고조파 (Harmonics)-기본파형의 정수배 파형

우리가 음악이나 공연 등에서 ‘하모닉이 잘 맞는다’라고 하는 것은 조화가 잘 이루어진다는 것을 의미한다. 물리적으로 파동은 중심을 기준으로 반복하는 신호를 말하는데 진동과 소음은 그 매질이 다른 파동운동이다. 이 소음과 진동분야에서 불리는 ‘하모닉’은 다른 의미를 갖는다. 이 개념은 파동의 원인을 분석하는데 사용하며 심각도를 평가하거나 패턴을 구분하기도 한다.  

하모닉스 파형

하모닉(고조파, Harmonics)이란 일반적으로 진동과 소음의 분야에서 가장 낮은, 기본이 되는 기본 주파수 성분(또는 1 order)의 정수배가 되는 성분들을 말한다.

하모닉파형은 기본 주파수(주로 회전기계의 회전수)를 기준으로 2배, 3배, 4배,…의 회전수가 같은 신호표현(시간과 주파수 그래프)상에 표기되는데 시간파형에서는 신호가 중첩되어 더욱 복잡한 상태로, 주파수 파형에서는 기본주파수의 위에 선분이 더욱 많게 되는 그림으로 나타난다.

하모닉파형의 발생원인은 수학적으로 표현하면 정확하지만 물리적으로 말하면 말하기 쉽지 않다. 하모닉파형은 정현파형(Sine wave)이 아닐수록 사각파형에 가까울수록 그 하모닉 발생이 증가되며 회전의 이벤트가 발생할 때 그 가진원(토크 이벤트가)이 2번째, 3번째,…의 원인이 되어 발생한다. 또한 고유주파수에 의한 중복가진이나 정상적인 파형의 운동을 한 편에서 방해할 경우에 하모닉의 발생이 쉽다.

하모닉 파형(고조파)의 관찰은 FFT를 통해서 보다 쉽게 주파수파형으로 표현할 수 있는데 두 번째 하모닉주파수를 ‘2order’ 또는 ‘2X’,…로 호칭하며 진동의 패턴을 이해하고 원인을 파악한다. 즉, 진동의 심하다는 것은 회전하는 기계가 불안하여 매우 장시간 동안 운전이 불가하다는 정상이 아니라는 것이며 진동은 이를 말해주는 척도인데, 하모닉 패턴은 그 것을 진단하는 매우 중요한 진단 검사자료가 되는 것이다. 예를 들어, 1X가 높으면 질량불평형이 문제이고, 2X가 높으면 축정렬불량이 문제라는 등의 매우 세분화된 것들이 있을 수 있고 이 같은 문제의 진단분야는 실질적인 실용학문으로 ‘설비진단(Machine Health Diagnosis)’이라고 한다.

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하모닉, 진동, Harmonics, 고조파, X(엑스), 하모닉의 발생원인.