JPH0726865B2

JPH0726865B2 - 自動音速測定装置

Info

Publication number: JPH0726865B2
Application number: JP62236122A
Authority: JP
Inventors: 泉留野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1987-09-22
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPS6479626A

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た自動音速測定装置に関する。

（従来の技術）従来、電子部品材料等を通過する音速を求めるには、超
音波を試料に注入し、そのとき試料底面からの反射波を
検知して音速を求める方法を知られている。そして、と
くに精度よく音速を求める音速測定装置として超音波の
干渉を利用した超音波位相比較法によるものがある。か
かる装置は、一定のパルス幅を有するバースト信号によ
り、試料の一端に直接又はバッファーロッドを介して張
り付けた超音波振動子を励振してバースト状の超音波
（入射波）を発信させ、この入射波を試料の底面で反射
させて超音波振動子で受信する。そして、バースト信号
のパルス幅を適宜広げることにより試料底面から得られ
る複数の反射波を次々に重ね合わせて干渉をおこし、試
料に含まれるバースト信号の般送波の波数を決めること
により試料の音速を求める。詳述すれば、反射波が多重
に重ね合わされた部分の振幅は、搬送波の周波数ととも
に変動し、試料中の波数が整数倍（ｎ−1,n）になると
振幅は最小値又は最大値をとり、これに対応するバース
ト信号の搬送波の周波数を_ｎ−1,_ｎとすると、試料
の音速υは試料の厚みをｌとして、 υ＝2l（_n−_n-1） …（１）であらわされる。

従来の音速測定装置は、オシロスコープ上に描かれた合
成波を目視することによりその合成波の重なり部分の振
幅を読みとり、振幅が最小又は最大となるときの周波数
を求めて音速υを計算する構造であるため、目視による
誤差が生じる。

そこで本発明者らは、先に自動音速測定装置を提案（特
開昭58−191935）した。

この自動音速測定装置を第３図に示す。この装置は従来
の音速測定装置の超音波振動子（５）とゲート増幅器
（３）とシンセサイザからなる発振回路（１）のゲート
増幅器（３）に接続され、該振動子で受信した反射波を
検知する包絡線検出器（８）を設け、この包絡線検出器
（８）に接続され前記反射波の振幅の変化状態を検出す
る波高検出器（９）を設け、この波高検出器（９）に接
続すると共にシンセサイザ（２），ゲート増幅器（３）
に夫々接続するように該シンセサイザ（２）の周波数並
びにゲート増幅器（３）のパルス幅を制御する発振回路
制御器（10）を設け、この発振回路制御器（10）に接続
されシンセサイザ（２）に出力する周波数変換信号を記
憶する記憶回路（11）を設け、この記憶回路（11）に接
続され記憶回路（11）に記憶される所定の周波数変換信
号に基づいて試料の音速を求める音速解析器（12）を設
けた構造を有する。その特徴とする点は、波高検出器で
検出される反射波の振幅の変化状態が漸減する場合は、
その最後の振幅が最小値をとるような信号を波高検出器
（９）から発振回路制御器（10）に送り、前記信号に基
づいて記憶回路（11）で前記信号に対応する周波数変換
信号を読み出させて音速解析器（12）で試料の音速を求
め、かつ反射波の振幅が漸減しない場合は、発振回路制
御器（10）によりシンセサイザ（２）に周波数を、ゲー
ト増幅器（３）にパルス幅を制御する信号を送って、前
記振幅が漸減するまで繰り返し操作を行なうことにより
音速を求めることにある。

ところで従来方法は、音速測定を行なうのに波高検出器
を動作させるタイミングを連続的に変化、または適当な
時間を固定していた。波高検出器のタイミングを連続可
変とする場合には精度が高いものの測定時間が長くかか
るという問題があり、また、波高検出器のタイミングを
固定すると超音波のバーストの立上り，立下りの過渡的
状態で超音波の波高を測定する恐れがあり、自動測定に
おいても、音速測定に誤差を取り込む場合もあった。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は以上の点を考慮してなされたもので、試料の音
速を自動的にかつ精度よく測定し得る自動音速測定装置
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及び作用）本発明は、従来の自動音速測定器の波高検出器と発振回
路制御器とに接続するように、波高検出時間設定器を設
けた構成を有する、自動音速測定装置である。

