KR20030096264A - 입자 크기의 펄스형 음향 측정을 위한 개선된 지오메트리 - Google Patents

입자 크기의 펄스형 음향 측정을 위한 개선된 지오메트리 Download PDF

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KR20030096264A KR10-2003-7011230A KR20037011230A KR20030096264A KR 20030096264 A KR20030096264 A KR 20030096264A KR 20037011230 A KR20037011230 A KR 20037011230A KR 20030096264 A KR20030096264 A KR 20030096264A
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캐논데이비드더블유.
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콜로이들 다이나믹스 피티와이 리미티드
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Abstract

콜로이드와 같은 샘플(1)에서 입자 크기를 결정하기 위한 펄스형 음향 측정 장치가 개시된다. 이 장치는 2개의 전극들(2)을 포함하며, 이 전극들 사이에서 전압이 상기 샘플에 인가된다. 상기 전압은 짧은 펄스들로 인가된다. 인가 전압은 상기 샘플에서 음파(5)와 같은 음향 신호를 발생하며, 이 음향 신호는 상기 음파(5)가 지연 소자(4)를 통과한 후에 트랜스듀서(3)에 의해 검출된다. 상기 지연 소자(4)는 전압 펄스의 인가와 트랜스듀서에 도달하는 음파(5) 사이의 시간 지연을 충분히 주기 위해 사용되며, 이에 따라 상기 수신된 음파의 신호는 상기 인가 전압에 의해 트랜스듀서(3)에서 발생되는 어떠한 신호로부터 격리될 수 있다. 지연 소자(4)와 트랜스듀서(3)는 지오메트리로 배열되거나, 대안적으로 상기 지연 소자(4)는, 지연 소자(4)의 측벽들로부터 음파(5)의 어떠한 반사들이 트랜스듀서(3)로부터 편향되도록 형성된다. 이는 특히 저주파수들에서의 간섭을 줄인다.

Description

입자 크기의 펄스형 음향 측정을 위한 개선된 지오메트리{IMPROVED GEOMETRY FOR PULSED ACOUSTIC MEASUREMENTS OF PARTICLE SIZE}
펄스형 음향 신호에 대한 어떤 물질의 응답 측정은 다양한 응용에서 사용되고 있다. 보다 폭넓게 응용가능하지만, 본 발명은 전자음향 측정 분야와 관련해서 주로 설명될 것이다.
미국 특허 제5,059,909, 5,245,290, 및 5,616,872호에는 콜로이드 내의 입자 크기 및 제타 전위(zeta potential)를 결정할 때의 전자음향 측정에 관한 이론 및 응용에 대해 기술하고 있다. 상기 특허들은 콜로이드 양단에 고주파(통상적으로 MHz) 전압을 인가하는 것을 포함하는 전자음향 측정들을 수행함으로써 상기 결정을 행한다. 이 전압은 트랜스듀서에 의해 측정되는 음파들을 발생한다. 이와 같은 주파수에 따른 음파의 측정들로부터, 콜로이드 입자들의 입자 크기 및 제타 전위가 결정될 수 있다. 본 출원인은 제품명이 어코스토사이저(AcoustoSizer)인 디바이스를 제조하고 있는바, 이 디바이스는 이러한 방법을 사용해서 크기 및 제타 전위를 측정한다.
어코스토사이저의 측정 과정이 도 1에 도시되어 있다.
