저주파 진동 시험의 주요 문제점과 해결 방법(Vibration testing, Low-frequency, Displacement limitation, 변위 한계, Electrodynamic shaker, Servo-hydraulic shaker, 서보 유압식 진동 시험기)

 

목차

• 1. 저주파 진동 시험의 주요 문제점
• 2. 저주파 진동 시험 문제 해결 방법

 

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저주파 진동 시험의 주요 문제점과 해결 방법

진동 시험에서 저주파 테스트를 수행할 때 발생하는 주요 문제점은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 진동 시험기의 변위 한계이며, 두 번째는 진동 시험기의 가이던스 시스템 문제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 시험 항목의 공진 주파수를 정확히 측정하고, 적절한 시험 조건을 설정하며, 최신 진동 제어 기술을 활용하는 것이 필수적이다.

 

 

1. 저주파 진동 시험의 주요 문제점

 

(1) 진동 시험기의 변위 한계

저주파에서의 진동 시험은 변위가 큰 폭으로 증가하는 특성을 가진다. 일반적으로, 전자식(Electrodynamic, ED) 진동 시험기는 최대 25mm 피크-피크 변위를 제공하지만, 최신 시험기에서는 75mm(3인치)에서 100mm(4인치) 변위까지 가능하다. 그러나 기존의 구형 시험기를 사용하는 경우 변위가 부족하여 테스트 조건을 충족하지 못할 가능성이 있다. 변위가 부족할 경우, 테스트를 수행할 수 없거나, 시험기 또는 시험 항목에 손상을 줄 위험이 있다.

 

이와 달리, 서보 유압식(Servo-hydraulic) 진동 시험기는 훨씬 큰 변위를 제공할 수 있어 대형 구조물 테스트에 유리하다. 일부 서보 유압식 시스템은 최대 1m(1000mm) 변위까지 지원할 수 있다. 하지만, 이러한 시험기는 비용이 높고 유지보수가 어려우며, 설치 공간이 많이 필요하다는 단점이 있다.

 

 

변위 한계를 초과하는 테스트를 강제적으로 수행할 경우 몇 가지 문제가 발생할 수 있다. 우선, 변위가 부족하면 진동 시험이 올바르게 수행되지 않아 실제 환경을 반영하지 못하는 잘못된 테스트 결과가 나올 가능성이 크다. 또한, 변위 한계를 초과한 상태에서 시험을 지속하면 진동 시험기의 서스펜션 시스템이나 가이던스 시스템에 과부하가 걸려 시험 장비 자체가 손상될 위험이 있다.

 

따라서, 진동 시험을 수행하기 전에 시험 항목의 공진 주파수를 측정하고, 변위 요구 사항을 확인한 후, 시험기의 변위 한계를 고려하여 테스트를 설계하는 것이 필수적이다.

 

 

(2) 진동 시험기의 가이던스 시스템 문제

진동 시험기에는 시험 항목을 일정한 방향으로 진동시키는 가이던스 시스템(Guidance System)이 포함되어 있다. 하지만, 대형 테스트 항목이나 특정 테스트 조건에서는 가이던스 시스템이 불안정해질 수 있으며, 이로 인해 시험 결과가 왜곡될 가능성이 있다.

 

 

가이던스 시스템에서 발생하는 대표적인 문제는 서스펜션 모드 진동(Suspension Mode Vibration)이다. 저주파에서 시험 항목을 진동시키면, 시험기의 서스펜션 시스템 자체가 흔들리면서 예상하지 못한 추가적인 진동이 발생할 수 있다. 이 경우, 시험 항목의 실제 공진과 시험기 서스펜션의 공진이 겹쳐져 시험 데이터를 왜곡하는 문제가 발생할 수 있다.

 

또한, 크로스 축 가속도(Cross-axis Acceleration) 문제도 발생할 수 있다. 일반적으로 진동 시험은 특정 축(예: 수직 방향, Z축)에서 수행되지만, 가이던스 시스템이 불안정하면 X축 또는 Y축 방향으로도 진동이 전달될 수 있다. 이 경우, 원하지 않는 방향으로 진동이 발생하면서 시험 데이터의 정확성이 떨어질 수 있다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해서는 사전 탐색 테스트(Exploratory Test)를 수행하여 시험 항목의 공진 주파수를 먼저 파악하고, 가이던스 시스템이 안정적으로 작동하는지 확인해야 한다. 또한, 시험 항목의 변형 모드를 분석하여 시험 항목이 실제로 휘어지는지, 아니면 시험기의 서스펜션이 흔들리는 것인지 구별하는 것이 중요하다.

