(57)【要約】【課題】振動体の振動面が傾斜している場合や、振動体の振動面が曲面である場合でも、振動体の振動モードを確認することができる音源可視化方法及び装置を提供する。【解決手段】超音波発振器１と、曲面状の振動面を有する振動体とからなり、前記振動面に液体１２を塗布すると共に、前記振動体に超音波による固有振動を発生させ、前記液体１２の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発振手段と、曲面状の振動面を有する振動体に超音波による固有振動を発生させる固有振動生成手段と、前記振動面に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした音源可視化方法。
【請求項２】
超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段と、前記円筒型放射体に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした音源可視化方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の音源可視化方法において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である音源可視化方法。
【請求項４】
超音波発振器と、曲面状の振動面を有する振動体とからなり、前記振動面に液体を塗布すると共に、前記振動体に超音波による固有振動を発生させ、前記液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした音源可視化装置。
【請求項５】
超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体に液体を塗布すると共に、前記円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、前記液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした音源可視化装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の音源可視化装置において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である音源可視化装置。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれかに記載の音源可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした音源可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、眼に見えない音源の振動モードを視覚的に確認することができる音源可視化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、科学館や学校の教育において、眼に見えない音場を理論的に説明する際に、種々の実験が行われるが、音源の振動モードを視覚的に確認する方法としてクラードニの砂図が知られている。
クラードニの砂図は、水平に置いた板が固有振動しているとき、その板の上に乾いた細かい砂又はコルクを撒くと、砂又はコルクは振動の節の部分に集まって図形を描き、この図形により板の振動モードを確認するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、クラードニの砂図では、水平に置いた平板状の振動体の振動モードを確認することはできるが、振動体の振動面が傾斜している場合や、振動体の振動面が曲面である場合には、砂又はコルクの均等散布ができないために表面模様を描写することができず、振動体の振動モードを確認することができないという課題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、超音波発振手段と、曲面状の振動面を有する振動体に超音波による固有振動を発生させる固有振動生成手段と、前記振動面に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした音源可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、液体塗布手段により曲面状の振動面に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって音源である振動面の振動モードを視認することができる。
【０００５】
また、本発明は、超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段と、前記円筒型放射体に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした音源可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、液体塗布手段により円筒型放射体に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって定在波音場を発生させる音源を視認することができる。
【０００６】
また、本発明は、請求項１又は２に記載の音源可視化方法において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である音源可視化方法を提供するものである。
