JP2686302B2 - 運動媒体の特性を測定するための音響学的方法 - Google Patents
運動媒体の特性を測定するための音響学的方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、測定技術の分野、とりわけ音響エネルギー
を意図的に照射して粘性媒体の非破壊遠隔測定および／
またはモニターを行なうことのできる方法に係る。
を意図的に照射して粘性媒体の非破壊遠隔測定および／
またはモニターを行なうことのできる方法に係る。
多方面の分野において、以下の説明では運動媒体と称
する液体およびガスの一連の物理的因子を精度よく測定
したり、および／またはこうした因子の実態を正確に把
握する必要性がますます高まつてきている。最近の電子
半導体部品の急速な発展に伴なつて、今日では非常に能
力が大きく、高速で作動する汎用性の高い廉価なパーソ
ナルコンピユータが豊富に出まわるようになつてきてい
る。こうしたパーソナルコンピユータは、多くの用途に
おいて旧式のマイクロコンピユータシステムにとつて代
わつてきているが、測定、制御および調節システムの将
来における使用並びにその開発の実態は、コンピユータ
の能力に期待するよりもむしろ適当な測定用送信器がな
いために大きな制約を受けることが予測されている。精
度が10％しかない測定用送信器を使用したのでは、ミル
の単位のレベルで生産工程の制御を行なうことは到底不
可能である。
する液体およびガスの一連の物理的因子を精度よく測定
したり、および／またはこうした因子の実態を正確に把
握する必要性がますます高まつてきている。最近の電子
半導体部品の急速な発展に伴なつて、今日では非常に能
力が大きく、高速で作動する汎用性の高い廉価なパーソ
ナルコンピユータが豊富に出まわるようになつてきてい
る。こうしたパーソナルコンピユータは、多くの用途に
おいて旧式のマイクロコンピユータシステムにとつて代
わつてきているが、測定、制御および調節システムの将
来における使用並びにその開発の実態は、コンピユータ
の能力に期待するよりもむしろ適当な測定用送信器がな
いために大きな制約を受けることが予測されている。精
度が10％しかない測定用送信器を使用したのでは、ミル
の単位のレベルで生産工程の制御を行なうことは到底不
可能である。
（従来の技術） 電圧、電流、長さ、重量等の単純な因子は精度よく測
定できるが、複合材料の滑らかさ、流動性、チキソトロ
ピー等の性質を測定できる精度のよい送信器を入手する
ことは容易ではない。例えば多量の紙パルプ等を査定す
る際、今日最も進んだ測定システムよりも人間の五感の
方が優れている場合もある。熟練した現場技術者は、紙
パルプの外観を観察し感触を確かめてその処理状態を判
定することを頻繁に行なつている。同じように医者の場
合にも、診断の主要な根拠を敢えて指摘することは難し
いが、患者に話し掛けるだけで患者が健康であるかまた
は病気であるかを簡単に見分けることができる。
定できるが、複合材料の滑らかさ、流動性、チキソトロ
ピー等の性質を測定できる精度のよい送信器を入手する
ことは容易ではない。例えば多量の紙パルプ等を査定す
る際、今日最も進んだ測定システムよりも人間の五感の
方が優れている場合もある。熟練した現場技術者は、紙
パルプの外観を観察し感触を確かめてその処理状態を判
定することを頻繁に行なつている。同じように医者の場
合にも、診断の主要な根拠を敢えて指摘することは難し
いが、患者に話し掛けるだけで患者が健康であるかまた
は病気であるかを簡単に見分けることができる。
この種の材料特性を測定する送信器に関する限り、測
定に使用する測定装置の特性すら正確に把握できないこ
とがある。絶対測定精度よりも重要なことは、測定用送
信器が安定した性能を発揮するものであり、一定した測
定条件の下では常に同じ測定値の得られるものが必要と
されている。測定用送信器のその他の望ましい特徴とし
ては、測定過程にマイナスの影響を及ぼすことがなく、
しかもテレメータ技術により測定を行なえることが求め
られている。また前述した用途例では決定的な判断基準
とはなり得ないが、送信器の価格も常に重要な要素であ
る。
定に使用する測定装置の特性すら正確に把握できないこ
とがある。絶対測定精度よりも重要なことは、測定用送
信器が安定した性能を発揮するものであり、一定した測
定条件の下では常に同じ測定値の得られるものが必要と
されている。測定用送信器のその他の望ましい特徴とし
ては、測定過程にマイナスの影響を及ぼすことがなく、
しかもテレメータ技術により測定を行なえることが求め
られている。また前述した用途例では決定的な判断基準
とはなり得ないが、送信器の価格も常に重要な要素であ
る。
製品の流動性または粘度等を製造工程の途中で連続的
にモニターする必要のある、食品製造業または加工業の
事例について説明する。粘性の測定には比較的面倒な分
析方法が必要とされている。この分析方法では、工程の
途中でサンプルを取り出し、このサンプルを例えば回転
シリンダ式粘度計に据える操作が行なわれる。その他の
分析法によると、液体に含まれる多量の固体粒子を測定
しなければならないことがある。こうした方法ではサン
プルを蒸発乾燥させ、多量の嵩ばる固形物質を取り出さ
なくてはならない。
にモニターする必要のある、食品製造業または加工業の
事例について説明する。粘性の測定には比較的面倒な分
析方法が必要とされている。この分析方法では、工程の
途中でサンプルを取り出し、このサンプルを例えば回転
シリンダ式粘度計に据える操作が行なわれる。その他の
分析法によると、液体に含まれる多量の固体粒子を測定
しなければならないことがある。こうした方法ではサン
プルを蒸発乾燥させ、多量の嵩ばる固形物質を取り出さ
