JP6729861B2 - 定在波音場形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定在波音場形成装置に関するものである。

従来から、定在波音場形成装置は、気体中の塵埃の捕集するための集塵装置として用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。このような定在波音場形成装置では、空間内に強力な空中超音波による定在波音場を形成し、定在波音場により浮遊微粒子を凝集させる。例えば、特許文献１及び特許文献２では、振動子に円筒型の振動板（振動体）を取り付け、振動子の振動により振動板を共振させることにより定在波音場を形成している。

特開平０６−４７３４６号公報 特開平１０−１７４８２９号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２に開示された定在波音場形成装置をプラント等に設置する場合には、特許文献１及び特許文献２に示されているように、浮遊微粒子を含む気体が流れる配管の内部に定在波音場形成装置の振動子を設置することになる。このように定在波音場形成装置の振動子が配管の内部に設置されると、配管の圧力損失が高まる。このため、定在波音場形成装置を設置することにより、気体の配管中の流れを阻害する可能性がある。

一方で、振動板に対して容器を取り付け、容器の内部に定在波音場を形成する定在波音場形成装置も提案されている。このような定在波音場形成装置によれば、例えばプラント等の配管を流れる気体を定在波音場形成装置の容器に導き、再び容器から気体を排出した配管に戻すことにより、気体に含まれる浮遊微粒子を凝集させることができる。しかしながら、このような容器を備える定在波音場形成装置は、プラント等に設置される配管と別体で設置する必要がある。このため、プラント等の設備の複雑化を招く。

なお、定在波音場形成装置は、集塵装置に限られず、液体を定在波音場により霧化させる霧化装置や消臭装置として用いられる場合もある。このような場合も同様の問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、定在波音場形成装置において、プラント等の配管中の気体の流れを阻害せず、かつ、設置によりプラント等の設備が複雑化することを抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、定在波音場形成装置であって、配管の周方向の一部を形成する振動板と、上記振動板に接続された振動子と、上記配管の周方向の他の一部を形成すると共に上記振動板の振動の節の位置に固定される配管形成壁とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記配管形成壁が、上記振動板に対向配置されると共に上記振動板から放射された音波を反射する反射壁と、上記反射壁と上記振動板とを接続する接続壁とを有するという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記配管形成壁が、対向配置される一対の対向壁を上記接続壁として有し、上記振動板の法線方向から見て、上記対向壁の壁面が上記振動板の振動の腹の位置に配置されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記対向壁が、上記振動板の面に沿う方向にて、上記振動板との接続箇所から上記壁面までの領域が上記振動板から離間されているという構成を採用する。

本発明によれば、振動板が配管の周方向の一部を形成し、さらに当該配管の周方向の他の一部を形成すると共に振動の節の位置に固定される配管形成壁を有している。このような本発明によれば、振動板及び配管形成壁により少なくとも一部が形成される配管部分を有している。さらに、配管形成壁が振動板の振動しない位置に固定されている。このため、配管形成壁をプラント等の配管に対して剛に結合することにより、振動板及び配管形成壁により形成された配管部分をプラント等の配管と一体化させることができる。このような本発明によれば、プラント等の配管の内部に振動板を配置する必要がなく、かつ、定在波音場形成装置をプラント等の配管と別体で設置する必要がない。したがって、本発明によれば、定在波音場形成装置において、プラント等の配管中の気体の流れを阻害せず、かつ、設置によりプラント等の設備が複雑化することを抑制することができる。

本発明の一実施形態における定在波音場形成装置の斜視図である。 本発明の一実施形態における定在波音場形成装置の正面図である。 本発明の実施例における矩形たわみ振動板の模式図である。 本発明の実施例における矩形たわみ振動板の固定構造を示す写真図である。 本発明の実施例において天井壁を設置しない場合の音圧分布を示す測定結果である。 本発明の実施例において矩形たわみ振動板と平行に平面反射板を設置し、矩形たわみ振動板との距離を変えた時の音源の電気インピーダンスの大きさを示すグラフである。 本発明の実施例において電気インピーダンスの極大である６３．７ｍｍの位置に反射板（天井壁）を設置した場合に形成される定在波音場の音圧分布の測定結果である。

