(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質中に保持された試料へ向けて超音波を送信し、前記試料の厚さを変化させることによって生じる前記媒質と前記試料との界面で反射する前記超音波の第１の位相差と、前記媒質および前記試料を伝播する前記超音波の第２の位相差とを求め、前記媒質の音速と、前記第１および第２の位相差とから前記試料の音速を求める音速計測方法。
【請求項２】
前記試料の厚さをｎ回（ｎは２以上の自然数）変化させ、ｎ組の前記第１の位相差および前記第２の位相差を求め、それぞれの平均値を用いて前記試料の音速を求める請求項１に記載の音速計測方法。
【請求項３】
媒質中に保持された試料が超音波の伝播路上において第１の厚さを有する場合において、前記試料に対して超音波を送信し、前記第１の厚さを規定する第１の面および第２の面において反射する第１および第２の反射波をそれぞれ検知する第１のステップと、
前記試料が超音波の伝播路上において第２の厚さを有する場合において、前記試料に対して前記超音波を送信し、前記第２の厚さを規定する第１の面および第２の面において反射する第１および第２の反射波をそれぞれ検知する第２のステップと、
前記第１のステップにおいて検知された第１の反射波と前記第２のステップにおいて検知された第１の反射波との第１の位相差および、前記第１のステップにおいて検知された第２の反射波と前記第２のステップにおいて検知された第２の反射波との第２の位相差を求め、前記第１および前記第２の位相差と前記媒質の音速とに基づいて前記試料の音速を求める第３のステップと、
を包含する音速計測方法。
【請求項４】
前記超音波を送信する送信器と前記試料の第２の面との間距離および前記反射波を検知する受信器と前記試料の第２の面との間距離は少なくとも前記第１および第２のステップにおいて等しい請求項３に記載の音速測定方法。
【請求項５】
前記試料の前記第２の面を固定した面に接触させて、前記試料を保持する請求項４に記載の音速測定方法。
【請求項６】
前記試料は前記第１の厚さを有する第1の部分および第２の厚さを有する第２の部分を含んでいる請求項３に記載の音速測定方法。
【請求項７】
前記試料は、前記第１の厚さを有する第１の断片および前記第２の厚さを有する第2の断片を含んでいる請求項３に記載の音速測定方法。
【請求項８】
前記試料は、前記第１の厚さを有する第1の状態から前記第2の厚さを有する第2の状態に変化する請求項３に記載の音速測定方法。
【請求項９】
前記試料は、前記第1の状態から前記第2の状態へ自重によって変形する請求項８に記載の音速測定方法。
【請求項１０】
前記試料が前記第1の状態から前記第2の状態へ変形するように外部から前記試料に力を加える請求項８に記載の音速測定方法。
【請求項１１】
前記第１および前記第２の位相差が３６０度以内となるよう、前記第１の厚さおよび前記第２の厚さを選択する請求項６または７に記載の音速測定方法。
【請求項１２】
前記第１および前記第２の位相差がそれぞれ３６０度以内となるよう、前記第１のステップおよび前記第２のステップの間隔を決定する請求項８から１０のいずれかに記載の音速測定方法。
【請求項１３】
媒質中に保持された試料へ少なくとも第１および第2の超音波を送信する送信器と、
前記第1および第2の超音波のそれぞれについて、前記超音波の伝播路上において前記試料の厚さを規定する第１および第２の面からそれぞれ反射される第１および第２の反射波を受信する受信器と、
前記受信器に接続されており、前記受信器おいて受信された前記第1の超音波に基づく前記第１および第２の反射波と前記第２の超音波に基づく前記第１および第２の反射波との第１の位相差および第2の位相差をそれぞれ求める演算回路と、
を備えた音速計測装置。
【請求項１４】
前記演算回路において、前記媒質の音速と前記第１および第２の位相差とから前記試料の音速を求める請求項１３に記載の音速計測装置。
【請求項１５】
