JP7249400B2 - 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

Description

本発明は、延性のある膜、表面、および表面下材料特性のうちのいずれかの特性評価のためのデバイスに関する。特に、本発明は、可聴励起等の低周波数励起を使用して表面または膜を刺激し、超音波等の比較的により高い周波数を用いて変位挙動を測定することによる延性のある膜、表面、または表面下領域の非接触特性評価に関する。

延性のある表面または膜の測定は、従来的に、加力に対する表面または膜の反応の理解を展開するために、外力を加えることによって行われている。弾性表面または膜の挙動の場合に関して、ある例示的特性評価が、短い範囲の運動に関してばね定数に対して描かれ得るか、または、反対方向への非線形変位が後に続く一方向への変位の場合、損失のあるシステムに関して、ヒステリシス効果も、観察され得る。膜と隣接する流体またはゲルとの間の関係に関連付けられた注目に値するいくつかの条件が、存在する。１つの条件において、膜の延性が、測定を左右し、空気、流体、またはゲル等、膜に隣接する材料の影響は、膜の特性が測定を左右するので、測定に影響を及ぼさない。別の条件において、膜は、表面刺激のための界面およびチャレンジ表面を提供し、膜に隣接する流体またはゲルの特性は、膜を使用して測定され、それは、そうでなければ測定されている特性を変化させない。何故なら、膜が、表面および下層の流体に近接して結合され、それによって、下層流体までの変位が測定されるべき特性を変化させることなく表面または膜を通して行われ得るからである。そのような特性評価が、食品業界において、硬化または培養時間を伴うそれら等の種々の液体または半固体食品の剛性または他の機械的特性を測定するために、機械的（撹拌パドル）または他の手段を使用して広く実施されている。例えば、食品科学の従来技術において、ヨーグルトが特定の培養レベルに到達したときをその機械的特性によって把握することが所望されているのに対し、細菌成長間隔は、以前のバッチまたは使用される固定間隔から決定され得る。同様に、果物または野菜の成熟度が、その表面柔らかさ、弾性、または他の機械的特性によって決定され得、それは、測定可能なたわみを生成するために十分な小さい加力によって実施され得るか、または、それは、果物または野菜の表面にわたり表面波または剪断波を引き起こし、その表面力に応答する微小な表面または表面下たわみを測定する。

故に、特性評価されるべき物品の表面に適用される非接触測定方法を使用して、食品の機械的特性を測定することが、所望される。

医療分野において、皮膚表面、可動膜、または器官表面の弾性を測定することが、望ましくあり得る。一例において、眼球が、ひと吹きの空気を与えたときのたわみを決定するために、接触または光学方法を使用することによって測定され得る。従来技術において、眼の光学反射率特性が、たわみ対加えられた力として測定され得る。しかしながら、眼の光学界面および種々の下層構造が、光透過性構造を特性評価する光学測定システムの結果である運動限界の分解能を有し得、意図される標的（角膜等）と包囲する組織（眼球水晶体および硝子体液）とは、類似する光学性質を有し、したがって、互いに分解することが、困難である。空気を通して等、遠隔感知および遠隔調査を使用し、眼または他の器官の表面の弾性を測定することが、所望される。

超音波測定は、典型的に、結合流体として液体媒体を使用して実施され、それによって、超音波エネルギーは、進行する音響波のように流体を通してトランスデューサから伝搬し、標的界面から生じる反射される超音波エネルギーを作成し、標的界面は、結合流体と標的との間の伝送インピーダンス不一致による音響屈折率の差を有する。超音波の使用は、トランスデューサと標的との間の結合流体に関する従来的な要件により、ミリメートル（ｍｍ）オーダーの距離およびｍｍ未満の距離範囲を分解する非接触変位測定のために可能ではなかった。

表面刺激の印加との組み合わせにおける変位の遠隔感知を通した表面の非接触表面特性評価のための方法が、所望される。さらに、刺激または測定デバイスによる表面または膜への直接的接触を伴わずに、刺激および測定のための媒体として空気を使用することが、さらに所望される。

（本発明の目的）
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。

本発明の第２の目的は、表面、表面下、または膜から反射された超音波信号の精査による表面、表面下、または膜の延性および弾性の測定である。

本発明の第３の目的は、食品への加力のための装置および方法であって、力は、剪断波または表面波を含む、時間的応答を用いて表面または膜のたわみを発生させ、表面または膜のたわみは、表面または膜から反射されている超音波信号の位相または振幅の変化によって特性評価される。

本発明の第４の目的は、非接触変位力を加えることによる弾性または粘性に関する実質的に均質な流体の特性評価、および流体の表面に印加される伝送される超音波から反射される超音波の位相および振幅を測定することによる非接触変位力に対する応答の特性評価である。

本発明の第５の目的は、動物およびヒトの器官の弾性の測定のための装置および方法であり、それによって、空気パフが、ヒトの眼等の器官に印加され、眼圧測定を実施し、器官の応答が、測定され、空気パフからの弛緩の応答時間中、器官の空気パフ応答が、連続波（ＣＷ）超音波調査または一連のパルス超音波調査にわたって印加される超音波エネルギーの位相と比較される反射される超音波エネルギーの特性位相変化をもたらす。

本発明は、振動板の変位からの空気を通した超音波エネルギーの伝搬のためのガス状媒体の良好なインピーダンス整合を提供する薄い振動板を伴う振動板構造を提供する容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）等の超音波トランスデューサを利用する。故に、ｃＭＵＴは、空気を通した結合のために好適であり、所望される空間特性および側方範囲の平面波の発生のために、基板上等の、平面２Ｄ六角形充塞アレイ内での重複のために好適である。一例示的実施形態において、随意に膜の遠い表面上にある材料が、空気パフ等によって、脈動するチャレンジ変位力を加えることによって特性評価されることができ、超音波トランスデューサが、膜または表面の動的変位特性を測定する。一例において、膜は、特性評価されるべき材料に物理的障壁を透過的に提供し、従って、超音波トランスデューサによって把握されるような材料の特性を大きく変化させない。超音波トランスデューサは、空気等の媒体を通して特性評価されるべき表面または膜に超音波エネルギーを送出または受け取り、超音波トランスデューサは、比較的に低周波の励起源が、表面または膜に結合されているときの間隔中、動作可能である。低周波数励起源は、音響波超音波エネルギーをＣＷ形態またはパルス形態のいずれかで表面または膜に送達する超音波伝送機と一致するある間隔中、表面または膜のわずかな移動を発生させる。表面または膜から反射される超音波のための受信機が、伝送周波数と比較されるとき、受信信号の位相変化として、表面または膜の変位を測定し、それによって、表面または膜の時間的変位を示す。表面または膜の時間的変位の分析が、表面または膜に結合される空気圧式励起に応答する反射される超音波の位相シフトによって測定されるように、時間的変位との比較との組み合わせによって、または表面または膜への励起刺激とそれからの超音波応答との間の応答における遅延またはその振幅に関連付けられたテンプレートまたはメトリックから、表面または膜の機械的特性を決定するために使用される。測定される機械的特性は、延性、弾性、または硬度を含み得る。このように、表面または膜の下方の流体の機械的特性の非接触測定が、決定され得る。

