차속과 엔진 회전수로 진동을 구분하는 법: Hz와 회전차수 기초

회전수 rpm은 분당 회전 횟수, 진동 주파수 Hz는 초당 반복 횟수입니다. 회전차수는 진동의 반복을 특정 축의 회전 속도와 비교한 비율입니다. 같은 20 Hz라도 바퀴의 2차 성분일 수도 있고 크랭크축의 1차 성분일 수도 있습니다. 이 글에서는 차속과 엔진 회전수로 예상 주파수를 계산하고, 그 계산이 실제 진동의 원인을 어디까지 설명하는지 살펴봅니다.

1. 회전수 rpm과 진동 주파수 Hz, 회전차수

2,000 rpm으로 도는 축은 1초에 2,000 ÷ 60 ≈ 33.3회 회전합니다. 이 축의 회전 주파수는 33.3 Hz입니다. 같은 주파수의 성분을 축 기준 1차, 두 배인 약 66.7 Hz의 성분을 2차라고 부릅니다. 회전차수 자체는 두 주파수의 비율이므로 단위가 없습니다.

여기서 “2차 진동”이라고만 적으면 정보가 부족합니다. 바퀴 기준인지 크랭크축 기준인지에 따라 해당하는 Hz가 달라집니다. 회전차수 분석은 이러한 기준을 사용해 회전 속도가 바뀔 때 진동 성분이 어떻게 움직이는지 살피는 방법입니다. 실제 분석에는 진동 신호와 회전 기준을 함께 확보하는 과정이 필요합니다.

주파수를 시간으로 바꿔 생각할 수도 있습니다. 주기 T는 1/f이므로 20 Hz의 한 주기는 0.05초입니다. 10 Hz는 0.10초입니다. 이것은 반복 사이의 시간을 뜻하며 핸들이 몇 mm 움직이는지, 진동이 얼마나 강한지 알려 주지는 않습니다.

2. 차속에서 바퀴의 진동 주파수 계산하기

바퀴가 한 바퀴 구를 때 이동하는 거리를 구름둘레 C라고 하면, 미끄러짐이 없는 단순 모델에서 회전 주파수는 차속 v를 C로 나눈 값입니다. 차속은 m/s, 둘레는 m로 맞춥니다. km/h를 m/s로 바꿀 때는 3.6으로 나눕니다.

바퀴 1차 주파수 = (차속 km/h ÷ 3.6) ÷ 구름둘레 m

가상 구름둘레를 2.0 m로 고정하면 60 km/h에서 16.666… ÷ 2.0 ≈ 8.33 Hz입니다. 아래 표는 같은 가정에서 차속만 바꾼 계산입니다. 실제 차량의 정상 진동 범위나 재현 주행 조건을 제시한 표가 아닙니다.

차속이 두 배가 되면 이 모델의 회전 주파수도 두 배입니다. 그러나 실제 타이어의 구름둘레는 공칭 외경에 π를 곱한 값과 정확히 같지 않을 수 있습니다. 하중·압력·제품 특성과 같은 조건이 영향을 주므로, 2.0 m는 이 글에서 정한 입력값으로만 사용해야 합니다. 계산 결과가 소수 둘째 자리까지 나와도 입력값을 실측한 것은 아닙니다.

3. 같은 20 Hz가 서로 다른 회전 성분일 수 있습니다

가상 차속 72 km/h는 20 m/s입니다. 앞과 같은 구름둘레 2.0 m를 사용하면 바퀴는 초당 10회 회전합니다. 바퀴 1차는 10 Hz이고 2차는 20 Hz입니다. 한편 크랭크축이 1,200 rpm으로 회전하면 1차 주파수도 1,200 ÷ 60 = 20 Hz가 됩니다.

따라서 스펙트럼에 20 Hz의 봉우리가 보인다는 사실만으로 발생 부품을 정할 수 없습니다. 그 성분이 차속 또는 회전수의 변화와 함께 움직이는지, 다른 후보와 구별할 수 있는 조건이 있는지 확인해야 합니다. 여기서 계산한 것은 성분의 후보 위치이며, 실제 차량에서 두 성분을 관찰했다는 뜻은 아닙니다.

크랭크축 회전과 엔진의 모든 가진 성분도 같은 말이 아닙니다. 연소 관련 성분을 설명하려면 엔진 형식과 작동 조건이 추가로 필요합니다. 이 글의 1차 계산을 모든 엔진의 연소 주파수로 사용하지 마세요. 보고서에 부품 이름이 붙어 있다면 어떤 회전 기준과 조건으로 그 이름을 판단했는지 함께 확인하는 것이 좋습니다.

