(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを内部に含む共振器が共振する周波数を決定する方法であって、
実質的に等間隔の第一の大きさのステップで、前記ガスについて非半径方向共振が生じるよう選択された第一の周波数範囲をスキャンすることによって、共振器の内部に音響信号を投入する音響送信機を駆動する工程と、
音響送信機を第一の周波数範囲で駆動することによって生成される共振器内の音響信号の振幅を検出するよう構成された音響受信機から、信号を検出する工程と、
第一の周波数範囲に対して、検出された信号に最大値が生じた周波数を決定する工程と、
第一の周波数範囲から決定された周波数を含む第一の周波数範囲よりも小さい第二の周波数範囲にわたって、第一の大きさよりも小さい実質的に等間隔の第二の大きさのステップでスキャンすることによって、音響送信機を駆動する工程と、
第二の周波数範囲にわたる音響送信機の駆動によって生成される音響受信機からの信号を検出する工程と、
第二の周波数範囲について、検出された信号に最大が生じる周波数を決定する工程と、
を含んで構成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、第二の周波数範囲について最大が生じる周波数の決定は、第二の周波数範囲を第一の方向でスキャンするよう音響送信機を駆動して最大が生じる第一周波数を決定し、続いて同じ周波数範囲を反対方向にスキャンするよう音響送信機を駆動して最大が生じる第二周波数を決定し、そして、最大が生じる第一周波数及び第二周波数を平均して、最大が生じる平均周波数を生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、第一及び第二の周波数範囲において最大が生じる周波数の決定は、第一の方向で周波数範囲をスキャンするよう音響送信機を駆動して最大が生じる第一周波数を決定し、第一の方向と反対の方向で同じ周波数範囲をスキャンするよう音響送信機を駆動して最大が生じる第二周波数を決定し、最大が生じる第一及び第二周波数を平均して最大が生じる平均周波数を生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
音響送信機がスキャンを完了したあとしばらくの間は音響受信機からの信号の検出を継続することを特徴する請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
音響受信機から検出される信号を、予測した応答時間もとづいて音響送信機を駆動する信号に合わせることを特徴する請求項４記載の方法。
【請求項６】
第二の周波数範囲は、第一の周波数範囲において最大が生じたとされた周波数の近傍に中心を置くように設定することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
音響送信機は、第一の周波数範囲をスキャンするときよりも、第二の周波数範囲をスキャンするときの方が遅い速度であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項８】
さらに、第二の範囲よりも小さく、かつ、第二の周波数範囲において最大が生じると決定された周波数の近傍をその範囲の中心として設定される第三の周波数範囲についてスキャンを行い、そこで音響受信機から検出された信号の２又はそれ以上の所定数の測定データが音響送信機が駆動される各周波数において得られるよう音響送信機が駆動され、各周波数における所定数の測定データが合計され、最大が生じる周波数が最も大きい合計を有する周波数として決定されることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項９】
音響送信機が駆動されたあと安定化時間が経過するまでは、第三の周波数範囲でのスキャンにおける新しい周波数において、音響受信機から検出された信号からサンプルを採らないことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
最大が生じる周波数は、最大が生じるときに音響送信機を駆動する信号のサイクルをカウントすることによって決定されることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
ガスを内部に含む共振器が共振する周波数を決定する装置であって、
実質的に等間隔の第一の大きさのステップで、前記ガスについて非半径方向共振が生じるよう選択された第一の周波数範囲をスキャンすることによって、共振器の内部に音響信号を投入するよう構成された音響送信機を駆動する手段と、
音響送信機を第一の周波数範囲で駆動することによって生成される共振器内の音響信号の振幅を検出するよう構成された音響受信機から、信号を検出する手段と、
第一の周波数範囲に対して、検出された信号に最大値が生じた周波数を決定する手段と、
第一の周波数範囲から決定された周波数を含む第一の周波数範囲よりも小さい第二の周波数範囲にわたって、第一の大きさよりも小さい実質的に等間隔の第二の大きさのステップでスキャンすることによって、音響送信機を駆動する手段と、
