(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波により液体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察するキャビテーション気泡観察装置において、
上記液体を容れる、透明壁からなる超音波セルと、
上記超音波セルが載置されその超音波セルに振動を与える振動子と、
上記超音波セルの一側に配置したストロボ光源と、
上記振動子を第１の周波数で振動させる第１の信号と、上記ストロボ光源を第２の周波数で発光させる第２の信号とを発生するとともに、その第１の周波数を、第２の周波数の整数倍からわずかに異なる値に設定する信号発生手段と、
上記超音波セルの液体に照射されキャビテーション気泡で散乱して散乱光となるレーザ光を出射するレーザ光源と、
上記超音波セルの他側に配置し、ストロボ光源および超音波セルとは同一光軸となり、かつ上記散乱光が入射するズームレンズと、
上記ズームレンズの後段側に配置され、上記ストロボ光源からの発光と、上記散乱光とを互いに異なる方向に分岐するビームスプリッタと、
上記ビームスプリッタで一方向に分岐したストロボ光源からの発光を受光し撮像するとともに、上記振動子の第１の周波数での振動で超音波セルの液体中に発生したキャビテーション気泡を、ストロボ光源の第２の周波数での発光タイミング毎に１画面撮像する、ＣＣＤカメラを含む撮像手段と、
上記ビームスプリッタで他方向に分岐した散乱光をストロボ光源の発光間隔の合間に受光しその受光した光の光強度に基づいてキャビテーション気泡の気泡径を測定する気泡径測定手段と、
を備え、
上記ズームレンズ、ビームスプリッタ、ＣＣＤカメラ、および光センサはすべて標準マウント規格の光学部品であり、ねじ込むだけで光軸を一致させることができ、
上記撮像手段によるキャビテーション気泡観察により得られた気泡径の最大値の絶対値で、上記気泡径測定手段による測定により得られる相対的気泡径の最大値を校正することにより、気泡径の絶対値の変化を高精度で算出する、
ことを特徴とするキャビテーション気泡観察装置。
【請求項２】
上記キャビテーション気泡は、液体中の超音波音場を定在波音場としたときに生成されるシングルバブルでのキャビテーション気泡である、請求項１に記載のキャビテーション気泡観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波により液体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察するキャビテーション気泡観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
キャビテーション現象は古くから知られており、船のスクリューが腐食するなどの現象が有名である。キャビテーションとは、液体媒質中を超音波が縦波となって伝搬する際に、媒質の密度が超音波の周期で変化することにより、溶存気体が気泡となって現れる現象であり、その気泡は圧力の低いときは膨張し、圧力が高くなると収縮したり圧壊（短時間での急激な収縮）したりする。
【０００３】
キャビテーション気泡の圧壊時には瞬間的に体積がゼロになるため、極めて短い時間ではあるが気泡の中心に高温・高圧の極限環境場が生成される。この現象がスクリューを腐食させることからも明らかなように、キャビテーション音場中では強力な力が作用する。そして、超音波によるキャビテーション現象を用いれば、机の上で極限環境場が生成できるため、通常では生成が困難な薬品の合成やダイオキシンの分解等が可能であると言われている。現在、音場を任意に制御してキャビテーションを自在に起こすことで、発光現象（ソノルミネッセンス）や、化学作用（ソノケミストリー）を制御するための研究が盛んに行われている。
【０００４】
これらの研究を進める上で、キャビテーション気泡の挙動（例えば大きさ（最大径、最小径）、リバウンド（収縮後の反動による再膨張・収縮）、位置の変化、形状の変化）を測定し、理解することが必要である。このキャビテーション気泡は、例えば２５ｋＨｚの超音波による音場中で発生する気泡であれば、１秒間に２５０００回の膨張・収縮を繰り返す。このような気泡を計測する方法はいくつかあり、ビデオカメラを用いて直接観察する方法や、光散乱法を用いて気泡径の変化を高精度で測定する方法がある。
