Comprensión de los filtros paso banda
A filtro paso banda (BPF) es un elemento de procesamiento de señales selectivo en frecuencia que permite vibración que pasen los componentes dentro de una banda de frecuencia elegida mientras atenúa todo lo que está por debajo y por encima de esa banda. Es, en efecto, la combinación de un filtro paso alto (que bloquea las frecuencias bajas) y un filtro paso bajo (que bloquea las frecuencias altas), formando una “ventana” que admite solo un rango medio seleccionado. Cada filtro paso banda se describe mediante tres números: su frecuencia central, su ancho de banda y su orden o pendiente. En el trabajo de vibraciones, el BPF es indispensable para análisis de envolvente, para diagnósticos enfocados en un rango particular y para extraer señales débiles del ruido al rechazar todo lo que está fuera de la banda de interés. Es una de las herramientas más utilizadas en la amplia caja de herramientas de filtrado de señal.
1. Parámetros del filtro
Frecuencia central (f₀)
- El centro de la banda de paso y el punto de máxima respuesta del filtro.
- Elegida para coincidir con el contenido de frecuencia de interés: típicamente una resonancia conocida o una frecuencia de falla.
Ancho de banda (BW)
- Definición: el intervalo de frecuencia entre los puntos de −3 dB, falto − fbajo.
- Banda estrecha: BW < 10% de f₀ — altamente selectiva.
- Banda ancha: BW > 50% de f₀ — menos selectiva.
- Factor Q: Q = f₀ / BW; un Q más alto significa un filtro más estrecho y selectivo.
Características del filtro
- Corte inferior (fbajo): donde la falda inferior cae a −3 dB.
- Corte superior (falto): donde la falda superior cae a −3 dB.
- Factor de forma: la relación entre el ancho de la banda de rechazo y la banda de paso: una medida de qué tan abruptamente corta el filtro.
2. Aplicaciones en el análisis de vibraciones
2.1 Análisis de envolvente: el uso principal
El filtro paso banda es el primer paso crítico para detectar defectos en rodamientos de elementos rodantes:
- Selección de banda: típicamente 500 Hz–10 kHz o 1 kHz–20 kHz.
- Propósito: aislar las resonancias estructurales de alta frecuencia que excitan los impactos del rodamiento.
- Proceso: BPF → detección de envolvente (demodulación) → FFT de la envolvente.
- Resultado: el frecuencias de falla de rodamientos destacan claramente en el espectro de envolvente.
2.2 Análisis de banda de resonancia
Filtrar estrechamente alrededor de una resonancia estructural o de rodamiento resonancia aisla la energía en ese modo de todas las demás frecuencias, lo que permite evaluar la excitación y la respuesta en una resonancia específica: una ayuda poderosa para la resolución de problemas de resonancia.
2.3 Aislamiento de rango de frecuencia
Un BPF puede centrarse en un rango diagnóstico elegido, digamos 10–100 Hz para trabajo de baja frecuencia, eliminando la deriva de baja frecuencia y el ruido de alta frecuencia para aclarar los componentes que le interesan.
2.4 Aislamiento de frecuencia de engranaje
Centrar la banda en la frecuencia de engranaje permite pasar ese pico y sus bandas laterales mientras rechaza otras etapas de engranajes y frecuencias de rodamientos, lo que posibilita un análisis de engranajes enfocado. Cuando el objetivo es seguir una velocidad variable en lugar de una banda fija, un filtro de seguimiento realiza el mismo aislamiento referenciado al orden del eje.
3. Diseño del filtro paso banda
Paso bajo y paso alto en cascada
La implementación más común simplemente encadena los dos filtros más simples:
- Una sección paso alto bloquea todo lo que está por debajo de fbajo.
- Una sección paso bajo bloquea todo lo que está por encima de falto.
- En serie forman el paso banda, cada sección contribuye a la selectividad general.
