新技術説明会　様式例

1 神奈川大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 准教授 土屋 健伸

波動理論による音響レンズの高精度設計技術

2018年12月4日

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研究分野の背景

医療機器，船舶，水中物体検知，構造物検査，水産， 自動車，航空機，建築物、などの「電磁波・音波」を用い たセンシング分野においては、機器の状態や物体の認 知など対象の状態を測定する ➢ 新しいセンサー技術の開発 ➢ 既存装置の高性能化 が求められている。

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従来技術とその問題点

（その１）

電磁波や音波を用いたセンサーは、既に多くの

実用例があるが、

➢

分解能の粗さ

➢

応答速度の遅さ

等の問題があり、更なる性能向上が要求されて

いる。

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従来技術とその問題点

（その２）

レンズは分解能を向上させ応答速度を高速

化するデバイスで、既に十分研究されてきた

古いデバイスであると言える。

しかし、波長の短いミリ波（電磁波）や音波を

用いたセンサーでは、従来の光線（音線）設計

手法では十分な性能が発揮できない。

そこで、十分な性能が発揮できる計算方法を開

発することが必要とされている。

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新技術の特長・従来技術との比較

• 使用周波数の上昇によりレンズの開口径と波

長の関係が異なるため、従来理論の光線理論

による設計ではレンズの十分な性能評価がで

きなかった。

• 本技術を用いることでレンズを高精度に設計す

ることができる。

音響レンズ c0 > cd c0 < cd

c0 :speed in the water, cd :speed in lens

Concave lens Convex lens

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新技術の特長・従来技術との比較

• 従来理論の光線理論による設計では、設計結

果と測定結果に誤差を生じる。

• 波動理論に基づく本技術を用いることでレンズ

による集束分布を高精度に解析できる。

On axis characteristics of sound field for a biconcave aspherical lens

Color display for r-z plane on axis

Focal point(z=2.15m) Post-focal region(z=2.20m) _{Ray-tracing technique}

Curvature radius D1=364.6mm D2=84.92mm

Sound field distribution with cross section for axial distance and example by ray-tracing plot. Aspherical lens Focal length

D=150mm

従来技術：焦点位置のみを把握

On axis characteristics of sound field for a biconcave aspherical lens

Color display for r-z plane on axis

Focal point(z=2.15m) Post-focal region(z=2.20m) Ray-tracing technique

Curvature radius D1=364.6mm D2=84.92mm

Sound field distribution with cross section for axial distance and example by ray-tracing plot. Aspherical lens Focal length

D=150mm

新技術：焦点位置のみだけでなく 集束分布全体を把握

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新技術

本技術のベースとなる波動理論解析 i j k p , ,       i j k v_x , , 2 1       _ k j i v_y , 2 1 ,       _ 2 1 , , j k i v_z       i j k v_x , , 2 1      _{i j k} v_y , 2 1 ,       _ 2 1 , ,j k i vz :v_{x :v} z :p _:v y z x y 直交座標系の空間分割モデル ・波動の伝搬を記述した方程式を直接計算 ・伝搬する空間を微小サイズに分割 コンピュータ シミュレーション技術 にて解析を実施

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新技術

通常のCPUでは計算時間が長大 ・GPU＊_{を用いたシミュレーション} ・解析領域分割による分散処理 を用いて高速化 ✓ 大幅に計算時間を 短縮 ✓ 高精度な解析 GPU1 GPU2 GPU3 GPU4 領域分割イメージ

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新技術

 センサーから放射される波動（音・光）の可視化が可能．  センサーの形状も任意で設定可能  空間的な分布や時間変化も簡単に計算可能 Ho rizo n tal p o sitio n [ m m ] -50 -25 0 25 50 0 25 50 75 100 125 150 175 200 センサー センサーからの放射波動解析 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 D e p t h [ m ] 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 D e p t h [ m ] t=2.5 s t=1.5 s -100 -80 -60 -40 -20 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 D e p t h [ m ] t=3.5 s Range [km] 0 1 2 3 4 5 6 7 100 200 300 De pth [m] t=4.5 s Sound pressure [dB]

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新技術の適用例 その１

 高性能音響レンズの設計  水中映像取得装置用として開発 水中音響レンズ 受波器アレイ 送波器 桟橋の水中構造の可視化

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新技術の適用例 その１

 試作音響レンズの性能評価  設計値と計測値が一致 -30 -20 -10 0 Nor malize d a mpl it ude [ dB ] 240 200 160 120

Axial distance from lens 1st plane Z [mm]

Measured Simulated

On axis characteristics of sound field for a biconcave aspherical lens

Color display for r-z plane on axis

Focal point(z=2.15m) Post-focal region(z=2.20m) Ray-tracing technique

Curvature radius D1=364.6mm D2=84.92mm

Sound field distribution with cross section for axial distance and example by ray-tracing plot. Aspherical lens Focal length D=150mm 181.0 184.0 1.0 MHz 179.5 183.0 0.7 MHz 179.0 182.5 0.5 MHz Measured Analysis Table 焦点位置の周波数特性 Unit [mm] -50 -40 -30 -20 -10 0 Nor malize d a mpl it ude [ dB ] -10 -5 0 5 10 Transverse distance Y [mm] Measured Simulated 1.70 2.0 1.0 MHz 2.30 2.6 0.7 MHz 3.14 3.1 0.5 MHz Measured Analysis Table ビーム幅(-3dB)の周波数特性

