JPH10502230A - マイクロホンとしての流体流測定装置の使用およびそのようなマイクロホンを含んでなるシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの加熱要素（Ｈ）、この加熱要素（Ｈ）から第一の予め決められた間隔（ｒ１）で配置された第一の温度センサ（Ｓ１）の温度（Ｔ１）に対応する第一の電気信号発生用の少なくとも１つの第一の温度センサ（Ｓ１）を含んでなり、ここでこの予め決められた第一の間隔（ｒ１）が３００μｍより小さい、音波を検知するためのマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロホンとしての流体流測定装置の使用およびそのようなマイクロホンを含 んでなるシステム 本発明はマイクロホンとしての流体流測定装置の使用に関する。 従来のマイクロホンは、音響信号と関連する圧力波が膜などの中で機械的振動 を引き起こし、その振動が適当な変換手段により電気的に変動する信号に変換さ れ、音響信号のものに相当する周波数が電気的に変動する信号中で生ずるという 事実を利用する。 本発明は、圧力波および物体流波(mass flow waves)は常に音波と関連するが この流波は圧力波と関連する移相を有するという事実に基づいている。しかしな がら、音響信号と関連するこれらの流波は圧力波と同じ周波数パターンを含んで なり、従って音測定のための基準として作用することもできる。 マイクロホンとしての流体流測定装置の使用は R.O.Fehr，"Infrasonic therm istor microphone"，Journal of the Audio Engineering Society，April 1970 ，Vol.18，Nr.2，pages 128-132から知られている。この文献は乱流測定のため の熱線風速計の使用を開示している。そのような装置中では、非常に微細な線が 電気的に加熱されそして空気の乱流により冷却される。線の温度変化が線の抵抗 変化として記録される。この抵抗変化は適当な電子測定回路により検知すること ができるため、体積流れに比例する電気信号を与える。しかしながら、熱線マイ クロホンは体積流れの方向に対して感応しない。さらに、熱線マイクロホンは体 積流れ変化の周波数を二倍にする。R.O.Fehr の文献では、熱線マイクロホンの これらの問題を解決するための２つのサーミスタの適用が開示 されている。２つのサーミスタの１つの上に体積流れがある時には、風上サーミ スタは冷却されるが、他のサーミスタは第一のサーミスタからの風により移送さ れた熱を受けるであろう。また、２つのサーミスタの温度変化は電気ブリッジ回 路の向き合っているアームの中の２つのサーミスタを連結することにより変動す る電気信号に変えられる。この文献に記載されたマイクロホンは０.１〜２０Ｈ ｚの周波数範囲でのみ作動すると報告されている。使用されるサーミスタの直径 は約３３０μｍ（１３ミル）であると報告されている。約２５年前の R.O.Fehr の文献の発行以降は、可聴範囲の音波を検知するための流体流測定を基にしたマ イクロホンの開発に関する研究は行われていない。 米国特許第４,９３２,２５０号は、超音波の検知用のマイクロホンとしての流 体流測定装置の使用を示唆している。可聴範囲内の音波を検知するための配置は 示唆されていない。 数種の文献から少なくとも１つの加熱要素およびこの加熱要素に向かい合う位 置に配置された少なくとも２つの温度センサを含んでなる小型流体流測定装置が 知られており、例えばドイツ特許出願３６ １１ ６１４、ヨーロッパ特許出願０ ,２６８,００４、英国特許出願２,２２６,１３９、および T.S.J.Lammerink，et al.，"Micro-liquid flow sensor", Sensors and Actuators A，37-18 (1993) ，pages 45-50を参照のこと。これらの文献のいずれも開示されている流体流セ ンサのマイクロホンとしての使用可能性に言及していない。 本発明の目的は流体流測定を基にした可聴周波数範囲内の音波を検知できるマ イクロホンを提供することである。 この目的を達成するために、それ自体は既知である流体流測定用の技 術および手段が好適に使用される。本発明に従うマイクロホン中で有利に使用で きる流体流センサの典型的な例は上記の T.S.J.Lammerink，et al.，"Micro-liq uid flow sensor"，Sensors and Actuators A，37-18 (1993)，pages 45-50に記 載されている。 本発明は、少なくとも１つの加熱要素、この加熱要素から第一の予め決められ た間隔で配置された第一の温度センサの温度に対応する第一の電気信号発生用の 少なくとも１つの第一の温度センサを含んでなり、ここでこの予め決められた第 一の間隔が３００μｍより小さい、音波を検知するためのマイクロホンとしての 流体流測定装置の使用を提供する。 