JPS61280509A - 音響式マイクロメ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
微小変位計に係る。

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。

この空気式マイクロメータは、製造された物品と標漁と
なるマスターの物品との寸法差を測定する、いわゆる比
較測定器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。

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ろことを意味
し、それによって種々の特有な効果を生ずるものである
。

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。

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。

第３には、被測定物にほとんど力を与えないようなマイ
クロメータを提供することである。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１００Ｐａ）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
、固体の被測定物のみならず、たとえば液体表面の微小
変位をも、は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。

第４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。

第１図において、１は長さＬ、内部の断面積Ｓの音響管
で、測定端にはフランジ２がつけられている。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 ｅｓ（ｆ　）　＝　ｐ、ｅｉｔａｒτ　　　　　　（１
）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、几は正弦波の振幅および位相の両方を表わす
複素振幅である。またｊ−ＪＴ了である。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 嘔（ｔ　）　＝Ｅ、ｌｔｇｊ”　　　　　　　（２）な
る正弦波電圧となる。ここでＥ−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。

１）の振幅ＩＥＭＬＩ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。

１１は音源周波数の近傍の周波数成分のみを抽出するよ
うなフィルタで、この場合は必要不可欠なものというわ
けではないが、外来雑音の影響を軽減するために挿入さ
れたものである。

Ｚ８＝　Ｐ、　／　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ヒ記のうはつぎのよ
うに表わされる。

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 ωｐｄ２／η＜４０　　　　　　　　　　　（４）の範
囲内で成立つ。なお上式は、本発明の適用範囲を限定す
るものではない。もし、たとえばｄが大きくなってＬ式
の範囲を越えた場合には、うがより複雑な形式で表わさ
れるだけであって、ｄによってうが鋭敏に変化するとい
う本発明の木質的部分には、何ら変りはない。

つぎに、音響管１の根元の内部の音圧をｐ（ｔ）−Ｐ＝
ｊ″′ｔとし、またその点での体積速度を・（ｔ　）　
＝　Ｕ　ｅＶ”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（６） である、またＣは空気中の音速である。

−ヒ記の（５）式は角周波数ωおよびギヤツブ距＃ｄの
関数であって、ｄが大きく、したがって、ギャップの音
響インピーダンスの絶対値ＩＺＩｌが（ρｃ／Ｓ）にく
らべて小さい場合にはω＝πｃ／２１　　　　　　　　
　　　（７）およびその奇数倍のωにおいてＩＺｌは極
大となり、音Ｍｖは一端開放、他端閉止の共振状態を呈
する。同様に、ｄが小ざ＜ｌｚ、ｌがＣｐ　ｃ／Ｓ”）
にくらべて大きい場合には ω２＝πｃ／Ｌ　　　　　　　　　　　　（８）および
その整数倍のωにおいてＩ、？ｌは極大となり、音ｔ５
管は両端閉止の共振状態を呈する。そこでωをｈ記の共
振周波数のいずれかの近傍に設定すると、ｄの変化にと
もなって音響管の根元の音圧振幅［’ｌが大幅に変化す
る。それをマイクロホン６によって検出し、その出力を
増幅整流して直流出力Ｅをうると、このＥの大きさから
ｄを高感度で測定できる。

以上は、原発明の主たる動作原理の説明であるが、ｄが
小さい場合、（８）式の２ω２の整数倍のωにおいて共
振状態となることは、ω２の０倍の場合をも含む、すな
わちＩＺ３１が（ρＣ／Ｓ）にくらべて大きい場合、（
５）式はω＝０においてもその絶対値が極大になる。こ
の共振状態は、音源として使用するイアホンなどの特性
上の制約から、実現することは不可能である。しかしな
がら、比較的短い音響管を用い、これをその長さｌにく
らべて、波長 入＝２πＣ／ω　　　　　　　　　　　（９）が十分に
長いような低周波の音で駆動する場合には、−ｈ記の共
振状態を近似的に実現することができる。そして他の周
波数の共振の場合と同様に、ギャップ距離ｄの変化にと
もなって音響管内部の音圧の大きさＩＰ＋が鋭敏に変化
し、これによってｄを高感度で測定できる。これが本発
明の趣旨である。以下、本発明の動作原理につき、より
詳しく説明する。

