JP2017112582A - Ultrasonic microphone device and method for converting volt in electric unit into pascal or decibel in acoustic unit regarding output signal of ultrasonic microphone - Google Patents

Ultrasonic microphone device and method for converting volt in electric unit into pascal or decibel in acoustic unit regarding output signal of ultrasonic microphone Download PDF

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鎌倉 友男
Tomoo Kamakura
友男 鎌倉
英之 野村
Hideyuki Nomura
英之 野村
栄男 林
Sakao Hayashi
栄男 林
安達 日出夫
Hideo Adachi
日出夫 安達
功修 安野
Isanaga Yasuno
功修 安野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic microphone device that is easy to measure and allows sound pressure to be displayed in a high-frequency band, and a method for converting volt in an electric unit into Pascal or decibel in an acoustic unit regarding an output signal of an ultrasonic microphone.SOLUTION: In an ultrasonic microphone sensitivity measuring device 500 used in an ultrasonic frequency region, an ultrasonic microphone 100 for receiving an ultrasonic wave has sound pressure conversion reception sensitivity with a unit of V/Pa or V/dB, or a unit of their inverse and includes ultrasonic reception sound pressure conversion means for converting output voltage from the ultrasonic microphone 100 at an observation point into ultrasonic wave reception sound pressure on the basis of the reception sensitivity.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、超音波マイクロフォン装置及び超音波マイクロフォンの出力信号を電気単位のボルトから音響単位のパスカル又はデシベルに変換する方法に関する。   The present invention relates to an ultrasonic microphone device and a method for converting an output signal of an ultrasonic microphone from a voltage in electrical units to a pascal or decibel in acoustic units.

近年、超音波信号を用いた技術は、医療診断や非破壊検査分野で広く使用されており、医療分野又は安全、安心な社会のインフラの構築に欠かせない基盤技術として定着してきている。超音波信号の非破壊検査分野への適用の例としては、トンネル、高速道路、原子炉、ビル等のインフラ構造物の亀裂の存在検査等、検査のために破壊ができない物の診断などがある。
この超音波技術は、X線技術のような被爆の心配は無いが、非線形超音波や連続波を使うパワー超音波応用を用いる場合は、超音波暴露の可能性が指摘されている。特定の強さ以上の超音波が人の耳に暴露された場合、人に何らかの影響を及ぼす可能性があるという指摘である。
音圧の測定に関し、可聴音については、測定点での音の大きさをdBで表示できる騒音計が存在し、音の客観的な物理的性質を数値化できるようになっている。また、超音波については、100kHz以下のもの、又は対象物が生体であり、音響的特性が水に似ているため水中における観測点音圧を測定できればよいハイドロフォンが市販されている。
一方、例えば数100kHz〜数MHzの高周波数の空中超音波に含まれる分数調波と呼ばれる非線形音響波について音圧値として表現できるものとしては、天秤法という方法を用いた専用の測定器か、相互更生法という方法を用いるものが知られている。
In recent years, technologies using ultrasonic signals have been widely used in the fields of medical diagnosis and non-destructive inspection, and have become established as basic technologies indispensable for the construction of a medical infrastructure or a safe and secure social infrastructure. Examples of the application of ultrasonic signals in the field of non-destructive inspection include the diagnosis of objects that cannot be destroyed due to inspection, such as the presence of cracks in infrastructure structures such as tunnels, expressways, nuclear reactors, and buildings. .
Although this ultrasonic technology does not have to worry about exposure like the X-ray technology, the possibility of ultrasonic exposure has been pointed out when using power ultrasonic applications using nonlinear ultrasonic waves or continuous waves. It is pointed out that if an ultrasonic wave of a certain intensity or higher is exposed to a person's ear, it may have some effect on the person.
Regarding the measurement of sound pressure, for audible sound, there is a sound level meter that can display the loudness at the measurement point in dB, and the objective physical property of the sound can be quantified. As for the ultrasonic wave, a hydrophone that is 100 kHz or less, or an object that is a living body and has an acoustic characteristic similar to water, and that can measure an observation point sound pressure in water is commercially available.
On the other hand, for example, what can be expressed as a sound pressure value for nonlinear acoustic waves called fractional harmonics contained in high-frequency aerial ultrasonic waves of several hundred kHz to several MHz, is a dedicated measuring instrument using a method called a balance method, A method using a mutual rehabilitation method is known.

特開平09−331599号公報JP 09-331599 A

しかし、天秤法を利用した装置を用いて空中超音波を測定する場合、測定したい超音波送信音源に対し、測定点は固定点、即ち天秤皿の位置という観測点位置に関する制約があった。また、この装置は、気流の影響が測定精度に大きく影響して測定誤差を与えるため風防が必要になるが、かかる制約は前述した超音波暴露に対処するための測定には向かなかった。
また、相互更生法は、超音波センサを3個用意してそのうち2個を選び、各々を送信用又は受信用に用いて、計3セットの同一方法の送受信測定を行い、送信用時の駆動電圧と受信用時の受信電圧との関係から受信感度を推定校正する方法である。しかし、相互更生法を用いる場合は、開口寸法を超音波の波長以下の寸法に、例えば400kHzの場合0.85mm以下にする必要があり、製造に難があった。また、相互更生法は、送信用として十分な送信感度と、受信用として十分な受信感度とを兼備する必要があるが、開口寸法が微小なもので、感度の条件を満たせる圧電材料は存在しない。
However, when measuring an aerial ultrasonic wave using an apparatus using a balance method, there is a restriction on the observation point position, that is, the measurement point is a fixed point, that is, the position of the balance pan for the ultrasonic transmission sound source to be measured. In addition, this apparatus requires a windshield because the influence of the air flow greatly affects the measurement accuracy and gives a measurement error. However, such a restriction is not suitable for the measurement to cope with the ultrasonic exposure described above.
In the mutual regeneration method, three ultrasonic sensors are prepared and two of them are selected, and each of them is used for transmission or reception. In this method, the reception sensitivity is estimated and calibrated from the relationship between the voltage and the reception voltage at the time of reception. However, in the case of using the mutual rehabilitation method, it is necessary to make the opening dimension to a dimension equal to or smaller than the wavelength of the ultrasonic wave, for example, 0.85 mm or less in the case of 400 kHz. In addition, the mutual rehabilitation method needs to have sufficient transmission sensitivity for transmission and sufficient reception sensitivity for reception, but there is no piezoelectric material that has a small aperture size and can satisfy the sensitivity conditions. .

そこで、本発明は、測定が容易で、高周波数帯域において音圧の表示を可能にした超音波マイクロフォン装置を提供する。   Therefore, the present invention provides an ultrasonic microphone device that can be easily measured and can display sound pressure in a high frequency band.

本発明の超音波マイクロフォン装置は、超音波周波数領域において利用される超音波マイクロフォン装置であって、超音波を受信する超音波マイクロフォンは、V/PaまたはV/dBの単位、またはそれらの逆数を単位とする音圧変換用受信感度を有し、前記受信感度に基づいて、観測点での前記超音波マイクロフォンからの出力電圧を超音波受信音圧に変換する超音波受信音圧変換手段を有することを特徴とする。
この超音波マイクロフォン装置は、超音波を、利用者が視認できるようにPa又はdBの音圧で表示できることで、利用者の利便性を高めることができる。
The ultrasonic microphone device of the present invention is an ultrasonic microphone device used in an ultrasonic frequency range, and an ultrasonic microphone that receives ultrasonic waves has a unit of V / Pa or V / dB, or a reciprocal thereof. It has a sound pressure conversion receiving unit for sound pressure conversion as a unit, and has an ultrasonic reception sound pressure conversion means for converting an output voltage from the ultrasonic microphone at an observation point into an ultrasonic reception sound pressure based on the reception sensitivity. It is characterized by that.
This ultrasonic microphone device can display the ultrasonic wave with a sound pressure of Pa or dB so that the user can visually recognize it, thereby improving the convenience for the user.

(2)本発明の前記超音波受信音圧変換手段は、前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeas(V)を、前記超音波受信音圧変換手段のメモリに記憶した前記受信感度Srecと照合し、前記出力電圧Vmeas(V)を前記受信感度Srecで除することによって受信音圧Pcal(Pa)を算出するものであってもよい。 (2) The ultrasonic reception sound pressure conversion means of the present invention compares the output voltage V meas (V) of the ultrasonic microphone with the reception sensitivity S rec stored in the memory of the ultrasonic reception sound pressure conversion means. Then, the reception sound pressure P cal (Pa) may be calculated by dividing the output voltage V meas (V) by the reception sensitivity S rec .

