(57)【要約】【課題】気体中や液体中を伝搬する音波や、固体中を伝搬する弾性波を周波数により伝搬方向を制御することができる音響導波路装置を得る。【解決手段】音響波が伝搬可能な材質１と、材質１中にあって材質１とは音響的な性質が異なる材質２とを設け、材質２が、周期的に配列された周期構造を構成し、前記周期構造の形状は、前記音響波が入射する入射面と透過する透過面とが平行でない構造であり、前記周期構造は、前記音響波の導波を制御するものであり、前記音響波が前記周期構造を透過する際に、前記透過面から放射される音響波の伝搬方向が周波数により異なるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響波が伝搬可能な第１の材質と、
前記第１の材質中にあって前記第１の材質とは音響的な性質が異なる第２の材質とを備え、
前記第２の材質が、周期的に配列された周期構造を構成し、
前記周期構造の形状は、前記音響波が入射する入射面と透過する透過面とが平行でない構造であり、
前記周期構造は、前記音響波の導波を制御するものであり、前記音響波が前記周期構造を透過する際に、前記透過面から放射される音響波の伝搬方向が周波数により異なる
ことを特徴とする音響導波路装置。
【請求項２】
前記周期構造は、前記第２の材質が２次元的に配列されている
ことを特徴とする請求項１記載の音響導波路装置。
【請求項３】
前記周期構造は、前記第２の材質が３次元的に配列されている
ことを特徴とする請求項１記載の音響導波路装置。
【請求項４】
前記音響波は、気体中あるいは液体中を伝搬する音波である
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の音響導波路装置。
【請求項５】
前記音響波は、固体中を伝搬する弾性波である
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の音響導波路装置。
【請求項６】
前記音響波は、超音波である
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載の音響導波路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、音響波の導波路装置全般に係るものであり、特に周波数により音響波の伝搬方向を制御する音響導波路装置に関するものである。なお、ここで用いる「音響波」という文言は、気体中や液体中を伝搬する音波や、固体中を伝搬する弾性波などを指すものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁波に関する導波路装置について、図１２を参照しながら以下に説明する（例えば、非特許文献１参照）。図１２は、従来の電磁波に関する導波路装置のシミュレーション結果を示す図である。図１２において、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、非特許文献１のＦｉｇ．４及びＦｉｇ．３に示されているシミュレーション結果である。
【０００３】
周囲材質とは異なる材質が周期的に配列されている場合、この部分を伝搬して透過する電磁波は、境界面が傾斜していると周波数により伝搬方向が異なることが知られている。非特許文献１は、このような導波路装置について検討したものである。装置構成は簡単であり、電磁波が伝搬する材質とは異なる材質を周期的に配列しただけである。図１２中には電磁波が伝搬する材質とは異なる材質が周期的に配列した様子が示されており、丸印が周期的に三角形に配列されている。この部分を、ここでは簡単のため「周期構造」と呼ぶことにする。
【０００４】
次に、従来の電磁波に関する導波路装置の動作について説明する。図１２（ａ）及び（ｂ）の左側から電磁波が入射され、周期構造中を伝搬し、周期構造の右側斜面へ到達する。その後周期構造の右側斜面を透過して伝搬していくが、伝搬方向が周波数により異なる。図１２では、周波数が７．６ＧＨｚの場合は（ａ）の右上方向に、６．８ＧＨｚの場合では（ｂ）の右下方向へ伝搬していく様子を示している。このように、周期構造の右側斜面を透過する際に、周波数により伝搬方向が異なる。なお、非特許文献１では、シミュレーションだけでなく、実験も行い、同様の結果が得られたことも示している。
【０００５】
【非特許文献１】S. Sudhakaran, Y. Hai, J. Dupuy and C. G. Parini,"Mesurement Verification of Negative Refraction in Generalised Electromagnetic Periodic Structures," 27th ESA Antenna Workshop, Session 11: Application of Electromagnetic Band Gap Structures and LHM
