진동이란? What is Vibration?

일반적으로 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복운동을 할 때 그 물체는 진동한다고 말한다. 이때 기준 위치에 대해서 다시 그 위치로 돌아오는데 걸리는 시간을 주기라고 말한다.

1초 동안에 완전한 운동 주기가 일어나는 횟수를 주파수라고 말하며, 단위는 Hertz(Hz)를 사용한다.

물리적인 의미의 진동은, 같은 시간 간격으로 되풀이 되는 모든 운동을 주기운동 혹은 조화운동(harmonic motion)이라고 하는데, 이 주기운동을 하는 입자가 운동하는 경로마저 같을 경우 이 운동을 진동이라 한다.

이 진동의 예로는 손목시계의 태엽 바퀴의 진동, 바이올린 줄의 진동, 음파가 통과해 갈 때 일어나는 공기분자의 진동 등을 들 수 있다.

진동은 소리굽쇠와 같이 하나의 주파수에서 발생되는 단일 성분으로 구성되거나, 또는 내연기관의 피스톤 운동과 같이 동시에 다른 여러개의 주파수에서 발생되는 여러 성분들로 구성된다.

실제 대부분의 진동 신호는 동시에 일어나는 매우 많은 주파수들로 구성되어 있으므로 구성되는 주파수 성분과 어떤 주파수에서 진동이 발생되는가를 아는 것은 어렵다.

일반적으로 진동은 진폭-시간 혹은 진폭-주파수의 관계로 나타낸다. 대게 진폭-시간의 관계로 진동을 나타내기도 하지만 이 경우 복잡한 진동 신호의 경우 그 구성 주파수와 진동을 발생시키는 주파수를 찾는 것은 매우 어렵다.

따라서 이 관계를 진폭-주파수로 변환시켜 관찰하는데 이처럼 진동신호를 각각의 주파수 성분으로 분리하는 것을 주파수 분석이라고 한다. 이 주파수 분석은 진동을 측정하여 해석하는 기본적인 기술이다.

진동의 심한 정도를 나타내는 특성인 진폭은 다양한 방법으로 정량화되어 진다. 다음 그림에서 보는 바와 같이 대표적으로 Peak-to-peak, peak, Average, RMS 값을 들 수 있다.

 

 

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- Peak-to-peak

피크-피크 값은 파의 최대 변화를 나타내기에 편리하다. 따라서 진동의 변위가 중요시

되는 경우 사용된다.

 

- Peak

피크 값은 짧은 시간에 일어나는 충격 등과 같은 크기를 나타내기에 유용하다.

그러나 위 그림에서 보는 바와 같이 이 값은 단지 최대 값 만을 표시할 뿐이며, 시간에

대한 변화량은 나타내지 않는다

 

-Average

평균값은 정류된 값으로 파의 시간에 대한 변화량을 표시하지만 어떤 유용한 물리적

양과는 직접 관련이 없기에 실제적으로 사용범위가 국한 되어 있다.

 

- RMS

RMS(root mean square) 값은 시간에 대한 변화량을 고려하고, 진동의 파괴적 능력을

나타내는 에너지량과 직접 관련된 진폭을 표시하므로 진동의 크기를 표현하는데

가장 적합하다.

 

 

아래의 그림과 같이 진동하는 소리굽쇠의 변화는 변위, 속도, 그리고 가속도로 표현할 수 있다. 이때 진동의 모양과 주기는 변위, 속도, 가속도 중 그 어느것으로 표현되든지 간에 똑같다. 한가지 차이점은 세 매개변수들 사이에는 위상차가 존재할 뿐이다.
정현파 신호에 있어서 변위, 속도 그리고 가속도 진폭은 주파수와 시간의 함수에 의해 수학적으로 연관되며, 이것은 그림의 도표에서 나타난다. 만약 위상을 고려하지 않을 경우, 속도는 주파수에 비례하는 임의의 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있고,

변위는 주파수의 자승에 비레하는 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있다. 보통 이 부분은 측정 장비에서 전자 적분기에 의해 수행되어 진다.

 

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