共振現象と非線形現象を制御可能にする超音波発振制御プローブ

共振現象と非線形現象を 制御可能にする 超音波発振制御プローブ －－抽象代数モデルと超音波現象の実験・検討サイクル－－ －（共振現象と非線形現象の最適化技術）－ ２０２４．９．２６ 超音システム研究所 斉木 超音波システム研究所は、 オリジナル超音波システム（音圧測定解析・発振制御）による、 超音波伝搬状態の各種解析結果を、 抽象代数モデルに基づいて、超音波振動の相互作用を最適化（注）する、 超音波＜ダイナミック制御＞技術を開発しました。 注：共振現象（低調波）と非線形現象（高調波）を 論理モデルに基づいて発振制御条件の設定によりコントロールする これまでの制御技術に対して、 各種伝搬用具を含めた、超音波振動の伝搬経路全体に関する 新しい測定・評価パラメータ（注）により 超音波利用の目的（洗浄、攪拌、加工・・） に合わせた、 最適な制御状態を設定・実施する技術です。

これは具体的な応用がすぐにできる方法・技術です コンサルティングとして提案・対応しています （ナノレベルの精密洗浄や攪拌実績が増えています） 注：オリジナル技術（超音波の音圧測定解析評価システム）により 水槽、振動子、対象物、治工具・・・の 伝搬状態に関するダイナミックな変化を測定・解析・評価します。 （パラメータ： パワースペクトル、自己相関、バイスペクトル、 パワー寄与率、インパルス応答特性、ほか）

基本的な考え方（現象とモデルの統合） 振動現象の継続により、共振現象が成長することで、 より大きな共振現象の発生とともに 振動波形の崩れ・変化による、共振現象の減衰し、非線形現象が発生します。 非線形現象による振動の伝搬（流れ）が発展すると、伝搬の分布・バラツキによ る非線形現象の小さい部分から、共振現象が生まれ、非線形現象は減衰します。 時間経過とともに、以上の経過を繰り返します。 このサイクルをコントロールすることが 共振現象と非線形現象の最適化技術となります。

この技術を応用して 共振現象と非線形現象の組み合わせを実現する 新しい超音波発振制御プローブの製造方法を開発しました。

超音波洗浄の場合（キャビテーションと音響流に関する無限のプロセス） 超音波を発振する 単調な振動を継続すると、共振現象が発生する （超音波振動による、キャビテーションが共振現象を起こす）－＞ その結果：－＞共振現象が継続して成長すると、非線形現象が発生する （波形の変化・キャビテーションの破壊が起きる）－＞ その結果：－＞音響流が発生する その結果：－＞音響流が継続して成長すると、流れの分布が発生する その結果：－＞流れの小さい部分から、キャビテーションが発生する その結果：－＞キャビテーションが継続すると、共振現象が発生する ・・・ 以上のような、無限のプロセスの測定解析評価により 超音波（キャビテーションと音響流）のダイナミック制御が実現出来る

例 超音波洗浄 標準システム（水槽内の液量 ２０００リットルまでの場合） 超音波とファインバブルで表面改質処理した水槽 （水槽材質は、ステンレスでも、ガラス・塩ビ・アクリル・・でも可能） 脱気ファインバブル発生液循環装置 １台 ＯＮＯＦ制御 ＯＮ：２１３秒 ＯＦＦ：３１秒 ベースとなる超音波振動子 １台 ＯＮＯＦＦ制御 ４０ｋＨｚ ６００Ｗ（出力１５０Ｗ） ＯＮ：５７秒 ＯＦＦ：１７秒 メガヘルツの超音波発振制御プローブ ４本 メガヘルツの超音波発振制御プローブ１ パルス発振 ３ＭＨｚ（出力１０Ｗ） メガヘルツの超音波発振制御プローブ２ スイープ発振 ６０ｋＨｚ～２０ＭＨｚ（出力１２Ｗ） メガヘルツの超音波発振制御プローブ３ パルス発振 １１ＭＨｚ（出力１０Ｗ） メガヘルツの超音波発振制御プローブ４ スイープ発振 ４～２０ＭＨｚ（出力１２Ｗ

例 超音波加工 メガヘルツの超音波発振制御プローブ ２本 メガヘルツの超音波発振制御プローブ１ パルス発振 １３ＭＨｚ（出力１０Ｗ） メガヘルツの超音波発振制御プローブ２ スイープ発振 ５～２０ＭＨｚ（出力１０Ｗ 参考：超音波による表面検査

超音波の伝搬特性 １）振動モードの検出（自己相関の変化） ２）非線形現象の検出（バイスペクトルの変化） ３）応答特性の検出（インパルス応答の解析） ４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

＜＜ 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（発振部の発振）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/ autcor：自己相関の解析関数 bispec：バイスペクトルの解析関数 mulmar：インパルス応答の解析関数 mulnos：パワー寄与率の解析関数

＜＜超音波技術＞＞ 超音波の音圧・振動データから、新しい超音波利用を導く http://ultrasonic-labo.com/?p=1811 抽象代数モデルと超音波現象の実験・検討サイクル http://ultrasonic-labo.com/?p=15065 超音波の非線形現象を評価する技術 http://ultrasonic-labo.com/?p=13919 超音波の音圧測定解析 http://ultrasonic-labo.com/?p=1705 コンサルティング対応＜音圧測定・実験・解析・評価＞ http://ultrasonic-labo.com/?p=15402

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