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《振動噪音科普專欄》什麼是轉速頻率(rotating speed frequency)?


在振動噪音信號的解析,常會聽到「轉速頻率」(rotating speed frequency)這個名詞。這個單元就來看「轉速」以及「轉速頻率」兩者之間的關係!

「轉速」是一個物體的旋轉速度,例如一個轉動軸,該軸每分鐘的迴轉數是1200,單位是RPM (revolution per minute),或是CPM (cycle per minute),也就是「轉速」為1200 RPM

既然「轉速」已經很清楚了,可以以如1200 RPM表示,那麼為什麼還要「轉速頻率」這個名詞呢?

當「轉速頻率」冠上了頻率,就知道頻率的單位是Hz,也就是cycle/sec,每秒的次數,或是每秒的迴轉數。因此,「轉速頻率」f 「轉速」RPM 之間的關係是:f = RPM/60

如果,「轉速」為1200 RPM,則「轉速頻率」f=1200/60=20 Hz。這樣的轉換關係清楚了,但是,為什麼要以「轉速頻率」f=20 Hz,來代表轉速呢?

一般轉動機械在穩定運轉時,大都以固定的轉速RPM正常動作。我們知道每一個結構系統都有其固有的結構振動模態(structural vibration mode),振動模態包括了自然頻率(natural frequency)以及模態振型(mode shape);結構的振動模態,一般會有無限多個模態數,也就是自然頻率frr=1,2,…,實務上,自然頻率會以Hz單位表示。

前文【共振現象之觀察】,解釋過甚麼是「共振」(resonance),簡單的說:當「外力激振頻率」等於結構系統的「自然頻率」時,就會有「共振」的現象。對機械系統而言,「共振」通常會造成機械的大幅度振動,潛在地影響機械的安全及運轉壽命。所以,機械系統在設計時,需要考慮避免「共振」。

在轉動機械系統,其「轉速」對應的「轉速頻率」其實就是該系統的「外力激振頻率」,為避免結構「共振」,此轉動機械系統的設計,就要避免系統的「自然頻率」,不可與「轉速頻率」相近。

以上討論可知,為了配合機械系統的設計考慮,在設定了機械的額定「轉速」規格,可以得知對應的「轉速頻率」,這樣在機械系統的設計分析,求得系統的「自然頻率」,有相同的頻率單位Hz,可以便於相互比較。

另一個觀點,針對轉動機械系統,有人提出「臨界轉速」(critical speed)的概念,簡單的說:此轉動機械系統的「自然頻率」,乘以60,可以取得「自然頻率」對應的「轉速」RPM,就是「臨界轉速」。

綜合以上討論,重點摘要如下:

1.         轉速」及「轉速頻率」本質上是相同的,只是單位不同。「轉速」單位RPM;「轉速頻率」單位Hz
2.         「轉速頻率」f 「轉速」RPM 之間的關係是:f = RPM/60
3.         在轉動機械系統,其「轉速」對應的「轉速頻率」其實就是該系統的「外力激振頻率」。
4.         轉動機械系統的設計,要避免結構「共振」,必須:系統的「自然頻率」,不可與「轉速頻率」相近
5.         在設計分析,求得系統的「自然頻率」,其頻率單位Hz,為便於相互比較,所以會以「轉速頻率Hz來代表「轉速」RPM
6.         臨界轉速(critical speed)的概念簡單的說轉動機械系統的「自然頻率」單位Hz乘以60就是「臨界轉速」單位RPM
7.         轉動機械系統的設計,要避免結構「共振」,必須:系統的「臨界轉速」,不可與機械的「轉速」相近

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.12.08