JPH0650805A - 水中音速計 - Google Patents
水中音速計Info
- Publication number
- JPH0650805A JPH0650805A JP22460192A JP22460192A JPH0650805A JP H0650805 A JPH0650805 A JP H0650805A JP 22460192 A JP22460192 A JP 22460192A JP 22460192 A JP22460192 A JP 22460192A JP H0650805 A JPH0650805 A JP H0650805A
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- JP
- Japan
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- sample
- cell
- frequency
- sound velocity
- ultrasonic
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 構成が簡単で、高精度な水中音速計を提供す
る。 【構成】 ブロック１内に試料である水又は低濃度の水
溶液を満たした既知の長さのセル２が設けられている。
セル２の一方の端部には送信用超音波振動子３が設けら
れ、他方の端部には受信用超音波振動子４が設けられて
いる。受信用超音波振動子４の出力にはＡＧＣ増幅器５
を介して送信用超音波振動子３が接続されている。ＡＧ
Ｃ増幅器５の出力には周波数カウンタ６も接続されてい
る。試料中を伝搬する超音波の周波数のモードロックを
送信用超音波振動子３及び受信用超音波振動子４自体の
共振周波数を用いて行い、周波数カウンタ６の示す値か
ら試料中の音速を求める。
る。 【構成】 ブロック１内に試料である水又は低濃度の水
溶液を満たした既知の長さのセル２が設けられている。
セル２の一方の端部には送信用超音波振動子３が設けら
れ、他方の端部には受信用超音波振動子４が設けられて
いる。受信用超音波振動子４の出力にはＡＧＣ増幅器５
を介して送信用超音波振動子３が接続されている。ＡＧ
Ｃ増幅器５の出力には周波数カウンタ６も接続されてい
る。試料中を伝搬する超音波の周波数のモードロックを
送信用超音波振動子３及び受信用超音波振動子４自体の
共振周波数を用いて行い、周波数カウンタ６の示す値か
ら試料中の音速を求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波を用いて、水又
は低濃度の水溶液中での音速を測定する水中音速計に関
するものである。
は低濃度の水溶液中での音速を測定する水中音速計に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】水又は低濃度の水溶液中の音波の伝搬速
度を正確に計測することは、水又は低濃度の水溶液の構
造化の状態を知る上で重要な手掛かりになる。
度を正確に計測することは、水又は低濃度の水溶液の構
造化の状態を知る上で重要な手掛かりになる。
【０００３】従来においても水中音速計として、超音波
を利用したものが知られている。
を利用したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例では、構成が複雑でありながら高精度の測定ができ
ないという問題点がある。
来例では、構成が複雑でありながら高精度の測定ができ
ないという問題点がある。
【０００５】本発明の目的は、構成が簡単で高精度の測
定が可能な水中音速計を提供することにある。
定が可能な水中音速計を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る水中音速計は、測定対象の試料である
水又は低濃度の水溶液を満たした既知の長さのセルと、
該セルの両端に設けて超音波を送受信し同じ共振周波数
を有する超音波振動子と、前記試料中を伝搬した前記超
音波を増幅する増幅器と、前記試料中を伝搬した前記超
音波の周波数を測定する周波数カウンタとから成り、前
記超音波の周波数のモードロックに前記超音波振動子の
共振周波数を使用することを特徴とするものである。
めの本発明に係る水中音速計は、測定対象の試料である
水又は低濃度の水溶液を満たした既知の長さのセルと、
該セルの両端に設けて超音波を送受信し同じ共振周波数
を有する超音波振動子と、前記試料中を伝搬した前記超
音波を増幅する増幅器と、前記試料中を伝搬した前記超
音波の周波数を測定する周波数カウンタとから成り、前
記超音波の周波数のモードロックに前記超音波振動子の
