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機械振動 わかりやすく

振動絶縁 わかりやすく

基礎が揺れるとき応答比は伝達率 TR=X/Y、絶縁(TR<1)には r>√2 が必要 → ωₙ を下げる(柔マウント)・減衰は諸刃

A4 の共振は質量を直接押しましたが、現実に揺れるのは床です。道路の凹凸、地震、隣で回る機械がそうです。基礎が Y だけ揺れるとき質量が X だけ揺れる比、つまり伝達率 TR = XY が核心です。駆動振動数が固有振動数の √2 倍を越えて、ようやく揺れが小さくなる絶縁が始まります。その境界の手前では、床の動きはかえって大きくなります。

質量に力を与える代わりに、床を揺すります。駆動比 r = ωωₙ を変えると三つが現れます。遅いとき(r≪1)質量は床をそのまま追い(TR≈1)、共振の近く(r=1)ではより大きく揺れ(TR≫1)、速いとき(r が大きい)質量はほとんど静かです(TR<1、絶縁)。床が速いほど、質量は元の位置に残ります。

伝達率の曲線が地図です。r を動かすと r=1 で共振の山が立ち上がり、r=√2 では減衰に関係なく正確に TR=1 を通ります。その右側、r>√2 の区間だけで TR<1 の本当の絶縁が開きます。緑に塗った側が、守ることのできる領域です。

ではどう絶縁するのでしょう。駆動振動数はすでに決まっているので、受けを柔らかくして剛性 k↓ → ωₙ↓ と下げ、r を √2 の向こうへ押し込みます。剛性を下げる途中で共振(r=1)を一度通り過ぎて大きく揺れますが、さらに柔らかくすると質量は静かになります。絶縁の秘訣は、柔らかい受けです。柔らかいほど静かになります。

減衰は両刃の道具です。減衰比を大きくすると共振の山は下がりますが、絶縁の区間(r>√2)ではかえって TR が上がり、絶縁が悪くなります。すべての曲線が r=√2 かつ TR=1 の一点で交わることが、その証拠です。だから受けは、始動と停止のときに共振を耐えられるだけの減衰を与え、それ以上は避けます。

同じ伝達率が両方向を支配します。例を送ると、自動車のサスペンション(道路→車体)、エンジンや洗濯機のマウント(機械→床、ここでは力の伝達)、精密機器や顕微鏡の防振台(床→装置)が出てきます。床から質量を守るのでも、機械から床を守るのでも、曲線は同じで処方も同じです。固有振動数 ωₙ を下げればよいのです。

実際に使う振動絶縁は共振(A4)のいとこです。ただし力が揺れるのではなく、床が揺れます。核心は伝達率 TR = XY = √[(1+(2ζr)²)((1−r²)²+(2ζr)²)]、r = ωωₙ です。r≪1 なら TR≈1 で床を追い、r=1 なら共振、r=√2 なら減衰と無関係に TR=1、r>√2 であって初めて TR<1 の絶縁です。だから絶縁とは固有振動数を十分に下げること、柔らかい受けで駆動振動数を √2·ωₙ の上へ送ることです。減衰は両刃で、共振の山は下げても絶縁の区間は悪くするので、始動と停止を通過できる最小だけ与えます。変位の伝達率 = 力の伝達率なので、揺れる床から装置を守ることと、機械の振動を床へ出さないことは同じ問題です。サスペンションもエンジンマウントも洗濯機も免震も顕微鏡の防振台も、みな一つの曲線の上にあります。
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