性映射为01之间的电平值。再利用彩色映射，计算彩色监视器把显示出来，则获得伪彩色显示的动态频谱图。为了充分利用彩色空间的范围，选折适当的基准频谱值Base。小于Base的频谱值都被限定在基准电平上，而大于Base的谱值则被线性映射到由01的归一化彩色值。以C=c(m,k)表示彩色值矩阵，由|X（m,k）|到c (m,k)的映射的数学表示如下： （1.8）其中 （1.9）1.2.6宽带频谱图与窄带频谱

17、图根据DFT分析原理，频谱的频域分辨力是指离散的频率的频率间隔，也即X( )中相邻的k值之间所代表的频率间隔 。 的大小取决于桢长N以及信号采样频率 。根据Nyquist采样定理， 和N之间的关系满足 (1.10)这与信号 原来所包括的频率成分无关。所以， 在不变的前提下，增加N将使频谱图的分辨率提高或相邻k值之间所代表的频带宽度变小，这就使得频谱趋向于窄带频谱，相反，则趋向于宽带频谱。为提高频域分辨率而加大N值，会使频谱在时域中是的分辨率降低。解决这个矛盾的途径是，在取较大（合适）的真长N的同时，采用信号分针针移小于真长N的办法，由此可得到频域和时域分辨率都满足需要的频谱。分真真移可表示为：

18、 n=0,N-1, N (1.11) 1.3 GUI界面设计实现动态数字调节器设计与仿真软件的界面。它共包含5个区域：(1)菜单区：位于整个界面的最上端。隐含了Matlab自带的所有基本菜单(将figure对象的“MenuBar”属性设置为“None”)，添加了file、tool、system、最小拍、大林算法、Simulink、help7个菜单。每个菜单下又有各级子菜单。其中两项的具体内容如图1.1。 图1.1菜单内容(2)图形区：用于显示各计算机控制系统的动态仿真曲线，以及各系统的比较曲线。(3)对象模型区：动态的显示系统各相应环节的数学模型(传递函数或脉冲传递函数)。由4个单选按钮(ra

19、diobutton)和4个编辑框(edit)组成。当用户的输入参数发生变化时,可通过单击响应的单选按钮，实现显示结果的实时刷新与显示。(4)控制按钮区：由4个按钮组成(pushbutton)，实时的进行系统参数的设定，输出图像智能切换，并具有曲线刷新等功能。在使用该软件时,第一步便是按下“参数输入”按钮，进行系统设置,否则将给出错信息。(5)图形效果区：由一个滑动条组成(slider)。用于控制输出图形的明暗程度。其实在该区域还可根据用户要求加入其他图形控件，如色彩选择器、线形控制器等等，但就实现方式来讲是完全一致的。故本窗口只设置了一个以示说明。1.4 SIMULINKSIMULINK是一个

20、进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。1.4.1 SIMULINK模型与文件 在SIMULINK模型窗口中可以使用“File”选单来实现模型的文件 相应的操做，同样，也可以在MATLAB的命令窗口通过命令来实现。（1）创建新模型。new-systen命令用来在MATLAB的工作空间创建一个空白的SIMULINK模型，但这个模型不能制动显示出来，称为逻辑模型，必须用open-systen命令来显示。（2）打开模型。open-systen命令用来打开逻辑模型，在SIMULINK模型窗口显示该模型。（3

21、）保存模型。Save-systen命令用来保存模型为模型文件夹，扩展名为.mdl。（4）关闭模型。如果要关闭一个打开的SIMULINK模型，则使用close-systen命令。SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。1.4

22、.2 SIMULINK仿真原理简单的：用SIMULINK的工具箱做仿真。中级的：确定一个硬件芯片，然后再加外围，然后仿真，适当的考虑一些其他干扰、现场因素。复杂的：确定硬件芯片，加外围，考虑现场、干扰、编码等诸多因素，并将整个信号的传输过程都仿真出来，如采集端的DSP，信道里面的传输，接受的解码编码，最好是用一段具体的声音来建模，并给出在频域、时域的图像6。如果在家一点儿信道服用以后的提高、优化分析，如时分复用、频分复用等。第2章MATLAB工具箱的概述及GUI界面的简介2.1引言MATLAB是由MathWorks公司于1984年推出的数学软件，早期以矩阵运算为主,但随着科学可视化的需求日增，

