JPH06229989A - 超音波増幅器 - Google Patents
超音波増幅器Info
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- JPH06229989A JPH06229989A JP5265322A JP26532293A JPH06229989A JP H06229989 A JPH06229989 A JP H06229989A JP 5265322 A JP5265322 A JP 5265322A JP 26532293 A JP26532293 A JP 26532293A JP H06229989 A JPH06229989 A JP H06229989A
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- G—PHYSICS
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波パラメトリック増幅器を提供する。
【構成】 内表面が軸方向に周期的に正弦波形状に変化
する剛性の円筒形の壁を有するダクト（４）、および壁
の外表面を加熱するための素子（１６）が設けられる。
周期的な内表面の正弦波形状の波長は、ダクトを充たす
流体を通って伝搬する超音波エネルギーの波の波長のほ
ぼ半分に等しい。波は、所定のやり方で熱が追加された
ときに超音波と周期的なダクト壁との共働相互作用によ
って増幅され、加熱によって、増幅器の離調に至る恐れ
のある流体の温度の指数関数的な低下を補償する。
する剛性の円筒形の壁を有するダクト（４）、および壁
の外表面を加熱するための素子（１６）が設けられる。
周期的な内表面の正弦波形状の波長は、ダクトを充たす
流体を通って伝搬する超音波エネルギーの波の波長のほ
ぼ半分に等しい。波は、所定のやり方で熱が追加された
ときに超音波と周期的なダクト壁との共働相互作用によ
って増幅され、加熱によって、増幅器の離調に至る恐れ
のある流体の温度の指数関数的な低下を補償する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、金属等の材料の
完全性を害する恐れのある空隙、きず、き裂等の欠陥に
ついての材料の非破壊検査に関するものである。更に詳
しく述べると、本発明は稼働しているプラントおよび施
設での核構成要素および非核構成要素の超音波検査に関
するものである。
完全性を害する恐れのある空隙、きず、き裂等の欠陥に
ついての材料の非破壊検査に関するものである。更に詳
しく述べると、本発明は稼働しているプラントおよび施
設での核構成要素および非核構成要素の超音波検査に関
するものである。
【０００２】
【発明の背景】原子炉の構成要素の超音波検査では通
常、信号を発生する変換器から大量のパワーを必要とす
る。このパワーは現在、高価で、かさばり、ある程度信
頼できない電子電力増幅器で超音波変換器を駆動するこ
とにより得ている。更に、変換器信号は通常、かなり大
きい帯域幅を有する。これにより、音波エネルギーがか
なりの周波数範囲に分布する。
常、信号を発生する変換器から大量のパワーを必要とす
る。このパワーは現在、高価で、かさばり、ある程度信
頼できない電子電力増幅器で超音波変換器を駆動するこ
とにより得ている。更に、変換器信号は通常、かなり大
きい帯域幅を有する。これにより、音波エネルギーがか
なりの周波数範囲に分布する。
【０００３】継続時間の短い狭帯域超音波源（いわゆる
「トーンバースト」信号）は、相当な利点がある。これ
は、電子構成要素および当業者には知られている従来の
発生源を使用してもある程度は達成することはできる
が、このようなプロセスは高価であり、技術的に理想よ
り劣る。狭帯域の超音波エネルギーを発生する何か安価
で、信頼性があり、コンパクトな手段があれば、多数の
検査システムの設計および運転が簡単になる。
「トーンバースト」信号）は、相当な利点がある。これ
は、電子構成要素および当業者には知られている従来の
発生源を使用してもある程度は達成することはできる
が、このようなプロセスは高価であり、技術的に理想よ
り劣る。狭帯域の超音波エネルギーを発生する何か安価
で、信頼性があり、コンパクトな手段があれば、多数の
検査システムの設計および運転が簡単になる。
【０００４】粘性のある圧縮性の流体と、半径が軸に沿
って平均値を中心として正弦的に変動する無限に長い剛
性の円筒形シェルとの相互作用の解析により、原子炉容
器の内側の長い経路にわたって超音波を増幅するという
問題の解が見出されるに至った。この解析については、
後で簡単に説明する。流体で充たされたダクト内を伝搬
する超音波は、流体の運動が伝搬方向に平行であるとい
う意味で、本質的に圧縮性である。流体で充たされたダ
クトの中の音の三次元伝搬は理論的に詳細に検討されて
きており、現在、薄い柔軟なダクトの壁と粘性流体につ
いては理解されている。明らかなことは、可能な一つの
伝搬モードが（充分な高温で）減衰が無視できる軸対称
なものであり、放射状モードの形状は重要でないという
ことである。これらの発見の結果、２，３メガヘルツの
周波数での超音波導波管として有用な装置が開示される
に至った。
って平均値を中心として正弦的に変動する無限に長い剛
性の円筒形シェルとの相互作用の解析により、原子炉容
器の内側の長い経路にわたって超音波を増幅するという
問題の解が見出されるに至った。この解析については、
後で簡単に説明する。流体で充たされたダクト内を伝搬
する超音波は、流体の運動が伝搬方向に平行であるとい
う意味で、本質的に圧縮性である。流体で充たされたダ
クトの中の音の三次元伝搬は理論的に詳細に検討されて
きており、現在、薄い柔軟なダクトの壁と粘性流体につ
いては理解されている。明らかなことは、可能な一つの
伝搬モードが（充分な高温で）減衰が無視できる軸対称
