JP4621913B2 - 超音波速度・減衰係数計測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体、液体、及び、生体試料における超音波速度、及び、減衰係数の周波数特性を、UHF帯まで簡便且つ高精度に計測する超音波速度・減衰係数計測方法に関する。
固体、液体材料における物性研究や材料開発や生体試料の病理診断を目的として、試料を伝搬する超音波速度（以下、音速とも呼ぶ）と減衰係数の計測から試料の音響特性を求める研究が行なわれている。その際、一般に、伝搬させる超音波の周波数によって音響特性が変化するため、それを計測することでより詳細な情報を得ることが可能となる。そのため、広範囲な周波数帯で計測可能な超音波計測装置と計測手法が必要とされている。（[非特許文献１]、[非特許文献２]、[非特許文献３]）
従来技術では、固体試料の音速及び減衰係数の計測において、VHF帯以下ではバッファーロッドから固体試料へ超音波を伝導するための音響カプラとして水などの液体が用いられており、またUHF帯では液体での超音波の減衰が大きいため、液体の代わりに減衰の小さいサロール（サリチル酸フェニル）などで接着する方法が用いられている。このような技術は、例えば[非特許文献４]、[非特許文献５]に開示されている。しかし、接着剤を用いると、接着状態や凝固条件により音響特性が大きく変化するため安定した計測には熟練とプロセスの安定化が必要となるとともに、計測を開始するまでの準備に時間がかかるという欠点がある。
従来技術では、固体試料の音速及び減衰係数の計測において、VHF帯以下ではバッファーロッドから固体試料へ超音波を伝導するための音響カプラとして水などの液体が用いられており、またUHF帯では液体での超音波の減衰が大きいため、液体の代わりに減衰の小さいサロール（サリチル酸フェニル）などで接着する方法が用いられている。このような技術は、例えば[非特許文献４]、[非特許文献５]に開示されている。しかし、接着剤を用いると、接着状態や凝固条件により音響特性が大きく変化するため安定した計測には熟練とプロセスの安定化が必要となるとともに、計測を開始するまでの準備に時間がかかるという欠点がある。
一方、液体試料及び生体試料の音速及び減衰係数の計測においては、従来技術では、超音波の減衰が小さいVHF帯以下では計測が行われていたが、UHF帯では減衰が大きいため計測が困難であった。
また、固体試料、液体試料及び生体試料の音速及び減衰係数の計測を高精度に行なう場合には、バッファーロッドと固体試料との距離と平行度の調整が不可欠である。しかし、試料の交換の都度、試料を乗せている試料台をバッファーロッドから大きく離して試料交換し、再びバッファーロッドの近くに近づける必要があるため、距離及び角度を調節可能な機構を有する大掛かりな装置が必要になるとともに、計測前の調整に時間がかかるという問題があった。
J. Kushibiki, N.Akashi, N.Chubachi and F.Dunn,"VHF/UHF Range Bioultrasonic Spectroscopy System and Method", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 42, pp. 1028-1039 (1995). J. Kushibiki and M. Arakawa, "Diffraction effects on bulk-wave ultrasonic velocity and attenuation measurements", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 108, pp. 564-573 (2000). J. Kushibiki, R. Okabe, and M. Arakawa, "Precise measurements of bulk-wave ultrasonic velocity dispersion and attenuation in solid materials in the VHF range," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 113, pp. 3171-3178 (2003). 櫛引、荒川、岡部、 信学技報,"超高周波超音波材料解析システムによる固体試料の縦波音響特性の測定" Vol. US2003-46, pp.7-12 (2003.9). 櫛引、荒川、 信学技報,"超高周波平面超音波材料解析システムによるUHF帯における固体試料の縦波音響特性の測定" Vol. US2004-11, pp.37-42 (2004.11). J.Kushibiki, T.Sannomiya and N.Chubachi, "A useful acoustic measurement system for pulse mode in VHF and UHF ranges, "IEEE Trans.Sonics and Ultrason., Vol.SU-29, pp.338-342 (1982). W. Kroebel and K. -H. Mahrt, "Recent results of absolute sound velocity measurements in pure water and sea water at atmospheric pressure," Acustica, Vol. 35, pp. 154-164 (1976). A. O. Williams, Jr., "The piston source at high frequencies," J. Acoust. Soc. Am., vol. 23, pp. 1-6 (1951). M. Arakawa, J. Kushibiki, and N. Aoki, "An evaluation of effective radiuses of bulk-wave ultrasonic transducers as circular piston sources for accurate velocity measurements," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 51, pp.496-501 (2004).
