(57)【要約】【課題】  異なる二種類の気体中に設置した吸音材料等のある種の材料中を伝搬する超音波の音速を効率良く計測することが可能な超音波音速計測装置を提供すること。【解決手段】  所定の異なる二種類の気体が交互に充填される容器と、上記容器内に設置されある種の材料を所定の計測位置に対して出没させる材料出没手段と、上記容器内に設置され上記所定の計測位置を挟んで超音波発信センサと超音波受信センサとを配置してなる超音波送受信手段と、上記超音波送受信手段により得られたデータに基づいて上記異なる二種類の気体雰囲気中における上記ある種の材料を通過する超音波の速度を夫々算出する超音波速度算出手段と、を具備したもの。【選択図】  図１
2007101182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の異なる二種類の気体が交互に充填される容器と、
上記容器内に設置されある種の材料を所定の計測位置に対して出没させる材料出没手段と、
上記容器内に設置され上記所定の計測位置を挟んで超音波発信センサと超音波受信センサとを配置してなる超音波送受信手段と、
上記超音波送受信手段により得られたデータに基づいて上記異なる二種類の気体雰囲気中における上記ある種の材料を通過する超音波の速度を夫々算出する超音波速度算出手段と、
を具備したことを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波音速計測装置において、
上記所定の異なる二種類の気体は、空気と、音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体であることを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の超音波音速計測装置において、
上記音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体は、アルゴンガス（Ａｒ）又は酸素ガス（Ｏ２）又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）であることを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の超音波音速計測装置において、
上記所定の異なる二種類の気体を供給・排気する気体供給・排気手段が設けられていることを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項５】
請求項４記載の超音波音速計測装置において、
上記気体供給・排気手段は、上記所定の異なる二種類の気体を上記容器内に供給する気体供給手段と、上記所定の異なる二種類の気体を容器内から排気する気体排気手段と、から構成されていることを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項６】
請求項１記載の超音波音速計測装置において、
上記所定の異なる二種類の気体を交互に容器内に充填し、夫々の雰囲気において上記ある種の材料を所定の計測位置に出没させ、ある種の材料が有る場合と無い場合のデータを取得し、夫々の雰囲気におけるある種の材料が有る場合と無い場合のデータに基づいて、上記超音波速度算出手段により超音波速度を算出するようにしたことを特徴とする超音波音速計測装置。
【請求項７】
請求項１記載の超音波音速計測装置において、
上記ある種の材料は吸音材であることを特徴とする超音波音速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波音速計測装置に係り、例えば、吸音材等のある種の材料を通過する超音波の音速を効率的に計測し、それによって、吸音材等のある種の材料の物性を解析することができるように工夫したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、多孔質の吸音材の吸音率は「流れ抵抗」と大きな関係があることが知られている。上記「流れ抵抗」の計測方法はＩＳＯ９０５３規格に規定されている。又、この「流れ抵抗」に因果関係が深い物性値として、「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」及び「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といったものが存在している。つまり、「流れ抵抗」を詳細に解明するためには、「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」及び「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といった物性値の情報が必要となるものである。
尚、上記「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」には、「Ｖｉｓｃｏｕｓ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ」と「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ」の二種類がある。  
【０００３】