本開示の側面は、非接触特性評価システムを提供する。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を備え得る。非接触特性評価システムは、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、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を備え得る。非接触特性評価システムは、超音波トランスデューサに結合され、遠隔の物体から反射された超音波エネルギーを受信する受信信号プロセッサであって、受信された超音波信号の振幅または位相を伝送波形発生器によって形成された伝送信号と比較し、それによって、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受信信号プロセッサを備え得る。

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し得る。空気のパフは、非酸化ガスを含み得る。非酸化ガスは、窒素、アルゴン、ＣＯ_２、ヘリウムのうちの少なくとも１つであり得る。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）であり得る。伝送信号発生器は、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り得る。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、各位相推定は、伝送された信号と比較された受信された信号の位相変位から決定され得る。一連の位相推定は、弾性メトリックを形成し得る。

本開示の別の側面は、弾性表面の非接触測定のための方法を提供する。非接触力事象が、提供され得る。励起発生器は、特性評価されるべき表面または表面に隣接する材料の体積に非接触力を提供し得る。一連の変位測定が、各印加される励起発生器の非接触力事象に関して形成され得る。超音波エネルギーが、トランスデューサから特性評価されるべき表面または表面に隣接する材料の体積に向けられ得る。トランスデューサは、特性評価されるべき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し得る。伝送された超音波エネルギーの位相は、受信された超音波エネルギーと比較され、変位推定を形成し得る。複数の該変位測定が、弾性または粘性を推定するために使用され得る。

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り得る。空気のパフは、窒素、アルゴン、ＣＯ_２、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り得る。

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つであり得る。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り得る。伝送された超音波エネルギーの位相を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し得る。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得る。弾性または粘性の推定は、該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得る。

励起は、ステップ圧力またはインパルス圧力であり得る。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得る。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つであり得る。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表面または体積まで伝搬し得る。

特性評価されるべき表面または体積は、流体の上の膜を含み得る。特性評価されるべき表面または体積は、弾性または粘性を有する流体を含み得る。特性評価されるべき表面または体積は、動物またはヒトを含み得る。

本開示の別の側面は、非接触材料特性評価システムを提供し得る。非接触材料特性評価システムは、励起発生器を備え得る。弾性表面または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得る。非接触材料特性評価システムは、超音波トランスデューサを備え得る。超音波トランスデューサは、表面または体積に伝送信号を向けるように構成され得る。超音波トランスデューサは、表面または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得る。非接触材料特性評価システムは、超音波トランスデューサに結合されたプロセッサを備え得る。プロセッサは、非接触変位力および反射されるドップラ超音波信号に応答する表面または体積の変位を決定するように構成され得る。

プロセッサは、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、変位を決定するように構成され得る。励起発生器によって発生させられる非接触変位力は、空気のパフを含み得る。励起発生器は、少なくとも２０Ｈｚの周波数を伴う非接触変位力を発生させるように構成され得る。励起発生器によって発生させられる非接触変位力は、インパルス励起を含み得る。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み得る。

非接触材料特性評価システムは、超音波トランスデューサに結合された波形発生器を備え得る。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得る。波形発生器は、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り得る。

プロセッサは、反射されたドップラ信号の位相と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、変位を決定するように構成され得る。プロセッサは、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得る。プロセッサは、一連の位相推定に基づいて、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得る。プロセッサは、決定された変位に基づいて、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得る。

本開示の別の側面は、弾性表面の測定のための方法を提供する。非接触変位力が、弾性表面または弾性表面に隣接する材料の体積に提供され得る（ステップ（ａ））。超音波エネルギーが、トランスデューサから表面または弾性表面に隣接する体積に伝送され得る（ステップ（ｂ））。反射されたドップラ超音波信号が、トランスデューサにおいて受信され得る（ステップ（ｃ））。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つが、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つと比較され、変位測定を形成し得る（ステップ（ｄ））。弾性または粘性が、非接触変位力に応答する変位測定から計算され得る。

弾性表面または弾性表面に隣接する材料の体積に非接触力を提供することは、弾性表面または弾性表面に隣接する材料の体積に空気のパフを向けることを含み得る。非接触変位力は、インパルス励起を含み得る。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み得る。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み得る。

方法は、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、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含み得る。弾性または粘性を計算することは、変位測定の立ち上がり時間または立ち下がり時間を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み得る。

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得る。弾性または粘性を計算することは、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み得る。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つを含み得る。

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つとして表面または体積まで伝搬し得る。表面または体積は、流体の上の膜を含み得る。弾性表面は、動物またはヒトの組織を含み得る。弾性表面は、固体または半固体の食品を含み得る。非接触変位力は、少なくとも２０Ｈｚの周波数で提供され得る。
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、ＣＯ _２ 、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、ＣＯ _２ 、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。

本発明の新規の特徴は、添付される請求項において具体的に記載される。本発明の特徴および利点のより深い理解が、本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する以下の発明を実施するための形態と、付随の図面とを参照することによって得られるであろう。