なものであり、放射状モードの形状は重要でないという
ことである。これらの発見の結果、２，３メガヘルツの
周波数での超音波導波管として有用な装置が開示される
に至った。
【０００５】波状の壁を有する剛性の円筒形シェル内の
粘性流体の中を波が軸方向に伝搬するにつれて、流体の
内部エネルギーが連続的かつ可逆的に波の強さと交換さ
れる。理想的には、プロセスのエントロピーの正味の増
加は無い。流体と剛性の円筒形シェルの壁との間の熱伝
達が無視されるからである。システムパラメータが任意
の値を取る普通の状態では、シェルの波状の壁は流体の
運動に対して異常な影響を及ぼさず、減衰した波の伝搬
は断熱的な等エントロピーの流れに対する周知の流体の
運動量と連続の方程式によって容易に記述される。
粘性流体の中を波が軸方向に伝搬するにつれて、流体の
内部エネルギーが連続的かつ可逆的に波の強さと交換さ
れる。理想的には、プロセスのエントロピーの正味の増
加は無い。流体と剛性の円筒形シェルの壁との間の熱伝
達が無視されるからである。システムパラメータが任意
の値を取る普通の状態では、シェルの波状の壁は流体の
運動に対して異常な影響を及ぼさず、減衰した波の伝搬
は断熱的な等エントロピーの流れに対する周知の流体の
運動量と連続の方程式によって容易に記述される。
【０００６】しかし、流体と周期的（ｐｅｒｉｏｄｉ
ｃ）な壁との相互作用により、ダクトに沿った距離とと
もに波の強度が大きくなる特別な場合が存在する。これ
は、壁の摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｎｃｅ）の波長が流体
波の波長の約半分であるときに起きる。波の運動を記述
する変換された方程式はマシューヒル（Ｍａｔｈｉｅｕ
−Ｈｉｌｌ）の方程式であり、その解（フロケット［Ｆ
ｌｏｑｕｅｔ］関数）は方程式の中のパラメータのある
範囲に対して不安定性を持つことが知られている。本発
明は、パラメトリック増幅に類似した流体の不安定性は
流体とシェルの周期的な壁との相互作用から生じ得るこ
とを認識したことにある。
ｃ）な壁との相互作用により、ダクトに沿った距離とと
もに波の強度が大きくなる特別な場合が存在する。これ
は、壁の摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｎｃｅ）の波長が流体
波の波長の約半分であるときに起きる。波の運動を記述
する変換された方程式はマシューヒル（Ｍａｔｈｉｅｕ
−Ｈｉｌｌ）の方程式であり、その解（フロケット［Ｆ
ｌｏｑｕｅｔ］関数）は方程式の中のパラメータのある
範囲に対して不安定性を持つことが知られている。本発
明は、パラメトリック増幅に類似した流体の不安定性は
流体とシェルの周期的な壁との相互作用から生じ得るこ
とを認識したことにある。
【０００７】長い解析から、波の速度のスカラポテンシ
ャルφは次の形のマシューヒル（Ｍａｔｈｉｅｕ−Ｈｉ
ｌｌ）の方程式の解であることを示すことができる。
ャルφは次の形のマシューヒル（Ｍａｔｈｉｅｕ−Ｈｉ
ｌｌ）の方程式の解であることを示すことができる。
【０００８】
【数１】
【０００９】ただし、ｑ＝ε／Ｒ＜＜１であり、Ｒはシ
ェルの公称（または平均）半径、εは周期的な壁の摂動
（半径の変化）の振幅、γは壁の摂動の波長と音波の波
長との比、ｙ＝（１−ｑ）ｋｚは正規化された軸方向の
座標、ｋは超音波の波数、ｚ（＞０）は軸方向の座標、
ａは１に近い定数である。
ェルの公称（または平均）半径、εは周期的な壁の摂動
（半径の変化）の振幅、γは壁の摂動の波長と音波の波
長との比、ｙ＝（１−ｑ）ｋｚは正規化された軸方向の
座標、ｋは超音波の波数、ｚ（＞０）は軸方向の座標、
ａは１に近い定数である。
【００１０】この見かけ上簡単な方程式は、粘性減衰が
無視でき、体積流体の温度がほぼ一定（すべてのｚに対
して等温の流体）であるときに、得られる。特に、ａ＝
１でγ＝２の場合、級数解は次のような一般形であるこ
とが知られている。
無視でき、体積流体の温度がほぼ一定（すべてのｚに対
して等温の流体）であるときに、得られる。特に、ａ＝
１でγ＝２の場合、級数解は次のような一般形であるこ
とが知られている。
【００１１】
【数２】
【００１２】この解は次の性質がある。
【００１３】
【数３】
【００１４】したがって、πの周期性（フロケット［Ｆ
ｌｏｑｕｅｔ］条件）がある。これは上記の微分方程式
の周期的係数の性質と首尾一貫している。フロケットの
解の級数表現はマシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）の関数とし
て知られている。特性指数νは一般に複素数であり、パ
ラメータａおよびｑに複雑に依存する。ν（ａ，ｑ）を
計算するための数値手段が存在する。これには、ｑ＝＜
＜１でνが非整数（今の場合）であるときの固定された
ν、ｑに対する展開が含まれる。たとえば、
ｌｏｑｕｅｔ］条件）がある。これは上記の微分方程式
の周期的係数の性質と首尾一貫している。フロケットの
解の級数表現はマシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）の関数とし
て知られている。特性指数νは一般に複素数であり、パ
ラメータａおよびｑに複雑に依存する。ν（ａ，ｑ）を
計算するための数値手段が存在する。これには、ｑ＝＜
＜１でνが非整数（今の場合）であるときの固定された
ν、ｑに対する展開が含まれる。たとえば、
【００１５】
【数４】
【００１６】ｑ2 より大きいオーダの項を無視して、ａ
＝１とすると、特性指数は
＝１とすると、特性指数は
【００１７】
【数５】
【００１８】の根である。この四次方程式は二つの複素
根を有し、それらの実数部は次のように正である。
根を有し、それらの実数部は次のように正である。
【００１９】
【数６】
