JPH03172708A - 超音波による物質層の2面間の距離変動測定装置及びプローブ - Google Patents
超音波による物質層の2面間の距離変動測定装置及びプローブInfo
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- JPH03172708A JPH03172708A JP2300000A JP30000090A JPH03172708A JP H03172708 A JPH03172708 A JP H03172708A JP 2300000 A JP2300000 A JP 2300000A JP 30000090 A JP30000090 A JP 30000090A JP H03172708 A JPH03172708 A JP H03172708A
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- G—PHYSICS
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- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
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-
- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
ル胛立1遣
1、発明の分訝
本発明は、超音波により物質の層の2つの面問の距ス1
の変動を測定するための装置及びプローブに関するもの
である。
の変動を測定するための装置及びプローブに関するもの
である。
この型の既知の装置の原理は、概してパルスのタイミン
グに基づいている。すなわち、前記物質の層を通って移
行するために超音波がかかるff9間が測定され、そし
て層の厚さは、該移行時間に物質内の前記超音波パルス
の速度を乗算することにより1前記移行時間から導出さ
れる。これら既知の装置は、各パルスの始まりが不確か
にしか知られないので、全く正確ではなく貧弱な解像度
を有している。
グに基づいている。すなわち、前記物質の層を通って移
行するために超音波がかかるff9間が測定され、そし
て層の厚さは、該移行時間に物質内の前記超音波パルス
の速度を乗算することにより1前記移行時間から導出さ
れる。これら既知の装置は、各パルスの始まりが不確か
にしか知られないので、全く正確ではなく貧弱な解像度
を有している。
2、従来技術の説明
このような既知の装置を改良するために、超音波パルス
を変調してそれらをフィルタリングすることにより、か
かる既知の装置にレーダもしくはソナー技術が適用され
てきた。そのとき、良好な信号/雑音比が得られ、つい
には−層良好な解像度が得られる。しかしながら、この
ような改良は、’P1. iTl’i定物質において、
パルスの速度が周波数と共に変わらないということを意
味する。いずれの場合にも、この改良は、自己相関並び
にフィルタリングを含め、超音波パルスの複雑な処理を
必要とする。結果として、かかる処理がディジタル化さ
れるとき、超音波パルスの発生速度に対応して、5Mの
ビットが高い周波数で処理されることが必要となる。従
って、ディジタル処理装置はそれ自体複雑である。さら
に、超音波パルスを得るために、用いられる電気音響変
換器(圧電気型の、強磁性型の、・・・)に高電圧を与
えることが必要であり、このことは欠点である。
を変調してそれらをフィルタリングすることにより、か
かる既知の装置にレーダもしくはソナー技術が適用され
てきた。そのとき、良好な信号/雑音比が得られ、つい
には−層良好な解像度が得られる。しかしながら、この
ような改良は、’P1. iTl’i定物質において、
パルスの速度が周波数と共に変わらないということを意
味する。いずれの場合にも、この改良は、自己相関並び
にフィルタリングを含め、超音波パルスの複雑な処理を
必要とする。結果として、かかる処理がディジタル化さ
れるとき、超音波パルスの発生速度に対応して、5Mの
ビットが高い周波数で処理されることが必要となる。従
って、ディジタル処理装置はそれ自体複雑である。さら
に、超音波パルスを得るために、用いられる電気音響変
換器(圧電気型の、強磁性型の、・・・)に高電圧を与
えることが必要であり、このことは欠点である。
既知のパルスが発生される装置のかかる欠点を克服する
ために、交流の超音波が既に用いられている。
ために、交流の超音波が既に用いられている。
例えば、仏tn特許FR−へ−2476831は以下の
ものを備えた装置を記載している: 固定周波数の第1の交流電気信号を発生する発生器と・ 前記第1の交流電気信号を、振幅が時問の関数として交
互に変化する同じ固定周波数の超音波に変換することが
できる電気音響伝送変換器と;この場合、前記超音波及
び前記第1の電気信号は固定の位相関係にある; 前記超音波を前記物質の層に与える第1の結合手段と; 前記物質の層を通過した超音波を、=i超音波と固定の
位相関係で第2の交流電気信号に変換することができる
電気音響受信変換器と: 前記物質の層を通過した前記超音波を、前記電気音響受
信変換器に与えるための第2の結合手段と; 当該測定手段に与えられる前記第1の交流電気信号接続
により与えられる前記第2の電気信号の位相シフトの変
動を連続的に測定する該測定手段と;前記位相シフトの
変動がら前記距離の変動を導出する計算手段と; を備えた装置を記載している。
ものを備えた装置を記載している: 固定周波数の第1の交流電気信号を発生する発生器と・ 前記第1の交流電気信号を、振幅が時問の関数として交
互に変化する同じ固定周波数の超音波に変換することが
できる電気音響伝送変換器と;この場合、前記超音波及
び前記第1の電気信号は固定の位相関係にある; 前記超音波を前記物質の層に与える第1の結合手段と; 前記物質の層を通過した超音波を、=i超音波と固定の
位相関係で第2の交流電気信号に変換することができる
