音響流（非線形現象）の測定・解析に基づいた超音波洗浄機の制御技術
はじめに
超音波の測定解析は、各種測定機器により、管理目的で行われているが、伝搬状態には沢山の条件があり、それぞれの影響が複雑に関連している。その中で、影響の大きさに比べ研究が少ない事項が、音響流（非線形現象）に関する測定・解析である。この問題について検討し、これまでにない新しい超音波の測定・解析・評価・制御システムを製作した。
現在、この超音波システムを使用して、超音波による相互作用を含めた音響流の状態を測定・制御している。
その結果、目的とする超音波利用に対して適切な制御が可能な、超音波のダイナミック制御システムを実現した。
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このカタログについて
| ドキュメント名 | 超音波の測定・解析に基づいたダイナミック制御 |
|---|---|
| ドキュメント種別 | その他 |
| ファイルサイズ | 5.4Mb |
| 登録カテゴリ | |
| 取り扱い企業 | 超音波システム研究所 (この企業の取り扱いカタログ一覧) |
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このカタログの内容
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超音波の測定・解析に基づいたダイナミック制御
超音波システム研究所 斉木和幸
図１ 超音波システム外観
■ はじめに
超音波の測定解析は、各種測定機器により、管理目的で行われているが、伝搬状態には
沢山の条件があり、それぞれの影響が複雑に関連している。その中で、影響の大きさに
比べ研究が少ない事項が、音響流（非線形現象）に関する測定・解析である。この問題
について検討し、これまでにない新しい超音波の測定・解析・評価・制御システムを製
作した。
現在、この超音波システムを使用して、超音波による相互作用を含めた音響流の状態を
測定・制御している。
その結果、目的とする超音波利用に対して適切な制御が可能な、超音波のダイナミック
制御システムを実現した。
■１）何が問題か？
現在、超音波は幅広く利用されているが、多数の問題がある。
最大の問題は、音圧測定に基づいたダイナミック制御方法がないために
連続使用を継続すると、低周波の共振現象（注）を発生することである。
注：２０ｋHz以下の共振現象に発生により超音波は大きく減衰
超音波機器の構造・設置環境・設置条件・・対象物・材質・サイズ・冶具・・・ 等）
による相互作用で発生する低周波の振動装置状態が実状である。
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この問題を、
経験に基づいた「キャビテーションと音響流の抽象代数モデル」と
「非線形現象の統計数理による解析技術」を組み合わせることで解決し、対象に最適な
超音波の制御が可能になった。
図２ 超音波モデル１
図３ 超音波モデル２
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■２）どのようにして解決するのか？
新しい超音波のダイナミック制御
１）超音波の測定解析が容易にできるオリジナル装置「超音波テスターＮＡ」
システム概要（標準システム：：１０ＭＨｚタイプ）
１．内容
超音波の音圧測定プローブ ２本
オシロスコープセット １式
解析ソフト・説明書・各種インストールセット １式（ＵＳＢメモリー）
２．特徴（標準的な仕様の場合）
＊測定（解析）周波数の範囲 仕様 ０．１Ｈｚ から １０ＭＨｚ
＊超音波発振 仕様 １Ｈｚ から １００ｋＨｚ
＊表面の振動計測が可能
＊24時間の連続測定が可能 ＊任意の２点を同時測定
＊測定結果をグラフで表示 ＊時系列データの解析ソフトを添付
写真１ オリジナル装置「超音波テスターＮＡ」
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２）超音波の発振制御が容易にできる「簡易超音波発振システム（２０ＭＨｚ）」
システム概要（超音波発振システム（２０ＭＨｚ））
１．内容
超音波の音圧測定・発振兼用プローブ ２本
ファンクションジェネレータ １式
操作説明書 １式（ＵＳＢメモリー）
２．特徴（標準的な仕様の場合）
＊超音波発振周波数
仕様 ２０ｋＨｚ から ２５ＭＨｚ
＊出力範囲 ５ｍＶｐ－ｐ～２０Ｖｐ－ｐ
＊サンプリングレート：２００ＭＳａ／ｓ
＊超音波発振周波数 仕様 ２０ｋＨｚ から ２５ＭＨｚ
市販のファンクションジェネレータを利用したシステムです
超音波利用を含めた各種機器に対して、
メガヘルツの超音波刺激を追加することで、
超音波機器（洗浄機、攪拌装置、加工装置・・・）を、改善改良します
写真２ オリジナル装置「超音波発振システム（２０ＭＨｚ）」
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３）オリジナル超音波プローブ
超音波の音圧測定・発振プローブ概略仕様
測定範囲 ０．０１Ｈｚ～２００ＭＨｚ
発振範囲 １．０ｋＨｚ～２５ＭＨｚ
伝搬範囲 ０．５ｋＨｚ～９００ＭＨｚ以上（解析確認）
