JPH08101170A - 光音響吸光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 音響ノイズの影響を減少することができる光
音響吸光計を提供する。 【構成】 断続光ビームを共鳴管１２内に照射し、共鳴
管１２内の測定試料による光ビームの吸光により発生す
る断続音を検出して、測定試料の分析を行う光音響吸光
計において、共鳴管１２内に測定試料を導入する吸気径
路（吸気管３１）中に、該共鳴管１２の共鳴波長を吸音
する吸音型の音響共鳴フィルタ手段３３を設け、音響共
鳴フィルタ手段３３によって共鳴管で共鳴する波長の騒
音を除去し、音響ノイズの影響を減少する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果を利用し
て、試料の吸収スペクトルや極微量分光分析を行う光音
響吸光計に関する。

【０００２】

【従来の技術】光音響効果は、試料に音響周波数で強度
変調した光を照射すると、試料から光の変調周波数に応
じて光音響信号が発生する現象であり、セル中に封入し
た試料に周期的に変調した単色光を照射すると、試料に
吸収された光は無放射緩和を介して熱に変換され、該熱
は周囲の気体等に拡散して該気体に周期的な圧力変化を
起こす。光音響吸光計は、この周期的な圧力変化をマイ
クロホンや圧電素子等の音響検出器により検出し測定す
るものである。図６は、光音響分光系の装置概略図であ
り、Ｘｅランプ等の高輝度光源やレーザー等の光源２か
らの光をチョッパー４で変調して光音響セル１中の試料
に照射する。光音響セルにおいて、マイクロホン等の音
響検出器により検出した光音響信号を、変調された光源
と同期した参照信号を基準にしてロックインアンプ５、
信号処理６によって測定する。なお、単色光を得るため
に分光器３を用いることもできる。

【０００３】従来、この光音響分光系により、大気中の
浮遊微粒子の成分等のモニタリングを行う光音響吸光計
が知られている。図７は従来の光音響吸光計のブロック
図である。図７において、光音響セルとして二重管共鳴
型光音響セル１０を用いている。試料大気は吸引ポンプ
によってセル中の内管に吸引導入され、半導体レーザ２
０からのレーザ光が照射される。セル内の圧力変化はマ
イクロホン等の音響検出器によって検出され、プリアン
プ５２を介してロックインアンプ５０に入力される。ロ
ックインアンプ５０は発振器５１を内蔵しており、半導
体レーザ電源２１を駆動して半導体レーザ２０の変調を
行うとともに、プリアンプ５２からの光音響信号を半導
体レーザの周期と同期して測定する。そして、測定され
た光音響信号の信号強度や位相は、記録器６１等に記録
される。なお、プリアンプ５２からの光音響信号は、信
号処理装置６０において、パワーメータ５３及びＡ／Ｄ
変換器５４により検出されたレーザ光の強度により、光
源強度の補償が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光音響吸光計では、音響ノイズの混入により測定誤差が
発生するという問題がある。前記従来の光音響吸光計に
よって、例えば、ディーゼル自動車の排煙濃度を測定す
る場合には、光音響セル中に試料大気の導入と同時に、
自動車の走行音や測定環境中の騒音が音響ノイズとして
光音響吸光計に混入し、音響検出器により光音響信号と
ともに測定され、測定誤差の原因となることがある。図
８は従来の光音響吸光計における騒音の動作を説明する
図であり、図において、共鳴管の有効管長（≒Ｌ＋Ｄ／
２）の２倍の長さの波長（以後、共鳴波長Ｌとする）の
騒音が侵入すると、該波長の音信号は共鳴管内において
共鳴現象を起こし、その振幅が増大する。音響検出器
は、測定試料による光音響信号とともに騒音分も検出す
るため、該騒音分の振幅が増大されると、ノイズ分が増
大して検出感度が低下することになる。