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上説明したように、電磁波が周期構造を伝搬し、傾斜している境界面から透過する際に、周波数により伝搬方向が異なるという導波路装置がある。この装置は、周波数により伝搬方向を制御することができるので、種々の応用が考えられる。しかし、気体中や液体中を伝搬する音波や、固体中を伝搬する弾性波については、このような導波路装置は皆無であるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、気体中や液体中を伝搬する音波や、固体中を伝搬する弾性波を周波数により伝搬方向を制御することができる音響導波路装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る音響導波路装置は、音響波が伝搬可能な第１の材質と、前記第１の材質中にあって前記第１の材質とは音響的な性質が異なる第２の材質とを設け、前記第２の材質が、周期的に配列された周期構造を構成し、前記周期構造の形状は、前記音響波が入射する入射面と透過する透過面とが平行でない構造であり、前記周期構造は、前記音響波の導波を制御するものであり、前記音響波が前記周期構造を透過する際に、前記透過面から放射される音響波の伝搬方向が周波数により異なるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る音響導波路装置は、気体中や液体中を伝搬する音波や、固体中を伝搬する弾性波を周波数により伝搬方向を制御することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置について図１から図６までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１１】
図１において、この実施の形態１に係る音響導波路装置は、音響波が伝搬可能な媒質１と、媒質１とは音響的に異なる材質の物質（ここでは簡単のため異物質と呼ぶことにする）２とが設けられている。
【００１２】
異物質２は、図１に示すように縦方向および横方向に周期的に配列されており、周期構造を成している。異物質２の周期構造は、図１の左側では振動子３に平行であり、図１の右側では振動子３とは平行ではなく、傾斜している。なお、本発明における装置構成としては、媒質１と異物質２の周期構造だけであり、振動子３は含まない。この振動子３は、導波路装置の動作を説明するために設けたものである。
【００１３】
つぎに、この実施の形態１に係る音響導波路装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置のシミュレーション条件を示す図である。図３は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置に使用される中心周波数２ＭＨｚの送信信号を示す図である。図４は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置を中心周波数２ＭＨｚの送信信号で振動子を介して励振した場合の音場シミュレーション結果を示す図である。図５は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置に使用される中心周波数３．３ＭＨｚの送信信号を示す図である。図６は、この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置を中心周波数３．３ＭＨｚの送信信号で振動子を介して励振した場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【００１４】
図１において、振動子３により媒質１中に音響波が発生し、媒質１中を伝搬していく。
【００１５】
振動子３により発生した音響波は、異物質２の周期構造中を伝搬し、周期構造の右側斜面から透過していく。透過した音響波は、再び媒質１中を伝搬していく。この際に、伝搬していく方向が周波数により異なる。図１中では、周波数ｆ１と周波数ｆ２の伝搬方向を矢印で示している。
【００１６】
周波数によって伝搬する方向が異なる音響導波路装置について、具体的に説明する。音場を可視化するシミュレーションを行い、固体中を伝搬する弾性波が周波数により伝搬方向が異なる様子を求めた。シミュレーションモデルには２次元のＦＤＴＤ法を用いた。図２にシミュレーション条件を示す。（ａ）に示すように、縦１０ｍｍ，横９．８ｍｍのアクリルに対して直径０．１８ｍｍの空気穴をあけ、空気穴を周期的に三角形に配列した導波路装置を仮定した。すなわち、アクリルが媒質１に相当し、空気穴が異物質２に相当し、空気穴の周期的な配列が周期構造に相当する。（ｂ）に示すように、周期構造の配列間隔は、縦方向および横方向に０．２４ｍｍ間隔とした。また、アクリルの左側に、大きさ３．３ｍｍの振動子３が接着しているものとした。周期構造は、左側が振動子３に対して平行であり、右側が振動子３に対して斜めになっている。
【００１７】
図３は、中心周波数２ＭＨｚの信号を示したものであり、（ａ）が周波数スペクトル、（ｂ）が時間応答波形である。
【００１８】