인가 전압은 음파들(5)을 발생한다. 이러한 음파들(5)은 콜로이드(1)에 의해 발생되지만, 음파들은 전극들(2)로부터 나온다(이해를 위해, "콜로이드 인터페이스 사이언스 저널(Journal of Colloid Interface Science)" No. 173, p406-418(1995))에 게재된 오브라이언, 캐논 및 로우랜드스 논문의 §3을 참조하라). 따라서, 2개의 음파 빔이 각각의 전극으로부터 하나씩 발생된다. 도 1의 우측 전극으로부터의 신호는 어코스토사이저에서 입자 크기 및 제타 전위를 결정하는데 사용되는 신호이다. 상기 신호가 트랜스듀서(3)에 도달하면, 이 트랜스듀서는 작은 전압을 발생한다. 상기 전압은 상기 콜로이드 양단에 원래 인가된 구동 전압보다 (인자 100,000 정도로) 훨씬 작다. 이것은 측정 문제를 일으키는데, 왜냐하면 트랜스듀서의 리드들을 인가된 큰 전압으로부터 완벽하게 격리시키기 어렵고, 그 결과 상기 인가 전압으로부터의 "누화(crosstalk)"로 인한 트랜스듀서 신호의 성분이 존재할 것이기 때문이다. 이 누화를 제거하기 위해, 어코스토사이저는 펄스형 신호들과 지연 라인(4)을 조합하여 사용한다. 콜로이드(1) 양단에 연속적인 정현파 전압을 인가하는 대신에, 어코스토사이저는 펄스형 정현파를 인가하는데, 이 펄스형 정현파는 전형적으로 수 마이크로초의 제한된 지속 기간을 갖는다. 상기 도면에서 유리 블록(4)은 지연 라인으로서, 상기 콜로이드(1)에의 전압인가와 상기 트랜스듀서에 도달하는 음파(5) 사이에 지연이 일어나게 하는 기능을 한다. 음파(5)가 트랜스듀서(3)에 도달하면, 인가 전압은 턴오프되어 더 이상 어떠한 누화도 존재하지 않게 된다. 전극 간격과 펄스 폭은, 가장 가까이에 있는 전극으로부터의 음파 펄스가 종료된 후에 제2 전극으로부터의 음파 펄스가 트랜스듀서(3)에 도달하도록 선택된다. 따라서, 펄스들은 트랜스듀서(3)에서 중첩되지 않게 되며, 상기 가장 가까이에 있는 전극으로부터 신호를 게이트 오프(gate off)하여 측정할 수 있다.
어코스토사이저 방식의 측정에 대한 하나의 한계는, 이것이 유리 블록(4)에서의 음파(5)가 유리 블록(4)의 단면 치수들보다 훨씬 작은 경우에만 동작한다는 점이다. 이는 장치를 1MHz 이상의 주파수들로 제한한다. 보다 낮은 주파수들에서, 빔은 확산하여 상기 유리 블록(4)의 측벽들로부터 반사된다. 반사된 신호들은 상기 가장 가까이에 있는 전극으로부터의 신호와 간섭하게 되며, 이에 따라 상기 2개의 전극들로부터의 2개의 개별적인 신호들을 얻는 대신, 1개의 손상된 신호를 얻게 된다. 따라서, 가장 가까이에 있는 전극으로부터의 신호를 게이트 오프시켜 측정하는 것은 불가능하다.
지연 라인이 보다 낮은 주파수들에서 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 입자가 클수록 관성이 크므로, 보다 낮은 주파수 신호는 보다 큰 운동을 일으키며, 이에 따라 보다 큰 입자들을 포함하는 콜로이드 입자들에 대한 측정을 개선한다. 다른 응용들에서의 낮은 주파수 측정의 사용 또한 유사한 제약을 받는다.
하나의 공지된 낮은 주파수 콜로이드 분석기가 미국 특허 제4,907,453호에 개시되어 있다. 압전기 트랜스듀서는 연속적인 낮은 주파수의 낮은 전력 음향 신호를 생성한다. 이 신호는 콜로이드 샘플을 통해 수신기 쪽으로 전파된다. 그러나, 콜로이드 내에 음향 신호를 발생시키기 위해 인가 전압을 사용하는 것에 대해서는 개시되어 있지 않으며, 이에 따라 "누화"와 관련된 문제점들 및 지연 라인의 사용은 고려되어 있지 않다.
