고유모드/공진
'진동과 소음'
뗄레야 뗄 수 없는 관계이다.
진동이 있는 곳에는 항상 소리가 나고, 소리가 나는 곳에는 항상 진동이 있다.
가장 쉬운 예는 우리의 목소리이다. 우리는 성대로 공기를 진동시켜 소리를 전달하게된다.
진동은 우리가 항상 억제해야 할 대상으로 알고 있지만, 우리는 진동의 순기능을 항상 사용하고 있는 것이다.
기타와 바이올린 등도 이런 순기능을 사용하여 아름다운 소리를 우리에게 들려준다.
진동을 기계에만 국한시켜보면 장비, 장치에서 소음이 들리면 그건 문제가 발생한 것이고 우리에게 진동은 잡아야 하는 놈이다... ㅋㅋ
진동은 반복하중으로 변신하여 파손을 일으키기 때문이다...
자동화 관련 전시회에 가보면, 모션 업체에서 다양한 모션을 선보이며 사람들의 눈을 유혹한다.
그런 화려한 동작을 하는 기계장치 중에서 이송 하중이 무겁거나 가감속이 너무 빠르게 되어 있는 것들은 모두 '바들바들' 떨고 있다.
장치를 받치는 받침대가 진동을 고려하지 않은 일반 받침대이기 때문에 물체가 움직일 때마다 진동을 발생시키게 된다.
그런 장치를 볼 때마다 어떤 조치를 취하지 않으면 안 될 것만 같은 마음이 든다. ^^
여기서는 진동에 대한 가장 중요한 개념인 고유주파수와 고유모드, 공진에 대해서 이야기해 보고자 한다.
이 세가지를 잘 이해한다면 진동이 조금은 쉽게 여겨질 것이다.
참, 난 소음진동 전문가는 아니라서 틀릴수도 있음을 미리 말해 두고 싶다. ^^
▣ 고유진동수
진동을 처음 배울 때 '타코마 브릿지(http://youtu.be/3mclp9QmCGs)' 영상을 보여주며 설명을 시작했던 교수님이 생각난다.
아마도 타코마 브릿지가 진동을 공부해야 하는 가장 큰 이유를 한 번에 보여줄 수 있을거 같기도 하다.
다리가 바람과 공진하여 붕괴되는 장면을 보면 설계할 때, 진동을 꼭 고려해서 해야겠다는 생각을 하게 한다. ^^
모든 물체에는 자기 자신만의 고유진동수가 있다.
고유진동수가 한 개만 있는 것도 있을 것이고, 여러 개가 있는 것도 있을 것이다.
고유진동수는 물체의 특성이다. 무게와 강성이 결정되면 알 수 있다.
진동방정식은 외력, 무게와 강성, 충격 흡수에 의해 결정되게 된다.
무게는 가속도에 의한 관성에너지,
강성은 변위에 의한 탄성에너지,
충격 흡수는 속도에 의한 에너지 감쇠를 만들어 낸다.
외력이 없고, 충격 흡수가 없다 가정하여 자유 진동을 시키면 고유진동수를 얻을 수 있다.
이렇게 얻은 고유진동수는 왜 중요할까?
그 이유는 고유진동수를 구하기 위해 필요한 무게와 강성을 인위적으로 변경이 가능하기 때문이다.
그래서 고유진동수를 더 고주파로 아니면 저주파로 이동시킬 수가 있다.
바로 이 것이 고유진동수의 키 포인트이다.
강성을 더 강하게 하여 고유주파수를 더 높게 만들 수 있으며,
무게를 늘림으로써, 고유주파수를 낮게 만들 수도 있다.
이렇게 함으로써 공진을 피할 수 있게 된다. 바로 문제를 해결하는 열쇠인 것이다.
▣ 고유 모드
설계를 하고, CAE로 모달 해석을 하고, 실제로 테스트도 할 수 있는 여건이 갖춰져 있으면 가장 완벽할 듯하다.
실제 테스트를 통해 일부 모르는 값들을 찾아내면, 그 값을 해석에 넣어 해석 신뢰성을 높히면 되고,
가장 좋은 방안을 찾아 설계에 적용하게 된다면 좋은 제품이 나올 것이다. ^^
그럼, 좋은 방안을 찾아 나가기 위해서 우리가 알아야 하는 것이 무엇일까?
바로 이 고유 모드를 알아야 방안을 찾을 수가 있다.
이렇게 중요한 고유 모드는 진동하는 모양을 나타낸다.
그 모양을 알아야 강성을 증가시키는 방법을 쉽게 알 수 있다.
그래서 보통은 모드와 고유주파수를 동시에 파악하고 가진 주파수와 공진이 일어나는 주파수를 피하는 방안을 모색하게 된다.
고유 모드를 통해서 방안을 찾고, 고유주파수를 변경시키는 작업이 우리가 주로 하는 진동을 억제하는 방법인 것이다.
▣ 공진
공진은 이미 위에서 많이 언급해서 이미 그 뜻은 충분히 전달한 듯 하다.
고유주파수와 가진주파수가 비슷한 값을 가질 경우, 진동량이 급격히 증가하는 현상이다.
설계할 때, 필요한 하중에 버틸 수 있게 강성을 고려해서 설계해 놨는데,
우리가 예상한 것보다 더 큰 하중이 반복해서 설계한 구조에 가해지게 되면, 피로 파손이 일어나게 되는 것이다.
파손은 가장 약한 부분에서부터 진행되어 전체에 더 큰 파손을 진행시키게 된다.
댐 벽에 처음에 손가락만한 구멍이 뚤린 것과 같은 것이다. 그 구멍이 커지는 것은 시간 문제가 되는 것이다.
그래서 이 공진은 우리가 피해야 할 가장 큰 공공의 적이 되었다.
그럼, 이 공진은 어떻게 알 수 있을까?
가장 쉽게 알게 되는 건, 바로 소리이다. 그래서 소음을 측정하여 고장난 부분을 찾아낼 수도 있다.
바로 이것이 고장진단을 하는 좋은 방법 중에 하나이다.
큰 플랜트에서는 라인과 장치들이 가동을 중단하면 큰 손해를 보기 때문에 이런 소음을 통해 파손을 예방하는 작업을 진행하기도 한다.
마지막으로 정리하면,
공진은 현상이고, 그 현상은 소리를 알 수 있으며...(물론 눈으로 볼 수도 있고, 손으로 느낄 수도 있다.)
고유 모드를 통해서 진동의 형태를 파악하고
강성과 무게를 통해서 고유진동수를 변경하여 공진을 피할 수가 있다.
무게를 늘이면 고유주파수는 낮아지고, 강성을 높히면 고유주파수는 높아진다.