A review of FFT algorithms and a real-time algorithm development for airborne vibration testing applications
FFT algoritmalarının incelenmesi ve uçuşta titreşim testi uygulamaları için gerçek zamanlı algoritma geliştirilmesi
- Tez No: 854366
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA HELVACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Uçuş test enstrümantasyonu alanında, çeşitli veri türlerinin toplanması, uçakların ve bileşenlerinin güvenliği ve performansı için büyük öneme sahiptir. Bu veriler sıcaklık, basınç, kuvvet, dijital veri izleme ve daha birçok şeyi içerebilir. Ancak, özellikle havacılıkta kompozit yapıların artan kullanımıyla son yıllarda belirli bir veri türü daha fazla önem kazanmıştır: titreşim. Titreşim ölçümleri, motor ve itki sistemi değerlendirmeleri, flutter analizi ve yapısal rezonans çalışmaları gibi bir dizi test için vazgeçilmezdir. Bu testler, uçağın farklı bileşenlerinin titreşimlere ve salınım hareketlerine nasıl tepki verdiğini anlamayı amaçlar ve tasarımı iyileştirmeye ve güvenliği artırmaya yardımcı olabilir. Hava araçlarının prototip test uçuş faaliyetleri kapsamında, yer istasyonlarına telemetri yoluyla iletilmesi gereken büyük miktarda veri vardır. Ancak bu verileri toplamak ve analiz etmek büyük bir zorluk oluşturur. Çünkü iletim sırasında yüksek miktarda verinin hızlı ve güvenilir bir şekilde aktarılması gerekir. Ayrıca, yüksek frekansta titreşim verileri ile uğraşırken iletim kanalının bant genişliği önemlidir. Bu tür veriler genellikle karmaşık, yüksek frekansta davranışlar sergiler ve bu nedenle veri iletişimin verimliliğini optimize etmek ve iletişim akışındaki yüzü azaltmak için çeşitli teknikler kullanılabilir. Bu temel tekniklerden biri Fourier Dönüşümü 'dür. Fourier Dönüşümü, sürekli zamanlı bir sinyali temel sinüzoidal frekansta bileşenlerine ayırarak zaman ve frekans alanları arasında bir köprü oluşturan matematiksel bir araçtır. Bir sinyalin spektrumunu açığa çıkararak her frekans bileşeninin gücünü ve fazını gösterir. Bu dönüşüm, sürekli sinyaller içinde belirli frekans bileşenlerini anlamak ve izole etmek için temel bir öneme sahiptir. Ayrık zamanlı sinyaller bağlamında, genellikle Ayrık Fourier Dönüşümü 'nü (DFT) kullanmak yaygın bir uygulamadır. DFT, sinyal örneklerinin bir ayrık frekans spektrumuna eşlenmesini sağlar ve dijital sinyaller içinde farklı frekansta sinüzoitlerin genliklerini ve fazlarını belirler. Bu süreç dijital sinyal işleme için merkezi bir öneme sahiptir ve mühendislerin ve bilim insanlarının toplanan verilerden önemli bilgiler çıkarmalarına olanak tanır. Özellikle DFT'nin verimliliği, DFT'nin hesaplamasını büyük ölçüde hızlandıran Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) algoritması tarafından kullanılır ve daha pratik hale getirilir. Geleneksel FFT algoritmaları genellikle gerçek zamanlı uygulamalarda tercih edilirken, bu çalışma, frekans alanındaki sinyal özelliklerine ayrıntılı bir bakış sunarak gerçek zamanlı titreşim verilerinin işlenmesi için dikkatle tasarlanmış bir