JP4500965B2 - 音響キャビティー及びそれを用いた流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響キャビティー及びそれを用いた流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置に関する。

様々な物質に対し高圧下で圧力を変化させながらその物質中の音速を測定することは物質の物性評価に有用であり、これを用いて例えば超臨界流体等の物質中で起こっている反応、液体中に含有される微量物質の密度や弾性率の変化等を明瞭に知ることができる。また、気体を含む流体の物性評価、液体中での反応変化の検出などでの利用も期待される。

一方、より精度の高い物性評価を行うためには音速の分解能として１ｐｐｍ程度が必要であり、これは例えば超臨界液体に０．１％溶解した物質が圧力や温度によって０．１％体積変化する様子を検出する程度の分解能である。この分解能を達成するための技術としては、真鍮又はアルミニウムからなる半球状の殻を二つ合わせてその内部に測定試料を充填したキャビティーが例えば下記非特許文献１に記載がある。
Ｍ．Ｒ．Ｍｏｌｄｏｖｅｒら、"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｇａｓ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｖｕｒｅａｕ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ、１９９８年、Ｖｏｌ．９３、Ｎｏ．２、ｐｐ８５−１４４

しかしながら上記記載のキャビティーは、厚い真鍮製の容器を用いなければならず装置全体が大型となってしまい容易に測定を行うことができず、また、装置全体が大型になってしまうことにより高圧容器内の測定試料の温度の均一性、安定性を実現することにおいても課題を残している。

そこで、本発明は装置が小型化可能であって、高い温度均一性、安定性を実現することのできる流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置及びそれに用いられる音響キャビティーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための手段として、本発明は具体的には以下の手段を採用する。
第一の手段として、周波数信号を出力するオシレータと、オシレータが出力する周波数信号に基づいて振動する振動源、孔が形成され振動源に対向して配置される反射板、振動源及び反射板との間に配置される円筒、を有する音響キャビティーと、音響キャビティーの振動源の振動に起因して円筒内部に発生する波を感知するマイクロフォンと、マイクロフォンが感知した波の振幅、位相を、オシレータが出力するする周波数信号の周波数を参照して抽出及び出力するロックインアンプと、ロックインアンプの出力を格納する記憶装置を有するコンピュータと、を有する流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置とする。

なおこの手段において、音響キャビティー及びマイクロフォンを内部に格納する高圧容器と、を有すること、反射板における孔の径は円筒の内径に対して十分小さい径であること、反射板における孔の径は円筒の内径の１／１０以下であること、振動源と反射板との距離は、円筒内を伝播する音波の半波長の整数倍であること、マイクロフォンは、スペーサにより反射板と隔てて配置されていること、マイクロフォンは、反射板の前記孔によってのみ音響的に結合されていること、マイクロフォンと反射板との距離は、反射板と振動源との距離に比べて十分に小さいこと、マイクロフォンと反射板との距離は、反射板と振動源との距離の１／５以下であること、マイクロフォンと反射板との距離は、円筒内を伝播する音波の波長に比べて十分に小さいこと、も望ましい。

また、第二の手段として、振動する振動源、振動源に対向して配置され、孔が形成された反射板、振動源及び反射板との間に配置される円筒、を有する音響キャビティーとする。

なおこの手段において、振動源は、振動板と、たわみ変形型圧電素子若しくは厚み変形素子と、を有すること、孔の径は前記円筒の内径に対して十分に小さいこと、円筒において、振動源と反射板との間の距離は円筒内を伝播する音波の半波長の整数倍であること、マイクロフォンは、スペーサにより反射板と隔てて配置されていること、マイクロフォンと反射板との距離は、反射板と振動源との距離に比べて十分に小さいこと、マイクロフォンと反射板との距離は、反射板と振動源との距離の１／５以下であること、マイクロフォンと反射板との距離は、円筒内を伝播する音波の波長に比べて十分に小さいこと、も望ましい。

以上により本発明は、装置を小型化できるため恒温容器内に設置することが可能となり、高い温度安定性を実現可能で高分解能を有する流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置及びそれに用いられる音響キャビティーを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置（以下「本装置」という）のブロック図である。

