JPS61148313A - Acoustic type micrometer - Google Patents
Acoustic type micrometerInfo
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- JPS61148313A JPS61148313A JP27079484A JP27079484A JPS61148313A JP S61148313 A JPS61148313 A JP S61148313A JP 27079484 A JP27079484 A JP 27079484A JP 27079484 A JP27079484 A JP 27079484A JP S61148313 A JPS61148313 A JP S61148313A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、音響管の一端に向い合せて被測定物体を置い
たとき、その管端の音響インピーダンスが物体表面との
距離によって鋭敏に変化することを利用した、音響式の
微小変位計に係わる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is an acoustic method that utilizes the fact that when an object to be measured is placed facing one end of an acoustic tube, the acoustic impedance of the tube end changes sharply depending on the distance from the object surface. It is related to the minute displacement meter of the formula.
物体表面との微小距離を非接触で測定する手段として、
従来空気式マイクロ、メータが多用されている。これは
連続的に空気を噴出するノズルの流れ抵抗が、ノズルに
正対する物体表面との距離に応じて変化することを利用
するもので、通常この距離の変化は空気流量の変化もし
くはノズル背圧の変化として検知される。As a means of measuring minute distances to the surface of an object without contact,
Conventionally, pneumatic micrometers and meters have been widely used. This takes advantage of the fact that the flow resistance of a nozzle that continuously jets air changes depending on the distance from the object surface directly facing the nozzle. Usually, changes in this distance are caused by changes in air flow rate or nozzle back pressure. is detected as a change in
この空気式マイクロメータは、製造された物品と標準と
なるマスターの物品との寸法差を測定する。いわゆる比
較測定機の一つとして工業的に重要なものである。しか
しながら空気式マイクロメータは空気圧の供給設備を必
要とし、手軽にどこでも使用するというわけにはいかな
い、さらにエアフィルタの交換やドレン抜きなどの保守
の手間もかかる。また通常数分の一気圧から数気圧の圧
力を用いてノズルから高速で空気を噴出させているので
、小さい物体や軽い物体は動いてしまって測定できない
という欠点もある。This pneumatic micrometer measures the dimensional difference between a manufactured article and a standard master article. It is industrially important as one of the so-called comparative measuring instruments. However, pneumatic micrometers require air pressure supply equipment, so they cannot be easily used everywhere, and furthermore, maintenance such as replacing air filters and draining drains is time-consuming. Additionally, because air is jetted out from the nozzle at high speed using pressures ranging from a fraction of an atmosphere to several atmospheres, there is also the drawback that small or light objects may move and cannot be measured.
本発明は、音響管の管端の音響インピーダンス変化を利
用するという新しい方法によって、従来方法におけるよ
うな欠点のない、音響式マイクロメータを提供するもの
である。音響インピーダンスは、流れ抵抗と異なり、一
般に実数部と虚数部からなる複素数で表わされる。また
この音響インピーダンスや音響管の特性は一般に周波数
の関数である。したがって本発明の音響式マイクロメー
タにおける物理現象は空気式マイクロメータのそれに比
較して一段と複雑である。しかしこのことは、別の観点
からすれば、より多様な測定手段をとりうることを意味
し、それによって種々の特有な効果を生ずるものである
。The present invention provides an acoustic micrometer that does not have the disadvantages of conventional methods by utilizing a new method of utilizing changes in acoustic impedance at the end of an acoustic tube. Unlike flow resistance, acoustic impedance is generally expressed as a complex number consisting of a real part and an imaginary part. Furthermore, the acoustic impedance and acoustic tube characteristics are generally a function of frequency. Therefore, the physical phenomena in the acoustic micrometer of the present invention are more complex than those in the pneumatic micrometer. However, from another point of view, this means that more diverse measurement means can be used, thereby producing various unique effects.
すなわち本発明の目的は、第1には、従来方式における
ような空気圧設備を要しない、可搬性のマイクロメータ
を提供することである。これは音源として使用するイア
ホンやスピーカーを始めとして、すべてが電気的に駆動
され、必要に応じて電池で動作させることが可能である
ことによる。That is, the first object of the present invention is to provide a portable micrometer that does not require pneumatic equipment as in conventional systems. This is because everything, including the earphones and speakers used as sound sources, is electrically driven and can be powered by batteries if necessary.
第2には、保守の手間のかからないマイクロメータを提
供することである。これはエアフィルタなどの保守を必
要とする部品や、目詰りを起しやすい細いノズル孔など
を使用しないことによる。The second objective is to provide a micrometer that requires no maintenance. This is because parts that require maintenance, such as air filters, and narrow nozzle holes that are prone to clogging are not used.
第3には、被測定物にほとんど力を与えないようなブイ
クロメータを提供することである0本発明のマイクロメ
ータで使用される音の圧力振幅はたかだか水柱10mm
(約100P&)程度であり、しかもそれは交番圧力な
ので、被測定物に加えられる静的な力はきわめて小さく
、たとえば液体表面の微小変位をほとんど擾乱を与える
ことなしに測定することも可能である。The third purpose is to provide a micrometer that applies almost no force to the object to be measured.The pressure amplitude of the sound used in the micrometer of the present invention is at most 10 mm of water column.
(approximately 100P&), and since it is an alternating pressure, the static force applied to the object to be measured is extremely small, and for example, it is possible to measure minute displacements of the liquid surface with almost no disturbance.
第4には、−木の音響管によって精粗二つの測定モード
が同時に行いうるようなマイクロメータを提供すること
である。これは音WVにおいて、周波数の異なった複数
個の共振状態が同時に共存しうることによって生ずる特
有の効果である。The fourth object is to provide a micrometer that can perform two measurement modes, fine and coarse, at the same time using a wooden acoustic tube. This is a unique effect caused by the simultaneous coexistence of a plurality of resonance states with different frequencies in the sound WV.
第5には、温度変化によって生ずる空気の粘性変化の影
響などを補償するようなマイクロメータを提供すること
である。これは音響管の共振周波数からそのときの気温
を知ることができることによるもので、これも音を利用
したことによる特有の効果である。A fifth object is to provide a micrometer that compensates for the effects of changes in air viscosity caused by changes in temperature. This is because the temperature at that time can be determined from the resonant frequency of the acoustic tube, and this is also a unique effect of using sound.
第6には、構造が簡単で製作コストが安いマイクロメー
タを提供することである0本発明の音響式マイクロメー
タにおいては、音響管の測定端を除いては、精密な加工
を必要とする部分はなにもない、また電子回路も通常市
販されている部品を用いて容易に構成される。これらの
理由によって、本発明のマイクロメータは、従来の空気
式マイクロメータにくらべて数分の−のコストで製造し
うるちのである。Sixth, it is to provide a micrometer with a simple structure and low manufacturing cost.In the acoustic micrometer of the present invention, except for the measurement end of the acoustic tube, there are no parts that require precision machining. There are no electronic circuits, and the electronic circuit can be easily constructed using commercially available parts. For these reasons, the micrometer of the present invention can be manufactured at a fraction of the cost of conventional pneumatic micrometers.