(3)本発明の前記受信感度は、以下のステップを経て作成されるものであってもよい:
第1ステップ:開口半径aを有し、空中への伝搬時に周波数nf0(nは整数)の高次高調波を生じる周波数f0の基本波超音波を発生させかつ伝搬させる広帯域超音波ピストン音源となる超音波標準音源を設ける。
第2ステップ:前記超音波標準音源の表面の振動速度u0又はこの振動速度u0に音響インピーダンスを積算した音源音圧P0を測定する。
第3ステップ:前記第2ステップで測定した前記振動速度u0若しくは前記音源音圧P0と、前記開口半径aと、前記周波数f0とを用い、Rayleighの積分式を用いて前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fundをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算するか、又はKZKの非線形微分方程式を用いて、前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fund、第二高調波成分の音圧Pcal 2nd及び第三高調波成分の音圧Pcal#3rdをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算する。
第4ステップ:前記第3ステップで計算された音場に関し、音圧と位置との関係を示すテーブルを作成する。
第5ステップ:前記超音波マイクロフォンを前記ステップ4で作成された前記テーブルに設定した各位置に順次走査して、前記位置ごとの前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeasを実測する。
第6ステップ:前記第5ステップで実測した前記超音波マイクロフォンの前記出力電圧Vmeasを、基本波成分Vmeas fundと、第二高調波成分Vmeas 2ndと、第三高調波成分Vmeas 3rdとに分離し、それぞれの周波数成分の電圧レベルの値を抽出する。
第7ステップ:前記第4ステップで計算された各位置における前記基本波成分の音圧と前記第二高調波成分の音圧と前記第三高調波成分の音圧Pcal fund、Pcal 2nd、Pcal 3rdと、前記各位置に対応する前記第5ステップの実測位置における出力電圧の前記基本波成分と前記第二高調波成分と前記第三高調波成分Vmeas fund、Vmeas 2nd 、Pmeas 3rdとに基づき、それぞれの受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd及びVmeas 3rd/Pcal 3rdを計算する。
第8ステップ:基本波成分と第二高調波成分と第三高調波成分のそれぞれの前記受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd、及びVmeas 3rd/Pcal 3rdの一致性を評価し、一致する場合との差異が5%以内である受信感度の実測値と計算値との平均値を計算し、この平均値を、前記超音波マイクロフォンの受信感度とする。
この第1ステップから第8ステップの手順の操作により、基準音源仕様(開口半径、周波数、超音波送信面における振動速度)と観測点の間の相対的な座標との関係の理論音場パターンが単位パスカル(Pa)またはデシベル(dB)で計算され、また、基準音源と観測位置との関係が理論計算の場合と同じ条件になる様に設定した上で、単位がボルト(V)の実測音場を測定し、両パターンの音響焦点領域での一致性(相関係数)を評価することにより、両者の同じ物理量を観測していると判定し、その超音波マイクロフォンの単位が(V/Pa)または(V/dB)で表される受信感度を得ている。そして、最も誤差要因が少ない音響焦点領域の複数の点(すなわちピーク値の1/2の値になる位置(2点)に挟まれた複数の点、)での理論音場と実測音場の一致性を、ピーク値の1/2の値になる位置(2点)に挟まれた複数の位置における計算値と実測値との相関係数で評価している。したがって、信頼し得る感度表示の超音波マイクロフォンを提供できるようになる。
なお、KZKの非線形微分方程式とは、(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)の非線形微分方程式を意味する。以下、本願において同様。
(3) The reception sensitivity of the present invention may be created through the following steps:
First step: A broadband ultrasonic piston sound source having an opening radius a and generating and propagating a fundamental ultrasonic wave of a frequency f 0 that generates a higher-order harmonic of a frequency nf 0 (n is an integer) when propagating to the air An ultrasonic standard sound source will be provided.
Second step: Measure the vibration velocity u 0 of the surface of the ultrasonic standard sound source or the sound source sound pressure P 0 obtained by integrating the acoustic impedance to this vibration velocity u 0 .
Third step: Using the vibration velocity u 0 or the sound source sound pressure P 0 measured in the second step, the opening radius a, and the frequency f 0 , and using the Rayleigh integral formula, the ultrasonic standard Calculate the sound pressure P cal fund of the fundamental wave formed by the sound source in units of Pascal (Pa) or decibel (dB), or use the nonlinear differential equation of KZK, The sound pressure P cal fund , the second harmonic component sound pressure P cal 2nd and the third harmonic component sound pressure P cal # 3rd are calculated in units of Pascal (Pa) or Decibel (dB).
Fourth step: For the sound field calculated in the third step, a table indicating the relationship between sound pressure and position is created.
Fifth step: The ultrasonic microphone is sequentially scanned at each position set in the table created in step 4, and the output voltage V meas of the ultrasonic microphone at each position is measured.
Sixth step: The output voltage V meas of the ultrasonic microphone actually measured in the fifth step is expressed as a fundamental wave component V meas fund , a second harmonic component V meas 2nd, and a third harmonic component V meas 3rd . And the voltage level value of each frequency component is extracted.
Seventh step: The sound pressure of the fundamental wave component, the sound pressure of the second harmonic component, and the sound pressure of the third harmonic component at each position calculated in the fourth step P cal fund , P cal 2nd , P cal 3rd and the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component V meas fund , V meas 2nd , P meas of the output voltage at the measured position of the fifth step corresponding to each position Based on 3rd , the respective reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd and V meas 3rd / P cal 3rd are calculated.
Eighth step: Receiving sensitivity V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd , and V meas 3rd / P cal 3rd of the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component, respectively. The coincidence is evaluated, and an average value of the measured value and the calculated value of the reception sensitivity whose difference from the coincidence is within 5% is calculated, and this average value is set as the reception sensitivity of the ultrasonic microphone.
By operating the procedure from the first step to the eighth step, the theoretical sound field pattern of the relationship between the reference sound source specification (aperture radius, frequency, vibration speed on the ultrasonic transmission surface) and the relative coordinates between the observation points is obtained. Calculated in unit Pascal (Pa) or decibel (dB), and set so that the relationship between the reference sound source and the observation position is the same as in the theoretical calculation, and the measured sound in the unit of volts (V) By measuring the field and evaluating the coincidence (correlation coefficient) between the acoustic focal regions of both patterns, it is determined that the same physical quantity of both is observed, and the unit of the ultrasonic microphone is (V / Pa ) Or (V / dB). Then, the theoretical sound field and the actually measured sound field at a plurality of points in the acoustic focal region with the least error factor (that is, a plurality of points sandwiched between positions (two points) that are half the peak value). The coincidence is evaluated by the correlation coefficient between the calculated value and the actual measurement value at a plurality of positions sandwiched between positions (two points) that are ½ the peak value. Therefore, it is possible to provide an ultrasonic microphone with a reliable sensitivity display.
The KZK nonlinear differential equation means a (Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov) nonlinear differential equation. The same applies hereinafter.

(4)本発明の前記超音波マイクロフォンは、受信超音波を電気信号に変換する音響電気変換素子として、両面に金を成膜した多孔性ポリプロピレン膜を有し、前記多孔性ポリプロピレン膜を帯電させた圧電エレクトレットを用いたものであってもよい。
超音波マイクロフォンの心臓部である音響電気変換素子として、広帯域、高感度高SN(信号/雑音比)特性を示す多孔性ポリプロピレン膜を帯電させた圧電エレクトレット振動子を用いているので、音響単位での超音波音場を高い信頼性で測定できることになる。
(4) The ultrasonic microphone according to the present invention has a porous polypropylene film having gold formed on both surfaces as an acoustoelectric conversion element for converting received ultrasonic waves into an electric signal, and charges the porous polypropylene film. Alternatively, a piezoelectric electret may be used.
As the acoustoelectric transducer that is the heart of an ultrasonic microphone, a piezoelectric electret vibrator charged with a porous polypropylene film exhibiting broadband, high sensitivity and high SN (signal / noise ratio) characteristics is used. The ultrasonic sound field can be measured with high reliability.

(5)本発明の前記超音波マイクロフォンは、保護膜層を有していてもよい。
本発明は、超音波受信面に耐候性の保護膜を形成しているので、特に防湿、防塵等の対環境に強い超音波マイクロフォンとなる。
(5) The ultrasonic microphone of the present invention may have a protective film layer.
In the present invention, since a weather-resistant protective film is formed on the ultrasonic wave receiving surface, the ultrasonic microphone is particularly resistant to the environment such as moisture proof and dust proof.

(6)本発明の前記超音波マイクロフォンと、前記超音波マイクロフォンに結線されたソースフォロワー型のインピーダンス変換部とをハウジング内に収容していてもよい。
ソースフォロアー型のFET入力のインピーダンス変換回路を内蔵し、圧電エレクトレット振動子の直近に配置しているので、接続するケーブルの長さ、固有インピーダンス、静電容量に影響されず、また飛来ノイズの影響も受けにくくなりSNRが良好な超音波マイクロフォンを提供できるようになる。
(6) The ultrasonic microphone of the present invention and a source follower type impedance converter connected to the ultrasonic microphone may be accommodated in a housing.
Built-in impedance conversion circuit of source follower type FET input and placed in the immediate vicinity of the piezoelectric electret vibrator, so it is not affected by the length of cable to be connected, intrinsic impedance, capacitance, and influence of flying noise This makes it possible to provide an ultrasonic microphone with a good SNR.

(7)本発明の前記インピーダンス変換部に結線された前記超音波受信音圧変換手段を前記ハウジング内に収容していてもよい。
請求項3に記載したすべてのステップに関する機能が超音波マイクロフォンハウジング内に集積されているので、直接音響単位の音圧をユーザーに提供できるようになる。
(7) The ultrasonic reception sound pressure conversion means connected to the impedance conversion unit of the present invention may be accommodated in the housing.
Since the functions related to all the steps described in claim 3 are integrated in the ultrasonic microphone housing, it is possible to directly provide the user with sound pressure in an acoustic unit.

(8)本発明の超音波マイクロフォンの出力信号を電気単位のボルトから音響単位のパスカル又はデシベルに変換する方法は、開口半径aを有し、空中への伝搬時に周波数nf0(nは整数)の高次高調波を生じる周波数f0の基本波超音波を発生させかつ伝搬させる広帯域超音波ピストン音源となる超音波標準音源を設ける第1ステップと、前記超音波標準音源の表面の振動速度u0又はこの振動速度u0に音響インピーダンスを積算した音源音圧P0を測定する第2ステップと、前記第2ステップで測定した前記振動速度u0若しくは前記音源音圧P0と、前記開口半径aと、前記周波数f0とを用い、Rayleighの積分式を用いて前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fundをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算するか、又はKZKの非線形微分方程式を用いて、前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fund、第二高調波成分の音圧Pcal 2nd及び第三高調波成分の音圧Pcal 3rdをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算する第3ステップと、前記第3ステップで計算された音場に関し、音圧と位置との関係を示すテーブルを作成する第4ステップと、超音波マイクロフォンを前記ステップ4で作成された前記テーブルに設定した各位置に順次走査して、前記位置ごとの前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeasを実測する第5ステップと、前記第5ステップで実測した前記超音波マイクロフォンの前記出力電圧Vmeasを、基本波成分Vmeas fundと、第二高調波成分Vmeas 2ndと、第三高調波成分Vmeas 3rdとに分離し、それぞれの周波数成分の電圧レベルの値を抽出する第6ステップと、前記第4ステップで計算された各位置における前記基本波成分の音圧と前記第二高調波成分の音圧と前記第三高調波成分の音圧Pcal fund、Pcal 2nd、Pcal 3rdと、前記各位置に対応する前記第5ステップの実測位置における出力電圧の前記基本波成分と前記第二高調波成分と前記第三高調波成分Vmeas fund、Vmeas 2nd 、Vmeas 3rdとに基づき、それぞれの受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd及びVmeas 3rd/Pcal 3rdを計算する第7ステップと、基本波成分と第二高調波成分と第三高調波成分のそれぞれの前記受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd、及びVmeas 3rd/Pcal 3rdの一致性を評価し、一致する場合との差異が5%以内である受信感度の実測値と計算値との平均値を計算し、この平均値を、前記超音波マイクロフォンの受信感度とする第8ステップと、を有することを特徴とする。 (8) The method of converting the output signal of the ultrasonic microphone of the present invention from an electric unit of volt to an acoustic unit of Pascal or decibel has an opening radius a and a frequency nf 0 (n is an integer) when propagating into the air. A first step of providing an ultrasonic standard sound source serving as a broadband ultrasonic piston sound source for generating and propagating a fundamental ultrasonic wave having a frequency f 0 that generates a higher-order harmonic, and a vibration velocity u of the surface of the ultrasonic standard sound source 0 or a second step of measuring the source sound pressure P 0 obtained by integrating an acoustic impedance to the vibration velocity u 0, and the vibration velocity u 0 or the source sound pressure P 0 was measured in the second step, the opening radius using the a, and the frequency f 0, or the calculated in units of acoustic pressure P cal fund Pascal fundamental wave ultrasound standard source forms (Pa) or decibels (dB) using an integrating type of Rayleigh Or by using a non-linear differential equations of KZK, the sound pressure P cal fund of the fundamental wave ultrasound standard sound source is formed, the sound pressure P cal 3rd of the sound pressure P cal 2nd and third harmonic components of the second harmonic component A third step of calculating a unit of Pascal (Pa) or decibel (dB), and a fourth step of creating a table showing the relationship between sound pressure and position with respect to the sound field calculated in the third step; In the fifth step, the ultrasonic microphone is sequentially scanned at each position set in the table created in the step 4, and the output voltage V meas of the ultrasonic microphone at each position is actually measured. The measured output voltage V meas of the ultrasonic microphone is separated into a fundamental wave component V meas fund , a second harmonic component V meas 2nd, and a third harmonic component V meas 3rd . Voltage level A sixth step of extracting values, a sound pressure of the fundamental component, a sound pressure of the second harmonic component, and a sound pressure P cal fund of the third harmonic component at each position calculated in the fourth step. , P cal 2nd , P cal 3rd , the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component V meas fund , V of the output voltage at the measured position of the fifth step corresponding to each position Based on meas 2nd and V meas 3rd , the seventh step of calculating the respective reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd and V meas 3rd / P cal 3rd , fundamental wave component and When the coincidence of the reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd , and V meas 3rd / P cal 3rd of the second harmonic component and the third harmonic component is matched, The average value between the measured value and the calculated value of the reception sensitivity with a difference of 5% or less is calculated, and this average value is calculated as the supersonic wave. And an eighth step for setting the reception sensitivity of the microwave microphone.