本装置は、オシレータ１と、音響キャビティー２と、マイクロフォン９と、ロックインアンプ３と、コンピュータ４と、を有して構成されている。

オシレータ１は、高度に安定した周波数信号を発振する装置であり、音響キャビティー２にこの周波数信号を出力する。なお測定において周波数信号の周波数ｆは適宜変化させることが可能である。

音響キャビティー２の具体的な構成は後の図２にて詳述するが、音響キャビティー２は振動源、反射板、振動源と反射板との間に配置される円筒、を有して構成されている。振動源はオシレータ１の出力である周波数信号に基づいて円筒内に波を発生させる。なお音響キャビティー２に対応してマイクロフォン９が設けられており、マイクロフォン９は音響キャビティー２の円筒内で発生した波を受けてその振幅をロックインアンプ３へと出力する。また音響キャビティー２及びマイクロフォン９は更に測定時において測定試料が充填された高圧容器内に保持される（これも後述する）。

ロックインアンプ３は、マイクロフォン９が出力する波のうちオシレータ１が発振する周波数ｆの周波数信号と同じ周波数ｆの波の振幅、位相の値を抽出し、コンピュータ４へ出力する。

コンピュータ４は、ハードディスク等の記憶装置を有し、ロックインアンプ３からの出力をその記憶装置に格納していく。

図２に本装置の音響キャビティー２及びマイクロフォン９の詳細な構成を示す。図２（ａ）は本装置における音響キャビティー２及びマイクロフォン９の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。

図２（ａ）で示すように、本装置の音響キャビティー２は、振動源５、開口部の一方が振動源５と接して覆われてなる円筒６、振動源５に対向し円筒６の他の一方の開口部を覆うよう配置される反射板７、を有して構成されている。またマイクロフォン９は、音響キャビティーと円筒６とスペーサ８を介して配置されている。

また図２（ｂ）で示すように、音響キャビティー２における振動源５は、薄い金属からなる振動板５１、この振動板５１の面のうち円筒６と接する面と反対側の面に配置されるたわみ変形型圧電素子５２、を有して構成されている。たわみ変形型圧電素子５２は、オシレータ１に接続され、オシレータ１が発振する周波数ｆの周波数信号に基づきたわみ変形を起こし、円筒中に波を発生させる。

円筒６は、金属からなる筒であって内部に空間６１が形成されており、振動源５と反射板７との間に配置されており、この空間６１に測定試料が充填されることとなる。円筒６の振動板５１と接する側の開口部近傍は、図２（ｂ）に示すとおり開口部の端部に近づくにつれて盛り上がった形状をしており、円筒６と振動板５１とが（図２（ｂ）においては）点で（実物では線として）接する構成となっている。これは振動板５１からの振動を円筒６に直接伝えてしまうことによる実験誤差を防ぐためである。なお円筒６の長さとしては、円筒６の中を伝播する波の波長に基づいて設計することができ、基本振動が確認できる程度の長さを有していれば特段の制限は無い。

反射板７は、振動源５と円筒６と相まって定常波を形成することができる構成となっており、薄い金属の円形の板からなり、更に中央部近傍に微小な孔７１が形成されている。これにより円筒の内部に定常波を発生させること、円筒外部へ波を取り出すこと、測定試料を円筒の内部に充填すること、が可能となる。なお微小な孔７１の大きさは、上記機能を奏することができる限りにおいて特段に限定は無いが、孔７１が大きすぎると反射板７での反射が起こりにくくなり定常波の形成を困難にしてしまうため、円筒６の内径に比べ十分に小さいことが望ましい。この範囲としては概ね１０分の１以下であることが望ましい。なお一方で、あまりに小さすぎるとマイクロフォン９が波を抽出できなくなる可能性があるため、ある程度の大きさの範囲とすることも望ましく、測定が十分にできる範囲としては孔７１の径は円筒の内径の１０００分の１以上は確保することも望ましい。なお材質は、振動源５及び円筒６との組み合わせにより定常波を作成することができる程度のものであれば特に限定はないが、例えば銅や真鍮などの金属が好適である。