第二の周波数範囲にわたる音響送信機の駆動によって生成される音響受信機からの信号を検出する手段と、
第二の周波数範囲について、検出された信号に最大が生じる周波数を決定する手段と、
を含んで構成されることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置において、駆動手段は音響送信機が第二の周波数範囲を第一の方向でスキャンするよう駆動するよう構成され、決定手段は最大が生じる第一周波数を決定するよう構成され、続いて駆動手段は音響送信機が同じ周波数範囲を反対方向にスキャンするよう駆動するよう構成され、決定手段は最大が生じる第二周波数を決定するよう構成され、そして、装置には、最大が生じる第一周波数及び第二周波数を平均して最大が生じる平均周波数を得る手段が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の装置において、駆動手段は第一及び第二の周波数範囲のそれぞれについて第一の方向でスキャンするよう構成され、決定手段は、最大が生じる第一周波数を決定し、駆動手段はさらに第一の方向と反対の方向で同じ周波数範囲をスキャンするよう音響送信機を駆動するよう構成され、決定手段は最大が生じる第二周波数を決定するよう構成され、当該装置には第一の最大値と第二の最大値の平均を決定する手段が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
検出手段は、音響送信機がスキャンを完了したあとしばらくの間は音響受信機からの信号の検出を継続するよう構成されていることを特徴する請求項１１乃至１３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１５】
音響受信機から検出される信号を、予め決められた補正オフセットによって音響送信機を駆動する信号に合わせる手段を含むことを特徴する請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
駆動手段は、第一の周波数範囲において最大が生じたとされた周波数の近傍をその中心とするような第二の周波数範囲について音響送信機を駆動するよう構成されていることを特徴とする請求項１１乃至１５のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１７】
駆動手段は、第一の周波数範囲をスキャンするときよりも、第二の周波数範囲をスキャンするときの方が遅い速度となるよう、音響送信機を駆動するよう構成されていることを特徴とする請求項１１乃至１６のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１８】
駆動手段は、第二の範囲よりも小さく、かつ、第二の周波数範囲において最大が生じると決定された周波数の近傍をその範囲の中心として設定される第三の周波数範囲についてスキャンを行い、そこで音響受信機から検出された信号の２又はそれ以上の所定数の測定データが検出手段によって音響送信機が駆動される各周波数において得られるよう音響送信機を駆動するよう構成され、装置は、各周波数における所定数の測定データを合計する手段および最大が生じる周波数を最も大きい合計を有する周波数として決定する決定手段を有することを特徴とする請求項１１乃至１７のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１９】
検出手段は、音響送信機が駆動されたあと安定化時間が経過するまでは、第三の周波数範囲でのスキャンにおける新しい周波数において、音響受信機から検出された信号からサンプルを採らないよう構成されていることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
最大が生じるときの周波数における駆動手段のサイクルをカウントすることによって最大が生じる周波数を決定する手段を含むことを特徴とする請求項１１乃至１９のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項２１】
請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の方法を実行するためのコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、周波数の決定、特に、共振器の共振周波数の決定に関連する。
【０００２】
共振器が共振する周波数を決定するためには、例えばラウドスピーカを用いてある周波数範囲にわたって共振器を駆動し、例えばマイクで共振器が現在駆動されている周波数について共振器内の信号の振幅を検出しなければならない。ラウドスピーカは、共振が起こりうる周波数の範囲を通過するようにスキャンさせなければならない。共振周波数を正確に決定するには、共振が起こりうる周波数範囲全体にわたって、小さいステップでラウドスピーカをスキャンさせなければならない。例えば＋／−０．５Ｈｚの精度を得るには、ラウドスピーカでその周波数範囲を１Ｈｚのステップでスキャンさせなければならない。しかしながら、スキャンしなければならない周波数範囲が大きい場合には、この作業には長い時間を要し、不便である。
