진동

진동(Vibration, 振動)은 물체의 위치, 전류의 세기 등 물리량이 일정시간마다 일정한 값으로 규칙적으로 변동하는 현상을 가리킨다. 다른 방식으로 기술하면 평형점을 중심으로 시간에 따라 반복적인 변화를 일으키는 기계적 현상을 가리킨다.

개요

진동은 자연계에 보편적으로 존재하는 현상이다. 음성, 빛, 열을 포함한 여러 물리현상에 진동이 들어 있으며 인체의 심장 박동, 고막, 성대에도 진동이 들어 있다. 생활에 음성과 음악이 없을 수가 없고 음성과 음악의 생성, 전파와 접수는 진동을 피할 수가 없다. 엔지니어링 영역에도 진동은 곳곳에서 볼 수가 있다. 예하면 교량과 건축물은 갑작스레 불다가 갑자기 그치는 거센 바람 또는 지진이 영향에 따른 진동, 비행기나 선박이 항행중에 발생하는 진동, 공작기계나 툴이 가공과정에 발생하는 진동, 동력설비들의 진동 등이 있다.

상당수의 경우에 진동은 나쁜 영향을 미친다고 인식된다. 예를 들면 진동은 정밀 계측장비의 계측 정밀도를 떨어 뜨리고 가공설비들의 가공정밀도를 떨어 뜨리며 구조물의 노화나 마모를 증가하여 기계나 구조물의 수명을 줄인다. 진동은 구조물의 변형을 유발하기도 하는데 예를 들면 어떤 다리는 진동으로 인해 무너지고 비행기 날개의 진동이나 떨림은 종종 사고를 유발하며 자동차나 선박 및 캐빈의 진동은 승차감을 악화시키고 강력한 소음은 심각한 공해를 초래한다.

하지만 진동은 적극적인 면도 있다. 예하면 진동은 통신, 방송, 텔레비죤 방송, 레이다 등의 기본으로 되며 1950년대 부터는 진동을 이용한 생산설비와 공정기술들이 개발되었다. 예하면 진동 수송, 진동 선별, 진동 연마, 진동항타기(振動打欌機), 진동응력제거기 등이 있다. 이러한 설비와 기술은 생산조건을 대대적으로 개선하고 대폭적으로 생산효율을 향상시켰다.

서로 다른 영역에서 진동현상은 서로 틀리지만 유사한 수학과 역학 방식으로 기술할 수가 있으며 이는 공동한 특징을 기반으로 공인하는 이론을 구축하여 여러 가지 진동에 관한 문제를 처리하는 가능성이 있다는 이야기이다. 진동에 관한 연구는 수학, 물리, 실험과 계산기술을 이용하여 여러 진동 현상의 작동원리를 분석하고 진동의 기본법칙을 해석하는데 주력하며 진동의 나쁜 영향을 극복하고 적극적인 요소를 활용하여 현실적으로 부딪히는 진동문제의 해결방안을 제공하는데 이론적인 근거를 제공한다.

진동의 종류

• 자유진동(Free vibration) - 단순조화진동이라고도 한다. 외부에서 주기적(週期的)인 힘을 가하지 않아도, 고유의 주기와 진동수로 진동을 계속 하는 현상을 가리킨다. 이 때 진동수를 고유 진동수라고 한다. 다른 말로 표현하면 시간이 아주 많이 흘러도 진폭이 작아지지 않는 진동을 가리킨다.
• 감쇠진동(Damped vibration) - 마찰력이나 저항과 같은 외력에 의해 진폭이 시간에 따라 감소하는 진동을 가리킨다.
• 강제진동(Forced vibration) - 시간에 따라 변동하는 외력 또는 외장(外場)의 영향을 받아 강제적으로 발생하는 진동을 가리킨다.

진동 원인

• 불평형과 오정렬로 발생하는 진동 - 불평형은 진동의 가장 큰 원인이며 불평형으로 발생하는 진동은 주파수가 문제부품의 회전속도와 같으며 진동의 세기는 불평형의 정도에 비례한다. 회전자는 불평형일때 측방향으로 높은 진동이 발생하는 경우가 바로 그 사례이다. 오정렬도 불평형처럼 보편적으로 존재하는 문제이며 축과 베어링을 그 사례로 들 수 있다.
• 편심으로 인해 발생하는 진동 - 편심은 기계적 진동현상이 발생하는 일반적인 원인이다. 회전축의 중심이 회전자(回轉子)축의 중심과 일치하지 않을 경우 편심이 발생한다.
• 왕복에 따라 발생되는 진동 - 왕복작용을 이용한 기계의 운전에서 발생한다. 왕복식 압축기, 피스톤 펌프, 가솔린 엔진 등은 왕복 운동 부품의 관성이 피스톤에 가해지는 압력의 변화에서 발생한다.
• 마찰로 인해 발생하는 진동 - 기계의 고정부품과 회전부품사이에서 일어나는 마찰은 회전속도 또는 2배의 주파수를 가진 진동을 유발시키며 매우 높은 주파수의 진동과 소음을 발생시킨다. 지각판의 충돌로 마찰이 생겨 진동이 발생하는 경우도 있는데, 이것이 흔히 말하는 지진이다.
• 공진에 따라 발생하는 진동 - 모든 물체는 고유진동수를 갖고 있으며 이 고유진동수에 해당하는 전파나 파동을 흡수하는 성질을 갖고 있다. 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 공명현상이 발생한다.
• 점성의 기동저항에 따라 발생하는 진동
• 열팽창에 따른 진동
• 발진기(Oscillator)에 의한 진동
• 열역학적 진동 - 전기회로 내의 전자는 항상 스스로 진동한다. 이는 입자의 운동량-위치의 불확정성 원리에 기인하기 때문에, 없앨 수 없는 최소한의 잡음이며 전기회로와 전파공학 등에서는 열잡음, 음향·영상학에서는 화이트 노이즈라 부른다.
• 비선형소자에 의한 고조파 진동 - 모터, 인버터, 증폭기 등의 비선형소자를 통과한 전기 신호에는 원 신호 배수의 주파수를 가진 신호가 추가되는데 이를 고조파라 한다. 기계 및 전자제품에서 고조파는 소음, 진동(기계적 진동), 열을 발생시킨다.

진동이 인체에 미치는 영향

진동발생원에 대한 지면 진동측정을 통해 주민의 피해감(생리적 영향, 수면 영향, 주민 반응)을 평가한 자료에 따르면 통상적으로 1-9Hz의 진동수 범위내에서 진동 레벨이 60dB 정도면 감지가 되며 65-69dB 정도에서 수면장애가 발생하고 80dB 이상에서 물적인 피해가 일어난다. 90dB 를 초과하면 혈압상승 등 인체 생리기능에 영향이 일어난다.

소음에 노출되면 순환계에서는 혈압상승, 맥박 증가, 말초혈관 수축, 혈액 혈당레벨 상승 및 백혈구 수 증가 현상이 발생하며 호흡의 깊이가 감소되고 호흡 횟수가 증가된다. 소음의 영향에 관해서는 별도 문서 소음에서 찾아볼 수 있다.

참고자료

• "Vibration", Wikipedia
• 지티카케어, 〈진동현상이 인체에 미치는 영향 ?〉, 《네이버 카페》, 2017-11-23

같이 보기

• 소음
• 진동에너지

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