JPS6344127A

JPS6344127A - 体積計

Info

Publication number: JPS6344127A
Application number: JP18673186A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 石井　泰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1986-08-11
Publication date: 1988-02-25
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPH0692904B2

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、ヘルムホルツ共鳴子の共振周波数変化を利用
した音響式の体積針に係る。

果実など不定形物体の体積を正確に知るには、通常、物
体を水中に沈めたときに排除される水の体積を測ること
が行われるが、この方法は、浮力に抗して物体を水中に
沈める手段を必要とするなど、多数の物体の自動検査な
どには不適である。

また人体の肥満度を計測するために、被検者を水中に頭
まで沈めて体積を測り、その値と空中での体重とから比
重を算出することが行われるが、この方法はきわめては
ん雑な手続きを必要とし、集団検診などには使えない。

　さらにまた、複雑な形状をした容器の容積を測るにも
水が使用されるが、この方法も容器が大きい場合には容
易ではない。

本発明は、従来のような水を使用する方法ではなく、音
響現象を利用し乾燥状態のままで物体の体積や容器の容
積を測定するものである。すなわち本発明は、容器に音
響管を接続して構成したヘルムホルツ共鳴子の共振周波
数が、容器の容積とその中に入れた物体の体積との差に
応じて変化することを利用するものであるが、特に、上
記のヘルムホルツ共鳴子にもう一つの補助的な音響共振
器を付加するか、あるいは上記のヘルムホルツ共（１り
、子の音響管を補助音響共振器として利用し、この補助
共振器の共振周波数と前記のヘルムホルツ共鳴子の共振
周波数との比をとることにより、温度変化などの影響を
補償して精密な体積測定を可能ならしめるものである。

したがって１本発明の第一の目的は、音の共振を利用し
て乾燥状態のままで果実や人体などの不定形物体の体積
や複雑な形状の容器の容積を簡便に測定する手段を提供
することである。測定される物体は固体に限らず、たと
えば複雑な形状のタンクに蓄えられている液体の体積も
本発明により；（ｌｊ＋定されうる。

未発明の第二の目的は、上記の音響的方法により体積測
定を行うに際し、温度変化等によって生ずる共振周波数
の変化の影響を、同じく音響的方法を利用することによ
り補償して、正確な測定を可能ならしめる手段を提供す
ることである。

第１図において１は物体７を入れた容器で、その上に副
室８を有する蓋２がのせられている。副室８には内部断
面積Ｓ、長さＬの音響管３がつけられている。５は駆動
用音源であって、容器１が小容積の場合はイアホンなど
が用いられ、短い管９を通して容器１の内部を音響的に
駆動するが、１が大容積の場合にはスピーカなどが用い
られ、これを容器１もしくは蓋２に直接とりつけて駆動
する。６は容器１の内部の音を検出するマイクロホンで
あって、内部断面積Ｓ′、長さＬ′の音す管４によって
副室８に接続されている。

いま副室８および音響管４の容積Ｓ’　　ｌ’　を含め
て容器１の全容積をＶＯとし、物体７の体積をＶとする
と、　容器ｌの内部の残余の空間の体積（Ｖｏ　　Ｖ）
による音響コンプライアンスＣはＣ’＝　（Ｖｏ−Ｖ）
／”ＹＰｏ　　　　　　　（１）である。ここでγは容
器１内部の気体、通常は空気、の定圧定容比熱比、Ｐａ
は気圧である。また音響管３の内部の気体の質量による
音響イナークンスＬはＬ＝ρｔ／Ｓ　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
である。ここでρは音響管３内部の気体、通常は空気、
の畜度である。上記二つの音響要素は一つの音響共振器
を構成するが、これはいわゆるヘルムホルツ共鳴子であ
って、その共振周波数ｆ、はｆｒ＝　（１／２ｗ）　Ｊ
ｒ７ττ −（ｃ／２π）　　Ｓ／Ｌ　　（Ｖｏ　−Ｖ）である。

ここでＣは音速であり、ｃ＝Ｊ”７Σ訂７丁　　　　　　　　　（４）である。

　（３）式で示されるように、ｆ、は体積の差（ＶＯ−
Ｖ）の関数であり、もしＶｏが既知であれば共振層波数
ｆ、−よりその容器の中に入れた物体の体積Ｖが知れる
。また容積未知の空の容器があった場合には、ｖ；０で
あるから、その容器の口に第１図のように音ｇ管、音源
、マイクロホン等を接続した蓋もしくは栓をつけること
によりその容積Ｖｏが知れる。しかしながら実際には温
度変化などにより音速Ｃが変化しｆ、が変化するから、
それに対する補償手段が必要となる。

