音波浮揚を利用した非接触物質搬送方法の研究

• Project/Area Number: 06750277
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 電力工学・電気機器工学
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小池 義和 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (30251672)
• Project Period (FY): 1994
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1994)
• Budget Amount: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 1994: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 音波浮揚 / ランジュバン放射圧 / レイリー放射圧 / ラグランジェ座標 / オイラー座標 / たわみ振動板 / 非接触搬送 / 音響力

Research Abstract

本研究は、超音波周波数領域(20kHz以上)で駆動されるたわみ振動板近傍で、平らな底面を持つ物体が浮揚可能となる音波浮揚現象のメカニズムを解明することを目的としている。この浮揚現象は、音波とその音波の伝搬を遮る境界面とに生ずる放射圧に起因すると考えられ、従来の音波浮揚現象と同じ音響力によるものである。従来の音波浮揚は進行波音場におかれた境界によって生ずるエネルギー密度の分布により放射圧の存在を説明している。つまり、エネルギーの流れがあり、このエネルギーの流れを止めるような境界に対して、力となって現れるのである。これに対して、提案している音波浮揚現象では、放射板と浮揚物体の平らな底面との間に定在波に近い音場が形成されていると考えられ、進行波で用いた理論を適用することはできない。この音波浮揚のメカニズムは以下のように考えられる。
(1)浮揚物体底面と放射板との間の浮揚空間に定在波音場が形成されている。
(2)浮揚空間での気体の密度変化分は変位分布の微分項に比例している。
(3)移動座標系で与えられる気体の密度変化分と気体中の音速の2乗との積で与えられる圧力の変化分に対して、時間平均をとることにより浮揚力が得られる。
以上のメカニズムにより得られる放射圧が、単位面積当たりの重量と等しい。この関係を用いることにより、浮揚現象の支配式を得ることができる。この支配式より、以下のことが予測できる。
(4)浮揚距離は、浮揚物体の単位面積当たりの重量の平方根の逆数に比例する。
(5)浮揚距離は、放射面上の振動振幅に比例する。
(6)浮揚距離が無限小になることにより、浮揚可能な物体の重量は無限大となる。
(7)たわみ振動板を用いた場合、音波の放射される角度は波数整合により放射面の鉛直方向に対して傾きを持つが、その角度が浅くなるに従い浮揚距離は増える。
(8)同相に振動する放射面では、現象は放射音源の周波数には依存しない。
以上が、浮揚のメカニズムに関して本研究で得られた成果であり、これらのことについては実験的に妥当性を確認している。