JP3790873B2 - Acoustic surface area meter - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、任意の形状の物体の表面積または任意の形状の容器の内部表面積を音響的手段によって測定する装置にかかわる。
【0002】
【従来の技術】
任意の形状の物体の表面積を測定する方法として、従来、いわゆるガス吸着法が用いられている。これは、測定容器の中に物体を入れて真空に引き、つぎに、物体を加熱してその表面に吸着されていたガスを放出させ、そのときの測定容器内の圧力上昇から放出されたガスの量を求めて表面積を知るという方法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のガス吸着法は、測定に手間と時間がかかるだけでなく、測定容器の中を一度真空にしたり被測定物体を熱したりするので、たとえば人間のような生体に対して適用できないという問題点もある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、測定容器の中に被測定物体を入れて容器内部を音響的に駆動すると、その物体の表面に接する熱的境界層の気体が物体と熱の授受を行なうことにより音響エネルギの損失を生じ、その結果、容器の口から内部をみた音響インピーダンスの実数部が物体の表面積に比例して変化することに着目し、この実数部変化を容器内部の音圧の位相変化として検出して物体の表面積を求めるものである。
【0005】
すなわち、本発明の表面積計の一形態は、基準容器、測定容器、これら二つの容器に交番的体積変化を差動的に与えるスピーカ、これら二つの容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する二つのマイクロホン、これらマイクロホンの出力をとり込んで処理する信号処理装置等からなり、信号処理装置において上記二つのマイクロホンの出力の間の位相差を測定し、測定容器に物体を入れたときの位相差により物体の表面積を算出する。
【0006】
【発明の効果】
上記のような本発明の表面積計では、測定容器の中に物体を入れて数秒以内でその表面積が求められる。また、測定容器内を真空にしたり物体を加熱したりする必要がないから、生体に適用することもできる。さらに、使用する主要部品はスピーカやマイクロホン等の音響部品であるから、製造コストが安く、また装置の大きさも従来品と比べて小型になる。以下、実施例により本発明の動作原理などを説明する。
【0007】
【第1実施例】
図1において、2は空のときの内部体積がV0 で内部表面積がS0 の測定容器で、その中に体積がVで表面積がSの被測定物体3が入れられている。2と3の間の空間の体積をV2 とし、その空間の内部表面積をS2 とすると、それらはつぎのように表わされる。
【数1】
【数2】
【0008】
4は蓋であって、その上に内部体積V1 の基準容器1がつけられている。蓋4の上面の容器1と2の間の隔壁を成す部分には連通管5がつけられていて、容器1と2の内部を連通している。またこの隔壁の部分には音源のスピーカ6もとりつけられている。7はスピーカの振動板である。スピーカ6には端子8および9を通して導線18および19がつながっており、これらの導線を通して信号発生器16より角周波数ωの正弦波駆動信号が供給され、振動板7の表裏によって測定容器2と基準容器1に交番的体積変化を差動的に与える。その結果、測定容器2および基準容器1の内部に圧力変化、すなわち音圧、を生ずる。11は基準容器1の内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は増幅器13で増幅されて音圧信号e1 となり信号処理装置15にとりこまれる。12は測定容器2内部の音圧を検出するマイクロホンで、その出力は端子10を通って増幅器14に至りここで増幅されて音圧信号e2 となり信号処理装置15にとり込まれる。
【0009】
図2は信号処理装置15の構成の一例を示すものである。音圧信号e1 とe2 はそれぞれアナログディジタル変換器151および152によってディジタル量に変換され、ディジタル計算機150にとり込まれる。155は周波数逓倍器で、信号発生器16から導線17を通して供給される同期信号を周波数逓倍してサンプリングパルスとし、このサンプリングパルスに同期してアナログディジタル変換が行なわれる。しかし、信号処理装置15の内部にクロックパルス発生器を設け、アナログディジタル変換は、信号発生器16とは独立に、この内部クロックパルスに同期して行なうようにしてもよい。この場合には、周波数逓倍器155および導線17は不要となる。なお、アナログディジタル変換の開始は、ディジタル計算機150から導線153および154によって送られるスタートパルスによって制御される。
【0010】
ディジタル計算機150は音圧信号e1 とe2 のフーリエ変換を行ない、e2 のe1 に対する位相差θを測定し、また、物体の体積の測定も必要な場合には、信号e1 とe2 のそれぞれの振幅E1 とE2 も測定する。すなわち、ディジタル計算機150では、時間をtで表わすとして、音圧信号e1(t)とe2(t)の波形をt=t0 からt=t0 +Tまでの間とり込んで、それらのとり込んだ波形と sinωt、 cosωtとの積のtに関する積分を行なってフーリエ変換をするが、e1(t) sinωtの積分値をE1S、e1(t) cosωtの積分値をE1C、e2(t) sinωtの積分値をE2S、e2(t) cosωtの積分値をE2Cとすると、これらの値からe2(t)のe1(t)に対する位相差θ、e1(t)の振幅E1 、e2(t)の振幅E2 はそれぞれ下記の式により求められる。