23、MATLAB在第4版推出了句柄图形，自此之后，所有的Demos都包含友好的图形用户界面，MATLAB的图形界面设计功能也日益完善如今，MATLAB已成为集数值计算功能符号运算功能和图形处理功能为一身的超级科学计算语言，满足了不同领域用户的需求。2.2句柄图形及图形用户界面句柄图形(HandleGraphics)就是将一个图形的每一个组件都视为一个对象(Object)，每一个对象都有一个独一无二的/句柄0(handle)，根据这个句柄,就可以找到这个对象(即图形组件)的各项属性，并进而更改这些属性，以产生不同的图形呈现效果。句柄图形属性：Children属性、Parent属性、Tag属性、Typ

24、e属性、UserData属性、Visible属性、ButtonDownFcn属性、CreateFcn属性、DeleteFcn属性。图形用户界面GUI(GraphicsUserInterface)是由各种图形对象，如图形窗口，图轴，菜单，按钮，文本框等构建的用户界面,是人机交流信息的工具和方法,在该界面内，用户可以根据界面提示完成整个工程，却不必去了解工程内部是如何工作的GUI设计即可以基本的MATLAB程序设计为主,也可以鼠标为主利用GUIDE工具进行设计。利用GUIDE设计图形用户界面时，可通过GUI应用属性设置编辑器来设置对句柄操作的响应,findobj命令可以获得所需对象的句柄。2.3

25、GUIDEGUIDE(GraphicsUserInterfaceDesignEnviron2ment)是一个专用于GUI程序设计的快速开发环境，使用者通过鼠标就能迅速地产生各种GUI控件,并随心所欲地改变它们的外形!大小及颜色等，从而帮助用户方便地设计出各种符合要求的图形用户界面调用GUIDE的方法有2种,在MATLAB命令窗口中输入guide命令。在GUIDE设计环境中，需要用到的工具有属性编辑器控件布置编辑器菜单编辑器对象浏览器网格标尺设置编辑器以及GUI应用属性设置编辑器等。(1)属性编辑器(PropertiesInspector)打开属性编辑器的方法有多种，最常用的,选中控件对象以后，

26、点击工具条上的属性设置按钮，即可打开属性编辑器通过该属性编辑器来对所选图形对象设置相关属性。(2)控件布置编辑器(AlignmentObjects)在编辑CUI过程中，通过控件布置编辑器可以方便地设置面板上GUI控件的布局选中需要对齐的对象，然后选择工具条上的控件布置按钮，即可打开控件布置编辑器在控件布置编辑器中可以设置GUI控件水平以及垂直布局，包括对齐方式以及控件间距等。(3)对象浏览器(ObjectBrowser)在GUI面板中点击对象浏览按钮可打开对象浏览器，在该浏览器中可以方便地显示出所有的图形对象，单击该对象则可以打开相应的属性编辑器。(4)菜单编辑器(MenuEditor)在GU

27、I面板中点击菜单编辑按钮可打开菜单编辑器，通过菜单编辑器可以为图形界面添加设置和修改菜单项，以及为右键添加快捷菜单。(5)网格标尺设置编辑器(GridandRulers)通过网格标尺设置编辑器，可以在GUI面板中添加网格以及标尺,来方便用户的界面设计。选择GUIDE主菜单中的Tools/GridandRulers即可打开网标尺设置编辑器。(6)GUI应用属性设置编辑器(GUIDEApplica2tionOptions)通过该编辑器可以设定GUI界面缩放形式，GUI对句柄操作的响应方式，以及定义GUI的保存方式。选择GUIDE主菜单中的Tools/GUIOptions即可打开GUI应用属性设置编

28、辑器。(7)GUI设计面板GUI设计面板是上述GUI设计工具应用的平台，如图1所示，面板上部提供了菜单和常用工具按钮,左边提供了多种GUI控件。如按钮，单选按钮，复选框，文本框等。进行GUI设计时,，首先单击GUI面板左边所需的控件,然后在右边的图形界面编辑区中再次单击某一恰当的位置，这时将在该位置上为图形界面添加一相应的控件,接下来,通过属性编辑器和对齐编辑器对各控件设置相关属性和进行界面布置,以完善界面功能。2.4编制回调程序完成控件的布局之后，也就完成了整个图形界面的结构设计，接下来则是最为重要的功能设计，即要编制菜单5。控件的回调程序若要编制某一控件的回调程序,用右键单击该控件,在弹出

