Razumevanje naravne frekvence

Definicija: Kaj je naravna frekvenca?

A naravna frekvenca je specifična frekvenca, s katero bo objekt ali sistem nihal, če ga zmotimo iz mirujočega položaja in mu nato dovolimo prosto vibrirati brez kakršnih koli zunanjih sil. Je inherentna, temeljna lastnost objekta, ki jo v celoti določajo njegove fizikalne značilnosti: njegove masa in njegovo togostVsak fizični predmet, od kitarske strune do mostu in nosilne strukture stroja, ima eno ali več naravnih frekvenc.

Razmerje med maso, togostjo in naravno frekvenco

Razmerje med temi tremi lastnostmi je preprosto in intuitivno:

• Togost: Trši predmet ima *višjo* naravno frekvenco. Predstavljajte si struno kitare: zategovanje strune (povečanje njene togosti) zviša višino tona (frekvenco).
• Masa: Masivnejši predmet ima *nižjo* naravno frekvenco. Predstavljajte si ravnilo, ki visi z roba mize: daljše in težje ravnilo bo nihalo počasneje (nižja frekvenca) kot krajše in lažje.

Za preprost sistem z eno stopnjo svobode je ta odnos opisan s formulo:

Naravna frekvenca (f_n) ∝ √(Togost / Masa)

To pomeni, da morate za spremembo naravne frekvence predmeta spremeniti bodisi njegovo togost bodisi maso (ali oboje).

Naravna frekvenca in resonanca: kritična povezava

Koncept naravne frekvence je ključnega pomena v inženirstvu in analizi vibracij zaradi njene neposredne povezave s pojavom resonanca.

Resonanca se pojavi, ko na sistem deluje zunanja, periodična sila s frekvenco, ki je enaka ali zelo blizu eni od njegovih naravnih frekvenc. Ko se to zgodi, sistem zelo učinkovito absorbira energijo zunanje sile, zaradi česar se njegova amplituda vibracij dramatično poveča. Dušenje je edini dejavnik, ki omejuje neskončno naraščanje amplitude.

Zato je razumevanje naravnih frekvenc tako ključnega pomena:

• Napovedovanje težav: Če poznate delovno hitrost stroja in naravne frekvence njegove nosilne konstrukcije, lahko predvidite, ali bo verjetno prišlo do resonance.
• Odpravljanje težav: Če stroj prekomerno vibrira, je prepoznavanje njegovih naravnih frekvenc ključni korak pri ugotavljanju, ali je vzrok resonanca.

– Izogibanje neuspehu: Delovanje stroja pri resonanci lahko povzroči ekstremne vibracije, visoke obremenitve in na koncu katastrofalno okvaro. Znani zrušitev mostu Tacoma Narrows leta 1940 je bil dramatičen primer resonance.

Kako se prepoznajo naravne frekvence?

Naravne frekvence stroja ali konstrukcije se običajno določijo z eno od naslednjih metod:

1. Preizkus udarcev (ali preizkus z udarci)

To je najpogostejša eksperimentalna metoda. Stroj (medtem ko ne deluje) se udari z instrumentalnim udarnim kladivom, nastale vibracije pa se izmerijo z merilnikom pospeška. Udarec kladiva vnese širok razpon energije in struktura bo naravno »zvonila« pri svojih naravnih frekvencah. Te frekvence se kažejo kot jasni vrhovi v nastalem FFT spektru.

2. Preskus zagona/iztekanja

Pri delujočem stroju lahko preizkus zagona ali iztekanja določi naravne frekvence. Ko se hitrost stroja spreminja, se bodo vse vrteče sile (kot je neuravnoteženost) premikale skozi razpon frekvenc. Če ena od teh frekvenc prečka naravno frekvenco, bo amplituda vibracij pri tej hitrosti pokazala izrazit vrh. To je običajen način za ugotavljanje delovanja sistema. kritične hitrosti.

3. Analiza končnih elementov (FEA)

Med fazo načrtovanja inženirji uporabljajo računalniške modele za izračun teoretičnih naravnih frekvenc komponente ali strukture, še preden je ta sploh zgrajena. To jim omogoča, da strukturo načrtujejo tako, da se že od samega začetka izognejo težavam z resonanco.

Z identifikacijo in razumevanjem naravnih frekvenc sistema lahko inženirji zagotovijo varno in zanesljivo delovanje strojev, stran od škodljivih resonančnih pogojev.

← Nazaj na glavno kazalo