JP2002519634A - ガスの音速の測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスの音速を決定するための方法及び装置。音響送信機は、共振器の内部へ音響信号を投入するよう構成され、音響受信機は共振器内の音響信号の振幅を検出するよう構成されている。制御手段は、検出された非半径方向共振モードの周波数から、共振器内のガスの音速を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、ガスの音速を測定するための方法及び装置に関連する。ガスの音速
は、ガスのその他の特性を決定するのに非常に有用である。

【０００２】 M. Bretz、M. L Shapiro及び M. R. Moldoverが、「球形音響共振器（Spheric
al Acoustic Resonators）」というタイトルでアメリカン・ジャーナル・オブ・
フィジクス第５７巻に開示しているように、ガスの音速の正確な測定は、共振器
を使って行うことができる。この共振器には試験ガスのサンプルが入れられ、そ
の壁には音響送信機及び音響受信機が設けられている。この音響送信機は、ある
周波数範囲にわたって駆動され、音響送信機を駆動する各周波数について、音響
受信機から信号の振幅が得られる。そして、音響受信機がピックアップする最も
強く鋭い信号、すなわち第一共振半径方向モード（the first resonant radial
mode）が検出される。共振周波数は共振器内の試験ガスの音速の線形関数なので
、試験ガスの音速を決定することが可能となる。

【０００３】 一定半径の球形共振器に対して、中に入れられたガスは一連の音響共振を示す
。これらの共振は、三次元定在波によるものである。理想的な装置では、共振周
波数（ｆ）は、球面ベッセル関数（ｚ）、音速（ｃ）、そして球の半径（ｒ）の
関数であり、次のように与えられる： ｆ＝ｃｚ／（２πｒ） 半径方向モードが使われるのは、このモードでは音が球の壁に直角に当たり、
このため粘性抵抗に起因するエネルギーのロスが起こらず、正確に検出するのが
それほど難しくない鋭い共振ピークを生ずるからである。

【０００４】 音響球形共振器の基礎的な数学モデルを用いた以前の研究では、０．０２％の
精度の音速測定が報告されている。

【０００５】 しかしながら、球形共振器の共振周波数は球の半径に反比例するので、音響送
信機の周波数範囲内で第一共振半径方向モードを生成するために、共振器は、通
常少なくとも１２ｃｍの半径を有している。しかしながら、ガスパイプなどのガ
ス源の中に挿入して簡便に検査するのに使用したり、あるいは便利で小型のハウ
ジング内で使用するには、このような寸法の共振器では大きすぎる。もしも共振
器が、例えば直径３ｃｍの球まで小さくなると、第一共振半径方向モードは約１
８ｋＨｚで生じ、これは音響送信機（２０Ｈｚ〜１３ｋＨｚ）の範囲を超えてし
まう。

【０００６】 本発明の第一の形態では、ガスの音速を決定するための装置は、 テストしようとするガスを中に入れる実質的に球形の共振器と、 共振器内へ音響信号を供給する音響送信機と、 共振器内の音響信号の振幅を検出する音響受信機と、 検出された共振モードの周波数から試験ガスの音速を決定する制御手段とを含
んで構成され、 検出された共振モードは非半径方向共振モード（non-radial resonant mode）
であり、共振器の内側の半径は実質的に５ｃｍ又はこれより小さいことを特徴と
する。

【０００７】 本発明のさらに別の形態では、ガスの音速を決定する方法は、 音速を決定しようとするガスが入れられた実質的に球形の共振器の内部に音響
信号を供給する工程と、 共振器内の音響信号の振幅を検出する工程と、 検出された共振モードの周波数から、共振器内のガスの音速を決定する工程と
を含んで構成され、 検出された共振モードは非半径方向モードであり、共振器の内側の半径は実質
的に５ｃｍ又はこれより小さいことを特徴する。

【０００８】 本発明者は、以前から用いられていた第一共振半径方向モードの周波数よりも
小さい周波数で起こる第一非半径方向共振を用いる。この第一非半径方向モード
では、共振周波数をトランスデューサの範囲内に維持しながら、以前の共振器よ
りも小さい寸法の共振器を用いて音速を検出することが可能となる。このため、
より小型の共振器を例えばプローブとして使用することが可能であり、高精度を
維持しながら、既存のガスパイプ内に挿入したり、より小型のハウジング内に設
置することができ、非常に便利である。

【０００９】 共振器の内側の半径は、４ｃｍ又はこれ以下、３ｃｍ又はこれ以下、２ｃｍ又
はこれ以下、そして望ましくは１．５ｃｍ又はこれ以下といった小型のものにす
ることが可能であり、非常に便利である。

【００１０】 半径が１．５ｃｍの実質的に球形の共振器の場合、第一非半径方向モードはガ
ス内に９ｋＨｚ前後で起こることが見出された。これはうまく音響トランスデュ
ーサの周波数範囲（２０Ｈｚ〜１３ｋＨｚ）に含まれている。

