キャビテーション、化学的効果、機械的効果の閾値の測定と周波数依存性
本多電子1, 名大院工2 〇朝倉 義幸1，Nguyen Thanh Tam2，安田 啓司2，香田 忍2 ＜緒言＞ 超音波キャビテーションはソノケミストリー 応用機器や超音波洗浄器などに広く使用されて おり，キャビテーション閾値は重要なパラメータ ーのひとつである。キャビテーションが発生して いる場合，音圧測定において基本周波数だけでな く，さまざまな周波数成分が発生する1)。今回の 研究では，ソノケミストリーの応用を増やすため に，キャビテーション閾値と音圧のさまざまな周 波数成分発生との関係，また化学的作用，機械的 作用の閾値との関係を広い周波数範囲で求める ことを目的とする。 ＜実験＞ Fig. 1 に実験装置の概略図を示す。リアクター は内径 56 mm の円筒型二重槽で，25 ℃の水を循 環させた。リアクター底面に振動板付振動子を取 り付けた。振動子は直径 45 mm のマルチ周波数振 動子（22, 43 および 98 kHz）, 直径 50 mm の 300 kHz, 490 kHz, 1 MHz, 2 MHz 振動子および直径 20 mm の 5 MHz 振動子を使用した（振動子は本多電 子製）。振動子はパワーアンプで増幅された連続 正弦波で駆動された。300 kHz と 490 kHz 以外の 周波数はパワーアンプと振動子間にインピダン ス・マッチング回路を設け，振動子に印加される 有効電力は電流プローブとオシロスコープで測 定された。ハイドロホン（本多電子 HUS-200S） で得られた音圧信号をプリアンプ（本多電子 HUS-200A）でインピーダンス変換し，スペクト ラム・アナライザーで測定した。ハイドロホンは 20 kHz から 20 MHz の範囲で校正済のものを使用 した。実験は 100 mL の空気飽和水を使用した。Measurement and frequency dependence of thresholds for cavitation, chemical effect, and mechanical effect
Yoshiyuki Asakura (Honda Electronics Co., Ltd., 20, Oyamazuka, Oiwa-cho, Toyohashi, 441-3193, Japan) Tam Thanh Nguyen, Keiji Yasuda, Shinobu Koda (Graduate School of Engineering, Nagoya University, Furo-cho, Nagoya, 464-8063, Japan)
Tel: +81-532-41-2574, Fax: +81-532-43-1072, E-mail: [email protected]
Key Word: cavitation threshold/ sound pressure/ chemical effect/ mechanical effect
Abstract: When an ultrasonic cavitation is produced, many different frequency components of sound pressure
in water are generated. The sound pressure of fundamental frequency, subharmonics, and harmonics were compared with the cavitation threshold obtained from white noise. When the electric power which applied to the transducer was gradually raised, the harmonic component appeared first, the sound pressure of fundamental frequency became unstable near the cavitation threshold, after the cavitation was produced, subsequently followed by the generation of the subharmonic component. After average of sound pressure (AP) and average of broadband sound pressure (ABP) were defined, it was possible to compare the white noise with the subharmonic and harmonic components. The cavitation threshold values were measured in the frequency range from 22 kHz to 5 MHz. The threshold values of the erosion of aluminum foil, and I3-generation of the KI
method were measured. The threshold values of I3-generation were almost the same as the cavitation threshold
values at all frequency. Although the threshold values of erosion less than 100 kHz were close to the cavitation threshold values, above 100 kHz, the threshold values of erosion became larger than that of the cavitation.
0 1 2 3 4 5 140 160 180 200 220 240 So und pressure [dB] ( 0 dB = 1 μ Pa ) Frequency [MHz] 4 W Background noise
Fig. 1 Experimental setup.
