진동의 진폭 단위 선택(변위, 속도, 가속도)- 어떤 것이 맞는가

진동의 진폭 단위 선택(변위, 속도, 가속도)-어떤 것이 맞는가?

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진동의 진폭을 단위로 표현할 때에는 많은 규칙을 알고 있어야 엔지니어간에 서로 소통할 수 있다. 측정하는 대상체(건물, 사람, 기계)에 따라서 또는 주요주파수(저주파, 고주파)에 따라서 또는 결과의 관심관점(응력, 에너지, 파워)에 따라서 진폭의 단위를 서로 달리한다. 절대로 하나로 통일할 수 없다. 평가를 위한 성문기준, 참조기준, 측정기준 등에 나오는 단위가 각기 다른 단위를 사용하기 때문이다.

변위, 속도, 가속도의 선택은 용도에 따라 다르다.

변위와 속도 그리고 가속도는 서로 미적분을 통해서 변환이 가능하다. 일반적으로 가속도센서를 이용하여 속도로 변환하여 평가하지만 변위는 직접 변위센서를 통해 측정하는 것이 좋다. 

진동진폭단위	변환식	주단위 (SI)	부속단위	용도	주파수	센서	공학 근거
변위 (Displacement)	D=X	µm(기계) mm(구조)	Peak to Peak (P-P)	-정밀기계변위계측, -배관변위계측, -대형기계 비접촉 -축거동 감시, -건축물최대거동측정	저주파 ~500Hz	-LVDT -Laser -Proximity probe(0~1kHz) -wire, bar type	응력 (σ=Eε)
속도 (Velocity)	V =Xw	mm/s(기계), cm/s (kine) 건물 ,구조	rms , 0 to Peak (0-P)	-기계건강평가(MHM) -발파진동 및 건물피로평가	중간주파수 10Hz~3kHz	-Velocity meter(10Hz~1kHz)	에너지 (E=1/2 mv²)
가속도 (Acceleration)	A =Xw²	G, m/s²기계,   gal(cm/s²) 정밀기계, dB(V) VAL(공해진동)	rms	-기계 및 구조 안전 -사람의 건강 및 공해진동 -지진	고주파 3kHz~	-Accelerometer (Piezo, Mems) 0~30kHz	힘 (F=ma)

 X(초기변위), w(각주파수, 2πf), f(주파수)

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키워드	변위, 진동, 속도, 가속도, rms, MHM

 

임계 주파수, 임계속도, 위험속도 (Critical frequency, Critical speed)

임계 주파수, 임계속도, 위험속도 (Critical frequency, Critical speed)

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모든 변하는 것에는 미리 정해 높았던, 갑자기 발생하던 한계점(인계점, Critical point)이라는 것이 존재하게 된다. 물이 얼거나 끓기 시작하는 점도 그렇게 부르고 법규로 지키자고 정해놓은 것도 ‘한도’라고 한다. 진동에서도 있다. 주기적으로 진동하며 감쇠하는 상태와 진동이 없이 감쇠하는 상태의 경계를 임계감쇠(Critical damping)라고 한다. 그리고 임계속도(Critical speed)도 있다. 진동이 문제가 되는 것은 항상 결론에는 얼마나 진폭이 큰가?를 한정하는 것이 대부분 이므로 과연 어떠한 경우에 이 진폭이 크게 상승하는지가 관심사항이 된다

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Critical Frequency & Critical Speed​

고유주파수(Natural frequency)와 가진주파수(Operational frequency)가 일치할 경우 공진(Resonance)라고 하는데 이 때에는 진폭이 크게 상승하게 된다. 고유주파수는 기계나 구조의 경우 감추어져 있는 원래의 그 성질을 말하지만 가진주파수는 가동을 하면서 변동시킬 수 있는 경우(가변속기기)이므로 이 가진 또는 회전주파수가 고유주파수에 일치하게 되는 그 때의 주파수를 바로 ‘임계주파수 혹은 한계주파수’라고 한다. 이때는 보통 1차 진동모드(Mode)의 고유주파수만을 의미하기도 한다.

범위를 넓혀서 진동과 음향까지로 단어를 확대하면 다음의 두 가지를 더 생각할 수 있는데 첫째로 음향계에서의 임계주파수는 계의 고유음향주파수와 일치하는 가진주파수를 의미하며 예를 들면 도파관(Waveguide)의 경우 차단주파수(Cut-off frequency)라고도 일컫는다. 이 주파수 이하는 고체음(Structure borne)이 전파되지 않는다. 두 번째는 진동계와 음향계가 연성(coupling)된 경우로 유연한 격벽에 음파가 입사되었을 때 표면을 따라 전파되는 굴곡파(Flexural wave)가 발생되어 입사음파와 파장이 같아져서 공진을 유발하는 상태의 주파수이다. 이때는 물론 격벽이 음파를 전혀 차단하지 못하는 상태이다.