電気音響受信変換器と: 前記物質の層を通過した前記超音波を、前記電気音響受
信変換器に与えるための第2の結合手段と; 当該測定手段に与えられる前記第1の交流電気信号接続
により与えられる前記第2の電気信号の位相シフトの変
動を連続的に測定する該測定手段と;前記位相シフトの
変動がら前記距離の変動を導出する計算手段と; を備えた装置を記載している。
従って、この他の既知の技術によれば、交流の超音波が
連続的に用いられ、これにより、超音波パルスの始まり
を知ることの不正確さに起因する、上述で思い起こされ
たような既知のパルス発生技術の欠点が克服される。さ
らに、パルスは用いられないので、伝送変換器に与えら
れる電圧は高くない。交流の超音波を用いたががる技術
は、計算のために非常に多数のビットを必要としない、
正確で、信頼性ある測定値を与える。
連続的に用いられ、これにより、超音波パルスの始まり
を知ることの不正確さに起因する、上述で思い起こされ
たような既知のパルス発生技術の欠点が克服される。さ
らに、パルスは用いられないので、伝送変換器に与えら
れる電圧は高くない。交流の超音波を用いたががる技術
は、計算のために非常に多数のビットを必要としない、
正確で、信頼性ある測定値を与える。
交流超音波を有するこの既知の技術を用いた既知の装置
においては、前記物質の層は前記超音波を伝送すること
ができる液体の電そうもしくはバス(a bath o
r 1iquid)内に沈められ、そして電気音響伝送
及び受信変換器は、前記物質の層の各側に配置される。
においては、前記物質の層は前記超音波を伝送すること
ができる液体の電そうもしくはバス(a bath o
r 1iquid)内に沈められ、そして電気音響伝送
及び受信変換器は、前記物質の層の各側に配置される。
従って、前記第1及び第2の結合手段は、前記2つの電
気音響変換器と、それら変換器にそれぞれ向かい合う前
記層の両面との問の前記液体の厚さによって形成される
。
気音響変換器と、それら変換器にそれぞれ向かい合う前
記層の両面との問の前記液体の厚さによって形成される
。
結果として、かかる装置は、液体電そうもしくはバスに
沈められるべき前記物質の層を必要とするので、使用に
際し不便である。加うるに、前記層の厚さの変動を測定
することが望まれるすべての場合において、特に、前記
層の面の一方が接近不可能である場合において、もしく
は前記厚さ変動の原因として、特に困難な物理的かつ化
学的な妖怪を受けているときには、かかる装置は用いる
ことができない、さらに、かかる既知の配列でもっては
、該装置は、謹製πが素子を含んでいるのと同じ程度に
多くの個別装置でもって形成される。
沈められるべき前記物質の層を必要とするので、使用に
際し不便である。加うるに、前記層の厚さの変動を測定
することが望まれるすべての場合において、特に、前記
層の面の一方が接近不可能である場合において、もしく
は前記厚さ変動の原因として、特に困難な物理的かつ化
学的な妖怪を受けているときには、かかる装置は用いる
ことができない、さらに、かかる既知の配列でもっては
、該装置は、謹製πが素子を含んでいるのと同じ程度に
多くの個別装置でもって形成される。
九旦立11
本発明の目的はこのような欠点を克服することである。
本発明は、調査されるべき層の面の一方が接近不可能な
場き、もしくは困難な状R(例えば高温度)を受けてい
るような場合においてさえ、便利に用いられ得る、上述
で思い起こされたような型の装置に関しており、この装
置の構造は、さらに、使用し易いプローブを形成するよ
うに一緒に該装置の幾つかの素子を一緒に配列させるこ
とを可能とする。
場き、もしくは困難な状R(例えば高温度)を受けてい
るような場合においてさえ、便利に用いられ得る、上述
で思い起こされたような型の装置に関しており、この装
置の構造は、さらに、使用し易いプローブを形成するよ
うに一緒に該装置の幾つかの素子を一緒に配列させるこ
とを可能とする。
このため、本発明によれば、交流超音波を用いた上述の
型の装置は: 前記電気音響変換器1負器及び電気音響受信変換器、並
びに前記第1及び第2の結合手段が、前記物質の層の同
じ側に配置され;そして 前記第1及び第2の結合手段は、固体超音波導波管であ
る: 点に顕著な特徴を有する。
型の装置は: 前記電気音響変換器1負器及び電気音響受信変換器、並
びに前記第1及び第2の結合手段が、前記物質の層の同
じ側に配置され;そして 前記第1及び第2の結合手段は、固体超音波導波管であ
る: 点に顕著な特徴を有する。
従って、前記物質の層が沈められる液体の電そうもしく
はバスの使用3避けることができ、さらに、前記距離の
変動は、前記層の他方の側が接近不可能となっているか
もしくは好ましくない状態により影響を受けている場合
に、前記層に一方の個だけから接近することにより測定
され得る。
はバスの使用3避けることができ、さらに、前記距離の
変動は、前記層の他方の側が接近不可能となっているか
もしくは好ましくない状態により影響を受けている場合
に、前記層に一方の個だけから接近することにより測定
され得る。
本発明の装置においては、入射した超音波は、一方の方
向に前記物質を通過した後、前記物質の層の反対の面で
反射され、この層を反対方向に再度通過して前記電気音
響受信変換器に達する。
向に前記物質を通過した後、前記物質の層の反対の面で
反射され、この層を反対方向に再度通過して前記電気音
響受信変換器に達する。
さらに、本発明の装置においては、前記物質の層の面に
付けることができるユニットを形成するように、前記電
気音響伝送及び受信変換器と一緒に前記第1及び第2の
結合手段をも、1つのケース内に組立てることを容易と
する。
付けることができるユニットを形成するように、前記電
気音響伝送及び受信変換器と一緒に前記第1及び第2の
結合手段をも、1つのケース内に組立てることを容易と
する。
従って、前記物質の層の厚さの変動は、この層の接近可
能な面に対して前記ユニットを付けることにより、他方
の面が高温状態を受けている場合ですら測定可能である
。固体超音波導波管のため前記電気音響変換器は前記物