本発明の超音波マイクロフォン装置は、測定が容易で、高周波数帯域において音圧の表示を可能にするという効果を奏する。   The ultrasonic microphone device of the present invention is easy to measure and has the effect of enabling display of sound pressure in a high frequency band.

本発明に係る超音波マイクロフォン装置の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置の圧電エレクトレットの模式図である。It is a schematic diagram of the piezoelectric electret of the ultrasonic microphone device according to the present invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置の圧電エレクトレットの超音波受信原理を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the ultrasonic reception principle of the piezoelectric electret of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置の圧電エレクトレットの超音波受信原理を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the ultrasonic reception principle of the piezoelectric electret of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置のインピーダンス変換回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the impedance conversion circuit of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置の超音波マイクロフォン感度測定装置を示す図である。It is a figure which shows the ultrasonic microphone sensitivity measuring apparatus of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波マイクロフォン装置の超音波マイクロフォンの受信感度を決定するための手順を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the procedure for determining the receiving sensitivity of the ultrasonic microphone of the ultrasonic microphone apparatus which concerns on this invention. 水中実測音場と計算上の音場との一致性を示すグラフである。It is a graph which shows the coincidence of the underwater measured sound field and the calculated sound field. 空中実測音場と計算上の音場との一致性を示すグラフである。It is a graph which shows the coincidence of the sound field in the air and the calculated sound field. (a)は、図1に示した超音波マイクロフォン装置の他の変形例を示す断面図、(b)は、図1に示した超音波マイクロフォン装置の他の変形例を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the other modification of the ultrasonic microphone apparatus shown in FIG. 1, (b) is sectional drawing which shows the other modification of the ultrasonic microphone apparatus shown in FIG.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態である超音波周波数領域(例えば数百kHz以上数MHz以下)において利用される超音波マイクロフォン装置の好適な実施形態について詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an ultrasonic microphone device used in an ultrasonic frequency region (for example, several hundred kHz to several MHz or less) according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示すように、超音波マイクロフォン装置1は、超音波の受信が可能な超音波マイクロフォン100と、超音波マイクロフォン100に結線されるソースフォロワー型のインピーダンス変換部126と、信号処理回路からなる超音波受信音圧変換部(超音波受信音圧変換手段)128とを備えている。
超音波マイクロフォン100と、インピーダンス変換部126と、超音波受信音圧変換部128とは、導電性を有するハウジング107内に収容されている。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic microphone device 1 includes an ultrasonic microphone 100 capable of receiving ultrasonic waves, a source follower type impedance converter 126 connected to the ultrasonic microphone 100, and a signal processing circuit. And an ultrasonic reception sound pressure conversion unit (ultrasonic reception sound pressure conversion means) 128.
The ultrasonic microphone 100, the impedance conversion unit 126, and the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 are housed in a conductive housing 107.

超音波マイクロフォン100は、ハウジング107の前面側の開口部107aに配置された圧電エレクトレット101と、圧電エレクトレット101の両面に密着するよう設けられた電極102,103と、圧電エレクトレット101の背面側の開口部107bで電極103に接着層106を介して接合された金属製バッキング部材104とを備えている。ハウジング107の開口部107aは、電極102に密着した樹脂製の保護膜層105が配置され、ハウジング107の開口部107bは、導電性を有するキャップ108により閉塞されている。   The ultrasonic microphone 100 includes a piezoelectric electret 101 disposed in an opening 107 a on the front side of a housing 107, electrodes 102 and 103 provided so as to be in close contact with both surfaces of the piezoelectric electret 101, and an opening on the back side of the piezoelectric electret 101. The metal backing member 104 joined to the electrode 103 via the adhesive layer 106 at the portion 107b. The opening 107 a of the housing 107 is provided with a resin protective film layer 105 that is in close contact with the electrode 102, and the opening 107 b of the housing 107 is closed by a conductive cap 108.

ハウジング107の内壁面には、絶縁層112が形成されており、電極102と電極103及び金属製バッキング部材104とが短絡しないようになっている。
電極102は、リード線等の導通部材110を介してハウジング107及びキャップ108と電気的に接続可能になっており、配線119bを通じてインピーダンス変換部126に接続されている。
An insulating layer 112 is formed on the inner wall surface of the housing 107 so that the electrode 102, the electrode 103, and the metal backing member 104 are not short-circuited.
The electrode 102 can be electrically connected to the housing 107 and the cap 108 through a conducting member 110 such as a lead wire, and is connected to the impedance converter 126 through the wiring 119b.

電極103は、絶縁性を有する薄膜の接着層106を介してバッキング部材104と電気的に導通可能になっており、配線119aを通じてインピーダンス変換部126に接続されている。   The electrode 103 can be electrically connected to the backing member 104 through an insulating thin film adhesive layer 106, and is connected to the impedance converter 126 through the wiring 119a.

すなわち、本実施形態において、圧電エレクトレット101は、λ/4共振モードを用い応答周波数帯域がλ/2共振モードの場合の1/2になるようにしている。
このためには、金属製バッキング部材104で硬く固定した圧電エレクトレット101の背面側が変位しないようにし、かつ、バッキング部材104の表面と圧電エレクトレット101との境界面が振動の節点になるようにし、圧電エレクトレット101の表面側は変位フリーとして最大の振動振幅Amaxを示すようにする。この為には接着層106に、硬化前は粘度が小さく硬化後は薄く硬く接着できるエポキシ接着材を選択する。エポキシ接着剤を採用した場合、接着層106は、加圧硬化をすることにより直流的に導通するので、信号ケーブル119を金属製バッキング部材104に半田づけすればよい。
That is, in the present embodiment, the piezoelectric electret 101 uses the λ / 4 resonance mode and the response frequency band is ½ that of the λ / 2 resonance mode.
For this purpose, the back side of the piezoelectric electret 101 that is firmly fixed by the metal backing member 104 is not displaced, and the boundary surface between the surface of the backing member 104 and the piezoelectric electret 101 is a node of vibration, so that the piezoelectric The surface side of the electret 101 is set to have a maximum vibration amplitude Amax as being free of displacement. For this purpose, an epoxy adhesive which has a low viscosity before curing and can be bonded thinly and hardly after curing is selected for the adhesive layer 106. When an epoxy adhesive is employed, the adhesive layer 106 is DC-conductive by being pressure-cured, so the signal cable 119 may be soldered to the metal backing member 104.

図2は、圧電エレクトレット101の内部断面構造を模式的に示した図である。図2に示すように、圧電エレクトレット101は、多孔性ポリプロピレン膜を備えた部材である。
図2に示すように、電極102,103(図1参照)により挟まれた圧電エレクトレット101内には、微細な偏平状ボイド302が体積比率50%程度で均一に分布している。また、圧電エレクトレット101は、コロナ放電等の帯電手段により偏平状ボイド302を囲むように正負に帯電している。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal cross-sectional structure of the piezoelectric electret 101. As shown in FIG. 2, the piezoelectric electret 101 is a member provided with a porous polypropylene film.
As shown in FIG. 2, fine flat voids 302 are uniformly distributed at a volume ratio of about 50% in the piezoelectric electret 101 sandwiched between the electrodes 102 and 103 (see FIG. 1). The piezoelectric electret 101 is positively and negatively charged so as to surround the flat void 302 by charging means such as corona discharge.

この一つの帯電単位320を以下、便宜的に帯電双極子と称し、電界に対する作用力を以下、帯電双極子モーメントと便宜的に称し、その量をμで表すと、μ=q・z(q:帯電電荷量、z:偏平状ボイドの短軸距離)となる。   Hereinafter, this single charging unit 320 will be referred to as a charging dipole for the sake of convenience, the acting force on the electric field will be referred to as a charging dipole moment for the sake of convenience, and the amount thereof will be expressed as μ, and μ = q · z (q : Charge amount, z: Short axis distance of flat void).

この帯電双極子モーメントμは圧電エレクトレット101全体での偏平状ボイド302の数N個で積算して、圧電エレクトレット101全体でNμとなる。これを帯電分極Pと便宜的に称する。
この帯電分極Pは、P=Nμ=N・q・z(なお、zは偏平状ボイドの短軸距離である。)で表される。この帯電分極Pの電荷は通常の圧電体と同様、圧電エレクトレット101の表面近傍に局在する束縛電荷により束縛され中和している為、外界からは観測されない。その様子を示したのが図3である。
This charged dipole moment μ is accumulated by the number N of flat voids 302 in the entire piezoelectric electret 101, and becomes Nμ in the entire piezoelectric electret 101. This is referred to as charge polarization P for convenience.
This charged polarization P is expressed by P = Nμ = N · q · z (where z is the short axis distance of the flat void). The charge of the charged polarization P is not observed from the outside because it is bound and neutralized by bound charges localized near the surface of the piezoelectric electret 101 as in the case of a normal piezoelectric body. This is shown in FIG.

