-　　キャビテーションの生波形とその姿！　　- 「キャビテーション衝撃波の生波形と、キャビテーションの実態を捉える！」

投込振動子(1200W28ｋHｚ)から放射される超音波をソノセーバーDX2で測定します。

高性能超音波音圧計 ソノセーバーDX2(使用機器) 生波形を測定できる超音波音圧計は各社から販売されていますが、生波形を観測しただけでは意味がありません。生波形は極めて複雑な形状であり、常に変化しているので、測定値としては有効とならないからです。この生波形を統合処理して初めて測定値となるのです(信号処理して定量測定値にする)。 ソノセーバーDX2は、最大音圧、最小音圧、平均音圧、標準偏差、時系列変化グラフをPC画面で表示することが可能で、それらをリアルタイムに観測できる優れた音圧計です。また、PCから外して電池を入れれば、手のひらに乗るポータブル音圧計としても使用できます。

【写真1.ソノセーバーDX2での音圧測定】

超音波の生波形を見る ソノセーバーDX2には、生波形が見られる端子があります。そこにオシロスコープの電圧プローブを接続すると、音圧を電圧に変換した波形を見ることができます。

【写真2.洗浄槽の音圧測定の様子】 【写真3.オシロスコープに接続して生波形を見る】

音圧の生波形の測定結果 投込振動子(1200W28kHz)から放射される超音波を音圧計で測定。その生波形を下の【写真4～7】に示します。これらは、同じ波形をレンジを変えて表示したものです。最も小さく拡大したものが、50μs/d【写真7】の波形です。1ms/dではAM変調の波形が見られ、50μs/dでは40kHzの音圧の波形が観測できます。

【写真4.50ms/dの波形】 【写真5.1ms/dの波形】 AM変調の波形が観測されます。 【写真6.10ms/dの波形】 【写真7.50μs/dの波形】 40kHzの音圧が観測されます。 【写真4～7.音圧の生波形（圧電素子PZT(ジルコンチタン酸鉛)の生波形）】

上記のように、生波形は簡単に求めることができます。しかしこの波形はあくまで生波形というだけです。 ソノセーバーのPC画面 ソノセーバーDX2は、最大音圧、最小音圧、平均音圧、標準偏差、時系列変化グラフをリアルタイムに表示して記録することができます。下の【写真8】にソノセーバーDX2のPC画面を示します。様々な数値がリアルタイムに表示され、DATAは自動的に記憶する事ができ、読出・記録が自由にできます。

【写真8.ソノセーバーDX2で測定中のPC画面】

音圧の測定値は、上記【写真8】の測定音圧値でわかるように常に変化して、時系列に測定値をプロットするギザギザした波形となります。音圧は風などと同様に一定ではない事がよくわかります。では、なぜこのように音圧は一定ではないのでしょうか？ 音圧が変化する理由 超音波音圧計の測定値は、水中の気泡が超音波の強力な音圧の変化によって、膨張・収縮・破裂を繰り返し、その衝撃波が音圧として測定されます。この衝撃波によって洗浄するのが超音波洗浄機です。この一連の現象は、キャビテーション(空洞現象)と呼ばれます。強力なライトを洗浄槽内に当てて、キャビテーション現象を撮影することに成功しました。下の【写真9】に示します。たくさんのキャビテーションが線香花火にような形になり、移動している様子がわかります。

【写真9.キャビテーション環境下に強力なライトを当てる】

キャビテーションの目視 下の【写真10】は典型的なキャビテーションの様子です。円で囲われた部分は綺麗な線香花火かクラゲのようです。常に連続して発生し、竜巻の様に渦を巻きながら移動しており、液面付近ではこのクラゲが液面を盛り上げています。この状態は常に変化しており、音圧は一定ではないことがわかります。

【写真10.キャビテーションの花火】

音圧の絶対値測定ができない理由 超音波を照射したキャビテーション状況下の液中に、ハイドロフォン(絶対値音圧の測定が可能)を入れて測定すると、プローブにキャビテーションがまとわりついて、音圧強度に比例した信号を発信させません。キャビテーションの力が、ハイドロフォンのプローブを破壊する場合もあります。下の【写真10】は、プローブにまとわりつくキャビテーションの様子です。このような状況で絶対値音圧を測ることは不可能です。そこで、丈夫なステンレスプローブを使った相対値測定方法が有効となります。洗浄槽に入れる部分はステンレスのみで、そのステンレスから圧電素子(PZT)に振動を伝達させて計測します。伝達した振動を電圧に変換して、キャビテーション衝撃波を相対値音圧として測定する事ができます。

【写真11.キャビテーションがプローブにまとわりつく様子】

↓　キャビテーション動画　↓

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