KR101120513B1 - 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에 관한 것으로서, 구조물에 진동을 가하는 가진수단;과, 상기 진동에 의해 발생하는 구조물의 고유진동수를 포함한 신호를 구조물과 이격된 위치에서 측정하는 측정수단;과, 상기 측정수단에 의해 측정된 신호를 입력받아 주파수 형태의 신호로 변환하여 출력하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 구조물의 상기 고유진동 측정수단을 구조물과 이격시켜 위치하도록 함으로써 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있다.

고유진동, 주파수, 공진모드

Description

비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.{Non-touch Proper Vibration characteristics measurement device}

본 발명은 구조물의 고유진동 주파수 및 진동특성을 측정하기 위한 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 고유진동 측정수단을 구조물과 이격시켜 위치하도록 함으로써, 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에 관한 것이다.

구조물의 동적 거동 특성을 분석하는 방법에는 여러가지 방법이 있지만, 일반적으로 사용하는 방법으로는 구조물이 가지는 고유진동수 특성을 측정하는 시험방법이 일반적으로 이용된다.

이러한 구조물의 일반적인 고유진동 특성 시험방법은 진동 가진 조건에서 구조물의 진동을 감지할 수 있는 센서로 측정된 가진 신호와 응답신호를 조합한 전달함수를 계산함으로써 고유진동수와 이에 해당되는 거동 특성인 모드 형태(Mode Shape)를 계산하게 된다.

종래의 구조물의 고유진동 특성을 측정하는 장치는 도 1에 도시된 바와 같 이, 지지대(101)에 구조물(100)을 거치한 후 임팩트 해머 같은 가진수단(110)으로 구조물을 가진한 후 여기서 발생하는 진동을 가속도계와 같이 진동을 감지할 수 있는 접촉센서(120)를 공압실린더나 접착제 등을 이용하여 가진원인 구조물(100)에 부착시켜고 여기에서 발생하는 신호를 분석장치(130)에 전달하여 고유진동 특성을 분석하는 방법을 이용하였다.

그러나, 가속도계와 같이 접촉센서(120)를 이용하여 구조물 고유진동수를 측정하는 방법은 가속도의 부착이 구조물의 동적 특성에 영항을 줄 수 있는 박막판이나 표면이 울퉁불퉁하여 접촉센서(120)를 부착되기 어려운 구조물에는 사용하기가 매우 어렵다.

또한, 상기와 같은 종래의 측정장치는 측정하고자 하는 구조물에 접촉센서(120) 부착에 따른 흠집을 남기는 문제점이 발생할 수 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 구조물의 고유진동 측정수단을 구조물과 이격시켜 위치하도록 함으로써, 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 제품의 양산라인에서 고유진동수만을 측정하는 시스템이 필요하나 직접적인 진동측정이 어려운 경우에도 제품의 외형적 손상 없이 고유진동수를 간편하게 측정할 수 있는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 구조물의 고유진동수를 측정하는 장치에 있어서, 구조물에 진동을 가하는 가진수단;과, 상기 진동에 의해 발생하는 구조물의 고유진동수를 포함한 신호를 구조물과 이격된 위치에서 측정하는 측정수단;과, 상기 측정수단에 의해 측정된 신호를 입력받아 주파수 형태의 신호로 변환하여 출력하는 분석수단;을 포함하여 구조물의 고유진동 측정수단을 구조물과 이격시켜 위치하도록 함으로써 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 측정수단은 상기 구조물의 고유진동에 의해 방사되는 음압을 측정하여 구조물의 하여 고유진동 주파수를 측정할 수 있다.

바람직하게는, 상기 측정수단은 상기 음압 측정이 용이한 트랜스듀서를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 측정수단은 측정된 음압을 증폭하는 증폭수단을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 분석수단은 측정수단에서 측정된 음압신호를 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 적용한 주파수 응답을 통해 고유진동 주파수를 연산하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 분석수단은 상기 고유진동 주파수에 의한 구조물의 모드 형태(Mode Shape)를 도출하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 가진수단은 임팩트 해머로 마련될 수 있다.

따라서, 상기와 같은 과제해결 수단을 통해 본 발명은 구조물의 고유진동 측정수단을 구조물과 이격시켜 위치하도록 함으로써, 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 제품의 양산라인에서 고유진동수만을 측정하는 시스템이 필요하나 직접적인 진동측정이 어려운 경우에도 제품의 외형적 손상 없이 고유진동수를 간편하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치는 구조물(100)에 진동을 가하는 가진수단(10)과, 상기 진동에 의해 발생하는 구조물(100)의 고유진동수를 포함한 신호를 구조물(100)과 이격된 위치에서 측정하는 측정수단(20)과, 상기 측정수단(20)에 의해 측정된 신호를 입력받아 주파수 형태의 신호로 변환하여 출력하는 분석수단(30)을 포함한다.

