Înțelegerea frecvenței naturale

Definiție: Ce este o frecvență naturală?

A frecvență naturală este frecvența specifică la care un obiect sau sistem va oscila dacă este deranjat din poziția sa de repaus și apoi lăsat să vibreze liber fără nicio forță externă. Este o proprietate inerentă, fundamentală a obiectului, determinată în întregime de caracteristicile sale fizice: masa și a sa rigiditateFiecare obiect fizic, de la o coardă de chitară la o punte și până la structura de susținere a unei mașini, are una sau mai multe frecvențe naturale.

Relația dintre masă, rigiditate și frecvență naturală

Relația dintre aceste trei proprietăți este simplă și intuitivă:

• Rigiditate: Un obiect mai rigid are o frecvență naturală *mai mare*. Gândiți-vă la o coardă de chitară: strângerea coardei (creșterea rigidității acesteia) ridică înălțimea sunetului (frecvența).
• Masa: Un obiect mai masiv are o frecvență naturală *mai mică*. Gândiți-vă la o riglă atârnată de marginea unui birou: o riglă mai lungă și mai grea va oscila mai lent (frecvență mai mică) decât una mai scurtă și mai ușoară.

Pentru un sistem simplu cu un singur grad de libertate, această relație este descrisă de formula:

Frecvența naturală (f)_n) ∝ √(Rigiditate / Masă)

Aceasta înseamnă că, pentru a schimba frecvența naturală a unui obiect, trebuie să îi schimbi fie rigiditatea, fie masa (sau ambele).

Frecvența naturală și rezonanța: o conexiune critică

Conceptul de frecvență naturală este de o importanță critică în inginerie și analiza vibrațiilor datorită legăturii sale directe cu fenomenul de rezonanţă.

Rezonanța apare atunci când o forță externă, periodică, este aplicată unui sistem la o frecvență egală sau foarte apropiată de una dintre frecvențele sale naturale. Când se întâmplă acest lucru, sistemul absoarbe foarte eficient energia din forța externă, determinând creșterea dramatică a amplitudinii vibrațiilor sale. Amortizarea este singurul factor care limitează creșterea infinită a amplitudinii.

De aceea, înțelegerea frecvențelor naturale este atât de importantă:

• Prezicerea problemelor: Dacă cunoașteți viteza de funcționare a unei mașini și cunoașteți frecvențele naturale ale structurii sale de susținere, puteți prezice dacă este probabilă apariția unei condiții de rezonanță.
• Depanare: Dacă o mașină vibrează excesiv, identificarea frecvențelor sale naturale este un pas cheie în determinarea dacă rezonanța este cauza.

– Evitarea eșecului: Funcționarea unei mașini la rezonanță poate duce la vibrații extreme, solicitări mari și, în cele din urmă, la defecțiuni catastrofale. Faimoasa prăbușire a podului Tacoma Narrows din 1940 a fost un exemplu dramatic de rezonanță.

Cum sunt identificate frecvențele naturale?

Frecvențele naturale ale unei mașini sau structuri sunt de obicei identificate folosind una dintre următoarele metode:

1. Testarea la impact (sau testul de lovire)

Aceasta este cea mai comună metodă experimentală. Mașina (în timp ce nu funcționează) este lovită cu un ciocan de impact instrumentat, iar vibrația rezultată este măsurată cu un accelerometru. Lovitura ciocanului introduce o gamă largă de energie, iar structura va „suna” în mod natural la frecvențele sale naturale. Aceste frecvențe apar ca vârfuri clare în spectrul FFT rezultat.

2. Test de pornire / demarare liberă

Pentru o mașină în funcțiune, un test de pornire rapidă sau de decelerare liberă poate identifica frecvențele naturale. Pe măsură ce viteza mașinii se schimbă, orice forțe de rotație (cum ar fi dezechilibrul) vor parcurge o gamă de frecvențe. Dacă una dintre aceste frecvențe traversează o frecvență naturală, amplitudinea vibrației va arăta un vârf distinct la acea viteză. Aceasta este o modalitate obișnuită de a găsi frecvențele unui sistem... viteze critice.

3. Analiza cu elemente finite (FEA)

În faza de proiectare, inginerii folosesc modele computerizate pentru a calcula frecvențele naturale teoretice ale unei componente sau structuri chiar înainte de a fi construită. Acest lucru le permite să proiecteze structura pentru a evita problemele de rezonanță de la bun început.

Prin identificarea și înțelegerea frecvențelor naturale ale unui sistem, inginerii se pot asigura că utilajele funcționează în siguranță și fiabil, departe de condiții rezonante dăunătoare.

← Înapoi la indexul principal