音響式測定装置及び音響式測定方法
【課題】精度よく特性を合わせたマイクロホンを用いることなく被測定対象の体積、表面積、リークなどの測定を行うことができる音響式測定装置及び音響式物理量方法を提供すること。
【解決手段】基準容器１０内を駆動手段３０により音響的に駆動すると共に被測定対象Ｍを収納した被測定容器２０内を駆動手段４０により音響的に駆動して、基準容器１０内の圧力と被測定容器２０内の圧力との間の差圧ゼロになるように駆動手段３０及び駆動手段４０をそれぞれ駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２を制御する。そして、このときの基準容器１０と被測定容器２０の音響インピーダンスの比又はそれに対応する値に基づいて、被測定対象Ｍの体積、表面積、リークなどを測定する。
【解決手段】基準容器１０内を駆動手段３０により音響的に駆動すると共に被測定対象Ｍを収納した被測定容器２０内を駆動手段４０により音響的に駆動して、基準容器１０内の圧力と被測定容器２０内の圧力との間の差圧ゼロになるように駆動手段３０及び駆動手段４０をそれぞれ駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２を制御する。そして、このときの基準容器１０と被測定容器２０の音響インピーダンスの比又はそれに対応する値に基づいて、被測定対象Ｍの体積、表面積、リークなどを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響インピーダンスを利用して被測定対象を測定する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
従来から音響インピーダンスを利用して被測定対象の表面積、体積、リーク、変位、速度などの物理量の測定値を測定する方法及び装置が提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、容器の音響インピーダンスが容器の内表面積によって変化する現象を利用して被測定対象の表面積を測定する音響式表面積測定装置が提案されている。この音響式表面積測定装置は、基準容器と被測定容器とに交番的体積変化を差動的に与えるスピーカーと、基準容器及び被測定容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する複数のマイクロホンと、これらのマイクロホンから出力される信号間の位相差を測定する信号処理部とを備えており、被測定容器に被測定対象を入れたときの位相差により被測定対象の表面積を算出するものである。
【０００４】
また、下記特許文献２には、容器の音響インピーダンスが容器容積によって変化する現象を利用して、被測定対象の容積ないしは体積を測定する音響式体積測定装置が提案されている。この音響式体積測定装置は、基準容器と被測定容器とに交番的体積変化を差動的に与えるスピーカーと、基準容器及び被測定容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する複数のマイクロホンと、これらのマイクロホンから出力される信号レベルの比（圧力変化の大きさ）を測定する信号処理部とを備えており、被測定容器に標準物を入れたときの圧力変化の大きさの比と、被測定容器に被測定対象を入れたときの圧力変化の大きさの比とから、標準物と被測定対象との体積差を求めるものである。
【０００５】
また、下記特許文献３には、容器の音響インピーダンスが容器のリークによって変化することを利用して被測定対象のリークを測定する音響式リーク測定装置が提案されている。この音響式リーク測定装置は、リークを測定すべき被測定容器に音響的に結合される基準容器と、被測定容器内の空気と基準容器内の空気とを差動的に駆動するスピーカーと、被測定容器と基準容器のそれぞれの内部の音圧を検出するマイクロホンとを備えており、マイクロホンの出力信号をとり込んでこれらの信号の間の位相差により被測定容器のリークを測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０５５１号公報
【特許文献２】特開平１０−０３８６５８号公報
【特許文献３】特開平１１−２１１６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の音響式測定装置及び方法では、被測定容器と基準容器のそれぞれの内部の音圧を検出するために２つのマイクロホンを用いる必要がある。これら２つのマイクロホンの特性の相違があると誤差が生じてしまうことになることから、精度よく特性を合わせたマイクロホンが必要となる。
【０００８】
しかし、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンは、その選別などのコストがかかってしまうことから、結果的に、コスト的な問題が生じてしまうことになっていた。また、特別に選別したペアのマイクロホンを使用しても、温度特性などを完全に揃えることは困難であり、従って、温度によって測定精度が変化してしまうことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基準容器と、被測定対象をその一部の構成とする被測定容器と、前記基準容器内及び前記被測定容器内をそれぞれ音響的に駆動する複数の駆動手段と、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧を検出する差圧センサと、前記複数の駆動手段段をそれぞれ駆動する複数の駆動信号のうち少なくとも一つの駆動信号を前記差圧センサで検出する差圧がゼロになるように制御し、このときの前記駆動信号の状態に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする音響式測定装置とした。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記駆動信号は、正弦波信号であり、前記信号処理部は、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、複素数で表される前記音響インピーダンス比又はその等価値を判定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の音響式測定装置において、前記信号処理部は、前記駆動信号として、複数の周波数の正弦波信号を用いて、前記音響インピーダンスの周波数特性を検出し、前記音響インピーダンス又はその等価値に加え、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定対象の測定値を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の音響式測定装置において、前記信号処理部は、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定容器の形状誤差を補正することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、基準容器を用いて被測定容器の少なくとも一部を構成する被測定対象を測定する音響式測定方法であって、前記基準容器内を音響的に駆動する駆動手段と前記被測定容器内を音響的に駆動する駆動手段のうち少なくとも一つの駆動手段を駆動する駆動信号を制御して、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧をゼロにするステップと、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンを用いる必要が無く、コスト的に安価な音響式測定装置及び音響式測定方法を提供することができる。しかも、駆動手段（アクチュエータ）は、温度に対する特性変化を抑えることが容易であり、ペアのマイクロホンを使用する場合に比べ、温度特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】音響インピーダンスの第一次形状効果を複素平面上で説明した図である。
【図２】第二次形状効果とその周波数特性を説明した図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる誤差補正の原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる誤差補正の原理を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図である。
【図７】第１具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図８】第２具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図９】第３具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図１０】第４具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．音響式測定装置及び方法の概要
２．音響式測定装置及び方法の第１具体例
３．音響式測定装置及び方法の第２具体例
４．音響式測定装置及び方法の第３具体例
５．音響式測定装置及び方法の第４具体例
【００１７】
［１．音響式測定装置及び方法の概要］
［１．１．音響式測定の基本原理］
まず、本実施形態における音響式測定の基本原理を図面を参照して説明する。
【００１８】
ある容器の音響インピーダンスＺaは、その容器の壁面での熱伝導がなければ「容量性」であり、次式を用いて表わすことができる。なお、この音響インピーダンスＺaは、容器内の圧力変動Ｐと体積速度Ｕ（容器に加えられた容積変動の時間微分）との複素比である。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、γは気体の比熱比（空気：約１．４）、Ｐ０は閉空間の平均圧力（大気圧）、ｊは虚数単位、ωは音源の角周波数（以下、「音源角周波数」という。）、Ｖは容器の容積（容器内の体積）をそれぞれ表す。複素平面上で音響インピーダンスを表現すれば、容器の音響インピーダンスＺaは、偏角が−９０度で、絶対値が容器の容積に反比例するベクトルとなる。
【００２１】
上述のように断熱的な容器の音響インピーダンスＺaは容量性であることから、その電気等価回路は、その静電容量がＶ／γＰ０で表されるコンデンサとなる。従って、このように音響インピーダンスＺaの絶対値ないしは虚数部が容器の容積に反比例することを利用することにより、音響インピーダンスＺaから、容器の容積を知ることができる。容積既知の容器内に物体を置いた場合にも、既知容積から物体の体積を差し引いた「余積」が音響インピーダンスの測定から分かるので、容器内に置いた物体体積を知ることができる。これが、音響式体積測定の基本原理である。
【００２２】
しかし、現実の容器は、完全には断熱的でなく、壁面において若干の熱伝導が起こる。この影響を考慮に入れると、容器の音響インピーダンスＺiは以下の式（２）に示すように表すことができる（「鳥越一平、石井泰、「音を利用した表面積測定」、計測自動制御学会論文、34巻、3号、pp.182-188、1998年」参照）。
【００２３】
【数２】
なお、ε、δｔは、以下の式（３），（４）に示すように表される。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、εは容器の壁面における熱伝導の影響の大きさを表す無次元のパラメータ、Ｓは容器の内表面積、δｔは温度境界層の厚さ、κは空気の熱伝導率、ρは空気の密度、ｃpは定圧比熱である。
【００２６】
現実の容器のインピーダンスＺiは、上記式（２）〜式（４）から分かるように、熱伝導の影響によって、実数部及び虚数部に影響を及ぼすことになり、その影響の程度は容器内表面積Ｓに比例している。この現象を利用して、測定した音響インピーダンスから表面積を知るのが、音響式表面積測定の基本原理である。
【００２７】
容器にリークがある場合、等価回路で考えると、インピーダンスＺiに並列接続されたリークインピーダンスＺlが現れることになる。リークを、半径がa、長さがlの円断面パイプで等価表現すると、そのインピーダンスＺlは、空気の粘性係数をμとして以下の式（５）に示すように表すことができる。
【００２８】
【数４】
なお、δは、以下の式（６）に示すように表される。
【００２９】
【数５】
ここで、Ｊnは第一種ベッセル関数、δは振動流の境界層の厚さをそれぞれ表す。
【００３０】
リークが小さく等価半径aが小さいときは、式（５）は抵抗性となり、リークインピーダンスの虚数部がゼロに近づくとともに、実数部Ｒは下記式（７）に示す値に近づく。なお、実際のリークの断面形状は円ではなく、軸も真っ直ぐではないが、リークの断面積が小さくなるにつれてリーク内の流れのレイノルズ数が小さくなり、インピーダンスが抵抗性に近づくという傾向は、リーク形状に無関係に共通する。
【００３１】
【数６】
【００３２】
式（７）のリークインピーダンスが並列接続されている場合、容器の音響インピーダンスは、リークが無いときより実数部が大きくなり、インピーダンスベクトルは、偏角が増大する（０度に近づく）方向に回転する。このような音響インピーダンスの変化を利用してリークを検知しようとするのが、音響式リークテスターの基本原理である。
【００３３】
次に、音響インピーダンスの周波数特性について考える。容器の音響インピーダンスＺiは、式（２）から明らかなように、その絶対値が周波数に反比例している。以下においては、容器の音響インピーダンスＺiにおける熱伝導の影響が周波数変化に伴ってどのように変化するかの把握を容易にするために、断熱容器の音響インピーダンスＺaの絶対値で容器の音響インピーダンスＺiを除したＺi／|Ｚa |という量を考える（この量を容器の「規格化音響インピーダンス」と呼びＺnと書く）。
【００３４】
【数７】
【００３５】
温度境界層の厚さδｔは、音源角周波数ωの関数である。例えば、常温大気圧の下では、音源周波数ω／２πが４０Ｈｚのとき温度境界層の厚さδｔは約０．４ｍｍである。この値は、通常、容器の寸法より遙かに小さいからことから、εは１よりも十分に小さい量と見なすことができる。このとき、規格化音響インピーダンスＺnは、次式（９）で近似することができる。
【００３６】
【数８】
【００３７】
これを複素平面上のベクトルで表すと図１のようになる。熱伝導の影響がない断熱容器の規格化音響インピーダンスＺnは−jに等しいが、壁面の熱伝導の影響がある現実の容器の規格化音響インピーダンスＺnは、図１に示したように、−jから、実数部、虚数部ともにεだけ大きくなっている。このように規格化音響インピーダンスＺnが−jから外れる現象が、複素音響インピーダンス平面上で表現した第一次の形状効果（以下、「第一次形状効果」という。）である。
