スイープ発振とパルス発振を組み合わせた超音波の非線形発振システム

超音波システム研究所は、
表面弾性波の非線形振動現象を利用した
スイープ発振とパルス発振の組み合わせによる
超音波の発振制御技術を開発しました。

２種類の超音波発振制御プローブにより、
利用目的と相互作用の測定・解析確認に基づいた
スイープ発振とパルス発振の条件設定（注）を行います。

注：波形、出力、制御、・・・プローブ、取り付け方法、伝搬環境・・

対象物や水槽、治工具・・の固有振動数や
システムの振動系を考慮した、
低周波の共振現象を適切に利用することで
１０Ｗ以下の出力でも
３０００－５０００リットルの水槽内に
高い音圧の超音波を伝搬させることが可能になります。

超音波の音圧に関するダイナミック変化と同時に、
非線形現象として、
１ＭＨｚの発振に対する
１０次、３０次、１００次・・の高調波の発生もコントロール可能です。

ポイントは、音圧データの測定・解析に基づいた
システムのダイナミックな振動特性を評価することです。
評価に基づいた、スイープ発振・パルス発振条件の組み合わせにより、
目的に適した超音波伝搬状態のダイナミック特性を示す
新しい評価基準（パラメータ）として、開発・確認（注）しました。

注：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）

注：解析には下記ツールを利用します
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

統計数理の考え方を参考に
対象物の音響特性・表面弾性波を考慮した
オリジナル測定・解析手法を開発することで
振動現象に関する、詳細な各種効果の関係性について
新しい技術として開発しました。

詳細な、スイープ発振とパルス発振・・・の設定条件は
超音波プローブや発振機器の特性も影響するため
実験確認に基づいて決定します。

その結果、
超音波の伝搬状態と対象物の表面について
新しい非線形パラメータが大変有効である事例が増えています。

複数の超音波プローブによる各種伝搬条件の組み合わせは、
以下の項目を目的に合わせて最適化します。

１）線形現象と非線形現象
２）相互作用と各種部材の音響特性
３）音と超音波と表面弾性波
４）低周波と高周波（高調波と低調波）
５）発振波形と出力バランス
６）発振制御と共振現象（オリジナル非線形共振現象（注１））
・・・
上記について
音圧測定データに基づいた
統計数理モデル（スペクトルシーケンス　（注２））により
表面弾性波の新しい評価方法で最適化します。

（注１）オリジナル非線形共振現象
オリジナル発振制御により発生する高次の高調波を
ダイナミックな時間経過の変化で発生する共振現象により
高い振幅で高い周波数を実現させたことで起こる
超音波振動の共振現象

（注２）超音波の変化を、抽象代数の圏論やコホモロジーの
スペクトルシーケンスに適応させるといった
オリジナル方法を利用した表現（統計数理モデル）