JPH08193877A - 超音波エネルギー密度測定法および測定装置およびこれを用いた超音波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 容器内の音場を乱さず、かつ任意の大きさ、
形状の容器中の超音波の平均エネルギー密度を測定する
測定手法を提供すること。また、発熱源からの発熱、外
界への熱の拡散を考慮することで、定常状態に達した音
場の平均エネルギー密度を正確に測定する手法を提供す
ること。 【構成】 超音波吸収の大きさの十分に異なり、かつ音
速および密度が十分に近い二種類の試料を、音場を発生
させる容器中に導入し、それらの超音波照射中の平衡に
達したときの温度と、超音波を止めた後の温度降下を測
定し、それらの測定結果から超音波の平均エネルギー密
度を見積もる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体中に入射した超音
波の平均エネルギー密度を測定する測定手法および測定
装置およびこれをもちいた超音波装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波のエネルギー密度の測定法
には代表的な手法として、（１）音の放射圧で見積もる
力学的測定法と、（２）超音波吸収体に音波エネルギー
を吸収させる熱量的測定法がある。

【０００３】力学的測定法は、音の放射圧が音の平均エ
ネルギー密度に比例することを利用した手法で、音場中
の散乱板が受ける力を定量的に測定して、その大きさか
ら音の平均エネルギー密度を見積もるものである。ま
た、音響マイクを音場中に導入して、音圧を測定するこ
とで音場の平均エネルギー密度を見積もることもでき
る。

【０００４】熱量的測定法は、超音波吸収体の温度上昇
が入射超音波強度に比例することを利用した手法で、ひ
まし油を入れたポリエチレン容器を測定したい音場中に
入れ、このひまし油の温度上昇を熱電対で測定し、その
温度変化の傾きから音の平均エネルギー密度を見積もる
ものである(W. J. Fry, JASA, 26 (1954) 311-)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の放射板を用いた
力学的測定法では、放射板あるいは音響マイク自身が音
場を乱してしまい、正確な音場のエネルギー密度の測定
を行うことができなかった。また、この手法では、反射
板あるいは音響マイクを音場中に導入しなければならな
いため、小さな容器あるいは形状の複雑な容器中の音の
平均エネルギー密度を測定することは困難であった。

【０００６】また、従来の熱量的測定法では、発熱源と
なる超音波振動子からの熱の流入、外界への熱拡散によ
る放熱等が考慮されておらず、定常状態での音場測定に
は不適当であった。さらに、従来の測定手法では超音波
振動子の装置からの剥離等に伴う入射超音波強度の変化
を連続的に検出することは困難であった。

【０００７】本発明は、容器内の音場を乱さず、かつ任
意の大きさ、形状の容器中の超音波の平均エネルギー密
度を測定する測定手法を提供することを目的としてい
る。また、発熱源からの発熱、外界への熱の拡散を考慮
することで、定常状態に達した音場の平均エネルギー密
度を正確に測定する手法を提供することを目的としてい
る。また、超音波振動子で発生させた超音波の管等の容
器中への導入量の変化を常時監視する機構を提供するこ
と、さらには超音波装置の設計を最適化することを目的
としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、超音波吸収の大きさの十分に異なり、か
つ音速および密度が十分に近い二種類の試料を、音場を
発生させる容器中に導入し、それらの超音波照射中の平
衡に達したときの温度と、超音波を止めた後の温度降下
を測定し、それらの測定結果の差から超音波吸収による
液体の温度上昇分を算出し、この温度上昇から液体中の
超音波の平均エネルギー密度を見積もればよい。

【０００９】より詳細には、超音波の平均エネルギー密
度測定法において、超音波吸収の大きさの十分に異なる
２種類の液体（液体Ｓと液体Ｗ、ただし液体Ｓの超音波
吸収に対して液体Ｗの超音波吸収は十分に無視できるほ
ど小さいものとする）を用い、まず液体Ｓに超音波を入
射して液体Ｓが定常状態になった時の温度Ｔを測定し、
次に超音波の照射を止めて液体Ｓの温度降下を求め、こ
の温度降下の時間変化より液体Ｓの熱拡散定数Ｋsを求
め、さらに液体Ｗについて超音波を入射して液体Ｗが定
常状態になった時の温度Ｔ’を測定して、超音波振動子
からの発熱Ｑ0と液体Ｗの熱拡散Ｋwとの関係 Ｑ0＝ＫwＴ’ を求め、超音波の照射停止後の液体Ｗの温度降下の時間
変化からＫwを求め、さらに定数ρs（液体Ｓの密度）、
ｖs（液体Ｓの音速）、Ｖ（容器中の液体Ｓの体積）、
αs（液体Ｓの超音波吸収係数）を用い、（数５）