共振周波数を使用することを特徴とするものである。
【０００７】
【作用】上述の構成を有する水中音速計は、超音波の周
波数のモードロックを行うために超音波振動子自体の共
振周波数を使用する。
波数のモードロックを行うために超音波振動子自体の共
振周波数を使用する。
【０００８】
【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。図１は第１の実施例の水中音速計の構成図であ
る。ブロック１内に試料である水又は低濃度の水溶液を
満たした既知の長さのセル２が設けられている。セル２
の一方の端部には送信用超音波振動子３が設けられ、他
方の端部には受信用超音波振動子４が設けられている。
受信用超音波振動子４の出力にはＡＧＣ増幅器５が接続
され、ＡＧＣ増幅器５の出力に送信用超音波振動子３が
接続されている。また、ＡＧＣ増幅器５の出力には周波
数カウンタ６も接続されている。
する。図１は第１の実施例の水中音速計の構成図であ
る。ブロック１内に試料である水又は低濃度の水溶液を
満たした既知の長さのセル２が設けられている。セル２
の一方の端部には送信用超音波振動子３が設けられ、他
方の端部には受信用超音波振動子４が設けられている。
受信用超音波振動子４の出力にはＡＧＣ増幅器５が接続
され、ＡＧＣ増幅器５の出力に送信用超音波振動子３が
接続されている。また、ＡＧＣ増幅器５の出力には周波
数カウンタ６も接続されている。
【０００９】なお、ブロック１は図示しない恒温槽内で
常に一定の温度に保たれており、またブロック１内での
温度のばらつきもないように調節されている。ブロック
１の材質としては超音波の減衰定数が大きく、試料以外
を通って超音波の伝搬を抑えることができる点から、ア
クリル材を用いることが好ましい。また、アクリル材は
不純物の溶出が少ないのも利点の１つである。
常に一定の温度に保たれており、またブロック１内での
温度のばらつきもないように調節されている。ブロック
１の材質としては超音波の減衰定数が大きく、試料以外
を通って超音波の伝搬を抑えることができる点から、ア
クリル材を用いることが好ましい。また、アクリル材は
不純物の溶出が少ないのも利点の１つである。
【００１０】送信用超音波振動子３で発振され、セル２
内の試料中を伝搬し受信用超音波振動子４で受信された
超音波は、試料中を伝搬した際に減衰した分だけＡＧＣ
増幅器５で増幅され、送信用超音波振動子３を駆動す
る。即ち、試料中の超音波の伝搬とＡＧＣ増幅器５とで
クローズドループが形成されることにより自励発振が行
われる。このとき、送信用超音波振動子３及び受信用超
音波振動子４自身が例えば約３ＭＨｚの共振周波数を持
ち、機械的なバンドパスフィルタ（Ｑ値が７５、−３ｄ
Ｂ帯域幅４０ｋＨｚ）を構成する。この帯域幅（４０ｋ
Ｈｚ）を、セル２中に存在する音波の波の数が、１だけ
変化した時の周波数変化幅より狭くなるようにしておけ
ば、超音波の発振周波数は自動的に３ＭＨｚ付近でモー
ドロックされることになる。
内の試料中を伝搬し受信用超音波振動子４で受信された
超音波は、試料中を伝搬した際に減衰した分だけＡＧＣ
増幅器５で増幅され、送信用超音波振動子３を駆動す
る。即ち、試料中の超音波の伝搬とＡＧＣ増幅器５とで
クローズドループが形成されることにより自励発振が行
われる。このとき、送信用超音波振動子３及び受信用超
音波振動子４自身が例えば約３ＭＨｚの共振周波数を持
ち、機械的なバンドパスフィルタ（Ｑ値が７５、−３ｄ
Ｂ帯域幅４０ｋＨｚ）を構成する。この帯域幅（４０ｋ
Ｈｚ）を、セル２中に存在する音波の波の数が、１だけ
変化した時の周波数変化幅より狭くなるようにしておけ
ば、超音波の発振周波数は自動的に３ＭＨｚ付近でモー
ドロックされることになる。
【００１１】ここで、試料中の音速をｖ、セル２のセル
長をＬ、共振回路６の共振周波数をｆ、セル２内の音波
の波の数をＮとおくと、音速ｖは次式で示される。 ｖ＝ｆ・Ｌ／Ｎ ・・・(1)
長をＬ、共振回路６の共振周波数をｆ、セル２内の音波
の波の数をＮとおくと、音速ｖは次式で示される。 ｖ＝ｆ・Ｌ／Ｎ ・・・(1)
【００１２】セル長Ｌ＝２×１０-2［ｍ］とし、また、
共振周波数ｆ＝３［ＭＨｚ］とし、ｖに既知の水中音速
である例えばｖ＝１．４９２×１０3 ［ｍ／ｓ］を代入
すれば、セル２内の超音波の波の数は、Ｎが自然数とな
ることも考え合わせるとＮ＝４０［個］と求まる。ま
た、共振周波数ｆ＝３［ＭＨｚ］を波の数Ｎ＝４０
［個］で除算すれば、７５ｋＨｚとなり、これは送信用
振動子３及び受信用振動子４の持つ帯域幅４０ｋＨｚよ
り大きいので、発振周波数のモードロックの条件が満た
される。