第１図の装置においては、容器１と音響管３からなるヘ
ルムホルツ共鳴子のほかに、音響管４が補助的な音響共
振器として作用する。その共振周波数は一端閉止の音響
管のそれであってｆｒ’　＝ｃ／４１’　　　　　　　
　　　（５）およびその奇数倍の周波数であり、　（３
）式で与えられるヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｆｒ
と同様に、音速Ｃに比例して変化する。したがってこれ
ら補助共振器の共振周波数のいずれも前記の補償に利用
することができるが、いま最低次の共振周波数ｆｒ’を
用いることにし、音源５への入力電圧ｅｓ　　（ｔ）（
ｆは時間を表わす）からマイクロホン６の出力電圧ｅｒ
ａ（ｆ＞までの周波数特性をＧ（、ｆ）（、ｆは周波数
を表わす）とすると、振幅特性ＩＧ（、ｆ）Ｉは第２図
（ａ）に示すようにｆ、とｆＦ”の二つの周波数におい
てそれぞれ共振ピークを示す、そしてこれら二つの共振
周波数のうち、ｆｒが体積差（Ｖｏ　　Ｖ）に応じて変
化し、また温度変化などにより音速が変った場合には、
ｆ、、ｊ’、’　とも同じ割合で変化する。木発明では
これら二つの共振器を利用して、ｆ、、ｆ、−′なる二
つの周波数で発振する多重発振器を構成する。

なお実際の　ｆ、、ｆ、’は　（３）式および（５）式
で与えられる値より若干小さくなるが、これは主として
音響管３および４の開口部周辺の気体の付加質量の影響
であり、そのためこれらの音響管の長さが実効的に実際
の長さより若干長くなることによる。第１図の装置にお
いて副室８を設け、これらの音響管をこの副室に接続す
るようにしたのは、物体７が音響管の開口部に近付いて
その音響管の実効長が変化することを防ぐためである。

しかしながら、この副室は本発明において本質的に必要
というわけではない。

第３図は、前記の多重発振器を構成するためにマイクロ
ホン６と音源５の間に接続する電子回路である。マイク
ロホン６の出力ｅｍ（ｆ）は増幅器１０によって増幅さ
れるが、ここで低域フィルタ１１および高域フィルタ１
１′によって二つの成分に分離される。これら二つのフ
ィルタのカットオフ周波数ｆｃは、第２図（ａ）に示し
たようにｆ、とｆ　、　ｌの中間に設定されており、　
ヘルムホルツ共鳴子の共振に係る周波数ｆ、の成分は１
１を通って信号ｅｃ（ｔ）となり、　補助共振器の音響
管４の共振に係る周波数ｔ　、　ｌの成分は１１′　を
通って信号ｅｃ’（ｆ）となる。１２は位相検出器であ
り、電圧制御発振器１３とともに一つのフェーズロック
ループ（ＰＬＬ）を構成している。　すなわち１２は信
号ｅｃｃｔ）と１３の出力ｅｏ（ｔ）との位相差に比例
した直流出力Ｅｄを発生し、　これによってｇｏ（ｔ）
がｅｃ（ｆ）に対して一定の位相差になるように１３の
発振周波数を制御する。同様に位相検出器１２′と電圧
制御発振器１３′も一つのＰＬＬ回路を構成し、１３′
の出力ｅｏ’（ｆ）がｅｃ’（ｔ）に対して一定の位相
差になるように１３′の発振周波数が制御される。　二
つの出力ｇｏ（ｆ）とｅｏ’（ｆ）は加算器１６によっ
て加え合わされ増幅器１５により増幅されて、音源５へ
の入力電圧ｅｓ（ｔ）となる、　ここで１２．１３およ
び１２’、１３’を適当に調整すると、　　第２図（ｂ
）の位相特性ｌＧ＜ｆ）の曲線上のＡ点およびＡ′点に
位相をロックして、それぞれｆ、およびｆ　、　／の共
振周波数において持続的に発振させることができる。

