JP5640001B2 - 弾性的および散逸的非線形性および粘弾性を測定するための局所的な非接触音響デバイス - Google Patents

Description

本発明は、低周波の音響応力を受け、パルスまたは超音波波連によって調査される媒質における弾性的および散逸的非線形性および非線形粘弾性に対する、方法および局所的な非接触音響測定デバイスに関する。

本発明は、工業材料または生体物質、特に骨組織における微小損傷（微小割れ）の検出および定量化の技術分野に関する。

本発明は、固化した、もしくは固化していない粒状媒質（岩、砂、コンクリートなど）、複雑な流体媒質（化粧品、農業食品）または二相媒質（ポリマー、石油）などの他の複雑な媒質のキャラクタリゼーションの技術分野にも関する。

従来より、音響的非線形性を測定するためのシステムについて説明するいくつかの文献が知られている。これらの出版物においては、試験材料を可変振幅の機械的応力にさらすことにより、非線形の音響効果を測定する方法についての説明がなされている。実際、試験材料に対して可変の機械的応力を印加すると、その材料の弾性特性が変化し、時には散逸特性が変化する。

これらの方法の中には、サンプルの機械的応力（静水圧または一軸応力）がかかった状態での準静的変動によって生起された、サンプル中の弾性波の伝搬および振幅速度の変化を測定するものがある。また、他の方法として、２つの弾性波の干渉を用いて、一般に低周波数の高調波の成長を測定するものもある。

しかし、これらの測定システムには、以下に述べるように多くの不都合がある。即ち、準静的試験機（サンプルをデバイスと接触させる必要があるもの）を利用する技法は、流体媒質、ゲルおよび生体媒質（生体内でのバイオ医学の用途）には適用できない。超音波トランスデューサをサンプルと接触させる（例えば付着させる）必要のある、したがってサンプルの面を変化させる乾燥媒質の方法は、いくつかの用途、特にバイオ医学の用途に適合しない。

連続的に発せられる超音波を利用する方法は、測定解析を複雑にする定常波を生成することがある。低周波と超音波との間の共直線性の干渉の場合には、超音波トランスデューサによって生成された低周波数のフィールドに音響陰影ゾーンが存在することがある。また、超音波が、サンプルの中で１つまたは複数の帰路を完成しなければならない、低周波と超音波との間の共直線性の干渉を利用する方法は、骨組織などの急激に減衰する媒質に適用可能なものである。

サンプルの応力を変化させるのに、このサンプルの機械的共振を用いることなく機械デバイスの接触を利用する方法は、変形速度に関して使用範囲が限定される（せいぜい数ｋＨｚ）。サンプルの応力を変化させるのに、接触する機械デバイスを利用してこのサンプルの機械的共振を用いる方法は、数十ｋＨｚの変形周波数に到達することができるが、機械的共振周波数は、サンプルの幾何的寸法および物理的特性によって左右される。

軸受けによって静水圧を変化させる方法では、試験サンプルを液体で満たされた密封容器内に密封する必要があり、構想および用法が比較的複雑である。また、応力を変動させるのに低周波音波を利用しない方法は、圧縮および引張り（または圧縮および圧縮除去）を一緒に行う試験を実施することが困難である。試験機について言えば、把持デバイスによってサンプルが変化し、密封容器について言えば、静水圧を大気圧未満へ低下させることが、比較的複雑な構想を必要とする。

Ｎ．Ｉｃｈｉｄａ、Ｔ．Ｓａｔｏ、Ｍ．Ｌｉｎｚｅｒ、「Ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｉｍａｇｉｎｇ、Ｖｏｌ．５、１９８３年、２９５〜２９９頁 Ｚ．Ｚｈｕ、Ｍ．Ｓ．Ｒｏｏｓ、Ｗ．Ｎ．Ｃｏｂｂ、Ｋ．Ｊｅｎｓｅｎ、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｂ／Ａ ｆｒｏｍ ｐｈａｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、Ｖｏｌ．７４（５）、１９８３年、１５１８〜１５２１頁 Ｃ．Ｂａｒｒｉｅｒｅ、Ｄ．Ｒｏｙｅｒ、「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅｓ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｂ／Ａ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＵＦＦＣ、Ｖｏｌ．４８（６）、２００１年、１７０６〜１７１５頁 ＣＭ．Ｓｅｈｇａｌ、Ｒ．Ｃ Ｂａｈｎ、Ｊ．Ｆ．Ｇｒｅｅｎｌｅａｆ、「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｂ／Ａ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｔｉｓｓｕｅｓ ｂｙ ａ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｔｈｏｄ」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ａｍ．Ｓｏｃ、Ｖｏｌ．７６（４）、１９８４年、１０２３〜１０２９頁 Ｖ．Ｚａｉｔｓｅｖ、Ｖ．Ｎａｚａｒｏｖ、Ｖ．Ｇｕｓｅｖ、Ｂ．Ｃａｓｔａｇｎｅｄｅ、「Ｎｏｖｅｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｃｒａｃｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」、ＮＤＴ＆Ｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、３９（２００６）１８４〜１９４頁 Ｇ．Ｇｒｅｍａｕｄ、Ｍ．Ｂｕｊａｒｄ、Ｗ．Ｂｅｎｏｉｔ，Ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ： Ａ ｔｗｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、１９８７年 ６１（５）、１７９５〜１８０５頁 Ｋ．Ｒ．ＭｃＣａＩＩ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｇｕｙｅｒ、Ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ｖｏｌ．９９（Ｂ１２）、１９８４年、２３ ８８７〜２３ ８９７頁

