PowerPoint プレゼンテーション

(1)

超音波センシング技術のさらなる応用

坂本眞一

自己紹介

1 物理的？？

3 測定＆機器

5 連絡先

7 超音波とは？

2 超音波の応用

4

6 参考

8 探している

(2)

• 音（音波）とは？？

媒質のもつ弾性と慣性によって伝搬する波動

である．

• 超音波とは？？

人間の耳には聞こえない高い周波数の弾性振動波

人間が聞くことを目的としない音波

(3)

2 超音波の歴史

1917 年 P. Langevin

潜水鑑探知用超音波送受波器を発明

1925 年 G. W. Pierce

超音波干渉計を発明

本格的な，超音波の研究は，第二次世界大戦後に開始

ソーナー技術 →

魚群探知機の開発

レーダ技術

→

金属材料中の超音波探傷

大きな成果

→

超音波の有効性は広く認識

医学方面でも超音波探傷技術の延長

(4)

1. 音の高低

周波数：

周期的変化をする現象が一秒間に何回

繰り返されるかを示す数

2. 音の強弱

音圧：

音波が伝播する媒体の伸縮する時の力の量

3. 音の色（音色）

(5)

2 波長

• 一つの波と次の波の距離

λ：Wave length

単位：m

１／周波数

• 周波数が高い音は波長が短い

• 周波数が低い音は波長が長い

• 波長(m)×周波数(1/s)＝音速（m/s）

(6)

f：frequency

単位：Hｚ（1/s)

• 人間の可聴域：年によりますが，，，

20Hzから20000Hz（20kHz)

(7)

2 強さ：dB

0.0002Pa

0.002Pa

0.02Pa

0.2Pa

2Pa

20Pa

20 dB

40 dB

60 dB

80 dB

100 dB

120 dB

ささやき声

こおろぎ

普通の会話

(距離1m)

セミの声

電車内

電車のガード下

ジェット機のそば

耳が痛い

(8)

P：Sound pressure

単位：Pa, N/m

2 • 人間の聞こえる範囲

20×10

-6

～20Pa(=N/m

2 )

(9)

2 音色

• さまざまな音の聞こえ方

• 楽器毎にそれぞれ異なった音色

トランペットの『ド』

ピアノの『ド』

バイオリンの『ド』

(10)

空気 331.5+0.6ｔ m/s

水中

1402.7+5ｔ-0.06ｔ

2

_m/s

ポリエチレン 1900 m/s

アルミニウム 6260 m/s

ガラス 5570 m/s

からまつ

4350 m/s

鶏卵の卵白 1550 m/s

肝臓 1540 m/s

(t は温度℃）

(11)

2 超音波とは？？

• 音（音波）とは？？

媒質のもつ弾性と慣性によって伝搬する波動

である．

• 超音波とは？？

人間の耳には聞こえない高い周波数の弾性振動波

人間が聞くことを目的としない音波

(12)

• 超音波は周波数が高いこと，

• 強度を強くすることが可能なこと，

• 可聴周波数音波の領域では得られない

↓

(13)

2 超音波

種々の特異な性質

超音波は周波数が高いこと，強度を強くするこ

とが可能なことから，可聴周波数音波の領域

では得られない種々の特異な性質

(14)

種々の特異な性質

↓

• 加速度

• 指向性

• 遅い

• その他

(15)

2 超音波

種々の特異な性質

↓

• 加速度

α＝ω

2 ξ

周波数に大きく依存

例えば，ξ=10

-6

_，f=20kHz

→ おおよそ，α＝1.6×10

4

(16)

種々の特異な性質

↓

• 指向性

超音波では，波長が短い

→指向性を鋭くできる

(17)

2 超音波

種々の特異な性質

↓

• 遅い

音の速度は，光や電気信号と比較

→とても遅い

（光学的にも有利）

(18)

種々の特異な性質

↓

• その他

光学的にも有利

減衰が大きい

周波数の2乗に比例して減衰定数αが大きくなる

𝛼 =

𝜔

2 4𝜂

+

𝜅 𝛾 − 1

(19)

３反射と透過

物体

透過

反射

P

0 空気中

Pr

Pt

密度 ρ

₁

音速 V

₁

密度 ρ

₂

音速 V

₂

空気中の音響インピーダンス

物体中の音響インピーダンス

(20)

P ＝ Z U

音圧＝インピーダンス（抵抗）×粒子速度

音のエネルギー T

T = Z U

2 ₌

P

2 Z

W= RI

2

₌

V

2

R

電力W

(21)

