JPH0379650B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は超音波を用いて試料中の音速を測定す
る装置に係り、特に位相比較法による音速測定装
置に関する。

（従来の技術） セラミツクスその他の電子部品材料等の試料中
の音速を測定する音速測定装置の中で、特に精度
の高い測定を可能にする方式として、超音波の干
渉を利用した位相比較法が知られている。

位相比較法による音速測定装置の原理は、次の
通りである。すなわち、試料に直接またはバツフ
アロードを介して重ねて設けた超音波振動子を一
定のバースト幅のバースト信号により励振してバ
ースト状の超音波を試料中に入射させ、試料の底
面、つまり超音波入射面と反対側の面からの反射
波を同じ超音波振動子で受信する。そして、バー
スト状超音波のバースト幅を適宜広げることによ
り、試料底面からの複数の反射波を次々に重ね合
せて干渉を起こさせる。この場合、超音波振動子
で検出される反射波の波高（複数の反射波が重ね
合せられた合成波の波高）は、バースト状超音波
の搬送周波数とともに変化し、試料中の超音波の
波数が整数になると波高は極小値をとる。ここ
で、反射波の波高が極小値を示す隣接した搬送周
波数、すなわち試料中の超音波の波数ｎ，ｎ＋１
（いずれも整数）に対応する搬送周波数を_o，
_o+1とすると、試料中の音速ｖは、試料の厚みを
ｌとして、 ｖ＝2l（_o+1−_o） …(1) で表わされる。

バースト状超音波のバースト幅Ｗは、第２図ｂ
に示すように試料１の厚みｌと試料１中の音速ｖ
とで決まる時間τ＝2l／ｖより長く選ばれる。
今、Ｗ＜τとすると、試料１底面からの複数の反
射波は重なることなく、超音波振動子３で順次受
信される。このとき最初に受信される反射波を１
次反射波とし、以下順次受信される反射波を２次
反射波、３次反射波、…ｎ次反射波とする。ま
た、１次反射波が受信されるタイミングを時刻０
として時間ｔを定める。

ここで、mτ＜Ｗ＜（ｍ＋１）τとすれば、０＜
ｔ＜τでは１次反射波のみが受信され、τ＜ｔ＜
2τでは１次および２次反射波の合成波、2τ＜ｔ＜
3τでは１次〜３次反射波の合成波がそれぞれ受信
され、mτ＜ｔ＜Ｗでは１次〜（ｍ−１）次反射
波の合成波が受信される。

第２図ｂにｍ＝２、すなわち3τ＜Ｗ＜4τのとき
の超音波振動子３で受信される反射波（合成波）
の波形を示す。ここで、従来においては2τ＜ｔ＜
3τの間にある時刻を選び、この時刻における反射
波の波高ｈが極小値となるように搬送周波数を調
整して_o，_o+1を求め、それに基づいて音速ｖを
測定していた。

すなわち、バースト状超音波のバースト幅Ｗを
mτ＜Ｗ＜（ｍ＋１）τのように任意に長くとり、
（ｍ−１）τ＜ｔ＜mτの時間範囲にある任意の点
での反射波の波高を検出していた。これは（ｍ−
１）τ＜ｔ＜mτの時間内では反射波の波高が一
定であるとの仮定に基づいている。

しかしながら、超音波振動子は第２図ａに示す
ように有限の立上り、立下り時間をもつて機械信
号から電気信号への変換およびその逆変換を行な
うものであるから、第２図ｂに示すように複数の
反射波が重ね合せられた波形も、（ｍ−１）τ＜
ｔ＜mτの時間内で一定とはならず、特に（ｍ−
１）τ、mτの近傍、つまり注目している反射波
の両端部は立上り、立下りの過渡的状態を反映す
る。このため、（ｍ−１）τ＜ｔ＜mτの時間範囲
にある任意の点で反射波の波高を検出すると、反
射波の立上り、立下りの過渡特性の影響を受けた
部分や、受けない部分が波高検出に複雑に関与す
ることになるため、波高およびその極小値を正確
に求めることが難しく、従つてそれに基づく音速
測定に誤差を生じるという問題があつた。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の位相比較法による音速測定装
置では、音速測定に必要な反射波の波高検出を正
確に行なうことができないため、音速測定を高精
度に行なうことが難しいという問題があつた。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決す
べくなされたもので、反射波の立上り、立下りの
過渡特性の影響を受けることなく反射波の真の波
高を検出でき、もつて高精度の音速測定ができる
音速測定装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の音速測定装置においては、試料裏面か
らの反射波の波高が極小値を示す隣接した２つの
搬送周波数_o，_o+1から試料中の音速を測定する
に当り、試料に入射されるバースト状超音波のバ
ースト幅を可変とし、そのバースト幅がτ（＝
2l／ｖ）より小さい値に設定された状態で反射波
の時間間隔τを測定するとともに、バースト幅が
mτ（ｍは１より大きい整数）に設定された状態
で、最初に反射波が検出されたタイミングから
（ｍ−1/2）τ後のタイミングで反射波の波高を検
出するようにしたことを特徴とする。

