JP2003057164A - Apparatus and method for observation of cavitation air bubble - Google Patents
Apparatus and method for observation of cavitation air bubbleInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、超音波により液
体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察す
るキャビテーション気泡観察装置およびキャビテーショ
ン気泡観察方法に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cavitation bubble observing device and a cavitation bubble observing method for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves.
【０００２】[0002]
【従来の技術】キャビテーション現象は古くから知られ
ており、船のスクリューが腐食するなどの現象が有名で
ある。キャビテーションとは、液体媒質中を超音波が縦
波となって伝搬する際に、媒質の密度が超音波の周期で
変化することにより、溶存気体が気泡となって現れる現
象であり、その気泡は圧力の低いときは膨張し、圧力が
高くなると収縮したり圧壊（短時間での急激な収縮）し
たりする。2. Description of the Related Art The cavitation phenomenon has been known for a long time, and it is well known that the screw of a ship is corroded. Cavitation is a phenomenon in which dissolved gas appears as bubbles when the ultrasonic waves propagate as longitudinal waves in a liquid medium by changing the density of the medium with the period of the ultrasonic waves. It expands when the pressure is low, and contracts or collapses (rapid contraction in a short time) when the pressure rises.
【０００３】キャビテーション気泡の圧壊時には瞬間的
に体積がゼロになるため、極めて短い時間ではあるが気
泡の中心に高温・高圧の極限環境場が生成される。この
現象がスクリューを腐食させることからも明らかなよう
に、キャビテーション音場中では強力な力が作用する。
そして、超音波によるキャビテーション現象を用いれ
ば、机の上で極限環境場が生成できるため、通常では生
成が困難な薬品の合成やダイオキシンの分解等が可能で
あると言われている。現在、音場を任意に制御してキャ
ビテーションを自在に起こすことで、発光現象（ソノル
ミネッセンス）や、化学作用（ソノケミストリー）を制
御するための研究が盛んに行われている。When the cavitation bubbles are crushed, the volume instantaneously becomes zero, so that a high temperature / high pressure extreme environment field is generated in the center of the bubble for a very short time. As is clear from the fact that this phenomenon corrodes the screw, a strong force acts in the cavitation sound field.
It is said that, by using the cavitation phenomenon by ultrasonic waves, an extreme environment field can be generated on a desk, and thus it is possible to synthesize chemicals and decompose dioxin, which are usually difficult to generate. Currently, research is actively conducted to control a light emission phenomenon (sonoluminescence) and a chemical action (sonochemistry) by arbitrarily controlling a sound field to freely cause cavitation.
【０００４】これらの研究を進める上で、キャビテーシ
ョン気泡の挙動（例えば大きさ（最大径、最小径）、リ
バウンド（収縮後の反動による再膨張・収縮）、位置の
変化、形状の変化）を測定し、理解することが必要であ
る。このキャビテーション気泡は、例えば２５ｋＨｚの
超音波による音場中で発生する気泡であれば、１秒間に
２５０００回の膨張・収縮を繰り返す。このような気泡
を計測する方法はいくつかあり、ビデオカメラを用いて
直接観察する方法や、光散乱法を用いて気泡径の変化を
高精度で測定する方法がある。In carrying out these studies, the behavior of cavitation bubbles (for example, size (maximum diameter, minimum diameter), rebound (re-expansion / contraction due to recoil after contraction), position change, shape change) is measured. Need to understand. If the cavitation bubble is a bubble generated in a sound field of an ultrasonic wave of 25 kHz, for example, the cavitation bubble repeats expansion and contraction 25000 times per second. There are several methods for measuring such bubbles, such as a direct observation method using a video camera and a highly accurate measurement method using a light scattering method.
【０００５】ビデオカメラを用いて直接観察する方法で
は、大きさ、形状、位置などの変化を同時に測定するこ
とが可能であり、高速で変化する気泡を撮影する方法と
しては、本発明者らがすでに特許出願（特願２０００−
０９１２４１）しているストロボを用いる方法がある。
このビデオカメラを用いて直接観察する方法では、キャ
ビテーション気泡の形状の観察、位置の測定はもちろん
のこと、画像処理により気泡径の絶対値の変化を測定す
ることも可能であるが、その時間的・空間的な分解能
は、１秒当たりの撮影枚数（時間的分解能）と、１画面
中の画素数（空間的分解能）に制約されるため、リバウ
ンドなどの過渡的な現象の詳細な変化を測定するために
は限界があり不十分である。そこで、気泡径のより精密
な測定には、一般的には光散乱法が用いられる。The method of directly observing with a video camera can simultaneously measure changes in size, shape, position, etc., and the inventors of the present invention have found a method of photographing bubbles that change at high speed. Already applied for a patent (Japanese Patent Application 2000-
There is a method of using a strobe which is No. 091241).
In the method of observing directly with this video camera, it is possible not only to observe the shape of the cavitation bubble and to measure the position, but also to measure the change in the absolute value of the bubble diameter by image processing.・ Spatial resolution is limited by the number of shots per second (temporal resolution) and the number of pixels in one screen (spatial resolution), so detailed changes in transient phenomena such as rebounds can be measured. There is a limit and it is insufficient to do. Therefore, the light scattering method is generally used for more precise measurement of the bubble diameter.
【０００６】この光散乱法による気泡径の測定方法は、
キャビテーション気泡にレーザ光を照射し散乱する光の
強度を光センサで測定し、その光強度に基づいて気泡径
を算出する方法である。散乱光の強度はキャビテーショ
ン気泡の面積の２乗に比例するため、光センサで測定し
た散乱光の強度の平方根が気泡径に比例する。その分解
能は、光センサとその信号を測定するオシロスコープに
依存するが、一般に上記の画像処理による計測に比べて
高精度である。The method of measuring the bubble diameter by this light scattering method is as follows:
This is a method of irradiating a cavitation bubble with laser light and measuring the intensity of the scattered light with an optical sensor, and calculating the bubble diameter based on the light intensity. Since the intensity of scattered light is proportional to the square of the area of the cavitation bubble, the square root of the intensity of scattered light measured by the optical sensor is proportional to the bubble diameter. The resolution depends on the optical sensor and the oscilloscope that measures the signal, but it is generally more accurate than the measurement by the image processing described above.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の光散
乱法において、光センサで感度よく測定するためには、
光センサの位置調整が重要である。原理的には、レーザ
光の入射角の光軸に対して、１００〜１２０゜の方向の
散乱光の強度が最も強く、その方向の散乱光を受光でき
る位置に光センサを設置すれば良い。しかし一方では、
レーザの光源自体からの散乱光や、液体を容れる超音波
セルのガラス壁面での散乱光等の外部ノイズが存在して
おり、この外部ノイズは、外部の光を遮光した暗室の中
でも存在し、微小な気泡での散乱光に対しては十分大き
な光強度となる。By the way, in the above light scattering method, in order to measure with high sensitivity by an optical sensor,
Position adjustment of the optical sensor is important. In principle, the intensity of scattered light in the direction of 100 to 120 ° with respect to the optical axis of the incident angle of the laser light is strongest, and the optical sensor may be installed at a position where the scattered light in that direction can be received. But on the other hand,
There is external noise such as scattered light from the laser light source itself, scattered light on the glass wall surface of the ultrasonic cell containing the liquid, and this external noise exists even in a dark room that shields external light, The light intensity is sufficiently high for scattered light from minute bubbles.
【０００８】そこで、外部ノイズをできるだけ除き、微
小な気泡からの散乱光のみを光センサに導くためには、
集光レンズや鏡筒等を設置する必要があるが、その場合
に、微小な気泡−レンズ−光センサを結ぶ光軸がわずか
にずれただけでも、散乱光を得ることは困難となるた
め、測定を円滑に進めるのが難しかった。しかも、気泡
は音場の変化に対して非常に敏感であり、温度や脱気度
などの変化に伴い、その位置が微妙に移動するため、こ
の点からも散乱光を得るのが困難で、測定を円滑に進め
るのが難しかった。Therefore, in order to eliminate external noise as much as possible and guide only the scattered light from minute bubbles to the optical sensor,
It is necessary to install a condenser lens, a lens barrel, etc., but in that case, even if the optical axis connecting the minute bubble-lens-optical sensor is slightly deviated, it is difficult to obtain scattered light, It was difficult to carry out the measurement smoothly. Moreover, the bubbles are very sensitive to changes in the sound field, and their positions delicately move with changes in temperature and degassing, making it difficult to obtain scattered light from this point as well. It was difficult to carry out the measurement smoothly.