又、上記「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」並びに「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といった物性値は、異なる二種類の気体中に設置した吸音材料中を伝搬する超音波の音速を計測することによって求めることができることが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の構成によると次のような問題があった。上記したように、「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」並びに「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といった物性値は、異なる二種類の気体中に設置した吸音材料中を伝搬する超音波の音速を計測することによって求めることができることについては知られているが、異なる二種類の気体中に設置した吸音材料中を伝搬する超音波の音速を計測するための有効な装置がなかった。
【０００５】
尚、本願と直接関係するものではないが、先行技術として、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１７４７４１号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０６３６号公報
【０００７】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、異なる二種類の気体中に設置した吸音材料等のある種の材料中を伝搬する超音波の音速を効率良く計測することが可能な超音波音速計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による超音波音速計測装置は、所定の異なる二種類の気体が交互に充填される容器と、上記容器内に設置されある種の材料を所定の計測位置に対して出没させる材料出没手段と、上記容器内に設置され上記所定の計測位置を挟んで超音波発信センサと超音波受信センサとを配置してなる超音波送受信手段と、上記超音波送受信手段により得られたデータに基づいて上記異なる二種類の気体雰囲気中における上記ある種の材料を通過する超音波の速度を夫々算出する超音波速度算出手段と、を具備したことを特徴とするものである。
又、請求項２による超音波音速計測装置は、請求項１記載の超音波音速計測装置において、上記所定の異なる二種類の気体は、空気と、音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体であることを特徴とするものである。
又、請求項３による超音波音速計測装置は、請求項２記載の超音波音速計測装置において、上記音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１.５倍以下のある気体はアルゴンガス（Ａｒ）又は酸素ガス（Ｏ２）又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）であることを特徴とするものである。
又、請求項４による超音波音速計測装置は、請求項１記載の超音波音速計測装置において、上記所定の異なる二種類の気体を供給・排気する気体供給・排気手段が設けられていることを特徴とするものである。
又、請求項５による超音波音速計測装置は、請求項４記載の超音波音速計測装置において、上記気体供給・排気手段は、上記所定の異なる二種類の気体を上記容器内に供給する気体供給手段と、上記所定の異なる二種類の気体を容器内から排気する気体排気手段と、から構成されていることを特徴とするものである。
又、請求項６による超音波音速計測装置は、請求項１記載の超音波音速計測装置において、上記所定の異なる二種類の気体を交互に容器内に充填し、夫々の雰囲気において上記ある種の材料を所定の計測位置に出没させ、ある種の材料が有る場合と無い場合のデータを取得し、夫々の雰囲気におけるある種の材料が有る場合と無い場合のデータに基づいて、上記超音波速度算出手段により超音波速度を算出するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項７による超音波音速計測装置は、請求項１記載の超音波音速計測装置において、上記ある種の材料は吸音材であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように本願発明による超音波音速計測装置によると、所定の異なる二種類の気体が交互に充填される容器と、上記容器内に設置されある種の材料を所定の計測位置に対して出没させる材料出没手段と、上記容器内に設置され上記所定の計測位置を挟んで超音波発信センサと超音波受信センサとを配置してなる超音波送受信手段と、上記超音波送受信手段により得られたデータに基づいて上記異なる二種類の気体雰囲気中における上記ある種の材料を通過する超音波の速度を夫々算出する超音波速度算出手段と、を具備した構成になっているので、まず、異なる二種類の気体雰囲気中において所望の超音波の音速の計測を容易に行なうことが可能となり、それによって、ある種の材料の物性を容易に且つ正確に分析することができるようになった。
又、上記所定の異なる二種類の気体を、空気と、音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体とした場合には、所望の計測を精度高く実施することができる。
又、上記音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体を、
アルゴンガス（Ａｒ）又は酸素ガス（Ｏ２）又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）とした場合には、上記効果がより確実なものとなる。