회전수가 바뀌어도 회전차수가 유지되는 성분

한 축의 회전수가 1,200→1,800→2,400 rpm으로 바뀌는 가상 자료를 생각해 보겠습니다. 이 축의 1차 성분은 20→30→40 Hz로 이동하고 2차는 40→60→80 Hz로 이동합니다. Hz 값은 바뀌어도 기준 회전 주파수로 나누면 회전차수는 각각 1과 2로 유지됩니다.

마지막 열은 원인을 정하지 않은 별도의 고정 주파수 성분입니다. 처음에만 1차와 겹쳤다는 사실과, 회전수를 바꿔도 같은 회전차수에 머문다는 사실은 다릅니다. 이 때문에 한 속도의 봉우리만 보는 것보다 회전수 변화와의 관계가 더 많은 정보를 줍니다. 실제 회전차수 분석에서는 진동과 회전 기준 신호의 시간 대응도 필요하며, 이 표의 세 줄이 그런 계측을 대신하지는 않습니다.

4. 주파수가 이동하는 것과 진동이 커지는 것

주파수는 반복의 빠르기이고 진폭은 흔들림의 크기입니다. “20 Hz가 커졌다”라는 문장은 둘을 혼동하기 쉽습니다. 주파수 위치가 20 Hz에서 다른 값으로 이동했는지, 20 Hz 부근 성분의 진폭이 커졌는지를 나누어 적어야 합니다. 같은 주파수가 핸들과 시트에서 다른 크기로 나타날 수도 있습니다.

회전 기원의 성분이 속도에 따라 이동하다 차량 구조가 잘 반응하는 주파수 영역을 지나면 응답이 커질 수 있습니다. 그래서 특정 속도 구간에서만 진동이 두드러진다는 이유로 그 구간에서만 원인이 생긴다고 단정할 수 없습니다. 발생원, 전달경로, 관찰 위치의 응답을 구분해야 하는 이유입니다.

예를 들어 “핸들에서 느껴진다”는 관찰 위치에 대한 정보입니다. 이 문장만으로 앞 타이어가 원인이라고 확정할 수는 없습니다. 반대로 “타이어 교체 뒤부터 느꼈다”는 시작 시점에 대한 정보입니다. 점검의 출발점으로 유용하지만 작업과 증상의 인과관계가 입증된 것은 아닙니다. 두 사실을 따로 보관하면 확인된 내용을 원인 추정과 구분할 수 있습니다.

같은 변위라도 가속도는 다를 수 있습니다

크기의 단위도 확인해야 합니다. 정현파 운동의 관계식에서 변위 진폭을 A, 주파수를 f라고 하면 가속도 진폭은 a = (2πf)²A입니다. 가상 변위 진폭을 두 경우 모두 0.1 mm, 즉 0.0001 m로 두면 10 Hz의 가속도 진폭은 약 0.395 m/s², 20 Hz에서는 약 1.579 m/s²입니다.

변위 진폭은 같지만 주파수가 두 배여서 가속도 진폭은 네 배입니다. 이 숫자는 단일 정현파의 계산이며 실제 차량 측정값이나 불편함의 배수가 아닙니다. 복잡한 전체 파형에 한 주파수만 넣어 같은 방식으로 변환해서도 안 됩니다. 보고서를 비교할 때에는 mm인지 m/s²인지, 최고 진폭인지 실효값인지부터 맞추세요. 회전차수가 같다는 정보와 진폭의 정의는 별개입니다.

5. 차속·엔진 회전수에 따라 무엇이 변하는지 보기

일상 주행에서 이미 관찰한 조건을 아래처럼 나누면 전문가에게 전달할 정보가 명확해집니다. 표의 마지막 열은 곧바로 내려서는 안 되는 결론입니다. 원인을 좁히기 위해 일부러 기어·속도를 조작하거나 증상을 재현하라는 의미는 아닙니다.

차속과 회전수가 함께 바뀐 상황만 기억한다면 어느 쪽과 더 밀접한지 알기 어려울 수 있습니다. 그때는 “둘 다 함께 변해서 구별하지 못했다”고 적으면 됩니다. 빈칸을 임의의 수치로 채우는 것보다 자료가 설명하지 못하는 범위를 남기는 편이 다음 점검에 도움이 됩니다.

6. 스펙트럼과 휴대전화 앱 결과의 해석 범위

스펙트럼을 비교할 때는 센서 위치와 방향, 고정 상태, 표시 단위, 분석한 시간 구간을 먼저 확인합니다. 한 결과가 핸들 부근에서 얻은 것이고 다른 결과가 바닥에서 얻은 것이라면 진폭 차이를 같은 위치의 개선량으로 읽을 수 없습니다. 가속도와 변위처럼 정의가 다른 지표도 숫자만 나란히 비교하지 않습니다.