【０００５】このような騒音の進入を防止する方法とし
て、光音響吸光計に大気試料等の測定試料を導入する吸
入管を長くする方法も考えられるが、この場合には、試
料が吸入口から光音響セルに到達するまでの遅延時間に
よって測定に遅れが生じたり、変化が平坦化するという
問題が起こる。また、測定対象物が吸入管内に吸着する
という問題も生じることになる。そこで、本発明は前記
した従来の光音響吸光計の問題点を解決し、音響ノイズ
の影響を減少することができる光音響吸光計を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、断続光ビーム
を共鳴管内に照射し、共鳴管内の測定試料による光ビー
ムの吸光により発生する断続音を検出して、測定試料の
分析を行う光音響吸光計において、共鳴管内に測定試料
を導入する吸気径路中に、該共鳴管の共鳴波長を吸音す
る吸音型の音響共鳴フィルタ手段を備えることによっ
て、前記目的を達成する。本発明の音響吸光計は共鳴管
を用い、該共鳴管内の測定試料に断続的に光ビームを照
射して光音響効果により測定するものであり、また、該
測定試料は吸気径路を介して外部から共鳴管中に導入さ
れるものである。また、本発明における音響共鳴フィル
タ手段は、共鳴管に進入する騒音の中から特定波長の音
波を吸音して音響ノイズを減少させる機能を有するもの
であって、外気から共鳴管に測定試料を導入する吸気径
路中に設けることができ、共鳴管の共鳴波長の音響信号
を吸音するものである。

【０００７】本発明の第１の実施態様は、音響共鳴フィ
ルタ手段を一端が閉じた吸音管であって、その管長を共
鳴管の管長の１／２の長さの奇数倍とするものであり、
共鳴管の管長の１／２の長さとすることもできる。これ
によって、共鳴管の共鳴波長の音響信号を吸音管内で共
鳴させて吸音し、共鳴管への該共鳴波長の音響信号の導
入を減少させることができる。本発明の第２の実施態様
は、音響共鳴フィルタ手段が吸音する音響信号の周波数
は断続光ビームの周波数と同一であり、これによって、
吸気管から侵入する音響信号から断続光ビームの周波数
に対応する周波数成分を除くことができる。

【０００８】本発明の第３の実施態様は、音響共鳴フィ
ルタ手段を構成する吸音管の管長を可変とするものであ
り、これによって、吸音する音響信号の波長を可変とし
たり、温度変化等による音響信号の波長変化に対応させ
ることによって温度補償を行うことができる。この音響
共鳴フィルタ手段の管長を可変とする手段としては、吸
音管の一端を移動可能な栓によって閉じる構成、また
は、吸音管自体の長さを可変とする構成とするができ
る。

【０００９】本発明の第４の実施態様は、音響共鳴フィ
ルタ手段を構成する吸音管の開放端を柔軟な膜によって
閉じ、管部内部への測定試料の導入を阻止する構成であ
り、これによって、共鳴管への測定試料の導入を速め、
応答性を向上させることができる。本発明の第５の実施
態様は、吸気管の端部を共鳴管の端部近傍であって、光
ビームを遮蔽しない位置に配置するものであり、これに
よって、共鳴管への測定試料の導入を早め、応答性を向
上させることができる。

