バンドパスフィルタの理解
A バンドパスフィルタ (BPF)は、周波数選択的な信号処理素子であり、これにより 振動 選択された周波数帯域内の成分は通過させ、その帯域より低い周波数と高い周波数の成分はすべて減衰させる。これは、実質的に、 ハイパスフィルター （低周波を遮断する）と ローパスフィルター （高周波を遮断し）、特定の中間帯域のみを通す「窓」を形成します。すべてのバンドパスフィルターは、中心周波数、帯域幅、および次数（または急峻度）という3つの数値で表されます。振動解析において、BPFは不可欠なものであり、 エンベロープ分析、特定の周波数帯域に焦点を当てた診断を行うため、また、対象帯域外の信号をすべて除去することで、ノイズの中から微弱な信号を抽出するために用いられます。これは、より広範なツールボックスの中でも最も頻繁に使用されるツールの一つであり、 信号フィルタリング.
1. フィルタパラメータ
中心周波数 (f₀)
- 通過帯域の中央と、フィルタの応答が最大となる点。
- 対象とする周波数成分（通常は既知の共振周波数または故障周波数）に合わせて選択される。
帯域幅（BW）
- 意味： −3 dB点間の周波数範囲、f高い - fロー.
- 狭帯域： BW < f₀の10% — 選択度が高い。
- Wide band: BW > f₀の50% — 選択性が低い。
- Qファクター： Q = f₀ / BW；Q値が高いほど、フィルターの帯域幅は狭くなり、選択性が高くなります。
フィルタ特性
- 下限カットオフ（fロー): 下側の帯域が−3 dBまで低下する点。
- 上限カットオフ（f高い): 上側の帯域が−3 dBまで低下する点。
- Shape factor: ストップバンド幅とパスバンド幅の比 — フィルタの遮断特性がどれほど鋭いかを示す指標。
2. 振動解析への応用
2.1 エンベロープ分析 — 主な用途
帯域通過フィルタは、転がり軸受の欠陥を検出する上で極めて重要な第一段階です：
- 帯域選択： 通常、500 Hz～10 kHz または 1 kHz～20 kHz。
- 目的： ベアリングへの衝撃によって励起される高周波の構造共振を特定する。
- プロセス BPF → エンベロープ検出 (復調) → FFT 封筒の。
- 結果： その 軸受欠陥周波数 結果として、はっきりと際立つ エンベロープスペクトル.
2.2 共鳴帯域の解析
構造部材や支持部材の周囲をきめ細かくフィルタリングする 共振 そのモードのエネルギーを他のすべての周波数から分離することで、特定の共振点における励起と応答を評価できるようになります。これは、共振に関するトラブルシューティングにおいて非常に有用な手段となります。
2.3 周波数帯域の分離
BPFは、選択した診断帯域（例えば、低周波数解析では10～100 Hzなど）に焦点を当て、低周波数のドリフトや高周波数のノイズを除去することで、注目すべき成分を鮮明に浮かび上がらせることができます。
2.4 歯車噛み合わせの分離
バンドを中央に配置して ギア噛み合い周波数 そのピークとそのサイドバンドを通過させつつ、その他のギア段や軸受の周波数を除去することで、ギアに特化した解析を可能にします。固定帯域ではなく変動する速度を追跡することが目的の場合、 トラッキングフィルター シャフト順序に基づいて、同様の分離処理を行います。
3. バンドパスフィルターの設計
カスケードローパスとハイパス
最も一般的な実装では、2つの単純なフィルタを単に連結するだけです：
- ハイパスセクションは、fより低い周波数の信号をすべて遮断しますロー.
- ローパスセクションは、f以上の周波数をすべて遮断します高い.