以下、図面を参照して、本発明に係る定在波音場形成装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の定在波音場形成装置１の斜視図である。また、図２は、本実施形態の定在波音場形成装置１の正面図である。本実施形態の定在波音場形成装置１は、例えば、微粒子（煙霧質）を含む気体（ガス）を処理して微粒子を凝集させる集塵装置に適用されるものであり、超音波による定在波音場を形成する。なお、本実施形態の定在波音場形成装置１において扱う超音波とは、人間には聞こえない高い周波数の音のみならず、人の可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）であっても聞くことを目的としない音波を含むものとする。

本実施形態の定在波音場形成装置１は、図１及び図２に示すように、定在波音場形成装置１は、振動子ユニット２と、配管部３とを備えている。振動子ユニット２は、振動子２ａと、エキスポネンシャルホーン２ｂと、共振棒２ｃとを備えている。

振動子２ａは、例えば圧電素子や磁歪素子、電歪素子などの電気機械変換素子から構成されている。その中でも、強力な超音波を発生させる振動子２ａとして、ボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ：Ｂｏｌｔ−ｃｌａｍｐｅｄ Ｌａｎｇｅｖｉｎ ｔｙｐｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が好適に用いられる。なお、振動子２ａは、図示を省略する電源回路（電源）から供給される電力によって駆動される。

エキスポネンシャルホーン２ｂは、振動子２ａに取り付けられて、振動子２ａによる振動を増幅させる（振幅を拡大させる）ものである。共振棒２ｃは、エキスポネンシャルホーン２ｂと配管部３が備える後述の振動板４との間を連結し、エキスポネンシャルホーン２ｂにより増幅された振動を振動板４へ伝達するものである。なお、振動子２ａから配管部３が備える後述の振動板４までの距離は、振動板４を所定のモードで励振させるため、振動子２ａの振動の半波長（１／２波長［λ／２］）の整数倍となるように設定されている。すなわち、共振棒２ｃの長さが調整されることで、振動子２ａから振動板４までの距離が半波長の整数倍に調整されている。

配管部３は、振動板４と、配管形成壁５とを備えている。振動板４は、中心部がボルト締めにより共振棒２ｃに固定された長方形状の板材である。この振動板４は、材質については特に限定されないが、例えばジュラルミンやチタンなどの金属板を用いることができる。この振動板４は、振動子２ａから伝達された振動波に共振し、超音波を配管部３の内部に放射する。

配管形成壁５は、一対の対向壁（以下、第１対向壁５ａと、第２対向壁５ｂと称する）と、天井壁５ｃ（反射壁）とを備えている。第１対向壁５ａは、下部ベース５ａ１と、上部ベース５ａ２と、振動板固定ボルト５ａ３と、Ｌ型壁部５ａ４と、Ｌ型壁部固定ボルト５ａ５とを有している。

下部ベース５ａ１は、振動板４の下方に配置されたブロック状の部位であり、振動板４の短辺に沿った長尺状とされている。この下部ベース５ａ１は、振動板４の振動の節の位置にて下方から振動板４に対して当接されている。上部ベース５ａ２は、振動板４の上方に配置されたブロック状の部位である。この上部ベース５ａ２は、振動板４の振動の節の位置にて上方から振動板４に対して当接される当接部５ａ６と、振動板４に対して一定の隙間を空けて当接部５ａ６から振動板４の中心位置方向に張り出す張出部５ａ７とを有している。なお、上部ベース５ａ２は、振動板４の中心位置方向を向く側端面１０が、振動板４の法線方向から見て振動板４の振動の腹の位置となるように配置されている。

これらの下部ベース５ａ１と上部ベース５ａ２の当接部５ａ６とは、振動板４の法線方向から見て、同位置に配置されている。つまり、下部ベース５ａ１と上部ベース５ａ２とは、振動板４を挟持するようにして対向配置されている。振動板固定ボルト５ａ３は、下部ベース５ａ１と上部ベース５ａ２とを振動板４に対して固定するボルトであり、図１に示すように、振動板４の短辺に沿って４つ配置されている。

Ｌ型壁部５ａ４は、上部ベース５ａ２上に配置されており、平板状の壁本体部５ａ８と、壁本体部５ａ８の下端部から振動板４の中心位置方向に張り出すフランジ部５ａ９とを有している。このＬ型壁部５ａ４は、壁本体部５ａ８の振動板４の中心位置に向く壁面１１が上部ベース５ａ２の側端面１０と面一となるように配置されている。つまり、壁本体部５ａ８の壁面１１は、振動板４の法線方向から見て振動板４の振動の腹の位置となるように配置されている。