第1図において、lは長さL、内部の断面積Sの音響管
で、測定端には2ランジ2かつけられている。3は被測
定物体で、その表面はフランジ2とdなる距離のギャッ
プをへだてて正対している、4はイアホン等の出力音響
インピーダンスが比較的大きい音源であって、これは発
振器5からの正弦波電圧
gs(t ) =Esg””t(l)
によって駆動される。ここでtは時間、ωは角周波数を
表わし、馬は正弦波の振幅および位相の両方を表わす複
素振幅tある。また1=J:Tである。6は音響管1の
根元近くに設けられた音圧検出器のマイクロホンであり
、その出力は増幅器7によって増幅されて
etrL(t ) = E、g”” (2
)なる正弦波電圧となる。ここでE−士複素振幅で、一
般にωの関数である。8は整流平滑回路で、e。In FIG. 1, l is an acoustic tube of length L and internal cross-sectional area S, and two flange 2 are attached to the measuring end. Reference numeral 3 denotes an object to be measured, whose surface directly faces the flange 2 with a gap of distance d in between. It is driven by a wave voltage gs(t)=Esg""t(l). where t represents time, ω represents angular frequency, and horse has a complex amplitude t representing both the amplitude and phase of the sine wave. Also, 1=J:T. 6 is a microphone of a sound pressure detector installed near the base of the acoustic tube 1, and its output is amplified by an amplifier 7 to obtain etrL(t) = E, g"" (2
) becomes a sine wave voltage. where E is the complex amplitude, which is generally a function of ω. 8 is a rectifying and smoothing circuit; e.
(f)の振幅IE’mlに比例した大きさの直流出力E
を生ずる。9はEを表示するメータである。DC output E with a magnitude proportional to the amplitude IE'ml of (f)
will occur. 9 is a meter that displays E.
いまギャップ距離dを一定とし、ωを変えて周波数特性
G (ω) = E?Fl/ Es(3)をとってみる
と、dが非常に小さく測定端がほとんど閉じられている
場合には、音響管lは両端閉との状態となり、空気中の
音速をCとするとω2=πc/l
(4)およびその整数倍のωにおいて共振し、第
2図(a)に示すように、1G(ω)1はそれらの周波
数において共振のピークを呈する(2次以上の共振ピー
クは図示せず)、dを少し大きくすると、第2図(b)
のように、上記の共振のピークはほとんどなくなる。ざ
らにdを大きくした場合には、音響管lは、一端閉止、
他端開放の状態となり、第2図(C)に示すように、こ
んどは
ω、=πc/21 (5)およ
びその奇数倍のωにおいて共振のピークを生ずる。上式
のω、は(4)式のω2の1/2であるが、実際には開
放端におけるフランジなどの影響により、ω1はω2/
2より少し小さくなる。なおちにおけるピークは3次の
共振に対応し、ち++:3ω、である(5次以上の共振
ピークは図示せず)。Now, with the gap distance d constant and ω changed, the frequency characteristic G (ω) = E? Taking Fl/Es(3), if d is very small and the measurement end is almost closed, the acoustic tube l will be in a state where both ends are closed, and if the speed of sound in the air is C, then ω2 = πc/l
(4) and its integer multiple ω, and as shown in Figure 2(a), 1G(ω)1 exhibits resonance peaks at those frequencies (secondary and higher resonance peaks are not shown). ), if d is slightly increased, Fig. 2(b)
As in, the resonance peak mentioned above almost disappears. When d is roughly increased, the acoustic tube l is closed at one end,
The other end becomes open, and as shown in FIG. 2(C), a resonance peak occurs at ω, = πc/21 (5) and an odd multiple of ω. ω in the above equation is 1/2 of ω2 in equation (4), but in reality, due to the influence of the flange at the open end, ω1 becomes ω2/
It will be slightly smaller than 2. Note that the peak at 0 corresponds to third-order resonance, and is 3ω (resonance peaks of 5th and higher orders are not shown).
そこで発振器5の周波数をω=1に固定し、dを0から
大きくしていくと、第3図(a)に実線で示すように、
整流平滑回路の出力Eはdの増加とともに急速に減少し
、dが百分の数ミリになるとEはほとんどOとなる。す
なわちEの大きさからdを高感度で求めることができる
。つ、ぎにこんどはω=ω、に固定し、dをさらに大き
くしていくと、dが百分の数十ミリ離れたところで測定
端開放の共振状態になり、第3図(b)に実線で示すよ
うに、Eはdの増加とともに急速に増加し、この部分を
用いてdを測定することもできる。しかしながらこのと
きのEの増加の速さはω=%の場合よりゆるやかである
。Therefore, by fixing the frequency of the oscillator 5 to ω=1 and increasing d from 0, as shown by the solid line in Fig. 3(a),
The output E of the rectifying and smoothing circuit rapidly decreases as d increases, and when d becomes several hundredths of a millimeter, E becomes almost O. That is, d can be determined from the magnitude of E with high sensitivity. Next, if we fix ω = ω and further increase d, a resonance state with the measurement end open will occur when d is several tens of hundredths of a millimeter away, as shown in Figure 3 (b). As shown by the solid line, E increases rapidly as d increases, and this portion can also be used to measure d. However, the rate of increase in E in this case is slower than in the case where ω=%.
すなわちここで説明した実施例では二つの測定モードが
あり、その一つは測定端を物体表面に近付け、音響管を
測定端閉止の共振状態で用いる高感度のモードであり、
他の一つは測定端を物体表面から比較的離して、音響管
を測定端開放の共振状態で用いる低感度のモードである
。しかし低感度といっても、それは第一のモードに対す
る比較であって、マイクロメータとしては十分の感度で
ある。そして上記二つのモードのいずれを用いても微小
変位計を実現できる。なお第3図の点線はフランジ2を
大きくした場合の特性で、微小変位計としての感度は、
フランジの大きさや管の太さのどによって変えうること
を示すものである。That is, in the embodiment described here, there are two measurement modes, one of which is a high-sensitivity mode in which the measurement end is brought close to the object surface and the acoustic tube is in a resonant state with the measurement end closed.
The other is a low-sensitivity mode in which the measurement end is placed relatively far from the object surface and the acoustic tube is used in a resonant state with the measurement end open. However, even though the sensitivity is low, it is a comparison with the first mode, and the sensitivity is sufficient for a micrometer. A minute displacement meter can be realized using either of the above two modes. The dotted line in Figure 3 shows the characteristics when the flange 2 is made larger, and the sensitivity as a minute displacement meter is:
This shows that the size of the flange and the thickness of the pipe can be changed depending on the throat.
以上にのべたことがらを、もう少し定量的に説明すると
以下のようになる。A more quantitative explanation of what has been said above is as follows.
して出入りする空気の体積速度を my(t ) =
%ejbrt として、ギャップの音響インピーダン
スZ)= PI/ U、を考える。音響管1としては円
形断面のものに限らないが、ここでは内半径aの円管と
し、またフランジ2もどのような形のものであってもよ
いが、それを半径すの円形とし、それが音響管1の先端
に同心的につけられているとすると、上記のりはつぎの
ように表わされる。The volume velocity of air entering and exiting is my(t) =
Consider the acoustic impedance of the gap Z) = PI/U, as %ejbrt. The acoustic tube 1 is not limited to a circular cross section, but here it is a circular tube with an inner radius a, and the flange 2 may also be of any shape, but it is a circular tube with a radius of a. is attached concentrically to the tip of the acoustic tube 1, the above glue can be expressed as follows.
ここでηは空気の粘性係数、ρは空気の密度である。こ
の近似式は
ωρd2/η<40 (7)の
範囲内で成立つものであり、前述の測定端開放の低感度
モードの場合は、うをこの(6)式でとり扱いうる。ま
た測定端閉止の高感度モードの場合には
ωρd2/η< l (8)となる
が、この場合には(6)式の虚数部は無視できて
%’F (6η/ πdJ)In Cb/ a) (
9)と近似して差支えない。Here, η is the viscosity coefficient of air, and ρ is the density of air. This approximation formula holds true within the range of ωρd2/η<40 (7), and in the case of the aforementioned low sensitivity mode with the measurement end open, it can be handled by this formula (6). In addition, in the case of high sensitivity mode with the measurement end closed, ωρd2/η< l (8), but in this case, the imaginary part of equation (6) can be ignored and %'F (6η/ πdJ)In Cb/ a) (
9) may be approximated.
