水槽と超音波と液循環に関する最適化・評価技術

水槽と超音波と液循環に関する 最適化・評価技術 －－共振現象と非線形現象の最適化技術－－ 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から、 共振現象と非線形現象を制御可能にする超音波伝搬システムについて、 目的に合わせて非線形現象を最適化する技術を開発しました。 さらに、上記の技術を発展させ、 水槽と超音波と液循環に関する キャビテーションと音響流の最適化・評価技術を開発しました。

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、 超音波のダイナミックな伝搬状態を実現する技術です。 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 （超音波加工、ナノレベルの精密洗浄、攪拌。・・実績が増えています） 注：オリジナル技術製品（超音波の音圧測定解析システム）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、非線形現象の発生が起きます。 非線形現象による振動の伝搬（流れ）が発展すると 伝搬状態のダイナミックな変化により、 共振現象と非線形現象の複雑な状態になります。 時間経過とともに、以上の経過を繰り返す中で、 振動系としてのシステムによる、固有の振動モードが発生します。 この振動モード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技術（注）を開発しました。 注：共振型伝搬システム、非線形型伝搬システム

超音波洗浄の場合 共振型伝搬状態：キャビテーションモード 非線形型伝搬状態：音響流モード 上記の振動モードに関する無限のプロセス 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ます。

例 超音波洗浄 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（４０％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 ７．７ＭＨｚ（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 ７ＭＨｚ～２０ＭＨｚ（出力１２Ｗ） 追加対応 メガヘルツの超音波発振制御プローブ３ パルス発振 １１．３ＭＨｚ（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 ５００ｋＨｚ～１３ＭＨｚ（出力１２Ｗ）

例 超音波攪拌 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（３０％出力１８０Ｗ） ＯＮ：４３秒 ＯＦＦ：１４秒 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 １５．３ＭＨｚ（出力１３Ｗ） 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～１８ＭＨｚ（出力１２Ｗ）

例 超音波加工・溶接 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 ８～２０ＭＨｚ（出力１０Ｗ）

超音波洗浄機の測定・解析事例 グラフ青：洗浄液の音圧 グラフ赤：水槽表面（装置のフレーム表面）の音圧 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）超音波発振による、発振部が発振による影響を 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。 バイスペクトルは、以下のように 周波数 f1、f2、f1 + f2 のスペクトルの積で表すことができる。 B( f1 , f2 ) = X( f1 )Y( f2 )Z( f1 + f2 ) 主要周波数が f1であるとき、 f1 + f1 = f2、f1 + f2 = f3 で表される f2、f3という周波数成分が存在すればバイスペクトルは値をもつ。 これは主要周波数 f1の 整数倍の周波数成分を持つことと同等であるので、 バイスペクトルを評価することにより、高調波の存在を評価できる。 注：「R」フリーな統計処理言語かつ環境 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

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