Разбиране на естествената честота

Определение: Какво е естествена честота?

A естествена честота е специфичната честота, с която даден обект или система ще трепти, ако бъде разсеяна от положението си на покой и след това бъде оставена да вибрира свободно без никакви външни сили. Това е присъщо, фундаментално свойство на обекта, определено изцяло от неговите физически характеристики: неговите маса и неговите скованостВсеки физически обект, от китарна струна до мост и носеща конструкция на машина, има една или повече собствени честоти.

Връзката между маса, твърдост и естествена честота

Връзката между тези три свойства е проста и интуитивна:

• Твърдост: По-твърд обект има *по-висока* естествена честота. Представете си струна на китара: затягането на струната (увеличаването на нейната твърдост) повишава височината на тона (честотата).
• Маса: По-масивен обект има *по-ниска* собствена честота. Представете си линийка, окачена на ръба на бюро: по-дълга и по-тежка линийка ще трепти по-бавно (с по-ниска честота) от по-къса и по-лека.

За проста система с една степен на свобода, тази връзка се описва с формулата:

Собствена честота (f_n) ∝ √(Коравина / Маса)

Това означава, че за да промените естествената честота на даден обект, трябва да промените или неговата твърдост, или масата му (или и двете).

Собствена честота и резонанс: критична връзка

Концепцията за естествена честота е от решаващо значение в инженерството и вибрационния анализ поради пряката ѝ връзка с феномена... резонанс.

Резонансът възниква, когато външна, периодична сила се прилага към система с честота, равна или много близка до една от нейните естествени честоти. Когато това се случи, системата абсорбира енергия от външната сила много ефективно, което води до драстично нарастване на амплитудата на вибрациите ѝ. Затихването е единственият фактор, който ограничава безкрайното нарастване на амплитудата.

Ето защо разбирането на естествените честоти е толкова важно:

• Прогнозиране на проблеми: Ако знаете работната скорост на машината и знаете естествените честоти на нейната носеща конструкция, можете да предвидите дали е вероятно да възникне резонансно състояние.
• Отстраняване на неизправности: Ако една машина вибрира прекомерно, идентифицирането на нейните естествени честоти е ключова стъпка за определяне дали причината е резонансът.

– Избягване на неуспех: Работата на машина в резонансно състояние може да доведе до екстремни вибрации, високо напрежение и в крайна сметка до катастрофална повреда. Известното срутване на моста Такома Нароус през 1940 г. е драматичен пример за резонанс.

Как се идентифицират естествените честоти?

Собствените честоти на машина или конструкция обикновено се идентифицират с помощта на един от следните методи:

1. Тестване на удар (или тест за устойчиво на удар)

Това е най-разпространеният експериментален метод. Машината (докато не работи) се удря с инструментален ударен чук и получената вибрация се измерва с акселерометър. Ударът на чука въвежда широк диапазон от енергия и структурата естествено ще „звъни“ на собствените си честоти. Тези честоти се показват като ясни пикове в получения FFT спектър.

2. Тест за разгръщане/ускорение

За работеща машина, тест за разгръщане или движение по инерция може да идентифицира собствените честоти. С промяната на скоростта на машината, всички въртящи се сили (като дисбаланс) ще преминат през диапазон от честоти. Ако една от тези честоти пресече собствена честота, амплитудата на вибрациите ще покаже отчетлив пик при тази скорост. Това е често срещан начин за намиране на системата. критични скорости.

3. Анализ на крайни елементи (FEA)

По време на фазата на проектиране, инженерите използват компютърни модели, за да изчислят теоретичните естествени честоти на даден компонент или конструкция, преди дори да бъде построена. Това им позволява да проектират конструкцията така, че да избегнат проблеми с резонанса от самото начало.

Чрез идентифициране и разбиране на естествените честоти на системата, инженерите могат да гарантират, че машините работят безопасно и надеждно, далеч от вредни резонансни условия.

← Обратно към основния индекс