JPS5847026B2 - 音響放射変換器の較正方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的には変換器に関し、特に音響放射変換
器の較正方法に関するものである。

金属容器の探傷器として電気音響感知素子が広く使用さ
れている。

その最も簡単な形では、圧電素子が監視すべき媒質に音
響的に接続されていて、そこから出た電気信号が対象と
なっている媒質の状態を表わす。

例えば原子炉圧力容器の金属壁を監視する場合に、音響
放射変換器を受動的聴話装置として用い成長する傷から
出る雑音を検出することが提案されていた。

このような電気音響変換器は圧力容器の外壁に取り付け
られ、運転中、圧力容器の壁の状態を監視するために所
定位置に留まっている。

しかし、原子炉の運転に有益であるためには、種々の監
視周波数における音響放射変換器の感度は原子炉圧力容
器を表わす媒質により音響的に負荷された時に決定しな
ければならない。

このような較正を行なわないと、音響放射変換器により
与えられるデータは有意義なものとならない。

音響放射変換器の較正に使用される一つの方法では、音
響放射変換器の面を均一な伝送レスポンスを有する伝送
変換器の面に対して直結し、拡声器の方式で伝送変換器
を電気的に作動させ、その後、音響放射変換器の受信レ
スポンスが測定される。

しかし、原子炉における使用に向ける予定であった変換
器に適用した場合、この技術は、音場諸試験（ｆｉｅｌ
ｄ ｔｅ３ｔｓ）中に得た結果と一致しない結果を与え
る。

結果の不一致は、較正の間代表的な音響媒質により負荷
されていない変換器のために生じる。

音響放射変換器の較正に利用される別の方法は、変換器
を長くて細い棒に装着し、この棒をスパークが発生した
シミュレートされた音響放射パルスで励振することであ
る。

スパークが発生した音のインパルス的性質は最初の方法
でのものより原子炉で発生した雑音に近いが、この第二
の方法もまた最初の方法と同じ問題を有する傾向がある
。

即ち、音響負荷は使用中に経験するであろう実際の負荷
を表わさない。

上述した先行技術の問題は、音響放射変換器の感度を較
正する方法を提供することによりこの発明によって解決
される。

この発明を要約すると、一次標準変換器の感度が所定範
囲の周波数を越える選択された周波数において最初に決
定される。

次に標準変換器及び音響放射変換器は、音響放射変換器
が使用される媒質を表わす境界付き音響媒質と音響的に
連通した状態に置かれる。

ランダム音響白色雑音が音響媒質に伝送され、それによ
り多重モード残響音場（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｒｅｖｅ
ｒｂｅｒ −ａｎｔ ５ｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ）を確立
する。

また、標準変換器及び音響放射変換器の双方の出力レス
ポンスは所定の周波数範囲内の選択された周波数におい
て測定される。

次に、音響放射変換器の出力レスポンスが標準変換器の
出力レスポンスと比較され、音響放射変換器の感度を決
定する。

添付図面に例示したこの発明の推奨実施例を以下に説明
する。

音響放射変換器はその出力信号を一次標準変換器のそれ
に対して比較することにより較正される。

従って、一次標準変換器は音響放射変換器が較正される
前に較正しなければならない。

一次標準変換器は、その感度を正確に決定する技術を用
いて別個に較正されるべきである。

空気中及び液体中の使用のための電気音響変換器を較正
するために一般に利用されるこのような較正技術の一つ
は、相反較正技術である。

相反較正の主な利点は、変換器間の距離及び音響媒質の
密度以外の全ての基本測定量が電気的性質のものである
ため、測定可能な又は計算可能な音圧を生じさせる試み
の必要がないことである。

