JPH0692904B2

JPH0692904B2 - 体積計

Info

Publication number: JPH0692904B2
Application number: JP18673186A
Authority: JP
Inventors: 泰石井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1986-08-11
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPS6344127A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ヘルムホルツ共鳴子の共振周波数変化を利用
した音響式の体積計に係る。

果実など不定形物体の体積を正確に知るには、通常、物
体を水中に沈めたときに排除される水の体積を測ること
が行われるが、この方法は、浮力に抗して物体を水中に
沈める手段とするなど、多数の物体の自動検査などには
不適である。また人体の肥満度を計測するために、被検
者を水中に頭まで沈めて体積を測り、その値と空中での
体重とから比重を算出することが行われるが、この方法
はきわめてはん雑な手続きを必要とし、集団検診などに
は使えない。さらにまた、複雑な形状をした容器の容積
を測るにも水が使用されるが、この方法も容器が大きい
場合には容易ではない。

本発明は、従来のような水を使用する方法ではなく、音
響現象を利用し乾燥状態のままで物体の体積や容器の容
積を測定するものである。すなわち本発明は、容器に音
響管を接続して構成したヘルムホルツ共鳴子の共振周波
数が、容器の容積とその中に入れた物体の体積との差に
応じて変化することを利用するものであるが、特に、上
記のヘルムホルツ共鳴子にもう一つの補助的な音響共振
器を付加するか、あるいは上記のヘルムホルツ共鳴子の
音響管を補助音響共振器として利用し、この補助共振器
の共振周波数と前記のヘルムホルツ共鳴子の共振周波数
との比をとることにより、温度変化などの影響を補償し
て精密な体積測定を可能ならしめるものである。

したがって、本発明の第一の目的は、音の共振を利用し
て乾燥状態のままで果実や人体などの不定形物体の体積
や複雑な形状の容器の容積を簡便に測定する手段を提供
することである。測定される物体は固体に限らず、たと
えば複雑な形状のタンクに蓄えられている液体の体積も
本発明により測定されうる。

本発明の第二の目的は、上記の音響的方法により体積測
定を行うに際し、温度変化等によって生ずる共振周波数
の変化の影響を、同じく音響的方法を利用することによ
り補償して、正確な測定を可能ならしめる手段を提供す
ることである。

第１図において１は物体７を入れた容器で、その上に副
室８を有する蓋２がのせられている。副室８には内部断
面積Ｓ、長さｌの音響管３がつけられている。５は駆動
用音源であって、容器１が小容積の場合はイアホンなど
が用いられ、短い管９を通して容器１の内部を音響的に
駆動するが、１が大容積の場合にはスピーカなどが用い
られ、これを容器１もしくは蓋２に直接とりつけて駆動
する。６は容器１の内部の音を検出するマイクロホンで
あって、内部断面積Ｓ′、長さｌ′の音響管４によって
副室８に接続されている。

いま副室８および音響管４の容積Ｓ′ｌ′を含めて容器
１の全容積をV₀とし、物体７の体積をＶとすると、容器
１の内部の残余の空間の体積（V₀−Ｖ）による音響コン
プライアンスＣはＣ＝（V₀−Ｖ）／γP₀ （１）である。ここでγは容器１内部の気体、通常は空気、の
定圧定容比熱比、P₀は気圧である。また音響管３の内部
の気体の質量による音響イナータンスＬはＬ＝ρl/S （２）である。ここでρは音響管３内部の気体、通常は空気、
の密度である。上記二つの音響要素は一つの音響共振器
を構成するが、これはいわゆるヘルムホルツ共鳴子であ
って、その共振周波数ｒはである。ここでｃは音速であり、である。（３）式で示されるように、ｒは体積の差
（V₀−Ｖ）の関数であり、もしV₀が既知であれば共振周
波数ｒよりその容器の中に入れた物体の体積Ｖが知れ
る。また容積未知の空の容器があった場合には、Ｖ＝０
であるから、その容器の口に第１図のように音響管、音
源、マイクロホン等を接続した蓋もしくは栓をつけるこ
とによりその容積V₀が知れる。しかしながら実際には温
度変化などにより音速ｃが変化しｒが変化するから、
それに対する補償手段が必要となる。

