JPH02503156A - 水中聴音機 - 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】 ゾンデ水中聴音機 ゾンデ水中聴音機は、例えば超音波パルスまたは衝撃波などの水中音波信号を四 次元空間の経過に従って調査し、特徴付けるのに役立つ。特に、結晶質、セラミ ックまたは重合体の圧電気を用いた圧電ゾンデ水中聴音機が既知であり、この機 械では、感知素子は平面または球　状を有し、通常は同軸電線の端部に配置する 。この分野における最近の開発は、Ａｃｕｓｔ　ｉｃａ誌５４号、２３頁、１９ ８３年に記述されている。

ゾンデ水中聴音機の開発目標は、最高の空間的および時間的分解能を有する音響 信号を可能な限り欠陥ないし遡及なしに、高感度で再生することである。そのた め、衝撃波を調べる際には、例えば医療用の衝撃波発生器の焦点におけるような １にバールの圧力領域では優れた耐用性が求められ、また、例えば増幅器のよう な接続する電子機器と本来的に高感度のゾンデ先端部との距離は可能な限り離れ ていることが必要である。後者については医学的見地から、人体における衝撃波 圧力の決定に際して要求される。現在、使用可能な圧電ゾンデ水中聴音機におい ては、Ａｃｕｓｔ　ｉｃａ誌５４号、２３頁、１９８３年および６４号、８５頁 、１９８７年に記述されたように、感度的１　ｍＶ／バールで１０ＭＨｚの帯域 が得られる。それに対し、衝撃波信号はＩ　Ｇ）１ｚの帯域を有する。Ａｃｕｓ ｔｉｃａ誌１４号、１８７頁、１９６４年を参照。１０ＭＨｚの帯域では有効ゾ ンデ直径は約０．１ｍｍとなる。

ゾンデ先端はいくつもの層（内部電極、圧電層、外部電極）から構成するため、 ゾンデ寸法を更に縮小すること（帯域を上昇するために）は相当に困難である。

更に、ゾンデの感度はゾンデ表面で衰える。同様に、リード線が長いと、それに 関連するケーブル容量のために感度は一層低下する。かかるゾンデは前記の構成 を有するため、衝撃波を調べるに当たりその寿命は限られている。１にバールの 完全に構成した衝撃フロントの圧力領域では、寿命は百回以下の衝撃波曝射であ ることも多い。本発明の目的は、感度の低下を招くことなく、帯域の上昇に伴い ０．１　ｍｍ未満の直径で有効寸法を選択でき、１にバール領域の衝撃波曝射で 優れた実用寿命を有し、リード線の長さは感度の低下を招くことなく自由に設定 可能であるような極力簡便な構成によるゾンデ水中聴音機を提案することにある 。また、かかるゾンデ水中聴音機は、校正が容易であり、再現性に優れたもので なければならない。この目的を達成するため、本発明は請求項１を特徴とする。

圧力ゾンデとしては、圧電ゾンデ水中聴音機の代りに、ガラス繊維または重合繊 維の光導体を音波界に導入し、圧力が変化する間に光導体端部の接触面における 液体に対する光反射の時間変化を水中音波信号として用いる。先導体端面におけ る光反射は、屈折指数−密度−関係を介して液体中の圧力振幅と結び付く。圧力 が上昇すると、液体中の密度および屈折指数が上昇する。こうした関係は、基本 的には光導体物質にも成り立つが、固体の光導体物質は液体に比べて圧縮性が低 いため、圧力による液体の屈折指数変化が優勢である。そこで、光反射の変化は 、既知の照射における反射光の強度推移を介して光電記録する。

その他の構成については従属請求項に掲げる。光反射は、光導体、即ち例えばガ ラス−または化学合成繊維の端面においてのみ液体の影響を受けるため、ゾンデ の有効厚さは光波長に、またゾンデ直径は繊維の光学的厚さに限定される。

ゾンデの直接周囲を光学的に申し分のない、例えば気球に入れた液体から形成す るならば、この測定方法は濁った液体でも用いることができる。この液体は、例 えばプレキシガラスまたはポリウレタンのような光学的に適した、申し分のない ゴム弾性を有する物体または固体によって代替することもできる。それにより、 このゾンデは、例えばカテーテルあるいは内視鏡を用いた方法で体内の衝撃波測 定を行うなど、医学分野での使用も可能である。

