JPH08226809A

JPH08226809A - 音響式変位計

Info

Publication number: JPH08226809A
Application number: JP5683695A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 泰石井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1995-02-22
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】音響インピーダンスが被測定物体の変位によ
って変化することを利用した音響式変位計で、音源のス
ピーカの特性の変化の影響を受けないような装置を提供
する。また空気の粘性や密度の変化に対する補償方法を
提供する。【構成】本発明の変位計の一形態は、内部が前室と背
室に分けられた音源容器と、前室と背室に差動的に交番
的体積変化を与える音源のスピーカと、前室に接続され
かつ被測定物体の変位によって変化する音響負荷と、前
室と背室のそれぞれの内部音圧を検出するマイクロホン
と、上記マイクロホンの出力の間の位相差によって被測
定物体の変位を求める手段とからなっている。【効果】音源のスピーカの入力がそのコーンの振動に
変換されるときの伝達特性は、上記の測定系の外部に置
かれるので、温度等によるスピーカ特性の変化の影響は
受けない。また、背室に補償用音響負荷を接続すること
により、空気の粘性や密度の変化による前室内部の音圧
の位相変化を補償することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音源によって駆動され
る音響負荷のインピーダンスを被測定物体の変位によっ
て変化させたときに生ずる音圧の変化を利用した音響式
の変位計にかかわる。

【０００２】

【従来の技術】被測定物体の微小な変位を測定する方法
の一つとして音響式変位計がある。これはスピーカなど
の音源で駆動される測定音響系の先端の測定孔に向い合
わせて被測定物体を置いたとき、測定孔と物体表面との
間の距離の変化によって生ずるすき間の音響インピーダ
ンス変化を、音響系内の音圧の大きさの変化として検出
してすき間の距離を知るものである。また、音圧の大き
さではなく、音圧の位相変化を検出してすき間の距離を
求める方式の音響式変位計もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の音響式変
位計においては、音源のスピーカへの入力の振幅を一定
に保ちつつ音響系内の音圧の大きさを検出する。また、
音圧の位相変化を検出する方式では、基準となる信号は
音源のスピーカへの入力であって、その入力信号に対し
て音響系内の音圧の位相がどれだけ変化したかにより、
被測定物体との間のすき間の距離が測定される。しかし
ながら、スピーカへの入力信号がスピーカコーンの振動
に変換される間の伝達特性には、スピーカコイルの電気
抵抗やスピーカコーンの弾性の強さなどが含まれている
ので、温度などによって変化する。したがってスピーカ
への入力の振幅を一定に保ったり、あるいはスピーカへ
の入力を位相基準とする従来方式では、温度等による誤
差を免れ得ない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の変位計は、音源
容器の内部の前室と背室との間に音源のスピーカを設
け、その振動コーンの表裏で前室と背室に差動的に交番
的体積変化を与えて音圧を発生するようになっている。
被測定物体の変位によって音響インピーダンスが変化す
る音響負荷は前室に接続され、また前室と背室のそれぞ
れに音圧検出器のマイクロホンが接続されていて内部音
圧を検出するようになっている。

【０００５】

【発明の作用と効果】被測定物体が変位すると前室内部
の音圧の振幅および位相が変化するが、その振幅変化は
前室と背室に接続されたマイクロホンの出力信号の大き
さの比として検知される。また位相変化はこれらのマイ
クロホン出力信号の間の位相差として検知される。この
ようにすると、音源のスピーカの伝達特性は計測系の外
部に置かれることになるので、前述したスピーカ特性の
温度等による変化の影響を免れ得る。そればかりではな
く、本発明の変位計では、前室に接続された音響負荷と
相似の補償用音響負荷を背室に接続することが可能で、
これによって粘性など、空気の物理的性質の変化に起因
する測定誤差が補償されるという効果も生ずる。

【０００６】

【第１実施例】図１において、１は音源容器で、その内
部は隔壁９によって前室１１と背室１２に分けられてい
る。隔壁９には音源のスピーカ１０がつけられており、
発振器３から気密端子１６を通して供給される交流電流
ｉによって駆動されると振動板のコーン１５が振動し、
前室と背室に差動的に交番的体積変化が与えられる。１
３は連通管、１４は毛細管で、いずれも背室１２の中の
静圧を外部の大気圧と平衡させるためのものであるが、
これはどちらか一つあれば十分であり、またこれらがな
くても、装置を組み立てたときのすき間を通して１２内
部の静圧は大気圧になるから、これらの管は必須のもの
ではない。なお、音源容器が小さい場合には、スピーカ
１０はイアホンなどによって代えられる。