【０００３】
本発明の第一の形態によれば、共振器が共振する周波数を決定するための方法は：
第一の大きさの実質的に等間隔のステップで、第一の周波数範囲全体をスキャンさせて音響信号を共振器内部へ送る音響送信機を駆動すること；
第一の周波数範囲にわたって音響送信機を駆動させることによって共振器内に生成された音響信号の振幅を検出するよう構成された音響受信機から、信号を検出すること；
第一の周波数範囲について、検出された信号に最大値が生じる周波数を決定すること；
第一の周波数範囲から決定された周波数を含む第一の周波数範囲よりも小さい第二の周波数範囲全体を、第一の大きさよりも小さい第二の大きさの実質的に等間隔のステップで、スキャンさせて音響送信機を駆動すること；
第二の周波数範囲にわたって音響送信機を駆動することによって、音響受信機から、生成された信号を検出すること；
第二の周波数範囲について、検出された信号に最大値が生じる周波数を決定すること；
を含んで構成されている。
【０００４】
本発明の別の形態によれば、共振器が共振する周波数を決定するための方法は：
第一の大きさの実質的に等間隔のステップで、第一の周波数範囲全体をスキャンさせて音響信号を共振器内部へ送る音響送信機を駆動する手段；
第一の周波数範囲にわたって音響送信機を駆動させることによって共振器内に生成された音響信号の振幅を検出するよう構成された音響受信機から、信号を検出する手段；
検出された信号に最大値が生じる周波数を決定する手段；
前記決定された周波数を含む第一の周波数範囲よりも小さい第二の周波数範囲全体を、第一の大きさよりも小さい第二の大きさの実質的に等間隔のステップで、スキャンさせて音響送信機を駆動する手段；
第二の周波数範囲にわたって音響送信機を駆動することによって、音響受信機から、生成された信号を検出する手段；
第二の周波数範囲について、検出された信号に最大値が生じる周波数を決定する手段；
を含んで構成されている。
【０００５】
相対的に広い第一の周波数範囲にわたって相対的に大きな周波数ステップで音響送信機を駆動させることによって、スキャンさせた相対的に広い周波数範囲に対する共振ピークの粗い値が迅速に得られる。共振ピークの粗い値が得られたら、前に検出されたこの共振ピークに対する粗い値を含むより狭い第二の周波数範囲にわたって音響送信機が駆動され、共振周波数がより正確に決定される。これにより、共振周波数が迅速かつ正確に検出される。
【０００６】
しかしながら、音響送信機を駆動している周波数の変化が検出された音響受信機の振幅の変化に帰着する前に、ハードウェアが有限の時間をとってしまうという事実があるため、共振ピークが検出された時刻において音響送信機が駆動されていた周波数を決定する作業が複雑になるという問題がある。このことは、結果として検出された周波数の誤差に帰着する。
【０００７】
この問題は、本発明のさらに別の形態に基づいて、各周波数範囲を第一の方向でスキャンし、最大値が生じる第一の周波数を決定し、そして、反対の方向にスキャンして最大値が生じる第二の周波数を決定し、その後、最大値が生じた第一の周波数と第二の周波数の平均を求めることによって解決される。
【０００８】
検出された信号に最大値が生じる周波数に対する最終的な値は、音響送信機がさらなるスキャンにわたって駆動される各周波数での予め決められている数のサンプルを合計することによって得ることが望ましい。予め決められている数のサンプルを合計することによって、ノイズのようなランダム誤差は軽減され、より信頼できる結果が生成される。各周波数で多くのサンプルを合計することは、以前のスキャンよりも遅くなるので、次のスキャンでスキャンされる周波数範囲は、スキャンに要する時間を短くするために、前のスキャンの周波数範囲よりも小さくするのが望ましい。合計するスキャンは、共振周波数が既に実質的に特定された後に実行した最後のスキャンとするのが望ましい。
【０００９】
音響送信機を駆動しているときに共振を生じさせる実際の周波数は、サイクルの数を予め決めておいた期間カウントすることによって、あるいは予め決めておいた数のサイクルを生成するの要する時間を測定することによって、測定することが望ましい。
【００１０】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１に示すように、マイクロプロセッサを含むか或いはマイクロプロセッサそのものである駆動回路１は、ラウドスピーカ２を駆動するための適切な周波数範囲のサイン波信号を生成するよう構成されている。ラウドスピーカは、共振器３の内部に音響信号を投入するよう構成されている。マイクロフォン４は、共振器内の音響信号の大きさをピックアップするよう構成されている。マイクロフォンからの信号は、適当な電子回路５によってフィルタリングされ増幅され、そして処理手段６は、共振器内のガスに関連する共振周波数を決定し、その音速を決定する。
【００１２】
図２に示した共振器３は、この場合は剛体の球である。例示した共振器は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）によって機械加工された二つの金属（この場合は銅である）の半球３１、３２から構成されており、それらは内側の半径が１．５ｃｍ、壁の厚さが３ｍｍであり、両者が互いに溶接されて球を形成している。
