超音波の伝搬現象について

超音波伝搬特性（音響特性）の分類に基づいた、超音波発振制御技術

超音波システム研究所は、
オリジナル超音波実験（対象物の超音波伝搬状態の測定解析）により、
以下の事項を確認し、様々な応用・コンサルティングに利用しています。

1）伝搬する音圧レベルは、対象の共振状態が主要因である
（共振現象は、対象の固有振動数の影響が大きいので、強度が重要になる）

2）伝搬する周波数は、対象の表面状態と端部が主要因である
（小さなバリ、キズ・・により高い周波数（高調波）の発生が起きるが
低周波の共振現象で高調波は減衰する）

3）最も重要な事項は、
対象の構造による、伝搬する超音波の変化である
（単純な構造は共振現象による振動モードの変化が発生し、
複雑な構造では、非線形現象による高調波の変化が発生する。
しかし、均一な構造の実現は難しいため、単純な構造と複雑な構造の各部分が
相互に影響した複雑な変化が起きる
従って、変化を測定し、各作用を解析評価することが重要になる）

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＜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（共振現象が発生し続ける）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、一定の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（低周波の共振現象）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