音響発光

ソノルミネセンスは音波によって誘発される発光であり、 ^{[ 1 ]}液体中の泡が音によって励起されて 内破する際に光が放出される現象などである。ソノルミネセンスは、メカノルミネセンスの一種とみなされることもある。^{[ 2 ]}しかし、メカノルミネセンスは通常固体に関するものと定義され、ソノルミネセンスは通常液体に関するものと定義される。^{[ 3 ] [ 4 ]}関連用語であるアコーストルミネセンス^{[ 5 ]}およびソノトライボルミネセンス^{[ 6 ]}は、固体（例えば、スラリー中に懸濁した結晶）における音によって誘発される発光を説明するために使用されてきた。

ソノルミネセンスは、1934 年にケルン大学で初めて発見されました。これは、十分な強度の音波が液体内の気体空洞を急速に崩壊させ、光のバーストを放出するときに発生します。この現象は、安定した単一気泡ソノルミネセンス (SBSL) と多重気泡ソノルミネセンス (MBSL) で観察できます。1960 年に、ピーター・ジャーマンは、ソノルミネセンスは熱起源であり、崩壊する空洞内の微小衝撃から生じる可能性があると提唱しました。その後の実験により、 SBSL 中の気泡内の温度は最大12,000ケルビン(11,700 °C; 21,100 °F)に達する可能性があることが明らかになりました。ソノルミネセンスの正確なメカニズムは依然として不明であり、ホットスポット、制動放射、衝突誘起放射などさまざまな仮説があります。一部の研究者は、ソノルミネセンスシステム内の温度が数百万ケルビンに達し、熱核融合を引き起こす可能性があると推測しています。しかし、この考えは他の研究者から懐疑的に受け止められている。^{[ 7 ]}この現象は自然界でも観察されており、テッポウエビは動物がソノルミネセンスによって光を生成する最初の例として知られている。^{[ 8 ]}  

ソノルミネセンス効果は、 1934年にケルン大学でソナーの研究の結果として初めて発見されました。^{[ 9 ]}ヘルマン・フレンツェルとH.シュルテスは、写真現像液のタンクに超音波トランスデューサーを設置しました。彼らは現像プロセスを高速化しようとしました。しかし、現像後にフィルムに小さな点があることに気づき、液体中の気泡が超音波をオンにすると発光していることに気づきました。^{[ 10 ]}多数の短命な気泡の複雑な環境のため、初期の実験では効果を分析するのは非常に困難でした。この現象は現在、マルチバブルソノルミネセンス（MBSL）と呼ばれています。

1960年、ロンドン・インペリアル・カレッジのピーター・ジャーマンは、ソノルミネセンス現象に関する最も信頼できる理論を提唱した。彼は、ソノルミネセンスは基本的に熱起源であり、崩壊する空洞に伴う微小衝撃から生じる可能性があると結論付けた。^{[ 11 ]}

1990 年、ガイタンとクラムは、安定した単一気泡ソノルミネセンス (SBSL) を生成する実験的進歩を報告した。^{[ 12 ]} SBSL では、音響定常波に閉じ込められた単一の気泡が、定常波内での気泡の圧縮ごとに光のパルスを放出する。この技術により、複雑な効果を 1 つの安定した予測可能な気泡に分離できるため、この現象をより体系的に研究することが可能になった。2012年に行われた実験で、気泡内部の温度が鋼鉄を溶かすほど高温であることがわかった。気泡が崩壊したときの内部温度は約12,000 K (11,700 °C; 21,100 °F)に達した。^{[ 13 ]}このような気泡の内部温度が1 MK (999,727 °C; 1,799,540 °F)をはるかに超えると仮定されたとき、ソノルミネセンスへの関心が再び高まった。 ^{[ 14 ]}この温度は今のところ決定的に証明されていません。むしろ、最近の実験では約20,000 K (19,700 °C; 35,500 °F)の温度が示されています。^{[ 15 ]}         

ソノルミネセンスは、十分な強度の音波が液体中の気体空洞を急速に崩壊させることで発生します。この空洞は、既存の気泡の形をとる場合もあれば、キャビテーションと呼ばれるプロセスによって生成される場合もあります。実験室では、ソノルミネセンスを安定させ、単一の気泡が周期的に膨張と崩壊を繰り返し、崩壊するたびに光を発するようにすることができます。この現象を起こすには、液体中に定常音波を発生させ、気泡をその定常波の圧力腹の位置に置く必要があります。共鳴周波数は、気泡が収容されている容器の形状とサイズによって異なります。