【００１３】
半球３１、３２の二つの頂部で、ラウドスピーカ２及びマイクロフォン４が支持されており、これらは、図２に示すように半球がつなぎ合わされたときに、マイクロフォンからの信号の振幅が最大となる１８０°の角度だけ互いに離れた状態になる。
【００１４】
共振器には、多数のガス放散通路３３が設けられている。図２にはこのうちの一つだけを示してある。この通路によって、ガスは共振器３の内外で放散される。各半球３１、３２には、望ましくは、９０°ずつ離れた四つのガス放散通路３３を設ける。ガス放散通路３３は、望ましくは、共振器のハウジングにドリルで穴をあけ、削りくずを除去して、共振器の内部に対して反復可能な面を与える。
【００１５】
別の方法として、共振球を、焼結した材料などの多孔性材料から形成することもできる。この場合は、図２に示した銅の共振球のようなガス放散穴３３は必要なく、したがって穴３３に起因する共振周波数の乱れを軽減することができる。使用する多孔性材料は、周囲温度の変化に伴う共振器の寸法の変動に対して必要となる補正の総量が少なくなるよう、銅よりも熱膨張が小さいことが望ましい。
【００１６】
ここで使用するラウドスピーカ２は、供給電圧が５Ｖ、パワーレベルが３３ｍＷの補聴器に使用される小型のラウドスピーカで、マイクロフォン４はサブミニチュア・マイクロフォンである。
【００１７】
図３は、マイクロフォン４をどのように共振器３に取り付けるかを示している。共振器には通路４１が設けられている。これは望ましくは、ドリルで穴をあけ、削りくずを除去して形成する。共振器の外側に通路４１と中心が一致するよう設けられた円柱状のスピンドル４２は、共振器に取り付けるか、あるいは共振器の一部として形成される。スピンドル４２は、望ましくは、長さが１０ｍｍで、内径はマイクロフォン４を十分に収容できる寸法とし、ここでは５ｍｍとする。スピンドル内でのマイクロフォン４は、ラウドスピーカが共振器に共振周波数を投入したときに最も鋭い出力信号ピークが得られる最適点に置くことができるよう、長さ方向に沿ってその位置変えることができる。マイクロフォン４は、接着剤４３を使って、スピンドル４２内の最適位置に固定される。接着剤は、固まって不規則な形状になると共振周波数に乱れを生じさせる原因となるので、共振器の空洞内へは入らないようにすることが望ましい。マイクロフォン４には、望ましくはリム４５を設け、その直径をスピンドル４２の内径とほぼ等しくすることによって、接着剤が共振器へ入るのを防ぐ。あるいはまた、マイクロフォン４がスピンドル４２内にぴったりと嵌り込むようにしてもよい。マイクロフォン４は、コネクタ４６によって電気的にフィルタリング及び増幅回路５に接続されている。
【００１８】
ラウドスピーカ２も、図３に示したマイクロフォン４と同じ方法で取り付けることができるが、この例では図４に示すように、共振器の内側から特定の距離だけ離して固定される。
【００１９】
図４では、長さが約２ｍｍのスピンドル２１は、共振器３に取り付けられるか、あるいは共振器の外壁の一部として形成される。１．５ｍｍの通路２２は、ドリルでスピンドル２１及び共振器の壁を通してあけられ、削りくずが除去されて形成されている。ラウドスピーカ２は、スピンドル２１の外側から通路２２を覆うように取り付けられている。ラウドスピーカは、通路２２へ確実に入らないようにされた接着剤を用いてスピンドル２１に固定されている。ラウドスピーカはコネクタ２３によって電気的に駆動回路１に接続されている。
【００２０】
マイクロフォンとラウドスピーカが共振器上で相対的に離間する角度は、最も鋭い出力ピークが得られるよう、可変とする。これは、マイクロフォンとラウドスピーカのうちの一方を固定し、他方を可動とすることによって実現される。
【００２１】
機械加工の許容誤差に起因して生じる、例えば有効半径が異なるといった各共振球における僅かな誤差があるため、各共振器は、
ｃ＝ｆ×Ｋ
という式を使って個別に較正する。
【００２２】
各共振器は、ＧＡＳＶＬＥなどのガスの特性を予測するためのコンピュータモデルを用いて、あるいは適当な方法で測定することによって、音速（ｃ）が既知となっているガスを用いて較正される。そして、較正された共振器内の音速が既知のガスについて共振周波数（ｆ）を測定して、定数Ｋが得られる。較正された共振器とこれに関連する定数Ｋとを用いることによって、任意のガスに対して測定された共振周波数から音速を決定することができる。この場合の誤差は約＋／−０．１％程度と考えられる。共振器の体積に影響を与える周囲温度の変化を補償することによって、ガスの音速は約＋／−０．０５％程度というさらに小さい誤差で決定される。
【００２３】
ラウドスピーカは、図１に示した電子回路１によって駆動され、共振器３の第一の非半径方向共振（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｌ）ピークの周波数を含む適切な周波数範囲にわたるサイン波信号を与える。ラウドスピーカは、周波数掃引で駆動される。マイクロフォンは出力電圧を与え、これは図５に示すようにマイクロフォンが現在駆動されている周波数に対応してフィルタリングされ増幅される。これには電子回路に起因する小さな遅延が伴っている。マイクロフォンが最も大きい出力電圧を生成する周波数は、非半径方向共振周波数として決定される。これは図５では、２０℃において８８６０Ｈｚである。
