miércoles, 15 de febrero de 2023 · 0 min read
Analizadores de espectro para el análisis del sonido y las vibraciones
En este artículo te contaremos sobre los analizadores de espectro para la medición del sonido y la vibración con suficiente detalle para que puedas:
Ver qué son los analizadores de espectro y en qué se diferencian de los analizadores de vibraciones
Describir cómo funcionan los analizadores de espectro
Comprender cómo se utilizan hoy en día los analizadores de espectro
¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!
Introducción
Este artículo se centrará en analizadores de espectro en tiempo real para mediciones de sonido y vibraciones. Estos instrumentos se utilizan para la adquisición y análisis de datos en el rango de frecuencia entre CC y varios megahercios. Esto incluye la gama completa de señales de sonido, desde infrasonidos hasta ultrasonidos.
Para algunas aplicaciones, un analizador de espectro se denomina analizador de vibraciones.
Los analizadores de vibraciones, que cubren el rango de frecuencia entre CC y varios megahercios, se utilizan en varios dominios de aplicación, por ejemplo:
Acústica,
NVH (ruido, vibración y dureza),
Potencia y Energía,
Aeroespacial y Defensa.
Para dominios de aplicación como telecomunicaciones donde el rango de frecuencia de interés está en el rango de MHz a GHz, se deben utilizar otros tipos de analizadores de espectro. Estos se denominan normalmente analizadores de espectro de RF.
¿Qué es un analizador de espectro?
Un analizador de espectro mide la magnitud de una señal de entrada en función de la frecuencia dentro del rango de frecuencia completo del instrumento. El uso principal es medir la potencia del espectro de señales conocidas y desconocidas.
Un analizador de espectro es un instrumento que mide la magnitud de una señal de entrada en un rango en el dominio de la frecuencia. El uso principal es medir la potencia del espectro de señales conocidas y desconocidas. Además de eso, los analizadores de espectro a menudo tienen herramientas y características para un análisis de señal más profundo adecuado para diferentes dominios de aplicación.
¿Qué es Espectro?
Un espectro es una representación gráfica de la señal en función de una variable dependiente.
Un espectro de sonido, por ejemplo, es una representación de un sonido, generalmente una muestra corta de un sonido, en términos de la cantidad de vibración en cada frecuencia individual. Por lo general, se presenta como un gráfico de potencia o presión en función de la frecuencia. La potencia o presión generalmente se mide en decibelios y la frecuencia se mide en vibraciones por segundo (o hercios, abreviatura Hz) o miles de vibraciones por segundo (kilohercios, abreviatura kHz).
¿Qué hacen los analizadores de espectro?
Los analizadores de espectro se utilizan en varias aplicaciones para obtener imágenes y representar los datos adquiridos de una manera que ayude a los usuarios a extraer más información y, por lo tanto, a lograr una mejor comprensión.
Los analizadores de espectro para datos de sonido, ruido y vibración se utilizan en muchas industrias como la principal herramienta para tener éxito, por ejemplo:
Diagnóstico de la máquina rotativa y monitoreo del estado de salud,
Vigilancia de ruido,
Dinámica estructural y pruebas modales,
Clasificación de la calidad del sonido y acústica de la sala,
así como muchos otros trabajos.
Los analizadores de espectro a menudo se componen de una serie de componentes de hardware y software, como se muestra a continuación. Juntos, los componentes permiten un análisis de datos espectrales y el uso de herramientas y funciones que varían según el analizador de espectro que se utilice.
Aprende más:
Un dispositivo de adquisición de datos (DAQ) adquirirá datos de entrada analógica a lo largo del tiempo, en el dominio del tiempo. Los datos de tiempo analógico se convierten en datos de tiempo digital mediante un ADC (convertidor analógico a digital). El ADC suma todas las observaciones del sensor en intervalos de tiempo discretos con una duración definida por la frecuencia de muestreo del ADC.
En los analizadores de espectro, los datos se transforman del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia en el que las características de los datos de interés se dividen en líneas espectrales individuales. En lugar de tener los datos representados en el tiempo, los analizadores de espectro procesan bloques de datos de tiempo y producen un espectro por bloque. Las líneas espectrales individuales en el espectro representan las diferentes características independientes de los datos medidos, que en conjunto se suman a la forma de la señal del bloque de datos de tiempo relacionado.