【００２０】正の実数部と負の虚数部を持つ解は、波が
＋ｚに向かって伝搬するにつれて指数関数的に増大する
解を表す。パラメータのこの特定の選択の場合の解は限
界が無いと言える。すなわち、パラメトリツク増幅が行
われる。他方、負の実数部と正の虚数部を持つ解は、−
ｚに向かって進み、振幅も大きくなる波を表す。大きく
なる波に対する代表的な解が図１に示されている。
＋ｚに向かって伝搬するにつれて指数関数的に増大する
解を表す。パラメータのこの特定の選択の場合の解は限
界が無いと言える。すなわち、パラメトリツク増幅が行
われる。他方、負の実数部と正の虚数部を持つ解は、−
ｚに向かって進み、振幅も大きくなる波を表す。大きく
なる波に対する代表的な解が図１に示されている。
【００２１】明らかに、この増幅が生じるのは、マシュ
ー（Ｍａｔｈｉｅｕ）の方程式のパラメータの異例の組
み合わせの場合のみである。これは、任意であるが実数
のパラメータ（ａ，ｑ）に対するマシューの関数の詳細
な解析から理解することができる。たまたま、νが実数
で負であるゾーン（ｚｏｎｅ）が（ａ，ｑ）平面内に存
在すると、安定な解が存在する。νが複素数である他の
ゾーンが存在すると、少なくとも一つの不安定な解が存
在する。図２に示されるように、ａ＝１で接続された不
安定ゾーンによって第一の二つの安定なゾーンが隔てら
れる。
ー（Ｍａｔｈｉｅｕ）の方程式のパラメータの異例の組
み合わせの場合のみである。これは、任意であるが実数
のパラメータ（ａ，ｑ）に対するマシューの関数の詳細
な解析から理解することができる。たまたま、νが実数
で負であるゾーン（ｚｏｎｅ）が（ａ，ｑ）平面内に存
在すると、安定な解が存在する。νが複素数である他の
ゾーンが存在すると、少なくとも一つの不安定な解が存
在する。図２に示されるように、ａ＝１で接続された不
安定ゾーンによって第一の二つの安定なゾーンが隔てら
れる。
【００２２】今関心のあるａ＝１でｑ＞０の場合、解は
第一の不安定領域にある。もちろん、γは２から少しず
れることがあり、その影響によって安定ゾーンの解に至
ることがあり得る。安定な波に対する代表的な解が図３
に示されている。図３では、波の振幅は変動し得るが、
距離とともに増大しない。実際上、波の振幅は「ビート
（ｂｅａｔ）」を示す。これは、壁の波長と超音波の波
長は少し異なっているが、大きくは異なっていないため
である。
第一の不安定領域にある。もちろん、γは２から少しず
れることがあり、その影響によって安定ゾーンの解に至
ることがあり得る。安定な波に対する代表的な解が図３
に示されている。図３では、波の振幅は変動し得るが、
距離とともに増大しない。実際上、波の振幅は「ビート
（ｂｅａｔ）」を示す。これは、壁の波長と超音波の波
長は少し異なっているが、大きくは異なっていないため
である。
【００２３】明らかに、γ＝２から充分に大きくずれる
と、第一の不安定ゾーンの上と下の両方または一方の安
定領域にνが入る。不安定なゾーンの境界は厳密に対称
でない。逆に、γ＝２からのずれが充分に小さいと、不
安定ゾーンの境界に達することはできない。この場合、
ｑの大きさに応じて、摂動する解は不安定なままにな
る。詳しく述べると、単刀直入な熱力学的な検討によっ
て、断熱的な壁の場合、流体の内部エネルギーまたは温
度を犠牲にすると壁の強度が大きくなることが明らかに
なった。波が伝搬して大きくなるにつれて、ガスが少し
冷却されて、γが小さくなり、結局、特性指数が図２の
第一の安定ゾーンに入る。その結果、流体が良好な熱導
体でない場合には、それ以上の増幅が行われない。この
場合、温度勾配が平衡して、増大が継続することがあ
る。
と、第一の不安定ゾーンの上と下の両方または一方の安
定領域にνが入る。不安定なゾーンの境界は厳密に対称
でない。逆に、γ＝２からのずれが充分に小さいと、不
安定ゾーンの境界に達することはできない。この場合、
ｑの大きさに応じて、摂動する解は不安定なままにな
る。詳しく述べると、単刀直入な熱力学的な検討によっ
て、断熱的な壁の場合、流体の内部エネルギーまたは温
度を犠牲にすると壁の強度が大きくなることが明らかに
なった。波が伝搬して大きくなるにつれて、ガスが少し
冷却されて、γが小さくなり、結局、特性指数が図２の
第一の安定ゾーンに入る。その結果、流体が良好な熱導
体でない場合には、それ以上の増幅が行われない。この
場合、温度勾配が平衡して、増大が継続することがあ
る。
【００２４】
【発明の概要】本発明は、シェルの内表面が周期的で、
その周期性がシェル内に入っている流体中を伝搬する音
波の周期性に特定的に、かつ正確に関連付けられている
ときの上記の流体とシェルとの相互作用の性質に基づい
ている。本発明によれば、流体の温度の指数関数的な減
少を補償して増幅器の離調を防止するように所定のやり
方で熱を追加するとき、音波と周期的なダクト壁との相
乗の相互作用によりパラメトリック増幅が行われる。
その周期性がシェル内に入っている流体中を伝搬する音
波の周期性に特定的に、かつ正確に関連付けられている
ときの上記の流体とシェルとの相互作用の性質に基づい
ている。本発明によれば、流体の温度の指数関数的な減
少を補償して増幅器の離調を防止するように所定のやり
方で熱を追加するとき、音波と周期的なダクト壁との相
乗の相互作用によりパラメトリック増幅が行われる。
【００２５】本発明は、周期的な壁と相互作用する流体
中の波の伝搬の性質を使用して、かなりの距離にわたっ
て超音波エネルギーを効果的に輸送し、増幅することに
より、能動電子素子無しに波の強度を増大する。本発明
は、音波の波長に対して特定の比例関係にある空間波長
を有する加熱された周期的な壁と相互作用する特定の波
長、周波数および帯域幅の進行超音波を用いることによ
り、パルス状の超音波の強い狭帯域の発生源または検出
器を作成する。
中の波の伝搬の性質を使用して、かなりの距離にわたっ
て超音波エネルギーを効果的に輸送し、増幅することに
より、能動電子素子無しに波の強度を増大する。本発明
は、音波の波長に対して特定の比例関係にある空間波長
を有する加熱された周期的な壁と相互作用する特定の波
長、周波数および帯域幅の進行超音波を用いることによ
り、パルス状の超音波の強い狭帯域の発生源または検出
器を作成する。
【００２６】本発明は、流体で充たされたシェルの熱伝
達性と組み合わせて流体とシェルとの相互作用の独特の
性質を使用することにより、電子エネルギーを供給する
ことなく受動的に超音波を増幅する手段を提供する。詳
しく述べると本発明は、流体−シェル相互作用の熱機械
的性質と超音波の性質との間の共働関係を用いることに
より、体積流体から波へのエネルギー交換の可能性が妨
げられる恐れのある特別の状況で顕著なパラメトリック
増幅が行えるようにする。
達性と組み合わせて流体とシェルとの相互作用の独特の
性質を使用することにより、電子エネルギーを供給する
ことなく受動的に超音波を増幅する手段を提供する。詳
しく述べると本発明は、流体−シェル相互作用の熱機械
的性質と超音波の性質との間の共働関係を用いることに
より、体積流体から波へのエネルギー交換の可能性が妨
げられる恐れのある特別の状況で顕著なパラメトリック
増幅が行えるようにする。
【００２７】本発明のもう一つの側面によれば、本発明
は用途で必要な場合、遠隔パルスエコー増幅を受けるこ
とが可能である。これは共通の帯域幅と公称周波数の標
準変換器を使用して達成することができる。本発明で
は、送信モードまたは受信モードの動作で波伝搬定数に
よって指定される方向にエネルギーを増幅する。また、
本発明の使用により、粘性と熱伝導率の吸収が存在して
いる状態でも出口の窓で音波強度を著しく増強すること
により、非破壊検査の用途で検査されている体積に効率
的にエネルギーを出入りさせる。
は用途で必要な場合、遠隔パルスエコー増幅を受けるこ
とが可能である。これは共通の帯域幅と公称周波数の標
準変換器を使用して達成することができる。本発明で
は、送信モードまたは受信モードの動作で波伝搬定数に
よって指定される方向にエネルギーを増幅する。また、
本発明の使用により、粘性と熱伝導率の吸収が存在して
いる状態でも出口の窓で音波強度を著しく増強すること
により、非破壊検査の用途で検査されている体積に効率
的にエネルギーを出入りさせる。
【００２８】円筒形の周期的内壁表面が存在している状
態で、粘性流体内を軸方向に伝搬する波はそれの壁との
相互作用に於いて大きさを保存しなければならない。特
定の周波数の波は壁との相互作用に於いて、エネルギー
が体積流体から波に連続的に移されることにより波の強
度または振幅が大きくなるようなやり方で相互作用す
る。この増大は、本発明に従って流体−シェル相互作用
を最適化するように加熱される剛性の金属壁の場合に最
も顕著である。
態で、粘性流体内を軸方向に伝搬する波はそれの壁との
相互作用に於いて大きさを保存しなければならない。特
定の周波数の波は壁との相互作用に於いて、エネルギー
が体積流体から波に連続的に移されることにより波の強
度または振幅が大きくなるようなやり方で相互作用す
る。この増大は、本発明に従って流体−シェル相互作用
を最適化するように加熱される剛性の金属壁の場合に最
も顕著である。
【００２９】本発明の上記および他の利点は図面を参照
した本発明の実施例の詳細な説明により、より良く理解
される筈である。
した本発明の実施例の詳細な説明により、より良く理解
される筈である。
【００３０】
【実施例の記載】図４に示されるような、本発明の一実
施例による超音波パラメトリック増幅器には、粘性流体
で充たされた剛性のダクト４が含まれる。ダクト４は、
内表面が軸対称な周期的な壁を有している。金属ダクト
４（各寸法は一定の割合で図示されていない）内の流体
２は、外部の信号発生電子回路（図示しない）から変換
器６に加えられる駆動信号によって設計周波数で励起さ
れる。変換器は超音波エネルギーを発生し、これがレン
ズ８によって集束される。この集束された超音波エネル
ギーは、レンズ８の焦点にある励起ピン１０に結合され
た金属ダイアフラム９を励起する。ダイアフラムは波数
ｋの超音波疎密波（圧縮波）を発生し、これがピン１０
を介して導波管に入り、流体内を軸方向に伝搬する。進
行波は連続波または「バースト」である。これはダクト
４に沿って進み、窓１２から外に放射される。窓１２は
ダクトの反対側の端を閉じ、結合材１４によってダクト
の壁の内表面に固定される。反響および反射はダイアフ
ラム９の後にあるゴムの膜１１によって制御される。ゴ
ム膜１１は超音波エネルギーの有効な吸収器である。出
口の窓１２で放出されるエネルギーは本質的に平面波の
バーストである。これは、用途で必要な場合、出力の近
くの小さなレンズ（図示しない）によって集束すること
ができる。窓の材料は、音響インピーダンスが流体のそ
れに近い材料（たとえば水の場合、ルーサイト［ＬＵＣ
ＩＴＥ］）で作らなければならない。
施例による超音波パラメトリック増幅器には、粘性流体
で充たされた剛性のダクト４が含まれる。ダクト４は、
内表面が軸対称な周期的な壁を有している。金属ダクト
４（各寸法は一定の割合で図示されていない）内の流体
２は、外部の信号発生電子回路（図示しない）から変換
器６に加えられる駆動信号によって設計周波数で励起さ
れる。変換器は超音波エネルギーを発生し、これがレン
ズ８によって集束される。この集束された超音波エネル
ギーは、レンズ８の焦点にある励起ピン１０に結合され
た金属ダイアフラム９を励起する。ダイアフラムは波数
ｋの超音波疎密波（圧縮波）を発生し、これがピン１０
を介して導波管に入り、流体内を軸方向に伝搬する。進
行波は連続波または「バースト」である。これはダクト
４に沿って進み、窓１２から外に放射される。窓１２は
