JPH03128422A

JPH03128422A - 超音波音速測定法

Info

Publication number: JPH03128422A
Application number: JP1266421A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Negita; 祢宜田　啓史
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1991-05-31
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: GB2237641B; US5125273A; GB9022334D0; JP2658436B2; DE4032479A1; GB2237641A; FR2653226A1; DE4032479C2

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】〔産業上の利用分野］この発明は、パルス法で超音波音速を測定する方法に関
する。

〔従来技術）従来の超音波音速測定法としては、マックスキミン（Ｈ
，Ｊ　、　ＭｃＳｋｉｍｉｎ）が提案したパルス・エコ
ー重畳法（Ｐｕｌｓｅ　Ｅｃｈｏ　５ｕｐｅｒｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ法、以下、ＰＥＳ法と略記する）、やババダキ
ス（Ｅ、Ｐ。

ｐ　３ｐａｄａｋｉｓ　）が提案したパルス・エコー・
オーバーラツプ法（Ｐｕｌｓｅ　Ｅｃｈｏ　０ｖｅｒｌ
ａｐ法、以下ＰＥＯ法と略記する）がある。

上記の超音波音速測定法は、両者共、寸法が既知の試料
の一端に超音波を印加し、他端から反射したエコーの周
期ｔｒを観測し、上記試料の長さＱと上記周期し、から
２　Ｑ　／　ｒ、　ｒを演算することによって上記試料
内における超音波の音速を測定する方法である。

まず、ＰＥＳ法は、第７図（１）に示すように、一定幅
し、たけ継続する所定周波数ｆ、、（周期ｔ、ｒｄの超
音波励起パルスを所定周期しｅで複数個発生させ、それ
に応じた超音波振動を試料の一端に印加し、それによっ
て発生する超音波エコー信号を、オシロスコープ上で観
察する。第７図（２）および（３）は、上記の超音波励
起パルス（２個の場合を示す）とそれによる超音波エコ
ー信号を示し、第７図（４）は上記（２）と（３）が重
畳したオシロスコープ］二の波形を示している。

上記の超音波エコー信号は、第７図（４）に示すように
、上記超音波励起パルスの周期Ｌｅがエコーの周期Ｌｒ
に一致すると重畳してその振幅が最大となる。したがっ
て、オシロスコープ上で重畳エコーの振幅が最大になっ
たときの周期ｔ、ｅを求めることによってエコーの周期
ｊｒを求めることが出来、その値から試料中の超音波の
音速を求めることが出来る。

また、ＰＥＯ法は、例えば、第５図（２）に示すように
周期ＣＩで超音波励起パルス（前記と同様のもので周期
１＋毎に１個発生）を励起し、また、オシロスコープの
Ｘ軸トリガ用パルスとして第５図（３）に示すような周
期ｔ、（し、＝し１７ｍであり、例えばｍ＝１ｏ又は１
００又は１０００等）のパルスを用いる。そして上記の
超音波信号を試料の一端に印加し、それによって発生し
た第５図（１）のごとき超音波エコー信号をオシロスコ
ープのＹ軸に、上記のトリガ用パルスをオシロスコープ
のＸ軸に入力する。

上記の超音波エコー信号は、トリガパルスの周期ｔｏが
エコーの周期ｔｒに一致するとオシロスコープ上で位相
がオーバーラツプする。したがってオシロスコープ上で
超音波エコー信号の位相が一致したときのトリガパルス
の周期ｔｒを求めることによってエコーの周期ｔｒを求
めることが出来、その値から試料中の超音波の音速を求
めることが出来る。

なお、ＰＥＳ法に関しては、［ザ　ジャーナルオブ　ザ
　アコースティキャル　ソサイティ　オブ　７　メＩＪ
　力（ＴＨＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＡＣＯ
ＵＳＴＩＣＡＬＳＯＣＩＥＴＹ　ＯＦ　ＡＭＥＲＩＣＡ
、　Ｖｏｌ、３３．　Ｎｏ、ｌ、　＋９６１．　ｐｐ１
２〜１６）」に詳細に記載されている。

