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“小さな力で大きく揺れる”共振の正体とは？──配管と共鳴現象の関係を解く

  • 執筆者の写真: Yusuke Yoshihara
    Yusuke Yoshihara
  • 5月2日
  • 読了時間: 4分

はじめに

「ポンプは大した力じゃないのに、配管がガタガタと大きく揺れる」「ある運転条件だけ、急に機械が震えだす」現場でよく聞くこのような現象、実は「共振」が原因かもしれません。

共振とは、“外力と物の固有周波数が一致する”ことで揺れが増幅される現象。構造物の破壊や事故にもつながる危険な現象ですが、逆に測定や診断に活かすこともできます。

この記事では、

  • 共振の仕組み

  • 数式での理解

  • 配管設備での事例

  • 保全の目線からの見分け方をわかりやすく解説します。

📌この記事はこんな人におすすめ 「共振ってよく聞くけど、なんなのか分からない」 設備の揺れや異音に悩んでいる現場の方 共振を予防・診断に活かしたい技術者

目次

1. 共振とは？──定義と身近な例
2. なぜ共振が起きるのか──数式から理解する
3. 配管設備における共振のパターン
4. 現場で共振を見抜くサインと事例
5. 共振対策──設計と点検の視点から
6. 振動を“味方”にする考え方


1. 共振とは？──定義と身近な例

共振とは、外からの揺れ（入力）と、物体が元々持っている固有の揺れ（固有振動数）が一致すると、揺れ幅が大きくなる現象です。

🔔 有名な例：タコマ橋の崩壊（1940年）

風でわずかに揺れ始めた橋が、風速19m/sの環境下において橋が大きく揺れ疲労により崩落しました。共振というよりは自励振動に近いと考えられますが，大きな構造物も振動による破壊という現象が起きます。


🚗 身近な例

  • 自動車のエンジン回転数で車体がブルブルする（ある速度だけ振動が大きくなる）

  • 掃除機のホースが特定の音で共鳴して鳴る

  • 電車の窓が「ビィィィン」と鳴る（走行振動とガラスの共鳴）

これらはすべて「小さな入力が、揺れやすい条件と重なって大きな出力になる」という現象です。


2. なぜ共振が起きるのか──数式から理解する

共振の数式的理解には、強制振動のモデルを使います。

📐 モデル：バネ・質量・減衰のある系






  • m：質量

  • c：減衰係数（ダンパ）

  • k：ばね定数（剛性）

  • F0cos⁡(ωt)：外部からの周期的な力

  • ω：外力の角振動数（ラジアン/s）







  • ω0：固有角周波数（固有振動数と兄弟）


この振動系は、外力の周波数 ω が、固有角周波数 ω0に近づくと、応答（変位）が最大になるという性質を持ちます。

🔍 応答振幅（変位の大きさ）の式：







ここで ω=ω0のとき、分母が最小になる ⇒ 応答振幅 X が最大になる ⇒ 共振！

🎯 ポイント： 減衰（ダンパ）が少ないほど、ピークが鋭くなる（＝揺れやすい） 周波数がズレていれば、あまり揺れない

3. 配管設備における共振のパターン

現場でよく見る共振には、いくつかの典型パターンがあります。

✅ パターン1：配管とモーターの共振

  • ポンプや送風機の回転数に、配管の固有振動数が一致

  • 長い配管・細い配管ほど共振しやすい

  • 特定の回転数でのみ激しく揺れる


✅ パターン2：架台・サポートの共振

  • 支持構造の剛性が足りず、特定の周期で共振

  • 保温材の下などで起きると発見が遅れがち


✅ パターン3：配管内部の流体が起こす自励振動との混合

  • バルブ・絞り・乱流などが周期的な“揺れ”を発生

  • それが配管の固有振動数と一致すると、大振幅に


4. 現場で共振を見抜くサインと事例

🔎 兆候サイン

  • 「ある条件でだけ」揺れが激しくなる

  • 揺れ方がリズミカル（周期的）

  • 振動が「蓄積されるように」徐々に大きくなる

  • 周囲に「高周波の音」が聞こえることも


📚 事例：回転機に連結された配管

  • ポンプ運転中、ある回転数だけで異音と振動が発生

  • 配管を手で押さえると、やや収まる（振動モードに近づいている）

  • 周波数解析で、回転数の倍数（2×RPM）にピーク

→ 共振確定。配管の支持位置と剛性を再設計。


5. 共振対策──設計と点検の視点から

🛠 設計段階での対策

  • 共振周波数を避ける設計（使用する機械の回転数と一致させない）

  • 配管の支持間隔・配管径・肉厚の見直し

  • 振動絶縁（フレキシブル継手、ゴム支持）を導入


🧑‍🔧 点検・保全段階での対応

  • 振動計・加速度センサーでの周波数測定（FFT解析）

  • 点検時に「軽く叩く」だけでも固有振動が見えることも

  • 異音・小さな揺れにも注意（共振の初期）


6. 振動を“味方”にする考え方

共振は「危険な現象」と思われがちですが、実は、機械の状態を教えてくれる“診断の手がかり”でもあります。

  • 共振周波数の変化 ⇒ 剛性の劣化・腐食・緩みの兆候

  • 共振モードの変化 ⇒ 支持点の脱落、基礎の劣化

つまり、共振を“敵”として排除するだけでなく、“味方”につけて診断に活かすのがプロの視点です。


まとめ

共振は、「入力と構造の周波数が一致したときに揺れが増幅される現象」。配管・機械の保全においても、正しく理解すれば故障予防・異常検知に大きな武器になります。


🔑 本記事の要点：

  1. 共振とは、「入力」と「固有振動数」の一致による増幅

  2. 減衰が少ない構造・共鳴条件の一致が揺れを大きくする

  3. 現場では“ある条件だけ揺れる”兆候に注意

  4. 測定・設計・診断のすべてで、共振は“使える現象”


振動-No.3

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