本発明は、上記従来技術における諸々の不都合に鑑みてなされたもので、これらの不都合を是性することが可能な、外部応力を受けるサンプルの、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の、局所的な非接触測定デバイスおよび方法を提供することを課題とする。

別の態様においては、本発明は、測定システムとの接触が望ましくない農業食品およびバイオ医学の用途などの応用分野で、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の測定を可能にすることを課題とし、あるいは、本発明は、特に工業または医療の応用分野に関して材料の損傷の定量化を可能にすることを課題とする。

更に本発明は、サンプルの圧縮および引張り過程の間中、外部応力の瞬時変動の関数として、弾性および減衰のこれらの瞬時変動を測定すること、ならびに解析されるサンプルの粘弾性性能の定量化を可能にすることも課題としている。

上記課題解決のために、本発明においては、サンプルに印加される外部応力が低周波音波によって生成され、同音波の波長は、サンプルを保持する媒質中のサンプルのサイズより明らかに大きいものとされる。このやり方で生成される静水圧の変動により、サンプルは、３つの空間的方向で圧縮および弛緩を受ける。同時に、静水圧の変動に関連した、媒質における伝搬および減衰速度の変化を測定するために、一連の超音波パルス（高周波数）がサンプルを通って伝送される。

より正確には、本発明は、サンプルの、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の、局所的な非接触音響測定デバイスを提供するものである。このデバイスは、サンプルを受けることができるタンクと、サンプルの静水圧の低周波数の周期的変動を生成するための低周波音波の放射手段と、放射手段によって生成された低周波音波を測定することができる測定手段と、高周波超音波パルスの生成手段と、サンプルを通過した高周波超音波パルスを受信するように配置された受信手段と、サンプルの弾性的および散逸的非線形性および粘弾性を定量化するように、サンプルの中を低周波音波が通過することによって引き起こされる超音波パルスの伝搬時間の変化および振幅の変化を計算するモジュールを備える解析ユニットとを備える。

好適には、このデバイスは、粘弾性効果（ｔａｎ（Φ））および非線形の音響弾性効果（α、βおよびδ）および散逸効果のマルチパラメトリック・モジュール撮像を備え、低周波音波の生成手段は、好ましくは専用のピストンを共振させるための振動ポットを備える。あるいは、低周波音波の生成手段は音響プロジェクタを備える。

好適には、高周波超音波パルスの放射手段および低周波音波の生成手段は、超音波パルスの伝搬方向と低周波音波の伝搬方向とが直交するように配向される。また、好ましくは、このデバイスは、粘弾性的および散逸的非線形性を、低周波静水圧の圧縮および圧縮除去の位相の関数として即時に表示する手段を備える。

本発明は、タンク内に配置されたサンプルの、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の、局所的な非接触音響測定方法にも関し、この方法は、サンプル中の静水圧に低周波数の周期的変動を生成するために低周波音波を放射するステップと、放射手段によって生成された低周波音波を測定するステップと、サンプルを通過する高周波超音波パルスを生成するステップと、サンプルを通過した高周波超音波パルスを受信するステップと、サンプルの中を低周波音波が通過することにより、サンプルの、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性によって引き起こされる超音波パルスの伝搬時間の変化および振幅変化を計算するモジュールを備える解析ユニットによる定量化のステップとを含む。