３エネルギー

物体中 Z

₂

透過

反射

P

0 空気中

Pr

Pt

Z

₁

空気中の音のエネルギー

物体中の音のエネルギー

T

₀

＝

P

0 2

Z

₁

Tｔ＝

P

ｔ 2

Z

₂

(22)

Pr ＝

Z

2

－

Z

1

Z

₂

_{＋ Z}

₁

Pｔ＝

2Z

2

Z

₂

_{＋ Z}

₁

物体中に侵入する音波のエネルギーは？

Tｔ

T＝

_＝

P

_ｔ2

Z

₂

＝

4Z

1

Z

2

T

₀

＝

P

0 2

Z

₁

音波のエネルギー

空気中

(23)

4 超音波の応用

• 情報応用

– 海洋音響，ソナー

– デバイス：SAW，フィルタ，共振デバイス，など

– 空中超音波：距離計，風速計，接触センサー

– 非破壊検査

– 医療：診断

• エネルギー応用

– キャビテーション

– 音響放射力

– 音響流

– マニュピレーション

– 医療：結石破砕

– 熱音響

(24)

• 洗浄(汚れを落とす作用)

– 40~100kHz

• 精密機械

• 医療機器

– 1MHz

• 半導体基盤

• 化学反応(音響化学(ソノケミストリー))

– 環境に(空気ガス、水蒸気ガスの分解)

(25)

4 超音波の応用

• 音響流

• 音響放射力

– 基板の浮揚搬送

– 浮揚させた物体の加工

– 液滴の反応実験

– 定在波による浮揚位置制御

– 超音波ピンセット(非接触)

– 液体レンズ

(26)

2. 整合層

3. 音響流

4. 将来

(27)

４応用研究

1.琵琶湖

2. 整合層

3. 音響流

4. 将来

(28)

音で琵琶湖の今を知りたい！！

• 非接触

• 大規模

(29)

4 トモグラフィ

Walter Munkの提唱→温度分布→センシング

Receiver

Distance

C

_m

= Distance / arrived Times

Speed of sound (C) Equation

C = F (T,P,S)

T: temperature,P:pressure,S:salinity

T

R

(30)

– 固有種（プランクトン 4種、水草 2種、底生動物 39種、魚類 16

種、寄生動物

1種）

• 水源

– 1,400万人の水道水源

• 水産業の場

• 観光資源

• 学術研究の場

– 滋賀県琵琶湖環境科学研究センター、水産試験場、滋賀県立大学

– 滋賀大学、京都大学、大阪電気通信大学、立命館大学など

(31)

4 琵琶湖

• 音響モニタリング

– 音速、水温、電気伝導率、溶存酸素濃度

• 水質

– 透明度、浮遊物質

• 季節変化の把握

– 奇数月年6 回

(32)

2.整合層

3. 音響流

4. 将来

(33)

4 整合層

空中超音波センサーによる空間認識技術

↓

ロボット，自動車や工場用自動機など大型移動体に向け

た応用が期待

↓

空中超音波センサーの出力不足を補う整合層

↓

(34)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3 35000

40000

45000

50000

Sound Pr ess ure [Pa 0 -P ]

_{D_11mm}

D_9mm

D_8mm

D_7mm

PZTのみ

(35)

４応用研究

1. 琵琶湖

2. 整合層

3.音響流

4. 将来

(36)

音響流とは？

流体媒質中に強力な超音波を放射

した際に，通常の媒質の振動とは別

に起こる，媒質自身の物理的な流れ

のこと．

(37)

４音響流

どの様にして生じる？

音波が伝搬する際に，音波の持つ波動エネ

ルギーの一部が減衰され，媒質内に放射圧

の差が生じ，この差によって媒質が音波の

伝搬方向へ流れ出す．

(38)

1.超音波マニピュレーション

2.非接触撹拌

(39)

(40)

(41)

4 将来

超音波エレクトロニクス



空中超音波センサ



水中超音波センサ



琵琶湖音響モニタリング



微小気泡の振る舞い



心拍センサ：非接触センシング，イヤホン？？



生体モニタリング：肩こり、腰痛



その他

(42)

空中音響



水中音響



医療超音波



熱音響



音圧分布，流速分布，音響インテンシティ，

位相



音エネルギー



その他



熱



温度



温度分布



熱流



その他

(43)

6 探している



小さな穴の空いたもの



熱に強いもの



重いものと軽いものを混ぜる技術



表面状態を変える方法：メッキ？？スパッター



熱を遮るデバイス：面的，線的



発電機器，発電デバイス



熱伝導率の異方性材料

(44)