【数3】
【数4】
【数5】
【0011】
上記の式において、G1 、G2 はアナログディジタル変換器のゲインや積分時間T等を含む定数である。なお、位相差と振幅の測定には、上記のフーリエ変換による方法に限らず、他の既知の種々の方法が適用できる。
【0012】
連通管5は基準容器1と測定容器2の内部の静圧を平衡させるとともに、両者の中の気体の成分を均一化する働きをするが、作動気体が空気の場合には、湿度などの成分は両者の容器の間でほとんど違いがない。したがって連通管5に替えて静圧を平衡させるためだけの毛細管を用いることもできる。また、特に容器のシールを厳重に行なわないかぎり、容器1と2の内部の静圧は、組み立てられた装置の部品の間のすき間を通じて外部の大気圧と等しくなっているのが普通であるから、連通管や毛細管は必須なものではない。
【0013】
スピーカ6から測定容器2の内部空間をみたときの音響インピーダンスをZ2 とすると、測定容器の大きさが音の波長にくらべて十分小さい場合、Z2 は近似的につぎのように表わされる。
【数6】
【数7】
【数8】
【0014】
これらの式において、jは単位虚数、γは気体の比熱比(空気の場合は約1.4)、P0 は容器内の気体の静圧、κは気体の熱伝導度、ρは気体の密度、cp は気体の定圧比熱である。δt は熱境界層の厚さを意味するが、標準状態の空気の場合、f=ω/2π=25Hzでδt は約0.5mmである。
【0015】
式(6)の音響インピーダンスZ2 の偏角をαradとすると、それはつぎのようになる。
【数9】
【0016】
εは1にくらべて非常に小さいから、上式は近似的につぎのようになる。
【数10】
【0017】
音響インピーダンスの偏角αの変化は測定容器2内部の音圧の位相変化として現われるが、式(7)に示したように、εは表面積S2 に比例して変化するから、容器2に中に被測定物体3を入れたことでS2 が変わると偏角αが変化し、それに応じて容器2内部の音圧の位相が変化する。したがって、この音圧の位相変化により被測定物体3の表面積Sを知ることができる。これが本発明の表面積計の基本原理である。
【0018】
前述したように、この実施例装置において測定されるのは、測定容器2の中に体積がVで表面積がSの物体3を入れたときの信号e2 の信号e1 に対する位相差θであるが、容器2を空にしたときのθをθ0 とすると、式(1)、(2)、(7)、(10)より次式が導き出される。
【数11】
【数12】
【0019】
式(11)は表面積の測定式で、図3はそのグラフであるが、測定容器2の内部寸法の測定によってその空容積V0 が求められており、また、容器2が空のときの位相差θ0 が予め測定されていれば、体積と表面積が既知の2個の標準物体を用いた較正で、式(11)の係数を定めることができる。すなわち、体積VA で表面積SA の第1の標準物体を容器2の中に入れてそのときの位相差θA を測定して図3のグラフのA点を定め、つぎに、体積VB で表面積SB の第2の標準物体を容器2の中に入れてそのときの位相差θB を測定してグラフのB点を定めれば、A、Bの2点を結ぶ直線が係数が定められた測定式を表わす。この式はディジタル計算機150の中で生成され記憶される。被測定物体3の体積Vが既知でその表面積Sが未知の場合、物体3を測定容器2の中に入れてそのときの位相差θを測定し、その値と体積Vの値を上記の記憶されている測定式に当てはめればS/Vがわかり、したがって表面積Sの値が求められる。
【0020】
以上の説明では、測定容器2の内部体積V0 や被測定物体3の体積Vは、寸法測定やアルキメデスの原理による水中重量法など、他の方法により測定され予めわかっているものとしたが、本発明の表面積計には、任意の形状の物体の体積を音響的手段により測定する体積計としての機能を併せもたせることができ、この機能を使って求められた物体の体積の値を表示するとともに、その値を物体の表面積の測定に利用することができる。以下に、この体積測定の機能を説明する。
【0021】
信号発生器16からの信号によってスピーカ6が駆動され、ある瞬間において振動板7が押し出されて測定容器2の内部空間の体積V2 がΔVS なる微小体積だけ圧縮されると、基準容器1の内部体積V1 はΔVS だけ膨張する。また連通管5を通して測定容器2の中にΔVP なる微小体積の気体が流入すると、基準容器1からはΔVP なる体積の気体が連通管5を通して流出する。このとき基準容器1および測定容器2の内部に生ずる圧力変化をそれぞれ−ΔP1 、ΔP2 とし、また
【数13】
【0022】
とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。
【数14】
【数15】
【0023】
上記2つの式より次式の関係がえられる。
【数16】
【0024】
式(1)と式(16)より被測定物体の体積Vはつぎのように表わされる。
【数17】
【0025】
上式において、V0 とV1 は一定値であるから、物体の体積Vは圧力変化の大きさの比ΔP1 /ΔP2 から求められることになる。
【0026】
ディジタル計算機150においては、上式におけるΔP1 /ΔP2 に対応する量としてフーリエ変換によって測定された音圧信号の振幅比E1 /E2 を用い、つぎの体積測定式によって物体の体積Vを算出する。
【数18】
【0027】