好適には、解析ユニットは、低周波静水圧の引張りおよび圧縮の段階の期間を通じて、サンプルの、非線形な弾性効果および散逸効果の即時計算ならびに複雑な粘弾性性能の表示を実行する。特定の実施形態によれば、非線形性の即時計算は、低周波静水圧の引張りおよび圧縮の段階の期間を通じて、振幅または変形速度のいずれかの関数として実行される。また、好適には、解析ユニットは、低周波静水圧の平均振幅の関数として弾性的および散逸的非線形性の周波数成分（ゼロ周波数が次数０、基本周波数が次数１、２倍の周波数が次数２）の計算を実行する。

また、好適には、低周波音波の周波数は数Ｈｚと１００ｋＨｚとの間にあり、超音波パルスは、低周波波形の引張り／圧縮の周期を正確にサンプリングする目的で、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの周波数範囲および低周波音波の周波数より約１０倍大きな発射率を示す。解析ユニットは、好ましくは、低周波音波および引き続く高周波パルスの列の２から１００回の発射の加算平均によってもたらされるシーケンスを処理する。また、好適には、この方法は、粘弾性的および散逸的非線形性を、低周波静水圧の圧縮および圧縮除去の位相の関数として即時に表示するステップを含む。

サンプルの中で超音波の「プローブ」波と同期して干渉し合う低周波音波を用いてタンク内の静水圧の変動を生成するという事実が、サンプルの粘弾性効果ならびに非線形的な弾性効果および散逸効果の即時の測定をもたらす。媒質の静水圧の変動を生成するのに音波を用いると、サンプルの引張り段階および圧縮段階が相次ぐ期間中、非線形音響効果の動的調査が可能になる。解析されたサンプルのタイプに従って、任意選択で、静水圧の増加する段階と減少する段階との間のヒステリシスを測定することができる。

ピストンを振動ポットに連結すると、変形速度の選択の広い許容範囲を有する低周波波形の生成手段の設計および実施が可能になる。実際、ピストンの幾何学的パラメータおよび構造パラメータが、その共振周波数を決定する。音響プロジェクタ（水中拡声器）を用いると、振動ポット／ピストンのシステムを有利に置き換えることができ、低周波音波の周波数がもはやピストンに依存しなくなる。

３次元空間で静水圧条件を均一に変化させるのに低周波音波を用いると、超音波プローブの伝搬方向を変化させ、したがって媒質の粘弾性の異方性および散逸的非線形性を調査することにより、サンプルを精査する。

音波を用いて、非接触で、媒質の中に引張りおよび圧縮の低周波応力を発生させると、
− 従来型の機械的試験機における流体媒質および把持できないゲルの中、
− あり得る外部汚染から保護すべき媒質（生物学的媒質および農業食品媒質）の中、
− 複雑な幾何形状の固形媒質の中、および、
− 生体への適用（一例として踵骨の中の微小損傷に関する調査）に関して、粘弾性的および散逸的非線形性に関する調査が可能になる。

本発明の他の特性および利点が、詳細な実施形態の以下の説明から、個々に図示する添付図を参照して明らかになるであろう。

本発明に係る、サンプルの、非線形的な弾性パラメータおよび散逸パラメータならびに粘弾性パラメータを測定するためのデバイスの実施形態の概略図である。 本発明により、タンク内に配置されたハイドロホンによって測定された、低周波ピストンの下の超音波トランスデューサと同一面の静水圧（低周波音波）を示す図である。 人間の踵骨の中で広がる、超音波の高周波波連の伝搬時間の変化の計算を時間の関数として示す図である。 弾性的非線形性を踵骨の低周波応力（静水圧）の変動の関数として表す、超音波パルスの伝搬時間の変化を示す瞬時値の図である。 人間の踵骨の中で広がる、超音波の高周波波連の振幅変化の割合を時間の関数として示す図である。 散逸的非線形性を人間の踵骨の低周波応力（静水圧）の変動の関数として表す、超音波パルスの振幅変化の割合を示す瞬時値の図である。 高周波波連が人間の踵骨の中を伝搬した後に、別々の平均レベルの低周波振幅に対して、周波数領域において、ゼロ周波数に相当する０次、ピストンの基本共振周波数に相当する１次および同基本共振周波数の２倍の周波数に相当する２次で測定された超音波の高周波波連の伝搬時間の変化を示す図である。 高周波波連が人間の踵骨の中を伝搬した後に、別々の平均レベルの低周波振幅に対して、周波数領域において、ゼロ周波数に相当する０次、ピストンの基本共振周波数に相当する１次および同基本共振周波数の２倍の周波数に相当する２次で測定された超音波の高周波波連の振幅の変化の割合を示す図である。

