JP2023063592A - 延性のある膜、表面、および表面下特性の特性評価のための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第1の目的は、表面または膜への印加のための脈動機械的刺激の発生のための装置および方法であり、機械的刺激は、反射される超音波信号の精査、および反射される応答の特性評価による刺激に対する表面または膜の応答の超音波測定と組み合わせられ、表面または膜の機械的特性を決定する。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
(項目1)
非接触特性評価システムであって、前記非接触特性評価システムは、
特性評価されるべき遠隔の物体に向けられる非接触変位力を発生させる励起発生器と、
超音波エネルギーを遠隔の物体に向ける超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサに結合された伝送波形発生器と、
前記超音波トランスデューサに結合された受信信号プロセッサと
を備え、
前記受信信号プロセッサは、遠隔の物体から反射された超音波エネルギーを受信し、前記受信信号プロセッサは、前記受信された超音波信号の振幅または位相を前記伝送波形発生器によって形成された伝送信号と比較し、前記受信信号プロセッサは、それによって、前記非接触変位力に応答する遠隔の物体の変位の推定値を形成する、非接触特性評価システム。
(項目2)
前記励起発生器は、遠隔の物体に向けられる空気のパフを形成する、項目1に記載の非接触特性評価システム。
(項目3)
前記空気のパフは、非酸化ガスを含む、項目2に記載の非接触特性評価システム。
(項目4)
前記非酸化ガスは、窒素、アルゴン、CO2、ヘリウムのうちの少なくとも1つである、項目3に記載の非接触特性評価システム。
(項目5)
前記超音波トランスデューサは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(cMUT)である、項目1に記載の非接触特性評価システム。
(項目6)
前記伝送信号発生器は、前記超音波トランスデューサ伝送周波数の基本周波数または高調波周波数において動作可能な連続波(CW)発生器またはパルス信号発生器のいずれかである、項目1に記載の非接触特性評価システム。
(項目7)
前記受信信号プロセッサは、受信される信号のベースバンド復調を実施し、一連の位相推定値から変位の推定値を形成し、各位相推定値は、前記伝送された信号と比較された前記受信された信号の位相変位から決定される、項目1に記載の非接触特性評価システム。
(項目8)
前記一連の位相推定値は、弾性メトリックを形成する、項目7に記載の非接触特性評価システム。
(項目9)
弾性表面の非接触測定のための方法であって、前記測定方法は、
非接触力事象であって、それによって、励起発生器が、特性評価されるべき表面または前記表面に隣接する材料の体積に非接触力を提供する、非接触力事象と、
各適用される励起発生器の非接触力事象に関して、一連の変位測定を形成することと
を含み、
各変位測定は、
トランスデューサからの超音波エネルギーを特性評価されるべき表面または前記表面に隣接する材料の体積に向けることと、
前記トランスデューサが特性評価されるべき前記表面または体積から反射される超音波エネルギーを受信することと、
前記伝送された超音波エネルギーの位相を前記受信された超音波エネルギーと比較し、変位推定を形成することと
を含み、
それによって、複数の前記変位測定は、弾性または粘性を推定するために使用される、方法。
(項目10)
前記励起発生器の非接触力は、特性評価されるべき材料上またはそれの表面に向けられたノズルから解放される空気のパフである、項目9に記載の方法。
(項目11)
前記空気のパフは、窒素、アルゴン、CO2、またはヘリウムのうちの少なくとも1つを含む不活性ガスである、項目10に記載の方法。
(項目12)
前記トランスデューサは、cMUTまたは圧電トランスデューサのうちの少なくとも1つである、項目9に記載の方法。
(項目13)
前記向ける超音波エネルギーは、伝送トランスデューサによる連続波(CW)超音波エネルギーである、項目9に記載の方法。
(項目14)
前記伝送された超音波エネルギーの位相を前記受信された超音波エネルギーと比較することは、測定されるべき材料の非接触変位に変換される位相変位を形成する、項目13に記載の方法。
(項目15)
前記弾性または粘性の推定は、一連の測定された位相変位をテンプレートの一連の測定と比較することによって実施される、項目9に記載の方法。
(項目16)
前記弾性または粘性の推定は、前記励起源の立ち上がり時間または立ち下がり時間と比較される変位の立ち上がり時間または立ち下がり時間の精査によって実施される、項目9に記載の方法。
(項目17)
前記励起は、ステップ圧力またはインパルス圧力であり、前記弾性または粘性の推定は、リングダウン特性の精査によって実施される、項目9に記載の方法。
(項目18)
前記リングダウン特性は、指数関数的減衰時間、またはリングサイクル間隔または周波数のうちの少なくとも1つである、項目17に記載の方法。
(項目19)
前記励起は、表面波、剪断波、または表面波と剪断波との組み合わせとして、特性評価されるべき前記表面または前記体積まで伝搬する、項目9に記載の方法。
(項目20)
特性評価されるべき前記表面または体積は、流体の上の膜を含む、項目9に記載の方法。
(項目21)
特性評価されるべき前記表面または体積は、弾性または粘性を有する流体を含む、項目9に記載の方法。
(項目22)
特性評価されるべき前記表面または体積は、動物またはヒトを含む、項目9に記載の方法。
(項目23)
非接触材料特性評価システムであって、前記非接触材料特性評価システムは、
励起発生器であって、前記励起発生器は、弾性表面または前記弾性表面に隣接する材料の体積に向けられる非接触変位力を発生させるように構成されている、励起発生器と、
超音波トランスデューサであって、前記超音波トランスデューサは、前記表面または前記体積に伝送信号を向けるように構成され、前記超音波トランスデューサは、前記表面または前記体積から反射されたドップラ超音波信号を受信するように構成されている、超音波トランスデューサと、
前記超音波トランスデューサに結合されたプロセッサと
を備え、
前記プロセッサは、前記非接触変位力および前記反射されるドップラ超音波信号に応答する前記表面または前記体積の変位を決定するように構成されている、非接触材料特性評価システム。
(項目24)
前記プロセッサは、前記反射されたドップラ超音波信号の振幅または位相のうちの少なくとも1つを前記伝送信号の振幅または位相のうちの少なくとも1つと比較することによって、前記変位を決定するように構成されている、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目25)
前記励起発生器によって発生させられる前記非接触変位力は、空気のパフを含む、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目26)
前記励起発生器は、少なくとも20Hzの周波数を伴う前記非接触変位力を発生させるように構成されている、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目27)
前記励起発生器によって発生させられる前記非接触変位力は、インパルス励起を含む、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目28)
前記超音波トランスデューサは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(cMUT)または圧電トランスデューサを含む、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目29)
前記超音波トランスデューサに結合された波形発生器をさらに備え、前記波形発生器は、連続波(CW)発生器またはパルス信号発生器のいずれかを含み、前記波形発生器は、前記伝送信号の基本周波数または高調波周波数において動作可能である、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目30)
前記プロセッサは、前記反射されたドップラ信号の位相と前記伝送信号の位相との一連の比較を実施することによって、前記変位を決定するように構成されている、項目24に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目31)
前記プロセッサは、前記反射されたドップラ信号のベースバンド復調を実施するようにさらに構成されている、項目30に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目32)
前記プロセッサは、前記一連の位相推定に基づいて、前記弾性表面または体積の弾性または粘性のうちの少なくとも1つを決定するように構成されている、項目30に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目33)
前記プロセッサは、前記決定された変位に基づいて、前記弾性表面または体積の弾性または粘性のうちの少なくとも1つを決定するように構成されている、項目23に記載の非接触材料特性評価システム。
(項目34)
弾性表面の測定のための方法であって、前記方法は、
(a)非接触変位力を前記弾性表面または前記弾性表面に隣接する材料の体積に提供することと、
(b)超音波エネルギーをトランスデューサから前記表面または前記弾性表面に隣接する体積に伝送することと、
(c)前記トランスデューサにおいて、反射されたドップラ超音波信号を受信することと、
(d)前記伝送された超音波エネルギーの振幅または位相のうちの少なくとも1つを前記反射されたドップラ超音波信号の振幅または位相のうちの少なくとも1つと比較し、変位測定を形成することと、
(e)前記非接触変位力に応答する前記変位測定から弾性または粘性を計算することと
を含む、方法。
(項目35)
前記弾性表面または前記弾性表面に隣接する前記材料の体積に前記非接触力を提供することは、前記弾性表面または前記弾性表面に隣接する前記材料の体積に空気のパフを向けることを含む、項目34に記載の方法。
(項目36)
前記非接触変位力は、インパルス励起を含む、項目34に記載の方法。
