Titreşim Testleri

Rezonans, bir sistemin doğal frekansı ile maruz kaldığı titreşim frekansının çakışması sonucu titreşim genliğinin aşırı artması durumudur.

Her mekanik sistem; kütle, rijitlik ve sönüm parametrelerine bağlı olarak bir veya birden fazla doğal frekansa sahiptir. Eğer dışarıdan uygulanan titreşim bu frekansa denk gelirse, yapı çok daha büyük genlikte titreşmeye başlar.

Rezonans bölgesinde; yer değiştirme, hız ve ivme seviyeleri artar, yorulma hasarı hızlanır ve dinamik gerilmeler maksimum değerlere ulaşabilir. Bu durum; mekanik hasara, vida gevşemelerine, elektronik kart arızalarına, yorulma kırılmalarına neden olabilir.

Bu yüzden titreşim testlerinde rezonans frekansları özellikle tespit edilerek yapısal tasarım ve montaj detayları doğrulanır ve ürün tasarımı buna göre iyileştirilir.

Şok, çok kısa sürede meydana gelen, yüksek ivmeli ani darbe etkisidir. Süresi kısa, şiddeti yüksektir. Şok olayları genellikle; Tepe ivme (g), Darbe süresi (ms) ve Darbe şekli (yarım sinüs, testere dişi, trapezoidal vb.) parametreleri ile tanımlanır. Sistem üzerinde yüksek frekanslı dinamik gerilmeler oluşturur.

Gerçek hayatta şok yükleri şunlar sırasında ürünün düşmesi, nakliye sırasında çarpma, patlama veya ani darbe ortamları, askeri uygulamalardaki balistik etkiler oluşabilir. Şok testleri, ürünün bu ani ve sert yükler altında çalışmaya devam edip edemeyeceğini veya yapısal hasar alıp almadığını değerlendirmek için yapılır. Değerlendirme genellikle yapısal bütünlük, kalıcı deformasyon, fonksiyon kaybı kriterlerine göre yapılır. Şok dayanımı sıklıkla Shock Response Spectrum (SRS) ile ifade edilir.

PSD (Power Spectral Density) eğrisi, random (rastgele) titreşim testlerinde titreşimin frekansa göre ne kadar enerji içerdiğini yani titreşimin hangi frekanslarda ne kadar “şiddetli” olduğunu gösteren grafiktir. Bu eğri sayesinde bir ürünün maruz kalacağı titreşim ortamı laboratuvarda gerçekçi şekilde taklit edilir.

Bir PSD grafiğinde Yatay eksen (X ekseni), Frekansı (Hz) ve Dikey eksen (Y ekseni), Titreşim seviyesini (g²/Hz) ifade eder. Buradaki g²/Hz birimi; titreşimin belirli bir frekans bandında taşıdığı ivme enerjisini tanımlamak için kullanılır. PSD Eğrisi; titreşimin yoğun olduğu frekanslarda yükselir ve titreşimin zayıf olduğu frekanslarda düşer.

PSD eğrisi sayesinde gerçek ortam titreşimleri laboratuvarda temsil edilir ve ürünün hangi frekans aralıklarında daha fazla zorlanacağı belirlenir. Test seviyesi sayısal ve tekrarlanabilir şekilde tanımlanır.

RMS (Root Mean Square), titreşim testlerinde bir ürünün maruz kaldığı toplam titreşim şiddetini ifade eden temel ölçüdür. Titreşim testlerinde RMS değeri genellikle ivme cinsinden ifade edilir ve birimi g RMS‘tir.

Titreşim sırasında ivme değeri sürekli değişir; bazen artar, bazen azalır, bazen yön değiştirir. RMS değeri, bu sürekli değişen titreşimin ürün üzerindeki genel zorlayıcı etkisini tek bir sayı ile özetler. Bu yüzden RMS değeri titreşimin “ortalama enerji etkisi” olarak düşünülebilir.

Bu değer bize şunu söyler:

• Ürün test boyunca ne kadar şiddetli bir titreşim ortamında çalıştı
• Titreşimin yorulma (fatigue) etkisinin ne seviyede olduğu
• Farklı test seviyelerinin birbiriyle karşılaştırılması

Neden Basit Ortalama Kullanılmaz?

Titreşim sinyali hem pozitif hem negatif yönlüdür. Basit ortalama alınırsa sonuç sıfıra yakın çıkar ve gerçek etkiyi göstermez.
RMS hesabı ise:

• Negatif değerleri de etkili kabul eder
• Büyük titreşimleri daha fazla ağırlıklandırır
• Gerçek enerji etkisini temsil eder

Bu nedenle titreşim testlerinde RMS değeri, titreşim şiddetini tanımlamak için en doğru yöntemdir.