algoritma sunar. Bu algoritmanın merkezinde Chirp-Z Dönüşümü (CZT) bulunur ve belirli frekans bileşenlerinin hassas bir şekilde çıkarılmasına olanak tanır. CZT analizinde Hann penceresi seçimi, frekans analizi sırasında spektral sızıntıyı azaltma rolü oynayarak frekans analizi sırasında yüksek bir doğruluk seviyesini sağlar. Spektral çözünürlük ve ön işleme aşamasında titreşim verileri, frekans çözünürlüğünü artırmak için hesaplanan parametrelerle örtüşen pencerelere bölünür. 2048 Hz örnekleme hızıyla 512 noktalı bir Hann penceresi ile aşırı örnekleme kullanılması, çözünürlüğü daha da iyileştirir ve frekans spektrumunun daha derinlemesine incelenmesini kolaylaştırır. Bu yüksek hassasiyet, yüksek frekanslı harmonikleri tanımada etkili olup motor performansının daha derin bir anlayışını sağlar ve sahadaki potansiyel gelişim fırsatlarına katkıda bulunur. Üçüncü bölümde, CZT algoritması, prototip tahrik sistemini kapsamlı bir şekilde analiz etmek için uygulanmıştır. Bu süreç, harmonik hesaplama yoluyla istenen spektral yakınlaştırma aralığını belirlemeyi içerir ve bunun sonucunda 𝑓 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 ve 𝑓 𝑒𝑛𝑑 gibi parametrelerin tanımlanmasına yol açar. İkinci bölümde belirtildiği gibi, 𝑓 𝑠 , aşırı örnekleme yöntemi kullanılarak hesaplanır. 𝑓 𝑠 belirlendikten sonra istenen çözünürlük de hesaplanır. Bu parametreler, CZT özel katsayılarını belirlemede önemli bir rol oynar, bunlar arasında M, α ve ω yer alır, bu da motor harmonik analizinin hassasiyetini ve netliğini önemli ölçüde artırır. Bu makale, çeşitli FFT algoritmalarını gözden geçirerek uçuş test enstrümantasyonundaki gerçek hayat havacılık sorunlarını çözmek için en etkili yöntemi belirlemeye odaklanmaktadır. En uygun algoritmanın seçimi, uçuş test enstrümantasyonundaki veri analizinin hızı ve doğruluğu üzerinde derin etkileri olabilir. Makalenin vaka çalışması bölümü, seçilen CZT algoritmasının belirli bir havacılıkla ilgili sorunu çözmek için gerçek zamanlı olarak nasıl kullanıldığına dair detaylı bilgiler sunarak bu araştırmanın pratik önemini göstermektedir. Titreşim verileri, titreşimleri elektrik sinyallerine dönüştüren PCB 33931 titreşim sensörü kullanılarak toplanır. Doğruluk sağlamak için ham veriler önce Curtiss-Wright donanımı ile sinyal işlemeden geçer; bu işlem, kuvvetlendirme, filtreleme ve gürültü azaltmayı içerir. Algoritmanın verimliliği, çoklu CPU çekirdeklerinde hesaplamaları optimize etmeye dayanır ve işleme süresini azaltır. Gerçek zamanlı CZT simülasyonu, 12. Nesil Intel Core, i7-12700H, 2.30 GHz bir bilgisayarda çalıştırılır. CPU, donanım ve işlemciyi içeren kapsamlı bir değerlendirme sonucunda, veri toplama dahil her işlem için ortalama iterasyon süresi 0.0315 saniye olarak hesaplanır. Bu kapsamlı analiz, performansı etkileyen çeşitli faktörleri hesaba katarak hesaplama sürecine geniş bir perspektif sunar. Ancak özellikle CZT analizine odaklanarak, her işlem için geçen süre sadece 0.0017 saniyeye önemli ölçüde azalır, bu da dikkate değer bir verimlilik gelişimini gösterir.