【００３８】
第一次形状効果しか存在しない場合には、音響インピーダンスＺiの値を検出して、実数部の大きさ、あるいは偏角等からεの値を知れば、容器の内表面積を計算することができる（ただし、音響インピーダンス測定系に位相回転が存在する場合には、その位相回転を考慮した上で実数部や虚数部を考える必要がある。）。また、εの値に基づいて虚数部の大きさに補正を加えることで、表面積誤差を補正して、正しい容積・体積を知ることができる。体積測定における表面積誤差補正を複素インピーダンス平面上で考えれば、測定された音響インピーダンスＺiに対応する点を通り、傾きが１の直線が、虚軸と交わる座標から、断熱容器の音響インピーダンスを推定することができる。特開２００２−１３１１１１号公報や特開２００６−２８４４７３号公報に記載の補正法も、数学的にはこれと等価な処理を行っている。
【００３９】
ところで、温度境界層の厚さδｔの値は、式（４）からわかる通り、音源角周波数ωの平方根に反比例している。音源角周波数ωが増大すると、温度境界層の厚さδｔの値が小さくなり、εの値も小さくなる。第二次の形状効果（以下、「第二次形状効果」という。）が無い場合には、規格化音響インピーダンＺnのベクトルは、音源角周波数ωを増大させたとき、４５度の角度で−jに漸近する軌跡を描くことになる。しかし、実際には第二次形状効果が存在するため、規格化音響インピーダンＺnの軌跡は傾き１の直線から外れる。これは、第二次形状効果が、一般に、音響インピーダンスＺiの実数部と虚数部に異なる割合で現れるためである。規格化音響インピーダンＺnの軌跡は、容器の形状に応じて異なる。例えば、球形容器の場合の軌跡は図２に示したものとなる。第二次形状効果が存在し、規格化音響インピーダンＺnのベクトルが傾き１の直線から外れている状況では、一つの音源角周波数ωで測定した音響インピーダンスＺiから、例えば、上述の表面積誤差補正をしようとすれば、当然、誤差が生じる。
【００４０】
表面積誤差補正の観点から注目すべきことは、一般に、第二次形状効果の大きさ自体が、温度境界層の厚さδｔの減少とともに小さくなることである。上述の通り、第二次形状効果は、温度境界層部分の体積と容器全体の容積の比が、容器壁面の形状の影響によって、Ｓδｔ／Ｖから外れることで生じると解釈できる。その外れの程度は、温度境界層の厚さδｔの値がゼロに近づく極限で、やはりゼロに近づく筈である。図２においては、球形容器の規格化音響インピーダンＺnの軌跡が、音源角周波数ωが小さい領域では直線から大きく外れているのに、音源角周波数ωが大きくなるにつれて傾き１の直線に漸近し、さらに−jに近づいていることが分かる。この性質を数式で表現すれば、以下のようになる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
上記式（１０）中のαおよびβは、容器の形状によって決まる係数であり、第二次形状効果とは、これらの係数の値が１から外れることに他ならない。そして、上述のように、αとβは、音源角周波数ωが大きくなる極限では１に漸近する。
【００４３】
以上の性質を利用して、二つ以上の音源角周波数ωで音響インピーダンスＺiを検出し、音響インピーダンスＺiが音源角周波数ωの増大と共にどういう値に漸近するか、あるいは複素平面上でどのような軌跡を描くかということを推定することで、第二次形状効果が無い場合の音響インピーダンスを求めることが可能になる。これによって、表面積測定における第二次形状効果誤差の補正、体積・容積測定の表面積誤差補正における第二次形状効果の除去が可能になる。また、形状効果とリークインピーダンスの周波数依存性の違いを利用して、形状効果を除いたリーク検出が可能となる。
【００４４】
なお、ここまで音響インピーダンスを用いて説明を行ってきたが、音響インピーダンスと等価な量を用いて、同様の誤差補正ができることは言うまでもない。例えば、音響インピーダンスの逆数である音響アドミッタンス領域でも、全く等価な処理を行うことができる。音響アドミッタンス領域では、規格化音響アドミッタンスＹn =１／Ｚnの軌跡は、jを通り傾き１の直線となる。（９）式が近似式であることから分かるとおり、音響インピーダンス領域では、第二次形状効果が無い場合でも、規格化音響インピーダンスＺnの軌跡が傾き１の直線となるのはεが微小と見なせる範囲においてである。これに対して、規格化音響アドミッタンスＹnの軌跡は、εの大きさに関わらず傾き１の直線となるので、アドミッタンス領域で補正処理を行う方がシンプルなアルゴリズムとなる場合もある。
【００４５】
［１．２．音響式測定装置及び測定方法］
本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置及び音響式測定方法の概要について、図面を参照して説明する。図３及び図５は本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図、図４は本発明の一実施形態にかかる表面積の測定方法を説明するための図である。
【００４６】
図３に示すように、本実施形態にかかる音響式測定装置１は、基準容器１０と、被測定容器２０と、基準容器１０内の体積変化を交番的に生じさせることで、基準容器１０内を音響的に駆動する駆動手段３０と、被測定対象Ｍを収納する被測定容器２０内の体積変化を交番的に生じさせることで、被測定容器２０内を音響的に駆動する駆動手段４０と、基準容器１０内と被測定容器２０内との差圧変動を検出する差圧センサ５０とを備えている。
【００４７】
さらに、駆動手段３０，４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２と差圧センサ５０の出力とに基づいて、基準容器１０と、被測定容器２０との音響インピーダンスの比又はそれに対応する値（等価量）を測定し、被測定対象Ｍの物理量を演算する信号処理部６０を備えている。
【００４８】
ここで、被測定容器２０の音響インピーダンスをＺm、基準容器１０の音響インピーダンスをＺrとしたとき、各音響インピーダンスＺm，Ｚrは以下の式（１２），（１３）を用いて表すことができる。なお、被測定容器２０自体の容積Ｖoから被測定対象Ｍの体積Ｖtを差し引いた残りの体積（余積）を被測定容器２０の体積Ｖmとし、基準容器１０の容積をＶrとする。また、被測定容器２０自体の内表面積Ｓoに被測定対象Ｍの表面積Ｓtを加算した表面積を被測定容器２０の表面積をＳmとし、基準容器１０自体の内表面積をＳrとする。
【００４９】
【数１０】
なお、εm、εr、δｔは、以下の式（１４）〜（１６）に示すように表される。ただし、εrは基準容器１０壁面の熱伝導の影響を表すパラメータ、εmは、被測定対象Ｍ及び被測定容器２０壁面の熱伝導の影響を表すパラメータである。
【数１１】
【００５０】
信号処理部６０は、基準容器１０の駆動手段３０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１と被測定容器２０の駆動手段４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ２とを差圧センサ５０の出力がゼロになるように制御する。これにより基準容器１０内の圧力変動Ｐrと被測定容器２０内の圧力変動Ｐｍとが同じになるように制御する。従って、上記式（１２），（１３）は、下記式（１７）を用いて表すことができる。
【００５１】
【数１２】
【００５２】
上記式（１７）を変形すると、以下の式（１８）が得られる。
【数１３】
【００５３】
Ｕm、Ｕrは、駆動手段３０，４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２から知ることができる。すなわち、Ｕm／Ｕrは、駆動信号Ｓｉｇ１と駆動信号Ｓｉｇ２との振幅比及び位相差から求めることができる。
【００５４】
信号処理部６０は、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の振幅及び位相角からＵm／Ｕrの値を求めた後、そのＵm／Ｕrの値に基づいて被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを求め，被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求める。なお、このＵm／Ｕrは、言い換えれば、被測定容器２０の音響インピーダンスＺrと基準容器１０の音響インピーダンスＺmの比（Ｚr／Ｚm）、又はこの比に対応する値、例えば、基準容器１０の音響アドミッタンスＹmと被測定容器２０の音響アドミッタンスＹrの比（Ｙm／Ｙr）となる。
【００５５】
ここで、Ｕm／Ｕr（＝Ｚr／Ｚm＝Ｙm／Ｙr）から被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを求め、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求めるアルゴリズムの一例を以下に説明するが、このアルゴリズムに限らず他のアルゴリズムによって被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求めてもよい。
【００５６】
上記式（１８）の右辺のεm及びεrは、通常１よりはるかに小さい微小量である。そこで、二次以上の微小項を無視すると、式（１９）のように近似できる。
【００５７】
【数１４】
【００５８】
この比（Ｕm／Ｕr）を複素平面上で表現すると、図４におけるＡ点になる。図４においては、分かりやすいように（εm-εr）を拡大してあるが、通常は、（εm-εr）はかなり小さい量であるため、絶対値又は実数部の大きさからＶm／Ｖrの近似値が求まる。Ｖrは既知（あらかじめキャリブレーションで求めておく）なので、これからＶmが計算できる。
【００５９】
しかし、測定精度を向上させるためには、（εm-εr）を考慮して、Ｖm／Ｖrを求める必要がある。
【００６０】
ここで、被測定容器２０のうち被測定対象Ｍ以外の熱伝導の影響を表すパラメータをεm1とし、被測定容器２０のうち被測定対象Ｍの熱伝導の影響を表すパラメータをεm2とすると、上記式（１９）は、以下のように表すことができる。
【００６１】
【数１５】
【００６２】
被測定対象Ｍを除く被測定容器２０や基準容器１０等に比べて被測定対象Ｍの表面の曲率半径が小さく、第二次形状効果が無視できないとき、上記式（２０）は、以下のように表すことができる。なお、αおよびβは、第二次形状効果を表す係数であり、添え字m2は被測定対象Ｍの表面に関する係数であることを表す。
【００６３】
【数１６】
【００６４】
このときの複素比（Ｕm／Ｕr）は、複素平面上で、点Ａからずれた点Ｂとなる（この例は被測定対象Ｍが球形の場合である）。単純に従来の誤差補正法を適用すると、点Ｂを通り傾き−１の直線が実軸と交わるＣ点の座標をＶm／Ｖrに等しいと推定することになり、誤差が生じる。
【００６５】
そこで、本実施形態では、角周波数ωを変化させながら複素比（Ｕm／Ｕr）を求めて複素平面上にプロットする。そして、その軌跡（図５で点Ｂを通る実線）が、ωが無限大になった極限で実軸と交わる点を推定し、その座標からＶm／Ｖrを推定する。上記式（１１）に示すように、αおよびβは、ωが大きくなる極限で１に収束する。従って、上記軌跡は、点Ａを通り傾き−１の直線に漸近する曲線となり、正しいＶm／Ｖrの値を推定することができる。
【００６６】
このとき、信号処理部６０では、あらかじめキャリブレーションを行って、αr、αm1、βrおよびβm1の効果を測定しておき、信号処理の際にその補正を施すようにしている。すなわち、あらかじめキャリブレーションを行って、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、αr、αm1、βrおよびβm1の効果を測定しておき、その後、被測定対象Ｍを配置して、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、各音源角周波数ωでの規格化音響インピーダンスＺnを求める。そして、規格化音響インピーダンスＺnに、傾き１で虚軸と交わるという拘束を入れて曲線フィッティングする。そして、この曲線の虚軸との交点座標を求めて、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求める。このように、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求めることで、被測定対象Ｍを含む被測定容器２０の第二次形状効果の誤差補正ができ、かかる誤差補正により体積・容積測定において第二次形状効果の除去が可能になる。
【００６７】
このように信号処理部６０は、αr、αm1、βrおよびβm1を予めキャリブレーションで求めておき、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求め、第二次形状効果の誤差補正を行って被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを算出している。
【００６８】
被測定対象Ｍを収納していない被測定容器２０自体の容積Ｖo及び内表面積Ｓoは既知であることから、信号処理部６０は、演算して被測定容器２０の体積Ｖmを被測定容器２０自体の容積Ｖoから減算して被測定対象Ｍの体積Ｖtを求め、演算して被測定容器２０の表面積Ｓmを被測定容器２０自体の内表面積Ｓoに加算して被測定対象Ｍの表面積Ｓtを求めるようにしている。なお、Ｕm／Ｕrの比とＶm、Ｓmを関係づける計算式を用いることなく、Ｕm／Ｕrの比とＶt、Ｓtを関係づける計算式を用いるようにしてもよい。これにより、加算減算の処理負担を低減することができる。
【００６９】
また、被測定対象Ｍのリークを測定する場合、リークの大きさが非常に小さいときには、その音響インピーダンスＺm(ω)はほとんど純抵抗で近似でき、上記式（１２），（１３）は、以下のように表すことができる。
【００７０】
【数１７】
【００７１】
音圧ＰrとＰmが等しい場合、上記式（１２），（１３）及び（２３）から以下の式（２４）の関係式を導くことができる。
【００７２】
【数１８】
【００７３】
従って、被測定対象を用いて被測定容器を形成、すなわち被測定対象を被測定容器自体としたとき、この被測定容器の体積Ｖm（＝被測定容器自体の容積Ｖo）及び表面積Ｓm（＝被測定容器自体の内表面積Ｓo）が既知の被測定容器のリークを測定する場合、Ｕm／Ｕrの比からリークの大きさを導くことができる。