なくてはならない。
ほとんどの場合、手の込んだ分析を行ないながら面倒
なサンプルの取出しを実施することは事実上不可能であ
る。多くの生物工学的処理過程では、例えば発酵処理に
おいて、処理容器には一般に密封容器が使用されてい
る。製品の品質を高いレベルに保つために、密封容器の
内側で進行している処理過程が適切に行なわれているか
どうかを連続的にチエツクすることが望ましい。
なサンプルの取出しを実施することは事実上不可能であ
る。多くの生物工学的処理過程では、例えば発酵処理に
おいて、処理容器には一般に密封容器が使用されてい
る。製品の品質を高いレベルに保つために、密封容器の
内側で進行している処理過程が適切に行なわれているか
どうかを連続的にチエツクすることが望ましい。
大量生産を行なう業界では、設備等の故障が問題とな
ることがある。こうした故障が起きると、製品の一部が
不良品となつてしまう。こうした不良品は他の製品から
確実にしかも速やかに回収し、回収したものを廃棄でき
るようにしておかなくてはならない。こうした廃棄処分
は測定の行なわれる単一地点だけの作業というわけでは
なく、例えば数百万個の使捨てパツケージ式のミルクパ
ツケージについて行なわれることもある。こうしたケー
スでは、普通パツケージのすべてを開封して検査するわ
けにはいかず、パツケージを破らないで中身を調べる測
定方法をとる必要がある。
ることがある。こうした故障が起きると、製品の一部が
不良品となつてしまう。こうした不良品は他の製品から
確実にしかも速やかに回収し、回収したものを廃棄でき
るようにしておかなくてはならない。こうした廃棄処分
は測定の行なわれる単一地点だけの作業というわけでは
なく、例えば数百万個の使捨てパツケージ式のミルクパ
ツケージについて行なわれることもある。こうしたケー
スでは、普通パツケージのすべてを開封して検査するわ
けにはいかず、パツケージを破らないで中身を調べる測
定方法をとる必要がある。
例えばエイズのような多くの伝染病の危険に晒されて
いる状況下では、予め輸血の必要のあることが分かつて
いる患者に対する輸血は、今後、いわゆる「自己輸血」
によつて行なわれる機会が増加すると考えられる。つま
り、体調の良好な手術前の患者自身から採血した血液を
プラスチツクバツグ等に充填し、必要時まで冷蔵保存し
ておくのである。そうした場合、必要となるのはこのプ
ラスチツクバツグを開封することなく保存血液の性質を
チエツクできるようにすることである。こうした目的の
ために用いられる装置は、当然に、無菌状態のような非
常に厳重な環境条件下で管理しなくてはならない。
いる状況下では、予め輸血の必要のあることが分かつて
いる患者に対する輸血は、今後、いわゆる「自己輸血」
によつて行なわれる機会が増加すると考えられる。つま
り、体調の良好な手術前の患者自身から採血した血液を
プラスチツクバツグ等に充填し、必要時まで冷蔵保存し
ておくのである。そうした場合、必要となるのはこのプ
ラスチツクバツグを開封することなく保存血液の性質を
チエツクできるようにすることである。こうした目的の
ために用いられる装置は、当然に、無菌状態のような非
常に厳重な環境条件下で管理しなくてはならない。
（本発明の概要） 本発明によれば、液体と、該液体中に懸濁または混合
されていて該液体とは音響インピーダンスが異なる物質
とを含む媒体の粘性及び他の特性の変化を測定するため
の方法であって、 （ａ）音響波を前記媒体内に伝達して該媒体内に流動を
生じさせ、 （ｂ）該媒体を通過した音響波を検出し、 （ｃ）前記伝達した音響波と前記検出した音響波との周
波数の差を計算し、 （ｄ）この計算した周波数の差に基づいて前記液体と前
記物質との間の相対的な速度を決定する、ことを特徴と
する方法が提供される。
されていて該液体とは音響インピーダンスが異なる物質
とを含む媒体の粘性及び他の特性の変化を測定するため
の方法であって、 （ａ）音響波を前記媒体内に伝達して該媒体内に流動を
生じさせ、 （ｂ）該媒体を通過した音響波を検出し、 （ｃ）前記伝達した音響波と前記検出した音響波との周
波数の差を計算し、 （ｄ）この計算した周波数の差に基づいて前記液体と前
記物質との間の相対的な速度を決定する、ことを特徴と
する方法が提供される。
また、本発明によれば、パッケージ内に封じ込められ
ていて、気相及び固体相のうちの少なくとも１つを有す
る液体媒体の粘度の変化を測定する方法であって、 均質な材料からなる前記パッケージの一部を通して前
記液体媒体内に音響エネルギーを導入して、該液体媒体
内に流動を生じさせ、 前記均質な材料からなるパッケージの部分を通して反
射した音響エネルギーを検知し、 前記導入した音響エネルギーと前記反射した音響エネ
ルギーとの間の差に基づいて、前記液体媒体内の前記気
相及び前記固体相のうちの少なくとも１つの存在及び粘
度変化を決定する、ことを特徴とする方法が提供され
る。
ていて、気相及び固体相のうちの少なくとも１つを有す
る液体媒体の粘度の変化を測定する方法であって、 均質な材料からなる前記パッケージの一部を通して前
記液体媒体内に音響エネルギーを導入して、該液体媒体
内に流動を生じさせ、 前記均質な材料からなるパッケージの部分を通して反
射した音響エネルギーを検知し、 前記導入した音響エネルギーと前記反射した音響エネ
ルギーとの間の差に基づいて、前記液体媒体内の前記気
相及び前記固体相のうちの少なくとも１つの存在及び粘
度変化を決定する、ことを特徴とする方法が提供され
る。
以下、本発明について説明する。本発明は運動媒体の
持つ種々の特性の迅速な測定方法に利用することがで
き、またこの方法の実施にあたり処理過程に悪影響の及
ぶことはない。第１図は、本発明の基本ブロツク図を示
