7種類の振動：あなたの知らない何かがあるはず

1.共振

システムが外部からの加振を受けるとき、加振の周波数がシステムの固有振動数のひとつに近いと、強制振動の振幅が非常に大きくなることがある。これは共振と呼ばれる。

システムには多くの固有振動数があるが、通常は低域の振動数に注目する。

物理学において共振とは、同じ振動数を持つ2つの物体が振動すると、そのうちの1つが第3の物体の振動を引き起こす現象を指す。

共振」という用語は、物体がその共振周波数で振動することによって音を発生させる現象を表すために、機械学でも使われる。

例えば、同じ周波数を持つ2つの音叉を近づけると、一方が振動して音を出し、もう一方も振動して音を出し始める。

2.渦振動

渦振動とは、平均風の影響下で固体物体の周囲を流れる流れの後、渦が交互に放出されることによって生じる振動のことである。

橋の渦振動の研究は、航空力学の一分野である。

橋梁の渦振動は、有限振幅の自励振動と強制振動の両方の特性を持つ振動である。

広い風速範囲で渦の発生周波数を一定に保つことができ、その結果「ロックオン」現象が起こる。

橋の渦による共振の有限振幅の計算は、非常に重要だが難しい問題である。

現在、橋梁の渦振動を解析するための包括的な理論は、国内外を問わず十分に開発されていない。

実際には、半理論的手法と半実験的手法を組み合わせて、渦誘起共振の振幅を近似する。

3.フラッター

フラッターとは、空気力学的な力と構造物の弾性および慣性との相互作用によって引き起こされる自励振動現象を指す。流れと構造物の結合の結果である。

一方、バフェッティングとは、流れの剥離や衝撃境界層の干渉など、非定常な流れの状態によって引き起こされる周期的な空力力に対する構造物の強制的な応答を指す。

したがって、従来の定義では、古典的なフラッターは自励振動の一種であり、バフェッティングは強制振動の一種である。

また、高迎角で発生する失速フラッターと呼ばれる現象もある。

強い分離状態を特徴とするこの種の構造振動は、フラッターやバフェッティングと共存すると考える専門家もいる。

4.ビュッフェ

航空機におけるバフェッティングとは、分離した気流や後流の加振によって航空機の部品が振動することを指す。 固有振動数.

バフェッティングの一般的な例として、尾翼が主翼や胴体の接合部などの後流にある場合に発生する尾翼バフェッティングがある。航跡の乱れが尾翼を強く振動させる。

アタック角が高いと、航空機は特にテールフラッターを起こしやすくなり、過去に重大事故の原因となったことがある。

翼はまた、自身の気流の剥離によるバフェッティングを経験することもある。遷音速領域では、衝撃波による境界層の剥離もバフェッティングの重要な原因となる。

バフェッティングは、航空機の利用可能な揚力係数とマッハ数に制限を課す。バフェッティングを防ぐため、一般的に空力形状を修正し、尾翼、主翼、胴体の相対位置を適切に配置する。

緩衝振動はランダムな振動だが、周波数領域では規則的で、パワースペクトルの主ピークは通常、第1固有振動数に対応する。

バフェッティングは、直ちに航空機の構造に損傷を与えるものではないが、構造応力を増大させ、航空機の疲労寿命を低下させる。また、空力性能、兵器システム、機械・電子機器、乗客の快適性にも悪影響を及ぼす。

ひどい場合には、バフェッティングによってパイロットがコントロールを失い、フライトとパイロットの安全が脅かされることもある。

そのため、バフェッティングは航空機の設計において重要な要素であると考えられている。

5.サージ

サージとは、ベーンコンプレッサーとも呼ばれるタービンコンプレッサーにおいて、流量があるレベルまで減少したときに発生する異常振動のことである。

タービンコンプレッサーの一種である遠心式コンプレッサーは、特にサージに弱い。

サージの発生は、流体機械とパイプラインの特性に関係している。パイプラインシステムの容量が大きいほど、サージは強く、その頻度は低くなる。

サージは、機械内部の媒体の規則的な流れを乱し、機械ノイズを発生させ、部品に強い振動を与え、ベアリングやシールの磨耗や破損を加速させる。

サージがパイプラインや機械、その基礎に共振を引き起こせば、深刻な結果を招きかねない。

6.ギャロッピング

ギャロッピングは、正方形や長方形など、複雑で不規則な非流線断面を持つ構造物に発生する振動の一種である。

ギャロッピングの原因は、揚力曲線が負の勾配を持つため、空気揚力に負の減衰効果が生じ、構造体が外部からのエネルギーを吸収し続け、フラッターに似た発散振動を形成することにある。

ギャロッピングはその発生メカニズムから、ウェイクギャロッピングとクロスフローギャロッピングの2種類に分けられる。

航跡ギャロッピングとは、前部構造物の揺らぎを通過する流れによって、下流側の構造物が励起されることによって発生する不安定な振動のことである。斜張橋のケーブルや吊橋の吊り具などがウェイクギャロッピングの影響を受けやすい。

クロスフロー・ギャロッピングは、揚力曲線の負の勾配によって発生する発散曲げ自励振動である。この負の勾配により、振動時に構造物の変位が空気力の方向と一致し、構造物が外部からのエネルギーを吸収し続け、不安定な振動となる。

クロスフロー・ギャロッピングは通常、吊り橋システムのケーブルやサスペンダーなど、角張った非流線部を持つ柔軟な軽量構造物で発生する。

また、幅と高さの比が小さい桁鋼橋、高くて柔軟な長スパン斜張橋、吊り橋塔、最大カンチレバー建設段階の連続鉄骨橋の主梁など、他の構造物でもギャロッピング発散の可能性がある。

7.ボルテックス・ストリート

ボルテックス・ストリートは流体力学ではよく見られる現象で、自然界でもしばしば観察される。

ある条件下で定常的な流れが物体の周囲を通過すると、回転方向が反対で規則的な配置を持つ渦が物体の両側から周期的に流出し、非線形作用の後にカルメン渦ストリートを形成する。

例えば、水が桟橋を通り過ぎたり、風が塔や煙突、電線を通り過ぎたりすると、カルメン渦の通り道が形成される。この現象は、その存在を最初に提唱したカルメンにちなんで名付けられた。

中国の著名な機械エンジニアである銭学仙、郭永懐、銭偉昌は、いずれもカルメン研究所で働いていた。

もし、渦の通りの交互放出周波数が物体の音響定在波周波数と一致すれば、共振が起こる。

多くの工業用予熱器やボイラーは円管で構成されており、円管の周囲を流れる流体は、予熱器ボックス内のガス柱を振動させるために、カルメン渦の通りを交互に流す原因となる。

うず通りの交互減衰周波数が物体の音響定在波周波数と一致すると、音響共振を引き起こし、チューブボックスを激しく振動させることがある。ひどい場合には、予熱器チューブボックスの振動ドラムが不安定になったり、破損したりすることもあります。

機器の損傷を防ぐため、パイプボックスとガスの固有振動数を調整し、カルメン渦通りのシェディング周波数からずらすことで、共振を避けることができる。