前記試料を前記超音波の伝播路上において支持する試料台を更に有する請求項１３または１４に記載の音速計測装置。
【請求項１６】
前記超音波の伝播路上において、前記試料の厚さが変化するよう、前記試料を変形させる機構を更に有する請求項１３から１４のいずれかに記載の音速計測装置。
【請求項１７】
前記機構は押さえ板を含み、前記試料を前記試料台および前記押さえ板で挟むことによって前記試料を変形させる請求項１６に記載の音速測定装置。
【請求項１８】
前記押さえ板が自重によって前記試料を変形させる請求項１７に記載の音速測定装置。
【請求項１９】
前記機構は、前記押さえ板の位置を変化させる制御装置を更に含む請求項１７に記載の音速測定装置。
【請求項２０】
前記位置制御装置に連動して前記送信器が前記第1および第２の超音波を送信する請求項１９に記載の音速測定装置。
【請求項２１】
前記送信器は、ｎ回（ｎは3以上の自然数）の超音波を送信し、前記第ｍ回目（ｍは２からｎまでの自然数）の超音波に基づく前記第１および第２の反射波と前記ｍ−１回目の超音波に基づく前記第１および第２の反射波との第１の位相差および第2の位相差を求める請求項１３に記載の音速測定装置。
【請求項２２】
前記超音波が送信されるたびに、前記試料は異なる厚さを有する請求項２１に記載の音速測定装置。
【請求項２３】
前記第１の位相差および第2の位相差のすべてのｍに対する平均値を求め、前記媒質の音速と前記第１および第２の位相差の平均値とから前記試料の音速を求める請求項２２に記載の音速計測装置。
【請求項２４】
前記押さえ板は、前記押さえ板と前記試料台との間に生じる多重反射と射前記第１および第２の反射波とが干渉しないような厚みを有している請求項１７から２０のいずれかに記載の音速測定装置。
【請求項２５】
前記送信器は、前記第１および第２の位相差がそれぞれ３６０度以内となるような間隔で前記第１および第2の超音波を送信する請求項１３または２１に記載の音速計測装置。
【請求項２６】
前記送信器および前記受信器をひとつの超音波トランスデューサが兼ねている請求項１３から２５のいずれかに記載の音速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を用いて物質の音速を計測する方法およびそれに用いる音波計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を用いて試料の音速を計測する方法として、シングアラウンド法が従来より知られている。シングアラウンド法では、パルス発信器の出力を超音波送波器に加えて超音波パルスを試料中に伝播させ、試料の他端にある受波器で検出したパルス信号で再び発振器をトリガーする。こうして継続するパルス発振の繰り返しを多数回積算して伝播時間を求め、送波器と受波器と間の伝播距離と伝播時間とから音速を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
シングアラウンド法では、信号を多数回積算して伝播時間を求めるため、高い精度で試料の音速を求めることができると言われている。しかし、このためには、測定中、試料の厚さとなる超音波の伝播距離は一定でなければならない。また、伝播距離も正確に求められることが必要である。
【０００４】
試料が硬い固体である場合、試料が測定中に変形することはないため、伝播距離が測定中一定であるという条件は満たされる。また、試料の厚さを正確に求めることは、比較的簡単である。例えば、マイクロメータやノギス等を用いて試料の厚みを測定することが可能である。
【０００５】
これに対して、試料がゲル状であったり、室温において変形し得るような不定形であったりする場合、これらの条件を満たすことは一般に難しい。なぜなら、シングアラウンド法では、上述したように何回も超音波の送受信を繰り返して測定が行われるため、その間にゲル状の試料等の外形が変化してしまい、伝播距離が変わってしまうおそれがあるからである。
【０００６】
