Hilbert spectrum and intrinsic oscillation mode of dynamic response of a bilinear SDOF system: influence of harmonic excitation amplitude

Under harmonic wave excitation, the dynamic response of a bilinear SDOF system can be expressed by the Hilbert spectrum. The Hilbert spectrum can be formulated by (1) the inter-wave combination mechanism between the steady response and the transient response when the system behaves linearly, or (2) the intra-wave modulation mechanism embedded in one intrinsic mode function (IMF) component when the system behaves nonlinearly. The temporal variation of the instantaneous frequency of the IMF component is consistent with the system nonlinear behavior of yielding and unloading. As a thorough study of this fundamental structural dynamics problem, this article investigates the influence of the amplitude of the harmonic wave excitation on the Hilbert spectrum and the intrinsic oscillatory mode of the dynamic response of a bilinear SDOF system.

Hilbert-Huang变换在电力系统过电压识别中的应用

将希尔伯特-黄变换(HHT)方法引入到过电压信号分类识别研究中,该方法由经验模态分解(EMD)与Hilbert变换两部分组成,能够定量、准确地对信号幅值及频率特征进行刻画。采用HHT方法对7种电力系统中常见的过电压信号进行了分析计算,结果表明HHT方法计算得到的瞬时幅值谱、Hilbert边际谱、Hilbert时频谱,能够作为特征量对不同种类型过电压进行分类识别。基于HHT算法与RBF神经网络搭建了过电压信号分层识别系统,并以实测过电压数据对其进行验证,结果表明,该分类识别系统能够有效地对过电压信号进行分类识别,并具有较高的识别率。

填埋场振动台试验及渐进式损伤能量识别

为了探讨地震作用下含导排衬垫层填埋场的损伤变形特性,开展了含导排衬垫层的填埋场边坡的大型振动台试验,并根据填埋场各处动态响应规律,提出了一种基于希尔伯特-黄(HHT)和边际谱的能量识别方法。该方法能够用于识别填埋场整体损伤和局部损伤,并根据实测位移值对该方法的有效性进行了讨论。试验结果表明,在输入波峰值加速度为0.3g时,坡脚正位移峰值及坡中负位移峰值突变;希尔波特谱峰值(PSHEA)随着高度的增加而增加,填埋场固废层希尔伯特能量大于衬垫及导排系统;输入波峰值加速度为0.3g及0.4g时,导排衬垫界处抗剪强度低面及中老固废交界震陷,边际谱峰值(PMSA)发生突变,能量传递异常。填埋场在地震作用下的损伤主要分为3个阶段:0.1g~0.2g未发生破坏阶段,0.3g~0.4g局部损伤阶段,破坏由导排及衬垫系统开始,0.5g整体破坏阶段填埋场边坡进入塑性变化;输入波幅值达到0.3g时衬垫导排层先产生滑移,峰值时刻固废交界处发生破坏。研究成果可为填埋场在地震作用下的损伤预测及填埋场抗震减灾技术设计提供参考依据。

Hilbert-Huang变换在滚动轴承故障诊断中的应用

提出了一种新的滚动轴承故障诊断方法——基于小波系数包络信号的局部Hilbert边际谱方法,在Hilbert—Huang变换的基础上介绍了局部Hilbert谱和局部Hilbert边际谱,并将它应用于滚动轴承的故障诊断中。用小波基将滚动轴承故障振动信号分解,对高频段的小波系数用Hilbert进行包络分析得到包络信号,再对包络信号进行Hilbert—Huang变换求出局部Hilbert边际谱,从局部Hilbert边际谱中就可以判断滚动轴承的故障部位和类型。通过对滚动轴承具有外圈缺陷、内圈缺陷的情况下的振动信号的分析,说明该方法比传统的包络分析方法更能有效地提取滚动轴承故障特征。