している。信号発生器１は超音波送信器２に働きかけ、
この超音波送信器は運動媒体３内に伝達される音響エネ
ルギーを生み出している。音響エネルギーにより、以下
に記載のように、媒体には動きが生じる。この動きをあ
る種の周知の測定機器４により把握し、再生可能な情報
を得るようにしている。この情報は後にある種の信号処
理手段５を用いて、媒体の物理的な特性を評価すること
ができる。
持つ種々の特性の迅速な測定方法に利用することがで
き、またこの方法の実施にあたり処理過程に悪影響の及
ぶことはない。第１図は、本発明の基本ブロツク図を示
している。信号発生器１は超音波送信器２に働きかけ、
この超音波送信器は運動媒体３内に伝達される音響エネ
ルギーを生み出している。音響エネルギーにより、以下
に記載のように、媒体には動きが生じる。この動きをあ
る種の周知の測定機器４により把握し、再生可能な情報
を得るようにしている。この情報は後にある種の信号処
理手段５を用いて、媒体の物理的な特性を評価すること
ができる。
音響信号は、例えば圧電子形式の超音波送信器を用い
れば作り出すことができる。従来から、粘性媒体を通り
抜ける超音波の伝播性は、媒体中の単一方向運動、いわ
ゆる「音響学的な流動現象」が関与していることが知ら
れている。歴史的に見ると、こうした現象は19世紀（18
84）の終り頃に既に音響学の父Lord Rayleighによつて
確かめられている。音響流動現象は、原理的には主に２
つのタイプに分けることができる。第１のタイプは、音
響平面波の減衰媒体の通抜けに関するものである。その
際発生する音響流動は、従来から「クオーツ・ウイン
ド」現象として一般に知られている。第２のタイプのも
のは、音響域における不均質性か、または音響域とイン
ピーダンスの変化との間の境界面に生じる連動作用に関
するものである。こうした現象については、Peter D.Ed
monds編「超音波」第19巻に掲載の『実験物理学におけ
る方法』（アカデミツク出版社、1981年）に詳しく説明
されている。
れば作り出すことができる。従来から、粘性媒体を通り
抜ける超音波の伝播性は、媒体中の単一方向運動、いわ
ゆる「音響学的な流動現象」が関与していることが知ら
れている。歴史的に見ると、こうした現象は19世紀（18
84）の終り頃に既に音響学の父Lord Rayleighによつて
確かめられている。音響流動現象は、原理的には主に２
つのタイプに分けることができる。第１のタイプは、音
響平面波の減衰媒体の通抜けに関するものである。その
際発生する音響流動は、従来から「クオーツ・ウイン
ド」現象として一般に知られている。第２のタイプのも
のは、音響域における不均質性か、または音響域とイン
ピーダンスの変化との間の境界面に生じる連動作用に関
するものである。こうした現象については、Peter D.Ed
monds編「超音波」第19巻に掲載の『実験物理学におけ
る方法』（アカデミツク出版社、1981年）に詳しく説明
されている。
運動の大きさに影響を及ぼす他の因子には、媒体の粘
度、伝達される音響信号の周波数、強さ、波形、および
環境定常波までの距離がある。音響信号を反射する媒体
中に物体が含まれていると、これら物体は音響信号の強
さに比例した放射圧の影響を受けるようになる。本明細
書で使用する用語「物体」は、周囲の環境の音響インピ
ーダンスとは異る音響インピーダンスを備えた部分、例
えば、液体中の粒子やガスに含まれる液体の粒をさして
いる。媒体に含まれる物体には力が作用している。この
力の大きさは音響信号の強さ、物体の大きさ等により決
まる。この力を受けた物体は周囲の媒体に対して運動す
るようになる。この運動の大きさには、力の大きさ、周
囲の媒体の物理的特性等が関与している。超音波送信器
に対する物体の運動は、周囲の媒体の運動並びに周囲の
媒体に対する物体自身の運動によつて求められる。
度、伝達される音響信号の周波数、強さ、波形、および
環境定常波までの距離がある。音響信号を反射する媒体
中に物体が含まれていると、これら物体は音響信号の強
さに比例した放射圧の影響を受けるようになる。本明細
書で使用する用語「物体」は、周囲の環境の音響インピ
ーダンスとは異る音響インピーダンスを備えた部分、例
えば、液体中の粒子やガスに含まれる液体の粒をさして
いる。媒体に含まれる物体には力が作用している。この
力の大きさは音響信号の強さ、物体の大きさ等により決
まる。この力を受けた物体は周囲の媒体に対して運動す
るようになる。この運動の大きさには、力の大きさ、周
囲の媒体の物理的特性等が関与している。超音波送信器
に対する物体の運動は、周囲の媒体の運動並びに周囲の
媒体に対する物体自身の運動によつて求められる。
媒体中における運動を測定する方法には様々なものが
ある。以下、前述した原理に従つて、いかにして実際の
媒体の特性を測定するかについて、実例を幾つか挙げて
説明がされている。
ある。以下、前述した原理に従つて、いかにして実際の
媒体の特性を測定するかについて、実例を幾つか挙げて
説明がされている。
密封容器内には媒体が収容されており、この容器を開
放しないで媒体の運動を求める測定が行なわれる。こう
した測定方法は、例えば、殺菌パツクしたミルクが新鮮
であるかどうかを検査したり、また血液バツグ内の血液
が品質劣化を起こしつつあるかどうかを調べるのに伴つ
て、前述した問題点に対処するために採り入れることが
できる。これら２つのケースでは、乳化脂肪や血球等の
物体が媒体に含まれており、容器に対するこれら物体の
運動はドツプラー効果を用いて測定することができる。
この例では、いわゆる連続超音波ドツプラー効果を用い
た第２図の測定方法を利用することができる。出力と周