質の層から離れており、これにより、それら電気音響変
換器は、前記物質の層の接近不可能な面と同じ側に存在
し得る好ましくない熱状態から保護される。勿論、これ
ら導波管は、この目的のために、耐火物質から作られ得
、例えば、そのような耐火物質のバーもしくは棒により
形成され得る。次に、前記ユニットはプローブを形成し
得ることが分かる。
能な面に対して前記ユニットを付けることにより、他方
の面が高温状態を受けている場合ですら測定可能である
。固体超音波導波管のため前記電気音響変換器は前記物
質の層から離れており、これにより、それら電気音響変
換器は、前記物質の層の接近不可能な面と同じ側に存在
し得る好ましくない熱状態から保護される。勿論、これ
ら導波管は、この目的のために、耐火物質から作られ得
、例えば、そのような耐火物質のバーもしくは棒により
形成され得る。次に、前記ユニットはプローブを形成し
得ることが分かる。
それ故、本発明は、また、そのようなプローブにも関す
る。
る。
従って、本発明よれば、固体物質の層の2つの面を雛し
ている距離の変動を、核層を横断的に通過する超音波に
より測定するためのプローブは第1の交流電気信号を、
振幅が時問の関数として交互に変化する同じ固定周波数
の超音波に変換することができる電気音響伝送変換器を
備え、前記川音波及、び前記第1の電気信号は固定の位
相関係にあり; 前記超音波を前記物質の層に与える堅固な第1の超音波
導波管であって、その端部の一方が前記電気音響伝送変
換器に接続されるように配置され、該端部の他方が前記
物質の層の接近可能な面と接触するように自由である前
記第1の超音波導波管と; 前記物質の層を通過した超音波を、該超音波と固定の位
相関係で第2の交流電気信号に変換することができる電
気音響受信変換器と: 前記物質の層を通過した前記超音波を前記電気音響受信
変換器に与えるよう立国された堅固な第2の超音波導波
管であって、その端部の一方が前記電気音響受信変換器
に接続されるように配置され、該端部の他方が、前記第
1の導波管の自由端と同様、前記物質の層の前記と同じ
接近可能な面と接触するように自由である前記第2の超
音波導波管と 前記第1の交流電気信号を発生する発生器に、前記電気
音響伝送変換器を接続するための第1の接続手段と 前記第1の電気信号に対する前記第2の電気信号の位相
シフトの変動を連続的に測定することができる手段に、
前記電気音響受信変換器を接続するための第2の接続手
段と: を備えたことをm著な特徴とするものである。
ている距離の変動を、核層を横断的に通過する超音波に
より測定するためのプローブは第1の交流電気信号を、
振幅が時問の関数として交互に変化する同じ固定周波数
の超音波に変換することができる電気音響伝送変換器を
備え、前記川音波及、び前記第1の電気信号は固定の位
相関係にあり; 前記超音波を前記物質の層に与える堅固な第1の超音波
導波管であって、その端部の一方が前記電気音響伝送変
換器に接続されるように配置され、該端部の他方が前記
物質の層の接近可能な面と接触するように自由である前
記第1の超音波導波管と; 前記物質の層を通過した超音波を、該超音波と固定の位
相関係で第2の交流電気信号に変換することができる電
気音響受信変換器と: 前記物質の層を通過した前記超音波を前記電気音響受信
変換器に与えるよう立国された堅固な第2の超音波導波
管であって、その端部の一方が前記電気音響受信変換器
に接続されるように配置され、該端部の他方が、前記第
1の導波管の自由端と同様、前記物質の層の前記と同じ
接近可能な面と接触するように自由である前記第2の超
音波導波管と 前記第1の交流電気信号を発生する発生器に、前記電気
音響伝送変換器を接続するための第1の接続手段と 前記第1の電気信号に対する前記第2の電気信号の位相
シフトの変動を連続的に測定することができる手段に、
前記電気音響受信変換器を接続するための第2の接続手
段と: を備えたことをm著な特徴とするものである。
本発明による装置における場合だけではなく、プローブ
の場合においても、第1及び第2の電気信号が超音波と
同位相であるように、圧電気型、強磁性型もしくは同様
の型の既知の変換器が用いられ得る。従って、特に長所
的な「固定位相関係」が得られる。しかしながら、かか
る配列は必須なものではなく、本発明は、対応の位相シ
フトが既知であるならば、超音波に対して位相シフトさ
れた第1及び第2の信号を用いることができる。
の場合においても、第1及び第2の電気信号が超音波と
同位相であるように、圧電気型、強磁性型もしくは同様
の型の既知の変換器が用いられ得る。従って、特に長所
的な「固定位相関係」が得られる。しかしながら、かか
る配列は必須なものではなく、本発明は、対応の位相シ
フトが既知であるならば、超音波に対して位相シフトさ
れた第1及び第2の信号を用いることができる。
さらに、固定周波数の前記第1の交流電気信号が正弦波
の型であるのが長所的である。さらに、(前記第1の信
号の周期に等しい)超音波の波長よりも大きい距離変動
i1’1.lI定を行うために、kが1゜2.3.・・
・(n−1)、nに等しい整数とした場合に、前記位相
シフト変動の2kπの通過を計数するための手段が設け
られる。
の型であるのが長所的である。さらに、(前記第1の信
号の周期に等しい)超音波の波長よりも大きい距離変動
i1’1.lI定を行うために、kが1゜2.3.・・
・(n−1)、nに等しい整数とした場合に、前記位相
シフト変動の2kπの通過を計数するための手段が設け
られる。
本発明は、前記層の特性がどのようであろうと、そして
前記厚さが変動する行為が何であろうと、固体物質の前
記層の厚さの変動を測定するために用いられ得る。この
厚さの変動は前記層の面上の摩耗もしくは洗清から生じ
得る。
前記厚さが変動する行為が何であろうと、固体物質の前
記層の厚さの変動を測定するために用いられ得る。この
厚さの変動は前記層の面上の摩耗もしくは洗清から生じ
得る。
長所的には、前記プローブは、前記電気音響伝送及び受
