超音波プローブによる、ダイナミック制御システム

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）により、
対象物に伝搬する表面弾性波（超音波振動）の、
非線形振動現象をコントロールする技術を開発しました。

＜＜超音波の非線形振動現象をコントロールする技術＞＞

１）ファンクションジェネレータによる発振制御を
対象物の音響特性に合わせて、
発振出力、波形、変化・・・・・発振条件の設定技術

２）相互作用による、超音波発振出力（電圧）の変化を、制御可能にする
超音波発振制御プローブの、発振面の調整を含めた製造技術

３）１ＭＨｚの発振で、１００メガヘルツ以上の超音波伝搬現象を実現し、
振動変化を、計測可能にする
超音波測定プローブの、非線形共振現象（注）を制御可能にする発振面の調整技術

注：非線形共振現象
超音波の発振制御により発生する１０次以上の高調波の発生を
共振現象により高い振幅で実現させた超音波振動の共振現象

４）スイープ発振条件の最適化技術
音圧レベル、周波数範囲、変化レベルについて、超音波利用の目的に合わせた
ダイナミックは伝搬状態を実現する、スイープ発振条件（注）の設定技術

注：開始周波数、終了周波数、時間、出力、波形、・・・・
複数のスイープ発振の組み合わせを実現する設定・確認方法に関する技術

上記の技術を利用して
目的に合わせた
超音波の伝搬状態をコントロール（最適化）します。

注：対象物の音響特性と超音波の発振制御による相互作用について
非線形現象に関する音圧データの解析評価に基づいて
超音波のダイナミック制御・・・・を行います
（超音波テスターで、音圧の測定・解析・確認・評価を行っています）

この技術を、
精密洗浄・表面改質処理・化学反応実験・・・に用いた結果、
ナノレベル・金属組織レベルの効率の高い超音波システムとして
応用（洗浄・改質・反応制御・・）することが可能となりました。

これは、従来では干渉や共振により減衰すると考えられた状態について
大きな可能性を示した結果です。

２０２４年１０月、現在、
超音波による非線形現象の応用技術は、可能性と実積が増えています。

例１：精密洗浄・超音波加工への利用
例２：表面改質処理・超音波攪拌への利用
例３：材料開発・超音波溶接への利用
例４：超音波熱処理への応用
例５：精密機器の組み立て作業への応用
例６：各種表面処理プロセス（工程）への応用
例７：各種製造装置の保守メンテナンスへの応用
例８：各種溶剤・・を利用する製造機器への応用
例９：その他

興味のある方は、メールでお問い合わせ下さい
技術（特許・ノウハウ）提供を含め、コンサルティング対応します

＜ノウハウ＞
超音波発振に関する、発振（音響）特性
超音波受信に関する、受信（音響）特性
超音波伝搬に関する、伝搬（音響）特性
上記の特性を測定解析（注）により評価して、
適切な組み合わせを利用することがノウハウです

注：音圧測定の時系列データに関して
１：非線形現象の解析（自己相関、バイスペクトル解析）
２：応答特性の解析（インパルス応答、パワー寄与率）

上記に基づいて、
超音波の伝搬現象を、以下のように分類します

＜超音波伝搬特性（音響特性）の分類＞
1：線形型
2：非線形型
3：ミックス型
4：ダイナミック変動型
（　4－1：線形変動型　　4－2：非線形変動型　　4－3：ミックス変動型　）

この分類を、超音波利用目的に合わせて
発振制御条件（スイープ発振条件）として設定します。

環境・条件・・により
複数の発振を組み合わせる場合も同様ですが
相互作用に対する測定確認が不十分だと
ダイナミックな非線形現象は発生しません。

分類の詳細
１：線形型（キャビテーション主体型）
超音波の発振周波数に対して
伝搬状態の主要（最大エネルギー）周波数が
低調波（発振周波数の１／４、あるいは１／２）
から高調波（発振周波数の１倍、・・３倍）の範囲で
若干の変化がある状態

注：低調波（発振周波数の１／８）以下の場合
低周波の共振状態により、不安定な共振と干渉が発生し
安定した状態が実現しない傾向になります

２：非線形型（音響流主体型）
超音波の発振周波数に対して
伝搬状態の主要（最大エネルギー）周波数が
高調波（発振周波数１０倍以上）の範囲で
若干の変化がある状態

注：高調波は、超音波振動子、発振プローブ・・の
表面状態の工夫（特願２０２０－３１０１７　超音波制御）により
発振周波数の１００倍を実現することも可能です

３：ミックス型（キャビテーションと音響流の組み合わせ型）
超音波発振部材の設置方法や接触部材・・・の相互作用により
発振周波数に対して
伝搬状態の主要（最大エネルギー）周波数が
低調波（発振周波数の１／８，１／４、あるいは１／２）
から高調波（発振周波数の１倍、・・１０倍）の範囲で
自然に発生する、大きな変化がある状態

コメント
上記の１，２，３は、基本的な伝搬状態ですが
振動現象が、安定して長時間同じ現象を続けるためには、各種制御・・工夫が必要です
上記の１，２，３は、単調な発振状態を継続すると
周波数の低下や超音波の減衰現象が発生し
超音波の利用効果は小さく、無くなっていきます
そのために、実用的には、変動型を利用することが必要です