42 정재파와 맥동음Beat음 파동의 간섭

정재파와 맥동음(Beat)음 (파동의 간섭)

음(Sound)은 파동의 현상 중의 하나로서 음향파워(sound power)를 발생하는 음원(sound source)에서 발생하여 일정한 음의 세기(sound intensity)를 가지며, 발산하여 감쇠하여 소멸된다. 이 때 음은 운동에너지에서 열에너지로 변형되기도 하며, 흡수, 반사의 특성을 보인다. 한편, 음은 또한 다른 파장의 음과 서로 ‘간섭’을 하게 되는데 이때 보강, 소멸 등을 일으켜 파동임을 증명하기도 한다.

정재파(Standing Wave)

음의 진행파와 반사파가 서로 간섭을 일으켜, 보기에(위치를 이동하면서 측정해 보면) 마치 움직이지 않고 정지해 있는 것처럼 보이는 파를 말한다. 정재파는 λ/4의 간격으로 높고 낮은 반복의 특성을 보이며, 반사면을 수평이 되지 않도록 수정하거나 반사면에 흡음재를 설치하면 방지할 수 있다.

맥동음, 맥놀이현상 (Beat ,Modulation)

파장의 간섭은 위상(Phase)에 따라 보강간섭, 소멸간섭이 발생할 수 있는데 이중간의 현상으로 주파수가 비슷한 두개의 음이 서로 만나서 보강,소멸을 교대로 발생하는 현상으로, 음이 커졌다,작아졌다를 반복하여 “웅~웅”하는 비트음을 발생한다.

이 맥놀이 주파수는 두 음의 주파수 차이( f1-f2 )와 같다.

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41 진동 상태평가 3가지 기준과 방법절대, 상대, 상호

진동 상태평가 3가지 기준과 방법(절대, 상대, 상호)

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진동이 발생하는 설비(기계), 구조는 생산에 직결하는 매우 중요한 자산(Asset)이므로 관리자의 입장에서 보면 여러 의미에서 반드시 이 자산의 좋은 상태와 나쁜 상태를 집계할 필요가 있다. 따라서 상태를 평가하고 현재가 정상인가 아닌가를 판단하려면 어떠한 기준이 있어야 한다는 것은 짐작하고 있을 것이고 찾을 것이다. 가장 많이 사용되고 있는 평가기준(criteria)은 ISO나 API등에서 다루고 있는 ‘절대기준’이며 이는 참조기준이나, 성문기준, 제조사 권고기준 등을 포함한다. 그러나 설비의 건강상태를 평가하는 것은 일괄적일 수 없을 때도 많으므로 절대적인 기준 이외의 평가방법이 필요하다. 이 것은 물론 일반적인 Overall값(진동량)으로 하는 것으로 개별 주파수진폭에 의한 평가와는 다른 것임을 이해하고 있어야 한다.

진동의 절대평가, 상대평가, 상호평가

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상태를 평가한다 라고 하는 것은 측정된 진동에 대해 정상치 인지 이상치 인지를 평가하는 것이다. 평가를 위한 평가기준(Criteria)에는 절대평가기준, 상대평가기준, 상호평가기준 등이 있으며 설비의 특성에 따라 각각 달리 적용하고 있다.

¨ 절대평가기준 – 동일 부위에서 측정한 값을 평가 기준과 비교하여 양호, 주의, 불량을 평가한다. 일반 회전기계, 건물, 환경, 구조 전반에 적용한다. ISO, DIN, ANSI, 법(법령, 규칙, 규정, 조례), 각종 시방서, 자체내부관리기준 등에서 정하고 있다. 이 것과 측정값을 비교하여 ......

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철도의 진동

철도의 진동

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누구나 인정하듯 의례 그런 줄 알고 있다. 철도는 진동이 많다. 자동차보다 선박, 항공 같은 다른 수송기계 중 진동이 제일 심하다는 것은 자연감지 능력만으로 알 수 있다. 그 이유는 고체와 고체간의 마찰 및 충격이 아주 잘 발생할 만큼 속도와 중량이 크기 때문이다. 발생원도 차체에서 발생하는 것과 차륜과 레일의 충격에서 발생하는 것의 두 가지로 나눌 수 있어서 소음발생원보다는 적지만 강력한 가진력을 가지고 있다.

철도 가진력(동력부와 차륜-레일부)

철도차량에서 발생하는 가진력은 철도차량 실내 또는 기계의 건강측면에서 느낄 수 있는 것으로서 다음과 같은 원인을 들 수 있다.