【００７４】
このとき、図５に示すように、音響式測定装置１’は、例えば、一側面が開口２１した被測定容器２０’のリークを測定するように構成できる。
【００７５】
音響式測定装置１’の信号処理部６０’では、上記式を直接用いるのではなく、リークの無い第１のキャリブレーション用被測定容器と、既知のリークを持つ第２のキャリブレーション用被測定容器を用いてキャリブレーションを行い、Ｕm／Ｕrの比とリークの大きさを関係づける計算式を決定する。
【００７６】
その後、信号処理部６０’は、基準容器１０’の駆動手段３０と被測定容器２０’の駆動手段４０とを駆動する駆動信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’を差圧センサ５０の出力がゼロになるように出力制御し、駆動信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の振幅及び位相角からＵm／Ｕrの値を求めた後、決定した計算式に基づき、被測定容器２０’のリークの大きさを演算している。
【００７７】
このように、本実施形態では、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンを用いる必要が無く、コスト的に安価な音響式測定装置及び音響式測定方法を提供することができる。しかも、駆動手段（アクチュエータ）は、温度に対する特性変化を抑えることが容易であり、ペアのマイクロホンを使用する場合に比べ、温度特性を向上させることができる。なお、駆動手段（アクチュエータ）を精密に動作させるには、駆動手段に変位センサや速度センサを取り付けてフィードバック制御することで容易に実現することができ、変位センサや速度のセンサも温度特性変化がほとんど無いものを選択可能である。
【００７８】
上述では、音響式表面積測定、音響式体積測定、音響式リーク測定の例について説明したが、本音響測定装置及び方法はこれに限られず、音響式変位測定（マイクロメータ）や音響式流速測定など、音響インピーダンスの測定に帰着する全ての測定装置及び測定法に適用可能である。
【００７９】
また、上述においては、駆動手段３０，４０は共に、駆動信号により振幅と位相が制御できるものとして説明したがこれに限られない。例えば、駆動手段３０，４０のうち一方の駆動手段を振幅や位相が変化しない固定駆動機構（例えば、モータとカムで構成したメカニカルなもの）とし、他方の駆動手段を駆動信号で振幅と位相を制御して、差圧をゼロとすることができる構成を用いてもよい。
【００８０】
また、駆動手段３０，４０を制御する駆動信号は、単一正弦波信号を用いるようしているが、複数の周波数の正弦波信号を組み合わせて複合正弦波信号で駆動したり、周波数が時間的にスイープされる信号（チャープ信号など）で駆動したりするようにしてもよい。また、不規則な信号で駆動するようにしてもよい。ただし、この場合には、一方の駆動手段は不規則な信号で駆動し、他方の駆動手段は、その不規則な信号をフィルタに通した信号で駆動することになる。このとき、音響インピーダンス比の情報は、フィルタの特性に含まれることになる。
【００８１】
［２．音響式測定装置及び方法の第１具体例］
以下、本発明の具現形態を実施例に基づいて説明する。図６は、第１具体例の音響式測定装置１００の構成を示す。この音響式測定装置１００は、被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtとを測定可能な装置である。
【００８２】
図６に示すように、音響式測定装置１００は、筐体部１０１と制御部１０２とを備えて構成される。
【００８３】
筐体部１０１は、２つの凹部１０５ａ，１０５ｂを形成した下筐体１０３と上筐体１０４とを備えており、下筐体１０３に上筐体１０４を取付けることにより、凹部１０５ａ，１０５ｂが閉塞されてそれぞれを音響的に閉じた空間である基準容器１１０と被測定容器１２０とが形成される。すなわち、下筐体１０３に形成された凹部１０５ａ，１０５ｂと上筐体１０４の底面１０６ａ，１０６ｂとにより基準容器１１０及び被測定容器１２０が形成される。
【００８４】
被測定対象Ｍは、被測定容器１２０に収納されて、その体積Ｖt及び表面積Ｓtが計測される。この被測定対象Ｍを被測定容器１２０に出し入れする際には、上筐体１０４を持ち上げて上筐体１０４を下筐体１０３から取り外す。なお、被測定対象Ｍの全周を可及的に空気に触れさせ圧力変動にさらして、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定を精度よく行うために、下筐体１０３における被測定容器１２０の底部１０７には、被測定対象Ｍを保持するためのニードルを配置することが望ましい。
【００８５】
なお、以下において、基準容器１１０及び被測定容器１２０の体積Ｖr,Ｖoとはその内部空間の体積（容積）を意味し、基準容器１１０及び被測定容器１２０自体の表面積Ｓr,Ｓoとはその内部空間を仕切る壁面の総面積（内表面積）を意味する。
【００８６】
下筐体１０３には、基準容器１１０と被測定容器１２０との間に差圧センサ１１６が設けられており、基準容器１１０内の圧力と被測定容器１２０内の圧力との差を検出する。さらに、下筐体１０３には、基準容器１１０と被測定容器１２０との間に、通気孔１１７が設けられており、この通気孔１１７によって測定前の初期状態において基準容器１１０内の圧力と被測定容器１２０内の圧力との間の差（圧力差）をゼロにする。
【００８７】
上筐体１０４には、基準容器１１０と被測定容器１２０を形成する底面１０６ａ，１０６ｂにそれぞれダイヤフラム１３１，１３２が配置されており、さらに、これらのダイヤフラム１３１，１３２によって遮蔽される上筐体１０４の内部空間１１１，１２１にそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２が配置される。積層型圧電素子１４１，１４２の一端はそれぞれダイヤフラム１３１，１３２に接続され、他端は上筐体１０４に固着されて、ダイヤフラム１３１，１３２を駆動可能とし、駆動手段である積層圧電アクチュエーターが構成される。
【００８８】
制御部１０２には、信号処理部１１８と、高電圧アンプ１５１，１５２とが設けられている。信号処理部１１８から出力された駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、高電圧アンプ１５１，１５２によりそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２を駆動するのに十分な電圧に増幅され、積層型圧電素子１４１，１４２に印加される。これにより、基準容器１１０と被測定容器１２０とに交番的体積変化を差動的に与えて、基準容器１１０と被測定容器１２０とを音響的に駆動する。
【００８９】
この信号処理部１１８は、被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtとを測定し、その結果を出力する機能を有しており、ＵmとＵrの比（Ｕm／Ｕr）とＶm、Ｓmとを関係づける演算プログラムを内部の記憶部に記憶している。なお、演算プログラムに変えて、Ｕm／ＵrとＶm、Ｓmを関係づけたテーブルを内部の記憶部に記憶するようにしてもよい。ここで体積Ｖmは、被測定容器１２０自体の体積Ｖoから被測定対象Ｍの体積Ｖtを除いたものであり、差圧センサ１１６から出力される差圧信号Ｓｉｇ１０３を入力し、この差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。つまり、基準容器１１０内の圧力変動Ｐrが被測定容器１２０内の圧力変動Ｐmと同じになるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになったとき、信号処理部１１８は、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、このＵm／Ｕrに応じたＶm、Ｓmから被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtを検出する。
【００９０】
なお、信号処理部１１８は、その内部にＣＰＵ、プログラムが記憶された記憶部、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などを備えており、この記憶部に記憶されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより信号処理部１１８としての各種機能を実行して、差圧信号Ｓｉｇ１０３をＤ／Ａ変換器を介して入力し、当該差圧信号Ｓｉｇ１０３に応じた駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２をＤ／Ａ変換器から出力する。
【００９１】
このように構成された音響式測定装置１００による被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtの測定動作について以下に具体的に説明する。
【００９２】
まず、測定者は、下筐体１０３から上筐体１０４を取り外して、下筐体１０３の被測定容器１２０部分に被測定対象Ｍを配置し、図６に示すように下筐体１０３に上筐体１０４を取付ける。
【００９３】
次に、信号処理部１１８は、例えば、互いに振幅及び位相が異なる駆動信号Ｓｉｇ１０１,Ｓｉｇ１０２を高電圧アンプ１５１，１５２に出力して、積層型圧電素子１４１，１４２によりダイヤフラム１３１，１３２を駆動させる。
【００９４】
各容器１１０，１２０の体積（容積）は、ダイヤフラム１３１，１３２の変位により、それぞれΔＶr＝ｋ・Ｓｄ・Ｘr、ΔＶm＝ｋ・Ｓｄ・Ｘmだけ変動する。なお、ｋは比例定数、Ｓｄはダイヤフラム１３１，１３２の有効断面積である。また、ダイヤフラム１３１，１３２の変位Ｘr，Ｘmは、駆動信号Ｓｉｇ１０１,Ｓｉｇ１０２の振幅に比例する。
【００９５】
このとき、基準容器１１０内の圧力がＰo＋Ｐr（t）となり、被測定容器１２０内の圧力がＰo＋Ｐm（t）となるとすると、差圧センサ１１６は、基準容器１１０と被測定容器１２０の差圧Ｐs（＝Ｐr（t）−Ｐm（t））に応じた信号を信号処理部１１８へ出力する。
【００９６】
信号処理部１１８は、差圧Ｐsがゼロとなるように、差圧センサ１１６を参照しつつ、駆動信号Ｓｉｇ１０２の振幅、位相を変更していく。なお、駆動信号Ｓｉｇ１０２ではなく駆動信号Ｓｉｇ１０１の振幅、位相を変更していくようにしてもよく、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２の両方の振幅、位相を変更していくようにしてもよい。
【００９７】
信号処理部１１８は、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整して、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定を行う。
【００９８】
体積速度Ｕr及びＵmは、ΔＶr及びΔＶmの時間微分であり、Ｕr＝ｊωΔＶr、Ｕm＝ｊωΔＶmと関係づけられる。駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、ΔＶr及びΔＶmにそれぞれ比例しているから、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の複素比をとることより、Ｕm／Ｕrが求まることが分かる。
【００９９】
信号処理部１１８は、出力している駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の複素比により、Ｕm／Ｕrを検出し、上記演算プログラムに基づいて、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを演算して出力する。これにより、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtが測定される。
【０１００】
なお、ここでは、予め演算プログラムを信号処理部１１８の記憶部に記憶しているが、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定前に、キャリブレーション用の物体を用いて上記Ｕm／Ｕrの検出を行って、演算プログラムのパラメータをキャリブレーションすることにより、被測定対象Ｍを精度よく測定することができる。
【０１０１】
以上のように、音響式測定装置１００では、従来のように、精度よく特性を合わせた複数のマイクロホンを用意する必要が無く、コストを低減させた音響式測定装置を提供することができる。
【０１０２】
なお、音源（アクチュエーター）の振動速度を駆動信号に比例させる構成としてもよい。例えば、速度ピックアップを用いた速度サーボ制御などである。この場合は、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、位相差なしでＵrとＵmに直接比例することになる。
【０１０３】
［３．音響式測定装置及び方法の第２具体例］
次に、第２具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図７は第２具体例の音響式測定装置２００の構成を示す。この音響式測定装置２００は、第１具体例と同様に、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを測定可能な装置である。なお、図７においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。
【０１０４】
この第２具体例の音響式測定装置２００は、基本的に第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成であるが、変位センサとフィードバック回路とを備えている点、上筐体内部に基準容器を設けた点で異なる。
【０１０５】
図７に示すように、音響式測定装置２００の上筐体１０４’には、ダイヤフラム１３１，１３２、積層型圧電素子１４１，１４２に加え、基準容器１１０’と差圧センサ１１６とが設けられる。
【０１０６】
従って、下筐体１０３’の凹部１０５ｂ’は、上筐体１０４’の底部１０６ｂ’及び凹部１０８との間で被測定容器１２０’のみを形成することとなり、下筐体１０３’には基準容器１１０’は形成されないため、測定者は、被測定対象Ｍを基準容器１１０’に間違えて挿入することがなく、測定者の利便性を向上させることができる。
【０１０７】