図１は、表面または膜の特性を推定するための信号プロセッサシステムのブロック図である。

図２は、信号プロセッサが受信される超音波エコーに直接的に基づいて動作する図１におけるようなブロック図である。

図３は、図１のシステムに関する波形を示す。

図４Ａは、ある位相遅延と振幅レベルとを有する反射される応答信号を伴う変形可能な表面または膜に印加される正弦波励起に関するプロットを示す。

図４Ｂは、変形可能な表面または膜に印加されるステップ励起と、ある位相遅延および振幅レベルを有するステップ励起への応答とに関するプロットを示す。

図４Ｃ－１は、＋／－１８０°超の位相シフトを発生させる正弦波表面または膜の変位のプロットを示す。

図４Ｃ－２は、位相が図４Ｃ－１の大きい位相シフトからラップされた入手されたデータを示す。

図４Ｃ－３は、図４Ｃ－２からのラップされていない位相推定値のプロットを示す。

図５は、励起発生器に応答した膜または膜の表面の連続的調査のためのＣＷ信号プロセッサを示す。

図６は、図５のＣＷシステムに関する波形を示す。

図７Ａは、正弦波励起源、および関連付けられる膜または膜の表面の変位応答のプロットである。

図７Ｂは、ステップ励起源、および関連付けられる膜または膜の表面の変位応答のプロットである。

図１は、非接触型のガスが結合された表面、表面下、または膜の特性評価システムの例示的実施形態のための信号プロセッサを示す。表面１５０は、弾性特性を伴う膜または圧縮性表面であり得る。表面１５０は、超音波トランスデューサ１６０からの超音波ビーム１２８によって調査され、超音波トランスデューサ１６０は、随意に、加えられる非接触力（空気パフ等のガスのパフ等）の源に隣接して搭載され、ガスのパフは、ホース１２２を通してノズル１２４に、または非接触圧力刺激を膜または表面に提供するための他の手段で搬送され、それによって、非接触力への膜または表面の応答が、観察され得る。ノズル１２４は、表面励起発生器１２０からホース１２２を通した表面１５０への動的圧力の結合を提供する内部容積に結合され得、空気圧が、表面１５０の変位をもたらす。この変位も、圧力差の結果であり得、それによって、膜または表面の片側が、一時的に他側より上回り、または下回り、表面または膜の応答は、定常状態にある圧力差の後、特性評価される。励起発生器１２０は、表面１５０に結合される静的または動的圧力変動を発生させ得る。上記のように、励起発生器１２０は、２０Ｈｚを下回るサブオーディオ周波数、２０Ｈｚ～２０ＫＨｚのオーディオ周波数、または２０ＫＨｚを上回るスーパーオーディオ周波数を含む表面の変位のための任意の好適な静的または動的圧力変調を生成し得る。励起発生器によって発生させられる圧力励起の性質は、インパルス状のステップまたはデルタ（インパルス）の発生、正弦波圧力励起、矩形波励起、またはこれらの任意の組み合わせであり得、励起は、ゲートバーストまたは連続的であり得る。圧力励起は、静的な正または負の圧力バイアスの有無にかかわらず、提供され得る。圧力ノズル１２４は、隣接する超音波トランスデューサ１６０も有し、超音波トランスデューサ１６０は、伝送受信スイッチ１１８に結合された電気導線１６２および１６４を伴う。超音波トランスデューサ１６０は、表面１５０の中心領域に向けられる超音波ビーム１２８を発生させる。コントローラ１４８は、信号プロセッサ１００を通して分配される種々の制御信号を発生させる。システム基準クロック１１０は、時間的に安定したクロック源から導出され得、基準クロック１１０は、受信される信号の復調のためにも使用され得る。システム基準クロック１１０は、トランスデューサ１６０の中心周波数またはその近傍にパルス列を発生させる伝送波形発生器１１２に結合され、伝送トランスデューサインターフェース１１４は、導線１６２および１６４を介して伝送インターフェース１１４から超音波トランスデューサ１６０に波形を結合する伝送／受信スイッチ１１８に結合する前、電圧レベルシフトおよび任意の要求される増幅を実施する。超音波トランスデューサ１６０は、超音波エネルギーを発生させ、ビーム１２８においてそれを表面１５０に向ける。表面１５０から反射されるエネルギーが、トランスデューサ１６０から導線１６２および１６４を通して伝送／受信スイッチ１１８に戻るように結合され、それは、受信前置増幅器１１６に向けられ、受信前置増幅器１１６は、信号レベルを増幅し、周波数フィルタリングを使用して信号を分離し、帯域外周波数成分を除去し、随意に、コントローラ１４８からの利得制御入力を通して自動利得制御を提供する。受信前置増幅器１１６の出力は、直交ミキサ１４０および１４２に印加され、超音波伝送周波数におけるクロック発生器１１０からの直交クロックは、Ｉ（同相）ベースバンドチャネルとＱ（直交、または９０度分離される）ベースバンドチャネルとを備えている直交出力を発生させ、それらは、同じ低域フィルタ１３６および１３８に結合され、それらの各々は、それぞれのアナログ／デジタルコンバータ１３２および１３４を有し、その出力は、ＩおよびＱチャネルの各々のために１つのデータバッファ、データバッファ１４４、の中に記憶される。経時的に多ゲートサンプルを提供することも、可能であり、それによって、標的が特定のゲートの外に移動した場合、システムは、後続の深度に関連付けられるサンプルを適応的に使用し得る。例えば、２ＭＨｚのトランスデューサ中心周波数（０．３３ｍｍ／μｓ、ｃ／ｆ＝１７０ｎｓ）の超音波伝搬速度に関して、２ｍｈｚにおける８つのサイクルバーストは、４μｓ、ｃｔ／２＝２μｓの１／３＝６００ｕであろう。検鏡が、１ｍｍ調節した場合、信号は、ＴＭがピーク信号として出現する場所から離れ、ＴＭの０．５ｍｍの移動の場合、すなわち、所望される摂動範囲の２倍のみの場合、サンプル体積の縁に到達し得る。複数の隣接するサンプル体積が、隣接する信号サンプルのＩおよびＱを使用して種々のサンプルの最大反射振幅を使用するために含まれるべきである。前置増幅器１１６に適用される利得制御は、ＩおよびＱ信号をＡ／Ｄコンバータ１３２および１３４のための最適なコンバータ範囲内に設置するように設定される。受信される信号が、このように基準クロックと混合されると、各伝送パルスは、特定の深度における範囲ゲートサンプル毎に単相値を発生させ、一連の伝送事象にわたって、この一続きの位相差が、位相および振幅分析器１４６によって使用され、表面１５０の時間的変位を推定する。本発明の一実施形態において、伝送間隔中にトランスデューサに結合される伝送クロックは、システムクロック１１０から導出され、それは、実質的にトランスデューサの中心周波数にある。位相および振幅分析器１４６が、帰還信号の位相を主に精査する例示的実施形態において、システムクロックは、伝送率において、受信間隔中、直交ミキサ１４０および１４２に同期クロッキングを供給し、受信信号位相を（元の伝送周波数における）システムクロックと比較し、伝送されるパルスと反射されるパルスとの間に位相差を発生させる。この位相値は、受信信号の１つ以上のサイクルにわたって比較され、その特定の受信間隔にわたって平均位相値を確立し、次いで、各受信間隔からの各位相値が、まとめられ、音響波の波長および測定される位相値に基づいて、表面１５０の変位の連続的な一連の離散推定値を提供する。別の例示的実施形態において、位相および／または振幅分析器１４６は、受信信号の振幅に基づいて動作し得、受信信号の振幅が、（信号から雑音メトリックへ等の）データから作製される位相推定値の品質に関する情報を提供するために分析され得るか、または、信号の振幅が、ｄｂ／ＭＨｚ－ｃｍ減衰等のメトリックを提供するために分析され得るか、または、振幅プロファイルが、励起発生器によって提供される瞬間的圧力摂動に応答する表面からの超音波エネルギーの反射に基づいて、弾性または他の表面特定を示す弾性メトリックを提供し得る。一般に、弾性メトリックは、振幅および位相分析器１４６に提示されるデータからの任意の位相または振幅から導出されたメトリックであり、それは、表面弾性の測定を提供し、移動性が、表面１５０の弾性と優先的に関連付けられる。励起１２２を発生させるコントローラ１４８も、励起発生器１２０の活動の持続時間にわたって位相および振幅分析器１４６の出力、随意に、反射される信号の振幅を読み取り、結合先端１２４を通して提供される空気圧式励起に対する表面１５０の時間的応答を導出する。空気圧式励起は、前述で説明されたように、任意のサブオーディオ、オーディオ、またはスーパーオーディオ周波数、またはパルスであり得る。