本発明によれば、例えば、振動面又は円筒型放射体を濃色又は暗色にすると、振動面又は円筒型放射体に水のように無色又は淡色の液体を塗布した場合でも、容易に液体の分布を観ることができる。一方、振動面又は円筒型放射体を淡色又は明色にすると、振動面又は円筒型放射体に濃色又は暗色の液体を塗布することにより、容易に液体の分布を観ることができる。
なお、反対色とは、淡色に対する濃色、又は、明色に対する暗色の関係のように、濃淡の色の差又は明暗の色の差を意味する。
【０００７】
また、本発明は、超音波発振器と、曲面状の振動面を有する振動体とからなり、前記振動面に液体を塗布すると共に、前記振動体に超音波による固有振動を発生させ、前記液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした音源可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、放射される超音波の音源を可視化するための媒体として液体を使用することによって、曲面状の振動面に媒体である液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって音源である振動面の振動モードを視認することができる。
【０００８】
また、本発明は、超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体に液体を塗布すると共に、前記円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、前記液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした音源可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、定在波音場を発生させる音源を可視化するための媒体として液体を使用することによって、円筒型放射体に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって定在波音場を発生させる音源を視認することができる。
【０００９】
また、本発明は、請求項４又は５に記載の音源可視化装置において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である音源可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、例えば、振動面又は円筒型放射体を濃色又は暗色にすると、振動面又は円筒型放射体に水のように無色又は淡色の液体を塗布した場合でも、容易に液体の分布を観ることができる。一方、振動面又は円筒型放射体を淡色又は明色にすると、振動面又は円筒型放射体に濃色又は暗色の液体を塗布することにより、容易に液体の分布を観ることができる。
【００１０】
また、本発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の音源可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした音源可視化装置を提供するものである。
本発明によれば、複数の周波数帯の超音波を切り替えて発振することによって、振動面又は円筒型放射体に塗布された液体の分布が変化し、振動モードの変化を視認することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。
図１に示す実施例において、本発明に係る音源可視化装置は、超音波発振器１と、円筒型放射体２とからなり、該円筒型放射体２に液体１２を塗布すると共に、前記円筒型放射体２内に超音波による定在波音場を発生させ、前記液体１２の分布によって前記定在波音場を発生させる音源部１３を視認可能に構成してある。
【００１２】
図１に示すように、超音波発振器１は、周波数カウンター７と、周波数調整機構８と、出力調整機機構９を備えてある。
周波数カウンター７は、発振する超音波の周波数を表示するようにしてあり、表示された周波数と振動モードとの対比を行うことができるから、超音波発振時に周波数を常時表示するようにしてあることが好ましい。なお、周波数カウンター７は、超音波発振器１の外部装置として接続して設けることも勿論可能である。
【００１３】
周波数調整機構８は、円筒型放射体２内に特定の定在波音場を形成する特定の振動モードにおける周波数の微調整をすることができると共に、複数の周波数帯の超音波を発振することができるようにしてあり、発振周波数帯を切り替えることによって、複数の振動モードを生成することができるように構成してある。
出力調整機構９は、発振する超音波の出力を調整することができるようにしてあり、振動モードに対応した図形（模様）を描写することができる強さの固有振動を円筒型放射体２の表面に発生させることができる。
【００１４】
また、超音波発振器１は、時間と共に変化する超音波振動系の共振周波数に合わせて、発振周波数を変化させることができる追尾機能を備えてあることが好ましい。これにより、円筒型放射体２に安定した固有振動を発生させることができるため、振動モードに対応した図形（模様）を描写させることができる。
なお、超音波発振器１は、特定の発振周波数帯の超音波を発振して、特定の振動モードを形成できるものであればよい。図示の実施例では、少なくとも２８ｋＨｚの周波数帯の超音波を発信することができるようにしてある。
【００１５】
