超音波（キャビテーション・音響流）の分類に基づいた、発振制御技術ーー超音波の最適化技術ーー1.00

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、
オリジナル超音波プロ－ブの製造技術により
プローブの音響特性に基づいた、発振制御技術を開発しました。
表面弾性波の非線形振動現象をコントロールする技術に発展しています。

ポイントは、超音波素子表面の表面弾性波について
伝搬特性と利用目的に合わせた、超音波発振制御に関する
最適化制御方法（スイープ発振とパルス発振の組み合わせ条件）です。

そのために、
オリジナルプローブの超音波伝搬特性の動作確認
（音圧レベル、周波数範囲、非線形性、・・ダイナミック特性）による、
超音波伝搬状態に関するダイナミックな特性評価が重要です。

特に、超音波プローブ（あるいは素子）の送受信特性と
発振器（ファンクションジェネレーター）についての、
ダイナミックに変化する発振特性の測定・解析・評価が必要です。

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超音波のシステム技術

１：専用水槽の開発技術
２：超音波振動子の改良技術
３：超音波伝搬状態の測定技術
４：超音波（音響流）制御技術

　上記に関する　システム技術　を提供しています。

目的に合わせた超音波の制御を可能にする技術です。

　＊超音波振動子改良技術ノウハウ・・・＊

　＊超音波水槽の設計技術ノウハウ・・・＊

　＊超音波伝搬状態の測定技術ノウハウ・・・＊

　＊超音波（音響流）の制御技術ノウハウ・・・＊

　　　　以上を提供させていただきます

詳細は　超音波システム研究所　にメールでお問い合わせください
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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、
メガヘルツの超音波の発振制御が容易にできる
「発振システム（２０ＭＨｚ）」を製造販売しています。

システム概要（超音波発振システム（２０ＭＨｚ））

　内容（２０ＭＨｚタイプ）
　　超音波発振プローブ　２本
　　ファンクションジェネレータ　１式
　　操作説明書　１式（ＵＳＢメモリー）

　特徴（２０ＭＨｚタイプ）
　　＊超音波発振周波数
　　　仕様　２０ｋＨｚ　から　２５ＭＨｚ（あるいは２４ＭＨｚ）
　　＊出力範囲 ５ｍＶｐ－ｐ～２０Ｖｐ－ｐ
　　＊サンプリングレート：200ＭＳａ／ｓ（あるいは250ＭＳａ／ｓ）

　市販のファンクションジェネレータを利用したシステムです
　　目的に応じたファンクションジェネレータをセットにして
　　見積価格を提案します

標準参考例
　発振システム２０ＭＨｚ　８万円～

２０２４．　１　超音波振動の相互作用を測定解析評価する技術を開発
２０２４．　２　メガヘルツ超音波による表面処理技術を開発
２０２４．　４　共振現象と非線形現象の最適化技術を開発
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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＞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

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（インパルス応答特性の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）



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＜論理モデルの作成について＞（情報量基準を利用して）
１）各種の基礎技術に基づいて、対象に関する、
　D1=客観的知識（学術的論理に裏付けられた理論）
　D2=経験的知識（これまでの結果）
　D3=観測データ（現実の状態）
　からなる 「情報データ群 」、DS＝(D1,D2,D3) を明確に認識し
　その組織的利用から複数のモデル案を作成する

２）統計的思考法を、
　情報データ群（DS）の構成と、
　　それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し
　　によって情報獲得を実現する思考法と捉える

３）AIC の利用等の評価方法により、
　様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する

４）作成したモデルに基づいて、超音波装置・システムを構築する

５）時間と効率を考え、
　以下のように対応することを提案しています
５－１）「論理モデル作成事項」を考慮して
　　　「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する
５－２）実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する
５－３）検討メンバーが合意できるモデルにより
　　　装置やシステムの具体的打ち合わせに入る
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超音波システム研究所は、
オリジナル超音波プロ－ブの音響特性に基づいた、
表面弾性波の非線形振動現象をコントロールする技術を開発しました。

ポイントは、２本の超音波プローブによる、スイープ発振条件の設定です
（基本的に、１本のプローブによる超音波発振制御では制御できません
　２本のプローブの発振設定の組み合わせにより、
　共振現象・非線形現象の発生状態を制御することができます）

利用目的に合わせた、周波数範囲で、
共振現象と非線形現象が制御可能になります

特に、強い刺激が必要な場合は、
低周波の共振現象を利用することで実現（例　ガラスの破壊）します
高い周波数の刺激が必要な場合には、
高周波の非線形現象を利用することで実現（例　700MHzの刺激）します

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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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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・制御技術を、
対象物の音響特性として解析・応用することで、
超音波の非線形伝搬状態を制御可能にしました。
その結果、効率良く、
部品の表面残留応力を緩和して、表面全体を均一化する技術を開発しました。