Özet (Çeviri)
Data collection is a critical aspect of flight test instrumentation as it enables the evaluation of aircraft performance and safety through the monitoring of critical parameters such as vibrations, temperature, pressure, and force, as well as digital bus operations. However, effective communication strategies are necessary to transmit this data, particularly high-frequency vibration data, during prototype testing of full-scale air vehicles. The Fourier Transform is a fundamental technique that decomposes signals into their constituent frequencies, thereby facilitating the analysis of specific components within continuous data. The primary objective of this study is to conduct a comprehensive analysis and assessment of multiple Fast Fourier Transform (FFT) algorithms to determine the optimal approach for addressing practical aviation challenges. The selection of the most appropriate FFT algorithm can significantly influence the efficiency and precision of data analysis in the context of flight test instrumentation. The case study offers comprehensive insights into the utilization of the chosen FFT technique to handle a specific difficulty related to aviation. This indicates the practical importance of this research in the analysis of real-time vibration measurements. This study introduces an algorithm that has been extensively developed for the purpose of analysing real-time vibration data. This algorithm provides a comprehensive understanding of the many features of signals within the frequency domain. The technique highlights the Chirp-Z Transform (CZT), which facilitates the accurate finding of frequency elements. The selection of the Hann window in the CZT analysis is crucial for mitigating spectral leakage, hence enhancing the precision of frequency analysis. During the spectrum resolution and pre-processing phase, the vibration data is carefully divided into overlapping windows, with parameters computed to improve frequency resolution. By applying oversampling with a 512-point Hann window at a sampling rate of 2048 Hz, the resolution is enhanced, enabling a more comprehensive analysis of the frequency spectrum. The increased level of accuracy demonstrated by this measurement technique serves to validate its importance in the detection and analysis of high-frequency harmonics. Thus, it facilitates a greater understanding of engine functionality and provides possibilities for potential progress in this domain. The technique of collecting vibration data employs the usage of the PCB 33931 vibration sensor, which effectively translates mechanical vibrations into corresponding electrical impulses. To enhance precision, the raw data undergoes signal conditioning utilizing Curtiss-Wright hardware. This process involves noise reduction, amplification, and filtering. The efficiency of the algorithm is achieved by optimising computations across numerous CPU cores to minimize processing time. The real-time simulation of CZT is executed on a personal computer equipped with a 12th-generation Intel Core processor, particularly the i7-12700H model, operating at a frequency of 2.30 GHz. In an extensive assessment including the central processing unit (CPU), hardware components, and processor, the mean duration per iteration, which contains the process of data collecting, is 0.0315 seconds. The comprehensive analysis offers an overall view of the computing process, considering multiple elements that influence performance. However, after conducting a more detailed examination, with a specific emphasis on the CZT analysis, it becomes obvious that there is a significant increase in efficiency. When isolating this one aspect from the whole algorithm, the time required for each iteration exhibits a considerable decrease to only 0.0017 seconds, indicating a significant boost in efficiency.
Benzer Tezler
- Parametric investigation of brake squeal problem through numerical and experimental methods
Yüksek frekanslı fren gürültüsü probleminin sayısal ve deneysel yaklaşımlar kullanılarak parametrik olarak incelenmesi
SARP ÖZEKMEKÇİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
- Makine öğrenmesi yöntemi ile yuvarlanmalı yataklarda titreşim-zaman analizi kullanarak arıza tespiti
Vibration-time analysis for fault detection in rolling bearings using machine learning methods
CEMİL GAZİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ BEDİR
- Aeroacoustic analysis of open cavities with rounded edges
Köşeleri yuvarlanmış açık kavitelerin aeroakustik analizleri
EVREN YENİGELEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ORHAN KAYA
- Göçmen kaçakçılığı rotaları ve yabancı savaşçılar, kaçakçılık-terör ilişkisi
Immigrant smuggling routes and foreign fighters, smuggling – terrorism affiliation
BERAT İNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kamu Yönetimiİstanbul Aydın ÜniversitesiSiyaset Bilimi ve Uluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET CEM OĞULTÜRK
- Uzaktan algılama verileri kullanılarak kuraklık olaylarının alansal, zamansal ve frekans analizleri: Ege bölgesi örneği
Spatio-temporal and frequency analysis of drought events via remote sensing data: Case study of Aegean region
SEMRA KOCAASLAN KARAMZADEH
Doktora
Türkçe
2022
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU