音圧測定解析に基づいた、超音波洗浄機の最適化技術ーー非線形現象の制御技術ーー2.00

超音波システム研究所は、
超音波の制御を効率良く行うことができる
＜＜脱気ファインバブル（マイクロバブル）発生液循環装置＞＞による
超音波洗浄機の製造・開発方法・・をコンサルティング対応しています。

超音波洗浄機（脱気ファインバブル発生液循環システム）
－－超音波洗浄システム　KT0600K－－

１）洗浄槽
　材質　　　　：ＳＵＳ３０４（ｔ＝　３．０ｍｍ　）
　寸法（内寸）：Ｗ５３０×Ｄ５３０×Ｈ３７０ｍｍ

２）液循環
　脱気ファインバブル発生液循環システム
　公称流量 １２－３０Ｌ／ＭＩＮ

３）超音波（電源：ＡＣ　１００Ｖ）ＭＵ－３００
　振動子サイズ　２６０＊１５０＊９０ｍｍ
　発振機サイズ　３２０＊４２０＊１４５ｍｍ
　周波数　１）　２８ｋＨｚ　　出力　３００Ｗ（ＭＡＸ）
　周波数　２）　４０ｋＨｚ　　出力　３００Ｗ（ＭＡＸ）
　周波数　３）　７２ｋＨｚ　　出力　３００Ｗ（ＭＡＸ）


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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・・・させる制御設定技術

２）超音波発振電圧の変化を、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）１００メガヘルツの超音波振動変化を、計測可能にする
　超音波測定プローブの、発振面の調整を含めた製造技術

４）スイープ発振条件の最適化技術

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）

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超音波システム研究所は、
複数の異なる周波数の「超音波振動子」を利用する技術を開発しました。

この技術は
　定在波の制御技術に加え、
　各超音波振動子の出力を調整することで、
　キャビテーションと加速度の非線形効果を
　目的に合わせて変化させるという技術です。

周波数４０ｋＨｚ、出力５０Ｗの超音波振動子を利用して、
　１ミリの金属を1ミクロンの分散状態にすることも、
　ダメージを発生させずに洗浄することも可能です。

オリジナルの超音波伝搬状態の測定・解析技術により、
　振動子の固有の特徴に合わせた、
　超音波利用技術として、各種を確認しています。

これは、新しい超音波技術であり、
　超音波のダイナミック特性による一般的な効果を含め
　新素材の開発、攪拌、分散、洗浄、化学反応実験・・・
　に大きな特徴的な固有の操作技術として、
　　利用・発展できると考えています。

超音波の伝搬特性
１）振動モード（自己相関の変化）
２）非線形現象（バイスペクトルの変化）
３）応答特性（インパルス応答の解析）
４）相互作用（パワー寄与率の解析）

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＜＜脱気ファインバブル発生液循環装置＞＞

１）ポンプの吸い込み側を絞ることで、キャビテーションを発生させる。
２）キャビテーションにより溶存気体の気泡が発生する。
上記が脱気液循環装置の状態。

３）溶存気体の濃度が低下すると
キャビテーションによる溶存気体の気泡サイズが小さくなる。
４）適切な液循環により、
20μ以下のファインバブルが発生する。
上記が脱気マイクロバブル発生液循環装置の状態。

５）上記の脱気ファインバブル発生液循環装置に対して
超音波を照射すると
ファインバブルを超音波が分散・粉砕して
ファインバブルの測定を行うと
ウルトラファインバブルの分布量がファインバブルの分布量より多くなる
上記の状態が、超音波を安定して制御可能にした状態。

６）超音波を安定して制御可能な状態に対して
オリジナル製品：メガヘルツの超音波発振制御プローブにより
メガヘルツ（１－２０ＭＨｚ）の超音波を発振制御する。
音圧レベルの制御方法は、液循環とメガヘルツの超音波の
オリジナル非線形共振現象をコントロールすることで
効果的なダイナミック状態に設定・制御する。
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超音波システム研究所は、
　超音波の発振制御による、表面弾性波の伝搬状態について
　低周波と高周波の組み合わせによる
　共振現象・非線形現象をコントロールする技術を開発しました。
　新しい超音波伝搬部材（ステンレス線、チタン製ストロー・・）
　の利用により、目的に合わせた効率の高い超音波利用が可能になります。

超音波テスターの音圧データの測定解析により
　表面弾性波の複雑な変化を、
　利用目的に合わせて、コントロールするシステム技術です。

実用的には、
　複数（２種類）の超音波プローブによる
　複数（２種類）の発振（スイープ発振、パルス発振）が
　複雑な振動現象（オリジナル非線形共振現象）を発生させることで
　高い音圧で高い周波数の伝搬状態、あるいは、
　目的の固有振動数に合わせた低い周波数の伝搬状態を実現します。