Las transformaciones de dominio y las siguientes operaciones de análisis se realizan normalmente mediante software de aplicación en una computadora conectada al dispositivo DAQ. El usuario puede entonces operar el analizador de espectro desde esta computadora.
El dominio que se utilizará para obtener la mejor representación de características de datos interesantes depende de lo que se mida. Los analizadores de espectro para recolectores de datos de sonido, ruido y vibraciones normalmente representan los datos en el dominio de frecuencia y el dominio de rotación.
¿Cómo se utilizan los analizadores de espectro?
¿Cómo se utilizan los analizadores de espectro?
Los defectos en los rodamientos son una de las fallas más comunes que ocurren en los equipos rotativos. Estos defectos a menudo se pueden prevenir mediante las soluciones de monitoreo de la condición de la máquina que utilizan analizadores de espectro.
Un rodamiento típico consta de los siguientes componentes:
Elementos rodantes: bolas / rodillos
Jaula
Pista interior
Raza exterior
Pueden surgir muchos tipos diferentes de defectos en los rodamientos que pueden causar fallas críticas y, por lo tanto, el diagnóstico de la máquina giratoria y la supervisión del estado se utilizan para ayudar a evitar que ocurran tales casos. Mediante el control de vibraciones y el análisis de las señales de vibración relacionadas con los rodamientos, es posible reaccionar y tomar medidas antes de que se produzcan daños graves.
Defectos de la pista exterior
Los defectos del cojinete de la pista exterior se caracterizan normalmente en el espectro de frecuencia por la presencia de múltiples picos (armónicos) de la BPFO - Frecuencia de paso de bola en la pista exterior.
BPFO está representado por el número de pasadas que las bolas transforman en un punto defectuoso en la pista exterior en el período en el que el eje hace una vuelta multiplicado por la frecuencia de rotación del eje.
La ecuación para calcular el BPFO es la siguiente:
Donde Nb es el número de elementos rodantes, Bd es el diámetro de la bola, Pd es el diámetro del paso y β es el ángulo de contacto. La frecuencia típica de BPFO es de 2-15 x RPM.
Midiendo la velocidad de rotación RPM y calculando el BPFO, entonces se pueden determinar las frecuencias armónicas relacionadas. Si tales armónicos comienzan a surgir y aumentan de magnitud, entonces puede ser un signo de un defecto en la pista exterior del rodamiento.
Muchos analizadores de espectro de sonido y vibración tienen herramientas de monitoreo que ayudan al usuario con, p. Ej. establecer niveles de advertencia y alarma en tales frecuencias armónicas.
Aprende más:
Ejemplo: ajuste de la calidad del sonido
Una medición de la calidad del sonido es una herramienta indispensable para el éxito de la ingeniería del sonido. Aborda la necesidad de evaluar empíricamente cómo el oído humano percibe el s
La percepción auditiva del sonido es un asunto subjetivo, pero la medición y prueba objetivas son posibles aplicando una variedad de parámetros o métricas de calidad del sonido. Los analizadores de espectro se utilizan en el proceso de determinar estos parámetros de calidad del sonido.
Un parámetro de calidad de sonido es, por ejemplo, nitidez. La nitidez corresponde a la sensación de un sonido agudo, doloroso y de alta frecuencia y es la comparación de la cantidad de energía de alta frecuencia con la energía total. El algoritmo de nitidez puede, entre otras cosas, utilizar un espectro de banda de 1/3 de octava para determinar la métrica de nitidez.
Los componentes de frecuencia más alta en la señal generalmente dan como resultado mediciones de mayor nitidez.
Aprende más:
Otros parámetros de calidad de sonido de interés podrían, por ejemplo, ser sonoridad, criterio de ruido, índice de articulación, todos definen la calidad del sonido en diferentes aspectos.
Al usar métricas de calidad de sonido, queda más claro qué componentes deben rediseñarse, configurarse de manera diferente o ajustarse para mejorar la experiencia de sonido general y hacerla más atractiva para los usuarios.
¿Qué es el análisis de espectro?