【００１１】 球形共振器を用いると、最も精確な音速測定が可能となる。球はその中心を通
るすべての平面内で対称であるため、熱膨張などによる補正を比較的簡単に行う
ことができる。

【００１２】 加えて、音響送信機及び音響受信機を、共振器の空洞の外側に配置することが
でき、このため共振系に重大な乱れを与えない。シリンダを用いた場合は、これ
とは対照的に音響送信機及び音響受信機は経路長に影響を与えることになり、シ
リンダの膨張と同じように、送信機及び受信機のどのような膨張についても考慮
しなければならない。

【００１３】 第一非半径方向共振モードの精確な共振周波数、すなわち精確な音速測定値を
与えるよう共振曲線を急峻にするには、音響送信機と音響受信機の相対的な直線
的位置が非常に重要であることが見出された。また、この相対的な位置は、構造
的な誤差に起因して、各共振器によってわずかに異なっていることが明らかとな
った。このことを考慮するため、音響送信機及び音響受信機を、これらの相対距
離が変えられるように共振器に取り付けることが望ましい。このようにすると、
較正の際に最適なピークの急峻さが得られるようこれらの相対位置を変えること
ができる。

【００１４】 第一非半径方向モードに対して最大の振幅のピークを検出するためには、共振
器が実質上球形の場合、音響送信機と音響受信機を、実質上対向する位置、すな
わち実質上互いに１８０°の角度だけ離間するよう配置するのが望ましい。

【００１５】 以前は、音響送信機は高い電圧で動作していた。例えば前掲のM. Bretzらの論
文の送信機の場合は１５０Ｖという高い動作電圧だった。しかしながら、共振器
を例えばメタンや天然ガスといった可燃性のガスと共に使用する場合には、潜在
的な危険を伴うことになる。本発明の小さい共振器では、例えば補聴器のスピー
カとして使われる５Ｖという低電圧の小型送信機を用いることができるので、安
全性は非常に高い。

【００１６】 以下において、添付図面を参照しながら、さらに本発明の実施の形態について
説明する。

【００１７】 以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

【００１８】 図１に示すように、マイクロプロセッサを含むか或いはマイクロプロセッサそ
のもものである駆動回路１は、ラウドスピーカ２を駆動するための適切な周波数
範囲のサイン波信号を生成するよう構成されている。ラウドスピーカは、共振器
３の内部に音響信号を投入するよう構成されている。マイクロフォン４は、共振
器内の音響信号の大きさをピックアップするよう構成されている。マイクロフォ
ンからの信号は、適当な電子回路５によってフィルタリングされ増幅され、そし
て処理手段６は、共振器内のガスに関連する共振周波数を決定し、その音速を決
定する。

【００１９】 図２に示した共振器３は、この場合は剛体の球である。例示した共振器は、Ｃ
ＮＣ（コンピュータ数値制御）によって機械加工された二つの金属（この場合は
銅である）の半球３１、３２から構成されており、それらは内側の半径が１．５
ｃｍ、壁の厚さが３ｍｍであり、両者が互いに溶接されて球を形成している。

【００２０】 半球３１、３２の二つの頂部で、ラウドスピーカ２及びマイクロフォン４が支
持されており、これらは、図２に示すように半球がつなぎ合わされたときに、マ
イクロフォンからの信号の振幅が最大となる１８０°の角度だけ互いに離れた状
態になる。

【００２１】 共振器には、多数のガス放散通路３３が設けられている。図２にはこのうちの
一つだけを示してある。この通路によって、ガスは共振器３の内外で放散される
。各半球３１、３２には、望ましくは、９０°ずつ離れた四つのガス放散通路３
３を設ける。ガス放散通路３３は、望ましくは、共振器のハウジングにドリルで
穴をあけ、削りくずを除去して、共振器の内部に対して反復可能な面を与える。

【００２２】 別の方法として、共振球を、焼結した材料などの多孔性材料から形成すること
もできる。この場合は、図２に示した銅の共振球のようなガス放散穴３３は必要
なく、したがって穴３３に起因する共振周波数の乱れを軽減することができる。
使用する多孔性材料は、周囲温度の変化に伴う共振器の寸法の変動に対して必要
となる補正の総量が少なくなるよう、銅よりも熱膨張が小さいことが望ましい。

【００２３】 ここで使用するラウドスピーカ２は、供給電圧が５Ｖ、パワーレベルが３３ｍ
Ｗの補聴器に使用される小型のラウドスピーカで、マイクロフォン４はサブミニ
チュア・マイクロフォンである。

