JPH0933307A - 超音波送受波器 - Google Patents
超音波送受波器Info
- Publication number
- JPH0933307A JPH0933307A JP7185321A JP18532195A JPH0933307A JP H0933307 A JPH0933307 A JP H0933307A JP 7185321 A JP7185321 A JP 7185321A JP 18532195 A JP18532195 A JP 18532195A JP H0933307 A JPH0933307 A JP H0933307A
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- JP
- Japan
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- ultrasonic
- medium
- guides
- ultrasonic waves
- ultrasonic wave
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- Pending
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- Measuring Volume Flow (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】超音波流量計などの超音波計測装置による測定
の精度を向上すべく鋭い指向性を備えた超音波送受波器
を提供する。 【構成】超音波振動子１と、この超音波振動子１の断面
寸法に相当の貫通孔が穿設されたくさび形をなす忰体２
と、忰体に穿設された貫通孔に埋込まれる超音波の伝播
速度が忰体中での伝播速度より遅い部材からなるガイド
３とを音響的に密に接合して超音波送受波器を構成す
る。
の精度を向上すべく鋭い指向性を備えた超音波送受波器
を提供する。 【構成】超音波振動子１と、この超音波振動子１の断面
寸法に相当の貫通孔が穿設されたくさび形をなす忰体２
と、忰体に穿設された貫通孔に埋込まれる超音波の伝播
速度が忰体中での伝播速度より遅い部材からなるガイド
３とを音響的に密に接合して超音波送受波器を構成す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は媒体中の音波の伝播時間
を検出して超音波が伝播する媒体の流速や、超音波を反
射する物体までの距離などを測定する超音波計測装置に
用いる超音波を発生して受信する超音波送受波器に関す
る。
を検出して超音波が伝播する媒体の流速や、超音波を反
射する物体までの距離などを測定する超音波計測装置に
用いる超音波を発生して受信する超音波送受波器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】超音波が流れのある流体中を伝播すると
き、上流から下流に向かう場合と下流から上流に向かう
場合では伝播速度が異なる。この伝播速度の速度差が流
体の流速に比例関係になることを利用して流速を測定す
る従来技術による透過形超音波流量計の原理構成を図３
に示し、この図によって従来技術を説明する。
き、上流から下流に向かう場合と下流から上流に向かう
場合では伝播速度が異なる。この伝播速度の速度差が流
体の流速に比例関係になることを利用して流速を測定す
る従来技術による透過形超音波流量計の原理構成を図３
に示し、この図によって従来技術を説明する。
【０００３】図３の超音波流量計において、１ａと１ｂ
とは超音波振動子であり、４ａと４ｂとは配管５の中の
流体６と超音波振動子１ａ，１ｂとを音響的に結合する
斜角楔であり、超音波振動子と斜角楔は音響的に結合し
て超音波送受波器10ａ，10ｂを構成している。図３の超
音波流量計の上流の超音波送受波器10ａに励振パルスを
印加して励振すると超音波が射出され、射出された超音
波は斜角楔４ａを経て配管５から配管内の流体６へと伝
播する。そうして、配管内の流体６へと伝搬した超音波
は配管の対向面に到着し、斜角楔４ｂに案内されて受波
モードとなっている超音波送受波器10ｂに導かれて受信
される。この上流の超音波送受波器10ａから下流の超音
波送受波器10ｂに到着するまでの音波の伝搬時間をＴ12
とし、逆に下流の超音波送受波器10ｂを励振して上流の
超音波送受波器10ａで音波を受信する場合の伝播時間を
Ｔ21とすると、それぞれの伝播時間Ｔ12とＴ21とは、下
記の式（１）および式（２）で表される。
とは超音波振動子であり、４ａと４ｂとは配管５の中の
流体６と超音波振動子１ａ，１ｂとを音響的に結合する
斜角楔であり、超音波振動子と斜角楔は音響的に結合し