A menudo se agregan muchas herramientas y características adicionales al analizador de espectro fundamental para cubrir todo su potencial, pero el mecanismo básico utilizado es la transformación del dominio de datos.
Cuando se utiliza un analizador de espectro para el análisis de sonido y vibración, los datos de tiempo adquiridos x (t) se transforman del dominio del tiempo a otro dominio. Este otro dominio es muy a menudo el dominio de frecuencia X (f), pero también puede ser, p. Ej. el dominio de rotación / orden.
En el dominio del tiempo, si un sensor observa que ocurren múltiples eventos al mismo tiempo, esto se representará a lo largo del tiempo como una señal, conformada por el contenido de los diferentes componentes del evento.
Pero, cuando los datos de tiempo se transforman en el dominio de la frecuencia, el contenido de los datos se divide en secciones con respecto a la frecuencia de ocurrencia. De este modo, las diferentes características contenidas en los datos se trazan en diferentes líneas espectrales en función de su tasa de movimiento periódico.
Normalmente, los analizadores de espectro utilizan FFT (Transformada rápida de Fourier) para obtener la representación de frecuencia a partir de la representación de tiempo.
Una serie de Fourier se puede visualizar como una serie de componentes sinusoidales que juntos forman la forma de los datos de tiempo. La fase de magnitud de una serie de Fourier puede, por ejemplo, ser representado así:
donde A0 es un componente de compensación de CC y Ak es la magnitud de la amplitud máxima de los componentes sinusoidales individuales, que también pueden verse como contribuciones
Se da un ejemplo. Los datos de presión sonora-tiempo de un diapasón se ilustrarán mediante una función sinusoidal de 440 Hz en el dominio del tiempo. En el dominio de la frecuencia, se ilustrará con un pico de magnitud en un eje de frecuencia en la línea espectral que representa el componente de frecuencia del diapasón de 440 Hz.
Otro ejemplo. Cuando chasquea los dedos, los datos de tiempo de presión sonora ilustrarán la función de tiempo configurada para reproducir ese sonido transitorio. Esta forma contiene múltiples componentes sinusoidales con diferentes períodos de tiempo, ya que dicho sonido no puede ser producido por un solo tono puro.
En un espectro de frecuencia, las múltiples componentes sinusoidales se ilustrarán en diferentes líneas espectrales en un eje de frecuencia con respecto a su período de tiempo. Magnitudes de líneas espectrales relacionadas indicarán el peso de los componentes sinusoidales individuales representados en la señal de presión sonora.
¿Cómo seleccionar un analizador de espectro?
Analizadores de espectro multicanal para sonido, vibración y, p. Ej. Las medidas de potencia están disponibles en varios factores de forma, que incluyen:
Analizadores de vibraciones de mesa
Analizadores de vibraciones de montaje en rack
Analizadores de vibraciones de mano o portátiles
Al considerar el mejor factor de forma de instrumento para una prueba, su decisión dependerá de la configuración específica de la prueba y de preguntas como estas.
¿Cuántos sensores se necesitan?
Dependiendo de los escenarios de prueba, el número óptimo de canales para elegir es diferente. Para algunas pruebas, puede funcionar una cantidad reducida de canales de sensores, pero a menudo esto viene de la mano con un tiempo de prueba adicional requerido, y eso debe tenerse en cuenta.
¿La configuración de la prueba cambiará con frecuencia?
Conectar, configurar y administrar un sistema de medición multicanal puede llevar mucho tiempo, pero los sistemas de instrumentos adecuados tendrán un conjunto de características para simplificar esa tarea, p. Ej. Soporte de sensor TEDS y herramientas de reconfiguración automática del sensor en el software de la aplicación.
¿Los instrumentos a veces se dividen en varias configuraciones de prueba?
Si un sistema de medición más grande debería poder dividirse en sistemas independientes más pequeños, entonces podría ser necesario elegir varios instrumentos que se puedan configurar individualmente o trabajar juntos.
¿Está fija la ubicación de la configuración de la prueba?
Si la configuración de la prueba está diseñada para permanecer en la misma ubicación, entonces podría ser beneficioso con instrumentos montados en bastidor y una PC que ejecute el software de aplicación en una oficina. Pero, si la configuración de prueba se mueve con regularidad, una solución portátil podría ser la mejor.