상기 가진수단(10)은 구조물(100)에 진동을 가하는 수단으로, 지지대(11)에 안착된 구조물(100)에 충격을 가할 수 있도록 마련되며, 상기 구조물(100)의 고유진동수를 측정하기 위하여 임펄스 신호를 구조물(100)에 가진할 수 있도록 마련된다.

즉, 상기 가진수단(10)은 상기 임펄스 신호를 가진하기 위하여, 상기 구조물(100)에 순간적인 충격을 가할 수 있는 수단으로 마련됨이 바람직하다.

따라서, 상기 가진수단(10)은 임팩트 해머와 같은 구조물(100)에 순간적인 충격을 가할 수 있는 장치로 구성될 수 있다.

측정수단(20)은 상기 가진수단(10)을 통해 가해진 진동에 의해 발생하는 구조물(100)의 고유진동수를 포함한 신호를 측정하는 측정수단(20)으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고유진동 특성 측정장치는 종래의 고유진동 특성 측정장치와는 다르게 구조물(100)에서 이격된 곳에 위치하도록 구성된다.

따라서, 상기 측정수단(20)은 상기 구조물(100)과 이격되어 위치하기 때문 에, 상기 구조물(100)의 고유진동에 의해 방사되는 음압을 측정하여 고유진동 주파수를 측정할 수 있도록 마련된다.

바람직하게는, 상기 측정수단(20)은 상기 음압의 측정이 용이한 트랜스듀서(Transducer)(21)를 포함한 측정수단(20)으로 구성될 수 있다.

상기 트랜스듀서란, 하나 이상의 소스로부터 수신하는 어떤 형태의 에너지를 다른 형태로 바꾸는 변환수단으로 본 발명에서는 상기 구조물의 고유진동에 의해 발생하는 음압 신호를 수신하여 전기적 신호로 변환시킬 수 있는 트랜스듀서를 적용하였다.

상기와 같은 변환 트랜스듀서의 대표적인 예로는 마이크로폰이 있다.

만일 상기 측정수단(20)이 트랜스듀서(21)를 포함한 측정수단(20)으로 구성되는 경우, 상기 측정수단(20)은 측정된 음압을 증폭하는 증폭수단(22)을 추가로 포함하여 구성할 수도 있다.

여기서, 상기 측정수단(20)과 상기 구조물(100)과의 이격거리는 구조물(100)의 고유진동 신호가 방사되면서 주위의 소음 등에 의한 왜란의 영향을 받아 왜곡되는 것을 고려하여, 1 ~ 10 cm 정도인 것이 바람직하다.

분석수단(30) 상기 측정수단(20)에 의해 측정된 구조물(100)의 고유진동에 의해 방사되는 음압에 대한 신호를 입력받아 주파수 형태의 신호로 변환하여 고유진동 주파수를 출력하는 수단이다.

여기서, 상기 분석수단(30)은 상기 음압 신호를 A/D 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환한 후에 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 이용하여 주파수 응답을 구하는 방법으로 고유진동에 의한 주파수인 고유진동 주파수를 계산하여 출력한다.

또한, 상기 분석수단(30)은 상기 고유진동 주파수에 의하여 구조물(100)의 공진에 대한 모드 형태(Mode Shape)를 계산하여 출력한다.

도 3은 본 발명에서의 구조물에 대한 각 지점의 고유진동 주파수 및 이에 대한 모달그래프를 나타낸 도면이다.

상기 구조물(100)의 고유진동수는 상기 가진수단(10)을 통해 상기 구조물(100)에 가해지는 임펄스 신호에 의한 응답함수로 나타나는데, 도 3을 참조하면, 특정한 주파수(ω1, ω2, ω3.... )에서 특정한 형태의 진동 특성이 나타나는 데 이에 해당되는 주파수가 고유진동수이고 특정한 형태의 진동 거동 특성이 모드 형태가 된다.

여기서, 고유진동수는 1차 고유진동 주파수(ω1), 2차 고유진동 주파수(ω2), 3차 고유진동 주파수(ω3 ).... 등으로 정의된다.

또한, 도 3을 참조하면, 상기 구조물(100)에서 가진되는 각 지점(P1, P2, P3, P4)에서 상기 고유 진동수(ω1, ω2, ω3.... )에 대하여, 측정되는 응답 펄스신호의 진폭크기가 달리 형성되는데, 이에 의하여 각각의 고유 진동수에 대한 공진모드(M1, M2, M3 ....)에서의 모드 형태를 그래프로 도출할 수 있다.

도 4는 종래의 가속도계를 이용한 고유진동 특성 측정장치와 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에서 측정된 고유진동 주파수를 비교한 도표이며, 도 5는 종래의 가속도계를 이용한 고유진동 특성 측정장치와 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에서 나타난 모드 형태를 표시하는 그래프를 비교한 도면이다.