また、ＰＥＯ法に関しては、［ザ　ジャーナルオブ　ザ
　アコースティキャル　ソサイティ　オブ　７　メＩＪ
　力（ＴＨＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＡＣＯ
ＵＳＴＩＣＡＬＳｏ（ｊＥＴＹ　ＯＦ　ＡＭＥＲＩＣＡ
、　Ｖｏｌ、４２．　Ｎｏ、５．１９６７゜ｐｐ１０４
５〜＋０５１）Ｊに詳細に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のＰＥＳ法およびＰＥＯ法において
は次にごとき問題がある。

まず、ＰＥＳ法においては、第７図がら判るように、ｔ
ｅ＝ｔｙのときのみならず、Ｌｅ＝ｔｒ±ｋ・Ｌｒｎ（
ただし％　ｔ、ｒｘは超音波励起パルスのＲＦ周期、ｋ
は整数）のときにも振幅が大きくなる。したがって、正
確にＬｅ＝Ｌｒになったのを判定するためには、ｎ＝ｏ
の状態を探さなければならないが、その判定は非常に困
難である。すなわち、第７図においては、説明を容易に
するため、波の数が２個の場合を示しているが、実際に
は波の数は数十個（例えば、実際に用いられているｔｐ
＝２ｐｓ、　ｔ　ｒｔ＝　０．０６７　μｓ、　ｆｒｘ
＝　１５ＭＨｚの場合には、波の数は約３０個）もある
ため、ｎ＝０の条件を目で見ながら判定するのは、非常
に困難になる。

そのため、従来は、正確なｔｅ＝ｊｒの条件、すなわち
ｎ＝０の条件を求めるために、励起パルスの周波数ｆｒ
１（したがってｔｒｚ）を僅かに変化させ、重畳エコー
の大きさが大きくなるときの周期ｔｅが、周波数を変え
る前のｔｅと変化するか否か（変化しない場合がｎ＝０
）を観測するという手順を用いていた。

上記のように、従来のＰＥＳ法においては、正確なｔｅ
＝ｔｒの条件を求めるための操作及び観測が複雑になる
という問題があった。

また、ＰＥＯ法においては、複数の波形の位相が合って
いるか否かをオシロスコープ上で目で見て判定する必要
があるため、ＰＥＳ法のように振幅最大となる条件を求
める方法よりも判定が困難であり、そのため迅速な測定
が困難であるという問題があり、また、自動測定への発
展が非常に難しいという問題があった。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、測定時の操作及び観測が容易で
あり、自動測定への拡張も可能な超音波音速測定法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては、特許請
求の範囲に記載するように構成している。

すなわち、本発明においては、振幅で判定するというＰ
ＥＳ法の長所を生かし、かつ操作を簡単にするため、 ■例えば、後記第５図（４）に示すような周期ｔｓで連
続したｎ個（ｎは２以上の整数）のパルスからなるパル
ス群を、ｔ　ｓ　Ｘ　ｎより大きく、かつｔｓの整数倍
の周期ｔ＊　（ｔｔ＝ｍｔ、、例えば第５図（２）Ｊで
発生させ、それに同期して発生させた超音波励起パルス
〔前記第７図（１）のごときもの〕を用いることにより
、超音波エコーを重畳させ、 ■エコー信号をＸＹ走査表示装置（オシロスコープやシ
ンクロスコープ等）のＹ軸に入力し、かつ、上記ｔｓと
同じ周期ｔｏの連続したパルス〔例えば第５図（３））
を上記ＸＹ走査表示装置のＸ軸トリガとして与えること
によって、上記の重畳したエコー信号をオーバーラツプ
させる。