【００２４】 図３は、マイクロフォン４をどのように共振器３に取り付けるかを示している
。共振器には通路４１が設けられている。これは望ましくは、ドリルで穴をあけ
、削りくずを除去して形成する。共振器の外側に通路４１と中心が一致するよう
設けられた円柱状のスピンドル４２は、共振器に取り付けるか、あるいは共振器
の一部として形成される。スピンドル４２は、望ましくは、長さが１０ｍｍで、
内径はマイクロフォン４を十分に収容できる寸法とし、ここでは５ｍｍとする。
スピンドル内でのマイクロフォン４は、ラウドスピーカが共振器に共振周波数を
投入したときに最も鋭い出力信号ピークが得られる最適点に置くことができるよ
う、長さ方向に沿ってその位置変えることができる。マイクロフォン４は、接着
剤４３を使って、スピンドル４２内の最適位置に固定される。接着剤は、固まっ
て不規則な形状になると共振周波数に乱れを生じさせる原因となるので、共振器
の空洞内へは入らないようにすることが望ましい。マイクロフォン４には、望ま
しくはリム４５を設け、その直径をスピンドル４２の内径とほぼ等しくすること
によって、接着剤が共振器へ入るのを防ぐ。あるいはまた、マイクロフォン４が
スピンドル４２内にぴったりと嵌り込むようにしてもよい。マイクロフォン４は
、コネクタ４６によって電気的にフィルタリング及び増幅回路５に接続されてい
る。

【００２５】 ラウドスピーカ２も、図３に示したマイクロフォン４と同じ方法で取り付ける
ことができるが、この例では図４に示すように、共振器の内側から特定の距離だ
け離して固定される。

【００２６】 図４では、長さが約２ｍｍのスピンドル２１は、共振器３に取り付けられるか
、あるいは共振器の外壁の一部として形成される。１．５ｍｍの通路２２は、ド
リルでスピンドル２１及び共振器の壁を通してあけられ、削りくずが除去されて
形成されている。ラウドスピーカ２は、スピンドル２１の外側から通路２２を覆
うように取り付けられている。ラウドスピーカは、通路２２へ確実に入らないよ
うにされた接着剤を用いてスピンドル２１に固定されている。ラウドスピーカは
コネクタ２３によって電気的にフィルタリング及び増幅回路１に接続されている
。

【００２７】 最も鋭い出力ピークが得られるよう、マイクロフォンとラウドスピーカの両方
の位置を可変とするか、あるいはマイクロフォンとラウドスピーカのうちの一方
を固定し、他方を可動とする。

【００２８】 機械加工の許容誤差に起因して生じる、例えば有効半径が異なるといった各共
振球における僅かな誤差があるため、各共振器は、 ｃ＝ｆ×Ｋ という式を使って個別に較正する。

【００２９】 各共振器は、ＧＡＳＶＬＥなどのガスの特性を予測するためのコンピュータモ
デルを用いて、あるいは適当な方法で測定することによって、音速（ｃ）が既知
となっているガスを用いて較正される。そして、較正された共振器内の音速が既
知のガスについて共振周波数（ｆ）を測定して、定数Ｋが得られる。較正された
共振器とこれに関連する定数Ｋとを用いることによって、任意のガスに対して測
定された共振周波数から音速を決定することができる。この場合の誤差は約０．
１％程度と考えられる。共振器の体積に影響を与える周囲温度の変化を補償する
ことによって、ガスの音速は約０．０５％程度というさらに小さい誤差で決定さ
れる。

【００３０】 ラウドスピーカは、図１に示した電子回路１によって駆動され、共振器３の第
一の非半径方向共振ピークの周波数を含む適切な周波数範囲にわたるサイン波信
号を与える。ラウドスピーカは、周波数掃引で駆動される。マイクロフォンは出
力電圧を与え、これは図５に示すようにマイクロフォンが現在駆動されている周
波数に対応してフィルタリングされ増幅される。これには電子回路に起因する小
さな遅延が伴っている。マイクロフォンが最も大きい出力電圧を生成する周波数
は、非半径方向共振周波数として決定される。これは図５では、２０℃において
８８６０Ｈｚである。

【００３１】 連続的な周波数範囲のサイン波に対する近似波形の生成について、以下に述べ
る。

【００３２】 図６及び図７に示すように、マイクロプロセッサ１１０には、電圧制御発振器
から、ライン１１１を通してクロック信号１０１が供給される。マイクロプロセ
ッサとしては、例えば Hitachi HD6473048F16などの他、適切なものであれば任
意のものを使用することができる。マイクロプロセッサ１１０は、ライン１１１
からの入力クロック信号１０１を処理して、図６に示すようにそれぞれが同じ周
波数のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号１０２、１０３、１０４をそれぞれライン１
１２、１１３、１１４上に生成する。ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４は、こ
こでは抵抗１１５、１１６、１１７からなる重み付け加算回路を用いることによ
って結合され、サイン波に対する近似波形をライン１１８上に生成する。図６に
示したサイン波に対する近似波形１０５は、それぞれが固定されたデューティー
サイクル（オフの時間に対するオンの時間のパーセンテージ）を有するＰＷＭ信
号１０２、１０３、１０４と同じ周波数を有している。

