진동 계측은 구조물의 동적 거동을 이해하는데 필요한 중요한 파라미터의 하나이다. 구조물의 진동 계측은 지난 수십년간 많은 과학자들에 의해 연구, 개발되어 왔다. 구조물의 진동 거동을 측정하기 위해, 다양한 이론적인 방법과 실험적인 방법들이 많은 연구 논문에서 사용되었다. 특히, 평판은 이론적으로나 실험적으로 잘 이해할 수 있기 때문에, 평판의 진동 해석이 종종 이용되었다. 또한, 평판의 고유진동수와 진동 모드 형태의 계측이 연구되어 왔다. ...
진동 계측은 구조물의 동적 거동을 이해하는데 필요한 중요한 파라미터의 하나이다. 구조물의 진동 계측은 지난 수십년간 많은 과학자들에 의해 연구, 개발되어 왔다. 구조물의 진동 거동을 측정하기 위해, 다양한 이론적인 방법과 실험적인 방법들이 많은 연구 논문에서 사용되었다. 특히, 평판은 이론적으로나 실험적으로 잘 이해할 수 있기 때문에, 평판의 진동 해석이 종종 이용되었다. 또한, 평판의 고유진동수와 진동 모드 형태의 계측이 연구되어 왔다. 자유진동을 하는 평판에 대해 고전적인 평판의 이론식이 평판의 고유진동수를 결정하기 위해 사용되었다. 고정된 직사각형 평판의 진동 모드 형태를 표현하기 위해 평판의 특성 함수가 이용되었다. 부분적으로 고정된 정사각형 평판의 자유 횡진동의 계측을 위해, 스캐닝 레이저 도플러 진동계와 같은 한 점을 대상으로 하는 계측방법에 기반을 둔 모드 해석 기술들이 사용되었다. 스페클 패턴간섭법(SPI)은 광학적인 방법을 이용하여 구조물의 진동 거동을 측정하기를 원하는 연구자들을 위해 필수적인 방법이다. 이 기법을 이용하여, 진동하고 있는 구조물에 대한 비접촉적이고, 비파괴적이며, 전체 영역의 해석이 준실시간적으로 가능하게 된다. 특히, SPI에 전자적인 처리가 더해진 전자처리 스페클 패턴 간섭법(ESPI)은 실험적 진동 해석 분야에서 매우 강력한 방법 중의 하나이다. ESPI의 추가적인 장점은 진동 상태에 있는 구조물의 모드 형태와 고유진동수 두가지 모두가 동시에 계측이 가능하다며, 계측에 소요되는 비용을 절감할 수 있다는 점 등이다. 여러 연구자들이 진동 모드 형태와 고유진동수의 해석에 많은 광학적인 방법을 도입하였다. 광학적인 방법들 중 한가지로 전단간섭계(Shearography)로 알려져 있는 전자처리 스페클 전단 간섭계(ESSI)가 있다. ESSI는 진동 모드형태 해석을 위한 구조물의 변형에 대한 기울기의 윤곽을 측정하는데 적합한 방법이다. 또한, 이 방법은 진동의 크기의 도함수를 직접 구할 수 있으며, 실제 작업 환경에서 사용할 수 있을 정도의 매우 환경적으로 강한 방법이다. 그러나, ESSI는 측정 대상체 내부에 존재하는 결함의 검사를 위해 최적화된 방법이며, 실험 결과에 전단량이 직접 영향을 준다. 또 다른 광학적인 방법으로는 간섭계에 참조광의 위상이동을 위해 PZT가 이용된 위상이동 ESPI(PS-ESPI)를 들 수 있다. ESPI는 응력이나 변형률과 같은 면내 변위는 물론, 진동이나 굽힘과 같은 면외 변위를 해석에도 사용된다. 그러나, 연구자들은 일반적인 ESPI를 이용해서는 정성적인 진동 모드 형태만을 해석할 수밖에 없다. 일반적인 방법에서, 시간-평균 ESPI는 실시간적으로 진동 모드 형태를 계측하는데 적용되며, 주변 환경에 영향을 받지 않는 방법이다. 그러나, 이 방법은 간섭 줄무늬를 정량적으로 해석하기가 어렵고, 줄무늬의 가시도가 다소 낮다는 등의 한계를 가지고 있다. 최근에는, 모드 보증기준(MAC) 계산을 적용한 ESPI를 이용한 정량적인 모드 해석이 보고된 바 있다. PS-ESPI는 일반적인 ESPI 방법들이 정성적인 방법인데 반해, 정량적인 해석이 가능한 방법이다. 위상이동법에서 PZT는 간섭계 내의 참조광의 위상을 이동시키는데 사용된다. 일반적인 경우, 4단계 위상이동 기법이 사용된다. 특히, 진동 해석을 위해서는 스트로보스코프식 PS-ESPI(SPS-ESPI)가 사용된다. 지금까지 국내에서 사용되고 있는 대부분의 광학적 진동 해석 시스템들은 외국으로부터 수입되었으며, 이들 장비의 가격은 매우 비싸다. 본 연구의 주요 목적은 SPS-ESPI를 이용한 구조물의 진동 해석을 위한 비접촉식 레이저 계측 시스템을 개발하고, 이 개발한 장비를 4곳의 가장자리가 모두 고정된 정사각형 평판의 진동 해석을 위해 적용시키는 것이다. 이것은 음향광 변조기(AOM)를 사용한 간섭계를 설계하고, 진동 해석 소프트웨어를 프로그래밍함으로써 달성되었다. 개발된 SPS-ESPI 시스템을 이용한 결과는 SLDV를 이용한 실험의 결과와 비교하였다. 측정된 고유진동수 결과는 2% 편차 이내로 ANSYS 해석 결과와 잘 일치한다. 그리고, 구조물의 진동 해석을 위해, 진동모드의 결정이 매우 중요한 파라미터라는 점을 확인하였다. 결론적으로, 정량적인 구조물의 전체 진동 진폭이 개발된 SPS-ESPI 시스템을 이용함으로써 계측 가능하다는 사실을 확인하였다.
진동 계측은 구조물의 동적 거동을 이해하는데 필요한 중요한 파라미터의 하나이다. 구조물의 진동 계측은 지난 수십년간 많은 과학자들에 의해 연구, 개발되어 왔다. 구조물의 진동 거동을 측정하기 위해, 다양한 이론적인 방법과 실험적인 방법들이 많은 연구 논문에서 사용되었다. 특히, 평판은 이론적으로나 실험적으로 잘 이해할 수 있기 때문에, 평판의 진동 해석이 종종 이용되었다. 또한, 평판의 고유진동수와 진동 모드 형태의 계측이 연구되어 왔다. 자유진동을 하는 평판에 대해 고전적인 평판의 이론식이 평판의 고유진동수를 결정하기 위해 사용되었다. 고정된 직사각형 평판의 진동 모드 형태를 표현하기 위해 평판의 특성 함수가 이용되었다. 부분적으로 고정된 정사각형 평판의 자유 횡진동의 계측을 위해, 스캐닝 레이저 도플러 진동계와 같은 한 점을 대상으로 하는 계측방법에 기반을 둔 모드 해석 기술들이 사용되었다. 스페클 패턴 간섭법(SPI)은 광학적인 방법을 이용하여 구조물의 진동 거동을 측정하기를 원하는 연구자들을 위해 필수적인 방법이다. 이 기법을 이용하여, 진동하고 있는 구조물에 대한 비접촉적이고, 비파괴적이며, 전체 영역의 해석이 준실시간적으로 가능하게 된다. 특히, SPI에 전자적인 처리가 더해진 전자처리 스페클 패턴 간섭법(ESPI)은 실험적 진동 해석 분야에서 매우 강력한 방법 중의 하나이다. ESPI의 추가적인 장점은 진동 상태에 있는 구조물의 모드 형태와 고유진동수 두가지 모두가 동시에 계측이 가능하다며, 계측에 소요되는 비용을 절감할 수 있다는 점 등이다. 