진동 강도의 정량화 (가속도, 속도, 변위, RMS, 소음)

진동의 강도를 나타내는 ‘진폭’은 여러 가지 방법으로 정량화할 수 있습니다. 아래 그림을 보시면 표현할 수 있는 정보들이 있습니다.

1. Peak to Peak Level   2. Peak Level   3. Average Level   4. RMS Level

 

Peak to Peak 값은 가령, 기계 부품의 진동 변위가 기계에 미치는 힘(응력)을 파악하거나 진동 범위의 허용오차를 고려 할 때 매우 유용합니다. Peak to Peak 는 최대 변위를 표현하기 때문에 실제 움직임이 발생하는 최대 값을 예상할 수 있습니다.

Peak 값은 순간적인 충격 등의 수준을 나타내는데 특히 중요합니다. 그러나 그림에서 볼 수 있듯이 피크 값은 최대 수준이 발생한 것을 나타낼 뿐 시간 이력은 고려되지 않습니다.

Average Level 파동의 시간 이력을 고려하지만 유용한 물리량과 직접적인 관계가 없기 때문에 실용적으로 사용하기에는 제한이 많은 정보입니다.

RMS(Root Mean Square) 값은 파동의 시간 이력을 고려하고 에너지 함량과 직접적으로 관련된 진폭 값을 제공하므로 진동의 파괴 능력과 가장 관련성이 높은 진폭 측정값입니다. 여기서 RMS에 대한 개념은 꼭 짚고 넘어 가시길 권장합니다. 이는 변화하는 값의 크기에 대한 통계적 척도이며, 특히 사인함수처럼 음과 양을 오가는 데이터를 측정할 때 유용합니다.

 

 

Rms 개념은 사인 함수를 가지는 교류 전기를 다룰 때도 많이 쓰지만 랜덤 진동 PSD에서도 많이 활용합니다. 이 때 가진 정보를 grms라고 하는데, 여기서 g는 중력 가속도로 랜덤 가진을 할 때 주로 쓰이죠. Grms 값은 많은 진동 시험 data에서 그 진동 량을 비교하는 수치로 비교적 객관성 있는 data로 의미가 있습니다. 이는 다음 포스팅에서 다뤄보도록 하겠습니다. 결론적으로, rms는 음과 양의 값이 섞여서 산출되는 진폭 크기를 정량화 하기에 매우 유용한 방식입니다.

 

진동은 기계적 흔들림으로 물체에 파손을 주고, 사람에게 불쾌감을 주기도 하며 모든 소음의 원인이 됩니다. 따라서 크게 물리적 흔들림과 소음 이 두 가지 분야에서 진동을 정량화 하고자 하는 노력이 많고, 일반적으로 아래와 같은 기준으로 측정합니다.

 

물론 진동은 가속도, 속도, 변위 단위로 측정이 가능하지만, 주로 가속도 그것도 중력 g 로 사용하는 이유는 가속도 센서가 상대적으로 저주파 영역에서 고주파 영역까지 고루 검출이 가능하기 때문입니다. 다만, 그만큼 노이즈가 낄 염려가 있습니다.

 

소음에 대해 조금 더 적어보자면, 소음의 진원지(음원)에서 우리가 실제 소음을 측정하는 위치의 음압은 음원과의 거리 및 방의 특성에 따라 달라집니다.

 

일반적으로 소음 측정 단위는 Sound Pressure Level (SPL) 입니다.

여기서 dB(데시벨)이 등장하는데, 위키백과 정의가 다소 복잡하니… 로그 스케일 증가치를 나타낸다고 보시면 좋겠습니다. 아무튼 데시벨은 물리량을 갖지 않는, 무차원 수이고 소음에서 사용하는 dB SPL은 기준값 20 μPa 에 대한 상대 비교치입니다. 즉, 20 μPa 이 0 dB SPL 입니다.