■そのため本発明においては、ｔ、＝ｔｓ＝ｔｒのとき
に、重畳したエコー信号の位相は揃い、かつ振幅が最大
となる。

■したがって、本発明においては、各周期Ｕｓ。

ｔｉ、　　ｔ、を上記の条件を保ったままで順次変化さ
せて、ＸＹ走査表示装置上で、重畳エコーの振幅が最大
で、かつ各重畳エコーの位相が一致する状態を実現し、
そのときにおける上記周期ｔｒを求めることにより、こ
のときの周期ｔｏがエコーの周期ｊｒに等しいことから
、上記試料中における超音波の音速を測定することが出
来る。

なお実際の測定系においては、し０、ｔｓ、ｔｉ間の上
記の条件、すなわちｊ、＝ｔｓ＝ｔ、１／ｍを自動的に
設定することが出来るので、ｔｏのみを変化させれば、
ｔｓおよびＬＬが自動的に上記の条件を保って変化する
ように構成することが出来る。

また、ｔ　、　＝ｔ、　ｓであるから、ｔｏの代わりに
Ｃ，ｓを求めてもよいことは勿論である。

上記のように、本発明においては、重畳エコーの振幅が
最大という条件と、各重畳エコーの位相が一致するとい
う条件との２つの条件からし、＝＝ｔｏの条件を正確に
求めることが出来る。したがって、前記ＰＥＳ法の問題
点で述べたような複雑な操作を行なう必要がなく、また
、位相合わせも波形が１波長以上ずれていないことさえ
確認すれば、後は振幅を見て合わせることが出来る（波
長最大の点で自動的に位相が一致する）ので、従来のＰ
Ｅｏ法のように目で見ながら位相を正確に合わせる必要
がなくなり、そのため測定が容易で迅速に出来る。

また、実際の超音波音速測定においては、同一試料につ
いて、温度等の環境条件を変えた際の種々の音速を測定
する場合が多いが、本発明においては、最初に、一つの
環境条件において上記のように振幅と位相の２条件から
、その環境条件における絶対音速を測定すれば、その後
は振幅最大の条件だけで種々の環境条件における絶対音
速を測定することが出来る。そして振幅の最大値を検出
する方法は容易に自動化することが出来るから、上記の
ような場合には、初期設定のみを行なえば、後は自動測
定が可能である。

［実施例］第１図は、本発明を実施するための測定系のブロック図
である。

第１図において、周波数シンセサイザ１は、標準信号発
生器であり、エコーの周期を０，１ｎｓｅｃ程度の分解
能で測定するための時間標準として用いる。周波数カウ
ンタ９は、上記周波数シンセサイザ１の発振周波数を表
示するものである。

また、パルスジェネレータ２は、周波数シンセサイザｌ
の連続波出力を測定に必要なパルス列に変換するもので
あり、超音波励起パルス（ＲＦパルスと記す）を起動す
るためのパルスｆ〔第５図（４）］と、オシロスコープ
８のＸ軸トリガ用パルスｇと、指定したエコーだけ輝度
を上げる輝度変調用パルスｈとを発生する。なお、この
パルスジェネレータ２については、後に第２〜４図で詳
細に説明する。

また、パルストオシレータおよびＲＦアンプ３は、上記
のパルスｆに同期したＲＦパルス［第７図（１）のごと
きもの］を発生し、それを２００Ｖ　（ｐ−ｐ）程度に
増幅して出力する。なお、ＲＦパルスは、例えば継続時
間幅ｔｐ＝１〜２μｓ１周波数ｆｒｉ＝　１５ＭＨｚ程
度の超音波パルスである。

また、マツチングユニット４は、低インピーダンス（例
えば５０Ω程度）のＲＦアンプの出力インピーダンスと
高インピーダンスのトランスデユーサとのインピーダン
スマツチングを行なう回路である。

また、トランスデユーサ５は、例えば圧電変換素子等の
電気−機械変換器であり、与えられたＲＦパルスに対応
した超音波振動を発生し、かつエコー振動を電気信号に
変換する。

