超音波技術（超音波システム研究所）

超音波技術（超音波システム研究所）

超音波システム研究所

シャノンのジャグリング定理を応用した「超音波制御」方法

各種データの時系列変化の様子を解析・評価して、

時間で移動するボールのジャグリング状態に相当する

超音波伝搬現象の「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

＜＜　超音波のジャグリング制御　＞＞

制御できると超音波システムは 　大変便利な道具（装置）になります

超音波照射による現象を 安定して効率よく利用するためには

超音波発振機や振動子以外の条件（注）に関する 検討や開発も必要です

注：水槽、洗浄液、装置の固定方法、治工具、液循環・・・

水槽や液循環・・・の影響も大きいのですが

現在使用中の超音波を効率用利用するための

単純ですが大きな改善が可能な

アイデアと方法を紹介します

（　具体例や実績は多数あります

２０ｃｃ－１８００リットルまで対応実績があります　）

＊＊　超音波システムの制御　＊＊

この制御は簡単で、非常に効率が高いので是非利用してください

省エネルギーにもなります、広く普及させたいと考えています 特許申請は行いません

（インターネットで公開し類似の特許が登録されないようにしています）

詳細については「　超音波システム研究所　」にお問い合わせください

単純ですが、個別の要因（水槽、伝搬対象物、・・）により適切な設定が必要です

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（発振）周波数の異なる振動子の数

説明

各種データの時系列変化の様子を解析（応答特性・・・）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

数時間、数日、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効果、加速度の効果、　等）に対して、

装置の運転時間の調整で対応（最適化）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（音響特性を考慮した最適化の）必要があるためです

参考動画

http://youtu.be/z9U_zAqYbME　　http://youtu.be/4qllXYFuqBM

http://youtu.be/OVWyXfQY2Uk　　http://youtu.be/83dDoHXLu5Y

http://youtu.be/az0kxOEKVHE　　http://youtu.be/WGXBGfy3W1w

http://youtu.be/h6YM0HD7W8o　　http://youtu.be/lyjmlQLUP48

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

トレードオフの関係にあるパラメータを

適切にバランス運転することを可能にします

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もそこにあるように思います

各種の運転・停止時間の設定により

キャビテーションと加速度の効果を 調整することが可能です

オリジナルの音圧測定解析装置：超音波テスターにより

応答特性の確認を行い、提案・実施しています

特に、複数の同じタイプの超音波振動子を

一つの水槽に入れて利用している場合

この制御を行うことで 洗浄・攪拌・改質・・・・の効果を大きく改善できます

現状の超音波装置の対策としては 最も効果的で実用的です

但し、装置の振動系の測定解析を行う必要があります

 装置の振動系の問題がある場合には 測定解析に時間がかかります

興味のある方はメールでお問い合わせください

＜ダイナミック特性を利用した制御＞

http://ultrasonic-labo.com/?p=1299

超音波伝搬状態の最適化技術

http://ultrasonic-labo.com/?p=1010

物の動きを読む数理（音圧・液温・Ｄｏ濃度）

　　http://ultrasonic-labo.com/?p=1074

インフォメーション　 http://ultrasonic-labo.com/blog

参考

１）超音波洗浄器（基礎実験・確認）

超音波洗浄器の利用技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=1318

超音波洗浄器の利用技術　Ｎｏ．２
http://ultrasonic-labo.com/?p=1060

超音波洗浄器(42kHz)による＜メガヘルツの超音波洗浄＞技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=1879

２）超音波利用（応用技術・ノウハウ）

超音波振動子の設置方法による、超音波制御技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=1487

推奨する「超音波（発振機、振動子）」
http://ultrasonic-labo.com/?p=1798

超音波専用水槽の設計・製造技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=1439

超音波のダイナミック制御技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=2015

 

＜＜超音波伝搬現象の分類：：超音波実験＞＞

＜＜超音波伝搬現象の分類：：超音波実験＞＞

超音波洗浄器（42kHz 26W）による、メガヘルツの超音波発振制御に関する基礎実験（超音波システム研究所）

超音波洗浄器（42kHz　26W）による、メガヘルツの超音波発振制御に関する基礎実験（超音波システム研究所）

超音波洗浄器を利用した実験（制御技術開発）

超音波洗浄器を利用した実験（制御技術開発）

超音波めっき処理：日本バレル工業株式会社

超音波めっき処理：日本バレル工業株式会社

超音波の音圧解析（バイスペクトル） Ultrasonic-labo

超音波の音圧解析（バイスペクトル）　Ultrasonic-labo

超音波システム研究所は、
　多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析技術を応用した、
　「超音波の伝搬状態を測定・解析・評価する技術」を利用して
　超音波利用に関するコンサルティング対応を行っています。