（作用） 本発明によれば、注目している（ｍ−１）τ＜
ｔ＜mτの時間内にある反射波のうち、立上り、
立下りの過渡特性の影響を受けていない中央部の
波高が常に検出される。そして、この反射波の波
高が極小値となるときの隣接した２つの搬送周波
数_o，_o+1が求められ、ｖ＝2l（_o+1−_o）により
試料中の音速ｖが測定される。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例に係る音速測定装置
の構成を示す。試料１上にバツフアロード２が設
けられ、このバツフアロード２上に超音波振動子
３が接着剤で固定されている。超音波振動子３は
送信回路４におけるゲート増幅器５から出力され
るバースト信号により励振され、バースト状超音
波をバツフアロード２を介して試料１中に入射さ
せる。ゲート増幅器５は周波数シンセサイザ６か
ら出力される周波数の安定な連続波をゲーテイン
グして、一定のバースト幅を持つバースト信号に
するものである。また、このゲート増幅器５には
ゲート幅制御回路７が接続され、この制御回路７
によつてゲーテイングの幅、つまりバースト幅が
制御される。

試料１の裏面からの反射波は超音波振動子３に
より受信され、包絡線検出器８で検出される。包
絡線検出器８にはオシロスコープ９が接続され、
このオシロスコープ９によつて試料１の底面から
の第２図に示したような反射波の波形が描かれ
る。

包絡線検出器８の出力は波高検出器１０に導か
れ、その波高が検出される。この波高検出器１０
により検出された波高が極小値となるように、送
信制御回路１１から周波数シンセサイザ６に供給
される搬送周波数情報が制御される。周波数シン
セサイザ６は水晶発振器のような高精度の基準発
振器の出力を、送信制御回路１１からの搬送周波
数情報に従つて適宜分周（または逓倍）すること
によつて、搬送周波数情報に対応した周波数の連
続波を発生する。これによつて搬送周波数、つま
り周波数シンサセイザ６からゲート増幅器５に供
給される連続波の周波数が制御される。すなわ
ち、波高検出器１０で検出された反射波の波高が
極小値となるように搬送周波数が設定される。ま
た、送信制御回路１１は後述する波高検出タイミ
ング設定回路１５からのタイミング信号に基づい
てゲート幅制御回路７を制御する機能も有する。

記憶回路１２は、送信制御回路１１が出力する
搬送周波数情報を記憶するものであり、その出力
は音速解析器１３に送られる。音速解析器１３は
この搬送周波数情報に基づいて、前記(1)式から音
速ｖを計算により求めるものである。

一方、包絡線検出器８の出力は反射波時間間隔
測定回路１４にも入力され、ここで試料１の底面
からの複数の反射波の時間間隔（τ）が測定され
る。この反射波時間間隔測定回路１４は、例えば
各反射波の基準位置（例えばピーク点あるいは最
初のゼロクロス点）の間隔をカウンタにより計測
するものであり、その出力は波高検出タイミング
設定回路１５に入力される。波高検出タイミング
設定回路１５は、入力された反射波の時間間隔τ
の情報に基づいて、波高検出器１０で反射波の波
高値を検出すべきタイミングを、包絡線検出器８
で最初に反射波が検出されたタイミング（ｔ＝
０）を時間基準として設定するものである。反射
波時間間隔測定回路１４の出力は、ゲート幅制御
回路７により制御されるゲート増幅器５のゲーテ
イングの幅（バースト幅）を指示するため、送信
制御回路１１にも供給される。

次に、本実施例の音速測定装置の動作を説明す
る。まず、送信制御回路１１から周波数シンセサ
イザ６に所定の搬送周波数情報が供給され、さら
にゲート幅制御回路７を介して比較的短いパルス
幅のゲートパルスがゲート増幅器５に供給され
る。このとき、ゲートパルスが出力された時点で
の搬送周波数の情報を記憶回路１２に記憶してお
く。

送信制御回路１１による上記の制御の結果、ゲ
ート増幅器５から所定の搬送周波数およびバース
ト幅を有するバースト信号が超音波振動子３に印
加される。これにより、超音波振動子３から発信
されるバースト状超音波がバツフアロード２を介
して試料１に入射し、試料１の底面（バツフアロ
ード２側と反対側の面）からの反射波が超音波振
動子３で受信され電気信号として取出される。こ
の反射波は包絡線検出器８で検出され、その波形
がオシロスコープ９で描かれる。

第２図ａはこの場合の反射波波形を示したもの
であり、バースト状超音波のバースト幅がτ＝
2l／ｖより短いため、反射波は図のようにそれぞ
れ分離して一定の時間間隔で取出される。この反
射波の時間間隔は、反射波時間間隔測定回路１４
で測定される。

