진동이란?

 진동에 대해서 알아보는 첫 번째 시간입니다. 우선은 사전적인 의미로 시작해서 '진동이 과연 무엇인가?'를 천천히 파헤쳐보도록 하겠습니다. 한국어 사전에는 진동의 뜻이 이렇게 나와 있습니다. '물체 따위가 떨리거나 흔들리면서 움직임.' 여기에서 말하는 물체는 세상의 모든 것을 말합니다. 빛이나 공기, 바다 심지어 지구도 항상 진동하고 있습니다. 진동이 있기 때문에 색깔을 볼 수 있고, 소리를 들을 수 있으며, 물체가 형태를 유지할 수 있습니다.

 이와 같이 진동의 종류는 매우 다양한데 일반적으로 산업현장에서 문제가 되는 것은 고체나 공기를 통해 전달되는 진동입니다. 공기를 통해 전달되는 진동은 따로 소음이라고 부르며, 일반적인 진동 측정이나 분석 방법과는 약간 차이가 있는데 나중에 기회가 된다면 소음에 관한 것도 다뤄보도록 하겠습니다.

 진동은 가속도, 속도, 변위로 측정 및 분석을 하는데 각각을 측정할 수 있는 센서가 종류별로 있으며, 아래의 그림과 같이 미분과 적분을 통해서 가속도를 속도로 바꾸거나 변위를 가속도로 바꿀 수 있습니다. 단위는 보통 가속도, 속도, 변위의 순서로 'm/s², m/s, m'나 'cm/s²(gal), cm/s, cm'를 사용하는데 미국은 'in/s², in/s, inch'를 사용하기도 합니다.

가속도, 속도, 변위의 관계

 진동의 분석은 FFT(Fast Fourier Transform)라는 알고리즘을 사용합니다. 진동 센서의 측정값은 시간을 기준으로 하고 있어서 정량적인 분석이 어렵지만 FFT를 사용하면 주파수 단위로 변환이 되기 때문에 측정 결과를 비교하거나 분석하기에 편리한 데이터가 나옵니다. 크기를 표시하는 단위로는 rms, 0-peak, peak-to-peak 등을 사용합니다. 아래의 시간 및 FFT 그래프는 1초에 다섯 번, 1m/s²의 진폭으로 진동하는 물체를 가정하여 나타낸 것입니다. FFT 그래프의 단위를 rms로 설정했기 때문에 약 0.7m/s² rms가 나오는 것을 확인할 수 있습니다.

왼쪽: 시간 그래프, 오른쪽: FFT 그래프 (5Hz, 1m/s^2)

 실제로 진동을 측정하면 기계나 자동차와 같은 여러 사물에서 발생하는 진동으로 인해 다양한 주파수가 섞여서 그래프에 나타납니다. 하지만 모든 물체가 갖고 있는 공진주파수라는 특성을 이용하면 특정한 주파수 진동의 원인을 찾아내는 것도 가능합니다.

 여기에서 잠깐 필수적으로 알아야 할 용어를 몇 가지 소개하겠습니다.

 

1. 주파수(진동수)

 주파수는 진동수라고도 하는데, 주기적인 현상이 단위 시간 동안 일어난 횟수를 말합니다. 단위는 헤르츠(Hz)를 쓰며, 주기적인 현상이 1초에 한 번 일어나면 1Hz, 1초에 열 번 일어나면 10Hz라고 합니다. 그리고 주파수의 역수를 취하면 주기가 한 번 일어나는데 걸리는 시간을 구할 수 있습니다.

 

2. 고유주파수(고유진동수)

 고유주파수는 물체가 가진 고유한 진동수를 말하는데, 물체는 여러 개의 고유주파수를 가질 수도 있습니다.

 

3. 공진

 공진은 특정한 주파수에서 물체의 진동이 크게 증폭되는 현상을 말합니다. 물체의 고유주파수와 외부에서 전달되는 진동의 주파수가 일치하는 경우에 공진이 발생합니다.

 

4. 공진주파수

 공진주파수는 말 그대로 공진이 발생하는 주파수를 뜻하는데, 제진대 업계에서는 주로 성능을 평가하는 기준으로 사용하고 있습니다. 패시브 제진대는 공진주파수가 낮을수록 성능이 좋다고 할 수 있으며, 액티브 제진대는 센서와 액추에이터 그리고 제어 알고리즘을 통해서 진동을 감소시켜 공진주파수가 존재하지 않도록 합니다.

 

 지금까지 진동에 대해서 간략하게 알아봤습니다.