2.3 가변 주파수 가진

Variable Frequency Excitation

 

기계 구조물 및 관련 부품의 공진 주파수를 확인하기 위해 사용되는 충격시험 이외에 보다 정교한 기술이 가변 주파수 가진이다.

상업적으로 공급 가능한 가변 주파수 진동 발생기가 있는데 이것은 기계나 구조물에 부착시켜 넓은 주파수 범위에 걸쳐 조절할 수 있는 강제적인 정상 상태의 진동을 준다. 진동 발생기는 소형 경량 구조물용으로 수십 gr으로부터 대형 산업용 기계용으로는 수십 ㎏까지 가진력을 주는 여러 가지 크기가 있다. 어떤 유니트는 60,000 ㎐(3,600,000 cpm)을 초과하는 가진 주파수를 발생시킬 수 있다.

가변 주파수 진동 발생기에는 수력학식, 전자석식 및 압전식 3가지 형태가 있다. 수력학식 진동 발생기는 수력학식 전동기와 동일한 원리로 동작하며, 통상 가진 주파수를 조절하기 위해서 Control Valve와 외부의 수력 펌프를 사용한다. 수력학식 발생기는 통상 1 ㎐(60 cpm) 이하로부터 아마도 1000 ㎐(60,000 cpm) 범위에 걸치는 가진 주파수를 가지며 상당히 낮은 주파수용에 사용되며 또한 수백 ㎏까지 큰 가진력이 요구되는 곳에 사용된다.

전자석식 Shaker는 Audio Speaker와 같은 원리로 동작한다. 구성은 거의 속도 진동 변환기와 같고, 영구 자장 내에 있는 저강성 스프링에 의해 매달린 Coil로 되어 있다. 교류가 Coil에 가전되면 Coil은 교류 입력 주파수로 진동한다. 물론 교류 입력 주파수를 변화시키면 Coil 진동 주파수도 변화한다. 전자석식 Shaker에 의해 발생한 힘의 크기는 교류 입력 크기에 비례한다. 외부의 Audio Power Amplifier는 Shaker를 동작시키는데 필요하다. 전자석식 진동 발생기는 일반적으로 5 ㎐(300 cpm)에서 10,000 ㎐(600,000 cpm)까지의 가진 주파수를 주는데 사용된다. 가진력은 선정한 Shaker에 따라 다르지만 500 ㎏을 넘지 않는다.

압전식 진동 발생기는 압전식 가속도계 구성과 거의 같고, 무거운 관성 질량과 Shaker Housing 사이에 압전식 Ceramic Disk가 여러 개 있다. Shaker는 가속도계 변환기와 정반대로 동작한다. 가속도계가 진동을 할 때 그로 인한 압전 Disk에 작용하는 관성력은 이에 비례하는 전하를 발생한다. 압전식 Shaker는 단지 이런 절차를 역으로 하고 있다. 즉 압전 Disk에 전압을 가하면 Disk와 관성 질량이 진동하게 된다. Shaker 주파수는 가압된 전압에 따라 변화하는 Disk의 두께에 의해 결정된다. 따라서 입력 전압을 단지 변화시키면 Shaker 주파수도 조절될 수 있다. 전자석식 Shaker와 같이 압전식 Shaker도 필요한 힘을 발생하는데 필요한 높은 전압을 공급하기 위해서 외부의 Power Amplifier가 필요하다. 압전식 진동 발생기는 일반적으로 200 ㎐(12,000 cpm)에서 60,000 ㎐(3,600,000 cpm)이상까지 상당히 높은 진동 주파수가 요구되는 곳에 사용된다.

대단히 넓은 범위에 걸쳐 가변 주파수 가진을 줄 필요가 있는 곳에는 전자석식 및 압전식 Shaker를 하나의 Unit로 조합한 Shaker를 구입 사용한다.

수력학식, 전자석식 및 압전식 Shaker는 일반적으로 단일 방향으로 가진력을 주기 때문에 Shaker는 요구하는 방향으로 시스템을 가진 하도록 기계나 구조물에 부착시켜야 한다. 만일 공진 주파수가 다 자유도에 의한 것으로 판명된다면 시험할 각 방향에서의 가진을 주기 위해서는 Shaker를 다시 설치할 필요가 있다. 충격시험에서와 같이 가변 주파수 시험을 수행하기 위해서는 기계를 정지시켜야 한다.

시험중 시스템에 Shaker가 일단 부착되었으면 Shaker의 진동 주파수는 요구하는 주파수 범위에 걸쳐 간단히 조정되며 최대 진동 진폭이 발생하는 주파수들을 눈여겨본다. 이 주파수들은 시스템의 적절한 주파수들이다. 관심이 되는 특정 공진시 Shaker의 진동 주파수를 유지함으로써 축의 처짐 형태를 구하고 공진 하는 시스템의 정확한 부품을 확인하기 위해서 Mode Shape 분석과 같은 공진 구조물의 보다 상세한 분석이 이루어질 수 있다. 이러한 정보는 공진 문제를 해결하기 위해서는 구조적 개선이 반드시 행해져야 한다는 것을 결정하는데 중요하다.

한편 시스템에 가변 주파수가진을 주는 가장 저렴한 수단은 단순히 DC나 SCR 전동기와 같은 가변속도 전동기를 적용하는 것이고 또 불평형력을 일으키기 위해서 전동기 축에 Counter Weight나 불평형된 Pulley를 설치하는 것이다. 불평형량은 시험 중에 시스템을 가진하기 위해 필요한 힘을 주기 위해 조정될 수 있다. 시험중인 구조물에 불평형된 가변속도 전동기를 취부하고, 속도 범위에 걸쳐 단지 운전해 보고, 다시 시스템 공진 주파수들을 확인하기 위해 최대 진동 진폭이 발생한 곳에서의 전동기 속도에 주목한다. 구조물 상의 전동기 위치는 여러 방향에서의 공진 주파수를 구하기 위해서 변화시킬 필요가 있다.

가변 주파수 Shaker를 사용하여 공진 시험을 수행할 때 기계나 구조물에 부착한 Shaker는 구조물에 추가 질량이 가해져 시스템의 진정한 고유 진동수를 낮추게 할 수 있음을 나타내고 있다는 사실을 기억해야 한다. 문제를 최소화하기 위해서는 사용되고 있는 Shaker의 무게는 시스템의 무게에 비하여 가능한한 작게 유지하도록 해야 한다. 예를 들면 Shaker의 무게가 시험중인 시스템의 무게와 같다면 Shaker의 추가 무게는 시스템의 공진 주파수를 약 30% 감소시킬 것이다.

 

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