ソノルミネセンスに関するいくつかの事実：

• 泡から発せられる光は35～数百ピコ秒の間持続し、ピーク強度は1～10メガワット（1,300～13,400 hp ）程度である。 
• 光を発する気泡は非常に小さく、周囲の流体（例えば水）や気泡内のガス含有量（例えば大気）によって、直径は約1マイクロメートル（3.9 × 10⁻⁵インチ）^です。 
• SBSLパルスは、非常に安定した周期と位置を持つことができます。実際、光フラッシュの周波数は、それを駆動する音波を発生させる発振器の定格周波数安定性よりも安定している場合があります。しかし、バブルの安定性解析によると、例えばビャークネス力やレイリー・テイラー不安定性などにより、バブル自体は大きな幾何学的不安定性を受けることが示されています。
• 気泡内のガスに少量の希ガス（ヘリウム、アルゴン、キセノンなど）を加えると、放出される光の強度が増加する。 ^{[ 16 ]}

スペクトル測定では、気泡温度は2,300 ～ 5,100 K (2,030 ～ 4,830 °C、3,680 ～ 8,720 °F)の範囲であることが示されており、正確な温度は液体と気体の組成を含む実験条件によって異なります。^{[ 17 ]}非常に高い気泡温度をスペクトル法で検出することは、液体が非常に高い温度に特徴的な短波長の光に対して不透明であるため制限されます。   

ある研究では、プラズマの形成に基づいて温度を決定する方法が説明されています。硫酸中のアルゴン気泡を使用したデータは、イオン化された分子状酸素O ⁺ ₂、一酸化硫黄、および高エネルギー励起状態を占める原子状アルゴンの存在を示しており、気泡が高温のプラズマコアを持っているという仮説を裏付けています。^{[ 18 ]}彼らが観測した二酸素カチオンのイオン化および励起エネルギーは、18電子ボルト(2.9 × 10 ⁻¹⁸ J)です。この観測から、コア温度は少なくとも20,000 K (19,700 °C; 35,500 °F) ^{[ 15 ]}に達し、太陽の表面よりも高温であると結論付けています。    

気泡の運動のダイナミクスは、第一近似としてレイリー・プレセット方程式（レイリー卿とミルトン・プレセットにちなんで名付けられた）によって特徴づけられる。

$${\displaystyle R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R}}^{2}={\frac {1}{\rho }}\left(P_{\infty }(t)-P_{0}(t)-4\mu {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)}$$

これはナビエ・ストークス方程式（球座標系で記述）から導出された近似式であり、気泡の半径Rの運動を時間tの関数として記述します。ここで、μは粘度です。${\displaystyle P_{\infty }(t)}$気泡から無限に遠い外部圧力は、${\displaystyle P_{0}(t)}$は気泡の内部圧力です。${\displaystyle \rho }$は液体の密度、γは表面張力です。上付きドットは時間微分を表します。この方程式は近似式ですが、崩壊の最終段階を除いて、音響駆動場の下での気泡の動きについて良い推定値を与えることが示されています。シミュレーションと実験測定の両方で、崩壊の重要な最終段階では、気泡壁の速度が気泡内のガスの音速を超えることが示されています。^{[ 19 ]}したがって、内部で形成された衝撃波が生成する可能性のある追加のエネルギー集中を調べるには、レイリー・プレセット方程式を超えて気泡の動きのより詳細な分析が必要です。静的な場合、レイリー・プレセット方程式は単純化され、ヤング・ラプラス方程式が得られます。

ソノルミネセンス現象のメカニズムは不明である。仮説としては、ホットスポット、制動放射、衝突誘起放射およびコロナ放電、非古典光、陽子トンネル効果、電気力学的ジェット、フラクトルミネセンスジェットなどが挙げられる（ただし、フラクトルミネセンスジェットは、実験結果との矛盾により現在ではほぼ否定されている）。