つぎに、音響管lの根元の内部の音圧をp<t> ==
p 、J’deとし、またその点での体積速度をU(
t)=UeJ”’として、根元から先端の測定端の方を
みたときの音響インピーダンスZ = P/Uを考える
と、一般に
と表わされる。ここでkは波数で
に=ω/c (11)である
。Next, the sound pressure inside the root of the acoustic tube l is p<t> ==
p , J'de, and the volume velocity at that point is U(
t) = UeJ"', and considering the acoustic impedance Z = P/U when looking from the measurement end from the root to the tip, it is generally expressed as where k is the wave number = ω/c (11) It is.
いま測定端開放の共振状態にあるとしてω=ω。Assuming that we are now in a resonant state with the measurement end open, ω = ω.
とすると、 (5)式よりkL=π/2となるから、上
式は
、?= Cp c/S)”/!1 (12)と
なる、この式の2.に(6)式を代入すると、dの増加
とともにlz、lが小さくなり、したがって1.?1が
増加することがわかる。音源4の出力音響インピーダン
スが大きく、したがってE71はlzIの大小にかかわ
らずほぼ一定であることを考え合せると、上記の(zl
の変化は、第3図(b)に示したdにょるEの変化にほ
ぼそのまま対応することになる。Then, from equation (5), kL=π/2, so the above equation becomes? = Cp c/S)"/!1 (12). Substituting equation (6) into 2. of this equation, lz and l become smaller as d increases, and therefore 1.?1 increases. Considering that the output acoustic impedance of the sound source 4 is large and therefore E71 is almost constant regardless of the magnitude of lzI, the above (zl
The change in d corresponds almost directly to the change in E due to d shown in FIG. 3(b).
(6)式においてd=ψとすればうはOとなるが、しか
し実際にはEは無限大にはならない、これは音響管1の
内部で音の減衰があることや、音源4の出力音響インピ
ーダンスが実際には有限であることなどによる。またd
があまり大きくなると(6)式の近似自体も成立たなく
なる。In equation (6), if d = ψ, E becomes O, but in reality, E does not become infinite. This is because there is sound attenuation inside the acoustic tube 1, and the output of the sound source 4. This is due to the fact that acoustic impedance is actually finite. Also d
If becomes too large, the approximation of equation (6) itself will no longer hold true.
測定端閉止の共振状態にある場合には、ωミω2とする
と、 (4)式よりkl=πとなるから、 (10)式
は
Z=Z、 (13)となる、
この場合、うは(9)式で表わされるから、Zはl /
d’に比例して変化する。したがってEもまたL /
djに比例して変化することになる。In the case of resonance with the measurement end closed, if ωmiω2, kl=π from equation (4), so equation (10) becomes Z=Z, (13),
In this case, Z is expressed by equation (9), so Z is l /
It changes in proportion to d'. Therefore, E is also L/
It will change in proportion to dj.
しかしd=oとしても、第3図(a)に示したように、
実際にはEが無限に大きくなることはない、これは測定
端開放の場合と同様に、音響管1の内部での音の減衰な
どの理由によるものである。However, even if d=o, as shown in Figure 3(a),
In reality, E does not become infinitely large, and this is due to reasons such as sound attenuation inside the acoustic tube 1, as in the case where the measurement end is open.
以上においては、音響管の共振周波数のうち最低次数の
ものを利用するとして説明したが、前述したように、測
定端開放の共振はω、の奇数倍の角周波数において、ま
た測定端閉止の共振はω2の整数倍の角周波数において
生じ、これらいずれの共振周波数を用いても、上と同様
にdの測定が可能である。ωを大きくすると、(7)式
あるいは(8)式の範囲を逸脱して、(6)式あるいは
(9)式の近似が成立たなくなることも生ずるが、その
場合はギャップの音響インピーダンス今がより複雑な形
式で表わされるだけであって、dの変化によってうが鋭
敏に変化し、したがって音響管内の共振状態が変化する
という本質的現象にはなんら変りはない、なおマイクロ
ホン6を音響管lの根元に接続するようにしたのは、測
定端が開放の場合も閉止の場合も、音響管lの根元は常
に音圧最大の場所となるからであって、マイクロホン出
力が小さくなることをいとわなければ、マイクロホンを
他の場所に接続しても差支えない。In the above explanation, we have explained that the lowest order resonance frequency of the acoustic tube is used, but as mentioned above, the resonance with the measurement end open occurs at an angular frequency that is an odd multiple of ω, and the resonance with the measurement end closed occurs at an angular frequency that is an integer multiple of ω2, and d can be measured in the same manner as above using any of these resonance frequencies. If ω is increased, the range of equations (7) or (8) may be exceeded, and the approximation of equations (6) or (9) may no longer hold, but in that case, the acoustic impedance of the gap now It is only expressed in a more complicated format, but there is no change in the essential phenomenon that the change in d causes a sharp change in the pores, and therefore the resonance state within the acoustic tube. The reason for connecting it to the base of the sound tube is that whether the measurement end is open or closed, the base of the acoustic tube l is always the location where the sound pressure is maximum, so we are willing to accept a reduction in the microphone output. If not, you can connect the microphone elsewhere.
(9)式において、フランジ半径すを大きくするとIn
(b/a)が大きくなり、第3図(a)に点線で示した
ように、dの変化に対するEの変化の割合いがゆるやか
になる。すなわち微小変位計としての感度が低くなる。In equation (9), if the flange radius is increased, In
(b/a) increases, and the ratio of change in E to change in d becomes gradual, as shown by the dotted line in FIG. 3(a). In other words, the sensitivity as a minute displacement meter becomes low.
事情は(6)式についても同様である。逆にbを小さく
すると感度が高くなるが、その極限の形の一つとしてフ
ランジをとり去った場合には、音響管1の外径2bがフ
ランジ外径に相当し、管の肉厚(b−勾がフランジの幅
に相当することになる。このような構造は製作コストが
安くなり好もしい形態であるが、使用目的によっては感
度が高くなり過ぎることがある。The situation is the same for equation (6). On the other hand, if b is made smaller, the sensitivity becomes higher, but if the flange is removed as one of the extreme shapes, the outer diameter 2b of the acoustic tube 1 corresponds to the flange outer diameter, and the tube wall thickness (b - The slope corresponds to the width of the flange. Although such a structure is a preferable form because of its low manufacturing cost, the sensitivity may become too high depending on the purpose of use.
そのような場合には、第4図(a)に示すように、測定
端の端面の全部もしくは一部をαなる角度で斜めにカッ
トする方法が、測定端閉止の高感度モードにおける感度
を下げるのに有効である。このαは通常数分の一度であ
る。同様に、第4図(b)に示すように、測定端近くの
管壁に小孔10を1個もしくは複数個うがつことも有効
である。In such a case, as shown in Figure 4(a), cutting all or part of the end face of the measuring end diagonally at an angle α reduces the sensitivity in the high-sensitivity mode of closing the measuring end. It is effective for This α is usually a fraction of a fraction. Similarly, it is also effective to make one or more small holes 10 in the tube wall near the measurement end, as shown in FIG. 4(b).
前述したごとく、この実施例では測定端閉止の高感度モ
ードと測定端開放の低感度モードとがあるが、これら二
つのモードを、切換えて使用するのではなく、共振周波
数のちがいを利用して一本の音響管に同時に共存させう
る。第5図はこのような実施例で、5′はω、なる角周
波数の正弦波の発振器、5″はω2な°る角周波数の正
弦波の発振器で、これら二つの正弦波の和をイアホン等
の音源4への入力電圧e、とする。音響管1の内部には
二つの周波数の音が共存しているが、それはマイクロホ
ン6で検出され増幅器7で増幅されて、マイクロホン出
力eRとなる。11′および11″はそれぞれ中心角周
波数がω、および%の狭帯域フィルタで、e。As mentioned above, this embodiment has a high-sensitivity mode with the measurement end closed and a low-sensitivity mode with the measurement end open, but these two modes are not used by switching, but by utilizing the difference in resonance frequency. They can coexist simultaneously in one acoustic tube. Figure 5 shows such an embodiment, where 5' is a sine wave oscillator with an angular frequency of ω, 5'' is a sine wave oscillator with an angular frequency of ω2, and the sum of these two sine waves is transmitted through the earphone. Assume that the input voltage e to the sound source 4 is e.There are sounds of two frequencies coexisting inside the acoustic tube 1, which are detected by the microphone 6 and amplified by the amplifier 7, resulting in the microphone output eR. .11' and 11'' are narrowband filters with center angular frequencies ω and %, respectively, and e.