【０００９】また、光散乱法を用いて気泡径の変化を測
定する場合、散乱光の強度は光源であるレーザの出力に
よって異なるし、同じ出力のレーザ光であっても、レー
ザ光は空間的な分布を持ち、ビームの中心と端ではその
強度が異なるため、気泡がレーザビーム中のどこに存在
するかによっても散乱光の強度は異なってくる。よっ
て、光散乱法による測定で得られるデータは、同一気泡
における短時間中の相対的な変化を精度良く示すに止ま
り、絶対値としての把握が困難であった。When measuring the change in bubble diameter using the light scattering method, the intensity of scattered light varies depending on the output of the laser which is the light source, and even if the laser light has the same output, the laser light is spatially divided. Since the intensity of the scattered light differs at the center and the edge of the beam, the intensity of scattered light also differs depending on where the bubble exists in the laser beam. Therefore, the data obtained by the measurement by the light scattering method only accurately shows the relative change in the same bubble during a short time, and it is difficult to grasp the absolute value.
【００１０】この発明は上記の問題を解決するために提
案されたもので、光散乱法による場合であっても、光学
系の位置調整を容易に行い測定もスムーズに確実に行う
ことができ、また従来ビデオカメラによる直接撮影だけ
では限界があった、気泡径の絶対値変化の高精度測定を
可能とすることができるキャビテーション気泡観察装置
およびキャビテーション気泡観察方法を提供することを
目的とする。The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and even in the case of using the light scattering method, the position of the optical system can be easily adjusted and the measurement can be smoothly and surely performed. Another object of the present invention is to provide a cavitation bubble observing device and a cavitation bubble observing method capable of performing highly accurate measurement of an absolute value change of a bubble diameter, which has been limited only by direct shooting with a video camera.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、超音波により液体中に生
成されるキャビテーション気泡の挙動を観察するキャビ
テーション気泡観察装置において、上記液体を容れる、
透明壁からなる超音波セルと、上記超音波セルが載置さ
れその超音波セルに振動を与える振動子と、上記超音波
セルの一側に配置したストロボ光源と、上記振動子を第
１の周波数で振動させる第１の信号と、上記ストロボ光
源を第２の周波数で発光させる第２の信号とを発生する
信号発生手段と、上記超音波セルの液体に照射されキャ
ビテーション気泡で散乱して散乱光となるレーザ光を出
射するレーザ光源と、上記超音波セルの他側に配置し、
ストロボ光源および超音波セルとは同一光軸となり、か
つ上記散乱光が入射する光学系と、上記光学系の後段側
に配置され、上記ストロボ光源からの発光と、上記散乱
光とを互いに異なる方向に分岐する光分岐手段と、上記
光分岐手段で一方向に分岐したストロボ光源からの発光
を受光し撮像する撮像手段と、上記光分岐手段で他方向
に分岐した散乱光を受光しその受光した光の光強度に基
づいてキャビテーション気泡の気泡径を測定する気泡径
測定手段と、を備えることを特徴としている。In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a cavitation bubble observation apparatus for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves. To accommodate
An ultrasonic cell formed of a transparent wall, a vibrator on which the ultrasonic cell is placed and which vibrates the ultrasonic cell, a strobe light source arranged on one side of the ultrasonic cell, and the vibrator Signal generating means for generating a first signal for vibrating at a frequency and a second signal for causing the strobe light source to emit light at a second frequency; and scattering and scattering by cavitation bubbles irradiated on the liquid in the ultrasonic cell A laser light source that emits laser light that becomes light, and is arranged on the other side of the ultrasonic cell,
The strobe light source and the ultrasonic cell have the same optical axis, and the optical system on which the scattered light enters, and the optical system arranged at the rear side of the optical system, the emission from the strobe light source and the scattered light in different directions from each other. A light branching means for branching to, an image pickup means for receiving and imaging light emitted from a strobe light source branched in one direction by the light branching means, and a scattered light branched in the other direction by the light branching means for receiving the light. Bubble diameter measuring means for measuring the bubble diameter of the cavitation bubble based on the light intensity of the light.
【００１２】請求項２に記載の発明は、上記した請求項
１に記載の発明の構成に加えて、上記撮像手段は、上記
振動子の第１の周波数での振動で超音波セルの液体中に
発生したキャビテーション気泡を、ストロボ光源の第２
の周波数での発光タイミング毎に１画面撮像する、こと
を特徴としている。According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the image pickup means is oscillated at a first frequency of the oscillator in the liquid of the ultrasonic cell. The cavitation bubbles generated in the
It is characterized in that one screen is imaged at each light emission timing at the frequency.
【００１３】また、請求項３に記載の発明は、上記した
請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記第１の周波
数を、第２の周波数の整数倍に設定した、ことを特徴と
している。Further, in the invention described in claim 3, in addition to the structure of the invention described in claim 2, the first frequency is set to an integral multiple of the second frequency. I am trying.
【００１４】また、請求項４に記載の発明は、上記した
請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記第１の周波
数を、第２の周波数の整数倍からわずかに異なる値に設
定した、ことを特徴としている。Further, in the invention described in claim 4, in addition to the configuration of the invention described in claim 2, the first frequency is set to a value slightly different from an integer multiple of the second frequency. It is characterized by
【００１５】さらに、請求項５に記載の発明は、上記し
た請求項１から４の何れかに記載の発明の構成に加え
て、上記気泡径測定手段は、撮像手段による観察完了後
に測定を行う、ことを特徴としている。Further, in the invention described in claim 5, in addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 4, the bubble diameter measuring means performs measurement after completion of observation by the imaging means. , Is characterized.
【００１６】請求項６に記載の発明は、上記した請求項
１から４の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記気
泡径測定手段は、撮像手段でのストロボ光源の発光間隔
の合間にレーザ光源からのレーザ光に基づく測定を行
う、ことを特徴としている。According to a sixth aspect of the invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to fourth aspects, the bubble diameter measuring means has a gap between the light emission intervals of the strobe light sources in the image pickup means. In addition, the measurement is performed based on the laser light from the laser light source.
【００１７】また、請求項７に記載の発明は、上記した
請求項１から６の何れかに記載の発明の構成に加えて、
上記撮像手段によるキャビテーション気泡観察により得
られた気泡径の最大値の絶対値で、上記気泡径測定手段
による測定により得られる相対的気泡径の最大値を校正
することにより、気泡径の絶対値の変化を高精度で算出
する、ことを特徴としている。In addition to the structure of the invention described in any one of claims 1 to 6, the invention described in claim 7 is:
By the absolute value of the maximum value of the bubble diameter obtained by observing the cavitation bubble by the imaging means, by calibrating the maximum value of the relative bubble diameter obtained by the measurement by the bubble diameter measuring means, The feature is that the change is calculated with high accuracy.
【００１８】また、請求項８に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記キャビテー
ション気泡は、液体中の超音波音場を定在波音場とした
ときに生成されるシングルバブルでのキャビテーション
気泡である、ことを特徴としている。Further, in the invention described in claim 8, in addition to the structure of the invention described in claim 1, when the cavitation bubble has an ultrasonic sound field in a liquid as a standing wave sound field. It is characterized in that it is a cavitation bubble in the generated single bubble.
