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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.

FFT, Octave옥타브, Spectrum, bands

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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2022년 7월 11일 월요일

데시벨과 로그 (dB, log; 물리적, 진동과 소음의 크기를 표현하는 공학단위)

 데시벨과 로그 (dB, log; 물리적, 진동과 소음의 크기를 표현하는 공학단위)

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일반적으로 소음, 진동, 전기 등의 크기를 나타낼 때 ‘dB(데시벨, 디비)’의 단위를 사용한다. 이 것은 기준량에 대한 변화폭을 의미하기 때문에 인간의 감각과 대체로 잘 맞으므로 여러 분야에서 사용된다. 그런데 엄밀히 말하자면 dB는 정해진 단위라고 할 수 없다. 왜냐하면 기준을 어떻게 정하느냐에 따라 달라지는 값이기 때문이다. 부르는 값도 통상적으로는 소음에서는 ‘데시벨(deci-Bell)’, 진동이나 다른 분야에서는 ‘디비’라고 부르는 것이 일반적이다. ‘벨(Bell)’이라는 사람의 이름을 따서 부르는 명칭은 단지 대한민국에서 유독 소음만이 적당하다고 여기는 것인지는 정확하지 않다.

Weber-Fechner의 법칙

인간의 감각량(P)의 변화는 '기준자극량(S)'에 대한 그 '변화량'의 비로써 가장 잘 표현 할 수 있다.



위의 식에서 기본단위는 ‘벨;Bell’로서 , 그 상하 단계가 너무 작은 것을 보완하기 위해서 , 상수인 ‘K’에 10을 대입한 ‘dB;데시-벨’ 을 사용하게 되었다. 이렇게 하면 상하폭을 나타낼 수 있는 표기가 넓어져서 인식하기 편하기 때문이다. 아무튼 소음과 진동은 주로 인간과 관련되므로 그 느끼는 양인 ‘감각량의 변화’를 레벨화하여 로그의 함수로 표현하는 것이 가장 적합하였고 그 크기를 데시벨로 표현하게 된 것이다.

자유음장(free sound field)인 경우에는 위의 식에서 변수S를 음의 세기(Intensity)로 할 수 있으며 이 음의 세기는 음압(Pressure)의 자승과 매칭된다. 즉 우리가 소음계로 측정하는 결과값으로 법규에 적용하여 많이 사용하는 음압레벨(SPL; Sound Pressure Level)인 경우에는 변수S를 음압으로 했을 경우 K 값을 20으로 대치시킨 것과 같다.

또 이 dB는 단위 뒤에 괄호 첨자를 붙여 추가 연산된(가중된;Weighted) 물리량을 표현하여 구분하는데, dB(A), dB(C), dB(mV), dB(W), 등으로 특히 소음진동분야와 전기분야에서 주로 많이 사용되고 있다.





데시벨(dB)의 원본인 log(붉은색), 푸른색은 linear-kcbm.kr

데시벨(dB)의 원본인 log(붉은색), 푸른색은 linear-kcbm.kr


Logarithmic과 Linear의 차이

1과 100의 차이는 99이지만, 상용로그로 비교해 본다면 2이다. 물론 큰 값과 작은 값의 차이가 커야 구분하기에도 좋고, 계산하기에도 좋은 것이 아닐까 생각하지만, 그래프로 보면 명확히 그 효용도를 예측할 수 있다. 최고레벨과 최저레벨의 차이가 크지 않다는 말은 log그래프에서는 linear와 달리 낮은 값의 주파수 성분을 잘 보일 수 있도록 한다는 것이다. 그래서 진동 스펙트럼 분석에서 작지만 중요한 값의 유무를 잘 파악할 수 있도록 해준다. 특히 소음 옥타브 분석과 진동의 FRF에서는 Log로 분석하는 것이 일반적이다.

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2019년 9월 21일 토요일

승차감과 진동1 (진동 진폭이 작으면 승차감은 좋게 느껴지는가?)

