Compreender a coerência na análise de vibrações
Coerência — também conhecida como função de coerência — é uma ferramenta de processamento de sinais utilizada em análise de vibração para avaliar a qualidade e a validade de uma medição de dois canais. Trata-se de um número entre 0 e 1, calculado frequência a frequência, que indica a proporção do sinal de saída em cada frequência é causada de forma genuína e linear pelo sinal de entrada. Na verdade, a coerência é o indicador de confiança do analista: responde à pergunta «posso confiar nesta medição, ou estará a ser contaminada por ruído?» antes de se tirarem quaisquer conclusões a partir dos dados.
1. Definição: O que é Coerência?
A coerência quantifica a relação linear de causa e efeito entre dois sinais medidos simultaneamente em todas as frequências no espetro. A escala é intuitiva:
- Uma coerência de 1.0 Numa determinada frequência, isso significa uma relação linear perfeita entre os dois sinais — 100% da saída nessa frequência é causada pela entrada.
- Uma coerência de 0.5 significa que apenas 50 % da energia de saída nessa frequência está linearmente relacionada com a entrada. A outra metade provém de outros fatores: ruído, não linearidades ou outras entradas não medidas.
- Uma coerência de 0.0 significa que não há nenhuma relação linear entre os dois sinais nessa frequência.
Matematicamente, a coerência deriva da densidade espectral de potência cruzada dos dois canais, juntamente com o autoespetro de cada um, normalizados de modo a que o resultado se situe sempre entre 0 e 1. Fundamentalmente, trata-se de um média quantidade: para se obter um valor de coerência significativo, são necessárias várias médias da medição, razão pela qual este só pode ser obtido por um analisador multicanal capaz de adquirir dois sinais simultaneamente.
2. Validação das medições da função de resposta em frequência (FRF)
A utilização mais comum e crucial da coerência é validar um Função de Resposta de Frequência (FRF). Ao realizar um ensaio de impacto — também conhecido como teste de impacto — para avaliar a resposta de uma estrutura em função da frequência, o gráfico de coerência é essencial para determinar se vale a pena conservar os dados recolhidos.
- Boa medição: para um FRF válido, a coerência deve situar-se muito próxima de 1,0 nas frequências do ressonante picos. Uma elevada coerência — digamos, superior a 0,95 — dá ao analista a certeza de que a resposta medida foi realmente causada pelo impacto do martelo e não por vibrações de fundo ou ruído de medição.
- Medição deficiente: Se a coerência cair drasticamente num pico de ressonância, a medição é suspeita. A causa pode ser um golpe de martelo mal executado, um ambiente ruidoso ou uma resposta estrutural genuinamente não linear. O mais acertado é rejeitar esse impacto e tentar novamente.
Há uma subtileza que não deve ser confundida com uma falha: a coerência cai naturalmente nas anti-ressonâncias — os vales entre os picos na FRF — porque a estrutura quase não se move nessas zonas e a resposta é dominada pelo ruído. É normal e esperado que a coerência seja baixa nesses vales. É precisamente por isso que a coerência é analisada em conjunto com os dados da FRF em análise modal, onde se confirma a verdadeira frequências naturais de uma máquina ou estrutura depende de picos limpos e fiáveis.
3. Identificação da fonte
A coerência também pode revelar se a vibração de uma máquina está a provocar a vibração de outra. Suponha que uma bomba e um motor partilham uma base comum e que suspeita que o motor está a fazer a bomba vibrar:
- Procedimento: coloque um acelerómetro no motor (a entrada) e um segundo na bomba (a saída), medir ambos simultaneamente e calcular a coerência entre eles.
- Interpretação: se a coerência for elevada na frequência do motor velocidade de funcionamento, o que constitui uma forte indicação de que a vibração está a ser transmitida do motor para a bomba através da estrutura comum a ambos. Se a coerência for baixa nessa frequência, é muito provável que a vibração da bomba seja causada por problemas próprios — os seus próprios desequilíbrio ou cavitação, por exemplo — em vez de pelo motor.
Utilizada desta forma, a coerência ajuda a identificar as vias de transmissão das vibrações e evita que o analista se concentre na máquina errada — um erro frequente e dispendioso quando duas unidades acopladas vibram a velocidades semelhantes.
4. Fatores que reduzem a coerência
Existem vários mecanismos distintos que podem fazer com que o valor de coerência desça abaixo de 1,0, e identificar qual deles está em ação faz parte do diagnóstico:
- Ruído de medição: ruído externo que contamina o canal de entrada ou de saída — a causa mais comum, que muitas vezes pode ser reduzida através de uma melhor montagem do sensor ou do cálculo de mais médias.
- Sistemas não lineares: a coerência mede apenas a linear relação. Se o sistema se comportar de forma não linear — devido a folga, a fenda, ou interação fluido-estrutura — a coerência será baixa, mesmo quando existir uma relação causal genuína.
- Atrasos de tempo: Um atraso significativo entre os sinais de entrada e de saída reduz a coerência, a menos que o analisador esteja configurado para ter isso em conta.
- Outras entradas não medidas: Se a saída for alimentada por mais do que uma fonte e se medir apenas uma delas como entrada, a energia não medida manifesta-se como perda de coerência.
5. A coerência como ferramenta de controlo de qualidade
Na prática, a coerência funciona menos como um diagnóstico e mais como um filtro que protege todos os diagnósticos baseados em dados de dois canais. Está intimamente relacionada com o função de transferência e o FRF que o acompanha — o FRF indica-lhe como uma estrutura responde, enquanto a coerência indica até que ponto acreditar essa resposta em cada frequência. O equilíbrio de campo de rotina e a análise do espectro de canal único são realizados com um analisador portátil, como o Balanset-1A não requerem um gráfico de coerência, mas assim que uma investigação passa para testes de impacto, deteção de ressonâncias ou rastreio de fontes num sistema multicanal, a coerência torna-se o parâmetro que distingue um resultado fiável de um resultado enganador. Em resumo, a função de coerência é uma ferramenta essencial de controlo de qualidade para medições avançadas de vibração: proporciona confiança na validade dos dados da FRF e ajuda a identificar os percursos pelos quais a vibração se propaga através de uma máquina.