¿Deben los instrumentos soportar entornos hostiles?
Muchos escenarios de prueba ocurrirán en entornos hostiles que involucren, por ejemplo, temperaturas extremas, agua pulverizada o inmersión, golpes fuertes y vibraciones extremas. En tales casos, se debe considerar la clasificación IP (Ingress Protection) del instrumento.
¿Qué analizador de espectro es mejor para qué?
El análisis de frecuencia se utiliza mucho en una amplia gama de aplicaciones que incluyen sonido, ruido, vibración y, por ejemplo, medidas de potencia.
Cada dominio de aplicación tiene diferentes configuraciones de prueba creadas para generar e investigar diferentes eventos importantes. La configuración de medición debe admitir la adquisición y el análisis de datos en rangos que incluyan tantas de estas observaciones de interés como sea posible.
El grado de compatibilidad de un analizador de espectro con esos dominios de aplicación viene dado por un conjunto de parámetros de especificación o requisitos para los diferentes componentes de hardware y software sobre los que se basa el analizador de espectro. Algunos de estos requisitos se enumeran a continuación para los componentes típicos de un analizador de espectro.
Requisitos del sensor
Dado que este artículo se centra principalmente en el análisis espectral, los requisitos de los sensores solo se mencionarán brevemente. Algunos de los requisitos de sensores de interés son:
TEDS (hoja de datos electrónicos del transductor)
Recuperación de sobrecarga
Sensibilidad
Respuesta frecuente
Respuesta a la temperatura
Protección ESD (descarga electrostática) / RFI (interferencia de radiofrecuencia)
Estos requisitos y muchos más en conjunto indican qué sensores son los más adecuados para una aplicación de prueba determinada.
Requisitos del dispositivo DAQ
Para seleccionar un dispositivo DAQ, debe tener en cuenta los diferentes requisitos que puede tener su aplicación de medición. Algunos de estos requisitos son:
Número de canales de entrada / salida
Requisitos de ancho de banda y velocidad de muestreo
Resolución de bits
Miremos cada uno de cerca.
Número de canales
Si bien se puede lograr una medición del nivel de presión sonora con un solo canal de micrófono, muchos estándares requieren configuraciones de medición específicas que a menudo especifican una cierta cantidad de sensores de sonido o vibración que deben usarse.
Algunas pruebas se realizan con varios cientos o incluso miles de sensores, que deben adquirirse y analizarse. Cuando una prueba requiere muchos canales, el precio y el rendimiento del equipo de medición pueden tener un gran impacto en la elección de un socio o proveedor de medición.
El rendimiento de los grandes sistemas de medición normalmente se mantiene bajo control mediante la distribución de la carga de procesamiento a múltiples unidades de medición que juntas proporcionan al usuario los datos solicitados.
Frecuencia de muestreo y ancho de banda
Para las mediciones de sonido, el rango de interés suele ser de 20 Hz a 20 kHz, ya que cubre el rango audible para humanos.
Para las mediciones de vibración del chasis de un automóvil, el rango de interés podría ser de 10 Hz a 3,2 kHz. Esto cubriría la mayoría de las observaciones de interés, como la dinámica estructural del marco y el comportamiento de vibración en un perfil de velocidad.
Para mediciones de movilidad eléctrica de inversores de alto voltaje o mediciones de piroshock, el rango de interés podría ser de hasta varios MHz, para cubrir todas las características que juntas dan forma a los transitorios cortos.
Un analizador de espectro debe admitir un ancho de banda que cubra el rango de interés. El ancho de banda del sistema es el rango máximo en un espectro producido. Por ejemplo, si un analizador de espectro puede ver y analizar datos de 0Hz a 5kHz, entonces tiene un ancho de banda de 5kHz.
El ancho de banda está relacionado con la frecuencia de muestreo del ADC en el analizador de espectro, pero no es el mismo. La frecuencia de muestreo es la frecuencia con la que se adquiere una nueva muestra de datos. Por ejemplo, un CD normalmente se graba con una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz.
Debido al teorema de Nyquist y los filtros anti-aliasing, la relación entre la frecuencia de muestreo y el ancho de banda suele establecerse en 2 o 2,56.