Diseño directo de paso banda
Alternativamente, el filtro se optimiza como una sola etapa en lugar de una cascada. Esto es más complejo de diseñar, pero puede lograr mejores características, y se reserva para aplicaciones especializadas. Un pariente cercano es el filtro notch, que realiza la tarea inversa: rechazar una banda estrecha mientras deja pasar todo lo demás.
4. Consideraciones prácticas
Compromisos del ancho de banda
Ancho de banda estrecho ofrece mejor selectividad y un rechazo más fuerte de las frecuencias adyacentes, pero puede perderse el desplazamiento de frecuencia y exige un ajuste preciso: es lo mejor cuando la frecuencia de interés es conocida y estable. Ancho de banda amplio captura la variación de frecuencia y es mucho menos exigente de ajustar, a costa de un rechazo más débil del contenido no deseado cercano: es lo mejor cuando la frecuencia varía o cuando importa todo un rango.
Elección de la banda para el análisis de envolvente
- Bandas típicas: 500–2 000 Hz, 1 000–5 000 Hz y 5 000–20 000 Hz.
- Selección: seleccionar la banda con la excitación de resonancia del rodamiento más fuerte.
- Verificación: revisar la aceleración sin procesar espectro para localizar primero esa resonancia.
- Optimizar: ajustar la banda para maximizar la señal del defecto del rodamiento.
5. Efectos del filtro en la señal
Efectos en la forma de onda en el tiempo
Una forma de onda filtrada por paso de banda forma de onda en el tiempo muestra solo el contenido de la banda de paso. Con una banda estrecha aparece como una portadora modulada; las variaciones de baja frecuencia y el ruido de alta frecuencia desaparecen, lo que puede simplificar enormemente la interpretación.
Efectos en el espectro
En el espectro, las amplitudes de la banda de paso se conservan mientras que las amplitudes de la banda de rechazo se reducen en un típico 40–80 dB. El resultado es una visualización más limpia centrada en la banda de interés, con un nivel de ruido reducido siempre que el ruido se encontrara fuera de la banda de paso.
6. Digital frente a analógico, y bandas por rango de frecuencia
Filtros digitales frente a analógicos
Analógico los filtros paso de banda se implementan en hardware en la ruta de la señal, operan en tiempo real, tienen características fijas una vez construidos y se utilizan en antialiasing y acondicionamiento de señal. Digitales los filtros procesan la señal en software después de la digitalización, ofrecen parámetros ajustables y pueden aplicarse o eliminarse incluso después de recopilar los datos: por eso los analizadores modernos ofrecen extensas opciones de FBP digitales.
Bandas comunes por rango
- Baja frecuencia (10–200 Hz): análisis de desbalance y desalineación, maquinaria de baja velocidad y vibración de cimentación o estructural.
- Frecuencia media (200–2 000 Hz): frecuencias de engranaje, frecuencias de paso de álabes y paletas, y las frecuencias de falla del rodamiento más bajas.
- Alta frecuencia (2–40 kHz): análisis de envolvente de defectos del rodamiento, impactos de alta frecuencia y excitación de resonancia del rodamiento.
7. Filtrado paso de banda en campo
En la práctica, el filtro paso de banda rara vez se usa solo: es una etapa dentro de una cadena de medición que también muestrea, ventanea y transforma la señal, por lo que la banda elegida debe estar dentro del ancho de banda de muestreo del instrumento. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la vibración en un rango aproximado de 5 Hz a 1 kHz y resuelve el 1× amplitud y fase necesario para el balanceo en sitio; las técnicas de paso de banda y envolvente complementan luego ese flujo de trabajo cuando un ingeniero necesita confirmar si un defecto de rodamiento de alta frecuencia, en lugar de un simple desbalance, es la verdadera fuente del problema. Al configurar dicho análisis, el Calculadora de resolución FFT ayuda a ajustar el conteo de líneas y el ancho de banda a la banda que se pretende examinar, para que las líneas de falla y las bandas laterales muy cercanas no se difuminen entre sí. Dominar la selección del paso de banda, sobre todo para el análisis de envolvente y el aislamiento de rangos de frecuencia, es esencial para extraer información diagnóstica clara de una firma de vibración compleja.