【０００７】前室１１には内径２ａの管２１がつけられ
ており、その先端が測定孔２０で、被測定物体２の表面
とｄなる距離を隔てて相対している。測定孔２０の周囲
には外径２ｂのフランジ２２がつけられており、このフ
ランジと被測定物体の表面が形成する厚さｄの同心円形
のギャップが音響負荷であって、その音響インピーダン
スＺ_l は近似的につぎのように表わされる。

【数１】

【０００８】ここでηは空気の粘性係数、ρは空気の密
度、ωは音の角周波数であり、また

【数２】

【０００９】である。式（１）から明らかなように、物
体２が変位してギャップ距離ｄが変わると、音響インピ
ーダンスＺ_l は鋭敏に変化する。なお、被測定物体２は
固体に限らず液体でもよく、たとえば測定孔１２を下に
向けて液面の微小変位を測定するようなことも可能であ
る。

【００１０】４と４’はそれぞれ前室と背室の内部の音
圧検出器のエレクトレットマイクロホンで、それらの出
力は気密端子１７を経て増幅器５および５’に入力さ
れ、そこで増幅されてマイクロホン出力信号ｅおよび
ｅ’となる。ｅおよびｅ’はそれぞれフィルタ６および
６’によって測定に無関係な周波数成分が除去されたの
ち位相計７に至り、ここでこれら二つの信号の位相差を
表わす直流出力信号Ｅ₀ に変換される。Ｅ₀ は、被測定
量ｄの値を目盛ったメータ８へ入力され表示される。な
おフィルタ６、６’は外来雑音の影響などを軽減させる
ために挿入されたもので、必ずしも必要なものではな
い。また、アナログディジタル変換器を介して信号ｅ、
ｅ’を計算機に取り込んで、それらの間の位相差を計算
表示させるような場合には、６、６’、７、８は不要と
なる。

【００１１】図２の（ａ）は図１の装置の等価回路を示
すものである。Ｃは前室１１の音響コンプライアンス
で、１１内部の容積をＶとすると

【数３】

【００１２】で表わされる。ここでγは空気の比熱比
（＝1.4 ）、Ｐ₀ は大気圧である。同様に、Ｃ’は背室
１２の音響コンプライアンスで、１２の容積をＶ’とす
ると

【数４】

【００１３】で表わされる。Ｌは管２１内部の空気の慣
性による音響イナータンスで、２１の内部断面積をＳ、
２１の長さをｈとすると

【数５】

【００１４】で表わされる。音源のスピーカ１０は体積
速度源ｕで表わされる。Ｚ_S はスピーカの出力インピー
ダンスを表わすが、連通管１３の音響インピーダンスも
Ｚ_S の中に含まれる。音響負荷のインピーダンスＺ_l は
ＬとＣからなる回路を介して上記の体積速度源により駆
動されるが、そのときの前室と背室の音圧は、マイクロ
ホン４を表わすＭおよびマイクロホン４’を表わすＭ’
によってそれぞれ検出される。

【００１５】ギャップ距離ｄが小さく、したがってＺ_l
が大きい場合には、１１内部の空気はほとんど動かない
から、イナータンスＬの効果は無視できて、図２（ａ）
の回路は（ｂ）のように近似される。そしてｄ＝０でＺ
_l が無限大の場合にはＣとＣ’に絶対値が等しく符号が
反対の体積速度が与えられるから、ＭとＭ’で検出され
る音圧は-180°の位相差となる。

【００１６】ギャップ距離ｄが大きく、したがってＺ_l
が小さい場合には、空気は測定孔２０から容易に出入り
するから、イナータンスＬの効果のみが卓越し、図２
（ａ）の回路は（ｃ）のように近似される。そしてｄが
無限大でＺ_l ＝０の場合には、インピーダンスｊωＬと
インピーダンス１／ｊωＣ’に絶対値が等しく符号が反
対の体積速度が与えられるから、ＭとＭ’で検出される
音圧は同相となる。