信変換器、並びに前記堅固な第1及び第2の超音波導波
管を収容するケースを備えており、該ケースは、前記第
1及び第2の接続手段に該ケースを貫通させている。こ
の場合、前記電気音響伝送及び受信変換器とは反対側の
前記堅固な超音波導波管の自由端は、前記物質の層の前
記と同じ接近可能な面に結合するよう、前記ケースの外
側で接近可能である。
信変換器、並びに前記堅固な第1及び第2の超音波導波
管を収容するケースを備えており、該ケースは、前記第
1及び第2の接続手段に該ケースを貫通させている。こ
の場合、前記電気音響伝送及び受信変換器とは反対側の
前記堅固な超音波導波管の自由端は、前記物質の層の前
記と同じ接近可能な面に結合するよう、前記ケースの外
側で接近可能である。
前記堅固な超音波導波管の前記自由端と、前記′pAτ
丁の層の前記と同じ接近可能な面との問の結合は、単に
接触により得られ得る。しかしながら、前記と同じ接近
可能な面上への前記自由端の瞬時固着手段が、例えばセ
メントを用いて与えられるのが好ましい。前記物質の層
が、前記同じ接近可能面と反対の面上に、高温度を受け
る場合には、前記固着手段は、耐火セメントを用いて作
られ得る。
丁の層の前記と同じ接近可能な面との問の結合は、単に
接触により得られ得る。しかしながら、前記と同じ接近
可能な面上への前記自由端の瞬時固着手段が、例えばセ
メントを用いて与えられるのが好ましい。前記物質の層
が、前記同じ接近可能面と反対の面上に、高温度を受け
る場合には、前記固着手段は、耐火セメントを用いて作
られ得る。
かかる瞬時固着手段は、前記堅固な超音波導波管と前記
物質の層との間で良好な超音波伝送を行う。
物質の層との間で良好な超音波伝送を行う。
プローブと検査されるべき物質の層との問の超音波結合
の質を一層高めるために、以下の要件が与えられ得る。
の質を一層高めるために、以下の要件が与えられ得る。
これら要件は、個々に与えられ得るが、好ましくは結合
して与えられるのが好ましい: 前記堅固な超音波導波管の前記接近可能な自由端が前記
同じ接近可能な面に結合され、さらに前記電気音響伝送
及び受信変換器が前記ケースと接触しているとき、前記
ケースは、前記物質の層の前記同じ接近可能な面と接触
状態となる端部を有していること・ 前記ケースの前記端部を、前記物質の層の前記同じ接近
可能な面上に固定するための固定手段が設けられること
; 前記電気音響伝送及び受信変換器、並びに前記第1及び
第2の堅固な超音波導波管を、前記ケース内で、前記超
音波を吸収する多景の物質内に埋め込むこと: という要件が与えられ得る。
して与えられるのが好ましい: 前記堅固な超音波導波管の前記接近可能な自由端が前記
同じ接近可能な面に結合され、さらに前記電気音響伝送
及び受信変換器が前記ケースと接触しているとき、前記
ケースは、前記物質の層の前記同じ接近可能な面と接触
状態となる端部を有していること・ 前記ケースの前記端部を、前記物質の層の前記同じ接近
可能な面上に固定するための固定手段が設けられること
; 前記電気音響伝送及び受信変換器、並びに前記第1及び
第2の堅固な超音波導波管を、前記ケース内で、前記超
音波を吸収する多景の物質内に埋め込むこと: という要件が与えられ得る。
このi後の要件は、プローブの伝送側及び受信側間で寄
生音的な結合を避けつつ、プローブの異なった素子間に
大きい堅固性を確実にしている。
生音的な結合を避けつつ、プローブの異なった素子間に
大きい堅固性を確実にしている。
前記堅固な超音波導波管の前記接近可能な自由端は、超
音波を吸収する前記多量の物質の外側に突出し、この場
合、該超音波を吸収する前記多量の物質は、該多量の物
質の前面と前記物質の層の前記同じ接近可能な面との間
に自由空間を形成するのが長所的である。従って、前記
物17とプローブの内側との間に緩衝空間が得られ、こ
れは、プローブとは反対の面に高温を受けている物πM
を調べる場合に特に有利である。この場合、超音波を吸
収する前記多量の物質、並びに前記超音波導波管は、耐
火物質から作られるのが長所的である。前記電気音響伝
送及び受信変換器を高温度からできる限り保護するため
、前記電気音響伝送及び受信変換器は、前記物質の層の
前記同じ接近可能な面と接触する前記端部とは反対側の
前記ケースの近辺で前記ケースの内側に配置されるのが
好ましい。
音波を吸収する前記多量の物質の外側に突出し、この場
合、該超音波を吸収する前記多量の物質は、該多量の物
質の前面と前記物質の層の前記同じ接近可能な面との間
に自由空間を形成するのが長所的である。従って、前記
物17とプローブの内側との間に緩衝空間が得られ、こ
れは、プローブとは反対の面に高温を受けている物πM
を調べる場合に特に有利である。この場合、超音波を吸
収する前記多量の物質、並びに前記超音波導波管は、耐
火物質から作られるのが長所的である。前記電気音響伝
送及び受信変換器を高温度からできる限り保護するため
、前記電気音響伝送及び受信変換器は、前記物質の層の
前記同じ接近可能な面と接触する前記端部とは反対側の
前記ケースの近辺で前記ケースの内側に配置されるのが
好ましい。
t のI
第1図に図式的に示された本発明による装置は、2つの
向かい合った面2及び3によって限定された固体もしく
は中実(ソリッド)の物質の層の厚さeの変化Δeを測
定するよう意図されている。
向かい合った面2及び3によって限定された固体もしく
は中実(ソリッド)の物質の層の厚さeの変化Δeを測
定するよう意図されている。
例えば、厚さΔeの変化は、固体物質もしくは中火物質
1の層上への沈着(厚さeは増大する)またはその他の
場合では前記層の摩耗(その時厚さeは減少する)から
生じ得る。
1の層上への沈着(厚さeは増大する)またはその他の
場合では前記層の摩耗(その時厚さeは減少する)から
生じ得る。
さらに、この厚さの変化は、&fiめの位置に対して前
記面の一方だけの面2が移動することから生じ、この場
合、他方の面3は不変である。
記面の一方だけの面2が移動することから生じ、この場
合、他方の面3は不変である。
