音源としての非球形気泡の微小振動機構に関する研究

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気液二相流の振動騒音問題を念頭において、水中気泡の微小振動と放射音波の関係を実験的に研究した。当初は、強力なパルスレーザーを気泡内部に作用させることで、気泡の膨張を引き起こす計画であった。しかし、レーザーの不調(多モード化、低出力化等)により、それは今後の課題とせざるを得ず、気泡外部からの作用による気泡の微小振動への影響に関する研究を行った。作用させる圧力波源としてレーザー誘起キャビテーションを用いることで、任意の時間に任意の場所から完全非接触で水中気泡へ球面圧力波を作用させることができた。ハイドロフォンと半導体トランスデューサーと高速度カメラを同期させた実験により、ノズルから吐出して、刻々とその非球形な形状および位置を変化させつつ振動する(音波を出す)気泡の、外部圧力波への応答の様子が明らかになった。特徴的な結果として、位相的には常に外部からのパルス波到来時刻に従う振動を始めるものの、そのゲインは気泡の形状に大きく依存することがわかった。すなわち、誘起キャビテーションのような高周波の圧力振動に対して応答性がよいのは、気泡の曲率の大きい部分(例えばティアドロップ型の尻尾の部分)である。この現象は理論的にも固有振動数と気泡半径との関係でおよそ説明できる。またどのような高い周波数の作用であっても、8mm径程度の気泡は数mm秒後には自身の低い固有振動数と一致した音波を放出し始める様子など、外部からの音響エネルギーが気泡の振動エネルギーに変換される機構の一面が、定量的に本実験で明らかにできたと考えている。