図３に示す信号を送信信号として用いて振動子３を厚み振動させた場合の音場シミュレーション結果を、図４に示す。図４（ａ）及び（ｂ）は、振動子３を厚み振動させてから２．５μｓ及び４．０μｓ経過の音場スナップショットを示したものである。図４では、縞模様２本の間隔が１波長に相当する。振動子３を厚み振動させたので、アクリル中には弾性波として縦波が伝搬していく。周期構造中を伝搬した弾性波は、２．０μｓ付近で周期構造の右側斜面から放射され始める。その後の２．５μｓ、４．０μｓの音場シミュレーション結果から、中心周波数２ＭＨｚの弾性波が図４中の斜め下方向に伝搬していく様子が分かる。
【００１９】
一方、図５は、中心周波数３．３ＭＨｚの信号を示したものであり、（ａ）が周波数スペクトル、（ｂ）が時間応答波形である。
【００２０】
図５に示す信号を送信信号として用いて振動子３を厚み振動させた場合の音場シミュレーション結果を、図６に示す。図４と同様に、図６（ａ）及び（ｂ）は、振動子３を厚み振動させてから２．５μｓ及び４．０μｓ経過の音場スナップショットを示しており、弾性波として縦波が伝搬していく様子を示している。なお、伝搬の様子を分かりやすくするため、弾性波の表示感度は図４より高くしている。図６から分かるように、周期構造中を伝搬した弾性波は、２．５μｓ付近で周期構造の右側斜面から放射され始める。４．０μｓの音場シミュレーション結果から、周期構造を透過した弾性波は、図６中の斜め上側に伝搬していく様子が分かる。なお、中心周波数３．３Ｍｈｚの送信信号の場合、モード変換によって発生した横波も空気穴の周期構造から放射される。図６（ｂ）の４．０μｓでは、横波が放射される様子を示している。
【００２１】
以上、この実施の形態１で示した音響導波路装置を透過する弾性波は、周波数により伝搬方向が異なる様子を具体的に説明した。すなわち、ここで示した音響導波路装置は、周波数によって伝搬方向を制御できるという効果がある。
【００２２】
また、シミュレーションによる具体的な説明では、異物質２は空気穴としたが、空気穴でなくても良い。水溜まりのような状態になっていても良いし、固体でも良い。要するに、音響的に異なる材質であれば良い。
【００２３】
さらに、異物質２の形状は丸でなくても構わない。図１やシミュレーションによる具体的な説明では異物質２の形状を丸として説明したが、楕円でも、四角でも良く、形状を限定するものではない。
【００２４】
また、ここでは図１に示すように周期構造が２次元的に配列されている場合について説明したが、配列は３次元的であっても構わない。
【００２５】
また、シミュレーションによる具体的な説明では音響波が弾性波である場合について説明したが、弾性波でなくても構わない。気体中や液体中を伝搬する音波であっても、同様な構成で同様な効果が得られる。さらに、周波数の高い音波や弾性波、いわゆる超音波においても、同様な構成で同様な効果が得られる。
【００２６】
これまでは、シミュレーションにより周期構造の動作を説明したが、このシミュレーション結果を確認するために実験を行った。実験は、アクリルに貫通穴を設けた試験体を試作して行った。なお、図２に示したような直径の大きさ０．１８ｍｍで配列周期０．２４ｍｍの貫通穴をアクリルに設けることは製造技術的に困難であったので、直径の大きさ１ｍｍで配列周期１．５ｍｍの試験体を試作した。図７は、試作した試験体を示す図である。また、図８は、図７の試験体の実験系の構成を示すブロック図である。図８に示すように、実験系２０の波形発生器２１でキャリア周波数０．３９ＭＨｚおよび０．８４ＭＨｚのバースト信号を発生させ、パワーアンプ２２で増幅し、送信用探触子２３を励振する。試験体（周期構造）１Ａを伝搬し透過した超音波は、反対面側に設けられた受信用探触子２４で受信される。この受信用探触子２４を走査することにより、透過した超音波の伝搬方向を求めるという実験を行った。受信用探触子２４で受信された信号は、受信アンプ２５で増幅し、ディジタルオシロスコープ２６で測定した。また、受信信号はＰＣ（パソコン）２７に保存した。
【００２７】
図９は、図８の実験系による実験結果を示す図である。図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、キャリア周波数０．３９ＭＨｚ及び０．８４ＭＨｚの実験結果である。図中には、比較のため周期構造のないアクリル試験体を用いた実験結果を併せて示しており、白丸印が周期構造のないアクリル試験体を透過した信号、黒四角印が周期構造を透過した信号の電圧である。図から分かるように、キャリア周波数が０．３９ＭＨｚの場合は中心より右側の方が受信信号の電圧が高くなっている。これに対し、キャリア周波数が０．８４ＭＨｚの場合は、中心より左側の方が受信信号の電圧が高くなっている。これは、周期構造を伝搬する超音波が、周波数により伝搬方向が異なるというシミュレーション結果を裏付ける実験データである。
【００２８】