【００１９】さらに、請求項９に記載の発明は、上記し
た請求項１から８の何れかに記載の発明の構成に加え
て、上記光学系、光分岐手段および撮像手段を構成する
各種光学部品を標準マウント規格とするとともに、上記
気泡径測定手段を構成し散乱光を受光する光センサを、
上記各種光学部品と同一の標準マウント規格のケースに
組み込み、この光センサを各種光学部品に取り付ける際
にねじ込むだけで光軸を一致させ外乱光を除去可能とす
る、ことを特徴としている。Further, the invention described in claim 9 is, in addition to the configuration of the invention described in any one of claims 1 to 8, various optical parts constituting the optical system, the light branching means and the image pickup means. With a standard mount standard, and an optical sensor that constitutes the above-mentioned bubble diameter measuring means and receives scattered light,
It is characterized in that it is incorporated in a case of the same standard mounting standard as the above-mentioned various optical components, and the optical axis can be aligned and the ambient light can be removed only by screwing when attaching the optical sensor to the various optical components.
【００２０】請求項１０に記載の発明は、超音波により
液体中に生成されるキャビテーション気泡の挙動を観察
するキャビテーション気泡観察方法において、上記液体
の超音波音場を定在波音場とし、その液体中に発生した
キャビテーション気泡を、所定周波数で発光するストロ
ボ光源の発光タイミング毎に１画面撮像してキャビテー
ション気泡を観察するとともに、そのキャビテーション
気泡観察用に調整された光学系の配置を用いて、レーザ
光がキャビテーション気泡で散乱して得られる散乱光を
受光しその受光した光の光強度に基づいてキャビテーシ
ョン気泡の気泡径を測定する、ことを特徴としている。According to a tenth aspect of the invention, in a cavitation bubble observing method for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves, the ultrasonic sound field of the liquid is used as a standing wave sound field, and the liquid The cavitation bubble generated in the inside is imaged one screen at each emission timing of the strobe light source that emits light at a predetermined frequency to observe the cavitation bubble, and the laser is arranged by using the arrangement of the optical system adjusted for observing the cavitation bubble. It is characterized in that scattered light obtained by scattering light by cavitation bubbles is received, and the bubble diameter of the cavitation bubbles is measured based on the light intensity of the received light.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
【００２２】図１はこの発明のキャビテーション気泡観
察装置の全体構成を示す図、図２はこの発明のキャビテ
ーション気泡観察装置における光学系の配置を示す上面
図である。これらの図において、この発明のキャビテー
ション気泡観察装置１は、超音波により液体中に生成さ
れるキャビテーション気泡の挙動を観察する装置であ
り、液体を容れる、透明壁からなる超音波セル２と、超
音波セル２が載置固定されその超音波セル２に振動を与
える振動子３と、超音波セル２の一側に配置したストロ
ボ光源４１と、振動子を周波数ｆ１で振動させる信号Ｓ
１と、ストロボ光源４１を周波数ｆ２で発光させる信号
Ｓ２とを発生する信号発生手段６と、超音波セル２の液
体に照射されキャビテーション気泡で散乱して散乱光と
なるレーザ光を出射するレーザ光源（レーザ発振器）４
２と、超音波セル２の他側に配置し、ストロボ光源４１
および超音波セル２とは同一光軸となり、かつレーザ光
源４２からの散乱光が入射する光学系としてのズームレ
ンズ７と、そのズームレンズ７の後段側に配置され、ス
トロボ光源４１からの発光を通過させる一方、散乱光を
分岐するビームスプリッタ（光分岐手段）８と、ビーム
スプリッタ８を通過したストロボ光源４１からの発光を
受光し撮像する撮像手段５と、ビームスプリッタ８で分
岐した散乱光を受光しその受光した光の光強度に基づい
てキャビテーション気泡の気泡径を測定する気泡径測定
手段９と、を備えている。FIG. 1 is a diagram showing the overall structure of the cavitation bubble observing apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a top view showing the arrangement of optical systems in the cavitation bubble observing apparatus of the present invention. In these figures, a cavitation bubble observing device 1 of the present invention is a device for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves, and includes an ultrasonic cell 2 containing transparent liquid and containing an ultrasonic cell. A transducer 3 on which the sonic cell 2 is mounted and fixed and which vibrates the ultrasonic cell 2, a strobe light source 41 arranged on one side of the ultrasonic cell 2, and a signal S for oscillating the transducer at a frequency f1.
1 and a signal generating means 6 for generating a signal S2 for causing the strobe light source 41 to emit light at a frequency f2, and a laser light source for irradiating the liquid of the ultrasonic cell 2 and scattering laser light which is scattered by cavitation bubbles and becomes scattered light. (Laser oscillator) 4
2 and the other side of the ultrasonic cell 2 and the strobe light source 41
The ultrasonic lens 2 and the ultrasonic cell 2 have the same optical axis, and the zoom lens 7 as an optical system on which the scattered light from the laser light source 42 is incident, and the zoom lens 7 are arranged at the rear side of the zoom lens 7. A beam splitter (light splitting means) 8 that splits scattered light while allowing it to pass therethrough, an image pickup means 5 that receives and images the light emitted from the strobe light source 41 that has passed through the beam splitter 8, and the scattered light split by the beam splitter 8 Bubble diameter measuring means 9 for measuring the bubble diameter of the cavitation bubble based on the light intensity of the received light.
【００２３】上記の超音波セル２は直方体のガラスの角
形パイプで、媒質である脱気した純水を注入してあり、
この純水は上面が大気と接し、下面がセル２の底壁を介
して振動子３と接している。The ultrasonic cell 2 is a rectangular glass rectangular pipe into which degassed pure water as a medium is injected.
The pure water has an upper surface in contact with the atmosphere and a lower surface in contact with the vibrator 3 through the bottom wall of the cell 2.
【００２４】上記のズームレンズ７は、倍率が１．５〜
９倍のものである。また、上記のビームスプリッタ８
は、入射した光の波長に対応して作用するミラーであ
り、ストロボ光源４１からの光のように白色光近傍の波
長のものであればそのまま通過させ、レーザ光源４２か
らの光のように赤色光近傍の波長のものであれば、反射
し分岐させる。The zoom lens 7 has a magnification of 1.5 to
It is 9 times. Also, the above beam splitter 8
Is a mirror that operates in accordance with the wavelength of the incident light, and if it has a wavelength in the vicinity of white light, such as light from the strobe light source 41, allows it to pass therethrough, and emits red light such as light from the laser light source 42. If the wavelength is near the light, it is reflected and branched.
【００２５】上記の撮像手段５は、ＮＴＳＣ方式のＣＣ
Ｄカメラ５１とＶＴＲ５２とモニタ５３とを備えてい
る。このＣＣＤカメラ５１とズームレンズ７と超音波セ
ル２とストロボ光源４１とは、同一光軸となるように配
置されている。また、ズームレンズ７、ビームスプリッ
タ８、ＣＣＤカメラ５１、光センサ９１はすべて標準マ
ウント規格（例えばＣマウント規格）の光学部品であ
り、これらの光学部品は、その組立に際してねじ込むだ
けで光軸を一致させることができ、レンズ面以外からの
外乱光も排除できるようになっている。ＣＣＤカメラ５
１による画像は、モニタ５３で確認しながらＶＴＲ５２
に記録される。なお、ＣＣＤカメラ５１のＣＣＤ素子は
１／３インチの素子（４．８×３．６ｍｍ）のものを用
いたため、最大倍率（９倍）時の視野は０．５３ｍｍ×
０．４ｍｍとなる。The image pickup means 5 is a CC of NTSC system.
A D camera 51, a VTR 52 and a monitor 53 are provided. The CCD camera 51, the zoom lens 7, the ultrasonic cell 2, and the strobe light source 41 are arranged so as to have the same optical axis. Further, the zoom lens 7, the beam splitter 8, the CCD camera 51, and the optical sensor 91 are all optical components of a standard mount standard (for example, C mount standard), and these optical components are aligned with each other by simply screwing them in during assembly. It is also possible to eliminate ambient light from other than the lens surface. CCD camera 5
The image of 1 is displayed on the VTR 52 while checking on the monitor 53.