【００１０】

【数５】

【００１１】により容器中の液体に導入される超音波の
平均エネルギー密度Ｅacを求めればよい。使用する液体
としては、たとえば、液体Ｓとしてひまし油を、液体Ｗ
として水を用いればよい。

【００１２】また、超音波振動子の入力電圧に対する出
力超音波平均エネルギー密度は、超音波振動子への入力
電圧を変化させそれぞれの時の超音波振動子の出力平均
エネルギー密度を測定する繰り返し手順をおこなうこと
で求めればよい。

【００１３】さらに、上記超音波平均エネルギー密度の
測定手法において、上記エネルギー密度を測定するため
には液体Ｓと液体Ｗの温度変化を測定し、それぞれ液体
の超音波入射時の熱定常状態の温度を記録し、その後に
超音波停止後の温度降下をカーブフィッティングして、
液体中の平均エネルギー密度を見積もる機能を具有す
る、超音波振動子制御部と温度検出部と記録部と演算解
析部とからなる平均エネルギー密度測定装置を用いれば
よい。

【００１４】また、超音波振動子で発生した超音波の管
中への導入量の変化を見積もるには、定常状態に達した
装置系において、超音波が導入された液体の温度変化を
常時監視し、その温度変化を測定すればよい。

【００１５】

【作用】超音波振動子を用いて容器中の液体に超音波を
導入した場合、容器中の液体に導入される熱量は、超音
波振動子の発熱が容器を伝達して入るものと、容器中の
液体の超音波吸収による熱量発生の二つがある。また、
容器中の液体からの熱量の排出は、外界への熱拡散によ
るものである。ここで、音速と密度がほぼ同じであり、
同様な音場を形成できるが、超音波吸収が十分に異なる
２種類の液体があれば、同じ条件で超音波を入射したと
き、超音波振動子の発生熱量、熱拡散の係数は装置材
質、形状に依存しているために一定であることから、こ
れらの液体を用いて比較することで、液体の超音波吸収
の差による発生熱量の差のみを算出することができ、そ
の結果、液体中の平均エネルギー密度を見積もることが
できる。

【００１６】

【実施例】図１に本発明を用いた実施例の一つの装置構
成を示す。本実施例では、用いた２種類の液体として、
音速と密度はほぼ同じであるが超音波吸収が５００倍程
度異なるひまし油と水を用いた。本実施例では波形発生
装置８によって発生させた電圧振幅をアンプ９で増幅
し、駆動した超音波振動子２によって石英フローセル１
中に定在波が発生するように構成されたフローセル中の
液体中での超音波の平均エネルギー密度を測定した。こ
のときフローセル中には矢印６にしたがって液体が導入
され、この液体の温度変化を連続的あるいは一定の時間
間隔で温度検出器４で検出する。検出された温度はメモ
リ７１で記録され、以下に示す手順で演算機能７２にお
いて熱定常状態の判定、熱定常状態時の温度および温度
降下時の熱拡散係数のカーブフィッティングによる導出
などの解析がなされる。本実施例では温度検出器をフロ
ーセル壁面に組み込んだが、管中に温度検出器を液体の
流路に沿って導入することで、管壁に特別な細工をする
ことなく管中の液体の温度を測定することもできる。本
実施例では他の用途に用いるフローセルに導入される超
音波の平均エネルギー密度を測定するための温度検出器
および熱量測定解析装置を用いたが、超音波振動子の性
能を調べるためには、超音波振動子を組み込むフローセ
ル、超音波振動子を駆動する交流波発生電源部を熱量解
析装置に組み込んでもよい。

【００１７】図２に、その結果得られたひまし油と水の
温度変化を示す。ひまし油に入射した超音波によるひま
し油の温度変化は（数６）の方程式によって示される。

【００１８】

【数６】

【００１９】このとき、ρsはひまし油の密度、Ｃsはひ
まし油の比熱、Ｖは容器中のひまし油の体積、Ｔはひま
し油の室温からの温度変化、ｔは時間、Ｅacはひまし油
中の超音波の平均エネルギー密度、ｖsはひまし油中の
音速、αsはひまし油の超音波吸収係数、ｄは容器中の
隙間の幅、Ｓは超音波の入射断面の面積（Ｖ＝ｄ・
Ｓ）、Ｑ0は超音波振動子で発生した熱の容器中のひま
し油への流入量、Ｋsはひまし油の熱拡散係数である。

