空中超音波の基礎技術ｎｏ．６
空気中の超音波の減衰
シミュレーションによる空気中の超音波の減衰結果を紹介します
超音波の伝搬を検討する上で
最も基本的な事項が
空気中の伝搬だと考えます、
次が液体中になり
最も難しいのが固体中です
しかし、現実はその組み合わせであり
その境界における現象が
大きな影響を持つ場合がたくさんあります
基礎の基礎として
「空気中の超音波の減衰資料」を提示します
注１：気温、気圧、湿度・・すべてが影響します
注２：超音波を発生させている部分が個体なので
個体の伝搬現象は考慮する必要があります
超音波機器による
空中超音波の実験・確認技術を開発しました
具体的な応用事例もあります
目的に合わせた
超音波による応用・研究を行っています
超音波美顔器で超音波照射（１ＭＨｚ）した様子です
ガラスを取り付けた
超音波美顔器で超音波照射（１ＭＨｚ）した様子です
超音波とガラスと水のバランスにより
効率のよい超音波伝搬状態を実現させた様子です
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＜超音波の応用を検討するためのモデルについて＞
以下のような資料を参考にして検討しています
現実の問題処理・経験の蓄積
第22 回京都賞記念ワークショップ 基礎科学部門
「統計的推論とモデリング」 赤池弘次 より抜粋
・・・・
この式は、情報量I(Q:P)が
真の分布QとモデルPの平均対数尤度の差であることを示し、
ある人が、観測値x に関する
モデルP の対数尤度logP(x)をP のQ への近さの測定値と
して繰り返し利用すれば、
その平均が情報量を定義する量に収斂することを示す。
このことは、真の分布がその人だけに固有のものであっても、
logP(x)はP の良さを判断する量として
彼にとっては合理的な選択であることを示す。
更に、真の分布が社会的にただ一つに決まるという場合には、
多くの人に繰り返し利用される場合の平均は
同じ量に素早く収斂するであろう。
これは対数尤度の間主観性（注：補足）を説明するものであり、
これが対数尤度に基づく統計的推論に一種の客観性を与える
とみなされる(2)。
この見方から、情報量I(Q:P)を、
モデルP の質を評価する規準、
すなわち情報量規準とみなすことができる。
注：補足
「相手の立場になって考えてみる」＝「間主観性」
統計的推論は何らかのモデルを利用して実行される。
モデリングの仕事は
心身の働きによって遂行される知的な活動であり、
対象のイメージを心に抱くことから始まる。
このようなイメージは、
関連する客観的知識、経験的知識、
および観測データの蓄積と適切な使用がなくては得られない。
この場合には、
必ずしも数学的表現で記述されない、
あるいは計算機で取り扱えない状況での
イメージやモデルの構築を
効果的に指導する原理の展開が必要である。
筆者の見方によれば、
このような研究の素材は
現実の問題処理の経験の蓄積によってのみ獲得される
＜イメージとモデルの関係＞
ロダンは別の話で、これを裏付けるかのように、
時間的動きのイメージを生み出す要領として、
体の各部の刻々の形の接続によって
動きを表現することを説明している。
これを動きのモデリングの立場から見ると、
イメージ構成の基本要素が、
対象の各部の
「安定な静止状態からの逐次的変位の系列」
によって与えられることを示すものと見ることができる。
一瞬の姿をこの基本的要素の繋がりに
分解して捉えることにより、
初めて動きの解読が実現し、
動きの内容の把握と伝達が可能になる。
これは優れた芸術的活動に見られる、
高度に知的な情報処理の実態である。
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超音波システム研究所
ホームページ http://ultrasonic-labo.com/
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間接容器と定在波による「超音波制御技術」
超音波（定在波）の制御技術を応用して、
間接容器を利用した、新しい超音波制御技術を開発しました。
今回開発した技術は、
超音波の定在波を利用して、
間接容器の音響特性と組み合わせることで、
超音波機器の発振周波数とは異なる、
幅広い超音波の伝搬周波数の特性を利用可能にした技術です。
４０ｋＨｚの超音波振動子を使用して、
１００－２００ｋＨｚの超音波の効果が実現できます。
なお、超音波システム研究所の「超音波機器の評価技術」により、
具体的な効果を＜数値化・グラフ化＞することで確認しています。
＜＜注意＞＞
この動画にでは
非常に沢山の技術ノウハウを紹介しているつもりです
但し、ここで使用している
水槽・振動子・液循環・・・が大変良好な状態ですので
簡単に実現していますが
不均一な状態で使用している装置の場合には
このような簡単な制御は難しいと思います
超音波振動子を利用した測定ｎｏ．１３
超音波に関する伝搬解析資料を紹介します
一つの実験解析例です
注：水槽構造（改良含む）と超音波による
複雑な関係性がありますので
測定・解析により
条件設定を調整することで
超音波の制御が可能になります
特に、複数の条件を解析すると
水槽による影響が非常に大きいことがわかります
超音波システム
＜（超音波）論理モデルの作成について＞
（情報量基準を利用して）
１）各種の基礎技術（注）に基づいて、対象に関する、
D1=客観的知識（学術的論理に裏付けられた洗浄理論）
D2=経験的知識（これまでの洗浄結果）
D3=観測データ（現実の状態）
からなる 「情報データ群 」、DS＝(D1,D2,D3) を明確に認識し
その組織的利用から複数のモデル案を作成する
２）統計的思考法を、
情報データ群（DS）の構成と、それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し
によって情報獲得を実現する思考法と捉える
３） AIC の利用により、様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する
