고유 주파수 이해

정의: 고유 주파수란 무엇인가?

A 고유 진동수 물체나 시스템이 정지 상태에서 외부 힘 없이 자유롭게 진동할 때 발생하는 특정 진동수입니다. 이는 물체의 고유하고 근본적인 속성으로, 전적으로 그 물리적 특성에 의해 결정됩니다. 대량의 그리고 그것의 단단함기타줄부터 브리지, 기계의 지지 구조까지 모든 물리적 물체에는 하나 이상의 고유 진동수가 있습니다.

질량, 강성 및 고유 진동수의 관계

이 세 가지 속성 간의 관계는 간단하고 직관적입니다.

• 단단함: 더 단단한 물체는 *더 높은* 고유 진동수를 갖습니다. 기타 줄을 생각해 보세요. 줄을 조이면(강성이 증가하면) 음높이(진동수)가 높아집니다.
• 대량의: 더 무거운 물체는 *더 낮은* 고유 진동수를 갖습니다. 책상 가장자리에 매달린 자를 생각해 보세요. 더 길고 무거운 자는 더 짧고 가벼운 자보다 더 느리게 진동합니다(더 낮은 진동수).

단순한 단일 자유도 시스템의 경우 이 관계는 다음 공식으로 설명됩니다.

고유 진동수(f_n) ∝ √(강성 / 질량)

즉, 물체의 고유 진동수를 바꾸려면 강성이나 질량(또는 둘 다) 중 하나를 바꿔야 합니다.

고유 진동수와 공명: 중요한 연결

고유 진동수의 개념은 현상과 직접적으로 연결되어 있기 때문에 엔지니어링 및 진동 분석에 매우 중요합니다. 공명.

공명은 외부의 주기적인 힘이 시스템의 고유 진동수와 같거나 매우 가까운 주파수로 시스템에 가해질 때 발생합니다. 이 경우, 시스템은 외부 힘으로부터 에너지를 매우 효율적으로 흡수하여 진동 진폭이 급격히 증가합니다. 진폭이 무한히 커지는 것을 제한하는 유일한 요소는 감쇠입니다.

자연 주파수를 이해하는 것이 매우 중요한 이유는 다음과 같습니다.

• 문제 예측: 기계의 작동 속도와 지지 구조의 고유 진동수를 알고 있다면 공진 조건이 발생할 가능성이 있는지 예측할 수 있습니다.
• 문제 해결: 기계가 과도하게 진동하는 경우, 고유 진동수를 파악하는 것은 공진이 원인인지 확인하는 중요한 단계입니다.

– 실패를 피하는 방법: 기계를 공진 상태에서 작동시키면 극심한 진동, 높은 응력, 그리고 궁극적으로 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다. 1940년 타코마 내로스 다리 붕괴 사고는 공진 현상의 극적인 사례였습니다.

자연 주파수는 어떻게 식별되나요?

기계나 구조물의 고유 진동수는 일반적으로 다음 방법 중 하나를 사용하여 식별됩니다.

1. 충격 테스트(또는 범프 테스트)

가장 일반적인 실험 방법입니다. 기계는 (작동하지 않는 상태에서) 계측된 충격 해머로 타격을 가하고, 그 결과 발생하는 진동은 가속도계로 측정됩니다. 해머 타격은 광범위한 에너지를 입력하며, 구조물은 자연적으로 고유 진동수에서 "울림"을 일으킵니다. 이러한 주파수는 결과 FFT 스펙트럼에서 선명한 피크로 나타납니다.

2. 런업/코스트다운 테스트

작동 중인 기계의 경우, 시동 또는 관성 하강 시험을 통해 고유 진동수를 파악할 수 있습니다. 기계의 속도가 변함에 따라 회전력(예: 불균형)은 여러 주파수 범위를 휩쓸게 됩니다. 이러한 주파수 중 하나가 고유 진동수와 교차하면 진동 진폭은 해당 속도에서 뚜렷한 피크를 보입니다. 이는 시스템의 고유 진동수를 찾는 일반적인 방법입니다. 임계 속도.

3. 유한요소해석(FEA)

설계 단계에서 엔지니어는 컴퓨터 모델을 사용하여 구성 요소나 구조물을 제작하기 전에 이론적 고유 진동수를 계산합니다. 이를 통해 설계 초기부터 공진 문제를 방지하는 구조물을 설계할 수 있습니다.

엔지니어는 시스템의 고유 진동수를 식별하고 이해함으로써 기계가 손상을 주는 공진 조건 없이 안전하고 안정적으로 작동하도록 할 수 있습니다.

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