JPS63233334A - 音速測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音速測定方法およびその装置に係り、とくに
漏洩波を利用して流動体等の音速をリモート計測し得る
ようにした音速測定方法およびその装置に関する。

〔従来の技術〕

超音波を利用した物体の音速測定又は物体の温度測定で
は、一方の超音波センサから出力される縦波超音波を被
測定媒体を介して他方の超音波センサへ直接伝播させる
という構成を採っている。

そして、この間に繰り返し授受される超音波の伝播時間
およびその変化により、音速又は温度およびこれらの変
化等を測定しようとするものが大多数を占めている。

〔発明が解決しようとする問題点〕 高温流動体又は危険な状況下にある流動体の監視、或い
は液状危険物等に対する温度変化の監視に使用される超
音波センサは、これらの劣悪環境下でも充分耐えること
が必要とされている。

しかしながら、一般の超音波センサは、振動子と保護体
との複合体から成り、これらが接合材により一体化され
ているため、使用温度に上限（約４００（ｔ））があり
、５００〜８００（℃）の温度を定常的に連続測定する
ことが不可能に近い状況となっていた。また、振動子や
保護体は、化学的にも汚損され易いものが多く、特に温
度変化の激しい環境下では、劣化の進行が著しく早いと
いう不都合がある。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、とく
に、流動体や軟質部材等の被測定物が例え有害物であり
或いは常時高温下におかれているものであっても、これ
ら被測定物の音速およびその変化を高精度にリモート測
定することができ、これによって当該被測定物の温度や
粘性およびそれらの変化等を高精度に測定することので
きる音速測定方法およびその装置を提供することを、そ
の目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、同一に形成された一対の超音波導
波路を一定距離をおいて相互に対向させるとともに、こ
れら超音波導波路の各他端部相互間に被測定媒体を介在
せしめ、その後、前記一方もしくは他方の超音波導波路
の使用超音波における位相速度Ｖｑと群速度Ｖｑとを測
定し、これらの測定に相前後して当該超音波導波路の一
端部から他端部に向けて超音波を伝播せしめるとともに
当該超音波導波路から漏洩した超音波が被測定媒体を介
して他方の超音波導波路の一端部で最初に受信されるま
での時間と、当該他方の超音波導波路から更に被測定媒
体内へ漏洩した超音波が前記一方の超音波導波路との間
を往復伝播して受信されるまでの時間との差Δｔを求め
、これらの各測定値に基づいて下式、すなわち、 Ｆ＋　　（Ｖｐ　、Ｖｐ　、Δｔ、Ｖ）＝０を演算する
ことにより被測定媒体の音速Ｖを特定する等の構成を採
り、これによって前記目的を達成しようとするものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第７図に基づい
て説明する。

第１図において、音速測定装置は、一定距離りを隔てて
配設された一対の板状（帯状でも可）の超音波導波路（
以下、単に「導波路」という）１゜２と、この各導波路
１．２の一端部に装備された超音波送受波器３．４とを
備えている。

導波路１，２は、本実施例ではステンレス製で同一長さ
のものが使用されている。この導波路１゜２の他端部は
、図に示すように被測定媒体５内に配設されるようにな
っている。

超音波送受波器３．４は、本実施例では一方の超音波送
受波器３が送波器として使用され、他方の超音波送受波
器４が受渡器として使用されている。この送波器３及び
受波器４の各々は、導波路１．２の一端部の側面に装着
されている。そして、送波器３から導波路１に対して超
音波（′＃１波）が斜入射されるようになっている。受
波器４は送波器３の送信作用とほぼ同一条件で導波路２
から超音波を受信し得るようになっている。

ＩＡ、２Ａ、ＩＢ、２Ｂは各々超音波反射手段としての
導波路１．２の端面を示す。

ここで、導波路１，２内を伝播する波動及び被測定媒体
５内の伝播状況について説明する。

導波路が液体又は固体に接すると、導波路中を伝搬する
音波エネルギの一部は液体又は固体の被接触媒体に漏洩
する性質がある。この性質を利用し、上記被接触媒体内
に一対の導波路を配置すると、一方を伝搬していた音波
のエネルギの一部は被接触媒体を介してもう一方の導波
路に伝播する。