RMS ve Random Titreşim İlişkisi

PSD eğrisi bize titreşimin frekanslara göre dağılımını gösterir. Random titreşim testlerinde RMS değeri doğrudan PSD eğrisinin tüm frekans bandı boyunca integrali alınarak elde edilir. Bu titreşim dağılımının toplam etkisini tek bir sayı olarak verir. Özetle:

PSD = titreşimin frekansa göre haritası
RMS = bu haritanın toplam şiddeti

Grms değeri yükseldikçe; titreşim enerjisi artar, yorulma hasarı riski büyür, elektronik ve mekanik bileşenler daha fazla zorlanır.

pk (peak), titreşim sırasında ölçülen en yüksek anlık ivme değerini ifade eder. Birimi genellikle g (ivme)‘dir.

Bu değer, Ani zorlanmaları, kısa süreli yüksek yükleri ve darbe benzeri etkileri göstermede önemlidir.

Peak değeri, özellikle; şok testlerinde, rezonans bölgelerinde, hassas bileşenlerin bulunduğu sistemlerde kritik bir kontrol parametresidir.

pk–pk (peak to peak), titreşim sinyalinin en yüksek pozitif değeri ile en düşük negatif değeri arasındaki toplam farktır.

Genellikle yer değiştirme (mm pk–pk) cinsinden kullanılır.

Özellikle düşük frekanslı sine testlerinde önemlidir çünkü büyük yer değiştirmeler, mekanik açıklık problemleri, çarpma veya sürtme riskleri pk–pk değeri ile değerlendirilir.

Sweep rate, sine titreşim testlerinde frekansın ne hızla değiştirildiğini ifade eder.

Birimleri genellikle Hz/dakika (Hz/min) veya oktav/dakika (oct/min) şeklindedir. Sweep rate çok önemlidir çünkü çok hızlı süpürme yapılırsa rezonanslar yeterince uyarılmayabilir veya çok yavaş süpürme yapılırsa ürün gereğinden fazla zorlanabilir. Bu nedenle sweep rate değeri, test standardına ve ürün tipine göre belirlenir.

Frekans (Hz), bir titreşimin saniyede kaç kez tekrar ettiğini gösterir. Titreşim testlerinde frekans aralığı, test sırasında ürünün maruz bırakıldığı titreşimlerin hangi hızda tekrarlandığını tanımlar.

Titreşim testleri belirli bir frekans bandı içinde uygulanır. Bu aralık; ürünün kullanım ortamına, taşıma koşullarına ve ilgili test standardına göre belirlenir. Düşük frekanslar genellikle büyük yer değiştirmeleri, yüksek frekanslar ise yüksek ivme seviyelerini temsil eder.

Titreşim testleri genellikle geniş bir bantta yapılır (örneğin 5–2000 Hz). Böylece olası rezonans noktaları yakalanır, hem büyük yapılar hem hassas bileşenler test edilir ve gerçek çalışma koşulları daha doğru simüle edilir.

Titreşim genliği, bir parçanın titreşim sırasında ne kadar hareket ettiğini veya ne kadar ivmeye maruz kaldığını ifade eder. Yani titreşimin şiddetini gösterir. Titreşim genliği; Yer değiştirme (Displacement), Hız (Velocity), İvme (Acceleration) olmak üzere üç farklı fiziksel büyüklük ile ifade edilebilir. Hepsi aynı titreşimin farklı yönlerini gösterir.

Yer Değiştirme (Displacement)
Yer değiştirme, titreşim sırasında parçanın bulunduğu konumdan ne kadar uzaklaştığını gösterir. Birimi milimetredir.
Genellikle pk–pk (peak to peak) olarak ifade edilir. Daha çok düşük frekanslı titreşimlerde, Büyük ve ağır parçaların hareketinde önemlidir.

Hız (Velocity)
Titreşim hızı, parçanın ne kadar hızlı ileri–geri hareket ettiğini gösterir. Birimi mm/s’dir. Titreşim hasarlarıyla iyi ilişki kurduğu için bazı endüstriyel standartlarda hız kullanılır. Orta frekans bölgelerinde anlamlıdır.

İvme (Acceleration)
İvme, titreşim sırasında hızın ne kadar hızlı değiştiğini gösterir. Titreşim testlerinde en yaygın kullanılan genlik parametresidir. Birimi: g veya m/s²’dir.
Özellikle; yüksek frekanslı titreşimlerde, elektronik kartlar ve küçük bileşenlerde zorlayıcı etkiyi en iyi temsil eden büyüklük ivmedir.

Bu Üçü Arasındaki İlişki
Aynı titreşim için; frekans arttıkça yer değiştirme azalır ve frekans arttıkça ivme artar.
Yani;