共振周波数ｆ＝３［ＭＨｚ］とし、ｖに既知の水中音速
である例えばｖ＝１．４９２×１０3 ［ｍ／ｓ］を代入
すれば、セル２内の超音波の波の数は、Ｎが自然数とな
ることも考え合わせるとＮ＝４０［個］と求まる。ま
た、共振周波数ｆ＝３［ＭＨｚ］を波の数Ｎ＝４０
［個］で除算すれば、７５ｋＨｚとなり、これは送信用
振動子３及び受信用振動子４の持つ帯域幅４０ｋＨｚよ
り大きいので、発振周波数のモードロックの条件が満た
される。
【００１３】セル２内に試料である水又は低濃度の水溶
液を注入し、セル長Ｌ＝２×１０-2［ｍ］、波の数Ｎ＝
４０［個］とし、共振周波数ｆの正確な値を周波数カウ
ンタ６で測定すれば、(1) 式より試料中の音速ｖを求め
ることができる。
液を注入し、セル長Ｌ＝２×１０-2［ｍ］、波の数Ｎ＝
４０［個］とし、共振周波数ｆの正確な値を周波数カウ
ンタ６で測定すれば、(1) 式より試料中の音速ｖを求め
ることができる。
【００１４】ここで、試料の水溶液の濃度により試料中
の音速ｖが大きく変化し、Ｎ＝３９或いはＮ＝４１等、
Ｎ＝４０以外の数になることもあり得るが、試料を水又
は低濃度の水溶液と限定し、音速ｖが純水と比較して２
％以上変化する濃度の試料の測定は行わないとすれば、
Ｎ＝４０以外の数はとり得なくなる。実際に、温度２５
℃で、濃度が０．１ｍｏｌ／リットルのＮａＣｌ水溶液
中の音速を測定したところ、１．４９８×１０3 ［ｍ／
ｓ］が得られた。
の音速ｖが大きく変化し、Ｎ＝３９或いはＮ＝４１等、
Ｎ＝４０以外の数になることもあり得るが、試料を水又
は低濃度の水溶液と限定し、音速ｖが純水と比較して２
％以上変化する濃度の試料の測定は行わないとすれば、
Ｎ＝４０以外の数はとり得なくなる。実際に、温度２５
℃で、濃度が０．１ｍｏｌ／リットルのＮａＣｌ水溶液
中の音速を測定したところ、１．４９８×１０3 ［ｍ／
ｓ］が得られた。
【００１５】第１の実施例では超音波のモードロックを
共振回路を使用せずに行うため、共振回路の発熱、雑音
等により信号波形及び発振周波数が不安定になってしま
うことがなく、より精度の高い水中音速計から得られ
る。
共振回路を使用せずに行うため、共振回路の発熱、雑音
等により信号波形及び発振周波数が不安定になってしま
うことがなく、より精度の高い水中音速計から得られ
る。
【００１６】この水中音速計の精度を決める要因として
は、セル２のセル長Ｌの測定精度、アクリル性ブロック
１の熱膨張によるセル２のセル長Ｌの変動等が挙げられ
る。しかし、試料である水又は低濃度の水溶液の構造の
変化を把えることが主目的であれば、試料である水又は
低濃度の水溶液中の音速の絶対速度を求めるのではな
く、基準試料に対する音速比を求めるだけでも十分有効
な場合もある。この場合には、セル長の変動等の外乱を
補正して正確な音速を測定することができる。
は、セル２のセル長Ｌの測定精度、アクリル性ブロック
１の熱膨張によるセル２のセル長Ｌの変動等が挙げられ
る。しかし、試料である水又は低濃度の水溶液の構造の
変化を把えることが主目的であれば、試料である水又は
低濃度の水溶液中の音速の絶対速度を求めるのではな
く、基準試料に対する音速比を求めるだけでも十分有効
な場合もある。この場合には、セル長の変動等の外乱を
補正して正確な音速を測定することができる。
【００１７】図２は第２の実施例の相対水中音速計の構
成図である。ブロック１１内に基準試料及び試料である
水又は低濃度の水溶液をそれぞれ満たし、その長さが既
知で等しいセル１２ａ、１２ｂが設けられている。セル
１２ａの一方の端部には送信用超音波振動子１３ａが設
けられ、他方の端部には受信用超音波振動子１４ａが設
けられている。受信用超音波振動子１４ａの出力にはＡ
ＧＣ増幅器１５ａが接続され、ＡＧＣ増幅器１５ａの出
力には送信用超音波振動子１４ａが接続されている。ま
た、ＡＧＣ増幅器１５ａの出力には周波数カウンタ１６
ａも接続されている。また、セル１２ｂについても、同
様に送信用超音波振動子１３ｂ、受信用超音波振動子１
４ｂ、ＡＧＣ増幅器１５ｂ、周波数カウンタ１６ｂが設
けられている。
成図である。ブロック１１内に基準試料及び試料である
水又は低濃度の水溶液をそれぞれ満たし、その長さが既
知で等しいセル１２ａ、１２ｂが設けられている。セル
１２ａの一方の端部には送信用超音波振動子１３ａが設
けられ、他方の端部には受信用超音波振動子１４ａが設
けられている。受信用超音波振動子１４ａの出力にはＡ
ＧＣ増幅器１５ａが接続され、ＡＧＣ増幅器１５ａの出
力には送信用超音波振動子１４ａが接続されている。ま
た、ＡＧＣ増幅器１５ａの出力には周波数カウンタ１６
ａも接続されている。また、セル１２ｂについても、同