この時、被接触媒体中を伝播するのに要する時間を測定
することにより、被接触媒体の音速を算定できる。

送波器３から導波路１に超音波が送信されると、この波
動は被測定媒体５の方向に向けて導波路ｌ内を伝搬する
。この場合、超音波が導波路１中を伝搬する速度の内、
位相速度をｖ２１群速度をＶｑとする。導波路１が被測
定媒体５に接し、この時の被測定媒体５の音速Ｖが、導
波路ｌの位相速度ｖｐより小さい場合、導波路１中を伝
搬する超音波エネルギの一部は被測定媒体５内に放射さ
れる。そして、この時の放射角θは次式により決まる。

θ−５ｉｎ　−’　（Ｖ／Ｖｑ　）　　　　　　　　　
・・・・・・■被測定媒体５に入った超音波は、導波路
２に到達し、この導波！ａ２に沿って伝搬する波と、こ
こで反射して媒体５側に戻る波とがある。導波路２に沿
って進んだ波は、その先端２Ａで反射して、受渡器４に
到達する。

今、２つの導波路１．２の長さが等しい場合、導波路間
の間隔をＤとすると、被測定媒体中経路がＮ行程の各受
信波の到達時間は、 ｔＮ−（（２Ｌ−ＮＤｔａｎθ）／Ｖｑ）＋（ＮＤ／Ｖ
ｃｏｓ　θ〕＋τ１＋τ！　””　””■ここで、τ１
．τ８は送受信の際の固定遅延量である。

次に、Ｎ−１，３の場合についてその差を求めると、 Δｔ＝２Ｄ　（（１／Ｖｃｏｓ　θ）−（ｔａｎ　θ／
Ｖｌ　）　）・・・・・・■この式■及び前述した式■
より、被測定媒体５の音速■を求める式として次式を得
る。

Ｆ　ｌ　（Ｖｐ　、Ｖｐ　、Δｔ、Ｖ）＝　（４Ｄ”　
＋Ｖｑ冨Δｔｚ）ｖ４−（８Ｄ”　Ｖｌ、Ｖｑ＋Ｖｑ”
　Ｖｑ”Δｔ”）Ｖ”＋４Ｄ”　Ｖｑ”　Ｖｑ” 一部　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・■従
って、Δｔを測定すれば、これと既知のＤ及び別に測定
するＶｑ、Ｖｑにより０式から被測定媒体５の音速Ｖが
求まる。

ここで、前記導波路１を伝播する超音波の位相速度Ｖｑ
と群速度Ｖｑを求める場合の動作原理について説明する
。

まず、第４図に、超音波送受波器３のクサビ部材３Ａと
超音波振動子３Ｂとを示す。このクサビ部材３Ａは、断
面が台形状をなし、その一方の斜面３ａに超音波振動子
３Ｂが固着されている。また、他方の斜面３ｃは、超音
波振動子３Ｂがら発信された超音波が入射面３ｂで反射
してクサビ部材３Ａ内を伝播する場合の当該伝播経路に
直交する面を構成するようになっている。このため、ク
サビ部材３Ａ内を伝播する内部反射波は、その一部が超
音波振動子３Ｂに戻るようになっている。

Ａ’ｌ＋ｊ’１′は、その場合の伝播経路及び距離を示
す。

従って、この時のクサビ部材３Ａ内の超音波の全伝播時
間Ｔ０を測定することにより、クサビ部材３Ａ内の音速
Ｃ２は次式によって算出し得る。

ｃｐ　−２（ｚ＋　−１−Ｊ、　’　）　／’ｒｅ　　
　　・・・・・・■また、クサビ部材３Ａの音速Ｃ９と
導波路ｌを伝播する超音波の位相速度■、との間には、
次式の関係がある。

Ｖｐ　　　−Ｃｏ　　　／ｓｉｎ　　　θ　五　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・
・■但し、θ五　：入射角（第４図参照） さらに、第１図に示す如く、導波路１の長さをＬとし、
超音波振動子３Ｂから発信された超音波が導波路１を伝
播してその先端で反射して超音波振動子３Ｂに到達する
場合の伝播時間をＴとすると、導波路１を伝搬する超音
波の群速度Ｖｑは、次式で表される。

