JP2004503764A - 音速測定装置及びその方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は音速測定装置に関する。本装置は、出力電気パルス信号（４０４）を生成する電気パルス生成手段（４０２）、前記出力電気パルス信号（４０４）を出力音響パルス信号（４０５）に変換する送信トランスジューサ、出力音響パルス信号（４０５）を反射して反射音響パルス信号（４０９）を生成する反射器（４０７）、送信トランスジューサから直接送信された出力音響パルス信号（４０５）及び反射器で反射された反射音響パルス信号（４０９）を受信するようなされ、受信出力音響パルス信号（４０５）を再構成された出力電気パルス信号（４１０）に変換し、かつ反射音響パルス信号を再構成された反射電気パルス信号（４１１）へ変換する受信トランスジューサ（４０８）、再構成された出力電気パルス信号（４１０）及び再構成されたパルス信号（４１１）を用いて音速（４１２）を測定する速度測定手段を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音速測定に関する。さらに具体的には、本発明は所定の距離を通る音響信号の伝搬時間に基づいて音速を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
図１は米国特許第４，９２６，３９５号に開示された音速測定の従来技術装置１００及び方法を示す。
制御モジュール１０１は出力電気パルス信号１０２を生成する。イベント開始時、即ち出力電気パルス信号１０２の生成時の時刻はｔ１で示される。出力電気パルス信号１０２は送信トランスジューサ１０３に送出される。
【０００３】
送信トランスジューサ１０３は出力電気パルス信号を音響パルス信号１０４に変換する。
次に、送信トランスジューサ１０３によって出力された音響パルス信号１０４は空気または水などの媒体１０５の中を伝搬し、反射器１０６に当たって反射される。
【０００４】
反射音響パルス信号１０７は受信トランスジューサ１０８の方へ反射され、受信トランスジューサ１０８は反射音響パルス信号１０７を受信して電気パルス信号に変換する。電気パルス信号は再構成された反射電気パルス信号１０９として以下で言及される。
この公知の装置において、送信トランスジューサ及び受信トランスジューサのフロントエンドは反射器１０６の面に平行な１つの面にある。なんとなれば、受信トランスジューサおよび送信トランスジューサが１つのトランスジューサで実現されているからである。
【０００５】
次に、再構成された反射電気パルス信号１０９は制御モジュール１０１に送出される。
再構成された反射電気パルス信号１０９が制御モジュール１０１で受信されるときの時刻に基づいて、音響パルス信号の伝搬時間、即ち、出力及び反射音響パルス信号が媒体１０５の中を伝搬するのに必要な時間が測定される。伝搬時間の測定方法は以下に説明される。
【０００６】
制御モジュール１０１で測定され出力される音速１１０、即ちｓは、
【数式１】
で与えられ、ここで
・ｄは送信トランスジューサ１０３（または受信トランスジューサ１０８）と反射器１０６との間の距離であり、
かつ、
・ｔ０は伝搬時間であって、出力音響パルス信号１０４が送信トランスジューサと反射器１０６との間の距離を伝搬するのに必要な時間と、反射音響パルス信号１０７が反射器１０６と受信トランスジューサ１０８との間の距離を伝搬するのに必要な時間との合計である。
【０００７】
以下に、従来技術による伝搬時間ｔ０の測定方法が説明される。
制御モジュール１０１で生成された出力電気パルス信号１０２は、図２Ａに示すように、通常、有限時間分のゲート正弦波信号である。
送信トランスジューサ１０３及び受信トランスジューサ１０８の固有の特性によって、トランスジューサ１０３及び１０４において、各々の信号変換処理の間に信号特性がたいてい劣化する。これは、例えば、音響パルス信号１０４の波形は出力電気パルス信号１０２の波形に正確に対応せず、送信トランスジューサ１０３によって出力電気パルス信号１０２の波形から音響パルス信号１０４の波形が生成されるということを意味している。同様に、再構成された反射電気パルス信号１０９の波形は、反射音響パルス信号１０７の波形に正確に対応せず、再構成された反射電気パルス信号１０９は反射音響パルス信号１０７から受信トランスジューサ１０８で生成される。
【０００８】
図２Ｂは、再構成された反射電気パルス信号１０９の例を示し、それは制御モジュール１０１で受信され、入力ゲート正弦波信号から生じて出力電気パルス信号１０２として送信トランスジューサ１０３に供給される。
制御モジュール１０１は信号を受信すると、受信信号が再構成された反射電気パルス信号１０９であるかあるいはただのバックグラウンドノイズかを判定する。
【０００９】
論考を容易にするために、受信信号はデジタル信号であるとみなす。
制御モジュール１０１は、受信信号のひとつのデジタル標本を受信すると、デジタル信号のこの標本の振幅を２つの閾値３０１、３０２、即ち上側の閾値３０１と下側の閾値３０２と比較する（図３参照）。
本文脈では、振幅はこの時刻でのデジタル信号の電圧レベルであるように意図されている。
【００１０】
デジタル信号のこの標本の振幅の絶対値が上側あるいは下側の閾値の絶対値より大きいとき、再構成された反射電気パルス信号１０９が検出されることが判定され、次にこのときの時刻がｔ２で表される（図３参照）。
そうでなければ、制御モジュール１０１の判定は、再構成された反射電気パルス信号１０９は検出されないということであって、制御モジュール１０１は次のデジタル標本を引き続き採り、再構成された反射電気パルス信号１０９が検出されるまで上述したような比較を行う。
【００１１】
伝搬時間ｔ０は次に評価伝搬時間
【数式２】
であると評価され、
【数式３】
で与えられる。ここで
・ｔ１は出力電気パルス信号１０２を制御モジュール１０１が生成開始するときの時刻であり、
かつ、
・ｔ２は再構成された反射電気パルス信号１０９が制御モジュール１０１で検出されるときの時刻である。
【００１２】
これで、どのように伝搬時間ｔ０が計算された時間
【数式４】
で評価されるかの説明が完了する。
しかしながら、上記に特に説明された先行技術による方法には２つの問題があり、
【数式５】
によるｔ０の評価値を誤ったものにする。
第１に、送信トランスジューサ１０３によって出力電気パルス信号が可聴形式（音響パルス信号１０４）に変換されることは瞬間的に起きているのでなく、主としてトランスジューサの物理的制限によっている。実際、出力電気パルス信号１０２が制御モジュール１０１で生成開始されるときの時刻（即ち、ｔ１）と音響パルス信号１０４が媒体１０５の中を伝搬を開始するときの時刻との間にはかなりの時間の遅延がある。遅延が音速測定の様々な実施／シナリオに対して固定値であるときは、ｔ１をｔ１に固定値を加えた値で置き換えることによってこの問題は回避され得た。しかしながら、遅延は音速測定の様々な実施／シナリオに対して一定ではない。
【００１３】