また、試料６は、例えば長さ１０ｍｍ程度の固体或いは
液体等であり、その一端にはトランスデユーサ５が設置
されている。

また、レシーバ７は、ＲＦパルスおよびエコー信号を増
幅、検波し、ＲＦ倍信号よびそれを検波したビデオ信号
として出力する。

また、オシロスコープ８は、Ｘ軸のトリガパルスとして
前記のパルスｇを、Ｙ軸の入力として前記のＲＦ倍信号
またはビデオ信号）を、Ｚ軸の入力として前記のパルス
ｈを入力する。

次に、上記第１図の装置を用いた本発明の測定法につい
て説明する。

まず、パルスジェネレータ２は、第５図（４）に示すよ
うな、周期ｔｓで連続した２個以上（通常は数個で良い
）のパルスｆを、第５図（２）に示すような周期ｔｉで
出力する。なお、周期し、はｔｓの整数倍であり、例え
ばパルスｆが数個の場合で、ｔｓ＝　１０　ｔｘ〜１０
００　ｔｓ径程度ある。

また、パルスジェネレータ２では、同時に、第５図（３
）に示すごとく、上記ｔｓと同じ周期し。

の連続したパルスｇ（例えば周波数シンセサイザｌの連
続波をパルス化したもの）をオシロスコープ８のＸ軸ト
リガ信号として出力する。

上記のパルスｆに同期してパルストオシレータ３で発生
したＲＦパルス〔第７図（１）のごときもの〕によって
トランスデユーサ５を駆動し、試料６に超音波を印加す
ると、エコーが検出される。

上記の超音波エコーは、印加するＲＦパルスが上記のよ
うに２個以上の連続したパルスであるため、前記ＰＥＳ
法で説明したのと同様に、重畳する。

また、オシロスコープ８のＸ軸トリガ信号として、パル
スｈと同じ周期のパルスｇを用いているので、前記ＰＥ
Ｏ法で説明したのと同様に、オシロスコープの表示面上
では、上記の重畳したエコーがオーバーラツプする。

そしてｔ、＝ｔｓ＝Ｌｒのときに、重畳したエコー信号
の位相は揃い、かつ振幅が最大となる。

したがって、周波数シンセサイザｌの連続波出力の周期
を調節して、パルスジェネレータ２で設定する各周期Ｌ
　ｉ　ｓ　　ｔｓ、ｔｒを上記の条件を保ったままで順
次変化させ、オシロスコープの表示面上で、重畳エコー
の振幅が最大で、かつ各重畳エコーの位相が一致するよ
うに調節し、そのときの周期ｔｒを求めれば、このとき
の周期ｔｏがエコーの周期ｔｒに等しいことから、上記
試料中における超音波の音速を測定することが出来る。

なお、パルスジェネレータ２では、周波数シンセサイザ
ｌから与えられる信号に応じて、ｊ、＝ｔｓ＝ｔｔ／ｍ
の条件を保ってし０、ｔｓ％ｔｔをそれぞれ設定してい
るので、実際の測定時には、周波数シンセサイザｌの発
振周期を周波数カウンタ９で見ながら調節し、ｔｏのみ
を設定すれば、ｔｓおよびし言ま自動的に上記の条件に
合った値に設定される。

次に、第１図のパルスジェネレータ２について詳細に説
明する。

第２図はパルスジェネレータ２の一実施例の構成を示す
ブロック図、第３図は第２図内のパルス列発生回路２３
および微分回路２４の一実施例の回路図、第４図は第３
図中の信号波形図である。

まず、第２図において、矩形波発生部２１は、外部の周
波数シンセサイザｌから与えられた標準信号に基づいて
第４図ｇのごときパルス信号を発生する。

分周回路２２は、上記のパルス信号ａを分周して第４図
すのごときパルスを出力する。このパルスは周期がＬＬ
であり、第５図（２）のパルスに相当する。

パルス列発生回路２３は、上記のパルスａ、　ｂを入力
し、第４図ｇのごときパルスを出力する。

微分回路２４は、上記のパルスｅを微分して第４図ｆの
ごときパルスとし、また、微分回路２５は、前記のパル
スａを微分して第４図ｇのごときパルスとしてそれぞれ
出力する。このパルスｆが第５図（４）のパルスに相当
し、また、パルスｇが第５図（３）のパルスに相当する
。

