波動理論による音響レンズの高精度設計技術 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 218 年 12 月 4 日 1
2 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
3 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
4 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
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 c > c d c < c d 音響レンズ Convex lens c :speed in the water, Concave lens c d :speed in lens 5
Curvature D1=364.6 D2=84.92 Focal len D=15mm 新技術の特長 従来技術との比較 Curvature radius 従来理論の光線理論による設計では 設計結 D1=364.6mm D2=84.92mm 果と測定結果に誤差を生じる Focal length D=15mm 波動理論に基づく本技術を用いることでレンズ On axis による集束分布を高精度に解析できる characteristics of sound field for a biconcave aspherical lens Aspherical lens l region(z=2.2m) Ray-tracing technique r axial distance and example by ray-tracing plot. 従来技術 : 焦点位置のみを把握 Color display for r-z plane on axis 新技術 : 焦点位置のみだけでなく集束分布全体を把握 On axis charac biconcave asp 6
新技術 本技術のベースとなる波動理論解析 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 x y z :p :v x :v y :v 1 i, j, k 2 1 v y i, j, k 2 直交座標系の空間分割モデル z v z 1 i, j k 2 vx, p i, j, k 1 v y i, j, k 2 v z 1 i, j 2 vx, 1 i, j, k 2 k 7
8 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 * GPU:Graphic Processing Unit 領域分割イメージ GPU1 GPU2 GPU3 GPU4
25 5 75 1 125 15 175 2 Depth [m] -5-25 25 5 Horizontal position [mm] D e p t h [ m ] D e p t h [ m ] D e p t h [ m ] 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 センサー 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 1 2 3 t=1.5 s t=2.5 s 1 2 3 4 5 6 7 t=3.5 s 1 2 3 4 5 6 7 センサーからの放射波動解析 1 2 t=4.5 s 3 1 2 3 4 5 6 7 Range [km] -1-8 -6-4 -2 Sound pressure [db] 9
1 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 桟橋の水中構造の可視化 送波器 受波器アレイ
Normalized amplitude [db] 11 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 Normalized amplitude [db] -1-2 -3 Measured Simulated 12 16 2 24 Axial distance from lens 1st plane Z [mm] -1-2 -3-4 -5 Color display for r-z plane on axis -1-5 5 1 Transverse distance Y [mm] Curvature radius D1=364.6mm D2=84.92mm Focal length D=15mm On axis characteristics of soun biconcave aspherical lens Measured Simulated Focal point(z=2.15m) Post-focal region(z=2.2m) Ray-tracing tec Sound field distribution with cross section for axial distance and example by ray-traci As Table 焦点位置の周波数特性 Measured Analysis.5 MHz 182.5 179..7 MHz 183. 179.5 1. MHz 184. 181. Unit [mm] Table ビーム幅 (-3dB) の周波数特性 Measured Analysis.5 MHz 3.1 3.14.7 MHz 2.6 2.3 1. MHz 2. 1.7
新技術の適用例その 1 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 Center axis of sound source q Center axis of lens 波源斜め入射時の集束音場 -4-2 2 4 4 8-4 -2 2 4 4 8 17 18 19 2 17 18 19 2 (a) Measurment (b) Analysis 入射角度に対する焦点の変動 12
13 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 4 mm 特徴 前方が平面 後方の曲率半径も大きい 緩やかな集束 Fig. Geometry of aspherical acoustic lens. Z B2 Y 2 Y / 136. 5 2. Y /. 1 1 1 5597 136 5 2 1st plane of lens 2nd plane of lens Photograph of custom lens.
14 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 r q 基本式 i-1 i-1/2 i j-2 j-3/2 j-1 j-1/2 j z p K t r r z vr p t r vz p t z 1 v rv z r 音圧 p 粒子速度 v z 粒子速度 v r Fig. Grid model for 2D-FDTD method in cylindrical coordination. z 軸対称を仮定して 方位方向成分を除外 無損失媒質
Transverse distance [mm] Transverse distance [mm] 15 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 (a) Measurement data (b) Calculation data. -2-2 -1-1 1 1 2 29 3 31 32 33 2 29 3 31 32 Axial Distance [mm] Axial distance [mm] 3 6 9-2 -15-1 -5 Sound pressure [db] Sound pressure [db]
Convergence gain [db] Convergence gain [db] 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 1 5 1-5 -1 1 2 measurement analysis with lens holder analysis without lens holder -2 3 Axial distance z [mm] 4-1 measurement analysis with lens holder analysis without lens holder -2-1 1 2 Transverse distance y (r)[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 高性能解析 & 設計が可能 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 16
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 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 Fig. Structure sand gap Fig. Phononic crystal band gap structure Fig. Waveguide using phononic crystal band gap structure 17
18 新技術の適用例その 3 a a a d 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 Water y Stainless (SUS34) x Fig. Phononic crystal structure. z Point Source Focal point 音響レンズ試作モデル CAD 図 Fig. Configuration of phononic crystal lens
Transverse distance X [mm] 新技術の適用例その 3 音響レンズ試作モデル左 : 正面図右 : 側面図 -15-1 試作モデル :45 度方向より 音場測定結果 -5 5 1 15 1 2 3 4 5 6 Propagation distance Z [mm] 平板で集束効果を持つレンズが作成可能 19
2 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
21 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
22 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
23 産学連携の経歴 < 共同研究実績 > 21 年 -22 年 1 件 25 年 -26 年 1 件 25 年 -27 年 1 件 26 年 - 現在 1 件 215 年 -217 年 1 件
24 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 45-481 - 5661( 代 ) FAX 45-481 - 2764 e-mail sankangaku-renkei@kanagawa-u.ac.jp