図4は上式のグラフであるが、この式の係数V0 とV1 は体積既知の標準物体を用いた較正により定めることができる。まず、測定容器2を空にしてV=0の状態とし、そのときの振幅比E1 /E2 の値R0 によりE1 /E2 軸上のR0 点を定め、つぎに体積VC の標準物体を容器2の中に入れてそのときの振幅比の値RC によりC点を定めれば、R0 、Cの2点を結ぶ直線が係数が定められた測定式を表わし、この直線が縦座標軸をよぎる点がV0 の値を表わす。被測定物体3の体積Vと表面積Sがともに未知の場合、被測定物体3を測定容器2の中に入れ、そのときの信号e1 、e2 の振幅の比E1 /E2 から上記の体積測定式によってまずVを求め、つぎにe1 とe2 の位相差θを測定し、その値と求められた体積Vの値を用いて式(11)の表面積測定式により表面積Sを算出し、その値を表示する。
【0028】
以上に説明した体積測定の方法は、スピーカ6から測定容器2の内部をみたときの音響インピーダンスの絶対値|Z2 |を測ることと等価である。式(6)により明らかなように、|Z2 |は表面積S2 の影響を少し受け、その結果、測定容器2の中の被測定物体3の体積Vは、その表面積Sに比例して、(γ−1)δt S/2だけ真の体積より小さく測定される。したがって、前述した方法で求められた物体表面積の値を用いてこの誤差を補正してより正確な体積測定値を得て、この補正された体積測定値を用いてもう一段正確な表面積の測定値を得るようにすることもできる。
【0029】
【第2実施例】
図5は本発明を容器の内部表面積測定に適用した例である。基準容器1とそれにつけられたスピーカ6、マイクロホン11、12、連通管5、信号発生器16および信号処理装置15は図1の場合と同じである。図5の装置では、基準容器1の下に内部体積V0 のアダプタ22が固定されてつけられている。そして、基準容器1は、内部体積Vの被測定容器23の上にアダプタ22を下にして載せることにより23と結合される。ここで、アダプタ22の内部空間と被測定容器23の内部空間は断面積SH の測定孔21によって通じ、内部体積V0 +Vの音響的に閉じた一つの空間を構成する。
【0030】
以上に説明した状況は、図1において測定容器2の中の物体3が−Vなる負の体積を有することと等価である。したがって、図5の装置の表面積測定式は、式(11)においてVの替わりに−Vを代入することにより得られる。すなわち、被測定容器23の内部表面積Sは下記の式により測定される。
【数19】
【数20】
【0031】
上記において、S0 は、被測定容器23をとって測定孔21を平板で閉じたときのアダプタ22の内部表面積で、θ0 はこのときの信号e2 の信号e1 に対する位相差である。SX は上記の平板をとって被測定容器23を結合したときの内部表面積の増加分で、23の内部表面積Sは、式(20)に示すように、このSX に、別途測定することにより求められた測定孔21の断面積SH を加えたものになる。また、式(11)の場合と同様に、アダプタ22の内部体積V0 が知れており、θ0 が予め測定されていれば、被測定容器23の替わりに内部体積と内部表面積が既知の2個の標準容器を順次に結合して較正を行なうことにより、式(19)が定められる。そして、内部体積Vがわかっている被測定容器23を結合してそのときの位相差θを測定し、その値とVの値を上記の定められた測定式に当てはめてSX を算出し、それから式(20)により被測定容器23の内部表面積Sを求める。
【0032】
図1の装置の場合と同様に、図5の装置によってアダプタ22の内部体積V0 や被測定容器23の内部体積Vを求めることもできる。このときの体積測定式は、式(18)においてVの替わりに−Vを代入して得られる次式である。
【数21】
【0033】
式(18)の場合と同様に、内部体積既知の標準容器を用いた較正により上記の測定式は定められる。そして、被測定容器23を結合したときの信号e1 とe2 の振幅の比E1 /E2 をこの定められた体積測定式に当てはめることにより、23の内部体積Vが測定され表示され、また、その値は23の内部表面積Sの算出に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の表面積計である。
【図2】図1における信号処理装置の構成の一例である。
【図3】表面積測定式のグラフである。
【図4】体積測定式のグラフである。
【図5】容器の内部表面積測定に対する本発明の適用例である。
【符号の説明】
1 内部体積V1 の基準容器
2 空のときの内部体積がV0 で内部表面積がS0 の測定容器
3 体積がVで表面積がSの被測定物体
4 蓋
5 連通管
6 スピーカ
7 スピーカの振動板
8、9、10 端子
11、12 マイクロホン
13、14 増幅器
15 信号処理装置
16 信号発生器
17、18、19 導線
21 断面積がSH の測定孔
22 内部体積がV0 で内部表面積がS0 のアダプタ
23 内部体積がVで内部表面積がSの被測定容器[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an apparatus for measuring the surface area of an arbitrarily shaped object or the internal surface area of an arbitrarily shaped container by acoustic means.