材質 ステンレス、ＬＣＰ樹脂、シリコン、テフロン、ガラス・・・
発振機器 例 ファンクションジェネレータ
計測機器 例 オシロスコープ
注：超音波プローブについて
利用目的に合わせた、オーダーメード対応も可能です
写真２ オリジナル超音波プローブ
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３）脱気ファインバブル発生液循環装置
＜＜脱気ファインバブル（マイクロバブル）発生液循環装置＞＞
１）ポンプの吸い込み側を絞ることで、キャビテーションを発生させます。
２）キャビテーションにより溶存気体の気泡が発生します。
上記が脱気液循環装置の状態です
３）溶存気体の濃度が低下すると
キャビテーションによる溶存気体の気泡サイズが小さくなります。
４）適切な液循環により、
20μ以下のファインバブル（マイクロバブル）が発生します。
上記が脱気マイクロバブル発生液循環装置の状態です。
５）上記の脱気ファインバブル（マイクロバブル）発生液循環装置に対して
超音波を照射すると
ファインバブル（マイクロバブル）を超音波が分散・粉砕して
ファインバブル（マイクロバブル）の測定を行うと
ウルトラファインバブルの分布量がファインバブルの分布量より多くなります
上記の状態が、超音波を安定して制御可能にした状態です。
写真３ 脱気ファインバブル発生液循環装置
注：特許の問題はありません、公知の技術です
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４）液循環の制御技術
超音波専用水槽と脱気ファインバブル発生液循環装置の利用により、
超音波の音圧と周波数のダイナミック制御が可能になる
制御は、音圧測定解析に基づいた液循環ポンプのＯＮＯＦＦ制御設定を行う
ＯＮ時間、ＯＦＦ時間は、液循環（配管位置、流路・液の流れ、流量、流速分布）
と超音波の相互作用を最適化することにより実現できる
写真４ 液循環の制御技術
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５）メガヘルツ超音波の発振制御技術
発振条件
１：出力
２：発振波形（正弦波、矩形波、あるいは任意波形）
３：任意波形のスイープ発振あるいはパルス発振の設定
４：矩形波あるいは正弦波のスイープ発振あるいはパルス発振の設定
５：２種類のスイープ発振の相互作用
６：超音波伝搬経路の音響特性
２種類の非線形共振型超音波発振制御プローブによる、
２種類の発振条件の設定により、
２０ＭＨｚ以下の発振で、高い音圧レベルの共振現象と、
高調波の発生現象（１０次以上の非線形現象）による、
９００ＭＨｚ以上の高周波伝搬状態を、ダイナミック制御します。
写真５ 矩形波のスイープ発振
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注意１（矩形波）
矩形波の発振波形は、通常の電圧波形としては問題ない場合でも
メガヘルツ超音波の発振となると
発振機器による、矩形波の精度が大きく異なり、
発振する超音波に影響します
上記について、測定解析確認に基づいた
発振条件の設定が超音波発振技術のノウハウとなります
注意２（任意波形）
任意波形を利用は大変有効ですが
固有の特性を持った単調な発振には注意事項が多数あります
振動現象の測定・解析・評価技術に基づいた
非線形振動現象の経験・理解が十分ないと制御は難しいと思います
（矩形波の波形精度とｄｕｔｙは大変重要なパラメータです
任意波形との相互作用による組み合わせは振動状態を大きく変化させます
実験・確認に基づいた利用を推奨します）
注意３（正弦波）
正弦波は単調な振動波形ですが、様々な振動との組み合わせにより
幅広い振動状態を実現します
共振現象を発生しやすい傾向があることを理解して
実験確認に基づいて利用すると、新しい振動現象が可能になります
写真５ 正弦波と矩形波のスイープ発振
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以上の技術を基礎として
抽象代数モデルを基準にした超音波伝搬状態の制御を実現させる
図２ 超音波のダイナミック制御モデル
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抽象代数モデルについて
図３ 超音波のダイナミック制御モデル
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■３）＜具体例＞
図４ 具体例（超音波洗浄機）
図５ 超音波洗浄（めっき処理）
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図６ 具体例（超音波洗浄機）
■ まとめ
技術の進化とともに、新しい応用や組み合わせの可能性が大きく広がっている
特に、異質なジャンルや根本的な学問（数学や哲学）を取り入れることで、今後ま
すます超音波という技術は飛躍すると感じる
超音波の可能性を考え、超音波技術への偏った考え方を捨て、自由な超音波に対す
る発想により、新たな利用を検討していきたいと考えている
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参考