【第6回】振動計測に欠かせない！？ 窓関数編
今回から振動計測をするものには欠かせないものについてシリーズを不定期で更新して行こうと思います。
この世界に踏み入った時にまず真っ先に意味不明・理解不能だったのは
FFTとかFRFとかのアルファベット３文字だったので、そこから説明したいのですが
まだ追いついていないところがあので、一旦横に置いておきます。
今回は”あえて”窓関数です。
１. 窓関数とは
窓関数とは”より正確にFFTするために計測したデータを加工をしてくれるツール”
みたいなものです。
細かいリーケージ誤差がどうこうとかはちょっとググればわかり易いサイトがあるのでこちらにお任せします。
オリックス・レンテック | フーリエ変換と窓関数 - 計測器・測定器玉手箱 | ORIX Rentec Corporation
本サイトでは、現場で窓関数に出会った時に遭遇する”どの窓関数を選べばいいの？”
に少しでもお力になれるようなことを説明していきます。
２. 窓関数の種類
・レクタンギュラ
図２.レクタンギュラ窓のスペクトル
レクタンギュラ窓は方形窓とも呼ばれ、図１のように取り込み開始から終了まで特に加工せずFFTする窓関数のことです。
加工しないのでuniformと読んでいる測定器メーカーもあります。
特徴としては中心の”メインローブ”から大きく離れた周波数でも20〜30dBほどしかレベルが減衰していないことから（図２）も信号の大小を分けることが苦手です。
漏れが生じてしまうので実働波とかでは使うことはなく、ハンマリング試験のようなインパルス入力を測定する時によく使います。
・ハニング
ハニング窓はハンさんという方が作ったためハン窓と読んでいる人もいます。
ハニング窓は図３をみてわかるように両端が”０”であるためリーケージ誤差は発生しません。
ただ、本来なら取り込まれるはずのデータが削られているので。レベルは元の信号より小さくなります。
また、比較的メインローブと近接したところのレベルは減衰していないので、元の信号の周波数が近い場合は苦手です。
実働波などリーケージなどを気にしないといけない時にしようしています。
ここまで説明した二つの窓でほぼ賄えるという噂も流れているので
ここからはおまけで知っておこうくらいの感じでOKだと思います。
・ハミング
ハミング窓はハニング窓と言葉も形も似ていますが、違いとしては開始点と終了点が０で終わっていないことです。
この影響で結果のレベルが異なりますので、計測の際にはハニング窓との混同に注意しないといけません。
ハミング窓の特徴としては、先ほどのハニング窓が苦手であったメインローブの近傍のレベルが低い点です。
その点はハニング窓より良いのですが、離れた周波数までレベルが減衰していない点が欠点です。
・ブラックマン
ブラックマン窓はサイドローブの減衰は急峻で良いので、レベルの大小を分けるのは得意です。
しかし、メインローブの幅が広いので、近い周波数を一つのスペクトラムにしてしまう可能性があります。
正直、使ったことがなく初めて聞きましたレベルです。
オリックスレンテックさんありがとうございます。
・フラットトップ
フラットトップという名前から間違え易いですが、スペクトラムのトップがフラットという意味です。
計測したい信号がの周波数と取り込み区間がズレてもレベルの誤差は小さいので
定常波の計測等に向いています。
・フォース
フォース窓は解析区間のみのデータを有効にしそのほかの区間を０にするものです。
区間外は０になるので元のパワーレベルが小さくなることに注意する。
・指数
一般的にハンマリングのような過渡信号を入力した後、振動は指数関数的に減衰する。
この時信号がフレーム内で収まらないとリーケージ誤差を引き起こすそこで、一定の比率で減衰していく窓で強制的に０にする。
ピークに歪みが生じるため注意が必要です。
