KR102444396B1

KR102444396B1 - 전자 음향식 체적 측정

Info

Publication number: KR102444396B1
Application number: KR1020197036347A
Authority: KR
Inventors: 칼 이 타라스키
Original assignee: 미시간 사이언티픽 코포레이션
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2022-09-16
Also published as: US20180340811A1; WO2018217956A1; CN110892236B; CN110892236A; US10859421B2; KR20200010305A

Abstract

하우징 공간 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공 튜브를 사용하여 수행될 수도 있다. 스피커가 중공 튜브를 통해 오디오 신호를 방출하도록 배열된다. 적어도 2개의 마이크로폰들 중 제1 마이크로폰이 중공 튜브의 제1 단부에 위치되고, 제2 마이크로폰은 중공 튜브 내에 제1 마이크로폰으로부터 규정된 거리에 위치된다. 전압 제어 발진기는 중공 튜브의 제1 단부가 하우징 내에 위치되어 있는 동안 제1 마이크로폰의 신호들과 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 오디오 신호들의 주파수를 제어한다. 공진 주파수는 가스의 체적을 나타낸다. 공진 주파수는 온도 조정될 수도 있거나, 체적은 온도 조정될 수도 있다.

Description

전자 음향식 체적 측정

본 개시내용은 일반적으로 전자 음향식 체적 측정(electro acoustic volume measurement)을 사용하는 가스의 체적의 측정에 관한 것이다.

가스의 체적의 측정은 여러 용례에서 바람직할 수 있다. 예를 들어, 내연 기관의 피스톤 위의 체적의 측정은 엔진을 튜닝하는 데 사용될 수도 있다.

이러한 측정을 행하기 위해 다양한 기술이 사용되어 왔다. 저비용 기술은 액체 주입(liquid pour)이다. 그러나, 액체 주입 기술은 정밀도 및 정확도가 낮고, 시간 소모적이며, 엔진의 해체를 필요로 한다. 다른 기술은 광학 기술이라 칭한다. 광학 기술은 매우 정밀하고 정확하지만, 비교적 고가이고 시간 소모적이다. 게다가, 광학 기술은 또한 엔진의 해체를 수반한다.

본 명세서에 설명된 기술은 해체를 필요로 하지 않고 높은 정확도 및 정밀도를 나타내는, 하우징(예를 들어, 임의의 폐쇄 공간) 내의 가스 체적의 전자 음향식 체적 측정을 포함한다. 또한, 본 명세서에 설명된 기술은 휴대형이고 사용이 용이하고, 다른 기술에 비해 비교적 저렴하다.

전자 음향식 체적 측정을 위한 장치의 일 예는 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공(hollow) 튜브 및 중공 튜브를 통해 오디오 신호를 방출하도록 배열된 스피커를 포함한다. 적어도 2개의 마이크로폰이 또한 포함되고, 적어도 2개의 마이크로폰 중 제1 마이크로폰은 중공 튜브의 제1 단부에 위치되고, 적어도 2개의 마이크로폰 중 제2 마이크로폰은 중공 튜브 내에서 제1 마이크로폰으로부터 제2 단부쪽으로 규정된 거리에 위치된다. 전압 제어 발진기는 중공 튜브의 제1 단부가 하우징 내에 위치되는 동안 제1 마이크로폰과 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 오디오 신호들의 주파수를 제어한다.

전자 음향식 체적 측정을 위한 방법의 일 예는 중공 튜브의 제1 단부가 중공 튜브 내에 위치되도록 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공 튜브를 하우징 공간 내에 삽입하는 단계를 포함하고, 적어도 2개의 마이크로폰 중 제1 마이크로폰은 중공 튜브의 제1 단부에 위치되고, 적어도 2개의 마이크로폰 중 제2 마이크로폰은 중공 튜브 내에서 제1 마이크로폰으로부터 제2 단부쪽으로 규정된 거리에 위치된다. 방법은 전압 제어 발진기에 의해, 오디오 신호들의 주파수를, 제1 마이크로폰과 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 제어하면서, 스피커를 사용하여 중공 튜브를 통해 오디오 신호들을 방출하는 단계를 또한 포함한다.

이들 예에서, 공진 주파수는 하우징의 체적으로 캘리브레이팅된다. 즉, 공진 주파수를 알면, 하우징 내의 가스의 체적이 알려진다.

이들 구현예 및 부가의 구현예의 변형예가 첨부 도면 및 청구범위를 참조하여 이하에 더 상세히 설명된다.