- これらが直列に接続されることで帯域通過特性を形成し、各セクションが全体的な選択性に寄与する。
ダイレクトバンドパス設計
あるいは、フィルタをカスケード構成ではなく単段構成として最適化することも可能です。この方式は設計がより複雑になりますが、より優れた特性が得られるため、特殊な用途に限定して用いられます。これとよく似たものとして、 ノッチフィルタこれは逆の働きをするもので、特定の狭い帯域を遮断し、それ以外のすべての信号を通過させる。
4. 実務上の考慮事項
帯域幅のトレードオフ
狭い帯域幅 選択性が向上し、隣接する周波数に対する遮断性能も高まりますが、周波数ドリフトを見逃す可能性があり、精密な調整が必要です。対象となる周波数が既知で安定している場合に最適です。 Wide bandwidth 周波数の変動を捉えることができ、調整の手間もはるかに少ない反面、近傍の不要な成分に対する除去性能は劣る。周波数が変動する場合や、広範囲の周波数が重要な場合に最適である。
エンベロープ解析に使用する帯域の選択
- Typical bands: 500～2,000 Hz、1,000～5,000 Hz、および5,000～20,000 Hz。
- 選択： ベアリング共振の励起が最も強いバンドを選ぶ。
- 確認する： 生加速度を確認する スペクトラム まずはその共鳴点を見つけるために。
- Optimise: ベアリングの不具合を示す信号が最大になるよう、バンドを調整してください。
5. 信号へのフィルタ効果
時間波形効果
バンドパスフィルタを通した 時間波形 通過帯域成分のみを表示します。帯域幅が狭い場合、それは変調された搬送波として現れます。低周波の変動や高周波のノイズが除去されるため、解析が大幅に簡素化されます。
スペクトル効果
スペクトル表示では、通過帯域の振幅は維持される一方、阻止帯域の振幅は通常40～80 dB低減されます。その結果、対象の帯域に焦点を当てたよりクリアな表示となり、通過帯域外のノイズについてはノイズフロアが低減されます。
6. デジタルとアナログ、および周波数帯域ごとの帯域
デジタルフィルタとアナログフィルタ
アナログ バンドパスフィルタは、信号経路内のハードウェアとして実装され、リアルタイムで動作し、一度構築されると特性が固定され、以下の用途に使用されます。 anti-aliasing および信号調整。 Digital フィルタは、信号をデジタル化した後にソフトウェアで処理を行い、パラメータを調整可能で、データ収集後であっても適用や解除が可能です。そのため、最新のアナライザには、多彩なデジタルBPF機能が搭載されています。
音域別の人気バンド
- 低周波（10～200 Hz）： 不均衡および位置ずれの解析、低速機械、ならびに基礎や構造物の振動。
- 中周波数（200～2,000 Hz）： 歯車の噛み合い周波数、ブレードおよびベーンの通過周波数、および下部ベアリングの故障周波数。
- 高周波（2～40 kHz）： 軸受欠陥のエンベロープ解析、高周波衝撃、および軸受共振の励振。
7. 現場におけるバンドパスフィルタリング
実際には、バンドパスフィルタが単独で使用されることはほとんどありません。これは、信号のサンプリング、ウィンドウ処理、変換を行う測定チェーンの一段階であるため、選択した帯域は計測器のサンプリング帯域幅内に収まる必要があります。例えば、次のようなポータブルな2チャンネルアナライザでは、 バランセット-1A 約5 Hzから1 kHzの範囲の振動を測定し、1× 振幅と位相 現場でのバランス調整にはこれが必要であり、エンジニアが、単純な不均衡ではなく高周波のベアリングの不具合が真の原因であるかどうかを確認する必要がある場合、バンドパス法やエンベロープ法がそのワークフローを補完する。このような解析を設定する際には、 FFT分解能計算機 これにより、ライン数と帯域幅を調査対象の帯域に合わせて調整できるため、間隔の狭い故障ラインやサイドバンドが混ざり合うのを防ぐことができます。特にエンベロープ解析や周波数帯域の分離において、バンドパス選択を習得することは、複雑な振動特性から明確な診断情報を抽出するために不可欠です。
