Dabiskās frekvences izpratne

Definīcija: Kas ir dabiskā frekvence?

A dabiskā frekvence ir specifiskā frekvence, ar kādu objekts vai sistēma svārstīsies, ja to izkustinās no miera stāvokļa un pēc tam ļaus tam brīvi vibrēt bez jebkādiem ārējiem spēkiem. Tā ir objekta raksturīga, fundamentāla īpašība, ko pilnībā nosaka tā fizikālās īpašības: tā masa un tā stīvumsKatram fiziskam objektam, sākot no ģitāras stīgas līdz tiltiņam un mašīnas atbalsta konstrukcijai, ir viena vai vairākas dabiskās frekvences.

Masas, stingrības un dabiskās frekvences saistība

Šo trīs īpašību savstarpējā saistība ir vienkārša un intuitīva:

• Stīvums: Stingrākam objektam ir *augstāka* dabiskā frekvence. Iedomājieties ģitāras stīgu: stīgas pievilkšana (tās stingrības palielināšana) paaugstina skaņas augstumu (frekvenci).
• Masa: Masīvākam objektam ir *zemāka* dabiskā frekvence. Iedomājieties lineālu, kas karājas no galda malas: garāks, smagāks lineāls svārstīsies lēnāk (zemāka frekvence) nekā īsāks, vieglāks.

Vienkāršai vienas brīvības pakāpes sistēmai šo attiecību apraksta formula:

Dabiskā frekvence (f_n) ∝ √(Stīvums / Masa)

Tas nozīmē, ka, lai mainītu objekta dabisko frekvenci, ir jāmaina vai nu tā stingrība, vai masa (vai abi).

Dabiskā frekvence un rezonanse: kritiska saikne

Dabiskās frekvences jēdziens ir ārkārtīgi svarīgs inženierzinātnēs un vibrācijas analīzē, jo tas ir tieši saistīts ar parādību rezonanse.

Rezonanse rodas, kad sistēmai tiek pielikts ārējs, periodisks spēks ar frekvenci, kas ir vienāda ar vai ļoti tuva vienai no tās dabiskajām frekvencēm. Kad tas notiek, sistēma ļoti efektīvi absorbē enerģiju no ārējā spēka, izraisot vibrācijas amplitūdas dramatisku pieaugumu. Slāpēšana ir vienīgais faktors, kas ierobežo amplitūdas bezgalīgo pieaugumu.

Tāpēc dabisko frekvenču izpratne ir tik svarīga:

• Problēmu prognozēšana: Ja zināt mašīnas darbības ātrumu un tās nesošās konstrukcijas dabiskās frekvences, varat paredzēt, vai ir iespējama rezonanses situācija.
• Problēmu novēršana: Ja mašīna pārmērīgi vibrē, tās dabisko frekvenču noteikšana ir galvenais solis, lai noteiktu, vai cēlonis ir rezonanse.

– Izvairīšanās no neveiksmes: Mašīnas darbināšana rezonanses apstākļos var izraisīt ārkārtēju vibrāciju, lielu spriegumu un galu galā katastrofālu bojājumu. Slavenais Takomas šauruma tilta sabrukums 1940. gadā bija dramatisks rezonanses piemērs.

Kā tiek identificētas dabiskās frekvences?

Mašīnas vai konstrukcijas dabiskās frekvences parasti tiek noteiktas, izmantojot vienu no šīm metodēm:

1. Trieciena pārbaude (vai sadursmes pārbaude)

Šī ir visizplatītākā eksperimentālā metode. Mašīnai (kad tā nedarbojas) tiek uzsists ar instrumentālu trieciena āmuru, un iegūto vibrāciju mēra ar akselerometru. Āmurs rada plašu enerģijas diapazonu, un struktūra dabiski "zvana" savās dabiskajās frekvencēs. Šīs frekvences parādās kā skaidri maksimumi iegūtajā FFT spektrā.

2. Iedarbināšanas/apstrādes tests

Iedarbinātai mašīnai ieskrējiena vai ripošanas tests var noteikt dabiskās frekvences. Mainoties mašīnas ātrumam, visi rotējošie spēki (piemēram, disbalanss) pārvietojas pa frekvenču diapazonu. Ja kāda no šīm frekvencēm šķērso dabisko frekvenci, vibrācijas amplitūda pie šī ātruma parādīs atšķirīgu maksimumu. Šis ir izplatīts veids, kā atrast sistēmas kritiskie ātrumi.

3. Galīgo elementu analīze (FEA)

Projektēšanas fāzē inženieri izmanto datormodeļus, lai aprēķinātu komponenta vai konstrukcijas teorētiskās dabiskās frekvences, pirms tā pat ir uzbūvēta. Tas ļauj viņiem projektēt konstrukciju, lai jau no paša sākuma izvairītos no rezonanses problēmām.

Identificējot un izprotot sistēmas dabiskās frekvences, inženieri var nodrošināt, ka iekārtas darbojas droši un uzticami, prom no kaitīgiem rezonanses apstākļiem.

← Atpakaļ uz galveno indeksu