본 개시내용의 다양한 특징, 장점 및 다른 사용은 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 더 명백해질 것이다. 도면에서, 달리 언급되지 않으면, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 더욱이, 도면은 반드시 실제 축척대로 도시되어 있는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 예를 도시하고 있다.
도 2a는 본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 프로브의 예를 도시하고 있다.
도 2b는 도 2a의 프로브의 튜브 또는 파이프 내에 체적 단부 마이크로폰의 배치를 도시하고 있다.
도 2c는 도 2a의 프로브와 함께 사용될 수도 있는 스피커 어레이의 예를 도시하고 있다.
도 2d는 도 2a의 프로브와 함께 사용될 수도 있는 투(two) 스피커 어레이용 스피커 하우징의 예를 도시하고 있다.
도 2e는 도 2d의 스피커 하우징의 장착부의 확대도를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 아날로그 전자 회로의 일 구현예의 블록도를 도시하고 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 전자 회로의 상세한 개략도를 도시하고 있다.
도 5는 도 4a 내지 도 4d의 전자 회로를 위한 전력 회로의 일 구현예의 개략도를 도시하고 있다.
도 6은 도 4a 내지 도 4d의 전자 회로를 위한 선택적 리셋 스위치 회로의 개략도를 도시하고 있다.
도 7 내지 도 11은 본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 전자 회로의 디지털 구현예의 상세한 개략도를 도시하고 있다.
도 12는 본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 사용의 사시도를 도시하고 있다.
도 13a 및 도 13b는 도 12의 장치를 사용하는 내연 기관의 압축비의 측정을 도시하고 있는 단면도 및 측단면도를 도시하고 있다.

음향 헬름홀츠 공진기(Helmholtz resonator)의 주파수는 해당 체적으로 종단되는 파이프 내의 가스의 음향 질량과 조합하여 해당 체적(예를 들어, 하우징) 내의 가스의 컴플라이언스(compliance)에 의존한다. 이러한 이해에 기초하여, 2개의 마이크로폰 사이에 위치된 가스의 질량에 의존하는 의사 공진(pseudo resonance)이 여기되는데, 마이크로폰 중 하나는 파이프의 체적 단부에 위치되고, 다른 하나는 음향 소스(예를 들어, 스피커)에 더 가깝게 위치된다. 공진은 2개의 마이크로폰에서의 음압이 90도 위상차를 갖는 주파수로서 정의된다. 위상 검출기가 2개의 마이크로폰 신호를 전자적으로 곱하고, 이에 의해 곱(product)을 형성할 수도 있다. 곱은 2개의 마이크로폰 신호들이 90도 위상차를 가질 때 0의 평균값을 갖는다. 위상차가 90도 위상차와는 상이할 때 곱의 비제로(non-zero) 절대 평균값이 발생한다.

본 명세서의 전자 회로는 곱의 적분에 의해 결정된 주파수를 갖는 전압 제어 발진기(voltage-controlled oscillator: VCO)를 사용할 수도 있다. 곱의 적분은 VCO 주파수를 90도 관계가 존재하는 값으로 유도하는 방향으로 변경될 것이다. 따라서, 발진기는 음향 의사 공진 주파수를 찾아서 이를 유지할 수 있다. 이 주파수를 본 명세서에서 공진 주파수라고도 칭한다. 음향 의사 공진 주파수의 값은 체적값으로 캘리브레이팅된다. 따라서, 체적의 측정이 달성된다.

도 1a 및 도 1b는 본 개시내용의 구현예에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치(100)의 예를 도시하고 있다. 장치(100)는 하우징(104) 내에 프로브(102) 및 전자 회로를 포함한다. 하우징(104)은 장치(100)에 의해 측정된 체적을 표시할 수 있는 디스플레이를 포함할 수도 있다. 커넥터(예를 들어, 케이블)(106)가 프로브(102)를 하우징(104) 내의 전자 회로에 연결하는 데 사용될 수도 있다. 스피커 하우징(108)은 프로브(102)의 일 단부에서 오디오 신호를 방출하기 위한 스피커를 하우징하고 선택적으로 측정 중에 폐쇄 공간을 통해 비교적 기밀한 밀봉부를 형성한다.

도 1b는 하우징(104)의 표면에 디스플레이 대신에, 전자 회로에 전자적으로 커플링된 오실로스코프(110)를 포함한다. 오실로스코프(110)는 장치(100)로부터의 주파수 출력을 표시하는 디스플레이를 포함한다. 도 1b는 공지된 가스의 체적을 갖는 폐쇄 공간을 갖는 각각 2개의 캘리브레이션 디바이스(112, 114)를 또한 포함한다. 도시되어 있는 바와 같이, 프로브(102)는 캘리브레이션 디바이스(114)에 삽입된다. 이에 따라, 오실로스코프(110)에 의해 표시되는 주파수 출력은 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 공진 주파수이다. 캘리브레이션 디바이스(112, 114)와 같은 복수의 캘리브레이션 디바이스를 사용하여, 공진 주파수는 각각의 캘리브레이션 디바이스의 폐쇄 공간의 공지된 체적으로 캘리브레이팅될 수 있다. 본 예에서, 표시된 공진 주파수는 캘리브레이션 디바이스(114)의 공지된 체적에 대응한다.

