カトウ光研株式会社

音波・超音波の可視化

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音波・超音波の可視化とは

従来、ソナーや半導体ウェハの洗浄など液相内での用途に用いられていた超音波技術ですが、最近は車の自動運転やドローンの制御など、大気中を伝播させたセンサー用途に使われる機会が増えています。大気中の超音波可視化では、マイクロフォンと画像を組み合わせて音源の特定などができますが、どう伝わっているか超音波そのものをカメラで撮影することは困難でした。そこで、空間中の密度勾配の変化を可視化撮影することができるシュリーレン技術に、さらに専用の画像処理を組み合わせることで高感度化。ついに大気中で超音波が伝播する様子を撮影することに成功しました。それまで聴くことしかできなかった超音波の計測に初めて視ることが可能になりました。

大気中超音波の画像

大気中超音波

超音波の概要と利用の範囲

音波とは気体および液体、固体などの弾性体の中を伝播する弾性波の総称を指します。その中で人の可聴周波数より高い周波数の弾性波を超音波、低い周波数の弾性波を超低周波音と呼ばれます。気体・液体中での音波は疎密波として伝播する縦波となり、その伝播速度は音速として表されます。

音場の可視化【シュリーレン法】
使用機材
レンズ式シュリーレン
ハイスピードカメラPhantom VEOシリーズ

超音波とは前述の通り人の可聴域より高い周波数を持つ弾性波です。その伝播速度はマッハとして表され、媒質により速度は異なりますが(Fig.1)、電磁波と比較して伝播速度が遅いこと、反射し易い事、大きな音響エネルギーで伝送できることなどから応用範囲は広く①情報利用(探査・医療)②動力利用(洗浄・混合・溶着・加工・固定)③その他(害虫駆除・超音波顕微鏡)などへと幅広く応用利用されております。

Fig.1 媒質による音速
媒質音速(m/sec)
空気約340
約1500
金属約5000

音波・圧力波・定在波の可視化(シュリーレン法による可視化)

超音波は周期的な密度変化を媒質に対して与えます。媒質の周期的な密度変化は光において回折格子となること から画像上濃淡のある領域においては疎密が発生していることと言えます。精度の高い平行な光束を超音波の発生領域へ照射する事で疎密を観測することができます。外乱のない定在波や出射直後の進行波においては縞模様が波長(波長=音速÷周波数)となり、周波数が高くなるほど疎密の間隔は狭くなります。超高速度カメラを用いたシュリーレン法にて撮影を行うことにより音の伝播を可視化することも可能となります。
超音波探査用トランスデューサーからの進行波8パルス
提供: 東京工業大学   機械科学科   木倉研究室   木内寛允様
使用機材
システムシュリーレン SSシリーズ
ハイスピードカメラPhantom TMXシリーズ
動画画像処理ソフト KM2.0
超音波の疎密波可視化
提供: 東京工業大学   未来産業技術研究所   中村研究室   田中宏樹様
使用機材
システムシュリーレン SSシリーズ
ハイスピードカメラPhantom TMXシリーズ
動画画像処理ソフト KM2.0
超音波振動子からの連続波伝播の可視化
使用機材
システムシュリーレン SSシリーズ
ハイスピードカメラPhantom TMXシリーズ
空中集束超音波の可視化
提供: 東京大学   先端科学技術研究センター   星 貴之先生
使用機材
システムシュリーレン SSシリーズ
ハイスピードカメラPhantom VEOシリーズ
シュリーレン用ビューワーソフト SS Viewer
上の画像は水中にパルスレーザを集光・照射しレーザーキャビテーションを作り、その気泡が崩壊時に発生させたキャビテーションジェットを100万コマ/秒で高速撮影した圧力波の可視化画像を載せます。光学観測法による音の伝播の可視化は半導体技術の進歩により超高速度カメラを用いる事で音の広がりを時系列で観測する事が可能となっております。音波の広がりや反射波、また回折などを実際に可視化する事で様々なご研究における問題の解決に可視化がお役に立てて頂けることと思います。特に近年では癌治療分野において集束超音波治療法(HIFU)の分野で生体に対して超音波がどのように集束し当てられているか、伝播状態を可視化することができます。細胞が凝固壊死に至る過程や温度上昇域についての計算結果との比較などにも用いられます。またキャビテーション現象の解明も含め、医用工学分野での利用が進んでいる製品になります。

シュリーレン法の原理につきましてはこちらをご覧ください。
→シュリーレン法とは

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