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単語帳
機械振動

揺れる床から守る — 振動絶縁

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、現実では床が揺れます — 道路の凹凸、地震、隣の機械。大事なのは伝達率 TR = XY、基礎が Y 揺れるとき質量が X 揺れる比です。そして驚くことに、駆動振動数が固有振動数の √2 倍を超えて初めて、揺れは小さくなり(絶縁)始めます。

質量に力を加える代わりに、床(基礎)を揺らしてみてください。駆動比 r = ωωₙ を変えると三つが見えます。遅いと(r≪1)質量は床にそのまま追従し(TR≈1)、r=1 付近では共振でさらに大きく揺れ(TR≫1)、速いと(r 大)質量はほとんど動きません(TR<1、絶縁)。

伝達率曲線が地図です。r を動かしてみてください。r=1 で共振の山が立ち、r=√2 では(減衰によらず)ちょうど TR=1 を通ります。その右、r>√2 の緑の領域でのみ TR<1 — 本当の絶縁区間です。

では、どう絶縁するか。駆動振動数は決まっているので、マウントを柔らかく(剛性 k↓ → ωₙ↓)して r を √2 の向こうへ押しやります。剛性を下げてみてください — 途中で共振(r=1)を一度通っ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「柔らかい支え」です。

減衰は諸刃の剣です。減衰比 ζ を上げてみてください。共振の山は低くなりますが、絶縁区間(r>√2)ではむしろ TR が上がり、絶縁は悪化します。すべての曲線が r=√2, TR=1 の一点で交わるのがその証拠です。だからマウントは、始動・停止時の共振に耐えるだけの減衰にとどめ、それ以上は避けます。

同じ伝達率が両方向を支配します。例を切り替えてみてください — 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、ここでは力の伝達率)、精密機器・顕微鏡の除振台(床→装置)。床から質量を守るのも、床を機械から守るのも、同じ曲線・同じ処方 — ωₙ を下げよ。

実際に使う振動絶縁は共振(A4)の従兄弟で、ただし力ではなく基礎が揺れます。鍵は伝達率 TR = XY = √[(1+(2ζr)²)((1−r²)²+(2ζr)²)]、r = ωωₙ。r≪1 で TR≈1(追従)、r=1 で共振、r=√2 で減衰によらず TR=1、r>√2 で初めて TR<1(絶縁)です。だから絶縁の黄金律は ωₙ を十分低くすること — 柔らかいマウントで駆動振動数を √2·ωₙ の上へ。減衰は諸刃で、共振の山は下げるが絶縁区間は悪化させるので、始動・停止の共振通過に足るだけにとどめます。変位伝達率=力伝達率なので、揺れる床から装置を守ることと、機械の振動を床へ伝えないことは同じ問題です。サスペンション・エンジンマウント・洗濯機・地震免震・顕微鏡の除振台は、すべて一つの曲線の上にあります。
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