【００２４】
連続的な周波数範囲のサイン波に対する近似波形の生成について、以下に述べる。
【００２５】
図６及び図７に示すように、マイクロプロセッサ１１０には、電圧制御発振器から、ライン１１１を通してクロック信号１０１が供給される。マイクロプロセッサとしては、例えば Ｈｉｔａｃｈｉ ＨＤ６４７３０４８Ｆ１６などの他、適切なものであれば任意のものを使用することができる。マイクロプロセッサ１１０は、ライン１１１からの入力クロック信号１０１を処理して、図６に示すようにそれぞれが同じ周波数のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号１０２、１０３、１０４をそれぞれライン１１２、１１３、１１４上に生成する。ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４は、ここでは抵抗１１５、１１６、１１７からなる重み付け加算回路を用いることによって結合され、サイン波に対する近似波形をライン１１８上に生成する。図６に示したサイン波に対する近似波形１０５は、それぞれが固定されたデューティーサイクル（オフの時間に対するオンの時間のパーセンテージ）を有するＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４と同じ周波数を有している。
【００２６】
この例では、合成されたサイン波に対する近似波形１０５の各サイクルはクロック信号１０１の１６サイクル分に相当するが、８サイクル分、３２サイクル分、あるいはその他であってもよい。ＰＷＭ信号１０２の立ち上がり１２１と立ち下がり１２２は、それぞれクロック信号１０１の６サイクル目と１０サイクル目の終了に同期してトリガーされる。ＰＷＭ信号１０３の立ち上がり１３１と立ち下がり１３２は、それぞれそクロック信号の４サイクル目と１２サイクル目の終了に同期してトリガーされる。ＰＷＭ信号１０４の立ち上がり１４１と立ち下がり１４２は、それぞれそクロック信号の２サイクル目と１４サイクル目の終了に同期してトリガーされる。
【００２７】
各ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４は、その後重み付け抵抗１１５、１１６、１１７をそれぞれ通過する。抵抗１１５、１１６、１１７の値の比はサイン波のもっとも良い近似波形となるように選ばれるが、この場合は、抵抗１１５は５１ｋΩ、抵抗１１６は３６ｋΩ、抵抗１１７は５１ｋΩである。
【００２８】
ＰＷＭの方形波からサイン波の近似波形を生成するためには、第３高調波、第５高調波、第７高調波、…などの高調波を抑え、第１高調波を維持するのが望ましい。図６に示した上記の方法を用いると、抵抗の許容差に起因するいくつかの残留効果を別にすると、第３及び第４高調波は本質的に排除される。この例では、サイン波生成装置は、ラウドスピーカ２を駆動するのに７．５ｋＨｚから１１．８ｋＨｚの範囲のサイン波と、マイクロフォン４によって検出されたラウドスピーカからの送信信号を生成するのに用いることを意図している。このような方法で使った場合、第７高調波あるいはこれ以上の高調波に起因する送信信号はマイクロフォンの帯域限界の外側に位置することになるので、第７高調波あるいはこれ以上の高調波は、これらの高調波を除去するためのさらなるフィルタリングや調整を必要としないレベルまで低減される。この装置をより低い周波数のサイン波の生成に用いる場合は、低域フィルターを使うことによって、或いはさらなるパルス幅変調信号を使ってサイン波に対するよりよい近似波形を生成することによって、第７高調波及びそれ以上の高調波の効果を排除するか、あるいは非常に小さくすることができる。
【００２９】
各抵抗１１５、１１６、１１７からの出力は、共通のライン１１８上で結合されて、図６に示すようなサイン波に対する近似波形１０５を生成する。そして信号１０５は、共通のライン１１８とグランドとの間に接続されたキャパシタ１１９によって低域フィルタリングされて、接続ポイント１２０において検出される。
【００３０】
図８は、電圧制御発振器１６０を示している。これは発振出力１６１を生成し、その周波数は、入力１６２に供給される駆動信号の電圧に依存する。しかしながら、出力周波数がアナログ入力の値に依存するデバイスであれば、どのようなものでも使用可能である。
【００３１】
本発明のこの例では、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社のＡＤ６５４という電圧−周波数コンバータを使用している。図８は、このＡＤ６５４のブロックダイアグラムを示している。汎用演算増幅器１６３は入力段の役割を果たすが、その目的は、入力電圧信号１６２を駆動電流に変換し、調整することである。駆動電流は、電流−周波数コンバータ１６５（非安定マルチバイブレータ）に伝達される。コンバータ１６５の出力は、トランジスタ１６４をコントロールする。
【００３２】