図２は、図１の信号プロセッサの代替実施形態を示し、信号プロセッサは、ＲＦ信号のベースバンドへの直交ミキシングを使用するのではなく、トランスデューサからのＲＦ信号の直接サンプリングを実施している。システムクロック２１０が、伝送波形発生器１１２に結合される伝送クロックを発生させる。伝送波形発生器１１２、伝送トランスデューサインターフェース１１４、伝送受信スイッチ１１８、受信前置増幅器１１６、表面励起源１２０、およびトランスデューサ１６０の動作は、図１に関して前述で説明される通りである。受信前置増幅器１１６は、前述のように、コントローラ２４８によってＲＦ信号を最適なＡ／Ｄコンバータ２３２範囲内に設置するように決定される利得を用いて、利得制御可能であり得る。受信前置増幅器１１６の出力は、ＡＤＣ２３２に適用される雑音帯域幅の削減のために、帯域フィルタ２３６に向けられ、ＡＤＣ２３２は、印加される信号より少なくとも２倍速いナイキスト率においてサンプリングする。１．５ＭＨｚのトランスデューサ１６０の場合に関して、ナイキストサンプリング率は、少なくとも３ＭＨｚと、ナイキストサンプリング基準として信号サンプリングの分野において公知であるトランスデューサ１６０の帯域幅に関連付けられたスカート減衰との合計である。ＡＤＣ２３２の単一チャネル出力が、データバッファ２４４に印加され、信号分析器２４６が、バッファリングされる信号の中の位相シフトを精査し、ＲＦ信号の相変化を決定し、表面の移動を判別する。位相測定を形成するために使用される一続きの位相測定は、直近で入手された測定の効果を増大させるように逆時間重み付けされる一連の測定であり得るか、または、それらは、位相サンプルのウィンドウにわたって均一に重み付けされ得る。あるウィンドウにわたる測定のストリームに適用される重み係数の使用は、好ましい雑音除去特性を提供し得、重みは、励起源帯域幅内の信号に有利であるように選定され、励起源帯域の外にある雑音の影響をフィルタリングし、低減させ得る。

