JPH03108614A - 体積計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は容器の容積や容器に入れた物体の体積を測定す
る装置、特に音響系の共振や反共振の現象を利用した音
響式の体積計に係る。

（従来の技術） 容器に入れられた液体もしくは固体の被測定物体の体積
を音響的方法によって測定する音響式体積計として、本
出願人は、特許願６２−１３１６６０においてヘルムホ
ルツ共鳴子の共振周波数を用いる装置を、特許願６１−
３０９２６７において外部に対して閉じた音響系の反共
振周波数を用いる装置をそれぞれ提示した（以下におい
ては上記二つの発明を前願発明と称する）。

前願発明は、それらの音響系の共振周波数や反共振周波
数が容器と物体との間の隙間の体積、すなわち余積によ
って変化し、しかもその隙間の空間の形状にほとんど依
存しないということを利用したものであるが、温度変化
等によって容器内部の気体中の音速が変化すると、共振
周波数および反共振周波数は音速に比例して変化する。

これに対処するため、前願発明においては、音響系の寄
生的な共振周波数や、あるいは容器等に接続された補助
音響共振器の共振周波数を求め、これらと音響系の主た
る共振周波数や反共振周波数との比をとり、その比から
被測定物体の体積を算出するようにしている。すなわち
、被測定物体の体積が変わったときには、主たる共振周
波数や反共振周波数は余積の変化に応じて変化するが、
上記の寄生的共振周波数や補助音響共振器の共振周波数
はほとんど変化しない。一方、温度等が変わった場合に
は、主たる共振周波数、反共振周波数のみならず、寄生
的共振周波数、補助音響共振器の共振周波数もまた音速
に比例して変化するので、上記の周波数比は不変であり
、この方法によって温度変化などの影響が補償される。

（発明が解決しようとする課題） これらの共振周波数や反共振周波数を求める有効な方法
として、前願発明においては、共振周波数あるいは反共
振周波数において発振するように電子回路を付加し、そ
の発振周波数をカウンタ等で測定するという方法などが
提示されている。

共振周波数や反共振周波数を求める方法は上に挙げたも
のに限定されるわけでなく、そのほかにたとえば、音響
系の音源を駆動する信号を入力とみなし、系内の音圧を
検出するマイクロホンからの信号を出力とみなして音響
系の伝達関数を想定し、この伝達関数の極すなわち系の
共振周波数あるいは伝達関数の零点すなわち反共振周波
数の測定を、線形予測法や適応フィルタ法などの数学的
手段を用いて行う方法がある。

上記の方法は、いわゆる伝達関数のパラメータ推定法と
いわれるもので、共振周波数や反共振周波数を測定する
一方法として広く知られているものであるが、このよう
な方法を前願発明に適用する場合には、広帯域の不規則
信号など適当な試験信号を入力として音源に与え、この
試験信号とそのときのマイクロホンの信号とを一定時間
ごとにサンプリングしアナログ−ディジタル変換して演
算装置にとりこみ、これらのとりこまれたデータを用い
て共振周波数や反共振周波数の推定の演算を行い、その
結果から被測定物体の体積を算出する。しかしながら、
主たる共振周波数や反共振周波数は通常数十ヘルツの範
囲で、それに対応するサンプリングの周波数も比較的に
低（て済むが、補償に用いる寄生的共振周波数や補助音
響共振器の共振周波数は通常１キロヘルツ程度であり、
これらを精度よく推定するためには数十キロヘルツのサ
ンプリング周波数が必要で、そのために高速度の高価な
アナログ−ディジタル変換器を使用しなければならない
。

（課題を解決するための手段） 高速度のアナログ−ディジタル変換器を使用しなければ
ならないという上記の課題は、本発明においては次のよ
うな手段により解決される。すなわち、体積を測定する
ための音響系の寄生的共振周波数の一つにおいて発振さ
せるか、あるいは上記の音響系に結合された補助音響共
振器の共振周波数の一つにおいて発振させるようにし、
この発振に同期したクロックパルスを発生し、このクロ
ックパルスによって音響系の入力である試験信号と出力
であるマイクロホンの信号とをサンプリングして演算装
置にとりこみ、そのとりこまれたデータを用いて主たる
共振周波数あるいは主たる反共振周波数の推定を行う。

