New experiments focusing on the evolution characteristics of nonlinear wave trains were conducted in a large wave flume. A series of wave trains with added sidebands, varying initial steepness, perturbed amplitudes and frequencies, were physically generated in a long wave flume. The experimental results show that the increasing wave steepness, increases the speed of sidebands growth. To study the frequency and phase modulation, the Morlet wavelet transform is adopted to extract the instantaneous frequency of wave trains and the phase functions of each wave component. From the instantaneous frequency, there are local frequency downshifts, even an effective frequency downshift was not observed. The frequency modulation increases with an increase in amplitude modulation, and abrupt changes of instantaneous frequencies occur at the peak modulation. The wrapped phase functions show that in the early stage of the modulation, the phase of the upper sideband first diverges from that of the carrier waves. However, at the later stage, the discrepancy phase from the carrier wave transformed to the lower sideband. The phase deviations appear in the front of the envelope's peaks. Furthermore, the evolution of the instantaneous frequency exhibits an approximate recurrence-type for the experiment with large imposed sidebands, even when the corresponding recurrence is not observed in the Fourier spectrum.
International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems
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제12권2호
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pp.162-166
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2012
The instantaneous amplitude (IA) based on the higher order differential energy operator is proposed. And its general form for arbitrary order is also proposed. The various definitions of the IA and the instantaneous frequency (IF) estimators are considered. The IA and IF estimators based on the energy operators need less computational cost than the conventional IF and IA estimators exploiting the Hilbert transform. The IF and IA estimators are compared in terms of the frequency and amplitude tracking accuracy of the AM-FM signals. For noiseless case, the IA and IF estimators based on the Teager-Kaiser energy operator show better tracking performance than the IF and IA estimators based on the higher energy operators. However, under noisy condition, the IF and IA estimator based on the higher order energy operators with the order 3 and 4 show better tracking than the Teager-Kaiser energy based estimators. The IF and IA estimators are applied to signals in the various power anomalies to show their usefulness as the disturbance detectors.
An instantaneous amplitude (IA) estimator using the symmetric higher order differential energy operator is proposed. The amplitude estimator and the instantaneous frequency (IF) estimator based on the symmetric higher order differential energy operator coincide with the analyzed signal in time, and they show better estimation results than the IA and IF based on the higher order differential energy operator. Various IF and IA estimators are applied to AM-FM signals for the performance comparison. Among the IF and IA estimators, the IF and IA estimators based on the symmetric higher order energy operator show the best estimation accuracy. Then, the IA and IF estimators are applied to the distorted power line signal to show their usefulness as power disturbance detectors.
The problem of sub-Nyquist nonuniform sampling for the perfect reconstruction of signals with time-varying spectral contents is studied. The signals are assumed to have a known instantaneous bandwidth in time-frequency domain. As the function of time, the nonuniform sampling pattern of a given signal, that is, the instantaneous sampling frequency is determined by the observation of instantaneous bandwidth based on time-frequency analysis. The proposed sampling pattern guarantees the perfect reconstruction of nonuniform sampled signals under Nyquist-sampling rate in average.
Correct and fast detection of a micro-grid (MG) islanding is essential to the MG since operation, control and protection of the MG depend on an operating mode i.e., an interconnected mode or an islanding mode. When islanding occurs, the frequency of the point of common coupling (PCC) is not the nominal frequency during the transient state owing to the frequency rise or drop of generators in the MG. Thus, the active and reactive power calculated by the frequency domain based method such as Fourier Transform might contain some errors. This paper proposes an islanding detection algorithm for the MG based on the instantaneous active and reactive powers delivered to the dedicated line in the time domain. During the islanding mode, the instantaneous active and reactive powers delivered to the dedicated line are constants, which depend on the voltage of the PCC and the impedance of the dedicated line. In this paper, the instantaneous active and reactive powers are calculated in the time domain and used to detect islanding. The performance of the proposed algorithm is verified under various scenarios including islanding conditions, fault conditions and load variation using the PSCAD/EMTDC simulator. The results indicate that the algorithm successfully detects islanding for the MG.