次に、第３図に示すパルス列発生回路２３においては、
まず、前記のパルスａ、ｂを入力し、これらのパルスを
ＩＣ１〜ＩＣ５で構成するシフトレジスタに与え、パル
スｂを、パルスａの周期ｔ、の１／２倍、３／２倍、５
／２倍、７／２倍、９／２倍の周期にそれぞれタイムシ
フトしたパルスを作り出す。

上記のＩＣ１〜ＩＣ５の出力は、スイッチＳＷで選択で
きるようにしておく。例として、ＩＣ３の出力を第４図
ｇに示す。

上記のパルスＣと、前記のパルスｂを反転したパルスと
をＩＣ８のＡＮＤ回路に入力し、第４図ｇに示すパルス
を作る。

次に、前記パルスａを反転させたパルスと、前記パルス
ｄとをＩＣ９のＮＡＮＤＡＮＤ回路し、第４図ｇに示す
パルスを作る。

このパルスｅを、トランジスタＴｒｉ、抵抗およびコン
デンサからなる微分回路２４に入力することによって、
第４図ｆのパルスを得る。

この−群のパルスｆ中のパルスの個数については、ＩＣ
１〜ＩＣ５の出力をスイッチＳＷで選択することによっ
て、１〜５個の範囲で任意に設定することが出来る。ま
た、５個以上のパルスが必要な場合は、ＩＣ５の後に同
様のＩＣ（７４７４）を追加し、その出力を用いること
によって任意の個数を発生することが出来る。

なお、ＩＣｌ−ＩＣ５（７４７４）で構成したシフトレ
ジスタ部は、シフトレジスタ専用ＩＣ（例えば７４１６
４）を使用しても、同様な結果が得られる。

次に、第６図は、本発明の測定方法によって実際に測定
を行なった場合におけるオシロスコープ表示面上の信号
波形の一例を示す写真図である。

この実施例は、試料としてエタノールを用い、室温で、
周波数１５ＭＩ（ｚのＲＦパルスの超音波を印加した場
合におけるオシロスコープ上での重畳エコーのオーバー
ラツプの様子を示したものである。

第６図において、（ａ）は同位相（位相が一致した状態
）、（ｂ）は逆位相（位相が一致しない状態）の場合を
示し、また、（１）は本発明による重畳ＲＦパルスエコ
ーのオーバーラツプの状態、（３）は本発明による重畳
ビデオ信号エコーのオーバーラツプの状態を示す。また
、（２）は比較のために示した従来のＰＥＯ法によるエ
コーのオーバーラツプの状態である。なお、第６図の横
軸の１メモリは、（１）および（２）が０．２　μｓ。

（３）が１μｓである。

第６図において、特徴的なことは、（１）−（ａ）や（
３）−（ａ）に示すように、ｊ、＝ｔｒとちょうど同位
相になったときには、位相が揃うことはもちろん、重畳
エコーの振幅も最大になる。また、ｔ、≠ｊｒであれば
、（１）−（ｂ）や（３）−（ｂ）に示すように、位相
は揃わず、かつ重畳エコーの振幅が減少する。

このように位相と振幅の両方からｔ　、　＝ｔ　ｒの条
件を決定することが出来るので、正確で迅速な測定を一
行なうことが出来るのみならず、前記のように初期設定
を行なってやれば、振幅最大の条件のみを使って自動測
定を行なうことが出来る。

なお、第６図（２）の（ａ）と（ｂ）から判るように、
従来のＰＥＯ法では、位相が一致してもしなくても振幅
は変化しないので、表示画面上の細かな図形を見ながら
位相が正確に一致した点を求める必要があり、迅速な測
定は困難である。