て超音波送受波器10ａ，10ｂを構成している。図３の超
音波流量計の上流の超音波送受波器10ａに励振パルスを
印加して励振すると超音波が射出され、射出された超音
波は斜角楔４ａを経て配管５から配管内の流体６へと伝
播する。そうして、配管内の流体６へと伝搬した超音波
は配管の対向面に到着し、斜角楔４ｂに案内されて受波
モードとなっている超音波送受波器10ｂに導かれて受信
される。この上流の超音波送受波器10ａから下流の超音
波送受波器10ｂに到着するまでの音波の伝搬時間をＴ12
とし、逆に下流の超音波送受波器10ｂを励振して上流の
超音波送受波器10ａで音波を受信する場合の伝播時間を
Ｔ21とすると、それぞれの伝播時間Ｔ12とＴ21とは、下
記の式（１）および式（２）で表される。
【０００４】
【数１】
【０００５】
【数２】
【０００６】ここにＤ；配管の内径 τ；配管、斜角楔での伝搬時間 Ｃ；流体中での音速 Ｖ；流体の流速 θ；流体中への超音波の入射角 超音波流量計では、式（１）で与えられる流れに沿う方
向の超音波の伝播時間Ｔ12と、式（２）で与えられる流
れに逆方向の超音波の伝播時間Ｔ21を計測して連立方程
式に代入、流速Ｖを演算によって求めている。
向の超音波の伝播時間Ｔ12と、式（２）で与えられる流
れに逆方向の超音波の伝播時間Ｔ21を計測して連立方程
式に代入、流速Ｖを演算によって求めている。
【０００７】上記の構成の超音波流量計において超音波
振動子１ａ，１ｂと配管５内の流体６とを音響的に結合
する斜角楔４ａ，４ｂとしては、従来プラスチック、金
属などの均一部材を超音波振動子と配管のそれぞれに密
着する形状に成形加工したものが用いられている。とこ
ろで、超音波振動子１としては、斜角楔４に対する取付
寸法とコスト上の制約から放射する超音波の波長に対比
して放射面の寸法が有限の振動子が使用されるので、超
音波振動子１が放射する超音波は単一の指向性を備えた
完全な平面波にはならず、波面の縁部での波動の性質が
残る多少の拡散性を内在していることとなる。
振動子１ａ，１ｂと配管５内の流体６とを音響的に結合
する斜角楔４ａ，４ｂとしては、従来プラスチック、金
属などの均一部材を超音波振動子と配管のそれぞれに密
着する形状に成形加工したものが用いられている。とこ
ろで、超音波振動子１としては、斜角楔４に対する取付
寸法とコスト上の制約から放射する超音波の波長に対比
して放射面の寸法が有限の振動子が使用されるので、超
音波振動子１が放射する超音波は単一の指向性を備えた
完全な平面波にはならず、波面の縁部での波動の性質が
残る多少の拡散性を内在していることとなる。
【０００８】上記のように、超音波振動子１が放射する
超音波が多少の拡散性を内在しているので、斜角楔４を
経て超音波振動子１から配管中の流体に向けて放射され
る超音波は、図４に例示のように太い２点鎖線で示され
た主音波に対し多少の広がりをもつ細い２点鎖線で示さ
れる方向にも伝播することとなり、その結果、受波モー
ドにある超音波送受波器10ｂの超音波振動子１ｂには図
３中で点線で例示のような多少異なる伝播経路を経た超
音波が入射して受波信号を与えることとなる。
超音波が多少の拡散性を内在しているので、斜角楔４を
経て超音波振動子１から配管中の流体に向けて放射され
る超音波は、図４に例示のように太い２点鎖線で示され
た主音波に対し多少の広がりをもつ細い２点鎖線で示さ
れる方向にも伝播することとなり、その結果、受波モー
ドにある超音波送受波器10ｂの超音波振動子１ｂには図
３中で点線で例示のような多少異なる伝播経路を経た超
音波が入射して受波信号を与えることとなる。
【０００９】伝播経路が異なれば、その分伝播時間も異
なるので、送信モードにある超音波振動子１ａから鋭い
立上りの超音波が放射されたとしても受信モードにある
超音波振動子１ｂには伝波経路に応じた伝播遅れをもつ
超音波が入射し、これらが重ね合された結果が受波信号
として出力されるので、立上りの鈍いノイズ成分からの
分離が明瞭でない信号が得られることとなり、高精度の
測定を妨げる要因となる。また、音響媒質中の音速は媒
質の温度に依存するので超音波送受器が鋭い指方向性を
備えていない場合、温度によって超音波伝播経路にゆら
ぎを生じて測定結果に温度の影響が現れることとなる。
なるので、送信モードにある超音波振動子１ａから鋭い
立上りの超音波が放射されたとしても受信モードにある
超音波振動子１ｂには伝波経路に応じた伝播遅れをもつ
超音波が入射し、これらが重ね合された結果が受波信号
として出力されるので、立上りの鈍いノイズ成分からの
分離が明瞭でない信号が得られることとなり、高精度の
測定を妨げる要因となる。また、音響媒質中の音速は媒
質の温度に依存するので超音波送受器が鋭い指方向性を
備えていない場合、温度によって超音波伝播経路にゆら