Hilbert边际谱在框架结构损伤检测中的应用

提出了一种基于Hilbert边际谱的损伤检测方法,在Hilbert边际谱的基础上定义了特征幅值,并以损伤前后同一响应点位置特征幅值的相对变化量来计算用于进行结构损伤检测的损伤指标。由一个8层剪切框架结构的损伤检测仿真算例,获得了所提出的损伤指标与结构健康状态及损伤位置的对应关系,进而提出了利用该损伤指标来检测并定位框架结构损伤的步骤。最后,使用一个8层剪切框架结构的损伤检测实验说明该方法可以准确识别出框架结构的健康状态以及损伤位置。

基于局部Hilbert边际谱隶属度的微弱目标检测算法

文章采用Hilbert-Huang变换处理海杂波数据,获得了海杂波的Hilbert边际谱,并分析了海杂波的Hilbert边际谱特点以及目标的影响。分析发现:无目标时,海杂波信号的Hilbert边际谱的谱宽较宽,低频成份较弱;而当目标出现时,其谱宽变窄,低频成份明显增强。为了描述目标对海杂波Hilbert边际谱的这种影响,将隶属度引入Hilbert边际谱,并采用目标出现频率处的海杂波局部Hilbert边际谱计算隶属度,通过分析发现,目标出现时,其隶属度明显减小,在此基础上,提出了基于局部Hilbert边际谱隶属度的微弱目标检测算法。仿真结果表明,对于实测和仿真目标数据,该算法的检测性能较好,明显优于基于盒维数的微弱目标检测算法、频域检测算法和多脉冲CA-CFAR检测算法的检测性能,对海杂波中的慢起伏固定目标具备较强的检测能力。

双线性单自由度体系强迫动力反应的Hilbert谱与本征振动模态:输入简谐波频率的影响

系统地研究了双线性单自由度体系在简谐波输入下表现出非线性力学行为时,输入简谐波频率对体系动力响应的H ilbert谱、H ilbert边缘谱及Fourier幅值谱的影响。研究结果表明,如果体系输入简谐波频率为f,那么体系动力响应H ilbert边缘谱的能量分布在f附近一个较宽的频带上,该频带的产生是体系动力响应H ilbert谱中所蕴含的波内调制的必然结果,它源自于体系某个本征振动模态瞬时频率的波动,而这种瞬时频率的波动描述了体系屈服与卸载的非线性力学行为;体系动力响应的Fourier幅值谱自3f起,每隔2f就会出现一个幅值明显高出周围其它分量的Fourier“伪”谐波分量,这也是体系非线性力学行为所造成的结果。

基于广义形态学滤波和Hilbert边际谱的滚动轴承故障诊断

广义形态滤波器可以很好地抑制输出统计偏倚的现象,Hilbert边际谱克服了传统包络法需要确定带通滤波器的中心频率和带宽的不足,将两种方法相结合,首先利用广义形态滤波对信号进行去噪,在此基础上对信号进行经验模态分解,然后选取合适的IMF分量得到信号的局部Hilbert边际谱。通过对轴承内外环进行故障诊断发现,该方法能准确地提取故障特征,从而有效地判别轴承的故障类型和部位,具有较广阔的应用前景。

2012年印尼8.6级地震应变地震波的Hilbert-Huang时频分析

本文通过端点效应压制的Hilbert-Huang变换,对大同及沁源台布置的四分量钻孔应变仪记录的印尼8.6级地震激发的应变地震波形进行时频分析,结果显示印尼8.6级地震的主震和8.2级余震的应变地震波序列各个震相具有不同的时频特征:①地震波到达之前的所谓"环境噪声"部分,瞬时频率低,瞬时振幅小;②P波初至时,高频成分突然增加,振幅也随即增强;③S波到达时,频率有所降低而振幅剧烈上升;④面波到达时,振幅进一步剧烈上升达到整个序列的极大值;⑤尾波部分振幅逐渐降低,但与噪声部分相比频率依然偏高,振幅依然偏大。本文也将应变地震波与地震仪记录的地震波进行对比,虽然应变地震波与地震波波形和Fourier谱具有极高的相关系数,但从Hilbert-Huang变换得到的边际谱上看,应变地震波与地震波有显著的区别,应变地震波比地震波记录的低频成分相对更多。通过Hilbert谱,有助于更好地了解非平稳信号的局部特征,对于突变信号的地震波,Hilbert-Huang变换是一个较好的时频分析工具。

