진동이란 무엇인가? (진동수와 주파수)

진동의 정의와 용어

진동의 사전적 정의는 ‘물체의 반복적인 운동’ 입니다.

즉, 물체는 기준 위치에 대한 반복적인 운동을 설명할 때 진동한다고 합니다.

1초 동안 완전한 모션 주기가 발생하는 횟수를 주파수 혹은 진동수(f)라고 하며 헤르츠(Hz)로 측정됩니다.

 

 

진동이 발생하기 위해 필요한 4가지 요소가 있습니다. 이는 힘, 질량, 스프링 감쇠이며 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

정적인 상태에서는 물체의 속도가 없기 때문에 간단하게 F=kx 로 문제를 푸는 경우도 있고, 일반적으로 외력의 합은 0 을 맞추는 형태로 해를 찾아가는 경우도 많습니다.

실제 발생하는 진동을 살펴보면 소리굽쇠에서와 같이 단일 주파수에서 발생하는 단일 구성 요소 또는 내연 기관의 피스톤 운동과 같이 동시에 다른 주파수에서 발생하는 여러 구성 요소로 구성될 수 있습니다.

실제로 진동 신호는 일반적으로 동시에 발생하는 매우 많은 주파수로 구성되므로 진폭-시간 패턴, 구성 요소 수 및 발생 주파수를 시간 진폭 차트만 보고 곧바로 알 수 없습니다.

 

이러한 구성 요소를 면밀히 파악하기 위해 주파수 분석(Frequency Analysis)을 진행합니다. 진동 신호를 개별 주파수 성분으로 분해하는 것을 주파수 분석이라고 하며, 시간 영역의 진동 data를 주파수 영역의 진동 data로 바꾸는 과정을 Fast Fourier Transform(FFT)라고도 합니다. 

 

위처럼 주파수 성분에 따라 진폭(크기)를 나타낸 것을 스펙트럼이라고 합니다.혹은 차트에 x축 y축 z축 3축을 시간, 주파수, 진폭으로 나타내는 경우도 있습니다.  이러한 그래프를 스펙토그램이라 합니다. 주로 음향 분석할 때 많이 쓰입니다.

 

기계 혹은 생활에서 발생하는 주파수에 대한 분석을 진행하면, 기본적인 움직임(진동)에 영향을 주는 주된 주파수 구성요소를 발견할 수 있으며 그 원인 또한 밝혀낼 수가 있습니다. 이를 통해 진동을 최소화 시키는 여러 방안을 마련해볼 수 있습니다.