진동 시험의 종류와 적용

1. Sine Sweep Test

 Sine sweep test는 시간에 따라서 주파수가 변화하는 진동을 대상에 인가하는 test입니다. 대체로 아래와 같으며, 주파수의 변화가 선형적이거나 로그적으로 증가하게 됩니다.

 

1-1. 적용

 Sine sweep test는 진동 시험의 기법 중에서 기본적이면서도 대표적인 것으로, 수많은 분야에서 응용되고 있습니다. 특히, 동일 시간에 단일 주파수로 가진을 하는 특징을 갖고 있어 시스템의 주파수 응답특성을 파악하는 데 적당합니다. 따라서, 이 시험은 대부분의 시험 사양 중에서도 기본 단계에서 수행되며, 피시험체의 공진점 등을 검출한 후 연계적으로 고정 주파수 시험(fixed sine test)을 수행하는 경우가 많습니다. 회전 기계나 동력 전달 계통의 부품 등 주로 자동차 관련 부품에 대한 시험에 적용되며, 그 외에도 공진점 검출이 필요한 제품의 시험에 응용됩니다. 정현파 시험 중 주파수를 변화시키지 않는 시험을 고정 주파수 시험(fixed sine test)라고 하는데,일정한 정현파 하중을 받는 경우에 내구성 시험으로 응용되는 경우가 많습니다.그 외에도 정현파 하중이 지배적으로 나타나는 하중에 대한 내구성 시험 사양들도 많이 있으나, 내구성의 경우는 환경 시험인 만큼 다음에서 설명하는 random vibration test가 보다 더 실효성이 있다고 볼 수 있습니다.

 

1-2. Sweep Rate

 Sweep rate는 Logarithmic sweep과 Linear sweep으로 나누어지는데, oct/min의 단위를 갖는 logarithmic sweep이 일반적으로 이용됩니다. Linear sweep (주로, Hz/sec)의 경우에는 저주파수에서의 진행률이 매우 빠르기 때문에 해당 주파수에서의 응답 특성이 파악되기 전에 주파수가 증가 또는 감소해버리는 경우가 발생할 수 있습니다. 즉, 저주파수에서의 주파수 응답 특성을 파악하기가 매우 어려워지므로 광대역 주파수를 sweep하는 경우에는 linear sweep은 적합하지 않습니다.

 

2. Random Vibration Test

 자연계에 존재하는 거의 모든 진동은 순수한 정현파 진동 보다는 랜덤 진동에 가까우며, 평가 대상인 피시험체가 노출되는 환경은 더더욱 그러할 가능성이 많습니다. 랜덤 진동은, 한번에 하나의 주파수로만 진동을 인가할 수 있는 정현파 가진에 비해 주파수 구간에 거의 무한개의 주파수로 한꺼번에 진동을 가함으로써 각 주파수에 대한 응답의 상호작용까지 파악 할 수 있는 특징이 있습니다.

 

2-1. 진동의 크기

 측정 및 분석된 파워스펙트럼 밀도(PSD; Power Spectral Density)로 랜덤 진동의 크기는 정의되며, 평균값(RMS)은 PSD의 면적값으로 계산됩니다. (Fig 3) 규격화된 랜덤 진동의 사양들은 실제 스펙트럼의 복잡한 형태나 스펙트럼 라인의 개수를 간소화 시킨 envelope의 형태로 되어 있습니다. 이러한 스펙트럼은 실제 동적 거동 상태와 다소 오차가 발생할 가능성이 있어, 요즘은 실측 스펙트럼을 가공하지 않고 그대로 진동 시험에 이용하는 경우도 있습니다.

 

2-2. 적용

 랜덤 진동은 대표적으로 제품의 수송 환경에서 많이 나타납니다. 과거에는 안전 문제와 직결된 제품, 이를테면 방위산업 제품이나 자동차 부품 등에 대한 시험이 대부분이었다면, 요즘은 전자제품과 같은 각종 소비재의 운송 환경에 대한 신뢰성 평가도 한 줄기를 이루고 있습니다. 예를 들어 실 사용 환경에서는 거의 진동에 대한 평가가 필요 없는 백색 가전의 경우도 운송 환경에서 나타나는 진동에 대해 필수적으로 시험 평가를 수행함으로써 제품의 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 하지만, 이러한 랜덤 진동의 양상, 특히 운송 환경 진동은 천편일률적으로 적용이 되어서는 안됩니다. 후진국이나 개발도상국의 도로 사정, 차량과 같은 운송 수단의 상태 등이 선진국의 것 다르기 때문입니다. 과거의 운송 환경 진동의 사양도 마찬가지로 현대의 것과 같을 수 없기 때문에 환경의 변화에 대한 사양의 개정도 반드시 필요하다고 볼 수 있습니다. (Fig 4) 그 외에도 대부분의 진동 내구 시험 사양으로 랜 덤 진동 스펙트럼이 이용되고 있습니다.

 

 

 

3. Mixed Mode Vibration Test

 앞서 살펴본 바와 같이 제품에 인가되는 진동 하중은 크게 정현파 진동과 랜덤 진동으로 나누어 볼 수 있습니다. 특히 랜덤 진동은 스펙트럼 밀도 함수의 개념으로 대부분의 진동 하중을 포괄적으로 나타낼 수 있는 특징을 갖고 있습니다. 하지만 이 두 가지로 표현할 수 없는 경우가 있는데 아래와 같이 특정 주파수에서 진동이 크게 작용하는 경우입니다. 해당 경우는 다소 특수한 형태로 보편적으로 적용되지는 않습니다.

 

 

4. Field Data Replication

 환경에서 나타나는 진동은 랜덤 진동 뿐만 아니라 비주기적인 진동 정보를 포함하는 경우도 발생합니다. 즉, 충격과 같이 갑자기 가속도가 증가 또는 감소하는 형태의 운동도 나타날 수 있는데, 이러한 진동은 주파수 분석을 통해 PSD를 구하게 되면 해당 속성은 사라지게 됩니다. 따라서, 스펙트럼을 구하기 보다는 시간영역 신호를 그대로 진동 시험에 이용하는 것이 더 타당할 수 있습니다. 또한, 규격화된 진동 시험 사양이 없는 경우에도 실제 진동 하중을 계측하여 시험에 적용하는 방법도 고려해 볼 수 있습니다. 이러한 시험 방법을 field data replication 또는 road simulation이라고 합니다. Field data replication에서 주의할 사항은, 측정된 가속도 데이터를 가공하지 않은 상태로 진동 시험에 적용해서는 안된다는 것입니다. 가속도 등의 동적 신호 측정 시 필연적으로 발생하는 DC -590-offset은 속도나 변위로 적분 시 velocity slope나 displacement slope를 생성시키고 이러한 매개변수들은 대부분의 진동 시험기들이 갖는 속도나 변위의 사양 상의 제약을 쉽게 넘어서게 되어 제대로 시험이 진행되지 않기 때문입니다. 따라서, 반드시 raw 데이터의 DC offset 성분이나 velocity slope 성분을 high pass filter 등의 신호 처리를 이용하여 제거한 후에 진동 시험용 프로파일을 생성해서 시험을 진행해야 합니다