총진동진폭(진동량, overall진폭)과 총소음도(소음량, dB합, allpass)의 확실한 설명

 총진동진폭(진동량, overall진폭)과 총소음도(소음량, dB합, allpass)의 확실한 설명

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진동과 소음을 각종 기준과 법규정 한계치 등과 비교하여 평가하려면 진동량(Overall진폭)과 소음량(총소음도)를 이해하여야 한다. 환경진동계나 환경소음계로 측정한 결과는 계측기에서 나온 그대로 정치와 비교하면 되지만 이 값들이 어떻게 산출되었는지를 알고 싶을 때가 있다. 특히 주파수별로 진폭이 다르게 측정될 것이고 각 종 가중함수들이 주파수별로 달리 적용되는데 어떻게 이렇게 하나의 값으로 표기할 수 있을까? 진동에서 단위(변위, 속도, 가속도, dB)와 부단위(P-P, 0-P, rms)를 선택할 수 있고 소음에서도 dB로 단위가 나오는데 이 것을 어떻게 해야 하는지.. 이러한 질문들엥 대한 것, 이러한 과정 중에서 혼동을 갖는 Overall의 산출방법과 dB의 합산에 대해서 설명한다.

진동량, 총진폭합, 총소음도로 사용되는 Overall과 dB합 또는 Allpass

우선 dB의 합산부터 설명한다. 주파수별로 측정된 dBn값이 있다. 그 값은 진동가속도레벨(VAL, 진동가속도차이를 환산한)일 수도 있고 진동레벨(VL, 주파수별 가중도가 적용된)일 수도 있고 음압레벨(SPL, 주파수별 가중도가 적용된), 음향파워레벨(PWL)일 수도 있다. 이 값은 주파수별로 각각 계산되므로 하나의 값으로 합산해야만 법규정 값과 비교할 수 있다. 이 것을 총진폭합(dB합, all pass, 총소음도, 총진동합 등)이라고 한다. 이 때 dB값의 합산은 대수합으로 해야 하므로 dB를 log로 다시 풀어서 합산한다. 이 것을 dB합산방법이라고 한다. dB로 결과가 나왔다면 이 방법을 사용해야 한다.

 

키워드	Overall, 오버롤, db, dB(V), 진동량, allpass, 진동측정

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진동평가를 위한 측정 및 방법 두가지

 진동평가를 위한 측정 및 방법 두가지

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어떠한 대상(시험체, 기계 구조, 건물 등)의 진동을 측정하여 그 크기를 정량화하여 평가하려고 할 때 평가단위와 진동센서의 출력단위가 같지 않아서 어려움을 갖는 질문을 받는다. 예를 들어 평가를 하기 위해 기계의 제조사건설사를 통해 제공받은 관리 메뉴얼에 따르면 변위로 평가하라고 되어 있는데 현재 측정하고 있는 계측센서가 가속도센서일 경우 변위로 변환(단순히 두 번 적분)하여 구할 수 있는 것인지에 대한 내용이다. 어떻게 해야 맞는 것인가?

진동단위변환과 측정용 센서 그리고 평가단위

우선, 가장 좋은 방법은 본래 물리량의 단위로 비례하여 출력하는 센서를 사용하여 나온 값으로 평가하는 것이다. 이 것은 가속도센서로 G나 m/s²을 기본으로 평가하는 대상인 인체환경진동, 지진정밀기계류에는 센서출력값의 단위를 그대로 사용하거나 그 단위를 기본으로 추가 변환식에서 산출된 값을 사용한다.  또한 변위센서로 측정해야 하는 축변위 거동감시 대형회전기계류, 파이프대형구조물 등은 변위단위로 평가하는 것 등을 예로 들 수 있다.