【０００５】
ビデオカメラを用いて直接観察する方法では、大きさ、形状、位置などの変化を同時に測定することが可能であり、高速で変化する気泡を撮影する方法としては、本発明者らがすでに特許出願（特願２０００−０９１２４１）しているストロボを用いる方法がある。このビデオカメラを用いて直接観察する方法では、キャビテーション気泡の形状の観察、位置の測定はもちろんのこと、画像処理により気泡径の絶対値の変化を測定することも可能であるが、その時間的・空間的な分解能は、１秒当たりの撮影枚数（時間的分解能）と、１画面中の画素数（空間的分解能）に制約されるため、リバウンドなどの過渡的な現象の詳細な変化を測定するためには限界があり不十分である。そこで、気泡径のより精密な測定には、一般的には光散乱法が用いられる。
【０００６】
この光散乱法による気泡径の測定方法は、キャビテーション気泡にレーザ光を照射し散乱する光の強度を光センサで測定し、その光強度に基づいて気泡径を算出する方法である。散乱光の強度はキャビテーション気泡の面積の２乗に比例するため、光センサで測定した散乱光の強度の平方根が気泡径に比例する。その分解能は、光センサとその信号を測定するオシロスコープに依存するが、一般に上記の画像処理による計測に比べて高精度である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の光散乱法において、光センサで感度よく測定するためには、光センサの位置調整が重要である。原理的には、レーザ光の入射角の光軸に対して、１００〜１２０゜の方向の散乱光の強度が最も強く、その方向の散乱光を受光できる位置に光センサを設置すれば良い。しかし一方では、レーザの光源自体からの散乱光や、液体を容れる超音波セルのガラス壁面での散乱光等の外部ノイズが存在しており、この外部ノイズは、外部の光を遮光した暗室の中でも存在し、微小な気泡での散乱光に対しては十分大きな光強度となる。
【０００８】
そこで、外部ノイズをできるだけ除き、微小な気泡からの散乱光のみを光センサに導くためには、集光レンズや鏡筒等を設置する必要があるが、その場合に、微小な気泡−レンズ−光センサを結ぶ光軸がわずかにずれただけでも、散乱光を得ることは困難となるため、測定を円滑に進めるのが難しかった。しかも、気泡は音場の変化に対して非常に敏感であり、温度や脱気度などの変化に伴い、その位置が微妙に移動するため、この点からも散乱光を得るのが困難で、測定を円滑に進めるのが難しかった。
【０００９】
また、光散乱法を用いて気泡径の変化を測定する場合、散乱光の強度は光源であるレーザの出力によって異なるし、同じ出力のレーザ光であっても、レーザ光は空間的な分布を持ち、ビームの中心と端ではその強度が異なるため、気泡がレーザビーム中のどこに存在するかによっても散乱光の強度は異なってくる。よって、光散乱法による測定で得られるデータは、同一気泡における短時間中の相対的な変化を精度良く示すに止まり、絶対値としての把握が困難であった。
【００１０】
この発明は上記の問題を解決するために提案されたもので、光散乱法による場合であっても、光学系の位置調整を容易に行い測定もスムーズに確実に行うことができ、また従来ビデオカメラによる直接撮影だけでは限界があった、気泡径の絶対値変化の高精度測定を可能とすることができるキャビテーション気泡観察装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、超音波により液体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察するキャビテーション気泡観察装置において、上記液体を容れる、透明壁からなる超音波セルと、上記超音波セルが載置されその超音波セルに振動を与える振動子と、上記超音波セルの一側に配置したストロボ光源と、上記振動子を第１の周波数で振動させる第１の信号と、上記ストロボ光源を第２の周波数で発光させる第２の信号とを発生するとともに、その第１の周波数を、第２の周波数の