１４は信号処理装置で、上記の発振状態においてｅｏ’
（ｔ）とｅｏ（ｆ＞の周波数の比ｆｒ′／ｆ、を測定し
、それに引き続く必要な演算等を行う０周波数比測定の
具体的手段には既知の種々の方法があるが、たとえばｇ
ｏ’（ｔ）をＮ倍（Ｎは正整数）に周波数てい倍してＮ
ｆ、’　なる周波数のパルスを作り、このパルスをクロ
ックとして計数回路を用いてｅＯ（ｔ）の周期１　／　
ｆ　ｒを計数測定するとＮｆｒ’／ｆｒがえられる。い
ま容器１と音響管４は同一の温度環境にあるものとする
と、　（３）式および（５）式に含まれている音速Ｃの
値は同じであるから、これらの式からｆｒ’／ｆｒ　＝
　（π／２１’）　　Ｌ　　（Ｖｏ　−Ｖ）　／５とな
る。したがってＶｏ　−Ｖ＝ｋ　　（、ｆｒ’　　／ｆｒ）　２　　　
（７）となって周波数比ｆ、’／ｆ、より体積差（ＶＯ
−Ｖ）が求められる。ここでｋは定数でに＝　Ｃ２１’
　　／π）２　（Ｓ／ｌ）　　　　（８）であるが、実
際にはこのｋの値は、既知の体積を用いた校正により実
験的に定められる。

なお、上記とは逆に、ｅｏ（ｔ）の周波ｆｉｆｒをてい
倍し、これをクロックパルスとしてｅｏ″（１）の周期
１　／　ｆ　ｒ　’　を計数４１１１定して周波数比ｆ
、／ｆ、’　をえて、その逆数を（７）式に代入して（
Ｖｏ　　Ｖ）を求めるようにしてもよい。なおまた実際
には、理論から導かれた（７）式のような簡単な式では
精度が不十分で、ｆｒ’／ｆｒから（Ｖｏ−Ｖ）を求め
るのに、１個もしくは数個のｋｎ　　（ｆｒ’　　／ｆ
ｒ）　　　（ｋｎ、ｎは定数）なる形の項からなるｆ、
’／ｆ、−の多項式で求める場合もある。あるいは（Ｖ
Ｏ−Ｖ）とｆ、’／ｆ、との関係を数式で表わすのでは
なく、校正によってえられた（ＶＯ−Ｖ）とｆ、’／ｆ
、もしくはｆ、／ｆｒ’　　との関係を表の形式で信号
処理装置内に記憶し、ｆ、’／ｆ、もしくは　ｆ、／ｆ
ｒ′の測定値かえられるたびにこの表を引いて（Ｖｏ−
Ｖ）を求めるようにする場合もある。いずれにせよ重要
なことは、周波数比をとることにより音速Ｃが互に相殺
されて、その変化が最終結果に影響しないということで
ある。

以上の説明においては、ＰＬＬ回路を用いて発振器を構
成するようにしたが、これは単なる一手段であって、共
振系を含む発振器を構成するにはこのほかにも既知の種
々の手段がある、たとえば第３図において、　　１２．
１２′を移相回路に、１３．１３′を増幅器におきかえ
、それらの出力から１２．１２′にいたるフィードバッ
ク結線はとりさるようにしても発振器を構成することが
できる。また発振波形も完全な正弦波である必要はなく
、たとえば第３図の装置において、１３および１３′の
出力として、それぞれ周波ｈｆ、−およびｆｒ′の三角
波を発生するようにしても差支えない。

以上においては、発振はｆ、とｆ　、　ｊなる周波数に
おいて同時になされ、したがって容器１の内部にはこれ
ら二つの周波数の音が共に存在するものとした。しかし
ながらｆ、とｆｒ’　の値が接近している場合には、フ
ィルタによってこれら二つの周波数成分を分離してそれ
ぞれの発振回路に導くことが困難になる。このような場
合には、ｆ。

とｆｒ’　での発振を時間的に交互に行わせる。すなわ
ち第３図における加算器１６を切換スイッチにおきかえ
、周波数ｆ、の信号ｅｏ（ｆ）と周波数ｆ　、　ｌの信
号ｅｏ’（ｔ）を交互に切換えて増幅器１５へ導き音源
５から放射する。この場合には一方の周波数の発振が行
われている間は、他方の周波数の発振は停止しているか
ら、それらの周波数の比を前例のように直接に計数測定
することはできない。したがってこの場合には、たとえ
ば第４図に示すように、水晶発振器２０から出力される
一定周波数のクロックパルスを、　信号ｅ。

（１）およびｅｏ’ｃｔ）によって制御されるゲート２
１および２１′を通して計数回路２２および２２′で計
数することにより、ｃｏ（ｆ）の周期１　／　ｆ　ｒと
ｅｏ’（ｆ）の周期１／ｆｒ’　をそれぞれ独立に測定
する。これらの計数動作は、上記の発振の切換に同期し
て交互に行われる。ただしこれらの計数動作の開始は、
発振が切換えられるごとに新しい発振が成長し定常状態
となるまで待たねばならず、特にｆ、が可聴周波数以下
の低周波の場合には、長い待機時間が必要となる。