【００２０】ひまし油に流入するエネルギーとひまし油
から流出するエネルギーとが釣り合ったとき、（数６）
の左辺は０となり、これを変形することで超音波の平均
エネルギー密度Ｅacは、（数７）で示される。

【００２１】

【数７】

【００２２】したがって、超音波の平均エネルギー密度
Ｅacを求めるには、未知定数ＫsとＱ0を求めればよい。

【００２３】Ｋsはひまし油への超音波照射を止めた後
の温度降下を表わす方程式（数８）で表わされ、液体の
温度は指数関数的に降下する。そこで温度降下の測定結
果を（数８）の解でフィッティングすることでＫsを求
めればよい。

【００２４】

【数８】

【００２５】つぎに、Ｑ0を求めるには、まず、ひまし
油の超音波吸収が水の超音波吸収の500倍程度あること
から、水の超音波吸収による温度変化は（数６）の超音
波吸収の項を除いた方程式（数９）で表わされる。

【００２６】

【数９】

【００２７】ただし、ρwは水の密度、Ｃwは水の比熱、
Ｖは容器中のひまし油の体積、Ｔは水の室温からの温度
変化、ｔは時間、Ｑ0は超音波振動子で発生した熱の容
器中の水への流入量、Ｋsは水の熱拡散係数である。

【００２８】このとき、水に流入する熱量と、水から流
出する熱量とが釣り合ったとき、（数９）の左辺は、０
となり、 Ｑ0＝ＫwＴ と置くことができることから、水の拡散係数Ｋwを求め
ればＱ0を求めることができる。

【００２９】水の拡散係数Ｋwは、水への超音波照射を
止めた後の温度降下を表わす方程式（数１０）で表わさ
れ、液体の温度は指数関数的に降下する。そこで温度降
下の測定結果を（数１０）の解でフィッティングするこ
とでＫwを求めればよい。

【００３０】

【数１０】

【００３１】以上の過程で図２の結果を解析すると、室
温２１℃のとき、超音波入射時のひまし油の温度上昇は
７．８Ｋで平衡に達し、その後に超音波を止めて温度降
下を測定した結果、ひまし油の温度降下は Ｔ∝ｅｘｐ［−０．２５ｔ（ｍｉｎ．）］ とカーブフィットすることができる。

【００３２】また、同様に水の温度上昇は４．３Ｋで平
衡に達し、その後に超音波を止めて温度降下を測定した
結果、水の温度降下は Ｔ∝ｅｘｐ［−０．１６ｔ（ｍｉｎ．）］ とカーブフィットすることができる。

【００３３】したがって、以上の結果から液体中の超音
波の平均エネルギー密度は２．０１Ｊ／ｍ3と見積もら
れた。

【００３４】本実施例では、１つの入力電圧に対する出
力超音波平均エネルギー密度を求めたが、本手法の測定
に用いる装置において入力電圧を制御して、様々な入力
電圧に対する出力超音波エネルギー密度を求めること
で、使用している超音波振動子の入出力特性の関係を求
めることもできる。

【００３５】また、本実施例の装置構成において、超音
波が連続的に導入されて管内への熱の出入りが定常状態
に達したところで、管内の液体の温度を連続的に温度検
出器４で測定することで、超音波振動子のフローセルか
らの剥離等で起きた管内の超音波の平均エネルギー密度
の減少等の変化を常時監視することもできる。また、上
記実施例では、超音波入射中の熱量の出入りが平衡に達
したときの状態と、超音波照射を止めたあとの温度降下
から超音波の平均エネルギー密度を求めたが、（数
６）、（数８）、（数９）、（数１０）からもわかるよ
うに、超音波入射後の液体の温度上昇時のカーブフィッ
ティング等を用いても同様な結果が得られる。