以降の説明を分かり易くするために、総帯電分極Pの電荷量を上面側309で+10、下面側310で−10とする。圧力や温度、気圧等の外界変化が無い限り、それぞれ電極102,103では、負の束縛電荷−10と正の束縛電荷+10とで釣り合いが生じており、中和しているため、電極102,103上で電荷は観測されない。   In order to make the following description easy to understand, the charge amount of the total charge polarization P is set to +10 on the upper surface side 309 and −10 on the lower surface side 310. As long as there is no external change such as pressure, temperature, pressure, etc., in the electrodes 102 and 103, the negative bound charge −10 and the positive bound charge +10 are balanced and neutralized. No charge is observed on 103.

この様子を偏平状ボイド302とともに図示したのが図4である。このような中和状態で超音波が入射し、図4に示すように、上面側の電極102がδz(符号315参照)だけ圧縮変形すると、帯電分極Pが前式P=N・q・zに従って、ΔP=N・q・δz減少する。   FIG. 4 shows this state together with the flat void 302. When ultrasonic waves are incident in such a neutralized state and the upper surface side electrode 102 is compressed and deformed by δz (see reference numeral 315) as shown in FIG. 4, the charged polarization P is expressed by the equation P = N · q · z. Accordingly, ΔP = N · q · δz decreases.

例えば、圧縮変形により上面側309において帯電分極Pの電荷量を+8、下面側310において−8に変化すると、束縛電荷は直ぐに状態変化を起こすことが出来ない。したがって、上面側309において、その差分の−2、下面側310において、その差分+2の電荷量が各電極102,103上に焦出することになる。この焦出電荷Qは圧電エレクトレット101の静電容量をCとすると、V=Q/Cで電圧値として検知される。あるいは、電荷の状態のままチャージアンプによって検出され電圧信号に変換される。これが超音波マイクロフォン100の出力電圧となる。   For example, if the charge amount of the charged polarization P is changed to +8 on the upper surface side 309 and −8 on the lower surface side 310 due to compressive deformation, the bound charge cannot immediately change its state. Therefore, the charge amount of −2 on the upper surface side 309 and the difference +2 on the lower surface side 310 is focused on the electrodes 102 and 103. When the electrostatic capacitance of the piezoelectric electret 101 is C, this outflow charge Q is detected as a voltage value with V = Q / C. Alternatively, it is detected by the charge amplifier in the state of charge and converted into a voltage signal. This is the output voltage of the ultrasonic microphone 100.

尚、前述した束縛電荷は、電極102,103と圧電エレクトレット101との界面に局在するので、電極102、103と圧電エレクトレット101との界面の密着性は重要である。
電極形成によって、圧電エレクトレット101にシワや反りが生じると、安定な音響電気変換が出来なくなるので、電極102,103の密着性と偏平状ボイド302の変形に影響を及ぼすソリなどの変形を発生させない工夫をすることが好ましい。本実施形態では、圧電エレクトレット101の両面には、圧電エレクトレット101表面の前処理やスパッタ条件の最適化によりAu電極が成膜されている。
The bound charges described above are localized at the interface between the electrodes 102 and 103 and the piezoelectric electret 101. Therefore, the adhesion at the interface between the electrodes 102 and 103 and the piezoelectric electret 101 is important.
If wrinkles or warpage occurs in the piezoelectric electret 101 due to electrode formation, stable acoustoelectric conversion cannot be performed. Therefore, deformation such as warping that affects the adhesion of the electrodes 102 and 103 and deformation of the flat void 302 is not generated. It is preferable to devise. In this embodiment, Au electrodes are formed on both surfaces of the piezoelectric electret 101 by pretreatment of the surface of the piezoelectric electret 101 and optimization of sputtering conditions.

図1に示すように、超音波受信音圧変換部128は、回路によって構成されたインピーダンス変換部126に配線127により結線されて、インピーダンス変換部126からの出力電圧を超音波受信音圧に変換する信号処理回路を備えたものである。
超音波受信音圧変換部128の内部回路は、アナログ/デジタル変換回路ADC、高速フーリエ変換回路FFT、3峰性の周波数特性が得られるので、それぞれのピークにおける最大値を低周波側からA1、A2、A3とすると、A1は受信超音波の基本波成分でそのピーク周波数はf0、A2は受信超音波の第二高調波成分でそのピーク周波数は2f0、A3は受信超音波の第三高調波成分でそのピーク周波数は3f0となる。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 is connected to an impedance conversion unit 126 configured by a circuit via a wiring 127 and converts the output voltage from the impedance conversion unit 126 into ultrasonic reception sound pressure. The signal processing circuit is provided.
Since the internal circuit of the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 can obtain an analog / digital conversion circuit ADC, a fast Fourier transform circuit FFT, and a three-peak frequency characteristic, the maximum value at each peak is A1, Assuming A2 and A3, A1 is the fundamental wave component of the received ultrasound, its peak frequency is f 0 , A2 is the second harmonic component of the received ultrasound, its peak frequency is 2f 0 , and A3 is the third of the received ultrasound. The peak frequency of the harmonic component is 3f 0 .

これらA1@f0、A2@2f0、A3@3f0、のパラメータはデジタル演算で容易に抽出可能である。これらの値を超音波マイクロフォンの近傍に具備した位置センサからの位置情報、即ち座標情報(xi,yj,zk)と対比して、最大振幅の位置関数A1(xi,yj,zk)、A2(xi,yj,zk)、A3(xi,yj,zk)、を音場形成器によって求める。実測値であるA1、A2、A3の単位は、いずれも(V)である。 These parameters of A1 @ f 0 , A2 @ 2f 0 , A3 @ 3f 0 can be easily extracted by digital calculation. These values are compared with position information from a position sensor provided in the vicinity of the ultrasonic microphone, that is, coordinate information (xi, yj, zk), and position functions A1 (xi, yj, zk), A2 ( xi, yj, zk) and A3 (xi, yj, zk) are obtained by a sound field generator. The units of A1, A2, and A3 that are actually measured values are all (V).

超音波受信音圧変換部128には、メモリが内蔵されている。具体的に、超音波受信音圧変換部128には、予め、単位が音圧単位[Pa]又は音圧レベル単位[dB]で表されるRayleighの積分式及び/又はKZKの非線形微分方程式を用いて計算した計算音場データと、超音波マイクロフォン100から得られた実測上の音場データと、計算上の音場データと実測上の音場データとの関係から得られた音圧変換用受信感度(単位はV/Pa)の受信感度データS1(xi,yj,zk)、S2(xi,yj,zk)、S3(xi,yj,zk)が記憶されている。
なお、Rayleighの積分式は、基本波の計算音場データを計算することができ、KZKの非線形微分方程式は、基本波、第2高調波及び第3高調波の計算音場データを計算することができる。
The ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 has a built-in memory. Specifically, in the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128, a Rayleigh integral equation and / or a KZK nonlinear differential equation whose unit is represented by a sound pressure unit [Pa] or a sound pressure level unit [dB] is stored in advance. For sound pressure conversion obtained from the relationship between the calculated sound field data calculated using, the actually measured sound field data obtained from the ultrasonic microphone 100, and the calculated sound field data and the actually measured sound field data. Reception sensitivity data S1 (xi, yj, zk), S2 (xi, yj, zk), S3 (xi, yj, zk) of reception sensitivity (unit: V / Pa) are stored.
The Rayleigh integral formula can calculate the calculated sound field data of the fundamental wave, and the KZK nonlinear differential equation can calculate the calculated sound field data of the fundamental wave, the second harmonic, and the third harmonic. Can do.

図5に示すように、インピーダンス変換部126は、入力インピーダンスが高いFET(電界効果型トランジスタ)215を回路初段に用いている。FET215のゲート端子212には、圧電エレクトレット101の信号受信の信号ケーブル119とGΩという超高抵抗のゲート抵抗213とが接続されている。FET215のドレイン118には、ドレイン端子216が設けられている。FET215のソース210と接地との間にソース抵抗214を接続し、FET215のソース端子217から出力信号を得る回路構成となっている。   As shown in FIG. 5, the impedance converter 126 uses an FET (field effect transistor) 215 with a high input impedance in the first stage of the circuit. A signal cable 119 for receiving a signal of the piezoelectric electret 101 and a gate resistor 213 having an extremely high resistance of GΩ are connected to the gate terminal 212 of the FET 215. A drain terminal 216 is provided on the drain 118 of the FET 215. A source resistance 214 is connected between the source 210 of the FET 215 and the ground, and an output signal is obtained from the source terminal 217 of the FET 215.

圧電エレクトレット101は、誘電率が極めて小さいという特徴を有している。そのため圧電エレクトレット101は、1/2πfC(f:動作周波数、C:圧電エレクトレット101の静電容量)で表せるインピーダンスが極めて大きくなり、増幅器等の後続回路の入力インピーダンスとの電気的整合が取れない。その為にFET215の入力部に多重反射ノイズが載ることになり、その受信初段回路として入力インピーダンスが低く増幅機能を与えてしまうと、ノイズが増幅されてしまい後続回路への出力信号は極めてSNが悪い信号となり実用的ではなくなってしまう。図5に示したソースフォロワー型のインピーダンス変換部126を用いれば、インピーダンス整合及び出力インピーダンスを低く変換できるので、後続回路との電気的整合を図ることができ、増幅もしていないので、周波数帯域も広くできるというメリットがある。   The piezoelectric electret 101 has a characteristic that the dielectric constant is extremely small. For this reason, the piezoelectric electret 101 has an extremely large impedance that can be expressed by 1 / 2πfC (f: operating frequency, C: capacitance of the piezoelectric electret 101), and cannot be electrically matched with the input impedance of a subsequent circuit such as an amplifier. For this reason, multiple reflection noises are placed on the input part of the FET 215. If the input impedance is low and the amplification function is given as the reception first stage circuit, the noise is amplified and the output signal to the subsequent circuit is extremely SN. It becomes a bad signal and is not practical. If the source follower type impedance converter 126 shown in FIG. 5 is used, impedance matching and output impedance can be converted to be low, so that electrical matching with subsequent circuits can be achieved, and amplification is not performed. There is an advantage that it can be widely used.

次に、超音波マイクロフォン100の音圧変換用受信感度(単位はV/Pa)の測定手順及び測定装置を以下説明する。   Next, the measurement procedure and measurement apparatus for the sound pressure conversion reception sensitivity (unit: V / Pa) of the ultrasonic microphone 100 will be described below.