また、上筐体１０４’の内部空間１１１，１２１には、変位センサ１４３，１４４が設けられており、これら変位センサ１４３，１４４により積層型圧電素子１４１，１４２の変位が検出される。例えば、変位センサ１４３，１４４として、検出対象に貼り付けて用いる歪みゲージや光学式変位センサを用いることができる。
【０１０８】
さらに、制御部１０２’には、フィードバック回路である演算器１５３，１５４が設けられており、変位センサ１４３，１４４から出力される信号に応じた信号を駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２から減算して、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を調整し、アクチュエーターである積層型圧電素子１４１，１４２の振動を制御するようにしている。このようにすることで、安定した容積（体積）変動を発生させることができる。
【０１０９】
なお、信号処理部１１８は、第１実施形態と同様に、差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整し、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを検出する。
【０１１０】
［４．音響式測定装置及び方法の第３具体例］
次に、第３具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図８は第３具体例の音響式測定装置３００の構成を示す。この音響式測定装置３００は、被測定対象Ｍの体積Ｖt、表面積Ｓt及びリークを測定可能な装置である。なお、図８においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。
【０１１１】
この第３具体例の音響式測定装置３００は、基本的に第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成であるが、基準容器と被測定容器とが物理的に分離した筐体に形成される点、基準容器の第１筐体部と被測定容器の第２筐体部とが通気管を介して接続される点、第２筐体部と被測定対象Ｍ’とで被測定容器が形成される点、リークを測定可能な点で異なる。
【０１１２】
図８に示すように、音響式測定装置３００は、基準容器３１０が形成される第１筐体部３０５と、被測定対象Ｍ’と共に被測定容器３２０を形成する第２筐体部３０６とを備えている。
【０１１３】
第１筐体部３０５には、基準容器３１０内の体積（容積）を変動させるダイヤフラム１３１及び積層型圧電素子１４１に加え、基準容器３１０内の圧力を検出する差圧センサ１１６が設けられている。この差圧センサ１１６は、被測定容器１２０と連通する通気管３０７と接続されており、基準容器３１０内の圧力と被測定容器３２０内の圧力の差を検出する。なお、通気管３０７は、例えば、可撓性のチューブで形成することができる。また、チューブの変形に伴う体積（容積）変化があると誤差になることから、体積（容積）変化の少ないチューブを用いることが望ましい。
【０１１４】
第２筐体部３０６には、被測定容器３２０内の体積（容積）を変動させるダイヤフラム１３２及び積層型圧電素子１４２に加え、通気管３０７と連通するための開口３１１と、被測定対象Ｍ’の空間３０８と連通するための開口３１２が設けられる。被測定容器３２０は、被測定対象Ｍ’の空間３０８と第２筐体部３０６内の空間３０９とにより形成されることになる。なお、被測定対象Ｍ’の空間３０８が被測定対象の体積Ｖtとなり空間３０８を形成する被測定対象Ｍ’の面の面積が被測定対象の表面積Ｓtとなる。
【０１１５】
このように通気管３０７により、被測定容器３２０を形成する第２筐体部３０６を基準容器３１０に連結するようにしているため、被測定容器３２０を基準容器３１０から離れた位置に配置したいときなどに好適である。差圧センサ１１６が第１筐体部３０５に配置されているため、例えば、第２筐体部３０６の温度が高くなるような場合に、差圧センサ１１６への影響を低減させることが可能となる。
【０１１６】
また、被測定対象Ｍ’の空間３０８と連通する開口３１２を第２筐体部３０６に設けて、被測定対象Ｍ’の空間３０８と第２筐体部３０６内の空間３０９とにより被測定容器３２０を形成することにより、被測定対象Ｍ’により形成される空間の体積（容積）Ｖt及びその空間を形成する側面の表面積Ｓtを測定することが可能となる。従って、例えば、エンジンの燃焼室の容積なども容易に測定することが可能となる。
【０１１７】
なお、音響式測定装置３００の信号処理部３１８は、第１実施形態の信号処理部１１８と同様に、差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整し、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、被測定対象Ｍ’の体積Ｖt及び表面積Ｓtを検出する。さらに、信号処理部３１８は、上述した原理に基づき、Ｖm／Ｖr（＝Ｕm／Ｕr）から被測定対象Ｍ’のリークを検出する。
【０１１８】
［５．音響式測定装置及び方法の第４具体例］
次に、第４具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図９に第４具体例の音響式測定装置４００の構成を示す。この音響式測定装置４００は、被測定対象のリークを測定可能なリークテスターである。なお、図９においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。なお、信号処理部は第３具体例における信号処理部３１８と同様の構成であり、一部処理が異なる。
【０１１９】
図９に示すように、第４具体例の音響式測定装置４００は、リークテスター基台となる筐体部４０１と、被測定対象であるワークＭ”のリークを測定するための処理を行う制御部４０２とを備えて構成される。
【０１２０】
筐体部４０１は、下筐体４０３、上筐体４０４を備えており、上筐体４０４上にワークＭ”が取付けられる。ここでは一例としてダイキャスト製の部品をワークＭ”としている。また、図中の４０６は、ワークＭ”上のリークを模式的に表したもので、その音響インピーダンスはＺl(ω)である。
【０１２１】
下筐体４０３は、上部を開口した凹部４０７が形成された箱状の筐体であり、上筐体４０４と凹部４０７とで囲まれた空間を基準容器４１０としている。
【０１２２】
上筐体４０４には、その底部にダイヤフラム１３１が形成され、このダイヤフラム１３１によって遮蔽される上筐体４０４の内部空間１１１には積層型圧電素子１４１が配置される。また、上筐体４０４の上部にダイヤフラム１３２が形成され、このダイヤフラム１３２によって遮蔽される上筐体４０４の内部空間１１２には積層型圧電素子１４２が配置される。積層型圧電素子１４１，１４２の一端はそれぞれダイヤフラム１３１，１３２に接続され、他端は上筐体４０４に固着されて、ダイヤフラム１３１，１３２を駆動可能とし、駆動手段である積層圧電アクチュエーターが構成される。
【０１２３】
また、上筐体４０４の上部には、ワークＭ”を取付けてリーク測定を行うときに、ワークＭ”と上筐体４０４に囲まれた空間の気密を保つためのシール材４２３が設けられており、このシール材４２３は、ワークＭ”の形状に合わせて、上筐体４０４の上部に固定される。ワークＭ”と上筐体４０４に囲まれた空間が被測定容器４２０の体積(容積)Ｖm及び表面積Ｓmとなる。
【０１２４】
さらに、上筐体４０４には、基準容器４１０内の圧力と被測定容器４２０内の圧力との差（差圧）を検出する差圧センサ１１６が収納される。この差圧センサ１１６は、基準容器４１０側に近い位置に設けられており、これによりワークＭ”の温度が室温と異なる場合であってもその影響を避けることができる。
【０１２５】
制御部４０２には、信号処理部４１８と、高電圧アンプ１５１，１５２とが設けられている。信号処理部４１８から出力された駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、高電圧アンプ１５１，１５２によりそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２を駆動するのに十分な電圧に増幅され、積層型圧電素子１４１，１４２に印加される。
【０１２６】
信号処理部４１８は、ワークＭ”のリーク４０６を測定し、その結果を出力する機能を有しており、ＵmとＵrの比（Ｕm／Ｕr）とリーク値とを関係づける演算プログラムを内部の記憶部に記憶している。なお、演算プログラムに変えて、Ｕm／Ｕrとリーク値を関係づけたテーブルを内部の記憶部に記憶するようにしてもよい。
【０１２７】
信号処理部１１８は、差圧センサ１１６から出力される差圧信号Ｓｉｇ１０３を入力し、この差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロ（つまり、基準容器４１０内の圧力変動Ｐrと被測定容器４２０内の圧力変動Ｐmとの差がゼロ）になるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになったとき、信号処理部１１８は、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、このＵm／ＵrからワークＭ”のリーク４０６を検出する。
【０１２８】
ここで、ダイヤフラム１３１及び積層型圧電素子１４１によって、基準容器４１０内に一定の体積（容積）変動Ｕm（ｔ）（体積速度）を加えたとき、基準容器４１０内に発生する圧力変動Ｐm（ｔ）の大きさは温度に依存しない。そのため、ダイヤフラム１３１，１３２の振幅を精密に制御することで、温度に関係なく圧力変動と同じ音圧が発生し、ワークＭ”の温度に影響されることなく測定を行うことができる。なお、差圧センサ１１６の感度特性などは温度の影響を受けるが、基準容器４１０と被測定容器４２０との間の差圧がゼロとなるようにフィードバックする場合、温度の影響はほとんど受けない。
【０１２９】
このように音響式測定装置４００では、温度に影響されることなく測定ができ、大きな利点である。すなわち、従来のようにマイクロホンを２個使用する測定法では、温度によってマイクロホンの特性が変化して誤差が生じる問題があり、ワークＭ”の温度が室温と異なる場合には測定が容易でないが、本実施形態では、ワークＭ”の温度が室温と異なる場合でもその影響を避けることができる。このことは上述した他の音響式測定装置１,１００〜３００についても同様である。
【０１３０】
また、同じ体積（容積）の容器であっても、表面積が異なると音響インピーダンスが異なることから、音響式測定装置４００では、下筐体４０３の凹部４０７に中子４２２を収納可能としており、基準容器４１０と被測定容器４２０の音響インピーダンスを等しく合わせ込むことを可能としている。これにより、リークの無い健全なワークに対して、できるだけ基準容器４１０と被測定容器４２０の音響インピーダンスを近づけるように中子４２２の体積と面積をあらかじめ調整することができ、健全なワークと被測定対象であるワークＭ”の結果を比較して、リークを判定することができる。すなわち、信号処理部４１８は、健全なワークを上筐体４０４に取付けたときのＵm／Ｕrの値を求めておき、その後、ワークＭ”のリーク４０６を上筐体４０４に取付けたときのＵm／Ｕrを健全なワークのＵm／Ｕrと比較して、リークを判定する。
【０１３１】
なお、上述では、基準容器及び被測定容器を音響的に駆動する音源として、積層圧電素子とダイヤフラムを用いたが、ボイスコイルモーターとベローズを用いるようにしてもよい。また、リニアーアクチュエーターとダイヤフラム又はベローズの組み合わせ、磁歪効果を利用した音源、渦電流を利用する電磁音響トランスデューサー、オーディオ用スピーカーなどを用いることもできる。
【０１３２】
また、上述では、体積、表面積及びリークの測定を大気環境で行っているが、これに限られず空気と異なる組成の気体を用いるようにしてもよい。
【０１３３】
以上、いくつかの具体例を説明したが、上記具体例及びその組み合わせは限定されるものでなく種々の変形が可能である。
【０１３４】
本発明は、音を利用して、物体（容器）の体積（容積）、表面積（内表面積）などの基本的特性量、また、物体（容器）のリークなどを測定する方法であり、広く科学計測の分野、製造業を中心とする産業分野、設備の診断・保守などの分野において利用することができる。また、本発明の物理量測定方法は、測定量が上記した表面積、体積、リークの場合に限定されるものではなく、音響インピーダンスを利用する測定法のすべてに適用可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 音響式測定装置
１０ 基準容器
２０被測定容器
３０，４０ 駆動手段
５０ 差圧センサ
６０ 信号処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響インピーダンスを利用して被測定対象を測定する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
従来から音響インピーダンスを利用して被測定対象の表面積、体積、リーク、変位、速度などの物理量の測定値を測定する方法及び装置が提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、容器の音響インピーダンスが容器の内表面積によって変化する現象を利用して被測定対象の表面積を測定する音響式表面積測定装置が提案されている。この音響式表面積測定装置は、基準容器と被測定容器とに交番的体積変化を差動的に与えるスピーカーと、基準容器及び被測定容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する複数のマイクロホンと、これらのマイクロホンから出力される信号間の位相差を測定する信号処理部とを備えており、被測定容器に被測定対象を入れたときの位相差により被測定対象の表面積を算出するものである。
【０００４】
また、下記特許文献２には、容器の音響インピーダンスが容器容積によって変化する現象を利用して、被測定対象の容積ないしは体積を測定する音響式体積測定装置が提案されている。この音響式体積測定装置は、基準容器と被測定容器とに交番的体積変化を差動的に与えるスピーカーと、基準容器及び被測定容器のそれぞれの内部の圧力変化を検出する複数のマイクロホンと、これらのマイクロホンから出力される信号レベルの比（圧力変化の大きさ）を測定する信号処理部とを備えており、被測定容器に標準物を入れたときの圧力変化の大きさの比と、被測定容器に被測定対象を入れたときの圧力変化の大きさの比とから、標準物と被測定対象との体積差を求めるものである。
【０００５】