現在マイクロ−エレクトロニクスから知られている技術を使用することにより 、そのような小型寸法を有する流体流測定装置を構成することができる。驚くべ きことに、そのようなマイクロホンの信号対雑音比は１０ｋＨｚもしくはそれ以 上までというように良好である。１つの加熱要素にこの加熱要素の反対側に４０ μｍの間隔で置かれている２つの温度センサが装備されているような本発明の実 施態様で、１０ｋＨｚまでの良好な信号対雑音比が観察された。従って、そのよ うな高い周波数までの良好な信号対雑音比は加熱要素と適用される温度センサと の間の間隔が５０μｍより小さい時の本発明に従うマイクロホンで得られる。 このマイクロホンの別の利点はそれが極端に低い遮断周波数を有することであ り、従来のマイクロホンは圧力波を測定するための膜などに固有の硬さのために 音響信号の非常に低い周波数は検知することができない。また一方で、本発明に 従うマイクロホンでは、音響信号の非常に低い周波数が熱信号の非常に低い周波 数に変換され、それが減衰なしで低周波数の電気信号に変換される。 本発明はまた、少なくとも１つの加熱要素、加熱要素から第一の予め決められ た間隔で配置された第一の温度センサの温度に対応する第一の電気信号発生用の 少なくとも１つの第一の温度センサを含んでなる音波を検知するための流体流測 定装置を含むマイクロホンを含むシステムであって、ここでこの予め決められた 第一の間隔が３００μｍより小さく、マイクロホンが該第一の電気信号を測定し そして電気出力信号を与えるための電子測定回路も含んでなり、このシステムが さらに該出力信号を増幅しそして増幅された出力信号を与えるための増幅器およ び該増幅器と連結されているスピーカも含んでなるシステムも提供する。 流体流波の測定を基にしたマイクロホンを圧力波測定を基にしたマイクロホン と組み合わせて有利に使用することができる。このタイプの配置で、音響信号の 流波および圧力波の両者を測定することができ、その結果として大きさだけでな く伝搬する音響信号の絶対的伝搬方向も測定することができる。 マイクロホンとしての流体流測定装置の使用および流体流測定を基にしたマイ クロホンを含んでなるシステムの有利な態様は従属請求の範囲により定義されて いる。 本発明を以下で添付図面を参照しながら説明するが、そこには本発明に従うマ イクロホンの好適な態様が示されておりそしてそれらは本発明を説明するための ものであり後者の限定を意図するものではない。 図面において、 図１ａは流体流測定を基にしたマイクロホンの側面図を示し、 図１ｂは図１ａに従うマイクロホン中で生ずる温度概要を距離ｘの関数として 示し、 図１ｃは図１ａに従うマイクロホンの数個の部品の温度概要を流体の速度ｖの 関数として示し、 図１ｄは本発明に従うマイクロホンの別の態様を示し、 図１ｅは異なる流体流に関する図１ｄに従うマイクロホン中で生ずるいくつか の温度概要を示し、 図２ａは図１ａに従うマイクロホンの図式的な上面図であり、 図２ｂは図１ａのマイクロホンにより測定された音波に典型的な電気信号発生 用の電気ブリッジ回路を示し、 図３は音波発生用の回路の図式的な表示を示し、 図４ａ−４ｄは本発明に従うマイクロホンにより音波を電気信号に変換させる ための数種の別の電気回路を示す。 図１ａは溝１を通る流体流２の数種のパラメーターの測定用の設定例を示す。 例えば気体の物理的パラメーター、例えば気体密度、静止流の場合の流の大きさ 、などの測定に関するそのような設定はそれ自体既知である。流体流センサに関 すると、図１ａに従う設定は既知の熱風速計原理を基にしている。この設定は加 熱要素Ｈおよび２つのセンサＳ１、Ｓ２を含んでなる。加熱要素Ｈおよび２つの センサＳ１、Ｓ２の両者は溝１の中に置かれ、その中に流体流２が供給される。 加熱要素Ｈの幅は２Ｌである。センサＳ１は加熱要素Ｈから距離ｘ_m1のところに 置かれており、そしてセンサＳ２はセンサＳ１と向かい合って加熱要素Ｈから距 離ｘ_m2のところに置かれている。加熱要素ＨとセンサＳ１との間の間隔は照合記 号ｒ１により、そして加熱要素ＨとセンサＳ２との間の間隔はｒ２により示され ている。測定を簡単にするために、２つのセンサＳ１、Ｓ２は各々加熱要素Ｈの 中心から同じ距離に置くことができる。センサ Ｓ１、Ｓ２および加熱要素Ｈは図１ａのように一線の中に置かれていなくてもよ い。溝１が存在することも必要ない。幾何学的構造は所望する出力信号により選 択することができる。従来の圧力波マイクロホンの場合と同様な方法で、用途に 応じた流波信号と電気信号との間の所望する関係を得るための幾何学的構造を使 用することができる。 使用中には、加熱要素Ｈは外部のエネルギー源（図１ａには示されていない） により加熱される。