また、固体試料、液体試料及び生体試料の音速及び減衰係数の計測を高精度に行なう場合には、バッファーロッドと固体試料との距離と平行度の調整が不可欠である。しかし、試料の交換の都度、試料を乗せている試料台をバッファーロッドから大きく離して試料交換し、再びバッファーロッドの近くに近づける必要があるため、距離及び角度を調節可能な機構を有する大掛かりな装置が必要になるとともに、計測前の調整に時間がかかるという問題があった。
J. Kushibiki, N.Akashi, N.Chubachi and F.Dunn,"VHF/UHF Range Bioultrasonic Spectroscopy System and Method", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 42, pp. 1028-1039 (1995). J. Kushibiki and M. Arakawa, "Diffraction effects on bulk-wave ultrasonic velocity and attenuation measurements", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 108, pp. 564-573 (2000). J. Kushibiki, R. Okabe, and M. Arakawa, "Precise measurements of bulk-wave ultrasonic velocity dispersion and attenuation in solid materials in the VHF range," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 113, pp. 3171-3178 (2003). 櫛引、荒川、岡部、 信学技報,"超高周波超音波材料解析システムによる固体試料の縦波音響特性の測定" Vol. US2003-46, pp.7-12 (2003.9). 櫛引、荒川、 信学技報,"超高周波平面超音波材料解析システムによるUHF帯における固体試料の縦波音響特性の測定" Vol. US2004-11, pp.37-42 (2004.11). J.Kushibiki, T.Sannomiya and N.Chubachi, "A useful acoustic measurement system for pulse mode in VHF and UHF ranges, "IEEE Trans.Sonics and Ultrason., Vol.SU-29, pp.338-342 (1982). W. Kroebel and K. -H. Mahrt, "Recent results of absolute sound velocity measurements in pure water and sea water at atmospheric pressure," Acustica, Vol. 35, pp. 154-164 (1976). A. O. Williams, Jr., "The piston source at high frequencies," J. Acoust. Soc. Am., vol. 23, pp. 1-6 (1951). M. Arakawa, J. Kushibiki, and N. Aoki, "An evaluation of effective radiuses of bulk-wave ultrasonic transducers as circular piston sources for accurate velocity measurements," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 51, pp.496-501 (2004).
上記のように、従来の技術は、UHF帯の計測において、計測対象である液体試料及び生体試料中での超音波減衰が大きいため計測が困難であり、固体試料では液体カプラでの超音波減衰が大きいため音響特性が不安定な固体接着剤を用いなければならない欠点があった。即ち、固体試料においても、液体及び生体試料においても、液体部分での超音波減衰が大きいために、UHF帯では高精度且つ高安定な計測ができなかった。また、バッファーロッドと固体試料との距離と平行度を調節するための機構が必要であるため装置が大掛かりになり、計測前の調整に時間がかかるという問題があった。
本発明は、これらの問題点を解決し、固体、液体、及び、生体試料における音波、或いは、減衰係数の周波数特性をUHF帯まで、簡便且つ高精度に計測する超音波速度・減衰係
数計測方法を提供することを目的としている。
数計測方法を提供することを目的としている。
本発明によれば、固体試料における超音波速度及び減衰係数の周波数特性を計測する装置において、バッファーロッドと計測する固体試料との間にスペーサを介在させて間隙を形成し、その間隙にカプラとしての薄層液体を満たし、加重印加手段により固体試料をバッファーロッドに対し押圧することでUHF帯まで高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法が得られる。
また、本発明によれば、液体試料及び生体試料における超音波速度及び減衰係数の周波数特性を計測する装置において、バッファーロッドと、音響特性が既知の固体参照試料との間にスペーサを介在させて間隙を形成し、その間隙に計測する液体試料、或いは、生体試料を薄層化して挿入し、加重印加手段により固体参照試料をバッファーロッドに対し押圧することでUHF帯まで高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測
方法が得られる。