又、上記所定の異なる二種類の気体を供給・排気する気体供給・排気手段を設けた場合には、異なる二種類の気体の入れ替えが容易になる。
又、上記ある種の材料を吸音材とした場合には、新たな吸音材を開発する上で優れた効果を発揮することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による超音波音速計測装置の全体の構成を示す図である。まず、容器１があり、この容器１内には異なる二種類の気体が交互に充填されることになる。上記容器１は密閉状態に構成されていて、下端には複数個の脚部２が設けられており、これら脚部２を介してフロア４上に設置される。
【００１１】
上記容器１には上記二種類の気体を供給・排気するための構成が設けられている。本実施の形態の場合には、上記二種類の気体として、空気とアルゴンガス（Ａｒ）を使用する。これら二種類の気体については追って詳しく説明する。
まず、上記容器１の底板には上記空気を容器１内に充填させるための空気導入ポート３が設けられていて、該空気導入ポート３には端栓８が着脱可能に取り付けられるようになっている。
【００１２】
又、上記容器１には上記アルゴンガス（Ａｒ）を供給するためのアルゴンガス供給手段５がチューブ７を介して接続されている。上記チューブ７は容器１の底板に接続されている。又、上記容器１には容器１内に充填された空気やアルゴンガスを容器１外に排気するための空気・アルゴンガス排気手段９がチューブ１１を介して接続されている。上記チューブ１１は容器１の底板に接続されている。
【００１３】
そして、容器１内に最初に空気を充填する場合は上記空気導入ポート３に取り付けられている端栓８を取り外す。それによって、容器１内に空気が導入・充填される。次に、空気とアルゴンガスを入れ替える場合は、上記空気・アルゴンガス排気手段９を介して空気を排気すると共に上記アルゴンガス供給手段５によってアルゴンガスを供給することになる。
【００１４】
上記容器１には超音波送受信手段１３が設置されている。まず、容器１の外側に超音波発振器１５が設置されていて、一方、容器１内には超音波送信センサ１７が設置されている。上記超音波送信センサ１７に対向するように超音波受信センサ１９が設置されている。これら超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１９は支持部材２０によって支持されている。上記超音波受信センサ１９は容器１の外側に設置された信号分析器２１が接続されている。又、上記超音波発振器１５と信号分析器２１は演算手段２３に接続されている。
【００１５】
上記容器１内にはある種の材料である吸音材２５を上記超音波送信センサ１７と超音波受信センサ１９との間の所定の計測位置に選択的に出没させる材料出没手段２７が設置されている。この材料出没手段２７は上記吸音材２５を把持する吸音材把持部２９と、この吸音材把持部２９を支持すると共に回転可能に構成された支持部３１等から構成されている。そして、上記支持部３１を駆動モータ２８によって回転駆動することにより、上記吸音材２９を所定の計測位置に出没させるものである。
【００１６】
又、上記吸音材２９を容器１内に搬入・搬出する構成であるが、まず、容器１には開口部１ａが形成されていて、該開口部１ａは開閉蓋体６によって適宜開閉されるように構成されている。そして、吸音材２５を容器１内に搬入・搬出する場合には、上記開閉蓋体６を、例えば、回動させて開口部１ａを開放する。一方、上記支持部３１を回転させて、吸音材把持部２９を開口部１ａ側に位置させる。その状態で、開口部１ａを介して吸音材２５を搬入・搬出するものである。
【００１７】
又、上記容器１の上部には圧力計３３が取り付けられている。この圧力計３３の表示を監視しながら異なる二種類の気体の入れ替えを行うものである。  
【００１８】
次に、異なる二種類の気体について詳しく説明する。
まず、使用する気体の選択に際しては、計測時のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を考慮する。例えば、気体には、空気と比較して音響インピーダンスが小さくて動粘度が大きいという性質を備えたものが存在する。そのようなものとして、例えば、ヘリウムガス（Ｈｅ）がある。このヘリウムガス中に設置した吸音材料２５中を伝搬する音波は、減衰が激しく起こるため、密度の大きな材料や厚い材料になる程、良好なＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を確保することが困難になってしまう。又、密度が大きく厚い材料程薄く加工する必要が生じてしまう。しかしながら、繊維系の吸音材料２５を均一の厚さに薄く加工することは極めて困難である。つまり、ヘリウムガスはこの種の音速計測には適さない気体ということになる。
【００１９】
これに対して、気体には、空気と比較して音響インピーダンスが大きくて動粘度が小さいという条件を満たす気体が存在する。そのような気体としては、例えば、アルゴンガス（Ａｒ）又は酸素ガス（Ｏ２）又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）等がある。これらの気体を使用すれば、減衰は空気と同程度であり、又、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）についても空気と同程度に確保した計測が可能になる。そこで、本実施の形態ではアルゴンガス（Ａｒ）を使用しているものである。つまり、異なる二種類の気体として、空気、アルゴンガス（Ａｒ）の二つを使用しているものである。
