超音波の音圧測定解析システム
超音波システム研究所

斉木和幸

写真１ 超音波の音圧測定解析システム「超音波テスターＮＡ」■

はじめに超音波の伝搬にはたくさんの条件があり、それぞれの影響が複雑に関連している。
その中に、影響の大きさに比べ研究が少ない事項が、超音波のダイナミックな伝搬現象である。
この伝搬現象の特性を検討し、これまでにない新しい超音波の音圧測定システムを開発・製造・販売している。
現在、この超音波システムを応用して、超音波機器の超音波による振動現象を測定解析している。
その結果、目的とする超音波伝搬状態の数値化に伴い、伝搬状態の判断が可能な、測定・解析・評価システムが実現した。
■１）何が問題か？

現在、超音波は幅広く利用されているが、多数の問題がある。
最大の問題は、ダイナミックな測定・評価方法がないために超音波伝搬状態に関する、適切な状態・表現が明確になっていないことである。
偶然（対象物、表面弾性波、相互作用、非線形現象、発振回路、発振波形、インパクト、共振、干渉、冶具、設置条件、環境、気候の変化 等）に左右されているのが実状である。

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この問題を、機械設計・装置開発の経験に基づいた「表面弾性波による応力測定技術」と制御システム開発の経験を利用した「統計数理による時系列データの解析技術」を組み合わせることで「超音波伝搬に関する非線形伝搬特性」として、対象物に伝搬する超音波を評価することが可能になった。
■２）どのようにして解決するのか？

超音波の音圧測定解析システム技術
超音波伝搬状態の測定解析による、超音波のダイナミック特性の利用（制御）技術＜超音波伝搬状態の測定＞オリジナル製品（超音波測定プローブ）と、デジタルオシロスコープを使用して統計処理（多変量自己回帰モデル解析）により超音波の伝搬状態を測定・解析する。
注：測定条件は対象物の音響特性に合わせて最適化する。

図１：超音波洗浄機の音圧測定データ 青：洗浄液 赤：洗浄物の表面2

図２：超音波測定データの解析結果＜超音波伝搬状態の評価＞
超音波の伝搬状態を測定・解析結果について受信する圧電素子と対象物の表面弾性波を考慮したダイナミックな伝搬特性評価を行う。

図３：超音波伝搬状態のダイナミック特性（赤：バイスペクトル 橙：自己相関）3

写真２ （オリジナル製品）超音波プローブ

写真３ 超音波プローブによる発振・測定状態
以上の技術を基礎として超音波伝搬状態の測定解析評価を実現させる

4■３）どうして新しい超音波システムなのか？

超音波システムの特徴
機械設計技術（材料力学、流体力学、熱力学、加工工学、振動工学、・・）
制御設計技術（自動制御工学、システム工学、統計学、プログラミング・・）
上記により、現状では検出・解決が難しい超音波伝搬状態のダイナミック特性を検出する
測定パラメータの最適化
圧電素子の表面特性と、発振超音波の特性（周波数、出力・・）について相互作用・・による不安定な影響を最小限にする測定条件（サンプリング時間の設定）を実験確認により決定する

写真４：サンプリング時間の設定 ２０ｍｓ

写真５：サンプリング時間の設定 ２０μｓ

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写真６：超音波洗浄機の音圧測定

図４：超音波伝搬解析結果（ダイナミックな非線形現象の確認により、複雑な部品の洗浄効果を評価）

6■４）＜具体例＞
以上による超音波の利用に関して伝搬する超音波のダイナミック特性を考えた場合、技術として最も重要な事項は対象物と超音波プローブの取り付け方法（あるいは設置方法）と対象物の環境（水槽、洗浄液、・・）、固定方法、である
測定解析評価により、影響の小さい方法を採用することが必要であるが、様々な測定評価事例から、測定環境条件による変化を利用することで簡単に解決できることが分かった。以下具体的な事例を紹介する。