波数を適当に選択できる信号発生器６が超音波送信器７
を作動させて音響エネルギーを発生するようにしてい
る。この音響エネルギーは、パツケージ壁を真直ぐに通
り抜けて媒体８内に伝達される。こうした測定方法は、
通常ではほとんどのパツケージ材料が音響波にとつて大
きな障害とはならないため実用的な方法とされている。
伝達された音響エネルギーの一部は媒体に含まれる物体
により反射され、いわゆるドツプラー効果により周波数
が変動するようになる。
放しないで媒体の運動を求める測定が行なわれる。こう
した測定方法は、例えば、殺菌パツクしたミルクが新鮮
であるかどうかを検査したり、また血液バツグ内の血液
が品質劣化を起こしつつあるかどうかを調べるのに伴つ
て、前述した問題点に対処するために採り入れることが
できる。これら２つのケースでは、乳化脂肪や血球等の
物体が媒体に含まれており、容器に対するこれら物体の
運動はドツプラー効果を用いて測定することができる。
この例では、いわゆる連続超音波ドツプラー効果を用い
た第２図の測定方法を利用することができる。出力と周
波数を適当に選択できる信号発生器６が超音波送信器７
を作動させて音響エネルギーを発生するようにしてい
る。この音響エネルギーは、パツケージ壁を真直ぐに通
り抜けて媒体８内に伝達される。こうした測定方法は、
通常ではほとんどのパツケージ材料が音響波にとつて大
きな障害とはならないため実用的な方法とされている。
伝達された音響エネルギーの一部は媒体に含まれる物体
により反射され、いわゆるドツプラー効果により周波数
が変動するようになる。
周波数変動量Δｆは以下の式から得られる。
Δｆ＝kvf/c ここで、 Δｆ ＝ドツプラー変動量 ｋ ＝実際の測定状況下に見合う定数 ｖ ＝物体の速度 ｆ ＝伝達された音響信号の周波数 ｃ ＝媒体中の音速 前述したことから、周波数変動量の大きさは物体の速
度に正比例していることが明らかである。反射した信号
は別の超音波送信器９を用いて測定され、受け取つた信
号の周波数変動部分、いわゆるドツプラー変動量は、例
えば、ミキサー10内で受け取つた信号と信号発生器６か
ら送られた信号とを掛け合わすことにより分離される。
さらに、ドツプラー変動量の大きさはある種の周波数分
析器11により測定することができる。
度に正比例していることが明らかである。反射した信号
は別の超音波送信器９を用いて測定され、受け取つた信
号の周波数変動部分、いわゆるドツプラー変動量は、例
えば、ミキサー10内で受け取つた信号と信号発生器６か
ら送られた信号とを掛け合わすことにより分離される。
さらに、ドツプラー変動量の大きさはある種の周波数分
析器11により測定することができる。
この例では、同じ音響エネルギーを用いて媒体に運動
を起こさせ、同時に流動状態を測定することができる。
伝達される音響信号が物体の運動を起こし、またこの運
動の速度は前述した因子、とりわけ信号の強さ、媒体の
粘度、物体の速度の関数であることから、その他の量的
な因子が把握されていれば、ドツプラー変動量の周波数
規模が媒体の粘性特性の指標となる。ここで説明してい
る媒体の特性を検知するためのドツプラー効果は以前か
ら注目されてきたことではあるが、その取扱いについて
は未だ問題が残されている。超音波ドツプラー法のノイ
ズ比に及ぼす影響を考えて、音響信号の取扱いには大き
な制約が残されているためである。
を起こさせ、同時に流動状態を測定することができる。
伝達される音響信号が物体の運動を起こし、またこの運
動の速度は前述した因子、とりわけ信号の強さ、媒体の
粘度、物体の速度の関数であることから、その他の量的
な因子が把握されていれば、ドツプラー変動量の周波数
規模が媒体の粘性特性の指標となる。ここで説明してい
る媒体の特性を検知するためのドツプラー効果は以前か
ら注目されてきたことではあるが、その取扱いについて
は未だ問題が残されている。超音波ドツプラー法のノイ
ズ比に及ぼす影響を考えて、音響信号の取扱いには大き
な制約が残されているためである。
ドツプラー変動信号の強さを直接測れば、導入された
信号のうちのどの程度の部分が媒体中の運動物体により
反射されたかが分かる。反射された信号の強さは、前述
したものの他に物体の数およびこれら物体の音響学的に
見た断面積によつても影響を受けている。物体の音響学
的断面積を例えば解析によつて求めれば、ドツプラー信
号の強さから媒体中の運動物体の量が求められる。測定
の再現性を高めるために、ドツプラー変動信号は周波数
が変動されていない反射音響信号を用いて割り算を行な
い標準化することができる。
信号のうちのどの程度の部分が媒体中の運動物体により
反射されたかが分かる。反射された信号の強さは、前述
したものの他に物体の数およびこれら物体の音響学的に
見た断面積によつても影響を受けている。物体の音響学
的断面積を例えば解析によつて求めれば、ドツプラー信
号の強さから媒体中の運動物体の量が求められる。測定
の再現性を高めるために、ドツプラー変動信号は周波数
が変動されていない反射音響信号を用いて割り算を行な
い標準化することができる。
音響信号を反射している物体は、例えば、いわゆる
「有効容積」内での見かけ上の流動投影関数に従い、ま
たは大きさおよび音響インピーダンスの異なるそれぞれ
の物体毎に、媒体中でそれぞれに固有の速度まで加速さ
せることができる。その結果、ドツプラー効果により様
様な振幅を備えている多数の異なつた周波数成分が得ら
れる。それぞれの振幅は、とりわけ音響断面積を所定倍
した積によつて決まる。こうしたことから、周波数がド
ツプラー信号はもとよりこれらの相対的な強さに関係し
ていることを詳しく調べることは非常に重要である。こ
うした測定は、周波数分析器11を用いれば非常に簡単に