また、本発明によれば、液体試料及び生体試料における超音波速度及び減衰係数の周波数特性を計測する装置において、バッファーロッドと、音響特性が既知の固体参照試料との間にスペーサを介在させて間隙を形成し、その間隙に計測する液体試料、或いは、生体試料を薄層化して挿入し、加重印加手段により固体参照試料をバッファーロッドに対し押圧することでUHF帯まで高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測
方法が得られる。
また、本発明によれば、固体、液体及び生体試料における超音波速度・減衰係数計測装置において、超音波を放射するバッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアを用い、液体試料計測の場合は固体参照
試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶を用い、固体試料計測の場合は純水をカプラとして用いることで、高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法が得られる。
また、本発明によれば、固体、液体及び生体試料における超音波速度・減衰係数計測装置によって行う計測法において、超音波を放射するバッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアを用い、液体試料計
測の場合は固体参照試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶を用い、固体試料計測の場合は純水をカプラとして用いることで、高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法が得られる。
試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶を用い、固体試料計測の場合は純水をカプラとして用いることで、高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法が得られる。
また、本発明によれば、固体、液体及び生体試料における超音波速度・減衰係数計測装置によって行う計測法において、超音波を放射するバッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアを用い、液体試料計
測の場合は固体参照試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶を用い、固体試料計測の場合は純水をカプラとして用いることで、高精度に計測できることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法が得られる。
本発明によれば、超音波計測における減衰の大きい液体カプラ、液体試料、或いは生体試料を薄くすることにより、UHF帯までの超音波速度及び減衰係数を計測可能とする効果が得られる。また、バッファーロッドと、固体試料等との間にスペーサを設置することにより、バッファーロッドと固体試料等との距離、及び、平行度を調節する機構が不要となり、装置の小型化と計測の簡便化、及び、高精度化が可能となるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、固体試料の計測の場合を例にとって計測装置を説明する。図１は本発明の超音波速度・減衰係数計測装置の概略構成を示す図である。本装置は、超音波を発生するトランスジューサ1と、超音波を伝導するバッファーロッド2と、超音波を固体試料に伝導する目的で用いられる薄層液体3と、計測対象である固体試料4と、バッファーロッド２と固体試料４間の距離と平行度を設定するためのスペーサ5と、バッファーロッド２と固体試料４間の距離を安定にするための荷重印加手段としての錘6から構成される。荷重印加用の錘６は固体試料４をスペーサ５に押さえつけるためのものであるので、加重印加手段として錘６を用いる代わりにばねにより力を加えてもよい。固体試料４の計測の場合には、薄層液体３には音響特性が既知のものとして純水を用いる。液体試料、生体試料の場合には、被測定液体試料または生体試料を薄層液体３として挿入し、固体試料４として音響特性の既知である固体参照試料を使用する。固体参照試料としては、例えば合成石英ガラスを用いる。いずれの場合も、計測を行う周波数の高周波（RF）トーンバーストパルス信号をトランスジューサ１に印加し、後述する複素型測定法を用いて音速及び減衰係数を測定する。このように、液体媒体を薄層化することで、液体層での超音波減衰量を低減することができるため、UHF帯での計測が可能となる。
また、計測対象である固体試料４とバッファーロッド２間の距離と平行度を設定するためのスペーサ５を超音波測定経路の外側に設置することで、距離と平行度を調節するための機構が不要となり、簡便、且つ、高精度に所望の値に設定し維持することが可能となる。このスペーサ５の厚さを変えることで薄層液体３の厚さは任意に設定することが可能である。例えば、VHF帯での計測のように薄層液体３が厚い場合でも適用可能である。また、固体試料４に荷重を印加することで、バッファーロッド２と固体試料４間の距離を安定にすることが可能となる。
ここで、本発明の特徴の一つである薄層液体３での多重反射を含んだ計測法の必要性を従来法と比較して説明する。図２Aは、図１のようにトランスジューサ１、バッファーロッド２、薄層液体３、固体試料４が一列に接続されたときの超音波の伝搬と反射の様子を表した図であり、図２B、図２C、図２D、図２Eは、超音波トランスジューサ１から放射された幅Wの超音波パルスがトランスジューサ１から見て薄層液体３の前表面から反射された信号VAと、固体試料４の前表面から反射された信号VFと、固体試料４の裏端面から反射された信号VBが再びトランスジューサ１に戻ってきたときの超音波の波形を模式的に示したものである。図２Bは薄層液体３の厚さが十分厚い従来法の場合（W<2d２/v2の場合）、図２Dは薄層液体３の厚さが薄い場合（W>2d２/v2の場合）、図２CはW=2d２/v2の場合で、それぞれ一度だけ反射された信号のみを図示している。図２Eは図２Dと同じ場合で、VFの一部が更にトランスジューサ１から見てバッファーロッド２の裏端面で反射され再び固体試料４の前表面で反射されるという薄層液体３での多重反射を含めて図示したものであり、実際の測定で得られる波形に相当する。
