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オリジナル超音波実験 （超音波システム研究所 ultrasonic-labo）
超音波システム研究所（所在地：東京都八王子市）は、
小型ポンプを利用した液循環により
超音波（音響流）の伝搬状態をダイナミックに制御する
「流水式超音波（音響流）制御技術」を開発しました。
超音波テスターによる
流れと超音波の複雑な変化を、
水槽・液体（マイクロバブル）・超音波振動子・・・
の相互作用を含めた音圧解析により
利用目的に合わせて、
音響流の変化をコントロールするシステム技術です。
実用的には、
現状の液循環装置について
ＯＮ／ＯＦＦ制御（あるいは流量・流速・・・の制御）を
装置の設置状態、対象物を含めた表面弾性波を考慮して
各種相互作用・振動モードを最適化する方法です。
特に、ポンプの特性を利用して、
液体と気体を交互に循環させる・・・により
新しい超音波・マイクロバブルの効果を実現しています。
ナノレベルの応用では、
「流水式超音波システム」として
２０メガヘルツまでの周波数変化を含めた
「超音波シャワー」による
効率の高い超音波利用が実現しています。
－今回開発したシステムの応用実施事例－
オゾンと超音波の組み合わせ技術
低出力（５０Ｗ以下）による５ｍサイズの水槽への超音波伝搬
ガラス・レンズ部品の精密洗浄（超音波シャワー技術）
複雑な形状・線材・真空部品・・・の表面改質（共振現象の制御技術）
溶剤・洗剤・・・・の化学反応（超音波と流れによる攪拌）
ナノレベルの粉末・塗料・触媒・・・攪拌・分散（表面弾性波の制御技術）
マイクロレベルの金属エッジ部のバリ取り
めっき・コーティング・表面処理・・・
・・・・・・・
上記の技術は、音圧（非線形現象）測定・解析に基づいて、
表面弾性波と流体の流れに関して
ダイナミック制御を実現させる
新しい超音波システムの開発方法です。
抽象数学における、スペクトル系列を利用した超音波制御技術 Supersonic wave System technology
超音波システム研究所は、
超音波の非線形性に関する現象を含めた状態を、
抽象数学（圏論）における
Ｍｏｎｏｉｄ（モノイドの圏）モデルとして、開発しました。
このアイデアに基づいて、
超音波制御を行う、具体的な方法を
結び目図式のスペクトル系列として、開発しました。
今回開発した制御方法は、
超音波の音圧データを
自己回帰モデルでフィードバック解析することで、
キャビテーションと音響流の効果に関する
非線形現象の分類技術（高調波、低調化）を発展させました。
これまでのデータ解析から
効果的な利用方法を
以下のような
４つのタイプに分類してダイナミックに制御します。
１：キャビテーション主体型
２：音響流主体型
３：ミックス型
４：変動型
上記の各タイプについて
安定性・変化の状態・・・に関して
詳細な分類・調整により、
目的と効果に対する、効率のよい
各種条件の設定・調整が可能になりました。
特に、洗浄に関しては
汚れの特性やバラツキに関する情報が得られにくいため
このような分類・解析をベースに実験確認することで
効果的な超音波制御が、実現します。
この分類・制御の本質的なアイデアは、
超音波による定在波の特徴を、
抽象代数学の「導来関手」に適応させるということと、
非線形現象の特徴を、
Ｍｏｎｏｉｄ（モノイドの圏）モデルに適応させるということです。
今回、複雑な超音波の変化を
結び目図式から得られるスペクトル系列として表現することで
時間経過で変わっていく、不安定な超音波の状態を
目的に合わせて、コントロールできるようになりました。
抽象的ですが
超音波の伝搬状態を計測解析するなかで
定在波と音響流に関する的確な解析により
キャビテーションを主体とした超音波の効果・・を
効果的にコントロールできる事例が増えたことから
公表することにしました。
なお、超音波システム研究所の「非線形制御技術」は、
この方法による、
具体的な技術（流水式超音波、超音波シャワー）として対応しています。
応用技術として
非線形現象の発生状態に関する研究開発を進めています。
「超音波利用の最も大きな効果が、非線形状態の変化にある」
という考え方が、さらに一歩進んだと考えています。
＜＜ 超音波のＭｏｎｏｉｄ（モノイドの圏）モデル ＞＞
基本的な超音波発振による現象全体をＲｉｎｇ（環の圏）として、
キャビテーション・・による（発振周波数を主体とした）現象を
「アーベル群の圏」
加速度・音響流・・による（伝搬周波数の変化を主体とした）現象を
「Ｍｏｎｏｉｄ（０元をもつ乗法の一元体）」
とするモデルを開発しました。
＜＜ 超音波の三角化されたカテゴリーモデルによる制御 ＞＞
キャビテーションと音響流による現象について
三角化された加法的カテゴリーモデルにより
制御パラメータ（流れ・表面弾性波、出力・パワー、周波数・発振）を
スペクトル系列のコホモロジーで、最適化します。
超音波システム技術 Supersonic wave System technology
超音波システム研究所は、
超音波利用に関して、
＜統計的な考え方＞を利用した
効果的な「測定・解析・評価方法」に関する技術を開発しています。
＜統計的な考え方について＞
統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
具体的なものとの接触を通じて
抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
これが統計数理の特質である
超音波の研究について
「キャビテーションの効果を安定させるには統計的な見方が不可欠」
＜モデルについて＞
モデルは対象に関する理解、予測、制御等を
効果的に進めることを目的として構築されます。
正確なモデルの構築は難しく、
常に対象の複雑さを適当に"丸めた"形の表現で検討を進めます。
その意味で、
モデルの構成あるいは構築の過程は統計的思考が必要です。
＜モデルと現状のシステムとの関係性について＞
( 考察する場合の注意事項 )
１）先入観や経験は正しくないことがあると考える必要があります
２）モデルの本質を考えるためには、
圏論（注）を利用することが有効だと考えています
（実際に応用化学や量子論などで積極的に利用されています）
注：圏論は、数学的構造とその間の関係を抽象的に扱う数学理論
＜論理モデルの作成について＞
（情報量基準を利用して）
１）各種の基礎技術（注）に基づいて、対象に関する、
D1=客観的知識（学術的論理に裏付けられた理論）
D2=経験的知識（これまでの結果）
D3=観測データ（現実の状態）
からなる 「情報データ群 」、DS＝(D1,D2,D3) を明確に認識し
その組織的利用から複数のモデル案を作成する
２）統計的思考法を、
情報データ群（DS）の構成と、
それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し
によって情報獲得を実現する思考法と捉える
３） AIC の利用により、
様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する
４） 作成したモデルに基づいて
超音波装置・システムを構築する
５） 時間と効率を考え、
以下のように対応することを提案しています
５－１）「論理モデル作成事項」を考慮して
「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する
５－２）実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する
５－３）検討メンバーが合意できるモデルにより
装置やシステムの具体的打ち合わせに入る
上記の参考資料
１）ダイナミックシステムの統計的解析と制御
：赤池弘次/共著 中川東一郎/共著：サイエンス社
２）生体のゆらぎとリズム コンピュータ解析入門
：和田孝雄/著：講談社
ポイントは
表面弾性波の利用です、
対象物の条件・・・により
超音波の伝搬特性を確認することで、
オリジナル非線形共振現象（注１）として
対処することが重要です
注１：オリジナル非線形共振現象
オリジナル発振制御により発生する高調波の発生を
共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
超音波振動の共振現象
様々な分野への利用が可能になると考え
各種コンサルティングにおいて提案しています。
2018年10月2日火曜日
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