図１は、低周波音波によって生成された静水圧の変動を受けるサンプル（２）の中で広がる高周波超音波パルスの速度および減衰の変化の、局所的な非接触即時測定デバイスの実施形態を示す。

この実施例では、解析されるサンプル（２）は、水などの流体（６）で充填されたタンク（４）の中に配置される。タンクを水で充填すると、超音波パルスの正確な伝搬が保証される。なお、水は、任意の他の流体に置き換えることができる。

このデバイスは、好ましくは方形の同期信号（８ａ）を生成するための同期装置（８）を備える。この同期信号（８ａ）により、信号発生器（１０）とオシロスコープ（３０）とを同期させることができ、したがって、高周波パルスと低周波圧力との完全に同期した測定が保証され、粘弾性的および散逸的非線形性の瞬時図の適切な表示が可能になる。

信号発生器（１０）は２つの経路（１０ａ）および（１０ｂ）を備え、同期した２つの信号を、好ましくは正弦波形で伝送する。あるいは、２経路発生器（１０）の代わりに２つの発生器を使用することができる。この場合、２つの信号発生器は、同期信号（８ａ）によって同期する。

この発生器（１０）の第１の経路（１０ａ）は、好適には高周波電力増幅器（１２）に接続され、高周波電気放射信号（１２ａ）を生成する。高周波電力増幅器（１２）は、高周波数の電気的パルスで構成された高周波電気放射信号（１２ａ）を超音波パルス列（１４ａ）に変換する超音波放射トランスデューサ（１４）に接続される。

放射トランスデューサ（１４）の周波数は、好適には２０ｋＨｚと１００ＭＨｚとの間に存在することになる。一例として、踵骨に印加するための公称の決定された周波数は１ＭＨｚである。放射トランスデューサ（１４）も、タンク（４）の中に配置され、超音波受信トランスデューサ（１６）に相対するように設置される。その結果、サンプル（２）を通過する超音波パルス（１４ａ）が、受信トランスデューサ（１６）のレベルで受信される。超音波パルス（１４ａ）は、いくつかの超音波周期によって構成され得る。

超音波受信トランスデューサ（１６）から来る高周波電気受信信号（１８）は、好適には高周波受信増幅器（２８）に伝送され、次いでデジタル・オシロスコープ（３０）によってデジタル化される。

放射トランスデューサ（１４）および受信トランスデューサ（１６）は、１次元または２次元の、プレーナ・モノトランスデューサもしくは集束モノトランスデューサ、またはプレーナ多要素環状回路網もしくは集束多要素環状回路網、またはプレーナ多要素線形回路網もしくは集束多要素線形回路網とすることができる。受信トランスデューサ（１６）は、ハイドロホンでもあり得る。一例として、踵骨の結果は、プレーナ・モノトランスデューサによって得られたものである。

発生器（１０）の第２の経路（１０ｂ）は、好ましくは低周波電力増幅器（２０）に接続される。この低周波電力増幅器（２０）は、増幅された低周波電気信号（２０ａ）を、振動ポット（２２）の軸と一体化してタンク（４）の内部に配置されたピストン（２４）の運動を設定することができる、振動ポット（２２）へ伝送する。振動ポット（２２）は、好適には１０Ｈｚと１５ｋＨｚとの間の変形速度を生成する。一例として、２Ｈｚと５ｋＨｚとの間の周波数が踵骨に対する比較の用途で用いられた。理想的動作のためには、ピストン（２４）をその最大振幅の共振に到達させる正弦波の数十周期を送る必要がある。

超音波送信トランスデューサ（１４）と超音波受信トランスデューサ（１６）との間の超音波パルス（１４ａ）の伝搬の全般を通じて、準静的低周波の圧力場を考えることができるように、低周波の波長は、超音波送信トランスデューサ（１４）と超音波受信トランスデューサ（１６）との間の距離より明らかに大きくなければならない。

ピストン（２４）の運動は、好ましくは正弦波の、有利には超音波パルス（１４ａ）の伝搬方向に対して直交する伝搬方向を示す低周波音波（２４ａ）を生成する。この低周波音波（２４ａ）は、タンク（４）の局所的領域で静水圧の正弦波状の変動を生じさせる。実際、低周波数の波長（２４ａ）は、調査されるサンプル（２）の寸法の少なくとも１つに対して相当なものである。

超音波パルス（１４ａ）と低周波音波（２４ａ）との間の直交干渉の代わりに、低周波波形（２４ａ）の伝搬方向に対して任意の角度で対をなす、超音波トランスデューサ（１４）および（１６）を配置することができる。