【００１０】

【作用】本発明の光音響吸光計は、前記した構成によ
り、断続光ビームを共鳴管内に照射するとともに共鳴管
内に測定試料を導入し、該測定試料による光ビームの吸
光により発生する断続音を検出して、測定試料の分析を
行う。そして、この光音響吸光計では、共鳴管内に測定
試料を導入する吸気径路中において、測定試料と導入と
ともに吸気管に侵入した騒音の内で、共鳴管の共鳴波長
の１／４波長の周波数の音響信号を音響共鳴フィルタ手
段によって吸音して、共鳴管で共鳴を起こす波長成分の
音響信号を取り除く。これにより、共鳴管に導入される
音響信号中には、共鳴管で共鳴を起こす音響信号は含ま
れておらず、共鳴を起こすことはない。したがって、共
鳴管の音響検出器で検出される音響信号は、ほぼ測定試
料に基づいて光音響効果により得られる音響信号とな
り、音響ノイズの影響を減少させることができる。ま
た、音響共鳴フィルタ手段を前記実施態様１に示すよう
な一端が閉じられ長さが共鳴管の管長の１／２の長さに
対応する管である場合には、共鳴管内で共鳴を起こす波
長の音響信号は、この管内で共鳴を起こして吸音され、
共鳴管には到達しない。そのため、音響共鳴フィルタ手
段を通過した後の共鳴管に到達する音響信号は、共鳴信
号を除いた種々の波長の音響信号となる。この音響信号
が共鳴管に導入される場合には、該音響信号は音響共鳴
現象を起こさず、共鳴管内で互いに干渉して平均化さ
れ、その波高値は減少する。そのため、音響検出器によ
って検出される音響信号は、主に測定試料に基づき光音
響効果により得られる音響信号となり、音響ノイズの少
ない測定試料の分析を行うことができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。 （本発明の光音響吸光計の実施例の構成）図１は、本発
明の光音響吸光計の一実施例の構成を説明するブロック
図であり、図２は、本発明の光音響吸光計の二重管型音
響セルの一部断面を含む斜視図である。図１では、光音
響吸光計における二重管型音響セルと該二重管型音響セ
ルに測定試料を導入する吸気管、及び音響共鳴フィルタ
の構成を示している。二重管型音響セル１１は通常の二
重管共鳴型光音響セルであって、内側に設置された共鳴
管１２と共鳴管１２全体を包む外側の遮音管１３を備
え、一端には測定試料を導入する吸気管３１が接続さ
れ、他端は排気ポンプにより排気されている。共鳴管１
２の管長は検出する音響信号の波長の半分の長さに形成
され、該管のほぼ中央部分には検出音響信号を検出する
ための音響検出器１５が設けられている。この音響検出
器１５としては、例えば、マイクロホンや圧電素子を用
いることができる。音響検出器１５の検出した検出音響
信号は、ロックインアンプにおいて励起レーザ光の断続
する周波数と同期して検波される。

【００１２】吸気管３１の二重管型音響セル１１側と反
対側には測定試料を吸気するための吸気口３２が開放し
て形成されており、該吸気口３２から吸気された測定試
料はこの吸気管３１を通して二重管型音響セル１１内の
共鳴管１２に送られることになる。そして、本発明の光
音響吸光計においては、この吸気管３１の途中部分に音
響共鳴フィルタ３３が設けられる。この音響共鳴フィル
タの設置位置は吸気管３１の任意の位置とすることがで
きる。音響共鳴フィルタ３３は、一方の端部は開放して
吸気管３１に通じ、他方の端部は栓３４等によって閉じ
られた管であり、その管長は二重管型音響セル１１の共
鳴管１２の管長の半分の長さに形成される。また、この
管長は、検出する音響信号の波長の１／４の長さに相当
している。したがって、この吸気管３１の吸気口３２か
らは、測定試料とともに測定環境の騒音も同時に侵入す
ることになる。音響共鳴フィルタ３３は侵入した騒音の
内から音響共鳴フィルタの管長に応じた波長の音信号を
吸音し、音響共鳴フィルタ３３以降の吸気管３１には測
定試料と前記吸音した音信号以外の音信号が二重管型音
響セル１１に向かって進むことになる。

【００１３】図２は、前記した二重管型音響セル１１の
一実施例であり、二重管型音響セル１１の遮音管１３内
に共鳴管１２と音響共鳴フィルタ３３とを内蔵した構成
を示している。共鳴管１２内の軸方向には、半導体レー
ザ等から励起されたレーザが通り、該共鳴管１２のほぼ
中央の位置には音響検出器用管１６が遮音管１３の外側
に向けて取り付けられている。また、音響共鳴フィルタ
３３は、吸音管３５と該吸音管３５の内部で軸方向に移
動可能な栓３６と該栓３６を移動するためのロッド３７
とを備え、該ロッド３７を遮音管１３の外側から操作す
ることにより栓３６を吸音管３５内で移動して、吸音管
３５内の音響的管長を調整している。この音響共鳴フィ
ルタ３３の吸音管３５の栓３０と反対側の端部付近に
は、連通口３８を介して分岐管３９が設けられ、該分岐
管３９の他方の端部は共鳴管１２の一方の開放端の近傍
に配置されている。なお、音響共鳴フィルタ３３は共鳴
管１２との位置関係は任意であるが、ほぼ平行して配置
することができ、この平行配置の場合には遮音管１３内
にコンパクトに収めることができる。