분석 구간 중 회전수가 변했다면 한 장의 주파수 그림만으로 변화의 순서를 알기 어려울 수 있습니다. NI의 안내는 회전차수 분석과 시간에 따른 주파수 분석을 구분해 설명합니다. 자료를 받았다면 “어느 시간 구간을 분석했는지, 회전수 기준 신호가 함께 있는지”부터 확인하세요.

짧은 기록과 긴 기록의 주파수 눈금은 다릅니다

균일한 간격으로 수집한 N개 자료를 제로패딩 없이 FFT로 분석할 때 기본 주파수 칸 간격은 Δf = 샘플링 속도/N = 1/T입니다. 여기서 T는 FFT에 사용한 전체 기록 길이입니다. NI의 FFT 주파수 문서가 이 관계를 설명합니다. 0.5초 기록이라면 칸 간격은 2 Hz, 2초 기록이라면 0.5 Hz입니다. 단순히 화면을 확대하는 것과 분석에 쓰인 기록을 늘리는 것은 다릅니다.

칸 간격이 0.5 Hz라고 해서 가까운 두 성분을 언제나 정확히 구별한다는 뜻은 아닙니다. 윈도 함수와 누설 현상, 잡음과 회전수 변화도 봉우리의 폭과 모양에 영향을 줍니다. 숫자를 더 촘촘히 표시하려고 뒤에 0을 채우는 처리도 원래 관측 시간을 늘리지는 않습니다.

반대로 기록을 길게 잡으면 그동안 회전수가 달라질 수 있습니다. 그러면 한 장의 스펙트럼에 여러 상태가 섞일 수 있으므로 긴 기록이 항상 더 적절한 것도 아닙니다. 회전차수 분석의 목적과 회전 기준, 분석 구간을 함께 확인해야 합니다. 이 예제는 필요한 계측 시간이나 장비 설정을 권장하는 표가 아니라 결과 화면을 읽기 위한 설명입니다.

휴대전화는 느슨한 고정이나 센서 축, 앱의 샘플링·필터 설정에 따라 결과가 달라질 수 있습니다. 화면의 가장 높은 봉우리를 고장 부품 이름으로 곧바로 바꾸지 마세요. 앱 화면은 조건이 명확할 때 관찰 자료의 일부가 될 수 있지만, 차량별 점검 기준이나 전문 계측을 대신하지는 않습니다.

7. 정비소에 전달할 기록

1. 시작 시점: 언제부터인지, 타이어 교체·충격·정비 전후인지 적습니다.
2. 관찰 위치: 핸들·시트·바닥·페달 중 어디서 느꼈는지 구분합니다.
3. 조건: 기억하는 차속·회전수 범위와 가속·정속·제동 여부, 노면 상태를 적습니다.
4. 자료의 출처: 계기판에서 확인한 값인지, 기억에 의한 추정인지, 별도 계측인지 표시합니다.
5. 동반 증상: 소리·쏠림·경고등 등 함께 있었던 사실을 남깁니다.

기록은 안전하게 정차한 뒤 작성합니다. 운전 중 기기를 조작하거나 일부러 속도를 높이고 중립 주행·급제동·급조향으로 진동을 재현하지 마세요. 심한 떨림이나 조향·제동 이상, 경고가 동반되면 자료를 더 모으는 것보다 안전 정차와 전문가 점검이 우선입니다.

점검 후 보고서를 받을 때는 예상 회전 성분과 실제 계측 성분을 구분해 달라고 요청할 수 있습니다. 정비 전후 비교라면 어떤 조건에서 주파수 위치·진폭·체감 중 무엇이 달라졌는지도 확인하세요. 같은 Hz라는 사실 하나보다, 같은 조건의 어떤 값이 바뀌었는지가 비교의 핵심입니다.

발생원과 전달경로가 어떻게 다른지는 NVH 전달경로 설명, 차량 상태를 정리하는 순서는 하체 흔들림 관찰 글에서 이어집니다.

참고 자료와 관련 글

NI — 진동 분석과 회전차수 분석 안내를 개념 설명의 참고 자료로 사용했습니다. 이 글의 환산표와 20 Hz 비교는 직접 구성한 가상 계산이며 실차 스펙트럼이나 고장 판정값이 아닙니다.

• NVH의 발생원·전달경로·응답 이해
• 하체 흔들림을 관찰하는 순서
• 서스펜션 소음 기록과 점검

작성: JY PLAYLAND · 설명이나 계산의 오류 제보