また、送波器や受波器を試料に接触させる場合、隙間ができやすいため、試料に対して一定の圧力を加えながら送波器や受波器を接触させる必要がある。このため、加えた圧力によって、試料の厚さが伝播距離を計測したときと比べて変わってしまうおそれがある。測定時間が長いとその間に試料の温度が変化して、音速が変わってしまうという問題も生じ得る。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、不定形状でその厚さを正確に測定しにくい試料や、厚さや外形が刻々と変化する試料の音速を計測することが可能な音速測定方法およびそれに用いる測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の音速測定方法は、媒質中に保持された試料へ向けて超音波を送信し、前記試料の厚さを変化させることによって生じる前記媒質と前記試料との界面で反射する前記超音波の第１の位相差と、前記媒質および前記試料を伝播する前記超音波の第２の位相差とを求め、前記媒質の音速と、前記第１および第２の位相差とから前記試料の音速を求める。
【０００９】
ある実施形態では、前記試料の厚さをｎ回（ｎは２以上の自然数）変化させ、ｎ組を前記第１の位相差および前記第２の位相差を求め、それぞれの平均値を用いて前記試料の音速を求める。
【００１０】
また、本発明の別な音速測定方法は、媒質中に保持された試料が超音波の伝播路上において第１の厚さを有する場合において、前記試料に対して超音波を送信し、前記第１の厚さを規定する第１の面および第２の面において反射する第１および第２の反射波をそれぞれ検知する第１のステップと、前記試料が超音波の伝播路上において第２の厚さを有する場合において、前記試料に対して前記超音波を送信し、前記第２の厚さを規定する第１の面および第２の面において反射する第１および第２の反射波をそれぞれ検知する第２のステップと、前記第１のステップにおいて検知された第１の反射波と前記第２のステップにおいて検知された第１の反射波との第１の位相差および、前記第１のステップにおいて検知された第２の反射波と前記第２のステップにおいて検知された第２の反射波との第２の位相差を求め、前記第１および前記第２の位相差と前記媒質の音速とに基づいて前記試料の音速を求める第３のステップとを包含している。
【００１１】
前記超音波を送信する送信器と前記試料の第２の面との間距離および前記反射波を検知する受信器と前記試料の第２の面との間距離は、好ましくは、少なくとも前記第１および第２のステップにおいて等しい。また、前記試料の前記第２の面を固定した面に接触させて、前記試料を保持する。
【００１２】
ある実施形態において、前記試料は前記第１の厚さを有する第1の部分および第２の厚さを有する第２の部分を含んでいる。
【００１３】
また、ある実施形態では、前記試料は、前記第１の厚さを有する第１の断片および前記第２の厚さを有する第2の断片を含んでいる。
また、ある実施形態では、前記試料は、前記第１の厚さを有する第1の状態から前記第２の厚さを有する第2の状態に変化する。前記試料は、前記第1の状態から前記第２の状態へ自重によって変形してもよい。また、前記試料が前記第1の状態から前記第２の状態へ変形するように外部から前記試料に力を加えてもよい。
【００１４】
前記第１および前記第２の位相差が３６０度以内となるよう、前記第１の厚さおよび前記第２の厚さを選択することが好ましい。また、前記第１および前記第２の位相差がそれぞれ３６０度以内となるよう、前記第１のステップおよび前記第２のステップの間隔を決定することが好ましい。
【００１５】
本発明の音速測定装置は、媒質中に保持された試料へ少なくとも第１および第２の超音波を送信する送信器と、前記第1および第２の超音波のそれぞれについて、前記超音波の伝播路上において前記試料の厚さを規定する第１および第２の面からそれぞれ反射される第１および第２の反射波を受信する受信器と、前記受信器に接続されており、前記受信器おいて受信された前記第1の超音波に基づく前記第１および第２の反射波と前記第２の超音波に基づく前記第１および第２の反射波との第１の位相差および第２の位相差をそれぞれ求める演算回路とを備えている。
