Natūralaus dažnio supratimas

Apibrėžimas: Kas yra natūralus dažnis?

A natūralus dažnis yra konkretus dažnis, kuriuo objektas arba sistema svyruos, jei jis bus pajudintas iš savo ramybės padėties ir tada leistas laisvai vibruoti be jokių išorinių jėgų. Tai yra būdinga, esminė objekto savybė, kurią visiškai lemia jo fizinės savybės: jo masė ir jo standumasKiekvienas fizinis objektas – nuo gitaros stygos iki tiltelio ir mašinos atraminės konstrukcijos – turi vieną ar daugiau natūralių dažnių.

Masės, standumo ir natūralaus dažnio ryšys

Šių trijų savybių ryšys yra paprastas ir intuityvus:

• Standumas: Standesnis objektas turi *aukštesnį* natūralų dažnį. Įsivaizduokite gitaros stygą: įtempus stygą (padidinus jos standumą), pakyla tono aukštis (dažnis).
• Masė: Masyvesnis objektas turi *mažesnį* natūralų dažnį. Įsivaizduokite liniuotę, kabančią nuo stalo krašto: ilgesnė, sunkesnė liniuotė svyruos lėčiau (žemesnio dažnio) nei trumpesnė, lengvesnė.

Paprastai vieno laisvės laipsnio sistemai šis ryšys aprašomas formule:

Natūralus dažnis (f_n) ∝ √(Standumas / Masė)

Tai reiškia, kad norint pakeisti objekto natūralų dažnį, reikia pakeisti jo standumą arba masę (arba abu).

Natūralus dažnis ir rezonansas: esminis ryšys

Natūralaus dažnio sąvoka yra nepaprastai svarbi inžinerijoje ir vibracijų analizėje dėl jos tiesioginio ryšio su reiškiniu rezonansas.

Rezonansas atsiranda, kai sistemai veikiama išorinė, periodinė jėga, kurios dažnis yra lygus arba labai artimas vienam iš jos natūraliųjų dažnių. Kai taip nutinka, sistema labai efektyviai sugeria išorinės jėgos energiją, todėl jos virpesių amplitudė smarkiai išauga. Slopinimas yra vienintelis veiksnys, ribojantis amplitudės augimą be galo.

Štai kodėl taip svarbu suprasti natūralius dažnius:

• Prognozavimo problemos: Jei žinote mašinos veikimo greitį ir jos atraminės konstrukcijos natūraliuosius dažnius, galite numatyti, ar tikėtina rezonansinė būsena.
• Trikčių šalinimas: Jei mašina pernelyg vibruoja, jos natūralių dažnių nustatymas yra pagrindinis žingsnis nustatant, ar rezonansas yra priežastis.

– Nesėkmių vengimas: Mašinos veikimas rezonanso būsenoje gali sukelti didelę vibraciją, didelį įtempį ir galiausiai katastrofišką gedimą. Garsioji Tacoma Narrows tilto griūtis 1940 m. buvo dramatiškas rezonanso pavyzdys.

Kaip nustatomi natūralūs dažniai?

Mašinos ar konstrukcijos natūralūs dažniai paprastai nustatomi vienu iš šių metodų:

1. Smūgio bandymas (arba smūgio bandymas)

Tai yra labiausiai paplitęs eksperimentinis metodas. Į įrenginį (kai jis neveikia) smogiama smūginiu plaktuku, o susidariusi vibracija matuojama akselerometru. Plaktuko smūgis sukuria platų energijos diapazoną, todėl konstrukcija natūraliai „skambės“ savo natūraliais dažniais. Šie dažniai atsiranda kaip aiškūs pikai gautame FFT spektre.

2. Įsibėgėjimo / lėtėjimo bandymas

Veikiančioje mašinoje įsibėgėjimo arba lėtėjimo bandymas gali nustatyti natūralius dažnius. Keičiantis mašinos greičiui, bet kokios sukamosios jėgos (pvz., disbalansas) pereis per dažnių diapazoną. Jei vienas iš šių dažnių kerta natūralų dažnį, vibracijos amplitudė tuo greičiu parodys aiškų piką. Tai yra įprastas būdas rasti sistemos... kritiniai greičiai.

3. Baigtinių elementų analizė (FEA)

Projektavimo etape inžinieriai, dar prieš pastatydami komponentą ar konstrukciją, naudoja kompiuterinius modelius, kad apskaičiuotų teorinius natūralius dažnius. Tai leidžia jiems projektuoti konstrukciją taip, kad nuo pat pradžių būtų išvengta rezonanso problemų.

Nustatydami ir suprasdami sistemos natūralius dažnius, inžinieriai gali užtikrinti, kad mašinos veiktų saugiai ir patikimai, vengdamos žalingų rezonansinių sąlygų.

← Atgal į pagrindinį rodyklę