그런데 가장 많은 기계류 평가단위로 사용되고 있는 ‘속도인 경우 속도센서라 일반적이지 않고 가지고 있더라도 제한적(고가격, 사용주파수한계, 크기제한)이므로 가속도센서를 사용하여 적분하여 속도단위로 평가하는 것이 일반적이다. 특히 여기에는 주파수관련 이론사항에 대하여 중요하게 생각해야 한다. 가속도는 고주파 영역에서 더 잘 관찰되고 변위는 저주파영역이 더 크게 보인다. 따라서 구름베어링, 기어가 주요 관찰해야 하는 부품인 경우, 가속도로 측정하는 것이 옳고 좋다. 반면에 오일거동, 축의 저주파진동은 상대적으로 저주파이므로 또한 대체로 슬리브베어링을 사용하는 변위센서가 좋은 것이다. 이러한 질문이 많다. 구름베어링을 사용하는 펌프의 제조사에서 제공받은 진동체크 메뉴얼에 변위(µm, p-p)로 평가하게 되어 있다면 가속도센서로 측정된 결과값을 두 번 적분하여 변위로 평가하면 되는가?에 대한 것이다. 이 것은 이렇게 답변한다. 제조사의 진동체크 방식이 국제진동평가방식이 정립되기 매우 오래 전에 작성된 방식, 슬리브베어링을 사용하는 베어링도 혼용하여 평가하고 있다는 것은 명확한 잘못인 것이다. 실험실처럼 단일파형이 나타나지 않는 현장에서 두 번 적분하면 실제 변위와의 오차가 심해서 당연히 정확하지 않은 것이므로 rms속도로 평가하는 방식이 국제적이고 가장 일반적인 것이다.

키워드	진동기준, ISO, 진동평가, 가속도, 변위, 적분, 진동량, overall

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진동량과 소음량 (Overall과 dB합)

 진동량과 소음량 (Overall과 dB합)

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진동과 소음을 각종 기준과 법규정 한계치 등으로 평가하려면 진동량(Overall)과 소음량(총소음도)를 이해하여야 한다. 환경진동계나 환경소음계로 측정한 결과는 계측기에서 나온 그대로 규정치와 비교하면 되지만 이 값들이 어떻게 산출되었는지를 알고 싶을 때가 있다. 특히 주파수별로 진폭이 다르게 측정될 것이고 각 종 가중함수들이 주파수별로 달리 적용되는데 어떻게 이렇게 하나의 값으로 표기할 수 있을까? 진동에서 단위(변위, 속도, 가속도, dB)와 부단위(P-P, 0-P, rms)를 선택할 수 있고 소음에서도 dB로 단위가 나오는데 이 것을 어떻게 해야 하는지.. 이러한 과정 중에서 혼동을 갖는 Overall의 산출방법과 dB의 합산에 대해서 설명한다.

진동량, 총진폭합, 총소음도로 사용되는 Overall과 dB합 또는 Allpass

우선 dB의 합산부터 설명한다. 주파수별로 측정된 dBn값이 있다. 그 값은 진동가속도레벨(VAL, 진동가속도차이를 환산한)일 수도 있고 진동레벨(VL, 주파수별 가중도가 적용된)일 수도 있고 음압레벨(SPL, 주파수별 가중도가 적용된), 음향파워레벨(PWL)일 수도 있다. 이 값은 주파수별로 각각 계산되므로 하나의 값으로 합산해야만 법규정 값과 비교할 수 있다. 이 것을 총진폭합(dB합, all pass, 총소음도, 총진동합 등)이라고 한다. 이 때 dB값의 합산은 대수합으로 해야 하므로 dB를 log로 다시 풀어서 합산한다. 이 것을 dB합산방법이라고 한다. dB로 결과가 나왔다면 이 방법을 사용해야 한다.

 

한편, Overall을 구하는 방법은 dB값의 합산과 다르다. 각 주파수별로 측정된 진폭(An)의 단위(변위, 속도, 가속도)와 부단위(P-P, 0-P, rms)가 있고 각 진폭을 파워(Power) 합산해야 한다. 이 값은 전체 진폭의 목적이 물리적으로 소산되는 ‘에너지’와 ‘파워’의 양을 평가한다는데 많은 부분이 내재되어 있다.