승차감과 진동(진동 진폭이 작으면 승차감은 좋게 느껴지는가?)
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자동차를 타고 주행을 하면 승차감을 느낄 수 있다실내의 소음상태나 시트의 안락함 또는 실내 내장재와 공기질에서도 느낀다는 사람이 있지만 대부분은 진동의 전달상태에 승차감의 좋고 나쁨을 판단한다는데 큰 이견은 없을 것이다대형트럭이나 버스운전자의 좌석을 유심히 살펴보면 승용차의 완충장치보다 훨씬 좋아 보이는 것을 확인할 수 있다요철을 통과할 때 그 성능이 제대로 발휘되는데 반면에 사실 옆에서 운전자를 보는 우리입장은 너무 혼자 많이 움직이는 것 아닌가?” 하는 것이다.


운행차량의 진동전달요인과 승차감
승차감과 진동에 관련된 사항을 정리하여 보았다.

-사람은 진동의 진폭에는 크고 작음의 비교를 느끼지만주파수에는 짜증을 느낀다사람은 0.1~500Hz(초당반복수, Hz)정도까지 밖에 감지하지 못한다자동차의 4기통은 RPM의 2X에 해당하는 주파수를 발생하고 8기통은 RPM의 4X에 해당하는 고주파를 발생하기 때문에 고주파 진동에는 둔감한 사람이므로 8기통은 더 좋은 승차감을 가졌다고 느끼게 된다.

-타이어의 종류노면의 상태스프링의 종류승차인원(중량)의 크기발바닥과 핸들에 전달되는 고주파진동기타 자동차 진동원인들은 모두 승차감과 관련이 있다.

-스프링은 충격을 차단하고 저주파를 차단하며고무는 고주파를 차단하고댐퍼는 진동의 충격진동을 감쇠하는 구조로 사람은 이러한 경로를 통해서 진동이 차단되고 있는 상태인 것이다자세히 살펴보면 지면과 타이어간의 마찰로 시작한 진동은 고주파+저주파를 차내의 저주파로 바꾸는 서스펜션(고주파를 차단하고 점차진폭을 줄이는 감쇠 구조)을 통해서 어떤 승차감이 좋다는 주파수로 변환하고자 하려 한다이때 탄성구조도 능력이 있는데 스프링은 1Hz이하를 줄일 수 없으나 공기스프링은 가능하다. 0.3Hz까지..그래서 좋은 것이다.

관련 Tag
소음진동생활소음데시벨층간소음공기음고체음

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2016년 11월 12일 토요일

dB와 %의 차이(선형구간의 설정)

dB %의 차이(선형구간의 설정)

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그래프의 선형구간을 dB %로 선정하는 이유는 다양한 용도(수학, 물리, 계측, 의학, 통계 등)에서 신뢰성있는 정도에 대한 기준을 정할 때 사용되고 있다. 특히 센서분야에서 정확한 계측 및 선택을 위해서는 필수적인 확인조건이다. 이 때 dB %는 수학적인 원론상으로 이해할 수도 있으나 실제로 비교하기는 어려울 수 있어서 이를 비교하여 설명하였다.


dB %의 비교

dB log(변화율의 비)를 표현하는 진폭값이고 % Linear(산술)값의 크기를 표현하는 방법이다. % 50%변했다면 이 것은 설명이 필요 없어도 이해하기는 쉽지만 dB 3dB변했다는 것은 어떤 의미를 갖는 것일까?

우선 소음에서 6dB는 거리감쇠의 효과로 흔히 계산되는데 거리가 2배로 증가하였을 경우, 음압이 2배가 줄어든다는 것을 의미한다. 이 때 log는 원칙적으로 동력의 비율이므로 압력과 전압 및 진폭의 자승에 입력하여 10log(2)²으로 정의되므로 동력비(출력, 음밀도, 에너지 등)의 비는 20log가 아닌 10log가 맞다.