マイクロフォン９は、スペーサ８を介して円筒６と所定の距離だけ離れて配置されており、振動源５とほぼ同様の構成を有している。具体的には筒９３内にマイクロフォン用振動板９１、マイクロフォン用変形たわみ型圧電素子９２を有し、更にマイクロフォン用たわみ型圧電素子にはロックインアンプ３へと接続される２本の接続線９４が接続されている。マイクロフォン９はこのような構成を採用することによって反射板７の孔７１から発せられる波を抽出することができる。なおこの配置によりマイクロフォン９は、音響キャビティー２と音響的にのみ結合されている、ということもできる。またマイクロフォン９としては一般に市販されているマイクロフォンが適用可能である。

スペーサ８は、円筒６とマイクロフォン９を所定の距離だけ離すために設けられるものであり、本実施形態では棒状に撚られた繊維の糸２本を用い、円筒６との接点、マイクロフォン９との接点においてそれぞれ接着剤で固定されている。円筒６とマイクロフォン９との距離を一定に保てる程度の剛性が必要である一方、振動源５及び共鳴筒６からの振動を拾わないようにするため、剛性と緩衝性とを備えた材質が好ましく、例えばナイロン繊維やナイロンなどの繊維が好適である。また、円筒６とマイクロフォン９とが離れすぎると共鳴筒から取り出される波の感度が落ちてしまうため、概ね反射板７と振動源５との距離の５分の１以下、若しくは円筒６内で形成される定常波の波長の１０分の１以下確保されていることが望ましい。一方で、近すぎると反射板７とマイクロフォン９とが接触してしまう虞があるため、これを避ける程度離しておくことがもちろん必要である。

次に、図３を用いて本実施形態に係る流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置の測定時における音響キャビティー２の配置形態について示す。本実施形態に係る音響キャビティー２は、測定試料１０が内部に満たされた高圧容器１１中に浸されて配置される。本実施形態に係る音響キャビティー２は、上記のとおり円筒６が振動源５及び反射板７との間で共鳴波を形成することができるように構成されている一方、反射板７に微小な孔７１を有しているため、測定試料を円筒に導入することができ、しかも高圧容器１１内の圧力と円筒６内部の圧力とを同じにすることができる。即ち、本実施形態に係る音響キャビティー２は、上記のとおり金属製の大きな半球を組み合わせる等大掛かりな装置を必要とせず小型化が可能であって、小さな高圧容器内に収納させることができ、高い温度安定性を容易に実現することが可能となる。

測定試料１０は、音響キャビティー２における円筒６の内部に充填させることができる限りにおいて流体（液体、気体、更には臨界流体）であることが望ましい。

なおここで、本実施形態に係る流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置を用いる音速測定の実施、音速の求め方について説明する。

一般に、両端が閉じた円筒内においてはその円筒の長さｌに応じ複数の定常波を発生させることができ、定常波の波長は以下の式（１）で表される。なお図４（ａ）はｎ＝１の場合を、図４（ｂ）はｎ＝２の場合を、図４（ｃ）はｎ＝３の場合における定常波のモデルを示す。

また一方、音速ｖは、下記式（２）で表現されることが知られており、波長λと周波数ｆとが分かればその音速を求めることができる。つまり両端が閉じた円筒内においてｎ次定在波が発生している場合、一定の条件の下で音速ｖが定まっているため、周波数ｆも下記式（２）により定まった値となる。そこで上記の式（１）からλを定め、更に測定によりその周波数（共振周波数）を決定することにより下記式（２）からその音速ｖを求めることができ、種々物性評価を行うことができる量になるのである。

なおこの点を本実施形態に係る音響キャビティーの構造について確認すると、上記の円筒としては円筒６が考えられ、両端を閉じる構成要素としては振動板５１、反射板７が考えられる。そして本実施形態にかかる反射板７に形成されている孔７１は微小であるため、上記の条件を満たす定常波を発生させることができると共に、この定常波を微小な孔７１を介してマイクロフォン９で検出することによって、共振周波数についての測定が可能となる。

