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
2 超音波とは?? Copyright (C) Since 2004 Shin-ichi SAKAMOTO All Rights Reserved. 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
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
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
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
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
2 強さ :db 20Pa 2Pa 0.2Pa 0.02Pa 0.002Pa 0.0002Pa 0.00002Pa 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 /0.00002) 7
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 20 10-6 ~20Pa(=N/m 2 ) (1 気圧 =101325Pa(=1013hPa)) 8
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
2 音速 空気 331.5+0.6t m/s (t は温度 ) 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 10
2 超音波とは?? Copyright (C) Since 2004 Shin-ichi SAKAMOTO All Rights Reserved. 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 11
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
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
2 超音波 種々の特異な性質 加速度 指向性 遅い その他 14
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 15
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 26
4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 27
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
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
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
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
4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 32
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
Sound Pressure [Pa 0-P ] Copyright (C) Since 2004 Shin-ichi SAKAMOTO All Rights Reserved. 4 整合層 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 D_15mm D_13mm D_11mm D_9mm D_8mm D_7mm PZTのみ 0 35000 40000 45000 50000 Frequency [Hz] 整合層の開発に成功出力約 3 倍 34
4 応用研究 1. 琵琶湖 2. 整合層 3. 音響流 4. 将来 35
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
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
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
4 音響流 39
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
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
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
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
7 Contacts 坂本眞一 Shin-ichi Sakamoto sakamoto.s@e.usp.ac.jp http://shin1sakamoto.com 44
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
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
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
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