Contacts

坂本眞一

Shin-ichi Sakamoto

[email protected]

http://shin1sakamoto.com

(45)

8 参考文献

例えば

• オーディオトランスデューサ工学―マイクロホン、スピーカ、

イヤホンの基本と現代技術，大賀寿郎 (著)，日本音響学会 (編

集)，コロナ社 (2013/02)

• 音響学入門，鈴木陽一，(著) ，赤木正人 (著) ，伊藤彰

則 (著) ，佐藤洋 (著) ，苣木禎史 (著) ，中村健太郎

(著) ，日本音響学会 (編集) ，コロナ社 (2011/2/24)

• 絵とき「超音波技術」基礎のきそ，谷村康行 (著)，日刊工業

新聞社 (2007/11)

• 超音波工学，音響工学講座 (8) ，中村僖良 (著，編集)，コロ

ナ社 (2001/8/1)

• 超音波便覧，超音波便覧編集委員会，丸善 (1999/09)

(46)

• 北村暁晴，土屋隆生，中井盛繕，坂本眞一，渡辺好章，“琵琶湖

における水質環境の広域音響モニタリングの基礎的検討, ”第49

回同志社大学理工学研究所研究発表会講演予稿集pp.3-8，第49

回同志社大学理工学研究所研究発表会，京都，同志社大学，

2011年12月3日.

• 坂本眞一，北村暁晴，土屋隆生，中井盛繕，渡辺好章，“音響モ

ニタリングに向けた琵琶湖水温鉛直分布の測定（招待講演），”

第132回温度計測部会講演会，東京，東京都立産業技術研究セ

ンター本部東京イノベーション，2012年3月9日.

• 坂本眞一，微小気泡が音響流の流速に与える影響，修士論文

(47)

9 謝辞

研究サポートのお礼平素は我々の研究にご支援を賜り，厚く御礼申し上げます．本研究の一部は，地域イノベーション戦略支援プログラム，サテライトクラスタープログラム日本学術振興会科研費若手研究(A)(B)，日本学術振興会科研費挑戦的萌芽研究，文科省知的クラスター創成事業，科学技術振興機構シーズ発掘試験，村田学術振興財団，小野音響学研究助成基金，立石科学技術振興財団，関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団等の補助を受けた．ここに謝意を表する．研究の遂行にあたり，滋賀県立大学の関係者，ゼミのメンバー，共同研究者らにご支援，アドバイスを多数頂きました，熱くお礼申し上げます．

(48)

コメント，アドバイスなど，

よろしくお願いします．

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超音波センシング技術のさらなる応用

坂本 眞一

自己紹介

1

物理的？？

3

測定＆機器

5

連絡先

7

超音波とは？

2

超音波の応用

4

6

参考

8

探している

• 音（音波）とは？？

媒質のもつ弾性と慣性によって伝搬する波動

である．

• 超音波とは？？

人間の耳には聞こえない高い周波数の弾性振動波

人間が聞くことを目的としない音波

2 超音波の歴史

1917 年 P. Langevin

潜水鑑探知用超音波送受波器を発明

1925 年 G. W. Pierce

超音波干渉計を発明

本格的な，超音波の研究は，第二次世界大戦後に開始

ソーナー技術 →

魚群探知機の開発

レーダ技術

→

金属材料中の超音波探傷

大きな成果

→

超音波の有効性は広く認識

医学方面でも超音波探傷技術の延長

1. 音の高低

周波数：

周期的変化をする現象が一秒間に何回

繰り返されるかを示す数

2. 音の強弱

音圧：

音波が伝播する媒体の伸縮する時の力の量

3. 音の色（音色）

2 波長

• 一つの波と次の波の距離

λ：Wave length

単位：m

１／周波数

• 周波数が高い音は波長が短い

• 周波数が低い音は波長が長い

• 波長(m)×周波数(1/s)＝音速（m/s）

f：frequency

単位：Hｚ（1/s)

• 人間の可聴域：年によりますが，，，

20Hzから20000Hz（20kHz)

2 強さ：dB

0.0002Pa

0.002Pa

0.02Pa

0.2Pa

2Pa

20Pa

20 dB

40 dB

60 dB

80 dB

100 dB

120 dB

ささやき声

こおろぎ

普通の会話

(距離1m)

セミの声

電車内

電車のガード下

坂本眞一

_m/s

_，f=20kHz