지진기록계 보정과 힐버트 변환 적용에 의한 센서 주파수 응답 계산

조창수 ( Chang Soo Cho ) 한국지구물리·물리탐사학회 2016 지구물리와 물리탐사 Vol.19 No.2

신규 센서의 성능과 노후화된 센서의 성능 평가를 하는 것은 지진 감시 및 지진연구에 있어서 매우 중요하다고 할 수 있다. 특히 센서 주파수 응답은 지진자료의 보정을 위해서 필수적으로 사용되고 있다. 이 연구에서는 주파수 스펙트럼비를 이용한 지진 기록계의 보정 방법과 시간영역 대역통과필터(bandpass filter)와 힐버트(Hilbert) 변환을 이용한 지진계 주파수 응답을 계산하는 방법을 제시하고자 하였다. 실내 진동대 실험에서 가속도 센서(CMG-5T 1g, 2g 센서)를 설치하고 제안된 방법으로 센서 주파수 응답스펙트럼을 구하였을 때 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 2011년 도호쿠 대지진에 대하여 서울대학교 관측소(SNU)의 STS-2와 ES-T에서 얻어진 자료에 대하여 제안된 방법을 적용한 결과 STS-2광대역 센서의 저주파수 대역에 대한 주파수 응답을 얻을 수 있었다. 대역통과필터와 힐버트 변환 방법을 이용할 경우, 주파수 스펙트럼비를 이용한 방법보다 신호대 잡음이 낮은 부분에서도 명확한 주파수 응답스펙트럼을 보여주었다. The validation of performance test for newly developed or old-used sensor is very important in the earthquake monitoring and seismology using earthquake data. Especially the frequency response of the sensor is mainly used to correct the earthquake data. The technique of the calculation of phase and amplitude with Hilbert transformation for earthquake data that is filtered with band limited frequency in time domain is applied to calculate the frequency response of the sensor. This technique was tested for the acceleration sensors, CMG-5T of 1g and 2g installed on the vibration table at the laboratory and we could obtain satisfactory result. Tohoku large earthquake in 2011 observed at the station SNU that has accelerometer, ES-T and seismometer, STS-2 operated by KIGAM was also used to test the field data applicability. We could successfully get the low frequency response of broad band sensor, STS-2. The technique by using band limited frequency filter and Hilbert transformation showed the superior frequency response to the frequency spectrum ratio method for noisy part in data.

볼트 체결 상태에 따른 동특성 변화를 이용한 인공지능 기반 구조물의 볼트 체결력 예측

김도현(Do Hyeon Kim),한정삼(Jeong Sam Han) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.10

볼트로 체결된 구조물에서 볼트 체결 상태에 따라 동특성이 변경되는 것을 활용하여 볼트의 체결상태에 따른 주파수응답함수를 생성하고 정상상태와의 유사성을 구하여 CNN 모델 훈련을 위한 빅데이터로 활용하고자 한다. 이때, 주파수응답해석에 많은 연산 시간이 요구되므로 수치 효율성 증대를 위하여 기존 시스템의 동특성은 정확히 유지하며 연산 시간은 단축하는 모델차수축소법을 이용한다. 이 방법으로 축소 시스템을 생성하고 대량의 주파수응답 데이터를 구축한다. 또한, 체결 상태에 따른 주파수응답 변화를 효과적으로 파악하기 위해 주파수응답의 크기 및 모양의 유사성을 나타내는 MS 유사성 함수를 이용한다. 최종적으로 주파수응답의 유사성에 대한 빅데이터를 활용하여 CNN을 훈련하고, 이 인공신경망을 통하여 임의의 볼트 상태에 대한 볼트 구조물의 체결력을 예측하고자 한다. Structures clamped with bolts have different dynamic characteristics depending on the clamped state. Using this, we generate frequency response functions according to the bolt clamping state and use them as data for training the CNN models. However, the frequency response analysis performed to generate the frequency response function requires huge computation time. For an efficient way to overcome this, the model order reduction method is applied in order to reduce the computation time including the dynamic characteristics of the existing system. In this way, we generate a reduction system and construct a large amount of frequency response data. In addition, in order to effectively detect the change in frequency response according to the clamping state, the MS similarity function that indicates the similarity in magnitude and shape is used. Finally, using the data on frequency response similarity, we train CNNs and predict the clamping force of bolt structures.

