Comprensión de los filtros pasabanda
A filtro pasabanda (BPF) es un elemento de procesamiento de señales selectivo en frecuencia que permite vibración los componentes que se encuentran dentro de una banda de frecuencia determinada pasan, mientras que se atenúan todos los que están por debajo y por encima de esa banda. Se trata, en efecto, de la combinación de un filtro pasa alto (que bloquea las frecuencias bajas) y un filtro de paso bajo (que bloquea las frecuencias altas), formando una «ventana» que solo deja pasar un rango medio seleccionado. Cada filtro de paso de banda se describe mediante tres valores: su frecuencia central, su ancho de banda y su orden o pendiente. En el ámbito de las vibraciones, el filtro de paso de banda es indispensable para análisis de envolvente, para realizar diagnósticos específicos en un rango concreto y para aislar las señales débiles del ruido, descartando todo lo que se encuentre fuera de la banda de interés. Es una de las herramientas más utilizadas dentro del amplio conjunto de filtrado de señales.
1. Parámetros del filtro
Frecuencia central (f₀)
- El punto medio de la banda de paso y el punto de máxima respuesta del filtro.
- Se elige para que coincida con el contenido de frecuencia de interés —normalmente una frecuencia de resonancia o de fallo conocida—.
Ancho de banda (BW)
- Definición: el intervalo de frecuencias entre los puntos de −3 dB, falta - fbajo.
- Banda estrecha: BW < 10 % de f₀ — altamente selectivo.
- Banda ancha: BW > 50 % de f₀ — menos selectivo.
- Factor Q: Q = f₀ / BW; un valor de Q más alto indica un filtro más estrecho y selectivo.
Características del filtro
- Corte inferior (fbajo): donde el borde inferior desciende hasta los −3 dB.
- Corte superior (falta): donde la banda superior desciende hasta los −3 dB.
- Factor de forma: la relación entre el ancho de la banda de rechazo y el de la banda de paso: una medida de la nitidez con la que el filtro corta la señal.
2. Aplicaciones en el análisis de vibraciones
2.1 Análisis de la envolvente: el uso principal
El filtro de paso de banda es el primer paso fundamental para detectar defectos en los rodamientos de elementos rodantes:
- Selección de banda: normalmente entre 500 Hz y 10 kHz o entre 1 kHz y 20 kHz.
- Objetivo: aislar las resonancias estructurales de alta frecuencia que provocan los impactos en los cojinetes.
- Proceso: BPF → detección de envolvente (demodulación) → FFT de la envolvente.
- Resultado: el frecuencias de fallo de los rodamientos se distinguen claramente en el resultado espectro de envolvente.
2.2 Análisis de bandas de resonancia
Filtrar con precisión alrededor de una estructura o un cojinete resonancia aisla la energía de ese modo de todas las demás frecuencias, lo que permite evaluar la excitación y la respuesta en una resonancia específica, lo que resulta de gran ayuda para la resolución de problemas relacionados con la resonancia.
2.3 Aislamiento por rango de frecuencias
Un filtro BPF puede centrarse en un rango de diagnóstico determinado —por ejemplo, entre 10 y 100 Hz para trabajos en bajas frecuencias— eliminando la deriva de baja frecuencia y el ruido de alta frecuencia para aislar los componentes que te interesan.
2.4 Aislamiento del engranaje
Centrar la banda en el frecuencia de engrane filtra ese pico y sus bandas laterales, al tiempo que rechaza otras etapas del engranaje y frecuencias de los cojinetes, lo que permite un análisis preciso del engranaje. Cuando el objetivo es seguir una velocidad variable en lugar de una banda fija, un filtro de seguimiento realiza el mismo aislamiento en función del orden de los ejes.
3. Diseño de filtros de paso de banda
Paso bajo y paso alto en cascada
La implementación más habitual consiste simplemente en encadenar los dos filtros más sencillos:
- Una sección de filtro de paso alto bloquea todas las frecuencias por debajo de fbajo.
- Una sección de filtro de paso bajo bloquea todas las frecuencias por encima de falta.
