진동 소음과 주파수의 관계

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사람이나 동물을 구분할 수 있는 이유는 저마다 다른 외모, 성격, 목소리, 향기를 가지고 있기 때문이며 현재 우리가 있는 위치를 구분하는 것도 바로 주소가 있기 때문이다. 물체와 공간도 이와 같아서 고유한 또는 현재의 상태를 구분하여 표현할 수 있는데 크기(진폭)를 결정하기 전에 ‘무엇’이 크고 작은가를 먼저 구분해야 한다. 특히 사람의 ‘목소리’에 비교되는 것은 바로 진동과 소음에서 나타나는 ‘주파수’라는 것이다. 이 주파수를 감지하는 것은 경험이 풍부하고 기술이 뛰어난 정비공이 소리만 듣고도 문제를 해결 할 수 있는 능력으로 계측기의 주파수 감지방법과 비교될 수 있다 하겠다.

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주파수와 주기(시간), 파장과 전파속도

시간에 따라 기준선을 중심으로 상하 반복하는 움직임을 진동이라 하며 공기 중에 음압으로 반복되는 파동이 귀 고막을 움직여 그 크기가 공해로 판단된다면 소음이라고 한다. 즉, 수평축(x축)이 시간이면 시간파형(waveform) 이라고 하며 한 번 반복하는 시간을 주기(Period, Cycle, τ)라 한다. 또한 파형이 1번 반복하는 거리를 파장(Wave length, λ)라고 하며 이 파장이 전파되는 속도를 전파속도(wave speed, velocity, v)라고 한다. 이 때 반복하는 시간이 아닌, 1초당 반복회수로 단위를 역변환 할 수 있는데 이 것을 주파수(Frequency, f)라고 한다. 물론 주파수는 주기의 역수이다. 감각적으로 고주파는 빠르고 저주파는 느리다고 생각하면 맞다. 또한 고주파는 파장이 짧고, 저주파는 파장이 길다. 이 관계를 정리하면 다음과 같다.

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시간파형을 주파수그래프로 변환한 것을 스펙트럼(Spectrum)그래프라고 하는데 변환하는 방법은 FFT(Fast Fourier transform)라는 수학적 변환과정을 거치는 과정이 있다. 사람의 감각은 매우 훌륭해서 훈련을 통해서 반복되는 특성을 구분할 수 있다. 그러나 훈련을 통하지 않고 축적된 기술로 구분해야 할 필요성이 생기고 감각이 아닌 명확한 증거를 과정 중에 요구하기 때문에 이 주파수로 특성을 구분하는 방법이 매우 잘 활용되고 있는 이유이다.

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시간-주파수 구분법은 진동과 소음에서뿐만 아니라, 화학, 생물, 제약, 제조 등에서 광범위하게 사용되고 있으며 주파수를 이용하여 인체의 건강진단은 물론 활용되고 있고 기계의 건강진단도 마찬가지이다. 즉, 고장난 기계와 정상인 기계의 주파수 선도(스펙트럼그래프)의 패턴이 틀리고 규칙이 있다는 뜻이다