第1図のシステムは、正弦電流発生器11と、例えば圧
電または強誘電型の2つの電気音響変換器5及び6と、
位相計7または同様のものと、計算手段8とを含んでい
る。
電または強誘電型の2つの電気音響変換器5及び6と、
位相計7または同様のものと、計算手段8とを含んでい
る。
電気音響変換器5及び6は、互いに近接して、固体物質
1の層の不変の面3と同じ側に配置されている。変換器
5は固体導波管9によって前記不変の面3に音響学的に
結合される。同様に、変換器6及び面3問の音響上の結
合は、固体導波管10によってもたらされる。
1の層の不変の面3と同じ側に配置されている。変換器
5は固体導波管9によって前記不変の面3に音響学的に
結合される。同様に、変換器6及び面3問の音響上の結
合は、固体導波管10によってもたらされる。
発生器4によって発生される周期λの正弦電気信号Pは
接続11によって変換器5に与えられる。
接続11によって変換器5に与えられる。
かかる付勢に応答して、変換器5は、前記電気信号Pと
同位相で周波数1/λの正弦超音波を発生する。導波管
9を介して、この正弦超音波は、面3で物質1の層に与
えられ、物質1の層を通過して面2で反射され、従って
、、物質1を逆方向に導波管10に向かって再度通過さ
せられる。この物質1の層を通る2重の通過中、超音波
は、2度通過した厚さeに比例する位相シフトを受ける
。従って、導波管10で受信変換器6に伝送される超音
波は、変換器5によって発生された超音波に対して以下
の値φだけ位相シフトされる。
同位相で周波数1/λの正弦超音波を発生する。導波管
9を介して、この正弦超音波は、面3で物質1の層に与
えられ、物質1の層を通過して面2で反射され、従って
、、物質1を逆方向に導波管10に向かって再度通過さ
せられる。この物質1の層を通る2重の通過中、超音波
は、2度通過した厚さeに比例する位相シフトを受ける
。従って、導波管10で受信変換器6に伝送される超音
波は、変換器5によって発生された超音波に対して以下
の値φだけ位相シフトされる。
(1) φ = 2k、e
kは波数2π/λに等しい定数である。要するに、2π
に等しい位相シフトφはλに等しい厚さ2eに相当する
(第2b図参照)。
に等しい位相シフトφはλに等しい厚さ2eに相当する
(第2b図参照)。
層1を通過した超音波を受ける変換器6は、該変換器6
が受けた超音波と同位相で周期λの正弦波電気信号Sを
発生する。結果として、受信変換器6によって発生され
た正弦波電気信号Sは、発生器4によって発生された正
弦波電気信号Pに対してφだけ位相シフトされる。
が受けた超音波と同位相で周期λの正弦波電気信号Sを
発生する。結果として、受信変換器6によって発生され
た正弦波電気信号Sは、発生器4によって発生された正
弦波電気信号Pに対してφだけ位相シフトされる。
このように、信号Pに対する信号Sの位相シフト(第2
a図参照)は、層1の17さeの2倍を表わす。
a図参照)は、層1の17さeの2倍を表わす。
厚さeが少量Δe(より多いか少ない)だけ変化したな
らば、結果は、次のような位相シフト変化Δφとなる。
らば、結果は、次のような位相シフト変化Δφとなる。
(2)Δφ=4π/λ、Δe
第1図のシステムにおいて、この値Δφを得るために、
信号P及びSが、それぞれ接続12及び13によって位
相計7に与えられ、該位相計7は、対応の位相シフト変
化をその出力端子に出す。この位相シフト変化を受ける
計算手段8は、以下の式によって対応の厚さ変化Δeを
計算する。
信号P及びSが、それぞれ接続12及び13によって位
相計7に与えられ、該位相計7は、対応の位相シフト変
化をその出力端子に出す。この位相シフト変化を受ける
計算手段8は、以下の式によって対応の厚さ変化Δeを
計算する。
(3)Δe−λ/4π、Δφ
従って、該厚さ変化Δeは、前記計算手「グ8の出力に
得られる。
得られる。
前述のことから、以下のような本発明は多くの長所を有
するということが明らかである:a) 厚さ変化Δeの
測定は非常に正確であり、Δφの測定精度のみに依存す
る。例えば、Δφの測定精度が1°に等しいならば、次
に、Δeを測定する正確さもしくは精度はλ/360で
ある。
するということが明らかである:a) 厚さ変化Δeの
測定は非常に正確であり、Δφの測定精度のみに依存す
る。例えば、Δφの測定精度が1°に等しいならば、次
に、Δeを測定する正確さもしくは精度はλ/360で
ある。
Δφの測定精度が0,1°であるならば、Δeの精度は
λ/3600に等しい。例えば、波長λが5 mm及び
20mmの間に選ばれているならば、次に、Δeを決定
する際の精度は、2.3ミクロン以内であるということ
が分かる。
λ/3600に等しい。例えば、波長λが5 mm及び
20mmの間に選ばれているならば、次に、Δeを決定
する際の精度は、2.3ミクロン以内であるということ
が分かる。
b) 測定の適用様式(dynamicS)は、変化Δ
eに対し非常に大きく、変化Δeは、λの値がなんであ
ろうと、望まれるのと同じ位高い。Δφが2kπを通る
通過を位相計7(または外部の計数手段14)が記録す
れば充分である0例えば(第2C図参照)、もしλの値
が10mmに等しい場合に、位相シフト変化Δφが、2
πの3倍をπだけ増加したものに等しいように測定され
たならば、このことは以下の式を意味する: Δe;λ/4π(3,2π+π)・7λ/4・17.5
mm変化Δeは次にλよりも大きくあり得る。
eに対し非常に大きく、変化Δeは、λの値がなんであ
ろうと、望まれるのと同じ位高い。Δφが2kπを通る
通過を位相計7(または外部の計数手段14)が記録す
れば充分である0例えば(第2C図参照)、もしλの値
が10mmに等しい場合に、位相シフト変化Δφが、2
πの3倍をπだけ増加したものに等しいように測定され
たならば、このことは以下の式を意味する: Δe;λ/4π(3,2π+π)・7λ/4・17.5
mm変化Δeは次にλよりも大きくあり得る。
C) 測定値は、比較的低い数のビットでディジタル化
され得、その理由は、各測定値が、位相差Δφ、及びΔ