Ｖｑ＝２Ｌ／Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・・・・
■となる。ここで、Ｌは固定値であることから、結局、
弐〇における全伝播時間Ｔを計時し当該式■を演算する
ことにより、必要とする導波路１の群速度を掻く容易に
算定することができる。

この群速度及び位相速度の演算は、後述する信号処理部
２０の第１演算部１３Ｂでとり行われる。

ここで、信号処理系について更に詳述すると、受信回路
部１２で受信される信号は、信号選択手段１３Ａを介し
て計時手段１３へ送られ、ここで伝播時間の°計時が行
われたのち信号処理部２０にて所定の信号処理がなされ
る。この信号処理部２０は、第１図に示すように第１の
メモリ１４と。

時間差算定手段１５と、記憶手段としての第２のメモリ
１６と、第２演算部１７とを有し、更に前記計時手段１
３と第２のメモリ１６との間に第１演算部１３Ｂを備え
た構成となっている。この信号処理部２０では、導波路
１　（又は２）の位相速度Ｖ２１群速度Ｖｑ及び被測定
媒体の音速■が演算される。この信号処理部２０におけ
る演算結果は、表示手段１８で表示されるようになって
いる。

信号処理部２０及び前述した計時手段１３等の各電気系
は、それぞれ主制御部３０によって駆動制御されるよう
になっている。

この主制御部３０は回路全体の動作のタイミングを一致
させるための全体的な駆動制御信号を出力するほか、測
定時の導波路１又は２における超音波位相速度を求める
第１の制御機能と、同じく導波路１又は２の超音波群速
度を求める第２の制御機能と、被測定媒体の音速を求め
る第３の制御機能とを有している。主制御部３０のこれ
らの制御機能は、本実施例では測定条件設定部３０Ａを
用いてオペレータの外部指令によって切換えられるよう
になっている。

次に、上記実施例の全体的な動作について説明する。

まず最初に、被測定媒体に対して導波路１，２及び超音
波送受波器３，４を第１図の如く配設する。続いて、装
置全体を稼働させると、受信側では第２図又は第３図に
示す受信波形が得られる。

この内、第２図のものは、超音波送受波器４を電気的に
切り離して一方の超音波送受波器３だけで送信動作と受
信動作とを行わせた場合に得られる波形、すなわち導波
路２を反射部材として使用した場合に得られる波形を示
す。ここで、ＴＲは送信波を又ＲＥば受信波を示す。受
信波ＲＥのうち、Ｗ、は超音波送受波器３内の反射面３
Ｃで反射されてきた受渡を、Ｗｔは超音波送受波器３内
の反射面３Ｃで２回反射されてきた受渡を示す。

また、Ｎ−２は被測定媒体中経路を２行程通ってきた受
渡を、Ｎ＝４は同様に４行程通ってきた受波を各々示す
。＊印は、Ｎ＝２の波が受波されてから導波路１を１往
復するのに要する時間分だけ遅れてきた受波を示す。

また、第３図のものは、超音波送受波器３を送波器とし
超音波送受波器４を受渡器とした場合に得られる波形を
示す。ここで、Ｎ＝１は被測定媒体中経路を１行程だけ
通ってきた受波を、Ｎ＝３は同様に３行程通ってきた受
波を各々示す。また、＊印はＮ−１の波が受波されてか
ら導波路２を１往復するのに要する時間分だけ遅れたき
た受波を示す。

Ｎ＝１の受信波については、次の二つの伝播経路が存在
する。第１の伝播経路は、導波路１を他端に向って伝播
中に漏洩した超音波が導波路２へ伝播し、当該導波路２
の他端で反射して超音波送受波器４に到達する場合がそ
れである。

第２の伝播経路は、導波路１の他端にて反射した超音波
が超音波送受波器３の方向へ戻る途中に被測定媒体中に
漏洩して導波路２へ伝播し超音波送受波器４に到達する
場合がそれである。