トランスジューサ１に戻ってくる、VA信号とVF信号の時間間隔及びVF信号とVB信号のの時間間隔は、それぞれ2d2/v2、2d3/v3と表せる。但し、d2、d3はそれぞれ薄層液体３及び個体試料４の厚さ、v2、v3はそれぞれ薄層液体３及び個体試料４での音速である。ここで、図２Aの場合は、VA、VF、VB信号がそれぞれ時間的に分離しているので、それらを分離して受信し解析できる。しかし、薄層液体３の厚さが薄くなるにつれて、トランスジューサ１に戻ってくるVA信号とVF信号の時間間隔は短くなりW＝2d2/v2のときにそれらは接する。さらに、d2が薄くなりW>2d2/v2となると、VA信号とVF信号は完全に重なり合い分離できなくなる。一般に液体は減衰係数が大きいため、高周波での計測を可能とするためには、d2を薄くして薄層液体３での減衰を低減しなくてはならない。よって本発明は、VA信号にVF信号が多重反射され重なり合い分離できない場合でも、音速と減衰係数を精密かつ簡便に計測できる計測装置と計測法を与えるものである。
次に、本装置を用いた超音波速度・減衰係数計測法について説明する。図３は、デバイス設計と解析に用いる音響伝送線路モデルを示している。図３Ａにおいて、薄層液体３の、トランスジューサ１から見て前表面からの超音波の反射信号をＶ２、固体試料４の裏面からの反射信号をＶ３とする。また、バッファーロッド２の、トランスジューサ１から見て後端面に何も接続していない状態（図３Bに空気８と接している状態を示す）におけるバッファーロッド２の後端面からの反射信号をＶ０とする。計測では、このＶ２、Ｖ３、Ｖ０信号の振幅と位相を複素型計測法により計測する。
ここで、複素型計測法について説明する。複素型計測システムのブロックダイヤグラムを図４に示す。計測システムはパルスモード測定システム９を中心に構成されている（[非特許文献２]、[非特許文献６]）。RFトーンバースト信号１０をトランスジューサ１に入力し超音波パルスに変換する。バッファーロッド２、薄層液体３、固体試料４などを伝搬し、境界で反射されて戻った超音波パルスはトランスジューサ１で再びパルス電気信号に変換され、方向性ブリッジ１１を介してパルスモード測定システム９でIF信号に変換された後、直交検波回路１２に入力され、複素信号の実部VRe、虚部VImに分けて出力される。VRe、VImは、次式のように表せる。
バッファーロッド２、薄層液体３、固体試料４をそれぞれ媒体M1, M2, M3と表し、媒体M3の外側に空気または薄層液体３と同一の液体の媒体M4が接しているものとする。ここで、Aは振幅係数、ATTi(i=1, 2, 3)は各信号の伝搬に伴う回折の影響、γiは媒体Miの伝搬定数（γ=α+jk；α：減衰係数、k(=ω/v)：波数、ω：角周波数、v：超音波速度）、diは媒体Miの厚さ、Rijは媒体Miから隣接媒体Mjを見た反射係数を表している。また、RM13は媒体M1から媒体M2を介して媒体M3を見た反射係数、TM13は媒体M1から媒体M2を介した媒体M3への透過係数、TM31は媒体M3から媒体M2を介した媒体M1への透過係数である。
上述のとおり、UHF帯での計測を可能とするためには、媒体M2の厚さを薄くして媒体M2での減衰を低減する必要がある。媒体M2の厚さを薄くすると、媒体M2内の超音波の往復時間{=2×(d2/v2)}が計測で用いる超音波パルスの幅Wより短くなる場合がある。その場合、媒体M2内で反射を繰り返す超音波信号を時間軸上でそれぞれ分離することができないため、多重反射を考慮する必要が生じる。言い換えると、UHF帯での計測を実現するには、超音波の往復時間{=2×(d2/v2)} が超音波パルスの幅Wより短かい状態となるまで媒体M2の厚さを薄くしても、音速及び減衰を高精度に計測可能な手法を確立する必要がある。
多重反射が生じる条件では、RM13, TM13, TM31は以下のように表せる。
これらは、各媒体Miの音響パラメータ（ρi、di、vi、αi）が分かれば求まる値である。密度ρiはアルキメデスの原理に基づき測定する。
薄層液体３は非常に薄いためATT2=ATT0と近似すると、Ｖ2/Ｖ0の絶対値は、
薄層液体３は非常に薄いためATT2=ATT0と近似すると、Ｖ2/Ｖ0の絶対値は、
また、Ｖ3/Ｖ2は次式のように表せる。
しかし、Δθも|ATT2/ATT3|も回折の影響を表しているため、v3及びα3をそれぞれ(14)式、(15)式から直接求めるためには、回折の影響を高精度に求める必要があるが、Δθも|ATT2/ATT3|もそれ自体にv3及びα3の項を含んでいるため、求めるのが困難である。そこで、v3及びα3を求める手法として、v3及びα3をある値に仮定し、それらの仮定した値を使ってΔθ及び|ATT2/ATT3|をWilliamsの厳密式[非特許文献８]に従って数値計算により求め、それらの計算値を用いて(14)式、(15)式からv3及びα3を改めて求めたときに、それらの値が仮定した値と、所定の誤差の範囲内で一致した場合に、仮定したv3及びα3の値を真のv3及びα3として決定する、という方法を用いる。
これは、固体試料を測定する場合の説明であるが、この手法を用いると、液体試料或いは生体試料の測定でも、同じ(14)式、(15)式を用いて、液体試料或いは生体試料の音速v2及び減衰α2を求めることが可能である。即ち、v2及びα2をある値に仮定し、特性が既知である固体参照試料のv3及びα3を用いてΔθ及び|ATT2/ATT3|をWilliamsの厳密式により数値計算で求め、前記仮定したv2, α2及び計算したΔθ、|ATT2/ATT3|の値を用いて(14)式、(15)式からv3及びα3を改めて求めたときに、それらの値v3, α3が計算に用いた固体参照試料のv3及びα3の値と、所定値以下の誤差の範囲内で一致した場合に、仮定したv2及びα2の値を真のv2及びα2として決定するという方法を用いることで、液体試料或いは生体試料の測定も可能となる。