전자 회로가 하우징(104) 내에 위치되는 것으로서 설명되었지만, 전자 회로의 일부는 프로브(102) 내에 위치될 수도 있다는 것에 주목하라. 대안적으로, 프로브(102)는 일체형일 수도 있다[즉, 모든 전자 회로가 프로브(102) 내에 위치되거나 또는 일체로 부착될 수 있음]. 일체형 프로브는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 장치(100)의 전자 회로의 디지털 구현에 특히 유용하다.

도 2a는 도 1a 및 도 1b의 장치(100)의 프로브(102)의 예를 도시하고 있다. 프로브(102)는 명료화를 위해 분해되어 있다. 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 프로브(102)는 측정되는 폐쇄 공간/영역에 이르는 개구 내에 끼워지도록 크기설정된 외경을 갖는 튜브 내에 하우징된 2개의 소형 마이크로폰(202, 204)을 사용할 수도 있다. 튜브는 본 명세서에서 파이프(206)라 칭할 수도 있고, 파이프(206)는 제1 단부 및 제2 단부를 갖는다. 하나의 마이크로폰(202)은 파이프(206)의 알려지지 않은 체적 단부(제1 단부)에 위치된다. 다른 마이크로폰(204)은 파이프(206)의 제2 단부쪽으로 규정된 거리에 위치된다. 마이크로폰(204)은 직교 마이크로폰(quadrature microphone)일 수도 있다. 스피커 하우징(108)은 파이프(206)의 제2 단부와 음향적 연결을 갖고 위치된 스피커(208)를 나타내기 위해 도 2a에서는 생략되어 있다. 즉, 스피커(208)는 파이프(206)의 제2 단부 부근에 배열되어 스피커(208)로부터 방출된 오디오 신호가 파이프(206)를 통과하게 한다. 파이프(206)의 제2 단부에서 스피커(208)의 위치로 인해, 파이프(206)의 제2 단부는 스피커 단부라 칭할 수도 있다. 용이한 조립을 위해, 그리고 파이프(206) 내에서 마이크로폰(202, 204)을 확실하게 지지하기 위해, 각각의 마이크로폰(202, 204)은 얇은 강성 와이어(210)에 고정될 수도 있다. 파이프(206)는 마이크로폰(202, 204) 및 와이어(210) 위에 끼워지고, 스피커 하우징(108)(도 2a에 도시되어 있지 않음)의 개구와 맞물려지는 제2 단부에 플랜지(206a)를 가질 수도 있다. 플랜지(206a)는 스피커 하우징(108)과 강제 끼워맞춤될 수도 있고, 또는 스피커 하우징(108)과 접착제 또는 다른 구성 요소에 의해, 반영구적으로 또는 제거 가능하게 고정될 수도 있다. 프로브(102)가 조립되어 있는 파이프(206)의 제1 체적 단부에서의 마이크로폰(202)의 배치는 도 2b에 도시되어 있다.

스피커(208)는 본 예에서 단일의 수동 스피커이다. 그러나, 원하는 오디오 신호 강도를 얻기 위해 스피커 어레이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 스피커가 사용될 수도 있다. 스피커 어레이의 일 예가 도 2c에 도시되어 있다. 도 2c에서, 3개의 스피커(208a, 208b, 208c)가 배선 하우징(212) 내에 장착된다. 배선 하우징(212)은 오디오 신호가 파이프(206)를 통과할 수 있게 해주는 스피커 하우징과 일치하는 개구(212a)를 가질 수도 있고, 배선 하우징(212)을 스피커 하우징에 고정시키기 위한 개구(212b)를 갖는다. 도 2d로부터 알 수 있는 바와 같이, 스피커 또는 스피커 어레이의 형상에 따라, 스피커 하우징(108)이 변경될 수 있다. 도 2d의 스피커 하우징(108a)은 투(two) 스피커 어레이를 지원하도록 설계되었다. 배선 하우징(212)과 유사한 배선 하우징은 스피커 하우징(108a)의 공동 내에 끼워지고, 개구(212b)와 유사하게, 배선 하우징의 개구 내로 그리고 스피커 하우징(108a)의 개구 내로 연장하는 나사(214)에 의해 고정될 수도 있다. 커넥터(106)와의 맞물림을 위한 장착부(216)는 파이프(206)가 스피커 하우징(108a)에 부착되는 장소와는 반대측에 있는 스피커 하우징(108a)의 단부에 있다.

스피커 하우징(108a)의 장착부(216)의 확대도가 도 2e에 도시되어 있다. 장착부(216)의 내부에는 커넥터(106)가 확실하게 장착될 수도 있는 암형 커플링(216a)이 있다.

마이크로폰들(202, 204) 간의 거리는 헬름홀츠 공진기의 등가 파이프 길이를 규정하며, 헬름홀츠 공진기의 주파수는 이하의 수학식에 의해 주어진다:

식에서, 파이프 면적은 마이크로폰들(202, 204)을 포함하는 파이프(206) 내의 중공 면적이고, 파이프 길이는 마이크로폰들(202, 204) 간의 거리이다. 거리는 장치(100)에 의해 측정될 예상 체적(들) 및 다음에 설명되는 폐쇄 공간(들)의 크기에 기초하여 선택될 수도 있다.

