응용공학실험 | 외팔보의 진동모드 및 공진

 

 

 

TIP

 

 

외팔보는 항공기 날개, 로봇 팔, 우주 구조물 등과 같은 많은 시스템의 기본이 되는 구조물이다. 이러한 외팔보의 진동실험을 통하여 진동현상(고유진동수 및 진동모드)에 대한 이해와 실험 모드해석 개념을 습득하고 이론적 진동해석 결과와 비교 분석하는 것을 목적으로 한다. 또한 특정주파수(고유진동수)에서의 공진현상을 관찰함으로써 진동저감 기술의 개념을 정립하고자 한다.

 

 

구조물에서 하중을 담당하는 1차원 부재의 대부분은 보이다. 그 중에서 가장 많이 사용되는 보의 형태는 외팔보이다. 외팔보는 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 자유로운 보이며 고정단에 발생하는 모멘트와 전단력을 통해 하중을 지지한다. 항공기의 날개나 탱크의 포신 등 많은 구조물을 외팔보로 모델링할 수 있다. 하중을 받는 외팔보의 진동은 필연적이며 이 진동을 이해하고, 제어하는 작업은 진동 엔지니어의 매우 중요한 과제중의 하나이다. 본 실험에서는 외팔보의 진동특성을 실험으로 파악하고 이론적 해석결과와 비교한다. 이러한 공학실험을 통해 보의 진동특성을 파악하게 되고, 진동의 중요성, 공진의 중요성을 체험하게 된다.

 

본 실험을 통해 보의 진동특성을 파악하게 되고 , 진동의 중요성 , 공진의 중요성을 체험한다. 실험을 실시하기 전에 먼저 보의 진동운동 방정식을 배우게 되며, 이론적인 보의 고유진동수 및 진동모드를 배움으로서 진동 엔지니어의 매우 중요한 과제중 하나인 진동을 이해하고 제어하는 작업을 통해 엔지니어적 자질을 키우도록 한다. 진동실험을 수행하는 실험장치의 구성과 원리를 알고 실험을 실시한다. 실험 후에는 이론적 결과와 실험결과를 비교해보고 결과를 비교 및 분석하고 이론적 결과와 실험결과가 다른 이유 또한 생각해 본다.

 

 

공진현상

공진현상은 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 모든 기계적 시스템은 고유진동수를 가지고 있으며, 외부에서 고유진동수와 유사한 진동수로 힘이 가해지면 시스템은 큰 진폭으로 진동하게 되는데, 이 현상을 공진이라 한다. 일반적으로 외부에서 진동계를 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 고유진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다. 또 진동체가 서로 연결되어 있는 경우, 양쪽 진동수가 같으면 공명에 의해 에너지를 서로 교환하기 쉽게 된다. 공진 현상을 이용한 예로 그네, 라디오주파수, 전자레인지 등이 있다.

728x90

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 보가 가진기에 결속 되어있는 상태를 만들어준다.

 

2) 보의 폭, 두께, 길이를 측정한다.

 

3) 함수발생기(Function Generator)의 모든 노브를 0에 맞춘 뒤 전원을 켠다.

 

4) 증폭기(Amplifier)의 전원을 켠다.

 

5) 함수발생기의 입력 주파수 범위를 10Hz이하로 놓은 후 큰 다이얼을 조절하여 대략적인 mode1의 공진 주파수로 파악되는 주파수 근처의 전기 신호를 발생 시킨다.

 

6) 작은 다이얼을 조절하여 보가 가장 크게 진동하는 순간의 주파수를 찾아 mode의 공진 주파수로 기록한다.

 

7) 함수발생기의 모든 노브를 0으로 맞춘다.

 

8) 함수발생기의 입력 주파수 범위를 50Hz이하로 놓은 후 큰 다이얼을 조절하여 대략적인 mode2의 공진 주파수로 파악되는 주파수 근처의 전기 신호를 발생 시킨다.

 

9) 작은 다이얼을 조절하여 보가 가장 크게 진동하는 순간의 주파수를 찾아 mode2의 공진 주파수로 기록한다.

 

10) 스트로브 스코프를 사용하여 mode3의 정확한 파형을 관찰한다.

 

11) 함수발생기의 모든 노브를 0으로 맞춘다.

 

12) 함수발생기의 입력 주파수 범위를 500Hz이하로 놓은 후 큰 다이얼을 조절하여 대략적인 mode3의 공진 주파수로 파악되는 주파수 근처의 전기 신호를 발생 시킨다.

 

13) 작은 다이얼을 조절하여 보가 가장 크게 진동하는 순간의 주파수를 찾아 mode3의 공진 주파수로 기록한다.

 

14) 스트로브 스코프를 사용하여 mode3의 정확한 파형을 관찰한다.

 

15) 함수발생기의 모든 노브를 0으로 맞춘다.

 

16) 증폭기의 전원을 끈 뒤 함수발생기의 전원을 끄고 실험을 마친다.

 

 

 

[응용공학실험]외팔보의 진동모드 및 공진 레포트