다시 한번 설명하면 3dB는 따라서 압력, 전압, 진폭이 √2배가 변화된 것을 의미한다. 이것이 전기, 물리, 진동, 센서 등에서 많이 사용되는 이유는 바로 rms개념(면적개념)과 관련이 있는데 바로 에너지가 2배 변동되는 것과 상통하기 때문이다.

아주 어렵게 들릴 수도 있지만 결론적으로 %와 비교하자면 진폭의 +3dB’ 41%증가한 것으로, ‘-3dB’29%가 하락한 것으로 계산된다.

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dB, 데시벨, 소음, 진동, 로그그래프, 선형, %, -3dB

 

2015년 6월 21일 일요일

데시벨(dB)와 로그(Log)- 진동과 소음의 크기를 표현하는 방법


데시벨 (dB, 진동과 소음의 크기를 표현하는 방법)

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일반적으로 소음, 진동, 전기 등의 크기를 나타낼 때 ‘dB(데시벨)’의 단위를 사용한다.  이 것은 기준 량에 대한 변화폭을 의미하기 때문에 감각과 대체로 잘 맞으므로 여러 분야에서 사용된다. 엄밀히 말하자면 dB는 정해진 단위라고 할 수 없다.  왜냐하면 기준을 어떻게 정하느냐에 따라 달라지는 값이기 때문이다. 부르는 값도 통상적으로는 소음에서는 데시벨(deci-Bell)’, 진동이나 다른 분야에서는 디비라고 부르는 것이 일반적이다. ‘(Bell)’이라는 사람의 이름을 따서 부르는 명칭은 단지 소음만이 적당하다고 여기는 것인지는 정확하지 않다.

Weber-Fechner의 법칙

인간의 감각량(P)의 변화는 기준 자극량(S)에 대한 그 변화량의 비로써 가장 잘 표현 할 수 있다.

위의 식에서 기본단위는 ;Bell’로서 , 그 상하 단계가 너무 작은 것을 보완하기 위해서 , 상수인 ‘K’ 10을 대입한 ‘dB;데시-을 사용하게 되었다. 이렇게 하면 상하폭을 나타낼 수 있는 표기가 넓어져서 인식하기 편하다. 아무튼 소음과 진동은 주로 인간과 관련되므로 그 느끼는 양인 감각량의 변화를 레벨화하여 로그의 함수로 표현하는 것이 가장 적합하므로 그 크기를 데시벨로 표현하게 된 것이다. 위의 식에서 변수S를 음의 세기(Intencity)로 하며, 자유음장(free sound field)인 경우에는 이 음의 세기는 음압(Pressure)의 자승과 매칭된다. 즉 우리가 소음계로 측정하는 결과값으로 법규에 적용하여 많이 사용하는 음압레벨(SPL; Sound Pressure Level)인 경우에는 변수S를 음압으로 했을 경우 K 값을 20으로 대치시킨 것과 같다.

dB는 단위 뒤에 괄호 첨자를 붙여 추가 연산된(가중;Weighted) 물리량을 표현하여 구분하는데,  dB(A), dB(C), dB(mV), dB(W), 등이 소음진동분야와 전기분야에서 주로 많이 사용되고 있다.

Logarithmic Linier의 차이

1 100의 차이는 99이지만, 상용로그로 비교해 본다면 2이다. 물론 큰 값과 작은 값의 차이가 커야 구분하기에도 좋고, 계산하기에도 좋은 것이 아닐까 생각하지만, 그래프로 보면 명확히 그 효용도를 예측할 수 있다. 최고레벨과 최저레벨의 차이가 크지 않다는 말은 log그래프에서는 linier와 달리 낮은 값의 주파수 성분을 잘 보일 수 있도록 한다는 것이다. 그래서 진동 스펙트럼 분석에서 작지만 중요한 값의 유무를 잘 파악할 수 있도록 해준다. 특히 소음 옥타브 분석과 진동의 FRF에서는 Log로 분석하는 것이 일반적이다.
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dB, 데시벨, 소음, 진동, 로그그래프, 선형