【００１６】
前記演算回路において、前記媒質の音速と前記第１および第２の位相差とからさらに前記試料の音速が求められる。
【００１７】
ある実施形態では、前記試料を前記超音波の伝播路上において支持する試料台を更に有する。また、前記超音波の伝播路上において、前記試料の厚さが変化するよう、前記試料を変形させる機構を更に有する。前記機構は押さえ板を含み、前記試料を前記試料台および前記押さえ板で挟むことによって前記試料を変形させる。前記押さえ板が自重によって前記試料を変形させてもよい。
【００１８】
ある実施形態では、前記機構は、前記押さえ板の位置を変化させる制御装置を更に含んでいる。また、前記位置制御装置に連動して前記送信器が前記第1および第２の超音波を送信する。
【００１９】
ある実施形態において、前記送信器は、ｎ回（ｎは3以上の自然数）の超音波を送信し、前記第ｍ回目（ｍは２からｎまでの自然数）の超音波に基づく前記第１および第２の反射波と前記ｍ−１回目の超音波に基づく前記第１および第２の反射波との第１の位相差および第２の位相差を求める。前記超音波が送信されるたびに、前記試料は異なる厚さを有していてもよい。前記第１の位相差および第２の位相差のすべてのｍに対する平均値を求め、前記媒質の音速と前記第１および第２の位相差の平均値とから前記試料の音速を求めてもよい。
【００２０】
ある実施形態において、前記押さえ板は、前記押さえ板と前記試料台との間に生じる多重反射と射前記第１および第２の反射波とが干渉しないような厚みを有している。
【００２１】
また、ある実施形態において、前記送信器は、前記第１および第２の位相差がそれぞれ３６０度以内となるような間隔で前記第１および第２の超音波を送信する。
【００２２】
また、ある実施形態では、前記送信器および前記受信器をひとつの超音波トランスデューサが兼ねている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の音速測定装置３０およびそれを用いた音速測定方法の第１の実施形態を説明する。図１において概略的に示すように、音速測定装置３０は、超音波トランスデューサ１と、駆動回路３５と、演算回路３６と、タイミング回路１２とを有する。
【００２４】
超音波トランスデューサ１は、超音波を送信する送信器および、送信した超音波が音速測定装置３０の外部において反射して戻ってくる反射波を検知するための受信器として機能する。超音波トランスデューサ１は、入手可能な公知のトランスデューサでよく、２０ｋＨｚ以上の中心周波数を備えていればよい。本実施形態では、例えば、中心周波数が７．５ＭＨｚの超音波トランスデューサを用いる。なお、超音波トランスデューサ１が送信器および受信器を兼ねている必要はなく、送信用超音波トランスデューサと受信用超音波トランスデューサとを別個の素子から形成してもよい。
【００２５】
超音波トランスデューサ１に接続される駆動回路３５は、送信アンプ８と関数発生器９とを含んでいる。関数発生器９は駆動波形を生成し、生成された駆動波形は送信アンプ８において増幅される。
【００２６】
超音波トランスデューサ１から送信され、外部において反射して戻ってくる反射波は超音波トランスデューサ１で検知され、演算回路３６へ送られる。演算回路３６は、Ａ／Ｄ変換回路１０と信号処理回路１１とを含む。Ａ／Ｄ変換回路１０は、例えばサンプリング周波数が５０Ｍｓ／ｓのアナログ／デジタル変換ボードが用いられる。Ａ／Ｄ変換回路１０のサンプリング周波数は、超音波トランスデューサ１の中心周波数の２倍以上であることが好ましい。Ａ／Ｄ変換回路１０によって検知した反射波の情報はデジタル信号に変換され、後述するように、信号処理回路１１によって位相情報に変換される。信号処理回路１１として、例えばパーソナルコンピュータなどを用いてもよい。