Ｌ型壁部固定ボルト５ａ５は、Ｌ型壁部５ａ４のフランジ部５ａ９、上部ベース５ａ２及び下部ベース５ａ１を貫通して設けられており、Ｌ型壁部５ａ４を上部ベース５ａ２に対して固定している。

このような第１対向壁５ａは、下部ベース５ａ１と上部ベース５ａ２の当接部５ａ６が振動板４の振動の節の位置に当接されることにより、振動板４の振動の節の位置に固定されている。また、第１対向壁５ａの壁面２０は、上部ベース５ａ２の側端面１０と壁本体部５ａ８の壁面１１とにより形成されており、振動板４の法線方向から見て、振動板４の振動の腹の位置に配置されている。さらに、第１対向壁５ａは、上部ベース５ａ２の張出部５ａ７が振動板４から離間されていることにより、振動板４との接続箇所から壁面２０までの領域が振動板４から離間されている。

第２対向壁５ｂは、第１対向壁５ａと対称な形状とされている。つまり、第２対向壁５ｂは、下部ベース５ｂ１と、上部ベース５ｂ２と、振動板固定ボルト５ｂ３と、Ｌ型壁部５ｂ４と、Ｌ型壁部固定ボルト５ｂ５とを有している。

下部ベース５ｂ１は、振動板４の下方に配置されたブロック状の部位であり、振動板４の短辺に沿った長尺状とされている。この下部ベース５ｂ１は、振動板４の振動の節の位置にて下方から振動板４に対して当接されている。上部ベース５ｂ２は、振動板４の上方に配置されたブロック状の部位である。この上部ベース５ｂ２は、振動板４の振動の節の位置にて上方から振動板４に対して当接される当接部５ｂ６と、振動板４に対して一定の隙間を空けて当接部５ｂ６から振動板４の中心位置方向に張り出す張出部５ｂ７とを有している。なお、上部ベース５ｂ２は、振動板４の中心位置方向を向く側端面１２が、振動板４の法線方向から見て振動板４の振動の腹の位置となるように配置されている。

これらの下部ベース５ｂ１と上部ベース５ｂ２の当接部５ｂ６とは、振動板４の法線方向から見て、同位置に配置されている。つまり、下部ベース５ｂ１と上部ベース５ｂ２とは、振動板４を挟持するようにして対向配置されている。振動板固定ボルト５ｂ３は、下部ベース５ｂ１と上部ベース５ｂ２とを振動板４に対して固定するボルトであり、図１に示すように、振動板４の短辺に沿って４つ配置されている。

Ｌ型壁部５ｂ４は、上部ベース５ｂ２上に配置されており、平板状の壁本体部５ｂ８と、壁本体部５ｂ８の下端部から振動板４の中心位置方向に張り出すフランジ部５ｂ９とを有している。このＬ型壁部５ｂ４は、壁本体部５ｂ８の振動板４の中心位置に向く壁面１３が上部ベース５ｂ２の側端面１２と面一となるように配置されている。つまり、壁本体部５ｂ８の壁面１３は、振動板４の法線方向から見て振動板４の振動の腹の位置となるように配置されている。

Ｌ型壁部固定ボルト５ｂ５は、Ｌ型壁部５ｂ４のフランジ部５ｂ９、上部ベース５ｂ２及び下部ベース５ｂ１を貫通して設けられており、Ｌ型壁部５ｂ４を上部ベース５ｂ２に対して固定している。

このような第２対向壁５ｂは、下部ベース５ｂ１と上部ベース５ｂ２の当接部５ｂ６が振動板４の振動の節の位置に当接されることにより、振動板４の振動の節の位置に固定されている。また、第２対向壁５ｂの壁面３０は、上部ベース５ｂ２の側端面１２と壁本体部５ｂ８の壁面１３とにより形成されており、振動板４の法線方向から見て、振動板４の振動の腹の位置に配置されている。さらに、第２対向壁５ｂは、上部ベース５ｂ２の張出部５ｂ７が振動板４から離間されていることにより、振動板４との接続箇所から壁面３０までの領域が振動板４から離間されている。

このような第１対向壁５ａの壁面２０と第２対向壁５ｂの壁面３０とが振動板４の法線方向から見て、振動板４の振動の腹の位置に配置されることにより、振動板４の表面に沿った方向において定在波を形成することができる。

