技術講座「振動と騒音」

超音波システム研究所　Ultra Sonic wave System Institute　no.１５４

技術講座「振動と騒音」

これまでの設計において
最も重要な影響を受けた
振動に関する技術を
技術講座「振動と騒音」として紹介します

技術講座「振動と騒音」資料
振動とはなにかーなぜ起こり、どう克服するか
　　　　リチャード・ビジョップ著
（ブルーバックスＢ－４７１）
序
工学者は、物をつくり、
それを正しく機能させることで満足してきたのである

そして、工学者はずさんな考えが生む危険と、
一方では正確なほぞ穴に見られるよ
うな科学的厳密さを追求すると言うみちを歩んでいる。

機械工学の重要な一分野のほとんどすべてを、
この小冊子で記述してみようと思っている

１）振動・それは敵か味方か

トマス・ヤング「・・・難解で複雑な方法で取り扱われ、
音楽などに関連して常に単なる娯楽と結びついていた」
「機械的」振動に限る
1）技術的手法、
２）音・騒音・生理学的面での振動、
３）詳細な説明 を省略する

タコマ峡の吊り橋
石油用のはしけ
真っ二つに破壊したタンカー
ナットー部品のわずかの幾何学的不正確さが、振動を引き起こす
疲労破壊、応力集中、
大企業は良く調べられた振動問題の見本を多く持っている
有能な工学者は、よく振動のことを知っている

振動の性質
Ｈｚ「ヘルツ」 調和分析 正弦波 位相
きれいな曲線の組み合わせで、複雑な波形が作られる
位相差 うなり現象
流体の中の物体が金魚の尾のように左右に振れる

運動に直面した物体の能力についてある程度知っておくべきであろう
振動のもっとも重要な性質に「振動数」がある
振動に対する金属の抵抗
変動応力 静的荷重 疲労
剛体の振動

物体の組み合わせられたものの重心が振動しているならば、
ニュートンの法則により、
何らかの作用によりこの系に変動する力が加わっていると言うことになる

軸の重心は正確には中心軸上にはないー変動力
ようどうを止める為、
回転体はつりあい試験機でつりあいをとらなければならない

＊重心軸と図心軸ようどう運動は単純である＊

機械振動はもっと複雑である

変形を無視できるとは限らない

まとめ 複雑であるが、身近で、面白味がある（興味と関心の問題）

２）自由振動とはなにか

外乱が加わった後に、自分自身で自由に振動する
物体だけが振動する自由振動は工学で関心が持たれていないが
間接的に非常に重要である

自由振動をする系によって示された挙動は、ある種の個性を示し、
系の動的個性はあらゆる状況下での挙動を決定する

ハンマーでたたかれたピアノの弦は自由振動をする
　１）質量を持つ運動エネルギー、
　２）位置の移動によるエネルギーを保存する

系の質量や剛性に関する十分な知識があれば
その振動数を計算することが可能であろう

チェーンの例
　チェーンはそれぞれ振動数に対応した一連の振動波形を有する
この波形は「モード」、モードは振動数と運動の減衰率に関係している
物体が変形したときにエネルギーを貯える
（温度上昇 モード形、振動数を変える）

減衰のない想像上の系を考えると、
系の質量と剛性の分布量は主モードと固有振動数とを決める
系が持っている動特性はその主モード、固有振動数、
減衰などによりはっきりと決まる