29、菜单中点击ViewCallbacks,然后从子菜单中选择一种激活回调程序的方式，就可以编制回调程序了，如Callback指单击控件时激活回调程序完成一定的功能菜单的回调程序在菜单编辑器的Callbacks文本框中给出。2.5主界面在MATLAB命令窗口中输入guide打开GUI的快速开发环境GUIDE，如图1所示本软件的主界面包括一个命令按钮，一个位图格式的图片和几个静态文本框，要改变最上边静态文本框的属性，需首先选中该控件，然后点击工具条上的属性设置按钮打开属性编辑器，当然也可通过其他的方式打开属性编辑器，然后通过该编辑器为静态文本框设置相关属性String属性用来设置控件对象所显示的内容，

30、这里设置为-基于MATLAB的图形用户界面，字体角度属性FontAngle设置为-italic，即斜体，字体大小属性FontSize设置为30，ForegroundColor属性用来设置文本框的前景颜色,这里设置为黑色,控件的位置和大小可通过改变Position属性中的值来调整,也可在GUI面板中用鼠标拖动控件来调整控件的位置和大小其他控件的属性也都是如此设置的另外，当有控件需要对齐时，可以通过对齐编辑器进行修正。完成控件布局之后,开始编制回调程序如前面所讲的，在GUI编辑状态下用鼠标右键单击需要编写回调程序的控件,打开右键快捷菜单,从ViewCallbacks中选择一种回调方式，打开MATA

31、LB自动生成的.m文件，并且系统会自动生成如下语句FunctionHnameCallback (hObject,eventdata,han2dles)其中，Hname为控件对象的Tag(标签)属性值，开发者即可在该语句下编写当前控件的回调程序，Callback是其中的一种回调方式，根据需要可选择其他回调方式，如WindowButtonDownFcn,CreateFcn等。至此完成了主界面的设计，运行后MATLAB将把该图形界面保存于文件cansai.fig和cansai.m中，其中，图形文件将保存GUI面板以及相应控件菜单设计，M文件则保存程序代码。2.6子界面按照同样的方法编制子界面，该界面

32、内除了包括文本框，图轴，命令按扭外，还包括2个弹出式菜单和5个列表框2个弹出式菜单分别用来选择拟合阶数和显著性水平，5个列表框则用来显示回归分析的各项结果。2.7基于MATLAB信号处理工具箱的数字滤波器设计与仿真阶数（N阶滤波器，Specify OrderN-1），如果选择Minimum Order则MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。 Frenquency Specifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频率Fs和频带的截止频率。它的具体选项由Filter Type选项和Design Method选项决定，例如Bandpass（带通）滤波器需要定义Fst

33、op1（下阻带截止频率）、Fpass1（通带下限截止频率）、Fpass2（通带上限截止频率）、Fstop2（上阻带截止频率），而Lowpass（低通）滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时，由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率，而不必定义阻带参数。Magnitude Specifications选项，可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤波器时，可以定义Wstop1（频率Fstop1处的幅值衰减）、Wpass（通带范围内的幅值衰减）、Wstop2（频率Fstop2处的幅值衰减）。当采用窗函数设计时，通带截止频率处的幅值衰减固定为6db

34、，所以不必定义。Window Specifications选项，当选取采用窗函数设计时，该选项可定义，它包含了各种窗函数。图2.1滤波器幅频响应2.8带通滤波器设计实例本文将以一个FIR 滤波器的设计为例来说明如何使用MATLAB设计数字滤波器：在小电流接地系统中注入83.3Hz的正弦信号，对其进行跟踪分析，要求设计一带通数字滤波器，滤除工频及整次谐波，以便在非常复杂的信号中分离出该注入信号。参数要求：96阶FIR数字滤波器，采样频率1000Hz，采用Hamming窗函数设计。本例中，首先在Filter Type中选择Bandpass（带通滤波器）；在Design Method选项中选择FIR

35、 Window（FIR滤波器窗函数法），接着在Window Specifications选项中选取Hamming；指定Filter Order项中的Specify Order95；由于采用窗函数法设计，只要给出通带下限截止频率Fc1和通带上限截止频率Fc2，选取Fc170Hz，Fc284Hz。设置完以后点击Design Filter即可得到所设计的FIR滤波器。通过菜单选项Analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点配置和滤波器系数等各种特性。设计完成后将结果保存为1.fda文件6。在设计过程中，可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求，随时调整参数和滤波器类型，以便得

