超音波システムの最適化技術ーー超音波の音圧測定・解析・評価・技術ーー1.00

超音波システム研究所は、
　超音波利用に関して、
　＜統計的な考え方＞を利用した
　効果的な「測定・解析・評価方法」に関する技術を開発しています。

＜統計的な考え方について＞
　統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
　具体的なものとの接触を通じて
　抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
　これが統計数理の特質である
　　科学の中の統計学　赤池 弘次 (編集)より

＜モデルについて＞
モデルは対象に関する理解、予測、制御等を
効果的に進めることを目的として構築されます。

正確なモデルの構築は難しく、
常に対象の複雑さを適当に"丸めた"形の表現で検討を進めます。
その意味で、
モデルの構成あるいは構築の過程は統計的思考が必要です。

＜モデルと現状のシステムとの関係性について＞
( 考察する場合の注意事項 )

１）先入観や経験は正しくないことがあると考える必要があります

２）モデルの本質を考えるためには、
　圏論を利用することが有効だと考えています
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超音波システム研究所は、
表面弾性波による非線形振動現象を利用した
超音波の発振制御技術を開発しました。

各種対象（水槽、振動子、プローブ、治具、対象物・・・）について
基本的な音響特性（応答特性、伝搬特性）を確認することで、
目的の超音波伝搬状態を、発振制御により可能になります。

オリジナルの非線形共振型超音波発振プローブによる、
発振条件（波形、出力、制御、・・）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、
３００ＭＨｚ以上の高周波伝搬状態を最適化します。

この技術は、低出力の超音波発振を効率よく利用する方法です

デジタル制御による、
離散値的なファンクションジェネレータの特性を利用した
各種パラメータの設定がポイントです

非線形共振型超音波発振プローブを利用することで
共振現象による音圧レベルの制御範囲が大きく広がるため
従来の共振現象による音圧レベルとは大きく異なり
ダメージや破壊といった現象にならない
音圧測定解析に基づいた、制御設定の最適化が必要です
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＜超音波のダイナミック制御システム＞

超音波の伝搬状態をシステムとしてとらえ、解析と制御を行う

多くの超音波利用の目的は、
　対象物・対象液に伝搬する超音波の
　非線形現象の予測あるいは制御にあります。

しかし、多くの実施例で
　キャビテーションによる理論と
　実際の違いによる問題が多数指摘されています。

この様な事例に対して
　１）障害を除去するものは
　　　時系列で変化する超音波について、
　　　音圧データの統計的データ処理である
　　　＜超音波伝搬状態の計測・解析技術＞

　２）対象に関するデータの解析の結果に基づいて
　　　対象の音響特性を確認する
　　　＜対象物の表面弾性波や
　　　　対象液の音響流に関する音響特性を検出する技術＞

　３）特性の確認により
　　　超音波のダイナミック制御の実現に進む
　　　＜非線形現象をコントロールする技術
　　　　複数の超音波に対するスイープ発振制御＞

以上の方法により
　超音波を効率的な利用状態に改善し
　目的とする超音波の利用を実現した
　オリジナル超音波制御システムの実施例が多数あります （詳細を見る）

＜＜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、
　超音波利用に関して、
　＜統計的な考え方＞に基づいて、抽象代数学を利用した
　効果的な「超音波発振制御システム」を開発しています。

＜統計的な考え方について＞
　統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
　具体的なものとの接触を通じて
　抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
　これが統計数理の特質である

超音波の研究について
「キャビテーションの効果を安定させるには統計的な見方が不可欠」

＜モデルについて＞
モデルは対象に関する理解、予測、制御等を
効果的に進めることを目的として構築されます。

正確なモデルの構築は難しく、
常に対象の複雑さを適当に"丸めた"形の表現で検討を進めます。
その意味で、
モデルの構成あるいは構築の過程は統計的思考が必要です。

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（インパルス応答の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

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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による、
　超音波伝搬状態の各種解析結果を、
　抽象代数モデルに基づいて、超音波振動の相互作用を最適化（注）する、
　超音波＜ダイナミック制御＞技術を開発しました。

注：共振現象（低調波）と非線形現象（高調波）を
　　論理モデルに基づいて発振制御条件の設定によりコントロールする

これまでの制御技術に対して、
　各種伝搬用具を含めた、超音波振動の伝搬経路全体に関する
　新しい測定・評価パラメータ（注）により
　超音波利用の目的（洗浄、攪拌、加工・・）　に合わせた、
　最適な制御状態を設定・実施する技術です。

これは具体的な応用がすぐにできる方法・技術です
　コンサルティングとして提案・対応しています
　（ナノレベルの精密洗浄や攪拌実績が増えています）

注：オリジナル技術（超音波テスター）により
　水槽、振動子、対象物、治工具・・・の
　伝搬状態に関するダイナミックな変化を測定・解析・評価します。
（パラメータ：
　パワースペクトル、自己相関、バイスペクトル、
　パワー寄与率、インパルス応答特性、ほか）
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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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超音波専用水槽（オリジナル製造方法）による効果的な装置です

効率の高い超音波利用により
通常の水槽では強度・耐久性が不十分です

洗浄・攪拌・表面改質・・・対象と目的により
複数の超音波と
脱気ファインバブル発生液循環装置を
音圧測定解析に基づいて発振制御します

様々な、組み合わせと
　使用（制御）方法を提案しています

ポイントは
目的の対象に合わせた超音波伝搬状態を実現させる
専用水槽内の「溶存酸素濃度分布」と「液循環」です

＜＜脱気ファインバブル（マイクロバブル）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ます。
２）キャビテーションにより溶存気体の気泡が発生します。
上記が脱気液循環装置の状態です

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ります。
４）適切な液循環により、
20μ以下のファインバブル（マイクロバブル）が発生します。
上記が脱気マイクロバブル発生液循環装置の状態です。

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超音波システム研究所は、
オリジナル技術による、
新しい超音波プローブの制御技術を開発しました。

新しい超音波プローブによる測定システムの応用技術です。
目的に合わせた、専用の超音波プローブを
開発・製作・制御方法をコンサルティング対応します。

圧電素子の特性に関して、弾性波動を考慮した解析で、
各種の振動状態（モード）に基づいた
オリジナル超音波プローブを開発製造対応します。

測定の場合は、
オシロスコープに接続して利用することができます。
発振の場合は、
ファンクションジェネレーターに接続して利用することができます。　

音圧測定データをフィードバック解析することにより
超音波の非線形現象（音響流）やキャビテーション効果を
数値化により確認・評価できるようになります。

超音波プローブは
利用目的を確認した「オーダーメード対応」しています

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