第２に、再構成された反射電気パルス信号１０９の検出も瞬間的に起きるのではない。実際、制御モジュール１０１は、図３に示すように、再構成された反射電気パルス信号１０９のだいたい２、３サイクルというかなりの時間遅延があって初めて再構成された反射電気パルス信号１０９の到達を検出し得る。遅延が、例えば、音速測定の異なる実施／シナリオに対して１サイクルといった固定値であるとき、ｔ２をｔ２からこの固定値を減じた値で置き換えることによってこの問題は回避され得る。しかしながら、この遅延も音速測定の異なる実施／シナリオに対して一定ではない。
【００１４】
これらの問題は、制御モジュール１０１としてサウンドカード、送信トランスジューサ１０３として市販のやや低コストのラウドスピーカー、反射器１０６としてプラスチックのコンパクトディスクケース、及び受信トランスジューサ１０８として市販のやや低コストのマイクロフォン、を有するパーソナルコンピュータのような低コストコンポーネント使用時にいっそう悪化する。
【００１５】
【発明の概要】
従って、本発明の第１の目的は、特に高校における音速測定実験のためのような教育的目的のために、とりわけ低コストのコンポーネントを使用する時であっても、改善された精度で音速を測定する装置を提供することである。
第１の目的を達成するために、本発明の第１の特徴によると、音速測定装置は電気パルス信号生成手段を含み、出力電気パルス信号として以下で参照される電気パルス信号を生成する。電気パルス生成手段は、例えば、ケーブル経由で、送信トランスジューサに接続され、出力電気パルス信号を出力音響パルス信号として以下で参照される音響パルス信号に変換する。送信トランスジューサは、市販のやや低コストのラウドスピーカーでできる。さらに、受信トランスジューサが、音響パルス信号を電気パルス信号に変換するために備えられている。受信トランスジューサは、市販のやや低コストのマイクロフォンでできる。２つのトランスジューサは反射器に接続され、送信トランスジューサによって生成され出力された出力音響パルス信号が反射器で反射されて、反射音響パルス信号が生成されて受信トランスジューサで受信される。本発明のこの第１の特徴によれば、受信トランスジューサが、送信トランスジューサに関連して、出力音響パルス信号及び反射音響パルス信号の両方を受信し各々の電気パルス信号に変換するようになっている。受信トランスジューサによって出力音響パルス信号から生成された電気パルス信号は、再構成された出力電気パルス信号として以下で言及され、一方反射音響パルス信号から生成された電気パルス信号は、再構成された反射電気パルス信号として以下で言及される。さらに、本発明のこの特徴による装置は、再構成された出力電気パルス信号と、再構成された反射電気パルス信号も用いて音速を測定する速度測定手段を含む。
【００１６】
電気パルス生成手段及び／または速度測定手段はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で実現され得る。例えば、電気パルス生成手段及び速度測定手段の両方がサウンドカードを含むＰＣで実現され得る。
さらに、反射器はプラスチック要素であり、特にコンパクトディスクケースであってもよい。
【００１７】
本発明による装置の有利な点は、かなり低コストのコンポーネントが使用されるときでさえ音速測定の精度が改善されるという事実で理解され得る。なんとなれば、再構成された出力電気パルス信号に基づく音速測定が、従来技術装置と関連して上述された送信トランスジューサの変換プロセスにおける未知の時間遅延によって引き起こされる音速計算の不確実性を排除するからである。さらに、本装置は大変安価であり、よって低コストの用途に特に適している。
【００１８】
本発明のさらなる実施例によれば、電気パルス生成手段は、
・最大振幅を有する優勢サイクルで始まり、
かつ
・出力電気パルス信号の終端部分の振幅が、優勢サイクルにおける出力電気パルス信号の最大振幅と比較してかなり小さい値かゼロへと漸減する、
ことを特徴とする波形を有する出力電気パルス信号を生成することができるようになされている。
【００１９】
出力電気パルス信号は初期部分をさらに含み、その振幅は出力電気パルス信号の最大振幅よりもかなり小さくてもよい。論考を容易にするために、出力電気パルス信号はかかる初期部分を有さないとみなす。
本発明の本実施例によれば、音速測定の堅牢性及び正確性をさらに改善する。なんとなれば、出力電気パルス信号のかかる波形で、従来技術に関連して上述された速度測定手段の検出プロセスにおける未知の時間遅延によって引き起こされる音速計算の不確実性を排除するか少なくとも減じるからである。
【００２０】
本発明のさらなる実施例によれば、導波路が備えられ、送信トランスジューサと反射器との間、及び／または受信トランスジューサと反射器との間に配置される。
さらに、導波路は中空の円筒型チューブであってもよい。長手の紙を巻いて形成した中空のチューブであってもよい。
【００２１】
かかる導波路を用いると、信号エネルギの損失がさらに低減され、従って媒体の中を伝搬する時の信号振幅の減少がより少なくなることによって、よりよい測定結果がもたらされる。
さらに、本発明の好適実施例によれば、速度測定手段は、
・再構成された出力電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク検出時である、第１時刻、
及び、
・再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク検出時である、第２時刻、
を用いて音速を測定するようになされている。
【００２２】
再構成された出力電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク（優勢サイクルの第２半サイクルのピークである）は、その絶対値が第１閾値の絶対値より大きいときに検出され、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピークは、その絶対値が第２閾値の絶対値より大きいときに検出される。第１及び第２閾値は、同じかあるいは異なる値を有してもよい。第１閾値の絶対値が第２閾値の絶対値より大きいことが望ましい。なんとなれば、概して、エネルギー、即ち、再構成された出力電気パルス信号の振幅とが、再構成された反射電気パルス信号の振幅より高いからである。
【００２３】
本発明によれば、第１半サイクルの代わりに第２半サイクルを選択することに優位性がある。これはいくつかのシナリオにおいて、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第１半サイクルのピークが十分有効でない一方、他のシナリオにおいては、それが十分有効である、つまり、その絶対値が、第２閾値の絶対値より小さいときもあれば、大きいときもある、ということが認められるからである。よって、優勢サイクルの第１半サイクルのピークを検出することが、多くの場合に伝搬時間ｔ０の評価精度に影響する。なんとなれば、ピークが検出される時間が優勢サイクルの第１半サイクルのピークに正確に対応するときもあるが、優勢サイクルの第１半サイクルのピークが検出されないので、優勢サイクルの次に来るサイクルの第１半サイクルのピークに間違って対応するときもあるからである。他方、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２半サイクルのピークは常に十分に有効である。
【００２４】
さらに、本発明の第２の目的は、とりわけ低コストのコンポーネント使用時であっても改善された精度を有する音速測定方法を提供することである。