부분 구조의 주파수 응답 함수를 이용한 봉의 치수 최적화

윤홍근(Hong Geun Yoon),이진우(Jin Woo Lee) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.10

본 연구에서는 형상 정보가 주어지지 않은 부품과 형상 정보가 주어진 부품으로 구성된 봉의 고유 주파수를 최대화하는 치수 최적화 방법을 제시한다. 두 부품으로 구성된 봉의 진동 특성을, 각 부품의 형상 대신, 두 부품의 주파수 응답 함수들로부터 예측한다. 이를 위해, 실험 모달 해석 방법을 이용하여 각 부품의 등가 진동계를 구하고, 두 등가 진동계의 질량 행렬과 강성 행렬들로부터, 두 부품이 결합된 봉의 등가 질량 행렬과 강성 행렬을 도출한다. 몇 가지 수치 예제에서, 제시한 방법으로 얻어진 봉의 등가 진동계의 주파수 응답 함수를 실제 봉의 주파수 응답 함수와 비교하여, 등가 진동계를 이용한 고유 주파수 예측 방법의 유효성을 검증한다. 검증된 방법으로 얻어진 등가 진동계를 이용하여, 봉의 1차 고유 주파수를 최대화하기 위한 치수 최적화 문제를 정식화하고, 최적화 알고리즘을 사용하여 봉의 구조를 최적화한다. In this work, a method of size optimization is proposed to maximize the natural frequency of a rod that consists of a hidden shape in one part and an exposed shape in the other. The frequency response function of a rod composed of two parts is predicted by using the frequency response functions of each of the parts instead of the shapes of the parts. The mass and stiffness matrices of the rod are obtained by using the mass and stiffness matrices of the equivalent vibration systems, which are obtained by applying the experimental modal analysis method to the frequency response functions of the parts. Through several numerical examples, the frequency response function obtained by using the proposed method is compared with that of a rod to validate the prediction method based on equivalent vibration systems. A size optimization problem is formulated for maximizing the first natural frequency of a combined rod, which is replaced with an equivalent vibration system, and a rod structure is optimized by using an optimization algorithm.

둔턱 진행 차량의 주파수응답 분석

김종도,윤문철 중소기업융합학회 2022 융합정보논문지 Vol.12 No.3

차량의 진행을 근사화한 외부 가진력을 고려한 강제 진동에서의 주파수 특성을 알아보고자 하였고, 다양한 가진 진폭과 주파수를 갖는 외력이 작용하면서 차량이 둔턱을 넘어갈 때에 차량에서 일어나는 주파수 영역의 진동특성을 분석하였다. 응답은 수치해석을 통하여 변위, 속도 및 가속도 등의 응답을 구하였고 이들을 FFT 처리하여 각 시간 응답의 FRF(Frequency response function) 주파수 특성을 분석하였다. 특히, 차량 고유모드와 외부 가진 모드의 발생 위치를 확실하게 비교하여 밝혔고 외부 가진력에 의한 강제진동 모델에서 변위, 속도 및 가속도의 거동과 주파수 응답함수에서의 고유모드의 위치와 주변의 가진 모드 분포 및 파워 스펙트럼, 실수부와 허수부의 FRF도 나타났으며 각 FRF에서 근접 모드 특성도 분석하였다. 외부 가진력으로 정현파의 가진력과 임펄스 가진력에 의한 둔턱 주파수를 고려하여 가정한 근사 모델에서 발생 모드를 구별할 수 있었다. 상당하는 질량, 감쇠 및 강성을 변화하는 여러 시스템에서 강제진동의 응답특성을 체계적으로 다루었다. The purpose of this study was to investigate the frequency characteristics of forced vibration considering the vehicle progress. And the vibration characteristics in frequency domain that occur, when vehicle passes the bump, were analyzed. The responses such as displacement, velocity and acceleration were obtained through numerical analysis, and FFT processing was performed to analyze the frequency response function(FRF) characteristics. In particular, the location of vehicle eigenmodes and external excitation modes was clearly shown and analyzed. In the forced vibration model by external force, the behavior of the eigenmode in power spectrum and real and imaginary parts were also analyzed. The mode characteristics were also analyzed in each FRF. It was approximated by assuming total excitation force by considering the exciting frequency using impulse and sine wave forces, which can give the amplitude and frequencies. The response characteristics of forced oscillations having different mass, damping and stiffness have been systematically discussed.