超音波テスターを利用したこれまでの
　計測・解析・結果（注）を時系列に整理することで
　目的に適した超音波の状態を示す
　新しい評価基準（パラメータ）を設定・確認します。

注：
　非線形特性（音響流のダイナミック特性）
　応答特性
　ゆらぎの特性
　相互作用による影響

統計数理の考え方を参考に
　対象物の音響特性・表面弾性波を考慮した
　オリジナル測定・解析手法を開発することで
　振動現象に関する、詳細な各種効果の関係性について
　新しい理解を深めています。

その結果、
　超音波の伝搬状態と対象物の表面について
　新しい非線形パラメータが大変有効である事例による
　実績が増えています。

特に、洗浄・加工・表面処理効果に関する評価事例・・
　良好な確認に基づいた、制御・改善・・・が実現します。

＜統計的な考え方について＞
　統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
　具体的なものとの接触を通じて
　抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
　これが統計数理の特質である


＜＜ 超音波の音圧測定・解析 ＞＞

１）時系列データに関して、
　多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析により
　測定データの統計的な性質（超音波の安定性・変化）について
　解析評価します

２）超音波発振による、発振部が発振による影響を
　インパルス応答特性・自己相関の解析により
　対象物の表面状態・・に関して
　超音波振動現象の応答特性として解析評価します

３）発振と対象物（洗浄物、洗浄液、水槽・・）の相互作用を
　パワー寄与率の解析により評価します

４）超音波の利用（洗浄・加工・攪拌・・）に関して
　超音波効果の主要因である対象物（表面弾性波の伝搬）
　あるいは対象液に伝搬する超音波の
　非線形（バイスペクトル解析結果）現象により
　超音波のダイナミック特性を解析評価します

この解析方法は、
　複雑な超音波振動のダイナミック特性を
　時系列データの解析手法により、
　超音波の測定データに適応させる
　これまでの経験と実績に基づいて実現しています。

注：解析には下記ツールを利用します
注：OML(Open Market License)
　　　https://www.ism.ac.jp/ismlib/jpn/ismlib/license.html
注：TIMSAC(TIMe Series Analysis and Control program)
　　　https://jasp.ism.ac.jp/ism/timsac/
注：「R」フリーな統計処理言語かつ環境
　　　https://cran.ism.ac.jp/

超音波実験写真

超音波実験写真

超音波による、ナノレベルの攪拌・乳化・分散・粉砕技術 Ultrasonic-labo

超音波による、ナノレベルの攪拌・乳化・分散・粉砕技術　Ultrasonic-labo

－－超音波の非線形現象を制御する技術による
　ナノレベルの攪拌・乳化・分散・粉砕技術－－

超音波処理1：：「粉末のナノ化」
超音波処理2：：「液体の均一化・流動性改善」

超音波システム研究所は、
「超音波の非線形現象（音響流）を制御する技術」を利用した
「超音波による液体の均一化・流動性改善技術」を開発しました。

この技術は
　表面検査による間接容器、超音波水槽、その他事項具・・の
　超音波伝搬特徴（解析結果）を利用（評価）して
　超音波（キャビテーション・音響流）を制御します。

さらに、
　具体的な対象物の構造・材質・音響特性に合わせ、
　効果的な超音波（キャビテーション・音響流）伝搬状態を、
　ガラス容器・超音波・対象物・・の相互作用に合わせて、
　超音波の発振制御により実現します。

特に、
　音響流制御による、高調波のダイナミック特性により
　ナノレベルの対応が実現しています

金属粉末をナノサイズに分散する事例から応用発展させました。

超音波に対する
　定在波やキャビテーションの制御技術をはじめ
　間接容器に対する伝播制御技術・・・により
　適切なキャビテーションと音響流による攪拌を行います。

これまでは、各種溶剤の効果と超音波の効果が
　トレードオフの関係にあることが多かったのですが
　この技術により
　溶剤と超音波の効果を
　適切な相互作用により相乗効果を含めて
　大変効率的に利用（超音波制御）可能になりました。

オリジナルの超音波伝搬状態の測定・解析技術により、
　音響流の評価・・・・多数のノウハウ・・・を確認しています。

超音波テスター：オシロスコープ100MHzタイプを利用した実験（超音波システム研究所）

超音波テスター：オシロスコープ100MHzタイプを利用した実験（超音波システム研究所）