第２の目的を達成するために、出力電気パルス信号が、本発明の第２の特徴による音速測定方法の第１ステップで生成される。次に、出力電気パルス信号は出力音響信号に変換される。反射器で反射された後、このように生成された反射音響パルス信号は、受信されて再構成された反射電気パルス信号に変換される。最終ステップとして、再構成された反射電気パルス信号を用いて音速が測定される。
【００２５】
さらに、本発明の好適実施例によれば、出力電気パルス信号は本発明の第２の特徴による音速測定方法の第１ステップで生成される。次に、出力電気パルス信号は、出力音響パルス信号及び再構成された出力電気パルス信号へ変換される。反射器で反射された後、このように生成された反射音響パルス信号は受信されて再構成された反射電気パルス信号へ変換される。最終ステップとして、再構成された反射電気パルス信号及び再構成された出力電気パルス信号を用いて音速が測定される。
【００２６】
本構成を参照して上述されたこれらの実施例は、本発明による方法に同様にあてはまる。
【００２７】
【発明の好ましい実施形態の詳細な説明】
本発明の好適実施例を添付図面を参照して説明する。
図４は装置４００を示し、電気パルス生成手段であり空気中の音速を測定する速度測定手段としてのサウンドカード４０２を含むパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０１を備えている。
【００２８】
本実施例によれば、本装置では標準ＰＣアクセサリ／コンポーネントだけを使用する。特に、サウンドカード、マイクロフォン、及びラウドスピーカであり、他のＰＣプラグインカード、ＰＣインタフェースを有する外部ユニット、及び超音波センサなどの非標準ＰＣアクセサリ／コンポーネントではない。
パーソナルコンピュータ４０１のサウンドカード４０２を用いて出力電気パルス信号４０４を生成することは、出力電気パルス信号４０４が可聴周波数域内、即ち２０Ｈｚから２０，０００Ｈｚにあって、超音波周波数域内でない、即ち２０，０００Ｈｚ以下であるということを意味することに注意すべきである。
【００２９】
この場合、サウンドカード４０２を有するＰＣ４０１が制御モジュールを成す。
さらに、ラウドスピーカ４０３が送信トランスジューサとして備えられる。ラウドスピーカ４０３はケーブル経由でサウンドカード４０２に接続される。
サウンドカード４０２で生成された出力電気パルス信号４０４はラウドスピーカ４０３に与えられて、出力音響パルス信号４０５に変換される。
【００３０】
音響パルス信号４０５は次にラウドスピーカ４０３によって送出され、本実施例によれば空気４０６である媒体を経由し、音響パルス信号４０５の少なくとも一部は反射器４０７にぶつかって反射器４０７で反射される。
出力音響パルス信号４０５は、マイクロフォン４０８でさらに受信される。マイクロフォン４０８は受信トランスジューサとして使用される。よって、言い換えると、受信トランスジューサはラウドスピーカ４０３に関連して、図４に明瞭に示したように、ラウドスピーカ４０３から直接来る出力音響パルス信号４０５を受信し、その出力音響パルス信号４０５を再構成された出力電気パルス信号に変換するようになされている（図６Ａ参照）。
【００３１】
本実施例による反射器４０７は、ＣＤ（コンパクトディスク）のプラスチックケースである。反射器４０７は、出力音響パルス信号４０５が反射器４０７にぶつかると出力音響パルス信号４０５を反射し得る他のコンポーネントで成し得るということに注意すべきである。
反射器４０７は、このように出力音響パルス信号４０５を反射し、反射音響パルス信号４０９をマイクロフォン４０８に送出する。
【００３２】
マイクロフォン４０８は受信信号、即ち受信出力音響パルス信号４０５及び受信反射音響パルス信号４０９を、再構成された出力電気パルス信号４１０及び再構成された反射電気パルス信号４１１にそれぞれ変換し、ＰＣ４０１のサウンドカード４０２に与える。
ＰＣ４０１において、伝搬時間ｔ０は評価伝搬時間
【数式６】
として評価され、
【００３３】
【数式７】
で与えられる。ここで
・ｔ３は、説明図として図６Ａに示したように、再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻であり、
かつ、
・ｔ４は、説明図として図６Ｂに示したように、再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻である。
【００３４】
図６は、ＰＣ４０１で受信された信号６００（再構成された出力電気パルス信号４１０及び再構成された反射電気パルス信号４１１を含む）の例とｔ３及びｔ４の位置とを示す。
信号６００の左側６０１（図６Ａ）は再構成された出力電気パルス信号４１０である。信号６００の右側６０２（図６Ｂ）は再構成された反射電気パルス信号４１１である。
【００３５】
これから、どのようにｔ３及びｔ４が得られるかを、図６に示した例を用いて詳細に説明する。
本パラグラフでは、どのようにｔ３、即ち再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルのピークが検出される時の時刻が得られるかを説明する。論考を容易にするために、受信信号はデジタル信号であるとみなす。最初に、パルス波形に関する先験的な知識からすると、本実施例によれば、第２半サイクルがこの例において負である（かつ正でない）ことは公知である。ＰＣ４０１は、受信信号のひとつのデジタルサンプルを受信すると、受信信号のこのサンプルの振幅を下側の閾値６０３と比較する（第２半サイクルが正のとき、振幅は上側の閾値６０４と比較される。）。受信信号のこのサンプルの振幅の絶対値が下側の閾値６０３の絶対値より大きいとき、再構成された出力電気パルス信号４１０が検出されたと判断される。そうでなければ、受信信号は再構成された出力電気パルス信号４１０ではない、即ち再構成された出力電気パルス信号４１０は検出されないと判断され、制御モジュールは次のデジタルサンプルを引き続いて採り、再構成された出力電気パルス信号４１０が検出されるまで、上述したような比較を行う。それは次のサンプルを現在のサンプルと、次の次のサンプルを次のサンプルと、以下同様、比較することによって部分的な絶対最大ポイントを探し、この部分的な絶対最大ポイントに対応する時刻をｔ３として表示し続ける（図６参照）。ｔ３は再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルの第２半サイクルのピークに対応するということに注意が必要である。
【００３６】
本パラグラフでは、どのようにｔ４、即ち再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻が得られるかを説明する。パルス長の先験的知識からすると、ｔ４のサーチが開始されるまでｔ３の後の一定期間待たされる。かかる期間の後、ｔ４のサーチが、前のパラグラフで述べたｔ３のサーチと同じ方法を用いて開始される。閾値の値だけがｔ３のサーチに用いられた値とは異なってもよい（図６に示された例においては、同じ閾値がｔ３及びｔ４の両方のサーチに用いられていることに注意が必要である。）。ｔ４は、再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークに対応することに注意が必要である。