前述したように、ｌにくらべて音の波長入が十分に長い
ときは ｋＬ＝ωｌ／ｃ＜π／４　　　　　　　（１０）であり ｔａｎｋｌ’＝ｋＬ＝ωｌ／ｃ　　　　　　　（１１）
と近似できる。そしてｄが小さくて ｌ　Ｚ、ｌ　／　（ｐｃ　／Ｓ）　＞　１　　　　　（
１２）の場合には、（５）式はつぎのように近似される
。

ここで Ｃ，＝ｌＳ／γｐ、　　　　　　　　　　　　（１４）
（γは空気の比熱比、Ｐは大気圧） であり、これは音響管の体積Ｉｓによって生ずる等測的
な音響コンプライアンスである。したがって音響系は第
２図（ａ）に示すような等価回路で表わされる。音源の
イアホン等の出力インピーダンスが大きいから、これを
ｕ（ｔ）なる体積速度の定速度源とみなし、この音源で
小さな拗響コンプライアンスらと大きな音響インピーダ
ンスウソが並列接続された負荷を駆動するのであるから
、この場合音圧ｐ　（ｔ）は大きい。

ギャップ距離ｄが大きく ｌ　Ｚｌｌ　／　（ｐｃ　／Ｓ）　＜　１　　　　　　
（１５）の場合には、（５）式はつぎのように近似され
る。

Ｚ”＝２．＋ｊ　（ωＬ／ｃ）（ｐｃ／Ｓ）＝勺＋ｊω
Ｌ、　　　　　　　　　（１Ｂ）ここで Ｌ、＝　ｐ　ｌ　／Ｓ　　　　　　　　　　　　　　（
１７）であり、これは音響管内部の空気の質量による音
響イナータンスである。したがって、この場合の等価回
路は第２図（ｂ）のようになる、そして、小さな音響イ
ナータンスＬｅと小さな音響インピーダンスうとが直列
接続された負荷を定速度源で駆動するから、この場合音
圧ｐ（ｔ）は小さい。

そこで音源４の角周波数を、（ｌＯ）式の条件が満たさ
れるような値に設定し、ギャップ距離ｄを０から増して
いくと、ギャップのインピーダンスうがほぼ無限大から
減少していくにしたがって、音響管はＥ記二つの状態の
間を連続的に移行していく。したがって、整流平滑回路
８の直流出力Ｅとギャップ距離ｄの関係は、第３図の実
線のようになり、この関係により、Ｅからｄを測定する
ことができる。第３図の点線は、フランジ２の半径すを
大きくした場合の特性であって、音響管ｌの内半径ａと
ｂの比を変えることにより、Ｅのｄに対する感度を変え
ることができる。

なお、以上においては、音響管ｌを円形断面のものとし
、フランジ２も円形のものとして説明したが、これらの
形は円形に限るものではない。その場合には、うが（３
）式とは異なった形式で表されるだけであって、うがｄ
によって鋭敏に変化し、それによって音響管内の音圧ｐ
　（ｔ）の大きさが大幅に変化するという本発明の木質
は、何ら変りはない。

以上の説明においては、音源４からは正弦波の音が発生
するものとしたが、これは正弦波に限るものではなく、
矩形波や三角波など、一般にどのような波形の周期信号
であってもよい。矩形波や三角波などは正弦波にくらべ
て発生が容易な場合がある。その場合、フィルタ１１は
、単に外来雑音の影響を軽減するだけでなく、音！管内
部の音圧ｐｃｔ）の波形のうち、基本周波数成分を通過
させて整流平滑し、他の高調波成分はカットするという
働きをする。すなわちこの場合は、音響管は基本周波数
の正弦波信号で駆動されると考え、高調波成分は単なる
雑音と考えて差支えない。またフィルタ１１がない場合
には、Ｅとｄの関係は第３図に示したものとは少しく異
なってくるが、音圧波形ｐ　（ｆ）の高調波成分も含め
て増幅整流平滑して直流出力Ｅとし、このＥとｄの関係
をあらかじめ実験的に求めておけば、実用上ｄの測定に
は何ら差支えない。