を角周波数ω、の成分とω2の成分に分離して整流平滑
回路8′および8″に送り、それぞれの成分の振幅に比
例した大きさの直流出力E、およびE2をうる。is separated into a component with an angular frequency ω and a component with an angular frequency ω2 and sent to rectifying and smoothing circuits 8' and 8'' to obtain DC outputs E and E2 having magnitudes proportional to the amplitudes of the respective components.
ここでギャップの距#dの変化によってE、とE2がど
のように変わるかをみると、鰻初dが十分に大きな状態
では、音響管1は測定端開放の共振状態にあり、出力E
、は大きくE2は小さい、測定端を被測定物体に近付け
ていくと、やがてE、はだんだん減少してゆき、E7、
E2とも小さい状態に移行してい〈。ざらにdを小さく
していくと、音響管1は測定端閉止の共振状態に移行し
、E、は小さいままであるがE2が大きくなり、d=o
でそれは極大になる。すなわち本実施例によれば、−木
の音響管で、その測定端と被測定物体との距離を三つの
状態で区別しうる。これは、たとえば位置決めサーボ装
置などにおいて、物体が目標から離れている間は高速で
移動させ、ある距離まで近付いたら低速度で精密に距離
を測りながら近付ける場合などに有用である。Here, looking at how E and E2 change with changes in the gap distance #d, we can see that when the first d of the eel is sufficiently large, the acoustic tube 1 is in a resonant state with the measurement end open, and the output E
, is large and E2 is small. As the measuring end approaches the object to be measured, E gradually decreases, and E7,
Both E2 have shifted to a small state. As d is gradually decreased, the acoustic tube 1 enters a resonant state with the measurement end closed, and E remains small, but E2 increases, and d=o.
And it becomes maximum. That is, according to this embodiment, the distance between the measuring end of the wooden acoustic tube and the object to be measured can be distinguished in three states. This is useful, for example, in a positioning servo device, where an object is moved at high speed while it is away from the target, and when it approaches a certain distance, it is moved at low speed while accurately measuring the distance.
帯域フィルタl 1’およびll“は、単に角周波数ω
、の成分と%の成分を分離するだけでなく、外来雑音の
影響を軽減して測定精度を向上させることにも役立つ、
音響管lの内部には、共振状態においては音圧レベル1
30dB (平均実効値で約80Pa)程度の強大な音
場が形成されているので、通常の使用状況では外来雑音
の影響はほとんどない。しかし特に外部に大きな雑音が
存在する場合には、それが測定端から音響管内部に入り
、それが整流平滑回路の出力に影響することがある。こ
のようなときには、第1図のように一つの正弦波で音響
管を駆動する場合でも、増幅器7と整流平滑回路8の間
に帯域フィルタを挿入して、その正弦波の周波数の近傍
の成分のみを通過させるようにすることが、上記の雑音
の影響を小さくすることに有効である。The bandpass filters l 1' and ll'' simply have an angular frequency ω
It not only helps to separate the components of , and %, but also helps reduce the influence of external noise and improve measurement accuracy.
Inside the acoustic tube l, the sound pressure level is 1 in the resonance state.
Since a strong sound field of about 30 dB (average effective value of about 80 Pa) is formed, there is almost no influence of external noise under normal usage conditions. However, if there is particularly large external noise, it may enter the acoustic tube from the measurement end and affect the output of the rectifying and smoothing circuit. In such a case, even when driving the acoustic tube with a single sine wave as shown in Figure 1, a bandpass filter is inserted between the amplifier 7 and the rectifying and smoothing circuit 8 to detect components near the frequency of the sine wave. It is effective to reduce the influence of the above-mentioned noise by allowing only the noise to pass through.
以上に説明した実施例では、音響管lはいずれも一木の
ストレートな管であったが、音響管はその中を音波が一
次元的に進行する限りにおいて、曲っていても差支えな
い、また途中から二本以上に分岐していても差支えない
、第6図はそのような実施例である。この場合、被測定
物体3は円筒状であって、その直径を測るために、それ
ぞれ円弧状のフランジ2′および2“を有する測定端が
、円筒物体を挟んで一定間隔で配置されている。そして
音響管lは途中から分岐管1′および、//に分れて、
それぞれ上記の測定端に至る。この場合、共振周波数は
、音源4からフランジ2′もしくは2′物測
□定端までの管の全長で決定されるので、分岐管1′お
よび1の長さは、互に等しいことが必要である、またl
の内部の断面積をS、1′および1のそれをそれぞれS
、およびS2とすると
S = S、+ 52(14)
とすることが望ましい、SとS、 + 52とが違い過
ぎると、音響管の分岐点において音の反射を生じ。In the embodiments described above, the sound tubes l were all straight pipes made of one piece of wood, but the sound tubes may be curved as long as the sound waves travel one-dimensionally through them. There is no problem even if the line branches into two or more lines from the middle, and FIG. 6 shows such an embodiment. In this case, the object to be measured 3 is cylindrical, and in order to measure its diameter, measurement ends having arcuate flanges 2' and 2'' are arranged at regular intervals across the cylindrical object. Then, the acoustic tube l is divided into branch tubes 1' and // from the middle,
Each reaches the measurement end mentioned above. In this case, the resonant frequency is from the sound source 4 to the flange 2' or 2'.
□Since it is determined by the total length of the pipe up to the fixed end, the lengths of branch pipes 1' and 1 must be equal to each other, and l
Let the internal cross-sectional area of 1' be S, and that of 1' and 1 be S, respectively.
, and S2, it is desirable to set S = S, + 52 (14) If S and S, + 52 are too different, sound reflection will occur at the branch point of the acoustic tube.
共振時に音響管内の音圧が十分に大きくならず、測定感
度が低下する。During resonance, the sound pressure inside the acoustic tube is not large enough, resulting in a decrease in measurement sensitivity.
音響管の共振周波数は、(4)式あるいは(5)式に示
したように、音響管内の音速Cに比例する。そして音速
は空気の温度によって変化する。The resonant frequency of the acoustic tube is proportional to the sound speed C within the acoustic tube, as shown in equation (4) or equation (5). And the speed of sound changes depending on the temperature of the air.
したがって第1図、第6図の発振器5、および第5図の
発振器5′および5“の発振周波数は、気温に応じて音
響管の共振周波数に一致するよう手動調整する。あるい
はサーミスタ等によって気温を測定し、その信号を用い
てこれらの発振器の発振周波数を自動調整する手段を付
加する。しかしつぎにのべるように、上記のような手段
をとらなくとも、装置の整流平滑回路の出力を、気温に
よる共振周波数変化に無関係にするような方式も可能で
ある。Therefore, the oscillation frequencies of oscillators 5 in FIGS. 1 and 6, and oscillators 5' and 5'' in FIG. , and automatically adjusts the oscillation frequency of these oscillators using the signal.However, as described below, even without the above measures, the output of the rectifying and smoothing circuit of the device can be It is also possible to use a method that is independent of changes in resonance frequency due to temperature.