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新技術の適用例 その１

170 180 190 200 0 2 4 -2 -4 0° 4° 8° 180 190 200 170 -4 -2 0 2 4 0° 4° 8° q

Center axis of lens Center axis of sound source

波源斜め入射時の集束音場

 波源より伝搬し音響レンズに 斜め入射した際の焦点変動  設計値と計測値が一致

入射角度に対する焦点の変動

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新技術の適用例 その２

 医用超音波診断装置の小型音響レンズ開発

Fig. Geometry of aspherical acoustic lens.

          2 2 2 2 136 5 1 1 1 0 5597 136 5 / . . / . B Y Z Y Y      特徴 •前方が平面 •後方の曲率半径も大きい •緩やかな集束 40 mm 2nd plane of lens 1st plane of lens

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新技術の適用例 その２

円筒座標系シミュレーションによる高速化   1 _z r r z p v K rv t r r z v p t r v p t z          _  _  _   _             z q ・z軸対称を仮定して 方位方向成分を除外 ・無損失媒質 基本式 r 音圧 p 粒子速度 v_z 粒子速度 vr i i-1/2 i-1 j j-1/2 j-1 j-3/2 j-2

Fig. Grid model for 2D-FDTD method in cylindrical coordination.

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新技術の適用例 その２

実測結果と解析結果の比較 ー垂直2次元断面ー 290 300 310 320 -20 -10 0 10 20 Axial distance [mm] T ra ns ve rs e di st a nc e [ m m ] -20 -15 -10 -5 0 Sound pressure [dB] 290 300 310 320 330 -20 -10 0 10 20 Axial Distance [mm] T ra ns ve rs e di st a nc e [ m m ] 0 3 6 9 Sound pressure [dB]

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新技術の適用例 その２

音軸上ならびに焦点での径方向音圧分布 実験値 計算値 焦点距離 328.5 mm 326 mm ビーム幅 5.5 mm 5.6 mm ➢ 音線設計時の焦点距離は291.6mm ➢ 実測および新技術での解析は約 328mmと一致 10 5 0 -5 -10 Co n v erg en ce g ai n [d B] 400 300 200 100 Axial distance z [mm] measurement

analysis with lens holder

analysis without lens holder _-20

-10 0 10 Co n v erg en ce g ai n [d B] -20 -10 0 10 20 Transverse distance y (r)[mm] measurement

analysis with lens holder analysis without lens holder

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新技術の適用例 その３

フォノニック結晶構造による音波伝搬制御

Fig. Structure sand gap

Fig. Phononic crystal band gap structure

Fig. Waveguide using phononic crystal band gap structure

➢ バンドギャップ帯には波動が存在できない ➢ フォノニック結晶構造で波動の伝搬を制御

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新技術の適用例 その３

d a Stainless (SUS304) Water a a z x Point Source Focal point y

Fig. Phononic crystal structure.

Fig. Configuration of phononic crystal lens

 メタマテリアル材料の利用  負の屈折効果で平板のコン

パクトレンズを設計

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新技術の適用例 その３

試作モデル：45度方向より 音響レンズ試作モデル 左：正面図 右：側面図 10 20 30 40 50 60 -15 -10 -5 0 5 10 15 Propagation distance Z [mm] T ra ns v ers e di st a nc e X [m m ] -20 -10 0 Sound pressure [dB] 音場測定結果 平板で集束効果を持つ レンズが作成可能

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想定される用途

• 大型AUVに搭載し、海底資源探査用の映像

装置に用いる。

• 音波探査映像装置の大型アレイ受信器と信

号処理器等を省略できる。省電力システムが

構築可能。

• 小型のAUVやROV等に搭載可能であり，港

湾設備などの点検に用いる。

• また、ミリ波レーダーなどの車載センサー分野

や用途に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題

• 現在、一様媒質レンズについて実用的な設計

が可能なところまで開発済み。しかし、メタマ

テリアル材質レンズの設計手法が未確立。

• 今後、メタマテリアル材質について実験データ

を取得し、伝搬制御，特に消音分野に適用し

ていく場合の条件設定を行っていく。

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企業への期待

• 水中音響や施工技術やセンサーを開発する

企業との共同研究を希望。

• センサーや計測機器を開発中の企業が手軽

に性能を向上させるデバイスとして利用。

• また、コストパフォーマンスが要求される分野

への展開を考えている企業には、本技術の導

入が有効と思われる。

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産学連携の経歴

• 2001年-2002年 1件 • 2005年-2006年 １件 • 2005年-2007年 １件 • 2006年-現在 1件 • 2015年-2017年 １件 ＜共同研究実績＞

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お問い合わせ先

神奈川大学 研究支援部 産官学連携推進課 産官学連携コーディネーター 尾谷 敬造 ＴＥＬ 045－481 － 5661（代） ＦＡＸ 045－481 － 2764 e-mail sankangaku-renkei＠kanagawa-u.ac.jp