Recorded in. Since the CCD camera 51 has a CCD element of 1/3 inch (4.8 × 3.6 mm), the field of view at the maximum magnification (9 ×) is 0.53 mm ×
It becomes 0.4 mm.
【００２６】上記の気泡径測定手段９は、光センサ（光
電子増倍管）９１とオシロスコープ９２とを備えてい
る。光センサ９１は、ビームスプリッタ８で分岐されて
入射してきた散乱光を、その光強度に応じた電圧に変換
し、オシロスコープ９２に出力する。オシロスコープ９
２では、その電圧信号に基づいて気泡径の変化測定を行
う。この気泡径測定に際しては、一回の測定ではノイズ
が非常に大きいため、デジタルオシロスコープの機能で
あるアベレージング演算機能を用いて、複数回（例えば
６４回）の平均化処理を行い、ノイズの影響を無視でき
る程度に緩和した上で、気泡径の変化を測定する。The bubble diameter measuring means 9 comprises an optical sensor (photomultiplier tube) 91 and an oscilloscope 92. The optical sensor 91 converts the scattered light that is split by the beam splitter 8 and is incident into a voltage according to the light intensity, and outputs the voltage to the oscilloscope 92. Oscilloscope 9
In 2, the change in bubble diameter is measured based on the voltage signal. When measuring the bubble diameter, noise is very large in one measurement, so the averaging calculation function, which is a function of the digital oscilloscope, is used to perform averaging processing multiple times (for example, 64 times), and the effect of noise Is relaxed to a negligible level, and then the change in bubble diameter is measured.
【００２７】上記の信号発生手段６は、例えば関数発生
器（ファンクションジェネレータ）であり、上記したよ
うに、２系統（２チャンネル（ｃｈ））の出力を持ち、
第１ｃｈは超音波発生用に周波数ｆ１の信号Ｓ１を発生
する。この信号Ｓ１はアンプ１１で増幅され、振動子３
に約１０〜３０Ｖｐｐ（正負間振幅電圧）の電圧で印加
される。この増幅された信号Ｓ１の電圧は、オシロスコ
ープ９２で測定され監視されている。また、信号Ｓ１
は、同時にオシロスコープ９２のトリガ信号としても機
能している。一方、第２ｃｈはストロボ光源４１を周波
数ｆ２で発光させるトリガ用の信号Ｓ２を発生する。な
お、ストロボ光源４１の閃光時間は７５ナノ秒（ｎｓ）
とする。The signal generating means 6 is, for example, a function generator, and has two systems (two channels (ch)) of output, as described above.
The first channel generates a signal S1 having a frequency f1 for generating ultrasonic waves. This signal S1 is amplified by the amplifier 11, and the oscillator 3
Is applied at a voltage of about 10 to 30 Vpp (amplitude voltage between positive and negative). The voltage of the amplified signal S1 is measured and monitored by the oscilloscope 92. Also, the signal S1
Simultaneously functions as a trigger signal for the oscilloscope 92. On the other hand, the second channel generates a trigger signal S2 that causes the strobe light source 41 to emit light at the frequency f2. The flash duration of the strobe light source 41 is 75 nanoseconds (ns).
And
【００２８】上記構成のキャビテーション気泡観察装置
１において、振動子３に信号発生手段６からの電圧を印
加すると、振動子３と超音波セル２中の水面との間に定
在波音場が生成され、それに応じてシングルバブルでの
キャビテーション気泡が生成される。この定在波音場中
の音圧の腹に、生成されたキャビテーション気泡が捕捉
されると、このキャビテーション気泡は、振動子３の振
動数に同期して、信号Ｓ１の周波数ｆ１で膨張・収縮を
繰り返す。そして、このキャビテーション気泡の挙動を
ストロボ光源４１と対面して配置したＣＣＤカメラ５１
で影絵として撮影する。ストロボ光源４１は高輝度であ
って十分に光量を確保でき、ズームレンズ７および撮像
手段５側での感度やレンズの倍率、明るさを調整するこ
とで、撮影は、ストロボ光源４１の発光タイミング毎に
１画面撮ることができる。なお、このように、いわゆる
バックライト照明で撮影するようにしたのは、微小領域
を最大で約９倍に拡大して撮影する際の光量を十分に確
保するためである。In the cavitation bubble observing apparatus 1 having the above structure, when a voltage from the signal generating means 6 is applied to the vibrator 3, a standing wave sound field is generated between the vibrator 3 and the water surface in the ultrasonic cell 2. , And accordingly, cavitation bubbles in single bubbles are generated. When the generated cavitation bubbles are trapped in the sound pressure antinode in the standing wave sound field, the cavitation bubbles expand and contract at the frequency f1 of the signal S1 in synchronization with the frequency of the oscillator 3. repeat. Then, the behavior of the cavitation bubble is arranged by the CCD camera 51 facing the strobe light source 41.
To shoot as a shadow picture. The strobe light source 41 has a high brightness and can secure a sufficient amount of light. By adjusting the sensitivity on the zoom lens 7 and the image pickup means 5, the magnification of the lens, and the brightness, shooting is performed at each strobe light source 41 emission timing. You can take one screen at a time. The reason why the so-called backlight illumination is used in this manner is to secure a sufficient light amount when a microscopic area is magnified up to about 9 times and photographed.
【００２９】上記のように、キャビテーション気泡は信
号Ｓ１の周波数ｆ１で高速に膨張・収縮を繰り返すが、
この信号Ｓ１の周波数ｆ１を、信号Ｓ２の周波数ｆ２の
整数倍、すなわちストロボ光源４１の発光周波数の整数
倍に設定すると、最大膨張〜最大収縮の何れかの位相下
にある気泡に対し、ストロボ光は、常に同一の位相下の
気泡を照明することとなり、ＣＣＤカメラ５１は、その
同一位相の気泡を撮影する。As described above, the cavitation bubble repeatedly expands and contracts rapidly at the frequency f1 of the signal S1.
When the frequency f1 of the signal S1 is set to an integral multiple of the frequency f2 of the signal S2, that is, an integral multiple of the light emission frequency of the strobe light source 41, strobe light is emitted to the bubbles in any phase from maximum expansion to maximum contraction. Always illuminates the bubbles in the same phase, and the CCD camera 51 photographs the bubbles in the same phase.
【００３０】一方、信号Ｓ１の周波数ｆ１を、信号Ｓ２
の周波数ｆ２の整数倍からわずかに異なる値、すなわち
ストロボ光源４１の発光周波数の整数倍からわずかに異
なる値に設定すると、最大膨張〜最大収縮の何れかの位
相下にある気泡に対し、ストロボ光は、少しずつ位相が
異なる気泡を照明することとなり、ＣＣＤカメラ５１
は、その少しずつ位相が異なっていく気泡を撮影する。On the other hand, the frequency f1 of the signal S1 is changed to the signal S2.
Is set to a value that is slightly different from an integer multiple of the frequency f2 of the strobe light, that is, a value that is slightly different from an integer multiple of the emission frequency of the strobe light source 41, the strobe light is emitted to the bubbles under any phase from the maximum expansion to the maximum contraction. Illuminates the bubbles whose phases are slightly different from each other, and the CCD camera 51
Shoots bubbles whose phases gradually differ.
【００３１】以下に、周波数ｆ１を２４．４８０５ｋＨ
ｚとし、周波数ｆ２を３０Ｈｚとして観察したときの実
験結果について説明する。ストロボ発光の３０Ｈｚの整
数倍（８１６倍）から０．５Ｈｚの差があるため、最大
膨張〜最大収縮の何れかの位相下にある気泡に対し、ス
トロボ光は、少しずつ位相が異なる気泡を照明すること
となり、この場合は、２秒間で１回の膨張・収縮を繰り
返すスローモーションとなる。ＣＣＤカメラ５１は、１
秒間に３０画像を撮影してＶＴＲ１３に記録するため、
１周期の変化は６０画像の連続写真として得られた。Below, the frequency f1 is set to 24.4805 kHz.