なお、マイクロホンの信号だけを演算装置にとりこむ場
合もあるが、これはその信号のパワースペクトルを線形
予測法や高速フーリエ変換などの手法により測定して系
の主たる共振周波数や反共振周波数を推定する場合であ
る。

（作用および効果） 上記の方法によれば、サンプリングして演算装置にとり
こむべき信号は、主たる共振周波数や反共振周波数の測
定に関連した比較的低周波の信号だけでン斉むから、イ
ナ用するアナログ−ディジタル変換器も低速のもので済
む。さらに、温度変化や音響系内部の気体の組成変化な
どにより音速が変化し、」二記の主たる共振周波数や反
共振周波数が音速に比例して変化しても、アナログ−デ
ィジタル変換のサンプリング周波数もまた音速に比例し
て同じ割合で変化するから、こうしてとりこまれたデー
タを用いて演算して最終的にえられる被測定物体の体積
の測定値には音速変化に起因する誤差は生じない。すな
わち、本発明においては、温度変化等に対する補償が、
演算に先立って、データを演算装置にとりこむ際の信号
のサンプリングの段階で既に行われてしまっている。

（第１実施例） 本発明の第１実施例を示す第１図において、■は空のと
きの容積が■。の容器で、そのなかに液体７が体積■だ
け入れられている。またｌの上部の栓２を内部断面積Ｓ
、長さ℃の音響管３が貫通している。５は音源で短い導
管９を通して容器１の内部を音響的に駆動する。この音
源としては容器１が小容積の場合はイアホンなどが用い
られ、容器１が大容積の場合にはスピーカなどが用いら
れる。６は音検出器のマイクロホンであって、短い導管
４を通して音響管３内部の音を検出する。

検出すべき音が可聴周波数以下の場合には微圧センサな
どが６のマイクロホンとして用いられる。

８は出口弁であって、この弁を通して液体７は外部にと
りだされる。

容器ｌの上部の余積はＶ。−■であるが、この体積によ
る音響コンプライアンスＣは Ｃ＝（■。−Ｖ）／ｙＰｏ　　　　　　　（１）である
。ここでγは容器１内部の気体、通常は空気、の比熱比
、Ｐ、は気圧である。また音響管３内部の気体の質量に
よる音響イナータンスＬはＬ＝ρｆｌ　／　Ｓ　　　　
　　　　　　　　　（２１である。ここでρは音響管３
内部の気体、通常は空気、の密度である。上記二つの音
響要素は一つの音響共振器を構成するが、これはいわゆ
るヘルムホルツ共鳴子であって、その共振周波数ｆｒは
ｆ、＝　（１／２π）１丁７πで ＝　（ｃ／２ｘ）　　Ｓ／ｌ２（Ｖ、−Ｖ）（３） である。ここでＣは音速であり、 ｃ＝Ｊ７１弓＝７ア　　　　　　　　　　　（４）であ
る。（３）式で示されるように、ｆｒは余積Ｖ、−Ｖの
関数であり、もし■。が既知であれば共振周波数ｆ、よ
りその容器のなかに入れた物体７の体積Ｖが知れる。ま
た、Ｖｏがわからなくても、体積既知の物体を用いて較
正を行えば、■とｆ、との関係を実験的に定めることが
でき、この関係を用いてｆ、からＶを知ることができる
。さらにまた容積未知の空の容器があった場合には、■
＝０であるから、その容器の口に第１図のように音響管
、音源、マイクロホン等を接続した栓もしくは蓋をつけ
ることによりその容積■。が知れる。しかしながら実際
には温度変化などにより音速Ｃが変化し共振周波数ｆｒ
が変化するから、それに対する補償手段が必要となる。

ここにおいて本実施例では、ヘルムホルツ共鳴子の寄生
的共振である音響管自身の共振を利用して上記の補償を
行う。すなわち、第１図の音響管３はヘルムホルツ共鳴
子の構成要素の一つであるが、それ自身でも一つの音響
共振器であり、それを補助音響共振器として兼用するが
、その共振周波数は ｆｒ’＝ｃ／２ｆｆ　　　　　　　　　　　　（５１お
よびその整数倍の周波数である。これらの共振周波数の
いずれも音速Ｃに比例し、補償に利用することができる
が、以下においては最低次の共振周波数ｆｒ′を用いる
ものとして説明する。