また、下記特許文献３には、容器の音響インピーダンスが容器のリークによって変化することを利用して被測定対象のリークを測定する音響式リーク測定装置が提案されている。この音響式リーク測定装置は、リークを測定すべき被測定容器に音響的に結合される基準容器と、被測定容器内の空気と基準容器内の空気とを差動的に駆動するスピーカーと、被測定容器と基準容器のそれぞれの内部の音圧を検出するマイクロホンとを備えており、マイクロホンの出力信号をとり込んでこれらの信号の間の位相差により被測定容器のリークを測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０５５１号公報
【特許文献２】特開平１０−０３８６５８号公報
【特許文献３】特開平１１−２１１６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の音響式測定装置及び方法では、被測定容器と基準容器のそれぞれの内部の音圧を検出するために２つのマイクロホンを用いる必要がある。これら２つのマイクロホンの特性の相違があると誤差が生じてしまうことになることから、精度よく特性を合わせたマイクロホンが必要となる。
【０００８】
しかし、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンは、その選別などのコストがかかってしまうことから、結果的に、コスト的な問題が生じてしまうことになっていた。また、特別に選別したペアのマイクロホンを使用しても、温度特性などを完全に揃えることは困難であり、従って、温度によって測定精度が変化してしまうことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基準容器と、被測定対象をその一部の構成とする被測定容器と、前記基準容器内及び前記被測定容器内をそれぞれ音響的に駆動する複数の駆動手段と、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧を検出する差圧センサと、前記複数の駆動手段段をそれぞれ駆動する複数の駆動信号のうち少なくとも一つの駆動信号を前記差圧センサで検出する差圧がゼロになるように制御し、このときの前記駆動信号の状態に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする音響式測定装置とした。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記駆動信号は、正弦波信号であり、前記信号処理部は、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、複素数で表される前記音響インピーダンス比又はその等価値を判定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の音響式測定装置において、前記信号処理部は、前記駆動信号として、複数の周波数の正弦波信号を用いて、前記音響インピーダンスの周波数特性を検出し、前記音響インピーダンス又はその等価値に加え、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定対象の測定値を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の音響式測定装置において、前記信号処理部は、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定容器の形状誤差を補正することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、基準容器を用いて被測定容器の少なくとも一部を構成する被測定対象を測定する音響式測定方法であって、前記基準容器内を音響的に駆動する駆動手段と前記被測定容器内を音響的に駆動する駆動手段のうち少なくとも一つの駆動手段を駆動する駆動信号を制御して、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧をゼロにするステップと、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンを用いる必要が無く、コスト的に安価な音響式測定装置及び音響式測定方法を提供することができる。しかも、駆動手段（アクチュエータ）は、温度に対する特性変化を抑えることが容易であり、ペアのマイクロホンを使用する場合に比べ、温度特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】音響インピーダンスの第一次形状効果を複素平面上で説明した図である。
【図２】第二次形状効果とその周波数特性を説明した図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる誤差補正の原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる誤差補正の原理を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図である。
【図７】第１具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図８】第２具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図９】第３具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【図１０】第４具体例の音響式測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．音響式測定装置及び方法の概要
２．音響式測定装置及び方法の第１具体例
３．音響式測定装置及び方法の第２具体例
４．音響式測定装置及び方法の第３具体例
５．音響式測定装置及び方法の第４具体例
【００１７】
［１．音響式測定装置及び方法の概要］
［１．１．音響式測定の基本原理］
まず、本実施形態における音響式測定の基本原理を図面を参照して説明する。
【００１８】
ある容器の音響インピーダンスＺaは、その容器の壁面での熱伝導がなければ「容量性」であり、次式を用いて表わすことができる。なお、この音響インピーダンスＺaは、容器内の圧力変動Ｐと体積速度Ｕ（容器に加えられた容積変動の時間微分）との複素比である。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、γは気体の比熱比（空気：約１．４）、Ｐ０は閉空間の平均圧力（大気圧）、ｊは虚数単位、ωは音源の角周波数（以下、「音源角周波数」という。）、Ｖは容器の容積（容器内の体積）をそれぞれ表す。複素平面上で音響インピーダンスを表現すれば、容器の音響インピーダンスＺaは、偏角が−９０度で、絶対値が容器の容積に反比例するベクトルとなる。
【００２１】
上述のように断熱的な容器の音響インピーダンスＺaは容量性であることから、その電気等価回路は、その静電容量がＶ／γＰ０で表されるコンデンサとなる。従って、このように音響インピーダンスＺaの絶対値ないしは虚数部が容器の容積に反比例することを利用することにより、音響インピーダンスＺaから、容器の容積を知ることができる。容積既知の容器内に物体を置いた場合にも、既知容積から物体の体積を差し引いた「余積」が音響インピーダンスの測定から分かるので、容器内に置いた物体体積を知ることができる。これが、音響式体積測定の基本原理である。
【００２２】
しかし、現実の容器は、完全には断熱的でなく、壁面において若干の熱伝導が起こる。この影響を考慮に入れると、容器の音響インピーダンスＺiは以下の式（２）に示すように表すことができる（「鳥越一平、石井泰、「音を利用した表面積測定」、計測自動制御学会論文、34巻、3号、pp.182-188、1998年」参照）。
【００２３】
【数２】
なお、ε、δｔは、以下の式（３），（４）に示すように表される。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ここで、εは容器の壁面における熱伝導の影響の大きさを表す無次元のパラメータ、Ｓは容器の内表面積、δｔは温度境界層の厚さ、κは空気の熱伝導率、ρは空気の密度、ｃpは定圧比熱である。
【００２６】
現実の容器のインピーダンスＺiは、上記式（２）〜式（４）から分かるように、熱伝導の影響によって、実数部及び虚数部に影響を及ぼすことになり、その影響の程度は容器内表面積Ｓに比例している。この現象を利用して、測定した音響インピーダンスから表面積を知るのが、音響式表面積測定の基本原理である。
【００２７】
容器にリークがある場合、等価回路で考えると、インピーダンスＺiに並列接続されたリークインピーダンスＺlが現れることになる。リークを、半径がa、長さがlの円断面パイプで等価表現すると、そのインピーダンスＺlは、空気の粘性係数をμとして以下の式（５）に示すように表すことができる。
【００２８】
【数４】
なお、δは、以下の式（６）に示すように表される。
【００２９】
【数５】
ここで、Ｊnは第一種ベッセル関数、δは振動流の境界層の厚さをそれぞれ表す。
【００３０】
リークが小さく等価半径aが小さいときは、式（５）は抵抗性となり、リークインピーダンスの虚数部がゼロに近づくとともに、実数部Ｒは下記式（７）に示す値に近づく。なお、実際のリークの断面形状は円ではなく、軸も真っ直ぐではないが、リークの断面積が小さくなるにつれてリーク内の流れのレイノルズ数が小さくなり、インピーダンスが抵抗性に近づくという傾向は、リーク形状に無関係に共通する。
【００３１】
【数６】
【００３２】
式（７）のリークインピーダンスが並列接続されている場合、容器の音響インピーダンスは、リークが無いときより実数部が大きくなり、インピーダンスベクトルは、偏角が増大する（０度に近づく）方向に回転する。このような音響インピーダンスの変化を利用してリークを検知しようとするのが、音響式リークテスターの基本原理である。
【００３３】
次に、音響インピーダンスの周波数特性について考える。容器の音響インピーダンスＺiは、式（２）から明らかなように、その絶対値が周波数に反比例している。以下においては、容器の音響インピーダンスＺiにおける熱伝導の影響が周波数変化に伴ってどのように変化するかの把握を容易にするために、断熱容器の音響インピーダンスＺaの絶対値で容器の音響インピーダンスＺiを除したＺi／|Ｚa |という量を考える（この量を容器の「規格化音響インピーダンス」と呼びＺnと書く）。
【００３４】
【数７】
【００３５】
温度境界層の厚さδｔは、音源角周波数ωの関数である。例えば、常温大気圧の下では、音源周波数ω／２πが４０Ｈｚのとき温度境界層の厚さδｔは約０．４ｍｍである。この値は、通常、容器の寸法より遙かに小さいからことから、εは１よりも十分に小さい量と見なすことができる。このとき、規格化音響インピーダンスＺnは、次式（９）で近似することができる。
【００３６】
【数８】
【００３７】
これを複素平面上のベクトルで表すと図１のようになる。熱伝導の影響がない断熱容器の規格化音響インピーダンスＺnは−jに等しいが、壁面の熱伝導の影響がある現実の容器の規格化音響インピーダンスＺnは、図１に示したように、−jから、実数部、虚数部ともにεだけ大きくなっている。このように規格化音響インピーダンスＺnが−jから外れる現象が、複素音響インピーダンス平面上で表現した第一次の形状効果（以下、「第一次形状効果」という。）である。
【００３８】
第一次形状効果しか存在しない場合には、音響インピーダンスＺiの値を検出して、実数部の大きさ、あるいは偏角等からεの値を知れば、容器の内表面積を計算することができる（ただし、音響インピーダンス測定系に位相回転が存在する場合には、その位相回転を考慮した上で実数部や虚数部を考える必要がある。）。また、εの値に基づいて虚数部の大きさに補正を加えることで、表面積誤差を補正して、正しい容積・体積を知ることができる。体積測定における表面積誤差補正を複素インピーダンス平面上で考えれば、測定された音響インピーダンスＺiに対応する点を通り、傾きが１の直線が、虚軸と交わる座標から、断熱容器の音響インピーダンスを推定することができる。特開２００２−１３１１１１号公報や特開２００６−２８４４７３号公報に記載の補正法も、数学的にはこれと等価な処理を行っている。
【００３９】
ところで、温度境界層の厚さδｔの値は、式（４）からわかる通り、音源角周波数ωの平方根に反比例している。音源角周波数ωが増大すると、温度境界層の厚さδｔの値が小さくなり、εの値も小さくなる。第二次の形状効果（以下、「第二次形状効果」という。）が無い場合には、規格化音響インピーダンＺnのベクトルは、音源角周波数ωを増大させたとき、４５度の角度で−jに漸近する軌跡を描くことになる。しかし、実際には第二次形状効果が存在するため、規格化音響インピーダンＺnの軌跡は傾き１の直線から外れる。これは、第二次形状効果が、一般に、音響インピーダンスＺiの実数部と虚数部に異なる割合で現れるためである。規格化音響インピーダンＺnの軌跡は、容器の形状に応じて異なる。例えば、球形容器の場合の軌跡は図２に示したものとなる。第二次形状効果が存在し、規格化音響インピーダンＺnのベクトルが傾き１の直線から外れている状況では、一つの音源角周波数ωで測定した音響インピーダンスＺiから、例えば、上述の表面積誤差補正をしようとすれば、当然、誤差が生じる。
【００４０】
表面積誤差補正の観点から注目すべきことは、一般に、第二次形状効果の大きさ自体が、温度境界層の厚さδｔの減少とともに小さくなることである。上述の通り、第二次形状効果は、温度境界層部分の体積と容器全体の容積の比が、容器壁面の形状の影響によって、Ｓδｔ／Ｖから外れることで生じると解釈できる。その外れの程度は、温度境界層の厚さδｔの値がゼロに近づく極限で、やはりゼロに近づく筈である。図２においては、球形容器の規格化音響インピーダンＺnの軌跡が、音源角周波数ωが小さい領域では直線から大きく外れているのに、音源角周波数ωが大きくなるにつれて傾き１の直線に漸近し、さらに−jに近づいていることが分かる。この性質を数式で表現すれば、以下のようになる。
【００４１】
【数９】
【００４２】
上記式（１０）中のαおよびβは、容器の形状によって決まる係数であり、第二次形状効果とは、これらの係数の値が１から外れることに他ならない。そして、上述のように、αとβは、音源角周波数ωが大きくなる極限では１に漸近する。
【００４３】