その特徴とする点は、発振回路制御器によりゲート増幅
器のパルス幅を小さくしておいた状態で、包絡線検出器
から送られてくる信号を波高検出時間設定器と波高検出
器により読みとり、バースト信号がバッファーロッドを
１往復するのに要する時間t₀、試料を１往復するのに要
する時間21/vを読みとり、つぎに発振回路制御器は波高
検出時間設定器から得られる信号に基づいて、ゲート増
幅器にパルス幅を制御する信号を送り、波高検出時間設
定器が設定する時間、すなわちt₀＋（Ｘ−1/2）・21/v
（Ｘは整数）で、波高検出器が波高を測定することによ
り音速を求めることにある。

（実施例）本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。なお、
第３図図示の音速測定装置と同部材のものは同符号を付
して説明を省略する。

本発明の自動音速測定装置においては、超音波振動子５
で受信した反射波を検知する包絡線検出器８が、ゲート
増幅器３と超音波振動子５に接続するように設けられて
いる。この包絡線検出器８には、前記反射波の振幅の変
化状態を検出する波高検出器９が接続されている。この
波高検出器９には波高検出時間設定器13が接続され、ゲ
ート増幅器によるバースト信号を送信しはじめる時間を
基準にして、波高検出時間と波高との関係を測定する。
この波高検出時間設定器には発振回路制御器10が接続さ
れ、発振回路10においては、音速測定の初期にはバース
ト信号のパルス幅が短かくなるように設定されている。
この状態で波高検出時間設定器13は、音速測定に必要な
バースト信号パルス幅および波高検出のタイミングを決
定し、パルス幅の信号により発振回路制御器10がゲート
増幅器のパルス幅を制御する。

パルス幅が長くなったこの状態で、試料からの反射波は
合成され干渉がおきる。合成された波形の振幅は、波高
検出時間設定器13により決められた時間に波高検出器９
で測定される。シンセサイザーの周波数に対する波高の
最小値、または最大値から試料の音速が求められる。

次に、前述した構造の自動音速測定装置の動作について
説明する。発振回路制御器10より、シンセサイザ２に所
定の周波数変換信号を、ゲート増幅器３に所定の短かい
パルス幅の信号を各々送る。なお、これらの信号は記憶
回路11に記憶しておく。前記信号により発振回路１から
所定の周波数パルス幅を有したバースト信号が発せられ
る。つづいて、このバースト信号により超音波振動子５
を励振してバースト状の超音波（入射波）を発信させ、
この入射波を超音波バッファーロッド６を通って試料４
の底面で反射させ合成波として超音波振動子５で受信す
る。次に、包絡線検出器８で前記反射波を検知し、所定
のパルス幅の包絡線を波高検出器と波高検出時間設定器
で描くとともに、オシロスコープ７により合成波の波形
を観察する。ここで、前記包絡線が第２図（ａ）に示す
如く、前記バースト信号のパルス幅（Ｗ）は超音波の試
料１往復時間2l/υ（ただし、ｌは試料の厚み、υは試
料の音速を示す）に対し、Ｗ＜2l/υである。

なお、第２図（ａ）中のt₀は超音波が超音波バッファー
ロッド６を往復する時間を示し、2l/υ毎に表われるＮ
番目の反射波を第Ｎ次反射波と呼ぶ。

波高検出時間設定器13は、t₀および2l/υ時間を測定
し、記憶回路に記憶する。

次に、発振回路制御器は、Ｘ・2l/υ（Ｘは整数）時間
のパルス幅をゲート増幅器に指定し、波高検出時間設定
器は、時間を指定し、その時間での合成波の波高が波高検出器
により測定され、ある周波数に対する波高の最大、また
は最小値の間隔から試料の音速が求められる。