【００３７】
図４に示された測定装置、及び図５Ａまたは５Ｂに示され以下に更に詳細に述べられる生成された出力電気パルス信号の波形を用いると、ｔ３及びｔ４には、従来技術装置（図１参照）によるｔ１及びｔ２が直面した「遅延問題」はなく、上述した問題は解決される。その結果、ｔ０の評価値はより正確になる。
よって、最終ステップとして、音速４１２、即ちｓ’は以下の公式によって算定される。
【００３８】
【数式８】
ここで、
・ｄ’はマイクロフォン４０８と反射器１０６との間の距離であり、
・
【数式９】
は方程式（３）で与えられた評価伝搬時間である。
本発明による生成された出力電気パルス信号４０４の波形例は図５Ａ及び図５Ｂに示される。
【００３９】
図５Ａに示した生成された出力電気パルス信号５０１の特徴は以下の通りである。
・図５Ａに示した信号５０１は最大振幅を有する優勢サイクル５０３から始まり、
かつ、
・信号５０１の終端部分５０４の振幅は、信号５０１の最大振幅と比較してかなり小さい値へと漸減する。
【００４０】
図５Ｂに示した生成された出力電気パルス信号５０２の特徴は信号５０１と同様であり、さらに信号５０２は初期部分５０５を含み、その振幅は信号５０２の最大振幅よりかなり小さい。論考を容易にするために、出力電気パルス信号４０４はかかる初期部分を含まないとみなす。
サウンドカード４０２で生成された出力電気パルス信号４０４である、図５Ａ及び５Ｂを参照して上述したパルス信号案を用いることが、本発明による有利な点である、ということが強調されるべきである。実際、図２Ａに示した従来のゲート正弦波信号が出力電気パルス信号として用いられると、以下のように問題が生じ得る。ゲート正弦波信号が短い持続時間を有すると、再構成された反射電気パルス信号は、その波形が出力電気パルス信号４０４の波形とかなり異なるという意味においてひどくゆがめられる可能性があり、時間ｔ４の測定は難しくて信頼できない。他方、この問題を解決するために、出力電気パルス信号としてゲート正弦波信号が長い持続時間を有すると、再構成された出力電気パルス信号が、再構成された反射電気パルス信号と重複し、時間ｔ４の測定がこの場合もやはり難しくなり得るという別の問題をもたらし得る。
【００４１】
図５Ａ及び図５Ｂで説明されたこの波形に関して、信号持続期間をかなり長い時間にセットすると、上述した短い持続時間による問題は解決する。長い持続時間では、前のパラグラフで述べた「重複問題」に直面し得る。しかしながら、本発明による出力電気パルス信号案は漸減している終端を有するので、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルと重複する再構成された出力電気パルス信号のその部分の振幅の絶対値は、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの振幅の絶対値より極めて小さく、時間ｔ４の測定は難しくない。
【００４２】
よって、本発明による波形案を用いると、上述した両方の問題が解決される。
図１に示したような公知の装置で出力電気パルス信号として上記の波形案を使用することは、本発明の範囲に含まれるということに更に注意すべきである。なんとなれば、本発明によって提案された装置を用いなくてもかかる波形の使用によって、上述したように測定精度を著しく改善すると考えられるからである。
【００４３】
図７に示した本発明のさらなる実施例によれば、導波路７０１はマイクロフォン４０８と反射器４０７との間に追加される。その他の点では、この実施例は図４に関連して説明された第１実施例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による音速測定装置のブロック図を示す。
【図２Ａ】従来技術による代表的な出力電気パルス信号の波形を示す。
【図２Ｂ】図２Ａの出力電気パルス信号に対応する再構成された反射電気パルス信号を示す。
【図３】従来技術による制御モジュールにおける再構成された反射電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図４】本発明の第１実施例による音速測定装置のブロック図を示す。
【図５Ａ】本発明の実施例による出力電気パルス信号の波形を示す。
【図５Ｂ】本発明の実施例による出力電気パルス信号の波形を示す。
【図６Ａ】本発明の実施例による制御モジュールにおける再構成された出力電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図６Ｂ】本発明の実施例による制御モジュールにおける再構成された反射電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図７】本発明の第２実施例による音速測定装置のブロック図を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は音速測定に関する。さらに具体的には、本発明は所定の距離を通る音響信号の伝搬時間に基づいて音速を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
図１は米国特許第４，９２６，３９５号に開示された音速測定の従来技術装置１００及び方法を示す。
制御モジュール１０１は出力電気パルス信号１０２を生成する。イベント開始時、即ち出力電気パルス信号１０２の生成時の時刻はｔ１で示される。出力電気パルス信号１０２は送信トランスジューサ１０３に送出される。
【０００３】
送信トランスジューサ１０３は出力電気パルス信号を音響パルス信号１０４に変換する。
次に、送信トランスジューサ１０３によって出力された音響パルス信号１０４は空気または水などの媒体１０５の中を伝搬し、反射器１０６に当たって反射される。
【０００４】
反射音響パルス信号１０７は受信トランスジューサ１０８の方へ反射され、受信トランスジューサ１０８は反射音響パルス信号１０７を受信して電気パルス信号に変換する。電気パルス信号は再構成された反射電気パルス信号１０９として以下で言及される。
この公知の装置において、送信トランスジューサ及び受信トランスジューサのフロントエンドは反射器１０６の面に平行な１つの面にある。なんとなれば、受信トランスジューサおよび送信トランスジューサが１つのトランスジューサで実現されているからである。
【０００５】
次に、再構成された反射電気パルス信号１０９は制御モジュール１０１に送出される。
再構成された反射電気パルス信号１０９が制御モジュール１０１で受信されるときの時刻に基づいて、音響パルス信号の伝搬時間、即ち、出力及び反射音響パルス信号が媒体１０５の中を伝搬するのに必要な時間が測定される。伝搬時間の測定方法は以下に説明される。
【０００６】
制御モジュール１０１で測定され出力される音速１１０、即ちｓは、
【数式１】
・ｄは送信トランスジューサ１０３（または受信トランスジューサ１０８）と反射器１０６との間の距離であり、
かつ、
・ｔ０は伝搬時間であって、出力音響パルス信号１０４が送信トランスジューサと反射器１０６との間の距離を伝搬するのに必要な時間と、反射音響パルス信号１０７が反射器１０６と受信トランスジューサ１０８との間の距離を伝搬するのに必要な時間との合計である。
【０００７】
以下に、従来技術による伝搬時間ｔ０の測定方法が説明される。