なお、実験と同様の条件で２次元弾性波ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを行い、受信信号を求めた。図１０（ａ）及び（ｂ）は、２次元弾性波ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示す図である。図１０と図９を比較すると、両者はほぼ一致している。すなわち、シミュレーションの妥当性が確認できたので、図４及び図６に示したシミュレーション結果も妥当であると考えられる。
【００２９】
最後に、周波数によって伝搬方向を制御できる音響導波路装置の具体的な用途の一例を説明する。図１１は、超音波探傷試験で使用される斜角探触子のくさびに音響導波路装置を適用した図である。
【００３０】
図１１に示すように、探触子のくさび１Ａから周波数ｆ１と周波数ｆ２が異なる方向に伝搬するように、さらに、周波数ｆ２を試験体４に対して垂直に入射するように音響導波路装置を設計すれば、周波数ｆ１を通常の斜角探傷に、周波数ｆ２を垂直探傷に用いることができる。振動子３で受信されるエコーはｆ１とｆ２の周波数成分が含まれている信号となるが、探傷器１０にフィルタ１４を設ければ、識別可能である。なお、探傷器１０には、送信部１１と、受信部１２と、切り替えスイッチ１３と、フィルタ１４と、表示部１５とが設けられている。
【００３１】
すなわち、切り替えスイッチ１３により周波数ｆ１を通過させ、周波数ｆ２を遮断するようなフィルタ１４とすれば、通常の斜角探傷となる。一方、切り替えスイッチ１３により周波数ｆ１を遮断し、周波数ｆ２を通過するようなフィルタ１４とすれば、通常の垂直探傷となる。このように、フィルタ１４に接続された切り替えスイッチ１３を操作するだけで、斜角探傷と垂直探傷を兼用できるという効果がある。
【００３２】
なお、周波数ｆ２を垂直探傷に用いる代わりに、試験体４の厚さｌｔの計測に用いることもできる。試験体４の厚さｌｔは、１．５スキップ以上の斜角探傷ではきずの深さを求めるときに用いる重要なパラメータである。通常は試験体４の厚さｌｔをノギスなどで別途測定してから探傷を行うが、周波数ｆ２を試験体４の厚さｌｔの計測に用いることで、ノギスなどを用いた測定を省略できるという効果がある。
【００３３】
さらに、周波数ｆ２をカップリングチェックに用いることもできる。斜角の自動探傷でエコーが受信されない場合、きずが無いのか、それとも探触子と試験体４との接触状況が悪いのか、判別ができない。したがって、斜角探触子にカップリングチェック機能を付け、探触子と試験体４との接触状況を確認する作業が行われている。一方、周波数ｆ２は、探触子と試験体４との接触状態がよければ底面エコーとして受信されるが、接触状態が悪ければエコーは受信されない。すなわち、周波数ｆ２のエコーはカップリングチェックの信号として用いることができる。このように、周波数ｆ２のエコーをカップリングチェックの信号として用いれば、新たにカップリングチェック機能を付ける必要がないので、斜角探触子の構成を簡単にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置のシミュレーション条件を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置に使用される中心周波数２ＭＨｚの送信信号を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置を中心周波数２ＭＨｚの送信信号で振動子を介して励振した場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置に使用される中心周波数３．３ＭＨｚの送信信号を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置を中心周波数３．３ＭＨｚの送信信号で振動子を介して励振した場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【図７】試作した試験体を示す図である。
【図８】図７の試験体の実験系の構成を示すブロック図である。
【図９】図８の実験系による実験結果を示す図である。
【図１０】２次元弾性波ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係る音響導波路装置を超音波探傷試験で使用される斜角探触子のくさびに適用した図である。
【図１２】従来の電磁波に関する導波路装置のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  媒質、１Ａ  くさび、２  異物質、３  振動子、４  試験体、１０  探傷器、１１  送信部、１２  受信部、１３  切り替えスイッチ、１４  フィルタ、１５  表示部。
【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】
2006343725.tif 000009
【図８】
2006343725.tif 000010
【図９】
2006343725.tif 000011
【図１０】
2006343725.tif 000012
【図１１】
2006343725.tif 000013
【図１２】
2006343725.tif 000014