ความถี่ธรรมชาติคืออะไร (What is Natural Frequency? )

การวิเคราะห์งานสั่นสะเทือนเป็นเรื่องที่ต้องบอกว่าเข้าใจค่อนข้างยาก  และสำหรับคนที่เข้าใจแล้วก็ยังอธิบายให้คนอื่นเข้าใจได้ยากด้วย(เรื่องนี้กำลังประสบกับตัวเองอยู่ 555)  ดังนั้นก่อนเราจะไปถึงจุดนั้น  เรามารู้จักเรื่องพื้นฐานของการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนกันก่อน  นั่นก็คือเรื่องความถี่ธรรมชาตินั่นเอง

ถ้าหากเราออกแรงกระทำชิ้นงาน  ทำให้ชิ้นงานเริ่มเกิดการสั่นหรือแกว่ง  ความถี่ที่ชิ้นงานสั่นหรือแกว่งนั้นจะเท่ากับความถี่ธรรมชาติ  เช่น  เราออกแรงผลักชิงช้าให้แกว่ง  ความถี่ที่ชิงช้าแกว่งไปมาก็คือความถี่ธรรมชาติของชิงช้าตัวนั้นนั่นเอง

แต่ความถี่ธรรมชาติไม่ได้มีแค่ค่าเดียว  ในความเป็นจริงความถี่ธรรมชาติมีได้เป็นอนันต์ค่า  หรือพูดง่ายๆคือมีเยอะแยะมากมายจนนับไม่ถ้วน  ซึ่งความถี่ธรรมชาติแต่ละค่าจะทำให้ชิ้นงานสั่นไม่เหมือนกัน เช่น ถ้าเราเอาเชือกมาแกว่งที่ความถี่ค่าหนึ่ง  เชือกก็จะสั่นรูปแบบหนึ่ง  ถ้าเราแกว่งให้เร็วขึ้น(เพิ่มความถี่ให้มากขึ้น)  เชือกก็จะสั่นเหมือนมี Loop มากขึ้น  ซึ่งลักษณะการสั่นที่เกิดขึ้นแบบหนึ่งๆ  เราเรียกว่า Mode Shape  ดังนั้นชิ้นงานหนี่งๆก็จะมีหลาย Mode Shape เช่นเดียวกับความถี่ธรรมชาติ

การที่เราออกแรงกระทำจากภายนอก  โดยที่แรงกระทำนั้นมีความถี่ในการสั่นเท่ากับความถี่ธรรมชาติ  ก็จะทำให้ชิ้นงานเกิดการสั่นที่รุนแรงขึ้น  เราเรียกว่า เกิดการสั่นพ้อง (Resonance) ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายได้  แต่ถ้าหากเราออกแรงกระทำไม่ตรงกับความถี่ธรรมชาติ  การสั่นพ้องก็จะไม่เกิดขึ้น  และชิ้นงานก็ไม่สั่นรุนแรง (ลองนึกถึงกรณีแกว่งเชือก  ถ้าเราแกว่งมั่วๆ  เชือกก็จะไม่ออกมาเป็น loop หรือการแกว่งชิงช้า  ถ้าเราผลักไม่ตรงจังหวะ  ชิงช้าก็จะแกว่งน้อยลง)

ภาพด้านล่างจะแสดงรูปแบบของการสั่นพ้องของแผ่นเหล็กที่ความถี่ต่างกัน  โดยเราสามารถทดลองจริงหรือใช้โปรแกรม SolidWorks Simulation ช่วยในการวิเคราะห์ก็ได้ (รูปภาพการทดลองจริงนำมาจากวีดีโอใน Youtube ตามลิ้งนี้ )