36、到最佳效果。其它类型的FIR滤波器和IIR滤波器也都可以使用FDATool来设计。程序设计法在MATLAB中，对各种滤波器的设计都有相应的计算振幅响应的函数，可以用来做滤波器的程序设计。上例的带通滤波器可以用程序设计：c=95; %定义滤波器阶数96阶w1=2*pi*fc1/fs;w2=2*pi*fc2/fs; %参数转换，将模拟滤波器的技术指标转换为数字滤波器的技术指标window=hamming(c+1); %使用hamming窗函数h=fir1(c,w1/pi w2/pi,window); %使用标准响应的加窗设计函数fir1freqz(h,1,512); %数字滤波器频率响应在MATL

37、AB环境下运行该程序即可得到滤波器幅频相频响应曲线和滤波器系数h。第3章 GUI界面下噪声信号的频谱分析与实现介绍了通风噪声频谱分析的一种简单方法，此方法以普通声级计为一次仪表获得通风机空气动力噪声信号，用计算机进行信号采集，用数值分析软件MATLAB进行频谱分析。3.1概述通风机噪声是由于气体的冲击涡流及机械振动等原因使气体发生振动而引起的空气动力性噪声，它是由呈宽频带的涡流噪声和呈离散频带的旋转噪声叠加而成的。这两种噪声的产生原因不同,其控制方式也不相同。为了有效地进行通风机噪声控制,通风机生产厂家或用户经常需要对具体的通风机进行空气动力噪声特性的测量和分析，特别是对风机噪声频谱的细致分析

38、但是,由于专业的频谱分析仪器价格昂贵，目前我国的一般中小型风机生产企业所具有的噪声测试仪器通常是一般的声级计，只能进行一些简单的声级测量和噪声频谱的粗略估计，还不具备对风机噪声频谱进行细致分析的能力。 幸运地是,随着计算机在风机行业深入广泛地应用和普及,用普通的个人计算机和相应的数值分析计算软件来进行风机噪声频谱的详细分析已经变得很容易了。本文介绍了一种运用数值分析软件MATLAB来进行通风机噪声频谱分析的方法。3.2 MATLAB信号处理工具箱介绍及功能3.2.1MATLAB工具箱介绍MATLAB有三十多个工具箱大致可分为两类:功能型工具箱和领域型工具箱7。 功能型工具箱：主要用来扩充MAT

39、LAB的符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，能用于多种学科。 领域型工具箱：是专业性很强的。如：控制工具箱(Control Toolbox)、信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)等。MATLAB是美国MathWork公司推出的荣誉产品,它由主包!Simulink和功能各异的工具箱所组成,已广泛应用于现代科学技术研究和工程设计的各个领域现在MATLAB已被从事科学研究!工程计算的广大科技工作者确认为必须掌握的计算工具,是从理论通向实际的桥梁,也是最可信赖的科技资源之一。3.2.2工具箱功能1)通讯工具箱功能：令提供100多个函数和1

40、50多个SIMULINK模块用于通讯系统的仿真和分析可由结构图直接生成可应用的C语言源代码。 2)控制系统工具箱功能：鲁连续系统设计和离散系统设计 3)财政金融工具箱4)频率域系统辨识工具箱功能：辨识具有未知延迟的连续和离散系统 计算幅值相位、零点极点的置信区间 设计周期激励信号、最小峰值、最优能量诺等 5)模糊逻辑工具箱功能：友好的交互设计界面，自适应神经模糊学习、聚类以及Sugeno推理 支持SIMULINK动态仿真 可生成C语言源代码用于实时应用 6)高阶谱分析工具箱功能：高阶谱估计信号中非线性特征的检测和刻画延时估计，幅值和相位 重构，阵列信号处理 7)图像处理工具箱功能：二维滤波器设

41、计和滤波图像恢复增强色彩集合及形态操作图像分析和统计 8)线性矩阵不等式控制工具箱 9)模型预测控制工具箱功能：建模辨识及验证支持MISO模型和MIMO模型阶跃响应和状态空间模型 10)u分析与综合工具箱功能：u分析与综合 H2和H无穷大最优综合模型降阶连续和离散系统 11)神经网络工具箱12)优化工具箱功能：线性规划和二次规划 13)偏微分方程工具箱功能：二维偏微分方程的图形处理自适应曲面绘制。 14)鲁棒控制工具箱15)信号处理工具箱功能：数字和模拟滤波器设计、应用及仿真频谱分析和估计FFT，DCT等变换参数化模型 16)样条工具箱 17)统计工具箱功能：概率分布和随机数生成，回归分析，主