【００３３】 この例では、合成されたサイン波に対する近似波形１０５の各サイクルはクロ
ック信号１０１の１６サイクル分に相当するが、８サイクル分、３２サイクル分
、あるいはその他であってもよい。ＰＷＭ信号１０２の立ち上がり１２１と立ち
下がり１２２は、それぞれクロック信号１０１の６サイクル目と１０サイクル目
の終了に同期してトリガーされる。ＰＷＭ信号１０３の立ち上がり１３１と立ち
下がり１３２は、それぞれそクロック信号の４サイクル目と１２サイクル目の終
了に同期してトリガーされる。ＰＷＭ信号１０４の立ち上がり１４１と立ち下が
り１４２は、それぞれそクロック信号の２サイクル目と１４サイクル目の終了に
同期してトリガーされる。

【００３４】 各ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４は、その後重み付け抵抗１１５、１１６
、１１７をそれぞれ通過する。抵抗１１５、１１６、１１７の値の比はサイン波
のもっとも良い近似波形となるように選ばれるが、この場合は、抵抗１１５は５
１ｋΩ、抵抗１１６は３６ｋΩ、抵抗１１７は５１ｋΩである。

【００３５】 ＰＷＭの方形波からサイン波の近似波形を生成するためには、第３高調波、第
５高調波、第７高調波、…などの高調波を抑え、第１高調波を維持するのが望ま
しい。図６に示した上記の方法を用いると、抵抗の許容差に起因するいくつかの
残留効果を別にすると、第３及び第４高調波は本質的に排除される。この例では
、サイン波生成装置は、ラウドスピーカ２を駆動するのに７．５ｋＨｚから１１
．８ｋＨｚの範囲のサイン波と、マイクロフォン４によって検出されたラウドス
ピーカからの送信信号を生成するのに用いることを意図している。このような方
法で使った場合、第７高調波あるいはこれ以上の高調波に起因する送信信号はマ
イクロフォンの帯域限界の外側に位置することになるので、第７高調波あるいは
これ以上の高調波は、これらの高調波を除去するためのさらなるフィルタリング
や調整を必要としないレベルまで低減される。この装置をより低い周波数のサイ
ン波の生成に用いる場合は、低域フィルターを使うことによって、或いはさらな
るパルス幅変調信号を使ってサイン波に対するよりよい近似波形を生成すること
によって、第７高調波及びそれ以上の高調波の効果を排除するか、あるいは非常
に小さくすることができる。

【００３６】 各抵抗１１５、１１６、１１７からの出力は、共通のライン１１８上で結合さ
れて、図６に示すようなサイン波に対する近似波形１０５を生成する。そして信
号１０５は、共通のライン１１８とグランドとの間に接続されたキャパシタ１１
９によって低域フィルタリングされて、接続ポイント１２０において検出される
。

【００３７】 図８は、電圧制御発振器１６０を示している。これは発振出力１６１を生成し
、その周波数は、入力１６２に供給される駆動信号の電圧に依存する。しかしな
がち、出力周波数がアナログ入力の値に依存するデバイスであれば、どのような
ものでも使用可能である。

【００３８】 本発明のこの例では、Analog Devices社の AD654という電圧−周波数コンバー
タを使用している。図８は、このAD654のブロックダイアグラムを示している。
汎用演算増幅器１６３は入力段の役割を果たすが、その目的は、入力電圧信号１
６２を駆動電流に変換し、調整することである。駆動電流は、電流−周波数コン
バータ１６５（非安定マルチバイブレータ）に伝達される。コンバータ１６５の
出力は、トランジスタ１６４をコントロールする。

【００３９】 図８の回路接続では、入力増幅器１６３は、１６２の入力電圧に対して非常に
高いインピーダンス（２５０ｍΩ）を示し、これはピン３のスケーリング抵抗１
６７によって適当な駆動電流に変換される。この例では、抵抗１６７と１６８は
１．２ｋΩである。

【００４０】 図７に示した出力の接続ポイント１２０に生成されるサイン波に対する近似波
形の周波数は、例えば温度変動や電気部品の機能の違いなどのために、図８に示
した入力１６２に供給される駆動信号の電圧から常に正確に決まるものではない
。このため、後述のように、サイン波に対する近似波形の出力と同じ周波数であ
るＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４それぞれを伝達するライン１１２、１１３
、１１４のいずれかに、マイクロプロセッサ１１０を接続する。このマイクロプ
ロセッサは、選択したＰＷＭ信号のサイクルの数を、例えば１秒といった決めら
れた期間にわてってカウントする。これにより、サイン波の実際の出力周波数を
正確に決定することができる。マイクロプロセッサ１１０が一定期間にわたって
サイクルの数をカウントするのは、サイン波に対する近似波形１０５ではなく、
ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４であるが、これはＰＷＭ信号がより正確に定
義された明確なオン／オフ状態を有しており、この方がカウントが容易でより良
い結果を与えるからである。

