Entendiendo la ventana de Hanning
En Ventana de Hanning (más formalmente, la ventana de Hann, llamada así en honor a Julius von Hann) es una función de ponderación suave con forma de campana que se aplica a un bloque de forma de onda temporal los datos antes de que se pasen a un Transformada rápida de Fourier (FFT). Es, con diferencia, el más utilizado de todos los ventanas funciones en análisis de vibraciones, y su único objetivo es suprimir un artefacto de medición denominado fuga espectral. Cuando la ventana se multiplica por la señal capturada, hace que la amplitud se reduzca gradualmente a cero al principio y al final del bloque de tiempo, dejando prácticamente inalterada la parte central de la señal.
1. Definición: ¿Qué es una ventana de Hanning?
Desde el punto de vista matemático, la ventana de Hanning es una semicoseno creciente: cada muestra temporal se multiplica por un coeficiente que parte de cero en la primera muestra, alcanza la unidad en el centro del bloque y vuelve a caer a cero en la última muestra. La curva tiene la forma w(n) = 0,5 − 0,5·cos(2πn/N), donde n es el índice de la muestra y norte la longitud del bloque. La forma es importante porque suaviza los datos de forma gradual en lugar de cortarlos bruscamente. Al establecer los extremos en cero, el bloque con ventana se puede repetir de principio a fin sin ningún salto repentino, que es precisamente lo que la FFT da por sentado de forma implícita.
2. Por qué es necesaria una ventana: fuga espectral
La FFT trata el bloque finito de muestras que recibe como un ciclo perfecto que se repite sin fin de la señal. Esa suposición solo es válida si en el bloque cabe exactamente un número entero de ciclos de cada componente de frecuencia. En el caso de una máquina real —en la que la velocidad del eje varía ligeramente y coexisten muchas frecuencias no relacionadas entre sí—, esto casi nunca es así.
Cuando se captura un número de ciclos que no es entero, el final del bloque no coincide con el principio. La FFT interpreta esa discrepancia resultante como un salto brusco, o una discontinuidad, en el límite del bloque. Ese escalón artificial transporta energía que no forma parte de la señal real, y dicha energía se «filtra» hacia los intervalos de frecuencia adyacentes del espectro. Las consecuencias son:
- Manchas: Un único pico de frecuencia pronunciado se ensancha hasta formar una amplia protuberancia con bordes difusos, lo que dificulta determinar la frecuencia exacta.
- Enmascaramiento: el aumento del ruido de fondo alrededor de un pico intenso puede ocultar por completo un pico pequeño cercano —por ejemplo, un tono de rodamiento de bajo nivel situado cerca de uno dominante— velocidad de giro (1×) componente.
3. Cómo resuelve el problema la ventana de Hanning
Dado que la ventana fuerza la señal a cero en ambos límites, la discontinuidad artificial desaparece. La FFT percibe ahora un bloque con una transición suave y verdaderamente periódico, y lo procesa de forma mucho más fiel. La dispersión se reduce drásticamente, lo que aporta dos ventajas prácticas:
- Mejor definición de frecuencias: el efecto de difuminado se limita, por lo que los picos se vuelven estrechos y se separan claramente. Las características muy próximas entre sí —como armónicos de velocidad de funcionamiento sentado cerca de frecuencias de fallo de los rodamientos — se mantienen diferenciadas.
- Mayor precisión en la amplitud: Aunque el filtrado de los datos reduce la altura aparente del pico, todos los analizadores aplican un factor de corrección de amplitud fijo (≈1,63 o +2,27 dB) para restablecer el nivel real. Dado que se ha filtrado menos energía a los intervalos adyacentes, la amplitud indicada en el intervalo correcto es más fiable.
El único inconveniente es un ligero ensanchamiento del lóbulo principal: un tono con ventana de Hanning ocupa aproximadamente cuatro bins de ancho. Si dos frecuencias están más próximas entre sí que eso, se necesita una resolución mayor en lugar de una ventana diferente; una forma rápida de ajustar los parámetros es la Calculadora de resolución FFT, que establece la relación entre la longitud del bloque, la frecuencia de muestreo y el espaciado de líneas espectrales.
4. Cuándo utilizar una ventana de Hanning
La ventana de Hanning es la opción predeterminada, de uso general para prácticamente cualquier medición de vibraciones de maquinaria en estado estacionario. Ofrece un excelente equilibrio entre la resolución de frecuencia (que permite distinguir picos muy próximos entre sí) y la precisión de amplitud (que garantiza la lectura del nivel correcto). Para los espectros FFT rutinarios en motores, bombas, ventiladores y compresores, es la configuración adecuada en la inmensa mayoría de los casos, y es la ventana que ofrece el analizador portátil de dos canales Balanset-1A se aplica cuando se calcula un espectro de diagnóstico sobre el terreno, donde la velocidad del eje nunca es perfectamente constante y, de no ser así, las fugas alterarían el resultado.
5. Comparación de Hanning con otras ventanas
La ventana de Hanning no es la única opción, y elegir la adecuada depende de lo que se quiera extraer:
- Flattop: sacrifica deliberadamente la resolución de frecuencia a cambio de una precisión de amplitud muy alta. Es la ventana más adecuada a la hora de calibrar un sensor o de leer el nivel exacto de un único tono dominante.
- Uniforme (rectangular / «sin ventana»): no aplica ningún tipo de atenuación. Se reserva para eventos transitorios y de impacto, como un prueba de impacto — que ya comienzan y terminan en el valor cero dentro del bloque, por lo que no es necesario utilizar ninguna ventana.
- Hanning: el término medio equilibrado y, por lo tanto, el estándar para el diagnóstico diario.
En resumen, utiliza el filtro Flattop cuando la amplitud deba ser exacta, el Uniform cuando se trate de capturar un transitorio aislado y el Hanning para todo lo demás —que es lo habitual—.