ここで、仮定したv2及びα2を用いて(14)式、(15)式からv3及びα3を求める過程は次のとおりである。まず、媒体M2の厚さd2を測定し、v2及びα2から媒体M2の伝搬定数γ２（=α２+jk２；α：減衰係数、k２(=ω/v２)：波数、ω：角周波数、v２：媒体M２での超音波速度）を求める。それらd2, γ2を用いて(8)、（9）、（10）式からRM13、TM13、TM31を求める。これらの値が求まると、（12）、(13)、(14)式からｖ３を、（15）式からα3を求めることができる。
次に、具体的な超音波デバイスの設計手順と、被計測試料の超音波速度及び減衰係数の導出の手順について、図５のフローチャートを用いて説明する。
[超音波デバイスの設計手順]
ステップＳ１：使用する超音波周波数帯により、バッファーロッド２の材料を選択する。UHF帯で計測を行う場合には、バッファーロッド２での超音波の減衰が大きくなるため、伝搬損失が小さい材料を選択する必要がある。例えば、合成石英ガラスを固体試料（或いは固体参照試料）とした場合には、バッファーロッド２としては、500 MHz以下では合成石英ガラスまたはZ軸伝搬のα-水晶、500MHzを超え1.5 GHz以下ではZ軸伝搬のα-水晶、1.5 GHz超ではZ軸伝搬のサファイアを選択する。
ステップＳ２：選択したバッファーロッド２にトランスジューサ１を設置し、薄層液体（或いは生体試料）と固体試料等を設置したときのＶ3信号の周波数特性を数値計算により求め、Ｖ3信号の値が一定以上の強度（音速、減衰を高精度に測定できる信号レベルであり、例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に計測に使用する周波数範囲が含まれるようにトランスジューサ１の厚さを選択する。通常は、基本共振モードがトランスジューサの変換損失が小さいため、上記測定周波数に基本共振モード内の周波数を用いる場合が多いが、高次の共振モードの周波数を用いてもよい。このとき、Ｖ3信号の値は、d2の厚さによっても変化するので、トランスジューサ１の厚さだけでは測定周波数範囲でのＶ3信号の値が所定の強度以上とならない場合には、d2の厚さを薄くして媒体M２での減衰量を減らす必要がある。
ステップＳ３：Ｖ2信号の周波数特性を数値計算或いは実際に測定し、Ｖ2の最小値が一定以上の強度（例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に計測に使用する周波数範囲が含まれるようにスペーサ厚を選択する。このとき、ステップS2の条件（Ｖ3信号の値が一定以上の強度となること）も同時に満たす必要がある。
次に、具体的な超音波デバイスの設計手順と、被計測試料の超音波速度及び減衰係数の導出の手順について、図５のフローチャートを用いて説明する。
[超音波デバイスの設計手順]
ステップＳ１：使用する超音波周波数帯により、バッファーロッド２の材料を選択する。UHF帯で計測を行う場合には、バッファーロッド２での超音波の減衰が大きくなるため、伝搬損失が小さい材料を選択する必要がある。例えば、合成石英ガラスを固体試料（或いは固体参照試料）とした場合には、バッファーロッド２としては、500 MHz以下では合成石英ガラスまたはZ軸伝搬のα-水晶、500MHzを超え1.5 GHz以下ではZ軸伝搬のα-水晶、1.5 GHz超ではZ軸伝搬のサファイアを選択する。
ステップＳ２：選択したバッファーロッド２にトランスジューサ１を設置し、薄層液体（或いは生体試料）と固体試料等を設置したときのＶ3信号の周波数特性を数値計算により求め、Ｖ3信号の値が一定以上の強度（音速、減衰を高精度に測定できる信号レベルであり、例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に計測に使用する周波数範囲が含まれるようにトランスジューサ１の厚さを選択する。通常は、基本共振モードがトランスジューサの変換損失が小さいため、上記測定周波数に基本共振モード内の周波数を用いる場合が多いが、高次の共振モードの周波数を用いてもよい。このとき、Ｖ3信号の値は、d2の厚さによっても変化するので、トランスジューサ１の厚さだけでは測定周波数範囲でのＶ3信号の値が所定の強度以上とならない場合には、d2の厚さを薄くして媒体M２での減衰量を減らす必要がある。
ステップＳ３：Ｖ2信号の周波数特性を数値計算或いは実際に測定し、Ｖ2の最小値が一定以上の強度（例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に計測に使用する周波数範囲が含まれるようにスペーサ厚を選択する。このとき、ステップS2の条件（Ｖ3信号の値が一定以上の強度となること）も同時に満たす必要がある。
超音波デバイスの設計に用いるＶ0、Ｖ2、Ｖ3信号の計算結果の例を図６Ａ，Ｂ，Ｃに示す。バッファーロッド２の長さは8 mm、固体参照試料４の長さは2.7 mmで、両者の材質は合成石英ガラスとし、トランスジューサ１は厚さ3.7μmのZnOとした。薄層液体３には水、シリコンオイル、ひまし油を用い、厚さを1.147μmとした場合の計算結果である。
ステップＳ４：d2の精密値を(11)式で表される|RM13|のディップ周波数から求める場合には、更に、Ｖ2信号の周波数特性が一定値以上の強度（例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に|RM13|のディップの周波数が含まれるようにスペーサ厚を決定する。このとき、ステップS2の条件（Ｖ3信号の値が一定以上の強度となること）、及び、ステップS3の条件（Ｖ2信号の値が一定以上の強度となること）、も同時に満たす必要がある。d2の精密値を光干渉計を用いるなど別の方法で求める場合には、このステップは省略できる。
|RM13|が最小となるディップの周波数fdは、
