진동 시험의 한 종류인 모드해석 또는 고유진동수 분석을 하는 가장 큰 두 가지 이유는,

대상 시스템의 고유진동수를 파악하는 일이고 각 고유진동수에서의 모드 형상(Mode Shape)을 파악하여 대상체의 공진 및 진동에 의한 변형(Deformation)을 예측하는 것 입니다.

진동 모달 테스트

"

고유진동수 (natural frequency)란?

"

모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동하며 이 때 물체의 진동수를 고유 진동수라고 합니다.

물체는 여러 개의 고유 진동수를 가질 수 있으며 고유 진동수와 같은 진동수의 외력이 주기적으로 전달되어 진폭이 크게 증가하는 현상을 공명현상이라고 합니다. 이때의 진동수는 공명 진동수가 되며 진동은 역학계, 음향계, 광학계 등 많은 종류의 진동계에서 나타날 수 있으고, 이 중 전기·공학적 진동계에서의 공명을 공진(Resonance)이라고도 합니다.

"

모드 형상 (mode shape)이란?

"

모드 형상이란 구조물의 고유진동수에서 나타나는 구조물의 고유한 특성으로 구조물의 질량, 감쇠, 강성 및 경계조건에 의해 결정되며

구조물의 진동하는 형상을 의미 합니다.

​

모드 해석은 고유진동수와 고유진동수에서의 변형(Deformation)을 예측 하는 것 입니다.

진동계가 그 고유진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 공진이라고 합니다.

소리나 보통의 역학적 진동, 전기적 진동 등 모든 진동에 일어나는 현상인데, 이 중에서 전기적 ․기계적 공명일 때는 공진이라고 합니다.

일반적으로 공명은 외부로부터 작용하는 힘의 진동수가 진동체의 고유진동수에 따라 커지고, 양쪽 진동수가 일치할 때 진폭이 최대로 되는 일을 의미합니다. 고층건물 및 교량, 회전체 등에서 공진이 일어나면 큰 이상진동이 생겨 구조물이 파괴되는 수도 있습니다.

​

이러한 기계장치나 구조물의 설계에 있어서 똑같은 고유진동수의 외력에 의한 공진으로 발생되는 파손을 막기 위해 고유진동수를 찾아내고 진동모드를 해석하여 설계시 공진이 일어나는 것을 방지할 수 있습니다.

​

모달 테스트는 이미 알려진 힘(Force)으로 가진(Excitation)하여 구조물의 응답(Response)을 측정하여 구조물의 특성을 파악하는 방법 입니다. 구조물에 대한 입력과 응답을 모두 측정함으로써 구조물의 주파수 응답을 계산할 수 있습니다.

이때 힘(Force)으로 가진(Excitation)하는 방식은 대표적 기기로서 쉐이커와 (Shaker) 임팩트 햄머가 (Impact hammer)

많이 사용 됩니다.

모달 테스를 통한 FRF(주파수 응답 함수) 측정

쉐이커는 통상 전자기력을 이용해 가진하며 이 경우 장치가 작고 제어 피드백을 이용해 힘 크기도 쉽게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있으나 대형 구조 시험의 경우에는 유압장치를 이용한 쉐이커가 사용되며 이 경우는 가진 장치의 크기 및 용량이 대형이 됩니다.

가진기를 이용한 FRF 측정

임팩트 햄머가 (Impact hammer) 실험도 간단하여 널리 쓰이고 있는 가진 장치입니다.

그러나 임팩트 햄머는(Impact hammer) 는 그 가진력의 한계 때문에 비교적 작은 구조물의 진동 시험에 주로 사용됩니다.

임펄스 햄머는 그 머리부분에 (두드리는 부분의 반대쪽) 힘 변환기(Force Tranducer)를 가지고 있으며 대상 구조물을 두드려서 충격함수의 힘을 가하게 되며 이 때 발생하는 힘은 햄머의 질량과 타격 속도에 비례하는 최대 크기를 가지게 됩니다.

임팩트 햄머를 이용한 FRF 측정

임팩트 햄머(Impact hammer)의 가진력은 임팩트 햄머의 종류에 따라 아래와 같이 여러가지 종류가 있습니다.

참고로 아래는 PCB 보드의 동특성을 파악하기 위해 소형 임팩트 햄머와 소형 가속도 센서를 사용하여 측정하는 모습입니다.

소형 임팩트 햄머와 소형 가속도 센서를 이용한 동특성 시험

아래 그래프는 임팩트 햄머의 앞에 부착된 팁의 종류에 따른 주파수 응답 설명한 자료 입니다.

임팩트 햄머 주파수 응답 곡선

임팩트 햄머 주파수 응답 곡선

임팩트 햄머로 입력을 주고 가속도센서로 응답을 받아서 측정 장비 소프트웨어에서 최종 주파수 응답 함수(FRF, Frequency Response Function)값을 구합니다.

모달 테스를 통한 FRF(주파수 응답 함수) 측정(EDM 소프트웨어)

CoCo80X 장비를 이용한 동특성 시험

Crystal Instrument사의 Spider-80X, CoCo-80X 시리즈의 휴대용 소음 진동 분석기는 이러한 기능을 제공 합니다.

Spider-80X 와 CoCo-80X