超音波パルス（１４ａ）の伝搬方向と低周波パルス（２４ａ）の伝搬方向との間の直交干渉の構成により、ピストン（２４）に対して平行な面におけるサンプル（４）の非線形パラメータの異方性に関する調査が可能になる。また、高周波トランスデューサ（１４、１６）の面と低周波音波（２４ａ）の伝搬方向との間の任意の角度を考えれば、非線形パラメータの異方性に関する３次元空間での調査を行うことができる。

低周波音波（２４ａ）の振幅変動を最大にするために、ピストン（２４）は、好ましくはその第１の共振モードで動作する。ピストン（２４）を構成する材料の密度および剛性、ならびに、その直径および厚さを選択することによってその共振周波数が決定され、７０ｋＰａ程度の静水圧の変動をもたらす。

一例として、直径１４０ｍｍで厚さ６ｍｍのガラスのピストンは、周波数２８００Ｈｚの振動を生成し、ピストンの面の１５ｍｍのところで７０ｋＰａの静水圧の振幅変動に達する。

高レベルの圧力を維持する一方で１５ｋＨｚを上回る変形速度に達するように、低周波音波（２４ａ）の放射手段は、あるいは水中拡声器、すなわちソナー式拡声器（音響プロジェクタ）で構成することもできる。

低周波静水圧の変動は、高周波トランスデューサ（１４）および（１６）の面でピストンに対して平行に配置されたハイドロホン（２６）によって測定される。このように、タンク（４）の中で生成された低周波波形は、このハイドロホン（２６）によって測定される。ハイドロホン（２６）から来る低周波電気信号（２６ａ）は、好適には増幅器（３４）へ伝送され、次いでデジタル化するためにオシロスコープ（３０）へ伝達される。この増幅された低周波電気信号（２６ａ）の一般的な形が、一例として図２に示されている。

短い高周波波連（１４ａ）は、タンク（４）内の静水圧変動の正確なサンプリングを可能にする発射率でサンプル（２）を通過する。一般に、周波数２８００Ｈｚの低周波音波（２４ａ）については、約２５ｋＨｚの超音波パルス（１４ａ）が用いられ、あるいは低周波音波（２４ａ）の１周期につき超音波が約１０回発射される。

高周波電気受信信号（１８）および低周波電気信号（２６ａ）を収集するウィンドウの時間長は、低周波圧力変動を受けない信号部分および低周波ピストンの共振の立ち上がりの全体を記録するように賢明に決定される。一例として、２８００Ｈｚで共振するピストンが用いられる場合、実験の全体をカバーするのに７０ミリ秒のウィンドウが必要である（図２）。高周波電気受信信号（１８）の信号対雑音比を最適化するために、低周波音波（２４ａ）の列をＮ回送ることにより、Ｎ回の実験にわたって平均化が行われる。

超音波パルス（１４ａ）の周波数より明らかに（１０倍から５０倍程度）大きな高周波電気受信信号（１８）のサンプリング周波数が選択される。一例として、サンプリング周波数２５ＭＨｚ、平均化の回数Ｎ＝３０、周波数１ＭＨｚの超音波パルスについて、１０^−１０秒程度の伝搬時間の変化を測定するための、ある^−１０レベルのノイズが水中で得られる。

オシロスコープ（３０）によってデジタル化された高周波電気受信信号（１８）および低周波電気信号（２６ａ）は、次いで記憶およびデータ処理のために、解析ユニット（３２）へ伝送される。解析ユニット（３２）は、サンプル（２）の、弾性的および散逸的非線形性および粘弾性係数を計算するように、以前にデジタル化されている同期した高周波電気受信信号（１８）および低周波電気信号（２６ａ）に含まれる情報を処理する。

弾性的および散逸的非線形性および粘弾性は、高周波電気受信信号（１８）の伝搬時間および振幅の変動から、低周波圧力変動の関数として計算される。低周波静水圧の圧縮および圧縮除去の段階を通じて生じた短い超音波波連（１４ａ）の伝搬時間の変動は、媒質中の超音波伝搬速度の変動に関連付けられる（式１）。

この式で、
− Ｌは、送信側超音波トランスデューサ（１４）と受信側超音波トランスデューサ（１６）との間の距離であり、
− ＴＯＦ（伝搬時間）は超音波トランスデューサ（１４）と（１６）との間の高周波パルス（１４ａ）の伝搬時間であり、
− ｃは、低周波圧力変動を受ける該当媒質中の超音波の伝搬速度であり、
− Ｃ_０は、低周波圧力変動がない状態での該当媒質中の超音波の伝搬速度である。