２つのセンサＳ１、Ｓ２の温度は個別に測定される。 図１ｂは溝の中の温度変化を加熱要素Ｈの中心からの距離ｘの関数として示す 。温度Ｔは全加熱要素Ｈにわたり一定であり、従って位置ｘ＝−Ｌとｘ＝Ｌとの 間で一定である。図１ｂ中の曲線は溝１の中に流体流がない状態に関する温度Ｔ の変化を距離ｘの関数として示す。この場合、溝１の中の温度Ｔの変化のパター ンは加熱要素Ｈの中間点に関して対称的である。 既知のように、加熱要素Ｈからその周囲への熱移送は対流、照射および／また は伝導により起きる。図１ｂ中の曲線ａに関する状態では、流体流２が存在しな いため対流は０である。 図１ｂ中の曲線ｂおよびｃは流体流２の種々の流速に関する温度Ｔの種々の変 化を距離ｘの関数として示す。２本の曲線ｂおよびｃに関しては、流体流２は図 １ａの右に向いている。従って、対流の結果は右にだけ向くためにセンサＳ１に おける温度はセンサＳ２におけるものより低い。 図１ｃはセンサＳ１およびセンサＳ２の加熱要素Ｈの温度を流体流２の速度ｖ の関数として示す。図１ｃに関しても、正の速度ｖが図１ａ中 の右に向かう流体流２に相当する。図１ｃでは、Ｔｈは加熱要素Ｈの温度を示し 、Ｔ１はセンサＳ１の温度を示し、Ｔ２はセンサＳ２の温度を示し、そして△Ｔ はセンサＳ２とＳ１の温度間の差を示し、従って△Ｔ＝Ｔ２−Ｔ１である。 加熱要素Ｈの周りのセンサＳ１およびＳの対称的な配置に関しては、Ｔｈ（ｖ ）に関して引かれた曲線はＴ軸の周りで対称的でありそして△Ｔ（ｖ）は原点に 関して対称的である。センサＳ１およびＳ２の温度を測定することにより流体流 ２の速度ｖを明確に測定できることが図１ｃからわかる。図１ｃ中の曲線の正確 な形状は加熱要素Ｈにより発生した熱並びに伝導および照射の結果としての熱移 送に依存しており、従って目盛り付けが必要である。 図２ａに従う配置でもセンサＳ１およびＳ２を加熱できることが観察される。 もちろん、その場合には図１ｂおよび１ｃに示されたもの以外の温度概要が生ず るがこれらの他の温度概要も溝１の中の流体流２を明確に規定するであろう。 図１ｄは本発明に従うマイクロホンの別の態様を示す。図１ａに示されている ２つのセンサＳ１およびＳ２を伴う１つの加熱要素の適用の代わりに、マイクロ ホンは２つのセンサＳ１およびＳ２だけの適用を基にしていてもよいが、センサ Ｓ１、Ｓ２の少なくとも１つが流体流２の温度に比例して加熱される必要がある 。 図１ｅは図１ｄに従う配置で生ずる３つの温度概要を示す。図１ｅ中の曲線ａ は流体流が存在しない平衡状態を表す。曲線ａに関しては、センサＳ１およびセ ンサＳ２の両者が同じ程度まで加熱されると仮定されるが、このことは厳密に必 要ではない。センサＳ１およびＳ２が異なっ て加熱される時でも、マイクロホンを目盛り付けできる明確に規定された曲線が 存在する。曲線ｂは流体流２が右に、すなわちセンサＳ１からセンサＳ２に、向 かう時の状態を表す。すると、流体流が熱をセンサＳ１からセンサＳ２に移送す るためセンサＳ１は流体流２によりさらに冷却される。曲線ｃは流体流２が反対 方向に、すなわちセンサＳ２からセンサＳ１に、向いた状態を表す。図１ｄに従 う配置は図１ａに従う配置より良好な可聴範囲の高周波数性能を有すると予期さ れる。しかしながら、図１ａに従う配置は２つのセンサが使用されるため最も感 度の良いものである。 図１ｄに従う配置では、センサＳ１またはセンサＳ２の加熱を省略してもよい 。この配置はセンサＳ１またはＳ２の１つだけが加熱されそして他方が非加熱セ ンサとして使用される時にも適切に作動する。そのような後者の配置では、加熱 された要素はセンサとして使用する必要はなく、すなわち要素Ｓ１またはＳ２の １つだけの（変動する）出力信号を検知しそして他方の要素を加熱器として使用 することで十分である。この状態は図１ｄでは「Ｈ／Ｓ２」により示されており 、最も右の要素がセンサＳ２、加熱要素Ｈ、または両者であることを意味する。 図２ａは図１ａに従う流体流の実施態様の上面図を示す。このセンサに関する それ以上のデータは、例えば、T.S.J.Lammerink，et al.，Micro-liquid flow s ensor，Sensors and Actuators A，38-18（1993）45-50 に示されている。溝１ は３００μｍ厚さのシリコーンディスク上に配置することができる。溝１の高さ （図１ａ中に側面で示されている）は例えば２５０μｍであるが、溝１の幅（図 ２ａ中に見られる）は例えば１０００μｍである。加熱要素Ｈ並びに２つのセン サＳ１およびＳ２ は好適には上部に金属層が蒸着されている例えば１μｍの厚さを有する薄いＳｉ Ｎ片からなる。該金属層は例えば２００ナノメートルの厚さを有するＣｒＡｕの 層を含んでなることができる。しかしながら、他の材料、例えばｐｎ接合、も可 能である。互いの上部に積層された複数の金属層も可能である。