SOUND

平成25年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より

感圧塗料を用いた音圧分布計測技術の開発
名古屋大学大学院工学研究科
マイクロ・ナノシステム工学専攻
助教

１．はじめに博士（工学）松田佑

２．PSPの計測原理

感圧塗料（PSP：Pressure-Sensitive Paint）

PSPは通常、酸素消光作用を示す色素分子とは、酸素消光性を有する色素を用い、固体表それを模型表面に保持するためのバインダーか面の酸素濃度を計測することによって圧力分ら構成される。PSPによる計測は、模型表面に布を計測する可視化計測法である。PSPの研究塗布されたPSPに適切な波長（400nm程度）のは、1980年代にアメリカ合衆国（NASA Ames

光を励起光として照射し、PSPに含まれる色素

Research Center、 当 時 のMcDonnell Douglasの発光をカメラなどの光検出器によって計測す社）、当時のソビエト連邦（TsAGI）の各研究ることによって行われる。PSPの発光強度が圧機関で開始されたのち、ドイツ（DLR）、フラ力（酸素濃度）に応じて変化することに基づき、ンス（ONERA）、そして日本（当時の航空宇発光強度画像を取得することによって模型表面宙技術研究所）と各国で研究されるようになでの圧力分布を取得することができる。PSP計り、近年では航空機の研究開発にも活用されて測原理に関しては参考文献いる。PSPは定常流中の1kPa程度の圧力差をい。

1）−3）

を参照された有する圧力分布計測においては既に実用段階

従来PSPによる非定常計測においては、レーであるが、非定常に変化する圧力変動の計測技

ザーなどの高強度の励起光と高速カメラを用術としては未だ研究段階である。特にPSPではいた計測システムが用いられている。これに対物体表面での圧力分布計測が可能であること

し本研究で提案する手法は、ヘテロダイン検出から、自動車や鉄道等を対象とした低マッハ法を用い、励起光強度を強度変調させPSPを励数流れにおいて卓越する二重極音の音圧分布起する。カメラで撮像される画像は、励起光の計測への応用が期待されているものの、現段強度変調と圧力場の時間変動により変調された

階では圧力分解能、計測精度の観点から同技PSP発光強度によって生じるうなり（ビート）術への応用は困難となっている。本研究では、信号となる。うなり信号の周波数は、励起光源

ヘテロダイン検出法をPSPに適用することによの周波数、圧力変動の周波数の差に等しく、ヘり、現在のPSPの適用限界を打ち破ることを目テロダイン検出ではこのほぼ一定の周波数のう指す。

なり信号をその周波数の4倍のサンプリングレートで検出する。そのため、他の周波数のノイズの影響を受けにくく高感度、高精度な計測が11

SOUND期待できる。また、計測対象となる圧力変動のの計測には別途設けた圧力孔につながれた圧周波数に対し、励起光の強度変調を適切に選択力計（Kulite、XCQ-062-5SG）を用いた。ますることによりうなり信号の周波数を小さくでたPSP計測はCMOSカメラ（Vision Research、きるため、高価な高感度高速度カメラが不要でPhantom V7.1）を用いて行った。なお、カメあるという利点もある。

ラのフレームレートは20 Hzとし、ターゲットとなる1033 Hzの圧力変動を計測するために励３．実験装置と結果起光の変動周波数を1038 Hzとした。

本研究では、ヘテロダイン検出法を適用し本 研 究 で 使 用 し たPSPは、TLCプ レートにたPSP計測法の妥当性を評価するために、共鳴PtTFPP（Platinum （II）-tetrakis（pentafluo-

管内に生じる圧力変動場の計測を実施した。実rophenyl）porphyrin）と言われる色素分子を験装置は図1のようになっている。励起光源

イソプロパノール中で吸着させたものであり、には波長 395 nmのLEDを用いた。共鳴管は矩先行研究により今回の計測対象である1kHz程形断面（1辺 0.1m）で長さ 0.5mのものを使用

度の圧力変動に対して十分な時間応答性を有すした。またPSPの励起光を透すために紫外透過ることが示されている 。
4）性のアクリル製となっている。スピーカーを一図2にPSP計測によって得られた圧力変動分端に設置し、もう一端は固定端とした。計測対布を示す。図から、共鳴管内で生じている3倍象として基本波の3倍波である周波数 1033 Hz波が計測されていることが分かる。またPSPに時の圧力変動分布を計測した。なお共鳴周波数

より計測された圧力変動値は、別途圧力孔で計

図１
12

実験装置

図２

圧力変動分布SOUND

測された値と良い一致を示した。従来のPSP計学会誌, 21（83）（2001）.

測では1kPa以下で1kHzの圧力変動を捉える

２）Bell, J.H., Schairer, E.T., Hand, L.A.,

ことは困難であったが、本手法によってこの計

Mehta, R.D., Surface pressure measure-

測能を達成できることを示した 。

ments using luminescent coatings, Annu-5）

４．今後の展望al Review of Fluid Mechanics, 33, 155-206（2001）.

本研究では、ヘテロダイン検出法を適用した

３）Liu, T., Sullivan, J. P., Pressure and Tem-PSP計測手法の提案とその有効性の調査を行っperature Sensitive Paints, 2004：Spring-

た。本研究で使用したPSPは作成が容易である

er-Verlag.

一方、圧力感度や発光強度にやや劣るものであ４）Sakamura, Y., Suzuki, T., Matsumoto, M.,る。また使用したカメラもAD変換が 12 bitのもMasuya, G., Ikeda, Y., Optical measure-のと必ずしもPSP計測に最適な構成とはなってments of high-frequency pressure fluc-いない。そこで今後はより感度と輝度に優れた

tuations using a pressure-sensitive paint

PSPの使用、量子収率とAD変換に優れたカメand Cassegrain optics, Measurement Sci-

ラの使用により計測能の一層の向上を目指す。

ence and Technology, 13, 1591（2002）.

謝辞５）Matsuda, Y., Yorita, D., Egami, Y.,Kameya, T., Kakihara, N., Yamaguchi,

本研究は、一部にカワイサウンド技術・音楽

H., Asai, K., Niimi, T., Unsteady pressure

振興財団、科学研究費補助金の支援を受けて実sensitive paint measurement based on施された。記して謝意を表する。

the heterodyne method using low frame

参考文献

rate camera, Rev. Sci. Instrum., 84,105110（2013）.

１）特集：感圧塗料技術の新展開, 可視化情報13