第１図の装置においては、容器１と音響管３からなるヘ
ルムホルツ共鳴子のほかに、音響管４が補助的な音響共
振器として作用する。その共振周波数は一端閉止の音響
管のそれであってｒ′＝c/4l′ （５）およびその奇数倍の周波数であり、（３）式で与えられ
るヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｒと同様に、音速
ｃに比例して変化する。したがってこれら補助共振器の
共振周波数のいずれも前記の補償に利用することができ
るが、いま最低次の共振周波数ｒ′を用いることに
し、音源５への入力電圧ｅ_ｓ（ｔ）（ｔは時間を表わ
す）からマイクロホン６の出力電圧ｅ_ｍ（ｔ）までの周
波数特性をＧ（）（は周波数を表わす）とすると、
振幅特性|G（）｜は第２図（ａ）に示すようにｒと
ｒ′の二つの周波数においてそれぞれ共振ピークを示
す。そしてこれら二つの共振周波数のうち、ｒが体積
差（V₀−Ｖ）に応じて変化し、また温度変化などにより
音速が変った場合には、ｒ、ｒ′とも同じ割合で変
化する。本発明ではこれら二つの共振器を利用して、
ｒ、ｒ′なる二つの周波数で発振する多重発振器を構
成する。

なお実際のｒ、ｒ′は（３）式および（５）式で与
えられる値より若干小さくなるが、これは主として音響
管３および４の開口部周辺の気体の付加質量の影響であ
り、そのためこれらの音響管の長さが実効的に実際の長
さより若干長くなることによる。第１図の装置において
副室８を設け、これらの音響管をこの副室に接続するよ
うにしたのは、物体７が音響管の開口部に近付いてその
音響管の実効長が変化することを防ぐためである。しか
しながら、この副室は本発明において本質的に必要とい
うわけではない。

第３図は、前記の多重発振器を構成するためにマイクロ
ホン６と音源５の間に接続する電子回路である。マイク
ロホン６の出力ｅ_ｍ（ｔ）は増幅器10によって増幅され
るが、ここで低域フィルタ11および高域フィルタ11′に
よって二つの成分に分離される。これら二つのフィルタ
のカットオフ周波数_ｃは、第２図（ａ）に示したよう
にｒとｒ′の中間に設定されており、ヘルムホルツ
共鳴子の共振に係る周波数ｒの成分は11を通って信号
ｅ_ｃ（ｔ）となり、補助共振器の音響管４の共振に係る
周波数ｒ′の成分は11′を通って信号ｅ_ｃ′（ｔ）と
なる。12は位相検出器であり、電圧制御発振器13ととも
に一つのフェーズロックループ（PLL）を構成してい
る。すなわち12は信号ｅ_ｃ（ｔ）と13の出力e₀（ｔ）と
の位相差に比例した直流出力Ｅ_ｄを発生し、これによっ
てe₀（ｔ）がｅ_ｃ（ｔ）に対して一定の位相差になるよ
うに13の発振周波数を制御する。同様に位相検出器12′
と電圧制御発振器13′も一つのPLL回路を構成し、13′
の出力e₀′（ｔ）がｅ_ｃ′（ｔ）に対して一定の位相差
になるように13′の発振周波数が制御される。二つの出
力e₀（ｔ）とe₀′（ｔ）は加算器16によって加え合わさ
れ増幅器15により増幅されて、音源５への入力電圧ｅ_ｓ
（ｔ）となる。ここで12、13および12′、13′を適当に
調整すると、第２図（ｂ）の位相特性∠Ｇ（）の曲線
上のＡ点およびＡ′点に位相をロックして、それぞれ
ｒおよびｒ′の共振周波数において持続的に発振させ
ることができる。

