23 Crest factorCF, 융기인자 충격진동 대표 시간 파라미터

Crest factor(CF, 융기인자)-충격진동 대표 시간 파라미터

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원신호(Raw data)의 대표로 사용이 되는 시간파형신호(waveform)는 어떤 형태로도 변환할 수 있는 시간-진폭의 그래프로 표현된다. 이 시간파형의 형태는 규칙적 또는 불규칙인 것으로 구분할 수 있으며 통계적인 것 비통계적인 것으로 또한 구분될 수 있다. 그런데 이 시간의 형태를 조금 더 세밀히 관찰해 보면 뾰족한 것과 뭉툭한 것도 구분해 낼 수 있는데 이러한 신호의 특징은 충격이 있는가 없는가를 확인할 때 사용된다면 아주 유용할 것이다. 베어링이나 기어의 고체와 고체간이 닿아 발생하는 충격신호처럼 말이다.

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피크홀드와 오버랩(Peak hold & Overlap)

피크홀드와 오버랩(Peak hold & Overlap)

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신호를 측정하거나 측정된 신호를 후처리 할 때 원하는 신호가 포함되게 하려면 다양한 기법들을 사용할 줄 알아야 한다. 신호의 움직임을 멈출 수도 있지만 최고의 값을 멈추게 하여 그 충격량이나 충격스펙트럼을 이용하여 분석하는 경우가 있다. 이 때에는 스펙트럼이나 시간파형에서 피크를 멈추어야(Peak hold) 한다. 또한 신호의 값들은 취득할 때 순간순간 다르지 않고 Noise가 포함되는 경우가 많기 때문에 사용되는 평균화 단계 시, 연산시간을 단축하기 위해서 중폭되는 부분을 재연산하지 않는 과정을 덮어쓰기(Overlapping)이라 하여 정밀 FFT계측기에 반드시 설정 옵션이 있다.

Peak hold & Overlap

피크홀드는 FRF(주파수 응답함수)를 구할 때 자주 사용된다. 가진력의 가진주파수에 반응하는 고유주파수(natural frequency)를 일으키게 하는 Modal test에서 스펙트럼 화면은 보통 정지되어서 최고값을 유지시켜주어야 한다. 그리고 보통 이 값들을 다시 평균화하는 과정을 거친다. 1채널 진동 FFT장비의 경우에 간이시험으로 고유주파수를 알아낼 수도 있는데 이 것은 망치나 나무 등으로 물체를 가격한 상태에서 가속도센서를 통해 측정된 스펙트럼을 확인하는 방법이다. 물론 다양한 노이즈와 공진여부를 확인하는 과정이 강제주파수와의 혼합등, 정확성이 떨어지기는 하지만 간단하게 고유주파수를 추정할 수 있는 방법이다. 이 때에는 반드시 이 peak hold기능을 사용해야 한다. 또한 불규칙적 또는 규칙적으로 변동하는 값의 최대값을 알고 싶을 때(슬리브베어링의 Oil whirl, beat파형시의 스펙트럼 등) 유용하다.

Overlapping을 잘 설정하면 정상신호의 신호 처리시 구간별 신호의 평균 값을 취하여 기대 값을 구할 때 각 구간을 겹쳐서 취하게 되면 최종 평균화 후 연산속도도 빠를 뿐만 아니라 각 구간에 취하여진 창문함수(window)의 영향을 최소화 할 수 있다.  보통 50%를 권장하며 때에 따라 70%도 사용한다. %가 높을수록 window의 영향을 줄일 수 있으나 연산시간의 감축효과는 없어지게 된다.