φの2kπを通る通過を表わす数kをコード化すれば充
分であるからである。自己相関(self corre
lation) 、フィルタリング(f i I te
ring)、・・・等のような補助的な信号処理に対し
提供されるべきビットはない。
され得、その理由は、各測定値が、位相差Δφ、及びΔ
φの2kπを通る通過を表わす数kをコード化すれば充
分であるからである。自己相関(self corre
lation) 、フィルタリング(f i I te
ring)、・・・等のような補助的な信号処理に対し
提供されるべきビットはない。
d) 固定周波数で動作するので測定値の直線性が与え
られる。
られる。
第3図において、実際的な実施例20は、例えば、層1
の外部面2の熱熔融もしくは熱アブレーションによるく
ぼみと測定する第1113の装置のためのプローブにつ
いて示している。このJr!J1は、例えば、スペース
シャトルが大気に再突入するときに、該スペースシャト
ルの鼻(ノーズ)の壁であって良い。かかる鼻は例えば
融除しやすい構造を有する熱機械物買(例えば厚さ約1
0mmのカーボン/カーボン物質)から作られる。アブ
レーションもしくは熔融の測定は、飛行中の実験検査中
にろされ、そして検査されるべき高温度の物質の抵抗を
計算するのを可能にする。鼻もしくはノーズの壁1のこ
のような厚さ測定は、妨害された環境において実行する
のが困難である。要するに、壁1の外部面2上の温度は
、2000″Cまで上昇し得る。
の外部面2の熱熔融もしくは熱アブレーションによるく
ぼみと測定する第1113の装置のためのプローブにつ
いて示している。このJr!J1は、例えば、スペース
シャトルが大気に再突入するときに、該スペースシャト
ルの鼻(ノーズ)の壁であって良い。かかる鼻は例えば
融除しやすい構造を有する熱機械物買(例えば厚さ約1
0mmのカーボン/カーボン物質)から作られる。アブ
レーションもしくは熔融の測定は、飛行中の実験検査中
にろされ、そして検査されるべき高温度の物質の抵抗を
計算するのを可能にする。鼻もしくはノーズの壁1のこ
のような厚さ測定は、妨害された環境において実行する
のが困難である。要するに、壁1の外部面2上の温度は
、2000″Cまで上昇し得る。
理解されるように、本発明による10−ブ20は、スペ
ースシャトルの鼻の壁1の変化しない外部面3上に固定
されるよう意図されたケース21内に収容される上述の
素子5.6.9及び10を含んでいる。このために、補
強材22が前記壁に設けられている。
ースシャトルの鼻の壁1の変化しない外部面3上に固定
されるよう意図されたケース21内に収容される上述の
素子5.6.9及び10を含んでいる。このために、補
強材22が前記壁に設けられている。
前記ケース21は、底部21aによって端部の一方で閉
じられ、そして壁1に取り付けるために他端部21bで
開いている円筒状の形態を有する。
じられ、そして壁1に取り付けるために他端部21bで
開いている円筒状の形態を有する。
変換器5及び6は、前記ケース21の底部21a(壁1
から遠方の)に近接して配置され、そして導波管9及び
10の対応するそれぞれの端部9a及び10aに接続さ
れる。壁1に結合されるよう意図されている訂記導波管
の向かい合った端部9b及び10bは、ケース21の開
口に接近可能である。
から遠方の)に近接して配置され、そして導波管9及び
10の対応するそれぞれの端部9a及び10aに接続さ
れる。壁1に結合されるよう意図されている訂記導波管
の向かい合った端部9b及び10bは、ケース21の開
口に接近可能である。
上述の適用に対し、ケース21は:
◎ 高温度(シャトルの鼻の内部の不変面3上の150
0″C程度の高温度)に耐えなければならず: ◎ かなりの振動及び困難な動的状況に酊えなければな
らず; そして ◎ 最小重量を有さなければならない。
0″C程度の高温度)に耐えなければならず: ◎ かなりの振動及び困難な動的状況に酊えなければな
らず; そして ◎ 最小重量を有さなければならない。
これらの規準を満足させるために、ケース21は、例え
ば、シリカ繊維及びフェノール樹脂の基質から成る三次
元の織られた下部構造を備えた混合物質の円筒状ブロッ
クから機械仕上げにより作られる。ケース21の壁の厚
さは、例えば、4及び8ミリの間であり、その内部直径
は、はぼ50ミリであって良い。
ば、シリカ繊維及びフェノール樹脂の基質から成る三次
元の織られた下部構造を備えた混合物質の円筒状ブロッ
クから機械仕上げにより作られる。ケース21の壁の厚
さは、例えば、4及び8ミリの間であり、その内部直径
は、はぼ50ミリであって良い。
混合セラミック型(SiC/5iAI YoNまたは
S iC/ S i ) N + )の熱措造物質から
作られる、単に軸線23のみによって表わされている固
定ねじが、ケース21を補強材22上に固定するために
設けられている。
S iC/ S i ) N + )の熱措造物質から
作られる、単に軸線23のみによって表わされている固
定ねじが、ケース21を補強材22上に固定するために
設けられている。
かかるプローブの熱環境を考慮すると、2換器5及び6
を壁1から熱的に荒すことが必要である。
を壁1から熱的に荒すことが必要である。
このことは、2つの超音波の変換器5及び6が導波管9
及び10を介して壁1の内部不変面3に接続されており
、そして該導波管は、この目的のために、例えばシリカ
、アルミナまたはタングステンから成る音響波に対して
透明な耐火材から作られているという事実によって得ら
れる。
及び10を介して壁1の内部不変面3に接続されており
、そして該導波管は、この目的のために、例えばシリカ
、アルミナまたはタングステンから成る音響波に対して
透明な耐火材から作られているという事実によって得ら
れる。
実質的に互いに平行に配置された2つの導波管9及び1
0は、前記壁1と前記導波管のrJ9b及び1. Ob
との間に良好な音g結合をもたらす耐火性もしくは無反
応性のセメント24の瞬時固着手段によりノーズの壁1