【００１７】結局、ギャップ距離ｄが０から大きくなっ
ていくと、等価回路は図２（ｂ）の状態から（ａ）を経
て（ｃ）の状態に移行し、それにともなってＭの出力信
号ｅの位相はＭ’の出力信号ｅ’に対して連続的に変化
し、位相計７の直流出力Ｅ₀ は図３の実線のように右上
りに変化する。この特性により、Ｅ₀ から被測定量ｄを
知ることができる。なお位相計７において、信号ｅを基
準としてｅ’の位相を測定するようにすれば、図３の点
線のような右下がりの特性が得られる。またＥ₀とｄの
特性は、半径比ｂ／ａや測定角周波数ωによって、いろ
いろに変えることができる。

【００１８】このようにすると、前室１１と背室１２に
は、スピーカの振動コーン１５の表裏によって、常に絶
対値が等しく符号が反対の体積変化が与えられることに
なる。連通管１３があっても、それに流入する空気の体
積とそれから流出する空気の体積は等しいから、上記の
事実にはなんら変わりはない。そして、その結果生じた
二つの室の音圧の位相を比較するのであるから、温度変
化等の影響を受けやすいスピーカ１０の特性は無関係と
なる。なお、一般にマイクロホンでは、感度の周波数特
性が平坦な周波数範囲では、音の位相とマイクロホン出
力信号の位相差は０で、この位相特性は温度変化等の影
響をほとんど受けない。

【００１９】

【第２実施例】図４は、図１の装置における電子回路の
部分に替える回路で、本発明の他の実施例を説明するも
のである。マイクロホン出力信号ｅとｅ’はそれぞれフ
ィルタ６と６’により測定に無関係な周波数成分が除去
されたのち整流器１８と１８’に入力され、ここでｅと
ｅ’の大きさを表わす振幅に比例した直流信号ＥとＥ’
に変換される。除算器１９においてはＥ／Ｅ’なる比が
計算され、その結果は直流出力信号Ｅ₀ となって表示メ
ータ８へ送られるが、ギャップ距離ｄが小さいときには
Ｅは大きく、ｄが大きいときにはＥは小さくなるから、
Ｅ₀ とｄの関係は図３の点線のようになり、この関係に
よりＥ₀ からｄを知ることができる。このようにする
と、スピーカ１０の特性変化はｄの測定と無関係にな
る。また、マイクロホン４と４’の温度等による感度変
化は互いに相殺される。なお、除算器１９でＥ’／Ｅな
る計算を行なうようにすると、Ｅ₀ とｄの関係は図３の
実線のようになる。また、信号ｅとｅ’をアナログディ
ジタル変換器によって計算機に取り込んで、上述のフィ
ルタリング、整流、除算を計算機内部で処理してギャッ
プ距離ｄを表示させるようにすることもできる。

【００２０】

【第３実施例】図５の装置は、背室１２の中の音圧の大
きさを一定に保つようにした実施例である。１２の中の
マイクロホン４’の出力は増幅器５’で増幅されてマイ
クロホン出力信号ｅ’となる。ｅ’はフィルタ６’およ
び整流器１８’を通ってその振幅に比例した大きさの直
流信号Ｅ’に変換され、Ｅ’は発振器３の出力の大きさ
を調節するが、この制御ループによって背室１２の中の
音圧の大きさが一定に保たれる。一方、前室１１の中の
マイクロホン４の出力は増幅器５で増幅されてマイクロ
ホン出力信号ｅとなる。ｅはフィルタ６および整流器１
８を通ってその振幅に比例した大きさの直流信号Ｅに変
換され表示メータ８によって表示されるが、ギャップ距
離ｄと上記のＥの関係は図６の点線のようになり、Ｅか
らｄを知ることができる。このような方式は振幅比Ｅ／
Ｅ’においてＥ’を一定値に固定することであり、Ｅ／
Ｅ’を演算してギャップ距離ｄを求めるときと同じ効果
を除算器を使わずに得ることができる。なお、整流器１
８の直流出力でＥで発振器３の出力を調節して前室１１
の中の音圧の大きさを一定に保ち、整流器１８’の直流
出力Ｅ’を表示メータ８で表示するようにしてもギャッ
プ距離ｄを求めることができるが、このときのｄとＥ’
の関係は図６の実線のようになる。