慣行の相反較正技術（第１図参照）は三つの変換器１０
，１２．１４の使用を必要とする。

その一つの１０は投射器としてだけ働きをし、１２は可
逆変換器であり投射器及び受信器の双方の働きをし、１
４は受信器としてだけの働きをする。

可逆であるためには、変換器は線形であり、受動的であ
り且つ両方向性でなければならない。

可逆変換器に対しては次の式が有効である。

ここで、Ｍは自由音場電圧感度、Ｓは伝送電流レスポン
ス、Ｊは相反パラメータ、ｄは変換器間の距離、ρは音
響媒質の密度、ｆは較正が行なわれる時の周波数である
。

音響受信のために使用される電気音響変換器の自由音場
電圧感度Ｍは、広がらない平面進行波中の自由音場音圧
に対する出力開放電圧の比として定義される。

周波数及び入射角は特定されねばならない。

音響放射のために使用される音響変換器の伝送電流レス
ポンスＳは、電気入力端子に流れる信号電流に基づき変
換器の有効中心から特定方向に１ｍの距離に現われる音
圧の比率として定義される。

慣行の相反較正に対しては三つの測定が必要である。

最初の測定においては、第１図Ａにおいて、投射器１０
が定電流１ｐで駆動され、受信器１２の開放電圧ｅＰＲ
が測定される。

駆動電流１ｐ及び開放電圧ｅ、□は次の式（１）を通じ
て関係づけられる。

ここで、ｄｏは投射器の送信電流レスポンスＳが特定さ
れる基準距離、りは変換器間の実際分離距離である。

第１図Ｂの第二の測定においては、投射器１゜が再び定
電流１ｐで駆動され、可逆変換器１４の開放電圧ｅＰ□
が測定される。

電流ｉｐ及び電圧ｅＰＴは式（２）を通じて関係づけら
れる。

式（１）及び（２）を組み合わせて式（３）が得られる
。

変速器１４は可逆的であるから、即ちＭＴ−ＪｏｓＴで
あるので、式（３）は である。

第１図Ｃの第三の測定では、可逆変換器１４は電流ＩＴ
で駆動され、受信器１２の開放電圧ｅＴＲが測定される
。

その結果、式（５）又は（６）を得る。ＭＨ，は一次標
準変換器１２の自由音場電圧感度である。

一次標準変換器１２は均一な受信対周波数レスポンスを
有するように選択されるべきである。

このレスポンスは作動媒質の音響負荷によって影響され
るべきでない。

このことは基本要件ではないが、音響放射変換器の比較
較正を簡単化する。

標準変換器の感度は時間に関して安定であるべきである
。

上述した特性を有する利用可能な変換器の一つは、天然
圧電結晶としてリチウム表面を用いるものである。

この標準変換器は非破壊性試験技術において周知であり
、また、商業的に入手できる。

駆動電流１は交流正弦曲線であり、周波数の範囲につい
て変化し、この周波数範囲に対して音響放射変換器を較
正することが望ましい。

原子炉設備で使用するために、監視目的のために十分で
あると分かった範囲は約１００ＫＨｚから約１．１ＭＨ
ｚである。

標準変換器１２の受信感度の測定は上述した広い周波数
範囲内の選択した周波数で起こる。

例えば、電流ｉは１０ＫＨｚの増分の場合に周波数の範
囲にわたって変化する。

上述したように、標準変換器１２の感度ＭＲは周波数の
全範囲にわたって実質的に一定であるべきである。

較正中、正弦曲線は図示しない手段により通過又は阻止
され、反射路により起こる望ましくない信号を排除する
。

第２図において、一次変換器１２の感度が所望の周波数
範囲にわたって一旦決定されると、標準変換器１２及び
較正が必要な音響放射変換器１８は境界付きの音響媒質
２０と音響的に連通した状態に配置され、実質的に均等
な音響負荷を音響放射変換器１８が使用されるべき媒質
に与える。

音響負荷は媒質により与えられる音響インピーダンスで
ある。

標準変換器１２及び音響放射変換器１８は例えば固体ス
チールブロック２０（音響媒質）に取り付けられる。

ブロック２０の三つの寸法の各々は予定した監視媒質で
ある原子炉圧力容器壁のおおよその厚ざに少なくとも匹
敵する。

原子炉圧力容器の壁厚に寸法が類似する他に、音響媒質
２０は、変換器１８の測定周波数レスポンスを妨げない
機械的共振を行なうように構成されている。

音響媒質、即ちブロック２０は残響室として作用するよ
うに設計されている。

このことは、ブロック２０が多くの、密に間を置いた機
械的共振を行なって、他よりも力のある共振は存在せづ
、また音響音場は一様でありブロック２０内の全ての点
で拡散されることを意味している。

