Razumijevanje prirodne frekvencije

Definicija: Što je prirodna frekvencija?

A prirodna frekvencija je specifična frekvencija na kojoj će objekt ili sustav oscilirati ako se poremeti iz svog položaja mirovanja, a zatim se dopusti da slobodno vibrira bez ikakvih vanjskih sila. To je inherentno, temeljno svojstvo objekta, u potpunosti određeno njegovim fizičkim karakteristikama: njegovim masa i njegove ukočenostSvaki fizički objekt, od žice gitare do mosta i potporne strukture stroja, ima jednu ili više prirodnih frekvencija.

Odnos između mase, krutosti i prirodne frekvencije

Odnos između ova tri svojstva je jednostavan i intuitivan:

• Ukočenost: Krući objekt ima *višu* prirodnu frekvenciju. Zamislite žicu gitare: zatezanje žice (povećanje njezine krutosti) podiže visinu tona (frekvenciju).
• Masa: Masivniji objekt ima *nižu* prirodnu frekvenciju. Zamislite ravnalo koje visi s ruba stola: dulje, teže ravnalo oscilirat će sporije (niža frekvencija) od kraćeg, lakšeg.

Za jednostavan sustav s jednim stupnjem slobode, ovaj odnos je opisan formulom:

Prirodna frekvencija (f_n) ∝ √(Krutost / Masa)

To znači da za promjenu prirodne frekvencije objekta morate promijeniti ili njegovu krutost ili masu (ili oboje).

Prirodna frekvencija i rezonanca: kritična veza

Koncept prirodne frekvencije je kritično važan u inženjerstvu i analizi vibracija zbog svoje izravne veze s fenomenom rezonancija.

Rezonancija se javlja kada se na sustav primjenjuje vanjska, periodična sila frekvencije koja je jednaka ili vrlo blizu jednoj od njegovih prirodnih frekvencija. Kada se to dogodi, sustav vrlo učinkovito apsorbira energiju vanjske sile, uzrokujući dramatičan porast amplitude vibracija. Prigušenje je jedini faktor koji ograničava beskonačan rast amplitude.

Zato je razumijevanje prirodnih frekvencija toliko važno:

• Predviđanje problema: Ako znate radnu brzinu stroja i prirodne frekvencije njegove noseće strukture, možete predvidjeti hoće li se vjerojatno pojaviti rezonancija.
• Rješavanje problema: Ako stroj prekomjerno vibrira, identificiranje njegovih prirodnih frekvencija ključni je korak u određivanju je li uzrok rezonancija.

– Izbjegavanje neuspjeha: Rad stroja u rezonanciji može dovesti do ekstremnih vibracija, visokog naprezanja i na kraju katastrofalnog kvara. Poznato urušavanje mosta Tacoma Narrows 1940. godine bio je dramatičan primjer rezonancije.

Kako se identificiraju prirodne frekvencije?

Prirodne frekvencije stroja ili strukture obično se identificiraju jednom od sljedećih metoda:

1. Ispitivanje udarom (ili bump test)

Ovo je najčešća eksperimentalna metoda. Stroj (dok ne radi) udara se instrumentiranim udarnim čekićem, a rezultirajuća vibracija mjeri se akcelerometrom. Udarac čekića unosi širok raspon energije, a struktura će prirodno "zvoniti" na svojim prirodnim frekvencijama. Te se frekvencije pojavljuju kao jasni vrhovi u rezultirajućem FFT spektru.

2. Ispitivanje ubrzanja / zaustavljanja

Za stroj u radu, test pokretanja ili zaustavljanja može identificirati prirodne frekvencije. Kako se brzina stroja mijenja, sve rotirajuće sile (poput neravnoteže) proći će kroz raspon frekvencija. Ako jedna od tih frekvencija prijeđe prirodnu frekvenciju, amplituda vibracija pokazat će izrazit vrh pri toj brzini. Ovo je uobičajen način za pronalaženje vrijednosti sustava... kritične brzine.

3. Analiza konačnih elemenata (FEA)

Tijekom faze projektiranja, inženjeri koriste računalne modele za izračun teorijskih prirodnih frekvencija komponente ili strukture prije nego što je uopće izgrađena. To im omogućuje da projektiraju strukturu kako bi od samog početka izbjegli probleme s rezonancijom.

Identificiranjem i razumijevanjem prirodnih frekvencija sustava, inženjeri mogu osigurati da strojevi rade sigurno i pouzdano, daleko od štetnih rezonantnih uvjeta.

← Natrag na glavni indeks