【００２７】
タイミング回路１２は、駆動回路３５の関数発生器９と演算回路１３のＡ／Ｄ変換回路１０とを制御し、超音波の送信のタイミングや反射波を検知するタイミングを調整する。
【００２８】
音速測定装置３０は測定対象となる試料３を支持する試料台４を更に備え、超音波トランスデューサ１は、支持構造３１によって、試料台４の表面４ａから所定の距離を隔てて保持されている。超音波トランスデューサ１と試料台４の表面４ａとの間隔は、少なくとも超音波トランスデューサ１から超音波が送信され、送信された超音波の反射波が超音波トランスデューサ１へ戻ってくる間、一定に保たれる。
【００２９】
試料台４上に支持される試料３は、その周りを媒質１３によって囲まれている。媒質１３は、音速を測定する間、少なくとも超音波トランスデューサ１と試料３との間を満たしている必要がある。本実施形態において、試料３はゴム状あるいはゲル状の固体であり、その厚さが自重によって刻々と変化するものが用いられる。
【００３０】
媒質１３は気体あるいは液体のいずれであってもよい。しかし、本実施形態では試料３が固体であるため、媒質１３には液体を用いることが好ましい。この組み合わせによって、媒質１３と試料３との音響インピーダンスの差が小さくなり、媒質１３試料３との間の界面における超音波の反射は小さくなるが、試料３を透過する超音波の量が増える。その結果、試料台４の表面４ａと試料３との界面で反射する超音波を捉えやすくなる。媒質１３として液体を用いる場合には、媒質１３を保持する適切な容器の底部に試料台４を設ければよい。また、媒質１３の音速は、あらかじめ求められているか、公知であるものを用いる。本実施形態では媒質１３として水を用いる。温度による音速の変化を校正するために、媒質１３の温度は温度計１４によって計測される。
【００３１】
以下に、音速測定装置３０を用いた音速の測定方法について説明する。
【００３２】
まず、試料３を試料台４にのせ、試料３の周りを媒質１３で満たす。本実施形態では、試料３としてシリコンゲルを用い、媒質１３として水を用いる。図１に示すように、超音波トランスデューサ１から送信される超音波の伝播路３３に沿って試料３は、第１の面３ａおよび第２の面３ｂにより規定される厚みｔを備えているものとする。
【００３３】
次に超音波信号を発生させて測定を行う。タイミング回路１２からの制御信号を受けて、制御駆動回路１４が超音波トランスデューサ１を駆動する。超音波トランスデューサ１は、超音波の信号を試料３へ向けて媒質１３中へ送信する。送信された超音波は、伝播路３３に沿って媒質１３中進行し、一部は試料３の第１の面３ａにおいて反射する。進行を続ける超音波は試料３中を伝播し、試料３の第２の面３ｂにおいて反射する。
【００３４】
図２に示すように、第１の面３ａおよび第２の面３ｂにおいてそれぞれ第１の反射波１５および第２の反射波１６がそれぞれ超音波トランスデューサ１へ戻ってくるものとする。図２の下方には超音波トランスデューサ１で受信される信号の様子を模式的に表している。図２に示すように、第２の面３ｂは、第１の面３ａに比べて超音波トランスデューサ１から遠くに位置しているため、第２の面３ｂから反射する第２の反射波１６は、第１の反射波１５に比べて遅れて超音波トランスデューサ１へ到達する。
【００３５】
本発明では、試料３の厚さを変化させることによって生じる第１の反射波１５の位相差および第２の反射波１６の位相差をそれぞれ求め、試料３の音速を決定する。このために、超音波トランスデューサ１へ到達した反射波は、超音波トランスデューサ１によって検知され、タイミング回路１２の制御に従って、演算回路１３のＡ／Ｄ変換回路１０へ入力される。Ａ／Ｄ変換回路１０においてデジタル信号に変換されたあと、信号処理回路１１へ送られて、受信した信号が処理される。
【００３６】
信号処理回路１１では、受信した信号に対してフーリエ変換を施し、中心周波数を求める。そして、受信した信号全体を、求まった中心周波数付近のみを通すバンドパスフィルタにかけ、受信した反射波による信号の中心周波数付近の１波長に対応する時間を求める。本実施形態の場合、例えば１波長に対応する時間は０．１３３μｓｅｃである。