ダクトの反対側の端を閉じ、結合材１４によってダクト
の壁の内表面に固定される。反響および反射はダイアフ
ラム９の後にあるゴムの膜１１によって制御される。ゴ
ム膜１１は超音波エネルギーの有効な吸収器である。出
口の窓１２で放出されるエネルギーは本質的に平面波の
バーストである。これは、用途で必要な場合、出力の近
くの小さなレンズ（図示しない）によって集束すること
ができる。窓の材料は、音響インピーダンスが流体のそ
れに近い材料（たとえば水の場合、ルーサイト［ＬＵＣ
ＩＴＥ］）で作らなければならない。
【００３１】ダクトの壁は剛性であっても柔軟であって
もよいが、好ましい材料である金属で作られたときに最
も有用である。メタルジャケット形の不等ピッチのヒー
タコイル１６の厚さ効果または補強効果により比較的剛
性となるように、ダクトの壁は設計される。ダクトの壁
の内表面は半径が正弦波形状に変化するように精密な公
差で機械加工される。半径の変化量は、公称値または実
効値に比べて小さい。図５に示すように、ダクト４の周
期的な壁の内表面の半径は、ｑ＝ε／Ｒ＜＜１として、
波長λs ＝λ／２（１−ｑ）で、平均半径Ｒを中心とし
て正弦波形状に変化する。表面の変動の波長λｓはディ
ジタル的に制御されて、増幅すべき超音波の周波数に対
して適切な値に定められる。これは、超音波が伝搬する
につれて振幅が大きくなるように増幅器を「同調させ
る」、すなわち音波の波長および周波数を選択する手段
である。実際には、狭帯域の周波数が増幅されるが、帯
域幅は設計によって非常に小さくすることができる。こ
の装置は本来、狭帯域である（ａ＝１の場合、ｑが図２
の不安定領域に配置されているからである）。超音波を
導入する前に、熱平衡を達成する。
もよいが、好ましい材料である金属で作られたときに最
も有用である。メタルジャケット形の不等ピッチのヒー
タコイル１６の厚さ効果または補強効果により比較的剛
性となるように、ダクトの壁は設計される。ダクトの壁
の内表面は半径が正弦波形状に変化するように精密な公
差で機械加工される。半径の変化量は、公称値または実
効値に比べて小さい。図５に示すように、ダクト４の周
期的な壁の内表面の半径は、ｑ＝ε／Ｒ＜＜１として、
波長λs ＝λ／２（１−ｑ）で、平均半径Ｒを中心とし
て正弦波形状に変化する。表面の変動の波長λｓはディ
ジタル的に制御されて、増幅すべき超音波の周波数に対
して適切な値に定められる。これは、超音波が伝搬する
につれて振幅が大きくなるように増幅器を「同調させ
る」、すなわち音波の波長および周波数を選択する手段
である。実際には、狭帯域の周波数が増幅されるが、帯
域幅は設計によって非常に小さくすることができる。こ
の装置は本来、狭帯域である（ａ＝１の場合、ｑが図２
の不安定領域に配置されているからである）。超音波を
導入する前に、熱平衡を達成する。
【００３２】前に述べたように伝搬波の増幅によって、
流体２の温度が下がり、これを補償しなければ増幅器が
「離調」される。しかし、ダクトの壁が金属のような熱
の良導体である場合には、流体の冷却は熱の追加によっ
て打ち消すことができ、これにより波の伝搬でほぼ等温
の状態が維持される。このシステムの熱機械的検討によ
り、次のような流体に対するエネルギー平衡の方程式が
得られる。
流体２の温度が下がり、これを補償しなければ増幅器が
「離調」される。しかし、ダクトの壁が金属のような熱
の良導体である場合には、流体の冷却は熱の追加によっ
て打ち消すことができ、これにより波の伝搬でほぼ等温
の状態が維持される。このシステムの熱機械的検討によ
り、次のような流体に対するエネルギー平衡の方程式が
得られる。
【００３３】
【数７】
【００３４】ここで、ｐ0 、ρ0 、Ｔ0 はそれぞれ体積
流体圧力、密度、および絶対温度、ｈはシェルの壁およ
び流体に対する熱伝達係数、ｃは流体内の音速、ｃv は
流体に対する一定の体積での比熱、Ｔは流体の局部絶対
温度、ｆ（ｚ）は壁の絶対温度のプロフィールである。
この方程式は、
流体圧力、密度、および絶対温度、ｈはシェルの壁およ
び流体に対する熱伝達係数、ｃは流体内の音速、ｃv は
流体に対する一定の体積での比熱、Ｔは流体の局部絶対
温度、ｆ（ｚ）は壁の絶対温度のプロフィールである。
この方程式は、
【００３５】
【数８】
【００３６】の場合に次式が成り立てば、大きくなる音
波が存在する状態で流体が等温のままであるということ
を示す。
波が存在する状態で流体が等温のままであるということ
を示す。
【００３７】
【数９】
【００３８】したがって、一定の軸方向温度Ｔ0 の液体
またはガスの場合、次式が成立しなければならない。
またはガスの場合、次式が成立しなければならない。
【００３９】
【数１０】
【００４０】周期的関数Ｐ（ｙ）は実際上は重要ではな
く、包絡線だけを考えればよい。したがって、空間平均
を
く、包絡線だけを考えればよい。したがって、空間平均
を
【００４１】
【数１１】
【００４２】のように定義することにより、壁の中の必
要な温度プロフィールは次式で表される。
要な温度プロフィールは次式で表される。
【００４３】
【数１２】
【００４４】この特定の関数は断熱的な冷却効果を相殺
し、流体を本質的に等温にする。これにより、波が＋ｚ
に向かって伝搬するにつれて、波の強度が定めなく大き
くなることができる。粘性加熱効果および熱伝導効果を
含めることにより、必要な熱の追加量が軽減されるだけ
である。これは、Ｚが小さい管の場合はほんのわずかで
ある。
し、流体を本質的に等温にする。これにより、波が＋ｚ
に向かって伝搬するにつれて、波の強度が定めなく大き
くなることができる。粘性加熱効果および熱伝導効果を
含めることにより、必要な熱の追加量が軽減されるだけ
である。これは、Ｚが小さい管の場合はほんのわずかで
ある。
【００４５】必要な追加熱量は流体の密度、ダクトの半
径、および周波数の自乗に比例する。流体の温度が、使