このような残響室を設計する場合に重要なことは、ブロ
ックの寸法を偶倍数（ｉｎ ｅｖｅｎ ｍｕｌｔｉｐｌ
ｅｓ）に比例させないでブロック２０の正規モードが好
ましい周波数の周囲に集まるのを防止することである。

°゛１”′対”２の立方根対”４の立方根”のような比
例した寸法を有する矩形ブロックは所望の性能を与える
ことが分かつていた。

このような寸法を有する矩形ブロック２０の一例は２５
．４ＣＩｆＬ（１０ｉｎ）、２０．１９３ｃＩｒＬ（７
，９５ｉ ｎ ）及び１６．００２ｃＩＩＬ（６，３０
ｉ ｎ ）の寸法を有するブロックである。

これ等の寸法に従って構成したブロック２０は上述した
周波数範囲、即ち１００ＫＨｚ〜１、１ ＭＨｚに対し
で満足すべきものである。

予定した媒質に近い他に、このようなブロック２０の使
用は標準変換器１２及び音響放射変換器１８が互いに接
近して装着されることを可能にし、これ等の変換器はお
よそ同じ音響信号レベルを受信する。

実験データは、ブロック２０上の任意の三位置間の感度
差は１ｄＢより小さいことを示している。

また、存在する定在波の数は十分に多く、上述した周波
数範囲内において有効な結果が得られる。

ブロック２０には更に、音響ランダム白色雑音をブロッ
ク２０中に伝送する手段２２が接続されている。

ランダム白色雑音は原子炉運転中に存在する暗騒音に近
づくために使用され、また、拡散音場レスポンス（ｄｉ
ｆｆｕｓｅ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）をもたら
す。

例えば、ランダム白色雑音の電子的発生器２４をブロッ
ク２０に音響的に結合された伝送電気音響変換器１６に
接続することができる。

この利用の場合に使用されるように、ランダム白色雑音
は、統計的に振幅分布がガウス分布に従う振動からなる
ものとして定義され、この振動はまた周波数の関数とし
て一定である単位帯域幅比当りの実効信号振幅（ｒｏｏ
ｔ ｍｅａｎ ５ｑｕａｒｅ ｓｉｇｎａｌ ａｍｐｌ
ｉｔｕｄｅ ｐｅｒ ｕｎｉｔ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
ｒａｔ ｉｏ）を有する。

音響変換器１８及び標準変換器１２にはスペクトル分析
器２６及びＸ−Ｙ記録計器のような記録計器２８が接続
されている。

第３図は電気信号の流れを示す図である。

ランダム白色雑音発生器２４は信号を境界付きの音響媒
質２０に伝送すると共に、周波数励振帯内にある媒質の
共振の全てを効果的に起させる。

スペクトル分析器２６は所定の選択された帯域幅内にあ
る信号を通過させるように設定される。

原子炉について使用するように計画した音響放射変換器
１８の較正のために、１０ＫＨｚの帯域幅は変換器共振
の性質を十分に詳細に説明する。

この１０ＫＨｚの帯域幅は、音響放射共振の帯域幅より
狭いと同時に、ブロック２０内の多数の共振定在波が占
める帯域幅より広いので、較正を有効なものにする。

従って、スペクトル分析器は、１００ＫＨ２から１、１
ＭＨｚの周波数範囲内のどこかにある周波数を中心と
した１０ＫＨｚの帯域幅内の信号だけを通すように設定
できる。

Ｘ−Ｙ記録計器２８は音響放射変換器１８及び標準変換
器１２の双方からのスペクトル分析器出力の大きさを周
波数の関数として記録し、それにより測定スペクトルの
グラフ表示を得る。

装置の作動は次の通りである。

スペクトル分析器２６の帯域幅は１０ＫＨｚに等しく設
定される。

スイッチ３０及び３２が標準変換器１２に対して回路を
閉じる。

次に、スペクトル分析器２６の中心周波数は１００ＫＨ
ｚから１．１ ＭＨｚまで連続的に掃引される。

スペクトル分析器２６は所定帯域幅（１０ＫＨｚ）内の
レスポンスだけが記録計器２８へ通過するのを許容され
、レスポンスは記録計器において縦軸又は′Ｙ′′軸に
記録される。