図３は、図１の超音波プロセッサの例示的動作を示す。パルスＲＦモードにおいて、伝送／受信事象は、表面位置の推定値を一連の繰り返される調査間隔３４０中の一連の位相値として提供し、一連の繰り返される調査間隔の各々が、単相値を提供する。システムクロック波形３０２が、連続的に動作し、図１のシステムクロック発生器１１０によって与えられる。事象間隔の持続時間３４０は、トランスデューサ１６０から表面１３０まで、および図１のトランスデューサ１６０まで戻る飛行時間によって決定される。空気中での超音波の伝搬速度は、３３０ｍ／秒（０．３３ｍｍ／μｓ）である。故に、１．５ＭＨｚトランスデューサに関して、空気中でのこの進行波の結果として生じる波長は、０．２２ｍｍである。各方向への１０ｍｍの超音波信号のための合計飛行時間は、したがって、６０μｓであり、従って、持続時間３４０は、この場合、６０μｓ以上であり得る。伝送パルスが反射の後に受信信号として戻るためのこの飛行時間間隔が、図３に間隔３４３として示されている。飛行時間は、伝送間隔と受信間隔との和に対応するパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）に上限を提供する。この例に関して、１．５ＭＨｚ中心周波数を伴うトランスデューサは、空気中を進行する２２０ｕの波長を有するであろう。表面の変位は、トランスデューサから表面までの短縮される経路をもたらし、表面からトランスデューサまで戻る反射される信号は、位相シフトを伴って戻るであろう。故に、データム位相オフセットと比較される伝送クロックと受信される信号との間の１８０度の位相オフセットを観察する位相および振幅分析器は、表面の５５μｍの変位に対応するであろう。より長いパルス列の伝送のための伝送間隔３４２が、受信信号位相の改良された信号対雑音比を提供し、減少される軸方向分解能を犠牲にして、伝送パルスストリームの持続時間３４２による帰還飛行時間を延長させ得、それは、表面等の離散移動標的の場合に関して望ましくあり得る。１．５ＭＨｚにおける１０サイクルストリームに関して、伝送間隔３４２は、６．６μｓであり、前述の伝送バーストから新しい伝送バーストに干渉しないように反射される信号に関して、最大間隔３４０は、１５ＫＨｚ以下のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を含意する６６．６μである。表面が片道飛行時間において３０μｓ離れており、信号エネルギー反射の大部分が、その背後に流体を伴い、表面を超える構造から反射される最小限の信号エネルギーを伴う表面の空気／流体界面にある限定的場合、最短の可能な繰り返しサイクル時間は、３０μｓ（最大伝送バースト長）＋３０μｓ（発信飛行時間）＋３０μｓ（帰還飛行時間）である。この理想化されたシナリオにおいて、トランスデューサは、ｔ＝０の繰り返しサイクルにおいて伝送を開始する。ｔ＝３０μｓにおいて、伝送エネルギーの第１のサイクルが、同時に表面に到達し、トランスデューサは、伝送バーストの最後のものを送信し終えている。ｔ＝６０μｓにおいて、第１の反射されるサイクルが、トランスデューサに到達し、バーストの最後のサイクルが、表面から反射しており、ｔ＝９０μｓにおいて、バーストの最後のサイクルが、トランスデューサに到達している。実際の超音波システムにおいて、ＰＲＦは、表面反射と混合するであろう多経路反射エネルギーの要求される減衰を考慮するように、はるかにより低くなるであろう。ＣＷシステムにおいて、別個の伝送および受信トランスデューサが、使用され、他経路考慮点が、測定されるべき表面が、戻されるドップラ信号エネルギーを左右する信号エネルギーを有するとき、無視されることができる。システムが、反射される信号エネルギーの性質に応じて、いくつかの状況においてはＣＷモードで、および他においてはパルスモードで動作することが好ましくあり得る。パルスモードに関して、共通方向に移動すること等によって、励起にコヒーレントに応答している、振動板または流体の空間範囲に合致する伝送ＲＦエネルギー（図３の３０７）のより短い、またはより長いバーストの使用を含むいくつかのパラメトリック変化が、より良好なＳＮＲを伴うより強力な反射される信号が、帰還音響エネルギーであるサンプル体積が、同一の方向に運動するときに提供されるので、ＳＮＲを改良するために利用可能である。代替として、同一の方向に移動している振動板または流体の領域に合致する空間範囲を伴う短い伝送バースト３０７を使用すること、および反射信号の各領域を別個に連続的に範囲ゲートまたはサンプリングし、別の領域の移動または変位からの１つの領域の移動または変位を区別し、それによって、各反射領域を別個に処理することが、可能である。これは、膜または表面が１つのサンプリングされる領域の範囲内、および（図３の波形３１１／３１３によって表される空間範囲等の）別のサンプリングされる領域の範囲の外に移動する利点を提供し得る。特に、明確な表面反射境界が、存在し、信号エネルギーの大部分のものが、表面から反射される場合、代替として、伝送エネルギーの多くのサイクルを提供し、各測定の位相正確度を改良することも、可能である。ＰＲＦを決定する組み合わせられる伝送間隔および受信間隔は、５０μｓ～１ｍｓ以上の繰り返し期間範囲内にあり得る。多経路反射が、生じ得るので、最大ＰＲＦを低減させ、例えば、現在の間隔３４０より早期の伝送事象からの超音波反射の影響を低減させることが、好ましくあり得る。０．３３ｍｍ／μｓの超音波伝搬速度に関して、トランスデューサから表面までの分離が、１５ｍｍであるとき、往復の超音波経路は、約９０μｓを要求し、トランスデューサから表面までの分離距離が、２０ｍｍである場合、往復経路は、約１２０μｓを要求する。例として、２０ｍｍの分離距離に関して、１．５ＭＨｚにおける１５サイクルの伝送バースト長は、追加の１０μｓを追加し、多経路反射のための２０μｓの整定時間の追加は、約６．６７ＫＨｚのＰＲＦに対応する１５０μｓの間隔３４０をもたらすであろう。トランスデューサ波形３０６は、伝送間隔３４２の間のバイアスおよび振幅の補正を含む伝送波形３０７と、表面からの低減される振幅受信信号３０９とを示す。受信される信号３０９は、システムクロックからの相変化の形態にある表面変位の影響も含み、それは、存在し得る任意の静的位相値から減ぜられなければならない。低域フィルタリングの後のミキサＩおよびＱの出力が、それぞれ、波形３０８および３１０として示されている。各６６μｓのサイクルが、単相推定値を提供し、それは、ＩおよびＱの出力を使用して、極座標において考慮され得る。これは、範囲ゲートを使用し、表面からの反射を含む領域に対応する飛行時間間隔を選択し、伝送事象からの特定のサンプルに関する表面の瞬時位相を示す各サンプルを取得して行われ得る。受信間隔３４４内で入手された値の各々は、平均化されるか、または、各々は、ＩおよびＱの波形３０８および３１０に関して３１１および３１３として示される平均位相推定値に到達するように、表面反射応答に対応する時間的領域にわたって平均または時間的にフィルタリングされる。一連のそのような位相推定値が、保存され、これらの推定値の各々は、受信間隔３４４の範囲に及び、その範囲は、特定の深度からの反射に対応する。複数のデータ取得の受信間隔３４４にわたって、ＩＱのサンプルは、経時的な相変化が、トランスデューサからの距離の変化に起因するので、表面または表面化の運動を説明する時系列を構築するように連結される。これらのサンプリングされた値の連続が、収集され、特定の励起波形に関する表面の特性評価を形成するために使用される表面励起波形に対して比較される。

図４Ａは、音声コイル振動板を使用して印加される正弦波波形３２１等、表面に印加される例示的正弦波励起を示し、音声コイル振動板は、１００ｄａＰａ（デカパスカル）のｐ－ｐによって、膜または表面圧力の局所的領域を変調するために十分な体積を変位させる。亜音速周波数（＜２０Ｈｚ）は、励起表面の周囲の局所的領域をシールすることを要求し得るが、オーディオ周波数（２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ）およびスーパーオーディオ周波数（＞２０ｋＨｚ）は、表面領域をシールすることなしに、オーディオ波として十分に伝搬され得る。正弦波圧力励起３２１は、表面変位の変調をもたらし、それは、表面位置の変調が帰還信号の位相の変化に対応するので、位相プロット３３２として示されている。波形３３２の各別々の円は、Ｉ３１１およびＱ３１３に関する平均値の極性変換等のサンプル点を表す。本発明の一例示的実施形態において、一連の正弦波変調例示３２１周波数が、印加され、各々は、異なる周期３２２を伴い、応答の遅延３３０およびピーク位相振幅が、弾性または延性、または他の表面またはバルク流体性質を推定するために、組み合わせて使用される。１．５ＭＨｚ伝送パルスの各３６０度の相変化が、ラムダ／２＝０．１１ｍｍに対応するので、プロット３３２に示されるような合計＋／－１８０度の相変化は、０．１１ｍｍの表面のピーク間変位に対応するであろう。種々のサイクル時間３２２を伴う一連のオーディオおよびサブオーディオトーンを印加し、プロット３３２に示されるような位相応答３３０を測定することによって、表面の背後の流体の粘性または弾性等の特性を推定することが、可能である。例えば、流体の変化させられる密度または粘性に関連付けられた例示的弾性メトリック測定は、表面または膜の応答時間の変化に関連付けられ得る。このように、表面の周波数ドメイン応答は、一連の励起３２１を使用し、一連の表面応答３３２を測定して行われ得る。

