• 熱で音を出す（＝音波エンジン）
  　音波エンジンの加熱部分を300℃程度まで熱する．臨界温度に達すると，装置に充填したヘリウム－アルゴン混合ガスの共鳴周波数で音波が自励発振を開始し，音波エンジンとして動作し始める．
• 音で冷やす（＝音波クーラー）
  　音波エンジンが発生する音響パワーは気体を充填したパイプを通じて音波クーラーに流れ込む．音波クーラーでは逆スターリングサイクルと同様のサイクルが行われ，低温が得られる．
• 熱で音を出す（＝音波エンジン＋音波クーラー）
  　加熱すればするほど，音響パワーが増大し，より低温が得られる．全く可動部なしにマイナス10℃の低温を実現する．

　固体ピストンなしにどのようにして音波がエネルギー変換を行うのだろうか．細管流路の一体どこで，どれだけのエネルギー変換が行われるのだろうか．効率がよくしかも出力の大きな音波エンジン・音波クーラーの開発にはこれらの疑問点を明らかにする必要がある．熱音響工学の発展を支えるしっかりとした基盤を築くためには，流体要素に関わる振動量の直接的な計測をもとに局所的エネルギー変換や局所的エントロピー生成を実験的に調べることが重要となる．

　温度勾配のある細管流路内の振動流体は，音波の１周期の間に「圧縮」，「膨張」，「加熱」，「冷却」という熱力学的プロセスを実行する．この結果，軸方向に流れる「熱流」と「エントロピー流」が生じるとともに「熱流」と「仕事流」の間の相互変換も起きる．つまり一つ一つの流体要素がエネルギー変換を実行すると考えられる．優れた音波エンジンと音波クーラーの開発にはそれぞれが最大限の能力を最も効率よく発揮することが必要である．

　音波エンジンでどのようにしてエネルギー変換が行われるのかは，その性能向上のために明らかにすべき課題である．可動部品無しでエネルギー変換を実行する音波エンジンの音場の自己調節機能や振動モード選択に関する研究をこれまで行ってきた．現在は，進行波音波による音響パワー増幅において最も本質的な物理量を見つけ出すことや，気柱共鳴管内衝撃波におけるモード間相互作用を明らかにする研究を音場計測とエネルギー流計測により進めている．

　熱音響現象を利用した熱音響デバイスには，熱で音波を発生する音波エンジンや，音波で冷却する音波冷凍機，また音波で放熱を促すドリームパイプ等が知られている．これまで，熱を使った音波増幅器と消音器，音波エンジンと音波クーラーを組み合わせた熱駆動型クーラープロトタイプを提案してきた．これら新しいデバイスの定量的効率評価を行うとともに，音波エンジン発電機プロトタイプに関する研究を行っている．可動部品を持たない新しいエネルギー変換システムへと発展させたい．

　単位断面積当たりの音響パワーを表す仕事流が直接的に計測できるようになったのは1998年である．現在でも熱音響現象の実験的理解に必要な計測技術は十分に確立されているとは言えない．光を使った流速振動計測を中心にして，圧力振動計測と気体の温度振動も同時に計測する手法を組み合わせた多元的同時計測により，エネルギー変換のその場観察やエネルギー流・エントロピー流の観測を目指している．

　私たちは，新たな機能性流体材料であるナノフルイド（ナノ粒子分散液）をはじめとした複雑流体について，印刷・塗布といった工学プロセスで広く観察される濡れ現象に注目した研究を進めている．特に，固体・液体・気体の共存する接触線近傍の薄い液膜に対して，位相シフトエリプソメータを開発し，ナノマイクロメートルスケールの液膜形状計測を行い，現象解明に取り組んでいる（右図：Shoji et al., Exp. Fluid, 62 (2021), 206）．

　複雑流体の流動の理解に不可欠な熱物性の研究を行っている。しかし，日々新しく開発される材料には未知の熱物性が数多くある。さらに濡れ現象など界面を有する系では材料自身の熱物性に加え，界面張力など材料の組み合わせに依存した熱物性も必要となる。当研究室では，各種現象において鍵となる未知の熱物性値を測定するとともに，これら熱物性と材料内部の構造の関係を明らかとする研究に取り組んでいる．

　振動する流れの微小流体要素に，ある種の熱力学的サイクルを形成・制御・連鎖させると新たな機能が発現する．当研究室では，このサイクルの中で生じる熱・物質輸送の現象を明らかにするとともに，このサイクルを利用した分離効果の発現を目的に研究を進めている．本研究を通じ，微小流体要素のサイクルに着目した新たな工学分野を開拓するとともに，未利用熱利用・低コスト・低環境負荷・長寿命を兼ね備えた分離技術の実現を目指している．

　偏光解析法（エリプソメトリ）に位相シフト技術を導入することで，ナノメートル薄膜の二次元かつ時間分解計測を可能とする位相シフトエリプソメータを開発した．さらに，光干渉法の原理を併用することで，理論上サブナノメートルの分解能で膜厚測定を可能としながら，ナノメートルからマイクロメートルにわたる広いダイナミックレンジでの液滴形状観測を可能とした．最近は、この極薄液膜の中のナノ粒子濃度分布を観測する新たな光学計測手法の開発を進め、材料内部構造と濡れ現象の関係解明を目指している．従来手法では難しかった計測手法の提案を通じて，複雑流体の流れへの新たなアプローチを試みている（Shoji et al., Opt. Lasers Eng., 112 (2019), 145）．

　光干渉法に位相シフト技術を導入することで，従来の光干渉法から測定・空間分解能が向上した測定を可能とした．当該測定手法では，密度・温度・濃度の時空間分布が測定できるため，各種現象の中の熱・物質輸送を観測できる．現在は，前述の熱音響に関わる音波内の輸送現象（Shoji et al., J. Acoust. Soc. Am., 155 (2024), 2438）や液体中の物質輸送の観測に取り組んでいる．