行なうことができる。その他の周知の形式のドツプラー
測定機器、例えば一般には方向検知ドツプラー機と呼ば
れているもの、あるいはいわゆるパルスドツプラー機を
特定の測定状況下で用いても同じように多くの利点が得
られる。これらドツプラー機によれば、流動方向や乱流
動等の測定や検知の解析に関し、より正確な空間分析を
行なうことができる。さらに、パルスドツプラー機によ
れば、超音波発振器から任意に離れた位置で測定するこ
とが可能である。このような測定を幾つか組み合わせれ
ば、運動媒体の個別の因子を測定することができる。
「有効容積」内での見かけ上の流動投影関数に従い、ま
たは大きさおよび音響インピーダンスの異なるそれぞれ
の物体毎に、媒体中でそれぞれに固有の速度まで加速さ
せることができる。その結果、ドツプラー効果により様
様な振幅を備えている多数の異なつた周波数成分が得ら
れる。それぞれの振幅は、とりわけ音響断面積を所定倍
した積によつて決まる。こうしたことから、周波数がド
ツプラー信号はもとよりこれらの相対的な強さに関係し
ていることを詳しく調べることは非常に重要である。こ
うした測定は、周波数分析器11を用いれば非常に簡単に
行なうことができる。その他の周知の形式のドツプラー
測定機器、例えば一般には方向検知ドツプラー機と呼ば
れているもの、あるいはいわゆるパルスドツプラー機を
特定の測定状況下で用いても同じように多くの利点が得
られる。これらドツプラー機によれば、流動方向や乱流
動等の測定や検知の解析に関し、より正確な空間分析を
行なうことができる。さらに、パルスドツプラー機によ
れば、超音波発振器から任意に離れた位置で測定するこ
とが可能である。このような測定を幾つか組み合わせれ
ば、運動媒体の個別の因子を測定することができる。
ドツプラー信号の周波数成分から、送信器および受信
器に対する媒体中の物体の速度情報が得られる。こうし
た測定方法は、現在使用されている超音波ドツプラー
機、とりわけ病院等で使われているいわゆる非感染血液
流測定装置にとつて周知である。しかしながら、超音波
ドツプラー機を通常の医療現場で用いた場合、毎秒５〜
100cm程度で血流速度が測定されるため、未だ不満足な
制度しか得られていない。こうした血流速度は、前述し
た測定条件において物体が到達することのある速度を優
に越えているためである。従つて、市販されている超音
波ドツプラー機では、前述の発明を利用する測定形式に
は使うことができない。こうしたドツプラー機はハイパ
スフイルターを装備しているためである。このフイルタ
ーは、状況に応じて、毎秒約5cm以下の速度に相当する
低周波ドツプラー信号をすべて除去してしまう。
器に対する媒体中の物体の速度情報が得られる。こうし
た測定方法は、現在使用されている超音波ドツプラー
機、とりわけ病院等で使われているいわゆる非感染血液
流測定装置にとつて周知である。しかしながら、超音波
ドツプラー機を通常の医療現場で用いた場合、毎秒５〜
100cm程度で血流速度が測定されるため、未だ不満足な
制度しか得られていない。こうした血流速度は、前述し
た測定条件において物体が到達することのある速度を優
に越えているためである。従つて、市販されている超音
波ドツプラー機では、前述の発明を利用する測定形式に
は使うことができない。こうしたドツプラー機はハイパ
スフイルターを装備しているためである。このフイルタ
ーは、状況に応じて、毎秒約5cm以下の速度に相当する
低周波ドツプラー信号をすべて除去してしまう。
ルンド工科科学大学から発表の論文「ドツプラー超音
波による細胞内血液灌流」〔LUTEDX/（TEEM-1027）/1-4
/（1985）〕において、Stephan Dymling氏は、非常に僅
かなドツプラー変動量でも測定のできる非常に安定した
ドツプラー測定機器の製作が可能であることを指摘して
いる。本発明に則つたこうした測定機器の製作が必要と
されている。
波による細胞内血液灌流」〔LUTEDX/（TEEM-1027）/1-4
/（1985）〕において、Stephan Dymling氏は、非常に僅
かなドツプラー変動量でも測定のできる非常に安定した
ドツプラー測定機器の製作が可能であることを指摘して
いる。本発明に則つたこうした測定機器の製作が必要と
されている。
測定方法をさらに明らかにするために、以下にミルク
の品質測定の具体例について説明する。信号発生器６と
して安定性の高い送信器が必要とされる。こうした安定
性の高い送信器は、水晶送信器か、または10-7よりも優
れた周波数安定性を備えている水晶制御合成発生器を使
用すれば簡単に得られる。使用する信号は実際の測定媒
体の関数として選択される。ミルクの場合、10MHzの周
波数と1-10Vの振幅が初期値として適当である。この信
号は超音波送信器を働かせるようになつている。超音波
送信器の送信器エレメントは、圧電子材料、例えばフエ
ロパーム・タイプPZから構成することができる。
の品質測定の具体例について説明する。信号発生器６と
して安定性の高い送信器が必要とされる。こうした安定
性の高い送信器は、水晶送信器か、または10-7よりも優
れた周波数安定性を備えている水晶制御合成発生器を使
用すれば簡単に得られる。使用する信号は実際の測定媒
体の関数として選択される。ミルクの場合、10MHzの周
波数と1-10Vの振幅が初期値として適当である。この信
号は超音波送信器を働かせるようになつている。超音波
送信器の送信器エレメントは、圧電子材料、例えばフエ
ロパーム・タイプPZから構成することができる。
新鮮なミルクに生じた音響エネルギーは100mv/cm2の
大きさの音響強度を備え、その結果、約1cm/sの音響流
動性が得られる。超音波送信器９により検知された反射