〔発明の効果］以上説明してきたように、本発明においては、従来のＰ
ＥＳ法及びＰＥＯ法のそれぞれの利点を生かし、重畳し
たパルスエコーをオシロスコープ上でオーバーラツプさ
せ、重畳エコーの振幅が最大という条件と、各重畳エコ
ーの位相が一致するという条件との２つの条件からｔ、
”　Ｌｒの条件を正確に求めるように構成したことによ
り、従来のＰＥＳ法のような複雑な操作を行なう必要が
なく、また、位相合わせも波形が１波長以上ずれていな
いことさえ確認すれば、後は振幅を見て合わせることが
出来る（波長最大の点で自動的に位相が一致する）ので
、従来のＰＥＯ法のように目で児ながら位相を正確に合
わせる必要がなくなり、そのため測定が容易で迅速に出
来る。例えば、本発明においてはエコーの時間間隔をＯ
、ｌ　ｎ５ｅｃ程度の分解能で簡単に決定することが出
来るが、従来のＰＥＳ法やＰＥＯ法では、かなりの熟練
を要し、かつ決定に要する時間が大幅に長くなる。

また、本発明においては、初期設定を行なえば、後は振
幅最大の条件のみによって測定を行なうことが出来るの
で、自動測定への拡張が容易である。

上記のように本発明においては、試料中における音速の
絶対値を容易かつ迅速に測定することが出来、また、自
動測定への拡張も容易である、等の優れた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定方法を実施するための測定系の一
実施例を示すブロック図、第２図はパルスジェネレータ
２の一実施例の構成を示すブロック図、第３図は第２図
内のパルス列発生回路２３および微分回路２４の一実施
例の回路図、第４図は第３図中の信号波形図、第５図は
本発明の測定方法における各パルスの一実施例を示す図
、第６図は実測時のオシロスコープ画面の写真図、第７
図は従来のＰＥＳ法における信号波形図である。〈符号の説明〉１・・・周波数シンセサイザ２・・・パルスジェネレータ３・・・パルストオシレータおよびＲＦアンプ４・・・
マツチングユニット５・・・トランスデユーサ６・・・試料　　　　　　　　７・・・レシーバ８・・
・オシロスコープ　　　９・・・周波数カウンタｔｒ・
・・超音波エコーの周期ｔｓ・・・超音波励起パルスを発生させるためのパルス
ｆの各パルスの周期し、・・・−群のパルスｆを発生させる周期ｔ、・・・
オシロスコープのＸ軸トリガ用パルスｇの周期

Claims

【特許請求の範囲】　寸法が既知の試料の一端に超音波を印加し、他端から
反射したエコーの周期ｔ＿ｒを観測することによって上
記試料の長さと上記周期ｔ＿ｒとから上記試料内におけ
る超音波の音速を測定する方法において、周期ｔ＿ｓで連続したｎ個（ｎは２以上の整数）のパル
スからなるパルス群を、ｔ＿ｓ×ｎより大きく、かつｔ
＿ｓの整数倍の周期ｔ＿ｉで発生させ、上記パルスに同
期して発生させた超音波励起パルスによって試料の一端
に超音波を印加し、上記試料の超音波印加端で検出した
エコー信号をＸＹ走査表示装置のＹ軸に入力し、かつ、
上記ｔ＿ｓと同じ周期ｔ＿ｏの連続したパルスを上記Ｘ
Ｙ走査表示装置のＸ軸トリガとして与え、上記の各周期ｔ＿ｓ、ｔ＿ｉ、ｔ＿ｏを上記の条件を保
ったままで順次変化させて、上記エコー信号を重畳させ
ると共に各重畳エコー信号をオーバーラップさせ、ＸＹ
走査表示装置上で、重畳エコー信号の振幅が最大で、か
つ各重畳エコー信号の位相が一致する状態を実現し、そ
のときにおける上記周期ｔ＿ｏを求めることにより、こ
のときの周期ｔ＿ｏがエコーの周期ｔ＿ｒに等しいこと
から、上記試料中における超音波の音速を測定すること
を特徴とする超音波音速測定方法。