図6に示すように、超音波マイクロフォン感度測定装置500は、超音波マイクロフォン100をx方向509、y方向510、z方向508に移動可能なマニピュレータ507と、超音波マイクロフォン100に向かって所望の周波数の超音波を送信することが可能な広帯域超音波ピストン音源としての標準音源503と、マニピュレータ507によって移動させられた超音波マイクロフォン100の位置を検出する位置センサ511とを備えている。   As shown in FIG. 6, the ultrasonic microphone sensitivity measuring apparatus 500 includes a manipulator 507 that can move the ultrasonic microphone 100 in the x direction 509, the y direction 510, and the z direction 508, and a desired frequency toward the ultrasonic microphone 100. A standard sound source 503 as a broadband ultrasonic piston sound source capable of transmitting the ultrasonic wave, and a position sensor 511 for detecting the position of the ultrasonic microphone 100 moved by the manipulator 507.

超音波マイクロフォン100は、ホルダ505によって保持された状態でマニピュレータ507に吊るされている(第1ステップ)。
なお、信号発生器512の出力は、パワーアンプ513で増幅され、この増幅電圧を超音波標準音源(以下、標準音源と言う)503に印加し、標準音源503から所定の超音波525を伝搬させる。
The ultrasonic microphone 100 is suspended from the manipulator 507 while being held by the holder 505 (first step).
The output of the signal generator 512 is amplified by a power amplifier 513, and this amplified voltage is applied to an ultrasonic standard sound source (hereinafter referred to as a standard sound source) 503 to propagate a predetermined ultrasonic wave 525 from the standard sound source 503. .

超音波マイクロフォン100の位置は、位置センサ511で検出され、その検出信号は音場形成器516に伝送され、その位置における各調波成分のピークレベルと関係づけられる。該各調波成分のピークレベルはデジタルオシロスコープ514を経てデジタル信号に変換され、調波分離器515で、高速フーリエ変換回路によりFFT処置され、基本波成分と第二高調波成分と第三高調波成分の最大値を読み取り、その読み取り値(単位はボルト(V))を音場形成器516に出力する(第5ステップ、第6ステップ)。   The position of the ultrasonic microphone 100 is detected by the position sensor 511, and the detection signal is transmitted to the sound field generator 516 and related to the peak level of each harmonic component at that position. The peak level of each harmonic component is converted into a digital signal through a digital oscilloscope 514, and FFT processing is performed by a fast Fourier transform circuit in a harmonic separator 515, so that a fundamental wave component, a second harmonic component, and a third harmonic wave are processed. The maximum value of the component is read, and the read value (unit: volts (V)) is output to the sound field generator 516 (fifth step, sixth step).

そして、音場形成器516において、位置センサ511で検出された位置情報(実測位置)と調波分離器515からの出力値とを関連付ける。このようにして単位がボルト(V)の実測上の音場データ取りを行う。このデータは、受信感度演算手段521のメモリに記憶される。   Then, in the sound field generator 516, the position information (measured position) detected by the position sensor 511 is associated with the output value from the harmonic separator 515. In this way, the actual sound field data of the unit of volts (V) is taken. This data is stored in the memory of the reception sensitivity calculation means 521.

これに対して、基本波、第二高調波、第三高調波に関して、標準音源503の特性(例えば、標準音源の寸法、音源音圧、周波数などの情報)に基づき、基本波に関してはRayleighの積分式、基本波、第二高調波及び第三高調波に関してはKZKの非線形微分方程式を用いてマイコン519で計算し(第3ステップ)、単位がPaの理論上の計算音場データ(計算音圧)を得ることができる。このデータは、受信感度演算手段521のメモリに記憶される。
その上で、前記第3ステップで計算された音場に関し、音圧と位置との関係を示すテーブルを作成する(第4ステップ)。
On the other hand, with respect to the fundamental wave, the second harmonic, and the third harmonic, based on the characteristics of the standard sound source 503 (for example, information on the dimensions of the standard sound source, sound source sound pressure, frequency, etc.) The integration formula, fundamental wave, second harmonic, and third harmonic are calculated by the microcomputer 519 using the KZK nonlinear differential equation (third step), and the calculated sound field data in the unit Pa (calculated sound). Pressure). This data is stored in the memory of the reception sensitivity calculation means 521.
Then, a table indicating the relationship between the sound pressure and the position is created for the sound field calculated in the third step (fourth step).

そして、受信感度演算手段521により、単位がボルト(V)の実測上の音場データと単位がPaの理論上の計算音場データとにより単位がV/Paの受信感度を得る(第8ステップ)。   Then, the reception sensitivity calculation means 521 obtains the reception sensitivity of the unit of V / Pa from the actually measured sound field data of the unit of volt (V) and the theoretically calculated sound field data of the unit of Pa (eighth step). ).

図6及び図7を参照して感度測定手順について詳述する。
先ず、最初に、開口半径aを有し、中心周波数f0の超音波を送信できる広帯域の超音波ピストン音源(標準音源)503(図6参照)を準備する(符号401参照:第1ステップ)。開口半径aは周波数によって異なるサイズとすることが好ましく、例えば水中用の場合20mmφ、空中用の場合は周波数が低いので40mmφの圧電セラミクス材料からなるランジェバン振動子を用いる。
The sensitivity measurement procedure will be described in detail with reference to FIGS.
First, a broadband ultrasonic piston sound source (standard sound source) 503 (see FIG. 6) having an opening radius a and capable of transmitting an ultrasonic wave having a center frequency f 0 is prepared (see reference numeral 401: first step). . The opening radius a is preferably different in size depending on the frequency. For example, a Langevin vibrator made of a piezoelectric ceramic material having a diameter of 20 mm for underwater use and a low frequency for air use is used.

ランジェバン振動子の振動面は単一振動モードの厚み縦振動を開口全面で励起することが可能で、超音波ピストン標準音源として好ましいが、単一振動モードの厚み縦振動を開口全面で励起することが可能であれば通常の厚み縦振動子であっても構わない。   The vibration surface of the Langevin vibrator can excite the thickness longitudinal vibration of the single vibration mode over the entire aperture, which is preferable as an ultrasonic piston standard sound source, but excites the thickness longitudinal vibration of the single vibration mode over the entire aperture. If possible, a normal thickness longitudinal vibrator may be used.

次いで、図6に示す標準音源503に50〜100Vppのサイン連続波を印加し、中心周波数f0の超音波を送信させる(符号403参照)。更に、標準音源503の表面の振動速度u0をレーザドプラーで測定する。振動速度u0に超音波伝搬媒質の音響インピーダンスを積算することにより音源音圧P0が得られる(符号404参照:第2ステップ)。
なお(Pa)単位の音圧と図8,図9に記載した(dB)で表される音圧レベル(SPL)との関係は、
SPL=20LOG(P1/P0)、P0:基準音圧(=2×10-5 (Pa))
である。
Next, a sine continuous wave of 50 to 100 Vpp is applied to the standard sound source 503 shown in FIG. 6 to transmit an ultrasonic wave having a center frequency f 0 (see reference numeral 403). Further, the vibration velocity u 0 of the surface of the standard sound source 503 is measured with a laser Doppler. The sound source sound pressure P 0 is obtained by accumulating the acoustic impedance of the ultrasonic propagation medium to the vibration velocity u 0 (see reference numeral 404: second step).
The relationship between the sound pressure in units of (Pa) and the sound pressure level (SPL) represented by (dB) shown in FIGS.
SPL = 20 LOG (P 1 / P 0 ), P 0 : Reference sound pressure (= 2 × 10 −5 (Pa))
It is.

次いで、標準音源503と校正する予定の超音波マイクロフォン100とを図6に示す超音波マイクロフォン感度測定装置500にセットし、マニピュレータ507によって超音波マイクロフォン100を移動させながら、基本波成分ffund=f0、第二高調波成分f2nd=2f0、第三高調波成分f3rd=3f0の観測点(xi、yj、zk)における音圧の測定を行う(走査する)(符号405参照:第5ステップ)。i、j、kはそれぞれ、それぞれの軸x、y、zに沿った測定点数である。 Next, the standard sound source 503 and the ultrasonic microphone 100 to be calibrated are set in the ultrasonic microphone sensitivity measuring apparatus 500 shown in FIG. 6, and the fundamental wave component f fund = f while moving the ultrasonic microphone 100 by the manipulator 507. 0 , measure (scan) the sound pressure at the observation point (xi, yj, zk) of the second harmonic component f 2nd = 2f 0 and the third harmonic component f 3rd = 3f 0 (see reference numeral 405: fifth) Step). i, j, and k are the number of measurement points along the respective axes x, y, and z.

測定は全ての軸に沿って全観測点について測定する必要はなく、例えば、z軸方向、即ち超音波伝搬方向にkを変えて測定したり、z軸に垂直なxまたはy軸についてiやjを変えて測定すればよい。この場合の測定量の単位は電圧(出力電圧Vmeas)(V)である。 The measurement does not need to be performed for all observation points along all the axes. For example, measurement is performed by changing k in the z-axis direction, that is, the ultrasonic wave propagation direction, or i or x or y-axis perpendicular to the z-axis. What is necessary is just to measure by changing j. The unit of measurement in this case is voltage (output voltage V meas ) (V).

信号発生器512の出力をパワーアンプ513で増幅し、この増幅電圧を標準音源503に印加し、標準音源503から送信させる。標準音源503から送信される超音波を、所定の位置(xi,yj,zk)にある超音波マイクロフォン100が受信し、超音波音圧を電圧信号に変換する(第7ステップ)。この時の出力電圧と受信音圧Pcalの比を受信感度と定義し、(V/Pa)の単位で表す。超音波マイクロフォン100から出力される電圧信号は時間軸信号であり、各調波成分が重畳しているので、調波成分ごとの電圧を抽出するために前記時間軸信号をFFT処理して、基本波成分、第二高調波成分、第三高調波成分ごと(すなわち周波数成分ごと)のピークレベルを確定するために調波分離器515で処理する(符号406参照:第6ステップ)。 The output of the signal generator 512 is amplified by the power amplifier 513, and this amplified voltage is applied to the standard sound source 503 and transmitted from the standard sound source 503. The ultrasonic microphone 100 at a predetermined position (xi, yj, zk) receives the ultrasonic wave transmitted from the standard sound source 503, and converts the ultrasonic sound pressure into a voltage signal (seventh step). The ratio between the output voltage and the reception sound pressure P cal at this time is defined as reception sensitivity and expressed in units of (V / Pa). Since the voltage signal output from the ultrasonic microphone 100 is a time axis signal and each harmonic component is superimposed, the time axis signal is subjected to FFT processing in order to extract a voltage for each harmonic component. In order to determine the peak level for each of the wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component (that is, for each frequency component), processing is performed by the harmonic separator 515 (see reference numeral 406: sixth step).