まとめ 最も単純な自由振動で固有振動数（モード）
を把握する（基礎力の問題）

３）強制された振動

ある種の脈動する力を振動系に与えられたときに生ずるー強制振動
変動している力はそれと同じ振動数を持つ振動を引き起こす

対策 振動系を同調させない、減衰を高める
回転体はバランスさせて防ぐ
計算の前に、系を正確に定義し系とその周囲との境界で生ずると思われる

条件を決定することが重要である

不規則な運動、平均か、エルゴード的、統計手段
不規則な変動荷重の金属破壊は解明されていない

まとめ 強制振動の理解には
　　　　力の状態と解析手法（＊）の前提条件を正しくしておく
　　　（努力の問題）

＊：モーダル解析、有限要素法解析、時系列データ解析 等

４）自分で成長する振動

自励振動、半円形円筒付近の空気の流れー正確さのための面倒な理論より
簡単な近似理論を学んだほうが良い

フラッタ解析者は物理学者としてまた数学者、
工学者としても重大な決断をしなければならないのである
ヨーイング（摩擦力による複雑な例・・・・）
自励振動はすべての注意を必要とする
個別的な現象の莫大な収集物に関連している
例 ポットのお湯　　stick-slip きさげ（油たまり）
、鉄と樹脂の摩擦抵抗：＋ 鉄と鉄：ー

まとめ 自励振動は、
　　　あらゆる振動現象に含まれると考慮して考察する
　　　（研究開発の問題）

５）衝撃と波動の正体

規則正しくは繰り返さない加振力による系
（地震等・衝撃・過渡振動・変形の伝播・波動）
急激な荷重に関しては別の視点が必要（長崎の原爆と煙突の例）

ドロップハンマーは地面をゆするのみでなく
　空中に自由音波を放つ強制振動と言うとき
　ある外乱によって引き起こされた振動のことを言うのだが、
　その外乱は運動を起こさせるもののみをさしているのではない
　ことを覚えておきたい

超音波は鍛造物の均一性の調査に役立つ
非保存系の過渡荷重は「ゆっくりしている」とも
「急激である」とも言えない、単純化は役に立たない
過渡パルスは分離した振動数によるのではなく
すべての振動数に関係している

まとめ 衝撃と波動が考えられる場合には、
　　　　理論とともに事例や経験を大切にする（応用の問題）

６）複雑な振動の世界

断面が一様でないガラス棒の振動
乾燥した軸受け内を回転する軸
初期の自励は制限過程により調整され修正されるー鉄道車両、
リミットサイクル
例 剛性：ボルトの締め付け 位置 形状
例 精度を出す為（機能）の構造と製造するための構造：にげ

結論
変化する特性を持った系の振動は広範で複雑である

Ａ）変位に依存する剛性を持ったもの
Ｂ）変位に依存する減衰を持ったもの
Ｃ）時間に依存する剛性を持ったもの

これらは問題の表面をかじったにすぎない、
もっと風変わりな現象もたくさある
工学者は自然界における振動にも目をむけ
その振動系がすばらしく複雑であるか理解しなくてはならない（例 心臓）

どのような物理現象も
　観測すればするほど複雑な様相を呈することは明らかである、
　工学者の技術は
　どこで眺めるのをやめ手をつけ始めるかを知ることである

以上
補足 上記の本はロイヤル・インスティテューション
　　 １３３回「振動」を文章にしたものです

コメント
現象を見逃さずに自分で追求する事が必要
設計において、振動や騒音の配慮が行なえる人は少ないので、
振動の知恵を持つことは価値がある
（ある種の機械の事象は世界でそこにしかない事象であるから、
　参考資料は参考でしかない）

＜＜騒音問題、振動対策に対してのコメント＞＞

機械や装置の騒音・振動に関する業務経験から、
　音や振動に関心を持っています
そこで最近読み返した本に次のような事が書かれていました

「この２，３０年間に学んだ最も大切な教訓だと思われることは、
　建物の設計に関わる
　いろいろな個人的、心理的要因は、
　純粋に技術的、科学的な要因とまったく同じくらい重要だ
　ということです」

騒音などの対策で苦労していると驚くようなことではありませんが、
　はっきりと同等レベルであるという表現に驚きました

特に、私は表現の「建物」を「製品」としても良いと考えます

そこで現在騒音問題や振動対策に対して、より良い対策のために

１：個人的、心理的要因の検討を行なったらどうか

２：音楽や楽器についての方向からの検討を行なったらどうか

と言う提案をしたいと思います

追加事項：騒音や振動は経験的な事項が大変重要です、
私の経験が直接役に立つか解りませんが、
質問のある人は相談してください

超音波水槽と液循環の最適化技術

超音波水槽と液循環の最適化技術

  超音波の状態は
対象とする環境により変化します
変化の要因は、超音波そのものの変化を含め複雑です

これまでの、測定・解析により、
    変化の要因と制御の要因を確認してきました

  その結果、概略では添付の超音波モデルとして整理しました

    各種の装置により超音波の利用状態を
点や小さな範囲で使用しているつもりが
変化して全く異なるポイント（あるいは範囲）を
      変動している状態が多いのが現状だと思います