した超音波信号はドツプラー効果により変化している。
このドツプラー変動量はミキサー10を用いて検知され
る。この場合のドツプラー変動量は、100Hz程度の値を
備えている必要がある。検知したドツプラー信号はヒユ
ーレツト・パツカード・スペクトル分析器（Hewlett Pa
ckard Spectrumanalyzer）モデル3582A（11）により分
析され、測定結果はデジタルデータ記憶装置を通じて表
示されるか、またはプロツタによりプリントアウトされ
る。
大きさの音響強度を備え、その結果、約1cm/sの音響流
動性が得られる。超音波送信器９により検知された反射
した超音波信号はドツプラー効果により変化している。
このドツプラー変動量はミキサー10を用いて検知され
る。この場合のドツプラー変動量は、100Hz程度の値を
備えている必要がある。検知したドツプラー信号はヒユ
ーレツト・パツカード・スペクトル分析器（Hewlett Pa
ckard Spectrumanalyzer）モデル3582A（11）により分
析され、測定結果はデジタルデータ記憶装置を通じて表
示されるか、またはプロツタによりプリントアウトされ
る。
こうした機器を用いて測定が実際に行なわれ、その測
定結果の例が第３図に示されている。第3a図は、新鮮な
ミルクを測定して得た周波数スペクトルを示している。
これに対し第3b図は、ミルクを室温に２日間放置した
後、スペクトルがどのように変化するかを示している。
これら図から、品質の低下したミルクでは粒子が低速で
運動することが明らかである。第3c図は、反射物体の添
加された暖かい（35℃）グリセリンを測定した場合の周
波数スペクトルを示している。また第3d図は、温度を20
℃まで下げた場合の対応するスペクトルを示している。
こうしたドツプラー変動量の低下は、グリセリンの粘度
が温度の影響を受けるとする周知の事実からも明らかで
ある。
定結果の例が第３図に示されている。第3a図は、新鮮な
ミルクを測定して得た周波数スペクトルを示している。
これに対し第3b図は、ミルクを室温に２日間放置した
後、スペクトルがどのように変化するかを示している。
これら図から、品質の低下したミルクでは粒子が低速で
運動することが明らかである。第3c図は、反射物体の添
加された暖かい（35℃）グリセリンを測定した場合の周
波数スペクトルを示している。また第3d図は、温度を20
℃まで下げた場合の対応するスペクトルを示している。
こうしたドツプラー変動量の低下は、グリセリンの粘度
が温度の影響を受けるとする周知の事実からも明らかで
ある。
物体が周囲の媒体とは異なる光学的インピーダンスを
備えている場合には、最終的な音響流動性を測定するの
に、音響学的ドツプラー技術に代えて光学的ドツプラー
技術を使用することもできる。こうした場合には、測定
用設備は第４図のように修正することができる。適当に
選択した出力および周波数の信号を発する信号発生器12
は超音波送信器13を働かせて（第２図の66、７および８
に相当している）、媒体14内に音響エネルギーを作り出
すようにしている。測定法には、光学的な装置いわゆる
レーザー方式のドツプラー機15が使われる。測定して得
た信号は、前述のようにして16により信号処理される。
超音波ドツプラー機に比較してレーザードツプラー機の
利点は、とりわけ非常に良好な立体的な解析を行なえる
可能性のある、すなわち単一地点の運動量を測定できる
ことにある。媒体が多少とも透明でなければ測定方法を
実施できないことが欠点である。
備えている場合には、最終的な音響流動性を測定するの
に、音響学的ドツプラー技術に代えて光学的ドツプラー
技術を使用することもできる。こうした場合には、測定
用設備は第４図のように修正することができる。適当に
選択した出力および周波数の信号を発する信号発生器12
は超音波送信器13を働かせて（第２図の66、７および８
に相当している）、媒体14内に音響エネルギーを作り出
すようにしている。測定法には、光学的な装置いわゆる
レーザー方式のドツプラー機15が使われる。測定して得
た信号は、前述のようにして16により信号処理される。
超音波ドツプラー機に比較してレーザードツプラー機の
利点は、とりわけ非常に良好な立体的な解析を行なえる
可能性のある、すなわち単一地点の運動量を測定できる
ことにある。媒体が多少とも透明でなければ測定方法を
実施できないことが欠点である。
ある種の媒体では、例えば媒体が何らかの反射物体を
含有していなければ、音響流動性を検知する測定方法と
してドツプラー技術を利用することができない。このよ
うな場合には、前述した「クオーツ・ウインド」現象を
利用して音響流動性を起こすこともできる。ただし、運
動量は他の方法により測定しなければならない。
含有していなければ、音響流動性を検知する測定方法と
してドツプラー技術を利用することができない。このよ
うな場合には、前述した「クオーツ・ウインド」現象を
利用して音響流動性を起こすこともできる。ただし、運
動量は他の方法により測定しなければならない。
第５図は、可能性のある測定用機器を示している。媒
体19を通る音響エネルギーは、信号発生器17および超音
波送信器18を用いて従来と同じようにして作り出され
る。反射したエネルギーを測定するのではなく、通り抜
けてきた音波信号を別の超音波送信器20を用いて検知す
るようにしている。音響流動性の実際の測定には様々な
方法により行なうことができる。例えば、ａ）伝達され
た音響信号と検知した音響信号とを21で位相を比較する
方式、ｂ）繰り返し過渡乱流を含む発生信号を用い、こ
の信号の20に至るまでの伝達時間を21で測定する方式、
またはｃ）任意抽出信号の信号発生器を用い、この信号