第7図において、12は帯域雑音発生器で、それ以外の
部分は第1図と全く同じである。12から音源4に与え
られる信号es(t)はこの場合雑音電圧で、第8図に
示すように、Wなる帯域幅の中で一様なパワースペクト
ルΦ(ω)を有する。In FIG. 7, 12 is a band noise generator, and the other parts are exactly the same as in FIG. 1. In this case, the signal es(t) given to the sound source 4 from the signal es(t) is a noise voltage, and has a uniform power spectrum Φ(ω) within a bandwidth of W, as shown in FIG.
そしてたとえば測定端閉止の高感度モードにおいて、こ
のes(t)からマイクロホン出力のe、1I(t)に
至る周波数特性をG(ω)とすると、WはG(ω)の帯
域幅より少し大きく、Φ(ω)がG(ω)を完全にカバ
ーするように設定される。そうすると、マイクロホン出
力の2乗平均値e:(t )1士
となるから、気温によって共振周波数1が若干変化して
も、G(ω)がWなる幅の帯域から外へ出ない限り、上
記のe:(t )は変化しないことになる。したがって
整流平滑回路の出力Eも気温によるω2の変化に対して
不感となる。ギャップの距離dが変わるとIG(ω)(
の大きさが鋭敏に変化してe’Q< t >が変化し、
それにつれてEが変化することは、正弦波で音響管を駆
動する場合と同じである。For example, in the high-sensitivity mode with the measurement end closed, if the frequency characteristic from this es(t) to the microphone output e, 1I(t) is G(ω), then W is slightly larger than the bandwidth of G(ω). , Φ(ω) are set to completely cover G(ω). Then, the root mean square value of the microphone output becomes e:(t)1, so even if the resonant frequency 1 changes slightly depending on the temperature, as long as G(ω) does not go out of the band with a width of W, the above e:(t) will not change. Therefore, the output E of the rectifying and smoothing circuit is also insensitive to changes in ω2 due to temperature. When the gap distance d changes, IG(ω)(
The magnitude of changes sharply and e'Q<t> changes,
The fact that E changes accordingly is the same as when driving an acoustic tube with a sine wave.
第9図も気温による共振周波数の変化に対処した実施例
である。13は位相検出器であり、電圧制御発振器14
とともに7エーズロツクループ(PLL)を構成してい
る。すなわち13はマイクロホン出力e、、Iと14の
出力e9との位相差に比例した直流出力−を発生し、こ
れによってへに対しeSが一定の位相差になるよう14
の発振周波数を制御する。14の出力e3はまた音源4
に与えられ、これによって生じた音響管lの内部の音圧
はマイクロホン6によって検出され、増幅器7で増幅さ
れて前記のマイクロホン出力へとなる。要するに13.
14.4、l、6.7は一つの発振ループを構成するが
、その発振周波数は主として音響管lの共振周波数によ
って支配され、位相検出器13によって〜とe、の位相
差を適当に調整することにより、上記の発振周波数が常
にこの共振周波数に一致するようにする。この方法によ
れば、気温が変化して音響管1の共振周波数が変化する
と、音源4から発生する音の周波数もそれに追従して変
化し、常に共振周波数特性のピークの周波数において測
定が行われる。FIG. 9 also shows an embodiment that deals with changes in resonance frequency due to temperature. 13 is a phase detector, and voltage controlled oscillator 14
Together with this, they constitute a 7A lock loop (PLL). That is, 13 generates a DC output proportional to the phase difference between the microphone output e, I and the output e9 of 14, so that eS has a constant phase difference with respect to 14.
control the oscillation frequency. The output e3 of 14 is also the sound source 4
The resulting sound pressure inside the sound tube 1 is detected by the microphone 6, and amplified by the amplifier 7 to become the aforementioned microphone output. In short, 13.
14.4, l, and 6.7 constitute one oscillation loop, whose oscillation frequency is mainly dominated by the resonance frequency of the acoustic tube l, and the phase difference between ~ and e is adjusted appropriately by the phase detector 13. By doing so, the above-mentioned oscillation frequency is always made to match this resonant frequency. According to this method, when the resonant frequency of the acoustic tube 1 changes due to a change in temperature, the frequency of the sound generated from the sound source 4 changes accordingly, and measurements are always performed at the peak frequency of the resonant frequency characteristic. .
第9図の装置は、単に気温による共振周波数変化の影響
を除去するだけでなく、この共振周波数変化を積極的に
利用して、さらに気温によるマイクロホンの感度変化や
空気の粘性係数の変化などの影響をすべて補償すること
ができる。いま第10図に示すように、気温の上昇によ
り音源4から発生する発振角周波数が宵からべに増大し
、同時にマイクロホンの感度変化などにより、マイクロ
ホン出力el振幅がIE呵より1≦lXに増大したとす
る。ここでel、lを補償用フィルタ15に通してから
整流平滑回路8に入力するようにして、15の周波数特
性H(ω)を第10図に示したように設定しておくと、
上記のIE)?Flの増加分をIH(ωz)l −IH
(ω1)1の減少分で補償することができる。気温が
□上昇したときにIEmlが減少する場合には、
IH(ω)1を第10図に点線で示したように設定すれ
ばよい。The device shown in Figure 9 not only eliminates the influence of changes in resonance frequency due to temperature, but also actively utilizes this change in resonance frequency to eliminate changes in microphone sensitivity and air viscosity coefficient due to temperature. All impacts can be compensated. As shown in Fig. 10, the oscillation angular frequency generated from the sound source 4 increases from evening to night due to the rise in temperature, and at the same time, due to changes in microphone sensitivity, the microphone output el amplitude increases from IE to 1≦lX. Suppose we did. Here, if el and l are input to the rectifying and smoothing circuit 8 after passing through the compensation filter 15, and the frequency characteristic H(ω) of 15 is set as shown in FIG.
IE above)? The increase in Fl is IH(ωz)l −IH
(ω1) It can be compensated by a decrease of 1. The temperature
□If IEml decreases when it increases,
IH(ω)1 may be set as shown by the dotted line in FIG.
要するに、この装置では、別にサーミスタなどの温度検
出器を用いなくとも、発振周波数自体の中に気温の情報
が含まれており、その情報を用いて温度補償を行いうる
ちのである。補償の具体的手段として、上記のようにフ
ィルタを用いるのも一つであるが、たとえば発振周波数
をカウンタで計数測定して、その結果に基づいてディジ
タル演算によって最終ディジタル出力に補正をほどこす
など、既知の種々の方法が適用可能である。In short, with this device, temperature information is included in the oscillation frequency itself, and this information can be used to perform temperature compensation without using a separate temperature detector such as a thermistor. One specific means of compensation is to use a filter as mentioned above, but for example, the oscillation frequency can be counted and measured with a counter, and the final digital output can be corrected by digital calculation based on the result. , various known methods are applicable.
以上の実施例はいずれも、音源から音響管をみたときの
音響インピーダンスZの絶対値が共振時に最大となるも
のであったが、音響管の共振は、と記の121が共振時
に最小になるものもある。つぎに説明する実施例はこの
共振を利用したものである。In all of the above embodiments, the absolute value of the acoustic impedance Z when looking at the acoustic tube from the sound source is the maximum at resonance, but the resonance of the acoustic tube is the minimum at the time of resonance. There are some things. The embodiment described below utilizes this resonance.