このようにして計数測定された１　／　、ｆ　ｒ、１／
ｆｒ′の仙は計数回路２２および２２′に保持されてい
るので、この段階で両者の比を演算しそれを（７）式に
入れて（Ｖｏ　　Ｖ）を求めることもできるが、第４図
の装置においては、２２′に保持されているｌ　／　ｆ
　ｒ　’の値は、さらに演算回路２３に送られ、そのと
きの温度Ｔが算出される。

すなわち容器１内部の気体が空気の場合には、音速ｃ（
ｍ／ｓ）と絶対温度Ｔ　（Ｋ）の間には近似的にｃ＝２０ＪＴ　　　　　　　　　　　　（９）なる関係
があるから、これと（５）式よりＴ＝　（１’　ｆｒ’
　）　２／２５　　　　　　　（＋０）としてＴが算出
される。−力演算回路２４においては、　（３）式と（
９）式からえられる関係式Ｖｏ　−Ｖ＝　（１０／π）
　２　（Ｓ／　ｌ）Ｔ／ｆｒ　２により、計数回路２２
に保持されているｌ　／　ｆ　ｒの値と演算回路２３に
よって（１０）式により算出されたＴの値より体積差（
ＶＯ−Ｖ）が求められる。温度変化に対するこのような
補償方法では、周波数比ｆ、’　　／ｆ、に直接対応す
る信号はどこにも現われないが、　　（１０）式を（１
１）式に代入すると（７）式に帰着することから明らか
なように１周波数比によって体積差を求めるという本発
明の木質的な点においては、なんら変るものではない。

第５図は第１図の装置とは逆に、マイクロホン６が接続
される管４の長さを短くし、かわりに音源５が接続され
る管９の長さを長くするようにした実施例である。　す
なわちこの場合の補助共振器は、内部断面積Ｓ″、長さ
Ｌ　”の音響管９であり、したがってこのときの補助共
振器の共振周波数はｆｒ’　＝ｃ／４１”　　　　　　　　　　（１２）お
よびその奇数倍で与えられる。　また振幅特性ＩＧ（、
ｆ）Ｉは第２図（ａ）に示すようになり、第１図の場合
と全く同様にして、周波数比ｆ　、　１／ｆ、より体積
差（Ｖｏ−Ｖ）が求められる。

第６図は補助共振器として、主たるヘルムホルツ共鳴子
とは別に、小さなヘルムホルツ共鳴子を使用した実施例
である。すなわち小容積ｖ１の容器３１と内部断面積が
５１で長さが１１の音響管３０からなるヘルムホルツ共
鳴子が副室８に接続され、音源５は容器３１に接続され
ており、この補助ヘルムホルツ共鳴子を介して容器１、
蓋２、副室８および音１番管３からなる主たるヘルムホ
ルツ共鳴子を駆動する。またマイクロホン６も容器３１
に接続されている。上記の補助共振器の共振周波数はＶ
ｌがＶｏにくらべて十分に小であればｆｒ　’　＝ＣＣ
／　２π）　　５ｚ　／　Ｌｘ　Ｖｓ　　（１３）とな
り、振幅特性ＩＧ　（７）Ｉは、この場合も第２図（ａ
）に示すようになる。したがってマイクロホン６と音源
５の間に第３図の回路を接続すれば、前二例と同様にｆ
、とｆ　ｒ　’　の二つの周波数において発振し、周波
数比ｆ、’／ｆ、より体積差（Ｖｏ　　￥）が求められ
る。

第７図は液体の体積を測定する実施例である。

容積ｖｏの容器１の中には測定される物体７として液体
が体積Ｖだけ入れられている。容器１には栓４０がはめ
られており、音響管３が栓４０を貫通してとり付けられ
ている。　栓４０には音源５が接続された短いＬ字管４
１も貫通しており、音源５はこのＬ字管を通して容器１
の内部を駆動する。この実施例の場合、ヘルムホルツ共
鳴子に接続される補助音響共振器はなく、またマイクロ
ホン６は音響管３の途中に接続されている。これはつぎ
に説明するように、ヘルムホルツ大口１子の構成要素で
ある音響管３を補助音響共振器として兼用するためであ
る。