초기 볼트풀림 상태의 볼트 체결력 예측을 위한 주파수응답 유사성 기반의 합성곱 신경망

이제현,한정삼 한국전산구조공학회 2023 한국전산구조공학회논문집 Vol.36 No.4

This paper presents a novel convolutional neural network (CNN)-based approach for predicting bolt clamping force in the early bolt loosening state of bolted structures. The approach entails tightening eight bolts with different clamping forces and generating frequency responses, which are then used to create a similarity map. This map quantifies the magnitude and shape similarity between the frequency responses and the initial model in a fully fastened state. Krylov subspace-based model order reduction is employed to efficiently handle the large amount of frequency response data. The CNN model incorporates a regression output layer to predict the clamping forces of the bolts. Its performance is evaluated by training the network by using various amounts of training data and convolutional layers. The input data for the model are derived from the magnitude and shape similarity map obtained from the frequency responses. The results demonstrate the diagnostic potential and effectiveness of the proposed approach in detecting early bolt loosening. Accurate bolt clamping force predictions in the early loosening state can thus be achieved by utilizing the frequency response data and CNN model. The findings afford valuable insights into the application of CNNs for assessing the integrity of bolted structures. 본 논문에서는 볼트로 체결된 구조체에 대하여 초기 볼트풀림 상태에서의 볼트 체결력 예측 합성곱 신경망 훈련 방법을 제시한다. 8개의 볼트의 체결력이 변경된 상태에서 계산한 주파수응답들을 완전 체결된 상태의 초기 모델과의 크기 및 모양 유사성을 표현하는 유사성 지도로 생성한다. 주파수응답 데이터들의 생성에는 크리로프 부공간법 기반의 모델차수축소법을 적용하여 효율적인 방법으로 수행할 수 있도록 한다. 합성곱 신경망 모델은 회귀 출력 계층을 사용하여 볼트의 체결력을 예측하도록 하였으며, 훈련 데이터의 개수와 합성곱 신경망 계층의 개수를 다르게 준비하여 훈련시킨 네트워크들을 비교하여 그 성능을 평가하였다. 주파수응답에서 파생되는 유사성 지도를 입력 데이터로 사용하여 초기 볼트풀림 영역에서 볼트 체결력의 진단 가능성과 유효성을 제시하였다.

주파수 응답에 기초한 교량 내하력 평가 모델 개발

노화성,유민관,박경훈 한국방재학회 2015 한국방재학회논문집 Vol.15 No.4

The current method evaluating a load carrying capacity of bridges requires numerical structural analysis model and vehicle passing test in field on the bridges. Here, the numerical model such as finite element model of the bridges needs to reflect their current health state each evaluation time. Also, the field test requires a traffic closing, which frequently leads to traffic jam. Furthermore, the peak impact factor should be decided considering all possible vehicle speeds on the bridges. However, such all vehicle speeds cannot be considered since the testing-truck driver cannot make these all vehicle speeds during the test. Therefore, in this study, a new model is proposed as an alternative to the current method, which is based on the frequency-peak impact factor response spectrum and requires the fundamental frequency of bridges. This paper explains in details the framework of the model, using a simply-supported beam bridge as an example. 기존의 교량 내하력 평가 방법은 매번 구조해석모델 구축과 재하시험을 실시해야 하며, 이때 구조해석모델은 평가 당시의 교량의 건강상태를 대변하고 있어야 한다. 또한 현장시험의 경우 교통 통제로 인한 교통체증과 최대 충격계수가 도출되는 차량속도를 재현하기가어렵다. 본 논문에서는 교량의 기본 주파수 또는 진동수만을 기반으로 주파수-최대 충격계수 응답스펙트럼을 이용하는 새로운 형태의교량 내하력 평가모델을 제안하였으며, 단순교를 예제로 하여 이 모델의 프레임웍을 자세히 설명하였다.

볼트 체결 구조물의 볼트 체결력 감지를 위한 MS 유사성 지도의 생성 및 활용에 대한 고찰

우찬영,신기홍,한정삼 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.7

This paper presents a comprehensive investigation of the identification of bolt looseness in a multi-bolted structure using experimental and finite element analysis techniques. The study focuses on determining the location of a loosened bolt and clamping force of the corresponding bolt, using the frequency response and MS similarity functions. The dynamic characteristics of the bolted structure vary depending on the degree and location of the loosened bolt. The results show that the MS similarity function exhibits more distinctive changes than the frequency response function around each natural frequency and is better suited to diagnose bolt looseness. For the finite element model of the bolted structure, a reduced order model generated by the Krylov subspace-based model order reduction method efficiently obtains the frequency response for each case of bolt looseness, and the corresponding MS similarity function is also calculated. Then, a method of generating an MS similarity map is suggested in the form of a heat map image that can be effectively incorporated into a deep learning algorithm. The research findings demonstrate that the MS similarity map can be used to identify the locations of loosened bolts and quantitatively assess the degree of bolt loosening, offering great practical potential in the field of structural health monitoring. 본 논문에서는 볼트 체결 구조물에서 볼트 체결력의 크기와 위치의 변화에 따른 실험 결과와 유한요소해석 결과를 주파수 응답 함수와 크기 및 모양(MS) 유사성 함수(magnitude and shape similarity function)를 이용하여 비교 분석하였다. 볼트 풀림의 위치 또는 체결력이 변화하면 구조물의 동특성이 변화하는데, 특히 각 고유진동수 부근 주파수 영역에서 MS 유사성 함수가 상대적으로 크게 달라지는 경향을 시스템의 볼트 풀림에 대한 예측에 활용할 수 있음을 확인하였다. 이후, 볼트 체결 구조물의 유한요소모델에 대하여 크리로프 부공간(Krylov subspace) 기반의 모델차수 축소법(model order reduction)으로 생성한 축소모델을 이용하여 효율적으로 주파수 응답을 계산하고 이를 MS 유사성 함수를 이용한 히트맵 이미지 형태의 MS 유사성 지도(MS similarity map)를 구축하여 심층 학습(deep learning)에 활용하는 방법을 제시하였다. 본 논문은 볼트 체결 시스템의 볼트 풀림 정도를 MS 유사성 지도로 정량화할 수 있음을 해석과 실험을 통하여 비교 검증한 것으로 실용적으로 매우 중요한 의미를 가진다.

