Magnetic Tape Recorder
기계 상태 감시 프로그램이 진보, 발달됨에 따라 많은 양의 자료를 수집할 수 있는 기록 장치가 필요하게 되었다. 이의 일반적인 용도는 기계 자체의 제약 때문에 기동 정지가 제한되어 있어서 포괄적인 Off-line 분석을 위해 설치된 많은 Sensor로부터의 신호를 동시에 저장할 필요가 있는 기동 및 정지시의 Data를 수집하는 것이다. 기계 분석용으로는 세 가지 형태의 자기 Tape 기록 장치가 사용된다.
7.1 直接 記錄 裝置 (Direct Recording)
직접 기록장치(보통 음악을 녹음할때 사용)는 값이 저렴하고 그 한계만 이해한다면 많은 경우에 만족할 만한 결과를 제공한다.
직접 기록 장치에서 AC 입력 신호는 Record Head의 권선에 증폭되어 가해지는데, Head의 작은 틈 사이에는 자속이 연속적으로 변화하는 것처럼 나타난다. 자기 기록 테이프가 Record Head를 지나면서 생기는 Flux의 변화는 산화 제1철로 Coating되어 있는 테이프 위에 그 변화에 상응하는 영구적인 자성의 변화를 발생시킨다. 이 자기 테이프가 재생 Head 위를 지나가게 되면 그 과정이 역으로 진행되게 되는데 테이프에 기록되어 있는 자성의 변화는 재생 Head에 전압을 유기 시키고 이것이 증폭되어 유용한 출력이 얻어지게 된다.
재생된 신호의 Level은 그 변화율에 비례하며 Flux의 크기에 비례하지 않기 때문에 저주파수에서는 직접 기록 장치의 응답이 약해지게 된다. 이러한 이유 때문에 Direct Mode에서는 저주파수를 재생하는 것이 불가능하다. 그러므로 Direct Mode를 사용하는 대부분의 Recorder의 응답은 약 50 ㎐이하에서 급격히 떨어지게 된다. Direct Recording Mode에서는 고주파에 대해서도 제약을 받는데, Head Gap과 비교하여 기록되는 신호 파형의 길이가 고주파일수록 점점 더 짧아지기 때문이다. Direct Mode를 사용하는 Tape Recorder의 고주파 응답은 고속 Tape를 사용함으로써 개선할 수 있다.
직접 기록 재생 시스템 그 자체만으로는 선형적이며 실제적인 용도를 위해서는 등가 회로망(Equalizing Network)을 필요로 한다. 등가 회로망은 Recorder에 내장되며 최대의 선형성을 얻기 위해 Recorder 교정 과정에서 조정될 수 있다.
FM Mode와 비교하면 직접 기록 장치는 주어진 테이프 속도에서 더 높은 고주파수 응답을 제공한다. 일반적인 계장등급에서 Recorder는 50 ㎐에서 50 kHz의 주파수 범위에서 사용된다. 따라서 직접 기록 장치는 주로 가속도 변환기로부터의 넓은 범위의 신호에 사용된다.
직접 기록 장치의 단점은 신호를 왜곡할 수 있는 위상과 비선형성이 생긴다는 것이다. 직접 기록 장치의 사용을 고려하고 있는 분석자는 이러한 단점이 기계분석시 일반적으로 기록되는 신호의 형태, 양상, 주파수와 관련된 문제는 아니라 할지라도 그 잠재적인 부정확성을 알아야 한다.
직접 기록 장치의 가장 큰 단점은 아마도 전 주파수 범위에서 발생하는 진폭의 변화일 것이다. 일반적으로 알려진 진폭의 변화는 ±3 dB이며, 이것은 기록계의 대역폭에서 출력이 입력의 0.7～1.4배까지 변화할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 크기의 변화는 고주파수의 가속도 신호를 가지고 분석하는 경우에는 별 영향을 미치지 못하지만 가혹 정도의 등급이 거의 항상 진폭에 근거를 두고 있는 저 주파수에서는 곤란한 경우가 생긴다.
