Pomiar częstotliwości rezonansowej – jak analizować drgania konstrukcji i zapobiegać uszkodzeniom

Dlaczego pomiar częstotliwości rezonansowej jest tak ważny?

Każda konstrukcja – od lekkiego panelu obudowy po turbinę wiatrową – ma swoje częstotliwości własne, czyli takie, przy których zaczyna drgać z największą amplitudą. Gdy częstotliwość wymuszenia zewnętrznego (np. od pracy silnika, wentylatora lub przepływu powietrza) pokryje się z częstotliwością własną konstrukcji, pojawia się rezonans. 

Zjawisko rezonansu jest jednym z najbardziej niebezpiecznych efektów w mechanice. Może prowadzić do silnych drgań, zwiększonego hałasu, deformacji elementów, a nawet ich zniszczenia. W przemyśle skutki rezonansu to często kosztowne przestoje, uszkodzenia urządzeń i spadek jakości produkcji. Dlatego tak ważne jest, by już na etapie projektowania lub diagnostyki określić częstotliwości, przy których obiekt wchodzi w rezonans, i unikać tych zakresów pracy.

Pomiar częstotliwości rezonansowej pozwala dokładnie określić te punkty krytyczne, a następnie zoptymalizować konstrukcję, jej tłumienie lub parametry eksploatacyjne.

Czym właściwie jest częstotliwość rezonansowa

Częstotliwość rezonansowa (ang. resonant frequency) to taka częstotliwość drgań własnych układu, przy której nawet niewielkie wymuszenie zewnętrzne powoduje bardzo duży wzrost amplitudy drgań. Występuje ona w każdym ciele sprężystym: w stalowej belce, w ramie maszyny, a nawet w płytach drukowanych urządzeń elektronicznych.

Rezonans nie zawsze jest zjawiskiem negatywnym – wykorzystuje się go np. w konstrukcji głośników czy instrumentów muzycznych. Jednak w inżynierii mechanicznej jest on czynnikiem destrukcyjnym, który należy dokładnie monitorować i kontrolować.

Znajomość częstotliwości rezonansowych pozwala inżynierowi:

• określić sztywność konstrukcji,

• ocenić stopień tłumienia drgań,

• przewidzieć zachowanie układu w różnych warunkach pracy,

• porównać wyniki z modelami numerycznymi (np. MES).

Jak wykonuje się pomiar częstotliwości rezonansowej

Najczęściej stosowaną metodą w praktyce inżynierskiej jest pobudzenie impulsowe (impact testing).

W badany obiekt uderza się kontrolowanym impulsem – zwykle za pomocą młotka modalnego wyposażonego w czujnik siły. W odpowiedzi konstrukcja zaczyna drgać, a jej zachowanie rejestrują akcelerometry przymocowane do wybranych punktów.

Zarejestrowane sygnały – siła uderzenia oraz przyspieszenie drgań – analizuje się w dziedzinie częstotliwości, obliczając tzw. funkcję odpowiedzi częstotliwościowej (FRF – Frequency Response Function).

Piki na wykresie FRF wskazują częstotliwości rezonansowe konstrukcji, a szerokość tych pików pozwala oszacować tłumienie drgań. W typowym pomiarze wykonuje się wiele uderzeń w różnych punktach, aby określić pełny zestaw częstotliwości własnych badanego obiektu.

Etapy pomiaru częstotliwości rezonansowej

• Przygotowanie konstrukcji i montaż czujników przyspieszenia.
• Ustawienie młotka modalnego i kalibracja kanałów pomiarowych.
• Wykonanie serii uderzeń w różnych punktach struktury.
• Rejestracja sygnałów siły i przyspieszenia w czasie rzeczywistym.
• Obliczenie funkcji FRF i koherencji między sygnałami.
• Wyznaczenie częstotliwości rezonansowych oraz współczynników tłumienia.

Wyniki pomiaru prezentuje się najczęściej w postaci widma amplitudowego, wykresu Bodego lub tabeli z wartościami częstotliwości i amplitud.

Analiza częstotliwości rezonansowej w imc WAVE

Oprogramowanie imc WAVE Structural Analyzer jest zaawansowanym narzędziem do analizy drgań konstrukcyjnych i wyznaczania częstotliwości rezonansowych. System pozwala na synchroniczny pomiar siły i przyspieszenia w wielu punktach, automatyczne generowanie funkcji FRF oraz analizę koherencji sygnałów.