The experimental result when observing with z and frequency f2 of 30 Hz will be described. Since there is a difference of 0.5 Hz from an integral multiple (816 times) of 30 Hz of stroboscopic light emission, strobe light illuminates a bubble having a slightly different phase with respect to a bubble that is in any phase of maximum expansion to maximum contraction. In this case, a slow motion in which expansion / contraction is repeated once in 2 seconds is performed. 1 CCD camera 51
Since 30 images are taken per second and recorded on the VTR 13,
The change of one cycle was obtained as a continuous photograph of 60 images.
【００３２】図３は上記観察により得られたキャビテー
ション気泡の画像を５画像ごとに示す図である。振動子
３への印加電圧は４２．４Ｖｐｐに設定した。超音波セ
ル２内の純水中に生成された定在波音場は良好な状態と
なり、図に示すように、矢印で示すキャビテーション気
泡の位置の変動はあまり見られない。また、得られた画
像をコンピュータを用いて画像処理を行い、キャビテー
ション気泡の半径を自動計測した結果を図４にグラフで
示す。図４のグラフ中に矢印で記した部分（ａ）〜
（ｉ）が、図３の画像（ａ）〜（ｉ）と対応する。FIG. 3 is a view showing an image of cavitation bubbles obtained by the above observation every 5 images. The applied voltage to the vibrator 3 was set to 42.4 Vpp. The standing wave sound field generated in the pure water in the ultrasonic cell 2 is in a good state, and as shown in the figure, the position of the cavitation bubble is hardly changed. Further, the obtained image is subjected to image processing using a computer, and the result of automatic measurement of the radius of the cavitation bubble is shown in a graph in FIG. The part (a) marked with an arrow in the graph of FIG.
(I) corresponds to the images (a) to (i) in FIG.
【００３３】キャビテーション気泡が膨張・収縮する様
子が映像として鮮明に撮影可能であり、その大きさの変
化を自動計測できることがわかる。なお、図３、図４は
１周期分のみを抜き出して示しているが、気泡の膨張・
収縮の現象は何度も繰り返される。It can be seen that the expansion and contraction of the cavitation bubbles can be clearly captured as an image, and the change in the size can be automatically measured. Although FIGS. 3 and 4 show only one cycle extracted,
The phenomenon of contraction is repeated many times.
【００３４】しかしながら、このグラフでは測定間隔が
粗いため、収縮した直後に起きているリバウンドなどの
現象は確認できない。確かに周波数差を小さくして、長
時間の観察を行うことで、より多くの画像を撮影するこ
とが可能となるが、超音波の音場は温度、脱気度などの
要因により大きく変化するため、長時間を有する計測は
好ましくない。However, in this graph, since the measurement intervals are coarse, it is not possible to confirm phenomena such as rebound occurring immediately after contraction. Certainly, it is possible to capture more images by observing for a long time with a small frequency difference, but the sound field of ultrasonic waves greatly changes due to factors such as temperature and degassing degree. Therefore, measurement that takes a long time is not preferable.
【００３５】ところで、微小物体の大きさの計測には、
光散乱法が用いられる。これは、微小物体にレーザ光等
を照射した場合、物体の面積に比例した光が散乱するこ
とを利用する方法である。By the way, to measure the size of a minute object,
The light scattering method is used. This is a method that utilizes the fact that when a minute object is irradiated with laser light or the like, light proportional to the area of the object is scattered.
【００３６】上記構成のキャビテーション気泡観察装置
１において、光散乱法による気泡径変化の測定は次の手
順で行われる。先ず上記したストロボ光源４１を用いた
気泡観察実験を完了させた後、装置の配置はそのまま
で、ストロボ光源４１の電源をオフにし、レーザ光源４
２の電源をオンにする。このとき、レーザ光源４２から
出射したレーザ光は、超音波セル２中に生成されている
キャビテーション気泡に照射され散乱する。そのキャビ
テーション気泡で散乱したレーザ光（散乱光）は、ズー
ムレンズ７を通ってビームスプリッタ８で分岐し、気泡
径測定手段９の光センサ９１に入射する。そして、上記
したように、光センサ９１は、入射してきた散乱光を、
その光強度に応じた電圧に変換し、オシロスコープ９２
に出力し、オシロスコープ９２では、その電圧信号に基
づいて、気泡径の変化測定を行う。この気泡径測定に際
しては、６４回のアベレージング処理を行い、得られた
電圧から、気泡が無いときのバックグランドデータを差
し引き、その絶対値の平方根を求め、その値のうち最大
のものを基準としその基準に対する比を相対的な気泡径
としている。In the cavitation bubble observing apparatus 1 having the above structure, the measurement of the bubble diameter change by the light scattering method is performed in the following procedure. First, after completing the bubble observation experiment using the strobe light source 41 described above, the power supply of the strobe light source 41 is turned off and the laser light source 4 is kept in the same arrangement.
Turn on the power of 2. At this time, the laser light emitted from the laser light source 42 is applied to and scattered by the cavitation bubbles generated in the ultrasonic cell 2. The laser light (scattered light) scattered by the cavitation bubbles passes through the zoom lens 7, is branched by the beam splitter 8, and is incident on the optical sensor 91 of the bubble diameter measuring means 9. Then, as described above, the optical sensor 91 changes the incident scattered light into
The voltage is converted into a voltage according to the light intensity, and the oscilloscope 92
Then, the oscilloscope 92 measures the change in bubble diameter based on the voltage signal. When measuring the bubble diameter, perform averaging 64 times, subtract the background data when there is no bubble from the obtained voltage, find the square root of its absolute value, and use the maximum value as the standard. The ratio to the standard is defined as the relative bubble diameter.
【００３７】図５は光散乱法による気泡径変化測定結果
を示す図で、（ａ）は気泡の生成から膨張、収縮までの
１周期での気泡径変化を示し、（ｂ）は（ａ）の一部を
拡大して示した図で、膨張後の収縮時の過渡的な気泡径
変化を示している。この図において、横軸は時間を、縦
軸は気泡半径を最大気泡半径に比例する値（無単位）で
表したものをそれぞれ示しており、気泡が緩やかに膨張
し、やがて急激に収縮する様子が分かる。また、その後
の膨張・収縮（リバウンド）も確認される。緩やかな気
泡の膨張・収縮は、図４の画像による計測と同じである
が、この図５（ａ）（ｂ）からは図４では見られないス
パイク状のリバウンドも測定され、特に図５（ｂ）か
ら、このリバウンドが３２．６μｓｅｃ付近において現
れることが明確に分かる。このスパイク状のリバウンド
は、レーザ光源４２からの散乱光を検出したものではな
く、気泡自身の発光（ソノルミネッセンス）を検出した
ものである。FIG. 5 is a diagram showing the measurement results of the bubble diameter change by the light scattering method. (A) shows the bubble diameter change in one cycle from the generation of bubbles to the expansion and contraction, and (b) shows (a). FIG. 3 is an enlarged view of a part of the graph, showing a transitional bubble diameter change at the time of contraction after expansion. In this figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the bubble radius as a value (unitless) proportional to the maximum bubble radius. The bubble gradually expands and then contracts rapidly. I understand. In addition, subsequent expansion / contraction (rebound) is also confirmed. The gentle expansion / contraction of bubbles is the same as the measurement by the image of FIG. 4, but spike-like rebounds not seen in FIG. 4 are also measured from FIGS. 5 (a) and 5 (b), and in particular, FIG. It is clearly seen from b) that this rebound appears near 32.6 μsec. This spike-like rebound is not a detection of scattered light from the laser light source 42, but a detection of light emission (sonoluminescence) of the bubble itself.