第11図において、4はスピーカのように出力音響イン
ピーダンスの比較的小さい音源で、音圧を分配するため
の容器23の内部にp(t)なる正弦波音圧を生ぜしめ
る。23からは測定用音響管1′、ltrおよびダミー
音響管21が分岐している、 1’、 1“の先端に
はフランジ2′、2一つけられており、それぞれ被測定
物体3′、3”i正対しているLである。ただしこれら
の音響管の内部断面積は互に等しくなくともよい、いま
測定端をほとんど閉止状態で使用する高感度モードにつ
いて説明すると、この場合は共振状態において測定端が
音圧最大の場所となるから、その測定端に近い位置にマ
イクロホン6′、6“なつけ測定端の音圧ア(f)およ
びp2(f)を検出する。これらのマイクロホン出力は
、それぞれ増幅器7′、7“で増幅され、′整流平滑回
路8′、8“で整流され、それぞれの大きさがメータ9
′、9″で表示される。In FIG. 11, reference numeral 4 denotes a sound source with relatively low output acoustic impedance, such as a speaker, which generates a sinusoidal sound pressure p(t) inside a container 23 for distributing sound pressure. Measuring sound tubes 1', LTR and dummy sound tubes 21 are branched from 23. Flanges 2', 21 are attached to the tips of 1', 1'', which connect objects to be measured 3', 3, respectively. ``i is L facing directly. However, the internal cross-sectional areas of these acoustic tubes do not have to be equal to each other. Let's now explain the high-sensitivity mode in which the measurement end is used in a nearly closed state. In this case, the measurement end is the location where the sound pressure is maximum in the resonance state. The microphones 6' and 6" are placed close to the measuring end to detect the sound pressures a(f) and p2(f) at the measuring end.The outputs of these microphones are amplified by amplifiers 7' and 7", respectively. are rectified by 'rectifying and smoothing circuits 8' and 8'', and the magnitude of each is determined by the meter 9.
', 9''.
一方ダミー音響管21の先端には、測定用音響管の測定
端のギャップとほぼ同程度の大きさの音響インピーダン
スを有する小孔22が設けられている。この小孔の背後
の音圧p(t)はマイクロホン16で検出され、増幅器
17および整流平滑回路18によって音圧の振幅に比例
した大きさの直流電圧に変換され、その直流出力は増幅
器20の増幅率を制御する。増幅器17の出力はまた、
移相回路19、増幅器20を通して音源4を駆動する。On the other hand, at the tip of the dummy acoustic tube 21, a small hole 22 having an acoustic impedance approximately the same size as the gap at the measurement end of the measurement acoustic tube is provided. The sound pressure p(t) behind this small hole is detected by the microphone 16 and converted into a DC voltage proportional to the amplitude of the sound pressure by the amplifier 17 and the rectifying and smoothing circuit 18. Control the amplification factor. The output of amplifier 17 is also
The sound source 4 is driven through a phase shift circuit 19 and an amplifier 20.
19の移相を適当に設定することにより、このループは
自励発振し、その際音圧p、<t)の振幅が一定となる
ように制御される。このときの発振周波数はダミー音響
管21の共振周波数にほがならない、そしてそれはまた
、音響管1′およびl“の共振周波数に等しい。By appropriately setting the phase shift of 19, this loop self-oscillates and is controlled so that the amplitude of the sound pressure p,<t) is constant. The oscillation frequency at this time is not only the resonant frequency of the dummy acoustic tube 21, but also equal to the resonant frequency of the acoustic tubes 1' and l''.
容器23から各音響管に与えられる音圧p<t、 =
Pejwt と、それぞれの音響管の先端の音圧p、
(t ) = P、 ej”’ (i =1.2.3
>トノ関係1*ツキL L
のように表わされる。Sound pressure applied from the container 23 to each acoustic tube p<t, =
Pijwt and the sound pressure p at the tip of each acoustic tube,
(t) = P, ej"' (i = 1.2.3
>Tono relationship 1*Tsuki LL It is expressed as follows.
ここでS、は各音響管の内部断面積を表わす、またZ、
はそれぞれの管端の音響インピーダンスで、1′と1の
場合には(9)式で与えられるようなギャップのインピ
ーダンスであり、ダミー音響管21の場合には、小孔2
2の形を半径rの円形断面で高さhの円柱であるとする
と
Z3”= 877 h/πa” (1
7)どして近似的に表わされる。Here, S represents the internal cross-sectional area of each acoustic tube, and Z,
is the acoustic impedance of each tube end, and in the case of 1' and 1, it is the impedance of the gap as given by equation (9), and in the case of the dummy acoustic tube 21, it is the impedance of the gap at the small hole 2.
If the shape of 2 is a cylinder with a circular cross section of radius r and height h, then Z3" = 877 h/πa" (1
7) How can it be expressed approximately?
(16)式のPの絶対値が最大となるのは、ωが(5)
式で与えられるω、およびその奇数倍の値をとる場合で
あって、このとSは
P−=−j Z−P/ Cp c/S−)
(18)ム
となる、このときには、音響管の根元から先端をみた音
響入力インピーダンスが最小となっており、最大の音響
パワーが容器23から各音響管に注入されている。そし
てフランジと被測定物との間のギャップの距離が小さく
なると音響インピーダンスZ、あるいはZ2はρc /
Stあるいはρc / 5zにくらべて非常に大きく
なり、それに比例して弓あるいは弓も急速に増加する。The absolute value of P in equation (16) is maximum because ω is (5)
This is a case where ω given by the formula and its odd multiple are taken, and this and S are P-=-j Z-P/ Cp c/S-)
(18) At this time, the acoustic input impedance seen from the root to the tip of the acoustic tube is the minimum, and the maximum acoustic power is injected from the container 23 into each acoustic tube. When the gap distance between the flange and the object to be measured becomes smaller, the acoustic impedance Z or Z2 becomes ρc/
It becomes much larger than St or ρc/5z, and the bow or bow increases rapidly in proportion to it.
これを前述のように増幅、整流することにより、ギャッ
プ距離を高感 □度で測定する。By amplifying and rectifying this as described above, the gap distance can be measured with high sensitivity.
この実施例の特徴は、一つの音源で容易に複数側の音響
管を同時に駆動できることで、そのうち一本の音響管を
ダミーとして用いると、種々の特有の効果を生ずるもの
である。すなわちダミー音響管は単に音源の発振周波数
を音響管の共振周波数に等しく保つだけでなく、その先
端の圧力P□の振幅を一定に保つことにより、たとえば
マイクロホン6.6,16は、それらの感度の温度係数
が等しく、かつ同一温度にあるならば、気温変化の影響
はダミーと測定用音響管とで互に打消される、そればか
りではなく、気温による粘性係数ηの変化の影響、ある
いは気温および気圧による空気密度ρの変化の影響も、
ダミー音響管の先端を測定すべきギャップと同様の音響
インピーダンスで終端することにより、互に打消される
ものである、なお第11図の装置は、測定端を開放に近
い状態で使用する低感度モードに対しても、はとんどそ
のまま適用することができる。ただしこの場合は、共振
状態において音響管内で、測定端からl/2の距離が音
圧最大の場所となるから、その付近にマイクロホンを接
続するのが得策である。A feature of this embodiment is that a plurality of acoustic tubes can be easily driven simultaneously with one sound source, and when one of the acoustic tubes is used as a dummy, various unique effects can be produced. In other words, the dummy acoustic tube not only keeps the oscillation frequency of the sound source equal to the resonant frequency of the acoustic tube, but also maintains the amplitude of the pressure P□ at its tip constant. If the temperature coefficients of are equal and at the same temperature, the effect of temperature change will be canceled by the dummy and the measuring sound tube. and the influence of changes in air density ρ due to atmospheric pressure.
By terminating the tip of the dummy acoustic tube with an acoustic impedance similar to that of the gap to be measured, they cancel each other out.The device shown in Figure 11 is a low-sensitivity device that uses the measurement end in an almost open state. It can also be applied to modes as is. However, in this case, in the acoustic tube in a resonant state, the distance of 1/2 from the measurement end is the location where the sound pressure is maximum, so it is a good idea to connect the microphone near that location.
第12図はへルムホルツ共鳴子を用いた実施例である。FIG. 12 shows an example using a Helmholtz resonator.
