제진의 원리

제진의 원리

진동

진동은 기준위치에 대한 기계적인 흔들림입니다. 다시 말해서 구조물이나 지반 등이 동적인 외력을 받아 운동적 평형 위치로부터 시간이 지남에 따라 반복 운동이 일어나는 현상입니다. 여러 가지 진동 중에 지반 진동의 경우 우리가 느낄 수 있는 심한 진동도 있지만, 대부분은 우리가 일상생활에서 감지할 수 없는 미세진동입니다. 이러한 미세진동은 반도체 공정장비, 전자현미경, 정밀측정기, 광학 및 포토닉스 관련기기 등과 같이 진동에 민감한 초정밀 장비 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

진동의 분류

진동은 크게 일정한 시간동안 발생하는 횟수에 따라 주기 진동과 비주기 진동으로 구분되며, 지속성에 따라 연속 진동과 순간진동으로 구분됩니다. 주기적인 진동은 보통 회전하는 기계로부터 발생하며, 진폭 스펙트럼을 통해 측정할 수 있습니다. 그 외의 모든 진동은 랜덤 또는 비주기성 진동에 해당하는데, 이것은 진폭 스펙트럼 밀도를 통해 측정할 수 있습니다.

진동의 단위

진동은 일반적으로 변위, 속도, 그리고 가속도로 표현할 수 있습니다. 이때 진동의 모양과 주기는 변위, 속도, 가속도 중 어느 것으로 표현되든지 간에 똑같지만, 위상차가 있다는 차이점이 있습니다.

정현파 신호에 있어서 변위, 속도 그리고 가속도 진폭은 주파수와 시간의 함수에 의해 수학적으로 연관되어 있습니다. 만약 위상을 고려하지 않는다면, 속도는 주파수에 비례하는 임의의 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있고, 변위는 주파수의 자승에 비레하는 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있습니다.

종별	기본단위	기타 상용 단위
변위 Displacement	cm	1㎛ = 10^-3mm = 10^-4cm	1mm = 10^-1cm = 10^-3m
속도 Velocity	cm/sec	1m/sec = 10²cm/sec = 10³mm/sec
가속도 Acceleration	cm/s²(Gal)	1g = 980 cm/sec²	1m/sec² = 10²cm/sec²

변위·속도·가속도 관계

진동원

지반진동 (Floor Vibration)
제진대상에 직접적으로 가해지는 외란 (Direct Disturbance)
음향가진 (Acoustic Noise)

지반진동은 테이블이 설치된 바닥을 흔들리게 하는 모든 요인을 뜻합니다. 보행, 차량 이동, 건물 외벽에 작용하고 있는 풍압, 공조 장치 등이 있습니다.
외란은 제어대상이 장착된 플랫폼(Platform)위에 직접 힘이 가해지는 것, 다시 말해 기계적으로 연결된 진동원이면서 바닥진동이 서포트를 통해 플랫폼에 전달되는 것 외의 힘을 말합니다. 플랫폼 위의 스테이지, 장비와 연결되는 케이블 및 튜브 등에 의한 진동 등이 이에 해당합니다
음향가진은 공조 장치의 풍압, 외부의 소음 등 공기의 압력을 통해 제품에 직접적으로 영향을 주는 요인을 뜻합니다.

진동수

단위시간 동안 주기적인 현상이 반복되는 횟수를 진동수라고 합니다. [단위 : Hz]

진폭

진동은 일반적으로 변위와 시간의 함수로 표현합니다. 이 때, 변위의 크기를 진폭이라고 합니다. [단위 : m, cm, mm]

고유진동수

고유진동수는 어떤 물체가 가지고 있는 고유의 진동수를 의미합니다. 일반적으로 고유진동스가 낮으면 소프트(soft)하고, 높으면 하드(Hard)하다고 말할 수 있습니다.

강제진동수

어떤한 강체에 외력을 가하면 진동이 발생하는데, 이때 발생한 외력의 진동수를 강제진동수라 합니다.

진동가속도레밸

진동가속도의 크기를 decibel로 나타낸 것입니다.