과거의 진폭은 모두 dB로 표시한 적이 있으나 최근의 진폭의 결과는 소음은 dB로 평가하더라도 진동은 각 기본 물리량(변위, 속도, 가속도)으로 직접 표현하는 것이 일반적이다. 다만, 법규에 진동을 dB로 평가하는 부분이 있어서 이 때만 dB합산 방법을 참고하면 되겠다.

 

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키워드	Overall, 오버롤, db, dB(V), 진동량, allpass

진동을 평가하는 방법과 절차- 측정부터 표현까지

진동을 평가하는 방법과 절차

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현재의 진동상태에 대한 수준을 평가하는 이유는 여러 가지가 있겠지만 아마도 크게 구분하자면 구조를 통해서 사람이 불평하거나 불안을 느낄 때나 또는 기계나 설비가 얼마나 더 정상적인 상태로 생산을 더 지속할 수 있을지에 대한 두 가지로 구분할 수 있을 것이다. 이때 현재의 상태를 객관적으로 표현할 수 있기 위해서는 ‘평가’라는 절차를 거치면 되는데 보통 이것은 전문가가 수행하게 된다. 왜냐하면 측정하는 방법과 계측기의 인증, 측정하는 사람의 자격과 면허, 적절한 기준의 선택이 그러하기 때문이다.

진동을 평가하는 일반적인 절차

진동을 평가하는 일반적인 절차를 대상선정부터 결과까지의 고려사항을 정리해 본다.

 

1.진동평가의 대상	사람(환경)	공장의 진동전달, 기계의 진동전달, 공사장, 도로, 철도진동
	구조(안전)	교량, 건물, 구조의 안전관련, 지진, 배관, 발파
	기계(자산보호)	기계설비, 전기설비, 생산설비 등 진동에 따른 파괴, 생산 저하
2.측정방법	진동주파수범위	저, 고주파
	진동진폭단위선정	주진폭단위(변위-속도-가속도), 보조진폭단위(rms, o-p, p-p)
	진동측정방향	수평, 수직, 축, 회전
	측정위치의 선정	주기적측정, 강성 높은 곳, 베어링의 특성을 잘 표현
3.평가방법의 선택	절대기준	사람(환경-법규), 구조(안전-DN4150, 발파기준, 각대상별 안전기준, 기계(ISO10816,7919), API6시리즈,
	상대기준	시간에 따른 추이, 모니터링(정기측정, 온라인, 2배-5배-10배)
	상호기준	제조사의 기준, 소유자의 기준, 수진자의 상태
4.결과의 표현	기준에 따라서 현재 최대진동값(Overall)을 평가하고, 참고로 추이를 상대기준으로 표현하여 모니터링하고 유사경험(설비종류, 설치조건, 환경과 상태 등)을 첨언한다.

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키워드	진동기준, ISO, 진동평가, 가속도, 변위, 적분, 진동량, overall

 

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

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진동을 측정한 결과를 그래프로 표시할 때 Y축을 나타내는 것은 대부분 ‘진폭(amplitude)’으로 이 값이 단위도 다르고 단위의 부가표시도 다르기 때문에 진동이 쉽지 않다고 했다. 그러나 또 달리 혼동을 유발하는 것이 있는데 실제로 진동을 평가할 때에는 이 진폭이 아닌 ‘진동량(Overall, 전체의 진폭합산)’으로 판단한다는 것이다. 즉, 진동계에서 선택하는 단위(변위, 속도, 가속도)와 부단위(P-P, 0-P, rms)를 선택하고 난 다음에 화면에 표시되는 값이 Overall이다.  이러한 과정 중에서 같이 사용하기 때문에 자칫 의미에 혼동을 갖는 Overall과 rms에 대해서 설명한다.

Overall과 RMS

진동을 표현하는 목적에는 소산되는 표현되는 ‘에너지’와 ‘파워’의 양을 평가한다는데 많은 부분이 내재되어 있다. 물리적으로 Overall(진동량)은 ‘파워(power)’의 합이며 RMS(실효치)는 에너지는 ‘일(Energy)’의 개념으로 힘과 거리의 곱인 면적의 의미를 가지고 있다. 수학적으로 두 가지 산출식은 다음과 같다.