超音波の伝搬速度が、該当媒質の弾性率Ｋおよび密度ρ_０に関連付けられているので、Ｋ（式２）の変動の関数としての速度ｃまたは伝搬時間（ＴＯＦ）の変動は、同様に記述することができる。

この式で、
− Ｋは粘弾性率であり、
− ρ_０は、低周波圧力変動がない状態での媒質の密度である。

解析ユニット（３２）は、それぞれ図３および図５に示されているように、サンプル（２）の弾性的非線形性および散逸的非線形性を時間の関数として計算するモジュールを備える。解析ユニット（３２）は、粘性パラメータの計算モジュールも備える。

弾性的非線形性の計算モジュールは、高周波電気受信信号（１８）からの第１の高周波パルス（低周波圧力の変動を受けていない超音波パルス（１４ａ）に相当する）と、この電気受信信号（１８）に続く高周波パルスのそれぞれとの間に相互相関アルゴリズムを適用する。相互相関は、電気受信信号（１８）の第１の参照高周波パルスとｎ番目の高周波パルスとの間の期間の推定をもたらす。この期間推定を最適化するために、デジタル・サンプリングの不備を回避する目的で、相互相関ピークの放物線補間が実施される。この最終結果は、時間の関数としての伝搬時間の変化（伝搬時間変化ＴＯＦＭ）をもたらす（図３）。

相互相関アルゴリズムの代わりに、超音波（１４ａ）から生じる信号の位相の復調アルゴリズムは、後者が低周波（２４ａ）の波連が発射される時間にわたって連続的に送信される場合に用いることができる。

散逸的非線形性の計算モジュールについては、以下の３つの手法が可能である。
１．時間領域で高周波電気受信信号（１８）のパルスの頂点間振幅の変動の割合を測定する。
２．周波数領域で高周波電気受信信号（１８）のパルスの最大振幅の変動の割合を測定する（図５）。
３．周波数に対する減衰傾度の変動の割合を測定する。

弾性的非線形性の場合のように、変動は、これら３つのケースのそれぞれにおいて高周波電気受信信号（１８）のパルスから計算され、参照信号は低周波の圧力変動を受けていない。手法３の場合には、骨の用途で現在ＢＵＡ（広帯域の超音波減衰）として知られている周波数に対する減衰は、該当通過帯域上の、参照信号（高周波電気受信信号（１８）の第１のパルス）のスペクトルの係数と、高周波電気受信信号（１８）のｎ番目のパルスのスペクトルの係数との比の傾斜に相当する。最終結果は、時間の関数としての振幅の変動、すなわち減衰の割合をもたらす（図５）。

一方では、以前に開示された弾性的および散逸的非線形性の時間の関数からの、他方では時間の関数としての低周波圧力変動の同期測定からの、２つのモダリティに従って解析し、結果を示すことができる。

１）瞬時モダリティは、低周波圧力の振幅または低周波振幅の変形速度（すなわち導関数）の関数としての弾性的および散逸的非線形性の瞬時図解である。
２）周波数モダリティは、低周波圧力の平均振幅の関数としての０次、１次および２次（それぞれゼロ周波数、ピストンの基本共振周波数および同基本共振周波数の２倍の周波数）の弾性的および散逸的非線形性の周波数解析である。

瞬時モダリティの場合には、低周波圧力振幅の各測定点が、伝搬時間の変化（弾性的非線形性）の割合または振幅変化（散逸的非線形性）の割合の計算点と同期される。これらの同期した測定によって、超音波パルス（１４ａ）の伝搬時間の変化または振幅変化の表示が、低周波圧力振幅の関数として、またサンプル（２）の圧縮および圧縮除去の段階を通じて粘弾性的および散逸的非線形性の瞬時の結果として、無理なくもたらされる。解析のウィンドウは、プレート上で一旦共振が設定されてピストンの共振の立ち上がり段階の期間中、および／または、ピストンの弛緩段階の期間中（電気信号が停止した後（１０ｂ））に選択することができる。

表示は、ピストンの面に平行な面（ＸｏＹ）に配置された伝送の多重パラメータ断層撮影法の画像モジュールとして、また粘弾性効果（ｔａｎ（Φ））および弾性音響的非線形（α、β、δ）的な、かつ、散逸的な影響を表示して行うことができる。デバイスは、有利には、サンプル（２）または超音波トランスデューサ（１４、１６）の対の、回転の機械モジュールおよび並進移動の機械モジュールを備える。しかし、対の超音波トランスデューサおよび関連する並進移動システムは、１次元のトランスデューサの回路網で有利に置き換えることができる。

