JPH08178641A

JPH08178641A - 音響式変位計

Info

Publication number: JPH08178641A
Application number: JP33463994A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 泰石井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】音響インピーダンスが被測定物体の変位によ
って変化することを利用した音響式変位計で、測定音響
系内部の音圧を検出するマイクロホンの感度変化の影響
を受けないような装置を提供する。【構成】本発明の変位計においては、測定音響系内部
の音圧の位相が、被測定物体の変位による音響インピー
ダンスの変化に応じて鋭敏に変化することに着目し、上
記の音圧の位相変化により被測定物体の変位を測定す
る。【効果】一般に、マイクロホンは感度の周波数特性が
平坦な周波数範囲ではその位相特性はほとんど０であ
る。そして、温度変化等によってマイクロホンの感度が
変化しても、位相特性はもともと０なのであるから、ほ
とんど変化しない。したがって本発明の変位計は温度変
化の影響等を受け難く、より精密な変位測定が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音源によって駆動され
る音響負荷のインピーダンスを被測定物体の変位によっ
て変化させたときに生ずる音圧の位相変化を利用した音
響式の変位計にかかわる。

【０００２】

【従来の技術】音響インピーダンス変化を利用した微小
変位計として、本出願人による「音響式変位計」（特公
平 6-78900）なる発明（以下これを前発明と称する）が
ある。この前発明は、測定音響系の先端の測定孔に向か
い合わせて被測定物体を置いたとき、その測定孔と物体
表面との距離の変化によって生ずるすき間の音響インピ
ーダンス変化を、音響系内の音圧の大きさの変化として
検出するものである。このとき、音源によって音響系を
駆動する音の周波数を音響系の最低次の共振周波数の半
分より小さく設定することにより、温度変化等による共
振周波数の変化の影響を免れるようにしたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の前発明は共振周
波数変化の影響は免れうるが、なお、音圧を検出するマ
イクロホンの、温度変化等に起因する感度変化によって
誤差を生ずる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の変位計は、最低
次の共振周波数より小さな周波数の音で測定音響系を駆
動することは前発明とほぼ同様であるが、測定孔先端の
すき間の音響インピーダンス変化に応じて、音響系内部
の音圧の大きさのみならず、その位相もまた鋭敏に変化
することに着目し、測定孔と物体表面との距離を測定音
響系内の音の位相によって検出するようにしたものであ
る。

【０００５】

【発明の効果】音響系内の音の検出にはマイクロホンが
用いられるが、一般に、マイクロホンは感度の周波数特
性が平坦な周波数範囲ではその位相特性はほとんど０で
ある。すなわち、音の位相とマイクロホン出力信号との
位相差はほとんど０である。そして、温度変化等によっ
てマイクロホンの感度が変化しても、位相特性は、もと
もと０なのであるから、ほとんど変化しない。したがっ
て本発明の変位計は温度変化等の影響を受け難く、より
精密な変位測定が可能となる。

【０００６】

【第１実施例】図１において、１は音源のイアホンで、
その内部の振動板１１を発振器３から供給される交番的
な入力電流ｉで駆動される電磁石１３で振動させて音を
発生する。発生した音は測定孔１２から外部に出るが、
その前面にはｄなる距離を隔てて被測定物体２の表面が
相対している。すなわち、この場合は音源１内部の空間
自体が測定音響系をなしている。なお、被測定物体２は
固体に限らず液体でもよく、たとえば測定孔１２を下に
向けて液面の微小変位を測定するようなことも可能であ
る。

【０００７】１４は分岐管で、１の内部の音圧ｐを音圧
検出器のマイクロホン４に導く。４の出力は増幅器５で
増幅されて音圧信号ｅとなり、フィルタ６によって測定
と無関係な周波数成分が除去されたのち、位相計７の一
つの入力となる。一方、発振器３は駆動電流ｉと同相の
基準信号ｒを発生し、それは導線９から６と同じ周波数
特性のフィルタ６’を通ったのち、位相計７のもう一つ
の入力となる。位相計７はｒを基準としたｅの位相θに
比例した直流出力信号Ｅ₀ を発生し、それはメータ８に
より表示される。なお、フィルタ６、６’は外来雑音の
影響などを軽減させるために挿入されたもので、必ずし
も必要なものではない。また、アナログディジタル変換
器を介して信号ｅ、ｒを計算機に取り込んで、それらの
間の位相差を計算表示させるような場合には、６、
６’、７、８は不要となる。