加熱要素Ｈ並び に２つのセンサＳ１およびＳ２はこのようにして溝１の中に自由に浮かんでいる 予め決められた抵抗値の片を含んでなる。該抵抗値は図２ａにそれぞれ抵抗要素 Ｈ、温度センサＳ１および温度センサＳ２に関して文字Ｒｈ、ＲｕおよびＲｄに より示されている。図２ｂを参照して説明されているように、抵抗片Ｒ１および Ｒ２は電子測定ブリッジを形成するように配置されている。 抵抗Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｄ、Ｒ１およびＲ２の各々は適当に選択された寸法の伝導 性連結パッドにより外部手段と連結することができる。 加熱要素Ｈを予め決められた加熱電圧に連結するかまたはそれに予め決められ た加熱電流を与えることにより、該要素は熱を発生するであろう。センサＳ１お よびＳ２の抵抗値ＲｕおよびＲｄはそれぞれ該センサの温度に依存するため、抵 抗ＲｕおよびＲｄの測定がセンサＳ１およびＳ２の温度に関する直接的な測定で ある。 図２ｂは出力電圧△Ｕｏを発生できるような方法での図２ａに従う流体流の連 結用の電気回路の線図を示し、その出力電圧が図２ａに従う流体流上に供給され る音響信号に関する直接的な測定である。従って、図２ｂは図２ａに従う装置と 連結されてマイクロホンを与える時に適する電気回路を示す。図２ｂに従う回路 では、連結パッド７は加熱電圧Ｕｈと連結されているが、連結パッド４は接地さ れている。抵抗Ｒｕは連結パッド３と４との間に置かれているが、抵抗Ｒｄは連 結パッド５と４と の間に置かれている。抵抗器Ｒ３、Ｒ５およびＲ４を含んでなる回路シリーズは 連結パッド３と５との間に配置されている。抵抗器Ｒ５は、抵抗Ｒｕ、Ｒｄ、Ｒ ３、Ｒ５およびＲ４からなる測定ブリッジ用の設定電圧Ｕｂを連結することがで きる接合を有する可変抵抗器である。連結パッド８はコンデンサＣ１と連結され ておりそして連結パッド６はコンデンサＣ２と連結されている。作動中にそれぞ れセンサＳ１およびＳ２の抵抗値ＲｕおよびＲｄに依存する出力電圧△Ｕｏが図 ２ｂに従う回路の出力において生ずる。該出力電圧△Ｕｏは抵抗ＲｕおよびＲｄ の抵抗変化のそしてその結果としてセンサＳ１およびＳ２の温度差変化の関数で ある。コンデンサＣ１およびＣ２の使用の結果として、図２ｂに従う回路は電圧 変化の測定用にだけ適しておりそしてセンサＳ１とＳ２との間の連続的な電圧差 の測定用には適していない。換言すると、図２ｂに従う回路は溝１を通る流体流 ２の大きさの変化を測定するために適している。もちろん、コンデンサＣ１およ びＣ２の代わりに他のハイパスフィルター(high pass filter)を使用することも できる。 図２ａ中の装置では、流体流の大きさの変化がまずセンサＳ１およびＳ２の温 度差変化に変換される。この変換段階により、センサＳ１、Ｓ２と加熱要素Ｈと の間の開放間隔ｒ１、ｒ２が大きすぎない場合にのみ流体流中の変化速度を適切 に測定することができる。選択される間隔ｒ１、ｒ２が大きすぎると、流体流２ 中の高周波数変化はセンサＳ１およびＳ２における検知可能な温度差変化をほと んど生じないであろう。しかしながら、逆に、選択される間隔が非常に小さいと 、流体流２の大きさの変化はセンサＳ１およびＳ２の温度における容易に検知可 能な変化を生ずるであろう。 次に可聴範囲内の周波数用のマイクロホンとして適する図２ａに示された装置 を製造するためには、可聴範囲内の周波数を有する流体流２の大きさの変化を容 易に検知できなければならない。実際に製造されたマイクロホンでは、センサＳ １およびＳ２と加熱要素Ｈとの間の開放間隔ｒ１、ｒ２は各々４０μｍであった 。可聴範囲用のマイクロホンとして適用できるようにするためには、開放間隔は 好適には３００μｍより小さい。図２ｂに従う電気回路を使用すると、このマイ クロホンで少なくとも１０ｋＨｚまでの非常に高い周波数までの音波を検知する ことができ、良好な信号対雑音比が見られた。 図２ａに従う流体流センサを基にしたマイクロホンの他の利点は、減衰なしで 音波の低周波数もこのマイクロホンで測定できることである。従来の圧力マイク ロホンは音波の低周波数にはほとんど全く対応せず、そしてその結果としてこれ らを減衰して再生する。 図３は増幅器９およびそれと連結されたスピーカー１０を図式的に示しており 、それを用いると出力信号△Ｕｏを増幅された音響信号に変換させることができ る。流体流測定を基にしたマイクロホンは１／ｆ特性（ｆは可聴波の周波数であ る）を示すため、増幅器９は好適には線状のｆ特性を示し、すなわち換言すると 第一順序性能を示す。 図２ｂに示された抵抗に関する公称値は、例えば、以下の通りである：Ｒｈ＝ ８００Ｑ、Ｒｕ＝Ｒｄ＝３３００Ｑ、Ｒ１＝Ｒ２＝７２５Ｑ、Ｒ３＝Ｒ４＝３３ ００ＱおよびＲ５＝１００Ｑ。Ｒｈ、Ｒｕ、およびＲｄの他の値が可能である。 好適には、Ｒｈ、Ｒｕ、およびＲｄの抵抗値は２０−５０００Ｑの範囲内である 。 