【００２１】以上においては、説明の都合上、音源から
発生する音は正弦波であるとしたが、実用上これは三角
波や矩形波などでもよく、特に第２および第３実施例よ
うに、音圧の大きさの変化を利用する方式では、上記の
信号に加えて、不規則な波形の雑音信号を用いることも
できる。すなわち発振器３を不規則信号発生器に替えて
音源から雑音を発生するようにしてもよい。このとき、
正弦波の場合の振幅に相当する、マイクロホン出力信号
の大きさを表わす量は、整流器１８および１８’によっ
て得られる不規則信号波形の絶対値の時間平均である。

【００２２】図７（ａ）は、図１または図５の装置にお
いて、管２１の先端に直径Ｄのロッド２３を差し込むよ
うにし、２１の内側と２３の外周との間のギャップの音
響インピーダンスを負荷として利用するものである。こ
の場合、被測定量はロッド２３の横方向の変位で、それ
に応じて差し込み深さｓが変化して音響インピーダンス
が変化する。すなわち、管２１とロッド２３の間のギャ
ップの厚さをｄとすると、この場合のギャップの音響イ
ンピーダンスＺ_l はつぎのようになり、Ｚ_l はｓに比例
して変化する。

【数６】

【００２３】図７（ｂ）は、管２１の先端にテーパ管２
４をとりつけ、この中に先端を同じテーパ面に仕上げた
テーパロッド２５を差し込むものである。この場合も被
測定量はロッド２５の横方向の変位であって、この変位
に応じて２４と２５の間のギャップの厚さｄが変化し
て、そのギャップの音響インピーダンスが変化する。こ
の方式の利点は、テーパ角度によって変位計としての感
度を種々に調整し得ることである。

【００２４】図７（ｃ）は、管２１の先端にゴムなどで
作られた弾力のあるチューブ２８をはめ、その先端を台
２６とプッシュロッド２７で挟んで押しつぶすようにし
たものである。この場合の被測定量はプッシュロッド２
７の上下方向の変位で、その変位に応じてチューブ２８
の狭窄部の厚さｄが変化し、その部分の音響インピーダ
ンスが変化する。その値Ｚ_l は、狭窄部の幅をＷ、長さ
をｓとするとつぎのように表わされる。

【数７】

【００２５】

【第４実施例】図８は、前室に接続された音響負荷と相
似のインピーダンスを有する補償用音響負荷を背室に接
続することにより、空気の粘性や密度の変化の影響を補
償するようにした実施例である。図８において３１は背
室１２に設けられた通気孔で、その中にアーム３０で支
持された直径Ｄ’の補償用ロッド３３が差し込まれるよ
うになっている。その差し込み深さｓ’はロッド３３を
上下に動かしてネジ３２で固定することにより設定され
る。前室１１には管２１を介して被測定物体２の変位に
応じて変化する音響負荷が接続される。前室１１および
背室１２の中にはマイクロホン４および４’があり、そ
れらの出力はそれぞれ増幅器５および５’によって増幅
されてマイクロホン出力信号ｅおよびｅ’となり、これ
らの信号を処理してギャップ距離ｄを求めることは図１
または図４または図５の実施例と同じである。

【００２６】ここで、図１の装置のように、信号ｅと
ｅ’の位相差からｄを求める方式を例にとって説明す
る。位相計７の直流出力Ｅ₀ とギャップ距離ｄの関係
は、もし通気孔３１とロッド３３からなる補償用音響負
荷がなければ、図９の実線のようになり、温度が上昇し
て空気の粘性係数ηが大きくなると、式（１）で示され
る音響負荷インピーダンスが変化し、前室１１内部の音
圧の位相が遅れ、Ｅ₀ とｄの関係は図９の点線のように
シフトする。その結果、当初ｄ＝ｄ₁ なるギャップ距離
に対してＥ₁ なる大きさの出力を生じていたものがＥ₁'
なる大きさに変化し、変位計としての誤差を生ずる。

【００２７】背室１２に補償用音響負荷が接続されてい
ると、温度が上昇して粘性係数ηが大きくなったとき、
この補償用音響負荷インピーダンスも、前記の負荷音響
インピーダンスと同様に変化する。補償用音響負荷は通
気孔３１とロッド３３で形成される長さｓ’、厚さｄ’
の円筒状のギャップで、その音響インピーダンスＺ_C は
式（６）と同様で、つぎのように表わされる。

