공진 - resonance

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모든 물체는 고유한 진동 특성인 고유진동수(natural frequency), 고유모드(natural mode) 감쇠비(damping ratio)를 지니고 있다. 그리고 외란은 시간에 따라 그 크기가 현저하게 변할뿐더러 무한 개수의 주파수를 가진 진동파들의 합성으로 이루어져 있다. 물체가 외부로부터 외란을 받아 진동하는 것을 강제진동(forced vibration)이라고 하고 외란없이 자발적으로 진동할 수 있는 고유 특성을 자유진동(free vibration) 혹은 고유진동(natural vibration)이라고 한다. 대부분의 물체는 무한개의 자유도(degree of freedom)를 가지기 때문에 무한개의 고유진동수를 가지고 있어, 외란에 따른 강제진동의 진동수는 물체의 고유진동수를 그리고 진동모양은 물체 고유모드들의 조합으로 표현된다. 이 경우, 강제진동을 주도하는 모든 고유주파수 및 고유모드는 외란 속의 주도적인 진동수에 의해 결정된다.

그리고 외란의 주도적인 주파수가 물체의 고유진동수에 근접할 경우, 강제진동의 크기는 급진적으로 증가한다. 이처럼 외란과 물체의 고유진동수가 일치하거나 근접하여 강제진동의 크기가 거의 무한대로 커지는 현상을 공진이라고 부른다. 특히, 외란 진동수가 물체의 1차 고유진동수와 일치하거나 근접할 경우가 가장 심각한 구조적 파손을 야기한다. 공진을 피하는 방법은 감쇠재(damping material) 혹은 감쇠장치를 물체에 부착하는 것이다. 감쇠재나 감쇠장치를 부착하면 물체의 고유진동수를 변경시켜 공진을 예방할 수 있기 때문이다.

물체의 진동을 저감하는 방식에는 수동형 진동저감(passive vibration reduction)과 능동형 진동저감(active vibration reduction) 기술로 대별된다. 전자는 감쇠장치의 감쇠계수가 고정되어 있는 반면 후자는 외란에 따라 감쇠계수를 조절하여 최상의 진동저감 성능을 발휘하도록 하는 방식이다. 참고로 감쇠비(damping ratio) 인 감쇠재를 부착하면 물체의 감쇠진동수는 그 물체의 고유진동수에 를 곱한 값이 된다. 극단적인 예로, 감쇠비가 1인 감쇠재를 부착하면 물체의 감쇠진동수는 0이 되어 강제로 진동시켜도 진동을 일으키지 않는다.

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