Physical Address
304 North Cardinal St.
Dorchester Center, MA 02124
BS ISO 18431——机械振动与冲击信号处理标准系列
Mechanical Vibration and Shock — Signal Processing（BSI 采用 ISO 18431）
📶 BS ISO 18431 是英国标准学会（BSI）采用的 ISO 18431 系列标准，针对机械振动与冲击领域的信号处理规定了统一的方法。振动与冲击测量产生的时域信号需要经过滤波、加窗、傅里叶变换、时频分析等处理，才能提取出对状态监测、故障诊断与研究有价值的频域信息。然而，不同的处理参数（窗函数类型、窗宽、重叠率、FFT 点数、平均方式等）会得到不同的分析结果。本系列标准正是通过统一这些信号处理方法，保证不同实验室与不同软件之间振动分析结果的可比性与一致性。
💡 振动分析的”标准参数”直接影响结论：同样的数据用不同窗函数或 FFT 参数处理，频谱的幅值与频率分辨能力会不同。ISO 18431 统一了处理方法，使”在哪测、怎么算”都有章可循，分析结果才能互相引用。
一、标准系列构成与适用范围 📌
本系列由四个部分组成，前三部分为可读标准文本，第四部分为扫描文档：
| 标准号 | 部分主题 | 核心内容 | 年份 |
|---|---|---|---|
| BS ISO 18431-1 | 通用导言 | 信号处理在机械振动与冲击中的应用总述、术语与约定 | 2005 (2009) |
| BS ISO 18431-2 | 傅里叶变换分析的时域窗 | 时域窗函数的定义、特性与选择准则 | 2004 (2009) |
| BS ISO 18431-3 | 时频变换 | 短时傅里叶变换、广义维格纳分布等时频分析方法 | 2014 |
| BS ISO 18431-4 | 数字信号处理方法（扫描版） | 数字滤波等相关数字信号处理内容 | 2007 |
⚠️ 信号处理”参数不一、结果各异”：谱分析的频率分辨力与窗长、采样率相关，加窗会引入泄漏与频谱旁瓣，平均方式影响噪声底。使用不同处理参数的频谱不能直接比较，报告结果时应注明处理参数。
二、技术要点：通用导言 📖
BS ISO 18431-1 给出振动与冲击信号处理的通用导言，确立系列的基础：
- 应用范围：适用于振动与冲击测量数据的分析，支持状态监测、模态分析、冲击响应与故障诊断等应用。
- 基本术语：采样、量化、滤波、频谱、窗函数、平均等信号的术语定义。
- 处理链：从传感器信号经抗混叠滤波、采样、加窗、FFT 到频谱与统计量输出的完整处理流程。
- 约定：规定幅值表示（峰值、RMS、有效值）、单位与参考值等约定。
三、技术要点：傅里叶变换分析的时域窗 🪟
BS ISO 18431-2 规定了傅里叶变换分析中时域窗函数的定义与使用。由于实际信号是有限长度截断的，直接做 FFT 会在频域产生”泄漏”效应，通过加窗可以抑制泄漏但会带来旁瓣与主瓣宽度等权衡：
- 窗函数定义：矩形窗、汉宁（Hann）窗、汉明窗、平顶窗等常用窗函数的时域表达式与频域特性。
- 主瓣与旁瓣：窗函数的主瓣宽度决定频率分辨力，旁瓣电平决定谱泄漏水平，两者需权衡。
- 选择准则：按信号类型（稳态、瞬态、随机）与应用目的（幅值精度、频率分辨）选择合适窗函数。
- 幅值校正：加窗会改变幅值，需采用相应的幅值校正或能量校正系数。
💡 一般经验：连续随机振动常用汉宁窗以减小泄漏；瞬态/冲击信号用矩形窗（不加窗）保持幅值；仅需幅值精确时可用平顶窗校正。窗函数与平均方式的组合应写入试验/分析报告。
四、技术要点：时频变换 🌊
BS ISO 18431-3 规定了时频变换方法。传统 FFT 只给出频率信息而丢失时间信息，对于转速变化、冲击瞬态等非平稳信号，需要同时观察频率随时间的变化：
- 短时傅里叶变换（STFT）：把信号分帧加窗后逐帧做 FFT，得到”时间—频率—幅值”三维谱图（瀑布图/谱图）。
- 广义维格纳分布：更高分辨率的时频分布，用于非平稳信号的精细分析。
- 选择与应用：按信号非平稳程度与分辨率需求选择时频分析工具。
🚨 时频分析存在”时间分辨与频率分辨不可兼得”的基本矛盾：窗越窄时间分辨越高但频率分辨越差，窗越宽则相反（测不准原理在时频分析中的体现）。应根据关注的信号特征选择折中方案。
五、工程实践应用 🛠️
- 🔍 旋转机械状态监测：用标准化的 FFT 与加窗方法统一振动频谱分析，比较不同时期与不同机组的数据。
- 🔧 故障诊断：利用频谱特征频率识别不平衡、不对中、轴承故障与齿轮故障。
- 📊 启停机分析：用阶次谱/时频图分析转子的临界转速与共振特性（非平稳信号）。
- 📋 报告一致性：在振动分析报告与采购验收文件中注明信号处理参数，保证结果可复现。
六、常见问题解答 ❓
❓ 问：为什么加窗是必要的？
答：FFT 假设信号是周期的，而实测信号是有限长度截断的，直接变换会产生频谱泄漏；加窗可抑制泄漏，代价是主瓣展宽。
答：FFT 假设信号是周期的，而实测信号是有限长度截断的，直接变换会产生频谱泄漏；加窗可抑制泄漏，代价是主瓣展宽。
❓ 问：汉宁窗与矩形窗有什么区别？
答：矩形窗主瓣窄、频率分辨好，但旁瓣高、泄漏大；汉宁窗旁瓣低、泄漏小，但主瓣略宽，是振动分析最常用的窗。
答：矩形窗主瓣窄、频率分辨好，但旁瓣高、泄漏大；汉宁窗旁瓣低、泄漏小，但主瓣略宽，是振动分析最常用的窗。
❓ 问：为什么要做时频分析？
答：车辆、压缩机等设备的启停机与瞬态工况下信号非平稳，频率随时间变化，普通 FFT 无法反映，需要 STFT 等时频方法。
答：车辆、压缩机等设备的启停机与瞬态工况下信号非平稳，频率随时间变化，普通 FFT 无法反映，需要 STFT 等时频方法。
❓ 问：不同软件分析的频谱为什么不一样？
答：因为窗类型、FFT 点数、重叠率、平均方式与幅值标定可能不同；按 ISO 18431 统一这些参数后结果即可比。
答：因为窗类型、FFT 点数、重叠率、平均方式与幅值标定可能不同；按 ISO 18431 统一这些参数后结果即可比。
❓ 问：本系列适用于哪些仪器？
答：适用于振动与冲击测量分析仪、状态监测系统的信号处理与评估，也可作为软件实现与分析报告的依据。
答：适用于振动与冲击测量分析仪、状态监测系统的信号处理与评估，也可作为软件实现与分析报告的依据。
