주파수 응답 함수(FRF) 이해
그 주파수 응답 함수(FRF) 은 구조, 구성 요소 또는 시스템이 적용된 여기력에 주파수의 함수로 어떻게 반응하는지를 설명합니다. 간단히 말해서, 시스템이 얼마나 많은 양의 진동 를 알려진 힘으로 "타격"할 때 각 주파수에서 측정합니다. FRF는 구조 동역학의 초석이며, 모달 분석 및 공명 탐지하는 가장 직접적인 방법이며, 이는 머신의 고유 진동수 문제를 일으키기 전에 찾아내는 방법입니다.
수학적으로 FRF는 전달 함수 측정된 출력 응답(대부분 가속도)와 측정된 입력 힘을 관련짓는 것입니다:
FRF = 출력 응답 / 입력 힘
출력과 입력은 모두 주파수의 함수이며, FRF 자체는 복합 함수이며 — 두 가지 정보를 모두 담고 있습니다. 진폭 및 단계 모든 주파수 라인에서 정보를 제공합니다. 이 위상 콘텐츠는 FRF가 일반적인 운영 정보보다 훨씬 더 많은 정보를 제공하는 이유입니다. 스펙트럼, 즉 응답은 기록하지만 그 원인이 된 힘은 기록하지 않는 값입니다.
1. 정의: FRF가 실제로 측정하는 것
일반적인 진동 스펙트럼은 기계가 얼마나 세게 흔들리고 있는지 알려주지만, 다음과 같은 정보는 알려주지 않습니다. 왜. FRF는 보다 근본적인 질문, 즉 구동되는 강도에 관계없이 각 주파수에서 모션을 증폭하는 구조의 고유한 경향은 무엇인가에 대한 답을 제공합니다. 알려진 입력 힘으로 응답을 정규화하기 때문에 FRF는 구조 자체의 특성 (질량, 강성 및 강성)입니다. 감쇠 — 어떤 날 우연히 존재하는 힘과는 무관합니다. 사용되는 응답 단위에 따라 동일한 측정값이 가속도 응답(accelerance, 가속도/힘), 모빌리티(mobility, 속도/힘), 컴플라이언스(receptance, 변위/힘) 등으로 다르게 불리지만, 모두 FRF의 한 형태입니다.
2. FRF는 어떻게 측정하나요?
고전적인 필드 방법은 범프 테스트, 충격 테스트라고도 합니다:
- 안 가속도계 응답을 측정할 지점의 구조물에 장착됩니다.
- 구조물은 선택한 지점에서 다음으로 타격됩니다: 계측된 망치 - 각 충격의 입력 힘을 측정하는 힘 센서(로드셀)가 팁에 내장된 망치입니다.
- 다중 채널 진동 분석기 망치의 입력 신호와 가속도계의 출력 신호를 동시에 기록합니다.
- 분석기는 FFT 를 두 신호 모두에 적용하여 각 주파수 라인에서 출력 대 입력의 비율을 계산합니다. 이 비율이 바로 FRF입니다.
이 과정을 여러 번의 충격에 걸쳐 반복하고 그 결과를 평균화하여 무작위 노이즈를 억제하고 깨끗하고 신뢰할 수 있는 측정값을 산출합니다. 코히어런스 함수는 품질 검사로 FRF와 함께 계산됩니다. 관심 대역 전체에서 1.0에 가까운 일관성은 측정된 응답이 실제로 외부 노이즈, 센서의 잘못된 장착 또는 이중 해머 타격이 아닌 측정된 입력에 의해 발생했음을 확인합니다.
3. FRF 플롯 해석
FRF는 일반적으로 함께 읽어야 하는 한 쌍의 플롯으로 표시됩니다:
- 크기 플롯: 는 주파수 대비 FRF의 진폭을 보여줍니다. 여기에는 뚜렷한 피크가 포함되어 있으며 각 피크의 주파수는 자연(공진) 주파수 를 나타냅니다. 각 피크의 높이와 선명도는 거기에서 얼마나 많은 증폭이 발생하고 얼마나 많은 감쇠 높고 좁은 피크는 가벼운 댐핑과 강한 증폭을 의미하며, 낮고 넓은 피크는 무거운 댐핑을 의미합니다.