ぎを生じて測定結果に温度の影響が現れることとなる。
【００１０】以上に説明の超音波流量計のみならず、超
音波を物体に向けて放射し該物体による反射波の伝達時
間を検出することによって物体までの距離を測定する超
音波レベル計においても、超音波送受器が鋭い指方向性
を備えていない場合、異なる伝播経路を経た伝播時間も
異なる超音波が受信モードの超音波送受波器に入射して
ノイズ成分からの分離が明瞭でない受波信号が与えられ
るので高精度の測定を妨げる要因となる。
音波を物体に向けて放射し該物体による反射波の伝達時
間を検出することによって物体までの距離を測定する超
音波レベル計においても、超音波送受器が鋭い指方向性
を備えていない場合、異なる伝播経路を経た伝播時間も
異なる超音波が受信モードの超音波送受波器に入射して
ノイズ成分からの分離が明瞭でない受波信号が与えられ
るので高精度の測定を妨げる要因となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術にも
とづく超音波流量計や超音波レベルけいなどの超音波計
測装置における上記の問題点を解決すべく鋭い指向性を
備えた超音波送受波器を提供し、超音波計測装置による
測定の精度を向上させることを課題とする。
とづく超音波流量計や超音波レベルけいなどの超音波計
測装置における上記の問題点を解決すべく鋭い指向性を
備えた超音波送受波器を提供し、超音波計測装置による
測定の精度を向上させることを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の課題達成のため、
本発明においては超音波送受波器を超音波振動子と、こ
の超音波振動子の断面寸法に相当の貫通孔が穿設された
くさび形をなす忰体と、忰体に穿設された貫通孔に埋込
まれる超音波の伝播速度が忰体中での伝播速度より遅い
部材からなるガイドとを音響的に密に接合して構成す
る。
本発明においては超音波送受波器を超音波振動子と、こ
の超音波振動子の断面寸法に相当の貫通孔が穿設された
くさび形をなす忰体と、忰体に穿設された貫通孔に埋込
まれる超音波の伝播速度が忰体中での伝播速度より遅い
部材からなるガイドとを音響的に密に接合して構成す
る。
【００１３】
【作用】超音波の伝播速度が異なる媒体が接合する境界
面では、超音波の伝播方向はスネルの法則にもとづいて
伝播速度が速い媒体の側へ向く屈折が起こるので、超音
波伝播速度が遅い媒体でなるガイドから伝播速度が速い
媒体でなる忰体にむけて伝播する超音波は、ガイドと忰
体の境界面でガイドから遠ざかる方向に屈折して伝播
し、結局ガイドの軸方向に伝播する超音波のみが本発明
に基づいて構成された超音波送受波器間で送受される。
面では、超音波の伝播方向はスネルの法則にもとづいて
伝播速度が速い媒体の側へ向く屈折が起こるので、超音
波伝播速度が遅い媒体でなるガイドから伝播速度が速い
媒体でなる忰体にむけて伝播する超音波は、ガイドと忰
体の境界面でガイドから遠ざかる方向に屈折して伝播
し、結局ガイドの軸方向に伝播する超音波のみが本発明
に基づいて構成された超音波送受波器間で送受される。
【００１４】
【実施例】本発明にもとづく超音波送受波器の一実施例
の構成を図１に例示して本発明を説明する。なお、図１
において（ａ）は送信モードを、（ｂ）は受信モードに
ある超音波送受波器を示している。図１に例示の超音波
送受波器10ａ，10ｂにおいて、１ａ，１ｂは圧電素子Ｐ
ＺＴなどでなる超音波振動子であり、忰体２ａ，２ｂお
よびガイド３ａ，３ｂによって斜角楔が構成されてい
る。
の構成を図１に例示して本発明を説明する。なお、図１
において（ａ）は送信モードを、（ｂ）は受信モードに
ある超音波送受波器を示している。図１に例示の超音波
送受波器10ａ，10ｂにおいて、１ａ，１ｂは圧電素子Ｐ
ＺＴなどでなる超音波振動子であり、忰体２ａ，２ｂお
よびガイド３ａ，３ｂによって斜角楔が構成されてい
る。
【００１５】忰体２ａ，２ｂはガイド３ａ，３ｂより音
響的に硬い媒体たとえば金属からなり、この忰体２ａ，
２ｂに超音波振動子１ａ，１ｂの断面寸法と同等の寸法
で穿った貫通穴部に忰体２ａ，２ｂの部材より音響的に
軟らかい、たとえばプラスチックなどの部材が音響的に
密に結合するように埋込まれている。超音波は、音響的
に硬い媒体中では軟らかい媒体中でより高速度で伝播
し、異なる媒体の境界面に超音波が入射するとスネルの
法則にもとづく超音波の屈折が起こる。
響的に硬い媒体たとえば金属からなり、この忰体２ａ，
２ｂに超音波振動子１ａ，１ｂの断面寸法と同等の寸法
で穿った貫通穴部に忰体２ａ，２ｂの部材より音響的に
軟らかい、たとえばプラスチックなどの部材が音響的に
密に結合するように埋込まれている。超音波は、音響的
に硬い媒体中では軟らかい媒体中でより高速度で伝播
