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2023년 7월 12일 수요일

79 옥타브와 FFT분석 octave, spectrum 소음과 진동 주파수분석 수정v2


옥타브와 FFT분석 (octave, spectrum)-소음과 진동 주파수분석-수정

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물리적 현상(진동,소음 등)을 센서를 이용해서 측정하거나, 임의신호발생장치에 의해서 오실로스코프를 이용하면 '시간'의 경과에 따른 파동의 '진폭'을 확인할 수 있다. 이 진폭은 변위, 속도, 가속도의 값으로 표현되며 이와 같은 그래프를 ‘시간파형’ 또는 ‘waveform’이라고 말한다. 이 시간파형은 실질적 현장이라면 이상적인 정현파가 아닌 이상 항상, 복잡하고, 자연스러운 형태를 띄게 되는데, 이 형태를 분석해 보면 많은 파형이 포함되어 있음을 알 수 있다. 그래서 수학자들은 이 복잡한 주기함수들을 단순한 여러 개의 조화함수들로 분해(FT)할 수 있었고, 그 중에서도 다시 규칙적 항들을 생략하여 연산을 빠르게 한 FFT를 고안하였다. 이 것이 FFT이므로 이 것이 결코 '스펙트럼과는 같은 말이 아님'을 이해하여야 한다. 즉, FFT를 통하여 분리된 조화파형들은 스펙트럼(Spectrum)이라고 하는 그래프에 ‘주파수-진폭’으로 바꿔 표현되었을 뿐이라는 것이다.

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스펙트럼그래프를 이용하면 여러 주파수 성분을 한 눈에 파악할 수 있고 이상 거동상태를 쉽게 파악할 수 있기 때문에 설비진단 및 기타 진동분석에 대단히 많이 활용되고 있다. 이것을 '주파수분석'이라고 한다.

중간생략--------

​참고로 Y축의 Log는 'dB'이고, X축의 logarithm은 바로 이 'Octave'이므로 이 두 가지가 모두 인간의 둔감력을 가로와 세로로 모두 표현하는 방법인 것이다.

정리하여 설명하면, '옥타브'는 FFT처리 후, '정비형 필터'를 사용한 주파수-진폭 그래프이다. 반면에 'FFT분석'이란 말은 FFT처리 후, Spectrum 그래프(정폭형, 정비형 모두)로 확인하는 모든 주파수 분석을 의미한다고 할 수 있다.

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2016년 11월 19일 토요일

일시적인 흔들림과 계속적으로 진동하는 것과의 차이점 (고유진동과 강제진동)

일시적인 흔들림과 계속적으로 진동하는 것과의 차이점 (고유진동과 강제진동)

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유연한 긴 낚시대, 고무줄에 달린 공 또는 물위에 있는 공에 손을 데어 한 번 움직여 보자! 처음에는 크게 반복하여 움직이다가 점차 크기가 줄어들어 원래의 위치로 정지할 것이다. 누구나 결과는 같다. 그리고 힘을 크게 주던 작게 주던 반복의 주기(반복시간)도 같다. 다만 얼마나 더 오래 반복할 것이냐가 관건일 뿐이다. 그런데 모터에 연결되어 회전하는 기계는 계속 흔들리다가 고유주파수를 만나면 진동이 더 커지게 되는데 모터에 연결되어 크게 떨리고 있는 얇은 전기파이프나 우수 방지용 커버철판은 공진 때문에 그런 것인가?

 

강제주파수(Forced frequency)

결론을 먼저 말하면 힘을 주어 흔들리는 것이란? (F, 강제력)과 강성(K)에 의해 움직이는 (X), F=KX현상과 계의 시스템의 고유주파수(fn)과 강제주파수(f)가 만나서 생성되는 공진(Resonance)을 모두 포함한다.

공학적으로 진동방정식의 해를 원심력(Fsinwt)이 가해지는 평범한 회전기계로 설명하면 정상해(xsin(wnt+Ф)와 특수해(Fsinwt/(k-mw²))의 합으로 구성되는데 정상해는 초기힘을 가했을 때의 자유진동상태에 대한 진폭을. 특수해는 지속적 원심회전력이 가해졌을 때 가진력과 공진의 관계가 모두 포함된 조화진동상태의 진폭을 의미한다.