反射波時間間隔測定回路１４の出力が送信制御
回路１１に送られることにより、ゲート幅制御回
路７を介してゲート増幅器５のゲート幅、つまり
バースト状超音波のバースト幅Ｗがmτに設定さ
れる。このときの反射波の波形を示したのが第２
図ｂである。また、反射波時間間隔測定回路１４
の出力は同時に、波高検出タイミング設定回路１
５にも送られ、それにより波高検出回路１０の波
高検出タイミングが（ｍ−1/2）τに設定される。

そして、波高検出回路１０において上記のタイ
ミングで検出された反射波の波高ｈが極小値をと
るときの搬送周波数が送信制御回路１１で見出だ
される。ここで、波高検出回路１０において上記
のようなタイミングで波高ｈの極小を検出すれ
ば、反射波の立上り、立下りの過渡特性による影
響を受けていない平坦な部分の波高を検出するこ
とになるので、送信制御回路１１で波高ｈの真の
極小値を容易に知ることができる。

反射波の波高ｈが極小値をとる搬送周波数は、
試料中１中の超音波の波数に対応して多数存在す
る。これら反射波の波高ｈが極小値をとる搬送周
波数のうちで、隣接した適当な２つ周波数_o，
_o+1が記憶回路１２で記憶される。

そして、音速解析器１３でこれら２つの周波数
_o，_o+1に基づいて、前記(1)式により試料１中の
音速ｖが求められる。

なお、上記説明ではｍを固定したが、反射波の
波高ｈと搬送周波数との関係は、一般にｍの値
（すなわち、バースト状超音波のバースト幅を広
げたときに合成される反射波の数）によつて第３
図に曲線３１，３２で示すように異なる。従つ
て、ｍを種々変更し、より極小値を見出だし易い
曲線３１のような関係が得られるｍを設定した上
で、上述した測定を行なうことが望ましい。

本実施例の音速測定装置を用いて、実際に次の
ような測定試験を行なつた。バツフアロード２と
して長さ200mm、直径25mmの石英製円柱体を用意
し、両端面を平坦かつ平行に加工した。この円柱
体の端面に、その端面の直径が15mmで、円柱周面
との角度が30゜となるようにテーパーを形成し、
さらにテーパー部分を含む円柱体の外周面に、１
mm間隔で深さ１mmの環状溝を形成した。超音波振
動子３としては、直径20mm、共振周波数20MHzの
Ｘカツト水晶振動子を用いた。このような条件下
で、厚み15mm、直径30mmの円板状のSi₃N₄セラミ
ツクス（試料１）中の音速を搬送周波数16MHz〜
2MHzの範囲でを測定したところ、1065m／sec±
5m／secの精度で測定できることが確認された。
ちなみに、ゲート幅制御回路７、反射波時間間隔
測定回路１４および波高検出タイミング設定回路
１５のない従来の装置では、測定値は1065m／
sec±20m／secと、本発明に比べ著しく誤差範囲
が大きかつた。

［発明の効果］ 本発明によれば、試料底面からの超音波の反射
波の立上り、立下りの過渡特性の影響を受けない
高精度の音速測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る音速測定装置
の構成を示すブロツク図、第２図はその動作を説
明するための波形図、第３図は超音波の搬送周波
数と反射波の波高との関係を示す図である。 １……試料、２……バツフアロード、３……超
音波振動子、４……送信回路、５……ゲート増幅
器、６……周波数シンセサイザ、７……ゲート幅
制御回路、８……包絡線検出器、９……オシロス
コープ、１０……波高検出器、１１……送信制御
回路、１２……記憶回路、１３……音速解析器、
１４……反射波時間間隔測定回路、１５……波高
検出タイミング設定回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 厚みｌの試料に直接またはバツフアロードを
   介して重ねられた超音波振動子と、この超音波振
   動子を励振してバースト状超音波を試料中に入射
   させる手段と、試料の超音波入射面と反対側の面
   からの反射波を検出する反射波検出手段と、前記
   バースト状超音波の搬送周波数を可変する手段
   と、前記検出手段により検出された反射波の波高
   を検出する波高検出手段と、この波高が極小値を
   示す隣接した２つの搬送周波数_o，_o+1を求め、
   ｖ＝2l（_o+1−_o）により試料中の音速ｖを測定す
   る手段とを備えた音速測定装置において、前記バ
   ースト状超音波のバースト幅を可変する手段と、
   このバースト幅がτ（＝2l／ｖ）より小さい値に
   設定された状態で前記反射波の時間間隔τを測定
   する手段と、前記バースト幅がmτ（ｍは１より大
   きい整数）に設定された状態で前記波高検出手段
   の検出タイミングを、前記反射波検出手段で最初
   に反射波が検出されたタイミングから（ｍ−１／
   ２）τ後に設定する手段とを備えたことを特徴と
   する音速測定装置。