整数倍からわずかに異なる値に設定する信号発生手段と、上記超音波セルの液体に照射されキャビテーション気泡で散乱して散乱光となるレーザ光を出射するレーザ光源と、上記超音波セルの他側に配置し、ストロボ光源および超音波セルとは同一光軸となり、かつ上記散乱光が入射するズームレンズと、上記ズームレンズの後段側に配置され、上記ストロボ光源からの発光と、上記散乱光とを互いに異なる方向に分岐するビームスプリッタと、上記ビームスプリッタで一方向に分岐したストロボ光源からの発光を受光し撮像するとともに、上記振動子の第１の周波数での振動で超音波セルの液体中に発生したキャビテーション気泡を、ストロボ光源の第２の周波数での発光タイミング毎に１画面撮像する、ＣＣＤカメラを含む撮像手段と、上記ビームスプリッタで他方向に分岐した散乱光をストロボ光源の発光間隔の合間に受光しその受光した光の光強度に基づいてキャビテーション気泡の気泡径を測定する気泡径測定手段と、を備え、上記ズームレンズ、ビームスプリッタ、ＣＣＤカメラ、および光センサはすべて標準マウント規格の光学部品であり、ねじ込むだけで光軸を一致させることができ、上記撮像手段によるキャビテーション気泡観察により得られた気泡径の最大値の絶対値で、上記気泡径測定手段による測定により得られる相対的気泡径の最大値を校正することにより、気泡径の絶対値の変化を高精度で算出する、ことを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記キャビテーション気泡は、液体中の超音波音場を定在波音場としたときに生成されるシングルバブルでのキャビテーション気泡である、ことを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの発明のキャビテーション気泡観察装置の全体構成を示す図、図２はこの発明のキャビテーション気泡観察装置における光学系の配置を示す上面図である。これらの図において、この発明のキャビテーション気泡観察装置１は、超音波により液体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察する装置であり、液体を容れる、透明壁からなる超音波セル２と、超音波セル２が載置固定されその超音波セル２に振動を与える振動子３と、超音波セル２の一側に配置したストロボ光源４１と、振動子を周波数ｆ１で振動させる信号Ｓ１と、ストロボ光源４１を周波数ｆ２で発光させる信号Ｓ２とを発生する信号発生手段６と、超音波セル２の液体に照射されキャビテーション気泡で散乱して散乱光となるレーザ光を出射するレーザ光源（レーザ発振器）４２と、超音波セル２の他側に配置し、ストロボ光源４１および超音波セル２とは同一光軸となり、かつレーザ光源４２からの散乱光が入射する光学系としてのズームレンズ７と、そのズームレンズ７の後段側に配置され、ストロボ光源４１からの発光を通過させる一方、散乱光を分岐するビームスプリッタ（光分岐手段）８と、ビームスプリッタ８を通過したストロボ光源４１からの発光を受光し撮像する撮像手段５と、ビームスプリッタ８で分岐した散乱光を受光しその受光した光の光強度に基づいてキャビテーション気泡の気泡径を測定する気泡径測定手段９と、を備えている。
【００２３】
上記の超音波セル２は直方体のガラスの角形パイプで、媒質である脱気した純水を注入してあり、この純水は上面が大気と接し、下面がセル２の底壁を介して振動子３と接している。
【００２４】
上記のズームレンズ７は、倍率が１．５〜９倍のものである。また、上記のビームスプリッタ８は、入射した光の波長に対応して作用するミラーであり、ストロボ光源４１からの光のように白色光近傍の波長のものであればそのまま通過させ、レーザ光源４２からの光のように赤色光近傍の波長のものであれば、反射し分岐させる。
【００２５】