制御モジュール１０１で生成された出力電気パルス信号１０２は、図２Ａに示すように、通常、有限時間分のゲート正弦波信号である。
送信トランスジューサ１０３及び受信トランスジューサ１０８の固有の特性によって、トランスジューサ１０３及び１０４において、各々の信号変換処理の間に信号特性がたいてい劣化する。これは、例えば、音響パルス信号１０４の波形は出力電気パルス信号１０２の波形に正確に対応せず、送信トランスジューサ１０３によって出力電気パルス信号１０２の波形から音響パルス信号１０４の波形が生成されるということを意味している。同様に、再構成された反射電気パルス信号１０９の波形は、反射音響パルス信号１０７の波形に正確に対応せず、再構成された反射電気パルス信号１０９は反射音響パルス信号１０７から受信トランスジューサ１０８で生成される。
【０００８】
図２Ｂは、再構成された反射電気パルス信号１０９の例を示し、それは制御モジュール１０１で受信され、入力ゲート正弦波信号から生じて出力電気パルス信号１０２として送信トランスジューサ１０３に供給される。
制御モジュール１０１は信号を受信すると、受信信号が再構成された反射電気パルス信号１０９であるかあるいはただのバックグラウンドノイズかを判定する。
【０００９】
論考を容易にするために、受信信号はデジタル信号であるとみなす。
制御モジュール１０１は、受信信号のひとつのデジタル標本を受信すると、デジタル信号のこの標本の振幅を２つの閾値３０１、３０２、即ち上側の閾値３０１と下側の閾値３０２と比較する（図３参照）。
本文脈では、振幅はこの時刻でのデジタル信号の電圧レベルであるように意図されている。
【００１０】
デジタル信号のこの標本の振幅の絶対値が上側あるいは下側の閾値の絶対値より大きいとき、再構成された反射電気パルス信号１０９が検出されることが判定され、次にこのときの時刻がｔ２で表される（図３参照）。
そうでなければ、制御モジュール１０１の判定は、再構成された反射電気パルス信号１０９は検出されないということであって、制御モジュール１０１は次のデジタル標本を引き続き採り、再構成された反射電気パルス信号１０９が検出されるまで上述したような比較を行う。
【００１１】
伝搬時間ｔ０は次に評価伝搬時間
【数式２】
【数式３】
・ｔ１は出力電気パルス信号１０２を制御モジュール１０１が生成開始するときの時刻であり、
かつ、
・ｔ２は再構成された反射電気パルス信号１０９が制御モジュール１０１で検出されるときの時刻である。
【００１２】
これで、どのように伝搬時間ｔ０が計算された時間
【数式４】
しかしながら、上記に特に説明された先行技術による方法には２つの問題があり、
【数式５】
第１に、送信トランスジューサ１０３によって出力電気パルス信号が可聴形式（音響パルス信号１０４）に変換されることは瞬間的に起きているのでなく、主としてトランスジューサの物理的制限によっている。実際、出力電気パルス信号１０２が制御モジュール１０１で生成開始されるときの時刻（即ち、ｔ１）と音響パルス信号１０４が媒体１０５の中を伝搬を開始するときの時刻との間にはかなりの時間の遅延がある。遅延が音速測定の様々な実施／シナリオに対して固定値であるときは、ｔ１をｔ１に固定値を加えた値で置き換えることによってこの問題は回避され得た。しかしながら、遅延は音速測定の様々な実施／シナリオに対して一定ではない。
【００１３】
第２に、再構成された反射電気パルス信号１０９の検出も瞬間的に起きるのではない。実際、制御モジュール１０１は、図３に示すように、再構成された反射電気パルス信号１０９のだいたい２、３サイクルというかなりの時間遅延があって初めて再構成された反射電気パルス信号１０９の到達を検出し得る。遅延が、例えば、音速測定の異なる実施／シナリオに対して１サイクルといった固定値であるとき、ｔ２をｔ２からこの固定値を減じた値で置き換えることによってこの問題は回避され得る。しかしながら、この遅延も音速測定の異なる実施／シナリオに対して一定ではない。
【００１４】
これらの問題は、制御モジュール１０１としてサウンドカード、送信トランスジューサ１０３として市販のやや低コストのラウドスピーカー、反射器１０６としてプラスチックのコンパクトディスクケース、及び受信トランスジューサ１０８として市販のやや低コストのマイクロフォン、を有するパーソナルコンピュータのような低コストコンポーネント使用時にいっそう悪化する。
【００１５】
【発明の概要】
従って、本発明の第１の目的は、特に高校における音速測定実験のためのような教育的目的のために、とりわけ低コストのコンポーネントを使用する時であっても、改善された精度で音速を測定する装置を提供することである。
第１の目的を達成するために、本発明の第１の特徴によると、音速測定装置は電気パルス信号生成手段を含み、出力電気パルス信号として以下で参照される電気パルス信号を生成する。電気パルス生成手段は、例えば、ケーブル経由で、送信トランスジューサに接続され、出力電気パルス信号を出力音響パルス信号として以下で参照される音響パルス信号に変換する。送信トランスジューサは、市販のやや低コストのラウドスピーカーでできる。さらに、受信トランスジューサが、音響パルス信号を電気パルス信号に変換するために備えられている。受信トランスジューサは、市販のやや低コストのマイクロフォンでできる。２つのトランスジューサは反射器に接続され、送信トランスジューサによって生成され出力された出力音響パルス信号が反射器で反射されて、反射音響パルス信号が生成されて受信トランスジューサで受信される。本発明のこの第１の特徴によれば、受信トランスジューサが、送信トランスジューサに関連して、出力音響パルス信号及び反射音響パルス信号の両方を受信し各々の電気パルス信号に変換するようになっている。受信トランスジューサによって出力音響パルス信号から生成された電気パルス信号は、再構成された出力電気パルス信号として以下で言及され、一方反射音響パルス信号から生成された電気パルス信号は、再構成された反射電気パルス信号として以下で言及される。さらに、本発明のこの特徴による装置は、再構成された出力電気パルス信号と、再構成された反射電気パルス信号も用いて音速を測定する速度測定手段を含む。
【００１６】
電気パルス生成手段及び／または速度測定手段はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で実現され得る。例えば、電気パルス生成手段及び速度測定手段の両方がサウンドカードを含むＰＣで実現され得る。
さらに、反射器はプラスチック要素であり、特にコンパクトディスクケースであってもよい。
【００１７】
本発明による装置の有利な点は、かなり低コストのコンポーネントが使用されるときでさえ音速測定の精度が改善されるという事実で理解され得る。なんとなれば、再構成された出力電気パルス信号に基づく音速測定が、従来技術装置と関連して上述された送信トランスジューサの変換プロセスにおける未知の時間遅延によって引き起こされる音速計算の不確実性を排除するからである。さらに、本装置は大変安価であり、よって低コストの用途に特に適している。
【００１８】
本発明のさらなる実施例によれば、電気パルス生成手段は、
・最大振幅を有する優勢サイクルで始まり、
かつ
・出力電気パルス信号の終端部分の振幅が、優勢サイクルにおける出力電気パルス信号の最大振幅と比較してかなり小さい値かゼロへと漸減する、