  ２－４時間の超音波照射による
　　伝搬状態の測定や解析の有効性がここにあるのですが
安定した超音波の利用のためには
このダイナミックな変化を制御範囲に取り入れることが
効率のよい方法になります
    （図：矢印によるサイクルのイメージです）

  また、キャビテーションと加速度を適切なバランスで
ミックス状態にすることは高い技術とともに
新しい効果としての実績が増えています
　　さらに、超音波固有の特性による新しい可能性の研究(注）もあります
（この技術により、図の効率的なサイクルでの超音波利用が実現できます
      但し、水槽・液体・・・総合的な技術になります）

注：レーザーによる従来の方法を
　　超音波に変える
　　光や電磁波との組み合わせ効果を利用する

この動画や写真から
単純な組み合わせ技術のように感じられるかもしれませんが、
同様な実験を試した上での相談が複数ありましたので、
  注意事項を紹介します。

  「本質的な部分」や「もっとも重要な部分」は
  表示されていません。

  ＜＜オリジナル技術ノウハウにつきましては、
      ビジネス対応させていただいています＞＞

追記

　この動画のシステムが

　これまでの装置の中で、

　もっとも簡単に超音波制御が実現できる装置です

　超音波システム研究所が自信と責任を持って推奨します

上記の内容について
　　興味のある方はメールで連絡してください
　　超音波システム研究所

 

ultrasonic wave＜ものづくりに必要なこと＞

ultrasonic wave

「岡　潔」のことばより考えた

ものづくりに必要なこと

 

心の世界

花を見れば花が笑みかけていると思い、

小鳥を聞けば小鳥の声が呼びかけていると思う。

他が喜んでいれば嬉しく、

他が悲しんでいれば悲しく、

みんなのために働くことに無上の幸福を感じる。

なんの疑いもない。これが心である。

・・・・・

人には心が二つある。そして二つしかない。

一つは心理学の対象となっている心であって、

この心は、私を入れなければ動かないし、

わかり方は必ず意識を通す。

これを第一の心ということにする。

欧米人は太古以来、この心しか知らないのである。

 

第二の心は頭頂葉に宿っている。

これは無私の心である。

わかり方は意識を通さない。

 

　第一の心は、心理学者は知らないだろうが、

本当は物質的自然界全体に及んでいる。

 

自然科学者の暗黙の自然の説明が、

初めに時間・空間があると思うのはそのためである。

 

　人は本当は

第二の心の中の

物質的自然界の中に住んでいるのである。

私たちは無量の情緒に包まれた

物質的自然界の中に住んでいるのである。

 

コメント

正しいとか正しくない以前に

自分の思考について、

アイデンティティをしっかり持つことの重要性と、

考える深さを教えられるように思います

 

人が何かを考えることはどういうことなのでしょうか

アイデアは第一の心では発明でしょうが

第二の心では発見（あるいは　無）でしょう

 

心の自覚を自分の場所にしっかり落ち着かせることで

安心した状態で、物事に取り組めると考えています

 

毎日の積み重ねを続けていきたいとおもいます

ものづくりの背景には

ここまでの思考が必要だと考えています

 

 

 

 

 

 

また、数学と物理は似ている

と思っている人があるが、とんでもない話だ。

 

職業にたとえれば、

数学に最も近いのは農業だといえる。

 

種子をまいて育てるのが仕事で、

そのオリジナリティーは

「ないもの」から「あるもの」を作ることにある。

 

数学者は種子を選べば、

あとは大きくなるのを見ているだけのことで、

大きくなる力はむしろ種子の方にある。

これにくらべて理論物理学者むしろ指物師に似ている。

 