上記の撮像手段５は、ＮＴＳＣ方式のＣＣＤカメラ５１とＶＴＲ５２とモニタ５３とを備えている。このＣＣＤカメラ５１とズームレンズ７と超音波セル２とストロボ光源４１とは、同一光軸となるように配置されている。また、ズームレンズ７、ビームスプリッタ８、ＣＣＤカメラ５１、光センサ９１はすべて標準マウント規格（例えばＣマウント規格）の光学部品であり、これらの光学部品は、その組立に際してねじ込むだけで光軸を一致させることができ、レンズ面以外からの外乱光も排除できるようになっている。ＣＣＤカメラ５１による画像は、モニタ５３で確認しながらＶＴＲ５２に記録される。なお、ＣＣＤカメラ５１のＣＣＤ素子は１／３インチの素子（４．８×３．６ｍｍ）のものを用いたため、最大倍率（９倍）時の視野は０．５３ｍｍ×０．４ｍｍとなる。
【００２６】
上記の気泡径測定手段９は、光センサ（光電子増倍管）９１とオシロスコープ９２とを備えている。光センサ９１は、ビームスプリッタ８で分岐されて入射してきた散乱光を、その光強度に応じた電圧に変換し、オシロスコープ９２に出力する。オシロスコープ９２では、その電圧信号に基づいて気泡径の変化測定を行う。この気泡径測定に際しては、一回の測定ではノイズが非常に大きいため、デジタルオシロスコープの機能であるアベレージング演算機能を用いて、複数回（例えば６４回）の平均化処理を行い、ノイズの影響を無視できる程度に緩和した上で、気泡径の変化を測定する。
【００２７】
上記の信号発生手段６は、例えば関数発生器（ファンクションジェネレータ）であり、上記したように、２系統（２チャンネル（ｃｈ））の出力を持ち、第１ｃｈは超音波発生用に周波数ｆ１の信号Ｓ１を発生する。この信号Ｓ１はアンプ１１で増幅され、振動子３に約１０〜３０Ｖｐｐ（正負間振幅電圧）の電圧で印加される。この増幅された信号Ｓ１の電圧は、オシロスコープ９２で測定され監視されている。また、信号Ｓ１は、同時にオシロスコープ９２のトリガ信号としても機能している。一方、第２ｃｈはストロボ光源４１を周波数ｆ２で発光させるトリガ用の信号Ｓ２を発生する。なお、ストロボ光源４１の閃光時間は７５ナノ秒（ｎｓ）とする。
【００２８】
上記構成のキャビテーション気泡観察装置１において、振動子３に信号発生手段６からの電圧を印加すると、振動子３と超音波セル２中の水面との間に定在波音場が生成され、それに応じてシングルバブルでのキャビテーション気泡が生成される。この定在波音場中の音圧の腹に、生成されたキャビテーション気泡が捕捉されると、このキャビテーション気泡は、振動子３の振動数に同期して、信号Ｓ１の周波数ｆ１で膨張・収縮を繰り返す。そして、このキャビテーション気泡の挙動をストロボ光源４１と対面して配置したＣＣＤカメラ５１で影絵として撮影する。ストロボ光源４１は高輝度であって十分に光量を確保でき、ズームレンズ７および撮像手段５側での感度やレンズの倍率、明るさを調整することで、撮影は、ストロボ光源４１の発光タイミング毎に１画面撮ることができる。なお、このように、いわゆるバックライト照明で撮影するようにしたのは、微小領域を最大で約９倍に拡大して撮影する際の光量を十分に確保するためである。
【００２９】
上記のように、キャビテーション気泡は信号Ｓ１の周波数ｆ１で高速に膨張・収縮を繰り返すが、この信号Ｓ１の周波数ｆ１を、信号Ｓ２の周波数ｆ２の整数倍、すなわちストロボ光源４１の発光周波数の整数倍に設定すると、最大膨張〜最大収縮の何れかの位相下にある気泡に対し、ストロボ光は、常に同一の位相下の気泡を照明することとなり、ＣＣＤカメラ５１は、その同一位相の気泡を撮影する。
【００３０】
一方、信号Ｓ１の周波数ｆ１を、信号Ｓ２の周波数ｆ２の整数倍からわずかに異なる値、すなわちストロボ光源４１の発光周波数の整数倍からわずかに異なる値に設定すると、最大膨張〜最大収縮の何れかの位相下にある気泡に対し、ストロボ光は、少しずつ位相が異なる気泡を照明することとなり、ＣＣＤカメラ５１は、その少しずつ位相が異なっていく気泡を撮影する。
【００３１】
以下に、周波数ｆ１を２４．４８０５ｋＨｚとし、周波数ｆ２を３０Ｈｚとして観察したときの実験結果について説明する。ストロボ発光の３０Ｈｚの整数倍（８１６倍）から０．５Ｈｚの差があるため、最大膨張〜最大収縮の何れかの位相下にある気泡に対し、ストロボ光は、少しずつ位相が異なる気泡を照明することとなり、この場合は、２秒間で１回の膨張・収縮を繰り返すスローモーションとなる。ＣＣＤカメラ５１は、１秒間に３０画像を撮影してＶＴＲ１３に記録するため、１周期の変化は６０画像の連続写真として得られた。
【００３２】