用される流体の関数である音速および熱伝達係数を介し
て方程式に入る。係数＜φ0 ＞rms はマシューの関数か
ら数値的に計算することができ、流体またはダクトの性
質によらない。したがって、区分線形プロフィールと他
の熱追加関数の一方または両方を使用することはできる
が、好ましい構成では距離とともに追加熱量は本質的に
指数関数的となる。これらの変形のすべては本発明の範
囲に含まれる。
径、および周波数の自乗に比例する。流体の温度が、使
用される流体の関数である音速および熱伝達係数を介し
て方程式に入る。係数＜φ0 ＞rms はマシューの関数か
ら数値的に計算することができ、流体またはダクトの性
質によらない。したがって、区分線形プロフィールと他
の熱追加関数の一方または両方を使用することはできる
が、好ましい構成では距離とともに追加熱量は本質的に
指数関数的となる。これらの変形のすべては本発明の範
囲に含まれる。
【００４６】詳しく述べると、たとえば一定ピッチの加
熱コイルを使用する一定の壁温度プロフィール（ｆ
［ｚ］＝１）により、流体の温度は次式のようになる。
熱コイルを使用する一定の壁温度プロフィール（ｆ
［ｚ］＝１）により、流体の温度は次式のようになる。
【００４７】
【数１３】
【００４８】ここで、βは無次元の比Ｎｕ／ＲｅＰｒ、
Ｎｕは実効ヌッセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）数、Ｒｅは実
効レイノルズ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数、Ｐｒは実効プラ
ントル（Ｐｒａｎｄｔｌ）数である。これらの数は次式
で与えられる。
Ｎｕは実効ヌッセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）数、Ｒｅは実
効レイノルズ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数、Ｐｒは実効プラ
ントル（Ｐｒａｎｄｔｌ）数である。これらの数は次式
で与えられる。
【００４９】
【数１４】
【００５０】ここで、ｃp は一定圧力での流体の比熱、
ｋは流体の熱伝導率、ν0 は流体の動粘度、μ0 は第一
種の流体粘度（＝ρ0 ν0 ）、ｃv は一定体積での流体
の比熱、ωは超音波のラジアン周波数、Ｄは熱追加に対
する実効直径である。β＞＞ｓの場合には、流体の温度
は次式のように軸方向の距離とともに変化する。
ｋは流体の熱伝導率、ν0 は流体の動粘度、μ0 は第一
種の流体粘度（＝ρ0 ν0 ）、ｃv は一定体積での流体
の比熱、ωは超音波のラジアン周波数、Ｄは熱追加に対
する実効直径である。β＞＞ｓの場合には、流体の温度
は次式のように軸方向の距離とともに変化する。
【００５１】
【数１５】
【００５２】したがって、βが大きく、Ｂが小さくなる
ようにシステムの熱特性を設計することにより、流体の
温度変化を最小にすることができる。次善ではあるが、
これは多数の実用的な状況では充分である。同様な考慮
は、長方形、だ円形、または他の横断面の導波管にも当
てはまる。物理的原理は選択された構成である円筒形の
導波管の場合と本質的に同じである。更に、実行可能な
ように組み合わせて使用することができる多数の流体と
ダクトがあり、ここに説明するものは排他的なリストを
構成するものではない。これらの変形は本発明の範囲内
に含まれる。
ようにシステムの熱特性を設計することにより、流体の
温度変化を最小にすることができる。次善ではあるが、
これは多数の実用的な状況では充分である。同様な考慮
は、長方形、だ円形、または他の横断面の導波管にも当
てはまる。物理的原理は選択された構成である円筒形の
導波管の場合と本質的に同じである。更に、実行可能な
ように組み合わせて使用することができる多数の流体と
ダクトがあり、ここに説明するものは排他的なリストを
構成するものではない。これらの変形は本発明の範囲内
に含まれる。
【００５３】また、壁に一様に加熱したときいずれかの
方向に伝搬する波に対して増幅が行われ得る。これは、
上記のように特性指数は、実数部が負で、虚数部が正の
解を示すからである。結果として行われる双方向の増幅
は、壁の温度が一定でなければならないという必要条件
によって制限される。これにより結局、両方の伝搬方向
の強度の増大が禁止される。片方向の伝搬の場合、原理
的には正しい壁の温度プロフィールを使用して無制限の
増大が可能である。この場合、一様な壁温度の場合のよ
うに、反射が大幅に増大することはない。
方向に伝搬する波に対して増幅が行われ得る。これは、
上記のように特性指数は、実数部が負で、虚数部が正の
解を示すからである。結果として行われる双方向の増幅
は、壁の温度が一定でなければならないという必要条件
によって制限される。これにより結局、両方の伝搬方向
の強度の増大が禁止される。片方向の伝搬の場合、原理
的には正しい壁の温度プロフィールを使用して無制限の
増大が可能である。この場合、一様な壁温度の場合のよ
うに、反射が大幅に増大することはない。
【００５４】水中の１．５ＭＨｚの周波数の超音波に対
する種々のパラメータの代表的な値は、次の通りであ
る。
する種々のパラメータの代表的な値は、次の通りであ
る。
【００５５】
【数１６】
【００５６】必要なすべての無次元の比は、これらの量
ならびに流体（代表的には水）およびダクト材料（代表
的には鋼鉄）の特性から計算することができる。ダクト
の壁は充分に厚く選定されている（ほぼ２−４ｍｍ）の
で、波の伝搬の目的に対しては本質的に剛性である。
ならびに流体（代表的には水）およびダクト材料（代表
的には鋼鉄）の特性から計算することができる。ダクト
の壁は充分に厚く選定されている（ほぼ２−４ｍｍ）の
で、波の伝搬の目的に対しては本質的に剛性である。
【図１】ａ＝１，ｑ＝０．１，γ＝２，φ［０］＝０，