- 위상 플롯: 은 주파수에 대한 응답과 입력 힘 사이의 위상 변화를 보여줍니다. 주파수가 공진을 통과할 때 위상은 특징적으로 180° 이동하여 고유 주파수에서 정확히 90°를 통과합니다. 이 위상 동작은 피크가 측정 인공물이 아니라 실제로 공진이라는 것을 최종적으로 확인할 수 있는 증거입니다.
두 플롯을 함께 읽는 것이 안전 장치입니다. 진품 모드에서는 크기 피크와 일치하는 위상 롤오버가 모두 표시되지만, 가짜 피크는 일반적으로 표시되지 않습니다.
4. 진동 진단 응용 분야
FRF는 기계 및 지지 구조물의 공진 문제를 진단하고 치료하는 데 없어서는 안 될 도구입니다:
- 고유 주파수 식별: 주요 용도 - 기계, 베이스 플레이트, 연결된 배관 또는 주변의 고유 진동수를 정확히 파악합니다. 지원 구조.
- 공명 확인: 기계가 사용 중 특정 주파수에서 심하게 진동하는 경우, FRF 측정을 통해 해당 작동 주파수가 구조적 고유 주파수와 일치하는지 여부를 알 수 있습니다. 작동 중인 스펙트럼의 피크가 FRF의 피크와 일치하면 공진이 높은 진동의 근본 원인으로 확인되며, 이는 스펙트럼 데이터만으로는 알 수 없는 훨씬 더 결정적인 해답을 제공합니다.
- 모달 분석: 구조물 전체의 여러 지점에서 FRF를 측정하여 진동 모드의 전체 모델인 모드 형상, 또는 공진 시 처짐 모양을 만들 수 있습니다. 이 모델은 각 모드의 주파수뿐만 아니라 구조가 변형되는 모양도 보여줍니다.
- 구조 수정(“가정” 분석): 공명이 확인되면 모달 모델은 금속을 절단하기 전에 후보 수정(예: 보강재 또는 튜닝 매스 추가)의 효과를 시뮬레이션할 수 있으므로 선택한 수정 방법이 미리 작동하는 것으로 알려져 있습니다.
5. 회전 기계에서 FRF가 중요한 이유
공진은 올바르게 장착된 로터에 문제가 발생하는 가장 일반적인 이유 중 하나입니다. 균형 잡힌 여전히 진동이 너무 심합니다. 기계의 운전 속도 구조적 고유 진동수와 일치하는 경우, 심지어 아주 미세한 잔류 불균형 가 크게 증폭되어 아무리 밸런싱을 강화해도 진동이 줄어들지 않습니다. 로터가 균형을 잡지 못하면 FRF 또는 범프 테스트가 밸런싱 엔지니어의 툴킷에 포함되어야 하는 이유도 바로 이 때문입니다. 로터 자체보다는 공진 지지대가 진짜 원인인지 FRF를 통해 확인할 수 있기 때문입니다. 현장에서는 다음과 같은 휴대용 2채널 분석기와 같은 단일 계측기로 이 작업을 수행하는 경우가 많습니다. 발란셋-1A 는 주행 상태를 특징짓는 1배 진폭과 위상을 포착할 수 있으며, 정지된 구조물에 대한 범프 테스트는 작동 속도가 흥분할 수 있는 인근 고유 주파수를 식별할 수 있습니다. 주행 속도와 구조물의 공진 사이의 분리를 확인합니다. 자연 주파수 계산기, 도구의 도움으로 밸런싱만으로는 결코 해결할 수 없었던 고질적인 진동의 원인을 설명하는 경우가 많습니다.