Aprende más:
Con respecto al ejemplo con el CD, el ancho de banda es, por ejemplo, 44,1 kHz / 2,56 = 17,2 kHz, que cubre casi todo el rango de sonido audible para la mayoría de los seres humanos. A menudo, no es necesario utilizar una frecuencia de muestreo más alta, ya que el rango audible ya está cubierto, y una frecuencia de muestreo más alta utilizará más espacio en disco por segundo de datos de tiempo.
Resolución de bits
Otro parámetro de especificación es la resolución de bits. La mayoría de las muestras de datos medidos tendrán, por naturaleza, valores de nivel diferentes si pudiéramos describir los niveles con una precisión del 100%. El límite de la precisión de nivel relativo está determinado por la resolución de bits.
Los analizadores ADC in Spectrum utilizados para aplicaciones de sonido y vibración suelen tener una resolución de bits entre 16 y 24 bits.
A menudo se requiere una alta resolución de bits cuando se adquieren datos que tienen un rango de nivel dinámico grande y donde al mismo tiempo son importantes valores de nivel precisos.
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Dewesoft ofrece una variedad de sistemas de adquisición de datos líderes en la industria que cubrirán la mayoría de las demandas en cuanto a frecuencia de muestreo, resolución de bits, relación señal / ruido y mucho más. El dispositivo DAQ funcionará como parte del hardware de la solución del analizador de espectro.
Requisitos del software del analizador de espectro
Como se mencionó anteriormente, muchas herramientas y características adicionales a menudo se agregan al analizador de espectro fundamental para cubrir todo su potencial. Para muchos clientes, algunas de esas funciones son partes obligatorias del analizador de espectro, para que puedan realizar los trabajos deseados.
Cursores y marcadores con lecturas de nivel
La capacidad del usuario para interactuar con pantallas y gráficos, p. Ej. La mayoría de los usuarios aprecian acercar y alejar, señalar áreas de interés y agregar diferentes tipos de marcadores. Por ejemplo, si se tiene un espectro que representa una señal de sonido, los valores del cursor armónico pueden ser parte de los resultados de prueba deseados. O cuando se realiza una prueba modal, los marcadores de amortiguación a menudo se incluyen en el análisis.
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Curvas de referencia y curvas de tolerancia
Las curvas de referencia y tolerancia se pueden utilizar como una herramienta de validación de datos, donde los datos se muestran en comparación con alguna referencia esperada, o se muestran junto con alguna figura de tolerancia. También puede proporcionar salidas de activación utilizadas para alarmas y eventos.
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Espectrograma 3D
Múltiples espectros representados sobre un perfil permiten la capacidad de seguir tendencias y revisar los cambios espectrales con respecto a algún perfil. Por ejemplo, en aplicaciones automotrices, una variedad de señales medidas a menudo se analizan sobre un perfil de velocidad.
El nuevo video de presentación de gráficos 3D DewesoftX
Aprende más:
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Operaciones matemáticas
Las operaciones matemáticas pueden proporcionar capacidades de análisis más ampliadas. Las operaciones matemáticas pueden ser todas, desde una simple escala de valores hasta las fórmulas matemáticas más complejas definidas por el usuario. Algunos programas de aplicación también admiten secuencias de comandos matemáticas y tienen los datos matemáticos derivados disponibles como salidas de canal virtual.
Aprende más:
DewesoftX math functions online manual
Eventos y alarmas
Permite que el analizador de espectro notifique al usuario si el análisis de datos se activa en algunas configuraciones definidas por el usuario. También se utiliza como mecanismo de apagado de prueba y para enviar información de alarma a dispositivos de terceros.
Aprende más::
DewesoftX alarms online manual
Informes automáticos
La capacidad de generar informes durante o después de ejecutar pruebas. Algunas aplicaciones de software incluyen herramientas de informes donde el usuario puede crear y modificar informes que contienen gráficos, métricas, metadatos y otra información deseada.
Análisis cruzado con fuentes de medición de terceros
Los análisis de datos cruzados de múltiples fuentes a menudo se valoran cuando un analizador de espectro está recuperando datos de otras fuentes además de los datos de los sensores conectados directamente al dispositivo DAQ.
Por ejemplo, para ver los datos de temperatura de otra fuente de adquisición en relación con los datos medidos por el analizador de espectro.
