Comprensión de la coherencia en el análisis de vibraciones
Coherencia — también llamada función de coherencia — es una herramienta de procesamiento de señales utilizada en análisis de vibración para juzgar la calidad y validez de una medición de dos canales. Es un número entre 0 y 1, calculado frecuencia por frecuencia, que le indica cuánto de la señal de salida en cada frecuencia es causado genuina y linealmente por la señal de entrada. En efecto, la coherencia es el medidor de confianza del analista: responde a la pregunta “¿puedo confiar en esta medición o el ruido la está contaminando?” antes de sacar conclusiones de los datos.
1. Definición: ¿Qué es la coherencia?
La coherencia cuantifica la relación lineal de causa y efecto entre dos señales medidas simultáneamente en cada frecuencia del espectro. La escala es intuitiva:
- Una coherencia de 1.0 en una frecuencia dada significa una relación lineal perfecta entre las dos señales: el 100 % de la salida en esa frecuencia es causada por la entrada.
- Una coherencia de 0.5 significa que solo el 50 % de la energía de la salida en esa frecuencia está relacionada linealmente con la entrada. La mitad restante proviene de otros factores: ruido, no linealidades u otras entradas no medidas.
- Una coherencia de 0.0 significa que no existe ninguna relación lineal entre las dos señales a esa frecuencia.
Matemáticamente, la coherencia se deriva de la densidad espectral de potencia cruzada de los dos canales junto con la autoespectro de cada uno, normalizada para que el resultado siempre caiga entre 0 y 1. Crucialmente, es una promediada cantidad: un valor de coherencia significativo requiere varios promedios de la medición, por lo que solo puede ser producido por un analizador multicanal capaz de adquirir dos señales a la vez.
2. Validación de mediciones de la función de respuesta en frecuencia (FRF)
El uso más común y crítico de la coherencia es validar una Función de respuesta en frecuencia (FRF). Al realizar una prueba de impacto — también conocida como prueba de golpeteo — para medir cómo responde una estructura a lo largo de la frecuencia, la gráfica de coherencia es esencial para decidir si los datos capturados valen la pena conservar.
- Buena medición: para una FRF válida, la coherencia debe estar muy cerca de 1.0 en las frecuencias de los resonante picos. Una coherencia alta — digamos, superior a 0.95 — le da al analista la confianza de que la respuesta medida fue realmente causada por el impacto del martillo y no por la vibración de fondo o el ruido de medición.
- Mala medición: si la coherencia cae bruscamente en un pico resonante, la medición es sospechosa. La causa podría ser un golpe de martillo deficiente, un entorno ruidoso o una respuesta estructural genuinamente no lineal. La acción correcta es rechazar ese impacto e intentarlo de nuevo.
Un matiz no debe confundirse con una falla: la coherencia cae naturalmente en las anti-resonancias — los valles entre los picos en la FRF — porque la estructura apenas se mueve allí y la respuesta está dominada por el ruido. Una baja coherencia en esos valles es normal y esperada. Esta es exactamente la razón por la que la coherencia se lee junto con los datos de FRF en análisis modal, donde confirmar la verdadera frecuencias naturales de una máquina o estructura depende de picos limpios y confiables.
3. Identificación de la fuente
La coherencia también puede revelar si la vibración de una máquina está impulsando la vibración de otra. Suponga que una bomba y un motor comparten una base común, y sospecha que el motor está sacudiendo la bomba:
- Procedimiento: coloque un acelerómetro en el motor (la entrada) y un segundo en la bomba (la salida), mida ambos simultáneamente y calcule la coherencia entre ellos.
- Interpretación: si la coherencia es alta en la velocidad de operacióndel motor, eso es una fuerte evidencia de que la vibración se está transmitiendo del motor a la bomba a través de su estructura compartida. Si la coherencia es baja en esa frecuencia, la vibración de la bomba probablemente es causada por sus propios problemas — su propio desbalance o cavitación, por ejemplo — en lugar de por el motor.
Usada de esta manera, la coherencia ayuda a mapear las rutas de transmisión de vibración y evita que un analista persiga la máquina equivocada: un error frecuente y costoso cuando dos unidades acopladas vibran a velocidades similares.
4. Factores que reducen la coherencia
Varios mecanismos distintos pueden bajar el valor de coherencia por debajo de 1.0, y reconocer cuál está en juego es parte del diagnóstico:
- Ruido de medición: ruido extraño que contamina el canal de entrada o salida: el culpable más común, y uno que una mejor instalación del sensor o más promedios a menudo pueden reducir.
- Sistemas no lineales: la coherencia solo mide la lineal relación. Si el sistema se comporta de manera no lineal — debido a holgura mecánica, a grieta, o interacción fluido-estructura — la coherencia será baja incluso cuando exista una relación causal genuina.
- Retrasos de tiempo: un retraso significativo entre las señales de entrada y salida reduce la coherencia a menos que el analizador esté configurado para tenerlo en cuenta.
- Otras entradas no medidas: si la salida es impulsada por más de una fuente y usted mide solo una de ellas como la entrada, la energía no medida se muestra como coherencia perdida.
5. La coherencia como herramienta de control de calidad
En la práctica, la coherencia funciona menos como un diagnóstico y más como un filtro que protege cada diagnóstico basado en datos de dos canales. Está estrechamente relacionada con la función de transferencia y la FRF que acompaña: la FRF le indica cómo cómo responde una estructura, mientras que la coherencia le indica cuánto confiar en esa respuesta a cada frecuencia. El balanceo en campo rutinario y el trabajo de espectro de un solo canal con un analizador portátil como el Balanset-1A no requieren una gráfica de coherencia, pero en el momento en que una investigación se adentra en pruebas de impacto, búsqueda de resonancias o rastreo de fuentes en un sistema multicanal, la coherencia se convierte en el parámetro que separa un resultado confiable de uno engañoso. En resumen, la función de coherencia es una herramienta vital de control de calidad para mediciones avanzadas de vibración: proporciona confianza en la validez de los datos de la FRF y ayuda a identificar las rutas por las que la vibración viaja a través de una máquina.