ステップＳ４：d2の精密値を(11)式で表される|RM13|のディップ周波数から求める場合には、更に、Ｖ2信号の周波数特性が一定値以上の強度（例えば-60 dBm以上）となる周波数範囲内に|RM13|のディップの周波数が含まれるようにスペーサ厚を決定する。このとき、ステップS2の条件（Ｖ3信号の値が一定以上の強度となること）、及び、ステップS3の条件（Ｖ2信号の値が一定以上の強度となること）、も同時に満たす必要がある。d2の精密値を光干渉計を用いるなど別の方法で求める場合には、このステップは省略できる。
|RM13|が最小となるディップの周波数fdは、
[音速と減衰係数の計測手順]
ステップＳ５: 固体試料４の音速v3’と減衰係数α3’を仮定する。
ステップＳ６: 薄層液体３の厚さ（伝搬長）d2を(16)式から求める。d2はスペーサの厚さとほぼ同じとなるが、液体の表面張力や粘性により必ずしも一致しないため、d2を精密に求める必要がある。具体的には、薄層液体３が純水で固体試料４が合成石英ガラスの場合には、熱電対１５の起電力をディジタルボルトメータ１６で測定することにより得られた温度に対応する純水の音速v2を[非特許文献７]より求め、ディップの周波数fdを求め、(16)式の関係から液体試料の厚さd2が求まる。レーザー干渉計を用いるなどして、別途精密なd2を求めることが可能な場合はこの手順は省略可能である。
ステップＳ５: 固体試料４の音速v3’と減衰係数α3’を仮定する。
ステップＳ６: 薄層液体３の厚さ（伝搬長）d2を(16)式から求める。d2はスペーサの厚さとほぼ同じとなるが、液体の表面張力や粘性により必ずしも一致しないため、d2を精密に求める必要がある。具体的には、薄層液体３が純水で固体試料４が合成石英ガラスの場合には、熱電対１５の起電力をディジタルボルトメータ１６で測定することにより得られた温度に対応する純水の音速v2を[非特許文献７]より求め、ディップの周波数fdを求め、(16)式の関係から液体試料の厚さd2が求まる。レーザー干渉計を用いるなどして、別途精密なd2を求めることが可能な場合はこの手順は省略可能である。
一例として、薄層液体の厚さd2を(16)式により導出した実験結果を示す。固体試料として合成石英ガラスを用い、薄層液体には純水を用いた。そのときの反射係数|RM13|と周波数の関係を図７に示す。これより、d2を求めると1.108μmとなり、薄層液体の厚さを求めることができる。
ステップＳ７：信号V0, V2, V3を測定し、仮定した音速v3’と減衰係数α3’、およびステップＳ６で求めたd2を使って式(8), (9), (10), (14), (15)により回折の影響を補正した固体媒体４の音速v3、減衰係数α3を求める。式(14), (15)中の回折の影響Δθ、|ATT2/ATT3|は仮定したv3’とα3’からWilliamsの厳密式[非特許文献８]を用いた数値計算により補正する。
ステップＳ８：ステップＳ７で求めた音速v3、減衰係数α3と、ステップＳ５で仮定した音速v3’、減衰係数α3’とが所定の誤差以内（音速は±0.03％、減衰係数は±10%）で一致すれば、その値を固体試料の音速、減衰係数とする（ステップＳ９）。もし一致しなければ、ステップＳ５に戻り、仮定する音速と減衰係数を変えて、それらの差が所定誤差以下となるまで同様の手続きを繰り返し行なう。仮定する音速と減衰係数を変えたときのステップＳ７で求められる音速と減衰係数とそれらの仮定値との差の変化をあらかじめ調べることにより、それらの差が小さくなるように、仮定する音速と減衰係数を変化させる。
ステップＳ７：信号V0, V2, V3を測定し、仮定した音速v3’と減衰係数α3’、およびステップＳ６で求めたd2を使って式(8), (9), (10), (14), (15)により回折の影響を補正した固体媒体４の音速v3、減衰係数α3を求める。式(14), (15)中の回折の影響Δθ、|ATT2/ATT3|は仮定したv3’とα3’からWilliamsの厳密式[非特許文献８]を用いた数値計算により補正する。
ステップＳ８：ステップＳ７で求めた音速v3、減衰係数α3と、ステップＳ５で仮定した音速v3’、減衰係数α3’とが所定の誤差以内（音速は±0.03％、減衰係数は±10%）で一致すれば、その値を固体試料の音速、減衰係数とする（ステップＳ９）。もし一致しなければ、ステップＳ５に戻り、仮定する音速と減衰係数を変えて、それらの差が所定誤差以下となるまで同様の手続きを繰り返し行なう。仮定する音速と減衰係数を変えたときのステップＳ７で求められる音速と減衰係数とそれらの仮定値との差の変化をあらかじめ調べることにより、それらの差が小さくなるように、仮定する音速と減衰係数を変化させる。
次に、被計測試料が液体試料または生体試料の場合について説明する。この場合は、図１、図３において、薄層液体３として、計測する液体試料或いは生体試料４を使用し、固体試料４として音響特性の既知である固体参照試料を使用する。固体参照試料としては、例えば合成石英ガラスを用いる。そのときの、音響伝送線路モデルは固体試料計測の場合と同様に取り扱うことができる。この場合も、液体試料、或いは生体試料を薄くすることで、UHF帯での計測が可能となる。
ここで、液体試料（或いは生体試料）３の音速と減衰係数の導出手順は、図５のステップＳ５において、固体試料の音速v3’と減衰係数α3’の代わりに、液体試料（或いは生体試料）の音速v2’と減衰係数α2’の値を仮定する。ステップＳ６以降は、固体試料の場合と同様で、仮定した値v2とα2を用いて前述したように計算により固体参照試料の音速v3と減衰係数α3を求める。求めた値と、実際の固体参照試料の音速v3、減衰係数α3（既知の値）が所定の誤差範囲内（音速は±0.03％、減衰係数は±10%）で一致すれば、仮定した音速v2と減衰係数α2を液体試料（或いは生体試料）に対する音速、減衰係数とする。もし一致しなければステップＳ５に戻り、仮定するv2’とα2’の値を変えて、同様の手続きを一致するまで繰り返し行なう。
実施例１