광범위하게, 전자 회로는 VCO를 포함할 수 있다. VCO는 예에서, 자체 튜닝 사인파 발진기 및 90도 위상 검출기를 포함한다. 2개의 마이크로폰(202, 204)의 신호의 적분된 곱이 최소화된다. 2개의 신호들이 90도 위상차를 가질 때, 곱의 평균값은 0이다. 따라서, 주파수가 안정적이다.

몇 가지 효과가 이러한 접근법이 실용적이게 하는 주파수 범위에 영향을 미친다. 첫째, 작은 스피커로 저주파수에서 실용적인 음압 레벨을 발생하는 것은 어렵다. 둘째, 파이프(206)의 물리적 길이에 기인하는 정재파(비-헬름홀츠) 모드의 회피가 바람직하게 회피된다. 원하는 범위가 10 내지 1200 cc인 본 명세서의 예에서, 마이크로폰들(202, 204) 간의 거리는 제1 효과를 처리하기 위해 30 Hz 초과에서 1200 cc의 체적을 갖는 주파수를 얻도록 선택된다. 또한, 마이크로폰들(202, 204) 간의 규정된 거리는 제2 효과를 처리하기 위해 400 Hz 미만에서 10 cc의 체적을 갖는 헬름홀츠 모드를 유지하도록 선택된다. 피스톤 하우징에 적합한 파이프 직경이 주어지면, 거리는 3 내지 4 cm(이 값들을 포함)이다.

파이프(206)의 길이(및 면적)는 상기 2개의 효과를 처리하면서 예상 체적에 대해 원하는 주파수 범위를 생성할 수 있는 한 특별히 한정되는 것은 아니다. 2개의 마이크로폰(202, 204)이 도시되어 있지만, 2개의 마이크로폰 그룹이 사용되는 것이 가능하다.

도 3은 도 1의 장치(100)의 전자 회로(300)의 일 예의 개략도를 도시하고 있다. 이 전자 회로(300)는 전자 음향식 체적 측정을 위한 아날로그 해결책을 구현한다.

마이크로폰(202, 204)으로부터의 신호는 각각의 증폭기 회로 또는 증폭기(302, 304)에 공급된다. 증폭된 마이크로폰 신호는 곱셈기 회로 또는 곱셈기(306)에서 곱해지고, 마이크로폰 신호의 곱은 적분기(308)로 출력된다. 적분기(308)는 오디오 신호의 주파수에 비례하는 평균 전압을 출력하는데, 이 평균 전압은 파형 발생기, 변조기, 선형-대-사인 변환기 및 복조기로 형성된 전압 제어 발진기로의 입력이다. 곱의 적분은, VCO 주파수를, 마이크로폰 신호들 간에 90도 관계가 존재하는 값으로 유도하는 방향으로 변경된다. 이 방식으로, VCO는 측정되는 체적에 대응하는 음향 의사 공진(또한 공진이라고도 칭함) 주파수에서 안정된다.

일반적으로, 파형 발생기는 제1 마이크로폰의 신호들과 제2 마이크로폰으로부터의 신호들 사이의 주파수에 비례하는 전압 신호를 수신하고, VCO에 대한 파형 입력을 발생한다. 파형 입력은 삼각파일 수 있다.

도시되어 있는 바와 같이, 파형 발생기는 제2 곱셈기(310), 제2 적분기(312), 대칭 회로(314) 및 리미터(316)를 포함한다. 적분기(308)로부터의 평균 전압은 제2 곱셈기(310)로의 하나의 입력이다. 제2 곱셈기(310)로의 다른 입력은 리미터(316)로부터의 구형파 피드백 신호이다. 제2 곱셈기(310)의 출력은 오디오 신호의 주파수에 비례하는 피크 대 피크 값을 갖는 구형파이다. 구형파는 리미터(316)에 입력되는 일정한 진폭의 삼각파를 생성하기 위해, 적분 신호의 레벨을 조정하는 대칭 회로(314)로부터의 입력과 함께 제2 적분기(312)에 입력 신호로서 공급된다.

파형 발생기의 출력[즉, 제2 적분기(312)로부터 출력된 일정 진폭 삼각파]은 스피커(208)로부터의 오디오 신호의 이전 주파수를 공진 주파수에 더 가깝게 이동시키는 주파수를 갖는다. 전자 회로(300)의 다음 부분은 스피커(208)에 대한 제어 신호인 새로운 주파수에서 제2 적분기(312)로부터 출력된 일정 진폭 삼각파를 사인파로 변환한다.