【００４１】 別の方法として、マイクロプロセッサ１１０が一定期間にわたってクロック信
号１０１のサイクルの数をカウントし、これをＰＷＭ信号の各サイクルを生成す
るのに必要なクロック信号のサイクルの数で割ることによってサイン波の周波数
を決定することもできる。

【００４２】 さらに別の方法として、あるいは追加として、マイクロプロセッサが予め決め
られているクロックサイクルの数またはＰＷＭのサイクルを生成するのに要した
時間を測定し、これからサイン波に対する近似波形の周波数を計算してもよい。

【００４３】 発振器１６０は連続的な周波数範囲の発振信号を生成するので、サイン波は連
続的な周波数範囲で生成される。

【００４４】 サイン波に対する近似波形を生成するために、マイクロプロセッサと共にすぐ
に入手できる小型で（AD654用には、９．９１ｍｍ×７．８７ｍｍ×４．５７ｍ
ｍ、８ピンのプラスチックＤＩＰ形態のもの、あるいは４．９０ｍｍ×３．９１
ｍｍ×２．３９ｍｍ、８ピンのＳＯＩＣ形態のもの）安価なデバイスである周波
数可変の方形波を生成する発振器を用いると、連続的な周波数範囲にわたるサイ
ン波に対する近似波形を生成でき、かつ、小型であるため小型のプローブや小型
のハウジングなどに取り付けることができるデバイスを製造することが可能とな
る。マイクロプロセッサは一般に多くのプローブや他の目的の電子装置に用いら
れているので、連続的な周波数範囲にわたるサイン波に対する近似波形を生成す
るために追加しなければならないスペースは、小型の可変周波数方形波生成発振
器のためのスペースだけである。

【００４５】 発振器は必ずしも電圧制御発振器である必要はなく、連続的な周波数範囲の信
号を供給するよう構成されたデバイスであれば、任意のものを使用できる。

【００４６】 サイン波に対する近似波形も、必ずしも三つのＰＷＭ信号から生成しなければ
ならないというものではなく、サイン波に対して必要とされる近似のレベルに応
じて適切な数から生成することができる。さらに、サイン波の各サイクルが１６
クロックサイクルに対応していることも必須のことではなく、８サイクル、３２
サイクルなど任意の適切な数とすることができる。

【００４７】 共振周波数（マイクロフォンによって生成される信号の振幅が最大となる周波
数）を迅速かつ正確に決定するために、はじめに、図９にＳ１で示した共振が起
こると思われる周波数範囲について迅速で粗い周波数掃引が行われる（この場合
は１０〜１５Ｈｚのステップで）。マイクロプロセッサなどの制御手段は、最初
の粗い周波数掃引の中で最大値が現れた狭い周波数範囲を特定する。そして、最
大値が生じる周波数を正確に決定して共振周波数を特定するために、この特定さ
れた狭い周波数範囲内で、さらなる周波数掃引（Ｓ２）が、より小さい周波数ス
テップ（この場合は１Ｈｚ）で行われる。

【００４８】 上記のような粗い周波数掃引と狭い周波数範囲での細かい周波数掃引とを組み
合わせることによって、共振周波数の正確な値を、たとえば数分の１秒という短
時間で迅速に決定することができる。マイクロプロセッサなどの制御手段は、連
続して検出される複数の周波数値を平均して（Ｓ３）ノイズに起因する誤差を小
さくする。そして、共振時にラウドスピーカ２を駆動するよう生成されたサイン
波の周波数を示すＰＷＭ信号の周波数が決定される（Ｓ４）。

【００４９】 ここで、共振周波数の決定について詳しく説明する。

【００５０】 上で述べたＰＷＭ信号を生成するマイクロプロセッサ１１０と同じマイクロプ
ロセッサが、ここでは共振器内のガスの共振周波数を決定するアルゴリズムの実
行にも用いられる。マイクロプロセッサ１１０の代わりに、ＰＣを適当なプラグ
イン形態のデータ取得カードと共に使用してもよい。

【００５１】 共振周波数を決定するために、マイクロプロセッサ１１０は、図１０に示すよ
うにアナログ出力２０１、ディジタル入力２０２、そしてアナログ入力２０３を
有している。

【００５２】 アナログ出力２０１は、ラウドスピーカ２に投入される周波数をコントロール
するために、図８に示した電圧−周波数コンバータ１６０の入力１６２に接続さ
れている。この場合、アナログ出力２０１は二つの出力（不図示）からなってお
り、この両方が電圧−周波数コンバータ１６０の入力１６２に接続されている。
このうち一方の出力は粗い周波数掃引をコントロールし、他方は細かい周波数掃
引をコントロールする。二つの出力はそれぞれＤ／Ａコンバータを通る。ただし
、ここではマイクロプロセッサ１１０そのものの中に設けられている。そして必
要なレベルの解像度を与える適当な抵抗を通される。この場合、粗い周波数制御
のための抵抗は３６ｋΩであり、細かい周波数制御のための抵抗は２．２ＭΩで
ある。