そして、音場形成器516において、位置センサ511で検出された位置情報と調波分離器515からのピークレベルの出力値とを関連付ける。このようにして、基本波成分、第二高調波成分、第三高調波成分の電圧(単位がボルト(V))の実測上の音場データ取りを行う。この音場データは、受信感度演算手段521のメモリに記憶される。   Then, in the sound field generator 516, the position information detected by the position sensor 511 is associated with the peak level output value from the harmonic separator 515. In this way, the sound field data on the actual measurement of the voltages (unit: volts (V)) of the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component are obtained. This sound field data is stored in the memory of the reception sensitivity calculation means 521.

なお、高調波成分は第四高調波以上も存在するが、高次の高調波になるほど音圧レベルが低下し、測定誤差が大きくなるので、第四高調波以上の高周波成分を用いて受信感度(V/Pa)を求める場合は注意を要する。   Although higher harmonic components exist than the fourth harmonic, the higher the higher harmonics, the lower the sound pressure level and the greater the measurement error. Care must be taken when calculating (V / Pa).

以上の方法で、基本波周波数、第二高調波周波数、第三高調波の3つの周波数での、単位変換が出来たわけだが、より多数の周波数点における単位変換を行う為には、送信用超音波音源としてコンポジット圧電振動子の様な広帯域振動子を用い、その共振周波数近辺で駆動信号の周波数を共振周波数の±50%の範囲で小刻みに基本波周波数設定を行い、それらのそれぞれの第二高調波、第三高調波成分を抽出する(第8ステップ))。   With the above method, unit conversion was possible at three frequencies of the fundamental frequency, second harmonic frequency, and third harmonic, but in order to perform unit conversion at a larger number of frequency points, A broadband vibrator such as a composite piezoelectric vibrator is used as the sound source, and the fundamental frequency is set in small increments within the range of ± 50% of the resonance frequency around the resonance frequency. Harmonic and third harmonic components are extracted (eighth step)).

例えば、中心周波数が200kHzで、−3dB周波数帯域が100kHzから300kHzある音源を基準音源とする場合、駆動周波数ピッチを20kHzとした時、基本波周波数は200kHz±20nkHz(n=1〜5の整数)に設定できることになる。これらの基本波周波数に対し、第二高調波周波数は、2×(200kHz±20nkHz)、第三高調波成分の周波数は3×(200kHz±20n)で表される。   For example, when a sound source having a center frequency of 200 kHz and a -3 dB frequency band of 100 kHz to 300 kHz is used as a reference sound source, when the driving frequency pitch is 20 kHz, the fundamental frequency is 200 kHz ± 20 nkHz (n = 1 to 5). It can be set to. With respect to these fundamental wave frequencies, the second harmonic frequency is represented by 2 × (200 kHz ± 20 nkHz), and the frequency of the third harmonic component is represented by 3 × (200 kHz ± 20 n).

従って、100kHz、120kHz、140kHz、160kHz、180kHz、200kHz、220kHz、240kHz、260kHz、280kHz、300kHzの基本波周波数、200kHz、240kHz、280kHz、320kHz、360kHz、400kHzの第二高調波周波数、300kHz、360kHz、420kHz、480kHz、540kHz、600kHz、660kHz、720kHz、780kHz、840kHz、900kHzの第三高調波周波数の設定周波数ポイントが可能となる。   Therefore, 100kHz, 120kHz, 140kHz, 160kHz, 180kHz, 200kHz, 220kHz, 240kHz, 260kHz, 280kHz, 300kHz fundamental frequency, 200kHz, 240kHz, 280kHz, 320kHz, 360kHz, 400kHz second harmonic frequency, 300kHz, 360kHz, The set frequency point of the third harmonic frequency of 420kHz, 480kHz, 540kHz, 600kHz, 660kHz, 720kHz, 780kHz, 840kHz, 900kHz becomes possible.

以上のようにして横軸を周波数、縦軸を[V/Pa]や、1μPaの音圧の超音波を受信したときに1Vの電圧が得られる時を0dBとしたときの単位で、ハイドロフォンの校正データに用いられる(dB re V/μPa)を用いることが可能となる。なお、1Paの音圧の超音波を受信したときに1Vの電圧が得られるときを0dBとしたときの単位で、ハイドロフォンの校正データに用いられる(dB re V/Pa)を用いることもある。   As described above, the horizontal axis is the frequency, the vertical axis is [V / Pa], and the unit when the voltage of 1V is obtained when the ultrasonic wave with the sound pressure of 1 μPa is received is 0 dB. It is possible to use (dB re V / μPa) used for the calibration data. Note that the unit (dB re V / Pa) used for hydrophone calibration data may be used in units of 0 dB when a voltage of 1 V is obtained when an ultrasonic wave having a sound pressure of 1 Pa is received. .

受信感度演算手段521では、理論上の音場データを計算する。
まず、開口半径aを有し且つ中心周波数f0の超音波を送信できる仮想上の超音波ピストン基準音源を想定する(符号402参照)。
The reception sensitivity calculation means 521 calculates theoretical sound field data.
First, a hypothetical ultrasonic piston reference sound source having an opening radius a and capable of transmitting an ultrasonic wave having a center frequency f0 is assumed (see reference numeral 402).

標準音源503の表面の振動速度u0に超音波伝搬媒質の音響インピーダンスを積算することにより得られた音源音圧P0を利用して、KZKの非線形微分方程式(式1)により、基本波成分ffund=f0、第二高調波成分f2nd=2f0、第三高調波成分f3rd=3f0の観測点(xi、yj、zk)における音圧を計算により算出する(符号409参照:第3ステップ)。i、j、kはそれぞれ、それぞれの軸x、y、zに沿った測定点数である。また、ここで得られた音圧の単位はPaである。 Using the sound source sound pressure P 0 obtained by accumulating the acoustic impedance of the ultrasonic propagation medium to the vibration velocity u 0 of the surface of the standard sound source 503, the fundamental wave component is obtained by the KZK nonlinear differential equation (Equation 1). ffund = f 0, the second harmonic component f2nd = 2f 0, the observation point of the third harmonic component f3rd = 3f 0 (xi, yj , zk) is calculated by calculating the sound pressure at (code 409 see third step ). i, j, and k are the number of measurement points along the respective axes x, y, and z. The unit of the sound pressure obtained here is Pa.

式1Formula 1

この式1に関しての詳細は、著者:鎌倉友男の非線形音響学の基礎(愛智出版、1996年)、第5章参照。 For details on Equation 1, see the author: Tomoo Kamakura, Fundamentals of Nonlinear Acoustics (Aichi Publishing, 1996), Chapter 5.

その後、基本波成分、第二高調波成分、第三高調波成分に関して、観測点(xi、yj、zk)における音圧データのピーク音圧(単位はPa)を抽出する(符号409参照)。そして、抽出されたピーク音圧の音場データ(符号410参照)は、受信感度演算手段521のメモリに記憶される。   Thereafter, for the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component, the peak sound pressure (unit: Pa) of the sound pressure data at the observation point (xi, yj, zk) is extracted (see reference numeral 409). Then, the extracted sound field data of the peak sound pressure (see reference numeral 410) is stored in the memory of the reception sensitivity calculation means 521.

受信感度演算手段521で、基本波成分、第二高調波成分、第三高調波成分に関して、実測上の観測点(xi、yj、zk)における電圧データのピーク電圧(単位はV)を、論理上の観測点(xi、yj、zk)における音圧データのピーク音圧(単位はPa)で除算することにより、音圧変換用受信感度(V/Pa)が得られる。   The reception sensitivity calculation means 521 calculates the peak voltage (unit: V) of the voltage data at the observed observation points (xi, yj, zk) with respect to the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component. By dividing by the peak sound pressure (unit: Pa) of the sound pressure data at the upper observation points (xi, yj, zk), the sound pressure conversion reception sensitivity (V / Pa) is obtained.

そして、基本波成分で得られた第1の音圧変換用受信感度(V/Pa)、第二高調波成分で得られた第2の音圧変換用受信感度(V/Pa)、第三高調波成分で得られた第3の音圧変換用受信感度(V/Pa)のそれぞれの実測値と計算値との一致性(言い換えると、差異)を評価し、一致性が5%以内であれば、第1の音圧変換用受信感度と第2の音圧変換用受信感度と第3の音圧変換用受信感度の平均値を正規の音圧変換用受信感度(V/Pa)として、超音波マイクロフォン装置1の超音波受信音圧変換部128のメモリに記憶される。   The first sound pressure conversion reception sensitivity (V / Pa) obtained from the fundamental wave component, the second sound pressure conversion reception sensitivity (V / Pa) obtained from the second harmonic component, and the third The coincidence (in other words, the difference) between the measured value and the calculated value of the third receiving sensitivity for sound pressure conversion (V / Pa) obtained with the harmonic component is evaluated, and the coincidence is within 5%. If there is, the average value of the first sound pressure conversion reception sensitivity, the second sound pressure conversion reception sensitivity, and the third sound pressure conversion reception sensitivity is defined as the normal sound pressure conversion reception sensitivity (V / Pa). These are stored in the memory of the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 of the ultrasonic microphone device 1.

なお、実際上、正規な音圧変換用受信感度(V/Pa)を得るためには、異なる中心周波数を有する振動子をもった標準音源503で測定を繰り返し、その平均値を音圧変換用受信感度(V/Pa)とする。   In practice, in order to obtain a normal sound pressure conversion reception sensitivity (V / Pa), measurement is repeated with a standard sound source 503 having transducers having different center frequencies, and the average value is used for sound pressure conversion. The reception sensitivity (V / Pa) is assumed.

超音波マイクロフォン装置1の超音波受信音圧変換部128では、超音波マイクロフォン100の出力電圧Vmeas fund(V)(基本波の場合)、Vmeas 2nd(V)(第二高調波成分の場合)、Vmeas 3rd(V)(第三高調波成分の場合)を、記憶した受信感度Srec(V/Pa)と照合し、Pmeas(V)をSrec(V/Pa)で除することによって受信音圧Pcal fund(Pa)(基本波成分の場合)、Pcal 2nd(Pa)(第二高調波成分の場合)、Pcal 3rd(Pa)(第三高調波成分の場合)を算出する。その算出結果を図示しない表示器によって表示させる。 In the ultrasonic reception sound pressure conversion unit 128 of the ultrasonic microphone device 1, the output voltage V meas fund (V) (in the case of the fundamental wave), V meas 2nd (V) (in the case of the second harmonic component) of the ultrasonic microphone 100. ), V meas 3rd (V) (in the case of the third harmonic component) is compared with the stored reception sensitivity S rec (V / Pa), and P meas (V) is divided by S rec (V / Pa). Received sound pressure P cal fund (Pa) (in case of fundamental wave component), P cal 2nd (Pa) (in case of second harmonic component), P cal 3rd (Pa) (in case of third harmonic component) Is calculated. The calculation result is displayed on a display (not shown).