구체적으로, 레벨 회로(318)는 증폭기(322)로의 입력을 위해 삼각파 출력의 크기를 조정한다. 증폭기(322)로의 제2 입력은 밸런스 회로(320)로부터의 밸런싱 전압이다. 증폭기(322)의 출력은 멀티플렉서 주파수 체배기(324)라고도 또한 칭하는 VCO의 변조기 및 멀티플렉서 하프 사인 대 사인(multiplexer halve-sine to sine) 변환기(330)라고도 또한 칭하는 VCO의 복조기로 공급된다. 멀티플렉서 주파수 체배기(324)의 변조된 출력은 VCO의 선형 대 사인 변환기(326)를 통해 공급된다. 선형 대 사인 변환기(326)의 출력은 멀티플렉서 하프 사인 대 사인 변환기(330)에 제2 입력을 제공하기 전에 제2 증폭기(328)를 통해 증폭된다.

멀티플렉서 하프 사인 대 사인 변환기(330)의 출력은 제3 증폭기(332)에 의해 증폭되는 사인파이다. 제3 증폭기(332)의 출력은 스피커(208) 또는 스피커 어레이를 제어한다. 일단 프로브(102)가 측정될 체적 내에 삽입되고 신호가 초기에 스피커(208)에 인가되면, 도 3의 전자 회로는 측정되는 체적에 대응하는 공진 주파수에서 안정화되기 전에 복수의 사이클 동안 동작할 수도 있다.

도 4a 내지 도 4d는 도 3의 전자 회로의 상세한 개략도를 도시하고 있다. 이들 도면에서, "TP"로 표기된 위치는 도 3에서 동일한 위치 및 따라서 동일한 신호에 대응한다. 예를 들어, TP3 및 TP4는 증폭기(302, 304)로부터의 증폭된 마이크로폰 신호를 표현한다. 도 4a에서, 입력 커넥터(J1)(402) 및 입력 커넥터(J2)(404)는 각각 마이크로폰, 본 예에서는 마이크로폰(202, 204)에 커플링되고, 입력 커넥터(J3)(406)는 스피커, 본 예에서는 스피커(208)에 커플링된다.

곱셈기(306, 310)는 각각 내부적으로 트리밍된 정밀 IC 곱셈기일 수도 있다. 가능한 구현예는 미국 매사추세츠주 노우드 소재의 Analog Devices, Inc.(ADI)로부터 입수 가능한 부품 AD534를 사용할 수도 있다. 이 경우, 곱셈기(306)에서의 마이크로폰 신호들의 곱은 OUT=1.1*X2*Y1이다. 적분기(308)에서, 다이오드(D1)는 ref+Vd 이상의 전압 출력을 클램핑하고, 제2 곱셈기(310)의 출력은 OUT=X2*Y1이다.

전술된 바와 같이, VCO의 멀티플렉서 주파수 체배기(324) 및 멀티플렉서 하프 사인 대 사인 변환기(330)는 각각 변조기와 복조기를 형성한다. 가능한 구현예는 각각, ADI로부터 이용 가능한 부품 AD630과 같은 고정밀 밸런싱된 변조기/복조기를 사용할 수도 있다. VCO의 선형 대 사인 변환기(326)는 임의의 수의 구성 요소로 형성될 수도 있다. 도시되어 있는 예에서, 선형 대 사인 변환기(326)는 ADI로부터 입수 가능한 부품 AD534로 형성된다.

도 5는 도 4a 내지 도 4d의 전자 회로(400)를 위한 전력 회로(전력 소스)(500)의 일 구현예의 개략도를 도시하고 있다. 전력 소스(500)의 특정 디자인은, 스피커 또는 스피커 어레이가 오디오 신호를 방출하게 하는 전자 회로(400)의 제어를 포함하여, 스피커 또는 스피커 어레이를 제어하기에 충분한 전력을 제공하는 한 다양할 수 있다. 전력 소스(500)는 예로서 ±15V/4W AC/DC 전원이다. 전력 소스(500)는 입력 커넥터(J4)(502)를 통해 AC 전력을 수신할 수도 있다. 출력(504)에서 DC 전력을 생성하는 데 사용될 수 있는 하나의 전력 모듈은 미국 캘리포니아주 산호세 소재의 Traco Power North America, Inc.로부터의 부품 TMPM 04215이다.

도 6은 도 4a 내지 도 4d의 전자 회로(400)를 위한 선택적 리셋 스위치 회로(600)의 개략도를 도시하고 있다. 리셋 스위치 회로(600)는 전력 소스(500)에 의해 전력 공급받을 수도 있고, 공진 주파수(및 따라서 체적)의 결정을 위해 전자 회로(400)를 리셋하는 데 사용될 수도 있다.