여러 연구자들이 진동 모드 형태와 고유진동수의 해석에 많은 광학적인 방법을 도입하였다. 광학적인 방법들 중 한가지로 전단간섭계(Shearography)로 알려져 있는 전자처리 스페클 전단 간섭계(ESSI)가 있다. ESSI는 진동 모드형태 해석을 위한 구조물의 변형에 대한 기울기의 윤곽을 측정하는데 적합한 방법이다. 또한, 이 방법은 진동의 크기의 도함수를 직접 구할 수 있으며, 실제 작업 환경에서 사용할 수 있을 정도의 매우 환경적으로 강한 방법이다. 그러나, ESSI는 측정 대상체 내부에 존재하는 결함의 검사를 위해 최적화된 방법이며, 실험 결과에 전단량이 직접 영향을 준다. 또 다른 광학적인 방법으로는 간섭계에 참조광의 위상이동을 위해 PZT가 이용된 위상이동 ESPI(PS-ESPI)를 들 수 있다. ESPI는 응력이나 변형률과 같은 면내 변위는 물론, 진동이나 굽힘과 같은 면외 변위를 해석에도 사용된다. 그러나, 연구자들은 일반적인 ESPI를 이용해서는 정성적인 진동 모드 형태만을 해석할 수밖에 없다. 일반적인 방법에서, 시간-평균 ESPI는 실시간적으로 진동 모드 형태를 계측하는데 적용되며, 주변 환경에 영향을 받지 않는 방법이다. 그러나, 이 방법은 간섭 줄무늬를 정량적으로 해석하기가 어렵고, 줄무늬의 가시도가 다소 낮다는 등의 한계를 가지고 있다. 최근에는, 모드 보증기준(MAC) 계산을 적용한 ESPI를 이용한 정량적인 모드 해석이 보고된 바 있다. PS-ESPI는 일반적인 ESPI 방법들이 정성적인 방법인데 반해, 정량적인 해석이 가능한 방법이다. 위상이동법에서 PZT는 간섭계 내의 참조광의 위상을 이동시키는데 사용된다. 일반적인 경우, 4단계 위상이동 기법이 사용된다. 특히, 진동 해석을 위해서는 스트로보스코프식 PS-ESPI(SPS-ESPI)가 사용된다. 지금까지 국내에서 사용되고 있는 대부분의 광학적 진동 해석 시스템들은 외국으로부터 수입되었으며, 이들 장비의 가격은 매우 비싸다. 본 연구의 주요 목적은 SPS-ESPI를 이용한 구조물의 진동 해석을 위한 비접촉식 레이저 계측 시스템을 개발하고, 이 개발한 장비를 4곳의 가장자리가 모두 고정된 정사각형 평판의 진동 해석을 위해 적용시키는 것이다. 이것은 음향광 변조기(AOM)를 사용한 간섭계를 설계하고, 진동 해석 소프트웨어를 프로그래밍함으로써 달성되었다. 개발된 SPS-ESPI 시스템을 이용한 결과는 SLDV를 이용한 실험의 결과와 비교하였다. 측정된 고유진동수 결과는 2% 편차 이내로 ANSYS 해석 결과와 잘 일치한다. 그리고, 구조물의 진동 해석을 위해, 진동모드의 결정이 매우 중요한 파라미터라는 점을 확인하였다. 결론적으로, 정량적인 구조물의 전체 진동 진폭이 개발된 SPS-ESPI 시스템을 이용함으로써 계측 가능하다는 사실을 확인하였다.
Vibration measurement is one of the important parameters to understand the dynamic behavior of structures. Vibration measurement of structures have been researched and developed for few decades by many scientists. To measure vibration behavior of structures various theoretical and experimental metho...
Vibration measurement is one of the important parameters to understand the dynamic behavior of structures. Vibration measurement of structures have been researched and developed for few decades by many scientists. To measure vibration behavior of structures various theoretical and experimental methods were used in lots of papers. Especially, the vibration analysis of plates was often used because plate studies are well understood theoretically and experimentally. The measurement of the natural frequencies and the mode shapes of plates have been studied. Classical plate equation for the freely vibrating plates was used to determine natural frequencies of plates theoretically. The plate characteristic functions were used to express vibration mode shape of clamped rectangular plates. For measuring free, transverse vibrations of partially clamped square plates, modal analysis technique based on the pointwise methods such as the scanning laser-doppler velocimeter was used. Speckle pattern interferometry(SPI) is essential method for researchers who want to measure vibration behavior of structures with optical methods. With this method, non-contact, non-destructive, and whole-field analysis of vibrating structures can be done in quasi real-time. Especially, electronic speckle pattern interferometry(ESPI) that the electronic