대역 통과 필터 이해
정의: 대역 통과 필터란 무엇입니까?
대역 통과 필터 (BPF)는 주파수 선택 신호 처리 요소로서 다음을 허용합니다. 진동 특정 주파수 대역 내의 성분은 통과시키고, 그 대역 아래 및 위의 성분은 모두 감쇠시킵니다. 이 필터는 고역 통과 필터(저주파 차단)와 저역 통과 필터(고주파 차단)의 특성을 결합하여 선택된 중간 주파수 범위만 통과시키는 "윈도우"를 생성합니다. 대역 통과 필터는 중심 주파수, 대역폭, 그리고 필터 차수/경사도로 정의됩니다.
진동 분석에서는 대역 통과 필터가 필수적입니다. 봉투 분석 (베어링 충격 주파수 분리), 집중 진단(특정 주파수 범위 검사), 관심 주파수 대역 외부의 원치 않는 진동 제거를 통해 신호 대 잡음비와 측정 명확성을 개선합니다.
필터 매개변수
중심 주파수(f0)
- 통과대역의 중간
- 최대 필터 응답 주파수
- 관심 있는 주파수 콘텐츠를 기준으로 선택됨
- 일반적으로 공진 또는 오류 주파수와 일치하도록 선택됨
대역폭(BW)
- 정의: -3dB 지점(f_high – f_low) 사이의 주파수 범위
- 협대역: 흑백 중심 주파수 < 10% (매우 선택적)
- 와이드 밴드: 중심 주파수의 BW > 50%(덜 선택적)
- Q 팩터: Q = f0 / BW (Q가 높을수록 좁고 선택적임)
필터 특성
- 하한 차단(f_low): 낮은 기울기가 -3dB에 도달하는 주파수
- 상위 차단(f_high): 상단 기울기가 -3dB에 도달하는 주파수
- 모양 계수: 정지대역폭과 통과대역폭의 비율(선택도 측정)
진동 분석의 응용
1. 봉투 분석(주요 응용 프로그램)
베어링 결함 탐지의 중요한 첫 번째 단계:
- 밴드 선택: 일반적으로 500Hz – 10kHz 또는 1kHz – 20kHz
- 목적: 충격으로 인해 발생하는 고주파 베어링 공진을 분리합니다.
- 프로세스: BPF → 봉투 감지 → FFT 봉투의
- 결과: 강화된 베어링 결함 주파수 명확하게 보인다
2. 공명대 분석
- 구조적 또는 베어링 공진 주파수 주변 필터링
- 공진 주파수에서 다른 주파수의 에너지를 분리합니다.
- 특정 모드에서의 여기 및 응답 평가
- 공진 문제 해결에 유용합니다.
3. 주파수 범위 격리
- 특정 진단 주파수 범위에 집중
- 예: 저주파 분석의 경우 10~100Hz
- 저주파 드리프트 및 고주파 노이즈를 제거합니다.
- 관심 주파수에 대한 명확성을 향상시킵니다.
4. 기어 메시 분리
- 기어 메시 주파수를 중심으로 한 BPF
- 메시 주파수 및 측파대를 통과합니다.
- 다른 기어 단계와 베어링 주파수를 차단합니다.
- 집중적인 기어 분석이 가능합니다.
대역 통과 필터 설계
계단식 저역 통과 및 고역 통과
가장 일반적인 구현:
- 고역 통과 필터는 f_low 이하의 주파수를 차단합니다.
- 저역 통과 필터는 f_high 이상의 주파수를 차단합니다.
- 시리즈 조합은 대역 통과를 생성합니다.
- 각 필터는 전체 선택성에 기여합니다.
직접 대역 통과 설계
- 계단식보다는 단일 필터로 최적화됨
- 더 복잡하지만 더 나은 특성을 얻을 수 있습니다.
- 특수한 응용 분야에 사용됨
실용적인 고려 사항
대역폭 선택 트레이드오프
좁은 대역폭
- 장점: 더 나은 선택성, 인접 주파수에 대한 더 강력한 거부
- 단점: 주파수 변화를 놓칠 수 있으므로 정확한 튜닝이 필요합니다.
- 사용: 정확한 주파수가 알려지고 안정적일 때
넓은 대역폭
- 장점: 주파수 변화, 덜 중요한 튜닝을 포착합니다.
- 단점: 근처의 원치 않는 주파수 거부 감소
- 사용: 주파수가 변하거나 필요한 주파수 범위가 있는 경우
봉투 분석을 위해
- 일반적인 밴드: 500-2000Hz, 1000-5000Hz, 5000-20000Hz
- 선택: 베어링 공진 여기가 좋은 대역을 선택하세요
- 확인하다: 공진을 식별하기 위해 원시 가속도 스펙트럼을 확인하세요.
- 최적화: 베어링 결함 신호를 최대화하도록 조정
신호에 대한 필터 효과
시간 파형 효과
- 필터링된 파형은 통과대역의 주파수만 표시합니다.
- 변조된 캐리어로 나타납니다(협대역인 경우)
- 저주파 변화와 고주파 노이즈를 제거합니다.
- 파형 해석을 단순화할 수 있습니다
스펙트럼 효과
- 통과대역 진폭 보존
- 정지대역 진폭 감소(일반적으로 40-80dB)
- 관심 대역에 초점을 맞춘 더 깨끗한 스펙트럼
- 통과대역 외부의 소음이 있는 경우 소음 바닥이 낮아집니다.
디지털 대 아날로그 대역 통과 필터
아날로그 필터
- 신호 경로의 하드웨어 구현
- 실시간 운영
- 설계 후 고정된 특성
- 앤티앨리어싱 및 신호 조절에 사용됨
디지털 필터
- 디지털화 후 소프트웨어 처리
- 조정 가능한 매개변수
- 수집 후 적용/제거 가능
- 최신 분석기는 광범위한 디지털 BPF 옵션을 제공합니다.
주파수 범위별 일반적인 응용 프로그램
저주파 대역 통과(10-200Hz)
- 불균형 및 정렬 불량 분석
- 저속 기계 모니터링
- 기초 및 구조 진동
중주파 대역 통과(200-2000Hz)
- 기어 메시 주파수
- 블레이드/베인 통과 주파수
- 낮은 베어링 결함 주파수
고주파 대역 통과(2-40kHz)
- 베어링 결함 봉투 분석
- 고주파 충격
- 초음파 주파수
- 베어링 공진 여기
대역 통과 필터는 원치 않는 저주파 및 고주파 성분을 제거하면서 특정 주파수 범위에 대한 집중적인 분석을 가능하게 하는 다재다능한 신호 처리 도구입니다. 특히 포락선 분석 및 주파수 범위 분리를 위한 대역 통과 필터 선택 및 적용을 숙달하는 것은 고급 진동 진단 및 복잡한 진동 시그니처에서 진단 정보를 효과적으로 추출하는 데 필수적입니다.
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