天井壁５ｃは、振動板４に対向配置され、振動板４から放射された超音波（音波）を振動板４側に向けて反射する。このような天井壁５ｃは、第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとによって支持されている。つまり、本実施形態においては、第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとが、天井壁５ｃを振動板４に接続するための本発明の接続壁として機能している。また、天井壁５ｃは、下面から振動板４までの距離が、振動板４の振動の半波長（１／２波長［λ／２］）の整数倍となるように設定されている。これによって、振動板４の法線方向にも定在波を形成することができる。

このような本実施形態の定在波音場形成装置１は、配管部３を有しており、この配管部３が振動板４と配管形成壁５とにより形成されている。つまり、本実施形態の定在波音場形成装置１は、振動板４と配管形成壁５により形成される配管部３を有している。このような配管部３は、両端（図２の紙面垂直方向の両端）が開放端とされており、一方の開放端から他方の開放端に向けて気体を通過かつ案内可能としている。

このような配管部３を有する本実施形態の定在波音場形成装置１は、第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとが振動板４の振動の節の位置に固定されているため、振動板４が振動子２ａからの振動波により共振しても、第１対向壁５ａ、第２対向壁５ｂ及び天井壁５ｃが共振しない。このため、第１対向壁５ａ、第２対向壁５ｂ及び天井壁５ｃをプラント等の配管に対して剛に結合することにより、配管部３をプラント等の配管と一体化させることができる。このような本実施形態の定在波音場形成装置１によれば、プラント等の配管の内部に振動板を配置する必要がなく、かつ、定在波音場形成装置をプラント等の配管と別体で設置する必要がない。したがって、プラント等の配管中の気体の流れを阻害せず、かつ、設置によりプラント等の設備が複雑化することを抑制することができる。

また、本実施形態の定在波音場形成装置１においては、配管形成壁５が、振動板４に対向配置されると共に振動板４から放射された音波を反射する反射壁として天井壁５ｃを備えている。このため、振動板４と天井壁５ｃとの間に強力な定在波音場を形成することができる。また、天井壁５ｃは、振動板４の振動の節の位置に固定された第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとに接続されている。このため、天井壁５ｃが振動することも防止され、天井壁５ｃをプラント等の配管に剛に固定することが可能となる。

また、本実施形態の定在波音場形成装置１においては、対向配置される第１対向壁５ａの壁面２０と、第２対向壁５ｂの壁面３０とが、振動板４の法線方向から見て、振動板４の振動の腹の位置に配置されている。このため、振動板４の表面に沿った方向に定在波を形成することができる。

さらに、本実施形態の定在波音場形成装置１においては、第１対向壁５ａと、第２対向壁５ｂとは、振動板４との接続箇所から壁面（壁面２０または壁面３０）までの領域において、振動板４から離間されている。このため、壁面２０及び壁面３０を振動板４の法線方向から見て振動の腹の位置に配置した場合であっても、第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとが振動することを防止することができる。

以下、上記実施形態の定在波音場形成装置１の実施例について、図３〜図７を参照して説明する。

本実施例では、振動子２ａとして２０ｋＨｚ用ボルト締めランジュバン型振動子を用いい、エキスポネンシャルホーン２ｂとしてジュラルミン製の振幅拡大用エキスポネンシャルホーンを用い、共振棒２ｃとして長さが７７ｍｍで直径が８ｍｍの縦振動共振周波数調整用の伝送棒を用い、伝送棒の先端にジュラルミン製の矩形たわみ振動板（振動板４）をネジで固定した構成を採用している。

図３は、矩形たわみ振動板（振動板４）の模式図である。この図に示すように、本実施例では、横幅１１３．３ｍｍで縦幅が３５．８ｍｍで直径が５ｍｍのネジで固定された矩形たわみ振動板（振動板４）を用いた。なお、矩形たわみ振動板（振動板４）の板厚は１．２ｍｍとし、縞モードの節間隔ｄは、１１．９ｍｍ 節線の数は１０本とした。この矩形たわみ振動板（振動板４）は、周波数２０．２ｋＨｚで共振となり、縞モードになる。この矩形たわみ振動板（振動板４）は、図４に示すように、上記実施形態と同様に、両端に第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとを設置することにより固定した。

