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문제 정의
- 본 연구는 수요가 증가하고 있는 경단풍나무배트의 반발력 확인을 위해 소재물성을 파악하고 공진주파수와의 상관관계를 통해 탄성계수를 산출하였다. 15개의 경단풍나무 배트의 공진주파수 측정결과 1 mode 140∼155 (Hz), 2 mode 470∼550 (Hz), 3 mode 980∼1100 (Hz)의 주파수 범위를 나타내었으며 소재물성과의 상관관계에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 각 모드(mode)별 공진주파수를 측정하기 위해 5.3 mV/g의 감도를 갖는 가속도계와 100 mV/l bf의 감도를 갖는 충격해머를 사용하여 측정하였다. 시편의 자유 진동을 위해 공중에 매달았으며 자유 진동에 영향을 최소화하기 위해 고무줄을 이용하였다(Fig.
- 각 시편들은 전자식지시저울(측정단위: 0.01 g)을 사용하여 무게를 측정하였고, 디지털 캘리퍼를 이용하여 시편의 치수를 측정하였다. 부피는 90 mm ×90 mm × 1000 mm (높이) 크기의 아크릴 상자에 물을 채우고 배트에 파라핀을 얇게 입힌 후 완전히 침수시키기 전과 후의 차이를 이용하여 측정하였다.
- 측정된 주파수는 진동분석 시스템인 STAR (Structural Testing Analysis and Reporting) system 으로 불러 각 공진점을 표시한 후 auto-fit과정을 통해 각 모드별 동적거동을 측정하고 계산값을 표시하였다. 계산된 값을 통해 각 시편의 모드 거동을 동화상으로 표시하고 각각의 모드별 주파수를 획득하였다.
- 목재의 경우 탄성계수와 밀도는 목재의 가치를 결정하는데 필수적인 값으로 특성을 파악하는 것이 중요한 바, 본 연구에서는 수요량이 증가하고 있는 단풍나무 배트의 실제완제품을 적용하여 소재물성을 파악하고 주파수와의 상관관계를 통해 탄성 계수를 산출하였다. 소재물성 비교를 위해 배트의 연륜분포와 밀도 등을 조사하였고 이를 공진주파수와 관계식(ASTM C1259)을 통해 탄성계수를 산출하여 재료의 타격방향에 따른 물성을 평가하였다.
- 부피는 90 mm ×90 mm × 1000 mm (높이) 크기의 아크릴 상자에 물을 채우고 배트에 파라핀을 얇게 입힌 후 완전히 침수시키기 전과 후의 차이를 이용하여 측정하였다.
- 목재의 경우 탄성계수와 밀도는 목재의 가치를 결정하는데 필수적인 값으로 특성을 파악하는 것이 중요한 바, 본 연구에서는 수요량이 증가하고 있는 단풍나무 배트의 실제완제품을 적용하여 소재물성을 파악하고 주파수와의 상관관계를 통해 탄성 계수를 산출하였다. 소재물성 비교를 위해 배트의 연륜분포와 밀도 등을 조사하였고 이를 공진주파수와 관계식(ASTM C1259)을 통해 탄성계수를 산출하여 재료의 타격방향에 따른 물성을 평가하였다.
- 3 mV/g의 감도를 갖는 가속도계와 100 mV/l bf의 감도를 갖는 충격해머를 사용하여 측정하였다. 시편의 자유 진동을 위해 공중에 매달았으며 자유 진동에 영향을 최소화하기 위해 고무줄을 이용하였다(Fig. 3). 고무줄을 지지한 위치는 진동이 최소화되는 노드점에 맞춰 양끝 15 cm에 위치시켰다(Russel, 2006).
- 3과 같이 헤드부분에 가속도계(센서)를 고정하고 충격 해머를 가진점 1번부터 20번까지 이동시켜가며 시편의 주파수를 측정하였다. 실험에 사용된 FFT (Fast Fourier Transform) System은 signalcalc ace program으로 예비 실험과정을 통해 모드 3까지 얻는 것이 가능하도록 주파수 대역(F span)은 5000 Hz로 적용하였고, 라인(Lines)는 1,600으로 세팅하였다. 측정된 주파수는 진동분석 시스템인 STAR (Structural Testing Analysis and Reporting) system 으로 불러 각 공진점을 표시한 후 auto-fit과정을 통해 각 모드별 동적거동을 측정하고 계산값을 표시하였다.
- 4에 나타내었다. 여기서 평균나이테 나비는 배트의 헤드부분의 지름을 측정하여 측정 길이 내에 포함되는 완전한 나이테수를 적용하여 계산하였다. 그래프를 통해 1 mode와 2 mode의 R2값이 각각 06.
- 본 연구에서 사용된 공시수종은 경단풍나무(Acer Saccharum)로 도장 전 상태의 배트를 구입하여 실험을 시행하였다. 총 15개 배트의 시편길이를 배트의 배럴 끝 부분의 단면에 따라 0도, 45도, 90도, 135도, 180도 5개의 각도로 나누었고, 각 각도별로 배트의 길이방향을 20등분 나누어 실험하였다(Fig. 2).