언급된 바와 같이, 전자 회로(400)에 대한 주파수 출력값은 체적값으로 캘리브레이팅된다. 즉, 공진 주파수의 각각의 값은 가스에 대한 상이한 체적에 대응한다. 그러나, 온도값이 캘리브레이션시 사용된 값과 상이할 때, 체적값이 동일한 주파수 출력값에 대해 다양할 수 있다. 이에 따라, 전자 회로는 캘리브레이션을 위해 사용된 온도와 비교하여 측정된 온도에 기초하여 캘리브레이션에 의해 결정된 체적을 수정하기 위해 측정이 행해질 때 온도를 검출하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 대안적으로, 온도는 상이한 온도를 사용하여 사전 결정된 체적에 대한 복수의 캘리브레이션 값 중 하나를 선택하기 위한 입력으로서 사용될 수도 있다. 온도 센서(이하에 더 상세히 설명됨)는 파이프(206) 내에 또는 스피커 하우징(108a)과 같은 스피커 하우징 내에 장착될 수도 있다.

가변 주파수, 사인파 소스, 위상 검출기 및 적분기를 사용하는 디지털 구현예도 또한 가능하다. 일 디지털 구현예의 개략도가 도 7 내지 도 11에 도시되어 있다. 본 예에서, 전기 회로는 프로브로부터 이격된 하우징 내에 대신에, 프로브 내에 위치될 수도 있다.

도 7은 프로브와 디스플레이 사이의 무선 통신을 허용하는 무선 회로(700)이다. 본 예에서, 이는 단일 모드 블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy: BLE) 또는 블루투스 스마트(Bluetooth Smart)를 사용하여 구현된다. 무선 회로(700)를 위해 사용되는 하나의 가능한 부품은 영국 런던 소재의 Laird PLC로부터 입수 가능한 부품 BL600-SA일 수도 있다. 무선 회로의 다른 구현예가 가능하지만, 바람직하게는 이들은 배터리에 의해 전력 공급되는 것들과 같은 소형의 휴대용 저전력(power-conscious) 디바이스로 형성된다.

도 8은 디지털 전기 회로로의 입력을 도시하고 있다. 마이크로폰(802) 및 마이크로폰(804)은 프로브(102)와 같은 프로브 내의 각각의 마이크로폰(202, 204)으로서 사용될 수도 있다. 마이크로폰(802, 804)은 스피커의 제어 회로에서의 사용을 위한 아날로그 출력을 생성한다. 각각의 마이크로폰(802, 804)은 예를 들어, 미국 캘리포니아주 산호세 소재의 InvenSense Inc.로부터 입수 가능한 부품 INMP411와 같은, 전방향 마이크로폰으로서 구현될 수도 있다. 바람직하게는 그러나 필수적인 것은 아니지만 아날로그 온도 센서인 온도 센서(806)가 전술된 바와 같이 온도를 조정하기 위해 사용될 수도 있다. 도시되어 있는 온도 센서(806)의 구현예는 미국 텍사스주 댈러스 소재의 Texas Instruments로부터 입수 가능한 부품 LMT85DCK를 포함한다. 입력 커넥터(808)는 이들 신호를 다음에 설명되는 디지털 회로의 나머지에 이용 가능하게 한다.

도 9는 마이크로폰(802, 804)과 같은 적어도 2개의 마이크로폰 각각에 대한 감지 회로를 포함한다. 예를 들어, 2개의 마이크로폰 전치 증폭기(902, 904)는 프로브(102) 내에서 마이크로폰(802, 804)의 아날로그 출력 신호와 동등한 디지털 전압값을 제공한다. 마이크로폰 신호로부터 디지털 출력을 제공하는 것이 가능한 임의의 구성 요소가 사용될 수도 있다. 도시되어 있는 구현예에서, 전치 증폭기(902, 904)는 중국 선전 소재의 Shenzhen Wengo Electronic Technology Co., Ltd.로부터 입수 가능한 부품 T5472QT를 포함한다. 전치 증폭기(902, 904)는 마이크로폰(802, 804)의 위상차를 결정하고 VC에 대해 그 위상차를 사용하기 위해 사용될 수 있는 디지털 마이크로폰 신호를 제공한다.

도 10은 VCO의 디지털 구현예를 포함한다. VCO는 전치 증폭기(902, 904) 및 온도 센서(806)로부터 입력을 수신하고, 이하에 설명된 스피커에 대한 출력 제어 신호를 생성하는 프로그램 가능 마이크로제어기(1002)를 포함한다. 프로그램 가능 마이크로제어기(1002)는 예를 들어 스위스 제네바 소재의 STMicroelectronics로부터 입수 가능한 부품 STM32F373C일 수도 있다. 동일한 부품 군에 있을 수도 있는 다른 프로그램 가능 마이크로제어기(1004)는 전자 회로를 위한 전원을 제공하고, 반면에 스위칭 회로(1006)는 (예를 들어, 배터리로부터) VCO로의 전원을 온 및 오프로 스위칭하는 것을 허용한다. 스위칭 회로(1006)는 전자 회로에 의해 사용되는 전압을 조절하기 위한 벅-부스트 동기식 DC/DC 변환기를 포함한다. 벅-부스트 동기식 DC/DC 변환기는 ADI로부터 입수 가능한 부품 LTC3531에 의해 구현될 수도 있다.