(項目37)
前記トランスデューサは、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ(cMUT)または圧電トランスデューサを含む、項目34に記載の方法。
(項目38)
前記超音波エネルギーを伝送することは、連続波(CW)超音波エネルギーを伝送することを含む、項目34に記載の方法。
(項目39)
ステップ(a)-(d)を繰り返し、一連の変位測定を実施することと、前記一連の変位測定を既知の材料のテンプレートの一連の変位測定と比較することとをさらに含む、項目34に記載の方法。
(項目40)
(e)前記弾性または前記粘性を計算することは、前記変位測定の立ち上がり時間または立ち下がり時間を前記非接触変位力の立ち上がり時間または立ち下がり時間と比較することを含む、項目34に記載の方法。
(項目41)
(a)前記非接触力を提供することは、ステップ圧力またはインパルス圧力を提供することを含み、(e)前記弾性または前記粘性を計算することは、前記反射されたドップラ超音波信号のリングダウン特性を分析することを含む、項目34に記載の方法。
(項目42)
前記リングダウン特性は、指数関数的減衰時間、リングサイクル間隔、またはリングサイクル周波数のうちの少なくとも1つを含む、項目41に記載の方法。
(項目43)
前記非接触変位力は、表面波または剪断波のうちの少なくとも1つとして、前記表面または前記体積まで伝搬する、項目34に記載の方法。
(項目44)
前記表面または前記体積は、流体の上の膜を含む、項目34に記載の方法。
(項目45)
前記弾性表面は、動物またはヒトの組織を含む、項目34に記載の方法。
(項目46)
前記弾性表面は、固体または半固体の食品を含む、項目34に記載の方法。
(項目47)
前記非接触変位力は、少なくとも20Hzの周波数で提供される、項目34に記載の方法。
までシステムの雑音帯域幅を低減させるように動作可能である。
である。図1の低域フィルタ136および138等のベースバンド信号上で狭帯域フィルタリングを実施することは、典型的に、図2の帯域フィルタ236より容易である。例えば、1.5MHzシステムのための一次帯域フィルタ236は、1MHzの3db帯域幅を有し得る一方、所望される信号コンテンツは、1KHzを下回り、それは、帯域フィルタ236の中に組み込むことは、困難であるが、低域フィルタ136の中に組み込むことは、単純である。故に、1KHzベースバンドシステムのためのサンプル雑音フロアは、28nVrmsであろう一方、1MHz帯域幅の直接サンプリングシステムは、30倍より高いか、または同一の信号エネルギーを伴う900nVrmsであろう。(典型的に、受信チェーン内の最初のいくつかの要素によって統制される)システムの雑音係数は、それが、雑音係数によって雑音フロアをスケーリングするであろうから別個に管理され、従って、6dBの雑音係数が、上記のrms雑音フロア値の両方を約2倍にするであろう。
φ(t)=e-t/τcos(2πft)
式中、
φ(t)は、一連の測定に関して捕捉される位相であり、
τは、指数関数減衰係数であり、
fは、リングサイクル周波数であり、
tは、時間である。
表面に超音波エネルギーを結合するための超音波トランスデューサと、
表面の中に結合されるサブオーディオ、オーディオ、またはスーパーオーディオ励起を生成し、表面内の測定可能なたわみを引き起こす励起発生器と、
伝送間隔中に超音波トランスデューサに結合される伝送機と、
伝送間隔に続く受信間隔中に超音波トランスデューサに結合される受信機と、
受信間隔中に伝送間隔の伝送信号の位相を受信信号の位相および/または振幅と比較し、表面たわみを推定する位相および/または振幅分析器と、
表面たわみを励起発生器出力と比較することによって、位相および振幅分析器からメトリックを導出する、信号プロセッサと、
受信信号が空気または流体からの反射を含む表面からの反射であるかどうかを示し、随意に、表面たわみ特性から流体を特性評価する弾性メトリックと
を備えている、信号プロセッサ。
表面または膜への印加ためのサブオーディオ、オーディオ、またはスーパーオーディオ励起を生成し、変位を引き起こす励起発生器と、
特性評価されるべき表面に向かって音響波を発進させ、表面から反射を受信するためのトランスデューサと、
トランスデューサから表面上の着目領域まで音響波の方向付けを可能にするための視覚インジケータと、
伝送間隔中に動作可能であり、ゲート周波数バーストをトランスデューサに結合する超音波伝送機と、
受信間隔中に動作可能であり、トランスデューサに結合される超音波受信機と、
伝送クロックの位相を超音波受信機からの受信信号と比較し、位相出力を発生させる位相および振幅検出器と、
位相出力を励起発生器の出力と比較する応答分析器であって、位相出力と励起発生器の出力との比較によって、特性評価されるべき表面に隣接する流体の粘性を決定する、応答分析器と
を有する、信号プロセッサ。
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- 明細書に記載された発明。
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