超音波実験 Ultrasonic experiment （超音波システム研究所 ultrasonic-labo）
小型ポンプを利用した「流水式超音波制御技術」 ultrasonic-labo
超音波システム研究所は、
超音波制御により表面弾性波を利用した、
応用技術を開発しました。
超音波とマイクロバブルと表面弾性波の組み合わせにより
ダイナミックな超音波伝搬制御を実現します。
ポイントは
音響流と表面弾性波をマイクロバブル流水を媒体として
超音波の非線形現象を
効率の高い状態で制御可能にします。
上記の具体的な技術として
水槽・治工具・・・と超音波の相互作用による
非線形現象（バイスペクトル）を
目的（洗浄、攪拌、応力緩和・・）に合わせて制御する
システム技術を開発しました。
超音波の伝搬状態の測定・解析技術を利用した結果、
高調波の制御を実現していること
非線形現象を調整できることを確認しています。
システムの音響特性を
（測定・解析・評価）確認して対応することがノウハウです
超音波システム技術 Supersonic wave System technology
超音波システム研究所は、
超音波利用に関して、
＜統計的な考え方＞を利用した
効果的な「測定・解析・評価方法」に関する技術を開発しています。
＜統計的な考え方について＞
統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
具体的なものとの接触を通じて
抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
これが統計数理の特質である
超音波の研究について
「キャビテーションの効果を安定させるには統計的な見方が不可欠」
＜モデルについて＞
モデルは対象に関する理解、予測、制御等を
効果的に進めることを目的として構築されます。
正確なモデルの構築は難しく、
常に対象の複雑さを適当に"丸めた"形の表現で検討を進めます。
その意味で、
モデルの構成あるいは構築の過程は統計的思考が必要です。
＜モデルと現状のシステムとの関係性について＞
( 考察する場合の注意事項 )
１）先入観や経験は正しくないことがあると考える必要があります
２）モデルの本質を考えるためには、
圏論（注）を利用することが有効だと考えています
（実際に応用化学や量子論などで積極的に利用されています）
注：圏論は、数学的構造とその間の関係を抽象的に扱う数学理論
＜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理論）
D2=経験的知識（これまでの結果）
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
超音波装置・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ています
５－１）「論理モデル作成事項」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
上記の参考資料
１）ダイナミックシステムの統計的解析と制御
：赤池弘次/共著 中川東一郎/共著：サイエンス社
２）生体のゆらぎとリズム コンピュータ解析入門
：和田孝雄/著：講談社
ポイントは
表面弾性波の利用です、
対象物の条件・・・により
超音波の伝搬特性を確認することで、
オリジナル非線形共振現象（注１）として
対処することが重要です
注１：オリジナル非線形共振現象
オリジナル発振制御により発生する高調波の発生を
共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
超音波振動の共振現象
様々な分野への利用が可能になると考え
各種コンサルティングにおいて提案しています。
音圧測定装置：超音波テスターを利用した実験動画 ultrasonic-labo
超音波（キャビテーションと音響流）のダイナミック制御 ultrasonic-labo
超音波システム研究所は、
超音波の制御を効率行うことができる
＜＜脱気マイクロバブル発生液循環装置＞＞の製造・開発方法・・を
コンサルティング対応しています。
＜＜脱気マイクロバブル（ファインバブル）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
マイクロバブルを超音波が分散・粉砕して
マイクロバブルの測定を行うと
ナノバブルの分布量がマイクロ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。
超音波液循環技術の説明