以上の性質を利用して、二つ以上の音源角周波数ωで音響インピーダンスＺiを検出し、音響インピーダンスＺiが音源角周波数ωの増大と共にどういう値に漸近するか、あるいは複素平面上でどのような軌跡を描くかということを推定することで、第二次形状効果が無い場合の音響インピーダンスを求めることが可能になる。これによって、表面積測定における第二次形状効果誤差の補正、体積・容積測定の表面積誤差補正における第二次形状効果の除去が可能になる。また、形状効果とリークインピーダンスの周波数依存性の違いを利用して、形状効果を除いたリーク検出が可能となる。
【００４４】
なお、ここまで音響インピーダンスを用いて説明を行ってきたが、音響インピーダンスと等価な量を用いて、同様の誤差補正ができることは言うまでもない。例えば、音響インピーダンスの逆数である音響アドミッタンス領域でも、全く等価な処理を行うことができる。音響アドミッタンス領域では、規格化音響アドミッタンスＹn =１／Ｚnの軌跡は、jを通り傾き１の直線となる。（９）式が近似式であることから分かるとおり、音響インピーダンス領域では、第二次形状効果が無い場合でも、規格化音響インピーダンスＺnの軌跡が傾き１の直線となるのはεが微小と見なせる範囲においてである。これに対して、規格化音響アドミッタンスＹnの軌跡は、εの大きさに関わらず傾き１の直線となるので、アドミッタンス領域で補正処理を行う方がシンプルなアルゴリズムとなる場合もある。
【００４５】
［１．２．音響式測定装置及び測定方法］
本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置及び音響式測定方法の概要について、図面を参照して説明する。図３及び図５は本発明の一実施形態にかかる音響式測定装置の構成を示す図、図４は本発明の一実施形態にかかる表面積の測定方法を説明するための図である。
【００４６】
図３に示すように、本実施形態にかかる音響式測定装置１は、基準容器１０と、被測定容器２０と、基準容器１０内の体積変化を交番的に生じさせることで、基準容器１０内を音響的に駆動する駆動手段３０と、被測定対象Ｍを収納する被測定容器２０内の体積変化を交番的に生じさせることで、被測定容器２０内を音響的に駆動する駆動手段４０と、基準容器１０内と被測定容器２０内との差圧変動を検出する差圧センサ５０とを備えている。
【００４７】
さらに、駆動手段３０，４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２と差圧センサ５０の出力とに基づいて、基準容器１０と、被測定容器２０との音響インピーダンスの比又はそれに対応する値（等価量）を測定し、被測定対象Ｍの物理量を演算する信号処理部６０を備えている。
【００４８】
ここで、被測定容器２０の音響インピーダンスをＺm、基準容器１０の音響インピーダンスをＺrとしたとき、各音響インピーダンスＺm，Ｚrは以下の式（１２），（１３）を用いて表すことができる。なお、被測定容器２０自体の容積Ｖoから被測定対象Ｍの体積Ｖtを差し引いた残りの体積（余積）を被測定容器２０の体積Ｖmとし、基準容器１０の容積をＶrとする。また、被測定容器２０自体の内表面積Ｓoに被測定対象Ｍの表面積Ｓtを加算した表面積を被測定容器２０の表面積をＳmとし、基準容器１０自体の内表面積をＳrとする。
【００４９】
【数１０】
なお、εm、εr、δｔは、以下の式（１４）〜（１６）に示すように表される。ただし、εrは基準容器１０壁面の熱伝導の影響を表すパラメータ、εmは、被測定対象Ｍ及び被測定容器２０壁面の熱伝導の影響を表すパラメータである。
【数１１】
【００５０】
信号処理部６０は、基準容器１０の駆動手段３０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１と被測定容器２０の駆動手段４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ２とを差圧センサ５０の出力がゼロになるように制御する。これにより基準容器１０内の圧力変動Ｐrと被測定容器２０内の圧力変動Ｐｍとが同じになるように制御する。従って、上記式（１２），（１３）は、下記式（１７）を用いて表すことができる。
【００５１】
【数１２】
【００５２】
上記式（１７）を変形すると、以下の式（１８）が得られる。
【数１３】
【００５３】
Ｕm、Ｕrは、駆動手段３０，４０を駆動する駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２から知ることができる。すなわち、Ｕm／Ｕrは、駆動信号Ｓｉｇ１と駆動信号Ｓｉｇ２との振幅比及び位相差から求めることができる。
【００５４】
信号処理部６０は、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の振幅及び位相角からＵm／Ｕrの値を求めた後、そのＵm／Ｕrの値に基づいて被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを求め，被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求める。なお、このＵm／Ｕrは、言い換えれば、被測定容器２０の音響インピーダンスＺrと基準容器１０の音響インピーダンスＺmの比（Ｚr／Ｚm）、又はこの比に対応する値、例えば、基準容器１０の音響アドミッタンスＹmと被測定容器２０の音響アドミッタンスＹrの比（Ｙm／Ｙr）となる。
【００５５】
ここで、Ｕm／Ｕr（＝Ｚr／Ｚm＝Ｙm／Ｙr）から被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを求め、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求めるアルゴリズムの一例を以下に説明するが、このアルゴリズムに限らず他のアルゴリズムによって被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを求めてもよい。
【００５６】
上記式（１８）の右辺のεm及びεrは、通常１よりはるかに小さい微小量である。そこで、二次以上の微小項を無視すると、式（１９）のように近似できる。
【００５７】
【数１４】
【００５８】
この比（Ｕm／Ｕr）を複素平面上で表現すると、図４におけるＡ点になる。図４においては、分かりやすいように（εm-εr）を拡大してあるが、通常は、（εm-εr）はかなり小さい量であるため、絶対値又は実数部の大きさからＶm／Ｖrの近似値が求まる。Ｖrは既知（あらかじめキャリブレーションで求めておく）なので、これからＶmが計算できる。
【００５９】
しかし、測定精度を向上させるためには、（εm-εr）を考慮して、Ｖm／Ｖrを求める必要がある。
【００６０】
ここで、被測定容器２０のうち被測定対象Ｍ以外の熱伝導の影響を表すパラメータをεm1とし、被測定容器２０のうち被測定対象Ｍの熱伝導の影響を表すパラメータをεm2とすると、上記式（１９）は、以下のように表すことができる。
【００６１】
【数１５】
【００６２】
被測定対象Ｍを除く被測定容器２０や基準容器１０等に比べて被測定対象Ｍの表面の曲率半径が小さく、第二次形状効果が無視できないとき、上記式（２０）は、以下のように表すことができる。なお、αおよびβは、第二次形状効果を表す係数であり、添え字m2は被測定対象Ｍの表面に関する係数であることを表す。
【００６３】
【数１６】
【００６４】
このときの複素比（Ｕm／Ｕr）は、複素平面上で、点Ａからずれた点Ｂとなる（この例は被測定対象Ｍが球形の場合である）。単純に従来の誤差補正法を適用すると、点Ｂを通り傾き−１の直線が実軸と交わるＣ点の座標をＶm／Ｖrに等しいと推定することになり、誤差が生じる。
【００６５】
そこで、本実施形態では、角周波数ωを変化させながら複素比（Ｕm／Ｕr）を求めて複素平面上にプロットする。そして、その軌跡（図５で点Ｂを通る実線）が、ωが無限大になった極限で実軸と交わる点を推定し、その座標からＶm／Ｖrを推定する。上記式（１１）に示すように、αおよびβは、ωが大きくなる極限で１に収束する。従って、上記軌跡は、点Ａを通り傾き−１の直線に漸近する曲線となり、正しいＶm／Ｖrの値を推定することができる。
【００６６】
このとき、信号処理部６０では、あらかじめキャリブレーションを行って、αr、αm1、βrおよびβm1の効果を測定しておき、信号処理の際にその補正を施すようにしている。すなわち、あらかじめキャリブレーションを行って、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、αr、αm1、βrおよびβm1の効果を測定しておき、その後、被測定対象Ｍを配置して、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、各音源角周波数ωでの規格化音響インピーダンスＺnを求める。そして、規格化音響インピーダンスＺnに、傾き１で虚軸と交わるという拘束を入れて曲線フィッティングする。そして、この曲線の虚軸との交点座標を求めて、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求める。このように、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求めることで、被測定対象Ｍを含む被測定容器２０の第二次形状効果の誤差補正ができ、かかる誤差補正により体積・容積測定において第二次形状効果の除去が可能になる。
【００６７】
このように信号処理部６０は、αr、αm1、βrおよびβm1を予めキャリブレーションで求めておき、駆動信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の音源角周波数ωを２以上変えて、第二次形状効果が無い場合の規格化音響インピーダンスＺnを求め、第二次形状効果の誤差補正を行って被測定容器２０の体積Ｖm及び表面積Ｓmを算出している。
【００６８】
被測定対象Ｍを収納していない被測定容器２０自体の容積Ｖo及び内表面積Ｓoは既知であることから、信号処理部６０は、演算して被測定容器２０の体積Ｖmを被測定容器２０自体の容積Ｖoから減算して被測定対象Ｍの体積Ｖtを求め、演算して被測定容器２０の表面積Ｓmを被測定容器２０自体の内表面積Ｓoに加算して被測定対象Ｍの表面積Ｓtを求めるようにしている。なお、Ｕm／Ｕrの比とＶm、Ｓmを関係づける計算式を用いることなく、Ｕm／Ｕrの比とＶt、Ｓtを関係づける計算式を用いるようにしてもよい。これにより、加算減算の処理負担を低減することができる。
【００６９】
また、被測定対象Ｍのリークを測定する場合、リークの大きさが非常に小さいときには、その音響インピーダンスＺm(ω)はほとんど純抵抗で近似でき、上記式（１２），（１３）は、以下のように表すことができる。
【００７０】
【数１７】
【００７１】
音圧ＰrとＰmが等しい場合、上記式（１２），（１３）及び（２３）から以下の式（２４）の関係式を導くことができる。
【００７２】
【数１８】
【００７３】
従って、被測定対象を用いて被測定容器を形成、すなわち被測定対象を被測定容器自体としたとき、この被測定容器の体積Ｖm（＝被測定容器自体の容積Ｖo）及び表面積Ｓm（＝被測定容器自体の内表面積Ｓo）が既知の被測定容器のリークを測定する場合、Ｕm／Ｕrの比からリークの大きさを導くことができる。
【００７４】
このとき、図５に示すように、音響式測定装置１’は、例えば、一側面が開口２１した被測定容器２０’のリークを測定するように構成できる。
【００７５】
音響式測定装置１’の信号処理部６０’では、上記式を直接用いるのではなく、リークの無い第１のキャリブレーション用被測定容器と、既知のリークを持つ第２のキャリブレーション用被測定容器を用いてキャリブレーションを行い、Ｕm／Ｕrの比とリークの大きさを関係づける計算式を決定する。
【００７６】
その後、信号処理部６０’は、基準容器１０’の駆動手段３０と被測定容器２０’の駆動手段４０とを駆動する駆動信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’を差圧センサ５０の出力がゼロになるように出力制御し、駆動信号Ｓｉｇ１’，Ｓｉｇ２’の振幅及び位相角からＵm／Ｕrの値を求めた後、決定した計算式に基づき、被測定容器２０’のリークの大きさを演算している。
【００７７】
このように、本実施形態では、精度よく特性を合わせたペアのマイクロホンを用いる必要が無く、コスト的に安価な音響式測定装置及び音響式測定方法を提供することができる。しかも、駆動手段（アクチュエータ）は、温度に対する特性変化を抑えることが容易であり、ペアのマイクロホンを使用する場合に比べ、温度特性を向上させることができる。なお、駆動手段（アクチュエータ）を精密に動作させるには、駆動手段に変位センサや速度センサを取り付けてフィードバック制御することで容易に実現することができ、変位センサや速度のセンサも温度特性変化がほとんど無いものを選択可能である。
【００７８】
上述では、音響式表面積測定、音響式体積測定、音響式リーク測定の例について説明したが、本音響測定装置及び方法はこれに限られず、音響式変位測定（マイクロメータ）や音響式流速測定など、音響インピーダンスの測定に帰着する全ての測定装置及び測定法に適用可能である。
【００７９】
また、上述においては、駆動手段３０，４０は共に、駆動信号により振幅と位相が制御できるものとして説明したがこれに限られない。例えば、駆動手段３０，４０のうち一方の駆動手段を振幅や位相が変化しない固定駆動機構（例えば、モータとカムで構成したメカニカルなもの）とし、他方の駆動手段を駆動信号で振幅と位相を制御して、差圧をゼロとすることができる構成を用いてもよい。
【００８０】
また、駆動手段３０，４０を制御する駆動信号は、単一正弦波信号を用いるようしているが、複数の周波数の正弦波信号を組み合わせて複合正弦波信号で駆動したり、周波数が時間的にスイープされる信号（チャープ信号など）で駆動したりするようにしてもよい。また、不規則な信号で駆動するようにしてもよい。ただし、この場合には、一方の駆動手段は不規則な信号で駆動し、他方の駆動手段は、その不規則な信号をフィルタに通した信号で駆動することになる。このとき、音響インピーダンス比の情報は、フィルタの特性に含まれることになる。
【００８１】
［２．音響式測定装置及び方法の第１具体例］
以下、本発明の具現形態を実施例に基づいて説明する。図６は、第１具体例の音響式測定装置１００の構成を示す。この音響式測定装置１００は、被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtとを測定可能な装置である。
【００８２】
図６に示すように、音響式測定装置１００は、筐体部１０１と制御部１０２とを備えて構成される。
【００８３】