이를 쉽게 풀어서 설명하면 위 식의 (정상해+특수해)으로 힘에 의해 강성이 약해서(x=F/k) 크게 움직이는 것(x1)과 공진의 의한 진폭(x2)은 서로 구분이 되지 않으나 일시적 흔들림(정상해)과 계속 진동하는 것(특수해)는 구분해 낼 수 있다.  따라서 만약 모터에 연결되어 크게 떨리는 얇은 파이프나 철판은 강성이 약해서 그럴 수도 있고 공진 때문에 더 커진 것일 수도 있는 것이라고 답할 수 있다. 왜냐하면 공진이 없어도 힘이 크고 강성이 약하면 큰 진동이기 때문이다.

 


키워드
공진, 고유주파수, 강제주파수, RPM, harmonic, 하모닉, 정상해, 특수해

 

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2015년 8월 16일 일요일

고유주파수와 강제주파수 (소음과 진동의 주파수)

고유주파수와 강제주파수 (소음과 진동의 주파수)

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통기타의 악보코드를 맞추고 기타줄을 튕기면 각기 코드에 맞는 다른 음색을 보이는 하모닉 음이 발생한다.  기타는 각 줄() 별로 독특하고 소리의 높낮이가 서로 다르다. 약간의 상식을 갖고 잘 살펴보면 튕기고 있는 기타줄의 길이와 기타줄의 종류 그리고 기타줄이 조여있는 정도에 따라서 소리가 다르다는 것을 이해 할 수 있다. 반면에, 선풍기를 작동시키면 발생하는 진동, 자동차의 엑셀을 밟을 때마다 변동하는 RPM(분당 회전수)은 위의 기타줄에서 발생하는 고유한 특성과는 다르다. , 이 것은 새롭게 생성되는 것이며 반면에 기타줄은 원래 가지고 있었던 것, 쉽게 말하자면 손으로 튕기지 않으면 소리가 아예 나지 않는다는 것과의 차이이다.

강제주파수(Forced frequency)

힘을 가하면 고유주파수와 강제주파수는 모두 변동하지만 강제주파수는 만들어 생성된 값이고 고유주파수는 원래부터 있던 값이다. 이 두 개의 주파수가 중첩되면 큰 진폭을 유발하게 되는데 이를 공진(Resonance)이라고 한다. 이해를 돕기 위해 고유주파수와 강제주파수의 예를 들면 아래와 같다.


고유주파수
강제주파수
 
-튕기고 난 다음의 기타줄 발생음
-마찰을 하고 난 다음의 바이올린 현 발생음
-타격하고 난 다음의 컵의 물높이에 따른 발생음
-물체를 망치로 치고 난 다음의 물체의 방향별로 달리 발생하는 진동과 소음
-바람이 불 때 발생하는 교량의 고유한 움직임
-진자시계의 추가 움직이는 고유한 주기
-차 실내에 있는 동전이 움직이는 회전수
*회전력(협대역 주파수)-아래
-자동차 엔진 크랭크 회전수 변동
-각 종 기계설비의 축(shaft)의 회전수
-전기적인 가진(60Hz, 120Hz)
-모터나 터빈의 회전수
-각종 회전체(기계, 바퀴, , 펌프, 벨트, 기어, 베어링 등)에서 발생하는 회전수
 
*유체력(광대역 주파수)
-바람, 스팀, 파도, 기포(캐비테이션), 액체유동(펌프), 고압기체(압축기)
 
*충격력(광대역 주파수)
-왕복동엔진, 망치, 장력, 프레스, 단조, 항타, 빗물, 불규칙랜덤

 강제주파수가 고유주파수를 깨우는 것이 아니라 가진력이 고유주파수를 깨우는 것이라는 것을 기억해야 한다. 가진력은 뚜렷한 주파수(협대역, 사인파, 조화파)를 가질 수 도 있고 광대역의 주파수(불규칙파형, 충격파형)를 발생시킬 수 도 있다. 협대역 주파수는 공진을 발생시키려면 고유주파수와 일치시켜야 하지만, 광대역 주파수는 그냥 발생시키면 고유주파수가 일어난다. 이때 발생하는 고유주파수를 굳이 공진이라고 부르지는 않는다. 자연의 많은 현상처럼 잠재주파수가 드러난 것이지 심각한 상태는 아니기 때문이다.


키워드
공진, 고유주파수, 강제주파수, RPM, harmonic, 하모닉

 

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