[超音波マイクロフォン100による実測電圧(V)と、計算による音圧(Pa)との近似性]
図8は、水中に於ける仮想の標準音源による音場を基本波成分、第二高調波、第三高調波成分をそれぞれ計算した曲線(単位dB)と、計算に用いた前記標準音源と超音波送信特性を有する超音波トランスデューサを音源として用いて、超音波マイクロフォン100により音場を実測した電圧(V)と、を同じ観測距離で所定の位置ごとにプロットした図である。
[Approximation between the actually measured voltage (V) by the ultrasonic microphone 100 and the calculated sound pressure (Pa)]
FIG. 8 shows a curve (unit dB) in which the fundamental wave component, the second harmonic wave, and the third harmonic wave component are calculated for the sound field of a virtual standard sound source in water, and the standard sound source and super It is the figure which plotted the voltage (V) which measured the sound field with the ultrasonic microphone 100 for every predetermined position with the same observation distance, using the ultrasonic transducer which has a sound wave transmission characteristic as a sound source.

更に図9は、図8と同様に計算と実測を空中で行って同じ観測距離で所定の位置ごとにプロットした図である。なお、「●」「+」「○」:実測結果、実線:KZKの式から計算した理論曲線、点線:SBE(spheroidal beam equation)の式から計算した理論曲線である。図8及び図9は計算結果を単位dBで表しているが、実測電圧値の単位Vは記載していない。   Further, FIG. 9 is a diagram in which calculation and measurement are performed in the air in the same manner as in FIG. 8 and plotted for each predetermined position at the same observation distance. “●”, “+”, “◯”: actual measurement result, solid line: theoretical curve calculated from the equation of KZK, dotted line: theoretical curve calculated from the equation of SBE (spheroidal beam equation). 8 and 9 show the calculation result in the unit dB, but the unit V of the actually measured voltage value is not described.

実測値は単位がVであるが、図8及び図9に示すように、計算音場パターンと実測音場パターンとの間に近似性があるのが分かる。特に図8に於いては、メインピーク704(基本波1.69MHz)、メインピーク706(第二高調波3.2MHz)、メインピーク707(第三高調波4.8MHz)に関して、計算音場パターンと実測音場パターンとは、単位が異なるが高い近似性があり、同一とみなすことができる。このような観点から、実測で得られた電圧と理論で得られた音圧との比をとって、超音波マイクロフォン100の受信感度をV/Pa単位で表現できることになる。   Although the unit of the actually measured value is V, as shown in FIGS. 8 and 9, it can be seen that there is an approximation between the calculated sound field pattern and the actually measured sound field pattern. In particular, in FIG. 8, the calculated sound field pattern for the main peak 704 (fundamental wave 1.69 MHz), the main peak 706 (second harmonic 3.2 MHz), and the main peak 707 (third harmonic 4.8 MHz). The measured sound field pattern and the measured sound field pattern have different units but have high approximation and can be regarded as the same. From this point of view, the reception sensitivity of the ultrasonic microphone 100 can be expressed in units of V / Pa by taking the ratio of the voltage obtained by actual measurement and the sound pressure obtained by theory.

図9に示した空中音場パターンに於いても、空中音場パターンの場合と同様に考えることが出来る。空中の場合は標準音源として基本波30kHz、第二高調波60kHz、第三高調波90kHzとし、計算結果と実測値との間の対応を行って、基本波(30kHz)、第二高調波(60kHz)、第三高調波(90kHz)のそれぞれについてプロットしている。   The aerial sound field pattern shown in FIG. 9 can be considered in the same manner as the aerial sound field pattern. In the case of the air, the basic sound source is 30 kHz, the second harmonic is 60 kHz, and the third harmonic is 90 kHz. Correspondence between the calculation result and the measured value is performed, and the fundamental wave (30 kHz) and the second harmonic (60 kHz ) And the third harmonic (90 kHz).

この場合も図8に示した結果と同様に、メインピーク704(基本波30kHz)、メインピーク706(第二高調波60kHz)、メインピーク707(第三高調波90kHz)に関して、計算音場パターンと実測音場パターンとは、単位が異なるが高い近似性があり、同一とみなすことができる。   In this case, similarly to the result shown in FIG. 8, the calculated sound field pattern and the main peak 704 (basic wave 30 kHz), the main peak 706 (second harmonic 60 kHz), and the main peak 707 (third harmonic 90 kHz) The measured sound field pattern is different in unit but has high approximation and can be regarded as the same.

このように、本発明では、実測値と計算値とは、単位が異なるが一致した特性と判断し、実測値Pmeas(V)が計算値Pcal(Pa)に等しいとして、すなわち受信感度Srec(V/Pa)を、Srec(V/Pa)=Pmeas(V)/Pcal(Pa)に変換することができる。すなわち、本発明は、電気単位であるボルトを音響単位であるパスカル又はデシベルに比較的簡易な装置により容易に変換することが可能となり、空中で簡便に高調波を受信できる超音波マイクロフォン100に適用することができるという効果を奏する。 As described above, in the present invention, the actually measured value and the calculated value are determined to have the same characteristics but have different units, and it is assumed that the actually measured value P meas (V) is equal to the calculated value P cal (Pa). rec (V / Pa) can be converted to S rec (V / Pa) = P meas (V) / P cal (Pa). That is, the present invention is applicable to the ultrasonic microphone 100 that can easily convert a bolt, which is an electrical unit, into a Pascal or a decibel, which is an acoustic unit, with a relatively simple device and can easily receive harmonics in the air. There is an effect that can be done.

本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。
図10(a)に示すように、他の変形例の超音波マイクロフォン装置200は、超音波マイクロフォン100のみをハウジング107内に収容した超音波マイクロフォン本体201と、ハウジング107外で超音波マイクロフォン100に結線されたインピーダンス変換部(不図示)と、ハウジング107外でインピーダンス変換部に結線された不図示の超音波受信音圧変換部(超音波受信音圧変換手段)とで構成されている。
It goes without saying that the present invention is not limited to the embodiment described above.
As shown in FIG. 10A, an ultrasonic microphone device 200 according to another modification includes an ultrasonic microphone main body 201 in which only the ultrasonic microphone 100 is accommodated in a housing 107, and the ultrasonic microphone 100 outside the housing 107. A wired impedance conversion unit (not shown) and an ultrasonic reception sound pressure conversion unit (ultrasonic reception sound pressure conversion means) (not shown) connected to the impedance conversion unit outside the housing 107 are configured.

図10(b)に示すように、更に他の変形例の超音波マイクロフォン装置250は、超音波マイクロフォン100と超音波マイクロフォン100に結線されたインピーダンス変換部(不図示)とをハウジング107内に収容した超音波マイクロフォン本体251と、ハウジング107外でインピーダンス変換部126に結線された不図示の超音波受信音圧変換部(超音波受信音圧変換手段)とで構成されている。 As shown in FIG. 10B, the ultrasonic microphone device 250 of still another modified example accommodates an ultrasonic microphone 100 and an impedance converter (not shown) connected to the ultrasonic microphone 100 in a housing 107. The ultrasonic microphone main body 251 and an ultrasonic reception sound pressure conversion unit (ultrasonic reception sound pressure conversion means) (not shown) connected to the impedance conversion unit 126 outside the housing 107 are configured.

また、上記音圧として単位をPaとしたが、音圧単位としてdBを利用してもよい。
音圧を計算する場合、上記KZKの非線形微分方程式に代えて、基本波に対してはRayleighの積分式を利用してもよい。
音圧変換用受信感度は、V/PaまたはV/dBの逆数を単位としてもよい。
Moreover, although the unit is Pa as the sound pressure, dB may be used as the sound pressure unit.
When calculating the sound pressure, the Rayleigh integral formula may be used for the fundamental wave instead of the KZK nonlinear differential equation.
The reception sensitivity for sound pressure conversion may be based on the inverse of V / Pa or V / dB.

1,250,250…超音波マイクロフォン装置
100…超音波マイクロフォン
101…圧電エレクトレット(音響電気変換素子)
102,103…電極
107…ハウジング
126…インピーダンス変換部
128…超音波受信音圧変換部(超音波受信音圧変換手段)
503…超音波標準音源(標準音源)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,250,250 ... Ultrasonic microphone apparatus 100 ... Ultrasonic microphone 101 ... Piezoelectric electret (acoustoelectric conversion element)
102, 103 ... electrode 107 ... housing 126 ... impedance converter 128 ... ultrasonic wave reception sound pressure converter (ultrasonic wave reception sound pressure conversion means)
503 ... Ultrasonic standard sound source (standard sound source)

Claims (8)