입자 크기 분포 및 제타 전위를 측정하기 위한 공지된 디바이스가 미국 특허 제6,109,098호에 개시되어 있다. 압전기 트랜스듀서는 펄스형 음향 신호들을 생성한다. 이러한 신호들은 콜로이드 샘플을 통해 수정 지연 라드들(quartz delay rods)을 거쳐 수신기 쪽으로 전파된다. 이 디바이스는 낮은 주파수들에서 빔 확산 문제를 겪게 되며, 이에 따라 1MHz 이상에서만 확실하게 동작할 수 있다.
콜로이드 형성의 시작을 검출하는 공지된 방법이 WO 00/74389에 개시되어 있다. 발진 전계(oscillating electric field)가 샘플에 인가되면 음향 신호가 생성된다. 이 음향 신호는 음향 지연 라인을 통해 검출기로 전파된다. 이 방법은 표준형의 지연 라인을 사용한다. 상기 음향 신호는 고정된 단면의 라드에 전해지며, 신호 빔의 집중에 대해 전혀 고려되지 않고 있다.
본 발명의 목적은 지연 라인의 치수보다 많이 작지 않은 파장들로 동작할 수 있는, 펄스형 음향 측정 방법 및 이러한 측정을 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 펄스형 음향 측정, 특히 초음파 측정 시에 사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술의 측정 방식의 개략적인 도시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 대한 도시도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 대한 도시도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 대한 도시도.
도 5는 본 발명의 실시예를 사용하는 전형적인 트랜스듀서 신호에 대한 도시도.
도 6은 배경 기술의 디바이스를 사용하는 전형적인 트랜스듀서 신호에 대한 도시도.
대체로, 본 발명은 지연 라인의 사용을 제공하는바, 여기에서 지오메트리는, 측벽 반사와, 특히 트랜스듀서가 위치해 있는 점에서의 측정에 대한 상기 측벽 반사 및 이들의 악영향을 최소화하도록 변형된다. 바람직하게는, 음파들을 상기 측벽으로부터 멀리 집중시키기 위한 곡선형 지오메트리, 예를 들어 원통형 지오메트리가 사용된다.
하나의 양상에 따르면, 본 발명은 샘플에 음향 응답을 발생하기 위한 수단,지연 소자, 및 상기 음향 응답을 검출하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 펄스형 음향 측정 장치를 제공하는바, 상기 지연 소자 및 트랜스듀서는 유사한 크기의 직사각형 지연 소자에 관한 측벽 반사들의 영향을 감소시키기 위한 지오메트리를 갖도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
양호하게, 상기 지연 소자는 상기 측벽 반사들을 상기 트랜스듀서의 위치로부터 떨어져서 편향시키기 위해, 곡선형 지오메트리를 갖는 인터페이스들을 포함한다. 하나의 형태에서, 상기 트랜스듀서는 음향 신호원에 대한 곡선형 소자의 반대측에 위치될 수 있다. 상기 음향 신호는 콜로이드의 샘플에 인가되는 전기 펄스에 대한 음향 응답이다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 샘플에 음향 응답을 발생하기 위한 수단, 지연 소자, 및 상기 음향 응답을 검출하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 펄스형 음향 측정 장치를 제공하는바, 상기 지연 소자는 측벽 반사들이 상기 트랜스듀서에 실질적으로 전파되지 않도록 상기 지연 소자의 벽들이 배향되도록 형성된다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 몇 가지의 가능한 실시예들과 관련하여 설명될 것이다. 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 가능한 많은 구성들이 있으며, 개시된 실시예들은 단지 예시적임을 유념하자.
본 발명의 발명자는 유리 블록(4)에 대해 많은 지오메트리들로 실험했다. 다른 직사각형 형상들 뿐만 아니라 원통형 지연 라인들도 시도되었으나, 이들은 모두 트랜스듀서(3)에서 상당한 측벽 반사를 나타내었다. 이러한 방식으로 형성된 지연 라인들로 동작 주파수들을 낮출 수 있는 유일한 방법은 블록의 단면 치수들을 증가시키는 것이다. 이는 또한 기구의 치수들을 증가시키는바, 이는 비용 및 공간의 측면에서 바람직하지 않다.