42、元分析，假设检验 18)符号数学工具箱功能：符号表达式和符号矩阵的创建 符号微积分、线性代数、方程求解 因式分解、展开和简化 符号函数的二维图形 图形化函数计算器 19)系统辨识工具箱20)小波工具箱功能：基于小波的分析和综合 图形界面和命令行接口 连续和离散小波变换及小波包 MATLAB的信号处理工具箱是信号处理算法文件的集合,它处理的基本对象是信号和信号系统利用信号处理工具箱中以实现信号的的文件可变换!滤波!频谱估计,滤波器设计,线性系统分析等功能。工具箱还可提供图形用户界面工具,可以交互地完成很多信号处理的功能。在通风机噪声测试分析中利用MATLAB信号处理工具箱提供的有关功能模块,可以

43、很方便地对由计算机采集到的风机噪声信号进行详细地频谱分析与处理。3.3通风机噪声信号的采集方法利用计算机进行风机噪声频谱分析的前提,是把由传声器收集到的噪声的模拟信号转变为数字信号存入计算机,这一过程称为噪声信号的计算机采集。一般情况下,风机噪声采集系统由传声器，放大器，数据采集卡和计算机等构成传声器又称麦克风，它的作用是把声音信号转变为电信号。一般由传声器输出的电信号很微弱，需经过放大器进行放大，使之成为数据采集板可以接收的电压信号。数据采集板的作用是把模拟电压信号转变为数字信号,以便于计算机进行信号的采集与处理8。实际上,一般风机生产厂家所有的ND1!ND2型精密声级计就可以作为风机噪声采

44、集系统的传声器和放大器使用。在ND1!ND2型声级计的面板上均有一/放大器输出0插孔声级计工作时,该插孔可输出经放大器放大后的噪声交流电压信号,供记录仪和示波器等测量仪器使用。该输出插孔输出的电压信号为4伏有效值,整个放大器的失真度小于1.5%,完全可以将该电压信号接入数据采集板，利用计算机进行噪声信号的采集与分析处理。在进行风机噪声信号的计算机采集时,应把声级计的/计权网络0旋纽旋至/线性0位置,并调节声级计的/输出衰减器0和/输入衰减器0旋钮，使得声级计电表指针适当偏转(大致在中间位置)，这样可以保证声级计/放大器输出0插孔的输出信号的幅值在4伏左右。采样是把连续时间信号变成离散时间序列的

45、过程。根据采样定理，为了避免混叠以便使采样处理后的离散序列仍能准确地恢复其原信号,采样频率必须大于最高频率的两倍。实测表明,通风机的空气动力噪声最大频率一般不超过10kHz,故噪声信号的采样频率也应不小于20kHZ采样点数的多少同样影响对原信号的分析精度,根据试验,风机噪声信号的采样点数应不少于5000。将计算机采集到的噪声信号的离散时间序列电压值保存为一般的文本文件，就可以利用MATLAB来进行噪声信号的频谱分析了。3.4噪声信号的频谱分析常用的信号分析方法有时域分析，频域分析和功率谱分析等。时域分析主要提供信号的均值，方差和自相关函数等信息。频域分析侧重于了解信号的频率组成,功率谱分析方法

46、则是从功率的角度了解信号的频率组成。在通风机噪声信号分析中最常用的分析方法是功率谱分析方法，平稳随机信号的功率谱密度(PSD)在数学上是相关序列的离散傅立叶变换： （3.1）功率谱密度函数在一个频率段的积分等于信号在此频率段的能量。PSD分析的方法很多,基本可以分为参数化和非参数化两种。MATLAB信号处理工具箱中在提供了由Welch提出的最普遍采用的非参数化方法的同时,还提供了很多其它现代的非参数化方法，根据定义,功率谱密度分析方法是求出采样数据的离散傅立叶变换,然后将结果的幅值平方,这种分析方法称为周期图法。当采样点的数目很大时，周期图法的期望值很接近PSD真值,但周期图法的缺点是方差较大