ゾンデ感度および表示の線形性を最適化するために、優れた光学特性を有する液 体または固体の屈折指数あるいはまた光導体の屈折指数をその都合選択すること が有利である。

更に、光周波数を、例えば分子の振動移行または電子移動の側面で適切に選択す ることにより、対応する光学的移行の圧力変位で屈折指数の圧力従属性は特に強 くなり、感度は相当に上昇する。このとき、スペクトルの可視紫外領域において は、液体に添加した色素の分子が好適な特性を有する。これと同じことは、光波 導体（ガラス繊維またはプラスチック）に屈折率および光反射の圧力従属性が高 い原子または分子を組込むことによって可能である。

全体反射の臨界角もまた、圧力誘導された屈折率の変化に影響を受ける。全体反 射臨界角の有利な光導体での光放射が進行する際には、この反射光全体の強度に 与える影響が優ることになる。

先導体端部で反射に不可欠な面の種類は、様々な方法で選択可能である。ひとつ には、平坦に研磨した端面が適している。

良好な光学特性を有する平面は、しかしながらまた、小さなかき傷をつけて折る ことにより容易につくることができる。

同様に、例えば熱で少し溶かすなどして先導体端部を半球状または球状に形成す ると理想的な表面物性が得られ、それにより導波管のあらゆる先負に対して、垂 直の接触面入射が実現され、それに伴って校正を目的とした重要な簡素化された 計算処理が可能となる。

反射信号を捕捉するため、およびその信号をひとつの圧力信号に変換するための 可能な限り簡便で効率の良い光学測定配置は、高性能ロングラインーレーザー（ １ワツト以下）、光継手を介したレーザーエネルギー接続装置および増幅器を具 えた反射光強度のフォト検出測定器から構成する。−次レーザー光線の振幅変動 を考慮できるように、直接切り離したレーザー信号部分を、例えば減法によって ゾンデ信号と比較する。このレーザー信号部分は、更に、レーザー強度の定常調 節に援用することができる。

全体として、本発明は現行の技術水準に鑑みて、以下の有利を特徴とするもので ある：光学的な導波管として、流通するガラス繊維タイプまたは重合繊維を用い ることができる。単独で感知するゾンデ面は屈曲または光沢によってつくること が可能である。有効なゾンデ寸法は、０．１鴫未満として選択することができる 。感知体積は、繊維直径および光波の半長によって規定される。水中における圧 力波が垂直入射すると、３０ＧＨｚの最大帯域に一致する。光導体の直径と長さ は感度に直接の影響は及ぼさない。したがって、例えば側方入射における大きな 帯域のように理想的な球状特性を達成するための小さな直径であっても、医学用 として長さが大きくとも圧電ゾンデ水中聴音機とは異なり、問題はない。それに 対して、感度は光子雑音によって限定されるが、この雑音は、光入力に応じて充 分に低減することができる。入力光源のその他の雑音部分による影響は、比較法 または調節により低減可能である。例えば衝撃波発生時の火花放電による電気障 害は、ガラス繊維の理想的な絶縁により最適に遮蔽される。同様に、衝撃波測定 についても、ガラス繊維水中聴音機は構造が一層簡単であるため、圧電水中聴音 機に比べて耐用寿命はかなり長い。また、万が−、ガラス繊維端部が損傷しても 、新たなガラス繊維−反射面を容易につ（ることができる。従って、全体的に見 ると、光反射によるゾンデ水中聴音機は、既知の圧電ゾンデ水中聴音機と比較し て多くの重要な利点を有している。

以下、本発明による実施例を第１図〜第３図において一層具体的に説明する。

第１図に示すガラス繊維１は、液体２に浸したものであり、反射端面３を具える 。入射光４は光導体の中を接触面３まで達し、そこで一部は反射５、一部は液体 中を透過する６゜圧力波７の影響を受け、液体２は接触面３の前で圧縮されるた め、液体中の屈折指数が一時的に上昇することにより、反射光５の強度が低下す る。反射光５は、フォト検波器１０（第３図）によって電気信号１１に変換され 、オシロスコープ１２を用いて記録される。第３ａ、ｂ、ｃ図は、液体中２にお ける先導体端部３の異なる実施例を示している。第３ａ図に示す気球２１は、優 れた光学特性を有する液体２２を詰めたものであり、先導体端部３を取り囲む。