processes were added to SPI is one of the very powerful method in the experimental vibration analysis field. And, additional advantages of ESPI are that both of the mode shapes and the natural frequencies of structures in oscillating can be measured simultaneously and cut down the cost. Several researchers introduced a number of optical methods in the analysis of the vibration mode shapes and the natural frequencies. One of the optical methods is the electronic speckle shearing interferometry(ESSI), known as the shearography. ESSI is an appropriate method to measure the slope contours of deformations of the structures for vibration mode shape analysis. Also, this method is able to obtain the vibration amplitude derivative directly and very robust method that can used in the practical work environment. But the ESSI is an optimized method for defect inspection in the objects and the shearing amount directly affects the results of the test. The other method is the phase shifting ESPI(PS-ESPI) that was introduced PZT for phase shifting of the reference beam in the interferometer. The ESPI is used to analyze out-of-plane displacements such as vibration and bending as well as in-plane displacements such as stress and strain. Researchers however can analyzed only the qualitative vibration mode shapes with the general ESPI methods. In general methods, the time-average ESPI is applied to measure the vibration mode shapes in real time and is a method that there is no effect by the circumstances around. But this method has some limitations that it is difficult to quantitatively analyze the interference fringes and fringe contrast and quality are somewhat low. Recently, quantitative modal analysis using the ESPI that a modal assurance criterion (MAC) calculation is applied in was reported. PS-ESPI is a quantitative analysis method while the general ESPI methods are qualitative method. In the phase shifting method PZT is used to shift the phase of the reference beam in the interferometer. In general cases, four-step phase shifting technique is used. Especially, for the vibration analysis stroboscopic PS-ESPI(SPS-ESPI) is used. Most of all optical vibration analysis systems used until now have been imported and the cost of those is very expensive. The main objective of this study is to develop a non-contact laser measurement system for vibration analysis of structures using stroboscopic PS-ESPI and to apply this system for vibration analysis of a square shape plate fixed all four its edges. This was done by designing interferometer with acousto-optic modulator(AOM) and programming the vibration analysis software. The results of this developed system was compared with those of the test using SLDV. The determined frequency results well agree with those of ANSYS analysis within 2% deviations. And, for the vibration analysis of structure, we confirmed that the determination of the vibration mode is very important parameter. Conclusively, we confirmed that the quantitative total vibration amplitude of the structure can be measured by using SPS-ESPI system.