【００５３】 前に説明したように、ラウドスピーカを駆動するサイン波信号に対する近似形
の周波数は、温度の変動や電子部品の性能のばらつきなどのために、アナログ出
力２０１からの駆動信号の電圧から常に正確に決めることはできない。ラウドス
ピーカ２を駆動するサイン波に対する近似波形と同じ周波数であるＰＷＭ信号１
０２、１０３、１０４のうちのどれか、あるいはクロック信号１０１を、入力２
０２からマイクロプロセッサ１１０へ供給して、前に述べたように、サイン波に
対する近似波形１０５の周波数を計算する。

【００５４】 アナログ入力２０３はマイクロフォンによって受信される信号の振幅を表して
おり、これは外部のＡ／Ｄコンバータを介してマイクロプロセッサ１１０に接続
されている。共振周波数の位置を決めるプロセスは、アナログ入力２０３が最大
となる周波数を特定することである。

【００５５】 共振周波数の位置を決めるプロセスは四つのステージに分けることができる。
最初の三つのステージＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ共振を探すためにラウドス
ピーカの周波数を変えることを含んでいる。共振の位置が決められると、最後の
ステージＳ４で共振周波数が測定される。

【００５６】 第一のステージＳ１では、アナログ出力電圧２０１の各ステップに対してアナ
ログ入力２０３の読みを約１回ずつとりながら、許容される周波数範囲にわたっ
て素早い掃引を行う。許容される周波数範囲は、ガスの組成の期待される組み合
わせ、温度、圧力に対して非半径方向共振が起こると思われる周波数に掃引が制
限されるようなものとして選択される。許容される周波数範囲の限界を課してい
るのは、共振周波数の位置を決めるのに要する時間を短くするとともに、望まな
い共振ピークの位置を決めてしまうというリスクを減らすためである。アナログ
出力２０１からの制御電圧とマイクロフォンの周波数との間の正確な関係は分か
ってはいないが、共振を探そうとする許容される周波数範囲の設定に使うのには
十分によく近似することができる。今回の例では、周波数範囲は７．５ｋＨｚか
ら１１．８ｋＨｚ（４．３ｋＨｚ）で、周波数のスキャン速度は毎秒８６ｋＨｚ
であり、マイクロフォンのサンプリングレートは毎秒１００，０００サンプルで
、マイクロフォンは各方向に合計で５１００サンプルを生成する。

【００５７】 共振周波数の位置を決めるために、マイクロプロセッサは、入力２０３におけ
るマイクロフォンからの信号の振幅のピークを探し、そのピークのときに用いら
れる周波数制御電圧を確定するよう構成されている。

【００５８】 出力２０１の周波数制御電圧における変化の結果としての入力２０３のマイク
ロフォンからの信号の振幅の変化を生成するのにハードウェアが有限の時間を要
することを考慮して、第一ステージＳ１では、アナログ出力電圧２０１の範囲全
体についての上向きの最初のスキャンと、同じアナログ出力電圧の範囲について
の下向きの二番目のスキャンとを行う。逆に、このアナログ出力電圧の範囲につ
いて最初のスキャンを下向きに行い、二番のスキャンを上向きに行うことが可能
であることは明らかである。上向きのスキャンを行うときは、ピークが検出され
た時点で供給されている周波数制御電圧２０１は、応答時間がかかるために、ピ
ークを起こさせた電圧よりも僅かに高くなっている。下向きのスキャンを行うと
きは、周波数制御電圧２０１は、ピーク電圧よりも僅かに低くなっている。両方
のスキャン方向について応答時間が同じだと仮定すれば、この二つの電圧の平均
が、共振時の正しい電圧を与えることになる。

【００５９】 ハードウェアによる有限の応答時間を考慮する第二の方法を、最初と二番めの
スキャンを反対方向に行う方法と関連させて、図１１に示す。この第二の方法は
、応答時間Ｔについての予測値を用いて、受信したマイクロフォンのデータ値Ｍ
のピーク３０１を、予測した応答時間Ｔ及び周波数制御電圧の時間に対する特性
３０２に基づいて、このマイクロフォンのデータ値を生成した周波数制御電圧Ｖ
（図１１に破線３０３で示す）に合わせる。このためマイクロフォンは、周波数
制御電圧Ｖが時刻ｔ₁でスキャン動作を終了したあとも、しばらくはデータ収集
を継続する。この第二の方法では、図１１に示すように、マイクロフォンのデー
タＭの収集が周波数制御電圧３０２のスキャンと同期していたならば見逃してし
まうような、周波数制御電圧３０２の上向きスキャンにおけるスキャン限界近傍
に存在する例えばピーク３０１のようなピークでも、見出すことが可能となる。
予測した応答時間が正確であるとすれば、上向及び下向きのスキャンそれぞれに
おける応答ピークを生じさせた電圧として見出されたＸとＹの値は、正確に等し
くなるはずである。しかしながら、図１１に示すように、この予測値は僅かなが
ら不正確な場合があり、そのような場合には、上向きのときの周波数制御電圧と
下向きのときの周波数制御電圧は僅かながら異なるので、これらは平均化される
。

