FFTアナライザ入門
音響振動用語辞書
- ※本文書は音振動解析の初心者を対象とした解説を目的としているため、必ずしも厳密な定義を行っていない項目があります。
- ※本文書に記載されている社名・製品名は各社の商標または登録商標です。
あ
アベレージ
- 平均化処理のこと。
- 平均化処理されたデータのこと。
アンダーロード
A/Dコンバータの入力レンジに対して入力信号が小さいこと。WCAでは入力レンジの5%以下の信号だけが入力されるとアンダーロードとして検出する。
アンチエイリアシングフィルタ
周波数解析のために時間波形からナイキスト周波数以上の成分を除去するためのローパスフィルタのこと。アンチエイリアシングフィルタのないA/Dボードからの入力では、折り返し誤差が発生するため正しい周波数解析を行うことはできない。
う
ウインドウ(窓)関数
FFT解析では、リーケージエラーの影響を抑えるため、FFT演算を行う前の時間波形にウインドウ関数を掛け合わせることにより(ウインドウ関数処理)、フレーム両端の値を0とすることがよく行われる。ウインドウ関数を掛け合わせると、時間波形のレベルが変化するので、内部的には振幅補正処理が必要。
通常のFFT解析ではハニングウインドウを使用することが多く、インパルス波形のFFT解析ではエクスポネンシャルウインドウ(指数窓)またはレクタンギュラーウインドウ(矩形窓)、校正信号等の単一周波数の振幅値のみを精度良く求めたい場合にはフラットトップウインドウを使用する。
ウインドウ補正係数
ウインドウ関数処理を行ったスペクトルのパーシャルオーバーオール値を求める時に、ウインドウ補正係数でウインドウ関数処理による裾の影響をキャンセルするために使用される係数。
ウインドウ関数処理
時間波形にウインドウ関数を掛け合わせること。
お
オクターブ解析
入力信号を1/n オクターブフィルタに通した後の振幅の大きさを求める解析。音響の解析のために使用されることが多い。複数のバンドの値を同時に求め、合わせて入力信号のO.A.値を求めることもある。
FFT方式、デジタルフィルタ方式、およびアナログフィルタ方式が存在する。
オートスケール
表示データの値・次元・グラフの軸フォーマットに合わせて、自動的にグラフの表示範囲・Tick間隔・軸フォーマットを設定する機能のこと。
音の強さのレベル
音の強さ(単位面積あたりのパワー(W/m2))と基準の強さ(1.0×10 -12W/m2)との比をデシベルで表した量、LI = 10log(I / 1.0×10 -12)。単位はdB。反射の無い空間で音源から離れた点では音圧レベルと同じとなる。3dB小さいと、音の強さが半分。
オートパワースペクトル
パワー次元のスペクトル(振幅スペクトルの2乗、複素スペクトルの絶対値の2乗)。
オートレンジ
入力信号の大きさに合わせて、自動的にフルスケール電圧値の大きさを設定する機能のこと。 (オートスケール参照)
オーバーオール値
- 周波数領域のオーバーオール値は、パワー次元でスペクトルを足し合せる。ウインドウ関数処理を行ったスペクトルの場合には、ウインドウ補正係数を適用する必要がある。
- 時間領域のオーバーオール値は、瞬時パワーを積分して求める。
オーバーラップ処理
ギャップ0でフレーム間を連続させてFFT処理を行うだけではなく、フレームとフレームを重ねてFFT処理を行うこと。フレームを重ねる割合をオーバーラップ率と呼ぶ。過渡的な現象を解析する際に時間的な処理の分解能を上げるため、または、ウインドウ関数処理により重みが小さくなる部分を平均化処理に加えるために行われる。
オーバーラップ率
オーバーラップ処理を行う際に、フレームとフレームを重ねる割合のこと。オーバーラップ率50%ではフレームを半分、66.7%では2/3を重ねる。
オーバーロード
A/Dコンバータの入力レンジに対して入力信号が大きいこと。WCAでは入力レンジの95%以上の信号が入力されるとオーバーロードとして検出表示する。
オーバーロードリジェクション
オーバーロードが検出された場合、そのフレームのブロック除去を行うこと。