一連の図４Ｃ－１、４Ｃ－２、および４Ｃ－３は、受信される信号位相が、λ／２（１８０°、λ／４表面変位に対応する）を超過するときの再構築表面変位の影響を示す。図４Ｃ－１は、λ／２（１８０°）を超過する変位に関連付けられる位相偏位を伴う受信される信号４３０を示す。１８０°を上回る位相偏位は、－１８０°までラップするので、図４Ｃ－２の一連のサンプルは、個々のセグメント４３２、４３４、４３６、４３８、および４４０のサンプルとともに示される一連のサンプルをラップし、生成する。ナイキストサンプリング率を超過する十分に高いサンプル率が使用される場合、図４Ｃ－３に示されるようにサンプルを「ラップ解除」し、元の位相情報を提供することが、可能である。これらの技法は、ドップラ信号再構築の従来技術において周知である。

図４Ａは、一連のそのような励起において提供され、一連の測定からの表面変位値の位相対周波数応答プロットを発生させ得る正弦波励起を示す一方、図４Ｂは、図４Ａに匹敵する時間ドメイン領域ステップ応答を示し、５０ｄａＰａピークの表面ステップ圧力励起３６２が、表面または膜に印加され、それは、表面からの帰還信号の位相応答３７２を発生させる。同様に、０．１１／２ｍｍの変位に対応する位相応答プロット３７２のための時間遅延３７４および（１８０度として示される）振幅応答に基づいて、表面応答を特性評価することも可能である。一連の図４Ｃ－１、４Ｃ－２、４Ｃ－３に説明される位相ラップ解除技法も、同様に、図４Ｂの波形３７２のサンプルに適用され、＋／－１８０°を超過する位相シフトを再構築し得る。

図２の信号処理は、図３に関して説明されたような類似の様式で動作するが、しかしながら、トランスデューサによって観察される反射３０６は、直接サンプリングされ、基準クロックと比較され、例えば、基準クロックと受信信号平均化時間にわたって受信される信号を積算し、この値を受信信号の持続時間にわたって積分し、１つの受信間隔にわたる位相値を推定することによって、表面移動に関連付けられる位相変化を決定する。類似の様式において、これは、図４Ａに関して説明されるような、表面と相互作用する例起源３２１からの応答波形３３２、または表面と相互作用する励起源３６２からの応答波形３７２の発生をもたらすであろう。表面界面が特性評価されている本発明の一例示的実施形態において、位相分析器１４６または信号分析器２４６は、ＩまたはＱチャネルの最大振幅、またはＩＱによって発生させられるベクトルの最大の大きさを検出し、その大きい信号応答の領域を特性評価されるべき表面として関連付け、続いて、その領域をサンプリングし、変位が推定され得る位相オフセットの推定値を形成するために動作可能である。

図５は、ＣＷ動作に関する本発明の別の例を示す。図５の信号プロセッサは、図１におけるように動作し、図１に存在したような動作可能な同一のブロック説明を伴うが、しかしながら、伝送インターフェース１１４は、導線５０２／５０４を介して伝送トランスデューサ５２４に直接結合され、透過ビーム５２６を発生させ、それは、受信トランスデューサ５３０の受信ビームプロファイル５２８と表面において一致し、受信トランスデューサ５３０は、導線５０６／５０８を使用して受信増幅器１１６に受信信号を搬送し、ここで、信号処理が、図１に関して前述に説明されるように生じるが、しかしながら、図５のシステムは、連続的に動作し、伝送機が、連続的に伝送し、受信機ベースバンド信号が、連続的に受信される。この動作は、図３に説明されるパルス伝送構成を超過する信号帯域幅の検出のために有利である。ＣＷ伝送信号が受信ミキサ１４０および１４２において定常ＤＣオフセットをもたらすので、伝送要素５２４と受信要素５３０との間に電子的絶縁を提供することが、所望される。ＣＷ処理の場合に関して、低域フィルタ５７０および５７２は、伝送クロック率の半分（Ｆｔｘ／２）のナイキスト率に設定され得るか、または、それらは、代替として、Ｆｔｘ／２を超過しないように、測定中、予測される最高応答周波数に設定され得る。低域フィルタ５７０および５７２帯域幅を信号帯域幅に合致させることの利点は、帯域外の雑音周波数寄与からの過剰な雑音の低減である。

図１、２、および５のシステムは、超音波送受信機の照射パターン（図１および２の１２８および図５の５２６）が、膜の超音波処理される表面において可視化されることを要求し得、それによって、特性評価されている超音波処理の領域は、容易に視覚的に識別され得る。（コリメートＬＥＤ、レーザ、または他のビーム源等の）光学照明システムが、収束する光学源、または照射パターン（図１の１２８および図５の５２６）と共線形である光学源を追加すること等によって、精査されている領域および特性をシステムによって示すために、追加され得る。

図６は、図５のベースバンドＣＷシステムに関する波形プロットを示す。システムクロック１１０、伝送波形発生器１１２、および伝送トランスデューサインターフェース１１４は、図６のＤＣでバイアスされるトランスデューサＣＷ信号波形６０２を発生させ、それは、図５の伝送トランスデューサ５２４に印加され、図５の受信トランスデューサ５３０は、図６の受信信号６０８を発生させる。ＤＣバイアスが、ｃＭＵＴトランスデューサのために要求され得る一方、圧電トランスデューサは、ＤＣバイアスを要求しない。ＩおよびＱチャネル低域フィルタ１３６および１３８の出力は、それぞれ、波形６１４および６１６として示されている。前述に説明される位相ラップ解除技法が、同様に、これらの波形に適用され得、ここにおいて、検出される位相が、＋／－１８０°の境界に交差し、反対の境界にラップする。

図７Ａおよび７Ｂは、励起７０２のためのＣＷ出力７１４を示し、図４Ａおよび４Ｂのサンプル点３３２および３７２は、存在しない。何故なら、図５のＣＷシステムが、ミキサ出力が、十分に高い率でサンプリングされ、ミキサ出力における相変化に関するナイキスト基準を満たすことを前提として、図２および３のパルスドップラシステムのベースバンドナイキストサンプリング限界を受けないからである。