PC Oscilloscope TDS3014B Power amplifier E&I 1040L Signal generator WF1942 Spectrum analyzer HP-8595E Preamplifier Electrically controlled system GPIB GPIB GPIB Hydrophone Transducer Current probe TCP202 Reactor
Fig. 2 Frequency components of sound pressure at 300 kHz. f1 f2 f3 f1.5 f2.5 White noise
＜結果と考察＞ Fig.2 に周波数 300 kHz，電力 4 W で超音波照 射したときのリアクター内の音圧の各周波数成 分を示す。基本周波数 f1における音圧以外にサブ ハーモニクス f1.5，f2.5，ハーモニクス f2, f3および ホワイトノイズが観測される。
Average of sound pressure (AP) と Average of broadband sound pressure (ABP) を下記のように 定義する。 1 2 2 1
)
(
AP
f
f
df
P
P
f f A N−
−
=
， (1) 1 2 2 1)
(
ABP
f
f
df
P
P
f f W N−
−
=
， (2) ここで，PNは音圧のバックグランドノイズ成分 で，PAはハイドロホンで得られた f1から f2の範 囲の音圧成分，PWは PAから基本周波数，全サブ ハーモニクス，および全ハーモニクスの音圧成分 を除いた音圧である。つまり，AP は全ての音圧 成分の平均音圧を，ABP はホワイトノイズ成分 の平均音圧を示す。今回の実験で f1は 20 kHz， f2 は 20 MHz とした。Fig. 3 に周波数 300 kHz の超 音波を照射した場合，振動子への印加電力の平方 根に対する基本周波数の音圧 P1，サブハモニク スの音圧 P1.5，ハーモニクスの音圧 P2，および AP と ABP を示す。電力はゼロから徐々に増加さ せた。印加電力の平方根 0.6 W1/2 以上で ABP の 値は増加し始め，キャビテーションの発生が示唆 される2)。キャビテーション閾値（Fig.3 の点線） 以下である印加電力の平方根 0.56 W1/2 から基本 周波数の音圧は低下し，0.74 W1/2で再び増加する。 しかし，AP は 0.56 W1/2 を超えても直線的に増加 し，Fig.3 では示されていないが電力の平方根 10 W1/2まで直線的に増加している。ハーモニクスは キャビテーション閾値以下の電力で現れるので， キャビテーション閾値以下の音圧でも気泡によ る非線形振動があると考えられる。キャビテーシ ョン閾値以上 0.74 W1/2でサブハーモニクスが現 れる。以上のことから，キャビテーション閾値近 傍でホワイトノイズ，サブハーモニクス，ハーモ ニクス成分が現れ，このために基本周波数の音圧が低下したと考えられる。 ABP の導入によりキャビテーション閾値が明確にわかるようになった。各周波数のキャビテーシ ョン閾値を Fig.4 に示す。また，超音波照射によるアルミホイルのエロージョンの閾値と KI 法によ る I3-の発生の閾値も Fig.4 に示す。KI 法による化学作用の閾値とキャビテーション閾値は各周波数 でほぼ一致し，キャビテーションの発生と同時に超音波による化学作用が発生することがわかった。 アルミホイルのエロージョンによる機械的作用の閾値は 22 kHz，43 kHz でキャビテーション閾値と ほぼ同じ値であったが，100 kHz 以上ではキャビテーション閾値より大きな値となった。 Reference1)
E. A. Neppiras, IEEE Trans. Son. Ultrason. 15, 81 (1968).2)
J. Frohly, S. Labouret, C. Bruneel, I. Looten-Baquet, R. Torguet, J. Acoust. Soc. Am. 108, 2012 (2000). Fig.3 Sound pressure of fundamental frequency P1, sound pressure ofsubharmonic P1.5, sound pressure ofharmonic P2, AP, andABP against square root of electric power at 300 kHz.
Fig.4 Frequency dependence of thresholds of cavitation, chemical effect, and mechanical effect. 10 100 1000 10000 1 10 100 1000 10000 White noise Erosion of Al KI Pressure [kPa] Frequency [kHz] 0 50 100 150 P1 & P2 [k Pa] P1 P2 ABP 0 5 10 15 AB P [ P a] 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P1.5 [kPa] Electric power1/2 [W1/2] f1.5 AP 0 40 80 120 160 200 AP [Pa]