図３は上記観察により得られたキャビテーション気泡の画像を５画像ごとに示す図である。振動子３への印加電圧は４２．４Ｖｐｐに設定した。超音波セル２内の純水中に生成された定在波音場は良好な状態となり、図に示すように、矢印で示すキャビテーション気泡の位置の変動はあまり見られない。また、得られた画像をコンピュータを用いて画像処理を行い、キャビテーション気泡の半径を自動計測した結果を図４にグラフで示す。図４のグラフ中に矢印で記した部分（ａ）〜（ｉ）が、図３の画像（ａ）〜（ｉ）と対応する。
【００３３】
キャビテーション気泡が膨張・収縮する様子が映像として鮮明に撮影可能であり、その大きさの変化を自動計測できることがわかる。なお、図３、図４は１周期分のみを抜き出して示しているが、気泡の膨張・収縮の現象は何度も繰り返される。
【００３４】
しかしながら、このグラフでは測定間隔が粗いため、収縮した直後に起きているリバウンドなどの現象は確認できない。確かに周波数差を小さくして、長時間の観察を行うことで、より多くの画像を撮影することが可能となるが、超音波の音場は温度、脱気度などの要因により大きく変化するため、長時間を有する計測は好ましくない。
【００３５】
ところで、微小物体の大きさの計測には、光散乱法が用いられる。これは、微小物体にレーザ光等を照射した場合、物体の面積に比例した光が散乱することを利用する方法である。
【００３６】
上記構成のキャビテーション気泡観察装置１において、光散乱法による気泡径変化の測定は次の手順で行われる。先ず上記したストロボ光源４１を用いた気泡観察実験を完了させた後、装置の配置はそのままで、ストロボ光源４１の電源をオフにし、レーザ光源４２の電源をオンにする。このとき、レーザ光源４２から出射したレーザ光は、超音波セル２中に生成されているキャビテーション気泡に照射され散乱する。そのキャビテーション気泡で散乱したレーザ光（散乱光）は、ズームレンズ７を通ってビームスプリッタ８で分岐し、気泡径測定手段９の光センサ９１に入射する。そして、上記したように、光センサ９１は、入射してきた散乱光を、その光強度に応じた電圧に変換し、オシロスコープ９２に出力し、オシロスコープ９２では、その電圧信号に基づいて、気泡径の変化測定を行う。この気泡径測定に際しては、６４回のアベレージング処理を行い、得られた電圧から、気泡が無いときのバックグランドデータを差し引き、その絶対値の平方根を求め、その値のうち最大のものを基準としその基準に対する比を相対的な気泡径としている。
【００３７】
図５は光散乱法による気泡径変化測定結果を示す図で、（ａ）は気泡の生成から膨張、収縮までの１周期での気泡径変化を示し、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示した図で、膨張後の収縮時の過渡的な気泡径変化を示している。この図において、横軸は時間を、縦軸は気泡半径を最大気泡半径に比例する値（無単位）で表したものをそれぞれ示しており、気泡が緩やかに膨張し、やがて急激に収縮する様子が分かる。また、その後の膨張・収縮（リバウンド）も確認される。緩やかな気泡の膨張・収縮は、図４の画像による計測と同じであるが、この図５（ａ）（ｂ）からは図４では見られないスパイク状のリバウンドも測定され、特に図５（ｂ）から、このリバウンドが３２．６μｓｅｃ付近において現れることが明確に分かる。このスパイク状のリバウンドは、レーザ光源４２からの散乱光を検出したものではなく、気泡自身の発光（ソノルミネッセンス）を検出したものである。
【００３８】
さて、図４に示したビデオ観察により、気泡径の絶対値の変化がわかる。また、図５に示した光散乱法による気泡径の精密測定により、絶対値は不明であるが、相対的な変化を詳細に調べることが可能である。したがって、両データを組み合わせ、ビデオ観察による気泡径の最大値の絶対値で、光散乱法による結果を校正することにより、気泡径の絶対値の詳細な変化を求めることが可能である。例えば、図５における気泡の最大半径は図４から６０μｍと読み取ることができ、その最大半径となるまでの気泡半径の絶対値も、図５（ａ）の縦軸から詳細に決定することができる。また、リバウンド時に最大となる気泡半径も図５（ｂ）から１７．５μｍ（＝６０μｍ×０．３２／１．１）と詳細に決定することができる。