オービット表示
X軸に特定のチャンネルの時間波形、Y軸に別のチャンネルの時間波形を表示するグラフ形式のこと。リサージュ図形はその1つ、複素関数の実数部をX軸、虚数部をY軸で表すことにより複素平面上の軌跡(オービット)を表すことができる。
折り返し誤差
周波数解析に際して、ナイキスト周波数以上の成分が、折り返すことによってナイキスト周波数以下の解析周波数レンジ内の成分として現れる誤差のこと。これを防ぐには、A/D変換の際にアンチエイリアシングフィルタを使用することが必要。
音圧レベル(SPL)
音圧(実効値)と基準音圧2×10 -5Paとのレベル差。SPL = 20log 10(P / (2×10 -5))。単位はdB。反射のない空間で音源から離れた点では音の強さのレベルと同じとなる。6dB小さいと音圧レベルは半分(20log 10(1/ 2) = 6)。
き
逆フーリエ変換
周波数領域のスペクトル(一般に複素数)を時間領域のデータに変換するアルゴリズムの一つ。
ギャップ
リアルタイム周波数を越える条件でFFTアナライザの測定を行うと、フレームとフレームの間に処理待ち時間が発生する。その処理待ち時間のこと。
キャンベル線図
3Dスペクトルマップを表示するグラフの一つ。トラッキング解析で使用される。振幅の大きさを円・正方形等のシンボルの大きさで表現する。
く
クレストファクタ
波高率のこと。
クロススペクトル
2つの複素スペクトルのうち、一方を複素共役としたときの2つの関数の積。入力(リファレンス)に対する応答(レスポンス)から系の周波数応答を計測する場合には、リファレンス信号の共役複素スペクトルとレスポンス信号の複素スペクトルとの積。2つの複素関数のパワー次元、複素関数。伝達関数やコヒーレンス関数を求める時に使用される。
け
ケプストラム
伝達関数(またはパワースペクトラム)の対数を逆フーリエ変換した関数のこと。時間領域での周期解析に使用される。
ケフレンシー
ケプストラムの横軸のこと。次元は時間。
減衰係数
c。一自由度系の運動方程式で速度に比例する係数のこと。
粘性減衰係数とも言う。
減衰比
ζ。減衰係数と臨界減衰係数の比。
減衰率
δ。振幅が一秒間に減衰していく割合。
こ
高調波歪み率
指定した基準周波数(次数)の高調波の周波数成分の総和を基準周波数成分で割った値のこと。
高調波分析
指定した次数の高調波歪み率や波高率、含有率等を求める解析のこと。
コ・クアド線図
複素関数を実部と虚部の二段で表示するグラフ。
コヒーレンス関数
平均化処理の際に、毎フレームの相関を表す関数。無次元。0~1。
伝達関数の測定時に、データ精度を評価する時に使用することが多い。伝達関数のピーク付近では1(に近い値)となるようにデータを測定することが望ましい。伝達関数の谷では、データのS/N比が悪くなっていることがあるため、0に近い値となっていても構わない。フレームサイズが系の応答時間より短い場合にもコヒーレンスが低下する。
コンパレータ
振動や騒音の大きさ、O.A.値や特定の周波数成分により製品の良否判定を行うアプリケーション、またはその機器のこと。
さ
サウンドインテンシティ解析
音響解析の手法の一つ。各測定点での音のエネルギの流れの大きさと方向を示すことにより音源探査、音響放射、音場の可視化が可能になる。音響放射パワーの測定にも用いられる。
残響室
全壁面を完全反射に近い状態にして拡散音場を実現した部屋のこと。向かい合う壁、天井、床の平行面を無くしてさらに拡散性を増すことも行われる。
し
時間関数
時間に依存するデータ。X軸次元は時間、タコ基準サンプリングの場合にはCycle。通常FFTアナライザではフレーム単位の配列として時間関数データを扱う。
時間波形
時間関数のこと。
時間領域のデータ
- 時間関数のこと。
- 自己相関関数、相互相関関数、時間関数のヒルベルト変換も含まれる。
時系列データ
- 時間関数のこと。
- フレーム単位を越える長時間の時間関数を特にこう言うことがある。
次数