도 2는 빔을 벽으로부터 멀리 집중시키기 위해 원통형 지오메트리를 사용하는 설계를 도시한다. 이는 신호를 손상시키는 측벽 반사들 없이 깨끗한 전자음향 펄스들을 검출할 수 있게 한다.
전압이 전극들(12)에 인가되면, 음파들이 어코스토사이저에서와 같이 발생되지만, 원통형 지오메트리 때문에, 음파들이 고체 원통(14)의 중심 쪽으로 이동함에 따라 음파들이 집중되는 경향이 있다. 여전히 파의 확산이 일부 존재하기는 하지만, 라드의 측면들에 충돌하는 파들은 트랜스듀서(13)로 향하기보다는 다시 반사되는 경향이 있다. 결과적으로, 제1 전극으로부터의 신호들은 어떠한 다른 신호들과 중첩되지 않게 되어, 파장이 라드 직경에 비해 작지 않을지라도 측정할 수 있다.
도 5 및 6은 원통형 지오메트리의 이점을 도시한다. 도 5는 도 2에 도시된 디바이스 지오메트리를 사용하는 300 kHz에서의 트랜스듀서 신호를 도시한다. 이 경우, 플라스틱으로 구성되는 고체 원통(4)의 직경 d는 30 mm이다. 이 플라스틱의 음파장 λ는 이 주파수에서 7.3 mm이며, 따라서 d/λ비는 대략 4이다. 도 6은 동일한 주파수에서 직사각형 유리 블록을 사용해서 얻어지는 파장을 도시한다. 상기 블록의 단면 치수는 동일한 d/λ비를 제공하도록 선택되었다. 본 예에서, 상기 블록은 대략 70 mm의 측면들을 갖는 장방형 단면 영역을 갖는다. 분명하게도, 도 6에서의 게이트된 파형(gated waveform)은 훨씬 더 손상되어, 용이하게 게이트될 수 없기 때문에 측정에 용이하게 사용될 수 없다.
도 2는 단지 하나의 가능한 실시 만을 도시한다. 도 3은 동심의 원통형 지오메트리를 갖는 환형 디바이스(annular device)를 포함하는 다른 가능한 지오메트리를 도시한다. 전극들(22)은 원통형이며 샘플(1)을 포함한다. 이는 콜로이드(1)로부터의 빔이 중앙 트랜스듀서(23) 상에 집중되고, 이러한 집중시 증폭된다는 이점을 갖는다. 도 2의 설계와 비교되는 단점은 인가 전압과 트랜스듀서(23)에 도달하는 음파 사이에서 동일한 지연을 갖기 위해서는 크기가 더 커야만 한다는 점이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시를 도시한다. 이 디바이스에서, 콜로이드(1)는 중앙 컵에 포함되어 있고 트랜스듀서(33)는 설계의 외측 부분 상에 있다. 전극들(32)은 트랜스듀서(33)쪽을 향하도록 배열되어 있다. 따라서, 콜로이드(1)로부터의 빔은 집중되지 않고 확산된다. 측벽 반사들은 지연 소자(34)에서 측벽들의 발산으로 인해 감소된다. 이 장치의 이점은 상기 환형 지오메트리들에서보다는 이러한 컵에서 콜로이드(1)를 자극(stir)하는 것이 보다 용이하다는 것이다.
제공된 예들은 펄스-지연 라인 기술을 사용해서 전자음향 신호를 측정하는 문제에 집중해 있었다. 또한 펄스-지연 기술들에 의해 행해지는 다른 측정들이 있다. 이러한 기술들은 초음파 감쇠, 음의 속도 및 물질의 음향 임피던스를 포함한다. 이러한 측정들에서, 전압은 콜로이드가 아닌 트랜스듀서에 인가된다. 음파가 발생된 다음, 이음파는 물질을 통과하거나 이 물질에 의해 반사된 후 측정된다. 측정은 다를지라도 원리는 동일하다. 즉, 변형된 지오메트리를 사용함으로써, 소정 크기의 장치에 대해 보다 낮은 주파수를 사용할 수 있다.