図８の回路接続では、入力増幅器１６３は、１６２の入力電圧に対して非常に高いインピーダンス（２５０ｍΩ）を示し、これはピン３のスケーリング抵抗１６７によって適当な駆動電流に変換される。この例では、抵抗１６７と１６８は１．２ｋΩである。
【００３３】
図７に示した出力の接続ポイント１２０に生成されるサイン波に対する近似波形の周波数は、例えば温度変動や電気部品の機能の違いなどのために、図８に示した入力１６２に供給される駆動信号の電圧から常に正確に決まるものではない。このため、後述のように、サイン波に対する近似波形の出力と同じ周波数であるＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４それぞれを伝達するライン１１２、１１３、１１４のいずれかに、マイクロプロセッサ１１０を接続する。このマイクロプロセッサは、選択したＰＷＭ信号のサイクルの数を、例えば１秒といった決められた期間にわてってカウントする。これにより、サイン波の実際の出力周波数を正確に決定することができる。マイクロプロセッサ１１０が一定期間にわたってサイクルの数をカウントするのは、サイン波に対する近似波形１０５ではなく、ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４であるが、これはＰＷＭ信号がより正確に定義された明確なオン／オフ状態を有しており、この方がカウントが容易でより良い結果を与えるからである。
【００３４】
別の方法として、マイクロプロセッサ１１０が一定期間にわたってクロック信号１０１のサイクルの数をカウントし、これをＰＷＭ信号の各サイクルを生成するのに必要なクロック信号のサイクルの数で割ることによってサイン波の周波数を決定することもできる。
【００３５】
さらに別の方法として、あるいは追加として、マイクロプロセッサが予め決められているクロックサイクルの数またはＰＷＭのサイクルを生成するのに要した時間を測定し、これからサイン波に対する近似波形の周波数を計算してもよい。
【００３６】
発振器１６０は連続的な周波数範囲の発振信号を生成するので、サイン波は連続的な周波数範囲で生成される。
【００３７】
サイン波に対する近似波形を生成するために、マイクロプロセッサと共にすぐに入手できる小型で（ＡＤ６５４用には、９．９１ｍｍ×７．８７ｍｍ×４．５７ｍｍ、８ピンのプラスチックＤＩＰ形態のもの、あるいは４．９０ｍｍ×３．９１ｍｍ×２．３９ｍｍ、８ピンのＳＯＩＣ形態のもの）安価なデバイスである周波数可変の方形波を生成する発振器を用いると、連続的な周波数範囲にわたるサイン波に対する近似波形を生成でき、かつ、小型であるため小型のプローブや小型のハウジングなどに取り付けることができるデバイスを製造することが可能となる。マイクロプロセッサは一般に多くのプローブや他の目的の電子装置に用いられているので、連続的な周波数範囲にわたるサイン波に対する近似波形を生成するために追加しなければならないスペースは、小型の可変周波数方形波生成発振器のためのスペースだけである。
【００３８】
発振器は必ずしも電圧制御発振器である必要はなく、連続的な周波数範囲の信号を供給するよう構成されたデバイスであれば、任意のものを使用できる。
【００３９】
サイン波に対する近似波形も、必ずしも三つのＰＷＭ信号から生成しなければならないというものではなく、サイン波に対する必要な近似のレベルに応じて適切な数から生成することができる。さらに、サイン波の各サイクルが１６クロックサイクルに対応していることも必須のことではなく、８サイクル、３２サイクルなど任意の適切な数とすることができる。
【００４０】
共振周波数（マイクロフォンによって生成される信号の振幅が最大となる周波数）を迅速かつ正確に決定するために、はじめに、図９にＳ１で示した共振が起こると思われる周波数範囲について迅速で粗い周波数掃引が行われる（この場合は１０〜１５Ｈｚのステップで）。マイクロプロセッサなどの制御手段は、最初の粗い周波数掃引の中で最大値が現れた狭い周波数範囲を特定する。そして、最大値が生じる周波数を正確に決定して共振周波数を特定するために、この特定された狭い周波数範囲内で、さらなる周波数掃引（Ｓ２）が、より小さい周波数ステップ（この場合は１Ｈｚ）で行われる。
【００４１】
上記のような粗い周波数掃引と狭い周波数範囲での細かい周波数掃引とを組み合わせることによって、共振周波数の正確な値を、たとえば数分の１秒という短時間で迅速に決定することができる。マイクロプロセッサなどの制御手段は、続いて検出された周波数値を平均して（Ｓ３）ノイズに起因する誤差を小さくする。そして、共振時にラウドスピーカ２を駆動するよう生成されたサイン波の周波数を示すＰＷＭ信号の周波数が決定される（Ｓ４）。
【００４２】
ここで、共振周波数の決定について詳しく説明する。
【００４３】
上で述べたＰＷＭ信号を生成するマイクロプロセッサ１１０と同じマイクロプロセッサが、ここでは共振器内のガスの共振周波数を決定するアルゴリズムの実行にも用いられる。マイクロプロセッサ１１０の代わりに、ＰＣを適当なプラグイン形態のデータ取得カードと共に使用してもよい。
【００４４】
