[ObserVR] ERS란? 기능 및 사용 목적(Extreme Response Spectrum (ERS), Random Vibration Analysis, Single Degree of Freedom (SDOF) System, Shock Response Spectrum, Power Spectral Density)

 

목차

 

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ERS(Extreme Response Spectrum)의 개념

 

ObserVR 진동 소음 계측, 팜테크

 

ERS, 즉 Extreme Response Spectrum(극한 응답 스펙트럼)은 무작위 진동 환경에서 구조물이나 부품이 경험할 수 있는 최대 응답 수준을 예측하는 분석 방법입니다. 이는 일반적으로 제품이 실제 환경에서 어떤 진동 조건에 노출될지를 예측하고, 해당 진동이 구조물의 동적 반응에 어떤 영향을 주는지를 정량적으로 평가하기 위해 사용됩니다.

 

ERS는 충격 응답 스펙트럼(SRS, Shock Response Spectrum)과 유사한 원리를 기반으로 하지만, 충격(Shock) 대신 랜덤 진동(Random Vibration)을 대상으로 한다는 점에서 차이가 있습니다.

즉, 충격에 대한 순간적인 최대 응답을 계산하는 대신, ERS는 일정 시간 동안 무작위 진동이 지속될 때 구조물의 단자유도계(SDOF, Single Degree of Freedom)가 보여줄 수 있는 가장 큰 진동 응답 진폭을 계산합니다. 따라서 ERS는 복잡한 시간 도메인 시뮬레이션 없이도 진동 환경의 가혹도를 정량적으로 비교하고, 시험 설계 시 제품이 실제 환경보다 과도한 진동을 받지 않도록 검증하는 데 매우 유용합니다.

 

ObserVR에서 ERS를 사용하는 목적

 

팜테크에서 제공하는 Vibration Research사의 ObserVR(Observ View)는 현장에서 수집된 진동 데이터를 분석하고, 그 데이터를 기반으로 시험 조건을 생성하거나 검증하는 데 사용되는 전문 분석 소프트웨어입니다. 이 소프트웨어에서 ERS 기능은 시험 설계의 타당성을 검증하고, 제품이 실제 환경과 동일한 수준의 진동 응답을 받도록 보정하는 핵심 도구로 활용됩니다.

 

먼저, ERS는 실제 환경에서의 진동 데이터를 기반으로, 제품이 시험 중 받게 될 충격 수준이 실제 환경의 충격보다 크거나 작지 않은지를 평가하는 데 사용됩니다. 이를 통해 시험 조건이 현실을 초과하지 않도록 조정할 수 있으며, 과도한 시험(Over-Testing)으로 인한 불필요한 제품 손상이나 과도한 피로 축적을 예방할 수 있습니다. 또한, ObserVR의 랜덤 테스트 생성 기능에서 ERS는 시험 시간과 손상량 간의 균형을 조정하는 역할을 수행합니다.

 

ObserVIEW 필드데이터 ERS, FDS 변환, 팜테크

예를 들어, 실제 환경에서는 제품이 10,000시간 동안 진동을 경험하지만, 시험실에서는 이를 수 시간 내에 재현해야 합니다. 이때 ERS를 사용하면 단축된 시험 시간 내에서도 실제 환경과 동등한 수준의 응답 손상을 유발하도록 시험 강도를 조정할 수 있습니다.
이러한 방식으로 ERS는 가속 시험 설계(Accelerated Testing)를 정량적으로 지원합니다.

 

마지막으로, ERS는 여러 위치나 다양한 조건에서 측정된 진동 데이터를 비교하여 가장 가혹한 환경 조건을 도출하는 데 사용됩니다. 예를 들어 차량의 의자, 거울, 앞유리 등 여러 부위에서 측정된 진동 데이터를 ERS 형태로 비교하면, 어느 위치에서 제품이 가장 큰 응답을 보이는지 파악할 수 있습니다. 이 경우 ObserVR은 “Envelope” 기능을 통해 여러 ERS를 통합하여 최악 조건(Envelope Spectrum)을 생성함으로써, 보다 보수적이고 신뢰성 있는 시험 조건을 설정할 수 있습니다.

 

 

ObserVR에서의 ERS 계산 과정

 

ERS 분석은 ObserVR 내에서 비교적 직관적인 절차로 수행됩니다. 먼저 사용자는 현장에서 ObserVR 장비로 수집한 시간 영역 데이터(Time History) 또는 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 데이터를 불러옵니다. 이후 분석에 사용할 구간을 지정하고, 필요한 경우 X, Y, Z 축 각각에 대한 범위를 설정합니다. 다음 단계에서는 메뉴에서 “Extreme Response Spectrum” 기능을 선택하여 ERS 계산을 시작합니다. 이때 ObserVR은 입력된 PSD 데이터를 기반으로 단자유도계(SDOF) 모델의 응답을 계산하고, 각 주파수 대역별로 시스템이 받을 수 있는 최대 응답을 추정합니다. 사용자는 분석 과정 중 감쇠비(Damping)나 Q값, 주파수 범위, 분석 시간(Duration) 등의 주요 파라미터를 설정할 수 있습니다. 보통 Q값은 10(감쇠비 약 5%)이 기본으로 사용되며, 주파수 범위는 시험 대상의 특성에 따라 5Hz에서 3000Hz 정도까지 지정합니다. 설정이 완료되면 소프트웨어는 ERS 그래프를 출력하고, 이를 Fatigue Damage Spectrum(FDS)와 함께 비교할 수 있도록 제공합니다.