の20に至るまでの伝達時間を21で行なわれる相関処理に
より求める方式がある。
体19を通る音響エネルギーは、信号発生器17および超音
波送信器18を用いて従来と同じようにして作り出され
る。反射したエネルギーを測定するのではなく、通り抜
けてきた音波信号を別の超音波送信器20を用いて検知す
るようにしている。音響流動性の実際の測定には様々な
方法により行なうことができる。例えば、ａ）伝達され
た音響信号と検知した音響信号とを21で位相を比較する
方式、ｂ）繰り返し過渡乱流を含む発生信号を用い、こ
の信号の20に至るまでの伝達時間を21で測定する方式、
またはｃ）任意抽出信号の信号発生器を用い、この信号
の20に至るまでの伝達時間を21で行なわれる相関処理に
より求める方式がある。
他の測定方法が第６図に示されている。媒体24内の音
響の流れは、信号発生器22から超音波送信器23を通じて
作り出されている。この測定方法は、独立した２つの超
音波送信器26、27を用いて伝達時間を測定することによ
り行なわれる。測定信号は、例えば異なつた超音波周波
数の超音波エネルギーであつたり、または28で位相また
はサイクル時間を測定するパルスシーケンスの形態をし
ていてもよい。勿論のこと、「シングアラウンド」（si
ng-around）技術を用いて測定を行なうこともできる。
響の流れは、信号発生器22から超音波送信器23を通じて
作り出されている。この測定方法は、独立した２つの超
音波送信器26、27を用いて伝達時間を測定することによ
り行なわれる。測定信号は、例えば異なつた超音波周波
数の超音波エネルギーであつたり、または28で位相また
はサイクル時間を測定するパルスシーケンスの形態をし
ていてもよい。勿論のこと、「シングアラウンド」（si
ng-around）技術を用いて測定を行なうこともできる。
測定方法とは別に、実際の測定を開始する以前に、す
なわち音響エネルギーを媒体に加える以前に予め測定を
行ない、媒体中に乱流運動が起きているかどうかを調べ
ることもできる。このようにすれば、特定の測定状況下
で本測定方法がどの程度利用できるかについて、また後
続して行なわれる実際の測定に伴つて予想される信号／
ノイズのレベルについて予め考慮することができる。適
当な信号処理技術を用いれば、例えば搬送用パイプライ
ンの内部に見られるような運動中の媒体に対しても物理
特性の測定を行なうことができる。
なわち音響エネルギーを媒体に加える以前に予め測定を
行ない、媒体中に乱流運動が起きているかどうかを調べ
ることもできる。このようにすれば、特定の測定状況下
で本測定方法がどの程度利用できるかについて、また後
続して行なわれる実際の測定に伴つて予想される信号／
ノイズのレベルについて予め考慮することができる。適
当な信号処理技術を用いれば、例えば搬送用パイプライ
ンの内部に見られるような運動中の媒体に対しても物理
特性の測定を行なうことができる。
伝達された音響信号の強度変化から、媒体のその他の
特性、例えばチキソトロピー等の非線形特性を調べるこ
とができる。
特性、例えばチキソトロピー等の非線形特性を調べるこ
とができる。
音響エネルギーを導入した時の音響流動性の加速度を
観察することにより、媒体に関するその他の情報を入手
することもできる。
観察することにより、媒体に関するその他の情報を入手
することもできる。
前述した病院、食品業界および加工業界以外のその他
の多くの分野でも本発明を利用することができる。例え
ば、ハンバーグ・レストランにおける料理油、工作機械
の切削油、自動車の潤滑油の状態をモニターするのに使
用することもできる。
の多くの分野でも本発明を利用することができる。例え
ば、ハンバーグ・レストランにおける料理油、工作機械
の切削油、自動車の潤滑油の状態をモニターするのに使
用することもできる。
本発明の範囲内で様々に修正することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 ペルソン，ハンス ダブリュ スウェーデン国エス‐223 67 ルンド, スレヘムスベーゲン 117 (72)発明者 ダイムリング ステファン スウェーデン国エス‐216 22 マルモ, ルドベックスガタン 113 (72)発明者 ヘルツ トマス スウェーデン国エス‐222 41 ルンド, フイリパベーゲン ２ デイ (72)発明者 リンドストローム クイエル スウェーデン国エス‐236 00 ホルビ ケン，エヌ．スコグスベーゲン ３ (72)発明者 ペルソン，ハンス ダブリュ スウェーデン国エス‐223 67 ルンド, スレヘムスベーゲン 117 (56)参考文献 特開 昭63−172958（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−89785（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−35228（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−118634（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−75331（ＪＰ，Ａ) 特表 昭62−500612（ＪＰ，Ａ)
Claims (11)
- 【請求項１】液体と、該液体中に懸濁または混合されて
いて該液体とは音響インピーダンスが異なる物質とを含
む媒体の粘性及び他の特性の変化を測定するための方法
であって、 （ａ）音響波を前記媒体内に伝達して該媒体内に流動を
生じさせ、 （ｂ）該媒体を通過した音響波を検出し、 （ｃ）前記伝達した音響波と前記検出した音響波との周
