Entendendo os Filtros Passa-Banda
Definição: O que é um filtro passa-banda?
Filtro passa-banda (BPF) é um elemento de processamento de sinal seletivo em frequência que permite vibração Um filtro passa-banda permite a passagem de componentes dentro de uma faixa de frequência específica, atenuando os componentes abaixo e acima dessa faixa. Ele combina as características de um filtro passa-alta (que bloqueia as baixas frequências) e de um filtro passa-baixa (que bloqueia as altas frequências) para criar uma "janela" que permite a passagem apenas de uma faixa de frequência intermediária selecionada. Os filtros passa-banda são definidos por sua frequência central, largura de banda e ordem/inclinação do filtro.
Na análise de vibrações, os filtros passa-banda são essenciais para análise de envelope (isolamento das frequências de impacto dos rolamentos), diagnósticos focados (exame de faixas de frequência específicas) e eliminação de vibrações indesejadas fora da faixa de frequência de interesse para melhorar a relação sinal-ruído e a clareza da medição.
Parâmetros do filtro
Frequência central (f0)
- Meio da faixa de passagem
- Frequência de resposta máxima do filtro
- Selecionado com base no conteúdo de frequência de interesse.
- Normalmente, a frequência escolhida corresponde à frequência de ressonância ou de falha.
Largura de banda (BW)
- Definição: Faixa de frequência entre os pontos de -3 dB (f_high – f_low)
- Banda estreita: BW < 10% de frequência central (altamente seletivo)
- Banda larga: BW > 50% da frequência central (menos seletivo)
- Fator Q: Q = f0 / BW (quanto maior o Q, mais estreito e mais seletivo)
Características do filtro
- Limite inferior (f_low): Frequência em que a inclinação inferior atinge -3 dB
- Limite superior de corte (f_high): Frequência em que a inclinação superior atinge -3 dB
- Fator de forma: Relação entre a largura da banda de rejeição e a largura da banda de passagem (medida de seletividade)
Aplicações na Análise de Vibração
1. Análise de Envoltória (Aplicação Principal)
Primeiro passo crucial na detecção de defeitos em rolamentos:
- Seleção da banda: 500 Hz – 10 kHz ou 1 kHz – 20 kHz típico
- Propósito: Isolar ressonâncias de alta frequência em rolamentos excitadas por impactos.
- Processo: BPF → detecção de envelope → FFT do envelope
- Resultado: Aprimorado frequências de falhas de rolamentos claramente visível
2. Análise da Banda de Ressonância
- Filtrar em torno da frequência de ressonância estrutural ou do rolamento
- Isolar a energia em ressonância de outras frequências
- Avaliar a excitação e a resposta em um modo específico.
- Útil para solucionar problemas de ressonância
3. Isolamento de faixa de frequência
- Foque na faixa de frequência diagnóstica específica
- Exemplo: 10-100 Hz para análise de baixa frequência
- Remove a deriva de baixa frequência e o ruído de alta frequência.
- Melhora a clareza das frequências de interesse.
4. Isolamento da malha da engrenagem
- BPF centrado na frequência de engrenamento da engrenagem
- Transmite frequência de malha e bandas laterais
- Bloqueia outros estágios de engrenagem e frequências de rolamento
- Permite uma análise de engrenagens focada.
Projeto de filtro passa-banda
Filtro passa-baixa e passa-alta em cascata
Implementação mais comum:
- O filtro passa-alta bloqueia frequências abaixo de f_low.
- O filtro passa-baixa bloqueia frequências acima de f_high
- A combinação em série cria um filtro passa-banda.
- Cada filtro contribui para a seletividade total.
Projeto de passa-banda direto
- Otimizado como filtro único em vez de em cascata.
- Mais complexo, mas pode alcançar características melhores.
- Utilizado em aplicações especializadas
Considerações práticas
Compensações na seleção da largura de banda
Largura de banda estreita
- Vantagens: Melhor seletividade, maior rejeição de frequências adjacentes
- Desvantagens: Pode não detectar variações de frequência, requer ajuste preciso.
- Usar: Quando a frequência exata é conhecida e estável.
Ampla largura de banda
- Vantagens: Captura variações de frequência, ajuste menos crítico
- Desvantagens: Menor rejeição de frequências indesejadas próximas
- Usar: Quando a frequência varia ou é necessário um intervalo de frequências.
Para análise de envelope
- Bandas típicas: 500-2000 Hz, 1000-5000 Hz, 5000-20000 Hz
- Seleção: Escolha uma banda com boa excitação de ressonância de rolamento.
- Verificar: Verifique o espectro de aceleração bruto para identificar a ressonância.
- Otimizar: Ajuste para maximizar o sinal de defeito do rolamento.
Efeitos de filtro em sinais
Efeitos de forma de onda temporal
- A forma de onda filtrada mostra apenas as frequências na banda de passagem.
- Aparece como portadora modulada (se for de banda estreita)
- Remove variações de baixa frequência e ruídos de alta frequência.
- Pode simplificar a interpretação da forma de onda.
Efeitos de espectro
- Amplitudes da banda de passagem preservadas
- Amplitudes da banda de rejeição reduzidas (típicas entre 40 e 80 dB)
- Espectro mais limpo com foco na banda de interesse
- O nível de ruído é reduzido se o ruído estiver fora da faixa de passagem.
Filtros passa-banda digitais versus analógicos
Filtros analógicos
- Implementação de hardware no caminho do sinal
- Operação em tempo real
- Características fixas uma vez projetadas
- Utilizado em anti-aliasing e condicionamento de sinal.
Filtros digitais
- Processamento de software após a digitalização
- Parâmetros ajustáveis
- Pode ser aplicado/removido após a coleta.
- Os analisadores modernos oferecem diversas opções digitais de filtro passa-banda.
Aplicações comuns por faixa de frequência
Filtro passa-banda de baixa frequência (10-200 Hz)
- Análise de desequilíbrio e desalinhamento
- Monitoramento de máquinas de baixa velocidade
- Vibração estrutural e de fundação
Filtro passa-banda de média frequência (200-2000 Hz)
- Frequências de malha de engrenagens
- frequências de passagem da lâmina/pá
- Frequências de falhas em rolamentos mais baixas
Filtro passa-banda de alta frequência (2-40 kHz)
- Análise do envelope de defeitos de rolamentos
- Impactos de alta frequência
- Frequências ultrassônicas
- excitação de ressonância do rolamento
Os filtros passa-banda são ferramentas versáteis de processamento de sinais que permitem a análise focada de faixas de frequência específicas, rejeitando componentes indesejados de baixa e alta frequência. Dominar a seleção e a aplicação de filtros passa-banda — particularmente para análise de envelope e isolamento de faixas de frequência — é essencial para diagnósticos avançados de vibração e extração eficaz de informações diagnósticas a partir de assinaturas de vibração complexas.
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