超音波とマイクロバブルによる表面残留応力緩和技術 （超音波システム研究所 ultrasonic-labo）
小型ポンプによる「音響流の制御技術」
＊＊「流水式超音波システム」＊＊
＊＊流水式超音波のダイナミック制御＊＊
超音波とサイバネティクス（流れの観察） ultrasonic-labo
超音波システム研究所（所在地：東京都八王子市）は、
流れとかたちに関する「コンストラクタル法則」を利用した、
超音波利用（非線形現象の制御）技術を開発しました。
参考動画のような、川の流れの観察をヒントに開発しました。
超音波利用に関して
流れの観察経験により
音響流（超音波の非線形現象）を直感的に
とらえられると考えています。
音響流＜一般概念＞
有限振幅の波が
気体または液体内を伝播するときに、
音響流が発生する。
音響流は、
波のパルスの粘性損失の結果、
自由不均一場内で生じるか、
または
音場内の
障害物（洗浄物・治具・液循環）の近傍か
あるいは
振動物体の近傍で
慣性損失によって生じる
物質の一方性定常流である。
＜参考＞
１）振動について
ロイヤル・インスティテューション １３３回「振動」より
機械工学の重要な一分野のほとんどすべてを、
ここに記述してみようと思っている
【著者】リチャード・ビジョップ
【訳者】中山秀太郎 出版社:講談社（1981年 ブルーバックス Ｂ－４７１）
http://ultrasonic-labo.com/wp-content/uploads/d84ac354211817300e3ef1ba76e64a8d.pdf
２）流れとかたち
すべてのかたちの進化は
流れをよくするという「コンストラクタル法則（constractal-law）」が支配している!
【著者】 エイドリアン・ベジャン Adrian Bejan J. ペダー・ゼイン J. Peder Zane
【訳者】 柴田裕之 【解説者】 木村繁男 出版社:紀伊國屋書店 (2013年)
超音波洗浄機の「流れとかたち・コンストラクタル法則」
http://ultrasonic-labo.com/?p=1779
流れと音と形の観察：コンストラクタル法則
http://ultrasonic-labo.com/?p=7302
３）サイバネティクスはいかにしてうまれたか
【著者】 ノーバート・ウィナー
【訳者】 鎮目恭夫 出版社:みすず書房（1956年）
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絶えず移動するさざ波の塊を研究して、
これを数学的に整理することはできないものだろうか。
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水面をすっかり記述するという
手におえない複雑さに陥らずに、
これらのはっきり目に見える事実を
描き出すことができるだろうか。
波の問題は
明らかに平均と統計の問題であり、
この意味でそれは
当時勉強していた、ルベーグ積分と密接に関連していた
・・・・
私は、自然そのものの中で
自己の数学研究の言葉と問題を
探さねばならないのだということを知るようになった。
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こうして、サイバネティクスの立場から見れば、
世界は一種の有機体であり、
そのある面を変化させるためには
あらゆる面の同一性を
すっかり破ってしまわなければならない
というほどぴっちり結合されたものでもなければ、
任意の一つのことが
他のどんなこととも同じくらいやすやすと
起こるというほどゆるく結ばれたものでもない。
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理想的には、
単振動とは遠い過去から遠い未来まで時間的に
不変に続いている運動である。
ある意味でそれは永遠の姿の下に存在する。
音を発したり、止めたりすることは、
必然的にその振動数成分を変えることになる。
この変化は、小さいかもしれないが、
全く実在のものである。
有限時間の間だけ継続する音符は
ある帯域にわたる多くの
単振動に分解することができる。
それらの単振動のどれか一つだけが
存在するとみる事はできない。
時間的に精密であることは
音の高さがいくらかあいまいであることを意味し、
また音の高さを精密にすれば
必然的に時間的な区切りがつかなくなる。
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上記を参考・ヒントにして
超音波伝播現象における
「非線形現象」を測定・解析・評価・利用（制御）する技術を
流れをよくするという「コンストラクタル法則（constractal-law）」で
整理することで、超音波技術にまとめています。
超音波システム研究所は、
超音波の非線形性に関する「測定・解析・制御」技術を応用した、
対象物の表面を伝搬する表面弾性波の
ダイナミック特性を解析・評価する技術により、
洗浄物・治工具・超音波振動子・水槽・液循環・・に関する、
相互作用を＜目的に合わせて最適化＞する技術を開発しました。
超音波発振制御プローブ、超音波テスターを利用したこれまでの
発振・計測・解析により
各種の関係性・応答特性(注）を検討することで
超音波利用に関する出力の最適化技術として開発しました。
注：パワー寄与率、インパルス応答・・・
超音波の測定・解析に関して
サンプリング時間・・・の設定は
オリジナルのシミュレーション技術を利用しています
なお、今回の技術を
超音波システムの出力制御の最適化技術として
コンサルティング対応しています。
超音波水槽に超音波振動子（振動板）を1台使用する場合には
＜超音波＞と＜水槽＞と＜液循環＞のバランスによる
最適な出力状態を測定解析し、提案します。
超音波水槽に複数の超音波振動子（振動板）を使用する場合には
各超音波出力の関係性を測定解析し、
最適化した出力方法・・・を提案します。