14は信号処理装置で、上記の発振状態においてe₀′
（ｔ）とe₀（ｔ）の周波数の比ｒ′／ｒを測定し、
それに引き続く必要な演算等を行う。周波数比測定の具
体的手段には既知の種々の方法があるが、たとえばe₀′
（ｔ）をＮ倍（Ｎは正整数）に周波数てい倍してＮ
ｒ′なる周波数のパルスを作り、このパルスをクロック
として計数回路を用いてe₀（ｔ）の周期1/ｒを計数測
定するＮｒ′／ｒがえられる。いま容器１と音響管
４は同一の温度環境にあるものとすると、（３）式およ
び（５）式に含まれている音速ｃの値は同じであるか
ら、これらの式からとなる。したがって V₀−Ｖ＝ｋ（ｒ′／ｒ）^２（７）となって周波数比ｒ′／ｒより体積差（V₀−Ｖ）が
求められる。ここでｋは定数でｋ＝（2l′／π）^２（S/l）（８）であるが、実際にはこのｋの値は、既知の体積を用いた
校正により実験的に定められる。

なお、上記とは逆に、e₀（ｔ）の周波数ｒをてい倍
し、これをクロックパルスとしてeo′（ｔ）の周期1/
ｒ′を計数測定して周波数比r/ｒ′をえて、その逆
数を（７）式に代入して（V₀−Ｖ）を求めるようにして
もよい。なおまた実際には、理論から導かれた（７）式
のような簡単な式では精度が不十分で、ｒ′／ｒか
ら（V₀−Ｖ）を求めるのに、１個もしくは数個のｋ
_ｎ（ｒ′／ｒ）^ｎ（ｋ_ｎ、ｎは定数）なる形の項か
らなるｒ′／ｒの多項式で求める場合もある。ある
いは（V₀−Ｖ）とｒ′／ｒとの関係を数式で表わす
のではなく、校正によってえられた（V₀−Ｖ）とｒ′
／ｒもしくはr/ｒ′との関係を表の形式で信号処
理装置内に記憶し、ｒ′／ｒもしくはr/ｒ′の
測定値がえられるたびにこの表を引いて（V₀−Ｖ）を求
めるようにする場合もある。いずれにせよ重要なこと
は、周波数比をとることにより音速ｃが互に相殺され
て、その変化が最終結果に影響しないということであ
る。

以上の説明においては、PLL回路を用いて発振器を構成
するようにしたが、これは単なる一手段であって、共振
系を含む発振器を構成するにはこのほかにも既知の種々
の手段がある。たとえば第３図において、12,12′を移
相回路に、13,13′を増幅器におきかえ、それらの出力
から12,12′にいたるフィードバック結線はとりさるよ
うにしても発振器を構成することができる。また発振波
形も完全な正弦波である必要はなく、たとえば第３図の
装置において、13および13′の出力として、それぞれ周
波数ｒおよびｒ′の三角波を発生するようにしても
差支えない。

以上においては、発振はｒとｒ′なる周波数におい
て同時になされ、したがって容器１の内部にはこれら二
つの周波数の音が共に存在するものとした。しかしなが
らｒとｒ′の値が接近している場合には、フィルタ
によってこれら二つの周波数成分を分離してそれぞれの
発振回路に導くことが困難になる。このような場合に
は、ｒとｒ′での発振を時間的に交互に行わせる。
すなわち第３図における加算器16を切換スイッチにおき
かえ、周波数ｒの信号e₀（ｔ）と周波数ｒ′の信号
e₀′（ｔ）を交互に切換えて増幅器15へ導き音源５から
放射する。この場合には一方の周波数の発振が行われて
いる間は、他方の周波数の発振は停止しているから、そ
れらの周波数の比を前例のように直接に計数測定するこ
とはできない。したがってこの場合には、たとえば第４
図に示すように、水晶発振器20から出力される一定周波
数のクロックパルスを、信号e₀（ｔ）およびe₀′（ｔ）
によって制御されるゲート21および21′を通して計数回
路22および22′で計数することにより、e₀（ｔ）の周期
1/ｒとe₀′（ｔ）の周期1/ｒ′をそれぞれ独立に測
定する。これらの計数動作は、上記の発振の切換に同期
して交互に行われる。ただしこれらの計数動作の開始
は、発振が切換えられるごとに新しい発振が成長し定常
状態となるまで待たねばならず、特にｒが可聴周波数
以下の低周波の場合には、長い待機時間が必要となる。