まず、スペーサの効果について確認した実験結果を示す。図６に示すような直径３mmの円形状のスペーサ５をバッファーロッド２上に直径１５mmの円周上に等間隔で５つ配列形成した。スペーサ５としては、RFプレーナマグネトロンスパッタリング装置を用いてZnO薄膜（厚さ1.05 μm）をバッファーロッド２上に形成した。ここではスペーサの材料としてZnOを用いたが、スペーサは固体試料４とバッファーロッド２間の距離と平行度を維持する目的であるので、SiO２等のガラスやアモルファスSi等、強度が確保できるものであれば他の材料でも良いことはもちろんである。スペーサとしては、内側と外側を連通するスリットを１つ以上形成した円環状薄膜でもよい。図８のバッファーロッド２の中央に純水を１滴（約0.008 cc）滴下し、その上に図１で示したように合成石英ガラスの固体試料４を置いて、薄層液体の厚さの時間に関する変動を調べた。
ここで、液体試料（或いは生体試料）３の音速と減衰係数の導出手順は、図５のステップＳ５において、固体試料の音速v3’と減衰係数α3’の代わりに、液体試料（或いは生体試料）の音速v2’と減衰係数α2’の値を仮定する。ステップＳ６以降は、固体試料の場合と同様で、仮定した値v2とα2を用いて前述したように計算により固体参照試料の音速v3と減衰係数α3を求める。求めた値と、実際の固体参照試料の音速v3、減衰係数α3（既知の値）が所定の誤差範囲内（音速は±0.03％、減衰係数は±10%）で一致すれば、仮定した音速v2と減衰係数α2を液体試料（或いは生体試料）に対する音速、減衰係数とする。もし一致しなければステップＳ５に戻り、仮定するv2’とα2’の値を変えて、同様の手続きを一致するまで繰り返し行なう。
実施例１
まず、スペーサの効果について確認した実験結果を示す。図６に示すような直径３mmの円形状のスペーサ５をバッファーロッド２上に直径１５mmの円周上に等間隔で５つ配列形成した。スペーサ５としては、RFプレーナマグネトロンスパッタリング装置を用いてZnO薄膜（厚さ1.05 μm）をバッファーロッド２上に形成した。ここではスペーサの材料としてZnOを用いたが、スペーサは固体試料４とバッファーロッド２間の距離と平行度を維持する目的であるので、SiO２等のガラスやアモルファスSi等、強度が確保できるものであれば他の材料でも良いことはもちろんである。スペーサとしては、内側と外側を連通するスリットを１つ以上形成した円環状薄膜でもよい。図８のバッファーロッド２の中央に純水を１滴（約0.008 cc）滴下し、その上に図１で示したように合成石英ガラスの固体試料４を置いて、薄層液体の厚さの時間に関する変動を調べた。
図９Aは荷重を加えていない場合、図９Bは荷重を加えた場合の薄層液体３の厚さの時間変化である。加重しない場合は、厚さが時間と共に大きく変化して安定しないが、加重した場合は、短時間で安定していることが分かる。また加重した場合の厚さは、スペーサ５の厚さとほぼ一致している。厳密に一致しないのは、液体の粘性及び表面張力の影響であると思われる。このように、スペーサを用い加重を行なうことで、調節機構を用いずに薄層液体の厚さを簡便に一定の厚さに設定し維持することが可能である。
実施例２
次に固体試料４の音速と減衰係数を計測した実験結果を示す。固体試料４として合成石英ガラスを用い、カプラには純水を用いた。用いたRFパルスの幅Wは500nsで、計測して求めたｄ２は、1.108μmであった。図１０Aは音速の計測結果である。比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離してVHF帯で計測したときの値（5953.36m/s）を記入してある。本装置での測定値は、従来法での測定値と良く一致している。673 MHz付近で測定値に変動が見られるのは、反射係数|RM13|のディップ付近であるためであり、600 MHz付近におけるわずかな変動は回折の補正に関連するものと考えられる。音速がほぼ一定の値に計測されている300MHzから550MHzまでの平均の音速を、同図に併せて記入すると、従来法での計測値と差が0.04m/sという極めて高い精度で計測されていることがわかる。一方、図１０Bは減衰係数の計測結果である。音速の場合と同様に比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離してVHF帯で計測したときの値（1.3×10-16s2/m）で表される曲線を記入してある。本装置での測定値は、従来法での測定値と良く一致している。音速の場合と同様に673 MHzと600 MHz付近で測定値の変動が見られる。このように、本計測の有効性が確認できている。
実施例３
次に液体試料の音速と減衰係数を計測した実験結果を示す。液体試料３としては綿実油を用い、固体参照試料４には合成石英ガラスを用いた。図１１Aは音速の計測結果であり、図１１Bは減衰係数の計測結果である。比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離して計測したときの値（ｆ掃引型：周波数掃引して計測したもの、z掃引型：液体試料厚を掃引して計測したもの）を記入してある。音速、減衰係数ともに、従来法と今回の方法は非常によく一致しており、本計測の有効性が液体試料の場合でも確認できている。
実施例２
次に固体試料４の音速と減衰係数を計測した実験結果を示す。固体試料４として合成石英ガラスを用い、カプラには純水を用いた。用いたRFパルスの幅Wは500nsで、計測して求めたｄ２は、1.108μmであった。図１０Aは音速の計測結果である。比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離してVHF帯で計測したときの値（5953.36m/s）を記入してある。本装置での測定値は、従来法での測定値と良く一致している。673 MHz付近で測定値に変動が見られるのは、反射係数|RM13|のディップ付近であるためであり、600 MHz付近におけるわずかな変動は回折の補正に関連するものと考えられる。音速がほぼ一定の値に計測されている300MHzから550MHzまでの平均の音速を、同図に併せて記入すると、従来法での計測値と差が0.04m/sという極めて高い精度で計測されていることがわかる。一方、図１０Bは減衰係数の計測結果である。音速の場合と同様に比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離してVHF帯で計測したときの値（1.3×10-16s2/m）で表される曲線を記入してある。本装置での測定値は、従来法での測定値と良く一致している。音速の場合と同様に673 MHzと600 MHz付近で測定値の変動が見られる。このように、本計測の有効性が確認できている。
