LDVによる高精度な音響・超音波計測
革新的な高精度計測技術による音響・超音波計測
レーザードップラー振動計（LDV）は、音響・超音波分野における高度な測定に欠かせないツールです。振動板などの可動面、すなわち音の発生源で振動を直接可視化できます。非接触式の測定原理により、高精度かつ高い直線性を実現し、環境の影響を受けません。
Optometのレーザー振動計は、スピーカーシステムや楽器、超音波センサー、マイク、携帯電話、超音波ソノトロードの開発に加え、民生品、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、その性能が実証されています。
楽器の音質最適化
Optometのレーザー振動計は、音質、耐久性、設計特性の観点から楽器を最適化する楽器メーカーの取り組みを支援します。
従来の接触式センサーは弦への取り付けが困難なため、楽器の弦を測定することは事実上不可能です。また、加速度計などのセンサーによる質量負荷が、測定対象の動的挙動を変化させてしまいます。同様の問題は、ギターや弦楽器の共鳴胴、アップライトピアノやグランドピアノの響板でも生じます。
Optometのレーザードップラー振動計を使用すれば、楽器に物理的に接触してその特性に影響を与えることなく、楽器開発における振動振幅、共振周波数、減衰、素材選定の影響を体系的に評価できます。
共鳴体の振動解析により、楽器本体に生じる表面振動を検出し、可視化できます。振動モードや音に潜む成分を明確に特定し、周波数スペクトル上で分類することが可能です。これにより、ギター、バイオリン、ピアノ、打楽器をはじめとする多様な楽器固有の音色を明確に解析できます。
時間領域の振動解析を行うことで、共鳴体を伝わる波動の時間的推移を明確に把握でき、さらなる品質評価と音響特性評価が可能になります。
干渉法による音場計測
音波が媒質（空気など）中を伝播すると、密度が空間的・時間的に変動します。媒質の密度に応じて屈折率、ひいては光速も変化するため、音波によって生じる密度変化をレーザードップラー振動計で可視化できます。この手法は干渉計測の中核を成し、高精度で再現性の高い結果をもたらします。
この計測では、対象となる音場を通過するレーザー光を静止した白色面上で走査し、その反射信号を検出します。一般的な振動計測とは異なり、干渉法で測定される位相差は反射面の運動によるものではありません。密度変動に起因して、振動計から反射面を経て測定装置へ戻るまでの伝播時間が変化することで生じます。得られた結果は、音場解析や音場の三次元形状の再構成において極めて重要な役割を果たします。
用途の一例として、超音波トランスデューサーやスピーカーの開発における音場計測が挙げられます。また、トモグラフィー法を用いて音場の三次元形状を再構成することもできます。この技術は音場トモグラフィーと呼ばれます。
音響分野のFEM：シミュレーションによる高精度化
有限要素法（FEM）は、複雑な音場や振動パターンを高精度にシミュレーションするうえで、音響分野の中核を担っています。FEMを活用することで、共振周波数や振動モードを詳細に解析し、最適化できます。
Optometのレーザードップラー振動計は、シミュレーションの検証に必要な実験データを提供し、この手法を理想的に補完します。両者を組み合わせることで、スピーカーやソノトロードなどの音響部品を効率的に開発できるほか、さまざまな用途における遮音性能を最適化できます。
実用例：超音波トランスデューサー
超音波トランスデューサーは、非破壊検査や超音波信号源として広く使用されています。画像は、Optomet Laser Scanning Vibrometerで測定した、発散型超音波トランスデューサーの音場を示しています。
振動解析による超音波溶着の最適化
熱可塑性樹脂や薄い金属部品の接合には、20 kHz以上の周波数を持つ音響超音波振動が用いられます。数m/sの振動速度によって、溶融プロセスに必要なエネルギーが加えられます。
最大60 m/sの測定レンジを備えたOptometの一点式およびスキャニングレーザ振動計により、複雑な溶着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、ソノトロードとアンビルの設計の微調整が可能になります。
48 Bitのデジタル信号出力により、はるかに振幅の大きな振動に重畳している微小振動も可視化できます。
SWIRレーザ光源は連続運転でも長寿命であるため、Optometの振動計は、EOL検査や品質管理のほか、サプライヤーから調達した圧電セラミックスの検査にも最適です。
OptometのSWIR振動計は高い信号レベルを実現するため、反射率を高める表面処理は不要です。
ソノトロードの改良
Optometの スキャニングレーザドップラ振動計により、ソノトロードの表面全体を測定し、変位形状を可視化できます。特にソノトロードの端部では、溶着結果に大きな影響を及ぼす、振幅の大きな不要振動モードが発生することがあります。
このような問題の原因や発生源は、振動計測によって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、確かな根拠に基づいて超音波プロセスと装置を体系的に改善できます。