１）超音波専用水槽（オリジナル製造方法）を使用しています。
（材質は、樹脂・ステンレス・ガラス・・対応可能です）
２）水槽の設置は
１：専用部材を使用
２：固有振動と超音波周波数・出力の最適化を行っています。
（水槽の音響特性に合わせた対応を実施します）
３）超音波振動子は専用部材を利用して設置しています
（専用部材により、定在波、キャビテーション、音響流の
利用状態を制限できます）
４）脱気・マイクロバブル発生装置を使用します。
（標準的な、溶存酸素濃度は５－６ｍｇ／ｌ）
５）水槽と超音波振動子は表面改質を行っています。
上記の設定とマイクロバブルの拡散性により
均一な洗浄液の状態が実現します。
均一な液中を超音波が伝搬することで
安定した超音波の状態が発生します。
この状態から
目的の超音波の効果（伝搬状態）を実現するために
液循環制御を行います
（水槽内全体に均一な音圧分布を実現して、
超音波、脱気装置、液循環ポンプ、・・の運転制御がノウハウです）
目的の超音波状態確認は音圧測定解析（超音波テスター）で行います。
ポイントは
適切な超音波（周波数・出力）と液循環のバランスです
液循環の適切な流量・流速と超音波キャビテーションの設定により
超音波による音響流・加速度効果の状態をコントロールします。
マイクロバブルの効果で
均一に広がる超音波の伝搬状態を利用します。
液循環により、以下の自動対応が実現しています。
溶存気体は、水槽内に分布を発生させ
レンズ効果・・・の組み合わせにより、超音波が減衰します。
適切な液循環による効率の良い超音波照射時は、
大量の空気・・が水槽内に取り入れられても
大きな気泡となって、水槽の液面から出ていきます。
しかし、超音波照射を行っていない状態で
オーバーフロー・・により
液面から空気を取り込み続けると、超音波は大きく減衰します。
この空気を取り入れる操作は必要です
多数の研究報告・・がありますが
液循環の無い水槽で、長時間超音波照射を行い続け
溶存気体の濃度が低下すると
音圧も低下して、キャビテーションの効果も小さくなります。
（説明としては、キャビテーション核の必要性が空気を入れる理由です
液面が脱脂油や洗剤の泡・・・で覆われた場合も空気が遮断され
同様な現象になります）
さらに、
超音波照射により、脱気は行われ
溶存気体の濃度は低下して、分布が発生します
単純な液循環では、この濃度分布は解消できません。
この濃度分布の解決がマイクロバブルの効果です。
脱気・マイクロバブル発生液循環が有効な理由です。
注：
オリジナル装置（超音波測定解析システム：超音波テスター）による
音圧測定解析を行い
効果の確認を行っています。
上記の液循環状態に対して
超音波プローブによるメガヘルツの超音波発振制御を行うことで
超音波の非線形現象が幅広い周波数帯で発生するとともに
ダイナミックな超音波の変化を実現します。
気体の流量・流速分布・・・を適切に設定することで
目的に合わせた、非線形現象を発生させることができます。
＜脱気・マイクロバブル発生液循環システム＞による非線形制御技術
＜＜キャビテーションのコントロール＞＞
超音波システム研究所は、
目的に合わせた効果的な超音波のダイナミック制御を実現する、
＜脱気・マイクロバブル発生液循環システム＞に関して
メガヘルツの超音波発振制御とのくみあわせにより
超音波の非線形現象をコントロールする技術を開発しました。
＜音響流とキャビテーションのバランスを最適化する＞
１）洗浄液が淀まない洗浄水槽を使用する
２）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）振動子の上面の洗浄液の流れを調節する
（流量・流速・バラツキをコントロールする）
５）超音波の周波数と出力にあわせた液循環を行う
６）機械設計としての洗浄水槽の強度は超音波周波数に対して設定する
７）洗浄水槽の製造方法を明確にして、超音波の水槽による減衰レベルを設定する
８）流体に対する洗浄水槽の特性を明確にする（例 コーナー部の設計）
９）超音波の周波数・出力に対する洗浄水槽の特性を明確にする
（振動子・振動板の位置と水槽の関係を調整する
洗浄水槽の超音波伝播特性を明確にする）
１０）洗浄システムとしての制御構造などとの最適化を行う
以上のパラメータを念頭に超音波洗浄を検討する（あるいは、現状の洗浄を見直す）
コメント
音響流とキャビテーションは相反する現象だと考えています
しかし、どちらかをなくすことは大変難しいため
バランスを調整し、最適化することが重要だと考えています
表面弾性波を利用した超音波制御技術 ultrasonic-labo
