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超音波プローブの開発・製造における、超音波伝搬現象の分類

製品カタログ

ダイナミック特性(非線形現象:バイスペクトルの変化)

超音波プローブの開発・製造における、超音波伝搬現象の分類

超音波システム研究所は、
 超音波伝搬状態の測定・解析に基づいた、
超音波プローブ(測定・発振制御)の開発・製造技術を開発しました。
 同時に、超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発しました。

この分類方法は、
 超音波の伝搬状態に関する
 主要となる周波数(パワースペクトル)の
 ダイナミック特性(非線形現象:バイスペクトルの変化)により
 線形・非線形の共振効果を評価する技術に基づいています。

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ドキュメント名 超音波プローブの開発・製造における、超音波伝搬現象の分類
ドキュメント種別 製品カタログ
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このカタログの内容

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超音波プローブの開発・製造における、 超音波伝搬現象の分類 超音波システム研究所は、 超音波伝搬状態の測定・解析に基づいた、 超音波プローブ(測定・発振制御)の開発・製造技術を開発しました。 同時に、 超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発しました。 この分類方法は、 超音波の伝搬状態に関する 主要となる周波数(パワースペクトル)の ダイナミック特性(非線形現象:バイスペクトルの変化)により 線形・非線形の共振効果を評価する技術に基づいています。
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<超音波のダイナミック制御状態> <音圧データの解析による超音波伝搬状態・ダイナミック特性> これまでの音圧データの測定解析から 超音波利用の効果的な伝搬状態を 以下のような 4つのタイプに分類することができました。 1:線形型 2:非線形型 3:ミックス型 4:変動型 さらに変動型は、以下のような 3つのタイプに分類することができました。 1:線形変動型 2:非線形変動型 3:ミックス変動型(ダイナミック変動型) 上記に基づいて、超音波プローブの開発・製造における、 低周波と高周波の共振現象と非線形現象を、以下のように分類しました。 1:低周波共振主体型 2:非線形高調波主体型 3:ダイナミック制御型
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超音波プローブの開発・製造に関して、成功事例・実績が多数あります。 <超音波のダイナミックサイクル> 特に、 安定性・変化の状態・・・に関して 周波数成分による詳細な分類により、 目的と効果に対する、効率のよい 各種条件(特に、素子の接触状態)の設定・調整が可能になりました。
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<超音波洗浄機:ダイナミック制御システム> <音圧データの測定解析による、超音波伝搬状態の評価> ポイント:洗浄液と水槽の振動状態について、相互作用の解析により 洗浄装置の構造・設置方法・・・問題点を検出して改善します さらに、洗浄に関しては 汚れの特性やバラツキに関する情報が得られにくいため このような分類をベースに実験確認することで
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効果的な超音波制御が、実現します。 <脱気ファインバブル発生液循環装置と超音波のONOFF制御により キャビテーションと音響流を制御することが出来ます ONOFF条件は、水槽サイズ・超音波出力・・・を考慮して最適化します> その他の応用事例 超音波洗浄機の評価、超音波振動子の評価、・・・ 超音波加工・溶接・曲げ・・・振動現象の制御 超音波による化学反応促進・抑制(例 めっき)処理 表面を伝搬する超音波振動の特性による表面検査・表面処理 液体・気体・弾性体(粉末・・)に対する 超音波(攪拌・乳化・分散・粉砕・表面の均一化・・・・)処理 その他
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<装置・治具・・・の設計に関する超音波の圏論モデル> <超音波のダイナミック制御に関する圏論モデル>
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この分類の本質的なアイデアは、 超音波の音圧データの解析結果(バイスペクトル)のデータ群を、 抽象代数学の「導来関手」に適応させるということです。 抽象的ですが、超音波の伝搬状態を計測解析するなかで 非線形現象(バイスペクトル)に関する、対応・制御事例から 時間経過とともに変化する状態を捉えるために 「導来関手」とスペクトルシーケンスの関係を 線形・非線形の共振現象に対応した超音波の伝搬空間変化として、 複体の変化と考え、分類することにしました。 <脱気ファインバブル発生装置と超音波の適正な設定により 水槽・超音波振動子・・・の表面改質(均一化)が進み 超音波の伝搬効率が大きく改善します この状態で音圧測定を行うと、上記写真のようにどこで測定しても音圧は同じです)
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その結果、超音波システム研究所の「非線形制御技術」は、 この方法による、 具体的な技術(例 超音波制御システム)として実現しています。 <洗浄液と装置が適切な状態になると、各種制御方法・制御設定により 超音波の伝搬状態を目的に合わせて対応することが可能になります> 応用技術の可能性として 非線形性の発生状態に関する研究開発を進めています。 「超音波利用の最も大きな効果・要因が、 非線形現象による伝搬状態の変化にある」 という考え方が一歩進んだと考えています。
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<樹脂容器の超音波伝搬特性を利用した、メガヘルツの超音波制御事例 超音波(28kHz 300W、72kHz 300W)によるメガヘルツの伝搬> 詳細 1:線形型(キャビテーション主体型) 超音波の発振周波数に対して 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 低調波(発振周波数の1/4、あるいは1/2) から高調波(発振周波数の1倍、・・3倍)の範囲で 若干の変化がある状態
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注:低調波(発振周波数の1/8)以下の場合 低周波の共振状態により、不安定な共振と干渉が発生し 安定した状態が実現しない傾向になります 2:非線形型(音響流主体型) 超音波の発振周波数に対して 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 高調波(発振周波数10倍以上)の範囲で 若干の変化がある状態
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注:高調波は、超音波振動子、発振プローブ・・の 表面状態の工夫(特願2020-31017 超音波制御)により 発振周波数の100倍を実現することも可能です 3:ミックス型(キャビテーションと音響流の組み合わせ型) 超音波発振部材の設置方法や接触部材・・・の相互作用により 発振周波数に対して 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 低調波(発振周波数の1/8,1/4、あるいは1/2) から高調波(発振周波数の1倍、・・10倍)の範囲で 自然に発生する、大きな変化がある状態
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コメント 上記の1,2,3は、基本的な伝搬状態ですが 振動現象が、安定して長時間同じ現象を続けるためには 各種制御・・工夫が必要です 上記の1,2,3は、単調な発振状態を継続すると 周波数の低下や超音波の減衰現象が発生し 超音波の利用効果は小さく、無くなっていきます そのために、実用的には 下記分類にある状態を利用することが実用的です
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<一つの発振周波数の超音波に対して、液循環と超音波のONOFF制御により 上記図のような超音波のダイナミック変化を実現することが可能です> 4:変動型(各種制御による変化を利用するタイプ) 4-1:線形変動型 複数の超音波発振部材や発振制御・・を利用して 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 低調波から高調波を、 目的の範囲(発振周波数の1/8~10倍程度)で 制御可能にした状態
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4-2:非線形変動型 複数の超音波発振部材や発振制御・・を利用して 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 低調波から高調波を、 目的の範囲(発振周波数の1/2~50倍程度)で 制御可能にした状態 4-3:ミックス変動型(ダイナミック変動型) 複数の超音波発振部材や発振制御・・の 音響特性や相互作用の確認に基づいて 伝搬状態の主要(最大エネルギー)周波数が 低調波から高調波を、目的の範囲(発振周波数の1/16~100倍程度)で 制御可能にした状態
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