실제로 터빈, 발전기 등 회전체에서 회전자(Rotor)가 고유주파수(회전체, 고정자 또는 기타 구조가 가지고 있는)와 일치하는 속도로 회전하면 공진현상이 유발되어 회전체가 상당히 위험한 상황이 되는데 진동이 심하면 이를 감지하여 발전소의 가동을 중지시킬 수 도 있는 상태에 이르는데 이를 위험속도라고 부른다. 이때에는 회전체 운전시 위험속도보다 낮은 영역에서 운전하든가 가능한 빨리 위험속도 영역을 탈출하여 위험속도 이상에서 운전하도록 해야 하는데 후자의 운전방법이 발전소에서 사용하는 대부분의 운전방법에 해당된다

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계측편람- 진동분석 및 감시용 FFT진동측정시스템 Sequoia fast tracer

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자동차속도와 진동속도의 차이점 (Vibration velocity는 크기로 판단한다)

자동차속도와 진동속도의 차이점 (Vibration velocity는 크기로 판단한다)

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자동차가 60km/h로 달리고 있을 때, 진동은 어느 정도일까? 환산해서 60x1,000,000/3,600 = 16,666 mm/s일까? 

진동은 변위, 속도, 가속도라는 세가지 진폭단위로 표현한다. 즉, 기준위치로부터의 최대변위량(변위), 시간의 변동에 따른 변위의 시간당 변화량(속도) 또는 속도의 시간당 변화량(가속도)으로 그 크기를 가늠한다는 것이다. 하지만 이 때 진동의 단위는 ‘크기’를 의미할 뿐, ‘빠르기’를 의미하는 것은 아니라는 것에 중요한 차이점이 있다. 다시 말하면 빠르기, 시속 60km/h로 주행하고 있는 자동차가 진동도 60km/h이라는 것은 절대로 아니다라는 뜻이다.

진동의 속도 (mm/s, rms or peak)

진동에 대한 ‘빠르기’는 변위, 속도, 가속도의 모든 단위에 있는 ‘주파수’ 또는 ‘주기’로 표현된다.  진동이란 기준점을 중심으로 반복하는 것이어야 하므로 ‘얼마나 빨리 반복하는가?’가 이 주파수 또는 주기가 담당하는 것이고 ‘얼마나 크게 움직이는가?’라는 양을 바로 진폭의 종류인 변위(µm), 속도(mm/s), 가속도(g)로 나타내는 것이다. 즉, 자동차의 속도는 지나가는 speed를 나타내고 진동의 속도는 에너지의 양인 진폭의 크기에 대한 종류인 것이다.

근본적인 착각의 원인제공자는 진동의 진폭단위를 3가지로 각기 표현하는데 따른 것으로 추정된다. 적합한 주파수 구역대가 다르고 목표로 정한 측정대상이 다르기 때문에 각기 다른 단위를 사용하며 그렇다는 것을 이해하여야 한다. 진동의 속도로 평가하는 대상은 ‘파괴’와 ‘에너지’가 관련이 있는 건축물의 진동안전평가나 회전기계류의 수명판단에 주로 사용되며 이때 같은 속도의 부속단위로 사용되고 있는 rms와 peak의 사용구분은 기준을 rms로 정한 ISO와 peak를 계속 사용하고 있는 North American standard간의 차이점도 있다.

결론적으로 자동차의 진동은 자동차가 빨리 달리면 진동도 커지는 면이 있으므로 자동차의 주행속도와는 전혀 관련이 없다고는 할 수 없으나, 주로 엔진의 RPM에 의한 진동가진력이 주도하므로(4기통의경우, RPMx2배의 주파수에서 진동이 발생) 그때 발생하는 정상적인(규칙적인) 진동이나 주행노면에 의한 충격진동(불규칙적인)과 관련이 있다고 해야 옳다.

키워드	진동, 주파수, 속도, rms, peak, 가속도, 진동의 단위

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계측기술검토-계측시스템(DAQ+FFT+S/W)가 내장된 MEMS타입 다축 진동센서 SEQUOIA Fast tracer

계측기술검토-User의 관점

  

계측시스템(DAQ+FFT+S/W)가 내장된 MEMS타입 다축 진동센서 SEQUOIA Fast tracer

 

검증 추천	나쁨	별로..	쓸만함	권장수준	자랑할 정도
다양한 기능					y
출력과 성능				y
동종 가격대		y
사용이 쉽다					y
외관 및 편리				y

 

Key word  -사용이 매우 간편하고 이렇게 3축 진동측정이 간편할 수가 있다니 노트북을 켜자마자, 하지만 주파수가 2500Hz이상도 측정할 수 있었다면…

Model: Fast tracer, Balancer 현장계측용, 실시간계측 모니터링용, 진동평가용, 실시간 진단용, 교육용

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