Pochopení pásmových filtrů
Definice: Co je to pásmový filtr?
Pásmový filtr (BPF) je frekvenčně selektivní prvek pro zpracování signálu, který umožňuje vibrace složky v daném frekvenčním pásmu, kterými mají být propuštěny, a zároveň zeslabuje složky pod i nad tímto pásmem. Kombinuje vlastnosti horní propusti (blokující nízké frekvence) a dolní propusti (blokující vysoké frekvence) a vytváří tak “okno”, které propouští pouze vybraný střední frekvenční rozsah. Pásmové propusti jsou definovány svou střední frekvencí, šířkou pásma a řádem/strmostí filtru.
Při analýze vibrací jsou pásmové filtry nezbytné pro analýza obálky (izolace frekvencí nárazu ložiska), cílená diagnostika (zkoumání specifických frekvenčních rozsahů) a eliminace nežádoucích vibrací mimo sledované frekvenční pásmo pro zlepšení poměru signálu k šumu a srozumitelnosti měření.
Parametry filtru
Střední frekvence (f0)
- Střed propustného pásma
- Frekvence maximální odezvy filtru
- Vybráno na základě frekvenčního obsahu zájmu
- Obvykle se volí tak, aby odpovídaly rezonanční nebo poruchové frekvenci
Šířka pásma (BW)
- Definice: Frekvenční rozsah mezi body -3 dB (f_high – f_low)
- Úzké pásmo: BW < 10% střední frekvence (vysoce selektivní)
- Širokopásmový: BW > 50% střední frekvence (méně selektivní)
- Faktor Q: Q = f0 / BW (vyšší Q = užší, selektivnější)
Charakteristiky filtru
- Dolní mezní hodnota (f_low): Frekvence, kde spodní sklon dosahuje -3 dB
- Horní mezní hodnota (f_high): Frekvence, kde horní hranice dosahuje -3 dB
- Tvarový faktor: Poměr šířky zadržovacího pásma k šířce propustného pásma (míra selektivity)
Aplikace ve vibrační analýze
1. Analýza obálky (primární aplikace)
První kritický krok při detekci vad ložisek:
- Výběr kapely: Typicky 500 Hz – 10 kHz nebo 1 kHz – 20 kHz
- Účel: Izolujte vysokofrekvenční rezonance ložisek buzené nárazy
- Proces: BPF → detekce obálky → Rychlá převodní funkce (FFT) obálky
- Výsledek: Vylepšené frekvence poruch ložisek jasně viditelné
2. Analýza rezonančního pásma
- Filtr kolem rezonanční frekvence konstrukce nebo ložiska
- Izolujte energii v rezonanci od ostatních frekvencí
- Posouzení buzení a odezvy v daném režimu
- Užitečné pro řešení problémů s rezonancí
3. Izolace frekvenčního rozsahu
- Zaměření na specifický diagnostický frekvenční rozsah
- Příklad: 10–100 Hz pro nízkofrekvenční analýzu
- Odstraňuje nízkofrekvenční drift a vysokofrekvenční šum
- Zlepšuje srozumitelnost sledovaných frekvencí
4. Izolace sítě ozubených kol
- BPF se středem na frekvenci záběru ozubených kol
- Propouští síťovou frekvenci a postranní pásma
- Blokuje jiné převodové stupně a frekvence ložisek
- Umožňuje cílenou analýzu ozubených kol
Návrh pásmového filtru
Kaskádová dolní a horní propust
Nejběžnější implementace:
- Hornoprůchodový filtr blokuje frekvence pod f_low
- Dolní propust blokuje frekvence nad f_high
- Sériová kombinace vytváří pásmovou propust
- Každý filtr přispívá k celkové selektivitě
Přímý pásmový propustný design
- Optimalizováno jako jeden filtr, nikoli kaskáda
- Složitější, ale s lepšími vlastnostmi
- Používá se ve specializovaných aplikacích
Praktické úvahy
Kompromisy při výběru šířky pásma
Úzká šířka pásma
- výhody: Lepší selektivita, silnější potlačení sousedních frekvencí
- Nevýhody: Může přehlížet frekvenční změny, vyžaduje přesné ladění
- Použití: Když je známa přesná frekvence a je stabilní
Široká šířka pásma
- výhody: Zachycuje frekvenční variace, méně kritické ladění
- Nevýhody: Menší potlačení nežádoucích frekvencí v okolí
- Použití: Když se frekvence mění nebo je potřeba rozsah frekvencí
Pro analýzu obálky
- Typické pásy: 500-2000 Hz, 1000-5000 Hz, 5000-20000 Hz
- Výběr: Vyberte pásmo s dobrým buzením rezonance ložiska
- Ověřit: Zkontrolujte spektrum zrychlení pro identifikaci rezonance
- Optimalizovat: Upravte pro maximalizaci signálu o vadě ložiska
Vliv filtrů na signály
Efekty časového průběhu
- Filtrovaný průběh zobrazuje pouze frekvence v propustném pásmu
- Zobrazuje se jako modulovaný nosič (pokud je úzkopásmový)
- Odstraňuje nízkofrekvenční variace a vysokofrekvenční šum
- Může zjednodušit interpretaci křivky
Spektrální efekty
- Zachovány amplitudy propustného pásma
- Snížené amplitudy v pásmu zadržování (typicky 40–80 dB)
- Čistší spektrum se zaměřením na sledované pásmo
- Snížení prahové hodnoty šumu, pokud je šum mimo propustné pásmo
Digitální vs. analogové pásmové filtry
Analogové filtry
- Hardwarová implementace v signálové cestě
- Provoz v reálném čase
- Pevné vlastnosti po návrhu
- Používá se v anti-aliasingu a úpravě signálu
Digitální filtry
- Zpracování softwaru po digitalizaci
- Nastavitelné parametry
- Lze použít/odstranit po vyzvednutí
- Moderní analyzátory nabízejí rozsáhlé možnosti digitálního BPF
Běžné aplikace podle frekvenčního rozsahu
Nízkofrekvenční pásmová propust (10–200 Hz)
- Analýza nevyváženosti a nesouososti
- Monitorování nízkorychlostních strojů
- Vibrace základů a konstrukcí
Středofrekvenční pásmová propust (200–2000 Hz)
- Frekvence záběru ozubených kol
- Frekvence průchodu lopatek/lopatek
- Nižší frekvence poruch ložisek
Vysokofrekvenční pásmová propust (2–40 kHz)
- Analýza obálky defektů ložiska
- Vysokofrekvenční dopady
- Ultrazvukové frekvence
- Rezonanční buzení ložiska
Pásmové filtry jsou všestranné nástroje pro zpracování signálu, které umožňují cílenou analýzu specifických frekvenčních rozsahů a zároveň potlačují nežádoucí nízkofrekvenční a vysokofrekvenční složky. Zvládnutí výběru a aplikace pásmových filtrů – zejména pro analýzu obálek a izolaci frekvenčního rozsahu – je nezbytné pro pokročilou vibrační diagnostiku a efektivní extrakci diagnostických informací ze složitých vibračních signatur.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 