第２図は音源５への入力ｅ、（ｔｉｔは時間を表わす）
からマイクロホン６の出力ｅ、、（ｔ）までの周波数伝
達関数Ｇ（ｆ）　　（ｆは周波数を表わす）であるが、
ゲイン特性ＩＧｆｆ）Ｉには主たる共振周波数であるｆ
ｌと寄生的共振周波数であるｆｒｏの二つの周波数にお
いて共振のピークを生ずる。そしてこれら二つの共振周
波数のうちｆｌが余積Ｖ。−■に応じて変化し、また温
度変化などにより音速Ｃが変わった場合にはｆ、、ｆ、
’とも同じ割合で変化する。

第３図は第１図の音響系に接続される電子回路や演算装
置を示すものである。マイクロホン６の出力ｅ、ｎ（ｔ
）は増幅器２０によって増幅されるが、ここで低域フィ
ルタ２１および高域フィルタ２１′　二つの成分に分離
される。これら二つのフィルタのカットオフ周波数ｆｃ
は、第２図に示したように、ｆ、とｆｒｏの中間に設定
されており、信号ｅ　、ｎ（ｔｌのうちのｆ、近傍の周
波数の成分は低域フィルタ２１を通ってのちアナログ−
ディジタル変換器２２によってディジタル量に変換され
、演算装置２３にとりこまれる。一方、信号ｅ　、　（
ｔｌのうちｆｒ′近傍の周波数の成分は高域フィルタ２
１′　を通った後フェーズロックループ（ＰＬＬ）回路
２４への入力となる。ＰＬＬ回路２４の出力は加算器２
６を通ってパワー増幅器２５で増幅されて音源５から音
として放射される。すなわち、２０．２１’　、２４．
２６．２５は音響系を含んだ一つの発振ループを構成し
、Ｐ　Ｌ　Ｌ回路２４の入出力間の位相差を適切に調整
すると、第２図に示した音響系の位相特性ＺＧ　（ｆｌ
の曲線上のＡ′点にロックされ、ｆｒｏの共振周波数に
おいて持続的に発振する。

２７は周波数てい倍器で、ＰＬＬ回路２４の出力を周波
数でい倍してクロックパルスとし、この発振に同期した
クロックパルスによって、アナログ−ディジタル変換器
２２において低域フィルタ２１の出力信号のサンプリン
グが行われるようになっている６２８は試験信号発生器
で、低周波の不規則信号やチャーブ信号など、ヘルムホ
ルツ共鳴子の共振周波数ｆｒの推定に適した試験信号を
発生するが、この信号は加算器２６においてＰ　Ｌ　Ｌ
回路２４の出力と加算されてパワー増幅器２５で増幅さ
れて音源５への入力信号ｅ　、　（ｔ）となる。すなわ
ち、音源５からはＰＬＬ回路からの周波数ｆｒ′の信号
と上記の試験信号とが重畳された音が放射される。また
２８が発生した試験信号は、上記のクロックパルスによ
ってサンプリングを行うアナログ−ディジタル変換器２
９によってディジタル量に変換され、演算装置２３にと
りこまれる。

演算装置２３においては、２９によってとりこまれた試
験信号のサンプル値データを入力と見なし、２２によっ
てとりこまれたマイクロホンの出力信号のサンプル値デ
ータを出力と見なして、その間の伝達関数のパラメータ
推定を行ってヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｆ、を求
め、その値から容器の容積■。や物体の体積Ｖを算出し
表示する。

ここで注意すべきは、ここで求められたｆｌの値は、ヘ
ルムホルツ共鳴子のそのときの実際の共振周波数と必ず
しも一致しているわけではな（、クロックパルスの周波
数を基準にした共振周波数が求められることである。い
いかえれば、音速Ｃがある基準値の場合のｆ、の値が求
められる。そして実際の音速がこの基準値と異なってい
ても、それによる実際のｆ、の変化分は、前記のクロッ
クパルスの周波数変化によって自動的に補償され、演算
装置で求められるｆ、の値は不変であるということであ
る。

