Comprensión del uso de ventanas en el análisis FFT

Definición: ¿Qué es una función de ventana?

A función de ventana, o "ventana", es una función matemática que se aplica a un bloque de datos de forma de onda temporal antes de que sea procesado por el algoritmo de la Transformada Rápida de Fourier (FFT). La forma de la ventana está diseñada para reducir gradualmente la amplitud de la señal hasta cero al principio y al final del bloque temporal. Este proceso es un paso crucial en el procesamiento de señales que minimiza un tipo específico de error conocido como fuga espectral, mejorando así la precisión del espectro de frecuencia resultante.

El problema: la fuga espectral

El algoritmo FFT parte de una premisa inherente: asume que el bloque finito de datos temporales que analiza es un ciclo único y perfectamente repetitivo de una señal periódica. En realidad, esto casi nunca ocurre. Al iniciar y detener la adquisición de datos, se crean discontinuidades artificiales y nítidas en los límites del bloque temporal, ya que el final de la señal no coincide perfectamente con el principio.

La FFT interpreta estos saltos bruscos como componentes de alta frecuencia que no existen en la señal real. Esto provoca que la energía de un único pico de frecuencia real se filtre hacia los intervalos de frecuencia adyacentes del espectro. Los efectos de la fuga espectral son:

• Precisión de amplitud reducida: La amplitud medida del pico será menor que su valor real porque su energía se ha distribuido.
• Picos ensanchados: El pico aparecerá más ancho y menos definido de lo que debería ser.
• Pérdida de resolución: La fuga puede elevar el nivel de ruido alrededor de un pico grande, haciendo imposible ver picos de frecuencia más pequeños y cercanos.

La solución: aplicar una ventana

Una función de ventana resuelve este problema forzando suavemente la señal a ser periódica dentro del bloque de tiempo. Al multiplicar la forma de onda de tiempo sin procesar por la función de ventana, las amplitudes al principio y al final del bloque se reducen a cero. Esto elimina las discontinuidades pronunciadas, engañando eficazmente a la FFT para que detecte una señal suave y continua.

El resultado es un espectro mucho más limpio con:

• Precisión de amplitud significativamente mejorada.
• Picos de frecuencia más nítidos y definidos.
• Un nivel de ruido más bajo, que permite ver señales pequeñas junto a las grandes.

Tipos comunes de ventanas

Existen numerosas funciones de ventanas, cada una con características ligeramente diferentes. Para el análisis de vibraciones de maquinaria de uso general, se utiliza una ventana casi universalmente:

Ventana de Hanning

En Ventana de Hanning Proporciona un excelente equilibrio entre resolución de frecuencia y precisión de amplitud, y es la ventana recomendada y predeterminada para prácticamente todas las mediciones de vibración de maquinaria estándar. A menos que tenga una razón muy específica para hacerlo de otra manera, siempre debe usar la ventana de Hanning.

Otras ventanas

• Ventana rectangular (o uniforme/ninguna): Esto equivale a no aplicar ninguna ventana. Ofrece la mejor resolución de frecuencia, pero la menor fuga espectral. Solo es adecuado cuando se sabe que la señal es perfectamente periódica dentro del bloque de tiempo o para analizar eventos transitorios muy bruscos.

– Ventana plana: Esta ventana proporciona las mediciones de amplitud más precisas, pero presenta una resolución de frecuencia muy baja (picos muy amplios). Se utiliza para calibración o cuando la amplitud exacta de un pico es más importante que su frecuencia exacta.

– Ventana de Hamming: Muy similar a la ventana de Hanning, con pequeñas desventajas.

Cuándo usar una ventana

La regla simple para monitorear el estado de la maquinaria es: Utilice siempre una ventana Hanning Para análisis espectral general. Desactivar la ventana generará datos inexactos y potencialmente engañosos. Los analizadores de vibraciones modernos utilizan la ventana Hanning por defecto, ya que es esencial para generar un espectro de frecuencias fiable y preciso.

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