様に送信用超音波振動子１３ｂ、受信用超音波振動子１
４ｂ、ＡＧＣ増幅器１５ｂ、周波数カウンタ１６ｂが設
けられている。
【００１８】ここで、セル１２ａ、１２ｂ内の試料中の
音速をそれぞれva、vb、セル１２ａ、１２ｂのセル長を
それぞれLa、Lb、セル１２ａ、１２ｂ内の試料中の超音
波の周波数をそれぞれfa、fb、波長をそれぞれλa 、λ
b 、波の数をそれぞれNa、Nbとおくと、音速va、vbは次
式で示される。 va＝fa・λa ＝fa・La／Na ・・・(2) vb＝fb・λb ＝fb・Lb／Nb ・・・(3)
音速をそれぞれva、vb、セル１２ａ、１２ｂのセル長を
それぞれLa、Lb、セル１２ａ、１２ｂ内の試料中の超音
波の周波数をそれぞれfa、fb、波長をそれぞれλa 、λ
b 、波の数をそれぞれNa、Nbとおくと、音速va、vbは次
式で示される。 va＝fa・λa ＝fa・La／Na ・・・(2) vb＝fb・λb ＝fb・Lb／Nb ・・・(3)
【００１９】周波数fa、fbを約３ＭＨｚ、セル１２ａ、
１２ｂのセル長La、Lbを約２ｃｍと設計すると、水中の
音速の基本的な値１．４９２×１０3 ［ｍ／ｓ］から、
波長λa 、λb は約０．５ｍｍ、波の数Na、Nbは４０個
と予想される。波の数Na、Nbは第１の実施例と同様の理
由で４０個以外の数はとり得ず、また送信用超音波振動
子１３ａ、１３ｂ及び受信用超音波振動子１４ａ、１４
ｂのバンドパスフィルタを４０ｋＨｚと十分小さくして
いること、セル１２ａ、１２ｂの作製時のセル長La、Lb
の誤差及び熱膨張による変動は波長の０．５ｍｍに比べ
て十分に小さいことも考えると、等しく４０個となるこ
とが分かる。
１２ｂのセル長La、Lbを約２ｃｍと設計すると、水中の
音速の基本的な値１．４９２×１０3 ［ｍ／ｓ］から、
波長λa 、λb は約０．５ｍｍ、波の数Na、Nbは４０個
と予想される。波の数Na、Nbは第１の実施例と同様の理
由で４０個以外の数はとり得ず、また送信用超音波振動
子１３ａ、１３ｂ及び受信用超音波振動子１４ａ、１４
ｂのバンドパスフィルタを４０ｋＨｚと十分小さくして
いること、セル１２ａ、１２ｂの作製時のセル長La、Lb
の誤差及び熱膨張による変動は波長の０．５ｍｍに比べ
て十分に小さいことも考えると、等しく４０個となるこ
とが分かる。
【００２０】従って、波長λa 、λb の値はこの場合に
セル長La、Lbに依存し、波長の比λa ／λb を求めれ
ば、セル長La、Lbの製作誤差及び熱膨張による誤差を補
正することができる。ここで、音速の比va／vbは(2) 式
及び(3) 式より次式で示される。 va／vb＝fa／fb・λa ／λb ・・・(4)
セル長La、Lbに依存し、波長の比λa ／λb を求めれ
ば、セル長La、Lbの製作誤差及び熱膨張による誤差を補
正することができる。ここで、音速の比va／vbは(2) 式
及び(3) 式より次式で示される。 va／vb＝fa／fb・λa ／λb ・・・(4)
【００２１】(4) 式中、fa／fbの値は周波数カウンタ１
６ａ、１６ｂから得られるので相対音速比va／vbは定数
λa ／λb が求まれば計算により得られる。ここで、セ
ル１２ａ、１２ｂに同一の基準試料を入れると、当然va
／vbの値は１となり、λa ／λb はfa／fbの値の逆数fb
／faという形で求めることができる。以上により、基準
試料と試料の相対音速比を求める場合、以下の手順をふ
めばセル長La、Lbの製作誤差及び熱膨張による誤差を補
正でき、正確に水中の相対音速比va／vbを測定できる。
６ａ、１６ｂから得られるので相対音速比va／vbは定数
λa ／λb が求まれば計算により得られる。ここで、セ
ル１２ａ、１２ｂに同一の基準試料を入れると、当然va
／vbの値は１となり、λa ／λb はfa／fbの値の逆数fb
／faという形で求めることができる。以上により、基準
試料と試料の相対音速比を求める場合、以下の手順をふ
めばセル長La、Lbの製作誤差及び熱膨張による誤差を補
正でき、正確に水中の相対音速比va／vbを測定できる。
【００２２】手順(1) セル１２ａ、１２ｂの両方に基準
試料を入れ、周波数カウンタ１６ａ、１６ｂの値からλ
a ／λb の値を求める。
試料を入れ、周波数カウンタ１６ａ、１６ｂの値からλ
a ／λb の値を求める。
【００２３】手順(2) セル１２ａに基準試料、セル１２
ｂに試料を入れ、周波数カウンタ１６ａ、１６ｂの値及
び手順(1) で求めたλa ／λb の値から、相対音速比va
／vbを求める。
ｂに試料を入れ、周波数カウンタ１６ａ、１６ｂの値及
び手順(1) で求めたλa ／λb の値から、相対音速比va
