超音波伝搬現象の分類２

超音波の音圧測定解析に基づいた、超音波伝搬現象の分類　

超音波システム研究所は、
超音波伝搬状態の測定・解析により、
超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発・応用しています。

この分類方法は、
超音波の伝搬状態に関する
主要となる周波数（パワースペクトル）の
ダイナミック特性（非線形現象：バイスペクトルの変化）により
線形・非線形の共振状態を測定解析評価する技術に基づいています。

これまでの音圧データの測定解析から
超音波利用に関する伝搬状態を
以下のような
４つのタイプに分類することができました。

１：線形型
２：非線形型
３：ミックス型
４：変動型

さらに変動型は、以下のような
３つのタイプに分類することができました。
１：線形変動型
２：非線形変動型
３：ミックス変動型（ダイナミック変動型）

上記の各タイプに基づいた装置開発・制御設定・検査・・・
超音波技術の応用に関して成功事例が増えています。

特に、
安定性・変化の状態・・・に関して
周波数成分による詳細な分類により、
目的と効果に対する、効率のよい
各種制御条件の設定・調整が可能になりました。

さらに、洗浄に関しては
汚れの特性やバラツキに関する情報が得られにくいため
このような分類をベースに実験確認することで
効果的な超音波制御が、実現しています。

その他の応用事例
超音波洗浄機の評価、超音波振動子の評価、・・・
超音波加工・溶接・曲げ・・・振動現象の制御
超音波による化学反応促進・抑制（例　めっき）処理
表面を伝搬する超音波振動の特性による表面検査・表面処理
液体・気体・弾性体（粉末・・）に対する
超音波（攪拌・乳化・分散・粉砕・表面の均一化・・・・）処理
その他

この分類の本質的なアイデアは、
超音波の音圧データの解析結果（バイスペクトル）のデータ群を、
抽象代数学の「導来関手」に適応させるということです。

抽象的ですが、超音波の伝搬状態を計測解析するなかで
非線形現象（バイスペクトル）に関する、対応・制御事例から
時間経過とともに変化する状態を捉えるために
「導来関手」とスペクトルシーケンスの関係を
線形・非線形の共振現象に対応した超音波の伝搬空間変化として、
（複体の変化と考え）分類しています。

その結果、超音波システム研究所の「非線形制御技術」は、
この方法による、
具体的な技術（例　超音波制御システム）として実現しています。

応用技術の可能性として
非線形性の発生状態に関する研究開発を進めています。
「超音波利用の最も大きな効果が、
非線形現象による伝搬状態の変化にある」
という考え方が一歩進んだと考えています。

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（特開2021-125866）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
下記分類にある状態を利用することが実用的です