【００６０】 第２ステージＳ２は、第１ステージにおいて共振ピークを含んでいると特定さ
れた小さい周波数範囲について、第一ステージと同じスキャンを用いる。第２ス
テージでは、第一ステージによって得られた共振での周波数制御電圧を、より小
さなスキャン周波数範囲での中心点として用いる。この例では、第２ステージの
周波数スキャン範囲は１５０．５Ｈｚである。

【００６１】 しかしながら、最初のスキャンの結果が、第２ステージの周波数制御電圧の範
囲の端部限界の一方に近すぎるために中心点に使うことができない場合もありう
る。このような場合には、第２ステージでのスキャンを、周波数制御電圧の範囲
の適当な端部限界に固定する。

【００６２】 周波数制御電圧のステップサイズも、第２ステージでは異なる。速度について
も、第１ステージでは周波数制御電圧の最大解像度は用いないが、第２ステージ
ではより正確な共振周波数値を求めるために、これを用いる。

【００６３】 第２ステージでは、ラウドスピーカの周波数の時間に対する変化速度として、
より遅い変化速度を用いる。すなわち、第１ステージでの毎秒８６．０ｋＨｚで
はなく、毎秒２．１５ｋＨｚとする。この例では、第２ステージのマイクロフォ
ンのサンプリングレートも、より小さい毎秒２５，０００サンプルであり、トー
タルで生成するマイクロフォンサンプルは１８００サンプルである。

【００６４】 最終的な値は、マイクロフォンのデータを平均化し、したがって信頼できる結
果が生成されるスキャンを行う第３ステージによって得られる。第２ステージと
同様に、このステージでも、その前のスキャンで得られた結果を、その中心点と
して用いる。もし、第２のスキャンの結果が、第３ステージＳ３の周波数制御電
圧の範囲の端部限界に近すぎるために中心点に使うことができない場合には、第
３ステージでのスキャンを、周波数制御電圧の範囲の適当な端部限界に固定する
ことができる。しかしながら、この第３ステージのスキャンは、前の各ステージ
に比べてゆっくり、丁寧に行われる。このため、このステージでカバーする周波
数制御電圧の値はより少なく、一般には２４またはそれ以下で、ここでは２１と
する。それぞれの値に対してアナログ出力２０１が設定され、そして数ミリ秒で
、この例では５ミリ秒で、回路は安定する。この安定化するまでの時間が経過す
ると、マイクロフォン電圧の所定数（この場合は２０）のサンプルが採られ、合
計される。この処理は、各周波数制御電圧値に対して繰り返され、そしてピーク
値が確定される。これが、共振周波数制御電圧値である。

【００６５】 最後の第４ステージＳ４では、共振値における周波数を保持し、ＰＷＭ信号１
０２、１０３、１０４あるいはディジタル入力２０２に供給されるクロック信号
１０１を用いて、ラウドスピーカ２を駆動する信号の周波数を測定する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 共振器を用いてガスの音速を測定するシステムの全体的な動作を示したブロッ
クダイアグラムである。

【図２】 本装置で使用される実質的に球形の共振器を示している。

【図３】 音響受信機がどのように共振器に取り付けられるかを示している。

【図４】 音響送信機がどのように共振器に取り付けられるかを示している。

【図５】 音響受信機によって受信されたある周波数範囲の信号の振幅を示している。

【図６】 クロック信号どのように用いてパルス幅変調された複数の信号を生成し、これ
らがどのようにサイン波に対する近似波形を生成するかを示している。

【図７】 図６に示した動作を実行するための電子回路システムを示している。

【図８】 クロック信号を図６に示したシステムに供給するための電圧制御発振器を示し
ている。

【図９】 共振周波数を決定する動作のシーケンスを示している。

【図１０】 共振周波数を決定するための処理手段への接続を示している。

【図１１】 有限のハードウェア応答時間を考慮する方法を示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーン ディヴィッド イギリス レスターシャー エルイー11 ２キューエイ ラフボロー ジュニパー ウェイ 45 (72)発明者 プライス バリー レナード イギリス レスターシャー エルイー12 ８アールジェイ クウォーン スウィンフ ィールド ロード ４ Ｆターム(参考） 2F035 DA08 2G047 AA01 BA04 BC04 CA07 EA10 EA19