【００３６】次に、図３に本発明を用いた第２の実施例
の装置構成を示す。本実施例では、超音波振動子２の入
力電圧に対する出力超音波の平均エネルギー密度を測定
する装置構成をとっている。ここで、波形発生装置８に
よって発生させた電圧振幅をアンプ９で増幅し、駆動し
た超音波振動子２によって容器１０中に進行波が発生す
るように構成された容器中の液体中での超音波の平均エ
ネルギー密度を測定した。このとき容器中には上記実施
例と同様にひまし油と水等の超音波吸収の異なる液体が
導入され、この液体の温度変化を連続的あるいは一定の
時間間隔で温度検出器４で検出する。検出された温度は
メモリ７１に記録され、演算機能７２で様々な入力電圧
振幅に対する出力平均エネルギー密度が上記実施例に示
した手順で解析される。また、液体中に音響マイク１１
を導入し、各周波数成分の強度分布を測定することで液
体中の全周波数成分の超音波エネルギー密度に対する、
特定の周波数成分の超音波のエネルギー密度の比を見積
もることができる。

【００３７】また、本実施例において超音波振動子を順
次交換し、その一定の入力電圧に対する出力超音波エネ
ルギー密度を測定することで、超音波振動子の製品機能
検査に用いることもできる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、以上説明した装置構成におい
て、以上説明した手法を用いることで、液体中の超音波
の平均エネルギー密度を音場を乱すことなく見積もるこ
とができた。また、超音波振動子の剥離等に伴う液体中
の超音波の平均エネルギー密度の変化を常に監視するこ
とができた。さらに、上記手法を用いることで超音波振
動子の入力電圧に対する出力超音波のエネルギーを見積
もることができた。さらには超音波装置の設計を最適化
することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の装置項製図。