스피커(208)와 유사할 수도 있는 스피커(1102)에 대한 제어 회로(1100)가 도 11에 도시되어 있다. 스피커(1102)에 대한 제어 신호는 프로그램 가능 파형 발생기(1106)에 의해 생성된 파형을 입력으로서 수신하는 차동 증폭기(1104)로부터 수신된다. 파형은 제3 증폭기(332)의 출력에서 생성된 것과 동등한 사인파 신호이다. 프로그램 가능 파형 발생기(1106)는 도 10의 VCO로부터 입력을 수신한다. 도시되어 있는 예에서, 차동 증폭기(1104)는 Texas Instruments로부터 입수 가능한 부품 THS4531에 의해 구현되고, 프로그램 가능 파형 발생기(1106)는 ADI로부터 입수 가능한 부품 AD9833에 의해 구현된다.

본 개시내용에 따른 전자 음향식 체적 측정을 위한 디바이스 또는 장치의 사용의 일 예가 도 12, 도 13a 및 도 13b에 도시되어 있다. 도 12는 내연 기관(1200)에서 피스톤 위의 공간 내에 삽입된, 도 1의 장치(100)와 같은 장치(1202)의 사시도를 도시하고 있다. 도 12에 도시되어 있는 장치(1202)는 유선이지만, 장치(1202)의 프로브는 전술된 바와 같이 무선일 수도 있다. 도 13a 및 도 13b는 도 12의 내연 기관(1200)과 같은 내연 기관의 압축비의 측정을 도시하고 있는 단면도 및 측면도를 도시하고 있다.

사용시에, 점화 플러그(1300)는 피스톤(1304)의 하우징(1302)으로부터 나사 풀림된다. 하사점(bottom dead center; BDC)을 나타내는 위치가 도 13a에 도시되어 있고, 상사점(top dead center; TDC)을 나타내는 위치가 도 13b에 도시되어 있다. 장치(1202)는 BDC에서 제1 체적 측정치(90도 위상 관계가 존재하는 제1 주파수에 대응함) 및 TDC에서 제2 체적 측정치(90도 위상 관계가 존재하는 제2 주파수에 대응함)를 생성한다. 내연 기관(1200)의 압축비는 BDC에서의 제1 체적 측정치를 TDC에서의 제2 체적 측정치로 나눈 값과 동일하다.

90도 위상 관계가 존재하는 주파수는 음향 시스템의 감쇠에 영향을 받지 않는다. 이에 따라, 체적 용기에서 음향 누설로 인한 잠재적인 부정확성이 감소된다. 또한, 폐쇄 공간을 갖는 장치에 의해 형성된 밀봉부는 공기 난류의 결여에 기인하여 안정성 및 정밀성을 나타낸다. 의사 공진 주파수는 파이프의 총 길이가 아니라 2개의 마이크로폰 사이의 간격에 의존한다. 일 예에서, 이 특징은 실제 크기의 휴대용 기기에서 30 내지 400 Hz의 주파수를 유지하면서 10 내지 1200 cc 사이의 체적 측정을 가능하게 한다.