【００３７】
その後、試料３の厚みｔが自重により減少してゆく間、所定の繰返し周期で信号を超音波トランスデューサ１から送信して、試料の第１の面３ａおよび第２の面３ｂでそれぞれ反射される第１の反射波１５および第２の反射波１６を超音波トランスデューサ１で検知する。Ａ／Ｄ変換回路１０は検知したデータを順次取得し、デジタル信号に変換した後、Ａ／Ｄ変換回路１０内のメモリに保存してゆく。制御回路１２は、所定の繰返し周期、この動作を繰り返すために、関数発生回路９およびＡ／Ｄ変換回路１０に制御信号を与える。
【００３８】
ｎ回目（ｎは１以上の自然数）に送信される信号とｎ＋１回目に送信される信号との中心周波数における位相差が、３６０度（２π）を超えてしまうと、位相差が分からなくなってしまうため、ｎ回目およびｎ＋１回目に送信される信号に基づく第１の反射波１５の伝播時間差が、上述の手順により求めた受信信号の中心周波数付近の１波長に対応する時間よりも十分短くなるよう繰り返し周期は設定される。本実施形態の場合、例えば、繰り返し周期を１ｍｓｅｃに設定する。
【００３９】
上述の繰り返し周期で少なくとも２回信号を送信し、対応する第１の反射波１５および第２の反射波１６をそれぞれ２回取得して、測定を終了する。その後、Ａ／Ｄ変換回路１０のメモリから取得したデータを信号処理回路１１へ転送する。位相差の算出には直交検波法を用いる。
【００４０】
図３（ａ）から（ｃ）を用いて位相差の算出について説明する。図３（ａ）に示すように、試料３が第１の厚みｔを有する場合において、試料３の第１の面３ａおよび第２の面から第１の反射波１５および第２の反射波１６がそれぞれ反射され、試料３が第２の厚みｔ’を有する場合において、試料３の第１の面３ａおよび第２の面から第１の反射波１５’および第２の反射波１６’がそれぞれ反射されものとする。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１において直接検知される第１の反射波１５と第１の反射波１５’との伝達時間の差は非常に僅かであり、第１の反射波１５および第１の反射波１５’から直接伝達時間差を求めようとすれば、誤差が大きくなり、正確な値を求めることが困難である。
【００４２】
したがって、本発明では、まず、第１の厚さｔにおける第１の反射波１５と第２の厚さｔ’における第１の反射波１５’との位相差を直交検波法により求める。直交検波法では、まず、第１の反射波１５に９０°位相の異なる２つの搬送波を掛け合わせる。搬送波としては第１の反射波１５の中心周波数である７．５ＭＨｚの基準波を用いる。掛け合わせて得られた信号を低域通過フィルタにかけ、不要な高周波成分を除くことによって、Ｉ成分およびＱ成分の信号を得る。この２つの信号の比の正接を計算することによって、位相を求めることができる。第１の反射波１５’についても同様の方法によって位相を求める。
【００４３】
図３（ｃ）は、第１の反射波１５および第１の反射波１５’の位相１８および１８’をそれぞれ示している。第１の反射波１５および第１の反射波１５’の初期成分が現れる期間２１には、ノイズが含まれていたり、位相の乱れが生じていたりしているが、期間２０では、位相が安定しており、第１の反射波１５および第１の反射波１５’の位相を正しく示している。したがって、期間２０の範囲の位相差の平均を求めることによって、第１の反射波１５と第１の反射波１５’との位相差を求めることができる。この位相差を第１の位相差とする。図３（ｃ）に示すように、取得した反射波の信号の位相を求めることによって、正確な位相差を求めることが可能となる。このように、繰り返し周期ごとに２つの波形を比較するため、精度良く位相差を求められる。
【００４４】
位相差と伝播時間差との関係は以下の式（１）で表される。
【００４５】
【数１】
0004024553.tif 000002