この実施例は、光を透過しない、または濁った音響媒体２に適する。かかるケー スでは、第３ｂ図に示した実施例も選択可能であり、ここでは光学的に澄んだ例 えばゴム弾性を有する固体、または別のプラスチック物体２３が先導体端部３を 取り囲んでいる。第３ｃ図に示す光導体１の端部２４は球状である。それにより 、反射面では垂直の光入射が優勢となる。光信号発生および加工のサイドでは、 オプトカプラー２０の中で、発光装置１３（レーザー）の光１４が測定分枝４の 入射光と比較分枝１５の先部分とに分かれる。

測定光４からの信号発生からオシロスコープ１２での表出までについては既に記 述した。それに対し、比較光１５はフォトセル１６を介して電気比較信号１７に 変わり、増幅器１８で増幅されてから制御および調整信号１９としてレーザー騒 音の低減に用いられる。比較信号１９は、オシログラフ１２で静止レベルを同調 して、測定信号１１から減する。同時に、レーザー信号１４は、調整値としての 比較信号１９を用いて定常調節することができる。

国際調査報告 ｗ、１ｍ４．．１□、、ｐ（τ／ＥＰ　８９１０００５３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液状媒体（２）中の与圧振幅を測定するゾンデ水中聴音機において、光導波 管（１）の形状を有する光導体は液状媒体に端部を配したこと、およびかかる光 導体端部の接触面（３）における液状媒体に対する光反射の変化は与圧振幅を捕 捉するための測定値として役立つこと、およびそのために高度の時間的分解能を 具えた光反射測定配置を使用したことを特徴とするゾンデ水中聴音機。 ２．第１項記載のゾンデ水中聴音機において、液体中の光導体端部（３）は、優 れた光学特性を有する液体（２２）を満たした気球（２１）で囲んだことを特徴 とするゾンデ水中聴音機。 ３．第１項記載のゾンデ水中聴音機において、液体中の光導体端部（３）は、優 れた光学特性を有する例えば弾性ゴム固体から成る物体（２３）で囲んだことを 特徴とするゾンデ水中聴音機。 ４．第１項〜第３項記載のゾンデ水中聴音機において、優れた光学特性を有する 液体または固体の屈折指数は選択可能であることを特徴とするゾンデ水中聴音機 。 ５．第１項〜第４項記載のゾンデ水中聴音機において、光導体（１）の屈折指数 は、周囲の液状媒体または固体に応じて選択可能であることを特徴とするゾンデ 水中聴音機。 ６．第１項〜第５項記載のゾンデ水中聴音機において、光周波数は、周囲の液体 、固体または光導体の分子移行または分子緩和に同調したことを特徴とするゾン デ水中聴音機。 ７．第１項〜第６項記載のゾンデ水中聴音機において、光の周波数は、広い領域 （紫外線から遠赤外線まで）で選択可能であることを特徴とするゾンデ水中聴音 機。 ８．第１項〜第７項記載のゾンデ水中聴音機において、全体反射における臨界角 の圧力に従属する変化を信号発生に利用したことを特徴とするゾンデ水中聴音機 。 ９．第１項〜第８項記載のゾンデ水中聴音機において、光導体（１）の端部（３ ）は研磨したことを特徴とするゾンデ水中聴音機。 １０．第１項〜第８項記載のゾンデ水中聴音機において、光導体（１）の端部（ ３）は平坦な破断面または劈開面であることを特徴とするゾンデ水中聴音機。 １１．第１項〜第８項記載のゾンデ水中聴音機において、光導体（１）の端部は 球状であることを特徴とするゾンデ水中聴音機。 １２．第１項〜第１１項記載のゾンデ水中聴音機において、光源（１３）の入射 光を繋ぐため、および反射光を捕捉するために、光学結合器（１），（１４）， （１５）を具え、かかる結合器の端部には、光信号を捕捉するための光検出器お よび後続の増幅器を配置したことを特徴とするゾンデ水中聴音機。 １３．第１項〜第１２項記載のゾンデ水中聴音機において、測定配置に必要な光 源（１３）のうち光の一部は、直接分岐し（１５）、増幅器（１８）を伴う光検 出器（１６）に導いたこと、およびかかる派生した信号は反射光の信号と比較す ることを特徴とするゾンデ水中聴音機。 １４．第１項〜第１３項記載のゾンデ水中聴音機において、第１３項に依り分岐 した信号は、更に、必要な光源（１３）の光強度を定常調節するために用いるこ とを特徴とするゾンデ水中聴音機。