の内部不変面3に結合される。
0は、前記壁1と前記導波管のrJ9b及び1. Ob
との間に良好な音g結合をもたらす耐火性もしくは無反
応性のセメント24の瞬時固着手段によりノーズの壁1
の内部不変面3に結合される。
導波管9及び10の長さは、変換器5及び6のレベルま
たは位置で温度を300°C以下に制限するように計算
されて決定される。上の適用の場合、この長さは、はぼ
100ミリであって良く、そして ◎ 熱束に関j系し、かつ ◎ 前記導波管の物質の熱伝導率に関係している。
たは位置で温度を300°C以下に制限するように計算
されて決定される。上の適用の場合、この長さは、はぼ
100ミリであって良く、そして ◎ 熱束に関j系し、かつ ◎ 前記導波管の物質の熱伝導率に関係している。
各導波管9及び10は、音響波を15通させるシリカ、
アルミナまたは他の耐火物質もしくは無反応物資から作
られる中実もしくは固体円筒形バーの形態であって良い
。例えば2ミリであるその直径は、用いられる超音波の
波長(例えば10ミ1月と適合しなければならない。
アルミナまたは他の耐火物質もしくは無反応物資から作
られる中実もしくは固体円筒形バーの形態であって良い
。例えば2ミリであるその直径は、用いられる超音波の
波長(例えば10ミ1月と適合しなければならない。
耐火セメント固定手段24によって与えられる導波管9
及び10と壁2との問の機械的接続は、端部21bによ
り前記壁に固着されかつ変換器5及び6を支持するケー
ス21により完了され、このことは、組立による付加的
なり+酸強度を提供する6 2つの変換器5及び6は、音響的な導波管の端のレベル
もしくは位置で超音波を受信する効率を改善するよう、
それら変換器の2つの音響軸が多くても4ミリから5ミ
リだけずれるように位置付けられる。
及び10と壁2との問の機械的接続は、端部21bによ
り前記壁に固着されかつ変換器5及び6を支持するケー
ス21により完了され、このことは、組立による付加的
なり+酸強度を提供する6 2つの変換器5及び6は、音響的な導波管の端のレベル
もしくは位置で超音波を受信する効率を改善するよう、
それら変換器の2つの音響軸が多くても4ミリから5ミ
リだけずれるように位置付けられる。
受信変換器6は、ケース21と一体であって良い、前置
増幅器を含んだブロック25に接続され得る。ケース2
1の外側の発生器4及び位相計7への電気的接続11及
び13は前記ケースを通り、そして前記変換器の領域で
300℃に達し得る温度に耐える耐火性シリカ シース
(図示せず)により絶縁されている。
増幅器を含んだブロック25に接続され得る。ケース2
1の外側の発生器4及び位相計7への電気的接続11及
び13は前記ケースを通り、そして前記変換器の領域で
300℃に達し得る温度に耐える耐火性シリカ シース
(図示せず)により絶縁されている。
各トランスデユーサもしくは変換器5.6は、導波管9
.10のそれぞれの端部9a、10aに接着することに
よって対応の導波管9.10に音響的及び機械的に結合
され得る。
.10のそれぞれの端部9a、10aに接着することに
よって対応の導波管9.10に音響的及び機械的に結合
され得る。
導波管9.10、トランスデユーサすなわち変換器5.
6、及びおそらくは前置増幅器15によって形成される
組立体は、ケース21の内側に注入されかつ振動を吸収
するよう意図された耐火性あわ材()オーム材)26め
かたまり(ブロック)からモールドされる。さらに、こ
のあわの気泡は、2つの導波管9.10間での音響的な
結合を切り離し、これにより、プローブ20の伝送部分
及び受信部分間での相互干渉のどのような危険も避けて
いる。
6、及びおそらくは前置増幅器15によって形成される
組立体は、ケース21の内側に注入されかつ振動を吸収
するよう意図された耐火性あわ材()オーム材)26め
かたまり(ブロック)からモールドされる。さらに、こ
のあわの気泡は、2つの導波管9.10間での音響的な
結合を切り離し、これにより、プローブ20の伝送部分
及び受信部分間での相互干渉のどのような危険も避けて
いる。
耐火あわ材26でのケース21の充填は、あわブロック
26の前面28と壁1の内部不変面3との間に空間27
を残すように、完全には行われない。絶縁室を形成する
この空間27は、用いられたあわ材の特性、熱伝播法則
及びシャ[・ルの飛?j時間に依存する。例えば、焼結
されたウールもしくは羊毛(石英もしくは水晶シリカ)
から作られる耐火あわ材の場合、空間27は、内部面3
及び前面28問の距離がほぼ10ミリである。
26の前面28と壁1の内部不変面3との間に空間27
を残すように、完全には行われない。絶縁室を形成する
この空間27は、用いられたあわ材の特性、熱伝播法則
及びシャ[・ルの飛?j時間に依存する。例えば、焼結
されたウールもしくは羊毛(石英もしくは水晶シリカ)
から作られる耐火あわ材の場合、空間27は、内部面3
及び前面28問の距離がほぼ10ミリである。
第1図は、本発明による装置の一実施例を示すブロック
図、第2a図、第2b図及び第2C図は、第1図の装置
の動作を説明するタイミング・チャー 1−を示す図、
第3図は、本発明の装置のためのプローブの一実施例を
示す概略的に示す断面図である。図において、1は固体
物質もしくは層、2は面、3は内部の不変面、4は正弦
電流発生器、5及び6は電気音テ変換器、7は位相計、
8は計算手段、9及び10は固体導波管、14は計数手
段、20はプローブ、21はケース、22は補強材、・
21aはケースの底部、21bはケースの他端部、9a
、9b、10a及び10bは導波管の端部、25は前置
増幅器を含むブロック、26は耐火あわ材、27は空間
、28は前面である。
図、第2a図、第2b図及び第2C図は、第1図の装置
の動作を説明するタイミング・チャー 1−を示す図、
第3図は、本発明の装置のためのプローブの一実施例を
示す概略的に示す断面図である。図において、1は固体
物質もしくは層、2は面、3は内部の不変面、4は正弦
電流発生器、5及び6は電気音テ変換器、7は位相計、