図２ｂはセンサＳ１およびＳ２の温度変化を電気的に測定できる電気 回路の単なる１つの説明用の態様であることは当技術の専門家には明らかであろ う。以下で図４ａ−４ｄを参照しながら説明されているように、他の電気回路も 可能である。唯一の必須特徴は、センサＳ１およびＳ２の温度差変化が適当な電 気回路により交流電圧に変換され、その周波数がそれぞれセンサＳ１およびＳ２ の温度Ｔ１およびＴ２の温度変化における周波数に対応することである。図２ａ に従う配置では、図２ｂに従うブリッジ配置の一部を形成する抵抗器Ｒ１および Ｒ２もマイクロホン中に一体化されている。しかしながら、これはそのようでな くてもよい。それらを完全に省略することもでき、すなわちＲ１＝Ｒ２＝０Ｑで あってもよい。他方では、抵抗器Ｒ３、Ｒ５およびＲ４（図２）を一体化するこ ともできる。もちろん、該抵抗器Ｒ１〜Ｒ５はそれらの抵抗値に影響を与えない ような加熱要素Ｈからの距離に配置されなければならない。 図４ａ−４ｄは抵抗器ＲｕおよびＲｄの抵抗変化を変動する電気信号に、すな わち変動する電流または変動する電圧に、変換させるための幾つかの別の電気回 路を示す。 図４ａ−４ｄの別の電気回路の各々はウィドラー電流ミラー(Widler current mirror)すなわち「機械装置」を基にしており、その中で抵抗器Ｒｕはエミッタ 抵抗器としてトランジスタＴ１と連結されており、その基部がそのコレクタと連 結されており、そして抵抗器Ｒｄはエミッタ抵抗器としてトランジスタＴ２と連 結されている。トランジスタＴ１およびＴ２の基部は互いに連結されている。 トランジスタＴ１のコレクタは図４ａに示されているように抵抗器Ｒ１１を通 って電源電圧Ｖｂとまたは図４ｂに示されているように電流源Ｉと連結できる。 図４ａの態様では、抵抗器Ｔ２のコレクタは抵抗器Ｒ １２を通って電源電圧Ｖｂと連結されている。図４ａに示されているように、出 力電圧ＶｏはトランジスタＴ２のコレクタと地面との間で得られる。 図４ｂに従う配置では、出力信号はトランジスタＴ２のコレクタ電流である。 しかしながら、抵抗器をトランジスタＴ２のコレクタに連結することにより図４ ｂの配置におけるＩｏを出力電圧中に移すことができる。 図４ｃはさらに別の電気回路を示すが、トランジスタＴ１、Ｔ２および抵抗器 Ｒｕ、Ｒｄの基本的な配置は変わらない。トランジスタＴ１のコレクタは抵抗器 すなわちＲ１３を通ってｐｎｐトランジスタＴ３のコレクタと連結されている。 トランジスタＴ３は図４ｃに示されているようにｐｎｐトランジスタＴ４と並び にエミッタ抵抗器Ｒ１１およびＲ１２を有するウィドラー電流ミラー構造と連結 されている。トランジスタＴ４のコレクタはトランジスタＴ２のコレクタと連結 されている。抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２は抵抗器Ｒｕ、Ｒｄのように流体流測定を基 にした別のマイクロホンのセンサであってもよい。或いは、組み合わされた抵抗 器ＲｕおよびＲ１２またはＲｄおよびＲ１１が流体流測定を基にしたマイクロホ ンの一部であってもよい。同様に、抵抗器Ｒｕ、Ｒｄ、Ｒ１１、またはＲ１２の いずれかが１つの加熱要素および１つのセンサだけを有するマイクロホンの一部 であってもよい（図１ｄ参照）。 図４ｄは抵抗器ＲｄおよびＲｕの抵抗変化を変動する電気信号に変換させるた めの回路を示し、そこでは３つのカスケード状のウィドラー電流ミラーが使用さ れる。第一の電流ミラーは図４ｂの電流ミラー配置と同じであり、その出力はト ランジスタＴ３、Ｔ４およびエミッタ抵抗器 Ｒ１１、Ｒ１２のｐｎｐウィドラー電流ミラーの入力と連結されている。後者の ｐｎｐウィドラー電流ミラーの出力はトランジスタＴ５、Ｔ６およびエミッタ抵 抗器Ｒ１５、Ｒ１６を含んでなるｎｐｎウィドラー電流ミラーの入力と連結され ている。トランジスタＴ６のコレクタ電流が回路の出力電流Ｉｏを与える。図４ ａ中の抵抗器Ｒ１２のように、抵抗器をトランジスタＴ６のコレクタと連結させ ることにより出力電流Ｉｏを出力電圧に変換させることができる。図４ｃに従う 配置中のように、抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１５、Ｒ１６は、単独でまたは互い に組み合わされて、流体流測定を基にしたマイクロホンの一部であることができ る。 図４ａ−４ｄに従う配置の利点は、それらが図２ｂのウィートストーンブリッ ジ構造より容易に作動しそしてより大きい許容範囲を有することである。 図４ａ−４ｄの回路は二極性トランジスタを含むように示されているがＭＯＳ ＦＥＴ類またはＪＦＥＴ類を代わりに使用してもよい。図４ａ−４ｄに従う回路 に関するさらに詳細な事項に関しては、読者は１９９５年６月２６日にストック ホルムのトランスデューサーズ’９５会議で発表されたH.E.de Bree，et al.