- En serie, forman el filtro de paso de banda, y cada sección contribuye a la selectividad global.
Diseño de paso de banda directo
Como alternativa, el filtro se optimiza como una sola etapa en lugar de como una cascada. Aunque su diseño es más complejo, permite obtener mejores características, por lo que se reserva para aplicaciones especializadas. Un pariente cercano es el filtro de corte, que hace justo lo contrario: rechaza una banda estrecha y deja pasar todo lo demás.
4. Consideraciones prácticas
Compromisos en materia de ancho de banda
Ancho de banda reducido ofrece una mayor selectividad y un mejor rechazo de las frecuencias adyacentes, pero puede no detectar las variaciones de frecuencia y requiere una sintonización precisa; es la mejor opción cuando se conoce la frecuencia de interés y esta es estable. Gran ancho de banda captura las variaciones de frecuencia y es mucho más fácil de sintonizar, aunque a costa de un menor rechazo de las interferencias cercanas; es la mejor opción cuando la frecuencia varía o cuando es importante todo el 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: elige la banda con la mayor excitación de resonancia de los rodamientos.
- Verificar: comprueba la aceleración bruta espectro para encontrar primero esa resonancia.
- Optimizar: ajuste la banda para maximizar la señal de defectos en los rodamientos.
5. Efectos de los filtros sobre la señal
Efectos de la forma de onda en el tiempo
Con un filtro de paso de banda forma de onda temporal muestra únicamente el contenido de la banda de paso. Con una banda estrecha, se presenta como una portadora modulada; las variaciones de baja frecuencia y el ruido de alta frecuencia desaparecen, lo que puede simplificar enormemente la interpretación.
Efectos del espectro
En el espectro, las amplitudes de la banda de paso se conservan, mientras que las de la banda de rechazo se atenúan, por lo general, entre 40 y 80 dB. El resultado es una visualización más nítida centrada en la banda de interés, con un umbral de ruido más bajo en las zonas en las que el ruido se situaba 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 de paso de banda se implementan en hardware en la ruta de la señal, funcionan en tiempo real, tienen características fijas una vez construidos y se utilizan en antialiasing y acondicionamiento de señales. Digital Los filtros procesan la señal mediante software tras la digitalización, ofrecen parámetros ajustables y pueden aplicarse o eliminarse incluso después de haber recopilado los datos; por eso, los analizadores modernos ofrecen amplias opciones de filtros de paso de banda (BPF) digitales.
Bandas habituales por rango
- Baja frecuencia (10-200 Hz): análisis de desequilibrios y desalineaciones, maquinaria de baja velocidad y vibraciones en cimientos o estructuras.
- Frecuencia media (200-2000 Hz): frecuencias de engrane de engranajes, frecuencias de paso de palas y álabes, y las frecuencias de fallo de rodamientos más bajas.
- Alta frecuencia (2–40 kHz): análisis de la envolvente de defectos en rodamientos, impactos de alta frecuencia y excitación de resonancia en rodamientos.
7. Filtrado de paso de banda sobre el terreno
En la práctica, el filtro de paso de banda rara vez se utiliza por sí solo: se trata de una etapa dentro de una cadena de medición que también muestrea, aplica ventanas y transforma la señal, por lo que la banda elegida debe estar comprendida 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 de aproximadamente 5 Hz a 1 kHz y tiene una resolución de 1× amplitud y fase necesarias para el equilibrado in situ; las técnicas de paso de banda y de envolvente complementan ese flujo de trabajo cuando un ingeniero necesita confirmar si el verdadero origen del problema es un defecto en el cojinete de alta frecuencia, en lugar de un simple desequilibrio. Al configurar dicho análisis, el Calculadora de resolución FFT ayuda a ajustar el número de líneas y el ancho de banda a la banda que se desea examinar, de modo que las líneas de fallo y las bandas laterales muy próximas entre sí no se mezclen. Dominar la selección de filtros de paso de banda —sobre todo para el análisis de envolventes y el aislamiento de rangos de frecuencia— es esencial para extraer información diagnóstica clara de una firma de vibración compleja.