トラッキング解析において、基本周波数(回転数)の何倍の高調波であるかを表わす数値。例えば、パルス/回転=2の場合、1200rpmの基本周波数は1200/60*2=40Hz、2次成分は40*2=80Hz、4次成分は40*4=160Hzとなる。
指数ウインドウ
ウインドウ関数のひとつ。 指数的に減衰する特性を持つ
カーブフィット(曲線的剛)を行わず、測定したデータを直接アニメーションにより視覚化する解析手法。時間関数を用いる場合と、位相付きスペクトルを用いる場合がある。
実効値
信号の大きさの表し方の一つ。信号の実効的な振幅のこと。DC成分の値は時間変動がないのでピーク値と等しい。単一正弦波の実効値は、ピーク値に対して1/√2倍の大きさとなる。2Vp-p(=1V0-P)のサイン波のスペクトルの大きさ(振幅次元)は実効値では0.707V、ピーク値は1Vとなる。
自由音場
無響室や屋外等の反射音の影響を受けない環境のこと。
自由減衰振動
外力の無い振動のこと。
周波数領域の積分
時間領域での積分は周波数領域でスペクトルをjωで割ることに対応する。各スペクトルの位相は90度遅れる。
周波数領域の微分
時間領域での微分は周波数領域でスペクトルにjωを掛けることに対応する。各スペクトルの位相は90度進む。
衝撃応答解析
落下等の衝撃入力に対して、どのような応答があるかを予測(あるいは計測)する手法のこと。
ショックレスポンススペクトル
衝撃応答解析のこと
振動加速度レベル
振動加速度(実効値)を基準振動加速度に対してdB表示したもの。JISでの基準振動加速度は10 -5m/sec2、ISOでの基準振動加速度は10 -6m/sec2なので注意が必要。
振幅次元
パワー次元の値の平方根。dB変換は20log。WCAで単にスペクトルという場合には、振幅次元を指す
す
スケールモード
スペクトルの振幅を計算する倍率のこと。ピーク(ピーク値)、RMS(実効値)等の方式がある。
スペクトル
周波数変換された結果の配列データ。X軸次元は周波数、タコ基準サンプリングの場合には次数。関数により、実数関数(振幅スペクトル)の場合と複素関数(振幅スペクトルと位相スペクトルを組み合わせたもの)の場合がある。
スペクトルマップ
3Dスペクトルのこと。
スペクトログラム
3Dスペクトルを表示するグラフの一つ。振幅の大きさを色の違いあるいは等高線で表現する。
せ
そ
騒音レベル
dBAまたはdB(A)と表示することもある。単位はデシベル(計量法ではホン)。A特性で重み付けられた音圧レベルのこと。Paで表した音圧実効値の20logから求める。
損失係数
材料の減衰特性のこと。伝達関数から半値幅法で求める。
ダンピングファクタと同じ定義であるが、試験片の形状や試験方法が規定されたものである時に損失係数と呼ぶ。
た
ダイナミックレンジ
フルスケールのレベルとノイズレベルの差
タコ基準サンプリング
タコパルスに同期したサンプリングクロックでサンプリングを行うこと。
ダブルハンマリング
ハンマ加振によるデータ収集時に一フレームの間に二回以上対象物を叩いてしまうこと。軽く固い構造物で起こりやすい。
ダブルハンマリングリジェクション
ダブルハンマリングが検出された場合、そのフレームのブロック除去を行うこと。
ダンピングファクタ
ζ。構造物の減衰特性(減衰比)のこと。モーダル解析の動特性の一つ。損失係数, 減衰係数,減衰率,減衰比を参照。
つ
な
ナイキスト周波数
サンプリング周波数の1/2の周波数。FFTを含む周波数解析ではナイキスト周波数以上の周波数成分が入力信号に含まれていると折り返し誤差が発生するので、アンチエイリアシングフィルタによりその成分を除去する必要がある。
ナイキスト線図
複素関数を横軸実部、縦軸虚部で表示するグラフ。
に
ニコルス線図
複素関数を横軸位相、縦軸振幅で表示するグラフ。
開ループ伝達関数と閉ループ伝達関数の関係を表しているのがニコルズ線図。この線図を用いると、開ループ周波数応答から閉ループ周波数応答を求めることができる。
ぬ
ね
は
波高率
ピーク値と実効値の比のこと。サイン波では1.41となる。
ハニングウインドウ
ウインドウ関数の一つ。
パワー次元
