JP2895249B2 - 音響トモグラフィ装置 - Google Patents

音響トモグラフィ装置

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JP2895249B2
JP2895249B2 JP3009273A JP927391A JP2895249B2 JP 2895249 B2 JP2895249 B2 JP 2895249B2 JP 3009273 A JP3009273 A JP 3009273A JP 927391 A JP927391 A JP 927391A JP 2895249 B2 JP2895249 B2 JP 2895249B2
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  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水中、空気中などの密
度、体積弾性率の3次元空間分布を計測するための音響
トモグラフィ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、水中、空気中などの密度、体積弾
性率の3次元空間分布を計測する場合、透過音波による
コンピュータトモグラフィ法が用いられている。
【0003】図4は従来の透過音波を用いたコンピュー
タトモグラフィ法の一例を示すものである。図4におい
て111〜116は送波器、121〜126は受波器、
131は送波器111から受波器122に至る音波の伝
搬経路である。
【0004】上記の構成において、コンピュータは送波
器111〜116から受波器121〜126に至る透過
音波の伝搬時間を計測し、これにより計測対象空間の音
速分布を推定し、音速分布から温度分布及び密度分布を
求めている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の透過音波を
用いたトモグラフィ法は、図4に示すように計測空間を
包絡するように音源とセンサを配置し、またはスキャン
する必要があり、このため計測空間が制限されたり、あ
るいは音源センサを広範囲に配置する必要がある。
【0006】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、音源とセンサの配置によって計測空間が制限され
ず、音源センサを広範囲に配置する必要がない音響トモ
グラフィ装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る音響トモグ
ラフィ装置は、音波の送波及び受波が可能な複数の送受
波器からなる移動可能に設けられた送受波器アレイと、
この送受波器アレイを2つの異なる周波数信号で駆動す
る手段と、上記送受波器アレイの各送受波器を順次切替
えて作動させ、該送受波器から送波した音波に対する計
測対象からの散乱音を同一の送受波器で受波させる切替
え手段と、上記送受波器により受波した散乱音波の振幅
と位相の分布情報を抽出する手段と、この手段により抽
出した散乱音波の振幅と位相の分布情報から計測対象空
間の密度分布、体積弾性率分布を3次元空間のフーリエ
変換及び逆フーリエ変換を用いて求める演算手段と、こ
の演算手段で求めた結果を出力する出力手段とを具備し
たことを特徴とする。
【0008】
【作用】計測したい空間に向けて音源から異なる2つの
周波数の照射音波を放射する。そして、複数個の送受波
器により密度変化、弾性率変化によって生じる散乱音波
を計測し、任意の計測空間での散乱音の振幅と位相の分
布情報を抽出して、計測対象空間の密度と体積弾性率の
3次元空間分布を逆推定する。この計測された計測対象
空間の密度分布と体積弾性率から空間に存在する物体の
3次元形状を認識することができる。
【0009】
【実施例】図1は本発明の一実施例を示す全体構成図で
ある。
【0010】図1において、1は発振器で、任意の周波
数、任意の波形信号を出力できるようになっている。こ
の発振器1から出力される信号は、ゲート回路2を介し
て送波用増幅器3に入力される。上記ゲート回路2は、
コントローラ4からのタイミング信号によってオン/オ
フ制御される。また、このコントローラ4により送受波
切替電子スイッチ5が切替え制御される。この送受波切
替電子スイッチ5は、送波側を表す仮想的端子5a及び
受波側を表す仮想的端子5bを備えている。
【0011】そして、上記送波用増幅器3により増幅さ
れた信号は、送受波切替電子スイッチ5の送波側端子5
aより送受波器切替電子スイッチ6の端子6a〜6nを
介して送受波器7a〜7nからなる移動可能な送受波器
アレイ7に送られる。上記端子6a〜6nは、送受波器
7a〜7nへの接続を表す送受波器切替電子スイッチ6
の仮想端子である。上記送受波器切替電子スイッチ6
は、コントローラ4により端子6a〜6nが切替え制御
される。
【0012】また、上記送受波器7a〜7nは、音波の
送波及び受波が可能な素子であり、送波用増幅器3から
信号が送られてくると、観測する空間に音波を放射する