，T he μ-Flown，a novel device measring acoustical flows"、発行されたH.E．d e Bree，"The Wheatstone Gadget，a simple circuit for measuring differen tial resistance variations"を参照のこと。 ２つ（もしくはそれ以上）の可変抵抗器Ｒｕ、Ｒｄの間の示差抵抗値を測定す るための図４ａ−４ｄの電気測定回路を他の構造で、すなわち抵抗器Ｒｕ、Ｒｄ が流体流測定を基にしたマイクロホンの一部でない構造で、使用することもでき る。 小さい寸法およびその低周波数感度のために、上記のマイクロホンは多くの興 味ある用途を与え、その一部を以下に挙げる。 １．非常に低い周波数に感応する小型マイクロホンの適用が要求される乱流の 測定用。本発明に従うマイクロホンはこれらの条件に合致する。 ２．本発明に従うマイクロホンは音響像形成（音響ホログラフィ）の分野にお いて適用できる。音響像形成は１列のマイクロホンにより音響範囲を測定する方 法である（例えば１２８×１２８の位置）。現在は、そのような方法は圧力マイ クロホンにより実施することができる。しかしながら、そのような圧力マイクロ ホンは高価であり、そしてさらに圧力マイクロホンは原則的に音響範囲に影響を 与える。ここに記載されたマイクロホンは圧力マイクロホンの価格の何分の１か の価格が予測される。さらに、本発明に従うマイクロホンは流体流測定を基にし ているため、それは測定しようとする音響範囲にほとんど影響を与えない。 ３．本発明に従うマイクロホンは例えば船舶の雑音発生を最少にするために使 用される水中聴音分野において使用できる。この目的のためには、水により変化 せず且つ５ｋＨｚまでの周波数範囲を示すマイクロホンが要求される。当技術の 専門家にそれ自体は既知である水と同じ音響インピーダンスを有するゲルの適用 により、本発明に従うマイクロホンを水に非感応性になるように構成してもよい 。 ４．本発明に従うマイクロホンは航空機中に有利に適用することができる。航 空機中で音波を測定するためには、現在は圧力波および流波の両者が測定される 。現在は、異なる位置において流波が圧力波から推測される。さらに、低周波数 （すなわち約１００Ｈｚ）ではこの方法は移相問題による誤差をもたらす。この 問題の解決法は、ここに記載された マイクロホンを用いて非常に容易に実施することができる１つの位置で体積流れ を測定することである。マイクロホンは約１００Ｈｚに非常に感応性であり、そ してマイクロホンの寸法は体積流れを１つの位置で測定できるようなものである 。 ５．本発明に従うマイクロホンを使用して束管中の定常波を評価することがで きる。そのような分析では、材料の反射係数が定常波束管により測定される。し かしながら、これは複雑な方法であり、それを圧力マイクロホンと流体流測定を 基にしたマイクロホンの組み合わせにより簡単にすることができる。 ６．本発明に従うマイクロホンを１点において立体−測定を行うための一極マ イクロホンとして使用することができる。そのようなマイクロホンは「オープン ライン電話(open line telephone)」の中で有利に使用することができる。その ような電話は通貨および株の分野で使用される。これらはハンズフリー電話、す なわち受話器はないが室内に配置されたマイクロホンおよび大きなスピーカーを 含みながらスピーカー信号が決して抑制されないという特徴を有する電話、の１ 種である。ハンズフリー電話では、誰かがマイクロホンに話すや否や音響帰還を 避けるためにスピーカー信号が抑制される。一極マイクロホンを使用することに より、そのような音響帰還が避けられる。そのような一極は圧力マイクロホンお よび流体流測定を基にしたマイクロホンを組み合わせることによりそして両者の 出力信号を加えることにより実現される。 ７．本発明に従うマイクロホンは遷音速測定用に使用できる。プロペラおよび ターボファンモーターによる雑音の発生は風トンネルの中で音速近くの風速で試 験される。そのような試験中には、空気流が妨害され ないことが非常に重要である。音響圧力は１４０ｄＢＳＰＬの桁でありそして観 察される周波数は２ｋＨｚより下である。従って、ここに記載されたマイクロホ ンはそのような配置で使用するために非常に適する。本発明に従うマイクロホン は小さくそしてさらに音響圧力は非常に高いが、周波数は相対的に低い。原則的 には、測定は１−センサ−１−加熱器構造で行うことができる。 ８．本発明に従うマイクロホンを使用して航空機本体の音発散を測定すること ができる。できるだけ正確な測定を行うためには、できるだけ本体近くで行う必 要がある。先行技術に従う強度センサは大きすぎて実施することができない。