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Gestión de datos
Las funciones de gestión de datos determinan cómo son los datos medidos y analizados, p. Ej. almacenados, convertidos, importados, exportados y transmitidos.
Dewesoft proporciona almacenamiento de datos sin procesar y almacenamiento en una base de datos de series de tiempo. La base de datos de Dewesoft Historian puede estar ubicada en una unidad de medida local o en el servidor remoto o en la nube.
El almacenamiento de bases de datos de series temporales de Dewesoft Historian para el registro de datos a largo plazo
Monitoreo y análisis distribuidos
División del análisis de los canales del dispositivo DAQ en varias PC que ejecutan el software de la aplicación. De este modo, varios usuarios pueden interactuar y hacer su propio análisis en paralelo sobre las señales proporcionadas a su PC.
Aprende más:
Con un conjunto de tales características y años de experiencia en el campo, las aplicaciones de software se pueden diseñar para realizar trabajos más específicos que guíen y ayuden directamente a los usuarios al abordar el contexto del escenario del usuario.
Vea los diferentes casos de uso de aplicaciones de prueba de Dewesoft.
¿Qué son las aplicaciones del analizador de espectro?
Dewesoft ha construido a lo largo de los años una sólida plataforma de análisis de señales para el análisis espectral. Cubre la mayoría de los escenarios de usuario con respecto a la adquisición de datos y el análisis de todo tipo de señales en el rango de frecuencia de 0Hz a varios MHz. Algunos de estos escenarios incluidos en el software galardonado DewesoftX son:
Monitoreo y mantenimiento predictivo
Monitoreo del estado de la máquina
Ensayos estructurales: análisis modal, procesamiento sinusoidal, análisis FFT
Ensayo y análisis de durabilidad y fatiga
Maquinaria rotativa, balanceo de rotor, análisis de torsión
Análisis de combustión
Pruebas de vibración del cuerpo humano
Potencia, nivel, intensidad y calidad del sonido
Pruebas de respuesta a choques mecánicos, pruebas de caída.
Detección de fallas de rodamientos
Obtenga más información sobre las aplicaciones del analizador de señales de vibración Dewesoft:
¿Para qué más se utilizan los analizadores de espectro?
En este artículo, el enfoque principal se ha centrado en cómo los analizadores de espectro se utilizan en gran medida para analizar los datos adquiridos de sonido, ruido y vibración. Pero también se utilizan otras variantes de analizadores de espectro para otros tipos de medidas. A continuación se muestran algunos ejemplos de uso.
Telecomunicaciones
En la industria de las telecomunicaciones, las pruebas de transmisión y banda ancha de radiofrecuencia (RF) se realizan junto con pruebas en componentes de RF como antenas, cables y osciladores.
Cuando se prueban equipos de RF, el rango de frecuencia de interés es normalmente de MHz a GHz.
Al adquirir y analizar datos en el rango de GHz, normalmente se utiliza una técnica de conversión de RF bien establecida. El convertidor de RF utiliza una técnica heterodina que demodula y cambia el rango de frecuencia de la señal con respecto a una frecuencia de sintonización (frecuencia central).
Por lo tanto, el eje de frecuencia de un espectro de RF a menudo no comenzará en DC - 0Hz, sino en una frecuencia definida por la frecuencia de sintonización y por el ancho de banda alrededor de eso.
Química
En la industria química y farmacéutica, los analizadores de espectro se utilizan para espectroscopía de masas. Producen espectros que representan el contenido iónico de un objeto medido, dividido en líneas espectrales individuales según su relación masa-carga. De este modo, los químicos pueden concluir fácilmente en qué consiste el objeto medido o si contiene impurezas no deseadas.
Partículas fisicas
Otro ejemplo se puede encontrar en el CERN. Cuando las partículas aceleradas chocan y emergen una serie de nuevas partículas, se utilizan analizadores de espectro para representar los datos de los sensores de partículas. Están dividiendo partículas emergidas en líneas espectrales individuales basándose en su relación masa-energía. De esta manera, se ayuda a los físicos a revisar el contenido de las partículas emergentes, ya que las diferentes características de las partículas están separadas en los datos espectrales del dominio masa-energía.