基于Hilbert-Huang变换的大地电磁信号谱估计方法

由于大地电磁(MT)信号的非平稳特性,基于傅里叶变换的谱估计方法会带来偏差。本文提出了一种基于HHT的边际谱估算方法,即边际谱是由Hilbert谱沿时间轴积分得到,它代表了整个信号在时间跨度上的幅值累积效应。文中证明了边际谱的线性性质,详细讨论了提高Hilbert谱估计精度的两种方法,并对仿真MT信号和实测MT信号进行了数值实验。理论与实验证明,基于HHT的谱估计方法更符合MT信号的实际情况,能够最小化大地电磁信号非平稳性带来的估算偏差,且可抑制较强的白噪声,其频率分辨率和估算精度均高于傅里叶变换方法。

Hilbert-Huang变换分析THz脉冲信号的时频特性

提出一种基于Hilbert-Huang变换的THz时域光谱分析方法,将THz时域脉冲信号分解成有限数目的单分量信号之和,利用Hilbert变换求得瞬时频率来获得幅值的时频分布——Hilbert-Huang变换谱,实现了通过水蒸气的THz脉冲信号的时频分析,揭示了THz波与水蒸气相互作用的频谱时域分布特性,并与基于小波变换的时频图进行了对比分析。结果表明,该方法可以同时提高THz脉冲时频分布的时间分辨率和频率分辨率,具有局部化分析和自适应选择的特点,还能直观地表现出各频率成分之间的相对时间延迟。

Hilbert边际能量谱在语音情感识别中的应用

情感特征的提取是语音情感识别的重要方面。由于传统信号处理方法的局限,使得提取的传统声学特征特别是频域特征并不准确,不能很好地表征语音的情感特性,因而对情感识别率不高。利用希尔伯特黄变换(HHT)对情感语音进行处理,得到情感语音的希尔伯特边际能量谱;通过对不同情感语音的边际能量谱基于Mel尺度的比较分析,提出了一组新的情感特征:Mel频率边际能量系数(MFEC)、Mel频率子带频谱质心(MSSC)、Mel频率子带频谱平坦度(MSSF);利用支持向量机(SVM)对5种情感语音即悲伤、高兴、厌倦、愤怒和平静进行了识别。实验结果表明,通过该方法提取的新的情感特征具有较好的识别效果。

Hilbert-Huang变换在煤矸界面探测中的应用

为了解决煤矿综采工作面煤矸界面识别问题,将Hilbert-Huang变换应用于煤矸振动信号的特征提取。采用EMD方法可以将复杂环境下的煤矸振动加速度信号分解成固有模态分量,通过分析包含煤矸振动特征的前4个IMF分量,得到局部Hilbert边际谱和局部能量谱,进而发现当顶煤放落时,其振动信号的幅值和能量主要集中在100Hz至600Hz的频率范围内;而当煤矸混放时,其幅值和能量则主要集中在1000Hz左右,此时100Hz至600Hz频率范围内的幅值和能量相对有所减弱。根据上述特征定义特征函数,应用到煤矸界面识别的仿真实验中,取得了很好的识别效果。

