振動とは？ わかりやすく解説

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/02/05 15:54 UTC 版)

「乗り心地」の記事における「振動」の解説

もっとも狭義の乗り心地は、振動に関するものである。人体の振動に対する感覚は、振動の向きと周波数に依存しており、どの程度の振動を人体が等しく感じるのかを実験により測定し、等感覚曲線を描くことで振動の影響を評価する仕組みを用意している。 国際標準化機構 (ISO) では、西ドイツの基準を参考に1974年にISO 2631として「全身振動の評価法」という国際基準を定め、その後1985年にpart 1からpart 4の評価対象振動ごとの規格にまとめられた。この際に1974年の規格はISO 2631-1となったが、内容はほとんど変更されなかった。1997年の改定によってISO 2631-1は大きく改変されている。 ISO 2631-1において振動を評価する際には、人体を基準に振動の向きを定めている。立っているとき、座っているときのいずれも、身体の前後方向がX軸、左右方向がY軸、上下方向（頭と尻または足を結ぶ方向）がZ軸となる。寝ているときも同様の向きであるが、床面に対する人体の向きが変化したため、床面方向がZ軸、床面と鉛直方向がX軸となる。同一の振動であっても、座っているあるいは立っているときと寝ているときで、異なる向きとして評価されることになるので、人が寝ることがある建屋内などでの振動測定において問題となる。ISO 2631-2においてはこの問題に対応するために、Z軸とX/Y軸の複合特性で評価する方法を規定している。 振動が人間の健康、快適性、知覚、動揺病に影響を与える程度は、振動の周波数に依存する。また振動の向きに応じても異なるため、振動の軸ごとに周波数に応じて補正をかける係数が用意されている。ISO 2631-1では、周波数補正特性として主要補正特性のWk、Wd、Wfの3種類、さらに付加補正特性としてWc、We、Wjの3種類を用意しており、以下のような用途が定められている。 周波数補正特性の適用に対する概略指針周波数補正特性健康快適性知覚動揺病Wkz-座席 z-座席, z-立位, 垂直臥位, x,y,z-足部 z-座席, z-立位, 垂直臥位 - Wdx-座席, y-座席 x-座席, y-座席, x,y-立位, 水平臥位, y,z-背中 x-座席, y-座席, x,y-立位, 水平臥位 - Wf- - - z Wcx-背中 x-背中 x-背中 - We- rx,ry,rz-座席 rx,ry,rz-座席 - Wj- 垂直臥位（頭部） 垂直臥位（頭部） - たとえば、座った状態の人間の快適性を評価する際には、Z軸方向はWkで、X軸とY軸方向はWdで補正する。主要補正特性（基本特性）に関しては外部リンクのように補正特性が与えられており、たとえば座った状態のZ軸に関する補正特性であるWkに関していえば、4ヘルツから12.5ヘルツの範囲が感覚的にもっとも敏感であるとされる。 こうした周波数補正特性をかけて計算した時刻tにおける振動加速度の瞬時値を a w ( t ) {\displaystyle a_{w}(t)} （単位は並進振動に対してメートル毎秒毎秒 m/s2、回転振動に対してラジアン毎秒毎秒 rad/s2）とし、測定時間をT秒間としたとき、 a w = ( 1 T ∫ 0 T a w 2 ( t ) d t ) 1 2 {\displaystyle a_{w}=\left({\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}a_{w}^{2}(t)dt\right)^{\frac {1}{2}}} …(1) の式で振動加速度の実効値 a w {\displaystyle a_{w}} を求める。ただしこれは波高比（英語版）（クレストファクター）が9未満の場合に適用される。 波高比が9以上となる、時折発生する衝撃の不快さを評価するためには、別に2つの測定方法が定義されている。1つは移動実効値法で、短い積分時定数を使用して時折の衝撃と過渡振動を考慮に入れる。周波数補正特性をかけて計算した時刻tにおける振動加速度の瞬時値を同様に a w ( t ) {\displaystyle a_{w}(t)} 、移動平均に対する積分時間を τ {\displaystyle \tau } 、時間をt、観測の時間を t 0 {\displaystyle t_{0}} としたとき、 a w ( t 0 ) = ( 1 τ ∫ t 0 − τ t 0 a w 2 ( t ) d t ) 1 2 {\displaystyle a_{w}(t_{0})=\left({\frac {1}{\tau }}\int _{t_{0}-\tau }^{t_{0}}a_{w}^{2}(t)dt\right)^{\frac {1}{2}}} …(2) を計算し、MTVV (Maximum Transient Vibration Value) をMTVV=max( a w ( t 0 ) {\displaystyle a_{w}(t_{0})} )として与える。ISOでは、MTVVの計算において τ = 1 {\displaystyle \tau =1} 秒を用いることを勧告している。これは、波高比9未満の場合の実効値計算法を1秒ずつ行い、その中で最大のものを採用することに相当する。 もう1つの方法は4乗振動ドーズ法（VDV法）で、(1)式において、2乗ではなく4乗を使うことで、時折発生する強い衝撃に敏感に反応するようにするものである。 