2019 Fiscal Year Annual Research Report
Midair Flow Control with High Spatiotemporal Resolution based on Ultrasound-Driven Streaming
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18H01458
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 圭介 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (20733108)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 音響流 / 流体制御 / 音場制御 / 波面合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は出力位相及び振幅を個別に制御可能な超音波振動子のフェーズドアレー音源を用いて空中に局所的な音響パワーの収束を引き起こし、これに比例して発生する体積力によって発生する空気の流れ（音響流）について、自在な時空間分布の制御並びにその応用の確立を目指すものである。本年度は音響流制御における基本要素としての三次元音響ホログラフィの生成法についての研究を中心的に行い、従来法を改良する形での交互射影に基づくアルゴリズムおよび連続最適化問題の解としてのアルゴリズムを導出した。また、導出したアルゴリズムに基づく音場生成について数値シミュレーションおよび実環境計測実験における評価を完了した。その結果、限定された開口の超音波フェーズドアレーによる一方向からの照射であっても波長程度の細かさを持つ密な三次元空間パターンを生成しうることが結論付けられた。この際、数値シミュレーションと実環境実験における生成音場に乖離がみられることがあったが、これが発生する条件が実際に用いる超音波フェーズドアレーの位相・振幅における有限のダイナミックレンジならびに素子ごとの位相特性のばらつきによる出力誤差とホログラム領域内に放射される音響パワーとの比率に影響されることを明らかにした。また、これに付随して音響ベッセルビームのスキャンや、微小移動する点音源を用いたモノラル信号からの自己定位の原理について導出を行い、音響ホログラフィの新たな用途の開拓を行った。
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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
三次元音響ホログラフィについての生成アルゴリズムを多角的に検討することで、ホログラフィ生成領域の外側における音響パワーの漏れ出しを最適化における正則化によって抑えることが実環境での音場生成における重要な要素であることが結論付けられたため、これにより昨年よりも広いワークスペースでの音響流制御が十分な効率で可能になると考える。導出した2種類のアルゴリズムはリアルタイム性や計算領域内部でのパターンの正確性などにおいてそれぞれが特長を持っており、対象とする応用に応じた使い分けが可能である。この内容については現在原著論文の投稿中である。また、時空間的に高分解能な音場の設計が音響流制御以外の用途に生かされる可能性についても検討を行い、この内容について国際学会発表を行った。
以上の成果はすべて実際の音場生成実験において確認されたものであり、実環境における物理情報システムに応用する際にどれも中心的な貢献を果たすと考える。以上を鑑み、おおむね順調に研究が発展していると結論する。
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナウイルスの蔓延により大学における実環境実験の実施に大きな制約がかかっていることもあり、今年度の前半は数値シミュレーションを通じた提案手法の評価を研究進捗における基礎的な道具として確立する。これを用いて現在開発中の音響流生成法についての定量的な検討を行い、手法を改良していくことが第一の方策である。つぎに、収束音場による加速度場を用いて発生させることのできる気流はどのような空間的制約を持つのか、について理論的に検討を行うことにより、手法の原理的な限界について明らかにする。そのうえで、理論的には生成可能なものうち学術的・実応用的に重要性の高い空間的な性質を持つ気流の候補を絞り込み、これについて数値シミュレーション上あるいは実環境実験において実際に生成可能であることを明らかにすることを目指す。
また、与えられた流速分布の実現とは異なり、熱や拡散物質のソースの分布が既知であるとしたときに与えられた温度／濃度分布を実現するための気流およびこれを実現する音響場を求める問題について取り組む。
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