대역 통과 필터 이해
A 대역 통과 필터 (BPF)는 주파수 선택적 신호 처리 소자로, 이를 통해 진동 선택된 주파수 대역 내의 신호는 통과시키면서, 그 대역의 상하 주파수 대역에 속하는 모든 신호는 감쇠시킵니다. 이는 사실상 하이패스 필터 (저주파를 차단하는) 및 저역 통과 필터 (고주파를 차단하여) 선택된 중주파 대역만 통과시키는 “창”을 형성합니다. 모든 대역통과 필터는 중심 주파수, 대역폭, 차수 또는 경사도라는 세 가지 수치로 설명됩니다. 진동 분석 분야에서 대역통과 필터는 다음을 위해 필수적입니다. 엔벨로프 분석, 특정 주파수 대역에 대한 정밀한 진단을 수행하고, 관심 대역 외부의 모든 신호를 제거함으로써 잡음 속에서 미약한 신호를 선별해 내기 위해 사용됩니다. 이는 광범위한 도구 모음 중에서 가장 널리 사용되는 도구 중 하나이며, 신호 필터링.
1. 필터 매개변수
중심 주파수 (f₀)
- 통과 대역의 중간 지점이자 필터 응답이 최대가 되는 지점.
- 관심 대상인 주파수 성분(일반적으로 알려진 공진 주파수나 결함 주파수)에 맞춰 선정된다.
대역폭(BW)
- 정의: −3 dB 지점 사이의 주파수 범위, fhigh - flow.
- 협대역: BW < f₀의 10% — 선택도가 매우 높음.
- Wide band: BW > f₀의 50% — 선택도가 낮음.
- Q 팩터: Q = f₀ / BW; Q 값이 높을수록 필터의 대역폭이 좁고 선택성이 더 높습니다.
필터 특성
- 하한 차단 주파수 (flow): 하단 대역이 −3 dB까지 떨어지는 지점.
- 상한 차단 주파수 (fhigh): 상단 대역이 −3 dB까지 떨어지는 지점.
- Shape factor: 차단대역 폭과 통과대역 폭의 비율 — 필터가 얼마나 급격하게 신호를 차단하는지를 나타내는 지표.
2. 진동 분석 분야에서의 응용
2.1 외피 분석 — 주요 용도
대역통과 필터는 구름 베어링의 결함을 감지하는 데 있어 가장 중요한 첫 단계입니다:
- Band selection: 일반적으로 500 Hz–10 kHz 또는 1 kHz–20 kHz입니다.
- 목적: 베어링 충격으로 인해 유발되는 고주파 구조 공진을 분리한다.
- 프로세스: BPF → 엣지 검출 (복조) → FFT 봉투의.
- 결과: 의 베어링 결함 주파수 결과물에서 뚜렷이 돋보인다 포락선 스펙트럼.
2.2 공명 대역 분석
구조물이나 지지대를 중심으로 좁게 필터링 공명 해당 모드의 에너지를 다른 모든 주파수로부터 분리하여, 특정 공진점에서의 여기 및 응답을 평가할 수 있게 해줍니다. 이는 공진 문제 해결에 매우 유용한 도구입니다.
2.3 주파수 대역 분리
BPF는 선택한 주파수 대역(예: 저주파 작업의 경우 10~100Hz)에 집중하여 저주파 드리프트와 고주파 노이즈를 제거함으로써, 사용자가 주목해야 할 성분을 명확하게 드러낼 수 있습니다.
2.4 기어 맞물림 격리
밴드를 기어 맞물림 주파수 해당 피크와 그 측대역을 통과시키면서 다른 기어 단과 베어링 주파수는 차단하여, 기어에 대한 정밀한 분석이 가능하게 합니다. 고정된 주파수 대역보다는 변화하는 속도를 추적하는 것이 목표인 경우, 추적 필터 샤프트 순서에 따라 동일한 격리 처리를 수행합니다.
3. 대역통과 필터 설계
계단식 저역 통과 및 고역 통과
가장 일반적인 구현 방식은 두 개의 간단한 필터를 단순히 연결하는 것입니다:
- 고역 통과 섹션은 f보다 낮은 주파수의 신호를 모두 차단합니다.low.
- 저역통과 회로는 f보다 높은 주파수의 신호를 모두 차단합니다high.
- 이들이 직렬로 연결되어 대역통과 필터를 형성하며, 각 섹션이 전체 선택성에 기여합니다.