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスの音速を決定する装置であって、 試験ガスを中に入れる実質上球形の共振器と、 共振器内へ音響信号を供給する音響送信機と、 共振器内の音響信号の振幅を検出する音響受信機と、 検出された共振モードの周波数から、共振器内のガスの音速を決定する制御手
   段とを有し、 検出される共振モードは非半径方向共振モードであり、共振器の内側の半径は
   実質上５ｃｍ又はこれより小さいことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 共振器の内側の半径は実質上４ｃｍ又はこれより小さいこと
   を特徴する請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 共振器の内側の半径は実質上３ｃｍ又はこれより小さいこと
   を特徴する請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 共振器の内側の半径は実質上２ｃｍ又はこれより小さいこと
   を特徴する請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】 共振器の内側の半径は実質上１．５ｃｍ又はこれより小さい
   ことを特徴する請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 音響送信機及び音響受信機は、共振器のキャビティの外側に
   位置するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一
   項記載の装置。
7. 【請求項７】 音響送信機と音響受信機の相対距離は可変であることを特徴
   とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の装置。
8. 【請求項８】 音響送信機及び音響受信機のうちの一方は共振器の中心から
   固定された距離の位置に取り付けられ、他方は共振器の中心からの距離を可変と
   して取り付けられていることを特徴する請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 音響送信機は５ボルト又はこれより小さい供給電圧で動作す
   るよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載
   の装置。
10. 【請求項１０】 音響送信機と音響受信機は、共振器に実質上１８０°の角
    度離間して取り付けられていることを特徴する請求項１乃至９記載のうちいずれ
    か一項記載の装置。
11. 【請求項１１】 共振器には、使用中にガスが内外で放散されるようにする
    二つ又はこれより多い通路が壁を貫通するよう設けられていることを特徴する請
    求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の装置。
12. 【請求項１２】 共振器のうち少なくとも一部は多孔性材料から形成されて
    いることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の装置。
13. 【請求項１３】 制御手段は、検出された非半径方向モードの周波数から、 ｃ＝ｆ×Ｋ という関係を用いて共振器内のガスの音速を決定するよう構成されていることを
    特徴とし、ここで、ｃはガスの音速、ｆは測定された音響周波数、Ｋは較正によ
    って決定された共振器の定数である、請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載
    の装置。
14. 【請求項１４】 発明の詳細な説明において添付図面を参照しながら実質上
    説明されている装置。
15. 【請求項１５】 ガスの音速を決定する方法であって、 音速を決定しようとするガスが入れられた実質上球形の共振器内へ音響信号を
    供給する工程と、 共振器内の音響信号の振幅を検出する工程と、 検出された共振モードの周波数から共振器内のガスの音速を決定する工程とを
    有し、 検出された共振モードは非半径方向共振モードであり、共振器の内側の半径は
    実質上５ｃｍ又はこれより小さいことを特徴とする方法。
16. 【請求項１６】 共振器の内側の半径は実質上４ｃｍ又はこれより小さいこ
    とを特徴する請求項１５記載の方法。
17. 【請求項１７】 共振器の内側の半径は実質上３ｃｍ又はこれより小さいこ
    とを特徴する請求項１６記載の方法。
18. 【請求項１８】 共振器の内側の半径は実質上２ｃｍ又はこれより小さいこ
    とを特徴する請求項１７記載の方法。
19. 【請求項１９】 共振器の内側の半径は実質上１．５ｃｍ又はこれより小さ
    いことを特徴する請求項１８記載の方法。
20. 【請求項２０】 音響送信機及び音響受信機は、共振器のキャビティの外側
    に位置するよう構成されていることを特徴とする請求項１５乃至１９のうちいず
    れか一項記載の方法。
21. 【請求項２１】 音響送信機と音響受信機の相対距離は可変であることを特
    徴とする請求項１５乃至２０のうちいずれか一項記載の方法。
22. 【請求項２２】 音響送信機及び音響受信機のうちの一方は共振器の中心か
    ら固定された距離の位置に取り付けられ、他方は共振器の中心からの距離を可変
    として取り付けられていることを特徴する請求項２１記載の方法。
23. 【請求項２３】 音響送信機は５ボルト又はこれより小さい供給電圧で動作
    するよう構成されていることを特徴とする請求項１５乃至２２のうちいずれか一
    項記載の方法。
24. 【請求項２４】 音響送信機と音響受信機は、共振器に実質上１８０°の角
    度離間して取り付けられていることを特徴する請求項１５乃至２３のうちいずれ
    か一項記載の方法。
25. 【請求項２５】 共振器には、使用中にガスが内外で放散されるようにする
    二つ又はこれより多い通路が壁を貫通するよう設けられていることを特徴する請
    求項１５乃至２４のうちいずれか一項記載の方法。
26. 【請求項２６】 共振器は多孔性材料から形成されていることを特徴とする
    請求項１５乃至２５のうちいずれか一項記載の方法。
27. 【請求項２７】 制御手段は、検出された非半径方向モードの周波数から、 ｃ＝ｆ×Ｋ という関係を用いて共振器内のガスの音速を決定するよう構成されていることを
    特徴とし、ここで、ｃはガスの音速、ｆは測定された音響周波数、Ｋは較正によ
    って決定された共振器の定数である、請求項１５乃至２６のうちいずれか一項記
    載の方法。
28. 【請求項２８】 発明の詳細な説明において添付図面を参照しながら実質上
    説明されている方法。