공진

진동계에 작용하는 외력의 진동수와 그 계의 고유진동수가 일치할 때 발생하는 것을 공진이라고 합니다. 이때, 외력에 따른 주파수 응답 곡 선상에서 피크(Peak)값을 보이는 주파수를 공진주파수(Resonant Frequency)라고 표현합니다.

감쇠

감쇠 기능이 없는 제진대는 진동을 신속히 멈추지 못합니다. 감쇠는 기계적 에너지를 제진대에서 소멸시키고, 진동이 보다 빠르게 줄어들도록 만들어줍니다. 공진점에서의 공진율을 낮추어 주는 요소로, 공기스프링식(Air Spring)제진대에서는 공기 보조탱크와 공기 챔버 사이의 오리피스(Orifice)를 통과할 때 공기의 유동저항으로 감쇠 특성을 얻게 됩니다. 하지만 오리피스를 너무 작게하면 감쇠 특성은 좋아지는 반면 공진점이 높아져서 제진효과가 감소합니다

진폭의 표현 방법

The magnitude of displacement, velocity, or acceleration from its zero value (rest value) is known as amplitude. The amplitude of vibration can be expressed as peak-to-peak, peak, Root Mean Square.

Peak

순간쇼크 등과 같은 진동레벨을 표시하는데 적합하며, 얼마나 큰 진동레벨인가를 나타내고, 시간을 고려하지 않습니다.
Peak-to-Peak

진폭의 최대값을 나타내기에 편리합니다. 예를 들어, 기계 부속의 최대 응력 또는 공차 측면에서 진동 변위가 중요시될 때 많이 사용합니다.
Root Mean Square (RMS)

시간과 진동크기를 함께 고려한 값으로써 이는 진동 신호의 에너지량을 측정하는 것입니다. 정현파(Sine Wave)의 경우 Peak에 0.707배를 곱한 값으로 사용되며, 에너지를 나타내는 면적개념이 있습니다. 진동 분야 및 소음 분야의 ISO 평가 기준은 모두 RMS로 채택되어 있습니다.
Average

시간에 대한 진동의 평균 변화량을 표시합니다. 하지만, 물리적으로 유용하게 사용되지 않기 때문에 사용범위가 국한되어 있습니다.

제진

제진은 구조물의 내부나 외부에서 구조물에 영향을 주는 진동에 대해 제어력을 가하여 진동을 줄이는 것을 의미합니다. 산업이 빠르게 발달함에 따라, 측정장비 등에 영향을 주는 진동을 제거하기 위해 제진대가 개발되었습니다. 이러한 제진대에서 제진효과에 영향을 주는 두가지 요소는 진동절연재의 고유진동수(Natural Frequency)와 감쇠(Damping)입니다. 고유진동수는 어떤 물체가 공진하는 주파수를 말하며, 감쇠는 진동동계에서 에너지를 소멸시켜 진동을 줄이는 특성을 말합니다.

이때, 고유진동수와 지반 진동의 진동수 비(f/fn)를 진동전달율이라고표현하며 제진효과를 결정하는 척도로 사용됩니다. 제진대는 고유진동수가 낮을수록, 지반 진동의 진동수가 클수록 제진 효율이 좋습니다. 즉, 진동전달율이 낮을수록 제진효과가 탁월합니다.

진동수 비(f/fn)는 1.414 보다 작을 때는 증폭이 되고, 1 일 때 즉 고유진동수와 지반진동수가 같을 때는 최대 증폭이 일어나며, 1.414 보다 클 때는 제진이 됩니다. 일반적인 제진시스템은 코일스프링(Coil Spring)과 공기스프링(Air Spring)으로 구분되며, 코일스프링은 구성에 따라 비감쇠와 감쇠로 구분됩니다.

비감쇠코일스프링은 공진점(f/fn)에서 증폭되지만 제진효율은 좋습니다. 반면에 감쇠코일스프링은 공진점에서 증폭이 감쇠하나 제진 효율은 낮아집니다. 공기스프링은 코일스프링과 달리 공진점에서 최소 증폭과 고효율, 두 가지를 동시에 구현할 수 있습니다.