【００３８】さて、図４に示したビデオ観察により、気
泡径の絶対値の変化がわかる。また、図５に示した光散
乱法による気泡径の精密測定により、絶対値は不明であ
るが、相対的な変化を詳細に調べることが可能である。
したがって、両データを組み合わせ、ビデオ観察による
気泡径の最大値の絶対値で、光散乱法による結果を校正
することにより、気泡径の絶対値の詳細な変化を求める
ことが可能である。例えば、図５における気泡の最大半
径は図４から６０μｍと読み取ることができ、その最大
半径となるまでの気泡半径の絶対値も、図５（ａ）の縦
軸から詳細に決定することができる。また、リバウンド
時に最大となる気泡半径も図５（ｂ）から１７．５μｍ
（＝６０μｍ×０．３２／１．１）と詳細に決定するこ
とができる。By the video observation shown in FIG. 4, the change in the absolute value of the bubble diameter can be seen. Moreover, although the absolute value is unknown by the precise measurement of the bubble diameter by the light scattering method shown in FIG. 5, it is possible to examine the relative change in detail.
Therefore, it is possible to obtain a detailed change in the absolute value of the bubble diameter by combining both data and calibrating the result by the light scattering method with the absolute value of the maximum value of the bubble diameter obtained by video observation. For example, the maximum radius of the bubble in FIG. 5 can be read from FIG. 4 as 60 μm, and the absolute value of the bubble radius until reaching the maximum radius can also be determined in detail from the vertical axis of FIG. 5A. . Also, the maximum bubble radius during rebound is 17.5 μm from Fig. 5 (b).
(= 60 μm × 0.32 / 1.1) can be determined in detail.
【００３９】すなわち、この発明では、ビデオ観察と光
散乱法とを組み合わせてキャビテーション気泡観察装置
を構成したので、従来ビデオカメラによる直接撮影だけ
では限界があった、気泡径の絶対値変化の高精度測定を
行うことができる。That is, in the present invention, since the cavitation bubble observing device is constructed by combining the video observing and the light scattering method, the high accuracy of the change in the absolute value of the bubble diameter, which has been limited only by the direct photographing by the conventional video camera. A measurement can be made.
【００４０】その場合、ビデオ観察時に用いたズームレ
ンズ７を光散乱法でも共用するようにしたので、ＣＣＤ
カメラ５１で気泡が視野の中心に位置するときは、光セ
ンサ９１にもその同一の気泡からの散乱光が届いている
こととなる。したがって、光散乱法による場合、従来困
難で時間を要していた光学系の位置調整が不要となり、
測定もスムーズに確実に行うことができる。In that case, since the zoom lens 7 used during video observation is also used for the light scattering method, the CCD
When the bubble is located at the center of the visual field in the camera 51, it means that the scattered light from the same bubble reaches the optical sensor 91. Therefore, in the case of using the light scattering method, it becomes unnecessary to adjust the position of the optical system, which was difficult and time-consuming.
The measurement can be performed smoothly and surely.
【００４１】そして、気泡径の絶対値変化の高精度測定
を可能としたことにより、気泡位置の変動や気泡の形状
をより一層正確に知ることができるようになり、また音
圧や、音場の安定の度合いもより一層精度良く知ること
ができるようになる。このような音場に関する情報は、
多数のキャビテーション気泡が存在する音場であるマル
チバルブソノルミネッセンスに応用でき、化学反応の大
幅な促進化、医薬品の速やかな合成、アモルファス金属
やダイヤモンドのような新素材の開発、ダイオキシンや
フロンのような有害物質の分解等に役立てることができ
るようなる。Since it is possible to measure the change in the absolute value of the bubble diameter with high accuracy, it becomes possible to know the change of the bubble position and the shape of the bubble more accurately, the sound pressure and the sound field. The degree of stability of can be known more accurately. Information about such a sound field is
It can be applied to multi-valve sonoluminescence, which is a sound field where many cavitation bubbles exist, and it greatly accelerates chemical reaction, rapid synthesis of pharmaceuticals, development of new materials such as amorphous metal and diamond, and dioxins and CFCs. It can be useful for decomposition of harmful substances.
【００４２】なお、上記の説明では、ストロボ光源４１
を用いたビデオ観察実験が完了した後に、光散乱法によ
る測定に移行するように構成したが、このビデオ観察と
光散乱法による測定とを同時に進めるように構成しても
よい。このことを図６を用いて説明する。In the above description, the strobe light source 41 is used.
After the video observation experiment using the above is completed, the measurement is performed by the light scattering method, but the video observation and the measurement by the light scattering method may be performed at the same time. This will be described with reference to FIG.
【００４３】図６はビデオ観察と光散乱法による測定と
を同時に行う場合のタイミングチャート例を示す図であ
る。図において、ストロボ光源４１は、３３ｍｓｅｃの
間隔で１００ｎｓｅｃだけ発光を行い、その発光に合わ
せてＣＣＤカメラ５１のシャッタが動作し、ビデオ観察
実験がなされている。これに対し、レーザ光源４２は、
ストロボ光源４１の発光間隔３３ｍｓｅｃの間に数回、
ここでは四回間欠的に発光し、それに応じてオシロスコ
ープ９２も作動し、レーザ光に基づく光散乱法による測
定が行われる。このように、ストロボ光源４１の発光間
隔の合間に光散乱法による測定を行うことで、ビデオ観
察と光散乱法による測定とを同時に進めることができる
ようになる。FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart when the video observation and the measurement by the light scattering method are simultaneously performed. In the figure, the strobe light source 41 emits light for 100 nsec at intervals of 33 msec, and the shutter of the CCD camera 51 operates in accordance with the emitted light, and a video observation experiment is conducted. On the other hand, the laser light source 42 is
During the light emission interval 33 msec of the strobe light source 41 several times,
Here, light is emitted intermittently four times, and the oscilloscope 92 also operates accordingly, and measurement is performed by the light scattering method based on laser light. As described above, by performing the measurement by the light scattering method between the light emission intervals of the strobe light source 41, it becomes possible to simultaneously perform the video observation and the measurement by the light scattering method.
【００４４】また、上記の説明では、ビデオ観察時に用
いた光学系の配置をそのまま光散乱法でも共用するよう
にしたが、この光学系の配置調整を、逆に光散乱法を利
用してレーザ光源４２からのレーザ光を用いて行うよう
に構成することもできる。このことを図７を用いて説明
する。Further, in the above description, the arrangement of the optical system used during video observation is also used for the light scattering method as it is. However, the arrangement of the optical system is adjusted by using the light scattering method. It can also be configured to use the laser light from the light source 42. This will be described with reference to FIG.
【００４５】図７は光散乱法による気泡径の精密測定実
験において気泡にレーザ光を照射したときの、ＣＣＤカ
メラによる映像である。気泡の位置にひょうたん型の光
点が確認される。これはレーザ光が右側から入射してい
るためで、レーザ光が気泡に入射した際の散乱光が右側
の大きな光のかたまりで、一部の光が直進して気泡を透
過し、再度媒質である水に再入射する際の散乱光が左側
の小さな光と考えられる。なお、この画像はレーザ光を
連続光として照射している時のもので、気泡が膨張収縮
する過程の散乱光を、すべて多重写ししている状態であ
る。このように、レーザ照射においても気泡による散乱
光はＣＣＤカメラ５１に入るので、その映像を用いて光
学系の調整を行うことができる。FIG. 7 is an image taken by a CCD camera when a bubble is irradiated with laser light in a precision measurement experiment of the bubble diameter by the light scattering method. A gourd-shaped light spot is observed at the position of the bubble. This is because the laser light is incident from the right side, and the scattered light when the laser light is incident on the bubble is a large bundle of light on the right side, part of the light goes straight through the bubble, and again in the medium. The scattered light when re-incident on some water is considered to be the small light on the left side. It should be noted that this image is obtained by irradiating laser light as continuous light, and is a state in which all the scattered light in the process of expansion and contraction of bubbles are multiplex-printed. As described above, since the scattered light due to the bubbles enters the CCD camera 51 even during laser irradiation, the image can be used to adjust the optical system.