上述のように、音響管３を補助共振器とみなした場合、
その共振周波数は、音響管３内体は長さＬの両端開放の
管であるからｆｒ’　　＝ｃ／２１　　　　　　　　　　　　　（１
４）およびその整数倍となる。　音響管３と容器１とか
らなるヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｆ、は（３）式
で与えられるが、ここでｆ、の変化の原因は、温度変化
や液体の蒸気の混入などにより音響管３内部の気体密度
ρが変化し、　（２）式で表わされる音響イナータンス
Ｌが変化するためである。　すなわち（３）式中の音速
Ｃは、厳密にいえば、音響管３内部の音速とみなすべき
ものである。前に説明した三つの実施例は、ヘルムホル
ツ共鳴子に別途に用意した補助音響共振器を接続する方
式であるので、音ｇ管３と補助共振器の温度が不均一の
場合やそれらの内部の気体の組成が異なる場合などには
完全な補償はなしえない。その点、本実施例では、　（
１４）式の音速Ｃは音響管３内部の音速であるので、よ
り完全な補償が可能である。この点は前二例にはみられ
ない本実施例に特有の効果である。

第７図の装置において、　音源５への入力電圧ｅｓ（ｔ
）　　からマイクロホン６の出力電圧ｅｍ（１）までの
振幅特性ＩＧ（ｆ）ｌは　　１２図（ａ）に示すように
なり、マイクロホン６と音源５の間に、第３図に示すよ
うな電子回路を接続することにより、ｆｒとｆｒ’の二
つの共振周波数において同時に発振する。これら二つの
発振周波数の比より体積差（ＶＯ−Ｖ）を求め、それよ
り液体の体積Ｖを求めることは前と同様である。また１
が容積未知の空の容器である場合、その口に第７図に示
したような音響管等をつけた栓４０をはめることにより
、その容積ＶＯが求められることはいうまでもない。

本実施例で利用した音響管３の共振は、　第１図、第５
図あるいは第６図に示した装置においても潜在的には存
在している。しかしその共振の強さはきわめて小さく、
そのままでは利用し難い。

第７図のように、音響管３の途中にマイクロホン６を接
続するなどの工夫によって、始めてこの音響管自身の共
振をヘルムホルツ共！！β子の共振と同程度の強さで検
出することができ、その利用が可能となるものである。

以上を要するに、　本発明の基本的思想は、容器にＭｔ
、ｌｐ管を接続してヘルムホルツ共鳴子を構成し、その
共振周波数によって容器の容積やその中に入れた物体の
体積を測定する場合において、補助的な音響共振器をヘ
ルムホルツ共鳴子につけ加えるか、あるいはヘルムホル
ツ共鳴子の音響管自体を補助共振器として用い、この補
助共振器の共振周波数が、温度などが変化した際に、主
たるヘルムホルツ共鳴子の共振周波数と同じ割合で変化
することを利用して温度変化等の影響を補償することで
ある。その結果として、不定形の物体や容器の体積の音
響的手法による測定が始めて実用的に可能となったもの
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図は音響系の周波数特
性、第３図は本発明の電子回路部分の一例、第４図は信
号処理装置の一例、第５図は本発明の第二の実施例、第
６図は本発明の第三の実施例、第７図はヘルムホルツ共
鳴子の音響管を補助共振器に兼用する場合の一実施例で
ある。１−一−−容器、２−−−一蓋、３−一一一音響管、４
−−−−マイクロホンを接続する管、５−−−一音源、
６−−−−音検出器のマイクロホン、７−−−−物体、
８−一一一副室、９−一一一音源を接続する管、１０−
−−一増幅器、１１．１１’−−−−フィルタ、１２．
１２’−一−−位相検出器、　　１３．　１３’　−−
−一電圧制御発振器、１４−−−一信号処理装置、１５
−−−一増幅器、１６−−加算器、２０−−−一水晶発
振器、　　２１．２１′−−−−ゲート、２２．２２’
−−−一計数回路、２３゜２４−−−一演算回路、３０
−−−一音響管、３１−−−一小容器、４０−−−一栓
、４１−−−−短いＬ字管。

Claims

【特許請求の範囲】

　容器に音響管を接続してヘルムホルツ共鳴子を構成し
、上記ヘルムホルツ共鳴子にこれを駆動する音源と音検
出器のマイクロホンとを接続し、上記マイクロホンと上
記音源との間に電子回路を接続して発振を生ぜしめるよ
うになし、上記ヘルムホルツ共鳴子にさらに補助音響共
振器を接続するか、あるいは上記ヘルムホルツ共鳴子の
音響管を上記補助音響共振器として兼用し、上記補助音
響共振器の共振周波数の一つと上記ヘルムホルツ共鳴子
の共振周波数とにおいて発振せしめ、これら二つの発振
周波数の比によって上記容器の容積もしくは上記容器に
入れた物体の体積を求めることを特徴とする体積計。