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called gas adsorption method has been used as a method for measuring the surface area of an object having an arbitrary shape. This is because an object is put in a measurement container and vacuumed, then the object is heated to release the gas adsorbed on its surface, and the gas released from the pressure increase in the measurement container at that time. This is a method of determining the surface area by determining the amount of the amount.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The above gas adsorption method not only takes time and labor for measurement, but also evacuates the measurement container or heats the object to be measured, so it cannot be applied to a living body such as a human being. There is also.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, when an object to be measured is placed in a measurement container and the inside of the container is acoustically driven, the gas in the thermal boundary layer in contact with the surface of the object exchanges heat with the object, thereby losing acoustic energy. As a result, the real part of the acoustic impedance viewed from the mouth of the container changes in proportion to the surface area of the object, and this real part change is detected as the phase change of the sound pressure inside the container. The surface area of an object is obtained.
[0005]
That is, one form of the surface area meter of the present invention includes a reference container, a measurement container, a speaker that differentially changes an alternating volume to these two containers, and two pressure detectors that detect pressure changes inside each of these two containers. It consists of two microphones, a signal processing device that captures and processes the outputs of these microphones, the phase difference between the outputs of the two microphones measured in the signal processing device, and the phase difference when an object is put in the measurement container To calculate the surface area of the object.
[0006]
【The invention's effect】
In the surface area meter of the present invention as described above, the surface area can be obtained within a few seconds after putting an object in a measurement container. Moreover, since it is not necessary to evacuate the inside of the measurement container or to heat the object, it can be applied to a living body. Furthermore, since the main components used are acoustic components such as speakers and microphones, the manufacturing cost is low, and the size of the device is smaller than that of conventional products. The operation principle of the present invention will be described below with reference to examples.