ここで（１０）式の条件の意味について若干の説明をつ
け加える。長さ乙の音響管の共振角周波数のうち最低の
周波数のものは、ω＝Ｏを除けば、（７）式で与えられ
るω、である。そのつぎに低い周波数のものは（８）式
で与えられるω２で、これは２ωに等しい。以下、周波
数の高い方に向って一端開放の共振周波数と両端閉出の
共振周波数がωなる間隔で交互に存在する。したがって
ω軸をそれぞれの共振角周波数の領域で分けるとき、ω
１土（ω、／２）はω１の領域、ω２＋　（ω１／２）
はω２の領域というように考えられる。したがってまた
、０から（ω１／２）まではω＝０共振の領域とみなす
ごとができる。　モしてω＝、（ω、／２）のときｋｌ
＝π／４である。つまり（１０）式はω＝０の共振の領
域を示している。事実、ωく（ω／２）と設定した場合
には、Ｅとｄの関係は第３図に示したように右下りの曲
線となるが、ω〉（ω／２）とした場合は、これが右丑
りの曲線となる。これは（ω１／２）より上の周波数は
、一端開放の共振角周波数ωの領域であり、ｄを大きく
すると一！ 端開放の状態に近づいて音圧が増大することを意味する
。

（１０）式の条件を波長入を用いて表すと入＞８１　　
　　　　　　　　　　　　　　（１８）となる。波長が
音響管の長さにくらべて十分に長いという前述した条件
はこのような意味である。

ちなみに、Ｚ＝ｌＯｃｍとした場合、常温においては（
１）、＝　５３４０ｒａｄ／ｓｅａ　、あるいはｆ、＝
　（１）、／　２　π＝８５０Ｈｚであり、したがって
８５０Ｈｚ／２＝　４２５Ｈｚ以下の周波数の音を用い
れば、上記の条件が満たされる。

未発明の実施に当って一つ問題となるのは、気温の変化
による誤差である。気温が変化すると空気の粘性係数η
や空気の密度ρが変化し、それにともなってギャップの
音響インピーダンスＺｙや等測的な音響コンプライアン
ス％および音響イナータンス〜が変化する。また音圧検
出用のマイクロホンや音源のイアホン等のゲインも、温
度とともに変化する。これらはすべて誤差の原因となる
。

したがって温度変化の少ない環境であれば、以上に説明
した実施例をそのまま適用できるが、温度変化の大きい
場合には、何らかの温度補償を施す必要がある。

温度による誤差を補償するには、たとえばサーミスタな
どの温度センサを用いて気温を検出し、その出力信号を
用いて整流平滑された直流出力Ｅに補正を加えればよく
、その方法には、アナログ的手法、ディジタル的手法を
問わず、既知の種々の方式が適用可能である。ここでは
、このような既知の補償方法について説明するのではな
く、ダミー・音響管を用いた１本発明に特有の補償方法
について説明する。

第４図において、１〜９は第１図の実施例と同じ音響式
マイクロメータである。ただし３２は温度補償のために
挿入されたフィルタで、第１図のフィルタ１１とは目的
を異にする。３１は、測定用音響管１と同一の温度環境
におかれた、長さＬｓのダミーの音ｅ管で、３４はそれ
を駆動する音源のイアホン、３６は音圧検出用マイクロ
ホン、３７は増幅器である。３３は位相検出器であり、
電圧制御発振器３５とともにフェーズロックループ（Ｐ
　Ｌ　Ｌ）を構成している。すなわち３３は３７の出力
と３５の出力ｅｓ（ｔ）との位相差に比例した直流出力
を発生し、これによって３７の出力に対しｅｓ（ｔ　）
が一定の位相差になるよう３５の発振周波数を制御する
。３５の出力ｇｓ（ｆ　）はまた音源３４および測定用
音響管１の音源４、さらに同一温度環境にある他の測定
用音響管の音源にも与えられる。要するに３３．３５．
３４．３６．３７は一つの発振ループを構成するが、３
３．３５等を適当に調整することにより、発振周波数を
ダミー音響管の共振周波数の一つ、たとえば一端開放の
最低次の共振角周波数 ω８＝πｃ　／　２　Ｉｓ　　　　　　　　　　　（１
ｆ３）に設定することができる。

