2016 Fiscal Year Research-status Report
超音波定在波および進行波を利用した混合粒子の分離と分級
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15K18258
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
河府 賢治 日本大学, 理工学部, 准教授 (10424748)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超音波振動 / 粉体 / 摩擦低減 / 表面振動 / 音圧 / 周波数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初の計画通り，平成27年度と比べ超音波振動の周波数を20.5kHzから28，39kHzに変更して実験を行い，下記の結果を得た。
1.周波数が高くなっても表面振動による摩擦低減効果が音圧による効果と比べ30倍程度以上と大きく支配的である。そのため，超音波振動による摩擦低減効果を予測する場合は，表面振動のみを考えれば良い。
2.音圧による摩擦低減効果は，周波数が高くなっても20.5kHz同様，粒子径が大きいほど大きくなる。また振動振幅が同じ場合，周波数が高いほど摩擦低減効果は大きくなる。しかし，これは単に音圧レベルが大きくなるためであり，粒子速度による影響は小さい。
3.表面振動による摩擦低減効果においても20.5kHz同様，周波数が高くなっても粒子密度が大きいほど摩擦低減量が大きくなる。また周波数が高くなるほど低減効果は大きくなり，20.5kHzでは密度による相違が見られなかった粒子径300μmの摩擦低減効果が，高い周波数では相違が現れた。さらにこの表面振動による摩擦低減効果は粒子径，材料が同じ場合，振動面の移動速度の影響を受けることが分かり，つまり振動振幅が同じ場合，周波数が高いほど低減効果が大きくなることが分かった。しかし，これは単に振動振幅を大きくすることと同じであることを意味し，周波数が高くなっても直接的な効果は小さいと言える。また，超音波振動板のピストン振動エネルギーがこの低減効果に影響していることを示唆する実験結果が得られた。つまり，振動エネルギーが粒子に透過することでそのエネルギーを消費する過程で粒子が動き，見掛けの摩擦抵抗が低減すると考えられる。しかしながら，この影響については不明であり，平成29年度当初の計画に対してこの検証実験を追加して行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初，38，50kHzでの実験を計画していたが，圧電セラミックスが周波数が高くなるほど小さくなり，さらに節のないピストンモードでの実験を行うため，振動板の肉厚が大きくなり，摩擦低減効果の実験で表面振動ならびに音圧効果を調べるための十分な振動振幅が得られなかった。また，50kHzでピストンモード振動板を製作する場合，板のサイズが小さくなり粒子挙動の観察が困難になるだけでなく，空間音圧分布が不均一となり，粒子に作用する音圧が位置により異なるため，信頼性の高い測定結果を得ることは困難と考えた。そのため周波数を28，39kHzに変更することとなったが，平成28年度は平成27年度と比べて高い周波数で実験を行い，表面振動ならびに音圧による粒子-壁面間の摩擦低減効果を定量評価することが目的であったため，周波数が変わったとは言え当初の計画通り順調に進んでいると考えている。
実験結果としては，周波数が高くなることで表面振動ならびに音圧による摩擦低減効果が大きくなること，混合粒子群からの大きさごとの分級，材料ごとの分離の効率を周波数により向上できることを予想していた。しかし周波数による影響は音圧値を高め，板表面の移動速度が速くなる等間接的に働くため，結果として振幅を大きくすることと同じであることが分かり，分離・分級効率ならびに処理能力を向上させるためには他の手法をとることが必要であることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の結果より，定在波振動による粒子-壁面間の摩擦低減効果は周波数を高くしても直接的にはあまり効果がないことが分かり，当初平成29年度に予定していた進行波振動による実験の重要性が増した。そのため，当初の計画では進行波を用いて，粒子と振動板とが直接接触している表面振動による挙動を調べる実験のみであったが，反射板と振動板とを平行に設置し，鉛直方向下側の反射板上に粒子を散布したいわゆる音圧効果による挙動実験も行う。
さらに，摩擦低減効果の要因究明が必要であることがわかったため，音響透過係数による摩擦低減効果実験，ならびに音波により生ずる流れが起因する粒子-壁面間の見かけの摩擦低減効果を調べる実験を追加で行う。これにより，単純な機械的振動との相違を示し，超音波振動を使用することの意義ならびに価値を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
当初の計画通り共振周波数の異なる超音波振動子や振動板を製作したが，事前の予測と実際の製作費用が異なったため，差額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初の計画通り，進行波実験を予定しておりこの実験用の振動板を製作するために使用することとする。また，この実験ではバイポーラ電源が必要であり，新たに購入するための費用とする。さらに，前述の通り超音波振動による摩擦低減効果の要因を調べる実験を当初計画に加えて実施するため，この実験に用いる球形粒子や振動板の製作費として用いることとする。
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