4はイアホン等の出力音響インピーダンスが比較的大き
い音源であって、容器24をU(t)=UJ” なる体
積速度で駆動する。その結果生じた24内部の音圧p(
f) =7’g/”’はマイクロホン6によって検出さ
れ、その出力の電気信号は増幅器7で増幅されて位相検
出器13への入力へとなる。13は電圧制御発振器14
の出力e、をもう一つの入力とし、eRとちの位相差が
一定となるように14の発振周波数を制御する。出力e
sはまた音源4を駆動する。これらは、第9図の場合と
同じく、PLLと音響共振系による発振ループを構成し
、そのループの発振周波数は、容器24と音響管lから
なるヘルムホルツ共鳴子の共振周波数に等しい。Reference numeral 4 denotes a sound source with a relatively large output acoustic impedance, such as an earphone, which drives the container 24 at a volume velocity of U(t)=UJ''.The resulting sound pressure inside the container 24 p(
f) =7'g/''' is detected by the microphone 6, and its output electrical signal is amplified by the amplifier 7 and becomes an input to the phase detector 13. 13 is a voltage controlled oscillator 14
The output e is used as another input, and the 14 oscillation frequencies are controlled so that the phase difference between eR and eR is constant. Output e
s also drives the sound source 4. As in the case of FIG. 9, these constitute an oscillation loop by the PLL and the acoustic resonance system, and the oscillation frequency of the loop is equal to the resonance frequency of the Helmholtz resonator consisting of the container 24 and the acoustic tube l.
容器24は、単なる音圧分配器であった第11図の容器
23とは異なり、このヘルムホルツ共鳴子において
c=v、7γF、 (111
)なる一つの音響コンプライアンスとして作用する、こ
こで4は容器24の内容積、弓は大気圧、γは空気の比
熱比である。また音響管1は、その長さLは使用する音
の波長にくらべて十分小さく、その内部の空気は
Lt==ρL/S (20)な
る一つの音響イナータンスとして作用する。このほかに
フランジ2と被測定物3に挟まれた厚さdのギャップの
空気も音響イナータンスとして作用するが、その値りは
、音響管lを内半径αの円管、フランジ2を半径すの円
形とすると、(6)式の虚数部より
L= (3ρ15πd)In (b/a) (2f
)となる、全体の音響イナータンスLは上記二つの値の
和であるが、いまこれを、音響管1の長さLが実効的に
Lに増加したものとして
L = Lt+ L、=ρL/S (2
2)と表わす、なお音響抵抗Rは、音響管lの管壁の抵
抗を無視すれば、ギャップの抵抗へのみとなり、その値
は(6)式の実数部より
R=R,= (Bη/πd3) In (b/a)(2
3)となる。The container 24 is different from the container 23 in FIG. 11 which is a mere sound pressure distributor, and in this Helmholtz resonator, c=v, 7γF, (111
), where 4 is the internal volume of the container 24, the bow is the atmospheric pressure, and γ is the specific heat ratio of air. Further, the length L of the acoustic tube 1 is sufficiently small compared to the wavelength of the sound used, and the air inside thereof acts as an acoustic inertance Lt==ρL/S (20). In addition, the air in the gap of thickness d sandwiched between the flange 2 and the object to be measured 3 acts as acoustic inertance, but the value is that the acoustic tube l is a circular tube with an inner radius α, and the flange 2 is a circular tube with an inner radius α. If it is a circle, then from the imaginary part of equation (6), L = (3ρ15πd)In (b/a) (2f
), the overall acoustic inertance L is the sum of the above two values, but now, assuming that the length L of the acoustic tube 1 has effectively increased to L, L = Lt + L, = ρL/S (2
2), and if the resistance of the tube wall of the acoustic tube l is ignored, the acoustic resistance R becomes only the resistance of the gap, and its value is calculated from the real part of equation (6) as R=R,= (Bη/ πd3) In (b/a)(2
3).
ヘルムホルツ共鳴子においては、上記の諸要素が一つの
2次並列共振系を構成している。そして音源4から容器
24をみたときの音響インピーダンス゛Z=P/Uは
となる、上式でωは共振角周波数で
q = l / nτ= c 着σTv(25)である
、ここでCは
c=J葱’、/ p (2B)で、
空気中の音速にほかならない、またζはダンピング係数
で
ζ==(R/2)JvアL (27)で
ある。In the Helmholtz resonator, the above-mentioned elements constitute one secondary parallel resonant system. The acoustic impedance Z=P/U when looking at the container 24 from the sound source 4 is as follows. In the above equation, ω is the resonance angular frequency and q = l / nτ = c σTv (25), where C is c=J leek', / p (2B),
This is nothing but the speed of sound in air, and ζ is a damping coefficient, ζ==(R/2)JvAL (27).
ヘルムホルツ共鳴子を用いたこの装置は、音響管lの管
端が開放に近い状態でのみ使用される。This device using a Helmholtz resonator is used only when the end of the acoustic tube l is close to open.
したがってζ(1の状態にある。この条件の下でω=ω
とすると、(24)式は
Z’、L/CR(28)
と近似される。 (23)式に示したようにRは♂に
反比例するから、Zはdの大小によって敏感に変化する
ことになる。音源4の出力音響インピーダンスが大きい
ことを考え合せると、上記のZの変化はそのまま音圧p
の大きさの変化となる。すなわちギャップ距離dをOか
らだんだん大きくしていくと、音響管の管端が開放とみ
なしうるような距離になったとき、音圧pは急速に増大
する。この音圧変化はマイクロホン6によって検出され
。Therefore, it is in the state of ζ(1. Under this condition, ω=ω
Then, equation (24) is approximated as Z', L/CR (28). Since R is inversely proportional to the male as shown in equation (23), Z changes sensitively depending on the magnitude of d. Considering that the output acoustic impedance of the sound source 4 is large, the above change in Z directly changes the sound pressure p.
This is a change in the size of . That is, as the gap distance d is gradually increased from O, the sound pressure p rapidly increases when the end of the acoustic tube reaches a distance that can be considered open. This sound pressure change is detected by the microphone 6.
前記の諸実施例の場合と同様にして、距9dの変化とし
て表示される。In the same way as in the previous embodiments, this is displayed as a change in the distance 9d.
ヘルムホルツ共鳴子の別の利用方法は、ギヤツブ距ad
による共振周波数変化を用いるものである。 (21
)式に示したように、ギャップの空気の音響管の実効長
l′の変化となる。第12図の装置においては、発振周
波数は共振周波数に等しくω。Another use of the Helmholtz resonator is the gear distance ad
This method uses the resonant frequency change due to (21
), the effective length l' of the air acoustic tube in the gap changes. In the device of FIG. 12, the oscillation frequency is equal to the resonant frequency ω.
に保たれているが、dをだんだん大きくしていったとき
、音圧が急速に大きくなり始める点の付近においてω、
が増加する。この周波数変化は、たとえば電圧制御発振
器14の出力e、をカウンタ(図示せず)で計数するこ
とにより測定され、dの変化として表示される。However, when d is gradually increased, ω, near the point where the sound pressure starts to increase rapidly,
increases. This frequency change is measured, for example, by counting the output e of the voltage controlled oscillator 14 with a counter (not shown), and is displayed as a change in d.