実施例３
次に液体試料の音速と減衰係数を計測した実験結果を示す。液体試料３としては綿実油を用い、固体参照試料４には合成石英ガラスを用いた。図１１Aは音速の計測結果であり、図１１Bは減衰係数の計測結果である。比較のために液体を薄層化せず、多重反射する信号を分離して計測したときの値（ｆ掃引型：周波数掃引して計測したもの、z掃引型：液体試料厚を掃引して計測したもの）を記入してある。音速、減衰係数ともに、従来法と今回の方法は非常によく一致しており、本計測の有効性が液体試料の場合でも確認できている。
本発明に係る超音波速度・減衰係数計測装置及び計測法は、固体試料、液体試料、或いはそれらが混合した材料など広範囲な材料の弾性定数決定、材料の選別、特定など物性研究や材料開発に広く用いることができる。また、生体試料の病理診断など医療の現場や、医療分野での研究開発にも適用可能である。
１：トランスジューサ、２：バッファーロッド、３：薄層液体、４：固体試料、５：スペーサ、６：錘、７：媒体４、８：空気、９：パルスモード測定システム、１０：RFトーンバースト信号、１１：方向性ブリッジ、１２：直交検波器、１３：A/D変換器、１５：熱電対、１６：ディジタルボルトメータ
Claims (4)
- 厚さd3の板状の固体試料における超音波速度v3及び減衰係数α3の周波数特性を計測する装置において、パルス幅ＷのＲＦトーンバースト信号により所望の周波数範囲の超音波を放射するバッファーロッドと計測する上記固体試料との間に所定の厚さのスペーサを超音波測定経路の外側で挟んで設け、上記バッファーロッドと上記固体試料との間隙を満たす超音波速度v2の液体の薄層をカプラとして設置し、上記固体試料を上記バッファーロッドに対し押圧する加重印加手段を設け、上記薄層の厚さd2が2d2/v2<Wを満たすように上記スペーサの厚さが選択されており、上記薄層で超音波を多重反射及び透過させる超音波速度・減衰係数計測方法であり、
(a) 上記薄層からの第１反射信号と上記固体試料からの第２反射信号を上記バッファーロッドを介して受信し、
(b) 上記固体試料の超音波速度と減衰係数の仮定値を決め、
(c) 上記仮定値を使って上記固体試料内における回折の影響を計算により求め、
(d) 上記第１および第２反射信号と上記回折の影響を使って回折の影響を補償した超音波速度と減衰係数を計算し、
(e) 上記補償した超音波速度と減衰係数が上記仮定値と所定誤差範囲内で一致するか判定し、
(f) 所定誤差範囲内で一致しない場合は上記仮定値を変化させて上記工程(c), (d), (e)を実行することを繰り返すことにより得られた最終の仮定値を上記固体試料の超音波速度と減衰係数とする、
ことを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法。 - 液体試料または生体試料における超音波速度v2及び減衰係数α2の周波数特性を計測する装置において、パルス幅ＷのＲＦトーンバースト信号により所望の周波数範囲の超音波を放射するバッファーロッドと、音響特性が既知の固体試料との間に、所定の厚さのスペーサを超音波測定経路の外側で挟んで設け、上記バッファーロッドと上記固体試料との間隙を埋める計測対象である推定超音波速度v2’の液体、或いは、生体試料の薄層を設置し、上記固体試料を上記バッファーロッドに対し押圧する加重印加手段を設け、上記薄層の厚さd2が2d 2 /v 2 '<Wを満たするように上記スペーサの厚さが選択されており、上記薄層で超音波を多重反射及び透過させる超音波速度・減衰係数計測方法であり、
(a) 上記薄層からの第１反射信号と上記固体試料からの第２反射信号と、上記カプラを挿入しない状態での第３反射信号を上記バッファーロッドを介して受信し、
(b) 上記薄層の厚さを測定し、上記薄層の超音波速度と減衰係数の仮定値を決め、それら仮定値から上記薄層の伝搬定数を求め、
(c) 上記既知の超音波速度及び減衰係数から上記固体試料内における回折の影響を計算により求め、
(d) 上記第１、第２及び第３反射信号と、上記回折の影響と、上記薄層の厚さと伝搬定数とを使って回折の影響を補償した上記固体試料の超音波速度と減衰係数を計算し、
(e) 上記補償した超音波速度と減衰係数が上記固体試料の上記既知の超音波速度及び減衰係数と所定誤差範囲内で一致するか判定し、
(f) 所定誤差範囲内で一致しない場合は上記仮定値を変化させて上記工程(c), (d), (e)を実行することを繰り返すことにより得られた最終の仮定値を上記薄層の超音波速度と減衰係数とする、
ことを特徴とする超音波速度・減数係数計測方法。 - 請求項１記載の超音波速度・減衰係数計測方法において、上記バッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアのいずれかを用い、純水を上記カプラとして用いることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法。
- 請求項２に記載の超音波速度・減衰係数計測方法において、上記バッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアのいずれかを用い、上記固体試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶のいずれかを用いることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法。
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