し かしながら、流体流を基にしたマイクロホンおよび圧力マイクロホンの組み合わ せでそのような測定を実施することができる。 ９．音波は圧力波および流波により全体的に測定される。従って、圧力マイク ロホンおよび流体流測定を基にしたマイクロホンの組み合わせにより音波を正確 に測定することができる。従って、そのような組み合わせは抗−雑音システム中 の圧力マイクロホンだけの場合より良好なできるだけ正確に音波を測定する可能 性を与える。 １０．音波の方向を例えば流体流測定を基にした３つの垂直マイクロホンおよ び１つの圧力マイクロホンにより測定することができる。好適には、そのような 配置では流体流測定を基にしたマイクロホンは１つだけの方向に感応性であるよ うに構成しなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 エルベンスペク， ミカエル・クルト オランダ・エヌエル−7558エイチエイ ヘ ンゲロ・パウルバンケンペンストラート４ (72)発明者 フルイトマン， ヨハネス・ヘルマヌス・ ヨゼフス オランダ・エヌエル−7531デイエツクス エンシエデ・ボルベルトホルスト７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの加熱要素（Ｈ）、この加熱要素（Ｈ）から第一の予め決め られた間隔（ｒ１）で配置された第一の温度センサ（Ｓ１）の温度（Ｔ１）に対 応する第一の電気信号発生用の少なくとも１つの第一の温度センサ（Ｓ１）を含 んでなる音波を検知するためのマイクロホンとしての流体流測定装置の使用であ って、この予め決められた第一の間隔（ｒ１）が３００μｍより小さいことを特 徴とする 使用。 ２．それぞれ加熱要素（Ｈ）および第一の温度センサ（Ｓ１）がそれぞれ加熱用 抵抗片（Ｒｈ）および第一の（Ｒｕ）センサ抵抗片により形成されており、これ らの片は音波がそれに沿って伝搬可能な予め決められた高さおよび幅を有する溝 （１）の中にある距離だけ離れて配置されている、請求の範囲第１項に記載のマ イクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ３．予め決められた第一の間隔（ｒ１）が５０μｍより小さい、請求の範囲第１ 項または第２項に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ４．温度センサ（Ｓ１）も操作中に加熱される、前記請求の範囲のいずれかに記 載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ５．加熱要素（Ｈ）が第二の温度センサ（Ｓ２）の温度（Ｔ２）に対応する第二 の電気信号発生用の第二の温度センサ（Ｓ２）として配置されている、前記請求 の範囲のいずれかに記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ６．第二の温度センサ（Ｓ２）が第二の温度センサ（Ｓ２）の温度（Ｔ２）に対 応する第二電気信号の発生用の加熱要素（Ｈ）から第二の予め 決められた間隔（ｒ２）で配置されて装備されており、この予め決められた第二 の間隔（ｒ２）が３００μｍより小さい、請求の範囲第１項−第４項のいずれか に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ７．第一の予め決められた間隔（ｒ１）が第二の予め決められた間隔（ｒ２）と 等しい、請求の範囲第６項に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用 。 ８．該第一の電気信号を測定しそして電気出力信号（△Ｕｏ；Ｖｏ；Ｉｏ）を与 えるための電子測定回路を含んでなる、請求の範囲第１項−第４項のいずれかに 記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 ９．該第一の電気信号および該第二の電気信号を測定しそして電気出力信号（△ Ｕｏ；Ｖｏ；Ｉｏ）を与えるための電子測定回路を含んでなる、請求の範囲第５ 項または第６項に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 １０．電子測定回路がブリッジ回路および該ブリッジ回路と連結されているハイ パスフィルター（Ｃ１、Ｃ２）を含んでなり、後者が設定電圧（Ｕｂ）と連結さ れており、第一のセンサ（Ｓ１）が第一の温度依存性抵抗器（Ｒｕ）でありそし て第二のセンサ（Ｓ２）が第二の温度依存性抵抗器（Ｒｄ）であり、該第一のお よび第二の温度依存性抵抗器（Ｒｕ、Ｒｄ）がブリッジの異なる分岐中に配置さ れている、請求の範囲第９項に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使 用。 １１．