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피크홀드, 오버랩, 평균화, 신호처리, 잡음제거, 진동신호, Averaging

동기화 시간 평균(Synchronous time averaging)

동기화 시간 평균(Synchronous time averaging)

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모든 평균화 기법들은 대체로 트리거(trigger)에 의한 이벤트인가? 아닌가?로 구분할 수 있다. 이러한 트리거 이벤트에 의한 평균화를 ‘동기화평균(synchronous averaging)’이라고 한다. 이 경우에 트리거 신호에 따라서 윈도우가 시작되고 그 틀에 맞춰 신호의 취득이 이루어 진다. 트리거 신호와 진동신호간의 위상관계 등을 알아낼 수 있고 tach펄스에 의해서 주파수 그래프에 표시할 수도 있는데 이를 ‘오더트랙킹(order tracking)’이라고 부른다. 이 경우에는 주파수가 변화하더라도 그래프에는 order(차수)와의 관계만 표시되는 특징이 있다.

Synchronous time Averaging(동기화 시간평균)

샘플링요율(sampling rate)은 최대주파수(fmax)에 2.56배를 한 것으로 다시 샘플수는 라인수에 2.56배를 한 것과 같다. 시간 평균화는 주파수도메인에서 수행된다. 잡음과 신호는 모두 평균값으로 평균화된다. 신호가 한 번 약간다르게 변화한다면 주파수에는 ‘skirt’효과로 광대역 주파수군에 편입된다. 아주 비슷한 주파수군 들도 이렇게 포함되어 함께 표현된다. ‘동기화시간평균(synchronous time averaging)’은 트리거에 의해서 주파수도메인이 아닌 time domain에서 수행하는 평균화를 말한다. 이렇게 되면 노이즈의 발생을 편입하는 것이 아니고 원천적으로 비동기화(non-synchronous)성분을 차단한다. 예를들어30Hz tach 펄스로 트리거하여 10배 차수(10X TS)의 진동을 보려한다면 최소 30*2.56*10=768Hz의 샘플링 rate를 설정하여야 한다. 이 경우에 tach펄스에 동기화되지 않은 모든 요소는 ‘0’으로 평균화될 것이다. 이 밖에 샘플링 rate가 tach 펄스에 묶여 있기 때문에 주파수로 변환하더라도 작은 변화의 주파수들이 skirt효과에 편입되는 것 같은 현상이 아예나타나지 않는다.

동기화시간평균은 아주 작은 진폭을 가진 신호나 다양한 회전수들이 함께 나타나는 기어박스, roll머신 등에 유용하게 사용할 수 있다. 특히 특정 주파수만을 관찰하고 싶어서 그 이외의 잡음으로 고려하는 비동기성분을 제거하려 할 때 아주 효과적이다. 응용하여 각 요소들을 분리하여(각 회전수에 다른 tach 펄스) 측정된 결과로 에너지의 분배를 파악할 수 도 있다.

키워드	평균화, 신호처리, 잡음제거, 진동신호, Averaging, synchronous, skirt효과

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Crest factor(CF, 융기인자)

Crest factor(CF, 융기인자)

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원신호(Raw data)의 근원이 되는 시간파형신호(waveform)은 어떤 형태로도 변환할 수 있는 시간-진폭의 그래프로 표현된다. 이 시간파형의 형태는 규칙적 또는 불규칙인 것으로 구분할 수 있으며 통계적인 것 비통계적인 것으로 또한 구분될 수 있다. 그런데 이 시간의 형태를 조금 더 세밀히 관찰해 보면 뾰족한 것과 뭉툭한 것도 구분해 낼 수 있는데 이러한 신호의 특징은 충격이 있는가 없는가를 확인할 때 사용된다면 아주 유용할 것이다. 베어링이나 기어의 고체와 고체간이 닿아 발생하는 충격신호처럼 말이다.

Crest factor(CF)

뽀족한 제일 꼭대기 부분을 ‘peak’라고 하며 위로 불쑥 

튀어나온 형상을 ‘crest(隆起)’라고 한다.  신호의 형상만 가지고 판단한다면 둥근형태의 정현파(Sinusoidal wave)는 이상적인 파형으로 매번 소개되며 제일 위는 피크로 에너지의 면적개념(RMS)는 피크의0.707배로 나타낼 수 있다. 여기서 CF는 다음과 같이 정의된다.