본 개시내용은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시내용은 개시된 실시예에 한정되지 않고, 반대로, 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함된 다양한 수정 및 등가물을 커버하도록 의도된 것이며, 이 범주는 법률 하에서 허용되는 바와 같이 모든 이러한 수정 및 등가 구조를 포함하도록 가장 넓은 해석에 따라야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정(electro acoustic volume measurement)을 위한 장치로서,
제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공(hollow) 튜브;
상기 중공 튜브를 통해 오디오 신호들을 방출하도록 배열된 스피커;
적어도 2개의 마이크로폰들 - 상기 적어도 2개의 마이크로폰들 중 제1 마이크로폰은 상기 중공 튜브의 제1 단부에 위치되고, 상기 적어도 2개의 마이크로폰들 중 제2 마이크로폰은 상기 중공 튜브 내에서 상기 제1 마이크로폰으로부터 상기 제2 단부쪽으로 규정된 거리에 위치됨 -; 및
상기 중공 튜브의 제1 단부가 상기 하우징 내에 위치되어 있는 동안 상기 제1 마이크로폰의 신호들과 상기 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 상기 오디오 신호들의 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기 - 상기 공진 주파수는 가스의 체적을 나타냄 -
를 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 스피커는 상기 제2 단부와 음향적 연결된(acoustical connection) 하우징에 장착되는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제2항에 있어서,
상기 스피커는 직렬 또는 병렬 중 적어도 하나로 전기적으로 배선된 복수의 스피커들 중 하나인 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제2항에 있어서,
상기 하우징은 상기 중공 튜브의 제2 단부가 부착되는 개구를 포함하는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징 내의 온도에 기초하여 상기 체적을 조정하기 위한 입력 신호를 제공하는 온도 센서
를 더 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제5항에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 스피커의 하우징 내에 장착되는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 2개의 마이크로폰들이 부착되어 있는 상기 중공 튜브를 통해 연장되는 강성 와이어
를 더 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 스피커를 제어하는 전자 회로를 위한 하우징 - 상기 전자 회로는 상기 전압 제어 발진기를 포함함 -; 및
상기 스피커를 위한 하우징 및 상기 전자 회로를 위한 하우징에 커플링된 커넥터
를 더 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 마이크로폰의 신호들과 상기 제2 마이크로폰으로부터의 신호들 사이의 주파수에 비례하는 전압 신호를 수신하고 상기 전압 제어 발진기에 대한 파형 입력을 발생하는 파형 발생기
를 더 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제9항에 있어서,
상기 파형 입력은 삼각파를 포함하는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 제어 발진기는 프로그램가능 마이크로제어기를 포함하는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치로서,
프로브; 및
전자 회로
를 포함하고,
상기 프로브는,
제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공 튜브;
상기 제2 단부로부터 상기 중공 튜브를 통해 오디오 신호들을 방출하도록 배열된 스피커;
상기 중공 튜브의 제1 단부에 위치된 제1 마이크로폰; 및
상기 제1 마이크로폰으로부터 상기 제2 단부쪽으로 규정된 거리에서 상기 중공 튜브 내에 위치된 제2 마이크로폰
을 포함하며,
상기 전자 회로는,
상기 중공 튜브의 제1 단부가 상기 하우징 내에 위치되어 있는 동안 상기 제1 마이크로폰의 신호들과 상기 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 상기 오디오 신호들의 주파수를 제어하는 전압 제어 발진기 - 상기 공진 주파수 각각의 값은 가스에 대한 상이한 체적에 대응함 -
를 포함한 것인, 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제12항에 있어서,
상기 전자 회로는,
상기 제1 마이크로폰에 커플링되고 제1 증폭된 신호를 생성하는 제1 증폭기 회로;
상기 제2 마이크로폰에 커플링되고 제2 증폭된 신호를 생성하는 제2 증폭기 회로;
상기 제1 증폭된 신호와 상기 제2 증폭된 신호의 곱을 생성하는 곱셈기 회로; 및
상기 제1 증폭된 신호와 상기 제2 증폭된 신호 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 전압 제어 발진기로의 입력 신호를 발생하는 파형 발생기
를 더 포함한 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제12항에 있어서,
상기 전자 회로는 상기 중공 튜브 내에 장착되는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제12항에 있어서,
상기 프로브는,
상기 스피커를 지지하는 스피커 하우징;
상기 중공 튜브의 제2 단부를 둘러싸는 플랜지; 및
온도 센서
를 포함하고, 상기 플랜지는 상기 스피커 하우징의 개구에 끼워지는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
제15항에 있어서,
상기 개구와는 반대측에 있는 상기 스피커 하우징의 단부는 전자 회로가 장착되는 하우징에 커플링된 커넥터를 포함하는 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 장치.
하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 방법으로서,
중공 튜브의 제1 단부가 상기 하우징 내에 위치되도록, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공 튜브를 상기 하우징 내에 삽입하는 단계 - 적어도 2개의 마이크로폰들 중 제1 마이크로폰은 상기 중공 튜브의 제1 단부에 위치되고, 상기 적어도 2개의 마이크로폰들 중 제2 마이크로폰은 상기 중공 튜브 내에서 상기 제1 마이크로폰으로부터 상기 제2 단부쪽으로 규정된 거리에 위치됨 -; 및
전압 제어 발진기에 의해, 오디오 신호들의 주파수를, 상기 제1 마이크로폰의 신호들과 상기 제2 마이크로폰의 신호들이 90도 위상차를 갖는 공진 주파수로 제어하면서 스피커를 사용하여 상기 중공 튜브를 통해 상기 오디오 신호들을 방출하는 단계 - 상기 공진 주파수는 가스의 체적을 나타냄 -
를 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 방법.
제17항에 있어서,
온도 센서에 의해 측정된 온도값을 사용하여 상기 체적을 조정하는 단계
를 더 포함하는 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 방법.
제17항에 있어서,
상기 규정된 거리는 3 cm 내지 4 cm(3 cm, 4 cm 값들을 포함함)인 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 방법.
제17항에 있어서,
상기 스피커는 스피커 어레이의 하나의 스피커를 포함하고, 상기 스피커 어레이는 상기 중공 튜브의 제2 단부에 음향적으로 커플링되고;
상기 중공 튜브를 삽입하는 단계는 상기 중공 튜브를 점화 플러그 개구를 통해 피스톤 하우징 내에 삽입하는 단계를 포함하고;
상기 오디오 신호들의 주파수를 공진 주파수로 제어하는 것은, 상사점(top dead center)에 대응하는 제1 공진 주파수로 상기 주파수를 제어하고, 하사점(bottom dead center)에 대응하는 제2 공진 주파수로 상기 주파수를 제어하는 것을 포함한 것인 하우징 내의 가스의 전자 음향식 체적 측정을 위한 방법.