【０００８】いま、発振器３からの駆動電流ｉにより振
動板１１が振動して

【数１】

【０００９】なる体積速度の音を発生するものとする。
ここでＵは振幅と位相の両方を表わす複素振幅、ωは角
周波数、ｔは時間を表わす。また、

【数２】

【００１０】である。その結果、１の内部の音圧は

【数３】

【００１１】になるものとする。ここでＰもまた複素振
幅である。１はどのような形状であってもよいが、ここ
ではこれを直径２ｂの円筒とし、また測定孔１２は直径
２ａの円形であるとする。測定孔の周りの厚さｄの同心
円形のギャップは音響負荷であるが、その音響インピー
ダンスＺ_l は近似的につぎのように表わされる。

【数４】

【００１２】ここで、ηは空気の粘性係数、ρは空気の
密度である。

【００１３】図２の（ａ）は図１の等価回路を示すもの
である。Ｃは等価的な音響コンプライアンスで、１の内
部の空間の容積と分岐管１４およびマイクロホン４の内
部の容積の和をＶとし、空気の比熱比をγ、大気圧をＰ
₀ とすると

【数５】

【００１４】と表わされる。またＬは振動板１１と測定
孔１２との間の空気の慣性による音響イナータンスを表
わす。そして負荷となるギャップの音響インピーダンス
Ｚ_l はこのＣとＬとからなる音響系を介してｕ（ｔ）な
る体積速度の音源により、その音響系の最低次の共振周
波数より小さい周波数で駆動される。そのときの音圧ｐ
（ｔ）は音圧検出器のマイクロホンＭによって検出され
る。

【００１５】ギャップ距離ｄが小さく、したがってＺ_l
が大きい場合には、１の内部の空気はほとんど動かない
から、上記のイナータンスＬの効果は無視できて、図２
（ａ）の回路は（ｂ）のように近似される。そしてこの
ときの音圧ｐの位相は音源の体積速度ｕに対してπ／２
（ｒａｄ）だけ遅れる。音源の振動板１１は駆動電流ｉ
に比例して変位して１内部の空間に体積変化（体積速度
の積分）を与え、また基準信号ｒはｉと同相であるか
ら、結局、ｒを基準にした音圧信号ｅの位相θは０とな
る。

【００１６】ギャップ距離ｄが大きく、したがってＺ_l
が小さい場合には、空気は測定孔１２から容易に出入り
するから、音響イナータンスＬの効果のみが卓越し、図
２（ａ）の回路は（ｃ）のように近似される。このとき
の音圧ｐの位相は音源の体積速度ｕに対してπ／２だけ
進む。したがってｒを基準にした音圧信号ｅの位相θは
πとなる。

【００１７】結局、ギャップ距離ｄが０から大きくなっ
ていくと、等価回路は図２（ｂ）の状態から（ａ）を経
て（ｃ）の状態に移行し、それにともなってｐの位相が
連続的に変化し、位相計の直流出力Ｅ₀ は図３の実線の
ように変化する。この特性により、Ｅ₀ から被測定量ｄ
を知ることができる。なお、Ｅ₀ とｄの特性は半径比ｂ
／ａや測定周波数ωによって、図３の点線のように、い
ろいろに変えることができる。

【００１８】

【第２実施例】図４は音源１と音響負荷であるギャップ
の音響インピーダンスＺ_l との間に測定音響系として管
が存在する例である。図において２１は長さｈの管で、
その先端の測定孔１２の周りにはフランジ２２がつけら
れており、それはｄなる距離を隔てて被測定物体２の表
面に相対している。管２１の他端は音源１に接続され、
音源の直前には分岐管１４も接続されていて、それは管
内の音圧をマイクロホン４に導く。

【００１９】いま、上記の分岐管１４がつけられている
場所の管内の体積速度と音圧をそれぞれ式（１）および
式（２）で表わすと、その点から測定孔のほうをみた音
響インピーダンスＺ＝Ｐ／Ｕはつぎのようになる。

【数６】

【００２０】上式でＳは管２１の内部断面積である。ま
たｃは音速で、つぎのように表わされる。

【数７】

【００２１】図５は式（６）を角周波数ωの関数として
示したもので、Ｚの絶対値は音圧ｐの振幅に、Ｚの位相
角はｐの位相に等価である。Ａはｄ＝０でＺ_l が無限大
の場合、Ｂはｄが無限大でＺ_l ＝０の場合であるが、ｄ
が０から大きくなるにつれて、この周波数特性はＡから
Ｂに連続的に変化する。この図からも明らかなように、
この音響系はｄが無限大のときω₁ ＝πｃ／２ｈ、ω₃
＝３ω₁ ・・・なる共振周波数を生じ、ｄ＝０の場合に
はω₂ ＝２ω₁ 、ω₄ ＝４ω₁ ・・・なる共振周波数が
生ずる。本発明では、これらのうちの最低次の共振周波
数ω₁ より小さい周波数範囲に測定周波数を設定し、そ
の測定周波数における音圧の位相の変化によりｄを測定
する。