8は計算手段、9及び10は固体導波管、14は計数手
段、20はプローブ、21はケース、22は補強材、・
21aはケースの底部、21bはケースの他端部、9a
、9b、10a及び10bは導波管の端部、25は前置
増幅器を含むブロック、26は耐火あわ材、27は空間
、28は前面である。
Claims (14)
- (1)固体物質の層の2つの面を離している距離の変動
を、該層を横断的に通過する超音波により測定するため
の装置であつて: 固定周波数の第1の交流電気信号を発生する発生器と; 前記第1の交流電気信号を、振幅が時間の関数として交
互に変化する同じ固定周波数の超音波に変換することが
できる電気音響伝送変換器とを備え、前記超音波及び前
記第1の電気信号は固定の位相関係にあり; 前記超音波を前記物質の層に与える第1の結合手段と; 前記物質の層を通過した超音波を、該超音波と固定の位
相関係で第2の交流電気信号に変換することができる電
気音響受信変換器と; 前記物質の層を通過した前記超音波を、前記電気音響受
信変換器に与えるための第2の結合手段と; 接続により与えられる前記第1の交流電気信号に対する
、前記第2の電気信号の位相シフトの変動を連続的に測
定する測定手段と; 前記位相シフトの変動から前記距離の変動を導出する計
算手段と;を備え、 前記電気音響伝送変換器及び電気音響受信変換器、並び
に前記第1及び第2の結合手段は、前記物質の層の同じ
側に配置され; 前記第1及び第2の結合手段は、固体超音波導波管であ
る、超音波による物質層の2面間の距離変動測定装置。 - (2)前記電気音響伝送及び受信変換器、並びに前記第
1及び第2の結合手段は、前記物質の層の1面に対して
与えられ得るユニットを形成するように、1つのケース
に一緒に組立てられる特許請求の範囲第1項記載の超音
波による物質層の2面間の距離変動測定装置。 - (3)前記発生器により発生される前記第1の電気信号
は正弦波である特許請求の範囲第1項記載の超音波によ
る物質層の2面間の距離変動測定装置。 - (4)kが1、2、3、...、(n−1)、nに等し
い整数である場合に、前記位相シフトの変動の2kπの
通過を計数する手段を備えた特許請求の範囲第1項記載
の超音波による物質層の2面間の距離変動測定装置。 - (5)固体物質の層の2つの面を離している距離の変動
を、該層を横断的に通過する超音波により測定するため
のプローブであつて: 第1の交流電気信号を、振幅が時間の関数として交互に
変化する同じ固定周波数の超音波に変換することができ
る電気音響伝送変換器を備え、前記超音波及び前記第1
の電気信号は固定の位相関係にあり; 前記超音波を前記物質の層に与える堅固な第1の超音波
導波管であって、その端部の一方が前記電気音響伝送変
換器に接続されるように配置され、該端部の他方が前記
物質の層の接近可能な面と接触するように自由である前
記第1の超音波導波管と; 前記物質の層を通過した超音波を、該超音波と固定の位
相関係で第2の交流電気信号に変換することができる電
気音響受信変換器と; 前記物質の層を通過した前記超音波を前記電気音響受信
変換器に与えるよう意図された堅固な第2の超音波導波
管であつて、その端部の一方が前記電気音響受信変換器
に接続されるように配置され、該端部の他方が、前記第
1の導波管の自由端と同様、前記物質の層の前記と同じ
接近可能な面と接触するように自由である前記第2の超
音波導波管と; 前記第1の交流電気信号を発生する発生器に、前記電気
音響伝送変換器を接続するための第1の接続手段と; 前記第1の電気信号に対する前記第2の電気信号の位相
シフトの変動を連続的に測定することができる手段に、
前記電気音響受信変換器を接続するための第2の接続手
段と; を備えた超音波による物質層の2面間の距離変動を測定
するプローブ。 - (6)前記電気音響伝送及び受信変換器、並びに前記堅
固な第1及び第2の超音波導波管を収容するケースを備
え、該ケースは、前記第1及び第2の接続手段に該ケー
スを貫通させている特許請求の範囲第5項記載のプロー
ブ。 - (7)前記電気音響伝送及び受信変換器とは反対側の前
記堅固な超音波導波管の自由端は、前記物質の層の前記
と同じ接近可能な面に結合するよう、前記ケースの外側
で接近可能である特許請求の範囲第6項記載のプローブ
。 - (8)前記堅固な導波管の前記自由端と、前記物質の層
の前記と同じ接近可能な面との問の結合は、前記と同じ
接近可能な面上への前記端部の瞬時固着手段を備えてい
る特許請求の範囲第7項記載のプローブ。 - (9)前記堅固な超音波導波管の前記接近可能な自由端
が前記と同じ接近可能な面に結合され、かつ前記電気音
響伝送及び受信変換器が前記ケースと接触しているとき
、前記ケースは、前記物質の層の前記と同じ接近可能な
面と接触することができる端部を有している特許請求の
範囲第7項記載のプローブ。 - (10)前記ケースの前記端部を、前記物質の層の前記
と同じ接近可能な面上に固定するための固定手段をさら
に備えている特許請求の範囲第9項記載のプローブ。 - (11)前記電気音響伝送及び受信変換器、並びに前記
第1及び第2の堅固な超音波導波管は、前記ケース内で
、前記超音波を吸収する多量の物質内に埋め込まれる特
許請求の範囲第6項記載のプローブ。 - (12)前記堅固な超音波導波管の前記接近可能な自由
端は、超音波を吸収する前記多量の物質の外側に突出し
、該超音波を吸収する前記多量の物質は、該多量の物質
の前面と前記物質の層の前記と同じ接近可能な面との間
に自由空間を形成する特許請求の範囲第11項記載のプ
ローブ。 - (13)超音波を吸収する前記多量の物質、並びに前記
超音波導波管は、耐火物質から作られる特許請求の範囲
第11項記載のプローブ。 - (14)前記電気音響伝送及び受信変換器は、前記物質
の層の前記と同じ接近可能な面と接触する前記端部とは
反対側の前記ケースの近辺で前記ケースの内側に配置さ
れる特許請求の範囲第7項記載のプローブ。
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