図１に示すように、円筒型放射体２は、超音波を放射することができる弾性体からなり、図示の実施例では、ジュラルミンにより円筒型に構成してある。
また、円筒型放射体２は、円筒の高さを１００ｍｍ、内径を１５０ｍｍに設けてあり、２８ｋＨｚの周波数帯の超音波によって、図２又は図３に示すように、高さ方向及び円周方向に高次の振動モードが同時に存在するように構成してある。
【００１６】
なお、円筒型放射体２は、超音波により固有振動を発生することができればよいから、実施例の形状に限定されるものでなく、例えば、パラボラアンテナ状に設けることもでき、振動面を有する振動体であればよく、様々な形状に設けることができる。
【００１７】
また、円筒型放射体２には、外周面の高さ方向の中心に振幅拡大器４を介して超音波振動子３を取り付けてあり、超音波により振動を生じる超音波振動系５を構成してある。
図示の実施例において、超音波振動子３は、２８ｋＨｚ用の振動子を使用し、超音波発振器１により発振された超音波がケーブル１１により伝達され、縦振動を生じるようにしてある。
【００１８】
振幅拡大器４は、断面積に反比例して振動の振幅を拡大することができるようにしてあり、図示の実施例では、円筒型放射体２側の断面積を超音波振動子３側の断面積の１／５に設け、振幅を５倍にすることができるように構成してある。なお、超音波発振器１により充分な出力の超音波を発振することができれば、振幅拡大器４を設ける必要はなく、超音波振動子３を直接円筒型放射体２に接続することも可能である。
【００１９】
図１に示す実施例において、液体１２は、水性絵の具又は水性インクを溶かした水溶液、酸化第二鉄の水溶液等の着色溶液からなり、液体１２の分布を容易に視認することができるようにしてある。
なお、液体１２は、水溶液に限定されるものでなく、円筒型放射体２に均等に塗布することができ、振動によって振動の節の部分に集まることができるように、適度に粘性を有すると共に、直ぐに固化しないものであればよく、水を使用することも可能である。
【００２０】
また、円筒型放射体２及び液体１２は、液体１２の視認性を向上させることができるから、互いに反対色に設けることが好ましい。
例えば、水のように無色又は淡色の液体１２を使用する場合は、濃色又は暗色の円筒型放射体２を使用することが好ましく、濃色又は暗色の液体１２を使用する場合は、淡色又は明色の円筒型放射体２を使用することが好ましい。
【００２１】
図１の実施例において、６は、超音波振動系５を固定するスタンドである。
スタンド６は、超音波振動子３を回転可能に固定してあり、円筒型放射体２の向きを水平方向又は垂直方向に容易に変更することができ、液体１２により描写された円筒型放射体２の振動モードを容易に観察することができるようにすることができる。
なお、スタンド６は、振動モードの観察を容易にするものであり、音場可視化装置の必須の構成要素ではない。
【００２２】
また、本発明に係る音源可視化装置は、図示の実施例に限らず、超音波発振器１と、曲面状の振動面を有する振動体とからなり、前記振動面に液体１２を塗布すると共に、前記振動体に超音波による固有振動を発生させ、前記液体１２の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能に構成することも可能である。
【００２３】
次に、本発明に係る音場可視化装置の作用について説明する。
図１乃至図３に示す実施例において、共振周波数である２８ｋＨｚの超音波を超音波発信機１より発振すると、超音波振動子３に縦振動が発生し、振幅拡大器４によって振幅が拡大された縦振動が、円筒型放射体２に伝達される。
そして、円筒型放射体２にたわみ振動が起こり、円筒の高さ方向と円周方向に複数の振動の腹部が形成される。
【００２４】
図２又は図３に示すように、円筒型放射体２の円周方向には、９モードの高次の振動モードが存在し、１８個の振動の腹部が発生する。一方、円筒型放射体２の高さ方向には、２モードの高次の振動モードが存在し、５個の振動の腹部が発生する。これらの振動の腹部は、円筒型放射体２の内側の空間に超音波を放射する音源部１３となる。
【００２５】
そして、図２又は図３に示すように、円筒型放射体２に液体１２を塗布すると、液体１２は振動の腹部で弾かれ、振動の節の部分に集まって、振動モードに対応した図形が描写される。これにより、円筒型放射体２の振動モードを確認することができ、液体１２が描写する線に囲まれた部分が超音波を放射する音源部１３であり、音源部１３を視認することができるようになる。
【００２６】
一方、円筒型放射体２の内側に放射された超音波は、各々干渉した結果、円筒型放射体２の内面の法線方向に音圧の節部と腹部が交互に現れる定在波音場を形成する。
この場合、円筒型放射体２の直径を６０ｍｍ〜３００ｍｍに設けると共に、円筒長を４０ｍｍ以上に設け、円筒型放射体２の高さ方向に振動の節部が２つ以上存在するように構成することにより、図１に示すように、音圧の節部に浮揚物１０を安定して浮揚させることができ、浮揚物１０の存在の位置及びその配列により定在波音場を視認することができるようになる。
【００２７】
このとき、図示の実施例のように、液体１２を円筒型放射体２の内周面に塗布しておくことにより、液体１２の分布によって円筒型放射体２の内周面に定在波音場を発生させる音源１３を視認可能になるから、音源部１３と、浮揚物１０が浮揚する定在波音場の音圧の節部との関係を対比して視認することができる。
なお、液体１２は、必ずしも円筒型放射体２の内周面に塗布する必要はなく、外周面に塗布することも可能である。