【００４６】また、上記の説明では、ビームスプリッタ
８は、入射した光の波長に対応して、ストロボ光源４１
からの光のように白色光近傍の波長のものであればその
まま通過させ、レーザ光源４２からの光のように赤色光
近傍の波長のものであれば、反射し分岐させる特性を有
するとしたが、このビームスプリッタ８として、入射光
の波長に関係なく、入射光の５０％を通過させ、残りの
５０％を反射し分岐させる特性を有するものを用いるよ
うに構成してもよい。ただし、この場合は、図８に示す
ように、このビームスプリッタ８の後段であってＣＣＤ
カメラ５１のＣＣＤ素子の手前に青色フィルタ８１を挿
入し、ビームスプリッタ８と青色フィルタ８１とで光分
岐手段を形成する。この構成の下で、青色フィルタ８１
は、レーザ光の赤色成分の光を遮光し、ストロボ光によ
る青緑色の成分のみを透過させるので、ストロボ光によ
るビデオ観察を良好に行うことができ、またレーザ光は
光センサ９１に入るので光散乱法による測定も良好に行
うことができる。Further, in the above description, the beam splitter 8 corresponds to the wavelength of the incident light and the strobe light source 41.
It is said that the light having a wavelength in the vicinity of white light, such as the light from, is passed as it is, and the light having a wavelength in the vicinity of red light, such as the light from the laser light source 42, is reflected and branched. The beam splitter 8 may be configured to have a characteristic of transmitting 50% of the incident light and reflecting and branching the remaining 50% regardless of the wavelength of the incident light. However, in this case, as shown in FIG.
A blue filter 81 is inserted in front of the CCD element of the camera 51, and the beam splitter 8 and the blue filter 81 form an optical branching means. Under this configuration, the blue filter 81
Since it blocks the red component of the laser light and transmits only the blue-green component of the strobe light, video observation by the strobe light can be performed well, and since the laser light enters the optical sensor 91, The measurement by the scattering method can be performed well.
【００４７】さらに、この構成の下では、青色フィルタ
８１は確実にレーザ光の赤色成分の光を遮光するので、
レーザ光源４２から常時レーザ光を出射させておいて
も、ＣＣＤカメラ５１にはストロボ光しか入らず、この
ため、図６に示したビデオ観察と光散乱法との同時測定
におけるレーザ光の間欠発光制御を行う必要はなくなり
常時レーザ光を出射させておけばよい。したがって、よ
り簡便な構成で同時測定を行えるようになる。Further, under this structure, the blue filter 81 surely blocks the light of the red component of the laser light,
Even if laser light is constantly emitted from the laser light source 42, only strobe light enters the CCD camera 51. Therefore, intermittent light emission of laser light in the simultaneous measurement of the video observation and the light scattering method shown in FIG. It is not necessary to perform control, and laser light may be emitted constantly. Therefore, simultaneous measurement can be performed with a simpler configuration.
【００４８】また、上記の説明では、超音波セル２に純
水を容れるようにしたが、純水に代えて他の液体媒質を
容れるようにしてもよい。Further, in the above description, the pure water is contained in the ultrasonic cell 2, but another liquid medium may be contained in place of the pure water.
【００４９】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、この発明のキャビ
テーション気泡観察装置およびキャビテーション気泡観
察方法では、ビデオ観察と光散乱法とを組み合わせてキ
ャビテーション気泡観察を行うように構成したので、従
来ビデオカメラによる直接撮影だけでは限界があった、
気泡径の絶対値変化の高精度測定を行うことができる。As described above, according to the cavitation bubble observing apparatus and the cavitation bubble observing method of the present invention, the cavitation bubble observation is performed by combining the video observation and the light scattering method. There was a limit to direct shooting alone,
It is possible to perform highly accurate measurement of changes in absolute value of bubble diameter.
【００５０】その場合、ビデオ観察時に用いた光学系を
光散乱法でも共用するようにしたので、光散乱法による
場合、従来困難で時間を要していた光学系の位置調整が
不要となり、測定もスムーズに確実に行うことができ
る。In this case, since the optical system used during the video observation is also used in the light scattering method, the position adjustment of the optical system, which has been difficult and time-consuming in the past, becomes unnecessary when the light scattering method is used. Can be done smoothly and reliably.
【００５１】そして、気泡径の絶対値変化の高精度測定
を可能としたことにより、気泡位置の変動や気泡の形状
をより一層正確に知ることができるようになり、また音
圧や、音場の安定の度合いもより一層精度良く知ること
ができるようになる。このような音場に関する情報は、
多数のキャビテーション気泡が存在する音場であるマル
チバルブソノルミネッセンスに応用でき、化学反応の大
幅な促進化、医薬品の速やかな合成、アモルファス金属
やダイヤモンドのような新素材の開発、ダイオキシンや
フロンのような有害物質の分解等に役立てることができ
るようなる。Since it is possible to measure the absolute value change of the bubble diameter with high accuracy, it becomes possible to more accurately know the change of the bubble position and the shape of the bubble, the sound pressure and the sound field. The degree of stability of can be known more accurately. Information about such a sound field is
It can be applied to multi-valve sonoluminescence, which is a sound field where many cavitation bubbles exist, and it greatly accelerates chemical reaction, rapid synthesis of pharmaceuticals, development of new materials such as amorphous metal and diamond, and dioxins and CFCs. It can be useful for decomposition of harmful substances.
【図１】この発明のキャビテーション気泡観察装置の全
体構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a cavitation bubble observation device of the present invention.
【図２】この発明のキャビテーション気泡観察装置にお
ける光学系の配置を示す上面図である。FIG. 2 is a top view showing the arrangement of optical systems in the cavitation bubble observation device of the present invention.
【図３】振動子の周波数を２４．４８０５ｋＨｚとして
観察したときのキャビテーション気泡の画像を示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing an image of cavitation bubbles observed when the frequency of a vibrator is 24.4805 kHz.
【図４】図３の画像をコンピュータを用いて画像処理を
行い、キャビテーション気泡の半径を自動計測した結果
を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a result of automatically measuring a radius of a cavitation bubble by performing image processing on the image of FIG. 3 using a computer.
【図５】光散乱法による気泡径変化測定結果を示す図
で、（ａ）は気泡の生成から膨張、収縮までの１周期で
の気泡径変化を示し、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して
示した図で、膨張後の収縮時の過渡的な気泡径変化を示
している。5A and 5B are diagrams showing a bubble diameter change measurement result by a light scattering method, wherein FIG. 5A shows a bubble diameter change in one cycle from bubble generation to expansion and contraction, and FIG. The figure which expanded and showed the part has shown the transitional bubble diameter change at the time of contraction after expansion.
【図６】ビデオ観察と光散乱法による測定とを同時に行
う場合のタイミングチャート例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a timing chart in the case of simultaneously performing video observation and measurement by a light scattering method.
【図７】ＣＣＤカメラが撮影したレーザ光（散乱光）に
よる気泡の画像を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an image of bubbles caused by laser light (scattered light) captured by a CCD camera.
【図８】ビームスプリッタと光学フィルタとを併用した
場合のキャビテーション気泡観察装置の全体構成を示す
図である。FIG. 8 is a diagram showing an overall configuration of a cavitation bubble observation device when a beam splitter and an optical filter are used together.