Vibration measurement is one of the important parameters to understand the dynamic behavior of structures. Vibration measurement of structures have been researched and developed for few decades by many scientists. To measure vibration behavior of structures various theoretical and experimental methods were used in lots of papers. Especially, the vibration analysis of plates was often used because plate studies are well understood theoretically and experimentally. The measurement of the natural frequencies and the mode shapes of plates have been studied. Classical plate equation for the freely vibrating plates was used to determine natural frequencies of plates theoretically. The plate characteristic functions were used to express vibration mode shape of clamped rectangular plates. For measuring free, transverse vibrations of partially clamped square plates, modal analysis technique based on the pointwise methods such as the scanning laser-doppler velocimeter was used. Speckle pattern interferometry(SPI) is essential method for researchers who want to measure vibration behavior of structures with optical methods. With this method, non-contact, non-destructive, and whole-field analysis of vibrating structures can be done in quasi real-time. Especially, electronic speckle pattern interferometry(ESPI) that the electronic processes were added to SPI is one of the very powerful method in the experimental vibration analysis field. And, additional advantages of ESPI are that both of the mode shapes and the natural frequencies of structures in oscillating can be measured simultaneously and cut down the cost. Several researchers introduced a number of optical methods in the analysis of the vibration mode shapes and the natural frequencies. One of the optical methods is the electronic speckle shearing interferometry(ESSI), known as the shearography. ESSI is an appropriate method to measure the slope contours of deformations of the structures for vibration mode shape analysis. Also, this method is able to obtain the vibration amplitude derivative directly and very robust method that can used in the practical work environment. But the ESSI is an optimized method for defect inspection in the objects and the shearing amount directly affects the results of the test. The other method is the phase shifting ESPI(PS-ESPI) that was introduced PZT for phase shifting of the reference beam in the interferometer. The ESPI is used to analyze out-of-plane displacements such as vibration and bending as well as in-plane displacements such as stress and strain. Researchers however can analyzed only the qualitative vibration mode shapes with the general ESPI methods. In general methods, the time-average ESPI is applied to measure the vibration mode shapes in real time and is a method that there is no effect by the circumstances around. But this method has some limitations that it is difficult to quantitatively analyze the interference fringes and fringe contrast and quality are somewhat low. Recently, quantitative modal analysis using the ESPI that a modal assurance criterion (MAC) calculation is applied in was reported. PS-ESPI is a quantitative analysis method while the general ESPI methods are qualitative method. In the phase shifting method PZT is used to shift the phase of the reference beam in the interferometer. In general cases, four-step phase shifting technique is used. Especially, for the vibration analysis stroboscopic PS-ESPI(SPS-ESPI) is used. Most of all optical vibration analysis systems used until now have been imported and the cost of those is very expensive. The main objective of this study is to develop a non-contact laser measurement system for vibration analysis of structures using stroboscopic PS-ESPI and to apply this system for vibration analysis of a square shape plate fixed all four its edges. This was done by designing interferometer with acousto-optic modulator(AOM) and programming the vibration analysis software. The results of this developed system was compared with those of the test using SLDV. The determined frequency results well agree with those of ANSYS analysis within 2% deviations. And, for the vibration analysis of structure, we confirmed that the determination of the vibration mode is very important parameter. Conclusively, we confirmed that the quantitative total vibration amplitude of the structure can be measured by using SPS-ESPI system.
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