This paper proposes an analytical mode decomposition (AMD) and Hilbert transform method for structural nonlinearity quantification and damage detection under earthquake loads. The measured structural response is first decomposed into several intrinsic mode functions (IMF) using the proposed AMD method. Each IMF is an amplitude modulated-frequency modulated signal with narrow frequency bandwidth. Then, the instantaneous frequencies of the decomposed IMF can be defined with Hilbert transform. However, for a nonlinear structure, the defined instantaneous frequencies from the decomposed IMF are not equal to the instantaneous frequencies of the structure itself. The theoretical derivation in this paper indicates that the instantaneous frequency of the decomposed measured response includes a slowly-varying part which represents the instantaneous frequency of the structure and rapidly-varying part for a nonlinear structure subjected to earthquake excitations. To eliminate the rapidly-varying part effects, the instantaneous frequency is integrated over time duration. Then the degree of nonlinearity index, which represents the damage severity of structure, is defined based on the integrated instantaneous frequency in this paper. A one-story hysteretic nonlinear structure with various earthquake excitations are simulated as numerical examples and the degree of nonlinearity index is obtained. Finally, the degree of nonlinearity index is estimated from the experimental data of a seven-story building under four earthquake excitations. The index values for the building subjected to a low intensity earthquake excitation, two medium intensity earthquake excitations, and a large intensity earthquake excitation are calculated as 12.8%, 23.0%, 23.2%, and 39.5%, respectively.
A simple robust fundamental frequency estimator on the time-frequency domain is proposed. Combined with the appropriately designed low-pass filter, the instantaneous frequency estimator based on the Teager-Kaiser energy function can detect the fundamental frequency of speech signal. The Teager-Kaiser function can be obtained through real computation and show the change of frequency as time goes. And when a speech block with N samples is processed with a lowpass fille. with length of L, it requires $O(N{\cdot}(L+5))operations,$ compared to $O(N{\cdot}2log_2N+L))operations$ in the recently introduced wavelet and conventional instantaneous frequency method. The computer simulation confirms the usefulness of the proposed fundamental frequency estimation method.
비선형적인 위상 변화를 지닌 비정상(non-stationary)신호는 레이더(Radar), 통신(telecommunication), 생체공학, 지질탐사, 음향 등 여러 분야에서 쉽게 접하는 신호이다. 비정상신호는 일반적으로 시간에 따라 신호의 물리적 특성이 변화하는 신호를 의미하며, 순간 주파수는 신호의 특정시간에 해당하는 신호의 주파수를 의미한다. 이 논문에서는 순간 주파수를 결정하기 위한 연속 웨이브렛 변환의 적용에 대하여 논하였다.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권2호
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pp.939-951
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2019
A novel empirical mode decomposition strategy based on Fourier transform and band-pass filter techniques, contributing to efficient instantaneous vibration analyses, is developed in this study. Two key improvements are proposed. The first is associated with the adoption of a band-pass filter technique for intrinsic mode function sifting. The primary characteristic of decomposed components is that their bandwidths do not overlap in the frequency domain. The second improvement concerns an attempt to design narrowband constraints as the essential requirements for intrinsic mode function to make it physically meaningful. Because all decomposed components are generated with respect to their intrinsic narrow bandwidth and strict sifting from high to low frequencies successively, they are orthogonal to each other and are thus suitable for an instantaneous frequency analysis. The direct Hilbert spectrum is employed to illustrate the instantaneous time-frequency-energy distribution. Commendable agreement between the illustrations of the proposed direct Hilbert spectrum and the traditional Fourier spectrum was observed. This method provides robust identifications of vibration modes embedded in vibration processes, deemed to be an efficient means to obtain valuable instantaneous information.
The sub-Nyquist nonuniform sampling (SNNS) and the perfect reconstruction (PR) formula are proposed for the development of a systematic method to obtain minimal representation of a speech signal. In the proposed method, the instantaneous sampling frequency (ISF) varies, depending on the least upper boundary of spectral support of a speech signal in time-frequency domain (TFD). The definition of the instantaneous bandwidth (IB), which determines the ISF and is used for generating the set of samples that represent continuous-time signals perfectly, is given. Also, the spectral characteristics of the sampled data generated by the sub-Nyquist nonuniform sampling method is analyzed. The proposed method doesn't generate the redundant samples due to the time-varying property of the instantaneous bandwidth of a speech signal.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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