【数８】

【００２８】一方、音響負荷インピーダンスは外径２
ｂ、内径２ａ、厚さｄの同心円形のギャップで、その音
響インピーダンスは式（１）で表わされる。すなわち、
これら二つの音響負荷は、形状は互いに異なるが、その
インピーダンスは相似であり、粘性係数ηが変化したと
きに音響インピーダンスが変化する割合は同一である。
したがって、ロッド３３の差し込み深さｓ’やギャップ
の厚さｄ’を適当に設定することにより、粘性係数ηの
変化による前室１１内部の音圧の位相変化と背室１２内
部の音圧の位相変化を同じにして、これら二つの音圧の
位相差を表わす直流出力Ｅ₀ がほとんど変化しないよう
にすることができる。

【００２９】以上に説明した補償方法は、空気密度ρの
変化に対しても有効である。また図４あるいは図５に示
した音圧の大きさを用いる方式に対しても同様に有効で
ある。すなわち、粘性や密度の変化により前室１１内部
の音圧の大きさが変化すると、補償用音響負荷が接続さ
れた背室１２内部の音圧の大きさも同じ割合だけ変化す
るので、両者の大きさの比は不変である。なお補償用音
響負荷として、図７（ｃ）に示したような扁平なギャッ
プも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の変位計である。

【図２】図１の音響系の等価回路である。

【図３】図１または図４の装置の直流出力Ｅ₀ とギャッ
プ距離ｄの関係である。

【図４】本発明の第２実施例の電子回路部分である。

【図５】本発明の第３実施例の変位計である。

【図６】図５の装置の直流出力ＥまたはＥ’とギャップ
距離ｄの関係である。

【図７】本発明の音響負荷の種々の形態を示すものであ
る。

【図８】本発明の第４実施例で背室に補償用音響負荷を
接続した変位計である。

【図９】空気の粘性等の変化による変位計の誤差を示す
ものである。

【符号の説明】

１音源容器２被測定物体３発振器４、４’ 音圧検出器のマイクロホン５、５’ 増幅器６、６’ フィルタ７位相計８表示メータ９隔壁１０音源のスピーカ１１前室１２背室１３連通管１４毛細管１５振動板のコーン１６、１７気密端子１８、１８’ 整流器１９除算器２０測定孔２１管２２フランジ２３ロッド２４テーパ管２５テーパロッド２６台２７プッシュロッド２８チューブ３０アーム３１通気孔３２ネジ３３補償用ロッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が前室と背室に分けられた音源容器
と、前室と背室に差動的に交番的体積変化を与える音源
と、前室に接続されかつ被測定物体の変位によって音響
インピーダンスが変化する音響負荷と、前室と背室のそ
れぞれの内部音圧を検出する音圧検出器と、上記音圧検
出器の出力信号の間の位相差によって被測定物体の変位
を求める手段とからなる音響式変位計。
【請求項２】内部が前室と背室に分けられた音源容器
と、前室と背室に差動的に交番的体積変化を与える音源
と、前室に接続されかつ被測定物体の変位によって音響
インピーダンスが変化する音響負荷と、前室と背室のそ
れぞれの内部音圧を検出する音圧検出器と、上記音圧検
出器の出力信号の大きさの比によって被測定物体の変位
を求める手段とからなる音響式変位計。
【請求項３】内部が前室と背室に分けられた音源容器
と、前室と背室に差動的に交番的体積変化を与える音源
と、前室に接続されかつ被測定物体の変位によって音響
インピーダンスが変化する音響負荷と、前室と背室のそ
れぞれの内部音圧を検出する音圧検出器と、上記音圧検
出器の出力信号のいずれか一方の大きさが一定となるよ
うに音源を制御する手段と、他方の音圧検出器の出力信
号の大きさにより被測定物体の変位を求める手段とから
なる音響式変位計。
【請求項４】前室に接続された音響負荷の音響インピ
ーダンスと相似の音響インピーダンスを有する補償用音
響負荷を背室に接続した請求項１または請求項２または
請求項３記載の音響式変位計。