Comprensione dei filtri passa-banda
Definizione: Che cos'è un filtro passa-banda?
Filtro passa-banda (BPF) è un elemento di elaborazione del segnale selettivo in frequenza che consente vibrazione lascia passare le componenti all'interno di una banda di frequenza specificata, attenuando al contempo le componenti sia al di sotto che al di sopra di tale banda. Combina le caratteristiche di un filtro passa-alto (che blocca le basse frequenze) e di un filtro passa-basso (che blocca le alte frequenze) per creare una "finestra" che lascia passare solo una gamma di frequenze medie selezionata. I filtri passa-banda sono definiti dalla loro frequenza centrale, larghezza di banda e ordine/pendenza del filtro.
Nell'analisi delle vibrazioni, i filtri passa-banda sono essenziali per analisi dell'involucro (isolamento delle frequenze di impatto dei cuscinetti), diagnostica mirata (esame di intervalli di frequenza specifici) ed eliminazione delle vibrazioni indesiderate al di fuori della banda di frequenza di interesse per migliorare il rapporto segnale/rumore e la chiarezza della misurazione.
Parametri del filtro
Frequenza centrale (f0)
- Centro della banda passante
- Frequenza di risposta massima del filtro
- Selezionato in base al contenuto di frequenza di interesse
- Tipicamente scelto per abbinare la frequenza di risonanza o di guasto
Larghezza di banda (BW)
- Definizione: Gamma di frequenza tra punti -3 dB (f_high – f_low)
- Banda stretta: BW < 10% di frequenza centrale (altamente selettivo)
- Banda larga: BW > 50% della frequenza centrale (meno selettivo)
- Fattore Q: Q = f0 / BW (Q più alto = più stretto, più selettivo)
Caratteristiche del filtro
- Limite inferiore (f_low): Frequenza in cui la pendenza inferiore raggiunge -3 dB
- Limite superiore (f_high): Frequenza in cui la pendenza superiore raggiunge -3 dB
- Fattore di forma: Rapporto tra la larghezza della banda di arresto e quella della banda passante (misura della selettività)
Applicazioni nell'analisi delle vibrazioni
1. Analisi dell'involucro (applicazione primaria)
Primo passo fondamentale per il rilevamento dei difetti dei cuscinetti:
- Selezione della banda: Tipico 500 Hz – 10 kHz o 1 kHz – 20 kHz
- Scopo: Isolare le risonanze dei cuscinetti ad alta frequenza eccitate dagli impatti
- Processo: BPF → rilevamento dell'inviluppo → FFT di busta
- Risultato: Migliorato frequenze di guasto dei cuscinetti chiaramente visibile
2. Analisi delle bande di risonanza
- Filtrare attorno alla frequenza di risonanza strutturale o del cuscinetto
- Isolare l'energia in risonanza dalle altre frequenze
- Valutare l'eccitazione e la risposta in modalità specifica
- Utile per la risoluzione dei problemi di risonanza
3. Isolamento della gamma di frequenza
- Concentrarsi su una specifica gamma di frequenza diagnostica
- Esempio: 10-100 Hz per l'analisi delle basse frequenze
- Rimuove la deriva a bassa frequenza e il rumore ad alta frequenza
- Migliora la chiarezza delle frequenze di interesse
4. Isolamento della maglia degli ingranaggi
- BPF centrato sulla frequenza di accoppiamento degli ingranaggi
- Passa la frequenza della maglia e le bande laterali
- Blocca altri stadi di ingranaggi e frequenze dei cuscinetti
- Consente un'analisi mirata degli ingranaggi
Progettazione del filtro passa-banda
Passa-basso e passa-alto a cascata
Implementazione più comune:
- Il filtro passa-alto blocca le frequenze inferiori a f_low
- Il filtro passa-basso blocca le frequenze superiori a f_high
- La combinazione in serie crea un passa-banda
- Ogni filtro contribuisce alla selettività totale
Progettazione passa-banda diretta
- Ottimizzato come filtro singolo anziché a cascata
- Più complesso ma può raggiungere caratteristiche migliori
- Utilizzato in applicazioni specializzate
Considerazioni pratiche
Compromessi nella selezione della larghezza di banda
Larghezza di banda stretta
- Vantaggi: Migliore selettività, maggiore rifiuto delle frequenze adiacenti
- Svantaggi: Potrebbe perdere variazioni di frequenza, richiede una messa a punto precisa
- Utilizzo: Quando la frequenza esatta è nota e stabile
Ampia larghezza di banda
- Vantaggi: Cattura le variazioni di frequenza, sintonizzazione meno critica
- Svantaggi: Minore rifiuto delle frequenze indesiderate vicine
- Utilizzo: Quando la frequenza varia o è necessaria una gamma di frequenze
Per l'analisi dell'involucro
- Bande tipiche: 500-2000 Hz, 1000-5000 Hz, 5000-20000 Hz
- Selezione: Scegli una fascia con una buona eccitazione della risonanza del cuscinetto
- Verificare: Controllare lo spettro di accelerazione grezzo per identificare la risonanza
- Ottimizzare: Regolare per massimizzare il segnale di difetto del cuscinetto
Effetti del filtro sui segnali
Effetti della forma d'onda del tempo
- La forma d'onda filtrata mostra solo le frequenze nella banda passante
- Appare come portante modulata (se banda stretta)
- Rimuove le variazioni a bassa frequenza e il rumore ad alta frequenza
- Può semplificare l'interpretazione della forma d'onda
Effetti dello spettro
- Ampiezze della banda passante preservate
- Ampiezze della banda di arresto ridotte (tipicamente 40-80 dB)
- Spettro più pulito focalizzato sulla banda di interesse
- Rumore di fondo ridotto se il rumore è al di fuori della banda passante
Filtri passa-banda digitali vs. analogici
Filtri analogici
- Implementazione hardware nel percorso del segnale
- Funzionamento in tempo reale
- Caratteristiche fisse una volta progettate
- Utilizzato nell'anti-aliasing e nel condizionamento del segnale
Filtri digitali
- Elaborazione del software dopo la digitalizzazione
- Parametri regolabili
- Può essere applicato/rimosso dopo la raccolta
- Gli analizzatori moderni offrono ampie opzioni BPF digitali
Applicazioni comuni per gamma di frequenza
Passa-banda a bassa frequenza (10-200 Hz)
- Analisi dello squilibrio e del disallineamento
- Monitoraggio dei macchinari a bassa velocità
- Fondazioni e vibrazioni strutturali
Passa-banda a media frequenza (200-2000 Hz)
- Frequenze di accoppiamento degli ingranaggi
- Frequenze di passaggio pale/palette
- Ridurre le frequenze di guasto dei cuscinetti
Passa-banda ad alta frequenza (2-40 kHz)
- Analisi dell'involucro dei difetti del cuscinetto
- Impatti ad alta frequenza
- Frequenze ultrasoniche
- Eccitazione di risonanza del cuscinetto
I filtri passa-banda sono strumenti versatili per l'elaborazione del segnale che consentono l'analisi mirata di intervalli di frequenza specifici, escludendo al contempo le componenti indesiderate a bassa e alta frequenza. Padroneggiare la selezione e l'applicazione dei filtri passa-banda, in particolare per l'analisi dell'inviluppo e l'isolamento dell'intervallo di frequenza, è essenziale per la diagnostica avanzata delle vibrazioni e l'estrazione efficace di informazioni diagnostiche da firme vibrazionali complesse.
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