また本実施形態に係る流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置を用いた測定について再び図１を用いて説明する。まずオシレータ１は音響キャビティー２に周波数ｆの周波数信号を出力する。音響キャビティー２は、図３で示すように測定試料１０が充填された高圧容器１１内に配置されており、オシレータ１が出力する周波数信号に基づいて定常波を円筒６内に発生させ、反射板７の孔７１を通過した波の振幅をマイクロフォン９で検知する。マイクロフォン９により検知された波は、ロックインアンプ３に入力され、ロックインアンプ３はオシレータ１が発する周波数信号を参照してマイクロフォン９が検知した波から同じ周波数ｆの波の振幅及び位相の値を抽出し、コンピュータ４へと出力する。コンピュータ４は、その振幅の値とオシレータ１が発する周波数信号ｆを対応付けて格納する。そしてこの格納の後オシレータ１は周波数のみを変化させ、同様の経緯を経て測定を繰り返す。この結果、周波数と振幅の幅とが対応したデータを獲ることができ、このデータを用いて共鳴周波数を求め、音速を決定することができる。図５にこのコンピュータの記憶装置に格納されたデータをグラフ化したものを示す。なお図５のグラフにおいては、横軸が周波数、縦軸が振幅の値であり、このグラフにおいてもっとも振幅が大きいと考えられる１６．９ｋＨｚが共鳴周波数であると考えることができ、そしてこれに基づいて基本振動数を求め音速を決定することができる。

以上、本実施形態の音響キャビティーは恒温容器内に設置できるほど小型化が可能となり、恒温容器内で制度の高い温度安定性を実現し、その内部で温度を安定させることが可能となるため、高分解能の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置及びそれに用いられる音響キャビティーが実現できる。

なお、本実施形態においては、音響キャビティー２を内部に配置する高圧容器１１は測定中一定の温度に保つ必要があるため、温度調節機構により一定の温度に保たれていることが必要である。この温度調節機構としては、オイルバス恒温容器にヒータを配置した構成が考えられる。特に１ｍＫ単位での温度長性能を有する恒温容器を用いれば、１ｐｐｍ程度の高分解能を達成することができる。本実施形態に係る音響キャビティーは小型化が可能であり、様々な恒温容器内に設置可能であり、この実現が容易に可能である。

また、オシレータ１についても、コンピュータ４がロックインアンプからの出力を受けたことを確認後、オシレータ１に周波数を変えるよう指示を出せるようにすることが望ましい。即ちコンピュータ４に周波数変更手段を設け、コンピュータ４とオシレータ１とを接続することで、測定を自動化させることも極めて有用である。

また、本実施形態において、振動源には、変形たわみ型圧電素子を構成要件として説明しているが、一対の電極と、この一対の電極の間に圧電素子を配置したいわゆる変形厚み素子を用いることも可能である。

以下、本実施形態を用いた具体的な例につき説明する。

音響キャビティー２に関し、振動源５２としてφ５ｍｍのたわみ変形型圧電素子を、振動板５１として厚さ１ｍｍ、φ１０ｍｍの黄銅板を、共鳴筒６として内径φ５．５ｍｍ、外径φ１１ｍｍ、長さ６．０ｍｍの黄銅を、反射板７として厚さ０．５ｍｍ、φ６．５ｍｍであってその中心にφ０．４ｍｍの孔が形成された銅板を、スペーサ８としてφ１ｍｍ、長さ５ｍｍのナイロン糸を、マイクロフォン９としてタイセー社製、ＦＳ−７０ＴＲを、それぞれ用いた。なおマイクロフォン９と反射板７とは０．５ｍｍ離れるように、マイクロフォンと円筒６とを接着剤を用いて固定した。またオシレータ１としては、アジレントテクノロジー社製の３３１２０Ａを、ロックインアンプとしてはエヌエフ回路設計ブロック社のＬＩ−５７５型を用いた。なお周波数ｆの掃引、検出信号の記録、温度制御については１台のコンピュータで行った。