Dzięki pełnej integracji z systemami akwizycji danych imc CRONOSflex i imc ARGUSfit, pomiar można wykonywać zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i bezpośrednio na obiekcie – bez utraty jakości i synchronizacji danych.

Kluczowe funkcje imc WAVE:

• automatyczne wyznaczanie funkcji FRF,

• analiza koherencji i widm mocy,

• szybkie sortowanie częstotliwości rezonansowych,

• prezentacja wyników w czasie rzeczywistym,

• eksport danych do analizy modalnej (np. ME’Scope™).

System jest w pełni zgodny z zasadami analizy modalnej, co oznacza, że dane można wykorzystać do wizualizacji form drgań (modów własnych) i tworzenia modeli 3D zachowania konstrukcji.

Interpretacja wyników pomiaru

Po zakończeniu pomiaru imc WAVE generuje zestawienie z wykrytymi częstotliwościami rezonansowymi, amplitudami drgań oraz współczynnikami tłumienia.

Wykresy FRF przedstawiają zarówno odpowiedź amplitudową, jak i fazową układu, co ułatwia identyfikację zależności między poszczególnymi punktami pomiarowymi.

Dane można łatwo wyeksportować do oprogramowania imc FAMOS, aby przeprowadzić szczegółową analizę czasowo-częstotliwościową, obliczyć podatność (compliance) czy dynamiczną sztywność (dynamic stiffness). Takie podejście pozwala na pełne zrozumienie zachowania konstrukcji w warunkach eksploatacyjnych.

Zastosowanie pomiaru częstotliwości rezonansowej

Pomiar częstotliwości rezonansowej jest stosowany w wielu obszarach:

• przemysł motoryzacyjny – analiza drgań silników, zawieszeń, karoserii,

• energetyka – badanie rezonansów turbin, generatorów, wsporników,

• budownictwo i inżynieria lądowa – ocena stabilności mostów, wież, fasad,

• lotnictwo i kosmonautyka – testy strukturalne elementów kadłuba i skrzydeł,

• badania naukowe – identyfikacja parametrów modeli dynamicznych.

Dzięki nowoczesnym narzędziom analitycznym takim jak imc WAVE, pomiary rezonansowe można wykonywać szybciej, dokładniej i z pełną kontrolą nad jakością danych.

Od pomiaru do praktycznych wniosków

Analiza częstotliwości rezonansowej to nie tylko diagnoza problemu – to także fundament optymalizacji konstrukcji. Pozwala wykryć newralgiczne punkty, określić poziom tłumienia i przewidzieć, jak konstrukcja zachowa się w różnych warunkach obciążenia.

Połączenie oprogramowania imc WAVE z platformą analityczną imc FAMOS daje inżynierom możliwość prowadzenia zintegrowanych badań dynamicznych, łączących dane drganiowe, siłowe i prędkościowe w jednym środowisku.

Wypróbuj imc WAVE i imc FAMOS za darmo

Chcesz samodzielnie sprawdzić, jak działa imc WAVE  i środowisko analityczne imc FAMOS?

Oba programy można pobrać w pełnej wersji testowej na 30 dni – bez ograniczeń funkcjonalnych. To doskonała okazja, by poznać narzędzia, które na co dzień wykorzystują inżynierowie zajmujący się analizą drgań, pomiarami częstotliwości rezonansowej i testami dynamicznymi. 

Podsumowanie

Pomiar częstotliwości rezonansowej stanowi podstawę każdej zaawansowanej analizy drgań. Umożliwia nie tylko wczesne wykrycie potencjalnych problemów, ale także optymalizację konstrukcji pod kątem bezpieczeństwa, trwałości i komfortu pracy.

Dzięki oprogramowaniu imc WAVE Structural Analyzer proces pomiaru i analizy staje się prostszy, szybszy i bardziej intuicyjny – od rejestracji danych po raportowanie wyników i analizę modalną.

Systemy Pomiarowe – partner w analizie drgań i rezonansu

Systemy Pomiarowe Sp. z o.o. jest oficjalnym przedstawicielem imc Test & Measurement GmbH w Polsce. Oferujemy kompleksowe rozwiązania pomiarowe dla przemysłu i laboratoriów – od systemów imc CRONOSflex po oprogramowanie imc WAVE i imc FAMOS.