【００２２】ここで特記すべきは、上記の共振周波数は
いずれも音速ｃに比例し、したがって温度等により変化
するということである。また、これらの共振周波数の付
近ではＺの位相のωに対する変化が大きい。したがって
測定周波数を共振周波数の付近に設定すると、わずかな
温度変化によって大きな誤差を生ずることになる。本発
明ではω₁ の少し下を測定周波数の上限ω_M とするが、
これが最低次の共振周波数より小さい周波数範囲に測定
周波数を設定するということの意味である。

【００２３】測定周波数を最低次の共振周波数ω₁ より
大きく設定することも可能であり、たとえばω₁ とω₂
のほぼ中央の周波数における位相変化を利用することも
できる。しかしこの場合は、測定周波数に応じて管２１
の長さｈがほぼ決められてしまう。これに対し、本発明
のようにω₁ より小さい測定周波数を用いる場合は、管
２１の長さの上限はあるが、下限はない。また、温度等
による共振周波数の変化の大きさは周波数に比例して大
きくなる。したがって測定周波数を大きくするとそれだ
け温度等の影響を受けやすくなる。小さな測定周波数を
用いることは、音源の放射効率などの点からみて不利で
あるが、それにもかかわらず、本発明において最低次の
共振周波数より小さな測定周波数を用いるのは上記のよ
うな理由による。

【００２４】以上において、測定音響系が管の場合につ
いて説明したが、図１の装置では音響系の形状が特定さ
れていないので、このような数理的解析はできない。し
かし、最低次の共振周波数より小さい周波数で駆動する
ことの物理的状況や意義は、上記の管の場合と全く同様
である。以上においては、説明の都合上、音源から発生
する音は正弦波であるとしたが、実用上これは三角波や
矩形波などでもよく、検出された音圧信号ｅをフィルタ
６に通して高調波をとり除けば正弦波となり、位相計７
においてその位相を測定することができる。

【００２５】

【第３実施例】図６（ａ）は、図４の装置において、管
２１の先端に直径Ｄのロッド２３を差し込むようにし、
２１の内側と２３の外周との間のギャップの音響インピ
ーダンスを負荷として利用するものである。この場合、
被測定量はロッド２３の横方向の変位で、それに応じて
差し込み深さｓが変化して音響インピーダンスが変化す
る。すなわち、管２１とロッド２３の間のギャップの厚
さをｄとすると、この場合のギャップの音響インピーダ
ンスＺ_l はつぎのようになり、Ｚ_l はｓに比例して変化
する。

【数８】

【００２６】図６（ｂ）は、管２１の先端にテーパ管２
４をとりつけ、この中に先端を同じテーパ面に仕上げた
テーパロッド２５を差し込むものである。この場合も被
測定量はロッド２５の横方向の変位であって、この変位
に応じて２４と２５の間のギャップの厚さｄが変化し
て、そのギャップの音響インピーダンスが変化する。こ
の方式の利点は、テーパ角度によって変位計としての感
度を種々に調整し得ることである。

【００２７】図６（ｃ）は、管２１の先端にゴムなどで
作られた弾力のあるチューブ２８をはめ、その先端を台
２６とプッシュロッド２７で挟んで押しつぶすようにし
たものである。この場合の被測定量はプッシュロッド２
７の上下方向の変位で、その変位に応じてチューブ２８
の狭窄部の厚さｄが変化し、その部分の音響インピーダ
ンスが変化する。その値Ｚ_l は、狭窄部の幅をＷ、長さ
をｓとするとつぎのように表わされる。

【数９】

【００２８】

【第４実施例】図７は、被測定物体３２の上面に段差３
３を設け、その上方に保持された管２１と３２の間のギ
ャップ距離ｄが、３２が水平のｘ方向に移動したとき段
差３３のところで変化することを利用して、段差３３の
位置を検出するもので、本発明変位計の応用の一つであ
る。その際、管２１の先端をそのまま３２の上面に正対
するようにしてもよいが、図７に示すように、管２１の
先端に、スリット状の孔３４を有する検出ヘッド３１を
とりつけ、そのスリットを段差３３の方向に一致させる
ことが段差の検出精度を上げることに有効である。