と共に、散乱音波を受波信号として電気信号に変換す
る。この送受波器7a〜7nにより変換された電気信号
は、送受波器切替電子スイッチ6により選択され、送受
波切替電子スイッチ5の受波側端子5bを介して受波用
増幅器8に入力される。この受波用増幅器8の出力信号
は、送波用増幅器3の出力信号と共にサンプルホルダ9
に入力される。
【0013】上記サンプルホルダ9は、コントローラ4
からのタイミング信号に同期して送波信号と受波信号の
同時刻の値を保持し、A/D変換器10に出力してデジ
タルデータに変換し、振幅・位相演算部11に入力す
る。この振幅・位相演算部11は、散乱音波の振幅と位
相情報を抽出し、再生演算部12に出力する。この再生
演算部12は、散乱音波の振幅と位相情報から計測対象
空間の密度分布を求め、出力部13に入力する。この出
力部13は、再生演算部12で得られた演算結果を例え
ばプリンタ、プロッタ、ディスプレイ等へ出力する。
【0014】次に上記実施例の動作を説明する。
【0015】まず、発振器1より2つの周波数f1 ,f
2 の正弦波信号をミキシングしてゲート回路2に出力す
る。このゲート回路2は、コントローラ4からの信号に
よりオン/オフ動作し、発振器1からの信号を一定時間
間隔で音波を送波するバースト信号にする。このゲート
回路2を通過した信号は、送波用増幅器3で増幅された
後、送受波切替電子スイッチ5を介して取り出され、送
受波器7(7a〜7n)を送波器として駆動する。この
場合、送受波切替電子スイッチ5は、コントローラ4か
らの信号により、ゲート回路2のオン/オフと同じ信号
で切替えられ、ゲート回路2がオンのとき、送受波器7
a〜7nが送波器となるように動作する。
【0016】また、送受波器切替電子スイッチ6は、コ
ントローラ4からの信号により送受波器7a〜7nの1
つを選択する。この送受波器切替電子スイッチ6により
選択された送受波器7a〜7nの1つから図2に示すよ
うに観測空間に音波が放射され、観測空間内に位置する
計測対象14に当たって散乱する。図2は送受波器アレ
イ7、つまり、送受波器7a〜7nの配置例を示してい
る。また、計測対象空間の中に存在している計測対象1
4は、例えば密度、体積弾性率が他の空間と異なる領域
であり、直方体の空間(ABCDEFGH)が散乱音波
の計測空間である。この場合、図2中の面(IJKL)
の位置に送受波器アレイ7が配置された状態を示してい
る。
【0017】今、送受波器切替電子スイッチ6により送
受波器7aが選択されているものとすると、この送受波
器7aから観測空間に音波が放射され、放射音波が観測
空間に位置する計測対象14により散乱し、散乱音波が
送受波器7a〜7nに戻って来る。送受波切替電子スイ
ッチ5は、ゲート回路2がオフのとき送受波器7a〜7
nが受波器として働くように作動する。従って、上記計
測対象14からの散乱音波の一部が送受波器7aにより
受波されて電気信号に変換され、受波用増幅器8により
増幅されてサンプルホルダ9に入力される。
【0018】上記送波用増幅器3から出力される送波信
号と、受波用増幅器8から出力される受波信号は、コン
トローラ4からのタイミング信号によりサンプリングさ
れてサンプルホルダ9に保持される。上記サンプルホル
ダ9の作動タイミングの信号は、ゲート回路2のオン/
オフ信号に使用されているクロック信号と同じクロック
信号により決定されている。
【0019】そして、上記サンプルホルダ9に保持され
た信号は、A/D変換器10によりデジタル信号に変換
され、振幅・位相演算部11へ送られる。振幅・位相演
算部11は、A/D変換器10で得られた送波信号及び
受波信号のデジタル値と、送受波器7a〜7nの位置デ
ータから散乱音波の振幅と位相の空間分布を求め、再生
演算部12に出力する。この再生演算部12は、振幅・
位相演算部11から送られてくる散乱音波の振幅と位相
の空間分布から次に示す式(1)〜式(10)の演算法
により、3次元空間での密度分布と体積弾性率を求め
る。
【0020】散乱音波Ps(r)は、音波の伝搬特性
と、密度、体積弾性率の空間分布より次式で与えられ
る。
【0021】
【数1】
【0022】なお、上記式(1)〜(5)において、 r:散乱音の観測点の座標(x,y,z)を表すベクト
ル ro :計測対象空間の座標(xo ,yo ,zo )を表す
ベクトル Ps(r):観測点rの散乱音波 k:波数 f:周波数 C:音速 Pω:送受波器の点での放射圧力 ρe:密度の基準値 Ke:体積弾性率の基準値 ρ(ro ):点ro での密度分布 K(ro ):点ro での体積弾性率 である。また、上記式(1)で散乱音波が与えられるこ
とは、一般的に知られている。
【0023】しかして、上記式(1)に3次元フーリエ
変換F[・]を行なうと、次式が得られる。
【0024】
【数2】
【0025】上記式(6)において、未知数が2つであ
るので、2つの方程式を得るために2つの周波数を用
い、次の2つの式を定める。
【0026】
【数3】
【0027】上記式7)、式(8)を用いると、
【0028】
【数4】
【0029】が既知であるので、未知数
【0030】