47、，而且增加采样点数也不会使方差减小。提高周期图法分析效果的一种方法是对采样数据分段使用非矩形窗函数,这就是PSD分析的Welch方法。实践表明，在通风机噪声频谱分析中用Welch方法可以获得可靠的结果。Pwelch函数是PSD分析是最常用到的函数,该函数的调用格式有多种,最常用的调用格式是:Pxx,f=pwelch(x,nfft,Fs,window,noverlap) (3.2)式中 x待分析的信号序列Nfft要计算的傅立叶变换点数,一般把该参数指定为2的幂,以使执行速度更快Fs信号序列的采样频率Window该指定窗函数和信号序列x加窗的数据段的采样点数Noverlap该参数指定数据重叠的长度

48、另外,返回向量Pxx是用Welch方法分析的PSD值,f是和PSD值位置相对应的线性频率,单位为Hz。由于工业现场存在其它噪声的干扰,在对现场采集到的通风机噪声信号进行功率谱分析之前，可以利用MATLAB提供的数字滤波器对采集信号进行滤波，除干扰噪声MATLAB中数字滤波函数filter最常用的调用格式为： Y=filter(b，a，x) (3.3)式中,参数x是被滤波的信号序列，向量a和b用来定义数字滤波器的系数，由所选择的滤波器种类确定。y是滤波后的信号序列。巴特沃思滤波器butter函数常用的调用格式为 b，a=butter(n，Wn，ftype.) (3.4)式中,参数n指定滤波器的阶

49、数;，Wn是期望的截止频率，ftype用于指定滤波器的类型，截止频率必须以归一化频率形式给出，即指定的数值是实际频率与信号采样频率一半的比值例如：b,a=butter(8，60，15200/16000，band2pass.)指定的带通滤波器阶数为8,带通频率为6015200Hz,采样频率为32000Hz。3.5 GUI界面下噪声频谱分析的实现为了研究不同结构形式蜗壳对通风机空气动力噪声性能的影响,用一直径为500mm的9-19风机叶轮配上不同线型的蜗壳，进行了不同工况条件下风机噪声的测试试验在通风机进气试验装置上进行测点位置在与叶轮轴的夹角为45b，距离蜗壳1米处的通风机主轴水平面上，将ND1

50、型精密声级计的放大器输出信号接入计算机数据采集系统,以进行风机噪声的信号采集。采样频率为32000Hz,采样点数为10000点，采集的数据文件以普通的文本格式保存，试验中使用的数据采集卡型号是PCI9118HG，在MATLAB的M文件编辑器中编写以下程序,对采集到的通风机噪声信号进行频谱分析。以下语句打开两个已采集的风机噪声信号。文本文件,并将数据读入向量y和y1fid=fopen(.9 19 yuan 10k big.txt.);c=fscanf(fid,.%g.,2inf);c=c.y=(c,2:);fclose=(fid) ；fid1=fopen(.9 19 0.75 10k big.t

51、xt.);c1=fscanf(fid1.%, g.,2inf);c1=c1.;y1=c1(:,2);fclose(fid1); %用带通滤波器对噪声信号进行数字滤波b,a=butter(8,60,15200/16000,.band2pass.);yy=filter(b,a,y);yy1=filter(b,a,y1); %用Welch方法对噪声信号进行频谱分析pxx,f=pwelch(yy,2048,32000,hanning(512),0);pxx,f=pwelch(yy1,2048,32000,hannning(512),0); %绘图显示分析结果figure;holdon;plot(f,1

52、0*log10(pxx);plot(f,10*log10(pxxi),.r-.);axis(60,15200,-80,0);运行上述程序,得到的叶轮直径为500mm的9-19风机在设计工况点附近运行时的噪声频谱如图1和图2所示：图1中的频率坐标是线性坐标，而图2为对数坐标，图中的纵坐标是未经标定的分贝值。试验中被测风机的叶片数Z为12，转速n=2950r/min。由旋转噪声频率计算公式f=nZ/60可知，该风机旋转噪声的主频率应为590Hz。从分析得到的频谱图中可以看到，正是在这一频率段上声功率谱曲线出现了峰值，因而可以断定该风机噪声特性以旋转噪声为主。试验结果还表明，通过改变蜗壳型线可以有效

