Banddoorlaatfilters begrijpen
Definitie: Wat is een banddoorlaatfilter?
Banddoorlaatfilter (BPF) is een frequentieselectief signaalverwerkingselement dat het mogelijk maakt trillingen Componenten binnen een bepaalde frequentieband worden doorgelaten, terwijl componenten zowel onder als boven die band worden verzwakt. Het combineert de kenmerken van een hoogdoorlaatfilter (dat lage frequenties blokkeert) en een laagdoorlaatfilter (dat hoge frequenties blokkeert) om een "venster" te creëren dat alleen een geselecteerd middenfrequentiebereik doorlaat. Banddoorlaatfilters worden gedefinieerd door hun middenfrequentie, bandbreedte en filtervolgorde/steilheid.
Bij trillingsanalyse zijn banddoorlaatfilters essentieel voor envelopanalyse (isoleren van lagerimpactfrequenties), gerichte diagnostiek (onderzoek van specifieke frequentiebereiken) en het elimineren van ongewenste trillingen buiten de relevante frequentieband om de signaal-ruisverhouding en de meetduidelijkheid te verbeteren.
Filterparameters
Middenfrequentie (f0)
- Midden van de doorlaatband
- Frequentie van maximale filterrespons
- Geselecteerd op basis van frequentie-inhoud van interesse
- Meestal gekozen om overeen te komen met de resonantie- of foutfrequentie
Bandbreedte (BW)
- Definitie: Frequentiebereik tussen -3 dB punten (f_high – f_low)
- Smalband: ZW < 10% van de middenfrequentie (zeer selectief)
- Breedband: BW > 50% van de middenfrequentie (minder selectief)
- Q-factor: Q = f0 / BW (hogere Q = smaller, selectiever)
Filterkenmerken
- Onderste afsnijding (f_low): Frequentie waarbij de onderste helling -3 dB bereikt
- Bovengrens (f_high): Frequentie waarbij de bovenste helling -3 dB bereikt
- Vormfactor: Verhouding van de stopband- tot de passbandbreedte (maat voor selectiviteit)
Toepassingen in trillingsanalyse
1. Envelopanalyse (primaire toepassing)
Kritische eerste stap bij het detecteren van lagerdefecten:
- Bandselectie: 500 Hz – 10 kHz of 1 kHz – 20 kHz typisch
- Doel: Isoleer hoogfrequente lagerresonanties die door schokken worden opgewekt
- Proces: BPF → envelopdetectie → FFT van envelop
- Resultaat: Versterkt lagerfoutfrequenties duidelijk zichtbaar
2. Resonantiebandanalyse
- Filter rond structurele of lagerresonantiefrequentie
- Isoleer energie bij resonantie van andere frequenties
- Beoordeel excitatie en respons in een specifieke modus
- Handig voor het oplossen van resonantieproblemen
3. Isolatie van het frequentiebereik
- Focus op een specifiek diagnostisch frequentiebereik
- Voorbeeld: 10-100 Hz voor laagfrequente analyse
- Verwijdert laagfrequente drift en hoogfrequente ruis
- Verbetert de duidelijkheid voor interessante frequenties
4. Isolatie van het tandwielnetwerk
- BPF gecentreerd op tandwielinteractiefrequentie
- Geeft mesh-frequentie en zijbanden door
- Blokkeert andere tandwieltrappen en lagerfrequenties
- Maakt gerichte tandwielanalyse mogelijk
Band-Pass Filter Ontwerp
Cascade laagdoorlaat- en hoogdoorlaatfilter
Meest voorkomende implementatie:
- Hoogdoorlaatfilter blokkeert frequenties onder f_low
- Laagdoorlaatfilter blokkeert frequenties boven f_high
- Seriecombinatie creëert banddoorlaat
- Elk filter draagt bij aan de totale selectiviteit
Direct Band-Pass-ontwerp
- Geoptimaliseerd als enkelvoudig filter in plaats van cascade
- Complexer maar kan betere eigenschappen bereiken
- Gebruikt in gespecialiseerde toepassingen
Praktische overwegingen
Afwegingen bij bandbreedteselectie
Smalle bandbreedte
- Voordelen: Betere selectiviteit, sterkere afwijzing van aangrenzende frequenties
- Nadelen: Kan frequentievariaties missen, vereist nauwkeurige afstemming
- Gebruik: Wanneer de exacte frequentie bekend en stabiel is
Brede bandbreedte
- Voordelen: Vangt frequentievariaties op, minder kritische afstemming
- Nadelen: Minder afwijzing van ongewenste frequenties in de buurt
- Gebruik: Wanneer de frequentie varieert of er een bereik van de benodigde frequenties is
Voor envelopanalyse
- Typische banden: 500-2000 Hz, 1000-5000 Hz, 5000-20000 Hz
- Selectie: Kies een band met een goede lagerresonantie-excitatie
- Verifiëren: Controleer het ruwe versnellingsspectrum om resonantie te identificeren
- Optimaliseren: Aanpassen om het lagerdefectsignaal te maximaliseren
Filtereffecten op signalen
Tijdgolfvormeffecten
- Gefilterde golfvorm toont alleen frequenties in de doorlaatband
- Verschijnt als gemoduleerde drager (indien smalle band)
- Verwijdert laagfrequente variaties en hoogfrequente ruis
- Kan de interpretatie van golfvormen vereenvoudigen
Spectrumeffecten
- Doorlaatbandamplitudes behouden
- Stopbandamplitudes verminderd (typisch 40-80 dB)
- Schoner spectrum gericht op de band van interesse
- Ruisvloer verlaagd als ruis buiten de doorlaatband valt
Digitale versus analoge banddoorlaatfilters
Analoge filters
- Hardware-implementatie in signaalpad
- Realtime werking
- Vaste kenmerken die eenmaal zijn ontworpen
- Wordt gebruikt bij anti-aliasing en signaalconditionering
Digitale filters
- Softwareverwerking na digitalisering
- Instelbare parameters
- Kan na de verzameling worden aangebracht/verwijderd
- Moderne analysers bieden uitgebreide digitale BPF-opties
Veelvoorkomende toepassingen per frequentiebereik
Laagfrequente banddoorlaat (10-200 Hz)
- Analyse van onbalans en verkeerde uitlijning
- Bewaking van machines met lage snelheid
- Fundering en structurele trillingen
Middenfrequentiebanddoorlaat (200-2000 Hz)
- Tandwiel-interactiefrequenties
- Doorlaatfrequenties van bladen/vinnen
- Lagere lagerfoutfrequenties
Hoge frequentiebanddoorlaat (2-40 kHz)
- Analyse van de lagerdefectomhulling
- Hoogfrequente effecten
- Ultrasone frequenties
- Lagerresonantie-excitatie
Banddoorlaatfilters zijn veelzijdige signaalverwerkingstools die gerichte analyse van specifieke frequentiebereiken mogelijk maken, terwijl ongewenste lage en hoge frequentiecomponenten worden onderdrukt. Het beheersen van de selectie en toepassing van banddoorlaatfilters – met name voor envelopanalyse en isolatie van frequentiebereiken – is essentieel voor geavanceerde trillingsdiagnostiek en effectieve extractie van diagnostische informatie uit complexe trillingssignaturen.