超音波の音圧測定解析事例　No.４

超音波の音圧測定解析事例 No.４ ――超音波の最適化技術―― ２０２３．６．１２ 超音波システム研究所 超音波システム研究所は、 超音波振動の測定・解析システムを、２０１２年４月より、製造販売しています。 測定したデータについて、弾性波動を考慮した解析で、 超音波の非線形現象（音響流）やキャビテーション効果を グラフにより目視確認できるようにしたシステムです。 複雑に変化する超音波の利用状態について、「非線形現象」を考慮するために、 時系列データの自己回帰モデルによる、自己相関・バイスペクトルを解析して その変化・・・・を、評価・応用しています 目的に応じた新しい利用方法を多数実現しています

音圧測定解析事例 装置概要（超音波実験装置） 超音波１：２８ｋHz ３００W 超音波２：７２ｋHz ３００W ＯＮＯＦＦタイマー制御 超音波３：超音波発振制御システム ｃｈ１：スイープ発振 ｃｈ２：パルス発振 液循環：脱気ファインバブル発生液循環装置 ＯＮＯＦＦタイマー制御 解析結果 バイスペクトル：解析最大周波数 １２５ＭＨｚ 解析結果のグラフ ０．５＝１２５ＭＨｚ 自己相関 最大ＬＡＧ ２５０ 解析結果のグラフ：横軸最大値 制御の状態（超音波の制御 連続ＯＮ） 低周波の共振現象が起きていない、超音波刺激が小さい単調な振動状態

制御の状態（超音波のＯＮＯＦＦ制御 ＯＮ時間とＯＦＦ時間を同じ設定） ＯＮＯＦＦ制御による振動モードが原因で、 超音波振動が、低周波の共振現象を発生させ、単調な振動になっている状態

制御の状態（超音波のＯＮＯＦＦ制御 ＯＮ時間とＯＦＦ時間を異なる設定） 異なる時間設定の、ＯＮＯＦＦ制御により、 超音波が、低周波の共振現象を発生させ、 若干の非線形振動現象（グラフの赤丸）の伝搬状態が見られる状態

制御の状態 （超音波のＯＮＯＦＦ制御 ＯＮ時間とＯＦＦ時間を異なる設定 メガヘルツの超音波発振 ｃｈ１：スイープ発振 ｃｈ２：パルス発振） 超音波のダイナミック制御を実現 各グラフから次のグラフへの時間：２００μ秒

５０ＭＨｚ以下の超音波について、ダイナミック制御の実現 各種制御設定により、 ５０ＭＨｚ以下の超音波による共振現象が発生している状態 （利用目的により、有効な状態：例 機械部品の脱脂洗浄）

＜３００ＭＨｚ以上の超音波伝搬状態を実現したダイナミック制御の状態＞ 低周波の共振現象の複雑さを示す、バイスペクトル・自己相関の変化 ナノレベルの洗浄・攪拌・表面処理に有効な、バイスペクトルの変化 ポイント：自己相関で Lag５０以上の相関がほとんど無くなっている バイスペクトルの、０Ｈｚと１２５ＭＨｚの値の変化

＜２００ＭＨｚ以上の超音波伝搬状態を実現したダイナミック制御の状態＞ メガヘルツの超音波発振条件による ３０－６０ＭＨｚの共振現象をダイナミック制御している状態 ポイント：共振周波数による自己相関の変化 共振現象によるバイスペクトル（グラフ赤矢印）の変化

＜２００ＭＨｚ以上のダイナミック制御状態＞ メガヘルツの超音波発振条件による 非線形現象（グラフ赤・オレンジ矢印）のダイナミック制御状態 ポイント：複雑な自己相関グラフ ０Ｈｚ（低周波）の共振現象を発生していないバイスペクトルの変化

ダイナミック制御の実現 バランスの取れた、低周波の共振現象を示す、自己相関の変化 幅広い周波数領域での複雑な、バイスペクトル変化 洗浄・攪拌・加工・・・・様々な利用に有効な推奨状態

ダイナミック制御の実現 精密洗浄、ナノレベルの攪拌、・・コンサルティング対応事例 （基礎実験時の音圧データ解析結果）

専用水槽による、ダイナミック制御の実現 精密洗浄、ナノレベルの攪拌、・・コンサルティング対応事例 （基礎実験時の音圧データ解析結果 専用水槽の開発により、非線形現象の制御が簡単な装置による事例 音圧レベル・周波数の変化を自由に生後出来る装置） ポイント：目的に合わせた、超音波専用水槽の開発

制御の状態（標準装置で、40kHzの超音波を連続発振している状態） メガヘルツの超音波発振制御が行なわれない影響で、 大きな低周波振動により揺れている状態 （超音波刺激による各種効果がほとんど無い状態） ポイント：制御の重要性

＜＜ 超音波の音圧データ解析 ＞＞ １）時系列データに関して、 多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析により 測定データの統計的な性質（超音波の安定性・変化）について解析評価します ２）超音波発振による、発振部が発振による影響を インパルス応答特性・自己相関の解析により 対象物の表面状態・・に関して、超音波振動現象の応答特性として解析評価します ３）発振と対象物（洗浄物、洗浄液、水槽・・）の相互作用を パワー寄与率の解析により評価します ４）超音波の利用（洗浄・加工・攪拌・・）に関して 超音波効果の主要因である対象物（表面弾性波の伝搬） あるいは対象液に伝搬する超音波の、非線形（バイスペクトル解析結果）現象により、 超音波のダイナミック特性を解析評価します この解析方法は、 複雑な超音波振動のダイナミック特性を 時系列データの解析手法により、 超音波の測定データに適応させる、これまでの経験と実績に基づいて実現しています。 注：解析には下記ツールを利用します 注：OML(Open Market License) https://www.ism.ac.jp/ismlib/jpn/ismlib/license.html 注：TIMSAC(TIMe Series Analysis and Control program) https://jasp.ism.ac.jp/ism/timsac/ 注：「R」フリーな統計処理言語かつ環境 https://cran.ism.ac.jp/ 超音波制御技術 http://ultrasonic-labo.com/?p=16309 超音波プローブの発振制御による振動評価技術 http://ultrasonic-labo.com/?p=15285 超音波技術：多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析 http://ultrasonic-labo.com/?p=15785 統計的な考え方を利用した超音波 http://ultrasonic-labo.com/?p=12202 超音波の非線形現象を評価する技術 http://ultrasonic-labo.com/?p=13919 超音波の非線形振動 http://ultrasonic-labo.com/?p=13908 超音波＜測定・解析＞システム http://ultrasonic-labo.com/?p=1000

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