振幅次元の値を自乗したもの。スペクトルは通常パワー次元で平均化を行う。dB変換は10log。
パワースペクトル密度関数
パワースペクトルの一種。異なる分解能のスペクトルの振幅を比較する時にはこの関数を使用する。
半値幅法
周波数領域でダンピングファクタを求めるアルゴリズム。エネルギが1/2になる周波数の差を共振周波数で割る方法。
ひ
ピークサーチ
指定範囲でピーク値(最大値・推定最大値)を求めること。
ピーク値
- 信号の大きさの表し方の一つ。信号の片振幅の大きさのこと。DC成分以外の値は、実効値に対して√2倍の大きさとなる。DC成分の値は実効値と等しい。2Vp-pのサイン波のスペクトルの大きさ(振幅次元)は実効値では0.707、ピーク値では1となる。DC成分は、ピーク値と実効値の大きさが一致する。
- 指定範囲で最も大きな値(絶対値)のこと。
- 分解能間に存在する推定最大値を意味することもある。
ヒストグラム
頻度分布の表示に使われる棒グラフのこと。頻度解析で使用される。
ヒルベルト変換
周波数領域で正の周波数成分の位相を90度増し,負の成分の位相を90度遅らせることに対応する時間関数の時間領域での変換手法。時間関数の包絡線や瞬時位相、瞬時周波数などを求める際に用いられる。
ピンクノイズ
パワースペクトル密度が-3dB/octで低下するランダム波のこと。オクターブ分析すると周波数帯域に関わらず一定となる。
ふ
フォースウインドウ
インパルス加振法の時に、インパルス部分以外のフレーム領域の値を0とするために使用されるウインドウ関数。リファレンスチャンネルのみに使用する。
複素スペクトル
時間信号のFFT演算直後のスペクトル。複素スペクトル(Y(n)=A(n)・ejΦ(n))は振幅スペクトル(A(n))と位相スペクトル(Φ(n))で表される。オートパワースペクトル、クロススペクトルを求めるためなどに使用する。
フラットトップウインドウ
ウインドウ関数のひとつ。
フーリエ変換
時間領域のデータを周波数領域のスペクトルに変換するアルゴリズムの内最も一般的なもの。
プリトリガ
フレーム開始点をトリガポイントよりも前に設定する収集方法のこと。インパルス加振法の時に、ウインドウ関数を使用せずにリーケージエラーの影響を除去するために使用される。
フルスケール電圧値
電圧レンジのこと。
フレーム
- 主にFFTの対象となる時間関数のブロックのこと。個別の時間関数ブロックから演算により派生する(周波数領域)ブロックを含む意味のこともある。
- 3Dスペクトル中の単一2Dブロックのこと。
フレームサイズ
フーリエ変換を行う時間関数の配列の大きさ。FFTでは、フレームサイズは2のべき乗に制限される。
ブロック
スペクトルや時間関数等のデータ配列。時間関数の場合には特にフレームということもある。
ブロックサイズ
データ配列の大きさ。スペクトルや時間関数の配列長。時間関数の場合には特にフレームサイズということもある。
ブロック除去
データ収集中、オーバーロードやダブルハンマリングが検出されるかマニュアルリジェクションが指示された場合に、そのフレームの全てのスペクトル・時間関数を平均に加えることなく捨てること。
み
む
め
や
ゆ
よ
ら
り
リアルタイムオクターブ解析
デジタルフィルタによるオクターブ解析を実時間で行う測定のこと。
リアルタイム周波数
FFTアナライザで測定を行う時に、一フレームの時間内にFFT処理(ウインドウ関数処理、FFT演算、平均化処理等)を行える解析周波数レンジのこと。アクティブなチャンネル数、フレームサイズ、オーバーラップ率や表示するモニタ関数等により変化する。リアルタイム周波数を越える測定条件で測定を行うと、ギャップが発生する。
リーケージエラー
FFTの前提は、フレーム周期毎に同じ信号が繰り返されることであるが、実際に測定する信号はそうではない。そのため、フレーム間の繋がりが計算上不連続となり、インパルス状の信号が含まれていると見なされ、インパルス成分がノイズとしてスペクトルに含まれてしまう(ノイズフロアの上昇となる)。そのノイズ成分のこと。リーケージエラーを防ぐためには、ウインドウ関数処理が必要となる。