7.2 Digital Audio Tape (DAT)
다채널 계장등급인 DAT 기록계의 도입은 새로운 전기를 마련했다. 보통 동급의 FM 기록기보다 더 소형이고 운반이 쉽기 때문에 DAT 기록기는 사용 및 Setup이 쉽고, 동력학적인 측정 범위가 넓으며(보통 70 dB), 필적할 만한 정확성과 거의 동일한 주파수 응답을 제공한다. DAT 기록기는 각 채널간 위상각이 아주 정확하며 보통 많은 양의 기록이 필요한 시험에서 유용하게 사용된다. 경험에 의하면 DAT 기록기는 FM 기록기보다 온도와 습도에 민감하다. 또한 대부분의 DAT 기록기는 Tape의 속도가 한 가지만 있으며 장기간 기록 저장 능력은 FM 기록기에 비해 뒤떨어진다.
7.3 Tape Recording 使用時 考慮 事項 (Considerations When Tape Recording)
기계 분석 업무에 사용되는 모든 계장등급의 Tape Recorder는 저장, 재생, 운송을 위한 조작 장치를 필요로 한다. Tape의 사용 횟수, 또는 Reel 회전수 계수기는 Tape 기록의 시작 및 정지를 결정하는데 필요하다. 어떤 사용자들은 음성 채널로 Tape에 주석을 달고, 어떤 사용자들은 문자로 쓰여진 Tape Log를 선호한다. 장차 분석기를 자동으로 조작하는 데 사용될 수 있는 Tape상에 Index 신호를 설정할 수 있는 보조 장치가 유용하게 사용될 것이다.
기계 분석에 사용되는 Tape Recorder는 기록용 Channel을 희생하지 않고 최소한 3개의 Channel을 동시에 재생할 수 있는 기능을 가지고 있어야 한다. Tape로부터 기준 위상 Orbit을 재생하기 위해서는 세 Channel의 동시 재생(두 개의 Data Channel, 한 개의 기준 위상 Channel)이 필요하다.
또한 전치 증폭기를 사용하는 Tape Recorder는 각 Channel마다 입력 신호의 크기를 결정하기 편리한 기능을 갖추고 있어야 한다. 이를 위하여 Monitor Oscilloscope나 Meter를 사용할 수 있다. 대부분의 다른 장비에서와 같이 Tape Recording을 양호하게 하기 위해서는 경험이 필요하다. Recording하기에 앞서 잘 알고 있는 크기의 신호 발생기의 신호를 테이프에 기록하여 Calibration을 시행하여야 한다. 기록되는 동안에 2 Channel Oscilloscope의 한 Channel에서 입력 신호를, 다른 Channel에서 출력 신호를 관측하는 것이 좋은 방법이다. 이렇게 하면 Tape Recorder내에 있는 어떠한 왜곡이나 절삭(Clipping)도 즉시 감지될 수 있다.
마지막으로 주의할 점은 Tape Recorder는 음향 분석의 결론에 크게 영향을 미칠 수 있는 값비싸고 정교한 장비이기 때문에, 이러한 장비나 다른 중요 장비를 선택하기 전에 동일한 환경에서 동일한 용도로 유사한 장비를 사용하는 사람들로부터 설명을 듣고 추천을 받아야 한다.
7.4 Frequency Modulated(FM) Recording
기계의 Data 수집에 사용되어 온 FM Recorder는 DC 신호에서부터 약 5,000 ㎐(고속 Tape의 어떤 모델은 훨씬 더 높음)까지의 저주파수 응답을 아주 정확하게 제공한다. 오랜 기간동안 FM Tape Recorder는 저주파수에서의 정확도가 가장 중요한 기동 정지시의 Data를 수집하고자 할 때 최상의 선택이었다.
FM 녹음시 Tape Head로 Tape를 자화시켜 Flux의 변화를 감지해 내는 기법은 직접 기록 장치와 동일하다. FM Recording은 입력신호의 크기를 주파수로 변조시키기 위해 높은 주파수의 반송파를 사용한다. 그림 6-38에 나타난 것과 같이 주파수 변조 과정은 입력 신호의 진폭과 주파수를 각각 반송 주파수의 변화와 변화율로 바꾼다. 원래 신호의 진폭과 주파수는 재생되는 동안에 재생 Head로부터 얻어지는 신호를 복조시키므로써 다시 만들어진다.