図１および２の１３０、および図５の５２４および５３０のためのトランスデューサタイプは、例えば、圧電材料ＰＺＴを用いて形成される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のうちのいずれかであり得る。

信号プロセッサのための例示的実施形態は、図１および２のパルスドップラシステム、および図５のＣＷドップラシステムの実施形態を示している。これらのシステムの各々は、図２に示されるように、直接ＲＦサンプリングを使用して実践されることができ、帯域フィルタが、一般的に、ルートヘルツあたりのナノボルトとして表現される

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。

Ｋは、ボルツマン定数１．３８＊１０^－２３である。

Ｔは、３００°Ｋであると想定されるシステムの温度である。

Ｂは、サンプリングされる信号の帯域幅（図２の帯域フィルタ２３６の帯域幅、または図１および５の低域フィルタ１３６／１３８の帯域幅のうちのいずれか）である。

Ｒは、ジョンソン雑音を発生させる抵抗であり、典型的に、５０オームである。

理想的システムにおいて、ジョンソン雑音は、図１のトランスデューサ１６０および前置増幅器１２０によって発生させられ、この雑音は、システム測定上のその影響を低減させるために、周波数が限定される。５０オームシステムのための雑音フロアは、

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。

本発明は、多くの異なる方法で実践され得る。一実施形態において、位相および振幅分析器は、弾性メトリックを生成し、それは、表面励起源からの表面の変位との組み合わせにおける、表面からの超音波反射からの一続きの位相測定の特性評価である。表面の応答から導出される弾性メトリックは、いくつかの異なる現象の指示を提供し得る。弾性メトリックは、膜に隣接する表面が、ガス状境界（反射が、膜自体からのものである場合）を有するか、流体境界（反射が、膜および膜に隣接する流体の両方からのものである場合）を有するかを示し得る。弾性メトリックは、膜流体境界の背後の流体を特性評価する場合に関して、流体の範囲または特性を示し得るか、または、代替として、それは、応答のヒステリシスを有する、または有しない弾性流体の特性を測定する手段を提供し得、それによって、流体は、変位応答のオフセット、または「記憶」を有し、それによって、一方向への応答挙動が、反対方向への応答挙動に類似するが、それは、特定の変位距離を進行した後にのみである。ヒステリシス応答に関して、システムのヒステリシスに関連付けられる特定の測定された変位の後、応答の線形挙動を特性評価する必要があり得る。流体弾性メトリックは、表面励起に対する表面または膜の特性応答と反射される超音波特性評価とから決定され得る。

システムの構成要素は、本発明を理解することの明確化のために、ブロック図の形態で示されている。本発明の物理的構成要素が、測定されるべき表面に隣接するもの、およびその表面からの任意の距離を含むいかなる場所にも位置し得ることを理解されたい。測定されるべき表面または膜を基準とした要素の特定の配列が、明確化のために、および本発明の一例を例示するために示されている。

励起発生器は、膜または表面に力を加えるようにオペレータによって操作される空気袋、交互に入れ替わる圧力、ステップ圧力、または空気パフを生成する空気変位発生器であり得る。励起発生器出力は、表面の包囲領域までシールされるか、または、シールされず、大気または他の好適なガス等のガスのパフを使用し得る。

表面たわみの推定値は、速度、加速度、または経時的なたわみに関連付けられた任意の他のメトリックの測定される推定値から導出され得る。本発明の一例において、励起は、立ち上がりエッジ、立ち下がりエッジ、またはシステムの予期される応答周波数を上回る分解された周波数成分を含むインパルス励起を伴うステップまたはインパルス応答であり、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。本発明の別の例において、リングダウン特性は、以下のようなリングダウン特性への応答の分解等、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つを含む。
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。

非接触弾性測定の一例において、励起発生器は、ノズルを通して膜表面まで向けられる空気パフであり、膜は、特性評価されるべき下層の液体を有する。液体は、ヨーグルト、チーズ、または他の発酵食品等の半固形の食品であり得、弾性測定は、発酵または他の時間に依存するプロセスの完了の測定を提供し得る。

本発明の別の例において、励起発生器は、細菌または他の時間に依存するプロセスを使用するもの等、発酵される、または硬化されている半固形の食品の表面に結合される空気パフであり、超音波トランスデューサは、超音波伝送事象から反射される信号を定期的に受信し、空気パフ励起の後の食品の緩和時間中に受信される振幅または位相は、元の伝送される信号と比較され、食品の時間に依存する変位特性を特性評価し、励起に応答する緩和時間変化に基づいて、弾性または他の物理的特性を導出する。

本発明の別の例において、励起発生器は、野菜または果物等の食品の表面にインパルス圧力を加え、食品に印加される超音波エネルギーは、反射され、特性評価され、果物または野菜の時間に依存する表面応答を測定し、それによって、表面緩和時間中に反射される位相または振幅応答を使用することは、果物または野菜の成熟度関連し得る弾性または他の物理的特性を決定する。本発明の一例において、食品は、ホルダの中に設置され、表面が、空気等のガスのパフで励起され、表面たわみ応答が、成熟度および他の特性を推定し得る。本発明の別の例において、励起は、食品の表面に対してある超音速速度および／またはある視射角に送達されるガスであり得るか、または、１つ以上の食品が、たわみ対圧力等、圧力に対する低周波数表面応答を測定するための可変圧力を有するチャンバの中に設置され得る。本発明の別の側面において、励起は、１つの表面に印加され得、アイテムを通して進行する伝搬表面波または剪断波の測定等、同一の物品の異なる表面上で測定される応答が、特性評価され得る。

本発明の別の例において、励起発生器は、超音波エネルギーが眼に印加されるとき、ある間隔中、眼等の動物またはヒトの器官にインパルス圧力を加え、非接触励起の印加中または非接触励起の除去の後、反射される超音波の位相変化が、緑内障の測定または診断のための眼圧と関連し得る弾性を示す。

本発明の別の例において、励起は、特性評価されるべき膜の酸化を防止するためのアルゴン、二酸化炭素（ＣＯ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、または不活性ガス等の窒素（Ｎ_２）または非反応性ガスを含む空気パフであり得る。これらの代替的ガスに関して、音響波速度は、空気の速度と比較して、異なる値を有するであろう。