1.     탄성재료(공기스프링, 고무, 금속스프링)을 거치고 억제된 차륜-레일충격진동 (30~60Hz)

2.     구동모터 및 감속기 진동(1~60Hz, 1000~2000Hz)

3.     에어컨 및 환기팬 진동(1~200Hz)

4.     변압기 및 전기기인 진동(60~500Hz)

5.     기타 이음부의 마찰진동(1~10Hz)

위의 원인은 실내에로 전달이 되어 사람의 불편함과 기계수명에 영향을 준다.

둘째로 철도차량의 차륜이 레일 위를 지나갈 때 발생하는 것으로 위의 5항을 구체화 할 수 있다. 이 진동은 실내와 인근 구조물에 전달된다. 고유주파수 (0.5~1Hz)를 가진하며 일반개활지 통과 시 철도차량으로부터 R파(10Hz이하 표면파)로 전달되며 도심지 지하철은 30~150Hz의 P파, S파로 전달된다.

1.     레일간 이음부, 용접부, 분기부 등의 불연속구간

2.     레일의 수평또는 수직방향의 뒤틀림, 레일강성의 불균일, 레일지지기반의 침하(단차)

3.     차륜평면화(Wheel flat, 편마모), 차량자체결함

4.     열차들간 중량차이

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발전소터빈의 진동과 철도차량진동의 차이

발전소터빈의 진동과 철도차량진동의 차이

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당연한 이해로 생각이 들 수 도 있지만 발전소 또는 일반산업플랜트의 진동과 철도차량의 진동을 비교하자면 에어컨 실외기모터의 진동과 자동차의 주행시 진동을 예를들면 잘 맞을 것이다. 큰 차이는 작고 크고를 떠나서 또는 얼마나 자주, 빨리를 떠나서 가장 다른 것은 속도(회전주파수)의 변동여부이다. 즉, 에어컨 실외기의 모터는 시동 후 즉시 정속가동하고 속도는 변하지 않지만 자동차(철도)는 움직일 때 엑셀을 밟을때마다 속도가 수시로 변동한다.

정상운전상태와 과도운전상태의 진동의 차이

대형연속생산공정에서 흔히 사용하는 원동기(모터, 터빈)등은 급속도의 시간에 정해진 속도를 주어 팬, 펌프, 압축기, 롤 등을 가동한다. 변속이 필요한 경우는 기어, 벨트, 체인 등으로 변속을 하고 VVV시스템으로 원동기의 속도를 변동할 수 있지만 대부분의 대형공장은 같은 속도로 회전하는 기계들로 구성된 정상운전상태(Steady state operating)의 진동이다.

반면에 과도운전상태진동(Transient operating)은 수시로 원동기의 속도가 변하면서 가동하는 철도, 자동차 등의 수송기계와 가공공작기계, 연속운반기계(크레인) 등을 예로 들 수 있다. 이는 설비의 수명과 두 시스템 간에는 진동의 모니터링 방법에 큰 차이를 보이는데 설비의 수명측면에서 공진효과의 반복에 의한 수명감소를 간과할 수 없다. 즉, 속도가 계속 변동한다는 것은 위험속도(Critical speed)에 머물 가능성이 더 크다는 뜻으로 진동이 더욱 커지는 공진구역에서 빈번한 공진에 의한 부분적인 피로파괴(fatigue failure)가 유도된다. 또한 모니터링관점에서 살펴보면 속도가 변한다고 설비의 모니터링 방법이 불가능한 것은 아니다. 과도운전상태의 진동현상이 변수가 많아서 더 어려울 뿐이다. 이 때에 일정한 공정속도에서 취득한 신호(주파수) 또는 진동량 간의 상대, 상호비교나 통계적인(일간, 주간, 월간) 진동량 비교가 실제로 적용이 가능하다. 모든 것을 다 모니터링한다는 것은 많은 데이터만을 축적할 수 있다면 뭐든지 가능하다는 이론이지만 실제로 모니터링은 저장공간이 무한하지 않기 때문에 그렇게 비효율적으로 진행되지 않는다. 다만 과도운전상태에서 주의할 점은 예지보전(PdM)이 불가능하지 않다는 점이며 모니터링 할 시점과 통계량의 비교가 될 것이라는 점이다. 양 시스템의 모니터링시스템을 구성할 때 이를 참고하기 바란다.

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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

진동평가의 표현방법 (진동상태의 등급표시 ABCDE)

진동평가의 표현방법 (진동상태의 등급표시 ABCDE)

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진동을 담당하고 있는 사람은 관리자나 기타 다른 기술을 담당하고 있는 사람으로부터 현재의 진동상태는 어떠한가를 묻는 질문을 반드시 듣게 되어 있다. 심지어는 말로 듣고 데이터를 측정하여 전달해 주었을 뿐인데 이에 대한 결과를 물어볼 수 도 있다. 상태를 평가한다는 것은 절대, 상대, 상호기준 등에 따라서 종합적으로 판단해야 하기 때문에 쉽게 답변할 수 없지만 그러나 반드시 확인해 주어야 한다면 ‘절대평가’에 따라 그 결과와 근거를 낼 수 있다. 이 상태는 양호/ 불량/ 불가 등으로 주로 구분되어 표현되는데 그 다양한 표현과 표준에 대해서 정리하여 보았다.