基于Hilbert-Huang变换的结构损伤识别及振动台试验验证

结构在强烈地震作用下,构件、节点会产生损伤,刚度、强度等力学性能会降低,结构的动力特性也会改变。分析与处理结构振动信号是结构健康监测和损伤识别的重要手段之一。利用Hilbert-Huang变换,提出利用具有时变规律的瞬时频率和瞬时能量识别结构的损伤演化过程,利用可以反映结构振动能量分布规律的Hilbert边际谱的相对幅值识别结构的损伤位置。通过对一个12层钢筋混凝土框架模型结构振动台试验测点加速度记录数据的处理分析,识别了该模型结构的损伤演化及损伤位置,识别结果与振动台试验的试验现象基本吻合,验证了基于Hilbert-Huang变换可以实现结构的损伤识别。

基于Hilbert边际谱的道路载荷谱特征分析

针对实际道路载荷谱信号具有非平稳特点的问题,以某自卸车在不同强化道路上的实测载荷谱为研究对象,运用Hilbert-Huang变换计算其Hilbert边际谱,分析了不同强化道路载荷谱的信号特征,得出了该车的动态响应特性以及自身固有特性.在此基础上,确定迭代目标谱的滤波频率范围,并在该车的室内道路模拟试验中取得良好的迭代效果.结果表明,Hilbert边际谱能够有效地应用到非平稳道路载荷谱的分析当中.

汶川地震基岩强震记录的Hilbert-Huang变换分析

详细解释了Hilbert-Huang变换(HHT)的思想和基本理论,利用HHT方法对汶川8.0级的地震记录进行了经验模态分解(EMD),并对其Hilbert-Huang三维时间-频率-幅值(能量)图谱、边际能量谱和瞬时能量谱进行了分析讨论。研究表明,基于HHT的Hilbert谱能够精准和清晰地揭示地震记录的时-频-能量分布。

数值方法进展:从Fourier变换到Hilbert-Huang变换

论述了从Fourier变换,Gabor变换,小波变换,到Hilbert-Huang变换的理论进展与工程应用,比较了Fourier频谱与HHT边际谱的差异,并对非平稳信号的稳定性度量提出了新的指标。最后,介绍和述评了HHT的研究进展和实际应用。

车辆道路载荷谱的Hilbert边际谱分析方法及应用

针对车辆道路载荷谱信号非平稳特点及Fourier分析的局限性,利用Hilbert-Huang变换(HHT)方法处理振动信号,提出了基于Hilbert边际谱的道路载荷谱信号特征分析方法。以某自卸车的载荷谱数据处理为例,通过Hilbert边际谱与Fourier谱的比较分析,得出该车在不同强化道路上的响应特性及自身固有特性。试验结果表明,Hilbert边际谱比Fourier谱能更准确地反映信号的频域特征,可有效进行道路载荷谱分析。

基于Hilbert-Huang变换的海洋平台结构损伤识别研究

海洋平台在服役期间,由于各种因素的影响会出现不同程度的损伤,这些损伤不断累积,对结构安全造成了极大威胁。利用通用有限元分析软件ANSYS对波流联合作用下的导管架平台模型进行瞬态动力学分析,通过MATLAB编程实现对动力响应信号的Hilbert-Huang变换,得到信号的固有模态函数(IMF)、Hilbert谱和Hilbert边际谱。提出以损伤前后信号Hilbert边际谱置信度作为损伤指标,分析对比不同损伤程度下该损伤指标的有效性,并探讨了采样数据长度和波浪参数对该损伤指标的影响。研究结果可以为后续研究和工程应用提供参考。

基于Fourier与Hilbert变换的纱线信号谱分析研究

介绍了两种信号谱分析方法———基于Fourier变换思想的波谱分析及基于经验模态分解的H ilbert边际谱分析,并将其分别应用到纱线信号的时频分析中。基于经验模态分解的边际谱分析方法是一种完全不同于传统Fourier谱分析的新方法,文中介绍了H ilbert边际谱的求解过程,通过将Fourier谱图与H ilbert边际谱进行对比可知,H ilbert边际谱更适用于对纱线信号的非平稳过程处理。