いづれの場合も伝播時間は同一である。

次に、主制御部３０の第１の制御機能を稼働させ、回路
全体を測定時における導波路１　（又は２）部分の位相
速度Ｖｑの測定状態（位相速度測定モード）に設定する
。回路全体がこの位相速度測定モードに設定されると、
他方の超音波送受波器４が送受信切換部１０から電気的
に切離され、一方の超音波送受波器３だけで送信動作と
受信動作を行い得るように設定される（この場合、送受
波器３の代りに送受波器４を用いてもよい）。第５図は
この場合の送受信信号の伝送状態を示すもので、発信回
路部１１から送信された送信信号ＴＲは、超音波送受波
器３及び受信回路部１２へ同時に送られ、また超音波送
受波器３からの内部反射波ＲＥも受信回路部１２へ送ら
れる。この各信号ＴＲ及びＲＥは、信号選択手段１３Ａ
を通過して計時手段１３へ送られ、ここで前述した時間
Ｔ０（但し、７’０ｘ　ｊ　、　−ｉ　ｔ）が計時され
、その時間データが第１演算部１３Ｂへ送られる。第１
演算部１３Ｂでは、測定時間Ｔ０に基づいて弐〇及び弐
〇の演算が行われ、その結果が第２のメモリ１６に記憶
されるとともに表示手段１８に表示されるようになって
いる。

次にオペレータによって主制御部３０の第２の制御機能
が稼働されると、回路全体が導波路１の群速度測定モー
ドに設定される。

この場合、本実施例では一方の超音波送受波器３が送信
動作をなし他方の超音波送受波器４が受信動作をなす。

すなわち、送信信号ＴＲと受信信号ＲＥとは第６図の如
く伝送される。この各信号ＴＲ，ＲＥは、信号選択手段
１３Ａを通過（信号選択手段がＮ−１と＊印の信号を選
択）して計時手段１３Ａへ送られ、ここで前述した時間
Ｔ（但し、Ｔ＝ｔ３）がＮ−１と＊印の受信信号の到達
時間差として計時され、その時間データが第１演算部１
３Ｂへ送られる。第１演算部１３Ｂでは、測定時間Ｔに
基づいて式■の演算が行われ、これにより求められた群
速度Ｖｑが位相速度ｖｐの時と同様に記憶され、同様に
表示手段１８に表示されるようになっている。

続いて、オペレータによる入力指令によって主制御部３
０の第３の制御機能が稼働されると、回路全体が被測定
媒体の音速測定モードに設定される。この被測定媒体の
音速測定モードにおいては、信号選択手段１３Ａの働き
により第３図におけるＮ＝１とＮ−３の受信波を通過せ
しめその伝搬時間が計時手段１３で具体的に計測される
。

計時手段１３では、二つの入力信号の伝播時間を計時し
た後その時間データを第１のメモリ１４へ順次送り込む
。この第１のメモリ１４は、Ｎ＝３の時間データを入力
するとＮ−１の時間データとともにこれを時間差算定手
段１５へ出力する。

この時間差算定手段１５では、直ちに時間差Δｔ（但し
、Δ１−１４）を算定し第２のメモリ１６へ記憶させる
ようになっている。

第２のメモリ１６では、このΔｔが入力されると、これ
らとともに予め記憶されている導波路１の超音波の位相
速度Ｖｑ及び群速度Ｖｑとを第２演算部１７へ出力する
。この第２演算部１７では、これらの入力情報に基づい
て式■を演算し、その結果得られる被測定媒体の音速■
をリアルタイムで表示手段１８へ出力し表示する。

次に、上記実施例における具体的な実験結果を第８図な
いし第１１図に基づいて説明する。

第８図に示す実験モデルにおいて、導波路１及び２とし
ては、それぞれ板厚０．９５　　（ｍ）の鋼板を使用し
、超音波送受波器として周波数１　（ＭＨ，）の可変角
探触子３３．３４を使った。可変角探触子のクサビをア
クリル樹脂で形成し、入射角は３１．５度に固定し、Ｓ
０モードの板波が被導波となるようにした。被測定媒体
として水道水（２１〔℃〕）を用いた。従って、この場
合、被導波の群速度Ｖｑ及び位相速度■、は、被測定媒
体５内でもほぼＳ０モードに等しいと考えて良い（１，
＾。