人の作った材料を組み立てるのが仕事で、

そのオリジナリティーは加工にある。

理論物理学者は、ド・ブロイ、アインシュタインが相ついで、

ノーベル賞をもらった一九二〇年代から急速にはなばなしくなり、

わずか三十年足らずで一九四五年には原爆を完成して広島に落とした。

 

こんな手荒な仕事は指物師だからできたことで、

とても百姓にできることではない。

いったい三十年足らずで何がわかるだろうか。

わけもわからず原爆を作って落としたに違いな

いので、

落とした者でさえ何をやったかその意味がわかってはいまい。

 

独創するために心境を用意することがどんなに手間のかかることか。（岡　潔）

 

 

工学的なことについて

コメント

工学は現実的なバランスを設定して

実際にものづくりを行うと言う

大変な作業であり、山積みの課題に対する

責任をもった妥協の産物だと思います

 

技術者が技術を広めるために必要な事柄について

 

それは「技術への情熱・信念」と

 

「現実的な態度・判断力・責任感」

 

決断を下すには、当然「信念」がなければならない。

結果を十分認識した上での「冷静な判断力」も欠かせない。

しかし、その実行のためには、周囲の同意を得なければならない。

そこで説得の作業が必要になる。

では、相手を説得する上で大事なことは何か。

「情と理」が尽くされたものではないか。

 

情・・情熱、人の心をつかむ何か、信念、魂、魂の揺さぶり

理・・論理的思考、整合性、理性的な判断

 

コメント：最近はこのようなことが大切な気がしています

 

 

超音波専用水槽

超音波専用水槽

水槽や容器の伝搬効率を推定する方法を紹介します
　（水槽の超音波診断）

超音波の伝搬状態に関して
　気体や液体に関しては様々な説明や事例がありますが

　もの（弾性体）にたいする伝搬現象になると
　　所条件を含め急激に複雑で対処が難しくなります

　しかし、超音波利用に関して、ものは存在します
　　もっとも代表的なものは「振動素子」と「水槽」です

　この関係性を考慮することで
　　利用効率が改善できると共に
　　超音波を広範囲に制御できる技術を開発しました

　時間変化による、複数の伝搬周波数の変化を考慮して
　統計処理することで
　様々な問題や・原因がわかりました

　特に大きな結果は
　　現状、水槽の構造と製造技術とコストのバランスから
　　３００W以上の超音波出力に対応できる（問題の発生しない強度のある）
　　水槽は難しいということです
　（　超音波システム研究所の超音波が３００Wの理由はここにあります　）

　超音波の制御により、数値化されたデータの状態に再現させるとで
　超音波の不安定な印象が変わりました
　（　騒音の問題　等もこの技術により解決できます　）

　目的の超音波を明確にして
　効率よく利用する技術のベースが「水槽の測定」です

　水槽の設計・製造・改良に関する問い合わせは
　　超音波システム研究所にメール連絡してください
　（　超音波の種類・周波数・出力・メーカ・・・　
　　　　に合わせた対応をご提案させていただきます　）

超音波洗浄

超音波洗浄

超音波洗浄にとっては、
　目的に適した表面の実現が問題で、
　単純な洗浄評価よりは更に詳しく
　利用目的における評価・トラブル・・・の
　安定性・ばらつきが問題になります。
この場合は目標を目指しての一回の洗浄プロセスの効果として
　その関連データを測り、その散らばり（分布）について確率を求めます。

対象の中で特定の特性を持つ物の数を表す数値は
　古くから統計と呼ばれて来ています。
そこで、多数の結果の中で一定の値
　（正確にはその近傍の値）が現れる確率を検討する方法を
　統計的な見方と呼びます。
超音波洗浄の改善・効果を考える場合には、
　洗浄の結果・評価（数値化）の方向と
　効果（不具合やトラブル・・の改善）についての統計的な検討が必要になります。

ここまでの話は常識的なものですが、
　ここから更に一歩踏み込んで洗浄の動き自体の検討に進みます。
この場合は、効果的な洗浄事例に従ったりして
　その結果を統計的に確認するという方法だけではなく、
　洗浄を生み出す条件＜洗浄物・数量・洗浄時間・・・＞と
　超音波の動きの構造＜音圧・変化・キャビテーション・・・＞を
　数値・図形・・・で捉えることが必要になります。