ことを特徴とする波形を有する出力電気パルス信号を生成することができるようになされている。
【００１９】
出力電気パルス信号は初期部分をさらに含み、その振幅は出力電気パルス信号の最大振幅よりもかなり小さくてもよい。論考を容易にするために、出力電気パルス信号はかかる初期部分を有さないとみなす。
本発明の本実施例によれば、音速測定の堅牢性及び正確性をさらに改善する。なんとなれば、出力電気パルス信号のかかる波形で、従来技術に関連して上述された速度測定手段の検出プロセスにおける未知の時間遅延によって引き起こされる音速計算の不確実性を排除するか少なくとも減じるからである。
【００２０】
本発明のさらなる実施例によれば、導波路が備えられ、送信トランスジューサと反射器との間、及び／または受信トランスジューサと反射器との間に配置される。
さらに、導波路は中空の円筒型チューブであってもよい。長手の紙を巻いて形成した中空のチューブであってもよい。
【００２１】
かかる導波路を用いると、信号エネルギの損失がさらに低減され、従って媒体の中を伝搬する時の信号振幅の減少がより少なくなることによって、よりよい測定結果がもたらされる。
さらに、本発明の好適実施例によれば、速度測定手段は、
・再構成された出力電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク検出時である、第１時刻、
及び、
・再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク検出時である、第２時刻、
を用いて音速を測定するようになされている。
【００２２】
再構成された出力電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピーク（優勢サイクルの第２半サイクルのピークである）は、その絶対値が第１閾値の絶対値より大きいときに検出され、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２ピークは、その絶対値が第２閾値の絶対値より大きいときに検出される。第１及び第２閾値は、同じかあるいは異なる値を有してもよい。第１閾値の絶対値が第２閾値の絶対値より大きいことが望ましい。なんとなれば、概して、エネルギー、即ち、再構成された出力電気パルス信号の振幅とが、再構成された反射電気パルス信号の振幅より高いからである。
【００２３】
本発明によれば、第１半サイクルの代わりに第２半サイクルを選択することに優位性がある。これはいくつかのシナリオにおいて、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第１半サイクルのピークが十分有効でない一方、他のシナリオにおいては、それが十分有効である、つまり、その絶対値が、第２閾値の絶対値より小さいときもあれば、大きいときもある、ということが認められるからである。よって、優勢サイクルの第１半サイクルのピークを検出することが、多くの場合に伝搬時間ｔ０の評価精度に影響する。なんとなれば、ピークが検出される時間が優勢サイクルの第１半サイクルのピークに正確に対応するときもあるが、優勢サイクルの第１半サイクルのピークが検出されないので、優勢サイクルの次に来るサイクルの第１半サイクルのピークに間違って対応するときもあるからである。他方、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの第２半サイクルのピークは常に十分に有効である。
【００２４】
さらに、本発明の第２の目的は、とりわけ低コストのコンポーネント使用時であっても改善された精度を有する音速測定方法を提供することである。
第２の目的を達成するために、出力電気パルス信号が、本発明の第２の特徴による音速測定方法の第１ステップで生成される。次に、出力電気パルス信号は出力音響信号に変換される。反射器で反射された後、このように生成された反射音響パルス信号は、受信されて再構成された反射電気パルス信号に変換される。最終ステップとして、再構成された反射電気パルス信号を用いて音速が測定される。
【００２５】
さらに、本発明の好適実施例によれば、出力電気パルス信号は本発明の第２の特徴による音速測定方法の第１ステップで生成される。次に、出力電気パルス信号は、出力音響パルス信号及び再構成された出力電気パルス信号へ変換される。反射器で反射された後、このように生成された反射音響パルス信号は受信されて再構成された反射電気パルス信号へ変換される。最終ステップとして、再構成された反射電気パルス信号及び再構成された出力電気パルス信号を用いて音速が測定される。
【００２６】
本構成を参照して上述されたこれらの実施例は、本発明による方法に同様にあてはまる。
【００２７】
【発明の好ましい実施形態の詳細な説明】
本発明の好適実施例を添付図面を参照して説明する。
図４は装置４００を示し、電気パルス生成手段であり空気中の音速を測定する速度測定手段としてのサウンドカード４０２を含むパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０１を備えている。
【００２８】
本実施例によれば、本装置では標準ＰＣアクセサリ／コンポーネントだけを使用する。特に、サウンドカード、マイクロフォン、及びラウドスピーカであり、他のＰＣプラグインカード、ＰＣインタフェースを有する外部ユニット、及び超音波センサなどの非標準ＰＣアクセサリ／コンポーネントではない。
パーソナルコンピュータ４０１のサウンドカード４０２を用いて出力電気パルス信号４０４を生成することは、出力電気パルス信号４０４が可聴周波数域内、即ち２０Ｈｚから２０，０００Ｈｚにあって、超音波周波数域内でない、即ち２０，０００Ｈｚ以下であるということを意味することに注意すべきである。
【００２９】
この場合、サウンドカード４０２を有するＰＣ４０１が制御モジュールを成す。
さらに、ラウドスピーカ４０３が送信トランスジューサとして備えられる。ラウドスピーカ４０３はケーブル経由でサウンドカード４０２に接続される。
サウンドカード４０２で生成された出力電気パルス信号４０４はラウドスピーカ４０３に与えられて、出力音響パルス信号４０５に変換される。
【００３０】
音響パルス信号４０５は次にラウドスピーカ４０３によって送出され、本実施例によれば空気４０６である媒体を経由し、音響パルス信号４０５の少なくとも一部は反射器４０７にぶつかって反射器４０７で反射される。
出力音響パルス信号４０５は、マイクロフォン４０８でさらに受信される。マイクロフォン４０８は受信トランスジューサとして使用される。よって、言い換えると、受信トランスジューサはラウドスピーカ４０３に関連して、図４に明瞭に示したように、ラウドスピーカ４０３から直接来る出力音響パルス信号４０５を受信し、その出力音響パルス信号４０５を再構成された出力電気パルス信号に変換するようになされている（図６Ａ参照）。
【００３１】
本実施例による反射器４０７は、ＣＤ（コンパクトディスク）のプラスチックケースである。反射器４０７は、出力音響パルス信号４０５が反射器４０７にぶつかると出力音響パルス信号４０５を反射し得る他のコンポーネントで成し得るということに注意すべきである。
反射器４０７は、このように出力音響パルス信号４０５を反射し、反射音響パルス信号４０９をマイクロフォン４０８に送出する。
【００３２】
