音響と超音波

 

革新的で精密な測定技術による音響・超音波測定

レーザドップラ振動計は、音響学や超音波学の分野で困難な作業を行う際に不可欠なツールです。レーザドップラ振動計は、音の発生源である膜やその他の可動面の振動を直接可視化します。その非接触測定原理は、高精度、高リニア、そして環境の影響を受けません。

オプトメトリのレーザドップラ振動計は、スピーカシステムの開発、楽器の製作、超音波センサ、マイクロホン、携帯電話、超音波ソノトロードの開発だけでなく、消費財、白物家電、自動車、航空機部品の音響設計やFEモデルの検証においても、その価値を実証しています。

楽器の音の最適化

オプトメトリのレーザドップラ振動計は、音質、耐久性、デザイン性など、楽器の最適化をサポートします。

楽器の弦の検査は、弦への取り付けが困難な従来の接触型センサでは事実上不可能でした。さらに、加速度センサーのようなセンサーによる質量負荷は、測定対象の動的応答を損なうことになります。同様の問題は、ギターや弦楽器のサウンドボックス、ピアノやグランドピアノの響板でも発生します。

オプトメトリのレーザドップラ振動計は、楽器の開発において、振動振幅、共振周波数、減衰、材料の選択による影響などを、物理的に接触することなく、楽器の特性に影響を与えることなく、系統的に調べることができます。

共鳴体の振動解析により、楽器本体の表面振動を検出し、可視化することができます。振動モードや隠れた音を明確に識別し、周波数スペクトルで分類することができます。これにより、ギター、バイオリン、ピアノ、ドラム、その他多くの楽器の独特な響きを明確に分析することができます。

さらなる品質評価と音の特徴付けは、振動伝播の時間表現です。この方法では、共鳴体上の波動伝播の時間経過を明確に決定することができます。

チェロの振動と形状

Vibration and Geometry of a Violoncello

干渉音場測定

媒質（空気など）中を音波が伝播すると、密度の空間的・時間的な変動が生じます。媒質の密度によって屈折率や光速が変化するため、レーザドップラ振動計を用いれば、音波による密度の変化を可視化することができます。

そのためには、測定対象の音場を通過するレーザビームを静的な白い表面上で走査し、反射された信号を検出します。一般的な振動計の用途とは異なり、干渉計で計測される位相差は、反射面の移動に起因するものではなく、振動計から反射鏡、そして再び振動計に戻るまでのトランジットタイムの変動に起因するものです。
屈折率の変動により、レーザビームのトランジットタイムは、レーザドップラ振動計 （LDV） から、測定する音場の背後に位置する反射鏡、そして振動計に戻るまで変化します。例えば、白い壁が反射鏡として機能します。この通過時間の変化が、振動計で検出される位相の変化につながります。
このようにして、OptoSCAN ソフトウェアにより、音波による密度、ひいては圧力の変動を可視化することができます。応用例としては、超音波トランスデューサやスピーカの開発における音場の測定が挙げられます。音場の3次元形状は、トモグラフィ法を用いて再構成することもできます。

実例超音波トランスデューサ

超音波トランスデューサは、非破壊検査法や超音波信号発信器によく使用されます。写真は、発散型超音波トランスデューサの音場をOptometレーザースキャニング振動計で測定したものです。

音響レビテーターの音場

空気の測定：音波が見えるようになる

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振動解析による超音波溶接

熱可塑性プラスチックと薄い金属部品の接合には、周波数20kHz以上の超音波音響振動が用いられる。数 m/s の振動速度は、溶融プロセスに必要なエネルギー入力につながります。

オプトメトリのシングルポイント振動計およびスキャニング レーザドップラ振動計は、最大 25 m/s の測定範囲により、複雑な溶接プロセスを詳細に把握できます。シミュレーションパラメータの推定、有限要素モデルの検証、ソノトロードやアンビルの設計の微調整に役立ちます。

32ビットのデジタル信号出力により、非常に大きな振幅の振動と重なっても、微小な振動が可視化されます。

オプトメトリの振動計は、SWIR レーザ光源が連続稼働中でも長寿命であるため、最終ラインでの試験や品質管理、サプライヤから受け取った圧電セラミックスの検査に最適です。

オプトメトリの SWIR 振動計は信号レベルが高いため、反射率向上のためのサース処理が不要です。

実例ソノトロードの改良

オプトメットのスキャニングレーザドップラ振動計は、ソノトロードの表面全体を測定し、たわみ形状を表示することができます。特に、溶接結果に大きな影響を与える高振幅の不要モードが、ソノトロードの端部に発生することがあります。

このような問題の原因と発生源は、振動計を使用することで効率的に特定できます。有限要素モデルを検証することで、超音波プロセスや装置を健全な基盤の上で体系的に改善することができます。

その他の応用分野