Compreendendo o aliasing na análise de vibração

Definição: O que é Aliasing?

Aliasing é um erro crítico de processamento de sinal que pode ocorrer durante a análise digital de dados de vibração. Ele ocorre quando um sinal é amostrado a uma taxa muito baixa para capturar com precisão seus componentes de frequência mais alta. Como resultado, essas frequências altas "dobram" ou "imitam" frequências mais baixas no espectro FFT resultante, criando picos de frequência falsos que podem levar a um diagnóstico incorreto grave da condição do equipamento.

O Teorema de Nyquist e a Taxa de Amostragem

Para entender o aliasing, é preciso primeiro entender o Teorema de Nyquist (também conhecido como teorema de amostragem de Nyquist-Shannon). Este princípio fundamental do processamento digital de sinais afirma:

Para representar com precisão um sinal analógico em formato digital, a frequência de amostragem (Fs) deve ser pelo menos duas vezes o componente de frequência mais alto (Fmax) presente no sinal.

Esta taxa de amostragem mínima (2 * Fmax) é chamada de Taxa de Nyquist. Na análise de vibração, a maior frequência de interesse que pode ser medida com precisão é, portanto, metade da taxa de amostragem (Fmáx = Fs / 2). Essa Fmáx é frequentemente chamada de frequência de Nyquist.

Como ocorre o aliasing?

Imagine um sinal de vibração de alta frequência sendo medido por um analisador digital. O analisador coleta amostras discretas (instantâneos) do sinal a uma taxa fixa (a frequência de amostragem).

• Se a taxa de amostragem for alta o suficiente (bem acima da taxa de Nyquist), o analisador captura um número suficiente de pontos para reconstruir com precisão a forma de onda.
• No entanto, se a taxa de amostragem for muito baixa, o analisador "perde" o que acontece entre as amostras. Os poucos pontos capturados podem ser conectados para formar uma onda senoidal completamente diferente, de frequência mais baixa. Essa nova frequência falsamente baixa é o "alias".

Por exemplo, se um sinal contiver um componente de 900 Hz, mas a Fmax do analisador estiver definida como 500 Hz (ou seja, uma taxa de amostragem de 1000 Hz), o componente de 900 Hz não poderá ser medido corretamente. Ele será "aliased" e aparecerá como um pico em uma frequência mais baixa (especificamente em Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), podendo ser confundido com uma vibração de velocidade de execução 1X.

Prevenção de aliasing: o filtro anti-aliasing

É impossível saber com antecedência todo o conteúdo de alta frequência (por exemplo, ruído ultrassônico, impactos ou interferência de radiofrequência) que pode estar presente em um sinal. Portanto, confiar apenas em definir uma taxa de amostragem alta o suficiente não é uma solução prática.

A solução utilizada em todos os analisadores de vibração digitais modernos é a filtro anti-aliasing. Este é um filtro passa-baixas inclinado que é colocado no caminho do sinal *antes* do conversor analógico-digital (ADC). Veja como funciona:

1. O usuário define a frequência máxima desejada (Fmax) para sua análise.
2. Com base nesse Fmax, o analisador define automaticamente a frequência de corte do filtro anti-aliasing ligeiramente acima de Fmax.
3. O sinal analógico do sensor passa por esse filtro, que remove ou atenua fortemente todas as frequências acima do ponto de corte.
4. Somente o sinal filtrado e “limpo” é então enviado ao ADC para amostragem.

Ao remover as altas frequências que a taxa de amostragem escolhida não consegue suportar, o filtro anti-aliasing torna fisicamente impossível a ocorrência de aliasing. É um dos componentes mais críticos de um analisador de sinais digitais, garantindo que o espectro FFT resultante seja uma representação verdadeira e precisa da vibração do equipamento dentro da faixa de frequência escolhida.

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