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 공시수종은 경단풍나무(Acer Saccharum)로 도장 전 상태의 배트를 구입하여 실험을 시행하였다. 총 15개 배트의 시편길이를 배트의 배럴 끝 부분의 단면에 따라 0도, 45도, 90도, 135도, 180도 5개의 각도로 나누었고, 각 각도별로 배트의 길이방향을 20등분 나누어 실험하였다(Fig.
데이터처리
- 실험에 사용된 FFT (Fast Fourier Transform) System은 signalcalc ace program으로 예비 실험과정을 통해 모드 3까지 얻는 것이 가능하도록 주파수 대역(F span)은 5000 Hz로 적용하였고, 라인(Lines)는 1,600으로 세팅하였다. 측정된 주파수는 진동분석 시스템인 STAR (Structural Testing Analysis and Reporting) system 으로 불러 각 공진점을 표시한 후 auto-fit과정을 통해 각 모드별 동적거동을 측정하고 계산값을 표시하였다. 계산된 값을 통해 각 시편의 모드 거동을 동화상으로 표시하고 각각의 모드별 주파수를 획득하였다.
- 그 측정값은 Table 1과 같다. 평균나이테 나비측정은 KS F2202에 준하여 값을 계산하였고 공진주파수와 비교하였다.
이론/모형
- 본 실험에서는 비파괴적인 방법으로 물성측정을 하는 것을 목표로 하는 바, #의 포아송비는 시험편 배트의 포아송비를 직접 측정하지 않고 Wood Handbook에 제시된 Redmaple 값 0.509를 적용하여 산출하였다.
- 탄성계수 산출에는 주파수를 이용한 원형단면의 휨탄성계수 계산식인 ASTM C1259에 있는 식을 이용하였다(Eq. 1).
성능/효과
- 1) 평균나이테 나비 증가에 따라 공진주파수가 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 상관관계를 통해 배트 선별시 육안평가 항목으로 평균나이테 나비 값을 적용할 수 있다고 판단되며, 연륜이 배트에 미치는 영향에 대한 정확한 분석을 위해 연륜 각도 및 연륜두께 등 연륜에 관한 추가적인 연구 필요하다고 사료된다.
- 2) 배트의 방사방향인 0° 방향으로 가진할 때보다 접선방향인 90° 방향으로 가진할 때 주파수가 높게 나타남을 알 수 있다.
- 062%로 나타났다. #를 적용한 휨탄성계수 비교에서 전체적으로 90° 값 높게 나타났다. 접선방향인 90°로 가진할 때 탄성계수 값이 높게 나타났으며 가진 각도에 따른 공진주파수 비교와 유사한 결과를 나타내었다.
- 탄성계수산출 결과 전체 시험편에서 0° 방향보다 90° 방향의 탄성계수 값이 더 높은 값을 나타냈다.
후속연구
- 추후 공진주파수를 이용한 다양한 연구를 통해 실제 경기장에서 선수들의 배트상태를 체크하거나 목재배트의 수명예측에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 아울러 본 실험에서는 타격방향별 반발력 비교를 위해 원형단면의 탄성계수 계산식을 이용하여 분석하였으나 각각의 배트가 갖는 형상이 상이하므로 추후 이를 고려하여 탄성계수 값을 계산하기 위한 방법 및 계산식 도출에 대한 연구가 필요하다.
- 1) 평균나이테 나비 증가에 따라 공진주파수가 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 상관관계를 통해 배트 선별시 육안평가 항목으로 평균나이테 나비 값을 적용할 수 있다고 판단되며, 연륜이 배트에 미치는 영향에 대한 정확한 분석을 위해 연륜 각도 및 연륜두께 등 연륜에 관한 추가적인 연구 필요하다고 사료된다.
- 평균나이테 나비 증가에 따라 공진주파수는 감소하는 경향을 보인다. 일반적으로 단풍나무는 산공재이기 때문에 연륜 내 관공의 지름의 이행이 거의 없거나 지극히 완만하여 횡단면 상에서 지름이 거의 일정한 관공이 연륜 전체에 걸쳐서 고르게 흩어져 있어(Park 등, 1990) 연륜폭이 물성에 크게 영향을 미치지 않는다고 알려져 있는 바, 이와 관련하여 배트의 연륜각도 및 연륜폭에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 진동을 측정하는 장비의 종류는 다양하며 휴대 가능하여 실제 현장에서도 간편하게 적용 가능한 방법으로 판단된다. 추후 공진주파수를 이용한 다양한 연구를 통해 실제 경기장에서 선수들의 배트상태를 체크하거나 목재배트의 수명예측에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 아울러 본 실험에서는 타격방향별 반발력 비교를 위해 원형단면의 탄성계수 계산식을 이용하여 분석하였으나 각각의 배트가 갖는 형상이 상이하므로 추후 이를 고려하여 탄성계수 값을 계산하기 위한 방법 및 계산식 도출에 대한 연구가 필요하다.
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