図５は、天井壁５ｃを設置しない場合の音圧分布を示す結果である。音圧の測定は、駆動電力０．５Ｗ、駆動周波数２０．２ｋＨｚで一定とし、矩形たわみ振動板（振動板４）の長辺から短辺長さの４分の１だけ離間した当該長辺と平行な線状のＸＺ平面を、プローブ付きマイクロホン（ＡＣＯ，ＴＹＰＥ−７０１７）を用いて行った。第１対向壁５ａと第２対向壁５ｂとは、矩形たわみ振動板（振動板４）の端から１３．５ｍｍの位置に固定し、壁面（壁面２０及び壁面３０）の高さを７０ｍｍとした。図５は、音圧分布を、マイクロホン出力電圧の最大値で規格化した値に基づいて示している。この図に示すように、振動板の縞モード振動の腹及び節に沿って放射された音波が矩形たわみ振動板（振動板４）の法線方向（Ｚ軸）方向に延びるように分布していることが分かった。

続いて、定在波音場の形成のために、矩形たわみ振動板（振動板４）と平行に平面反射板を設置し、矩形たわみ振動板（振動板４）との距離（Ｚ軸方向の距離）を変えた時の音源の電気インピーダンスの大きさを測定した。図６は、その結果である。なお、図６においては、横軸に矩形たわみ振動板（振動板４）から反射板までの距離を、縦軸に矩形たわみ振動板（振動板４）のみの場合の音源の電気インピーダンスで正規化した値を示している。図中の破線は矩形たわみ振動板（振動板４）のみの場合の音源の電気インピーダンスであり、６５Ωであった。この図より、およそ１２ｍｍ間隔で極大値が現れていることが分かる。これは矩形たわみ振動板（振動板４）と反射板間で定在波が形成され、放射抵抗が増加したためと考えられる。

図６より、電気インピーダンスの極大である６３．７ｍｍの位置に反射板（天井壁５ｃ）を設置した場合に形成される定在波音場の音圧分布を、図５の説明と同様の方法で測定した。図７は、その結果である。なお、図７は、音圧分布を、マイクロホン出力電圧の最大値で規格化した値に基づいて示している。この図に示すように、定在波音場はＸ軸、Ｚ軸方向にそれぞれ形成されていることが分かる。音圧が高くなっている腹の位置は、Ｘ軸、Ｚ軸ともにおよそ１２ｍｍ間隔となった。

このような実施例の結果から、縞モードに垂直な方向（矩形たわみ振動板（振動板４）の表面に沿う方向）と、矩形たわみ振動板（振動板４）とに垂直な方向（法線方向）の２軸方向に正弦状の音圧分布を形成できることが分かった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、定在波音場形成装置１の振動板４と、第１対向壁５ａ、第２対向壁５ｂと、天井壁５ｃとによって配管部３が形成された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば天井壁５ｃを省略し、天井壁５ｃに相当する部分は、プラント等の配管の一部で構成することも可能である。このように、本発明は、配管部３を必須構成とするものではなく、配管の周方向の一部を振動板４と配管形成壁５とで形成する構成も含むものである。

また、上記実施形態においては、本発明の定在波音場形成装置を集塵装置として用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、霧化装置や脱臭装置に適用することも可能である。

１……定在波音場形成装置、２……振動子ユニット、２ａ……振動子、２ｂ……エキスポネンシャルホーン、２ｃ……共振棒、３……配管部、４……振動板、５……配管形成壁、５ａ……第１対向壁、５ｂ……第２対向壁、５ｃ……天井壁、２０……壁面、３０……壁面

Claims (2)

1. 配管の周方向の一部を形成する振動板と、
   前記振動板に接続された振動子と、
   前記配管の周方向の他の一部を形成すると共に前記振動板の法線方向から見て前記振動板の振動の節の位置に重なるように固定される配管形成壁と
   を備え、
   前記配管形成壁は、
   前記振動板に対向配置されると共に前記振動板から放射された音波を反射する反射壁と、
   前記反射壁と前記振動板とを接続する接続壁と
   を有し、
   前記配管形成壁は、対向配置される一対の対向壁を前記接続壁として有し、
   前記振動板の法線方向から見て、前記対向壁の壁面が前記振動板の振動の腹の位置に重なるように配置されている
   ことを特徴とする定在波音場形成装置。
2. 前記対向壁は、前記振動板の面に沿う方向にて、前記振動板との接続箇所から前記壁面までの領域が前記振動板から離間されていることを特徴とする請求項１記載の定在波音場形成装置。