こうして求めた周波数補正特性振動加速度実効値は、周波数補正特性の計算が振動軸ごとであることから各軸別になっている。そこで多軸振動を評価するために、以下の式が与えられている。 a v = ( k x 2 a w x 2 + k y 2 a w y 2 + k z 2 a w z 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{v}=\left({k_{x}}^{2}{a_{wx}}^{2}+{k_{y}}^{2}{a_{wy}}^{2}+{k_{z}}^{2}{a_{wz}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(3) ここで a w x , a w y , a w z {\displaystyle a_{wx},a_{wy},a_{wz}} は、X軸、Y軸、Z軸について(1)式で求めた周波数補正特性振動加速度実効値で、 k x , k y , k z {\displaystyle k_{x},k_{y},k_{z}} は次元のない倍率因子である。この式で求めた全体値は快適性の評価のときだけに使うべきだとされているが、特定の軸が卓越していないときは健康の安全面の評価にも用いられることがある。 健康に対する振動評価をするとき、 k x = k y = 1.4 , k z = 1 {\displaystyle k_{x}=k_{y}=1.4,k_{z}=1} を使用して周波数補正特性振動加速度実効値を求める。健康への影響に関しては振動に暴露される時間も影響することから、実効値と暴露時間の2軸に対して、健康に危険があると判断される領域を定義する健康指針警戒区域が定められている。実効値で0.5 m/s2の振動のとき、暴露時間が8時間を超えると危険があるとされ、より大きな振動では暴露時間がより短くても危険であると判定される。 一方、座っている状態の人に対する快適性の評価に関しては、座面上のX、Y、Z軸およびこれらの軸の周りの回転 r x , r y , r z {\displaystyle r_{x},r_{y},r_{z}} 、および背もたれと足部における並進軸（X、Y、Z軸）の合計12個の変数に対して評価する方法が以下のように定義されている。 座面: a s z = ( x s 2 + y s 2 + z s 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{sz}=\left({x_{s}}^{2}+{y_{s}}^{2}+{z_{s}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(4) 座面の回転: a s r = ( 0.63 2 r x 2 + 0.4 2 r y 2 + 0.2 2 r z 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{sr}=\left(0.63^{2}{r_{x}}^{2}+0.4^{2}{r_{y}}^{2}+0.2^{2}{r_{z}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(5) 背もたれ: a b = ( 0.8 2 x b 2 + 0.5 2 y b 2 + 0.4 2 z b 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{b}=\left(0.8^{2}{x_{b}}^{2}+0.5^{2}{y_{b}}^{2}+0.4^{2}{z_{b}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(6) 足部: a t = ( 0.25 2 x t 2 + 0.25 2 y t 2 + 0.4 2 z t 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{t}=\left(0.25^{2}{x_{t}}^{2}+0.25^{2}{y_{t}}^{2}+0.4^{2}{z_{t}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(7) (4) - (7)式の合計値として以下のように計算する。 a s e a t = ( a s z 2 + a s r 2 + a b 2 + a t 2 ) 1 2 {\displaystyle a_{seat}=\left({a_{sz}}^{2}+{a_{sr}}^{2}+{a_{b}}^{2}+{a_{t}}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} …(8) 公共交通機関における乗り心地の評価としては、ISO 2631-1では(8)式の値に対して以下のように与えている。 0.315 m/s2より小さい: 不快でない 0.315 - 0.63 m/s2: 少し不快 0.5 - 1 m/s2: やや不快 0.8 - 1.6 m/s2: 不快 1.25 - 2.5 m/s2: 非常に不快 2 m/s2より大きい: 極度に不快 ただし、鉄道車両のように振動条件が変化する場合には、振動加速度実効値の分布から統計的に求める方法なども提案されている。このほかに動揺病（乗り物酔い）の起こしやすさを評価する方法もある。 高速鉄道において多く発生する30ヘルツ前後の振動に関しては、ISO 2631-1の周波数補正特性では低すぎる評価となるという指摘もされている。

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