진동평가의 등급표시

우선, 해외 각 기준 및 그래프를 이용한 참조기준 등에서 표현된 방식은 영국형은 주로 ABCDE 5등급으로 표기하는데 표현하는 용어와 순서(대부분 A가 가장 좋은 상태이지만 어떤 등급은 E가 가장 좋은 상태)는 약간씩 다르지만 대체로 주파수별 등급 진동치(진동량, 진폭)를 표기하고 있다.

 

가장 많이 사용하고 있는 진동 등급의 표현방법은 ISO10816이나 7919에서 사용하고 있는 A/B/C/D의 4등급으로

A영역 :신규로 설치된 기계

B영역 :장기간 운전이 허용되는 기계

C영역 :장기간의 연속 운전에 적절하지 못한 기계 (제한된 기간 동안 운전)

D영역 :기계에 손상을 입힐 정도로 매우 가혹한 상태

기타 국내에서 고시, 활용하고 있는 안전진단 기준치(산업안전관리공단)의 평가등급도 이와 유사하다. A/B/C/D/E로서 매우 양호한 상태를 A로 정하고 있다.

또한 위의 등급들을 잘 살펴보면 대체로 설비의 중요도와 잘 연관할 수 있어서 예를 들어 설명하자면 A등급을 만족하는 기계나 정밀해야 하는 구조, B등급까지 만족하는 기계나 구조(바닥, 위치)를 기준하기도 한다.

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진동 상태 평가기준 3가지 방법(절대, 상대, 상호)

진동 상태 평가기준 3가지 방법(절대, 상대, 상호)

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진동이 발생하는 설비(기계), 구조는 생산에 직결하는 매우 중요한 자산(Asset)이고 관리자의 입장에서 보면 여러 의미에서 반드시 이 자산의 좋은 상태와 나쁜 상태를 집계할 필요가 있다. 따라서 상태를 평가하고 현재가 정상인가 아닌가를 판단하려면 어떠한 기준이 있어야 한다는 것은 짐작하고 있을 것이고 찾을 것이다. 가장 많이 사용되고 있는 평가기준(criteria)은 ISO나 API등에서 다루고 있는 ‘절대기준’이며 이는 참조기준이나, 성문기준, 제조사 권고기준 등을 포함한다. 그러나 설비의 건강상태를 평가하는 것은 일괄적일 수 없을 때도 많으므로 절대적인 기준 이외의 평가방법이 필요하다. 이 것은 물론 일반적인 Overall값(진동량)으로 하는 것으로 개별 주파수진폭에 의한 평가는 다름을 이해하고 있어야 한다.

진동의 절대평가, 상대평가, 상호평가

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상태를 평가한다 라고 하는 것은 측정된 진동에 대해 정상치 인지 이상치 인지를 평가하는 것이다. 평가를 위한 평가기준(Criteria)에는 절대평가기준, 상대평가기준, 상호평가기준 등이 있으며 설비의 특성에 따라 각각 달리 적용하고 있다.

 

¨ 절대평가기준 – 동일 부위에서 측정한 값을 평가 기준과 비교하여 양호, 주의, 불량을 평가한다. 일반 회전기계 전반에 적용한다. ISO 10816, 7919에서 정하고 있다.

 

  ¨ 상대평가기준 – 동일 부위를 정기적으로 측정하고 시계열 데이터를 비교하여 정상인 경우의 값을 초기치로 하고, 현재값이 그 값의 몇 배가 되는 가를 확인, 평가 – 비교적 진동이 높거나, 낮은 설비 또는 매우 중요한 설비 등의 감시에 적용한다.

 

¨ 상호평가기준 – 동일 기종의 기계가 여러 대 있는 경우, 이들을 동일 조건에서 측정하여 상호 비교함으로써 평가 – 보수 우선순위 결정 시 사용, 절대평가 기준이 없거나 적절하지 못할 때 사용.

 

이밖에 각 기업의 설비관리 목적에 따라, 국제 규격을 기초로 한 평가기준과 설비공급자가 설정한 공급자 기준 및 사용자 측 입장에서 규정한 사용자 기준이 있다. 이것은 물론 설비 보호 차원에서 사용되어야 하므로 사용자 기준 설정에는 사용자 설비에 대한 철저한 평가가 수반되어야 한다.

 

절대평가
상호평가
상대평가

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