（第２実施例） 第４図は、前例のようにヘルムホルツ共鳴子の一部であ
る音響管３を補助音響共振器として兼用するのではなく
、補助音響共振器として専用の音響系をヘルムホルツ共
鳴子に結合して使用した実施例である。すなわちこの場
合の補助音響共振器は音響管３の内部に支持枠１３等で
支持された長さ２゛の一端閉止の音響管１４で、その共
振周波数はｆ　、＋　＝　ｃ／４１２’　　　　　　　
　　　　　（６１およびその奇数倍である。音響管１４
の閉止端の近（には短い導管１２および１２′　によっ
てそれぞれ補助音響共振器に専用のマイクロホン６′　
と音源５゛が接続されている。一方、主たる音響共振器
であるヘルムホルツ共鳴子は、短い導管１５によって接
続された音源５によって音響的に駆動され、そのときの
容器１内部の音圧が、同じ（導管１５を通ってマイクロ
ホン６によって検出される。

音響管３の上端は閉じられているが、そのかわりに、上
端付近に孔１６があけられていて、これが開口部になっ
ている。このような構造にした理由は、埃などが容器１
の中に沈降することを防ぐためである。同じ理由により
、５字形の管を音響管３として使用し、その外気への開
口部が下向きになるようにする場合もあるが、このよう
に曲がった管を使用しても差し支えなく、その音響的な
機能は直管と変りはない。

第５図は第４図の音響系に接続される電子回路や演算装
置を示すものである。マイクロホン６′の出力信号ｅ　
ｍ’　（ｔ）は増幅器２０′　によって増幅され高域フ
ィルタ２１’　を通ってＰＬＬ回路２４の入力となる。

２４の出力はパワー増幅器２５′　で増幅されて音源５
゛への人力信号ｅ　、’　（ｔｌ　　となる。そしてこ
のループによってｆ、゛なる補助音響系の共振周波数に
おいて発振が持続的に行われる。マイクロホン６の出力
信号ｅ　、　（ｔｌは増幅器２０によって増幅され、低
域フィルタ２１を通ったのちアナログ−ディジタル変換
器２２によってサンプリングされゲイジタル量に変換さ
れて演算装置２３にとりこまれる６その際、ＰＬＬ回路
２４の出力を周波数てい倍器２７によって周波数でい倍
してえられるクロックパルスによって信号のサンプリン
グが行われることは前例と同様である。演算装置２３に
おいては、このとりこまれたサンプル値データからその
パワースペクトルなどを計算してヘルムホルツ共鳴子の
共振周波ＨＸ　ｆ　、を求め、その結果から容器の容積
■。や物体の体積■を算出し表示する。なお、上記の演
算方式では、音響系への入力信号は使用しないから、試
験信号発生器２８の出力はパワー増幅器２５で増幅され
て音源５への入力信号ｅ　、　（ｔｌとなるだけで、演
算装置２３にとりこまれることはない。

（第３実施例） 第６図は外部にたいして音響的に閉じた共鳴子を利用し
た実施例である。すなわち、容器ｌと音源の箱１１が音
響管３で接続され、一つの共鳴子を構成している。５は
音源で、その振動板前面の室の容積はｖ′である。６は
音検出器のマイクロホンであって、長さ氾゛の導管４を
通して音源直前の音、この場合は箱１１内部の音を検出
する。８は出口弁であって、この弁を通して液体７は外
部にとりだされるが、その際に生ずる容器１内外の圧力
差は毛細管１０を通して平衡する。しかしながら、毛細
管１０の内径が小さくその音響抵抗が非常に大きいので
、外部にたいして音響的には閉じた系になっている。