超音波振動子は過渡特性があり、バースト信号で励振す
るとき立上り、立下り時間を有する。この時間に相当す
る部分では、超音波の信号がみだれ、合成波となっても
第２図（ｂ）に示すように時間付近で合成波の波高を測定しても、正しい音速が求
められない場合がある。

しかるに本方法によれば必ず過渡特性の影響が最も小さ
い部分で測定がなされる。しかして、本発明によれば、
パースト信号の発生、試料からの合成波の受信、合成波
の分析、バースト信号の制御及び試料の音速を自動的に
行なうことができる。したがって、従来の如く合成波の
重なり部分の振幅を目視することなく、また過渡特性に
起因する誤差を回避し、これに起因する音速測定誤差を
回避し、正確な音速を求めることができる。事実、超音
波バッファーロッド６として石英製で長さ250mm,直径25
mmの円筒部材の外周に深さ1mmのＶ字型の環状の溝を円
周方向に平行にかつ長手方向に1cmあたり10個の割合で
形成したものを、超音波振動子５として直径20mmで20MH
zのＸカットの水晶振動子を各々用いて厚み10mm,直径30
mmの円柱状のＸカット水晶（試料）の音速を測定したと
ころ、実測値5720m/secに対し±10m/sec程度の誤差範囲
で自動測定できることが確認できた。

なお、上記実施例では試料の音速測定に際し、試料と超
音波振動子間に超音波バッファーロッドを用いた場合に
ついて述べたが、これに限らず、超音波振動子を直接試
料に張り付けて試料の音速を測定してもよい。

また、上記実施例ではオシロスコープを用いたが、これ
は超音波振動子で受信される合成波の波形を単に確認す
るためのものであり、オシロスコープを用いなくとも前
記実施例と同様の効果を期待できる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明によれば、試料の音速を自動的
にかつ精度よく制御しうる信頼性の高い自動音速測定装
置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である自動音速測定装置を説
明するブロック図、第２図は、第１図図示の自動音速測
定装置によって試料の音速を求める際、時間と超音波振
動子で受信される合成波の振幅との関係を示す包絡線を
示し、同図（ａ）はパルス幅（Ｗ）＜２×試料の厚み
（ｌ）÷試料の音速（υ）の場合を、同図（ｂ）はＷ＞
2l/υを示す包絡線信号波形図、第３図は従来の音速測
定装置を説明するブロック図である。１…発振回路、２…シンセサイザ、３…ゲート増幅器、
５…超音波振動子、６…バッファーロッド、８……包絡
線検出器、９…波高検出器、10…発振回路制御器、11…
記憶回路、12…音速解析器、13…波高検出時間設定器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シンセサイザ及びこのシンセサイザに接続
されるゲート増幅器からなる発振回路と、前記ゲート増幅器に接続され、かつ厚み１の試料にバッ
ファーロッドを介して重ねられ、前記試料にバースト信
号を送出する超音波振動子と、この超音波振動子に接続され、超音波振動子で受信され
る反射波を検出する包絡線検出器と、この包絡線検出器に接続され、反射波の振幅の変化状態
を検出する波高検出器と、この波高検出器に接続され、t₀＋（Ｘ−1/2）・21/v（t
₀；前記超音波振動子から送出されるバースト信号が前
記バッファーロッドを往復する時間、X;整数、v;前記バ
ースト信号の前記試料中の音速）で設定される時間で前
記波高検出器の検出を行なわせる波高検出時間設定器
と、この波高検出器に接続すると共に前記シンセサイザ、ゲ
ート増幅器に各々接続され、該シンセサイザの周波数並
びにゲート増幅器のパルス幅を制御する発振回路制御器
と、この発振回路制御器に接続され、前記シンセサイザに出
力する周波数変換信号を記憶する記憶回路と、この記憶回路に接続され、該記憶回路に記憶される所定
の周波数変換信号に基づいて前記ｖを求める音速解析器
とを具備したことを特徴とする自動音速測定装置。