직접 대역 통과 설계
또는 필터를 계단식 구조가 아닌 단일 단계로 최적화하기도 합니다. 이 방식은 설계가 더 복잡하지만 더 우수한 성능을 얻을 수 있으며, 주로 특수한 용도에 한정되어 사용됩니다. 이와 유사한 방식으로는 노치 필터이는 그 반대의 역할을 수행하는데, 즉 특정 좁은 대역만 차단하고 그 외의 모든 신호는 통과시키는 방식입니다.
4. 실무적 고려 사항
대역폭의 상충 관계
좁은 대역폭 선택성이 더 우수하고 인접 주파수에 대한 차단 성능이 더 뛰어나지만, 주파수 드리프트를 감지하지 못할 수 있으며 정밀한 조정이 필요합니다. 따라서 대상 주파수가 알려져 있고 안정적인 경우에 가장 적합합니다. Wide bandwidth 주파수 변동을 포착하며 튜닝이 훨씬 간편하지만, 그 대가로 인접한 원치 않는 신호에 대한 차단 성능은 다소 떨어집니다. 주파수가 변동하거나 전체 주파수 대역이 중요한 경우에 가장 적합합니다.
봉투 분석을 위한 대역 선택
- Typical bands: 500–2,000 Hz, 1,000–5,000 Hz 및 5,000–20,000 Hz.
- 선택: 베어링 공진 여진이 가장 강한 밴드를 선택하십시오.
- 확인하다: 순수 가속도를 확인하세요 스펙트럼 먼저 그 공명을 찾아야 한다.
- Optimise: 베어링 결함 신호를 최대한 명확하게 포착할 수 있도록 밴드를 조정하십시오.
5. 신호에 미치는 필터 효과
시간-파형 효과
대역통과 필터가 적용된 시간 파형 통과대역 성분만 표시합니다. 대역폭이 좁으면 변조된 반송파 형태로 나타나며, 저주파 변동과 고주파 잡음이 제거되어 해석을 훨씬 쉽게 할 수 있습니다.
스펙트럼 효과
주파수 스펙트럼에서 통과대역의 진폭은 유지되는 반면, 차단대역의 진폭은 일반적으로 40~80dB 정도 감소합니다. 그 결과, 관심 대역에 초점을 맞춘 더 선명한 화면이 표시되며, 통과대역 외부에 있던 노이즈는 전반적으로 감소합니다.
6. 디지털 대 아날로그, 및 주파수 대역별 대역
디지털 필터 대 아날로그 필터
아날로그 대역통과 필터는 신호 경로 내 하드웨어로 구현되며, 실시간으로 작동하고, 일단 구축되면 특성이 고정되며, 다음 분야에서 사용됩니다. anti-aliasing 및 신호 조정. Digital 필터는 신호를 디지털화한 후 소프트웨어에서 처리하며, 조정 가능한 매개변수를 제공하며, 데이터 수집 후에도 적용하거나 제거할 수 있습니다. 바로 이러한 이유로 최신 분석기들은 다양한 디지털 BPF 옵션을 제공합니다.
음역대별 대표적인 밴드
- 저주파(10–200 Hz): 불균형 및 정렬 불량 분석, 저속 기계, 기초 또는 구조물 진동.
- 중주파수 (200–2,000 Hz): 기어 맞물림 주파수, 블레이드 및 베인 통과 주파수, 그리고 하부 베어링 결함 주파수.
- 고주파(2–40 kHz): 베어링 결함 포락선 분석, 고주파 충격 및 베어링 공진 유발.
7. 현장에서의 대역통과 필터링
실제로 대역통과 필터는 단독으로 사용되는 경우가 거의 없습니다. 이는 신호를 샘플링하고, 윈도우 처리를 수행하며, 변환하는 측정 체인의 한 단계이므로, 선택한 대역은 계측기의 샘플링 대역폭 내에 포함되어야 합니다. 다음과 같은 휴대용 2채널 분석기 발란셋-1A 약 5Hz에서 1kHz 범위의 진동을 측정하며 1×의 분해능을 갖습니다. 진폭 및 위상 현장 균형 조정에 필요한 작업이며, 엔지니어가 단순한 불균형이 아닌 고주파 베어링 결함이 문제의 진정한 원인인지 확인해야 할 때 밴드패스 및 엔벨로프 기법이 해당 워크플로를 보완합니다. 이러한 분석을 설정할 때, FFT 해상도 계산기 이는 분석하려는 대역에 맞춰 선 수와 대역폭을 조정하는 데 도움이 되므로, 간격이 좁은 결함 선과 측파대가 서로 섞여 번지는 현상을 방지할 수 있습니다. 특히 엔벨로프 분석과 주파수 대역 분리를 위해 대역통과 필터 선택을 숙달하는 것은 복잡한 진동 신호에서 명확한 진단 정보를 추출하는 데 필수적입니다.
