ทำความเข้าใจความถี่ธรรมชาติ
คำจำกัดความ: ความถี่ธรรมชาติคืออะไร?
ก ความถี่ธรรมชาติ คือความถี่จำเพาะที่วัตถุหรือระบบจะสั่น หากถูกรบกวนจากตำแหน่งเดิม แล้วปล่อยให้มันสั่นได้อย่างอิสระโดยไม่มีแรงภายนอกใดๆ ความถี่นี้เป็นคุณสมบัติพื้นฐานโดยธรรมชาติของวัตถุ ซึ่งถูกกำหนดโดยลักษณะทางกายภาพของมันทั้งหมด: มวล และของมัน ความแข็งวัตถุทางกายภาพทุกชิ้น ตั้งแต่สายกีตาร์ไปจนถึงสะพานและโครงสร้างรองรับเครื่องจักร ล้วนมีความถี่ธรรมชาติหนึ่งความถี่ขึ้นไป
ความสัมพันธ์ระหว่างมวล ความแข็ง และความถี่ธรรมชาติ
ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติทั้งสามนี้เป็นเรื่องง่ายและเข้าใจได้:
- ความแข็ง: วัตถุที่แข็งกว่าจะมีความถี่ธรรมชาติ *สูงกว่า* ลองนึกถึงสายกีตาร์: การขันสายให้แน่น (เพื่อเพิ่มความแข็ง) จะทำให้ระดับเสียง (ความถี่) สูงขึ้น
- มวล: วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีความถี่ธรรมชาติ *ต่ำกว่า* ลองนึกภาพไม้บรรทัดที่แขวนอยู่บนขอบโต๊ะ ไม้บรรทัดที่ยาวกว่าและหนักกว่าจะแกว่งช้ากว่า (ความถี่ต่ำกว่า) ไม้บรรทัดที่สั้นกว่าและเบากว่า
สำหรับระบบองศาอิสระเดี่ยวแบบง่าย ความสัมพันธ์นี้จะอธิบายได้ด้วยสูตร:
ความถี่ธรรมชาติ (fn) ∝ √(ความแข็ง / มวล)
ซึ่งหมายความว่าหากต้องการเปลี่ยนความถี่ธรรมชาติของวัตถุ คุณจะต้องเปลี่ยนความแข็งหรือมวลของวัตถุ (หรือทั้งสองอย่าง)
ความถี่ธรรมชาติและการสั่นพ้อง: การเชื่อมต่อที่สำคัญ
แนวคิดเรื่องความถี่ธรรมชาติมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมและการสั่นสะเทือนเนื่องจากมีความเชื่อมโยงโดยตรงกับปรากฏการณ์ของ เสียงก้อง.
การสั่นพ้องเกิดขึ้นเมื่อแรงภายนอกเป็นคาบถูกกระทำต่อระบบที่ความถี่เท่ากับหรือใกล้เคียงกับความถี่ธรรมชาติของระบบมาก เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ ระบบจะดูดซับพลังงานจากแรงภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ปัจจัยเดียวที่จำกัดแอมพลิจูดไม่ให้เพิ่มขึ้นอย่างไม่มีที่สิ้นสุดคือ การหน่วง (Damping)
นี่คือเหตุผลว่าทำไมการเข้าใจความถี่ธรรมชาติจึงมีความสำคัญมาก:
- การคาดการณ์ปัญหา: หากคุณทราบความเร็วในการทำงานของเครื่องจักรและทราบความถี่ธรรมชาติของโครงสร้างรองรับ คุณสามารถคาดการณ์ได้ว่าสภาวะเรโซแนนซ์มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นหรือไม่
- การแก้ไขปัญหา: หากเครื่องจักรสั่นสะเทือนมากเกินไป การระบุความถี่ธรรมชาติถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการพิจารณาว่าสาเหตุเกิดจากเสียงสะท้อนหรือไม่
– การหลีกเลี่ยงความล้มเหลว: การใช้งานเครื่องจักรที่ระดับเรโซแนนซ์อาจนำไปสู่การสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง ความเครียดสูง และท้ายที่สุดอาจนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างร้ายแรง การพังทลายอันโด่งดังของสะพานทาโคมาแนโรว์สในปี 1940 ถือเป็นตัวอย่างอันน่าตื่นตะลึงของการเกิดเรโซแนนซ์
ความถี่ธรรมชาติระบุได้อย่างไร?
โดยทั่วไปความถี่ธรรมชาติของเครื่องจักรหรือโครงสร้างจะถูกระบุโดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:
1. การทดสอบแรงกระแทก (หรือการทดสอบการกระแทก)
นี่เป็นวิธีการทดลองที่พบบ่อยที่สุด โดยเครื่อง (ขณะที่ไม่ได้ทำงาน) จะถูกกระแทกด้วยค้อนกระแทกที่มีอุปกรณ์วัด และวัดแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นด้วยเครื่องวัดความเร่ง แรงกระแทกของค้อนจะป้อนพลังงานในช่วงกว้าง และโครงสร้างจะ "สั่น" ตามความถี่ธรรมชาติโดยอัตโนมัติ ความถี่เหล่านี้จะปรากฏเป็นจุดสูงสุดที่ชัดเจนในสเปกตรัม FFT ที่เกิดขึ้น
2. การทดสอบวิ่งขึ้น / วิ่งลง
สำหรับเครื่องจักรที่กำลังทำงาน การทดสอบแบบวิ่งขึ้นหรือวิ่งลงสามารถระบุความถี่ธรรมชาติได้ เมื่อความเร็วของเครื่องจักรเปลี่ยนแปลง แรงหมุนใดๆ (เช่น ความไม่สมดุล) จะเคลื่อนผ่านช่วงความถี่ต่างๆ หากความถี่ใดความถี่หนึ่งข้ามความถี่ธรรมชาติ แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนจะแสดงจุดสูงสุดที่ชัดเจนที่ความเร็วนั้น นี่เป็นวิธีทั่วไปในการหาค่าความถี่ของระบบ ความเร็ววิกฤต.
3. การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA)
ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ วิศวกรจะใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อคำนวณความถี่ธรรมชาติเชิงทฤษฎีของส่วนประกอบหรือโครงสร้างก่อนที่จะสร้างจริง ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถออกแบบโครงสร้างเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการสั่นพ้องตั้งแต่เริ่มต้น
การระบุและทำความเข้าใจความถี่ธรรมชาติของระบบจะช่วยให้วิศวกรมั่นใจได้ว่าเครื่องจักรทำงานได้อย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ ห่างไกลจากสภาวะเรโซแนนซ์ที่อาจก่อให้เกิดความเสียหาย
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 