このようにして計数測定された1/ｒ、1/ｒ′の値は
計数回路22および22′に保持されているので、この段階
で両者の比を演算しそれを（７）式に入れて（V₀−Ｖ）
を求めることもできるが、第４図の装置においては、2
2′に保持されている1/ｒ′の値は、さらに演算回路2
3に送られ、そのときの温度Ｔが算出される。すなわち
容器１内部の気体が空気の場合には、音速ｃ（m/s）と
絶対温度Ｔ（Ｋ）の間には近似的になる関係があるから、これと（５）式よりＴ＝（ｌ′ｒ′）²/25 （10）としてＴが算出される。一方演算回路24においては、
（３）式と（９）式からえられる関係式 V₀−Ｖ＝（10/π）^２（S/l）T/r² （11）により、計数回路22に保持されている1/ｒの値と演算
回路23によって（10）式により算出されたＴの値より体
積差（V₀−Ｖ）が求められる。温度変化に対するこのよ
うな補償方法では、周波数比ｒ′／ｒに直接対応す
る信号はどこにも現われないが、（10）式を（11）式に
代入すると（７）式に帰着することから明らかなよう
に、周波数比によって体積差を求めるという本発明の本
質的な点においては、なんら変るものではない。

第５図は第１図の装置とは逆に、マイクロホン６が接続
される管４の長さを短くし、かわりに音源５が接続され
る管９の長さを長くするようにした実施例である。すな
わちこの場合の補助共振器は、内部断面積Ｓ″、長さ
ｌ″の音響管９であり、したがってこのときの補助共振
器の共振周波数はｒ′＝c/4l″ （12）およびその奇数倍で与えられる。また振幅特性|G（）
｜は第２図（ａ）に示すようになり、第１図の場合と全
く同様にして、周波数比ｒ′／ｒより体積差（V₀−
Ｖ）が求められる。

第６図は補助共振器として、主たるヘルムホルツ共鳴子
とは別に、小さなヘルムホルツ共鳴子を使用した実施例
である。すなわち小容積V₁の容器31と内部断面積がS₁で
長さがl₁の音響管30からなるヘルムホルツ共鳴子が副室
８に接続され、音源５は容器31に接続されており、この
補助ヘルムホルツ共鳴子を介して容器１、蓋２、副室８
および音響管３からなる主たるヘルムホルツ共鳴子を駆
動する。またマイクロホン６も容器31に接続されてい
る。上記の補助共振器の共振周波数はV₁ががV₀にくらべ
て十分に小であればとなり、振幅特性|G（）｜は、この場合も第２図
（ａ）に示すようになる。したがってマイクロホン６と
音源５の間に第３図の回路を接続すれば、前二例と同様
にｒとｒ′の二つの周波数において発振し、周波数
比ｒ′／ｒより体積差（V₀−Ｖ）が求められる。

第７図は液体の体積を測定する実施例である。容積V₀の
容器１の中には測定される物体７として液体が体積Ｖだ
け入れられている。容器１には栓40がはめられており、
音響管３が栓40を貫通してとり付けられている。栓40に
は音源５が接続された短いＬ字管41も貫通しており、音
源５はこのＬ字管を通して容器１の内部を駆動する。こ
の実施例の場合、ヘルムホルツ共鳴子に接続される補助
音響共振器はなく、またマイクロホン６は音響管３の途
中に接続されている。これはつぎに説明するように、ヘ
ルムホルツ共鳴子の構成要素である音響管３を補助音響
共振器として兼用するためである。