φ’［０］＝１の場合のマシューの方程式の数値解を示
すグラフである。
φ’［０］＝１の場合のマシューの方程式の数値解を示
すグラフである。
【図２】それぞれνが０以上で１以下、および１以上で
２以下の場合に安定な領域を有する（ａ，ｑ）平面にお
ける特性指数νを示すグラフである。
２以下の場合に安定な領域を有する（ａ，ｑ）平面にお
ける特性指数νを示すグラフである。
【図３】ａ＝１，ｑ＝０．１，γ＝１．７，φ［０］＝
０，φ’［０］＝１の場合のマシューの方程式の数値解
を示すグラフである。
０，φ’［０］＝１の場合のマシューの方程式の数値解
を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例による超音波パラメトリック
増幅器の概略断面図である。
増幅器の概略断面図である。
【図５】本発明の実施例に含まれるダクトの壁の周期的
な表面の一部を示す断面図である。
な表面の一部を示す断面図である。
２ 流体 ４ 金属ダクト ６ 変換器 ８ レンズ ９ 金属ダイアフラム １０ 励起器のピン １２ 出口の窓 １６ ヒータコイル
フロントページの続き (72)発明者 コスロウ・カリム−パナヒ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、パ ロ・アルト、オークヒル・アベニュー、 4166番
Claims (10)
- 【請求項１】 超音波増幅器に於いて、 軸方向に正弦波形状に変化する周期的な内表面を持つ円
筒形の壁手段を有するダクト手段（４）、および上記ダ
クト手段の外部に配置されて、上記壁手段を加熱するた
めの加熱手段（１６）を含むことを特徴とする超音波増
幅器。 - 【請求項２】 上記壁手段が剛性である請求項１記載の
超音波増幅器。 - 【請求項３】 上記壁手段の内表面は、半径が上記軸方
向に平均半径を中心として正弦波形状に変化する軸対称
な内表面である請求項１記載の超音波増幅器。 - 【請求項４】 上記壁手段のまわりにらせん状に巻かれ
た加熱コイルで上記加熱手段が構成されている請求項１
記載の超音波増幅器。 - 【請求項５】 上記加熱コイルが不等ピッチのコイルで
ある請求項４記載の超音波増幅器。 - 【請求項６】 上記加熱手段によって上記ダクト手段の
単位長さ当たりに上記壁手段に追加される熱量が第一の
軸方向に増大する請求項１記載の超音波増幅器。 - 【請求項７】 上記の熱量の増大が指数関数的である請
求項６記載の超音波増幅器。 - 【請求項８】 請求項１記載の超音波増幅器を含む、増
幅された超音波信号を供給するシステムに於いて、上記
ダクト手段の一端に配置されて、電気エネルギーを第一
の所定の波長および第一の所定の振幅を持つ超音波エネ
ルギー波に変換する変換手段（６，８，９，１０）、お
よび上記ダクト手段の内側の空間を充たす流体媒質
（２）をそなえ、上記周期的な内表面の上記正弦波形状
の波長が第二の所定の波長であり、上記第二の所定の波
長に対する上記第一の所定の波長の比が２にほぼ等し
く、上記流体と上記正弦波形状の内表面との相互作用に
よって上記第一の所定の波長および第二の所定の振幅を
持つ超音波エネルギーの波が発生し、上記第二の所定の
振幅が上記第一の所定の振幅より大きいことを特徴とす
るシステム。 - 【請求項９】 上記壁手段の内表面は、半径が上記軸方
向に平均半径を中心として正弦波形状に変化する軸対称
な内表面であり、上記第二の所定の波長に対する上記第
一の所定の波長の比が２（１−ｑ）に等しく、ここでｑ
は上記平均半径からの変化の最大高さを上記平均半径で
割ったものに等しい請求項８記載のシステム。 - 【請求項１０】 超音波エネルギーを透過させるための
出口窓手段（１２）が上記ダクト手段の他端に配置され
ており、上記出口窓手段、変換手段およびダクト手段が
上記流体媒質で充たされた流体の漏れない体積を形成し
ている請求項８記載のシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US966474 | 1992-10-26 | ||
| US07/966,474 US5435186A (en) | 1992-10-26 | 1992-10-26 | Ultrasonic parametric amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06229989A true JPH06229989A (ja) | 1994-08-19 |
Family
ID=25511461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5265322A Withdrawn JPH06229989A (ja) | 1992-10-26 | 1993-10-25 | 超音波増幅器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5435186A (ja) |
| EP (1) | EP0595572A3 (ja) |
| JP (1) | JPH06229989A (ja) |
| TW (1) | TW241338B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005125274A1 (ja) * | 2004-06-17 | 2005-12-29 | Alps Electric Co., Ltd. | 音波増幅器 |
| CN120068318A (zh) * | 2025-04-29 | 2025-05-30 | 融通航空发动机科技有限公司 | 一种过渡段流道壁型线参数化设计方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9918495B2 (en) | 2014-02-28 | 2018-03-20 | Rai Strategic Holdings, Inc. | Atomizer for an aerosol delivery device and related input, aerosol production assembly, cartridge, and method |