2자유도 서스펜션 시스템의 주파수 응답특성 분석

소상균 한밭대학교 생산기반기술연구소 2002 생산기반기술연구소 논문집 Vol.2 No.1

Automotive suspension system is mechanism for isolation of the vibration coming from the road inputs. However, the passive suspension system has limitation to improve the vibration isolation both low frequencies and high frequencies. To improve the performance of the passive system the active and semiactive suspension systems have been developed. In this paper, to show the effect of performance improvement for the active suspension system compared to the passive one the technique for frequency response analysis is introduced theoretically. At this time fairly complicated two degrees of freedom vehicle model is used and both sprung mass response and wheel response are compared. Finally, to confirm the improvement of performance of the active suspension system the computer simulations is carried out.

주파수응답특성을 이용한 백래시 추정개념의 이론적 분석

백주현(Joo Hyun Baek),정의봉(Yui Bong Jung),허기영(Gyee Young Hur),김지억(Jie Eok Kim),김진천(Jin Cheon Kim) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.11

This paper presents an backlash estimation concept to estimate the magnitude of backlash in a servo system with a gear reducer. The concept to estimate the magnitude of backlash is based on the change of frequency response characteristic, in particular, the change of anti-resonant frequency and resonant frequency, due to the change of backlash magnitude. This paper theoretically shows that the influence of backlash to change the frequency response characteristics can be amplified by the magnitude of motor input voltage. We think that it is possible to use the proposed concept for estimating the change and magnitude of backlash in a servo system with a gear reducer.

시간-주파수 영역 특성 응답을 이용한 매설 배관의 충격 손상 위치 표정에 대한 실험적 검증

이선호,박춘수,윤동진 한국비파괴검사학회 2023 한국비파괴검사학회지 Vol.43 No.4

Damage to buried pipelines resulting from third-party interference has garnered attention because it can lead to significant leaks owing to ruptures. Given that such incidents often occur suddenly owing to third-party actions, the importance of buried pipeline monitoring becomes paramount for prevention and early response. Acoustic emission localization have been recognized as an effective method for detecting damage sources in structures with restricted access. In this study, we propose a signal processing method based on the feature response in the time-frequency domain to apply acoustic emission localization in noisy environments. We compared the results of the feature response through simulation and experimentally verified its application on in-service buried pipelines. The pipeline is 564 m long and has a diameter of 1200 mm. By attaching vibration accelerometers to both ends, we confirmed the ability to detect impact damages. By observing the feature response, we derived the optimal frequency band without manual frequency analysis. Therefore, we could automatically enhance the signal-to-noise ratio under various noise conditions. Our study yielded an empirical impact damage detection in the in-service pipelines that was in good agreement with the impact location. 타공사에 의한 매설 배관 파손 사고는 파열로 인한 다량의 누출을 동반하여 사회적 문제로 주목받고 있다. 이러한 사고는 제 3 자에 의해 갑작스럽게 발생하는 관계로 예방과 조기 대응을 위해서는 매설 배관 모니터링 기술이 중요하다. 음향방출 위치 표정 기법은 접근이 제한되는 구조물을 대상으로 손상원 검출에 효과적인 방법으로 주목받아 왔다. 본 연구에서는 잡음 환경에서도 음향방출 위치 표정 기법을 적용하기위해 시간-주파수 영역의 특성 응답을 이용한 신호처리 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통한 특성 응답 결과를 비교하였으며, 이를 실제 운용중인 매설 배관에 적용하여 실험적으로 검증하였다. 대상 배관의 관경은1,200 mm이며, 길이 564 m에서 진동 가속도계를 부착하여 충격 손상의 검출이 가능함을 확인하였다. 특히, 특성 응답 관찰을 통해 인위적인 주파수 분석 없이 최적 주파수 대역을 도출하였다. 그 결과, 다양한 잡음조건에서 자동적으로 신호 대 잡음비 향상이 가능하였으며, 실제 충격 위치와 잘 일치함을 확인하였다.