Ｖｉｋｔｒｏｖ、　ｒＲａｙｌｅｉｇｈ　ａｎｄ　Ｌａ
ｌ１ｂ　Ｗａｖｅｓ　Ｊ　Ｐ、１１７）。

印加した電気パルスは、２００（Ｖ□〕の正弦２波であ
る。観測された受信波形の１例を第９図に示す。図中、
Ｔは送波器の波形を示し、Ｒは受波器の受信波形を示す
。Ｎ＝１．３はそれぞれ水中経路が１行程及び３行程と
なる波を示す、水印はＮ−１の波がさらに導波路２を１
往復した波の受信波形を示す。本例では、Δｔ　＝７５
．１　（＃８）であった、＊印の波とＮ−１の波の到達
時間差から当該使用超音波における導波路２の群速度が
実験的に求まり、ｖ、＝５２００　（、／、）　とｆす
る。

また、アクリルの音速２７２０（、／、）と可変角探触
子の設定入射角３１．５℃とから位相速度が計算でき、
Ｖｊ　＝５３００　（、／、）であった。

一方、０式の関係を、導波路１及び２との間隔りを変え
て実測により確認した結果を第１ｏ図に示す。これより
、Δｔ　／　Ｄ　−１，２６（ｎ／　ｍ）を得ることが
できた。先に求めたＶｑ、Ｖｑにより０式から水の音速
Ｖが算出できる。その結果を第１１図に示す。温度は３
点をとって測定した。結果は、一般に公表されている値
と非常に良く一敗している。

このように、この実施例によると、導波路１及び２の長
さに無関係に被測定媒体５の音速Ｖを有効に求めること
ができ、受信波の内のＮ−１とＮ＝３の受信時間差を検
出するとともに、これに前後して導波路１の位相速度ｖ
２と群速度Ｖｑとを同時に測定することができ、従って
超音波送受波器３，４を被測定媒体内に没入させること
なく直ちに当該被測定媒体５の音速■を求めることがで
き、導波路１及び２の長短には無関係であることから、
例えば高温流体又は危険性の高い流体に対し遠方からの
リモート計測が可能となり、従って超音波送受波器３と
して通常のものを使用しても、充分耐久性を確保するこ
とができるという利点がある。また、被測定媒体５に対
する導波路１及び２の挿入寸法を大きく設定すると受信
感度が大きくなるが測定精度には直接の関係がないこと
から、導波路１及び２の長さ及び被測定媒体５内への投
入寸法も特に厳密さを要求されず、従って取扱いがいた
って容易となるというリモート測定として優れた性質を
備えた超音波センサ装置を得ることができる。

また、被測定媒体５への挿入寸法がそのまま超音波送受
波器３で受信する超音波レベルの大小に直接関係するこ
とから、被測定媒体５の液面水位等も同時に検知するこ
とができるいう利点もある。

更に、上記実施例において導波路を板状部材により形成
した場合を例示したが、他の部材１例えば丸棒部材、適
当な針金部材、パイプ状部材などで導波路を形成したも
のであってもよい。

なお、上記実施例においては、導波路１の群速度Ｖｑの
測定に際し、第３図で測定されるｔ、を使用する場合を
例示したが、第２図で測定されるｔ、を使用してもよい
、また、Δｔの測定に際して、上記実施例では第３図の
場合について例示したが、第１２図の如き構成のもとに
第２図の受信信号を得たのち、これに基づいて得られる
ｔ４（但し、１４＝Δｔ）を用いてもよい。また、上記
実施例においては、とくに導波路１の超音波の位相速度
ｖｐと群速度■、とをΔｔの測定に先だって求める場合
を例示したが、これらは逆の順序であってもよい。