[0007]
[First embodiment]
In FIG. 1,
[Expression 1]
[Expression 2]
[0008]
4 is a lid, reference container 1 of the internal volume V 1 is being attached thereon. A communication pipe 5 is attached to a portion forming a partition wall between the
[0009]
FIG. 2 shows an example of the configuration of the
[0010]
[Equation 3]
[Expression 4]
[Equation 5]
[0011]
In the above formula, G 1 and G 2 are constants including the gain of the analog-digital converter, the integration time T, and the like. Note that the phase difference and the amplitude are not limited to the above-described Fourier transform, and various other known methods can be applied.
[0012]
The communication pipe 5 functions to balance the static pressure inside the reference container 1 and the
[0013]
Assuming that the acoustic impedance when the internal space of the
[Formula 6]
[Expression 7]
[Equation 8]
[0014]
In these equations, j is the unit imaginary number, γ is the specific heat ratio of the gas (about 1.4 for air), P 0 is the static pressure of the gas in the container, κ is the thermal conductivity of the gas, and ρ is the gas The density, c p, is the constant pressure specific heat of the gas. [delta] t is mean thickness of the thermal boundary layer, the standard state of the air, f = ω / 2π = 25Hz at [delta] t is about 0.5 mm.
[0015]
Assuming that the angle of deviation of the acoustic impedance Z 2 in equation (6) is α rad, it is as follows.
[Equation 9]
[0016]
Since ε is very small compared to 1, the above equation is approximately as follows.
[Expression 10]
[0017]
The change in the deflection angle α of the acoustic impedance appears as a phase change of the sound pressure inside the
[0018]
As described above, what is measured in the apparatus of this embodiment is the phase difference θ of the signal e 2 with respect to the signal e 1 when the
[Expression 11]
[Expression 12]
[0019]
Formula (11) is a measurement formula for the surface area, and FIG. 3 is a graph thereof. The empty volume V 0 is obtained by measuring the internal dimensions of the
[0020]
In the above description, the internal volume V 0 of the
[0021]
When the
[0022]
Then, from the relational expression of the adiabatic change of gas, it becomes as follows.
[Expression 14]
[Expression 15]
[0023]
From the above two formulas, the following formula is obtained.
[Expression 16]
[0024]
From the equations (1) and (16), the volume V of the object to be measured is expressed as follows.
[Expression 17]
[0025]
In the above equation, V 0 and V 1 are constant values, so the volume V of the object is obtained from the ratio ΔP 1 / ΔP 2 of the magnitude of pressure change.
[0026]
In the
[Formula 18]
[0027]
FIG. 4 is a graph of the above equation, and the coefficients V 0 and V 1 of this equation can be determined by calibration using a standard object with a known volume. First, the measuring
[0028]
The volume measurement method described above is equivalent to measuring the absolute value | Z 2 | of the acoustic impedance when the inside of the
[0029]
[Second embodiment]
FIG. 5 shows an example in which the present invention is applied to the measurement of the internal surface area of a container. The reference container 1, the
[0030]
The situation described above is equivalent to the fact that the
[Equation 19]
[Expression 20]
[0031]
In the above, S 0 is the internal surface area of the adapter 22 when the container to be measured 23 is taken and the
[0032]
As in the case of the apparatus of FIG. 1, the internal volume V 0 of the adapter 22 and the internal volume V of the measured container 23 can be obtained by the apparatus of FIG. The volume measurement formula at this time is the following formula obtained by substituting -V for V instead of V in formula (18).
[Expression 21]
[0033]
As in the case of equation (18), the above measurement equation is determined by calibration using a standard container with a known internal volume. Then, the internal volume V of 23 is measured and displayed by applying the ratio E 1 / E 2 of the amplitudes of the signals e 1 and e 2 when the container to be measured 23 is coupled to the determined volume measurement equation, The value is used to calculate the internal surface area S of 23.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a surface area meter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an example of a configuration of a signal processing device in FIG. 1;
FIG. 3 is a graph of a surface area measurement formula.
FIG. 4 is a volume measurement type graph.
FIG. 5 is an application example of the present invention for measuring the internal surface area of a container.
[Explanation of symbols]
Claims (2)
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- 1997-05-01 JP JP12623497A patent/JP3790873B2/en not_active Expired - Fee Related
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