リファレンスチャンネル
- スペクトルのクロス演算を行う場合に基準とするチャンネル。フォースウインドウ関数処理はリファレンスチャンネルのみに行う。レスポンスウインドウ関数処理はリファレンスチャンネルを含む全チャンネルに行う。
- 位相付きスペクトルを求める場合に位相基準とするチャンネル。
- サインスイープアベレージのピーク検出を行うチャンネル。
る
れ
レスポンスウインドウ
通常のウインドウ関数のこと。リファレンスチャンネルにも適用する。
レスポンスチャンネル
リファレンスチャンネルに対するスペクトルのクロス演算を行うチャンネル。リファレンスチャンネル以外のチャンネルという意味のこともある。
ろ
わ
を
ん
C
Campbell plot
キャンベル線図のこと。
COH
Coherence関数の略。
co. quad. plot
coincident quadrature plot。コ・クアド線図。
C特性
聴感補正特性の一つ。A特性よりも日本人の感覚に近いと言われている。
D
dB
デシベルまたはデービーと読む。
DC成分
- 直流成分の大きさの影響を受けるスペクトルラインの範囲のこと。ウインドウ関数によっては、一ライン目だけとは限らない。
- 時間関数に含まれる直流成分(の大きさ)のこと。
- スペクトルの一ライン目の(大きさ)のこと。
DC成分の幅
DC成分の大きさの影響を受けるスペクトルラインの範囲のこと。ウインドウ関数によっては、一ライン目だけとは限らない。
DCライン
スペクトルの一ライン目(0ライン)のこと。
DFT
Discrete Fourier Transform。(離散)フーリエ変換のこと。本来は離散フーリエ変換のことであるが、FFTと区別するためにDFTと呼ぶ。
F
I
ICP
- Integrated Circuit Piezoelectric の略で、IC 内蔵の圧電素子のこと。PCB社の登録商標。
- ICP型、ICPタイプと表現した場合、定電流電源で動作するアンプ内蔵型センサのこと。または、動作させるための定電流出力機能のこと。
P
p-p
peak to peak。信号の大きさの表わし方の一つ。正方向の振幅の最大値から負方向の振幅の最大値までの大きさのこと。
PSD
Power Spectrum Density。異なる分解能のスペクトルの振幅を比較する時にはこの関数を使用する。
S
T
TEDS
Transducer Electronic Data Sheet。IEEE P1451で規定されたセンサの自動感度設定に使用されるデータフォーマットのこと。
THD
Total Harmonic Distortion。高調波歪み率のこと。
数値/記号
0-p
0 to peak。片振幅のこと。
1/1 オクターブフィルタ
1オクターブごと、つまり中心周波数が2倍(または1/2倍)ごとに定義されたバンドパスフィルタ。1000Hzが基準。
1/3 オクターブフィルタ
1オクターブの間隔を三つに分割したバンドパスフィルタ。1000Hzが基準。(3本ごとの)中心周波数は1/1 オクターブフィルタと同じ。
1/6 オクターブフィルタ
1オクターブの間隔を六つに分割したバンドパスフィルタ。1/1, 1/3 オクターブフィルタとは中心周波数が一致しない。
1/12 オクターブフィルタ
1オクターブの間隔を十二に分割したバンドパスフィルタ。1/1, 1/3 オクターブフィルタとは中心周波数が一致しない。
1/24 オクターブフィルタ
1オクターブの間隔を二十四に分割したバンドパスフィルタ。1/1, 1/3 オクターブフィルタとは中心周波数が一致しない。
1/n オクターブフィルタ
オクターブフィルタの総称として、この表現を使用する。オクターブ解析では一般的に、n = 1, 3, 6, 12, 24が使用される。最もよく使用されるのは、1/3 オクターブフィルタ。
Δf
デルタf。FFTの周波数分解能のこと。
Δt
デルタt。サンプリング間隔のこと。サンプリング周波数の逆数。