更に、上記実施例では、オペレータの入力指令によって
第１．第２および第３の制御機能が稼働する場合を例示
したが、これらの制御機能は、逐次、自動的に稼働する
ものであってもよい。また、液体の音速測定が高精度に
可能であることから、例えば水のように温度と音速の関
係が詳細に知られている場合は、これに対応する液体の
温度変化も高精度に測定することができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上のように構成され機能するので、これによ
ると、導波路の長短には無関係に被測定媒体の音速を高
精度に測定することができ、こ耗がため、被測定媒体が
例えば高温流体又は危険性の高い流体であっても、遠方
からリモート計測が充分に可能となり、導波路の位相速
度及び群速度が不明であってもこれらを同時に測定する
ことがＡき、従って演算に必要な変数のすべてをリアル
タイムで測定したのち音速の演算を行うことから温度補
正を全く不要とした高精度の音速測定を行うことができ
るという従来にない優れた音速測定方法およびその装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体的構成図、第２図
ないし第３図は各々第１図における送信波形および受信
波形の一例を示す説明図、第４図は第１図で使用される
超音波送受波器を示す一部省略した断面図、第５図ない
し第７図は各々第１図の動作説明図、第８図ないし第１
１図は各々−実験例を示す説明図、第１２図は他の実施
例を示す全体的構成図である。 １．２・・・・・・超音波導波路、ＩＡ、２Ａ、ＩＢ。 ２Ｂ・・・・・・超音波反射手段、３，４・・・・・・
超音波送受波器、１０・・・・・・送受信切換部、１■
・・・・・・発信回路部、１２・・・・・・受信回路部
、１３・・・・・・計時手段、１３Ａ・・・・・・信号
選択手段、１５・・・・・・時間差算定手段、１６・・
・・・・記憶手段としての第２のメモリ、１７・・・・
・・音速演算手段としての第２演算部。 特許出願人　　中　鉢　憲　賢（ばか１名）第１図 第２図 ― 第４図 第５図 第６図 第７図 第１Ｏ図

【μＳ】

第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、同一に形成された一対の超音波導波路を一定距
   離をおいて相互に対向させるとともに、これら超音波導
   波路の各他端部相互間に被測定媒体を介在せしめ、その
   後、前記一方もしくは他方の超音波導波路の使用超音波
   における位相速度Ｖ＿ｐと群速度Ｖ＿ｑとを測定し、こ
   れらの測定に相前後して当該超音波導波路の一端部から
   他端部に向けて超音波を伝播せしめるとともに、該超音
   波導波路から漏洩した超音波が被測定媒体を介して他方
   の超音波導波路の一端部で最初に受信されるまでの時間
   と、当該他方の超音波導波路から更に被測定媒体内へ漏
   洩した超音波が前記一方の超音波導波路との間を往復伝
   播して受信されるまでの時間との差Δｔを求め、これら
   の各測定値に基づいて下式、すなわち、 Ｆ＿１（Ｖ＿ｐ、Ｖ＿ｑ、Δｔ、Ｖ）＝０ を演算し前記被測定媒体の音速Ｖを特定することを特徴
   とした音速測定方法。
2. （２）、一端部に超音波送受波器を装備するとともに被
   測定媒体内に配設される他端部に超音波反射手段を備え
   た一対の超音波導波路と、前記各超音波送受波器の各々
   に発信回路部と受信回路部とを必要に応じて交互に切換
   接続する送受信切換部とを有し、 前記受信回路部に、前記各導波路の一方から他方へ漏洩
   する超音波が被測定媒体内を伝播して他方の超音波導波
   路の超音波送受波器に受信されるまでの時間と、当該他
   方の超音波導波路から更に被測定媒体内へ漏洩した超音
   波が前記一方の超音波導波路との間を往復伝播して受信
   されるまでの時間とをそれぞれ測定する計時手段と、こ
   の計時手段にて測定される二つの受信波の到達時間差を
   算定する時間差算定手段と、この時間差算定手段の出力
   を記憶する記憶手段とを併設し、 この記憶手段に、前記導波路の当該音速測定時における
   使用超音波の位相速度及び群速度を測定し記憶せしめる
   とともに、この記憶手段の出力情報に基づいて所定の演
   算を行い前記被測定媒体の音速を算定する音速演算手段
   を併設したことを特徴とする音速測定装置。