 

ObserVIEW FDR, ERS 파라미터 설정, 팜테크

 

분석 결과가 만족스러울 경우, 사용자는 해당 설정을 .vser 파일로 내보내어 VibrationVIEW 프로그램에서 실제 진동 시험기로 시험을 수행할 수 있습니다. 이처럼 ObserVR은 데이터 수집, 분석, 시험 설계까지 한 흐름으로 연계되는 구조를 가지고 있습니다.

 

VibrationVIEW에 랜덤 진동 시험 프로파일 적용(PSD), 팜테크

 

 

ERS 그래프의 해석

 

ERS 분석의 결과는 그래프로 시각화되며, 일반적으로 주파수(Frequency)를 X축에, 응답 크기(Response Amplitude)를 Y축에 표시합니다. 응답은 가속도, 속도, 변위 중 하나로 표시할 수 있으며, 감쇠 조건에 따라 여러 곡선이 함께 나타날 수 있습니다. ERS 그래프는 특정 주파수 대역에서 제품이 경험할 수 있는 최대 응답의 추세를 한눈에 보여주는 시각적 도구입니다. 만약 그래프에서 시험 PSD가 생성한 ERS가 실제 환경에서 측정된 ERS보다 높은 구간이 있다면, 이는 시험이 실제 조건보다 과도하게 설정되었다는 의미가 됩니다. 이 경우 시험 강도를 낮추거나 시험 지속 시간을 늘려야 합니다.

 

반대로 시험 ERS가 실제 환경 ERS보다 낮다면, 이는 시험이 충분히 가혹하지 않아 실제 조건을 완전히 재현하지 못할 가능성이 있음을 의미합니다. 따라서 ERS 그래프는 시험 조건이 적절한 가혹도 수준에 도달했는지를 판단하는 근거로 사용됩니다.

 

ERS는 ObserVR에서 매우 다양한 목적으로 사용되지만, 가장 핵심적인 네 가지 목적은 다음과 같습니다.

 

• 첫째, 랜덤 시험 설계(Random Test Generation) 단계에서 실제 환경의 진동 데이터를 기반으로 시험기의 PSD를 설정할 때 사용됩니다. 이때 ERS를 통해 시험 환경과 실제 환경 간의 응답 수준을 비교하여 적정 시험 강도를 결정합니다.
• 둘째, 시험 시간 단축 및 가속시험 설계(Accelerated Testing)에 활용됩니다. ERS를 이용하면 시험 지속 시간과 피로 손상량 간의 관계를 정량적으로 계산하여, 짧은 시간 내에 실제 환경의 장기 손상 효과를 재현할 수 있습니다.
• 셋째, 환경 비교(Environment Comparison)에도 활용됩니다. 여러 장착 위치나 운용 조건에서 얻은 데이터를 ERS로 변환하면, 서로 다른 환경의 진동 가혹도를 직접 비교할 수 있습니다. 이를 통해 제품의 설계나 부품 배치를 최적화할 수 있습니다.
• 마지막으로, ERS는 피로 수명 예측(Fatigue Life Estimation)에 사용됩니다. ERS와 FDS를 함께 분석하면, 제품이 장시간 진동 환경에 노출될 때 발생할 수 있는 피로 손상과 수명을 추정할 수 있습니다. 따라서 ERS는 시험 설계뿐만 아니라 제품 내구성 평가의 핵심 도구로 자리잡고 있습니다.

 

요약하자면, ObserVR에서 제공하는 ERS 기능은 단순히 진동 데이터를 분석하는 수준을 넘어, 시험 설계의 신뢰성을 확보하고 제품 내구성을 예측하는 정량적 기반을 제공하는 핵심 도구입니다. ERS는 실제 환경 데이터를 기반으로 시험 조건을 검증하고, 시험 시간 단축, 과도시험 방지, 수명 예측 등 다양한 목적에 활용됩니다. 이를 통해 사용자는 제품이 실제 운용 환경에서 받게 될 진동 영향을 보다 정확하게 재현할 수 있으며, 동시에 불필요하게 과도한 시험으로 인한 자원 낭비를 줄일 수 있습니다. 결국 ERS는 ObserVR과 VibrationVIEW 환경에서 시험의 현실성, 효율성, 신뢰성을 동시에 확보할 수 있게 해주는 핵심 분석 기법이라고 할 수 있습니다.

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

팜테크