マイクロフォン４０８は受信信号、即ち受信出力音響パルス信号４０５及び受信反射音響パルス信号４０９を、再構成された出力電気パルス信号４１０及び再構成された反射電気パルス信号４１１にそれぞれ変換し、ＰＣ４０１のサウンドカード４０２に与える。
ＰＣ４０１において、伝搬時間ｔ０は評価伝搬時間
【数式６】
【００３３】
【数式７】
・ｔ３は、説明図として図６Ａに示したように、再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻であり、
かつ、
・ｔ４は、説明図として図６Ｂに示したように、再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻である。
【００３４】
図６は、ＰＣ４０１で受信された信号６００（再構成された出力電気パルス信号４１０及び再構成された反射電気パルス信号４１１を含む）の例とｔ３及びｔ４の位置とを示す。
信号６００の左側６０１（図６Ａ）は再構成された出力電気パルス信号４１０である。信号６００の右側６０２（図６Ｂ）は再構成された反射電気パルス信号４１１である。
【００３５】
これから、どのようにｔ３及びｔ４が得られるかを、図６に示した例を用いて詳細に説明する。
本パラグラフでは、どのようにｔ３、即ち再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルのピークが検出される時の時刻が得られるかを説明する。論考を容易にするために、受信信号はデジタル信号であるとみなす。最初に、パルス波形に関する先験的な知識からすると、本実施例によれば、第２半サイクルがこの例において負である（かつ正でない）ことは公知である。ＰＣ４０１は、受信信号のひとつのデジタルサンプルを受信すると、受信信号のこのサンプルの振幅を下側の閾値６０３と比較する（第２半サイクルが正のとき、振幅は上側の閾値６０４と比較される。）。受信信号のこのサンプルの振幅の絶対値が下側の閾値６０３の絶対値より大きいとき、再構成された出力電気パルス信号４１０が検出されたと判断される。そうでなければ、受信信号は再構成された出力電気パルス信号４１０ではない、即ち再構成された出力電気パルス信号４１０は検出されないと判断され、制御モジュールは次のデジタルサンプルを引き続いて採り、再構成された出力電気パルス信号４１０が検出されるまで、上述したような比較を行う。それは次のサンプルを現在のサンプルと、次の次のサンプルを次のサンプルと、以下同様、比較することによって部分的な絶対最大ポイントを探し、この部分的な絶対最大ポイントに対応する時刻をｔ３として表示し続ける（図６参照）。ｔ３は再構成された出力電気パルス信号４１０の優勢サイクルの第２半サイクルのピークに対応するということに注意が必要である。
【００３６】
本パラグラフでは、どのようにｔ４、即ち再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークが検出されるときの時刻が得られるかを説明する。パルス長の先験的知識からすると、ｔ４のサーチが開始されるまでｔ３の後の一定期間待たされる。かかる期間の後、ｔ４のサーチが、前のパラグラフで述べたｔ３のサーチと同じ方法を用いて開始される。閾値の値だけがｔ３のサーチに用いられた値とは異なってもよい（図６に示された例においては、同じ閾値がｔ３及びｔ４の両方のサーチに用いられていることに注意が必要である。）。ｔ４は、再構成された反射電気パルス信号４１１の優勢サイクルの第２半サイクルのピークに対応することに注意が必要である。
【００３７】
図４に示された測定装置、及び図５Ａまたは５Ｂに示され以下に更に詳細に述べられる生成された出力電気パルス信号の波形を用いると、ｔ３及びｔ４には、従来技術装置（図１参照）によるｔ１及びｔ２が直面した「遅延問題」はなく、上述した問題は解決される。その結果、ｔ０の評価値はより正確になる。
よって、最終ステップとして、音速４１２、即ちｓ’は以下の公式によって算定される。
【００３８】
【数式８】
・ｄ’はマイクロフォン４０８と反射器１０６との間の距離であり、
・
【数式９】
本発明による生成された出力電気パルス信号４０４の波形例は図５Ａ及び図５Ｂに示される。
【００３９】
図５Ａに示した生成された出力電気パルス信号５０１の特徴は以下の通りである。
・図５Ａに示した信号５０１は最大振幅を有する優勢サイクル５０３から始まり、
かつ、
・信号５０１の終端部分５０４の振幅は、信号５０１の最大振幅と比較してかなり小さい値へと漸減する。
【００４０】
図５Ｂに示した生成された出力電気パルス信号５０２の特徴は信号５０１と同様であり、さらに信号５０２は初期部分５０５を含み、その振幅は信号５０２の最大振幅よりかなり小さい。論考を容易にするために、出力電気パルス信号４０４はかかる初期部分を含まないとみなす。
サウンドカード４０２で生成された出力電気パルス信号４０４である、図５Ａ及び５Ｂを参照して上述したパルス信号案を用いることが、本発明による有利な点である、ということが強調されるべきである。実際、図２Ａに示した従来のゲート正弦波信号が出力電気パルス信号として用いられると、以下のように問題が生じ得る。ゲート正弦波信号が短い持続時間を有すると、再構成された反射電気パルス信号は、その波形が出力電気パルス信号４０４の波形とかなり異なるという意味においてひどくゆがめられる可能性があり、時間ｔ４の測定は難しくて信頼できない。他方、この問題を解決するために、出力電気パルス信号としてゲート正弦波信号が長い持続時間を有すると、再構成された出力電気パルス信号が、再構成された反射電気パルス信号と重複し、時間ｔ４の測定がこの場合もやはり難しくなり得るという別の問題をもたらし得る。
【００４１】
図５Ａ及び図５Ｂで説明されたこの波形に関して、信号持続期間をかなり長い時間にセットすると、上述した短い持続時間による問題は解決する。長い持続時間では、前のパラグラフで述べた「重複問題」に直面し得る。しかしながら、本発明による出力電気パルス信号案は漸減している終端を有するので、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルと重複する再構成された出力電気パルス信号のその部分の振幅の絶対値は、再構成された反射電気パルス信号の優勢サイクルの振幅の絶対値より極めて小さく、時間ｔ４の測定は難しくない。
【００４２】
よって、本発明による波形案を用いると、上述した両方の問題が解決される。
図１に示したような公知の装置で出力電気パルス信号として上記の波形案を使用することは、本発明の範囲に含まれるということに更に注意すべきである。なんとなれば、本発明によって提案された装置を用いなくてもかかる波形の使用によって、上述したように測定精度を著しく改善すると考えられるからである。
【００４３】
図７に示した本発明のさらなる実施例によれば、導波路７０１はマイクロフォン４０８と反射器４０７との間に追加される。その他の点では、この実施例は図４に関連して説明された第１実施例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による音速測定装置のブロック図を示す。
【図２Ａ】従来技術による代表的な出力電気パルス信号の波形を示す。
【図２Ｂ】図２Ａの出力電気パルス信号に対応する再構成された反射電気パルス信号を示す。