ในโปรแกรม SolidWorks เองก็มีฟังชั่น Frequency ที่ช่วยหาความถี่ธรรมชาติของชิ้นงานที่เราออกแบบ  ซึ่งการนำไปใช้ก็คือ
1. เราต้องรู้ก่อนว่าชิ้นงานที่เราออกแบบจะเอาไปใช้ในสภาวะแบบไหน  เช่น จะออกแบบฝาปิดเครื่องซักผ้า  เราก็ต้องรู้ว่าตอนที่เครื่องซักทำงาน  มีการสั่นที่ความถี่เท่าไร  ผมขอสมมติว่าเครื่องซักผ้ามีการสั่น 30 Hz
2. หลังจากที่รู้สภาวะที่จะนำไปใช้งานแล้ว  เราก็จะรู้ว่าฝาปิดที่ต้องออกแบบ  จะต้องมีความถี่ธรรมชาติไม่เท่ากับ 30 Hz (ความถี่จะมากกว่าหรือน้อยกว่าก็ได้  แต่ส่วนใหญ่จะออกแบบให้มากกว่าที่ระบุไว้กัน)  เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นที่รุนแรง  ซึ่งขั้นตอนนี้โปรแกรม SolidWorks Simulation จะเข้ามาช่วยหาความถี่ธรรมชาติให้ได้
3. ถ้าหากวิเคราะห์ออกมาแล้ว  พบว่าความถี่ธรรมชาติของชิ้นงานที่ออกแบบมีค่าเท่ากับ  หรือใกล้เคียงกับ 30 Hz เราก็พอจะสรุปได้ว่าหากนำชิ้นงานนี้ไปใช้งาน  อาจจะเกิดการสั่นรุนแรงได้  ดังนั้นเราก็ต้องแก้ไขโมเดล  เปลี่ยนตำแหน่งจับยึด  เปลี่ยนวัสดุ ฯลฯ เพื่อให้ค่าความถี่ธรรมชาติไม่ตรงกับ 30 Hz

สรุปสิ่งที่ฟังชั่น Frequency ทำได้
1. แสดงค่าความถี่ธรรมชาติของชิ้นงานได้
2. แสดงลักษณะการสั่น (Mode Shape) ที่แต่ละความถี่ธรรมชาติ

สิ่งที่ฟังชั่น Frequency ทำไม่ได้
1. ไม่สามารถแสดงขนาดของการสั่นได้ (ไม่ทราบระยะที่ชิ้นงานโยกไป)  แถบสีที่แสดงระยะที่ชิ้นงานโยกไปในฟังชั่น Frequency ถือว่าไม่มีนัยสำคัญ  เนื่องจากถ้าชิ้นงานสั่นที่ความถี่ธรรมชาติต่อไปเรื่อยๆ  ชิ้นงานก็จะสั่นรุนแรงขึ้นเรื่อยๆเช่นกัน  จนชิ้นงานเกิดความเสียหายในที่สุด  ดังนั้นเราจึงทราบได้แค่ทิศทางของการสั่น  แต่ไม่ทราบขนาดของการสั่น
2. ไม่สามารถแสดงค่า Stress, Strain จากการสั่นได้  ซึ่งก็เป็นเหตุผลเดียวกับข้อแรก
3. ถ้าหากต้องการทราบค่า Stress, Displacement, Strain จะต้องใช้การวิเคราะห์แบบ Linear Dynamic ซึ่งเป็นอีกฟังชั่นหนึ่งในโปรแกรม SolidWorks Simulation

ถ้าหากใครสนใจเรื่องการวิเคราะห์ความถี่ธรรมชาติ  สามารถสั่งซื้อแผ่นสอน Simulation Professional ได้  ดูรายละเอียดในแผ่นสอน คลิกที่นี่

สอบถามรายละเอียดเพื่มเติมได้ที่

คุณพลวัฒน์ (บอล)  รับวิเคราะห์  ให้คำปรึกษา  และสอนโปรแกรม SolidWorks Simulation
Tel. 087-489-7265
Line ID : ballastro
E-mail : sim.adviser@gmail.com
FB : SolidWorks Simulation Adviser