ナノレベルの超音波実験ーー超音波の非線形現象をコントロールする技術の応用開発ーー1.00

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、
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、
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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－－超音波の非線形現象を制御する技術による
　ナノレベルの攪拌・乳化・分散・粉砕技術－－

超音波システム研究所は、
「超音波の非線形現象（音響流）を制御する技術」を利用した
　効果的な攪拌（乳化・分散・粉砕）技術を開発しました。

この技術は
　表面検査による間接容器、超音波水槽、その他事項具・・の
　超音波伝搬特徴（解析結果）を利用（評価）して
　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、
「超音波の非線形現象（音響流）を制御する技術」を利用した
　効果的な攪拌（乳化・分散・粉砕）技術を開発しました。

この技術は
　表面検査による間接容器、超音波水槽、その他事項具・・の
　超音波伝搬特徴（解析結果）を利用（評価）して
　超音波（キャビテーション・音響流）を制御します。

さらに、
　具体的な対象物の構造・材質・音響特性に合わせ、
　効果的な超音波（キャビテーション・音響流）伝搬状態を、
　ガラス容器・超音波・対象物・・の相互作用に合わせて、
　超音波の発振制御により実現します。

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。

２０２３．１１　非線形現象を制御する超音波発振制御技術を開発
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（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、
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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