収束空中超音波の局所非線形効果を活用したピンポイント非接触屋内環境計測の研究

• 研究課題/領域番号: 23K28163
• 補助金の研究課題番号: 23H03473 (2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61050:知能ロボティクス関連
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 長谷川 圭介 埼玉大学, 理工学研究科, 講師 (20733108)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円); 2025年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2024年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2023年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
• キーワード: IoT / 超音波工学 / センシング / 知能ロボティクス / 非線形音響効果 / 計測工学 / スマートセンシング

研究開始時の研究の概要

本研究は，屋内環境空気が含む様々な物理情報（気温・音・CO2などの物質濃度・気流）をピンポイントかつ遠隔的な形で計測する原理について開発することを目標とする．収束空中超音波の呈する非線形音響効果を活用し，超軽量のセンサユニットを空中操作することによる環境計測と，収束超音波が環境から受ける変化を別の箇所で計測する間接計測の2つの方略により，「部屋の中の空気」を「モノのインターネット(IoT)」の枠組みの中でアクセス可能とすることで，ネットワーク越しに離れた部屋の物理情報が手に取るように把握できるようにすることを目的としている．将来展開として環境モニタリングシステムへの応用などを想定している．

研究実績の概要

本年度は非線形音響効果を用いた屋内環境計測において，結合波を用いた発音体の移動速度計測における2022年度の実験的検討についての再検証を行い，その結果発音体の放射音とこれに重畳する固定超音波音源が放射する強力超音波の場が作り出す差音の周波数が発音体の移動速度の固定音源方向成分に比例して大きくなり，かつこれが差音と同等の周波数の音を放射する発音体の示すドップラー効果に比べ極めて大きな速度対周波数変動比率を有することを確認した．またこの効果は通常のドップラー効果とは異なり観測位置によらずに同じ周波数変動となることを明らかにした．これは送受信機の位置関係について従来のドップラーシフトに基づいた手法が大きく制限を受けることに対し，音源移動による一次波場の周波数変動は差音場そのものではなく差音のソース項の放射周波数に影響を与えることに着目することで差音自体には（観測位置に観測周波数が依存するという意味での）ドップラー効果が起きていないことを利用した新しい計測手法となっている．
これに加え，放射力によってトラップした軽量浮上体に備えた小型センサを用いて環境中の音場を可視化する試みについて2022年度末に行われた実験的検証の結果を整理し，より発展的な課題として放射力を有する超音波焦点による水平方向位置決め効果を活用し，かつセンサ自体を無線化することで広範囲の環境データを非接触に計測する方略について検討を行い，空中センシングユニットのプロトタイプデバイスの設計に着手している．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

新たな音響計測手法を開発できた点については十分な進展と考えるが，空中センサユニットについての開発が当初よりもやや遅れていると考えるためこの自己評価とした．

今後の研究の推進方策

空中センシングユニットについては概ね実装方法の方略が立っており，また浮上体自体をある種のセンサとして活用することによるセンシング方略についても検討中である．これらの発想に基づいたデバイスのプロトタイプ作成に注力することにより研究を進展させることを考えている．