し、異なる媒体の境界面に超音波が入射するとスネルの
法則にもとづく超音波の屈折が起こる。
【００１６】音響的に軟らかい媒質１から硬い媒質２へ
超音波が入射するときの超音波のスネルの法則にもとづ
く屈折の様子を図２に示し、この場合に成立するスネル
の法則を式（３）に示す。
超音波が入射するときの超音波のスネルの法則にもとづ
く屈折の様子を図２に示し、この場合に成立するスネル
の法則を式（３）に示す。
【００１７】
【数３】
【００１８】ここに θ1 ；媒体１から媒体２への入射角度 θ2 ；媒体１から媒体２への屈折角度 Ｃ1 ；媒体１中での超音波伝播速度 Ｃ2 ；媒体２中での超音波伝播速度 図２および式（１）から読み取られるように、超音波の
伝播速度が遅い媒体１から速い媒体２へ超音波が入射す
ると、その伝播方向が伝播速度が速い媒体の側へ屈折す
る現象が起こることとなる。
伝播速度が遅い媒体１から速い媒体２へ超音波が入射す
ると、その伝播方向が伝播速度が速い媒体の側へ屈折す
る現象が起こることとなる。
【００１９】超音波の伝播速度が異なる媒体が接合する
境界で上記のような超音波の伝播方向の屈折が起こるの
で、図１に例示のような超音波伝播速度が遅い媒体から
なるガイド３ａを伝播速度が速い媒体からなる忰体２ａ
に埋込んだ構成の超音波送受波器10ａにおいては、超音
波振動子１ａからガイド２ａに向けて放射された超音波
の実線で示されている放射軸から外れた成分は、２点鎖
線で例示のようにガイド３ａと忰体２ａとの境界で忰体
２ａに侵入する方向に屈折され、結局受波モードにある
送受波器10ｂの配置方向とは大きく異なる方向に伝播す
ることなる。
境界で上記のような超音波の伝播方向の屈折が起こるの
で、図１に例示のような超音波伝播速度が遅い媒体から
なるガイド３ａを伝播速度が速い媒体からなる忰体２ａ
に埋込んだ構成の超音波送受波器10ａにおいては、超音
波振動子１ａからガイド２ａに向けて放射された超音波
の実線で示されている放射軸から外れた成分は、２点鎖
線で例示のようにガイド３ａと忰体２ａとの境界で忰体
２ａに侵入する方向に屈折され、結局受波モードにある
送受波器10ｂの配置方向とは大きく異なる方向に伝播す
ることなる。
【００２０】一方受波モードにある超音波送受波器10ｂ
に入射する超音波のうち、実線で示されたガイド２ｂの
軸方向沿って入射する超音波は超音波振動子１ｂへ導か
れて受波信号を与えるが、ガイドの軸方向に沿わない２
点鎖線で例示の方向に入射した超音波は、ガイド２ｂと
忰体１ｂの境界面でより忰体の方向へ屈折されて伝播し
て超音波振動子１ｂへは入射しなくなる。
に入射する超音波のうち、実線で示されたガイド２ｂの
軸方向沿って入射する超音波は超音波振動子１ｂへ導か
れて受波信号を与えるが、ガイドの軸方向に沿わない２
点鎖線で例示の方向に入射した超音波は、ガイド２ｂと
忰体１ｂの境界面でより忰体の方向へ屈折されて伝播し
て超音波振動子１ｂへは入射しなくなる。
【００２１】以上に説明のように、本発明にもとづいて
構成された超音波送受波器を用いると、ガイド２ａ，２
ｂの軸方向に沿って伝播する超音波のみが送受され、ガ
イド軸の方向と異なる経路を経た超音波が受波されなく
なり、位相の異なる受波成分の重ね合わせによって生じ
る受波信号のくずれはなくなり送波と同等の鋭い立上り
のＳ／Ｎ比のよい受波信号が得られることとなる。
構成された超音波送受波器を用いると、ガイド２ａ，２
ｂの軸方向に沿って伝播する超音波のみが送受され、ガ
イド軸の方向と異なる経路を経た超音波が受波されなく
なり、位相の異なる受波成分の重ね合わせによって生じ
る受波信号のくずれはなくなり送波と同等の鋭い立上り
のＳ／Ｎ比のよい受波信号が得られることとなる。
【００２２】
【発明の効果】超音波伝播速度が相対的に遅い媒体から
なるガイドを伝播速度が相対に速い媒体でなる忰体に埋
込で構成した本発明にもとづく超音波送受波器では、ガ
イドの軸方向をはずれた方向に伝播する超音波成分は、
ガイドと忰体の境界に達したとき、ガイド軸の方向から
よりはずれる方向伝播するように屈折されるので、送受
波器間ではガイドの軸方向に伝播する超音波成分のみが
送受され、異なる経路を伝播した位相差を生じた超音波
成分の重ね合わせにもとづく受信信号の波形のくずれは
なくなりＳ／Ｎ比のよい受信信号が得られて、より高精
度の測定が可能になるという効果が得られる。
なるガイドを伝播速度が相対に速い媒体でなる忰体に埋
込で構成した本発明にもとづく超音波送受波器では、ガ
イドの軸方向をはずれた方向に伝播する超音波成分は、
ガイドと忰体の境界に達したとき、ガイド軸の方向から
よりはずれる方向伝播するように屈折されるので、送受
波器間ではガイドの軸方向に伝播する超音波成分のみが
送受され、異なる経路を伝播した位相差を生じた超音波