【数5】
【0031】を求めることができる。
【0032】上記式(7)およひ式(8)によって得ら
れた
【0033】
【数6】
【0034】を3次元逆フーリエ変換すると、密度分
布、体積弾性率の空間分布の推定値を次のようにそれぞ
【0035】
【数7】
【0036】として求めることができる。
【0037】
【数8】
【0038】次いで上記振幅・位相演算部11及び再生
演算部12の演算結果を出力部13よりプリンタ、プロ
ッタ、ディスプレイ装置等に出力する。
【0039】図2において、送受波器アレイ7の各頂点
IJKLは、それぞれ線A−E、線B−F、線C−G、
線D−H上を移動し、計測空間(ABCDEFGH)内
の必要な点での散乱音波を計測する。
【0040】図3は、送受波器7a〜7nがある位置に
置かれた時の散乱音波の振幅の分布を示している。図3
のような振幅分布と位相分布を送受波器アレイ7を移動
させて計測し、得られた計測空間内(ABCDEFG
内)の散乱音波の振幅分布と位相分布が再生演算部12
に入力され、計測対象14の形状、密度分布、体積弾性
率が得られる。
【0041】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、密
度変化、弾性率変化によって生じる散乱音波を計測し、
その散乱音波の振幅と位相の空間分布情報より、計測空
間の密度と体積弾性率の3次元空間分布を逆推定するこ
とができる。そして、計測された計測空間の密度分布と
体積弾性率から空間に存在する物体の3次元形状を認識
することができる。従って、音源とセンサの配置によっ
て計測空間が制限されず、音源センサを広範囲に配置す
る必要がない音響トモグラフィ装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る音響トモグラフィ装置
の構成を示すブロック図。
【図2】送受波器アレイの配置例を示す図。
【図3】ある平面内で計測された散乱音の音圧分布図。
【図4】従来のコンピュータトモグラフィを示す概念
図。
【符号の説明】
1…発振器、2…ゲート回路、3…送波用増幅器、4…
コントローラ、5…送受波切替電子スイッチ、6…送受
波器切替電子スイッチ、7…送受波器アレイ、7a〜7
n…送受波器、8…受波用増幅器、9…サンプルホル
ダ、10…A/D変換器、11…振幅・位相演算部、1
2…再生演算部、13…出力部、14…計測対象。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 29/00 - 29/28 G01S 15/00 - 15/96 G01B 17/00 - 17/08 A61B 8/00 - 8/15

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 音波の送波及び受波が可能な複数の送受
    波器からなり、移動可能に設けられた送受波器アレイ
    と、この送受波器アレイを2つの異なる周波数信号で駆
    動する手段と、上記送受波器アレイの各送受波器を順次
    切替えて作動させ、該送受波器から送波した音波に対す
    る計測対象からの散乱音を同一の送受波器で受波させる
    切替え手段と、上記送受波器により受波した散乱音波の
    振幅と位相の分布情報を抽出する手段と、この手段によ
    り抽出した散乱音波の振幅と位相の分布情報から計測対
    象空間の密度分布、体積弾性率分布を3次元空間のフー
    リエ変換及び逆フーリエ変換を用いて求める演算手段
    と、この演算手段で求めた結果を出力する出力手段とを
    具備したことを特徴とする音響トモグラフィ装置。
JP3009273A 1991-01-29 1991-01-29 音響トモグラフィ装置 Expired - Fee Related JP2895249B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001038904A1 (fr) * 1999-11-22 2001-05-31 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Detecteur de couches turbulentes

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001038904A1 (fr) * 1999-11-22 2001-05-31 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Detecteur de couches turbulentes
US6505508B1 (en) 1999-11-22 2003-01-14 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Apparatus for detecting turbulent layer

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