測定試料は炭酸ガスとし、高圧容器１１内に封じ込めた。なお高圧容器１１は、オイルバス１２内に配置され音響キャビティー２が測定する測定試料を一定の温度に保つこととした。

この結果を図５に示す。図５は先ほどの実施の形態において説明したが、横軸は周波数、縦軸は振幅を示す。この図では、１７ｋＨｚ近傍の共鳴周波数に近づくにしたがい振幅が増大し、離れるに従い減少することが確認でき、共鳴周波数は１６．９ｋＨｚであると決定できる。なおこの測定は温度４１．８℃、圧力８．９５ＭＰａのときの結果である。

そして一方、円筒の長さは６．００ｍｍであるため、上述の式（２）従い、音速を求めることができる。図５の結果から非常に高い精度で音速を求めることができた。

そして、このような図を様々な温度（３０℃〜４９℃）に対して行い、そのそれぞれにおける音速を求めた。図６に音速の温度特性を示す。

以上、本実施例により、装置を小型化でき、高い温度安定性をもった流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置及びそれに用いられる音響キャビティーが実現できることが実証された。特に、本実施例の共鳴長音スペクトロスコピー装置では、図５で示すようＳ／Ｎ比が大きく、Ｑ値の高いスペクトルを求めることができ、実験精度を極めて高くすることができた。

本発明の実施形態に係る共鳴超音波スペクトロスコピー装置のブロック図 本発明の実施形態に係る音響キャビティーの斜視図及び断面図。 本発明の実施形態に係る音響キャビティーの高圧容器内における配置図。 反射板及び振動源との間に形成される定常波を説明する図。 実施例における測定試料の振幅の周波数依存性を示す図。 実施例における測定試料中における音速の温度依存性を示す図。

符号の説明

１…オシレータ、２…音響キャビティー、３…ロックインアンプ、４…コンピュータ、５…振動源、６…円筒、７…反射板、８…スペーサ、９…マイクロフォン、１０…測定試料、１１…高圧容器、５１…振動板、５２…たわみ変形型圧電素子、６１…空間、７１…孔、９１…マイクロフォン用振動板、９２…マイクロフォン用変形たわみ型圧電素子、９３…筒、９４…接続線、

Claims (10)

1. 周波数信号を出力するオシレータと、
   該オシレータが出力する周波数信号に基づいて振動する振動源、孔が形成され前記振動源に対向して配置される反射板、前記振動源及び前記反射板との間に配置される円筒、を有する音響キャビティーと、
   前記音響キャビティーの前記振動源の振動に起因して該円筒内部に発生する波を感知するマイクロフォンと、
   前記マイクロフォンが感知した波の振幅を、前記オシレータが出力するする周波数信号の周波数を参照して抽出及び出力するロックインアンプと、
   前記ロックインアンプの出力を格納する記憶装置を有するコンピュータと、を有することを特徴とする流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
2. 前記音響キャビティー及び前記マイクロフォンを内部に格納する高圧容器と、を有することを特徴とする請求項１記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
3. 前記反射板における前記孔の径は前記円筒の内径に対して十分小さい径を有することを特徴とする請求項１記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
4. 前記反射板における前記孔の径は前記円筒の内径の１／１０以下であることを特徴とする請求項１記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
5. 前記振動源と前記反射板との距離は、前記円筒内を伝播する音波の半波長の整数倍であることを特徴とする請求項１記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
6. 前記マイクロフォンは、スペーサにより前記反射板と隔てて配置されていることを特徴とする請求項１記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
7. 前記マイクロフォンは、前記反射板の前記孔によってのみ音響的に結合されていることを特徴とする請求項６記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
8. 前記マイクロフォンと前記反射板との距離は、前記反射板と前記振動源との距離に比べて十分に小さいことを特徴とする請求項６記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
9. 前記マイクロフォンと前記反射板との距離は、前記反射板と前記振動源との距離の１／５以下であることを特徴とする請求項６記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。
10. 前記マイクロフォンと前記反射板との距離は、前記円筒内を伝播する音波の波長に比べて十分に小さいことを特徴とする請求項６記載の流体用共鳴音波スペクトロスコピー装置。