53、地降低该风机的旋转噪声从频谱图中可以看出在相同运行条件下，不同型线蜗壳的旋转噪声峰值相差约7dB，且谐频峰值也明显不同。图3.1图3.2结 论MATLAB是当前最受欢迎的用于科学研究的计算机软件。它以其使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且可由用户自行扩展等特点而深受广大使用者的青睐。它在数字信号处理中的离散时间信号的波形和频谱进行分析的应用也显得日趋重要。基于以上原因，本文基于MATLAB中的图形用户界面设计，即GUI编程技术对数字信号处理中的离散信号的分析与应用中的频谱相关问题进行了一定的探讨与分析。最终实现了对特定噪声信号的频谱分析。通过本次设计我对MATLAB在信号处理中优点的认

54、识有以下几点：1.它可用一种几乎像通常笔算式的简练程序，把繁琐的计算交给计算机去完成。2.由于它的表达式简练而准确，往往可以简化公式的推导和概念的叙述。3.它可以方便迅速地用三维图形、图像、声音、动画等表述计算结果。4.它可以很方便地把复杂的计算过程凝聚成一个程序，以后可以随意调用，避免学习研究中的重复。5.它的可扩展性强，有几十种工具箱可用于各类科研需要，这可缩短科研周期。致 谢经过几个月的忙碌和学习，毕业论文设计已经接近尾声。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。如果没有指导教师的的督促指导，想要完成这个设计师很难想象的。在这里首先，衷心的感谢周红艳老师对我

55、的指导和帮助。她严谨的工作态度，一丝不苟的治学精神和渊博的知识将积极影响我今后的学习和工作。周老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。其次，还要感谢电子系所有的老师给予的帮助。我也学到了许多从来没有接触过的知识，我知道课本上的知识只是学习海洋中的一滴水而已，我深深的感受到在辽宁科技大学信息技术学院的学习是我在人生道路上写下了光辉的一页，它将永远激励我勤奋学习，努力工作，我将以更优异的成绩回报我的母校。再次感谢所有帮助过、支持过我的老师和同学们!参考文献1 张志涌、徐彦琴. MATLAB教

56、程M. 北京：北京航空航天大学出版社,2001，10-20.2 Ian Cavers Department of Computer Science University ofBritish Columbia December 1998.3 王万良.自动控制原理.北京：科学出版社，20014 陈桂明. 应用MATLAB建模与仿真M. 北京：科学出版社,2001，40-85.5 程卫国. 精要编程及高级应用M. 北京：机械工业出版社,2000，45-70.6 崔怡. MATLAB5.3实例详解M. 北京：航空工业出版社,2000，3060.7 黄长艺、严普强. 机械工程测试技术基础M. 北京：机械

57、工业出版社,1999，50-95.8 商景泰. 通风机手册M. 北京：机械工业出版社,1994，198-215.附录A常用控件的作用如表所示控件名Property Name功能按钮PushButton最常用的控件，用于响应用户的鼠标单击，按钮上有说明文字说明其作用切换按钮ToggleButton当单击是会凹凸状态切换单选按钮adioButton当单击时会用黑白点切换，总是成组出现，多个单选按钮互斥，一组中只有一个被选中复选框CheckBox当单击时会用切换，有选中，不选中和不确定等状态，总是成组出现，多个复选框可同时选用文本框EditText凹形方框，可随意输入编辑和编辑单行和多行文字，并显示

58、出来静态文本框StaticText用于显示文字信息，但不接受输入滚动条Slider可以用图示的方式显示在一个范围内数值的大概数值范围，用户可以移动滚动条改变数值框架Frame将一组控件围在框架中，用于装饰界面列表框ListBox显示下拉文字列表，用户可以从列表中选择一项和多项弹出式选单PopupMenu相当于文本框和列表框的组合，用户可以从下拉列表中选择坐标轴Axes用于绘制坐标轴附录BMATLAB name from Matrix Laboratory, it is a scientific computing software, specifically in the form of pr

59、ocessing data matrix. It will high-performance numerical computing and visualization of integrated and provide a lot of built-in functions, which are widely used in scientific computing, control systems, information processing, and other areas of analysis, simulation and design work, but use MATLAB

60、product of the open structure, you can easily carry out the functions of the MATLAB expansion, thus deepening the understanding of the problem at the same time, and constantly improve the MATLAB products to enhance the competitiveness of the product itself. MATLAB MATLAB product family is the founda

61、tion, which provides the basic mathematical algorithms, such as the matrix computing, numerical analysis algorithms, which integrates a 2 D and 3 D graphics capabilities, to complete the corresponding numerical visualization of the work, and provides a cross - High-style programming language - M language, language can use M script or function through the preparation of documents to achieve u