ところが、洗浄を生み出すシステムの仕組みは、
　社会の仕組みのように無数の部分の繋がりで出来上がっています。
この複雑なシステムの動きを、
　その構成部分の動きの総和として捉えようとするのが統計的な見方です。
この場合、最終的には超音波の洗浄物への動きを生み出すための
　単純化したイメージが必要になります。

このイメージの構築の基本要素は、超音波の仕組みの知識と、
　これまで強調して来た最終的な超音波洗浄に関する動きの目的意識です。
これらによって試行錯誤的にイメージの改善を進めることになります。

こんな面倒な話は聞きたくもないと思うかも知れませんが、
　「天は自らを助けるものを助ける」と言うように、
　超音波洗浄は人から教えられるものだけでは不十分で、
　自分で考えて仕上げることが不可欠です。

その場合に「統計的な見方の有効利用」が成功へのキーワードになります。

 

脱気装置を利用しないで超音波の減衰を小さくする方法

脱気装置を利用しないで
超音波の減衰を小さくする方法

１） 洗浄液が淀まない洗浄水槽を使用する

２） 機械構造としての強度について、
　　　特別に弱い部分のない洗浄水槽を使用する

３） 洗浄液の分布を均一にする
　　（Ｄｏ濃度、液温、流速　等）

４） 振動子の一部に
　　　集中して洗浄液がぶつかるようにする

５） 超音波の周波数と出力にあわせた液循環を行う

６） 以下の手順に従って操作する
　　　　　６－１）液循環をすべて停止する
　　　　　６－２）振動子に流す液循環の開始と
　　　　　　　　　超音波の発振を同時にする
　　　　　６－３）高い音圧が発生しない場合は、
　　　　　　　　　振動子に流す液循環を停止して
　　　　　　　　　超音波の発振を２－３回繰り返す
　　　　（繰り返す場合、
　　　　　水面が出来るだけ静止状態になってから行う）

　　　　　６－４）超音波による
　　　　　　　　　高い音圧が実現してから、
　　　　　　　　　本格的な液循環を開始する

注：
上記の１，２）は洗浄水槽、　
　　　３）は洗浄液、
　　　４，５）は液の流れ、　
　　　６）は制御に対する取り組みです、

　　　これらの関係バランスが最適化された場合に
　　　効率的な超音波の状態が起こります

　　均一で高い音圧の発生理由については、
　　音響流とキャビテーションを
　　効率的なバランスで利用することから
　　起こっていると考えます

（私は音響流とキャビテーションの
　バランスを最適化するために
　液循環の経路と流量の調節を行いました）

これまでの実験で、
上記の方法による技術を確立しました、

　このような研究により
　本当に新しい
　固有の目的に適した超音波の利用（洗浄）方法が
　検討できると考えています

最近の具体的な応用例
　分散装置
　化学反応装置
　気体の空中振動測定装置
　・・・・

量子力学と代数幾何を利用して

超音波振動子の設計

 

量子力学と代数幾何を利用して
超音波を工学的に見直す
　　　（超音波の哲学を追求するために！）

基本的な特性を正しく理解（認識）することがベースです！
分散・非分散や減衰特性などは適応する材料や流体により変わります
さらに各種の境界部分になるとどうなっているのかわかりません

よく見て考えるしかないとおもいます
よく見て考えることが
新しい利用方法になるとおもいます

そのときに、量子力学を少し勉強しておいたほうが
考える効率が高くなるように考えています！！！

超音波の安定した使用が可能になった現状では
次のステップとして解析による新たな展開が必要だと考えました

本格的な、熱・流体・音波の性質としての超音波を追求するときだと思い
数学的なステツプを応用して
「ホモロジー代数」を主体とした新しい手法を試してみたいと研究しています