총괄적 발명의 개념을 벗어남이 없이, 본 발명의 범주 내에서 부가 및 변형이 가능하다는 것을 이해해야 한다.

Claims (16)

  1. 샘플에서 음향 응답을 발생하기 위한 수단, 지연 소자, 및 상기 음향 응답을 검출하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 펄스형 음향 측정 장치에 있어서,
    상기 지연 소자 및 트랜스듀서는 유사한 크기의 직사각형 지연 소자에 대한 측벽 반사들의 영향을 감소시키기 위한 지오메트리를 갖도록 배열되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지연 소자는 상기 측벽 반사들을 상기 트랜스듀서의 위치로부터 멀리 편향시키기 위해, 곡선형 지오메트리를 갖는 인터페이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 음향 신호원에 대해 곡선형 소자의 반대측 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 음향 신호는 콜로이드의 샘플에 인가되는 전기 펄스에 대한 음향 응답인 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  5. 샘플에서 음향 응답을 발생하기 위한 수단, 지연 소자, 및 상기 음향 응답을 검출하기 위한 트랜스듀서를 포함하는 펄스형 음향 측정 장치에 있어서,
    상기 지연 소자는 측벽 반사들이 상기 트랜스듀서에 실질적으로 전파되지 않도록 상기 지연 소자의 벽들이 배향되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지연 소자는 상기 측벽 반사들을 상기 트랜스듀서의 위치로부터 멀리 편향시키기 위해, 곡선형 지오메트리를 갖는 인터페이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 음향 신호원에 대해 곡선형 소자의 반대측 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 음향 신호는 콜로이드의 샘플에 인가되는 전기 펄스에 대한 음향 응답인 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  9. 샘플에서 음향 응답을 발생하는 단계;
    상기 음향 응답에서 생기는 음향 신호가 전파되는 지연 소자를 제공하는 단계; 및
    상기 지연 소자로부터 전파되는 음향 신호를 검출하는 트랜스듀서를 제공하는 단계를 포함하는 펄스형 음향 측정 방법에 있어서,
    상기 지연 소자 및 트랜스듀서를, 유사한 크기의 직사각형 지연 소자에 비해측벽 반사들의 영향을 감소시키는 지오메트리로 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 지연 소자는 상기 측벽 반사들을 상기 트랜스듀서의 위치로부터 떨어져서 편향시키기 위해, 곡선형 지오메트리를 갖는 인터페이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 음향 신호원에 대한 곡선형 소자의 반대측 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 음향 신호는 콜로이드의 샘플에 인가되는 전기 펄스에 대한 음향 응답인 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 장치.
  13. 샘플에서 음향 응답을 발생하는 단계;
    상기 음향 응답에서 생기는 음향 신호가 전파되는 지연 소자를 제공하는 단계; 및
    상기 지연 소자로부터 전파되는 음향 신호를 검출하는 트랜스듀서를 제공하는 단계를 포함하는 펄스형 음향 측정 방법에 있어서,
    상기 측벽 반사들이 상기 트랜스듀서에 실질적으로 전파되지 않도록 상기 지연 소자의 벽들이 배향되는 형상을 갖는 지연 소자를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 지연 소자는 상기 측벽 반사들을 상기 트랜스듀서의 위치로부터 멀리 편향시키기 위해, 곡선형 지오메트리를 갖는 인터페이스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 음향 신호원에 대해 곡선형 소자의 반대측 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 음향 신호는 콜로이드의 샘플에 인가되는 전기 펄스에 대한 음향 응답인 것을 특징으로 하는 펄스형 음향 측정 방법.
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