４） 作成したモデルに基づいて洗浄装置・洗浄システムを構築する
５） 時間と効率を考え、以下のように対応することを提案します
５－１）「論理モデル作成事項（効果的な超音波洗浄技術について）」を考慮して
「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する
５－２）実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する
５－３）検討メンバーが合意できるモデルにより装置やシステムの具体的打ち合わせに入る
上記の参考資料
ダイナミックシステムの統計的解析と制御：赤池弘次/共著 中川東一郎/共著：サイエンス社
生体のゆらぎとリズム コンピュータ解析入門：和田孝雄/著：講談社
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超音波システム研究所 ultrasonic-labo
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超音波洗浄にとっては、
目的に適した表面の実現が問題で、
単純な洗浄評価よりは更に詳しく
利用目的における評価・トラブル・・・の
安定性・ばらつきが問題になります。
この場合は目標を目指しての一回の洗浄プロセスの効果として
その関連データを測り、その散らばり（分布）について確率を求めます。
対象の中で特定の特性を持つ物の数を表す数値は
古くから統計と呼ばれて来ています。
そこで、多数の結果の中で一定の値
（正確にはその近傍の値）が現れる確率を検討する方法を
統計的な見方と呼びます。
超音波洗浄の改善・効果を考える場合には、
洗浄の結果・評価（数値化）の方向と
効果（不具合やトラブル・・の改善）についての統計的な検討が必要になります。
ここまでの話は常識的なものですが、
ここから更に一歩踏み込んで洗浄の動き自体の検討に進みます。
この場合は、効果的な洗浄事例に従ったりして
その結果を統計的に確認するという方法だけではなく、
洗浄を生み出す条件＜洗浄物・数量・洗浄時間・・・＞と
超音波の動きの構造＜音圧・変化・キャビテーション・・・＞を
数値・図形・・・で捉えることが必要になります。
ところが、洗浄を生み出すシステムの仕組みは、
社会の仕組みのように無数の部分の繋がりで出来上がっています。
この複雑なシステムの動きを、
その構成部分の動きの総和として捉えようとするのが統計的な見方です。
この場合、最終的には超音波の洗浄物への動きを生み出すための
単純化したイメージが必要になります。
このイメージの構築の基本要素は、超音波の仕組みの知識と、
これまで強調して来た最終的な超音波洗浄に関する動きの目的意識です。
これらによって試行錯誤的にイメージの改善を進めることになります。
こんな面倒な話は聞きたくもないと思うかも知れませんが、
「天は自らを助けるものを助ける」と言うように、
超音波洗浄は人から教えられるものだけでは不十分で、
自分で考えて仕上げることが不可欠です。
その場合に「統計的な見方の有効利用」が成功へのキーワードになります。
「音色」による「超音波発振制御」技術
複数の異なる周波数の「超音波振動子」を利用する技術について、
「音色」に関する評価・分析方法を応用した「超音波発振制御」技術を開発。
従来の、音圧や伝搬周波数による評価とは異なり
音色（音の変化）を考慮することで
幅広い超音波の効果について
目的に合わせた新しい利用を可能にしました
特に、マイクロ・ナノ・のレベルの物質に対する
超音波の影響は、音色による制御が有効です
超音波システム研究所（間接容器）
超音波利用技術
１：市販のステンレス容器を「超音波照射・マイクロバブル」で表面改質します
２：容器の音響特性を計測・解析します
３：超音波の利用目的に合わせて
＊容器の設置方法
＊液循環量
・・・・を適切に設定することにより、超音波用具として利用可能になります
上記の内容について
興味のある方はメールで連絡してください
超音波システム研究所
E-mail：uss1@island.dti.ne.jp
URL：http://www.green.dti.ne.jp/aabccdx/
脱気マイクロバブル発生装置
＜マイクロバブルについて＞
液循環用のポンプを工夫することで
マイクロバブルを発生することが可能となります。
空気をポンプのキャビテーションで取り出し、
ポンプのインペラで空気をマイクロバブルのサイズにします。
マイクロバブルの性質
１）気泡はゆっくり上昇する。
２）分散性に優れている
３）微小なゴミを吸着して浮上する。
４）超音波照射により泡は７０度にまで発熱。
５）超音波照射により、小さい「ナノバブル」に変化する。
６）ゆるやかな流動と広範囲の拡散特性を有する。
７）固有の物理化学的特性を有する。
８）生体に対して生理活性を誘起する。
９）有機物の混入は、泡の界面の粘性を増加させる。
１０）マイクロバブルのほとんどは、マイナスの電位を有する。
１１）一般に温度が低いほど発生量は多く、高くなると少なくなる。
１２）OHなどのフリーラジカルを形成する。
１３）マイナスの電位は水のｐＨに依存している
１４）マイクロバブルは超音波の散乱特性が優れている
１５）マイクロバブルは超音波照射の際に共振現象として崩壊する
以上の性質は今後さらに解明されていくと思われますが、
現状では不明な点を多く含んでいます
しかし、現象としては洗浄において利用しています
（特に、洗浄液の浄化において大きな効果がでています 注）
注：水槽や液循環が悪いと上記の効果が起こりません
また、溶存酸素と類似の変化をするオゾンを組み合わせると、
大変複雑になりますが
目的に対して適切な効果を引き出すことが可能です
西田幾多郎
新しい超音波システムの制御
＜＜ シャノンのジャグリング定理の応用 ＞＞
注：JUGGLING THEOREM proposed by Claude E. Shannon of the Massachusetts Institute of Technology is schematically represented for the three-ball cascade.
