Hiểu về tần số tự nhiên

Định nghĩa: Tần số tự nhiên là gì?

A tần số tự nhiên là tần số cụ thể mà một vật thể hoặc hệ thống sẽ dao động nếu nó bị xáo trộn khỏi vị trí nghỉ và sau đó được phép dao động tự do mà không có bất kỳ lực bên ngoài nào. Đó là một đặc tính cơ bản, vốn có của vật thể, được xác định hoàn toàn bởi các đặc điểm vật lý của nó: khối và nó độ cứng. Mọi vật thể vật lý, từ dây đàn guitar đến cầu đàn cho đến cấu trúc hỗ trợ của máy móc, đều có một hoặc nhiều tần số tự nhiên.

Mối quan hệ giữa khối lượng, độ cứng và tần số tự nhiên

Mối quan hệ giữa ba tính chất này rất đơn giản và trực quan:

• Độ cứng: Một vật cứng hơn có tần số tự nhiên *cao hơn*. Hãy nghĩ đến dây đàn guitar: việc căng dây (tăng độ cứng) sẽ làm tăng cao độ (tần số).
• Khối: Một vật có khối lượng lớn hơn có tần số tự nhiên *thấp hơn*. Hãy nghĩ đến một chiếc thước kẻ treo trên mép bàn: một chiếc thước kẻ dài hơn, nặng hơn sẽ dao động chậm hơn (tần số thấp hơn) so với một chiếc thước kẻ ngắn hơn, nhẹ hơn.

Đối với hệ thống một bậc tự do đơn giản, mối quan hệ này được mô tả bằng công thức:

Tần số tự nhiên (f_N) ∝ √(Độ cứng / Khối lượng)

Điều này có nghĩa là để thay đổi tần số tự nhiên của một vật thể, bạn phải thay đổi độ cứng hoặc khối lượng của nó (hoặc cả hai).

Tần số tự nhiên và cộng hưởng: Một kết nối quan trọng

Khái niệm tần số tự nhiên có tầm quan trọng đặc biệt trong kỹ thuật và phân tích rung động vì nó liên quan trực tiếp đến hiện tượng sự cộng hưởng.

Cộng hưởng xảy ra khi một lực tuần hoàn bên ngoài tác dụng lên một hệ thống ở tần số bằng hoặc rất gần với một trong các tần số riêng của nó. Khi điều này xảy ra, hệ thống hấp thụ năng lượng từ lực bên ngoài rất hiệu quả, khiến biên độ dao động của nó tăng lên đáng kể. Sự suy giảm là yếu tố duy nhất hạn chế biên độ dao động tăng lên vô hạn.

Đây là lý do tại sao việc hiểu tần số tự nhiên lại quan trọng đến vậy:

• Dự đoán các vấn đề: Nếu bạn biết tốc độ hoạt động của máy và biết tần số tự nhiên của cấu trúc hỗ trợ, bạn có thể dự đoán liệu tình trạng cộng hưởng có khả năng xảy ra hay không.
• Khắc phục sự cố: Nếu máy rung quá mức, việc xác định tần số tự nhiên của máy là bước quan trọng để xác định xem cộng hưởng có phải là nguyên nhân hay không.

– Tránh thất bại: Vận hành máy móc ở chế độ cộng hưởng có thể dẫn đến rung động cực độ, ứng suất cao và cuối cùng là hỏng hóc thảm khốc. Vụ sập cầu Tacoma Narrows nổi tiếng năm 1940 là một ví dụ điển hình về cộng hưởng.

Tần số tự nhiên được xác định như thế nào?

Tần số tự nhiên của máy móc hoặc cấu trúc thường được xác định bằng một trong các phương pháp sau:

1. Kiểm tra va đập (hoặc Kiểm tra va đập)

Đây là phương pháp thử nghiệm phổ biến nhất. Máy (khi không chạy) được đập bằng búa tác động có dụng cụ, và độ rung động thu được được đo bằng máy đo gia tốc. Cú đập của búa truyền vào một dải năng lượng rộng, và cấu trúc sẽ tự nhiên "rung" ở tần số riêng của nó. Những tần số này hiển thị dưới dạng các đỉnh rõ ràng trong phổ FFT thu được.

2. Kiểm tra chạy đà / chạy đà

Đối với một máy đang chạy, bài kiểm tra chạy đà (run-up) hoặc chạy đà (coal-down) có thể xác định tần số tự nhiên. Khi tốc độ máy thay đổi, bất kỳ lực quay nào (như mất cân bằng) sẽ quét qua một dải tần số. Nếu một trong những tần số này vượt qua tần số tự nhiên, biên độ rung động sẽ cho thấy một đỉnh rõ rệt ở tốc độ đó. Đây là một cách phổ biến để tìm tần số tự nhiên của một hệ thống. tốc độ tới hạn.

3. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

Trong giai đoạn thiết kế, các kỹ sư sử dụng mô hình máy tính để tính toán tần số tự nhiên lý thuyết của một thành phần hoặc cấu trúc trước khi xây dựng. Điều này cho phép họ thiết kế cấu trúc để tránh các vấn đề cộng hưởng ngay từ đầu.

Bằng cách xác định và hiểu tần số tự nhiên của hệ thống, các kỹ sư có thể đảm bảo máy móc hoạt động an toàn và đáng tin cậy, tránh xa các điều kiện cộng hưởng gây hại.

← Quay lại Mục lục chính