いま気温が上昇して音速Ｃが増大し、それによってｅｓ
（ｔ　）の周波数が１からべに増力牝たとする。同時に
測定用音響管のマイクロホン出力ｅ。

＜１＞の振幅が、第５図に示すように、ＩＥＷＬｌから
ＩＥｌｌに増大したとする。ここで補償用フィルタ３２
の周波数特性ＩＨ（ω）１を第３図実線のように設定し
ておくと、上記のｌ　Ｅ、、ｎ＋の増加分をＩＨ（ω５
）Ｉ−１＃（ω二）１なる減少分で補償することができ
る。気温がと昇したときにＩＥ、ｙｙＬ＋が減少する場
合には、ＩＨ（ω）１を第３図点線のように設定すれば
よい。なお補償用フィルタ３２は、第４図のように、マ
イクロホン増幅器７と整流平滑回路８の間に挿入するに
限らず、たとえば発振器３５と音源４の間に補償用フィ
ルタを挿入し、音源４への入力信号の振幅を温度により
変えるようにしてもよい。またダミー音響管３１は、他
のものでおき替えてもよく、たとえばヘルムホルツ共鳴
子を用いて音響共振系を小型に構成することもできる。

この場合もその共振周波数は音速Ｃに比例して変化する
。

以上を要するに、本発明は、音響管の測定端を被測定物
の表面から微小距離のギャップをへだてだ位置においた
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現象を利用し、この音響イン
ピーダンス変化を、音響管内部の音圧の大きさの変化に
変換して検出しギャップ距離を測定するものであるが、
その際に、使用する音の波掻にくらべて十分短い長さの
音響管を用いることにより、ω＝０における共振を近似
的に実現してこれを利用するものである。

その結果、短い音響管を用いたコンパクトな測定装置を
うるという効果を生ずるものである。

４、追加の関係 本発明は、音響共振系の音響管の測定端と被測定物との
距離の変化により、共振系の音圧の大きさが変化する現
象を利用するという点では、原発明と原理を−にするも
のであるが、原発明の出願明細書においては、周波数が
０における共振を利用することは、そのままでは実現不
可能であるので、実施例を挙げて説明することはなされ
ていない。本発明は、比較的短い音響管を使用し、その
長さにくらべて十分に長い波長の音を用いて音響管を駆
動することにより、−ヒ記の周波数が０の共振状態を近
似的に実現し、その他は原発明と同様にして音響式マイ
クロメータを構成するもので、原発明の足らざるところ
を補うものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例、第２図は第１図の音響系の
等価回路、第３図はギャップ距離による音圧の大きさの
変化、第４図はダミー音響管を用いた温度補償の一実施
例、第５図は温度補償の原理の説明である。 ｌ−一一一測定用音響管、２−ｍ＝−７ランジ、３−−
−−被測定物、４−−−一音源、５−−−一発振器、６
−−−−マイクロホン等の音圧検出器、７−−−−増幅
器、８−一整流平滑回路、９表示用メータ、１１−−−
−フィルタ、３１−−−−ダミー音響管、３２−−−一
温度補償用フィルタ、３３−−−一位相検出器、３４−
−−一音源、３５−−−一電圧制御発振器、３６−−−
−マイクロホン等の音圧検出器、３７−−−−増幅器、
Ｑ−−−−音速、入−−−一音の波長、η−−−−空気
の粘性係数、ρ−−空気の密度、屹−・−大気圧、γ−
−−−空気の定圧定容比熱比。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物の表面から微小距離をへだてた位置に測定端を
   有する短い音響管と、この音響管を駆動する音源と、上
   記音響管内部の音圧を検出する音圧検出器とからなり、
   上記音源により上記音響管の長さにくらべて十分長い波
   長の音により上記音響管を駆動し、上記微小距離の変化
   によって生ずる上記音響管内部の音圧の大きさの変化に
   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。