上述のように、音響管３を補助共振器とみなした場合、
その共振周波数は、音響管３自体は長さｌの両端開放の
管であるからｒ′＝c/2l （14）およびその整数倍となる。音響管３と容器１とからなる
ヘルムホルツ共鳴子の共振周波数ｒは（３）式で与え
られるが、ここでｒの変化の原因は、温度変化や液体
の蒸気の混入などにより音響管３内部の気体密度ρが変
化し、（２）式で表わされる音響イナータンスＬが変化
するためである。すなわち（３）式中の音速ｃは、厳密
にいえば、音響管３内部の音速とみなすべきものであ
る。前に説明した三つの実施例は、ヘルムホルツ共鳴子
に別途に用意した補助音響共振器を接続する方式である
ので、音響管３と補助共振器の温度が不均一の場合やそ
れらの内部の気体の組成が異なる場合などには完全な補
償はなしえない。その点、本実施例では、（14）式の音
速ｃは音響管３内部の音速であるので、より完全な補償
が可能である。この点は前三例にはみられない本実施例
に特有の効果である。

第７図の装置において、音源５への入力電圧ｅ_ｓ（ｔ）
からマイクロホン６の出力電圧ｅ_ｍ（ｔ）までの振幅特
性|G（）｜は第２図（ａ）に示すようになり、マイク
ロホン６と音源５の間に、第３図に示すような電子回路
を接続することにより、ｒとｒ′の二つの共振周波
数において同時に発振する。これら二つの発振周波数の
比より体積差（V₀−Ｖ）を求め、それより液体の体積Ｖ
を求めることは前と同様である。また１が容積未知の空
の容器である場合、その口に第７図に示したような音響
管等をつけた栓40をはめることにより、その容積V₀が求
められることはいうまでもない。

本実施例で利用した音響管３の共振は、第１図、第５図
あるいは第６図に示した装置においても潜在的には存在
している。しかしその共振の強さはきわめて小さく、そ
のままでは利用し難い。第７図のように、音響管３の途
中にマイクロホン６を接続するなどの工夫によって、始
めてこの音響管自身の共振をヘルムホルツ共鳴子の共振
と同程度の強さで検出することができ、その利用が可能
となるものである。

以上を要するに、本発明の基本的思想は、容器に音響管
を接続してヘルムホルツ共鳴子を構成し、その共振周波
数によって容器の容積やその中に入れた物体の体積を測
定する場合において、補助的な音響共振器をヘルムホル
ツ共鳴子につけ加えるか、あるいはヘルムホルツ共鳴子
の音響管自体を補助共振器として用い、この補助共振器
の共振周波数が、温度などが変化した際に、主たるヘル
ムホルツ共鳴子の共振周波数と同じ割合で変化すること
を利用して温度変化等の影響を補償することである。そ
の結果として、不定形の物体や容器の体積の音響的手法
による測定が始めて実用的に可能となったものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例、第２図は音響系の周波数特
性、第３図は本発明の電子回路部分の一例、第４図は信
号処理装置の一例、第５図は本発明の第二の実施例、第
６図は本発明の第三の実施例、第７図はヘルムホルツ共
鳴子の音響管を補助共振器に兼用する場合の一実施例で
ある。１……容器、２……蓋、３……音響管、４……マイクロ
ホンを接続する管、５……音源、６……音検出器のマイ
クロホン、７……物体、８……副室、９……音源を接続
する管、10……増幅器、11、11′……フィルタ、12、1
2′……位相検出器、13、13′……電圧制御発振器、14
……信号処理装置、15……増幅器、16……加算器、20…
…水晶発振器、21、21′……ゲート、22、22′……計数
回路、23、24……演算回路、30……音響管、31……小容
器、40……栓、41……短いＬ字管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器に音響管を接続してヘルムホルツ共鳴
子を構成し、上記ヘルムホルツ共鳴子にこれを駆動する
音源と音検出器のマイクロホンとを接続し、上記マイク
ロホンと上記音源との間に電子回路を接続して発振を生
ぜしめるようになし、上記ヘルムホルツ共鳴子にさらに
補助音響共振器を接続するか、あるいは上記ヘルムホル
ツ共鳴子の音響管を上記補助音響共振器として兼用し、
上記補助音響共振器の共振周波数の一つと上記ヘルムホ
ルツ共鳴子の共振周波数とにおいて発振せしめ、これら
二つの発振周波数の比によって上記容器の容積もしくは
上記容器に入れた物体の体積を求めることを特徴とする
体積計。