다시 그 의미를 설명하면

우선, RMS(Root mean Square)는 신호의 진폭을 표현하는 부가개념으로 Peak와 대응된다. 정현파(sine wave)의 경우에는 Peak의 0.707배를 곱한 값(/√2)으로 사용할 수 있고 샘플링 한 블록신호의peak값의 자승평균제곱근으로 에너지를 나타내는 면적개념이 있다고 하겠다. 그래서 각종 기계류의 수명을 판단하거나 에너지 발산을 판단하는 양으로 또한 전기 및 통신에도 같은 의미로 사용된다. 특히 진동분야에서는 ISO의 평가기준(10816)에서 rms를 채택하고 있으며 소음분야에서도 dB(V), VL, VAL에 모두 rms가 기본적으로 적용된다. 

반면에 Overall(Overall Amplitude)은 진동량을 표현할 때 사용하는데 마찬가지로 ISO의 평가기준에 사용되는 평가량이다. 즉, ISO에 A등급 진동기준이 2.3mm/s rms라면 이 ‘2.3’은 적어도 10~1000Hz를 포함하는 주파수의 진폭의 전체량 합산을 의미하는 ‘진동량’인 것이다. 진동계에서 숫자로 표기되는 디스플레이 단일 값도 이 Overall값이다. 이 것은 원래 시간파형(Waveform)에서 샘플링 블록의 평균Peak값 또는 RMS값을 표현하였으나 진동계에서 주파수 별로 획일화된 Voltage출력에 의한 작은 값을 의미하기도 했으므로 FFT처리 이후 Spectrum상에서 주파수를 구한 다음 그 이후에 합산하여 구하는 방법을 더 많이 사용한다. 수학적으로 각 파워합(주파수별 진폭의 자승을 합하고 루트를 씌운 값)으로 이 식이 의미하는 바는 파워합산이 의미하듯이 대상의 크기 중 가장 큰 값의 작은 방향 수렴을 의미한다. 다시 말하면 1, 10, 100의 산술합산은 111인 반면 파워합산은 100.5가 된다. 여기서 주의할 점은window를 씌우는 경우인데 윈도우 별로 누설오차의 발생에 대한 보정 값을 나누어 주어야 한다. 예를 들어 Hanning윈도우의 경우 √1.5를 해주는 것이다.

위의 두 가지 용어가 이해가 어려운 부분은 다음 예로 설명한다.

 “Overall rms 값이 가장 Monitoring 기여도가 높다”라고 한다면 이 것은 무엇을 의미하는 것인가?

답은 이렇다.  단순진동계는 전압 샘플시 저주파 오류 및 누설이 많이 생기므로 waveform이지만 실제 진폭은 아날로그 적분이 저가로 완성할 만큼 쉽지 않다. 따라서 스펙트럼 분석을 할 수 있는 FFT 분석기에서 Digital 또는 Analogue적분을 하여 OL값을 구하는 것이 정확하다. 즉 Raw signal을 시간파형으로 취득한 다음, RMS를 직접 구하는 것보다 우선 FFT처리하고 원하는 단위로 적분한 후에 스펙트럼 값에서 일괄적으로 각 주파수 별로 *0.707하여 화면에 재 탄생시키는 방법, 그리고 다시 속도스펙트럼으로 변위스펙트럼으로 적분하여 보이는 방법이 현재 대부분의 계측기에서 사용하고 있는 방법이다. 따라서 ‘Overall rms’란 스펙트럼에서 rms의 부가단위로 나타난 주파수 별 진폭들을 파워합산한 값이며 이 것은 설비의 상태를 잘 Monitoring하고 평가하는데 사용하는 가장 적절한 척도로 사용된다.

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키워드	RMS, Spectrum, Overall, 오버롤, trend, hanning, 진동단위 Overall rms