そこで、複数の論理を共有化した開発に
工学的な固有の個人に依存した方法があるように感じています

追記１
複雑な流体の現象に、超音波の性質を当てはめていく作業が
面白い可能性を生み出しています
蒸気（熱を持った湿った空気）の複雑さは新しい可能性が本当に大きいと思います

追記２
０．自分の問題を持つ意識
１．自分の問題を持つこと
　　問題を見つける
　　問題を生み出す
２．自分の問題を認識する
　　問題そのものの把握・理解
３．検討の継続
４．集中したり忘れたりしている状態でも
　　無意識に考えている
・・・
上記のすべてが、同時にあるように思います
ですから問題を表記するには単語や名詞の羅列が適切なように感じます
補足としては「矢印」や「色」などの利用もあるとおもいます

 

 

第１５回 超音波技術の説明＜超音波洗浄の問題＞

超音波システム研究所

 

＜現状の問題＞

１）　洗浄条件（洗浄物や汚れ）により目的が異なるため

        一般論を利用できない場合がある

同じ材質の同様な汚れでも、

加工方法・製造方法に対する違いにより、汚れの付着状態

が異なり洗浄システムは変わってくる場合がある

２）  超音波メーカの問題

超音波メーカは音圧を中心とした単純な測定値を

洗浄効果に結びつけて提案しているものが多い

超音波メーカは規模（資本、売り上げ、社員数　等）が小さく、

超音波の基礎事項について幅広く研究することは難しい

例　ロシアの超音波資料を十分に活用しているメーカは少ない

３）　製造方法・材料　等の技術進歩により

     洗浄の対象が常に大きく変化している

適切な洗浄を行うためには、

最先端の工学的な技術（機械工学・電気工学・物理学・化学　等）

に対する理解と応用（工夫）が必要である

 

４）　ＩＴ技術に対する取り組みの遅れがある

特に、制御方法と制御による効果の確認技術が大きく遅れている

５）    各メーカ独自の技術に対して

適切な超音波洗浄システムを提案するためには

複合技術を追求していく必要がある

例

固有技術が特殊研磨技術の場合

　　　問題は洗剤や超音波に対する洗浄効果が不明であること

固有技術がオリジナル洗剤の場合

    問題は超音波による化学反応の影響が不明であること

固有技術が高いレベルの機械加工技術の場合　　

問題は高い加工レベルにより

汚れの付着力が強くなる傾向にあること

 

　以上　　第１４回　超音波技術の説明

上記の内容について
　　興味のある方はメールで連絡してください
　　超音波システム研究所

 

第１６回 超音波技術の説明＜論理モデルの作成について＞

＜論理モデルの作成について＞

＜論理モデルの作成について＞
（情報量基準を利用して）

１）各種の基礎技術（注）に基づいて、対象に関する、

D1=客観的知識（学術的論理に裏付けられた洗浄理論）
D2=経験的知識（これまでの洗浄結果）
D3=観測データ（現実の状態）

からなる 「情報データ群 」、DS＝(D1,D2,D3) を明確に認識し
その組織的利用から複数のモデル案を作成する

２）統計的思考法を、
　　情報データ群（DS）の構成と、それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し
　　によって情報獲得を実現する思考法と捉える

３）　AIC の利用により、様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する

４）　作成したモデルに基づいて洗浄装置・洗浄システムを構築する

５）　時間と効率を考え、以下のように対応することを提案します

５－１）「論理モデル作成事項（効果的な超音波洗浄技術について）」を考慮して

　　　　　「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する

５－２）実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する

５－３）検討メンバーが合意できるモデルにより装置やシステムの具体的打ち合わせに入る

 　以上　　第１６回　超音波技術の説明

 

 

 

第１４回 超音波技術の説明

超音波システム研究所

 

第１４回　超音波技術の説明

アルミ部品に取り付けた超音波振動子を利用して

超音波の伝搬状態を測定している様子です

アルミ部品を水中にすべて入れた状態と

一部を入れた状態の違いを検出している様子です

解析結果により

洗浄物の一部を水中に入れる洗浄方法として

応用発展させています

ポイントは

　伝搬状態に関するダイナミック特性を把握することです

　以上　　第１４回　超音波技術の説明