本発明の別の例において、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）等の超音波トランスデューサは、複数の膜表面によって形成され、複数の膜表面の各々は、膜表面に音響波を形成させ、伝送させる伝送電圧波形によって静電的に励起される。印加される電圧波形は、所望される運動の範囲内に膜を位置付けるための直流（ＤＣ）成分も含み得る一方、印加される電圧波形の交流（ＡＣ）要素は、超音波エネルギーの発生のために膜の移動を提供し得る。

本発明の別の例において、超音波トランスデューサは、加えられる圧力に基づいて機械的形状を変化させるセラミック圧電トランスデューサであり得る。

種々の本発明の側面は、以下に列挙されるように、実践され得る。

表面の背後の空気または流体の検出のための信号プロセッサであって、信号プロセッサは、存在するとき、流体の弾性メトリックをさらに推定し、信号プロセッサは、
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。

信号プロセッサであって、励起発生器が、正弦波、インパルス、定常状態、または周期的なサブオーディオ、オーディオ、またはスーパーオーディオ励起のうちの少なくとも１つを発生させる信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅分析器は、トランスデューサの自然中心周波数において、トランスデューサから音響エネルギーを受信することに応じて動作可能である、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅分析器は、ベースバンド周波数スペクトルにおいて、受信したトランスデューサからの音響エネルギーに基づいて動作可能であり、ベースバンド周波数スペクトルは、受信信号を伝送器の実質的に中心周波数にあるキャリア周波数とミキシングすることによって形成される、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、伝送機は、伝送間隔中にトランスデューサの中心周波数における励起電圧信号を含む伝送波形を発生させる、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、伝送間隔と受信間隔との和は、５０マイクロ秒を上回り、１ミリ秒を下回る、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅分析器は、伝送クロックを基準として重み付けされる、または重み付けされていない平均位相を決定する、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、メトリックが、受信信号間隔中にトランスデューサから受信される信号と、受信間隔中に動作可能である伝送クロックとの間の時間的位相変化から導出される、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、メトリックが、ミキサの出力ベースバンド信号と励起発生器の出力との間の位相関係から導出される、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、メトリックが、受信信号および励起発生器の出力内の時間的位相変化から導出される、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、超音波トランスデューサは、伝送信号エネルギーの周期的バーストを発生させる信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、超音波トランスデューサは、継続的な伝送信号エネルギーを発生させる、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅分析器は、膜または表面からの第１の反射の領域を識別するために、受信される信号に基づいて動作可能であり、その後、空気または液体のいずれかとして識別される領域の背後の流体を特性評価する、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、識別される領域の背後の流体が液体であるとき、測定可能なたわみに関連付けられる位相または振幅応答を使用して、表面弾性または流体粘度を決定する、信号プロセッサ。

表面または膜からの時間的応答を特性評価するための信号プロセッサであって、信号プロセッサは、
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。

信号プロセッサであって、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のうちの少なくとも１つである、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、励起発生器は、ボイスコイルアクチュエータまたは移動振動板のうちの少なくとも１つである、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、視覚ガイドは、超音波トランスデューサからのビームプロファイルに対応する領域を照明するレーザダイオード、発光ダイオード、または光学インジケータのうちの少なくとも１つである、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、超音波伝送機は、１５ＫＨｚ未満の繰り返し率を有する、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅検出器は、低域フィルタの後に出力を発生させるベースバンドミキサである、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、位相および振幅検出器は、トランスデューサの中心周波数において動作可能である、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、応答分析器は、励起発生器が動作可能であるとき、持続時間にわたって、複数のサンプル点にわたる位相出力と励起発生器の出力とを比較する、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、受信間隔および伝送間隔は、同時の間隔である、信号プロセッサ。

信号プロセッサであって、受信間隔および伝送間隔は、排他的間隔である、信号プロセッサ。

本発明の好ましい実施形態が、本明細書に示され、説明されているが、そのような実施形態が、例としてのみ提供されることが、当業者に明白であろう。多数の変形例、変更、および代用が、ここで、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。本明細書に説明される本発明の実施形態への種々の代替物が、本発明を実践することにおいて採用され得ることを理解されたい。以下の請求項が、本発明の範囲を定義し、これらの請求項およびそれらの均等物の範囲内の方法および構造が、それによって網羅されることが意図される。

Claims (13)

1. 弾性表面の非接触測定のための方法であって、前記方法は、
   励起発生器を使用して、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一連の非接触力を提供することであって、前記非接触力は、ステップ圧力またはインパルス圧力である、ことと、
   前記一連の非接触力のうちの各非接触力に関して、一連の変位測定を形成することであって、各変位測定は、
   トランスデューサから伝送された超音波エネルギーを特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積に向けることと、
   前記トランスデューサを使用し、特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の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、前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積に関する変位推定を形成することと
   を含む、ことと、
   前記一連の変位測定を使用して、弾性または粘性の推定を形成することであって、前記弾性または粘性の推定は、前記一連の変位推定のリングダウンの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つを精査することによって形成される、ことと
   を含む、方法。
2. 各非接触力は、特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積に向けられたノズルから解放される空気のパフである、請求項１に記載の方法。
3. 前記空気のパフは、窒素、アルゴン、ＣＯ_２、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、請求項２に記載の方法。
4. 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のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
5. 前記伝送された超音波エネルギーは、連続波（ＣＷ）超音波エネルギーであるか、または、前記伝送された超音波エネルギーは、パルス超音波エネルギーである、請求項１に記載の方法。
6. 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、特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積の前記変位推定に変換される位相変位を形成する、請求項５に記載の方法。
7. 前記弾性または粘性の推定は、前記一連の変位測定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、請求項１に記載の方法。
8. 前記弾性または粘性の推定は、前記一連の非接触力のうちの非接触力の立ち上がり時間または立ち下がり時間と比較された前記変位推定の立ち上がり時間または立ち下がり時間を精査することによって実施される、請求項１に記載の方法。
9. 各非接触力は、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表面に隣接する前記材料の体積まで伝搬する、請求項１に記載の方法。
10. 特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積は、流体の上の膜を含む、請求項１に記載の方法。
11. 特性評価されるべき前記表面または前記表面に隣接する前記材料の体積は、弾性または粘性を有する流体を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記比較することは、前記受信された超音波エネルギーに関連している前記トランスデューサから受信された信号のベースバンド復調を実施することと、一連の位相推定から前記変位推定を形成することとを含み、前記一連の位相推定のうちの各位相推定は、前記伝送された超音波エネルギーを向ける前記トランスデューサに印加された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、請求項１に記載の方法。
13. 前記一連の位相推定は、表面弾性の測定を提供する、請求項１２に記載の方法。

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