신호의 크기가 반송파의 주파수 변화로 표현되기 때문에, FM 기록기는 주파수가 영(零)에 해당하는 DC 신호까지도 기록할 수 있다. 실제로 이것은 FM 기록기를 교정하는 한가지 방법이다. 즉, 입력신호에 포함된 특정한 크기의 DC 입력은 반송 주파수의 정확한 차이로 측정된다.
그림 6-38 주파수 변조과정
FM 시스템에서의 기록/재생은 직접 기록 장치보다 진폭과 위상이 더 선형적이다. 재생되는 신호의 진폭이 전적으로 녹음되는 반송주파수의 편차에 좌우되기 때문에 Tape의 자화와는 아무런 관계가 없으며, 진폭의 오차는 1 dB이하로 유지된다. 같은 이유로 Tape의 마모나 저장상태 불량으로 인한 부분적인 소자는 직접 기록 장치의 Data보다 FM Data에서 적게 발생된다.
FM Recording은 기계 분석 업무시 뛰어난 선형성 및 정확한 재생과 같은 큰 장점이 있지만, 일반적으로 동일한 Tape 속도에서 직접 기록 응답의 약 1/5～1/10의 주파수 응답을 가지고 있다. 직접 기록장치에서와 같은 정도로 FM에서의 주파수 응답 특성을 개선하려면 Tape의 속도를 증가시키면 된다. FM 방식에서 주파수 응답의 변화는 Tape 속도의 변화와 정비례한다 (즉 Tape 속도를 두 배로 하면 주파수 응답도 두 배로 된다).
FM은 Tape 특성과는 거의 무관하지만 전송 속도의 안정성은 매우 중요하다. 어떤 파동(Flutter)은 반송파(Carrier)에서 그에 상당하는 변화를 일으킬 것이다. 이러한 이유 때문에 FM Tape Recorder는 보통 직접 기록식 Tape Recorder보다 가격이 비싸다.
FM Tape Recorder로의 입력은 항상 DC로 결합된다. 이러한 입력의 결합으로 동적(AC)신호와 DC 신호가 모두 Recorder Electronics로 통과된다. 대부분의 FM Tape Recorder는 비접촉식 변위 변환기로부터의 Bias Voltage를 받아들인다 (제 3장 참조). 그러나 동력학적인 범위(Dynamic Range) 때문에 0.5 mil(12 ㎛)이하의 축진동은 삭제된다. 보통 두 가지 방법이 DC Bias를 제거하거나 감소시키는데 사용되며, 그렇게 함으로써 FM에 녹음될 수 있는 동력학적인 진동 신호의 범위를 증가시킨다.
대부분 DC Bias는 Capacitor에 의해 차단된다. AC Coupling으로 불리고 많은 계장설비 증폭기에서 선택사항으로 주어지는 Capacitor는 이 Capacitor로 구성되는 Highpass Filter가 관심의 대상이 되는 어떠한 주파수에서도 진폭의 정확도에 영향을 미치지 않도록 신중하게 선정되어야 한다. 입력회로가 AC 결합으로된 Recorder는 저주파수 Data를 녹음하기에 앞서(예를 들어 Slow Roll 축변위), 신호 발생기를 사용하여 관심의 대상이 되는 낮은 주파수 신호를 입력하여 진폭의 정확도를 점검하여야 한다.
두 번째 방법은 Bias를 제거하기 위하여 역전압을 사용하는 것이다. 대부분의 계측기 증폭기에서 사용되는 이 방법은 진폭의 정확성을 DC 수준까지 유지하며 Bias에서의 어떤 변화도 녹음할 수 있다. 역전압으로 Bias를 제거하는 방법은 저주파수에서의 진폭의 정확성과 축중심선의 위치 변화가 특히 중요한 기동시에 유리하다.
Bias를 제거하는데 역전압을 사용하는 것은 특정한 경우에 유리하지만 AC Coupling은 더 간단하고, 일반적으로 정상 속도에서의 정상 상태 정보를 저장하는데 적합하다.