Compreendendo o vazamento espectral

Definição: O que é vazamento espectral?

Vazamento espectral é uma forma de erro de medição que ocorre durante a Transformada Rápida de Fourier (FFT) Análise de um sinal. É a "mancha" ou dispersão de energia de um único pico de frequência discreto para intervalos de frequência adjacentes. Esse vazamento pode distorcer a amplitude e a frequência do sinal de vibração real, potencialmente mascarando sinais menores ou levando a um diagnóstico impreciso.

A causa raiz: descontinuidade

O vazamento espectral é causado por uma violação da premissa fundamental da FFT. O algoritmo FFT assume que o bloco finito de dados de forma de onda temporal que analisa é um ciclo único e perfeitamente repetitivo de um sinal periódico. Para ser perfeitamente periódico, o valor do sinal no final do bloco de tempo deve ser idêntico ao seu valor no início.

Na prática, ao analisar um sinal de vibração do mundo real, é quase impossível capturar um bloco de tempo que contenha um número inteiro exato de ciclos para cada componente de frequência. Isso resulta em um descontinuidade onde o final do sinal não coincide com o início. O algoritmo FFT interpreta esse salto brusco como um evento transitório de alta frequência, semelhante a um impacto. Esse transitório artificial contém energia que não faz parte do sinal original, e é essa energia que "vaza" por uma ampla faixa de frequências no espectro resultante.

Os efeitos do vazamento espectral

A dispersão de energia causada pelo vazamento espectral tem dois efeitos negativos principais:

1. Precisão de amplitude reduzida: A energia que deveria estar concentrada em um único intervalo de frequência agora está distribuída entre muitos. Isso faz com que a amplitude do pico principal seja menor do que seu valor real, enquanto as amplitudes dos intervalos adjacentes do "lóbulo lateral" são aumentadas artificialmente.
2. Resolução de frequência reduzida: O vazamento pode ser tão grave que oculta completamente picos de frequência menores e próximos. Um pequeno sinal de uma falha de rolamento, por exemplo, pode ser completamente perdido na "saia" do vazamento de um grande pico de desequilíbrio 1X.

A solução: janelamento

O vazamento espectral é controlado usando janelamento funções. Uma janela é uma função matemática que é multiplicada pelos dados da forma de onda temporal *antes* de serem enviados à FFT.

A janela mais comum usada para esse propósito é a Janela de HanningA janela de Hanning tem um formato suave de sino que afunila o sinal até zero tanto no início quanto no fim do bloco de tempo. Essa ação de afunilamento força as extremidades do sinal a coincidirem, eliminando efetivamente a descontinuidade artificial.

Ao apresentar à FFT um sinal suavemente periódico, a função de janelamento reduz drasticamente o vazamento espectral. Isso resulta em um espectro muito mais limpo, com picos mais nítidos e menor ruído de fundo, permitindo análises mais precisas e sensíveis.

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