超音波周波数領域において利用される超音波マイクロフォン装置であって、
超音波を受信する超音波マイクロフォンは、V/PaまたはV/dBの単位、またはそれらの逆数を単位とする音圧変換用受信感度を有し、前記受信感度に基づいて、観測点での前記超音波マイクロフォンからの出力電圧を超音波受信音圧に変換する超音波受信音圧変換手段を有することを特徴とする超音波マイクロフォン装置。
An ultrasonic microphone device used in an ultrasonic frequency domain,
An ultrasonic microphone that receives ultrasonic waves has a sound pressure conversion reception sensitivity in units of V / Pa or V / dB, or a reciprocal thereof, and based on the reception sensitivity, An ultrasonic microphone device comprising ultrasonic reception sound pressure conversion means for converting an output voltage from an ultrasonic microphone into ultrasonic reception sound pressure.
前記超音波受信音圧変換手段は、前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeas(V)を、前記超音波受信音圧変換手段のメモリに記憶した前記受信感度Srecと照合し、前記出力電圧Vmeas(V)を前記受信感度Srecで除することによって受信音圧Pcal(Pa)を算出することを特徴とする請求項1記載の超音波マイクロフォン装置。 The ultrasonic reception sound pressure conversion means compares the output voltage V meas (V) of the ultrasonic microphone with the reception sensitivity S rec stored in the memory of the ultrasonic reception sound pressure conversion means, and outputs the output voltage V 2. The ultrasonic microphone device according to claim 1, wherein the reception sound pressure P cal (Pa) is calculated by dividing meas (V) by the reception sensitivity S rec . 前記受信感度は、以下のステップを経て作成されるものであることを特徴とした請求項1又は2記載の超音波マイクロフォン装置。
第1ステップ:開口半径aを有し、空中への伝搬時に周波数nf0(nは整数)の高次高調波を生じる周波数f0の基本波超音波を発生させかつ伝搬させる広帯域超音波ピストン音源となる超音波標準音源を設ける。
第2ステップ:前記超音波標準音源の表面の振動速度u0又はこの振動速度u0に音響インピーダンスを積算した音源音圧P0を測定する。
第3ステップ:前記第2ステップで測定した前記振動速度u0若しくは前記音源音圧P0と、前記開口半径aと、前記周波数f0とを用い、Rayleighの積分式を用いて前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fundをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算するか、又はKZKの非線形微分方程式を用いて、前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fund、第二高調波成分の音圧Pcal 2nd及び第三高調波成分の音圧Pcal 3rdをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算する。
第4ステップ:前記第3ステップで計算された音場に関し、音圧と位置との関係を示すテーブルを作成する。
第5ステップ:前記超音波マイクロフォンを前記ステップ4で作成された前記テーブルに設定した各位置に順次走査して、前記位置ごとの前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeasを実測する。
第6ステップ:前記第5ステップで実測した前記超音波マイクロフォンの前記出力電圧Vmeasを、基本波成分Vmeas fundと、第二高調波成分Vmeas 2ndと、第三高調波成分Vmeas 3rdとに分離し、それぞれの周波数成分の電圧レベルの値を抽出する。
第7ステップ:前記第4ステップで計算された各位置における前記基本波成分の音圧と前記第二高調波成分の音圧と前記第三高調波成分の音圧Pcal fund、Pcal 2nd、Pcal 3rdと、前記各位置に対応する前記第5ステップの実測位置における出力電圧の前記基本波成分と前記第二高調波成分と前記第三高調波成分Vmeas fund、Vmeas 2nd 、Vmeas 3rdとに基づき、それぞれの受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd及びVmeas 3rd/Pcal 3rdを計算する。
第8ステップ:基本波成分と第二高調波成分と第三高調波成分のそれぞれの前記受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd、及びVmeas 3rd/Pcal 3rdの一致性を評価し、一致する場合との差異が5%以内である受信感度の実測値と計算値との平均値を計算し、この平均値を、前記超音波マイクロフォンの受信感度とする。
The ultrasonic microphone device according to claim 1, wherein the reception sensitivity is created through the following steps.
First step: A broadband ultrasonic piston sound source having an opening radius a and generating and propagating a fundamental ultrasonic wave of a frequency f 0 that generates a higher-order harmonic of a frequency nf 0 (n is an integer) when propagating to the air An ultrasonic standard sound source will be provided.
Second step: Measure the vibration velocity u 0 of the surface of the ultrasonic standard sound source or the sound source sound pressure P 0 obtained by integrating the acoustic impedance to this vibration velocity u 0 .
Third step: Using the vibration velocity u 0 or the sound source sound pressure P 0 measured in the second step, the opening radius a, and the frequency f 0 , and using the Rayleigh integral formula, the ultrasonic standard Calculate the sound pressure P cal fund of the fundamental wave formed by the sound source in units of Pascal (Pa) or decibel (dB), or use the nonlinear differential equation of KZK, The sound pressure P cal fund , the second harmonic component sound pressure P cal 2nd and the third harmonic component sound pressure P cal 3rd are calculated in units of Pascal (Pa) or Decibel (dB).
Fourth step: For the sound field calculated in the third step, a table indicating the relationship between sound pressure and position is created.
Fifth step: The ultrasonic microphone is sequentially scanned at each position set in the table created in step 4, and the output voltage V meas of the ultrasonic microphone at each position is measured.
Sixth step: The output voltage V meas of the ultrasonic microphone actually measured in the fifth step is expressed as a fundamental wave component V meas fund , a second harmonic component V meas 2nd, and a third harmonic component V meas 3rd . And the voltage level value of each frequency component is extracted.
Seventh step: The sound pressure of the fundamental wave component, the sound pressure of the second harmonic component, and the sound pressure of the third harmonic component at each position calculated in the fourth step P cal fund , P cal 2nd , P cal 3rd and the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component V meas fund , V meas 2nd , V meas of the output voltage at the measurement position of the fifth step corresponding to each position Based on 3rd , the respective reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd and V meas 3rd / P cal 3rd are calculated.
Eighth step: Receiving sensitivity V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd , and V meas 3rd / P cal 3rd of the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component, respectively. The coincidence is evaluated, and an average value of the measured value and the calculated value of the reception sensitivity whose difference from the coincidence is within 5% is calculated, and this average value is set as the reception sensitivity of the ultrasonic microphone.
前記超音波マイクロフォンは、受信超音波を電気信号に変換する音響電気変換素子として、両面に金を成膜した多孔性ポリプロピレン膜を有し、前記多孔性ポリプロピレン膜を帯電させた圧電エレクトレットを用いたことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の超音波マイクロフォン装置。   The ultrasonic microphone uses a piezoelectric electret having a porous polypropylene film in which gold is formed on both surfaces as an acoustoelectric conversion element for converting received ultrasonic waves into an electric signal, and charging the porous polypropylene film. The ultrasonic microphone device according to any one of claims 1 to 3, wherein 前記超音波マイクロフォンは、保護膜層を有していることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の超音波マイクロフォン装置。   The ultrasonic microphone device according to claim 1, wherein the ultrasonic microphone has a protective film layer. 前記超音波マイクロフォンと、前記超音波マイクロフォンに結線されたソースフォロワー型のインピーダンス変換部とをハウジング内に収容していることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の超音波マイクロフォン装置。   The ultrasonic wave according to claim 1, wherein the ultrasonic microphone and a source follower type impedance converter connected to the ultrasonic microphone are accommodated in a housing. Microphone device. 前記インピーダンス変換部に結線された前記超音波受信音圧変換手段を前記ハウジング内に収容していることを特徴とする請求項6に記載の超音波マイクロフォン装置。   The ultrasonic microphone device according to claim 6, wherein the ultrasonic reception sound pressure conversion unit connected to the impedance conversion unit is accommodated in the housing. 開口半径aを有し、空中への伝搬時に周波数nf0(nは整数)の高次高調波を生じる周波数f0の基本波超音波を発生させかつ伝搬させる広帯域超音波ピストン音源となる超音波標準音源を設ける第1ステップと、
前記超音波標準音源の表面の振動速度u0又はこの振動速度u0に音響インピーダンスを積算した音源音圧P0を測定する第2ステップと、
前記第2ステップで測定した前記振動速度u0若しくは前記音源音圧P0と、前記開口半径aと、前記周波数f0とを用い、Rayleighの積分式を用いて前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fundをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算するか、又はKZKの非線形微分方程式を用いて、前記超音波標準音源が形成する基本波の音圧Pcal fund、第二高調波成分の音圧Pcal 2nd及び第三高調波成分の音圧Pcal 3rdをパスカル(Pa)又はデシベル(dB)の単位で計算する第3ステップと、
前記第3ステップで計算された音場に関し、音圧と位置との関係を示すテーブルを作成する第4ステップと、
超音波マイクロフォンを前記ステップ4で作成された前記テーブルに設定した各位置に順次走査して、前記位置ごとの前記超音波マイクロフォンの出力電圧Vmeasを実測する第5ステップと、
前記第5ステップで実測した前記超音波マイクロフォンの前記出力電圧Vmeasを、基本波成分Vmeas fundと、第二高調波成分Vmeas 2ndと、第三高調波成分Vmeas 3rdとに分離し、それぞれの周波数成分の電圧レベルの値を抽出する第6ステップと、
前記第4ステップで計算された各位置における前記基本波成分の音圧と前記第二高調波成分の音圧と前記第三高調波成分の音圧Pcal fund、Pcal 2nd、Pcal 3rdと、前記各位置に対応する前記第5ステップの実測位置における出力電圧の前記基本波成分と前記第二高調波成分と前記第三高調波成分Vmeas fund、Vmeas 2nd 、Vmeas 3rdとに基づき、それぞれの受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd及びVmeas 3rd/Pcal 3rdを計算する第7ステップと、
基本波成分と第二高調波成分と第三高調波成分のそれぞれの前記受信感度Vmeas fund/Pcal fund、Vmeas 2nd/Pcal 2nd、及びVmeas 3rd/Pcal 3rdの一致性を評価し、一致する場合との差異が5%以内である受信感度の実測値と計算値との平均値を計算し、この平均値を、前記超音波マイクロフォンの受信感度とする第8ステップと、を有する超音波マイクロフォンの出力信号を電気単位のボルトから音響単位のパスカル又はデシベルに変換する方法。
Ultrasound that has an opening radius a and serves as a broadband ultrasonic piston sound source that generates and propagates fundamental wave ultrasonic waves of frequency f 0 that generate high-order harmonics of frequency nf 0 (n is an integer) when propagating into the air. A first step of providing a standard sound source;
A second step of measuring a vibration velocity u 0 of the surface of the ultrasonic standard sound source or a sound source sound pressure P 0 obtained by integrating an acoustic impedance to the vibration velocity u 0 ;
Using the vibration velocity u 0 or the sound source sound pressure P 0 measured in the second step, the opening radius a, and the frequency f 0 , the ultrasonic standard sound source is formed using Rayleigh's integral equation. The fundamental sound pressure P cal fund is calculated by the unit of Pascal (Pa) or decibel (dB), or the fundamental sound pressure P cal generated by the ultrasonic standard sound source using the KZK nonlinear differential equation. fund , the third step of calculating the sound pressure P cal 2nd of the second harmonic component and the sound pressure P cal 3rd of the third harmonic component in units of pascal (Pa) or decibel (dB);
A fourth step of creating a table showing the relationship between sound pressure and position with respect to the sound field calculated in the third step;
A fifth step of measuring the output voltage V meas of the ultrasonic microphone for each position by sequentially scanning the ultrasonic microphone at each position set in the table created in Step 4;
The output voltage V meas of the ultrasonic microphone measured in the fifth step is separated into a fundamental component V meas fund , a second harmonic component V meas 2nd, and a third harmonic component V meas 3rd , A sixth step of extracting the voltage level value of each frequency component;
The sound pressure of the fundamental wave component, the sound pressure of the second harmonic component, and the sound pressure of the third harmonic component at each position calculated in the fourth step, P cal fund , P cal 2nd , P cal 3rd , , Based on the fundamental wave component, the second harmonic component, and the third harmonic component V meas fund , V meas 2nd , V meas 3rd of the output voltage at the actually measured position in the fifth step corresponding to each position. A seventh step of calculating respective reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd and V meas 3rd / P cal 3rd ;
Evaluate the coincidence of the reception sensitivities V meas fund / P cal fund , V meas 2nd / P cal 2nd , and V meas 3rd / P cal 3rd of the fundamental wave component, second harmonic component, and third harmonic component Then, an average value of the measured value and the calculated value of the reception sensitivity whose difference from the coincidence is within 5% is calculated, and the eighth step is used as the reception sensitivity of the ultrasonic microphone. A method of converting an output signal of an ultrasonic microphone having a voltage from an electrical unit of volt to an acoustic unit of pascal or decibel.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113203472A (en) * 2021-05-13 2021-08-03 深圳市鼎阳科技股份有限公司 Microphone probe sensitivity compensation method and system for oscilloscope

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