共振周波数を決定するために、マイクロプロセッサ１１０は、図１０に示すようにアナログ出力２０１、ディジタル入力２０２、そしてアナログ入力２０３を有している。
【００４５】
アナログ出力２０１は、ラウドスピーカ２に投入される周波数をコントロールするために、図８に示した電圧−周波数コンバータ１６０の入力１６２に接続されている。この場合、アナログ出力２０１は二つの出力（不図示）からなっており、この両方が電圧−周波数コンバータ１６０の入力１６２に接続されている。このうち一方の出力は粗い周波数掃引をコントロールし、他方は細かい周波数掃引をコントロールする。二つの出力はそれぞれＤ／Ａコンバータを通る。ただし、ここではマイクロプロセッサ１１０そのものの中に設けられている。そして必要なレベルの解像度を与える適当な抵抗を通される。この場合、粗い周波数制御のための抵抗は３６ｋΩであり、細かい周波数制御のための抵抗は２．２ＭΩである。
【００４６】
前に説明したように、ラウドスピーカを駆動するサイン波信号に対する近似波形の周波数は、温度の変動や電子部品の性能のばらつきなどのために、アナログ出力２０１からの駆動信号の電圧から常に正確に決めることはできない。ラウドスピーカ２を駆動するサイン波に対する近似波形と同じ周波数であるＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４のうちのどれか、あるいはクロック信号１０１を、入力２０２からマイクロプロセッサ１１０へ供給して、前に述べたように、サイン波に対する近似波形１０５の周波数を計算する。
【００４７】
アナログ入力２０３はマイクロフォンによって受信される信号の振幅を表しており、これは外部のＡ／Ｄコンバータを介してマイクロプロセッサ１１０に接続されている。共振周波数の位置を決めるプロセスは、アナログ入力２０３が最大となる周波数を特定することである。
【００４８】
共振周波数の位置を決めるプロセスは四つのステージに分けることができる。最初の三つのステージＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ共振を探すためにラウドスピーカの周波数を変えることを含んでいる。共振の位置が決められると、最後のステージＳ４で共振周波数が測定される。
【００４９】
第一のステージＳ１では、アナログ出力電圧２０１の各ステップに対してアナログ入力２０３の読みを約１回ずつとりながら、許容される周波数範囲にわたって素早い掃引を行う。許容される周波数範囲は、ガスの組成の期待される組み合わせ、温度、圧力に対して非半径方向共振が起こると思われる周波数に掃引が制限されるようなものとして選択される。許容される周波数範囲の限界を課しているのは、共振周波数の位置を決めるのに要する時間を短くするとともに、望まない共振ピークの位置を決めてしまうというリスクを減らすためである。アナログ出力２０１からの制御電圧とマイクロフォンの周波数との間の正確な関係は分かってはいないが、共振を探そうとする許容される周波数範囲の設定に使うのには十分によく近似することができる。今回の例では、周波数範囲は７．５ｋＨｚから１１．８ｋＨｚ（４．３ｋＨｚ）で、周波数のスキャン速度は毎秒８６ｋＨｚであり、マイクロフォンのサンプリングレートは毎秒１００，０００サンプルで、マイクロフォンは各方向に合計で５１００サンプルを生成する。
【００５０】
共振周波数の位置を決めるために、マイクロプロセッサは、入力２０３におけるマイクロフォンからの信号の振幅のピークを探し、そのピークのときに用いられる周波数制御電圧を確定するよう構成されている。
【００５１】
出力２０１の周波数制御電圧における変化の結果としての入力２０３のマイクロフォンからの信号の振幅の変化を生成するのにハードウェアが有限の時間を要することを考慮して、第一ステージＳ１では、アナログ出力電圧２０１の範囲全体についての上向きの最初のスキャンと、同じアナログ出力電圧の範囲についての下向きの二番目のスキャンとを行う。逆に、このアナログ出力電圧の範囲について最初のスキャンを下向きに行い、二番のスキャンを上向きに行うことが可能であることは明らかである。上向きのスキャンを行うときは、ピークが検出された時点で供給されている周波数制御電圧２０１は、応答時間がかかるために、ピークを起こさせた電圧よりも僅かに高くなっている。下向きのスキャンを行うときは、周波数制御電圧２０１は、ピーク電圧よりも僅かに低くなっている。両方のスキャン方向について応答時間が同じだと仮定すれば、この二つの電圧の平均が、共振時の正しい電圧を与えることになる。
【００５２】
ハードウェアによる有限の応答時間を考慮する第二の方法を、最初と二番めのスキャンを反対方向に行う方法と関連させて、図１１に示す。この第二の方法は、応答時間Ｔについての予測値を用いて、受信したマイクロフォンのデータ値Ｍのピーク３０１を、予測した応答時間Ｔ及び周波数制御電圧の時間に対する特性３０２に基づいて、このマイクロフォンのデータ値を生成した周波数制御電圧Ｖ（図１１に破線３０３で示す）に合わせる。このためマイクロフォンは、周波数制御電圧Ｖが時刻ｔ１でスキャン動作を終了したあとも、しばらくはデータ収集を継続する。この第二の方法では、図１１に示すように、マイクロフォンのデータＭの収集が周波数制御電圧３０２のスキャンと同期していたならば見逃してしまうような、周波数制御電圧３０２の上向きスキャンにおけるスキャン限界近傍に存在する例えばピーク３０１のようなピークでも、見出すことが可能となる。予測した応答時間が正確であるとすれば、上向及び下向きのスキャンそれぞれにおける応答ピークを生じさせた電圧として見出されたＸとＹの値は、正確に等しくなるはずである。しかしながら、図１１に示すように、この予測値は僅かながら不正確な場合があり、そのような場合には、上向きのときの周波数制御電圧と下向きのときの周波数制御電圧は僅かながら異なるので、これらは平均化される。
