2020 Fiscal Year Research-status Report
水中超音波により生じる気泡の音響信号を用いた気泡の発生量及び運動状態の計測制御
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20K04525
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
内田 武吉 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (70455434)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超音波 / 音響キャビテーション / 気泡 / 超音波パワー / 天秤法 / カロリメトリ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超音波照射により溶液中に発生する気泡の個数や運動状態を、気泡から生じる音響的な信号を用いて定量的に計測制御することを目的としている。超音波により気泡が生じる現象は音響キャビテーションと呼ばれ、産業分野の加工部品や医療分野の器具や治具の洗浄に用いられている。音響キャビテーションにより生じる気泡は、超音波の周期に伴い膨張、収縮、圧壊を繰り返し、その運動に伴い、気泡からインパルス的な音響信号や周期的な音響信号が発生している。我々は、この気泡由来の信号をキャビテーションセンサで測定し、気泡の運動状態を計測制御できないか検討している。令和２年度は、３年計画の１年目であり、実験装置の構築等を行った。以下に概要を示す。
１．超音波照射装置の構築：ボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波周波数40 kHz及び150 kHzの超音波照射装置、PZT圧電素子を用いた超音波周波数1 MHzの超音波照射装置をそれぞれ構築した。
２．低周波数用超音波パワー測定装置の構築：気泡由来の音響信号の評価のためには、超音波照射装置の水槽内に形成される超音波音場を精密評価する必要がある。本研究では、超音波音場の評価指標に超音波パワーを用いる。そこで実験で使用する40 kHzと150 kHzの超音波照射装置の超音波パワーの精密測定が可能な天秤法を用いた超音波パワー測定装置を構築し、その妥当性を評価した。
３．高周波数用超音波パワー装置の構築：1 MHzの超音波照射装置の超音波パワーの精密測定のために、超音波照射による水の温度上昇から超音波パワーを算出するカロリメトリ法用の２層型水槽を試作した。
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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
本研究は、３年計画の１年目であり、音響キャビテーションを発生させるための超音波照射装置の構築や、その評価装置である超音波パワー測定装置の構築などを行った。本研究はほぼおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は、前年度に構築した超音波パワー測定装置を用いて、超音波音場の精密な評価を行う予定である。その後、気泡の個数と超音波パワー、及び気泡由来の音響信号との関係を評価する予定である。
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| Causes of Carryover |
実験装置の構築に関して、部分的に既存の超音波振動子の利用や改良で代用したため、次年度使用額が生じた。2021年度は、500 kHz超音波照射装置の構築や超音波パワー測定、キャビテーションセンサの試作代、気泡の個数測定の依頼代に使用する予定である。
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