表示は、ピストンの面に垂直な面（ＹｏＺ）に配置されたサンプル（２）、または、超音波トランスデューサ（１４、１６）の機械走査モジュールを備える多重パラメータの横方向画像モジュールによっても可能である。電子走査モジュールに連結されたトランスデューサの２次元回路網を使用すると、対の超音波トランスデューサおよび機械走査システムを有利に置き換えることができる。

該当サンプルがヒステリシス型の非線形性（損傷した媒質または粒状の媒質）を示すが、この図がヒステリシスを示す場合、粘弾性係数の測定をもたらし得る。後者は、粘弾性パラメータの計算ユニットによって低周波圧力と高周波電気受信信号（１８）の伝搬時間の変化との間の位相ずれΦを測定することから得られる。現在用いられている粘弾性係数（すなわち損失係数）は、ｔａｎ（Φ）である。

図４および図６は、踵骨を測定する範囲内で低周波圧力振幅の関数として、それぞれ伝搬時間の変化の例および高周波電気受信信号（１８）の振幅が変化する割合の例を示す。

準静的試験機による機械的分析の場合のように、そのような解析は、明確に、同一の分析を通じて、マイナスの静水圧変動については引張りの、プラスの静水圧変動については圧縮の、媒質の粘弾性的および散逸的な性能を示す。

周波数モダリティの場合には、時間の関数としての伝搬時間および高周波電気受信信号（１８）の振幅ならびに低周波圧力の振幅の変化が、共振が立ち上がってピストンが降下する段階の間に、低周波の４周期または５周期に等しいサイズである、ずれて行くウィンドウに切り出される。（弾性的および散逸的な）２つの非線形の変化のウィンドウが周波数領域で解析され、これらのスペクトルの係数が、ゼロ周波数（次数０）、ピストンの基本共振周波数（次数１）および同基本共振周波数の２倍の周波数（次数２）について記録される。

これと平行して、低周波圧力の振幅に相当するウィンドウのスペクトルの係数が、この低周波圧力の平均振幅の計算をもたらす。低周波の４周期から５周期を選択したのは、適切なフーリエ変換を計算するための適切な期間と、低周波圧力の平均振幅を定数として考えるための最短期間との折衷によるものである。

図７ａおよび図７ｂは、踵骨を測定する範囲内での低周波圧力の平均振幅の関数として、周波数領域で次数０、１および２で測定することから得られた、それぞれ伝搬時間の変化の例、および、符号化して増幅された電気信号（１８）の振幅が変化する割合の例を示す。

瞬時モダリティと違って、低周波圧力振幅がフーリエ領域で数周期にわたって平均化されるので、引張りおよび圧縮の段階に関連付けられた情報は、もはやアクセスすることができない。しかし、周波数解析は、別々の周波数の次数、定数、基本波および高調波によって非線形性の分解をもたらす。周波数解析によって、ピストンの共振期間中の低周波振幅が増減する段階の期間中の、おそらく別々の性能に関する調査も可能になる。

従来と異なった、すなわち、ヒステリシスの非線形の影響を考慮して変更された、低周波圧力の関数としての、テイラー級数展開に基づく２次までの弾性率Ｋの現象論的関係（Ｋ．Ｒ．ＭｃＣａＩＩ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｇｕｙｅｒ、Ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ｖｏｌ．９９（Ｂ１２）、１９８４年、２３ ８８７〜２３ ８９７頁）が、従来の非線形のβ、δ（次数１および２）および非従来的なαの諸パラメータを次式によって抽出または識別するのに利用される。

この式で、
− Ｋ_０は線形の弾性率であり、
− ＰＢＦは低周波圧力の時間の導関数である。

この識別は、伝搬時間（または弾性）の変化を低周波圧力の変動に関係付ける瞬時図上の調節から行うことができる。

本発明は、説明および図示された実施形態に限定されない。タンク（４）が、液相ではなく気相の要素を含むことになる実施形態を提供することも可能である。また、解析ユニット（３２）の様々な実施形態ならびにこれらのモードで得られた結果は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々なやり方で組み合わせることができる。

Claims (13)

