Comprender la coherencia en el análisis de vibraciones
Coherencia — también llamada función de coherencia — es una herramienta de tratamiento de señales utilizada en análisis de vibraciones para juzgar la calidad y validez de una medición de dos canales. Se trata de un número entre 0 y 1, calculado frecuencia a frecuencia, que indica qué parte de la señal de salida en cada frecuencia está auténtica y linealmente provocada por la señal de entrada. En efecto, la coherencia es el medidor de confianza del analista: responde a la pregunta “¿puedo fiarme de esta medición o el ruido la está contaminando?” antes de extraer ninguna conclusión 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 a una frecuencia dada significa una relación lineal perfecta entre las dos señales — 100 % de la salida a esa frecuencia es causada por la entrada.
- Una coherencia de 0.5 significa que solo el 50 % de la energía de salida a esa frecuencia está relacionada linealmente con la entrada. La mitad restante procede 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 en esa frecuencia.
Matemáticamente, la coherencia se deriva de la densidad espectral de potencia cruzada de los dos canales junto con el autoespectro de cada uno, normalizado para que el resultado esté siempre entre 0 y 1. Fundamentalmente, es un media cantidad: un valor de coherencia significativo requiere varios promedios de la medición, razón por la cual sólo puede ser producido por un analizador multicanal capaz de adquirir dos señales a la vez.
2. Validación de las 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 conocido como prueba de impacto - para medir cómo responde una estructura a lo largo de la frecuencia, el gráfico de coherencia es esencial para decidir si merece la pena conservar los datos capturados.
- Buena medición: para que la FRF sea válida, la coherencia debe estar muy próxima a 1,0 en las frecuencias del resonante picos. Una coherencia elevada, por ejemplo superior a 0,95, da al analista la seguridad de que la respuesta medida ha sido causada realmente por el impacto del martillo y no por vibraciones de fondo o ruido de medición.
- Mala medición: si la coherencia cae bruscamente en un pico resonante, la medición es sospechosa. La causa puede ser un mal golpe de martillo, un entorno ruidoso o una respuesta estructural realmente no lineal. Lo correcto es rechazar ese impacto y volver a intentarlo.
Una sutileza no debe confundirse con un defecto: la coherencia cae naturalmente en antirresonancias — los valles entre los picos de 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 esperable. Precisamente por eso se lee la coherencia junto con los datos de FRF en análisis modal, donde se confirma el verdadero frecuencias naturales de una máquina o estructura depende de picos limpios y fiables.
3. Identificación de la fuente
La coherencia también puede revelar si la vibración de una máquina está provocando la vibración de otra. Supongamos que una bomba y un motor comparten una base común y sospechamos que el motor está sacudiendo la bomba:
- Procedimiento: colocar uno acelerómetro en el motor (la entrada) y una segunda en la bomba (la salida), medir ambas simultáneamente y calcular la coherencia entre ellas.
- Interpretación: si la coherencia es alta en el motor velocidad de funcionamiento, es una prueba sólida de que la vibración se transmite del motor a la bomba a través de su estructura común. Si la coherencia es baja a esa frecuencia, lo más probable es que la vibración de la bomba esté causada por sus propios problemas - su propia desequilibrio o cavitación, por ejemplo — en lugar de por el motor.
Utilizada de esta forma, la coherencia ayuda a trazar las rutas de transmisión de las vibraciones y evita que un analista persiga a la máquina equivocada, un error frecuente y caro cuando dos unidades acopladas vibran a velocidades similares.
4. Factores que reducen la coherencia
Varios mecanismos distintos pueden hacer que el valor de coherencia sea inferior a 1,0, y reconocer cuál de ellos está actuando forma parte del diagnóstico:
- Ruido de medición: ruido extraño que contamina el canal de entrada o de salida: el culpable más común, y que un mejor montaje del sensor o más promedios pueden reducir a menudo.
- Sistemas no lineales: coherencia sólo mide la lineal relación. Si el sistema se comporta de forma no lineal — debido a holgura, a grieta, o interacción fluido-estructura —, la coherencia será baja incluso cuando exista una auténtica relación causal.
- Retrasos: 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 sólo se mide una de ellas como entrada, la energía no medida aparece 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 guardián que protege cada diagnóstico construido sobre datos de dos canales. Está estrechamente relacionada con la función de transferencia y la FRF que acompaña — la FRF le indica cómo una estructura responde, mientras que la coherencia te dice cuánto creer esa respuesta en cada frecuencia. El equilibrado de campo rutinario y el trabajo de espectro monocanal con un analizador portátil como el Balanset-1A no necesitan un gráfico de coherencia, pero en el momento en que una investigación pasa a las pruebas de impacto, la búsqueda de resonancias o el rastreo de fuentes en un sistema multicanal, la coherencia se convierte en el parámetro que separa un resultado fiable de uno engañoso. En resumen, la función de coherencia es una herramienta de control de calidad vital para las mediciones avanzadas de vibraciones: proporciona confianza en la validez de los datos de FRF y ayuda a identificar las trayectorias a lo largo de las cuales se desplazan las vibraciones a través de una máquina.