【００１４】そして、この音響共鳴フィルタ３３の吸音
管３５の栓と反対側の端部付近には、吸気管３１が遮音
管１３の外側に向けて取り付けられており、吸気されて
吸気管３１を通過した測定試料は吸音管３５に導かれる
とともに、連通口３８を通って分岐管３９から共鳴管１
２に導入される。なお、分岐管３９の開放端は、共鳴管
１２においてレーザ光の遮蔽しない位置に配置する。ま
た、この吸気管の端部と共鳴管とを、吸気管によってレ
ーザ光を遮蔽しない程度に接近させた配置関係とするこ
とができ、この構成によって、吸気管から共鳴管への測
定試料の導入を早めることができ、応答性を向上させる
ことができる。また、吸音管内の音響的管長を調整する
手段として、吸音管の栓を移動するものに代えて、管自
体の長さを可変とする構成をとることもできる。

【００１５】（本発明の実施例の作用）次に、本発明の
実施例の作用について、図３の本発明の実施例の動作
図、及び図４の測定結果例を用いて説明する。図３の動
作図において、吸気口３２からは測定試料とともに測定
環境中の騒音が二重管型音響セル１１に向けて侵入す
る。共鳴管１２内に侵入した測定試料に断続する励起レ
ーザ光が作用すると、該励起レーザ光の周波数に対応し
た音響信号が発生する。共鳴管１２の管長は励起レーザ
光の周波数に対応した波長の半分の長さとすることによ
り、共鳴管１２内で発生した音響信号を共鳴させ、音響
信号の効率よい検出を行っている。一方、測定試料とと
もに共鳴管１２に侵入する騒音は種々の波長を有してお
り、該波長の中には共鳴管１２の管長の２倍の長さのも
のを含んでいる。この長さの波長の騒音が共鳴管１２に
侵入すると、共鳴管１２内において共鳴現象を起こし、
音響検出器１５からは騒音ノイズとして検出されること
になる。

【００１６】本発明の実施例において、吸気口３２から
騒音が侵入すると、騒音中で波長が共鳴管１２の管長の
２倍の長さのもの（以後、共鳴波長Ｌという）は、音響
共鳴フィルタ３３により吸音される。音響共鳴フィルタ
３３の管長は共鳴管１２の管長の半分の長さであるた
め、共鳴波長Ｌの１／４の波長となる。この波長関係で
は、音響共鳴フィルタ３３の管の栓の部分が節となり、
開放端の部分が腹となり、音響共鳴フィルタ３３によっ
て、該波長の騒音は捕らえられて吸音されることにな
る。したがって、音響共鳴フィルタ３３以降の吸気管３
１における騒音中には共鳴波長Ｌの音信号は除去される
ことなり、吸気管３１を通して共鳴管１２に導入される
騒音中には共鳴波長Ｌを除いた波長の音信号となる。共
鳴管１２中に共鳴波長Ｌを除いた波長の音信号が侵入し
た場合には、共鳴管１２の管長は共鳴波長の半分である
ため、共鳴管１２内で共鳴現象は発生せず、共鳴管１２
内には大きな騒音は存在しないことなる。そのため、音
響検出器１５により検出される音信号は、レーザ光より
生じる光音響信号が大部分を占めることになり、音響ノ
イズの影響が減少して、Ｓ／Ｎ比の大きな光音響信号を
得ることができる。

【００１７】図４は、本発明の実施例による測定結果例
を示しており、横軸に吸気口から侵入させる供与音響音
量の相対値を示し、縦軸に雑音感応量をμＶの単位で示
している。なお、この雑音感応量は、検出信号の揺動量
を自乗平均開平計算した値（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑ
ｕａｒｅ値）である。また、図中の■印は音響共鳴フィ
ルタを用いない場合の値であり、●印は音響共鳴フィル
タを用いた場合の値である。図４の結果から、音響共鳴
フィルタを用いた場合には検出信号の揺動が低く抑えら
れ、音響共鳴フィルタを用いない場合には共鳴周波数付
近の音響の混入によって大きく揺動することが得られ
る。