／vbを求める。
【００２４】温度２５℃で、濃度が０．１ｍｏｌ／リッ
トルのＮａＣｌ水溶液中の音速と精製水中の音速の相対
音速比を測定したところ、精製水中の音速を１とする
と、ＮａＣｌ水溶液中の音速は１．００４０１８９とな
った。
トルのＮａＣｌ水溶液中の音速と精製水中の音速の相対
音速比を測定したところ、精製水中の音速を１とする
と、ＮａＣｌ水溶液中の音速は１．００４０１８９とな
った。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る水中音
速計は、超音波のモードロックを共振回路を使用せずに
行うため、共振回路の発熱、雑音等により信号波形及び
発振周波数が不安定になってしまうことがなく、従来の
音速計に比べてより高精度な測定が可能である。
速計は、超音波のモードロックを共振回路を使用せずに
行うため、共振回路の発熱、雑音等により信号波形及び
発振周波数が不安定になってしまうことがなく、従来の
音速計に比べてより高精度な測定が可能である。
【図１】第１の実施例の構成図である。
【図２】第２の実施例の構成図である。
１、１１ ブロック ２、１２ａ、１２ｂ セル ３、１３ａ、１３ｂ 送信用超音波振動子 ４、１４ａ、１４ｂ 受信用超音波振動子 ５、１５ａ、１５ｂ ＡＧＣ増幅器 ６、１６ａ、１６ｂ 周波数カウンタ
Claims (1)
- 【請求項１】 測定対象の試料である水又は低濃度の水
溶液を満たした既知の長さのセルと、該セルの両端に設
けて超音波を送受信し同じ共振周波数を有する超音波振
動子と、前記試料中を伝搬した前記超音波を増幅する増
幅器と、前記試料中を伝搬した前記超音波の周波数を測
定する周波数カウンタとから成り、前記超音波の周波数
のモードロックに前記超音波振動子の共振周波数を使用
することを特徴とする水中音速計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22460192A JPH0650805A (ja) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 水中音速計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22460192A JPH0650805A (ja) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 水中音速計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0650805A true JPH0650805A (ja) | 1994-02-25 |
Family
ID=16816284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22460192A Pending JPH0650805A (ja) | 1992-07-31 | 1992-07-31 | 水中音速計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0650805A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108487901A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-09-04 | 大庆市亿动科技有限公司 | 基于音速传感器的油井多功能自动液面监测仪 |
| WO2019139121A1 (ja) * | 2018-01-12 | 2019-07-18 | 超音波工業株式会社 | 気体の音速関連固有値測定装置及びそれを応用した気体の成分割合測定装置、更にはそれを応用した地球環境モニター装置 |
-
1992
- 1992-07-31 JP JP22460192A patent/JPH0650805A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019139121A1 (ja) * | 2018-01-12 | 2019-07-18 | 超音波工業株式会社 | 気体の音速関連固有値測定装置及びそれを応用した気体の成分割合測定装置、更にはそれを応用した地球環境モニター装置 |
| CN108487901A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-09-04 | 大庆市亿动科技有限公司 | 基于音速传感器的油井多功能自动液面监测仪 |
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