2002年に、M. Brenner、S. Hilgenfeldt、およびD. Lohseは、メカニズムの詳細な説明を含む60ページのレビューを発表しました。^{[ 20 ]}重要な要素は、バブルには主にアルゴンやキセノンなどの不活性希ガス（空気には約1%のアルゴンが含まれており、水に溶解している量は多すぎるため、ソノルミネセンスが発生するには、濃度を平衡値の20～40%まで下げる必要がある）とさまざまな量の水蒸気が含まれていることです。化学反応により、約100回の膨張と収縮のサイクル後に、窒素と酸素がバブルから除去されます。その後、バブルは光を発し始めます。^{[ 21 ]}高圧希ガスの発光は、アルゴンフラッシュ装置で技術的に利用されています。

気泡が崩壊する際、周囲の水の慣性によって高圧と高温が発生し、気泡内部では約10,000ケルビンに達し、存在する希ガスのごく一部が電離します。電離する量は気泡が透明なままで体積放射が可能なほど小さいため、表面放射では波長に依存したより強く持続時間の長い光が生成され、実験結果と矛盾します。電離した原子からの電子は主に中性原子と相互作用し、熱制動放射を引き起こします。波が低エネルギーの谷に到達すると圧力が低下し、電子が原子と再結合して自由電子がなくなるため、光の放出が停止します。これにより、アルゴンでは160ピコ秒の光パルスが発生します（電離エネルギーが光子エネルギーに比べて大きいため、わずかな温度低下でも電離は大きく低下します）。この説明は、上記の文献を簡略化したものであり、文献では15マイクロ秒（膨張）から100ピコ秒（放出）までの異なる期間の様々な段階が詳細に説明されている。

本レビューで提示された理論に基づく計算では、放射パラメータ（強度と持続時間対波長）が実験結果と一致し、いくつかの簡略化（例えば、気泡全体で温度が均一であると仮定するなど）による誤差は予想の範囲内にとどまるため、ソノルミネセンス現象は少なくとも大まかに説明されているように思われるが、その過程の詳細は依然として不明瞭なままである。

ソノルミネセンスに関する議論には、準安定性の詳細な分析を含める必要があります。この点において、ソノルミネセンスは物理的に境界のある現象と呼ばれ、ソノルミネセンスはバブルのパラメータ空間の境界のある領域に存在することを意味します。結合磁場はそのようなパラメータの1つです。ソノルミネセンスの磁気的側面は非常によく文書化されています。^{[ 22 ]}

テッポウエビ（別名：スナッピングシュリンプ）は、ハサミを素早く閉じることで発生する気泡の崩壊によって、キャビテーション発光の一種を生み出します。このエビは特殊なハサミを閉じ、キャビテーション気泡を作り出します。この気泡は、 ハサミから4cmの距離で最大80kPaの音圧を発生させます。気泡はハサミから伸びるにつれて時速60マイル（ 時速97km）の速度に達し、218デシベルの音を発します。この圧力は小魚を殺すのに十分な強さです。発生する光は、一般的なソノルミネセンスで発生する光よりも強度が低く、肉眼では見えません。気泡によって発生する光と熱は直接的な意味を持たない可能性があり、テッポウエビが獲物を気絶させたり殺したりするために利用するのは、急速に崩壊する気泡によって発生する衝撃波です。しかし、これは動物がこの効果で光を生成することが知られている最初の例であり、2001年に発見された際に「シュリンポルミネセンス」と気まぐれに名付けられました。^{[ 33 ]}その後、別の甲殻類のグループであるシャコには、棍棒状の前肢が非常に速く、かつ強い力で打撃し、衝撃時に音響発光キャビテーション気泡を誘発する種が含まれていることが発見されました。^{[ 8 ]}

実際のサイズの5倍の大きさの3Dプリントされたスナッパーの爪を備えた機械装置も同様の方法で発光することが報告されている^{[ 34 ]。}この生物模倣設計は、縞模様のスナッパーシュリンプであるAlpheus formosusから脱皮したスナッパーの爪に基づいている^{[ 35 ]}。

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• ソノルミネッセンス実験の詳細な説明
• 効果と実験の説明、および装置の図解
• バブルが崩壊する様子を捉えたmpg形式の動画（934kB）
• エビの発光（ 2005年3月13日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• インパルスデバイス
• 超音波化学の応用
• 音波がソノルミネセンスの大きさを測る（2011年3月6日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• ソノルミネセンス：音を光に変換する