【００１８】（他の実施例）次に、図５を用いて本発明
の他の実施例について説明する。この実施例は、前記実
施例において、音響共鳴フィルタの構成の点で相違し、
その他の構成では同じであるため、以下では相違する構
成についてのみ説明する。他の実施例は、図５におい
て、音響共鳴フィルタの吸気管と接続している開口部に
柔軟な膜４１を設ける構成とするものである。この柔軟
膜４１は、音信号等の圧力変化は伝達するが、気体や微
粒子は透過させない機能を有する素材であり、例えば、
薄いゴム膜によって形成することができる。

【００１９】この柔軟膜４１を音響共鳴フィルタの吸気
管と接続している開口部に設けると、吸気口から侵入し
た気体や微粒子等の測定試料は、柔軟膜４１によってそ
の侵入を阻止され、音響共鳴フィルタの管内には侵入せ
ず、そのまま吸気管を通して光音響セルに送られる。一
方、吸気口から侵入した騒音による圧力変化は、柔軟膜
４１を動かし、音響共鳴フィルタの管内にその圧力変化
を伝え、共鳴波長の音信号の吸音を行う。したがって、
音響共鳴フィルタは、本発明の目的である音響ノイズの
影響を減少させるとともに、音響共鳴フィルタの管内に
測定試料を導入させないため、応答速度の低下を防ぐこ
とができる。

【００２０】（実施例の効果）音響共鳴フィルタ手段を
構成する管の管長を共鳴管の管長の半分の長さを含む１
／２の長さの奇数倍とすることにより、共鳴管の共鳴波
長の音響信号を管内で共鳴させて吸音し、共鳴管への該
共鳴波長の音響信号の導入を減少させることができる。
また、音響共鳴フィルタ手段が吸音する音響信号の周波
数を断続光ビームの周波数と同一とすることにより、吸
気管から侵入する音響信号から断続光ビームの周波数に
対応する周波数成分を除くことができる。また、音響共
鳴フィルタ手段を構成する管部の管長を可変とすること
によって、吸音する音響信号の波長を可変としたり、温
度変化等による音響信号の波長変化に対応させて温度補
償を行うことができる。

【００２１】また、音響共鳴フィルタ手段の管の一端を
移動可能な栓により閉じることにより、管長を装置外か
らの操作によって可変とすることができる。また、音響
共鳴フィルタ手段を構成する管部の開放端を柔軟な膜に
より閉じ、管部内部への測定試料の導入を阻止する構成
とすることにより、共鳴管への測定試料の導入を早め、
応答性を向上させることができる。また、吸気管の端部
を共鳴管の端部近傍であって、光音響効果を励起する光
ビームを遮蔽しない位置に配置することによって、共鳴
管への測定試料の導入を早め、応答性を向上させること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音響ノイズの影響を減少することができる光音響吸光計
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光音響吸光計の一実施例の構成を説明
するブロック図である。

【図２】本発明の光音響吸光計の二重管型音響セルの一
部断面を含む斜視図である。

【図３】本発明の実施例の動作図である。

【図４】本発明の実施例による測定結果例である。

【図５】本発明の他の実施例の構成を説明するブロック
図である。

【図６】光音響分光系の装置概略図である。

【図７】従来の光音響吸光計のブロック図である。

【図８】従来の光音響吸光計における騒音の動作を説明
する図である。

【符号の説明】

１…光音響セル、２…光源、５…ロッインアンプ、１１
…二重管型共鳴セル、１２…共鳴管、１３…遮音管、１
５…音響検出器、３１…吸気管、３２…吸気口、３３…
音響共鳴フィルタ、３４…栓。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 喜利 元貞 東京都千代田区神田錦町１丁目３番地 株 式会社島津製作所東京支社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断続光ビームを共鳴管内に照射し、共鳴
   管内の測定試料による光ビームの吸光により発生する断
   続音を検出して、測定試料の分析を行う光音響吸光計に
   おいて、共鳴管内に測定試料を導入する吸気径路中に、
   該共鳴管の共鳴波長を吸音する吸音型の音響共鳴フィル
   タ手段を備えたことを特徴とする光音響吸光計。