Forståelse av naturlig frekvens

Definisjon: Hva er en naturlig frekvens?

A naturlig frekvens er den spesifikke frekvensen som et objekt eller system vil oscillere med hvis det blir flyttet fra sin hvileposisjon og deretter tillates å vibrere fritt uten ytre krefter. Det er en iboende, grunnleggende egenskap ved objektet, bestemt utelukkende av dets fysiske egenskaper: dets masse og dens stivhetAlle fysiske objekter, fra en gitarstreng til en bro til en maskins støttestruktur, har én eller flere naturlige frekvenser.

Forholdet mellom masse, stivhet og naturlig frekvens

Forholdet mellom disse tre egenskapene er enkelt og intuitivt:

• Stivhet: En stivere gjenstand har en *høyere* naturlig frekvens. Tenk på en gitarstreng: å stramme strengen (øke stivheten) hever tonehøyden (frekvensen).
• Masse: Et mer massivt objekt har en *lavere* naturlig frekvens. Tenk deg en linjal som henger utenfor kanten av et skrivebord: en lengre, tyngre linjal vil oscillere saktere (lavere frekvens) enn en kortere, lettere.

For et enkelt system med én frihetsgrad beskrives dette forholdet av formelen:

Naturfrekvens (f_n) ∝ √(Stivhet / Masse)

Dette betyr at for å endre et objekts naturlige frekvens, må du endre enten stivheten eller massen (eller begge deler).

Naturfrekvens og resonans: En kritisk forbindelse

Konseptet med egenfrekvens er kritisk viktig innen ingeniørfag og vibrasjonsanalyse på grunn av dens direkte kobling til fenomenet resonans.

Resonans oppstår når en ekstern, periodisk kraft påføres et system med en frekvens som er lik eller svært nær en av dets naturlige frekvenser. Når dette skjer, absorberer systemet energi fra den eksterne kraften svært effektivt, noe som fører til at vibrasjonsamplituden øker dramatisk. Demping er den eneste faktoren som begrenser amplituden fra å vokse uendelig.

Derfor er det så viktig å forstå naturlige frekvenser:

• Forutsi problemer: Hvis du kjenner en maskins driftshastighet og du kjenner de naturlige frekvensene til dens støttestruktur, kan du forutsi om en resonanstilstand sannsynligvis vil oppstå.
• Feilsøking: Hvis en maskin vibrerer overdrevent, er det å identifisere dens naturlige frekvenser et viktig trinn for å avgjøre om resonans er årsaken.

– Unngå feil: Å bruke en maskin ved resonans kan føre til ekstrem vibrasjon, høy belastning og til slutt katastrofal svikt. Den berømte kollapsen av Tacoma Narrows Bridge i 1940 var et dramatisk eksempel på resonans.

Hvordan identifiseres naturlige frekvenser?

De naturlige frekvensene til en maskin eller struktur identifiseres vanligvis ved hjelp av en av følgende metoder:

1. Støttest (eller støttest)

Dette er den vanligste eksperimentelle metoden. Maskinen (mens den ikke er i gang) slås med en instrumentert slaghammer, og den resulterende vibrasjonen måles med et akselerometer. Hammerslaget tilfører et bredt spekter av energi, og strukturen vil naturlig "ringe" ved sine naturlige frekvenser. Disse frekvensene vises som tydelige topper i det resulterende FFT-spekteret.

2. Oppkjørings-/friløpstest

For en løpemaskin kan en oppkjørings- eller nedkjøringstest identifisere naturlige frekvenser. Når maskinens hastighet endres, vil eventuelle roterende krefter (som ubalanse) sveipe gjennom et frekvensområde. Hvis en av disse frekvensene krysser en naturlig frekvens, vil vibrasjonsamplituden vise en tydelig topp ved den hastigheten. Dette er en vanlig måte å finne et systems kritiske hastigheter.

3. Endelig elementanalyse (FEA)

I designfasen bruker ingeniører datamodeller for å beregne de teoretiske egenfrekvensene til en komponent eller struktur før den i det hele tatt bygges. Dette lar dem designe strukturen for å unngå resonansproblemer fra starten av.

Ved å identifisere og forstå et systems naturlige frekvenser, kan ingeniører sikre at maskineri fungerer trygt og pålitelig, unna skadelige resonansforhold.

← Tilbake til hovedindeksen