また、スペクトル分析器２６は中心周波数の値に比例す
る電圧信号を記録計器２８に伝送し、その横軸又は″′
Ｘパ軸に電圧信号が記録される。

このように記録計器２８は標準変換器１２により測定さ
れた音響スペクトルを座標に記入する。

次に、スイッチ３０及び３２は音響放射変換器１８に対
して回路を関じる。

上述した測定手順を繰り返せば、音響放射変換器１８に
より測定された音響スペクトルのグラフが記録計器２８
に得られる。

第４図は標準変換器１２及び音響放射変換器１８に対す
る代表的レスポンス曲線（それぞれ文字Ａ及びＢで明示
した）を示す。

第４図に示したような標準変換器１２及び音響放射変換
器１８の双方の出力レスポンスの絶対値は利用しない。

この絶対値は予定した範囲内にあって記録可能な出力を
与え、また、ランダム白色雑音発生器２４の出力に依存
している。

利用されるものは二つの曲線間の相対的な差である。

標準変換器１２の出力レスポンスＡは相反較正によって
予め決定した変換器１２の受信感度と等しくされる。

等しくすることによって、曲線Ａ上の全ての点が感度Ｍ
Ｒ，に等しくなる。

音響放射変換器１８の受信感度は、そのレスポンス曲線
Ｂが特定の周波数において標準変換器のレスポンス曲線
Ａと異なるデシベルの数を先ず測定し、次にこのデシベ
ル差を同じ特定周波数における標準変換器１２の絶対感
度に対して加算又は減算することにより決定される。

標準変換器１２及び音響放射変換器１８の受信感度はボ
ルト／マイクロバールに関係したデシベルの単位で表わ
される（マイクロバールは０．１ニユートン／４２に等
しい圧力単位である）。

一例として、相反較正技術により決定したような標準変
換器１２の絶対受信感度が関係周波数範囲を通じて一１
２４ｄＢであったと仮定する。

そうすれば、５００ＫＨ２において、音響放射変換器１
８のレスポンス曲線Ｂは第４図に示すように標準変換器
１２のレスポンス曲線Ａより３３ ｄＢ上にある。

従って、音響放射変換器１８に対する受信感度は一１２
４ｄＢ＋３３ｄＢ−−９１ｄＢとなる。

同様の比較を関係全周波数範囲にわたって１０ＫＨｚの
間隔又は所望ならば他の間隔で行ない、音響放射変換器
１８の受信感度の較正を得る。

従って、この発明は音響放射変換器の受信感度を較正す
る方法を提供し、音響放射変換器が原子炉圧力容器壁に
おける成長傷を検出する受動的監視装置として利用され
ることを可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は標準変換器の受信感度を決定する相反方法を説
明する略図、第２図は較正中の各変換器の配置を示す略
図、第３図はこの発明に関連した信号伝送路の略図、第
４図は較正中に得た代表的出力レスポンスを示すグラフ
である。 図中、１２は標準変換器、１８は音響放射変換器、２０
は音響媒質、２４はランダム白色雑音発生器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 与えられた利用の場合に所定範囲内の周波数内で作
   動するように音響放射変換器を較正するために、前記周
   波数範囲内の選択された周波数で標準変換器の絶対受信
   感度を決定し；前記標準変換器及び前記音響放射変換器
   を、音響放射変換器がその与えられた利用の場合に使用
   される境界付きの音響媒質に対する実質的に均等な音響
   負荷中に存在するこの媒質の表面と音響的に連通した状
   態に置き；音響ランダム白色雑音を前記音響媒質中に伝
   送して残響拡散音場を確立し；前記周波数範囲内の選択
   された各種周波数において残響拡散音場に対する前記標
   準変換器及び前記音響放射変換器の出力レスポンスを得
   て：前記音響放射変換器の出力レスポンスを前記標準変
   換器の出力レスポンスと比較し前記音響放射変換器の受
   信感度を決定する音響放射変換器の較正方法。