【図２】本発明の実施例の装置構成で測定したひまし油
と水の温度変化の測定結果図。

【図３】本発明の第２の実施例の装置構成図。

【符号の説明】

１…石英セル、２…超音波振動子、３…液体、４…温度
検出器、５…定在波、６…液体の流入方向、７１…メモ
リ、７２…演算機能、８…波形発生装置、９…アンプ、
１０…容器、１１…音響マイク。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体Ｓを入射部位に保持すること、保持さ
   れた液体Ｓに超音波を入射すること、液体Ｓの温度が定
   常状態になったことを検出すること、定常状態における
   液体Ｓの温度Ｔを測定すること、次に超音波の入射を止
   めて液体Ｓの時間変化に対する温度降下を求めること、
   この温度降下の時間変化より液体Ｓの熱拡散定数Ｋsを
   求めること、前記液体Ｓを超音波吸収係数の異なる液体
   Ｗに置換すること、保持された液体Ｗに超音波を入射す
   ること、液体Ｗの温度が定常状態になったことを検出す
   ること、定常状態における液体の温度Ｔ’を測定するこ
   と、温度Ｔ’を用いて超音波振動子からの発熱Ｑ0と液
   体Ｗの熱拡散Ｋwとの関係 Ｑ0＝ＫwＴ’ を求めること、次に超音波の入射を止めて液体Ｗの時間
   変化に対する温度降下を求めること、この温度降下の時
   間変化より液体Ｗの熱拡散定数Ｋwを求めること、さら
   に定数ρs（液体Ｓの密度）、ｖs（液体Ｓの音速）、Ｖ
   （容器中の液体Ｓの体積）、αs（液体Ｓの超音波吸収
   係数）を用い、（数１） 【数１】 により容器中の液体に導入される超音波の平均エネルギ
   ー密度Ｅacを求めることを特徴とする超音波のエネルギ
   ー密度測定法。
2. 【請求項２】液体Ｓとしてひまし油を、液体Ｗとして水
   を用いたことを特徴とする請求項１記載の超音波の平均
   エネルギー密度測定法。
3. 【請求項３】超音波振動子への入力電圧を変化させそれ
   ぞれの時の超音波振動子の出力平均エネルギー密度を測
   定する繰り返し手順を組み込んだことを特徴とする請求
   項１記載の超音波の平均エネルギー密度測定方法。
4. 【請求項４】液体Ｓを入射部位に保持する手段と、保持
   された液体Ｓに超音波を入射する手段と、液体Ｓの温度
   が定常状態になったことを検出する解析機能と、定常状
   態における液体Ｓの温度Ｔを測定する手段と、次に超音
   波の入射を止めて液体Ｓの時間変化に対する温度降下を
   求める手段と、この温度降下の時間変化より液体Ｓの熱
   拡散定数Ｋsを求める解析機能と、前記液体Ｓを超音波
   吸収係数の異なる液体Ｗに置換すること、保持された液
   体Ｗに超音波を入射すること、液体Ｗの温度が定常状態
   になったことを検出する解析機能と、定常状態における
   液体の温度Ｔ’を測定する手段と、温度Ｔ’を用いて超
   音波振動子からの発熱Ｑ0と液体Ｗの熱拡散Ｋwとの関係 Ｑ0＝ＫwＴ’ を求める解析機能と、次に超音波の入射を止めて液体Ｗ
   の時間変化に対する温度降下を求める手段と、この温度
   降下の時間変化より液体Ｗの熱拡散定数Ｋwを求める解
   析機能と、さらに定数ρs（液体Ｓの密度）、ｖs（液体
   Ｓの音速）、Ｖ（容器中の液体Ｓの体積）、αs（液体
   Ｓの超音波吸収係数）を用い、（数２） 【数２】 により容器中の液体に導入される超音波の平均エネルギ
   ー密度Ｅacを求める解析機能とからなることを特徴とす
   る超音波の平均エネルギー密度測定装置。
5. 【請求項５】液体Ｓを入射部位に保持する手段と、保持
   された液体Ｓに超音波を入射する手段と、液体Ｓの温度
   が定常状態になったことを検出する解析機能と、定常状
   態における液体Ｓの温度Ｔを測定する手段と、次に超音
   波の入射を止めて液体Ｓの時間変化に対する温度降下を
   求める手段と、この温度降下の時間変化より液体Ｓの熱
   拡散定数Ｋsを求める解析機能と、前記液体Ｓを超音波
   吸収係数の異なる液体Ｗに置換すること、保持された液
   体Ｗに超音波を入射すること、液体Ｗの温度が定常状態
   になったことを検出する解析機能と、定常状態における
   液体の温度Ｔ’を測定する手段と、温度Ｔ’を用いて超
   音波振動子からの発熱Ｑ0と液体Ｗの熱拡散Ｋwとの関係 Ｑ0＝ＫwＴ’ を求める解析機能と、次に超音波の入射を止めて液体Ｗ
   の時間変化に対する温度降下を求める手段と、この温度
   降下の時間変化より液体Ｗの熱拡散定数Ｋwを求める解
   析機能と、さらに定数ρs（液体Ｓの密度）、ｖs（液体
   Ｓの音速）、Ｖ（容器中の液体Ｓの体積）、αs（液体
   Ｓの超音波吸収係数）を用い、（数３） 【数３】 により容器中の液体に導入される超音波の平均エネルギ
   ー密度Ｅacを求める解析機能とからなることを特徴とす
   る超音波振動子の電圧入力に対する超音波出力エネルギ
   ー評価装置。
6. 【請求項６】超音波を導入した容器中の液体において、
   その液体の温度を計測する計測部と温度変化を測定する
   解析装置部を具有することを特徴とする超音波の平均エ
   ネルギー密度変化測定装置。
7. 【請求項７】液体を入射部位に保持する手段と、保持さ
   れた液体に超音波を入射する手段とよりなり、入射する
   超音波の液体中での超音波平均エネルギー密度が以下の
   手順で校正された超音波装置。液体Ｓを入射部位に保持
   すること、保持された液体Ｓに超音波を入射すること、
   液体Ｓの温度が定常状態になったことを検出すること、
   定常状態における液体Ｓの温度Ｔを測定すること、次に
   超音波の入射を止めて液体Ｓの時間変化に対する温度降
   下を求めること、この温度降下の時間変化より液体Ｓの
   熱拡散定数Ｋsを求めること、前記液体Ｓを超音波吸収
   係数の異なる液体Ｗに置換すること、保持された液体Ｗ
   に超音波を入射すること、液体Ｗの温度が定常状態にな
   ったことを検出すること、定常状態における液体の温度
   Ｔ’を測定すること、温度Ｔ’を用いて超音波振動子か
   らの発熱Ｑ0と液体Ｗの熱拡散Ｋwとの関係 Ｑ0＝ＫwＴ’ を求めること、次に超音波の入射を止めて液体Ｗの時間
   変化に対する温度降下を求めること、この温度降下の時
   間変化より液体Ｗの熱拡散定数Ｋwを求めること、さら
   に定数ρs（液体Ｓの密度）、ｖs（液体Ｓの音速）、Ｖ
   （容器中の液体Ｓの体積）、αs（液体Ｓの超音波吸収
   係数）を用い、（数４） 【数４】 により容器中の液体に導入される超音波の平均エネルギ
   ー密度Ｅacを求めること。