コラム
Column
周波数・変位・速度・加速度の基礎
「周波数」「変位」「速度」「加速度」は、振動を制御するための基本となる4つの要素です。
本コラムでは、それぞれの意味と互いの関係性について解説します。
「周波数」・「変位」・「速度」・「加速度」とは
振動のエネルギーは、周波数によって支配的な要素が変わります。低い周波数帯では『変位』、中周波数帯では『速度』、高い周波数帯では『加速度』が、製品へのダメージやエネルギーを評価する指標として重要になります。これらは数学的に微分・積分の関係にあり、測定器上では一つの値から計算で導き出すことも可能です。
■ 周波数（Frequency） 単位：Hz（ヘルツ）
🔹意味：振動が1秒間に何回繰り返されるかを表す値
🔹単位：ヘルツ（Hz）
🔹使い方の例：振動試験で「30Hz」の設定なら、1秒間に30回揺れていることを意味します。
📌ポイント：周波数が高いほど「細かく・速く」揺れる。
■ 変位（Displacement） 単位：ｍm（ミリメートル）
🔹意味：振動によって位置がどれだけ移動したか（振幅）
🔹単位：ミリメートル（mm）など
🔹使い方の例：上下に±1mm動くなら、変位は2mm（両振幅p-p）または1mm（片振幅0-p）と表現されます。
📌ポイント：変位が大きいほど「揺れ幅が広い」。
■ 速度（Velocity） 単位：m/s（メートル毎秒）
🔹意味：振動中の移動スピード（動く速さ）
🔹単位：メートル毎秒（m/s）またはミリメートル毎秒（mm/s）
🔹使い方の例：振動試験において、速度は「単位時間あたりの変位の変化量」として定義されます
📌ポイント：速度は「2π×周波数×変位」で決まり、周波数または変位が大きいほど速く動く。
■ 加速度（Acceleration） 単位：m/s²（メートル毎秒毎秒）
🔹意味：速度がどれくらい急に変化するか（振動の力の強さ）
🔹単位：m/s² または 重力加速度を基準とした「G（ジー）」
🔹使い方の例：振動試験で「3G」の設定は、地球の重力の3倍の力が加わっていることを意味します。
📌ポイント：加速度は「(2πf)²×変位」で計算できます。
要約
| 項目 | 簡単な説明 | 増加するとどうなる？ |
| 周波数 (Hz) | 1秒間に何回揺れるか | 1秒間に振動する回数が増える為、振動が細かく・速くなる |
| 変位 (mm) | どれだけ大きく揺れるか（振れ幅） | 揺れ幅が大きくなる（大きく動く） |
| 速度 (mm/s) | 振動中の動くスピード | 移動スピードが速くなる |
| 加速度 (m/s²・G) | 振動の勢い(強さ) | 衝撃や振動が強くなるため、試験品に大きな力がかかる |
「なぜ使い分けるのか？」
各要素が「製品のどの部分の劣化・破壊に関わるか」を表で解説します。
| 要素 | 得意とする周波数域 | 影響を受けやすい製品部位 |
| 変位 (mm) | 低周波 | 大きな振れ（筐体、大きな部品、バネ材） |
| 速度 (mm/s) | 中周波 | 振動によるエネルギー（疲労破壊の目安） |
| 加速度 (m/s²・G) | 高周波 | 小さな部品、基板、電子部品（慣性力による脱落） |
低い周波数（ゆっくりとした揺れ）では製品が大きく動くため『変位』が、高い周波数（速い揺れ）では部品にかかる荷重が大きくなるため『加速度』が評価基準になります。試験計画を立てる際は、製品の構造がどの周波数域で共振しやすいか（剛性）を考慮して、指標となる単位を選択するのがポイントです。
「周波数」「速度」「変位」「加速度」の相互関係
周波数（Hz）が変わるとどうなる？
周波数が上がる＝1秒間に振動する回数が増える
変位が同じでも、より短い時間で行ったり来たりするため、
速度が速くなる
加速度はもっと大きくなる
✅ 例：変位が1mmで一定のとき
- 10Hz → ゆっくり揺れる（速度も加速度も小さい）
- 50Hz → 細かく速く揺れる（速度も大きく、加速度はかなり大きく）
変位（mm）が変わるとどうなる？
変位が大きくなる＝揺れ幅が広がる（動きが大きい）
周波数が一定でも、
速度が速くなる（広い距離を同じ時間で動くため）
加速度も大きくなる（移動距離が増えるぶん、力も強く必要）
✅ 例：周波数が20Hzで一定のとき
- 変位1mm → コンパクトな動き、力も小さい
- 変位5mm → 大きく揺れて、速度も力も大きい
速度（mm/s）が変わるとどうなる？
速度が速くなる ＝ 単位時間あたりに動く距離が大きい（動きが速い）
周波数や変位のいずれか、または両方が大きくなると速度が増す
✅ 例：加速度が一定のとき
- 速度が遅い(周波数が低い、変位が大きい) → なだらかな動き
- 速度が速い(周波数が高い、変位が小さい) →素早い動き
加速度（m/s², G）が変わるとどうなる？
加速度が大きくなる ＝ 動きの変化が急になり、衝撃が強くなる（瞬間的な力が増す）
特に周波数の2乗に比例するため、周波数が高いと影響が大きくなる。
✅ 例：速度が一定のとき
- 加速度が小さい（周波数が低い）→ ゆっくりなめらかな動き、衝撃は弱い
- 加速度が大きい（周波数が高い）→ 急激で鋭い動き、 衝撃が強くなる
まとめ
本記事では、振動試験における4つの基本パラメータ――周波数・変位・速度・加速度――の関係性とそれぞれの意味について解説しました。
これらは個別に理解するだけでなく、相互の関連性を把握することで、より的確な試験設定が可能になります。
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