Tần Số Cộng Hưởng Là Gì? Vì Sao Chỉ Một Dải Tần Có Thể Làm Hỏng Cả Sản Phẩm?

Đó là lý do các bài thử rung trong phòng thí nghiệm không chỉ mô phỏng rung động, mà còn nhằm tìm ra dải tần nguy hiểm nhất trước khi sản phẩm được đưa ra thị trường.

Tần số cộng hưởng hình thành như thế nào?

Bất kỳ vật thể nào cũng có tần số dao động tự nhiên, được quyết định bởi khối lượng, độ cứng, hình dạng và cách các chi tiết liên kết với nhau.

Nguồn rung từ bên ngoài sẽ liên tục truyền năng lượng vào sản phẩm. Phần lớn dải tần chỉ tạo ra dao động nhỏ và gần như không ảnh hưởng đến kết cấu. Mọi thứ thay đổi khi tần số kích thích trùng với tần số dao động tự nhiên. Năng lượng không còn phân tán mà được tích lũy qua từng chu kỳ, khiến biên độ rung tăng rất nhanh. Chỉ sau một khoảng thời gian ngắn, ứng suất tại các vị trí yếu bắt đầu vượt quá khả năng chịu tải của vật liệu.

Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng.

Vì sao chỉ một dải tần rất hẹp lại đủ làm hỏng sản phẩm?

Nhiều người thường nghĩ sản phẩm chỉ hỏng khi rung đủ mạnh. Trên thực tế, mức gia tốc không phải yếu tố duy nhất quyết định độ bền.

Một bo mạch điện tử có thể chịu được hàng giờ thử nghiệm ở 20 Hz hoặc 80 Hz nhưng lại xuất hiện nứt chân linh kiện khi quét đến khoảng 46 Hz. Một cụm vỏ nhựa vẫn ổn định trong phần lớn dải tần nhưng bắt đầu rung mạnh khi đi qua vùng cộng hưởng của chính kết cấu đó.

Điều này xảy ra vì mỗi chu kỳ rung đều tiếp tục bổ sung năng lượng vào đúng vị trí đang dao động mạnh nhất. Quá trình tích lũy diễn ra liên tục khiến biên độ rung tăng lên nhiều lần so với bình thường. Kết cấu không hỏng ngay ở chu kỳ đầu tiên mà mỏi dần theo thời gian cho đến khi xuất hiện nứt gãy hoặc bung liên kết.

Đó cũng là nguyên nhân nhiều lỗi chỉ xuất hiện trong phòng thử nghiệm dù sản phẩm đã vượt qua các bước kiểm tra thông thường.

Thay đổi rất nhỏ cũng đủ làm dịch chuyển tần số cộng hưởng

Chiều dày vỏ nhựa, vị trí bắt vít, vật liệu chế tạo, chiều dài thanh kim loại hay một gân tăng cứng mới đều có thể làm thay đổi tần số dao động tự nhiên của toàn bộ kết cấu.

Ngay cả hai phiên bản gần giống nhau cũng có thể xuất hiện cộng hưởng ở những dải tần hoàn toàn khác nhau. Vì vậy, kinh nghiệm hoặc mô phỏng chỉ đóng vai trò tham khảo. Muốn biết chính xác sản phẩm phản ứng ở đâu, mẫu thực vẫn cần được đưa lên hệ thống thử rung để quét toàn bộ dải tần.

Một bài thử Frequency Sweep không nhằm mục đích làm hỏng sản phẩm mà giúp xác định vùng cộng hưởng để đánh giá mức độ ổn định của thiết kế.

Trong suốt quá trình quét, hệ thống sẽ tăng dần tần số theo tốc độ đã cài đặt và theo dõi phản ứng của mẫu. Thời điểm biên độ rung tăng đột biến cũng chính là lúc kỹ sư bắt đầu phân tích sâu hơn về kết cấu, vị trí bắt vít, mối hàn hoặc khả năng gia cường.

Thông tin này thường được sử dụng để tối ưu thiết kế trước khi sản phẩm bước sang các bài thử độ bền khác như Random Vibration hoặc thử rung theo IEC 60068-2-6.

Hệ thống thử rung nào thường được sử dụng để tìm tần số cộng hưởng?

Khả năng quét tần số ổn định quyết định trực tiếp đến chất lượng của bài thử.

Những hệ thống thử rung điện động ASLI ES-10, ASLI ES-20 và ASLI ES-30 đang được nhiều phòng R&D, trung tâm kiểm định và doanh nghiệp sản xuất sử dụng để thực hiện các bài quét cộng hưởng trên linh kiện điện tử, thiết bị công nghiệp, sản phẩm tiêu dùng và bao bì kỹ thuật.

Các model này cho phép quét liên tục trên dải tần rộng, ghi nhận sự thay đổi của biên độ rung theo thời gian và hỗ trợ đánh giá chính xác vùng cộng hưởng trước khi sản phẩm đi vào sản xuất hàng loạt.

Sau khi xác định cộng hưởng

Cộng hưởng cho biết vị trí nào dễ xuất hiện hư hỏng nhất, còn điều kiện vận chuyển ngoài thực tế lại chịu ảnh hưởng của rất nhiều dạng rung khác nhau.

Vì vậy, sau khi xác định được vùng cộng hưởng, nhiều doanh nghiệp tiếp tục thực hiện các bài thử rung mô phỏng điều kiện vận chuyển theo tiêu chuẩn ISTA hoặc ASTM để đánh giá toàn diện hơn về độ bền của sản phẩm và bao bì.

Nếu bạn muốn hiểu vì sao quy trình thử nghiệm luôn bắt đầu bằng rung trước khi chuyển sang thử rơi, có thể tham khảo thêm bài viết Bao bì carton cần thử rung hay thử rơi trước?

Hai phép thử phục vụ những mục tiêu khác nhau nhưng thường được kết hợp trong cùng một quy trình đánh giá chất lượng trước khi sản phẩm xuất xưởng.

Chính khoảng tần rất hẹp đó lại là nơi ứng suất tích lũy nhanh nhất và cũng là nguyên nhân khiến nhiều sản phẩm nứt vỡ, bung mối hàn hoặc hỏng linh kiện dù trước đó vẫn hoạt động bình thường.

Xác định sớm vùng cộng hưởng giúp kỹ sư điều chỉnh thiết kế ngay từ giai đoạn phát triển sản phẩm, giảm rủi ro hỏng hóc trong vận chuyển và hạn chế chi phí bảo hành sau khi đưa ra thị trường.