【００３９】
すなわち、この発明では、ビデオ観察と光散乱法とを組み合わせてキャビテーション気泡観察装置を構成したので、従来ビデオカメラによる直接撮影だけでは限界があった、気泡径の絶対値変化の高精度測定を行うことができる。
【００４０】
その場合、ビデオ観察時に用いたズームレンズ７を光散乱法でも共用するようにしたので、ＣＣＤカメラ５１で気泡が視野の中心に位置するときは、光センサ９１にもその同一の気泡からの散乱光が届いていることとなる。したがって、光散乱法による場合、従来困難で時間を要していた光学系の位置調整が不要となり、測定もスムーズに確実に行うことができる。
【００４１】
そして、気泡径の絶対値変化の高精度測定を可能としたことにより、気泡位置の変動や気泡の形状をより一層正確に知ることができるようになり、また音圧や、音場の安定の度合いもより一層精度良く知ることができるようになる。このような音場に関する情報は、多数のキャビテーション気泡が存在する音場であるマルチバルブソノルミネッセンスに応用でき、化学反応の大幅な促進化、医薬品の速やかな合成、アモルファス金属やダイヤモンドのような新素材の開発、ダイオキシンやフロンのような有害物質の分解等に役立てることができるようなる。
【００４２】
なお、上記の説明では、ストロボ光源４１を用いたビデオ観察実験が完了した後に、光散乱法による測定に移行するように構成したが、このビデオ観察と光散乱法による測定とを同時に進めるように構成してもよい。このことを図６を用いて説明する。
【００４３】
図６はビデオ観察と光散乱法による測定とを同時に行う場合のタイミングチャート例を示す図である。図において、ストロボ光源４１は、３３ｍｓｅｃの間隔で１００ｎｓｅｃだけ発光を行い、その発光に合わせてＣＣＤカメラ５１のシャッタが動作し、ビデオ観察実験がなされている。これに対し、レーザ光源４２は、ストロボ光源４１の発光間隔３３ｍｓｅｃの間に数回、ここでは四回間欠的に発光し、それに応じてオシロスコープ９２も作動し、レーザ光に基づく光散乱法による測定が行われる。このように、ストロボ光源４１の発光間隔の合間に光散乱法による測定を行うことで、ビデオ観察と光散乱法による測定とを同時に進めることができるようになる。
【００４４】
また、上記の説明では、ビデオ観察時に用いた光学系の配置をそのまま光散乱法でも共用するようにしたが、この光学系の配置調整を、逆に光散乱法を利用してレーザ光源４２からのレーザ光を用いて行うように構成することもできる。このことを図７を用いて説明する。
【００４５】
図７は光散乱法による気泡径の精密測定実験において気泡にレーザ光を照射したときの、ＣＣＤカメラによる映像である。気泡の位置にひょうたん型の光点が確認される。これはレーザ光が右側から入射しているためで、レーザ光が気泡に入射した際の散乱光が右側の大きな光のかたまりで、一部の光が直進して気泡を透過し、再度媒質である水に再入射する際の散乱光が左側の小さな光と考えられる。なお、この画像はレーザ光を連続光として照射している時のもので、気泡が膨張収縮する過程の散乱光を、すべて多重写ししている状態である。このように、レーザ照射においても気泡による散乱光はＣＣＤカメラ５１に入るので、その映像を用いて光学系の調整を行うことができる。
【００４６】
また、上記の説明では、ビームスプリッタ８は、入射した光の波長に対応して、ストロボ光源４１からの光のように白色光近傍の波長のものであればそのまま通過させ、レーザ光源４２からの光のように赤色光近傍の波長のものであれば、反射し分岐させる特性を有するとしたが、このビームスプリッタ８として、入射光の波長に関係なく、入射光の５０％を通過させ、残りの５０％を反射し分岐させる特性を有するものを用いるように構成してもよい。ただし、この場合は、図８に示すように、このビームスプリッタ８の後段であってＣＣＤカメラ５１のＣＣＤ素子の手前に青色フィルタ８１を挿入し、ビームスプリッタ８と青色フィルタ８１とで光分岐手段を形成する。この構成の下で、青色フィルタ８１は、レーザ光の赤色成分の光を遮光し、ストロボ光による青緑色の成分のみを透過させるので、ストロボ光によるビデオ観察を良好に行うことができ、またレーザ光は光センサ９１に入るので光散乱法による測定も良好に行うことができる。