【図３】従来技術による制御モジュールにおける再構成された反射電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図４】本発明の第１実施例による音速測定装置のブロック図を示す。
【図５Ａ】本発明の実施例による出力電気パルス信号の波形を示す。
【図５Ｂ】本発明の実施例による出力電気パルス信号の波形を示す。
【図６Ａ】本発明の実施例による制御モジュールにおける再構成された出力電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図６Ｂ】本発明の実施例による制御モジュールにおける再構成された反射電気パルス信号の検出を説明する図を示す。
【図７】本発明の第２実施例による音速測定装置のブロック図を示す。
Claims (19)
- 音速測定装置であって、
・出力電気パルス信号を生成する電気パルス生成手段と、
・前記出力電気パルス信号を出力音響パルス信号に変換する送信トランスジューサと、
・前記出力音響パルス信号を反射して、反射音響パルス信号を生成する反射器と、
・前記送信トランスジューサから直接送信された前記出力音響パルス信号及び前記反射器で反射された前記反射音響パルス信号を受信するようなされ、前記受信出力音響パルス信号を再構成された出力電気パルス信号に変換し、かつ反射音響パルス信号を再構成された反射電気パルス信号へ変換する受信トランスジューサと、
・前記再構成された出力電気パルス信号及び前記再構成された反射電気パルス信号を用いて音速を測定する速度測定手段と、
を含む音速測定装置。 - 前記電気パルス生成手段が出力電気パルス信号を生成し得るようになされ、その波形が
・最大振幅を有する優勢サイクルを有し、かつ
・前記出力電気パルス信号の終端部分の振幅が、ゼロまたはその優勢サイクルにおける前記出力電気パルス信号の前記最大振幅と比較して小さい値へと漸減する、
ことを特徴とする請求項１記載の音速測定装置。 - 前記電気パルス生成手段が、振幅が前記出力電気パルス信号の前記最大振幅より小さい振幅の初期部分を含む波形を有する出力電気パルス信号を生成し得るようになされていることを特徴とする請求項２記載の音速測定装置。
- 前記電気パルス生成手段及び／または前記速度測定手段がパーソナルコンピュータで実現されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の音速測定装置。
- 前記電気パルス生成手段がサウンドカードを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の音速測定装置。
- 前記送信トランスジューサがラウドスピーカであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の音速測定装置。
- 前記受信トランスジューサがマイクロフォンであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の音速測定装置。
- 前記反射器がプラスチックの要素であって、特にコンパクトディスクケースであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の音速測定装置。
- 請求項１乃至８のいずれか１に記載の音速測定装置であって、導波路をさらに含み、前記導波路が
・前記送信トランスジューサと前記反射器との間に配置され、
かつ／または
・前記受信トランスジューサと前記反射器との間に配置されている、
ことを特徴とする音速測定装置。 - 前記速度測定手段が、
・前記再構成された出力電気パルス信号の前記優勢サイクルの第２半サイクルのピークの検出時である、第１時刻、
及び、
・前記再構成された反射電気パルス信号の前記優勢サイクルの第２半サイクルのピークの検出時である、第２時刻、
を用いて音速を測定するようになされていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１に記載の音速測定装置。 - 前記速度測定手段が、
・前記再構成された出力電気パルス信号の絶対値が第１閾値を上回るとき前記再構成された出力電気パルス信号の前記優勢サイクルの前記第２半サイクルの前記ピークを検出し、
・前記再構成された反射電気パルス信号の絶対値が第２閾値を上回るとき、前記再構成された反射電気パルス信号の前記優勢サイクルの前記第２半サイクルの前記ピークを検出する、
ようになされていることを特徴とする請求項１０記載の音速測定装置。 - 前記速度測定手段が前記第１閾値と前記第２閾値が同じ値を有するようになされていることを特徴とする請求項１１記載の音速測定装置。
- 音速測定方法であって、
・出力電気パルス信号を生成するステップと、
・前記出力電気パルス信号を出力音響パルス信号へ変換するステップと、
・前記出力音響パルス信号を反射して反射音響パルス信号を生成するステップと、
・前記反射音響パルス信号を再構成された反射電気パルス信号に変換するステップと、
・前記再構成された反射電気パルス信号を用いて音速を測定するステップと、
を含む音速測定方法。 - 音速測定方法であって、
・出力電気パルス信号を生成するステップと、
・前記出力電気パルス信号を、出力音響パルス信号及び再構成された出力電気パルス信号へ変換するステップと、
・前記出力音響パルス信号を反射して反射音響パルス信号を生成するステップと、
・前記反射音響パルス信号を再構成された反射電気パルス信号に変換するステップと、
・前記再構成された反射電気パルス信号及び前記再構成された出力電気パルス信号を用いて音速を測定するステップと、
を含む音速測定方法。 - 前記生成された出力電気パルス信号が、
・最大振幅を有する優勢サイクルを有し、
かつ
・前記出力電気パルス信号の終端部分の前記振幅が、ゼロかその優勢サイクルにおける前記出力電気パルス信号の前記最大振幅と比較してより小さい値へと漸減する、
波形を有することを特徴とする請求項１３または１４記載の音速測定方法。 - 前記生成された出力電気パルス信号が、前記出力電気パルス信号の前記最大振幅より小さい振幅の初期部分を含む波形を有することを特徴とする請求項１５記載の音速測定方法。
- 前記音速は、
・前記再構成された出力電気パルス信号の前記優勢サイクルの第２半サイクルのピークの検出時である、第１時刻、
及び
・前記再構成された反射電気パルス信号の前記優勢サイクルの第２半サイクルのピークの検出時である、第２時刻、
を用いて測定されることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１に記載の音速測定方法。 - 前記音速が、
・前記再構成された出力電気パルス信号の絶対値が第１閾値を上回るとき前記再構成された出力電気パルス信号の前記優勢サイクルの前記第２半サイクルの前記ピークが検出され、
かつ、
・前記再構成された反射電気パルス信号の絶対値が第２閾値を上回るとき前記再構成された反射電気パルス信号の前記優勢サイクルの前記第２半サイクルの前記ピークが検出される、
ように測定されることを特徴とする請求項１７記載の音速測定方法。 - 前記第１閾値及び前記第２閾値が同じ値を有することを特徴とする請求項１８記載の音速測定方法。
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