【００２０】
上記アルゴンガス（Ａｒ）又は酸素ガス（Ｏ２）又は二酸化炭素ガス（ＣＯ２）は、空気と比較して音響インピーダンスが大きくて動粘度が小さいという条件を満たすと共に、動粘度に関しては空気の１．５倍以下となっている。
具体的には、空気の動粘度が（１．５１×１０−５ｍ２／ｓ）であるのに対して、アルゴンの動粘度が（１．３４×１０−５ｍ２／ｓ）、酸素の動粘度が（１．５３×１０−５ｍ２／ｓ）、二酸化炭素の動粘度が（０．８×１０−５ｍ２／ｓ）となっている（平成１６年版国立天文台編理科年表より）。よって、何れのガスの動粘度も空気の動粘度の１．５倍以下となっている。
尚、ヘリムの動粘度は（１１．８×１０−５ｍ２／ｓ）となっていて、空気の動粘度の１．５倍以下という条件に対しては大きく外れているものである。
【００２１】
因みに、図２は空気中に設置した吸音材料２５の超音波音速計測結果を示す図、図３はアルゴンガス（Ａｒ）中に設置した吸音材料２５の超音波音速計測結果を示す図、図４はヘリウムガス（Ｈｅ）中に設置した吸音材料２５の超音波音速計測結果を示す図である。図２、図３、図４は、空気、アルゴンガス、ヘリウムガスの雰囲気中において、密度が４１．７ｋｇ／ｍ３、７３．９ｋｇ／ｍ３の吸音材料２５を通過する超音波の速度を計測して示したものである。縦軸が音速（ｍ／ｓ）であり、横軸が周波数（ｋＨｚ）である。そして、図２、図３に示すように、空気、アルゴンガスの場合には有効なデータを得ることができる。これに対して、ヘリウムガスの場合には雑音が多過ぎてしまい有効なデータにはなり得ないものである。
【００２２】
以上の構成を基にその作用を説明する。
まず、容器１内に空気を充填して該空気中に設置した吸音材料２５中を伝搬する超音波の音速を計測する。その際、まず、材料出没手段２７によって吸音材料２５を超音波発信センサ１７と超音波受信センサ１９との間の所定の計測位置にセットする。その状態で超音波発振器１５から超音波送信センサ１７に信号を送る。そして、超音波受信センサ１７からの信号を信号分析器２１で解析する。
次に、材料出没手段２７によって吸音材料２５を超音波発信センサ１７と超音波受信センサ１９との間の所定の計測位置から退避させる。その状態で、超音波発振器１５から超音波送信センサ１７に信号を送る。そして、超音波受信センサ１７からの信号を信号分析器２１で解析する。
つまり、吸音材料２５が有る場合と無い場合の二つの場合において夫々データを取得するものである。
【００２３】
次に、容器１内の気体を空気からアルゴンガス（Ａｒ）に入れ替えて同様の計測を行なう。すなわち、空気・アルゴンガス排気手段９によって容器１内の空気を排出する。その際、圧力計３３によって確認する。次に、アルゴンガス供給手段５によって容器１内にアルゴンガスを充填する。それについても圧力計３３により確認する。
【００２４】
次に、空気の場合と同様の計測を行なう。まず、材料出没手段２７によって吸音材料２５を超音波発信センサ１７と超音波受信センサ１９との間の所定の計測位置にセットする。その状態で超音波発振器１５から超音波送信センサ１７に信号を送る。そして、超音波受信センサ１７からの信号を信号分析器２１で解析する。
次に、材料出没手段２７によって吸音材料２５を超音波発信センサ１７と超音波受信センサ１９との間の所定の計測位置から退避させる。その状態で、超音波発振器１５から超音波送信センサ１７に信号を送る。そして、超音波受信センサ１７からの信号を信号分析器２１で解析する。
つまり、吸音材料２５が有る場合と無い場合の二つの場合において夫々データを取得するものである。
【００２５】
そして、解析後は空気・アルゴンガス排気手段９によって容器１内のアルゴンガスを排出する。それは圧力計３３により確認する。そして、再度容器１内に空気を充填する。それを圧力計３３により確認する。
以上の作業によって必要なデータを取得することができる。そして、空気、アルゴンガス中における吸音材２５を通過する超音波の速度を夫々算出するものである。
そして、それら速度データに基づいて所定の手法によって吸音材２５の物性を解析するものである。
尚、上記所定の手法とは、二種類の気体中で計測した４種類の音速データを、超音波帯域の波長定数を表す式に代入して解析する手法である。  
【００２６】
以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、異なる二種類の気体雰囲気中において所望の超音波の音速の計測を容易に行なうことが可能となり、それによって、吸音材２５の物性を容易に且つ正確に分析することができるようになった。
特に、上記異なる二種類の気体として、良好なＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を確保することができるもの、具体的には、空気と、音響インピーダンスが空気より大きく、且つ、動粘度が空気の１．５倍以下のある気体を選択して使用しているので、精度の高いデータを得ることができるものである。
又、従来行われてこなかった「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」並びに「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といった物性値の解析が容易に行われるようになり、それによって、吸音材２５の物性と吸音効果との関係が正確に解明されることになり、有効な吸音材料２５の開発が可能になったものである。