ここで問題となるのは、気温によるωの変化である。こ
の影響を補償する一方法は、たとえばサーミスタ等によ
って容器24の内部の温度を測定し、その値を用いてカ
ウンタの計数値をディジタル演算により補正することで
ある。他の方法としては、第12図の装置と全く同じも
のをもう一つダミーとして使用し、これはギャップ距離
を一定に保って発振させる。そして可逆カウンタを用い
て、まず測定用装置からの発振信号を一定時間正方向に
計数し、つぎにダミー装置からの発振信号を同一の時間
だけ逆方向に計数して、両者の発振周波数の差を測定す
るようにする。二つの装置が 。The problem here is the change in ω due to temperature. One method of compensating for this effect is to measure the temperature inside the container 24 using, for example, a thermistor, and use that value to correct the count value of the counter by digital calculation. Another method is to use another dummy device that is exactly the same as the device shown in FIG. 12, which oscillates while keeping the gap distance constant. Then, using a reversible counter, first count the oscillation signals from the measurement device in the forward direction for a certain period of time, then count the oscillation signals from the dummy device in the reverse direction for the same period of time, and calculate the difference between the oscillation frequencies of the two. be measured. There are two devices.
同一の温度環境にあるならば、この方法で温度変化の影
響を補償し、測定用装置のギャップ距離dの変化による
周波数変化のみを抽出できる。If they are in the same temperature environment, this method can compensate for the effects of temperature changes and extract only the frequency changes due to changes in the gap distance d of the measuring device.
さらに他の方法としては、ダミー装置の発振信号を適当
に周波数逓倍し、これをクロックパルスとして測定用装
置の発振信号の周期を測定する。Still another method is to appropriately frequency-multiply the oscillation signal of the dummy device and use this as a clock pulse to measure the period of the oscillation signal of the measurement device.
この方法は、カウンタによる周期測定の一般的特徴とし
て、測定時間が短くて済み、したがって単位時間当りの
測定回数を大きくとりうるという利点を有する。This method has the advantage that, as a general feature of period measurement using a counter, the measurement time is short, and therefore the number of measurements per unit time can be increased.
以上を要するに、本発明の本質は、音響管の測定端を被
測定物から微小距離のギャップをへだてた位置に置いた
とき、その測定端の音響インピーダンスがギャップの距
離によって鋭敏に変化するという現象をギャップの距離
の測定に利用するところにある。上記の音響インピーダ
ンスの変化は、その実数部、虚数部とも利用される。そ
して、この音響管を含む音響共振系を構成し、上記の音
響インピーダンスの変化を、その共振周波数や、その中
での音圧の大きさの変化に変換して検出する。その結果
、冒頭にものべたような、従来装置にはみられない種々
の特有の効果を生ずるものである。In summary, the essence of the present invention is the phenomenon that when the measuring end of an acoustic tube is placed at a position separated by a small gap from the object to be measured, the acoustic impedance of the measuring end changes sharply depending on the distance of the gap. is used to measure the gap distance. The above change in acoustic impedance is used for both its real and imaginary parts. Then, an acoustic resonance system including this acoustic tube is constructed, and the change in the acoustic impedance is converted into a change in the resonance frequency or the magnitude of the sound pressure therein, and detected. As a result, various unique effects not seen in conventional devices, as mentioned at the beginning, are produced.
第1図は本発明の一実施例、第2図は第1図の装置の周
波数特性、第3図はギャップ距離による音圧の大きさの
変化、第4図はフランジのない音響管の形状の例、第5
図は一本の音響管に二つの測定モードを共存させる場合
の一実施例、第6図は分岐音響管を用いる一実施例、第
7図は音源信号として雑音を用いる一実施例、第8図は
音源信号の雑音のパワースペクトルと音響系の共振周波
数特性、第9図は音響系を含む発振ループを用いる場合
の一実施例、第10図は第9図の装置における温度補償
の説明、第11図は一つの音源で複数個の音響管を駆動
する場合の一実施例、第12図はへルムホルツ共鳴子を
用いる一実施例である1−−−一音響管、2−一一一フ
ランジ、3−一一一被測定物、4−一−−音源、5−一
一一発振器、6−−−−マイクロホン等の音圧検出器、
7−−−−増幅器、8−一一一整流平滑回路、9表示用
メータ、10−−−一小孔、l l’、11″−一一一
帯域フィルタ、L2−−−一雑音発生器、13−一一一
位相検出器、14−−m−電圧制御発振器、15−一一
一補償用フィルタ、16−−−−マイクロホン等の音圧
検出器、17−−−−増幅器、18−7−整流平滑回路
、19−−−一移相回路、20−−−一可変増幅率の増
幅器、21−−−−ダミー音響管、22−−−一小孔、
23−−−一音圧分配用の容器、24−−−−へルムホ
ルツ共鳴子の容器、c−−−一音速、η−−−−空気の
粘性係数、ρ−−−−空気の密度、号−一一一容器の内
容積、P、−−−一大気圧、γ−−−−空気の定圧定容
比熱比。Fig. 1 shows an example of the present invention, Fig. 2 shows the frequency characteristics of the device shown in Fig. 1, Fig. 3 shows the change in sound pressure depending on the gap distance, and Fig. 4 shows the shape of an acoustic tube without a flange. example, fifth
The figure shows an example in which two measurement modes coexist in one acoustic tube, FIG. 6 shows an example in which a branched acoustic tube is used, FIG. 7 shows an example in which noise is used as the sound source signal, and FIG. The figure shows the noise power spectrum of the sound source signal and the resonant frequency characteristics of the acoustic system, Fig. 9 shows an example of using an oscillation loop including the acoustic system, and Fig. 10 shows an explanation of temperature compensation in the device shown in Fig. 9. Fig. 11 is an embodiment in which a plurality of acoustic tubes are driven by one sound source, and Fig. 12 is an embodiment in which a Helmholtz resonator is used. flange, 3-111 object to be measured, 4-1-- sound source, 5-111 oscillator, 6-- sound pressure detector such as microphone,
7---Amplifier, 8-111 rectifier and smoothing circuit, 9 display meter, 10---1 small hole, l l', 11''-111 band filter, L2---1 noise generator , 13-111 phase detector, 14--m-voltage controlled oscillator, 15-111 compensation filter, 16-- sound pressure detector such as microphone, 17-- amplifier, 18- 7- rectifying and smoothing circuit, 19-- one phase shift circuit, 20-- one variable amplification factor amplifier, 21-- dummy acoustic tube, 22-- one small hole,
23---Container for sound pressure distribution, 24---Container for Helmholtz resonator, c---One speed of sound, η---Viscosity coefficient of air, ρ---Density of air, No.-111 Internal volume of container, P ---1 atmospheric pressure, γ --- Constant pressure constant volume specific heat ratio of air.
Claims (1)
有する音響管と、この音響管を含む音響共振系と、この
音響共振系を駆動する音源と、上記音響共振系における
音圧を検出する音圧検出器とからなり、上記微小距離の
変化によって生ずる上記音響共振系における音圧の大き
さの変化もしくは上記音響共振系の共振周波数の変化に
より上記微小距離を知ることを特徴とする音響式マイク
ロメータ。Detects an acoustic tube having a measurement end at a position a short distance from the surface of the object to be measured, an acoustic resonance system including this acoustic tube, a sound source that drives this acoustic resonance system, and sound pressure in the acoustic resonance system. and a sound pressure detector that detects the minute distance by detecting a change in the magnitude of the sound pressure in the acoustic resonance system or a change in the resonant frequency of the acoustic resonance system caused by a change in the minute distance. formula micrometer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27079484A JPS61148313A (en) | 1984-12-24 | 1984-12-24 | Acoustic type micrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27079484A JPS61148313A (en) | 1984-12-24 | 1984-12-24 | Acoustic type micrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61148313A true JPS61148313A (en) | 1986-07-07 |
Family
ID=17491094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27079484A Pending JPS61148313A (en) | 1984-12-24 | 1984-12-24 | Acoustic type micrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61148313A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0729008A1 (en) * | 1993-06-15 | 1996-08-28 | University Of East London | Application and method for detecting changes in distance |
-
1984
- 1984-12-24 JP JP27079484A patent/JPS61148313A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0729008A1 (en) * | 1993-06-15 | 1996-08-28 | University Of East London | Application and method for detecting changes in distance |
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