筐体部１０１は、２つの凹部１０５ａ，１０５ｂを形成した下筐体１０３と上筐体１０４とを備えており、下筐体１０３に上筐体１０４を取付けることにより、凹部１０５ａ，１０５ｂが閉塞されてそれぞれを音響的に閉じた空間である基準容器１１０と被測定容器１２０とが形成される。すなわち、下筐体１０３に形成された凹部１０５ａ，１０５ｂと上筐体１０４の底面１０６ａ，１０６ｂとにより基準容器１１０及び被測定容器１２０が形成される。
【００８４】
被測定対象Ｍは、被測定容器１２０に収納されて、その体積Ｖt及び表面積Ｓtが計測される。この被測定対象Ｍを被測定容器１２０に出し入れする際には、上筐体１０４を持ち上げて上筐体１０４を下筐体１０３から取り外す。なお、被測定対象Ｍの全周を可及的に空気に触れさせ圧力変動にさらして、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定を精度よく行うために、下筐体１０３における被測定容器１２０の底部１０７には、被測定対象Ｍを保持するためのニードルを配置することが望ましい。
【００８５】
なお、以下において、基準容器１１０及び被測定容器１２０の体積Ｖr,Ｖoとはその内部空間の体積（容積）を意味し、基準容器１１０及び被測定容器１２０自体の表面積Ｓr,Ｓoとはその内部空間を仕切る壁面の総面積（内表面積）を意味する。
【００８６】
下筐体１０３には、基準容器１１０と被測定容器１２０との間に差圧センサ１１６が設けられており、基準容器１１０内の圧力と被測定容器１２０内の圧力との差を検出する。さらに、下筐体１０３には、基準容器１１０と被測定容器１２０との間に、通気孔１１７が設けられており、この通気孔１１７によって測定前の初期状態において基準容器１１０内の圧力と被測定容器１２０内の圧力との間の差（圧力差）をゼロにする。
【００８７】
上筐体１０４には、基準容器１１０と被測定容器１２０を形成する底面１０６ａ，１０６ｂにそれぞれダイヤフラム１３１，１３２が配置されており、さらに、これらのダイヤフラム１３１，１３２によって遮蔽される上筐体１０４の内部空間１１１，１２１にそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２が配置される。積層型圧電素子１４１，１４２の一端はそれぞれダイヤフラム１３１，１３２に接続され、他端は上筐体１０４に固着されて、ダイヤフラム１３１，１３２を駆動可能とし、駆動手段である積層圧電アクチュエーターが構成される。
【００８８】
制御部１０２には、信号処理部１１８と、高電圧アンプ１５１，１５２とが設けられている。信号処理部１１８から出力された駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、高電圧アンプ１５１，１５２によりそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２を駆動するのに十分な電圧に増幅され、積層型圧電素子１４１，１４２に印加される。これにより、基準容器１１０と被測定容器１２０とに交番的体積変化を差動的に与えて、基準容器１１０と被測定容器１２０とを音響的に駆動する。
【００８９】
この信号処理部１１８は、被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtとを測定し、その結果を出力する機能を有しており、ＵmとＵrの比（Ｕm／Ｕr）とＶm、Ｓmとを関係づける演算プログラムを内部の記憶部に記憶している。なお、演算プログラムに変えて、Ｕm／ＵrとＶm、Ｓmを関係づけたテーブルを内部の記憶部に記憶するようにしてもよい。ここで体積Ｖmは、被測定容器１２０自体の体積Ｖoから被測定対象Ｍの体積Ｖtを除いたものであり、差圧センサ１１６から出力される差圧信号Ｓｉｇ１０３を入力し、この差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。つまり、基準容器１１０内の圧力変動Ｐrが被測定容器１２０内の圧力変動Ｐmと同じになるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになったとき、信号処理部１１８は、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、このＵm／Ｕrに応じたＶm、Ｓmから被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtを検出する。
【００９０】
なお、信号処理部１１８は、その内部にＣＰＵ、プログラムが記憶された記憶部、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などを備えており、この記憶部に記憶されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより信号処理部１１８としての各種機能を実行して、差圧信号Ｓｉｇ１０３をＤ／Ａ変換器を介して入力し、当該差圧信号Ｓｉｇ１０３に応じた駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２をＤ／Ａ変換器から出力する。
【００９１】
このように構成された音響式測定装置１００による被測定対象Ｍの体積Ｖtと表面積Ｓtの測定動作について以下に具体的に説明する。
【００９２】
まず、測定者は、下筐体１０３から上筐体１０４を取り外して、下筐体１０３の被測定容器１２０部分に被測定対象Ｍを配置し、図６に示すように下筐体１０３に上筐体１０４を取付ける。
【００９３】
次に、信号処理部１１８は、例えば、互いに振幅及び位相が異なる駆動信号Ｓｉｇ１０１,Ｓｉｇ１０２を高電圧アンプ１５１，１５２に出力して、積層型圧電素子１４１，１４２によりダイヤフラム１３１，１３２を駆動させる。
【００９４】
各容器１１０，１２０の体積（容積）は、ダイヤフラム１３１，１３２の変位により、それぞれΔＶr＝ｋ・Ｓｄ・Ｘr、ΔＶm＝ｋ・Ｓｄ・Ｘmだけ変動する。なお、ｋは比例定数、Ｓｄはダイヤフラム１３１，１３２の有効断面積である。また、ダイヤフラム１３１，１３２の変位Ｘr，Ｘmは、駆動信号Ｓｉｇ１０１,Ｓｉｇ１０２の振幅に比例する。
【００９５】
このとき、基準容器１１０内の圧力がＰo＋Ｐr（t）となり、被測定容器１２０内の圧力がＰo＋Ｐm（t）となるとすると、差圧センサ１１６は、基準容器１１０と被測定容器１２０の差圧Ｐs（＝Ｐr（t）−Ｐm（t））に応じた信号を信号処理部１１８へ出力する。
【００９６】
信号処理部１１８は、差圧Ｐsがゼロとなるように、差圧センサ１１６を参照しつつ、駆動信号Ｓｉｇ１０２の振幅、位相を変更していく。なお、駆動信号Ｓｉｇ１０２ではなく駆動信号Ｓｉｇ１０１の振幅、位相を変更していくようにしてもよく、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２の両方の振幅、位相を変更していくようにしてもよい。
【００９７】
信号処理部１１８は、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整して、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定を行う。
【００９８】
体積速度Ｕr及びＵmは、ΔＶr及びΔＶmの時間微分であり、Ｕr＝ｊωΔＶr、Ｕm＝ｊωΔＶmと関係づけられる。駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、ΔＶr及びΔＶmにそれぞれ比例しているから、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の複素比をとることより、Ｕm／Ｕrが求まることが分かる。
【００９９】
信号処理部１１８は、出力している駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の複素比により、Ｕm／Ｕrを検出し、上記演算プログラムに基づいて、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを演算して出力する。これにより、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtが測定される。
【０１００】
なお、ここでは、予め演算プログラムを信号処理部１１８の記憶部に記憶しているが、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtの測定前に、キャリブレーション用の物体を用いて上記Ｕm／Ｕrの検出を行って、演算プログラムのパラメータをキャリブレーションすることにより、被測定対象Ｍを精度よく測定することができる。
【０１０１】
以上のように、音響式測定装置１００では、従来のように、精度よく特性を合わせた複数のマイクロホンを用意する必要が無く、コストを低減させた音響式測定装置を提供することができる。
【０１０２】
なお、音源（アクチュエーター）の振動速度を駆動信号に比例させる構成としてもよい。例えば、速度ピックアップを用いた速度サーボ制御などである。この場合は、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、位相差なしでＵrとＵmに直接比例することになる。
【０１０３】
［３．音響式測定装置及び方法の第２具体例］
次に、第２具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図７は第２具体例の音響式測定装置２００の構成を示す。この音響式測定装置２００は、第１具体例と同様に、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを測定可能な装置である。なお、図７においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。
【０１０４】
この第２具体例の音響式測定装置２００は、基本的に第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成であるが、変位センサとフィードバック回路とを備えている点、上筐体内部に基準容器を設けた点で異なる。
【０１０５】
図７に示すように、音響式測定装置２００の上筐体１０４’には、ダイヤフラム１３１，１３２、積層型圧電素子１４１，１４２に加え、基準容器１１０’と差圧センサ１１６とが設けられる。
【０１０６】
従って、下筐体１０３’の凹部１０５ｂ’は、上筐体１０４’の底部１０６ｂ’及び凹部１０８との間で被測定容器１２０’のみを形成することとなり、下筐体１０３’には基準容器１１０’は形成されないため、測定者は、被測定対象Ｍを基準容器１１０’に間違えて挿入することがなく、測定者の利便性を向上させることができる。
【０１０７】
また、上筐体１０４’の内部空間１１１，１２１には、変位センサ１４３，１４４が設けられており、これら変位センサ１４３，１４４により積層型圧電素子１４１，１４２の変位が検出される。例えば、変位センサ１４３，１４４として、検出対象に貼り付けて用いる歪みゲージや光学式変位センサを用いることができる。
【０１０８】
さらに、制御部１０２’には、フィードバック回路である演算器１５３，１５４が設けられており、変位センサ１４３，１４４から出力される信号に応じた信号を駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２から減算して、駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を調整し、アクチュエーターである積層型圧電素子１４１，１４２の振動を制御するようにしている。このようにすることで、安定した容積（体積）変動を発生させることができる。
【０１０９】
なお、信号処理部１１８は、第１実施形態と同様に、差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整し、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、被測定対象Ｍの体積Ｖt及び表面積Ｓtを検出する。
【０１１０】
［４．音響式測定装置及び方法の第３具体例］
次に、第３具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図８は第３具体例の音響式測定装置３００の構成を示す。この音響式測定装置３００は、被測定対象Ｍの体積Ｖt、表面積Ｓt及びリークを測定可能な装置である。なお、図８においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。
【０１１１】
この第３具体例の音響式測定装置３００は、基本的に第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成であるが、基準容器と被測定容器とが物理的に分離した筐体に形成される点、基準容器の第１筐体部と被測定容器の第２筐体部とが通気管を介して接続される点、第２筐体部と被測定対象Ｍ’とで被測定容器が形成される点、リークを測定可能な点で異なる。
【０１１２】
図８に示すように、音響式測定装置３００は、基準容器３１０が形成される第１筐体部３０５と、被測定対象Ｍ’と共に被測定容器３２０を形成する第２筐体部３０６とを備えている。
【０１１３】
第１筐体部３０５には、基準容器３１０内の体積（容積）を変動させるダイヤフラム１３１及び積層型圧電素子１４１に加え、基準容器３１０内の圧力を検出する差圧センサ１１６が設けられている。この差圧センサ１１６は、被測定容器１２０と連通する通気管３０７と接続されており、基準容器３１０内の圧力と被測定容器３２０内の圧力の差を検出する。なお、通気管３０７は、例えば、可撓性のチューブで形成することができる。また、チューブの変形に伴う体積（容積）変化があると誤差になることから、体積（容積）変化の少ないチューブを用いることが望ましい。
【０１１４】
第２筐体部３０６には、被測定容器３２０内の体積（容積）を変動させるダイヤフラム１３２及び積層型圧電素子１４２に加え、通気管３０７と連通するための開口３１１と、被測定対象Ｍ’の空間３０８と連通するための開口３１２が設けられる。被測定容器３２０は、被測定対象Ｍ’の空間３０８と第２筐体部３０６内の空間３０９とにより形成されることになる。なお、被測定対象Ｍ’の空間３０８が被測定対象の体積Ｖtとなり空間３０８を形成する被測定対象Ｍ’の面の面積が被測定対象の表面積Ｓtとなる。
【０１１５】