【００４７】
さらに、この構成の下では、青色フィルタ８１は確実にレーザ光の赤色成分の光を遮光するので、レーザ光源４２から常時レーザ光を出射させておいても、ＣＣＤカメラ５１にはストロボ光しか入らず、このため、図６に示したビデオ観察と光散乱法との同時測定におけるレーザ光の間欠発光制御を行う必要はなくなり常時レーザ光を出射させておけばよい。したがって、より簡便な構成で同時測定を行えるようになる。
【００４８】
また、上記の説明では、超音波セル２に純水を容れるようにしたが、純水に代えて他の液体媒質を容れるようにしてもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のキャビテーション気泡観察装置およびキャビテーション気泡観察方法では、ビデオ観察と光散乱法とを組み合わせてキャビテーション気泡観察を行うように構成したので、従来ビデオカメラによる直接撮影だけでは限界があった、気泡径の絶対値変化の高精度測定を行うことができる。
【００５０】
その場合、ビデオ観察時に用いた光学系を光散乱法でも共用するようにしたので、光散乱法による場合、従来困難で時間を要していた光学系の位置調整が不要となり、測定もスムーズに確実に行うことができる。
【００５１】
そして、気泡径の絶対値変化の高精度測定を可能としたことにより、気泡位置の変動や気泡の形状をより一層正確に知ることができるようになり、また音圧や、音場の安定の度合いもより一層精度良く知ることができるようになる。このような音場に関する情報は、多数のキャビテーション気泡が存在する音場であるマルチバルブソノルミネッセンスに応用でき、化学反応の大幅な促進化、医薬品の速やかな合成、アモルファス金属やダイヤモンドのような新素材の開発、ダイオキシンやフロンのような有害物質の分解等に役立てることができるようなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のキャビテーション気泡観察装置の全体構成を示す図である。
【図２】この発明のキャビテーション気泡観察装置における光学系の配置を示す上面図である。
【図３】振動子の周波数を２４．４８０５ｋＨｚとして観察したときのキャビテーション気泡の画像を示す図である。
【図４】図３の画像をコンピュータを用いて画像処理を行い、キャビテーション気泡の半径を自動計測した結果を示す図である。
【図５】光散乱法による気泡径変化測定結果を示す図で、（ａ）は気泡の生成から膨張、収縮までの１周期での気泡径変化を示し、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示した図で、膨張後の収縮時の過渡的な気泡径変化を示している。
【図６】ビデオ観察と光散乱法による測定とを同時に行う場合のタイミングチャート例を示す図である。
【図７】ＣＣＤカメラが撮影したレーザ光（散乱光）による気泡の画像を示す図である。
【図８】ビームスプリッタと光学フィルタとを併用した場合のキャビテーション気泡観察装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１      キャビテーション気泡観察装置
２      超音波セル
３      振動子
５      撮像手段
５１      ＣＣＤカメラ
５２      ＶＴＲ
５３      モニタ
６      信号発生手段
７      ズームレンズ
８      ビームスプリッタ
８１      青色フィルタ
９      気泡径測定手段
９１      光センサ
９２      オシロスコープ
１１      アンプ
４１      ストロボ光源
４２      レーザ光源
【図１】
0003834611.tif 000002
【図２】
0003834611.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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