درک فرکانس طبیعی

تعریف: فرکانس طبیعی چیست؟

آ فرکانس طبیعی فرکانس خاصی است که در آن یک جسم یا سیستم اگر از موقعیت سکون خود مختل شود و سپس اجازه داده شود بدون هیچ نیروی خارجی آزادانه ارتعاش کند، نوسان خواهد کرد. این یک ویژگی ذاتی و اساسی جسم است که کاملاً توسط ویژگی‌های فیزیکی آن تعیین می‌شود: جرم و آن سفتیهر جسم فیزیکی، از یک سیم گیتار گرفته تا یک پل و سازه نگهدارنده یک ماشین، یک یا چند فرکانس طبیعی دارد.

رابطه بین جرم، سختی و فرکانس طبیعی

رابطه بین این سه ویژگی ساده و شهودی است:

• سختی: یک جسم سفت‌تر، فرکانس طبیعی *بالاتری* دارد. به یک سیم گیتار فکر کنید: سفت کردن سیم (افزایش سفتی آن) زیر و بمی (فرکانس) را افزایش می‌دهد.
• جرم: یک جسم سنگین‌تر، فرکانس طبیعی *پایین‌تری* دارد. به یک خط‌کش که از لبه میز آویزان است فکر کنید: یک خط‌کش بلندتر و سنگین‌تر، کندتر (فرکانس پایین‌تر) از یک خط‌کش کوتاه‌تر و سبک‌تر نوسان می‌کند.

برای یک سیستم ساده تک درجه آزادی، این رابطه با فرمول زیر توصیف می‌شود:

فرکانس طبیعی (f_n) ∝ √(سختی / جرم)

این بدان معناست که برای تغییر فرکانس طبیعی یک جسم، باید سختی یا جرم آن (یا هر دو) را تغییر دهید.

فرکانس طبیعی و رزونانس: یک ارتباط حیاتی

مفهوم فرکانس طبیعی به دلیل ارتباط مستقیم آن با پدیده ... در مهندسی و تحلیل ارتعاشات بسیار مهم است. رزونانس.

رزونانس زمانی رخ می‌دهد که یک نیروی خارجی و تناوبی با فرکانسی برابر یا بسیار نزدیک به یکی از فرکانس‌های طبیعی سیستم به آن اعمال شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، سیستم انرژی را از نیروی خارجی به طور بسیار موثری جذب می‌کند و باعث می‌شود دامنه ارتعاش آن به طور چشمگیری افزایش یابد. میرایی تنها عاملی است که مانع از رشد بی‌نهایت دامنه می‌شود.

به همین دلیل است که درک فرکانس‌های طبیعی بسیار مهم است:

• پیش‌بینی مشکلات: اگر سرعت عملکرد یک ماشین و فرکانس‌های طبیعی سازه نگهدارنده آن را بدانید، می‌توانید پیش‌بینی کنید که آیا احتمال وقوع شرایط تشدید وجود دارد یا خیر.
• عیب‌یابی: اگر دستگاهی بیش از حد ارتعاش داشته باشد، شناسایی فرکانس‌های طبیعی آن گامی کلیدی در تعیین این است که آیا علت آن رزونانس است یا خیر.

– اجتناب از شکست: کار کردن یک ماشین در حالت رزونانس می‌تواند منجر به ارتعاش شدید، تنش زیاد و در نهایت خرابی فاجعه‌بار شود. فروریختن معروف پل تاکوما ناروز در سال ۱۹۴۰ نمونه‌ای چشمگیر از رزونانس بود.

فرکانس‌های طبیعی چگونه شناسایی می‌شوند؟

فرکانس‌های طبیعی یک ماشین یا سازه معمولاً با استفاده از یکی از روش‌های زیر شناسایی می‌شوند:

۱. تست ضربه (یا تست ضربه)

این رایج‌ترین روش تجربی است. دستگاه (در حالی که کار نمی‌کند) با یک چکش ضربه‌ای مجهز به ابزار ضربه زده می‌شود و ارتعاش حاصل با یک شتاب‌سنج اندازه‌گیری می‌شود. ضربه چکش طیف وسیعی از انرژی را وارد می‌کند و سازه به طور طبیعی در فرکانس‌های طبیعی خود "زنگ می‌زند". این فرکانس‌ها به صورت پیک‌های واضح در طیف FFT حاصل ظاهر می‌شوند.

۲. آزمون بالا آمدن/پایین آمدن از سطح آب

برای یک دستگاه در حال کار، آزمایش بالا آمدن یا پایین آمدن می‌تواند فرکانس‌های طبیعی را شناسایی کند. با تغییر سرعت دستگاه، هرگونه نیروی چرخشی (مانند عدم تعادل) در طیف وسیعی از فرکانس‌ها حرکت می‌کند. اگر یکی از این فرکانس‌ها از فرکانس طبیعی عبور کند، دامنه ارتعاش در آن سرعت یک پیک مشخص نشان می‌دهد. این یک روش معمول برای یافتن فرکانس‌های طبیعی یک سیستم است. سرعت‌های بحرانی.

۳. تحلیل المان محدود (FEA)

در طول مرحله طراحی، مهندسان از مدل‌های کامپیوتری برای محاسبه فرکانس‌های طبیعی نظری یک جزء یا سازه قبل از ساخت آن استفاده می‌کنند. این به آنها اجازه می‌دهد تا سازه را طوری طراحی کنند که از همان ابتدا از مشکلات رزونانس جلوگیری شود.

با شناسایی و درک فرکانس‌های طبیعی یک سیستم، مهندسان می‌توانند اطمینان حاصل کنند که ماشین‌آلات با خیال راحت و قابل اعتماد و به دور از شرایط رزونانس مخرب کار می‌کنند.

← بازگشت به فهرست اصلی