【００５３】
第２ステージＳ２は、第１ステージにおいて共振ピークを含んでいると特定された小さい周波数範囲について、第一ステージと同じスキャンを用いる。第２ステージでは、第一ステージによって得られた共振での周波数制御電圧を、より小さなスキャン周波数範囲での中心点として用いる。この例では、第２ステージの周波数スキャン範囲は１５０．５Ｈｚである。
【００５４】
しかしながら、最初のスキャンの結果が、第２ステージの周波数制御電圧の範囲の端部限界の一方に近すぎるために中心点に使うことができない場合もありうる。このような場合には、第２ステージでのスキャンを、周波数制御電圧の範囲の適当な端部限界に固定する。
【００５５】
周波数制御電圧のステップサイズも、第２ステージでは異なる。速度についても、第１ステージでは周波数制御電圧の最大解像度は用いないが、第２ステージではより正確な共振周波数値を求めるために、これを用いる。
【００５６】
第２ステージでは、ラウドスピーカの周波数の時間に対する変化速度として、より遅い変化速度を用いる。すなわち、第１ステージでの毎秒８６．０ｋＨｚではなく、毎秒２．１５ｋＨｚとする。この例では、第２ステージのマイクロフォンのサンプリングレートも、より小さい毎秒２５，０００サンプルであり、トータルで生成するマイクロフォンサンプルは１８００サンプルである。
【００５７】
最終的な値は、マイクロフォンのデータを平均化し、したがって信頼できる結果が生成されるスキャンを行う第３ステージによって得られる。第２ステージと同様に、このステージでも、その前のスキャンで得られた結果を、その中心点として用いる。もし、第２のスキャンの結果が、第３ステージＳ３の周波数制御電圧の範囲の端部限界に近すぎるために中心点に使うことができない場合には、第３ステージでのスキャンを、周波数制御電圧の範囲の適当な端部限界に固定することができる。しかしながら、この第３ステージのスキャンは、前の各ステージに比べてゆっくり、丁寧に行われる。このため、このステージでカバーする周波数制御電圧の値はより少なく、一般には２４またはそれ以下で、ここでは２１とする。それぞれの値に対してアナログ出力２０１が設定され、そして数ミリ秒で、この例では５ミリ秒で、回路は安定する。この安定化するまでの時間が経過すると、マイクロフォン電圧の所定数（この場合は２０）のサンプルが採られ、合計される。この処理は、各周波数制御電圧値に対して繰り返され、そしてピーク値が確定される。これが、共振周波数制御電圧値である。
【００５８】
最後の第４ステージＳ４では、共振値における周波数を保持し、ＰＷＭ信号１０２、１０３、１０４あるいはディジタル入力２０２に供給されるクロック信号１０１を用いて、ラウドスピーカ２を駆動する信号の周波数を測定し、共振器内のガスの共振周波数を見出す。この決定された共振周波数（ｆ）から、ｃ＝ｆＫという式を用いてガスの音速（ｃ）が計算される。ここでＫは、前に説明した、その共振器に対する較正定数である。ガスの音速というのは、そのガスの種々の特性を決定することを可能とする重要な特性である。
【００５９】
共振周波数を決定する方法は、ＣＤ−ＲＯＭあるいはフロッピーディスクといった形態のＲＯＭをはじめとする記録媒体に記録されたコンピュータプログラムとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】共振器を用いてガスの音速を測定するシステムの全体的な動作を示したブロックダイアグラムである。
【図２】本装置で使用される実質的に球形の共振器を示している。
【図３】音響受信機がどのように共振器に取り付けられるかを示している。
【図４】音響送信機がどのように共振器に取り付けられるかを示している。
【図５】音響受信機によって受信されたある周波数範囲の信号の振幅を示している。
【図６】クロック信号をどのように用いてパルス幅変調された複数の信号を生成し、これらがどのようにサイン波に対する近似波形を生成するかを示している。
【図７】図６に示した動作を実行するための電子回路システムを示している。
【図８】クロック信号を図６に示したシステムに供給するための電圧制御発振器を示している。
【図９】共振周波数を決定する動作のシーケンスを示している。
【図１０】共振周波数を決定するための処理手段への接続を示している。
【図１１】有限のハードウェア応答時間を考慮する方法を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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