| US9277770B2 (en) | 2013-03-14 | 2016-03-08 | R. J. Reynolds Tobacco Company | Atomizer for an aerosol delivery device formed from a continuously extending wire and related input, cartridge, and method |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3145312A (en) * | 1959-04-13 | 1964-08-18 | Libbey Owens Ford Glass Co | High frequency sonic transducers |
| US3233183A (en) * | 1962-09-06 | 1966-02-01 | Calvin F Quate | Parametric amplifier using an acoustical wave to passively couple two electromagnetic waves having different velocities of propagation |
| US3568080A (en) * | 1969-07-23 | 1971-03-02 | Ronald R Troutman | Self-transducing ultrasonic amplifier |
| US3634774A (en) * | 1970-07-15 | 1972-01-11 | Us Air Force | Acoustic surface wave parametric amplifier |
| US3873858A (en) * | 1972-05-23 | 1975-03-25 | Massachusetts Inst Technology | Acoustic surface wave phase shifter |
| US4025876A (en) * | 1975-09-12 | 1977-05-24 | Nasa | Distributed feedback acoustic surface wave oscillator |
| US4543533A (en) * | 1982-09-01 | 1985-09-24 | Clarion Co., Ltd. | Parametric amplifier |
| US4662215A (en) * | 1984-08-20 | 1987-05-05 | Aluminum Company Of America | Apparatus and method for ultrasonic detection of inclusions in a molten body |
| EP0309713A3 (de) * | 1987-09-29 | 1989-12-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Verstärkender Oberflächenwellen-Empfänger |
| EP0309714A3 (de) * | 1987-09-29 | 1990-08-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Frequenzverdoppelnder, verstärkender Oberflächenwellen-Empfänger |
| JPH02281185A (ja) * | 1989-04-21 | 1990-11-16 | Yasuyuki Sugano | 常温核融合超音波促進法 |
-
1992
- 1992-10-26 US US07/966,474 patent/US5435186A/en not_active Expired - Fee Related
-
1993
- 1993-05-11 TW TW082103677A patent/TW241338B/zh active
- 1993-10-25 JP JP5265322A patent/JPH06229989A/ja not_active Withdrawn
- 1993-10-25 EP EP93308472A patent/EP0595572A3/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005125274A1 (ja) * | 2004-06-17 | 2005-12-29 | Alps Electric Co., Ltd. | 音波増幅器 |
| CN120068318A (zh) * | 2025-04-29 | 2025-05-30 | 融通航空发动机科技有限公司 | 一种过渡段流道壁型线参数化设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0595572A3 (en) | 1995-07-12 |
| US5435186A (en) | 1995-07-25 |
| EP0595572A2 (en) | 1994-05-04 |
| TW241338B (ja) | 1995-02-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
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