波数の差を計算し、 （ｄ）この計算した周波数の差に基づいて前記液体と前
記物質との間の相対的な速度を決定する、ことを特徴と
する方法。 - 【請求項２】請求項１記載の方法において、 音響波は20kHzから100MHz間の周波数の超音波からなる
ことを特徴とする方法。 - 【請求項３】請求項１記載の方法において、 導入した音響波は媒体内で反射され、また反射した音響
波の周波数スペクトルは媒体に導入された音響波の周波
数に比較され、媒体の速度、すなわちキャリヤ液とこの
キャリヤ液に含まれる音響インピーダンスの異なる物質
との速度を求めることを特徴とする方法。 - 【請求項４】請求項１記載の方法において、 媒体に導入された音響波は媒体中に伝播させられ、位相
位置についての測定が行なわれ、導入し検知した音響波
の間の位相変動量によって媒体に与えられた相対的な速
度を求めることを特徴とする方法。 - 【請求項５】請求項１記載の方法において、 媒体内の流動がドップラー技術を用いて検知されること
を特徴とする方法。 - 【請求項６】請求項１記載の方法において、 媒体内の流動が音響波運動の伝達時間を測定することに
より検知されることを特徴とする方法。 - 【請求項７】請求項１または４記載の方法において、 ドップラー変動成分は、反射した信号のすべてを用いて
割り算することにより、標準化されることを特徴とする
方法。 - 【請求項８】請求項１記載の方法において、 媒体内の変化は、同じ影響に晒された基準媒体内の対応
する変化に比較されることを特徴とする方法。 - 【請求項９】請求項１記載の方法において、 媒体に含まれる運動反射物体の量は、周波数が変動した
反射信号の強さの関数として測定されることを特徴とす
る方法。 - 【請求項１０】請求項１記載の方法において、 発射される音響波の強さを検知操作の途中で変化させる
ことを特徴とする方法。 - 【請求項１１】パッケージ内に封じ込められていて、気
相及び固体相のうちの少なくとも１つを有する液体媒体
の粘度の変化を測定する方法であって、 均質な材料からなる前記パッケージの一部を通して前記
液体媒体内に音響エネルギーを導入して、該液体媒体内
に流動を生じさせ、 前記均質な材料からなるパッケージの部分を通して反射
した音響エネルギーを検知し、 前記導入した音響エネルギーと前記反射した音響エネル
ギーとの間の差に基づいて、前記液体媒体内の前記気相
及び前記固体相のうちの少なくとも１つの存在及び粘度
変化を決定する、ことを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE8704255-2 | 1987-11-02 | ||
| SE8704255A SE8704255L (sv) | 1987-11-02 | 1987-11-02 | Akustisk metod foer maetning av egenskaper hos ett roerligt medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02501956A JPH02501956A (ja) | 1990-06-28 |
| JP2686302B2 true JP2686302B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=20370076
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63508991A Expired - Fee Related JP2686302B2 (ja) | 1987-11-02 | 1988-11-01 | 運動媒体の特性を測定するための音響学的方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5056357A (ja) |
| EP (1) | EP0345313B1 (ja) |
| JP (1) | JP2686302B2 (ja) |
| AU (1) | AU2621288A (ja) |
| DE (1) | DE3883523T2 (ja) |
| SE (1) | SE8704255L (ja) |
| WO (1) | WO1989004482A1 (ja) |
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| US5821424A (en) * | 1995-10-16 | 1998-10-13 | Lockheed Idaho Technologies Company | Method and apparatus for analyzing the fill characteristics of a packaging container |
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| US5686661A (en) * | 1996-06-04 | 1997-11-11 | Mississippi State University | In-situ, real time viscosity measurement of molten materials with laser induced ultrasonics |
| FR2771817B1 (fr) * | 1997-11-28 | 1999-12-31 | Schlumberger Ind Sa | Dispositif de mesure de la viscosite d'un fluide |
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