（ http://www2.bc.edu/~lewbel/jugweb/science-1.html より）
シャノンのジャグリング定理
( F + D ) ＊ H = ( V + D ) ＊ N
F ： ボールの滞空時間（Flight time）
D ： 手中にある時間（Dwelling time）
H ： 手の数（Hands）
V ： 手が空っぽの時間（Vacant time）
N ： ボールの数（Number of balls）
応用
Ｆ ： 超音波の発振・出力時間
Ｄ ： 循環ポンプの運転時間
H ： 基本サイクル
（キャビテーション・加速度のピークの発生する）
V ： 脱気装置の運転時間
N ： 超音波出力の異なる周波数の数
説明
各種データの時系列変化の様子を解析（注１）して、
時間で移動するボールの
ジャグリング状態に相当するサイクルと影響範囲を見つけます
この関係性から
ボールＮ個のジャグリング状態を設定して制御を行うと、
自然なシステムの状態に適した制御となり、
効率の高い超音波システムとなります
Ｆ・Ｄ・Ｖの関係は時間の経過とともに
トレードオフの関係になります、
そのために各種の運転として
他の条件を停止させた状態で運転する方法が必要になります
これまでにも、
結果としては適切と思える状態が発生することがありましたが
数日から数ヶ月後には適切でなくなり、
再調整することがありました
このような経験の中から
適切なモデルを検討していましたが、
ジャグリングモデルは大変良く適合するとともに、
高い効率と安定性を示しました
超音波の目的
（キャビテーションの強さ、加速度の強さ、 等）に対して、
装置の運転時間の調整で対応することが可能です
但し、
一般的な時間を提示できないのはシステムの系として
水槽やポンプの構造による影響が大きいため
そこに合わせる必要があるためです
参考として、単純な応用例
３００リットルの水槽で３０リットル毎分の循環ポンプと脱気装置の場合
超音波１ ------
超音波２ ------ ------
脱気装置 --- --- ---
循環ポンプ --- --- --- ．．．．
超音波出力：２分 １００-２００ワット、 脱気装置 １分、 循環ポンプ １分
ポイント
システムを「時間で移動するボールのジャグリング状態」
として捉えることが重要です
通信の理論を考えた
シャノンがジャグリングの理論を考えた理由が
そこにあるように思います
注１）情報量基準を用いた時系列データの多変量自己回帰モデルによる解析
注２）新しい発想ですので、特許による制約等はありません、
自由に応用発展させてください
（ 上記の脱気装置と循環ポンプは水槽構造により
不要になる場合もあります
その場合にも
モデル化による設定と制御により非常に高い効率が実現できます
１５００リットル以上の水槽でも、
２種類の周波数による
５００ワット以下の１台の出力で制御により安定した
強い均一な状態を実現しました
簡単な実験で確認してください、
溶存酸素濃度の絶対値は問題でありません、
バランスをとれば
どの様な状態（天候や水槽等の環境）でも
水槽全体に超音波が広がります
超音波の状態を理解して検討するためには
流体力学（三次元非定常圧縮性粘性流れ・ソリトン・液体の状態）
を正しくイメージすることが重要だと思います
しかし、不思議なくらい再現性と安定性がありますので
実験で確認することを提案します）
２００８．０８．２０ 超音波システム研究所
野中郁次郎
西洋の知は、典型的にはデカルト的です。
日本知は、ある意味では、西田哲学の言う、
まさに「純粋経験」ですよ。
われわれはポラーニの暗黙知・形式知という言葉を使いましたが、
西田哲学の「純粋経験」に近いものがあるんですね。
「分析以前の知」と言いますかね。
だから、われわれ日本人は、
やはり「純粋経験」に傾斜するんですよ。
プロ野球の例で言えば、長嶋監督型になるんですよ。
なかなか野村監督型にはなりきれないわけですね。
面白いことに、
知の創造プロセスには、同時に矛盾する面があるんですね。
だから、Creative Companyというのは、
実は両側面を同時に追求しているということなんですね。
中途半端にしないことです。
それは絶対矛盾の自己同一
という言葉を使うわけではありませんけれども、
実は対極をきわめていくと、
いっぽうの極が逆に見えてくるんですね。
超音波洗浄器（ 液循環ノウハウ ）
