Experimental Modal Analysis(EMA, 실험적 모달 분석)

EMA는  자극에 의​​해 구조물의 동적 응답을 분석하는 분야인데 자극에 대한 응답은 데이터 수집 장비를 통해서 발생합니다. 이는 FEA 결과를 검증뿐만 아니라 구조의 모달 파라미터를 결정하는데 유용합니다.

EMA는 모달 파라미터를 추출하는 4 단계 프로세스입니다 아래는 이에 대한 과정을 나타냅니다. 

1) Vibration Sensor(Accelerometer, 가속도계)

엔지니어들은 구조의 진동 응답을 기록하기 위해서 가속도계라고 불리는 진동 센서를 사용합니다. 가속도계에 진동을 넣기 이해서 임펄스 해머를 사용하지요. 가속도계는 특정 테스트 시나리오에 필요한 주파수 범위, 동적 범위, 신호대 잡음비, 감도에 맞게 사용되어야 합니다. 가속도계를 구매할 때 보시면 이러한 스펙이 잘 정의되어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 

2) 데이터 수집 장비

가속도계와 임펄스 해머를 통해서 발생하는 진동신호를 측정하기위해서는 데이터 수집 장비(DAQ Device)가 필요합니다. NI는 DSA(Delta Sigma 수집) 장비를 제공하며 이는 멀티플랙서 방식이 아닌 동시 측정이 가능합니다. 또한 엘리어싱과 잡음을 방지하는 안티 앨리어싱 필터를 보유하고 있습니다. 마지막으로 이 보드들은 IEPE 혹은 ICP 타입의 센서를 위해 IEPE 활성화 기능을 제공하고 있습니다. 

3) FRF(Frequency Response Function) 분석

주파수 응답은 진폭이 일정한 다양한 주파수의 입력 신호가 어떤 시스템에 들어왔을 때, 어떤 응답을 내는지 측정하는 것입니다. 응답의 크기는 dB와 같은 단위로 측정이됩니다. 이는 어떤 시스템에 들어온 광역 주파수 신호에 대한 내보내는 반응의 척도를 나타냅니다. 

주파수 응답 함수는 구조의 전달 함수를 계산하여 자극에 대한 반응과 비교를 합니다. FRF의 결과는 정의된 주파수 범위에서 구조의 크기 및 위상에 대한 응답을 보여줍니다. FRF의 테스트 결과는아래의 그림처럼 나타납니다. 

4) 모달 파라미터 추출

모달 파라미터 추출 알고리즘은 RFR 데이터로 부터 모달 파라미터를 식별하기 위해서 사용됩니다. 이 알고리즘들은 Peak를 검출하고, 주파수 영역의 다항식 계산 및 FRF 합성에 사용됩니다. 이 알고리즘은 모달 파라미터를 식별하는데 사용합니다. 그러나 각 함수들은 각각의 특정 테스트 시나리오에 최적화되어 있습니다.

4-1) 피크 검출

미리 계산된 FRF 신호로 부터 모드를 검출하는데 사용됩니다. 이는 주파수 도메인의 SDOF(Single Degree Of Freedom) 모달 분석 방법으로 비교적 가벼운 댐프 모드에 대한 분석에 적합합니다. 이 계산은 빠르지만, 결과값이 주파수의 시프트에 대해 민감하다는 단점을 가지고 있습니다.

4-2) Least Square Complex Exponential Fit(LSCE)

이 방법은 미리 계산된 FRF 신호에서 다수의 모두를 추출하는데 사용됩니다. 이는 시간 도메인의 Multiple-Degree-Of-Freedom 모달 분석 방법으로 넓은 주파수 밴드에서 모드를 추출하는데 적합합니다. 이 방법은 가벼운 댐프 모드에 적합합니다.

4-3) Frequency Domain Polynomial Fit(FDPI)

이 방법은 미리 계산된 FRF 신호에서 다수의 모두를 추출하는데 사용됩니다. 이는 주파수 도메인의 MDOF 모달 분석 방법으로 무거운 댐프 모두 계산에 적합합니다. 

4-4) FRF Synthesis

이 방법은 테스트와 평가를 위해서 Synthetic FRF를 생성하는데 사용됩니다. 계산된 모달 파라미터를 통해서 엔지니어는 합성 FRF와 원본 FRF(Original FRF)를 비교하고 계산에 대한 평가를 할 수 있습니다.

이 글에서는 EMA에 대해서 간략히 살펴보았습니다.

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