도립진자 및 능동진동 실험 결과보고서

문서 내 토픽

1. 자유진동 분석

빔에 초기 힘을 가한 후 끝점의 변위를 측정하여 시간-변위 그래프를 작성했다. 1자유도 시스템으로 모델링한 미분방정식을 풀어 감쇠비에 따른 변위 함수를 도출했다. 4개의 피크점 진폭 비를 이용하여 감쇠비를 계산했으며, 오차는 실제 시스템이 1자유도가 아니고 유체 점성 외 마찰감쇠와 고체감쇠를 고려하지 않은 점에서 발생했다.
2. 강제진동 및 공진 특성

가진기를 이용해 외부 진동을 가하여 진동수-dB 그래프를 측정했다. 여러 피크점이 관찰되었으며 이는 빔이 다자유도계임을 의미한다. 첫 번째 피크점(12Hz, -69.76dB)을 공진점으로 설정하고 선형 보간을 통해 감쇠비 0.039를 구했다. Matlab 측정값(12.5Hz, -66.7333dB)과의 오차는 기기 분해능 때문으로 판단된다.
3. FFT 분석 및 신호처리

FFT analyser를 이용하여 자유진동과 강제진동의 파형을 분석했다. 공진점의 위치와 감쇠비를 파형 데이터로부터 추출했으며, 주파수 영역에서 시스템의 동적 특성을 파악할 수 있었다. 이를 통해 이론값과 실험값의 비교 검증이 가능했다.
4. 1자유도 시스템 모델링

빔을 1자유도 시스템으로 가정하여 진동 미분방정식을 수립했다. 감쇠비, 고유진동수 등 시스템 파라미터를 도출했으며, 자유진동과 강제진동 응답을 이론적으로 계산했다. 실제 다자유도 특성으로 인한 모델링 오차가 발생했으나 기본 진동 특성 파악에는 유효했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 자유진동 분석

자유진동 분석은 구조물의 고유 특성을 파악하는 기초적이면서도 매우 중요한 분야입니다. 외부 힘이 없는 상태에서 시스템이 보이는 진동 거동은 그 구조의 질량, 강성, 감쇠 특성을 직접적으로 반영합니다. 이를 통해 고유진동수와 감쇠비를 결정할 수 있으며, 이는 후속적인 동적 해석의 기초가 됩니다. 특히 건축물, 교량, 기계 장비 등 다양한 분야에서 안전성 평가와 설계 최적화에 필수적입니다. 자유진동 분석을 정확히 수행하면 시스템의 동적 응답을 예측하고 공진 현상을 사전에 방지할 수 있어 실무적 가치가 매우 높습니다.
2. 강제진동 및 공진 특성

강제진동과 공진 현상은 실제 환경에서 구조물이 겪는 가장 위험한 상황을 다룹니다. 외부 하중이 시스템의 고유진동수에 가까워질 때 발생하는 공진은 진폭을 급격히 증가시켜 구조 파괴로 이어질 수 있습니다. 이러한 특성을 이해하고 분석하는 것은 구조 설계에서 매우 중요합니다. 감쇠의 역할도 공진 응답을 제어하는 핵심 요소로, 적절한 감쇠 설계는 공진 피크를 낮추고 시스템의 안정성을 크게 향상시킵니다. 지진, 바람, 기계 진동 등 다양한 외부 자극에 대한 구조 응답을 예측하는 데 필수적인 분석 기법입니다.
3. FFT 분석 및 신호처리

FFT(고속 푸리에 변환) 분석은 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 변환하여 신호의 주요 성분을 파악하는 강력한 도구입니다. 실제 측정 데이터에서 노이즈를 제거하고 주요 진동 성분을 추출할 수 있어 진동 진단과 상태 모니터링에 필수적입니다. 신호처리 기법을 통해 고유진동수, 감쇠비, 모드 형태 등을 정확히 식별할 수 있으며, 이는 구조 건강도 평가와 손상 감지에 직결됩니다. 다만 샘플링 주파수, 윈도우 함수, 해상도 등 여러 파라미터의 적절한 선택이 분석 정확도에 큰 영향을 미치므로 신중한 적용이 필요합니다.
4. 1자유도 시스템 모델링

1자유도(SDOF) 시스템 모델링은 복잡한 구조 문제를 단순화하여 기본 원리를 이해하는 데 매우 효과적입니다. 질량-스프링-감쇠 모델을 통해 구조의 동적 거동을 수학적으로 표현할 수 있으며, 이는 더 복잡한 다자유도 시스템 분석의 기초가 됩니다. 실제 구조물을 1자유도로 모델링할 때는 등가 질량, 강성, 감쇠를 적절히 결정하는 것이 중요하며, 이를 통해 지진 응답, 충격 하중, 주기적 하중 등 다양한 외부 자극에 대한 응답을 빠르게 예측할 수 있습니다. 교육적 가치와 실무 적용성 모두 우수하여 진동 공학의 핵심 기초 개념입니다.