【００２９】

【第５実施例】図８は、塵埃の多い場所での使用を目的
として、閉じた音響系を用いた実施例で、音源１とマイ
クロホン４がつけられたＴ字管４５の一端に弾力のある
チューブ４１が接続され、その中ほどを台４３とプッシ
ュロッド４２で挟んで押しつぶすような構造になってい
る。そしてチューブの先はさらに容器４４に接続されて
いる。音源１およびマイクロホン４には、図示してはな
いが、図１あるいは図４と同様に、発振器およびマイク
ロホン出力信号の位相を測定する回路がそれぞれ接続さ
れている。この場合の被測定量は、ロッド４２の上下方
向の変位であって、これによってチューブ４１の狭窄部
の断面積が変化し、それに伴って生ずるＴ字管４５内部
の音圧の位相の変化によって上記変位を知る。

【００３０】図９は図８における音響系の等価回路を示
すもので、Ｚ’がチューブ４１の狭窄部の音響インピー
ダンスを表わし、Ｌ’はこの狭窄部より右側のチューブ
内部の気による音響イナータンスを表わす。Ｃ’は容器
４４の音響コンプライアンスで、４４の内容積をＶ’と
すれば

【数１０】

【００３１】で与えられる。ＬおよびＣは、チューブ４
１の狭窄部より左側の部分とＴ字管４５による音響イナ
ータンスと音響コンプライアンスをそれぞれ表わす。結
局、この場合の負荷音響インピーダンスＺ_l は、Ｚ’、
Ｌ’、Ｃ’が直列結合されたインピーダンスであり、そ
のうちＺ’のみが被測定量の変位に応じて変化する。そ
してＬとＣからなる音響系を介して、このＺ_l が音源に
より駆動されるという方式になっている。

【００３２】

【第６実施例】図１０において、１は音源でフレーム１
７に固定されている。１の下部には弾力のあるベローズ
１５がつけられており、これは被測定物体２の上下方向
の変位に応じて伸縮する。４は音圧検出器のマイクロホ
ンで、１の内部に封入され内部の音圧を検出する。４の
出力は増幅器５で増幅されて音圧信号ｅとなり、図１あ
るいは図４の場合と同様に、フィルタを通ったのち位相
計への入力となる。振動板１１を駆動する電磁石１３に
は発振器３から駆動電流ｉが供給される。３はまた位相
比較の基準信号ｒを発生し、それはフィルタを通ったの
ち位相計へのもう一つの入力となる。１６は毛細管の通
気孔で、この孔を通して空気が出入りするが、その音響
抵抗をＲで表わす。音源１内部の空間を含めてベロ−ズ
１５内部の容積をＶとすると、その音響コンプライアン
スＣは式（５）のように表わされる。被測定物体２が変
位するとＶが変化し、したがってＣが変化する。すなわ
ち、この場合、物体２の変位に応じて変化する音響負荷
のインピーダンスは１／ｊωＣである。

【００３３】音源の振動板１１からベローズ１５のほう
をみたとき、それはＣＲなる時定数を有する１次系とな
り、被測定物体２の上下の変位によりＶが変化すると時
定数ＣＲが変化して、マイクロホン４で検出される音圧
の位相が変化する。この位相変化により被測定物体２の
変位が求められる。以上から明らかなように、この実施
例は、容積Ｖの一つの空間が、被測定物体の変位によっ
て変化する音響負荷とそれに接続される測定音響系とを
兼ねている例でもある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の変位計である。

【図２】図１の系の等価回路である。

【図３】図１の装置の位相計の直流出力とギャップの距
離の関係である。

【図４】本発明の第２実施例の変位計である。

【図５】図４の系の周波数特性である。

【図６】本発明の第３実施例で音響負荷の種々の形態を
示すものである。

【図７】本発明の第４実施例で段差の検出方法を示すも
のである。

【図８】本発明の第５実施例の変位計である。

【図９】図８の系の等価回路である。

【図１０】本発明の第６実施例の変位計である。

【符号の説明】

１音源２被測定物体３発振器４音圧検出器のマイクロホン５増幅器６、６’フィルタ７位相計８メータ９導線１１振動板１２測定孔１３電磁石１４分岐管１５ベローズ１６通気孔１７フレーム２１管２２フランジ２３ロッド２４テーパ管２５テーパロッド２６台２７プッシュロッド２８チューブ３１検出ヘッド３２被測定物体３３段差３４スリット４１チューブ４２プッシュロッド４３台４４容器４５Ｔ字管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物体の変位によって音響インピー
ダンスが変化する音響負荷と、上記音響負荷に接続され
た測定音響系と、上記測定音響系の最低次の共振周波数
より小さな周波数の音を測定音響系の内部に発生する音
源と、上記測定音響系もしくは上記音響負荷における音
圧を検出する音圧検出器とからなり、被測定物体の変位
によって生ずる上記音圧の位相の変化によって被測定物
体の変位を知ることを特徴とする音響式変位計。