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けんじいんそん
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1 超音波センシング技術のさらなる応用坂本眞一 1 自己紹介 2 超音波とは? 3 物理的?? 4 超音波の応用 5 測定 & 機器 6 探している 7 連絡先 8 参考 9 謝辞 10 その他 1

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 3

4 2 音の 3 要素 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 ) 音の様々な聞こえ方 4

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) 5

6 2 周波数 1 秒間に何回の膨張と圧縮が行われるか 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) 電話の時報始めのプップップッ 440Hz 最後のピー 880Hz 6

7 2 強さ :db 20Pa 2Pa 0.2Pa 0.02Pa 0.002Pa Pa Pa 120 db 100 db 80 db 60 db 40 db 20 db 0 db 耳が痛いジェット機のそば電車のガード下電車内セミの声普通の会話 ( 距離 1m) こおろぎささやき声 db 値 = 20 log 10 ( 音圧 / ) 7

8 2 音圧音圧 ( 空気の粗密の程度 ) P:Sound pressure 単位 :Pa, N/m 2 人間の聞こえる範囲 ~20Pa(=N/m 2 ) (1 気圧 =101325Pa(=1013hPa)) 8

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 9

10 2 音速空気 t m/s (t は温度 ) 水中 t-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 10

12 2 超音波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種々の特異な性質 12

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 13

14 2 超音波種々の特異な性質加速度指向性遅いその他 14

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=

16 2 超音波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 16

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 ) 17

18 2 超音波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 = ω2 2ρc 3 4η 3 + κ γ 1 c p η: 粘性係数 c p : 定圧比熱 κ: 熱伝導率 γ: 比熱比 18

19 3 反射と透過 P0 空気中物体 Pt 透過 Pr 密度 ρ 1 音速 V 1 反射密度 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 Z 1 = ρ 1 V 1 Z 2 = ρ 2 V 2 19

20 3 エネルギー音の世界におけるオームの法則 P = Z U V=RI 電圧 = 抵抗電流音圧 = 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 = P2 Z W= RI 2 = V2 電力 W R 20

21 3 エネルギー P0 空気中 Z 1 Pt 透過 Pr 反射物体中 Z 2 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 Tt = P t 2 Z 1 Z 2 21

22 3 エネルギー物体に侵入した音波の音圧表面で反射された音波の音圧 Pt = 2Z 2 Pr = Z 2 - Z 1 Z 2 + Z 1 Z 2 + Z 1 物体中に侵入する音波のエネルギーは? T= Tt T 0 = P 2 t Z 2 P 2 0 Z 1 = 4Z 1 Z 2 (Z 2 + Z 1 ) 2 音波のエネルギー空気中 T 0 = 物体中 Tt = P 2 0 Z 1 P 2 t Z 2 22

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 23

24 4 超音波の応用洗浄 ( 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 ) 24

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 25

26 4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 26

27 4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 27

28 4 琵琶湖音で琵琶湖の今を知りたい!! 非接触大規模リアルタイム? 28

29 4 トモグラフィ Walter Munk の提唱温度分布センシング T T T Distance T R Receiver R R R C m = Distance / arrived Times Speed of sound (C) Equation C = F (T,P,S) T: temperature,p:pressure,s:salinity T m = F -1 (C m, P,S) 29

30 琵琶湖の価値豊かな自然環境固有種 ( 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ラムサール条約湿地滋賀の環境 2011( 滋賀県 ) ほか p.11 30

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 31

32 4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 32

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エポキシ樹脂中にマイクロカプセルを混合させて固体と気体間の整合層 33

35 4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 35

36 4 音響流音響流とは? 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. 36

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. 37

38 4 音響流その応用は 1. 超音波マニピュレーション 2. 非接触撹拌 3. 超音波医療への応用 38

39 4 音響流 39

40 4 音響流音響流の流速気泡発生時に 9mm/s から 13.5mm/s に上昇 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 41

42 5 測定音響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その他紫外線太陽 42

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 43

44 7 Contacts 坂本眞一 Shin-ichi Sakamoto 44

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) 45

46 8 参考文献例えば, 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 46

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. 47

48 10 ご清聴ありがとうございます!! コメント, アドバイスなど, よろしくお願いします. 48

( 全体 ) 年 1 月 8 日,2017/1/8 戸田昭彦 ( 参考 1G) 温度計の種類 1 次温度計 : 熱力学温度そのものの測定が可能な温度計どれも熱エネルギー k B T を

( 全体 ) 年 1 月 8 日,2017/1/8 戸田昭彦 ( 参考 1G) 温度計の種類 1 次温度計 : 熱力学温度そのものの測定が可能な温度計どれも熱エネルギー k B T を ( 全体 htt://home.hiroshima-u.ac.j/atoda/thermodnamics/ 9 年月 8 日,7//8 戸田昭彦 ( 参考 G 温度計の種類次温度計 : 熱力学温度そのものの測定が可能な温度計どれも熱エネルギー k T を単位として決められている 9 年月日 ( 世界計量記念日から, 熱力学温度 T/K の定義も熱エネルギー k T/J に基づく. 定積気体温度計