写真７ 測定事例

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写真８ 測定事例

写真９ 測定解析事例8

写真１０：測定解析事例

解析結果（バイスペクトルの変化）を利用するために、目的の振動状態に対して評価基準値を（統計数理に基づいて）設定することで、簡単に超音波伝搬状態の評価（注）が実現できる
注：具体的な対象に関する各種条件（素材、加工、サイズ・・）に合わせた設定が必要となるより精密に行うためには、解析結果の内容に自己相関・パワースペクトルを追加する
あるいは、応答特性（インパルス応答、パワー寄与率・・）に関する解析結果を追加することで、対応できる

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写真１１：測定解析事例 応答特性（パワー寄与率）＜＜ 超音波伝搬状態に関するまとめ ＞＞
音響特性として「超音波伝搬空間（液中や弾性体表面も含む）の複雑さ」を測定環境条件による超音波伝搬音圧の非線形現象変化と定義する
その結果
１：超音波伝搬空間の構造が複雑で、目的とする超音波発振がシンプルな場合超音波伝搬空間への超音波伝搬状態は制御しやすいが高周波の伝搬制御は難しい（このような場合、配管・壁・設置面・・を利用した音圧制御が有効）
２：超音波伝搬空間の構造がシンプルで、目的とする超音波発振が複雑な場合
超音波伝搬空間への超音波制御は難しいが高周波（高調波）の伝搬は実現しやすい（このような場合、超音波の発振制御による非線形現象が有効）
上記のように超音波計測による、音圧データの解析は、超音波伝搬空間の構造・・・諸条件・・を推定し、超音波の具体的な利用条件を決定することが可能になる。

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注意
超音波の測定・解析に関してサンプリング時間・・・の設定はオリジナルのシミュレーション技術を利用している（ 最適なサンプリング時間が推定できない場合は複数のサンプリング時間による測定解析を行い適切な音圧データと解析結果を確認する必要がある ）写真１２：超音波発振計測解析システム（超音波テスター）■ システムの仕様
システム概要（推奨システム：：超音波テスターＮＡ）
１．価格 １９８，０００円（税込：消費税１０％）
２．内容
超音波洗浄機の音圧測定専用プローブ １本
超音波測定汎用プローブ
１本
オシロスコープセット １式
解 析 ソ フ ト ・ 説 明 書 ・ 各 種 イ ン ス ト ー ル セ ッ ト １ 式 （ USB メ モ リ ー ）３．特徴（標準的な仕様の場合）＊測定（解析）周波数の範囲
仕様 ０．１Ｈｚ から １０ＭＨｚ＊超音波発振仕様 １Ｈｚ から １００ｋＨｚ＊表面の振動計測が可能

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＊ 24 時 間 の 連 続 測 定 が 可 能＊任意の２点を同時測定＊測定結果をグラフで表示＊時系列データの解析ソフトを添付
超音波プローブによる測定システムです。
超音波プローブを対象物に取り付けて発振・測定を行います。
測定したデータについて、位置や状態と、弾性波動を考慮した解析で、各種の音響性能として検出します。

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まとめ
技術の進化とともに、新しい応用や組み合わせの可能性が大きく広がっている
特に、異質なジャンルや根本的な学問（数学や哲学）を取り入れることで、今後ますます超音波という技術は飛躍すると感じる
超音波の可能性を考え、超音波技術への偏った考え方を捨て、自由な超音波に対する発想により、新たな利用を検討していきたいと考えている

参考書籍
１）ダイナミックシステムの統計的解析と制御
赤池 弘次 (著), 中川 東一郎 (著)

出版社: サイエンス社(1972)

２）叩いて超音波で見る―非線形効果を利用した計測佐藤 拓宋 (著) 出版社: コロナ社 (1995)
３）弾性波動論の基本
田治米 鏡二 (著) 槇書店 (1994)
４）超音波工学と応用技術
ベ.ア.アグラナート/[他]共著 青山 忠明/訳 遠藤 敬一/訳：日ソ通信社

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参考13

以上

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