상기 도 4와 도 5에 도시된 데이터 및 그래프는 상기 구조물(100)은 가로 30cm, 세로 20cm, 두께 1cm인 스틸 플레이트를 대상으로 임팩트 해머를 가진수단(10)으로 하여 15개의 측정포인트를 지정하여 측정하였다.

도 4에 도시된 바와 같이 종래의 가속도계를 이용한 고유진동 특성 측정장치와 본 발명에 따른 비접촉식 고유진동 특성 측정장치의 1cm 이격된 위치에서와 10cm 이격된 위치에서 측정된 고유진동 주파수를 비교하면 대체로 1% 이내의 오차범위를 가지고 일치하는 것을 알 수 있다.

상기 오차 수준은 일반적으로 동일한 조건하에서 동일한 측정장치로 다수 측정하였을 경우 측정되는 주파수 값의 오차범위 내에 충분히 들기 때문에 가속도계와 같은 측정수단(20)을 이용하여 밀착 측정하는 방법과 본 발명의 실시예와 같이 측정수단(20)을 일정거리 이격하여 측정하는 방법에 의하여 측정된 고유진동수는 동일한 범주 값으로 측정된다고 할 수 있다.

또한, 상기 고유진동수에 대한 공진모드 중에서 대표적으로 제1 고유진동수(M1), 제6 고유진동수(M6), 제10 고유진동수(M10)에서의 모달 그래프를 비교한 도면인 도 5a, 도5b, 도5c를 참조하면, 종래의 가속도계와 같은 측정수단(20)을 이용하여 밀착 측정하는 방법과 본 발명의 실시예와 같이 측정수단(20)을 일정거리인 1cm와 10cm 이격하여 측정하는 방법에 의하여 측정된 고유진동수에서의 모드 형태는 거의 유사함을 알 수 있다.

따라서, 종래의 가속도계를 측정수단(20)으로 이용한 고유진동 특성 측정장 치와 본 발명에 따른 구조물(100)의 고유진동에 의해 방사되는 음압을 측정하는 측정수단(20)을 이용한 비접촉식 고유진동 특성 측정장치는 거의 동일한 측정능력을 가진 장치임을 확인할 수 있다.

오히려 본 발명에 따른 고유진동 특성 측정장치는 상기 측정수단(20)을 구조물(100)과 이격시켜 위치하도록 함으로써, 진동센서의 부착이 어려운 구조물(100)에 대해서도 고유진동 특성을 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 측정수단(20)을 구조물(100)과 이격시켜 위치하도록 함으로써, 구조물(100)의 외형적 손상 없이 고유진동수를 간편하게 측정할 수 있기 때문에 제품의 양산라인에서 고유진동수만을 측정하고자하는 시스템에 적용하는데 적합하다.

상기 본 명세서에 기재된 내용 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 뿐만 아니라 도면에 도시된 형상 및 구성은 본 발명의 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 종래의 구조물 고유진동 특성 측정장치의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치의 구성을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에서의 구조물에 대한 각 지점의 고유진동 주파수 및 이에 대한 모달그래프를 나타낸 도면,

도 4는 종래의 가속도계를 이용한 고유진동 특성 측정장치와 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에서 측정된 고유진동수를 비교한 도표,

도 5는 종래의 가속도계를 이용한 고유진동 특성 측정장치와 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치에서 나타난 모드 형태를 표시하는 그래프를 비교한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 가진수단 20 : 측정수단

30 : 분석수단 100 : 구조물

Claims (7)

1. 구조물의 고유진동수를 측정하는 장치에 있어서,

   구조물에 진동을 가하는 가진수단;과

   상기 진동에 의해 발생하는 구조물의 고유진동수를 포함한 신호를 구조물과 이격된 위치에서 측정하는 측정수단;과

   상기 측정수단에 의해 측정된 신호를 입력받아 주파수 형태의 신호로 변환하여 출력하는 분석수단;을 포함하여 구성되되,

   상기 측정수단은 상기 구조물의 고유진동에 의해 방사되는 음압을 측정하여 구조물의 고유진동 주파수를 측정함으로써 진동센서의 부착이 어려운 구조물에 대해서도 고유진동 특성을 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 측정수단은 상기 음압 측정이 용이한 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 측정수단은 측정된 음압을 증폭하는 증폭수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.
5. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 분석수단은 측정수단에서 측정된 음압신호를 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 적용한 주파수 응답을 통해 고유진동 주파수를 연산하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 분석수단은 상기 고유진동 주파수에 의한 구조물의 모드 형태(Mode Shape)를 도출하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.
7. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가진수단은 임팩트 해머로 마련되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 구조물 고유진동 특성 측정장치.

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