Comprensión de la función de respuesta de frecuencia (FRF)
En Función de respuesta de frecuencia (FRF) describe cómo responde una estructura, un componente o un sistema a una fuerza de excitación aplicada en función de la frecuencia. En pocas palabras, indica en qué medida un sistema vibra en cada frecuencia cuando se le «aplica» una fuerza conocida. La FRF es un pilar fundamental de la dinámica estructural, análisis modal y resonancia detección — y es la forma más directa de averiguar el estado de una máquina frecuencias naturales antes de que causen problemas.
Matemáticamente, la FRF es una función de transferencia que relaciona una respuesta de salida medida (por lo general aceleración) a una fuerza de entrada medida:
FRF = Respuesta de salida / Fuerza de entrada
Tanto la salida como la entrada son funciones de la frecuencia, y la propia FRF es una complejo función: incluye ambos amplitud y fase información en cada línea de frecuencia. Ese contenido de fase es lo que hace que la FRF sea mucho más informativa que una respuesta de frecuencia operativa común espectro, que registra la respuesta, pero no la fuerza que la provocó.
1. Definición: qué mide realmente el FRF
Un espectro de vibraciones normal indica la intensidad con la que vibra una máquina, pero no por qué. La FRF responde a una pregunta diferente y más fundamental: ¿cuál es la tendencia inherente de la estructura a amplificar el movimiento en cada frecuencia, independientemente de la intensidad con la que se la excite? Dado que normaliza la respuesta en función de la fuerza de entrada conocida, la FRF es una propiedad de la propia estructura —su masa, rigidez y mojadura — y no de las fuerzas que estén presentes en un momento dado. Dependiendo de la unidad de respuesta utilizada, la misma medida recibe diferentes nombres: acelerancia (aceleración/fuerza), movilidad (velocidad/fuerza) o receptancia (desplazamiento/fuerza), pero todas ellas son formas de la FRF.
2. ¿Cómo se mide una FRF?
El método clásico de campo es el prueba de impacto, también conocida como ensayo de impacto:
- Un acelerómetro se monta en la estructura en el punto donde se va a medir la respuesta.
- La estructura se golpea en un punto determinado con un martillo instrumentado especial — un martillo con un sensor de fuerza (célula de carga) integrado en la punta que mide la fuerza aplicada en cada golpe.
- Un multicanal analizador de vibraciones Registra simultáneamente la señal de entrada del martillo y la señal de salida del acelerómetro.
- El analizador realiza un FFT en ambas señales y calcula la relación entre la salida y la entrada en cada línea de frecuencia. Esa relación es la FRF.
El proceso se repite a lo largo de varios impactos y se calcula la media de los resultados, lo que elimina el ruido aleatorio y proporciona una medición clara y fiable. El coherencia La función se calcula junto con la FRF como control de calidad: una coherencia cercana a 1,0 en toda la banda de interés confirma que la respuesta medida se debió realmente a la entrada medida y no a ruido externo, a un sensor mal colocado o a un doble golpe de martillo.
3. Interpretación de un gráfico FRF
Un FRF suele representarse mediante un par de gráficos que deben interpretarse conjuntamente:
- Gráfico de magnitud: muestra la amplitud de la respuesta en frecuencia (FRF) en función de la frecuencia. Presenta picos bien diferenciados, y la frecuencia de cada pico es una frecuencia natural (de resonancia) de la estructura. La altura y la nitidez de cada pico indican cuánta amplificación se produce en ese punto y cuánta mojadura está presente: un pico alto y estrecho indica un amortiguamiento ligero y una amplificación fuerte, mientras que un pico bajo y ancho indica un amortiguamiento intenso.
- Parcela de fase: muestra el desplazamiento de fase entre la respuesta y la fuerza de entrada en función de la frecuencia. A medida que la frecuencia atraviesa un punto de resonancia, la fase experimenta un desplazamiento característico de 180°, pasando por los 90° exactamente en la frecuencia natural. Este comportamiento de la fase es la confirmación definitiva de que un pico es realmente una resonancia y no, por ejemplo, un artefacto de medición.
La clave está en analizar ambos gráficos conjuntamente: un modo genuino muestra tanto un pico de amplitud como el cambio de fase correspondiente, mientras que los picos espurios, por lo general, no lo hacen.
4. Aplicaciones en el diagnóstico de vibraciones
El FRF es una herramienta indispensable para diagnosticar y resolver problemas de resonancia en maquinaria y estructuras de soporte:
- Identificación de las frecuencias naturales: su uso principal: determinar las frecuencias naturales de una máquina, su placa de base, las tuberías conectadas o el entorno estructura de soporte.
- Confirmación de la resonancia: Si una máquina vibra intensamente a una frecuencia concreta durante su funcionamiento, una medición de la respuesta en frecuencia (FRF) revela si esa frecuencia de funcionamiento coincide con una frecuencia natural de la estructura. Cuando un pico del espectro de funcionamiento coincide con un pico de la FRF, se confirma que la resonancia es la causa principal de la elevada vibración, lo que constituye una respuesta mucho más concluyente que la que pueden ofrecer por sí solos los datos del espectro.
- Análisis modal: mediante la toma de mediciones FRF en numerosos puntos de una estructura, se obtiene un modelo completo de sus modos de vibración —su formas modales, o las formas de deformación en resonancia, pueden representarse. Este modelo muestra no solo la frecuencia de cada modo, sino también la forma en que se deforma la estructura.
- Modificación estructural (análisis “hipotético”): Una vez confirmada la resonancia, el modelo modal permite simular el efecto de las posibles soluciones —como añadir un refuerzo o una masa de sintonización, por ejemplo— antes de cortar ningún metal, de modo que se sabe de antemano que la solución elegida funcionará.
5. Por qué es importante la FRF en la maquinaria rotativa
La resonancia es una de las causas más comunes por las que un rotor que ha sido correctamente equilibrado sigue vibrando demasiado. Si una máquina velocidad de funcionamiento coincide con una frecuencia natural estructural, aunque sea mínima desequilibrio residual se amplifica enormemente, y por mucho que se intente equilibrarlo, la vibración no disminuye. Por eso una prueba de FRF o de «bump» debe formar parte del equipo de herramientas del ingeniero de equilibrado: cuando un rotor se resiste a equilibrarse, la FRF revela si el verdadero culpable es un soporte resonante y no el propio rotor. En la práctica, esto suele resolverse con un solo instrumento: un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A puede registrar la amplitud y la fase de 1× que caracterizan el estado de funcionamiento, mientras que una prueba de impacto en la estructura en reposo permite identificar cualquier frecuencia natural cercana que la velocidad de funcionamiento pudiera excitar. La confirmación de la separación entre la velocidad de funcionamiento y las resonancias de la estructura, con la ayuda de un calculadora de frecuencia natural, suele explicar una vibración persistente que el simple equilibrado nunca podría resolver.