【００２８】
また、超音波発振器１から発振される超音波の周波数を変えることにより、円筒型放射体２の振動モードが変わり、例えば、図４又は図５に示すように、液体１２の分布が変わって異なる図形が描写される。
【００２９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明に係る音源可視化方法によれば、超音波発振手段と、曲面状の振動面を有する振動体に超音波による固有振動を発生させる固有振動生成手段と、前記振動面に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした構成を有することにより、液体塗布手段によって曲面状の振動面に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって音源である振動面の振動モードを視認することができる効果がある。このように、振動モードを視認することができることにより、振動体が最適な共振形状又は構造になっているか確認することができ、振動体の製造時の判定等に使用して客観的な判定結果を得ることができる効果がある。
【００３０】
また、本発明は、超音波発振手段と、円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させる定在波音場生成手段と、前記円筒型放射体に液体を塗布する液体塗布手段により、該液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした構成を有することにより、液体塗布手段によって円筒型放射体に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって定在波音場を発生させる音源を視認することができる効果がある。
【００３１】
また、本発明は、請求項１又は２に記載の音源可視化方法において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である構成を有することにより、例えば、振動面又は円筒型放射体を濃色又は暗色にすると、振動面又は円筒型放射体に水のように無色又は淡色の液体を塗布した場合でも、容易に液体の分布を観ることができる。一方、振動面又は円筒型放射体を淡色又は明色にすると、振動面又は円筒型放射体に濃色又は暗色の液体を塗布することにより、容易に液体の分布を観ることができる効果がある。
【００３２】
また、本発明に係る音源可視化装置によれば、超音波発振器と、曲面状の振動面を有する振動体とからなり、前記振動面に液体を塗布すると共に、前記振動体に超音波による固有振動を発生させ、前記液体の分布によって放射される超音波の音源である前記振動面の振動モードを視認可能にした構成を有することにより、音源を可視化するための媒体として液体を使用することによって、曲面状の振動面に媒体である液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって音源である振動面の振動モードを視認することができる効果がある。
【００３３】
また、本発明は、超音波発振器と、円筒型放射体とからなり、該円筒型放射体に液体を塗布すると共に、前記円筒型放射体内に超音波による定在波音場を発生させ、前記液体の分布によって前記定在波音場を発生させる音源を視認可能にした構成を有することにより、音源を可視化するための媒体として液体を使用することによって、円筒型放射体に液体を均等に塗布することができるから、塗布された液体は振動の節の部分に集まり、この液体の分布によって定在波音場を発生させる音源を視認することができる効果がある。
【００３４】
また、本発明は、請求項４又は５に記載の音源可視化装置において、前記振動面又は前記円筒型放射体と前記液体とが互いに反対色である構成を有することにより、例えば、振動面又は円筒型放射体を濃色又は暗色にすると、振動面又は円筒型放射体に水のように無色又は淡色の液体を塗布した場合でも、容易に液体の分布を観ることができる。一方、振動面又は円筒型放射体を淡色又は明色にすると、振動面又は円筒型放射体に濃色又は暗色の液体を塗布することにより、容易に液体の分布を観ることができる効果がある。
【００３５】
また、本発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の音源可視化装置において、前記超音波発振器が複数の周波数帯の超音波を発振するようにした構成を有することにより、複数の周波数帯の超音波を切り替えて発振することによって、振動面又は円筒型放射体に塗布された液体の分布が変化し、振動モードの変化を視認することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明音場可視化装置の一実施例を示す斜視図
【図２】その一実施例の要部を示す斜視図
【図３】その一実施例の要部を示す展開図
【図４】他の一実施例の要部を示す斜視図
【図５】他の一実施例の要部を示す展開図
【符号の説明】
１　超音波発振器
２　円筒型放射体
３　超音波振動子
４　振幅拡大器
５　超音波振動系
６　スタンド
７　周波数カウンター
８　周波数調整機構
９　出力調整機構
１０　浮揚物
１１　ケーブル
１２　液体
１３　音源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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