この表面残留応力を緩和する技術により
金属疲労・・に対する疲れ強さの改善を行うとともに
各種表面処理の均一化が実現しています。
特に、超音波の伝搬状態を
対象物のガイド波（表面弾性波・・）を考慮した設定・制御により、
対象物への効果的なダイナミックに変化する
非線形現象を含んだ一定の範囲の刺激として実現させる
制御方法・治工具・システム開発・・・具体的な方法・技術を開発しました。

金属部品、樹脂部品、粉体部材、・・・の各種の表面に対して
幅広い効果を確認しています。

この技術を
コンサルティング対応として提供しています

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１）超音波の音圧測定解析評価技術
＜＜超音波の音圧データ解析・評価＞＞

１）時系列データに関して、
多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析により
測定データの統計的な性質（超音波の安定性・変化）について
解析評価します

２）超音波発振による、発振部が発振による影響を
インパルス応答特性・自己相関の解析により
対象物の表面状態・・に関して
超音波振動現象の応答特性として解析評価します

３）発振と対象物（洗浄物、洗浄液、水槽・・）の相互作用を
パワー寄与率の解析により評価します

４）超音波の利用（洗浄・加工・攪拌・・）に関して
超音波効果の主要因である対象物（表面弾性波の伝搬）
あるいは対象液に伝搬する超音波の
非線形（バイスペクトル解析結果）現象により
超音波のダイナミック特性を解析評価します

この解析方法は、
複雑な超音波振動のダイナミック特性を
時系列データの解析手法により、
超音波の測定データに適応させる
これまでの経験と実績に基づいて実現しています。
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超音波システム研究所は、
　超音波伝搬状態の測定データを
　バイスペクトル解析することで、
　超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発しました。


今回開発した分類に関する方法は、
　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（非線形現象の変化）により
　線形・非線形の共振効果を推定します。

これまでのデータ解析から
　効果的な利用方法を
　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

　上記の各タイプに基づいた装置開発・制御設定・・・
　成功事例が多数あります。


この技術を
　コンサルティング対応として提供します

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超音波システム研究所は、
超音波伝搬現象の分類に基づいた、
５００Ｈｚから１００ＭＨｚの超音波伝搬状態を制御可能にする
超音波プローブの製造技術を開発しました。

目的に合わせた、
　オリジナル超音波発振制御プローブを製造開発が可能です。

ポイントは、超音波プローブの超音波伝搬特性の確認です。
超音波のダイナミックな変化に対する、応答特性が最も重要です。
この特性により、高調波の発生可能範囲が決定します。
現状では、以下の範囲に対して、製造対応可能となっています。

メガヘルツの超音波発振制御プローブ：概略仕様
　測定範囲　０．０１Ｈｚ～１００ＭＨｚ
　発振範囲　０．１ｋＨｚ～２５ＭＨｚ
　（伝搬周波数範囲　１ｋＨｚ～７００ＭＨｚ以上）
　材質　ステンレス、ＬＣＰ樹脂、シリコン、テフロン・・・
　発振機器　例　ファンクションジェネレータ

＜材質・形状・構造・・・による音響特性＞を
　把握（測定・解析・評価）することで、
　目的に合わせた超音波の伝搬状態を実現します

この技術を、コンサルティング提供します
　興味のある方はメールでお問い合わせください
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超音波システム研究所は、
超音波機器に関して、
メガヘルツの超音波発振制御プローブを利用することで、
１－１００ＭＨｚ以上の超音波伝搬状態制御を可能にする
超音波システム技術を開発しました。

超音波伝搬状態の測定・解析・評価・技術に基づいた、
　精密洗浄・加工・攪拌・溶接・めっき・・への新しい応用技術です。

各種材料の音響特性（表面弾性波）の利用により
　２０Ｗ以下の超音波出力で、１０００リッターの水槽でも、
　数トンの対象物への超音波刺激は制御可能です。

弾性波動に関する工学的（実験・技術）な視点と
　抽象代数学の超音波モデルにより
　非線形現象の応用方法として開発しました。

ポイントは
　治工具（弾性体：金属・ガラス・樹脂）の利用です、
　対象物の条件・・・により
　超音波の伝搬特性を確認することで、
　オリジナル非線形共振現象（注１）として
　対処することが重要です

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調波の発生を
　共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
　超音波振動の共振現象

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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、
　音圧測定解析装置（超音波テスター）と
　メガヘルツの超音波発振制御プローブにより
　物（工具・対象物・・・）の
　音響特性（振動の応答特性・非線形現象）を利用する、
　「超音波発振制御（加工）技術」を開発しました。

今回開発した技術により
　「超音波の発振・出力制御」による
　対象物への振動現象をコントロール可能にした、
　超音波のダイナミック制御（洗浄・加工・撹拌・・）が、
　発振制御プローブにより
　超音波振動の非線形効果として利用可能になりました。


これは、加工・洗浄・表面改質・化学反応の促進・・・に対して
　目的に合わせた
　効果的な超音波利用技術です。

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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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