1. サンプル（２）の弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の、局所的な非接触音響測定デバイスであって、
   前記サンプル（２）を入れることができるタンク（４）と、
   前記サンプル（２）の静水圧の、低周波数の周期的変動を生成することができる低周波音波（２４ａ）の放射手段（１０、２０、２２、２４）と、
   前記放射手段（１０、２０、２２、２４）によって生成された前記低周波音波（２４ａ）を測定することができる測定手段（２６、３０、３４）と、
   高周波超音波パルス（１４ａ）の生成手段（１０、１２、１４）と、
   前記サンプル（２）を通過した前記高周波超音波パルス（１４ａ）を受信し、且つ、測定するように前記生成手段（１０、１２、１４）に相対して配置された受信手段（１６、２８、３０）と、
   前記高周波超音波パルス（１４ａ）の測定と前記静水圧の変動とを同期させる同期信号を生成する同期化装置と、
   前記サンプル（２）の、前記弾性的および散逸的非線形性および前記粘弾性を定量化するように、前記サンプル（２）の中を前記低周波音波（２４ａ）が通過することによって引き起こされる前記超音波パルス（１４ａ）の伝搬時間の変化および振幅の変化を計算するモジュールを備える解析ユニット（３２）とを備えることを特徴とする非接触音響測定デバイス。
2. 前記粘弾性効果（ｔａｎ（Φ））ならびに前記非線形の音響弾性効果（α、βおよびδ）および散逸効果のマルチパラメトリック撮像モジュールを備える、請求項１に記載の音響測定デバイス。
3. 前記低周波音波（２４ａ）の前記生成手段（２４）が、周期的低周波変動を生成することができる専用ピストン（２４）を共振させるための振動ポット（２２）を備える、請求項１または２に記載の音響測定デバイス。
4. 前記低周波音波（２４ａ）の前記生成手段（２４）が、低周波音波の変動を生成することができる音響プロジェクタを備える、請求項１または２に記載の音響測定デバイス。
5. 前記高周波超音波パルス（１４ａ）の前記放射手段（１０、１２、１４）および前記低周波音波（２４ａ）の前記生成手段（１０、２０、２２、２４）が、前記超音波パルス（１４ａ）の伝搬方向と前記低周波音波（２４ａ）の伝搬方向とが直交するように配向される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響測定デバイス。
6. 前記解析ユニット（３２）が、前記粘弾性的および散逸的非線形性を、低周波静水圧の圧縮および圧縮除去の位相の関数として即時に表示することができる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響測定デバイス。
7. 前記解析ユニット（３２）が、前記低周波静水圧の平均振幅の関数として前記弾性的および散逸的非線形性の周波数成分である前記ピストンのゼロ周波数（次数０）、基本共振周波数（次数１）、前記基本共振周波数の２倍の周波数（次数２）を表示することができる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響測定デバイス。
8. タンク（４）の中に配置されたサンプル（２）の弾性的および散逸的非線形性および粘弾性の、局所的な非接触音響測定方法であって、
   前記サンプル（２）の静水圧に低周波数の周期的変動を生成するように低周波音波（２４ａ）を放射するステップと、前記低周波音波（２４ａ）を測定するステップと、前記サンプル（２）を通過する高周波超音波パルス（１４ａ）を生成するステップと、前記サンプル（２）を通過した前記高周波超音波パルスを受信して測定するステップと、前記サンプル（２）の中を前記低周波音波（２４ａ）が通過することにより、前記サンプル（２）の、前記弾性的および散逸的非線形性および前記粘弾性によって引き起こされる前記超音波パルス（１４ａ）の伝搬時間の変化および振幅の変化を計算するモジュールを備える解析ユニット（３２）による定量化のステップとを含み、
   前記高周波超音波パルス（１４ａ）の測定と前記静水圧の変動とが同期して行われることを特徴とする音響測定方法。
9. 前記粘弾性的および散逸的非線形性を、前記低周波静水圧の圧縮および圧縮除去の位相の関数として即時に表示するステップを含む、請求項８に記載の音響測定方法。
10. 前記低周波静水圧の平均振幅の関数として、前記弾性的および散逸的非線形性の周波数成分であるピストンのゼロ周波数（次数０）、基本共振周波数（次数１）、前記基本共振周波数の２倍の周波数（次数２）を表示するステップを含む、請求項８に記載の音響測定方法。
11. 前記サンプル（２）の損傷レベルを定量化するステップを含む、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の音響測定方法。
12. 前記低周波音波（２４ａ）の前記周波数が、数Ｈｚと１００ｋＨｚとの間にあり、前記超音波パルス（１４ａ）が、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの周波数範囲および前記低周波音波（２４ａ）の前記周波数より約１０倍大きな発射率を示す、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の音響測定方法。
13. 前記解析ユニット（３２）が、連続した低周波音波（２４ａ）の列の２から１００回の発射の加算平均からもたらされるシーケンスを処理する、請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の音響測定方法。

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