特に、水槽やポンプ・・振動特性とメガヘルツ超音波の最適化により、
　効率の高い超音波制御
　（３０Ｗ出力で、３０００リットルの洗浄液に伝搬）を実現します。
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超音波システム研究所は、
　流れとかたちに関する「コンストラクタル法則」を利用した、
　超音波洗浄技術を開発しました。

＜参考＞
１）振動について
ロイヤル・インスティテューション １３３回「振動」より
機械工学の重要な一分野のほとんどすべてを、
ここに記述してみようと思っている
【著者】リチャード・ビジョップ　
【訳者】中山秀太郎　　講談社（1981年　Ｂ－４７１）

２）流れとかたち
　すべてのかたちの進化は
　流れをよくするという「コンストラクタル法則」が支配している!
【著者】　 Adrian Bejan　　 J. Peder Zane
【訳者】　柴田裕之　【解説者】　木村繁男　　紀伊國屋書店 (2013年)

３）サイバネティクスはいかにしてうまれたか
【著者】　ノーバート・ウィナー　
【訳者】　鎮目恭夫　　みすず書房（1956年）

上記を参考・ヒントにして
　超音波伝播現象における
　「非線形効果」を測定・利用する技術を
　流れをよくするという「コンストラクタル法則」で
　整理することで、超音波洗浄技術にまとめています。
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超音波システム研究所は、
　超音波の伝搬現象に関する測定・解析・評価技術に基づいて、
　超音波加工、攪拌、化学反応・・にも利用可能な、
　ファインバブルを利用した超音波洗浄機を開発しました。


推奨システム概要

１：超音波とファインバブルによる表面改質処理を行った
　　超音波振動子

２：超音波とファインバブルによる表面改質処理を行った
　　超音波専用水槽

３：脱気・ファインバブル（マイクロバブル）発生液循環システム

４：制御装置による、超音波と液循環の最適化制御システム

５：超音波テスターによる、音圧管理システム


注意：水槽・振動子・治工具については、エージング処理により
　　　音響特性の調整対応が可能です

＊特徴

超音波専用水槽による効果的な洗浄装置です

効率の高い超音波利用により
通常の水槽では強度・耐久性が不十分となります
（通常の水槽を、超音波とファインバブルで表面改質対応します）

洗浄・攪拌・表面改質・・・対象と目的により
超音波（キャビテーション・音響流）を制御します


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超音波プローブによる測定システムです。
　超音波プローブを対象物に取り付けて発振・測定を行います。
　測定したデータについて、
　位置・状態・弾性波動を考慮した解析で、
　各種の音響性能として検出します。

特徴（仕様）
　　＊測定（解析）周波数の範囲
　　　仕様　０．１Ｈｚ　から　2００ＭＨｚ
　　＊超音波発振
　　　仕様　１Ｈｚ　から　１ＭＨｚ
　　＊表面の振動計測が可能
　　＊24時間の連続測定が可能
　　＊任意の２点を同時測定
　　＊測定結果をグラフで表示
　　＊時系列データの解析ソフトを添付

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：「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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超音波システム研究所は、
超音波振動の測定・解析システムを、２０１２年４月より、製造販売しています。

測定したデータについて、弾性波動を考慮した解析で、
　超音波の非線形現象（音響流）やキャビテーション効果を
　グラフにより目視確認できるようにしたシステムです。

複雑に変化する超音波の利用状態について、「非線形現象」を考慮するために、
　時系列データの自己回帰モデルによる、自己相関・バイスペクトルを解析して
　その変化・・・・を、評価・応用しています

目的に応じた新しい利用方法を多数実現しています

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（インパルス応答特性の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

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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超音波システム研究所は、
超音波の伝搬状態に関する計測・解析技術を応用して、
超音波専用水槽の設計・製造技術を開発しました。

今回開発した技術により
　水槽の最大長さ：３ｃｍ（液量５ｃｃ）～
　　　　　　　６００ｃｍ（液量８０００リットル）の
　超音波専用水槽に対して、
　超音波洗浄や表面改質・・・に適した
　超音波の利用効率、キャビテーションと音響流のダイナミック制御、
　対象物への伝搬状態・・・を利用目的に合わせて実現出来ます。

従来の水槽（あるいは振動子）設計や製造においては
　音響特性に対する考慮が十分でないために、
　振動の干渉・減衰による不均一・不安定な事象により
　超音波の寿命・水槽のトラブル・・・が起きやすい傾向があります。

この技術は、
　現状の水槽・振動子・・に対しても
　問題点（洗浄液の各種分布、水槽・振動子の設置方法）を検出し
　改善・改良を行うことができます。

ーー提供ノウハウーー
0）装置の設計・製造方法
1）超音波のＯＮＯＦＦ制御
2）液循環のＯＮＯＦＦ制御
3）最適化ノウハウの提供
4）メガヘルツ超音波の利用方法
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超音波システム研究所は、
　対象物の表面を伝搬する超音波データの解析実績から
　メガヘルツの超音波発振による、新しい表面検査技術を開発しました。