Crest factor (CF)= Peak / RMS

고체와 고체간의 점 또는 선접촉에서는 자연적으로 

충격(Impact)이 발생하게 되고 예를들면 베어링과 결함부위와의 마찰, 기어와 기어간의 접촉, 불규칙적인 충격에서 RMS보다 높은 Peak가 관찰된다.  즉, CF값이 높으면 충격이 높게 관찰되는 파형이라는 것이다. 실제로 이 파라미터는 진동의 결함을 모니터링하는데 사용된다. 경험적으로 채집된 waveform의 CF값이 ‘5’이상 넘을 경우에는 좋지 않은 상태(장기간 사용이 불가한 가혹한 충격진동이 관찰되는)로 판단할 수 있다.

그러나 모든 현장에서 결함의 근원을 CF로 잡아낼 수 있는 것은 아니다. 복잡한 기계인 경우에는 CF로 그 상태를 표현하기에는 부족하며 유사한 기능인 ‘Kurtosis(첨예도)’, 고주파의 stress wave를 envelope필터링하여 표현한 demodulation, Peakvue 등으로 다양한 기준을 적용하여 진단한다. 참고로 CF의 역수를 ‘form factor’라고 하여 정현파에 가까운 정도를 가늠할 때 사용하기도 한다.

키워드	베어링진단, 진동신호, 첨예도, kurtosis

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누설현상 (Leakage)

누설현상 (Leakage)-진동소음 신호

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물리적인 신호를 취득하는 것을 샘플링(sampling)이라고 했다. 이 샘플링 과정은 매우 세밀한 샘플링 주기를 가지고 선을 점으로 표현(이산화과정, Digitizing)하게 되는데 이때 샘플링하게 되는 구역을 하나의 블록(Block)으로 설정하여 받아들이는 공정을 거쳐야 한다. 이 때 그 구역 또는 구간을Block size라고 해서 ‘sampling’ 또는 ‘초당 sampling point’, ‘샘플수’, ‘sampling number’라고도 부른다. 이 구역은 어떤 연속신호를 어쩔 수 없이 잘라서 구역화 하므로 구역의 처음과 끝이 맞지 않을 수도 있는 오류가 있을 수 있겠다는 것을 예측할 수 있을 것이다.

신호취득시 오류, 누설현상Leakage

신호를 디지털하기위해 데이터 샘플링시Block size의 처음과 끝이 일정하지 않아서 생기는 주파수 및 진폭의 오류는 Leakage(누설현상)이라고 한다. 연속파형으로부터 시간길이 T 동안의 데이터를 추출하여 분석하는 것은 절취해낸 파형을 주기적으로 연결하여 합한 연속파형을 분석하는 것이 된다. 따라서 절취된 파형의 처음과 끝이 매끄럽게 접속되지 않고 불연속 파형으로 되는 경우 오차가 발생하여 본래 한 개의 주파수 주위에 사이드로브 (Side lobe) 가 나타나며 Leakage가 발생하는 것이다. 취득시간 T 가 신호주기의 정수배가 되면 절취된 데이터의 시작과 끝이 매끄럽게 연결되어 원래 파형에 대한 주파수 분석 결과가 정확하게 구해지므로 누설 현상을 최소화 시키기 위해서는 파형 특성에 맞는 창함수(Window)를 사용한다.

참고로 소음진동분야에서 사용되는 leakage(누설)은 또 다른 의미를 갖는데, 음교(Sound bridge)가 생기는 구조, 즉, 판을 고정해주는 벽면 고정대를 통해서 고체음(Structure borne noise)이 전달되어 다시 반대편 벽면에서 공기음(airborne noise)으로 재 생성되는 소음의 전달과정이 되는 현상을 부르기도 하며 이 것은 층간소음의 원인을 설명해 주기도 한다. 또 다른 의미로 방음벽이나 창호에 투과손실(Transmission loss)을 설명할 때 사용되기도 하는데 방음벽의 재료 설치시 틈새가 있는 경우를 ‘누설’이라고도 하는데 이 것은 전체 방음성능에 큰 지장을 준다.

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키워드	누설신호, leakage, window, hanning, 해닝, 샘플링 오류, 디지털, 진동신호, 샘플링