従来は、最大出力で使用する傾向が強いと思いますが
水槽の強度・構造・・・洗浄物・付着した汚れ・・・により
出力を適切に抑えることで
効果的な超音波の伝搬状態を実現させることができます
（具体例として、出力が水槽の振動と騒音になる傾向があります
振動子と水槽の側面からの反射・・・に関する相互作用は重要です
共振やうねりによる効率の低下を避けるために出力の最適化が必要です）
超音波出力の最適化技術による結果
１：精密洗浄、ナノレベルの攪拌・・・において
低出力のメガヘルツ超音波刺激が効果的である
２：周波数５０ｋＨｚ以下で、出力６００Ｗ以上の超音波使用の場合
対象物の音響特性により、対象の表面に対して
超音波刺激（振動）が、ほとんど発生しない事例が多数ある
３：洗浄物と超音波（出力・周波数）と洗浄液（液循環・・）に関する
最適化が行われていないため
洗浄効果につながる非線形現象が起きていない
（洗浄効果の小さい超音波洗浄機の事例
低周波の共振現象による騒音や液面の振動現象になっている）
４：周波数５０ｋＨｚ以下で、出力６００Ｗ程度の超音波使用の場合
メガヘルツ超音波との組み合わせによる
相互作用をコントロールすることが効果的である
５：現状の超音波振動子の多くが、発振面に対する取り組みが少ない
単純な発振面は、一定の出力レベルが必要となるため、
超音波伝搬効率が悪い
（振動面の形状が悪いと、さらに超音波の伝搬効率は低下する
発振周波数・出力に合わせた設計が必要）
６：対象ブルを伝搬する超音波の刺激は、
対象物の音響特性により大きく変わる
主要パラメータ
（構造と強度バランス）
６－１）音圧レベルと振動モードの関係
６－２）超音波の送受信による応答特性
６－３）振動モードの時間特性（時間経過に伴う振動モードの変化）
６－４）対象物の固有振動モード（あるいは固有振動数）
７：対象物の音響特性確認により
対象物の材質による、超音波伝搬特性の利用が可能になる
７－１）間接容器の材質との組み合わせ
７－２）音圧レベルと伝搬周波数の最適化
７－３）媒体（洗浄液・・）の流れによる相互作用の調整
オリジナル実験：超音波発振プローブを利用した超音波制御技術 ultrasonic-labo
超音波システム研究に関する動画・スライドを投稿しています ultrasonic-labo
メガヘルツの超音波発振制御プローブを利用した実験動画 ultrasonic-labo
表面弾性波の利用技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=7665
オリジナル超音波技術によるビジネス対応
http://ultrasonic-labo.com/?p=9232
小型ポンプを利用した「流水式超音波制御技術」を開発 no.2
（超音波テスターによる＜測定・解析・制御＞の応用技術）
超音波システム研究所は、
小型ポンプを利用した液循環により
超音波（音響流）の伝搬状態をダイナミックに制御する
「流水式超音波（音響流）制御技術」を開発しました。
超音波テスターによる
流れの変化と超音波の変化を
水槽・液体（マイクロバブル）・超音波振動子・・・
の相互作用を含めた音圧解析により
目的に合わせた
音響流の変化を利用可能にするシステム技術です。
実用的には、
現状の液循環装置について
ＯＮ／ＯＦＦ制御（あるいは流量・流速・・・の制御）を
装置の設置状態、対象物を含めた表面弾性波を考慮した
構造・強度・・・による相互作用・振動モードを最適化する方法です。
特に、ギアポンプの特性により
液体と気体を交互に循環させることにより
新しい超音波・マイクロバブルの効果を実現しています。
より発展的には
「流水式超音波システム」として
メガヘルツまでの周波数変化を含めた「超音波シャワー」や
低出力の超音波による１０ｍサイズの水槽への超音波刺激・・・
様々な応用が可能です。
－今回開発したシステムの応用実施事例－
ガラス・レンズ部品の精密洗浄（超音波シャワー技術）
複雑な形状・線材・真空部品・・・の表面改質（共振現象の制御技術）
溶剤・洗剤・・・・の化学反応（超音波と流れによる攪拌）
ナノレベルの粉末・塗料・触媒・・・攪拌・分散（表面弾性波の制御技術）
めっき・コーティング・表面処理・・・
・・・・・・・
上記の技術は、音圧（非線形現象）測定・解析に基づいた、
有限な場合の、表面弾性波と流体の流れに関して
実績・データ・・・からの評価・応用として
開発した新しい方法です。
興味のある方は、メールでお問い合わせください
■参考動画
超音波システム研究に関する動画・スライドを投稿しています
超音波システム研究所（所在地：東京都八王子市）は、
超音波伝搬状態のコントロールに関して、
ファンクションジェネレータと組み合わせることで、
１－１００ＭＨｚの超音波伝搬状態を利用可能にする
メガヘルツの超音波発振制御プローブを開発しました。
超音波伝搬状態の測定・解析・評価技術に基づいた、
精密洗浄・加工・攪拌・検査・・への新しい応用技術です。
各種材料の音響特性（表面弾性波）の利用により
２０Ｗ以下の超音波出力で、３０００リッターの水槽でも、
数トンの構造物、工作機械、・・への超音波刺激は制御可能です。
弾性波動に関する工学的（実験・技術）な視点と
抽象代数学の超音波モデルにより
非線形現象の応用方法として開発しました。
ポイントは
超音波素子表面の表面弾性波利用技術です、
対象物の条件・・・により
超音波の伝搬特性を確認（注１）することで、
オリジナル非線形共振現象（注２、３）として
対処することが重要です
注１：超音波の伝搬特性
非線形特性
応答特性
ゆらぎの特性
相互作用による影響
注２：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
注３：過渡超音応力波
変化する系における、ダイナミック加振と応答特性の確認
時間経過による、減衰特性、相互作用の変化を確認
上記に基づいた、過渡超音応力波の解析評価