 

 

 

 

2. 저주파 진동 시험 문제 해결 방법

 

(1) 변위 제한을 고려한 진동 시험 설정

변위 한계를 극복하기 위해서는 시험 조건을 조정하는 방법이 필요하다. 먼저, 사전 테스트를 통해 시험 항목의 최소 공진 주파수를 확인한 후, 테스트의 저주파 한계를 조정할 수 있다. 일반적으로 시험 항목의 공진 주파수보다 절반 이하의 주파수에서는 테스트를 수행하지 않는 것이 원칙이다.

 

랜덤 진동 테스트(Random Vibration Test)의 경우, 저주파에서 변위가 급격하게 증가하므로, 필터링을 적용하여 저주파 에너지를 줄이는 방법이 있다. 예를 들어, 기존에 3Hz부터 시작하는 테스트를 6Hz부터 시작하도록 변경하면 변위를 줄일 수 있다. 다만, 이러한 조정이 실제 시험 환경을 과도하게 단순화하지 않도록 주의해야 한다.

 

 

 

(2) TrueClip을 이용한 변위 제한 제어

기존의 클리핑(Clipping) 방식은 진동 시험기의 출력 신호를 단순히 제한하는 방식이다. 그러나, 진동 시험기와 증폭기(Amplifier) 사이에 변수가 많아, 실제 변위와 가속도를 완벽하게 제어할 수 없는 한계가 있다.

 

 

이를 해결하기 위해 TrueClip 기술이 도입되었다. TrueClip은 폐루프(Closed-loop) 제어 방식을 사용하여, 변위 또는 가속도를 직접 제어하고 제한을 초과하지 않도록 보장하는 시스템이다. 기존의 오픈 루프 클리핑 방식과 달리, TrueClip은 실제 진동 응답을 지속적으로 감시하며 실시간으로 조정할 수 있다.

 

TrueClip을 적용하면 변위를 초과하는 테스트를 방지할 수 있으며, 저주파 랜덤 테스트에서도 변위를 일정 범위 내에서 유지할 수 있다. 따라서, TrueClip은 시험기의 변위 한계를 극복할 수 있는 효과적인 방법 중 하나이다.

 

 

 

(3) 충격(Shock) 테스트에서 보상 펄스 활용

충격 시험(Shock Test)은 매우 빠른 속도로 큰 변위가 발생하는 테스트이다. 변위를 줄이기 위해서는 보상 펄스(Compensation Pulse)를 적용하여 가속도 스펙트럼을 조정하는 방법이 있다.

 

예를 들어, 보상 펄스를 19%로 설정하면 변위가 22mm로 감소하여 25mm 제한 내에서 테스트를 수행할 수 있다. 반면, 보상 펄스를 5%로 설정하면 변위가 95mm까지 증가하여 시험기의 변위 한계를 초과할 가능성이 있다. 따라서, 변위를 제한하기 위해서는 보상 펄스를 적절히 조정해야 한다.

 

보상 펄스를 줄이면 저주파에서의 응답이 증가하여 보다 현실적인 충격 테스트를 수행할 수 있다. 따라서, 보상 펄스를 조정하는 것은 충격 테스트의 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

 

 

저주파에서 대형 테스트 항목을 진동 시험할 때 발생하는 문제를 해결하기 위해서는, 먼저 시험 항목의 공진 주파수를 정확히 파악하고, 저주파 범위를 조정하는 것이 필수적이다. 또한, TrueClip과 같은 최신 기술을 활용하면 변위를 초과하지 않으면서도 시험 조건을 충족할 수 있다. 충격 테스트에서는 보상 펄스를 조정하여 변위를 줄이고, 테스트의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.

 

이러한 방법을 활용하면, 진동 시험기의 한계를 극복하고 보다 정확한 진동 시험을 수행할 수 있다.

 

 

 

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