電子測定回路が電流ミラー配置で対になっている少なくとも１つの第一の トランジスタ（Ｔ１）および第二のトランジスタ（Ｔ２）を含んでなるウィドラ ー電流ミラー（「機械装置」）を含んでなり、第一のセンサ（Ｓ１）が第一の温 度依存性抵抗器（Ｒｕ）でありそして第二の センサ（Ｓ２）が第二の温度依存性抵抗器（Ｒｄ）であり、それぞれ該第一の温 度依存性抵抗器（Ｒｕ）および該第二の温度依存性抵抗器（Ｒｄ）がエミッタと してそれぞれ第一の（Ｔ１）および第二の（Ｔ２）トランジスタに連結されてい る、請求の範囲第９項に記載のマイクロホンとしての流体流測定装置の使用。 １２．少なくとも１つの加熱要素（Ｈ）、この加熱要素（Ｈ）から第一の予め決 められた間隔（ｒ１）で配置された第一の温度センサ（Ｓ１）の温度（Ｔ１）に 対応する第一の電気信号発生用の少なくとも１つの第一の温度センサ（Ｓ１）を 含んでなる音波を検知するための流体流測定装置を含むマイクロホンを含むシス テムであって、この予め決められた第一の間隔（ｒ１）が３００μｍより小さく 、マイクロホンが該第一の電気信号を測定しそして電気出力信号（△Ｕｏ；Ｖｏ ；Ｉｏ）を与えるための電子測定回路も含んでなり、このシステムがさらに該出 力信号を増幅しそして増幅された出力信号を与えるための増幅器（９）および該 増幅器（９）と連結されているスピーカも含んでなることを特徴とするシステム 。 １３．それぞれ加熱要素（Ｈ）および第一の温度センサ（Ｓ１）がそれぞれ加熱 用抵抗片（Ｒｈ）および第一の（Ｒｕ）センサ抵抗片により形成されており、こ れらの片は音波がそれに沿って伝搬可能な予め決められた高さおよび幅を有する 溝（１）の中にある距離だけ離れて配置されている、請求の範囲第１２項に記載 のシステム。 １４．予め決められた第一の間隔（ｒ１）が５０μｍより小さい、請求の範囲第 １２項または第１３項に記載のシステム。 １５．温度センサ（Ｓ１）も操作中に加熱される、請求の範囲第１２項 −第１４項のいずれかに記載のシステム。 １６．加熱要素（Ｈ）が第二の温度センサ（Ｓ２）の温度（Ｔ２）に対応する第 二の電気信号発生用の第二の温度センサ（Ｓ２）として配置されており、そして 該第二の電気信号を測定するための該電子測定回路も配置されている、請求の範 囲第１２項−第１５項のいずれかに記載のシステム。 １７．第二の温度センサ（Ｓ２）が第二の温度センサ（Ｓ２）の温度（Ｔ２）に 対応する第二の電気信号発生用の加熱要素（Ｈ）から第二の予め決められた間隔 （ｒ２）で配置されて装備されており、この予め決められた第二の間隔（ｒ２） が３００μｍより小さく、そして該第二の電気信号を測定するための該電子測定 回路も配置されている、請求の範囲第１２項−第１５項のいずれかに記載のシス テム。 １８．第一の予め決められた間隔（ｒ１）が第二の予め決められた間隔（ｒ２） に等しい、請求の範囲第１７項に記載のシステム。 １９．電子測定回路がブリッジ回路および該ブリッジ回路と連結されているハイ パスフィルター（Ｃ１、Ｃ２）を含んでなり、後者が設定電圧（Ｕｂ）と連結さ れており、第一のセンサ（Ｓ１）が第一の温度依存性抵抗器（Ｒｕ）でありそし て第二のセンサ（Ｓ２）が第二の温度依存性抵抗器（Ｒｄ）であり、該第一のお よび第二の温度依存性抵抗器（Ｒｕ、Ｒｄ）がブリッジの異なる分岐中に配置さ れている、請求の範囲第１６項または第１７項に記載のシステム。 ２０．電子測定回路が電流ミラー配置で対になっている少なくとも１つの第一の トランジスタ（Ｔ１）および第二のトランジスタ（Ｔ２）を含んでなるウィドラ ー電流ミラーを含んでなり、第一のセンサ（Ｓ１）が 第一の温度依存性抵抗器（Ｒｕ）でありそして第二のセンサ（Ｓ２）が第二の温 度依存性抵抗器（Ｒｄ）であり、それぞれ該第一の温度依存性抵抗器（Ｒｕ）お よび該第二の温度依存性抵抗器（Ｒｄ）がエミッタとしてそれぞれ第一の（Ｔ１ ）および第二の（Ｔ２）トランジスタに連結されている、請求の範囲第１６項ま たは第１７項に記載のシステム。 ２１．圧力測定装置を含んでなる第一のマイクロホンと、少なくとも１つの加熱 要素（Ｈ）、この加熱要素（Ｈ）から第一の予め決められた間隔（ｒ１）で配置 された第一の温度センサ（Ｓ１）の温度（Ｔ１）に対応する第一の電気信号発生 用の少なくとも１つの第一の温度センサ（Ｓ１）を含んでなり、ここでこの予め 決められた第一の間隔（ｒ１）が３００μｍより小さい音波を検知するためのマ イクロホンとの組み合わせ。 ２２．電子測定回路が電流ミラー配置で対になっている少なくとも第一のトラン ジスタ（Ｔ１）および第二のトランジスタ（Ｔ２）、エミッタ抵抗器として該第 一のトランジスタ（Ｔ１）と連結されている第一の抵抗器（Ｒｕ）並びにエミッ タ抵抗器として該第二のトランジスタ（Ｔ２）と連結されている第二の抵抗器（ Ｒｄ）を含んでなり、該第一の（Ｒｕ）および第二の（Ｒｄ）抵抗器の少なくと も１つが例えば温度依存性による可変抵抗値を有する、ウィドラー電流ミラー（ 「機械装置」）。