１ キャビテーション気泡観察装置 ２ 超音波セル ３ 振動子 ５ 撮像手段 ５１ ＣＣＤカメラ ５２ ＶＴＲ ５３ モニタ ６ 信号発生手段 ７ ズームレンズ ８ ビームスプリッタ ８１ 青色フィルタ ９ 気泡径測定手段 ９１ 光センサ ９２ オシロスコープ １１ アンプ ４１ ストロボ光源 ４２ レーザ光源 1 Cavitation bubble observation device 2 Ultrasonic cell 3 oscillators 5 Imaging means 51 CCD camera 52 VTR 53 monitor 6 Signal generation means 7 Zoom lens 8 beam splitter 81 Blue filter 9 Bubble diameter measuring means 91 Optical sensor 92 Oscilloscope 11 amplifier 41 Strobe light source 42 Laser light source
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安井 久一 愛知県名古屋市北区平手町１−１ 独立行 政法人産業技術総合研究所中部センター内 (72)発明者 畑中 信一 愛知県名古屋市北区平手町１−１ 独立行 政法人産業技術総合研究所中部センター内 Ｆターム(参考） 2F065 AA21 BB22 DD03 DD06 DD11 FF02 FF04 FF41 FF61 GG04 GG08 GG24 HH02 HH15 JJ01 JJ03 JJ17 JJ26 LL06 LL26 LL46 NN08 QQ24 QQ25 QQ29 QQ42 RR09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor, Kuichi Yasui Independent trip to 1-1 Hirate-cho, Kita-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture AIST Chubu Center (72) Inventor Shinichi Hatanaka Independent trip to 1-1 Hirate-cho, Kita-ku, Nagoya City, Aichi Prefecture AIST Chubu Center F term (reference) 2F065 AA21 BB22 DD03 DD06 DD11 FF02 FF04 FF41 FF61 GG04 GG08 GG24 HH02 HH15 JJ01 JJ03 JJ17 JJ26 LL06 LL26 LL46 NN08 QQ24 QQ25 QQ29 QQ42 RR09
Claims (10)
テーション気泡の挙動を観察するキャビテーション気泡
観察装置において、 上記液体を容れる、透明壁からなる超音波セルと、 上記超音波セルが載置されその超音波セルに振動を与え
る振動子と、 上記超音波セルの一側に配置したストロボ光源と、 上記振動子を第１の周波数で振動させる第１の信号と、
上記ストロボ光源を第２の周波数で発光させる第２の信
号とを発生する信号発生手段と、 上記超音波セルの液体に照射されキャビテーション気泡
で散乱して散乱光となるレーザ光を出射するレーザ光源
と、 上記超音波セルの他側に配置し、ストロボ光源および超
音波セルとは同一光軸となり、かつ上記散乱光が入射す
る光学系と、 上記光学系の後段側に配置され、上記ストロボ光源から
の発光と、上記散乱光とを互いに異なる方向に分岐する
光分岐手段と、 上記光分岐手段で一方向に分岐したストロボ光源からの
発光を受光し撮像する撮像手段と、 上記光分岐手段で他方向に分岐した散乱光を受光しその
受光した光の光強度に基づいてキャビテーション気泡の
気泡径を測定する気泡径測定手段と、 を備えることを特徴とするキャビテーション気泡観察装
置。1. A cavitation bubble observing device for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves, comprising: an ultrasonic cell having a transparent wall for containing the liquid; A vibrator for vibrating the ultrasonic cell, a strobe light source arranged on one side of the ultrasonic cell, and a first signal for vibrating the vibrator at a first frequency,
Signal generating means for generating a second signal for causing the strobe light source to emit light at a second frequency, and a laser light source for emitting laser light that is irradiated to the liquid in the ultrasonic cell and scattered by cavitation bubbles to become scattered light. An optical system which is arranged on the other side of the ultrasonic cell, has the same optical axis as the strobe light source and the ultrasonic cell, and the scattered light is incident, and is arranged on the rear side of the optical system, and the strobe light source From the strobe light source and the scattered light in different directions, an image pickup means for receiving and picking up the light emitted from the strobe light source branched in one direction by the light splitting means, and the light splitting means. A cavity diameter measuring means for receiving the scattered light branched in the other direction and measuring the bubble diameter of the cavitation bubble based on the light intensity of the received light. Down bubble observation device.
波数での振動で超音波セルの液体中に発生したキャビテ
ーション気泡を、ストロボ光源の第２の周波数での発光
タイミング毎に１画面撮像する、請求項１に記載のキャ
ビテーション気泡観察装置。2. The screen of the cavitation bubble generated in the liquid of the ultrasonic cell due to the vibration of the vibrator at the first frequency is displayed once at each emission timing of the strobe light source at the second frequency. The cavitation bubble observation device according to claim 1, which captures an image.
数倍に設定した、請求項２に記載のキャビテーション気
泡観察装置。3. The cavitation bubble observation device according to claim 2, wherein the first frequency is set to an integral multiple of the second frequency.
数倍からわずかに異なる値に設定した、請求項２に記載
のキャビテーション気泡観察装置。4. The cavitation bubble observation apparatus according to claim 2, wherein the first frequency is set to a value slightly different from an integer multiple of the second frequency.
観察完了後に測定を行う、請求項１から４の何れか１項
に記載のキャビテーション気泡観察装置。5. The cavitation bubble observing device according to claim 1, wherein the bubble diameter measuring unit measures after the observation by the image pickup unit is completed.
トロボ光源の発光間隔の合間にレーザ光源からのレーザ
光に基づく測定を行う、請求項１から４の何れか１項に
記載のキャビテーション気泡観察装置。6. The cavitation according to any one of claims 1 to 4, wherein the bubble diameter measuring means performs measurement based on a laser beam from a laser light source during a light emission interval of the strobe light source in the imaging means. Bubble observation device.
泡観察により得られた気泡径の最大値の絶対値で、上記
気泡径測定手段による測定により得られる相対的気泡径
の最大値を校正することにより、気泡径の絶対値の変化
を高精度で算出する、請求項１から６の何れか１項に記
載のキャビテーション気泡観察装置。7. A bubble is calibrated by calibrating the maximum value of the relative bubble diameter obtained by the measurement by the bubble diameter measuring means with the absolute value of the maximum value of the bubble diameter obtained by observing the cavitation bubble by the image pickup means. The cavitation bubble observation device according to claim 1, wherein the change in the absolute value of the diameter is calculated with high accuracy.
超音波音場を定在波音場としたときに生成されるシング
ルバブルでのキャビテーション気泡である、請求項１に
記載のキャビテーション気泡観察装置。8. The cavitation bubble observation apparatus according to claim 1, wherein the cavitation bubble is a single bubble cavitation bubble generated when an ultrasonic sound field in a liquid is used as a standing wave sound field.
を構成する各種光学部品を標準マウント規格とするとと
もに、上記気泡径測定手段を構成し散乱光を受光する光
センサを、上記各種光学部品と同一の標準マウント規格
のケースに組み込み、この光センサを各種光学部品に取
り付ける際にねじ込むだけで光軸を一致させ外乱光を除
去可能とする、ことを特徴とする請求項１から８の何れ
か１項に記載のキャビテーション気泡観察装置。9. The various optical parts constituting the optical system, the light branching means, and the imaging means are standard mount standards, and the optical sensor forming the bubble diameter measuring means and receiving scattered light is the various optical parts. 9. The optical sensor is incorporated in a case of the same standard mounting standard as described above, and when the optical sensor is attached to various optical parts, the optical axes can be aligned and the ambient light can be removed by screwing. The cavitation bubble observation device according to Item 1.
ビテーション気泡の挙動を観察するキャビテーション気
泡観察方法において、 上記液体の超音波音場を定在波音場とし、その液体中に
発生したキャビテーション気泡を、所定周波数で発光す
るストロボ光源の発光タイミング毎に１画面撮像してキ
ャビテーション気泡を観察するとともに、そのキャビテ
ーション気泡観察用に調整された光学系の配置を用い
て、レーザ光がキャビテーション気泡で散乱して得られ
る散乱光を受光しその受光した光の光強度に基づいてキ
ャビテーション気泡の気泡径を測定する、 ことを特徴とするキャビテーション気泡観察方法。10. A cavitation bubble observation method for observing the behavior of cavitation bubbles generated in a liquid by ultrasonic waves, wherein an ultrasonic sound field of the liquid is used as a standing wave sound field, and cavitation bubbles generated in the liquid are , The cavitation bubble is observed by capturing one screen at each emission timing of the strobe light source emitting at a predetermined frequency, and the laser light is scattered by the cavitation bubble by using the arrangement of the optical system adjusted for observing the cavitation bubble. A method for observing cavitation bubbles, which comprises receiving the scattered light obtained as described above and measuring the bubble diameter of the cavitation bubble based on the light intensity of the received light.
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