この技術を利用して、洗浄対象物の超音波伝搬特性評価を行い
　効果的な、超音波洗浄機の制御・周波数・出力レベル・・・について
　報告書にまとめ提案します。

超音波プローブの発振制御による
　「音圧・振動」測定・解析技術を応用した方法です。

対象物の表面を伝搬する振動モードに合わせた
　オリジナル超音波プローブを使用することで、
　狭い溝やエッジ部に伝搬する超音波の伝搬状態を確認します。

さらに、オリジナルの発振制御により
　低周波の伝搬特性や非線形性による高調波の発生状態について
　ダイナミック特性として測定解析評価します。

新しい超音波発振制御技術の応用です。
　対象物の音響特性に合わせた、
　メガヘルツの超音波伝搬状態に関する非線形現象を利用することで
　対象物に関する固有の音響特性を検出することが可能です。

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超音波システム研究所（所在地：東京都八王子市）は、
　小型ポンプを利用した液循環により
　超音波（音響流）の伝搬状態をダイナミックに制御する
　「流水式超音波（音響流）制御技術」を開発しました。

超音波テスターによる
　流れと超音波の複雑な変化を、
　水槽・液体（マイクロバブル）・超音波振動子・・・
　の相互作用を含めた音圧解析により
　利用目的に合わせて、
　音響流の変化をコントロールするシステム技術です。

実用的には、
　現状の液循環装置について
　ＯＮ／ＯＦＦ制御（あるいは流量・流速・・・の制御）を
　装置の設置状態、対象物を含めた表面弾性波を考慮して
　各種相互作用・振動モードを最適化する方法です。

特に、ポンプの特性を利用して、
　液体と気体を交互に循環させる・・・により
　新しい超音波・マイクロバブルの効果を実現しています。

ナノレベルの応用では、
　「流水式超音波システム」として
　３００メガヘルツまでの周波数変化を含めた
　「超音波シャワー」による
　効率の高い超音波利用が実現しています。

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超音波システム研究所は、
　多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析技術を応用した、
　「超音波の伝搬状態を測定・解析・評価する技術」を利用して
　超音波利用に関するコンサルティング対応を行っています。

超音波テスターを利用したこれまでの
　計測・解析・結果（注）を時系列に整理することで
　目的に適した超音波の状態を示す
　新しい評価基準（パラメータ）を設定・確認します。

注：
　非線形特性（音響流のダイナミック特性）
　応答特性
　ゆらぎの特性
　相互作用による影響

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
　新しい理解を深めています。

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による
　実績が増えています。

特に、洗浄・加工・表面処理効果に関する評価事例・・
　良好な確認に基づいた、制御・改善・・・が実現します。

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超音波システム研究所は、
超音波制御により表面弾性波を利用した、
応用技術を開発しました。

超音波と表面弾性波の組み合わせにより
　ダイナミックな超音波伝搬制御を実現します。

ポイントは
　表面弾性波による非線形現象を
　効率の高い状態で制御可能にする
　設定です。

上記の具体的な技術として
　水槽・治工具・・・と超音波の相互作用による
　非線形現象（バイスペクトル）を
　目的（洗浄、攪拌、応力緩和、検査・・）に合わせて制御する
　システム技術を開発しました。

超音波の伝搬状態の測定・解析技術を利用した結果、
　高調波の制御を実現していること
　非線形現象を調整できることを確認しています。

システムの音響特性を
　（測定・解析・評価）確認して対応することがノウハウです

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超音波システム研究所は、
「超音波の非線形現象を制御する技術」を利用して
「超音波刺激を利用目的に合わせて制御する技術」を開発しました。

この技術は
　容器の相互作用を測定確認することで
　メガヘルツの超音波発振プローブによる超音波制御（注）により
　目的に合わせた、超音波（キャビテーション・音響流）を制御します。

注：超音波制御
２種類の非線形共振型超音波発振プローブによる、
スイープ発振、パルス発振の発振条件の設定により
高い音圧の共振現象と、高調波の発生現象（非線形現象）による、
３０ＭＨｚ以上の高周波伝搬状態を、ダイナミック制御します。

注：超音波制御「精密洗浄事例」
　スイープ発振　７０ｋＨｚ～１５ＭＨｚ　１５Ｗ
　パルス発振　　１３ＭＨｚ　８Ｗ

注：超音波制御「ナノレベルの攪拌事例」
　スイープ発振　８８０ｋＨｚ～２２ＭＨｚ　１２Ｗ
　パルス発振　　１４ＭＨｚ　１０Ｗ

特に、
　音響流制御による、高調波のダイナミック特性により
　ナノレベルの反応・対応が実現しています

金属粉末をナノサイズに分散する事例から応用発展させました。
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