成分の重ね合わせにもとづく受信信号の波形のくずれは
なくなりＳ／Ｎ比のよい受信信号が得られて、より高精
度の測定が可能になるという効果が得られる。
【００２３】また、本発明にもとづく超音波送受波器を
設けた超音波流量計では、超音波送受波器に設けたガイ
ドの軸に沿って伝播する超音波成分のみが送受波され、
超音波送受波器は、これを設ける配管に関して対象性を
保つように配置されるので流量計設置場所の温度あるい
は流体の温度が変動して、それぞれの媒体中での音速が
変動して媒体の境界面での超音波屈折方向に多少の変動
を生ずる場合であっても、この変動は送波側と受波側に
関し同等に表われるので互に相殺され、測定をみだすこ
とがないので、本発明による超音波送受波器を用いた超
音波流量計では測定に対する温度変動の影響が小さくな
るという効果も得られる。
設けた超音波流量計では、超音波送受波器に設けたガイ
ドの軸に沿って伝播する超音波成分のみが送受波され、
超音波送受波器は、これを設ける配管に関して対象性を
保つように配置されるので流量計設置場所の温度あるい
は流体の温度が変動して、それぞれの媒体中での音速が
変動して媒体の境界面での超音波屈折方向に多少の変動
を生ずる場合であっても、この変動は送波側と受波側に
関し同等に表われるので互に相殺され、測定をみだすこ
とがないので、本発明による超音波送受波器を用いた超
音波流量計では測定に対する温度変動の影響が小さくな
るという効果も得られる。
【図１】本発明にもとづく超音波送受波器の構成図
【図２】超音波屈にかかわるフレネ法則説明図
【図３】超音波流量計原理説明図
【図４】従来技術による超音波送受波器における超音波
伝播状況説明図
伝播状況説明図
１ａ，１ｂ 超音波振動子 ２ａ，２ｂ 忰体 ３ａ，３ｂ ガイド ４ａ，４ｂ 斜角楔 ５ 配管 ６ 流体 10ａ，10ｂ 超音波送受波器
Claims (1)
- 【請求項１】超音波振動子と、この超音波振動子の断面
寸法に相当の貫通孔が穿設されたくさび形をなす忰体
と、忰体に穿設された貫通孔に埋込まれる超音波の伝播
速度が忰体中での伝播速度より遅い部材からなるガイド
と、が音響的に密に接合して構成されたことを特徴とす
る超音波送受波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7185321A JPH0933307A (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 超音波送受波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7185321A JPH0933307A (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 超音波送受波器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0933307A true JPH0933307A (ja) | 1997-02-07 |
Family
ID=16168794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7185321A Pending JPH0933307A (ja) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | 超音波送受波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0933307A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004098234A1 (ja) * | 2003-04-28 | 2004-11-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 超音波センサ |
-
1995
- 1995-07-21 JP JP7185321A patent/JPH0933307A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004098234A1 (ja) * | 2003-04-28 | 2004-11-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 超音波センサ |
| US7162930B2 (en) | 2003-04-28 | 2007-01-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic sensor |
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