第７図は第６図の音響系の音源５への入力信号ｅｓｆｔ
）からマイクロホン６の出力信号ｅ呵ｔ）までの周波数
伝達関数Ｇ　（ｆ）を示すものである。この図かられか
るように、Ｇ　（ｆ）にはｆ、、ｆ、’、ｆｒ“の３つ
の特異点が存在する。この実施例の場合、ｆｒは被測定
物体７の体積Ｖによって変化する主たる反共振周波数で
あって、音源の箱１１から音響管３の方をみたときの音
響インピーダンスが極小となる周波数であり、その値は
（３）式と同じである。ｆｒ”　は音響管３自身の共振
周波数であり、第１図の場合と同様にこれを補償用の共
振周波数として利用することもできるが、この実施例で
は、マイクロホン６を接続した長さβ′の導管４の最低
次の共振周波数ｆｒ′を補償に利用する。すなわちこの
場合の補助音響共振器は導管４であって、その共振周波
数の−っｆｒｏにおいて発振せしめ、この発振に同期し
たクロックパルスによって音源５への入力信号ｅ　、　
（ｔ）　　およびマイクロホン６の出力信号ｅ、（ｔｌ
　　を演算装置にとりこみ、とりこまれたサンプル値デ
ータからパラメータ推定の手法等によって反共振周波数
ｆｒを求め、その値から容器の容積Ｖ０や物体の体積■
を算出し表示する。これらの信号処理は第３図に示した
電子回路によって行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の音響系、第２図は第１図
の音響系の周波数伝達関数、第３図は第１図ならびに第
６図の音響系に接続される電子回路、第４図は本発明の
第２実施例の音響系、第５図は第４図の音響系に接続さ
れる電子回路、第６図は本発明の第３実施例に用いられ
る外部にたいして閉じた音響系、第７図は第６図の音響
系の周波数伝達関数である。 １・・・・容器、２・・・・栓、３・・・音響管、４−
・・・マイクロホンへの導管、５．５“　・・・音源、
６．６′　・・・・音検出器のマイクロホン、７−・・
容器に入れた物体、８・・・・出口弁、９　・・音源へ
の導管、１０・・・・毛細管、１１・・・音源の箱、１
２．１２′・・・導管、１３・・・・支持枠、１４・・
・・音響管、　１５・・・・導管、１６・・・・孔、２
０．２０゛・・・・増幅器、２１．２１’・・・・フィ
ルタ、２２・・・・アナログ−ディジタル変換器、２３
・・・・演算装置、２４・・・・フェーズロックループ
（ＰＬＬ）回路、２５．２５′・・・・パワー増幅器、
２６・・・・加算器、２７・・・・周波数てい倍器、２
８・・・・試験信号発生器、２９・・・・アナログ−デ
ィジタル変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、容器に音響管を接続してえられるヘルムホルツ共鳴
   子に補助音響共振器を音響的に結合するかあるいは上記
   音響管を上記補助音響共振器として兼用することにより
   構成された音響系と、この音響系に音響的に結合された
   少なくとも一つの音源と少なくとも一つの音検出器のマ
   イクロホンと、演算装置と、上記音源を駆動する試験信
   号を発生する手段と、上記補助音響共振器の共振周波数
   の一つにおいて発振をさせる手段と、上記発振に同期し
   たクロックパルスによって上記マイクロホンの出力信号
   かあるいは上記マイクロホンの出力信号と上記試験信号
   とをサンプリングして上記演算装置にとりこむ手段とか
   らなり、上記演算装置にとりこまれたデータから上記ヘ
   ルムホルツ共鳴子の共振周波数を求めることにより上記
   容器の容積あるいは上記容器に入れた物体の体積を知る
   ことを特徴とする体積計。 ２、音響管の両端に容器と音源とを接続してえられる外
   部にたいして音響的に閉じた共鳴子に補助音響共振器を
   音響的に結合するかあるいは上記音響管を補助音響共振
   器として兼用することにより構成された音響系と、上記
   音源の直前の上記音響系内部の音を検出するマイクロホ
   ンと、演算装置と、上記音源を駆動する試験信号を発生
   する手段と、上記補助音響共振器の共振周波数の一つに
   おいて発振をさせる手段と、上記発振に同期したクロッ
   クパルスによって上記マイクロホンの出力信号かあるい
   は上記マイクロホンの出力信号と上記試験信号とをサン
   プリングして上記演算装置にとりこむ手段とからなり、
   上記演算装置にとりこまれたデータから上記共鳴子の反
   共振周波数を求めることにより上記容器の容積あるいは
   上記容器に入れた物体の体積を知ることを特徴とする体
   積計。