임계 주파수, 임계속도, 위험속도 (Critical frequency, Critical speed)

모든 변하는 것에는 미리 정해 높았던, 갑자기 발생하던 한계점(인계점, Critical point)이라는 것이 존재하게 된다. 물이 얼거나 끓기 시작하는 점도 그렇게 부르고 법규로 지키자고 정해놓은 것도 ‘한도’라고 한다. 진동에서도 있다. 주기적으로 진동하며 감쇠하는 상태와 진동이 없이 감쇠하는 상태의 경계를 임계감쇠(Critical damping)라고 한다. 그리고 임계속도(Critical speed)도 있다. 진동이 문제가 되는 것은 항상 결론에는 얼마나 진폭이 큰가?를 한정하는 것이 대부분 이므로 과연 어떠한 경우에 이 진폭이 크게 상승하는지가 관심사항이 된다

Critical Frequency & Critical Speed​

고유주파수(Natural frequency)와 가진주파수(Operational frequency)가 일치할 경우 공진(Resonance)라고 하는데 이 때에는 진폭이 크게 상승하게 된다. 고유주파수는 기계나 구조의 경우 감추어져 있는 원래의 그 성질을 말하지만 가진주파수는 가동을 하면서 변동시킬 수 있는 경우(가변속기기)이므로 이 가진 또는 회전주파수가 고유주파수에 일치하게 되는 그 때의 주파수를 바로 ‘임계주파수 혹은 한계주파수’라고 한다. 이때는 보통 1차 진동모드(Mode)의 고유주파수만을 의미하기도 한다.

범위를 넓혀서 진동과 음향까지로 단어를 확대하면 다음의 두 가지를 더 생각할 수 있는데 첫째로 음향계에서의 임계주파수는 계의 고유음향주파수와 일치하는 가진주파수를 의미하며 예를 들면 도파관(Waveguide)의 경우 차단주파수(Cut-off frequency)라고도 일컫는다. 이 주파수 이하는 고체음(Structure borne)이 전파되지 않는다. 두 번째는 진동계와 음향계가 연성(coupling)된 경우로 유연한 격벽에 음파가 입사되었을 때 표면을 따라 전파되는 굴곡파(Flexural wave)가 발생되어 입사음파와 파장이 같아져서 공진을 유발하는 상태의 주파수이다. 이때는 물론 격벽이 음파를 전혀 차단하지 못하는 상태이다.

실제로 터빈, 발전기 등 회전체에서 회전자(Rotor)가 고유주파수(회전체, 고정자 또는 기타 구조가 가지고 있는)와 일치하는 속도로 회전하면 공진현상이 유발되어 회전체가 상당히 위험한 상황이 되는데 진동이 심하면 이를 감지하여 발전소의 가동을 중지시킬 수 도 있는 상태에 이르는데 이를 위험속도라고 부른다. 이때에는 회전체 운전시 위험속도보다 낮은 영역에서 운전하든가 가능한 빨리 위험속도 영역을 탈출하여 위험속도 이상에서 운전하도록 해야 하는데 후자의 운전방법이 발전소에서 사용하는 대부분의 운전방법에 해당된다

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Critical speed, Frequency, 주파수, 터빈, 임계감쇠