JPH11230731A - 音響式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体の変位による音響負荷のインピーダンス
変化を音の位相変化として検知する音響式変位計で、音
の振幅の変動を抑えて音の位相検知を安定化し、位相か
ら求められる変位の測定精度を向上させる。 【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スピーカと、前室に結合されて
いて物体の変位により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、マイ
クロホン出力の増幅器と、増幅器の出力の大きさがほぼ
一定となるように増幅器自身のゲインを制御する手段
と、増幅器出力の間の位相差によって物体の変位を求め
る手段とからなっている。 【効果】 物体の種類によって種々の音響負荷を用いる
場合に、音圧の振幅が大きすぎて増幅器が飽和したり、
あるいは振幅が小さすぎて音の位相検知ができなくなる
という不都合が防止される。また、経年変化によるマイ
クロホン感度の低下の影響も除去される。

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位相変化を利用した音
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非接触で測定
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変化として検出し
てすき間の距離を知るものである。本発明者は特願平7-
56836 （特開平8-226809、以下これを前願発明と称す
る）で、内部が前室と背室に分けられていて、それらに
差動的に交番的体積変化を与えるスピーカを有する音源
容器と、この前室に結合され被測定物体の変位によって
変化する音響負荷と、前室と背室の内部音圧を検出する
マイクロホンとからなる系において、これらのマイクロ
ホンの出力の間の位相差を用いることにより、音源のス
ピーカなどの特性変化に影響されることなく、精度よく
被測定物体の変位を測定できる音響式変位計を提示し
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前願発明の音響式変位
計においては、音源容器の前室に結合される音響負荷は
被測定物体の形態に対応して種々のものが使用され、こ
れに応じて前室内の音圧の大きさも変化するが、その
際、マイクロホン信号の増幅器の動作が飽和したり、あ
るいは増幅器の出力の振幅が極端に小さくなったりして
上記の位相差の測定精度が損なわれないように増幅器の
ゲインを調整する必要がある。また、音源のスピーカを
一定振幅の信号で駆動していても、スピーカのコーンの
振動の振幅は結合される音響負荷の大小によって変化
し、したがって背室の内部の音圧も音響負荷によって変
化するので同様の調整が必要となる場合がある。さら
に、マイクロホンとしてエレクトレット型のものを使用
すると、経年変化によって数年の内に感度が当初の１／
２以下に低下することもあり、そのためマイクロホン信
号の増幅器のゲインを設定し直さなくてはならないとい
う事態も生ずる。

【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と
いう点は前願発明と同じであるが、前室と背室の内部の
音圧を検出するマイクロホンの出力信号を可変ゲインの
増幅器で増幅するようなっている点が前願とは異なる。
そして、上記増幅器の出力等を整流してえられる直流信
号を用いて増幅器ゲインを変えて増幅器の出力信号の振
幅がほぼ一定となるように自動的に制御している。

【０００５】

【発明の作用と効果】このようにすると、音響負荷の変
化やマイクロホンの経年変化などが生じても、増幅器出
力の振幅はほぼ一定に保たれるので、それら出力信号の
間の位相差の測定に不都合を生じない。このような振幅
制御を行なっても、増幅器出力信号の間の位相差から求
められる被測定物体の変位の測定値にはほとんど影響し
ない。

【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スピーカのコーン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。１３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。

【０００８】

【数１】

【０００９】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

【００１０】

【数２】

【００１１】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。

【００１２】４と４’はそれぞれ前室と背室の内部の音
圧検出器のマイクロホンで、それらの出力信号は気密端
子１７を経て可変ゲイン増幅器５および５’に入力さ
れ、そこで増幅されて音圧信号ｅおよびｅ’となる。こ
れらの信号は整流器１８および１８’によって整流され
てそれぞれの振幅に比例した大きさの直流信号となり、
５および５’のゲインを制御する。一方、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、整流器１８、１８’の入
力として、増幅器５、５’の出力の代わりに、フィルタ
６、６’の出力を用いてもよいが、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にしても
よいが、その場合には、６、６’、７、８は不要とな
る。

【００１３】図２は可変ゲイン増幅器５および整流器１
８の構成の一例である。マイクロホン４の出力信号はコ
ンデンサ５９および抵抗５８からなる交流結合回路を通
して演算増幅器５１の非反転入力端子に至る。増幅器５
１の増幅ゲインはフィードバック抵抗５２と電界効果ト
ランジスタ５７の等価抵抗の比によって決まるが、５７
のゲートの負のバイアス電圧−Ｅ_B が変わると５７の等
価抵抗が変化し上記の増幅ゲインが変わる。増幅器５１
の出力の音圧信号ｅはダイオード５３、抵抗５４、５
５、平滑コンデンサ５６からなる整流回路によってその
振幅に比例した大きさの直流信号となり、これが上記の
バイアス電圧−Ｅ_B として５７に与えられる。信号ｅの
振幅が大きくなると電圧Ｅ_B が大きくなりバイアスが深
くなって５７の等価抵抗が大きくなり増幅ゲインは小さ
くなる。ｅの振幅が小さくなったときは逆にバイアスが
浅くなり増幅ゲインは大きくなる。このようにして変位
計の音響負荷などが変化した場合にも、音圧信号ｅの振
幅はほぼ一定に保たれる。マイクロホン４’についても
同様で、音圧信号ｅ’の振幅をほぼ一定に保つ必要があ
る場合には、図２と同じ回路が可変ゲイン増幅器５’お
よび整流器１８’として用いられる。増幅器出力の大き
さをほぼ一定に保つように増幅器のゲインを制御する手
段としては、以上に説明した例のほかにも、既知の種々
の方法が適用できる。

【００１４】以上に説明した装置において、ギャップ距
離ｄを０からだんだん大きくしていくと、信号ｅの信号
ｅ’に対する位相が進み、ｄが無限大の状態になるまで
に約１８０度位相が変化する。これにともなって位相計
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’の信号ｅに対す
る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。

【００１５】図４（ａ）は、図１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
ンスを音響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。

【００１６】

【数３】

【００１７】図４（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。

【００１８】図４（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。

【００１９】

【数４】

【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の増幅器と整流器の構成の一例である。

【図３】図１の位相計の直流出力信号Ｅ₀ とギャップ距
離ｄの関係である。

【図４】本発明の音響負荷の種々の形態を示すものであ
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 スピーカのコーン １６、１７ 気密端子 １８、１８’ 整流器 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 ５１ 演算増幅器 ５２ フィードバック抵抗 ５３ ダイオード ５４、５５、５８ 抵抗 ５６ 平滑コンデンサ ５７ 電界効果トランジスタ ５９ コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部が前室と背室に分けられている音源
   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、前室に音響的に結合されていて被測定物体の変
   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、上記の音圧検出器の出力信号を増幅する増幅器と、
   上記の増幅された出力信号の一方または両方の大きさが
   ほぼ一定となるように上記の増幅器のゲインを制御する
   手段と、上記の増幅された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。