このように通気管３０７により、被測定容器３２０を形成する第２筐体部３０６を基準容器３１０に連結するようにしているため、被測定容器３２０を基準容器３１０から離れた位置に配置したいときなどに好適である。差圧センサ１１６が第１筐体部３０５に配置されているため、例えば、第２筐体部３０６の温度が高くなるような場合に、差圧センサ１１６への影響を低減させることが可能となる。
【０１１６】
また、被測定対象Ｍ’の空間３０８と連通する開口３１２を第２筐体部３０６に設けて、被測定対象Ｍ’の空間３０８と第２筐体部３０６内の空間３０９とにより被測定容器３２０を形成することにより、被測定対象Ｍ’により形成される空間の体積（容積）Ｖt及びその空間を形成する側面の表面積Ｓtを測定することが可能となる。従って、例えば、エンジンの燃焼室の容積なども容易に測定することが可能となる。
【０１１７】
なお、音響式測定装置３００の信号処理部３１８は、第１実施形態の信号処理部１１８と同様に、差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、駆動信号Ｓｉｇ１０１及び駆動信号Ｓｉｇ１０２を調整し、差圧Ｐsがゼロとなったと判定すると、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、被測定対象Ｍ’の体積Ｖt及び表面積Ｓtを検出する。さらに、信号処理部３１８は、上述した原理に基づき、Ｖm／Ｖr（＝Ｕm／Ｕr）から被測定対象Ｍ’のリークを検出する。
【０１１８】
［５．音響式測定装置及び方法の第４具体例］
次に、第４具体例の音響式測定装置及び方法を説明する。図９に第４具体例の音響式測定装置４００の構成を示す。この音響式測定装置４００は、被測定対象のリークを測定可能なリークテスターである。なお、図９においては第１具体例の音響式測定装置１００と同様の構成には同一符号を付している。なお、信号処理部は第３具体例における信号処理部３１８と同様の構成であり、一部処理が異なる。
【０１１９】
図９に示すように、第４具体例の音響式測定装置４００は、リークテスター基台となる筐体部４０１と、被測定対象であるワークＭ”のリークを測定するための処理を行う制御部４０２とを備えて構成される。
【０１２０】
筐体部４０１は、下筐体４０３、上筐体４０４を備えており、上筐体４０４上にワークＭ”が取付けられる。ここでは一例としてダイキャスト製の部品をワークＭ”としている。また、図中の４０６は、ワークＭ”上のリークを模式的に表したもので、その音響インピーダンスはＺl(ω)である。
【０１２１】
下筐体４０３は、上部を開口した凹部４０７が形成された箱状の筐体であり、上筐体４０４と凹部４０７とで囲まれた空間を基準容器４１０としている。
【０１２２】
上筐体４０４には、その底部にダイヤフラム１３１が形成され、このダイヤフラム１３１によって遮蔽される上筐体４０４の内部空間１１１には積層型圧電素子１４１が配置される。また、上筐体４０４の上部にダイヤフラム１３２が形成され、このダイヤフラム１３２によって遮蔽される上筐体４０４の内部空間１１２には積層型圧電素子１４２が配置される。積層型圧電素子１４１，１４２の一端はそれぞれダイヤフラム１３１，１３２に接続され、他端は上筐体４０４に固着されて、ダイヤフラム１３１，１３２を駆動可能とし、駆動手段である積層圧電アクチュエーターが構成される。
【０１２３】
また、上筐体４０４の上部には、ワークＭ”を取付けてリーク測定を行うときに、ワークＭ”と上筐体４０４に囲まれた空間の気密を保つためのシール材４２３が設けられており、このシール材４２３は、ワークＭ”の形状に合わせて、上筐体４０４の上部に固定される。ワークＭ”と上筐体４０４に囲まれた空間が被測定容器４２０の体積(容積)Ｖm及び表面積Ｓmとなる。
【０１２４】
さらに、上筐体４０４には、基準容器４１０内の圧力と被測定容器４２０内の圧力との差（差圧）を検出する差圧センサ１１６が収納される。この差圧センサ１１６は、基準容器４１０側に近い位置に設けられており、これによりワークＭ”の温度が室温と異なる場合であってもその影響を避けることができる。
【０１２５】
制御部４０２には、信号処理部４１８と、高電圧アンプ１５１，１５２とが設けられている。信号処理部４１８から出力された駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２は、高電圧アンプ１５１，１５２によりそれぞれ積層型圧電素子１４１，１４２を駆動するのに十分な電圧に増幅され、積層型圧電素子１４１，１４２に印加される。
【０１２６】
信号処理部４１８は、ワークＭ”のリーク４０６を測定し、その結果を出力する機能を有しており、ＵmとＵrの比（Ｕm／Ｕr）とリーク値とを関係づける演算プログラムを内部の記憶部に記憶している。なお、演算プログラムに変えて、Ｕm／Ｕrとリーク値を関係づけたテーブルを内部の記憶部に記憶するようにしてもよい。
【０１２７】
信号処理部１１８は、差圧センサ１１６から出力される差圧信号Ｓｉｇ１０３を入力し、この差圧信号Ｓｉｇ１０３に基づいて、差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロ（つまり、基準容器４１０内の圧力変動Ｐrと被測定容器４２０内の圧力変動Ｐmとの差がゼロ）になるように駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２を出力する。差圧センサ１１６による差圧検出レベルがゼロになったとき、信号処理部１１８は、このときの駆動信号Ｓｉｇ１０１，Ｓｉｇ１０２の振幅比及び位相差に基づいて、Ｕm／Ｕrの値を求め、このＵm／ＵrからワークＭ”のリーク４０６を検出する。
【０１２８】
ここで、ダイヤフラム１３１及び積層型圧電素子１４１によって、基準容器４１０内に一定の体積（容積）変動Ｕm（ｔ）（体積速度）を加えたとき、基準容器４１０内に発生する圧力変動Ｐm（ｔ）の大きさは温度に依存しない。そのため、ダイヤフラム１３１，１３２の振幅を精密に制御することで、温度に関係なく圧力変動と同じ音圧が発生し、ワークＭ”の温度に影響されることなく測定を行うことができる。なお、差圧センサ１１６の感度特性などは温度の影響を受けるが、基準容器４１０と被測定容器４２０との間の差圧がゼロとなるようにフィードバックする場合、温度の影響はほとんど受けない。
【０１２９】
このように音響式測定装置４００では、温度に影響されることなく測定ができ、大きな利点である。すなわち、従来のようにマイクロホンを２個使用する測定法では、温度によってマイクロホンの特性が変化して誤差が生じる問題があり、ワークＭ”の温度が室温と異なる場合には測定が容易でないが、本実施形態では、ワークＭ”の温度が室温と異なる場合でもその影響を避けることができる。このことは上述した他の音響式測定装置１,１００〜３００についても同様である。
【０１３０】
また、同じ体積（容積）の容器であっても、表面積が異なると音響インピーダンスが異なることから、音響式測定装置４００では、下筐体４０３の凹部４０７に中子４２２を収納可能としており、基準容器４１０と被測定容器４２０の音響インピーダンスを等しく合わせ込むことを可能としている。これにより、リークの無い健全なワークに対して、できるだけ基準容器４１０と被測定容器４２０の音響インピーダンスを近づけるように中子４２２の体積と面積をあらかじめ調整することができ、健全なワークと被測定対象であるワークＭ”の結果を比較して、リークを判定することができる。すなわち、信号処理部４１８は、健全なワークを上筐体４０４に取付けたときのＵm／Ｕrの値を求めておき、その後、ワークＭ”のリーク４０６を上筐体４０４に取付けたときのＵm／Ｕrを健全なワークのＵm／Ｕrと比較して、リークを判定する。
【０１３１】
なお、上述では、基準容器及び被測定容器を音響的に駆動する音源として、積層圧電素子とダイヤフラムを用いたが、ボイスコイルモーターとベローズを用いるようにしてもよい。また、リニアーアクチュエーターとダイヤフラム又はベローズの組み合わせ、磁歪効果を利用した音源、渦電流を利用する電磁音響トランスデューサー、オーディオ用スピーカーなどを用いることもできる。
【０１３２】
また、上述では、体積、表面積及びリークの測定を大気環境で行っているが、これに限られず空気と異なる組成の気体を用いるようにしてもよい。
【０１３３】
以上、いくつかの具体例を説明したが、上記具体例及びその組み合わせは限定されるものでなく種々の変形が可能である。
【０１３４】
本発明は、音を利用して、物体（容器）の体積（容積）、表面積（内表面積）などの基本的特性量、また、物体（容器）のリークなどを測定する方法であり、広く科学計測の分野、製造業を中心とする産業分野、設備の診断・保守などの分野において利用することができる。また、本発明の物理量測定方法は、測定量が上記した表面積、体積、リークの場合に限定されるものではなく、音響インピーダンスを利用する測定法のすべてに適用可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１ 音響式測定装置
１０ 基準容器
２０被測定容器
３０，４０ 駆動手段
５０ 差圧センサ
６０ 信号処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準容器と、
被測定対象をその一部の構成とする被測定容器と、
前記基準容器内及び前記被測定容器内をそれぞれ音響的に駆動する複数の駆動手段と、
前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧を検出する差圧センサと、
前記複数の駆動手段をそれぞれ駆動する複数の駆動信号のうち少なくとも一つの駆動信号を前記差圧センサで検出する差圧がゼロになるように制御し、このときの前記駆動信号の状態に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする音響式測定装置。
【請求項２】
前記駆動信号は、正弦波信号であり、
前記信号処理部は、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、複素数で表される前記音響インピーダンス比又はその等価値を判定することを特徴とする請求項１に記載の音響式測定装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、前記駆動信号として、複数の周波数の正弦波信号を用いて、前記音響インピーダンスの周波数特性を検出し、前記音響インピーダンス又はその等価値に加え、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定対象の測定値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の音響式測定装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定容器の形状誤差を補正することを特徴とする請求項３に記載の音響式測定装置。
【請求項５】
基準容器を用いて被測定容器の少なくとも一部を構成する被測定対象を測定する音響式測定方法であって、
前記基準容器内を音響的に駆動する駆動手段と前記被測定容器内を音響的に駆動する駆動手段のうち少なくとも一つの駆動手段を駆動する駆動信号を制御して、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧をゼロにするステップと、
前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出するステップと、を有することを特徴とする音響式測定方法。
【請求項１】
基準容器と、
被測定対象をその一部の構成とする被測定容器と、
前記基準容器内及び前記被測定容器内をそれぞれ音響的に駆動する複数の駆動手段と、
前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧を検出する差圧センサと、
前記複数の駆動手段をそれぞれ駆動する複数の駆動信号のうち少なくとも一つの駆動信号を前記差圧センサで検出する差圧がゼロになるように制御し、このときの前記駆動信号の状態に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする音響式測定装置。
【請求項２】
前記駆動信号は、正弦波信号であり、
前記信号処理部は、前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、複素数で表される前記音響インピーダンス比又はその等価値を判定することを特徴とする請求項１に記載の音響式測定装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、前記駆動信号として、複数の周波数の正弦波信号を用いて、前記音響インピーダンスの周波数特性を検出し、前記音響インピーダンス又はその等価値に加え、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定対象の測定値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の音響式測定装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記音響インピーダンスの周波数特性に基づいて、前記被測定容器の形状誤差を補正することを特徴とする請求項３に記載の音響式測定装置。
【請求項５】
基準容器を用いて被測定容器の少なくとも一部を構成する被測定対象を測定する音響式測定方法であって、
前記基準容器内を音響的に駆動する駆動手段と前記被測定容器内を音響的に駆動する駆動手段のうち少なくとも一つの駆動手段を駆動する駆動信号を制御して、前記基準容器内と前記被測定容器内との差圧をゼロにするステップと、
前記差圧がゼロの状態での前記駆動信号の振幅と位相に基づいて、前記基準容器と前記被測定容器との音響インピーダンス比又はその等価値を判定し、当該判定値から前記被測定対象の測定値を算出するステップと、を有することを特徴とする音響式測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２８６２５５（Ｐ２０１０−２８６２５５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３８０３０（Ｐ２００９−１３８０３０）
【出願日】平成２１年６月９日（２００９．６．９）
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月９日（２００９．６．９）
【出願人】（５０４１５９２３５）国立大学法人 熊本大学 (314)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]