又、従来存在しなかった吸音材料２５の物性値データベースが誕生することにもなる。
そして、上記解析された物性値から吸音材２５の音響特性を予測するという技術の開発にとっても極めて有益なものとなり、開発期間の短縮や開発のコストの低減を図ることができる。又、騒音対策上有効な吸音材料の開発にとっても有益である。  
【００２７】
尚、上記「Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ」並びに「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  Ｌｅｎｇｔｈ」といった物性値を解析した一例を示す。
まず、密度４１．７ｋｇ／ｍ３の吸音材料２５について次のような物性値を得ることができた。
Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ                    ：  １．０１２４
Ｖｉｓｃｏｕｓ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ
：  １０７．６（μｍ）
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ
：  ２０８．３（μｍ）      
又、密度７３．９ｋｇ／ｍ３の吸音材料２５について次のような物性値を得ることができた。
Ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ                    ：  １．０２８８
Ｖｉｓｃｏｕｓ    Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ
：５７．６（μｍ）
Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｌｅｎｇｔｈ
：  １１１．４（μｍ）
これらの物性値に基づいて吸音材料２５の流れ抵抗ひいては吸音率を解析することが可能になる。
【００２８】
次に、図５を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この場合には、まず、容器１には前記第１の実施の形態の場合と同様に開口部１ａが設けられているが、この第２の実施の形態の場合にはこの開口部１ａは常時開放されているものである。又、容器１の底部には別の開口部１ｂが形成されていて、該開口部１ｂにはアルゴンガスを排出する開閉蓋１０３が取り付けられている。
尚、その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。
【００２９】
そして、最初にアルゴンガス供給手段５によって容器１内にアルゴンガスを供給・充填する。そして、所望の計測を行なう。次に、開閉蓋１０３を開放することにより空気より比重の重いアルゴンガスは自動的に排出され、代わりに空気が充填される。そして、同様の計測を行なう。
【００３０】
したがって、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができると共に構成をさらに簡略化させることができる。
【００３１】
尚、本発明は前記第１、図２の実施の形態に限定されるものではない。
まず、空気以外の使用する気体としては、アルゴンガス（Ａｒ）以外にも、例えば、酸素ガス（Ｏ２）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２）等の使用が考えられる。
その他各部の構成は一例でありそれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、超音波音速計測装置に係り、例えば、吸音材等のある種の材料を通過する超音波の音速を効率的に計測し、それによって、吸音材等のある種の材料の物性を特定することができるように工夫したものに関し、新たな吸音材の開発を行なう上で好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波音速計測装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図で、空気中における音速計測結果を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図で、アルゴンガス中における音速計測結果を示す図である。
【図４】比較例を示す図で、ヘリウムガス中における音速計測結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す図で、超音波音速計測装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  容器
３  空気導入ポート
５  アルゴンガス供給手段
７  チューブ
９  空気・アルゴンガス排気手段
１１  チューブ
１３  超音波送受信手段
２３  演算手段
２５  吸音材
２７  材料出没手段
２９  吸音材把持部
３１  支持部
３３  圧力計
【図１】
2007101182.tif 000003
【図２】
2007101182.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007101182.tif 000006
【図５】
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