【００４６】
ここで伝播時間差とは、反射面から超音波トランスデューサ１までの片道の距離を伝播する時間の差を指している。第１の位相差を式（１）に代入することによって、試料３の第１の面３ａである上面からの反射波の伝播時間差を求めることができる。第１の位相差に基づく伝播時間差を第１の伝播時間差とする。
【００４７】
同様にして、試料３の第２の面３ｂから反射する第２の反射波１６と第２の反射波１６’との位相差を求める。この値を第２の位相差とする。上記式（１）に第２の位相差を代入することによって、試料３の第２の面３ｂである底面からの反射波の伝播時間差を求めることができる。これを第２の伝播時間差とする。
【００４８】
試料３の厚さの変化Δｔは、試料３の第１の面３ａである上面からの反射波に対しては、超音波の伝播路の増大となり、Δｔを媒質３の音速で除した値が試料３の第１の面３ａである上面からの反射波の伝播時間差となる。一方、試料３の第２の面３ｂから反射する第２の反射波１６、１６’に対しては、Δｔ分の伝播路が試料３から媒質３に変わることとなり、Δｔを媒質の音速で除した値からΔｔを試料の音速で除した値を引いた値が試料３の第２の面３ｂである底面からの反射波の伝播時間差となる。つまり、試料３の厚さの変化Δｔおよびそれにともなう媒質１３が占める空間の変化Δｔが、第１の位相差および第２の位相差を引き起こしている。それぞれのΔｔが等しいとしてこれらの関係を整理すると、下記式（２）が得られる。
【００４９】
【数２】
0004024553.tif 000003
【００５０】
したがって式（２）に式（１）によって求められる第１の位相差および第２の位相差から求められる第１および第２の伝播時間差をそれぞれ代入すれば、媒質１３と試料３との音速の比が求まる。媒質３の音速は公知であるので、温度計１４を用いて媒質の温度を測定し、温度による校正がなされた媒質３の音速を用いることによって、試料３の音速を求めることができる。
【００５１】
式（１）および（２）を用いて、第１の位相差および第２の位相差から試料３の音速を求める計算は、音速測定装置３０を操作する者等が行ってもよいし、媒質３の音速を与えることによって、信号処理回路１１が自動的に計算を行うようにしてもよい。
【００５２】
本実施形態では、例えば第１の位相差が３．５度であり、第２の位相差が−１．６９度である。これらの数値を式（１）に代入することによって、第１および第２の伝播時間差が１．２９ｎｓｅｃおよび−０．６３ｎｓｅｃとそれぞれ求まる。したがって、媒質１３の温度による校正後の音速を１４９２ｍ／ｓｅｃとすると、第２の式から、試料３の音速は１００４ｍ／ｓｅｃと求まる。
【００５３】
このように、本発明によれば、試料が不定形であって、その厚さを正確に求めるのが困難な場合でも、試料の音速を容易に求めることができる。また、試料の厚さを求めるにあたって、超音波を何回も送信して測定を行う必要はなく、試料の厚さが異なる場合においてそれぞれ１回ずつ超音波を送信し、反射波を検知すれば音速を測定することができる。したがって、測定時間を短くすることができる。また、このような特徴によって、試料の厚さが刻々と変化する場合であっても、好適に音速を測定することができる。試料３の厚さが小さい場合でも、好適に音速を測定できる。
【００５４】
上記実施形態では、超音波を２回送信して試料３の音速を求めたが、２回以上超音波を送信してもよい。例えば、ｎ回（ｎは３以上の自然数）の超音波を超音波トランスデューサ１から送信し、第ｍ回目（ｍは２からｎまでの自然数）の超音波に基づく第１および第２の反射波と、第m−１回目の超音波に基づく第１および第２の反射波との第１の位相差および第２の位相差をそれぞれ求める。そして、すべてのｍについて、あるいは少なくとも２つ以上のｍについて求められた第１の位相差および第２の位相差をそれぞれ平均する。得られた値を式（１）および（２）に代入すれば、より正確な試料３の音速を求めることができる。
【００５５】
ｎ回の超音波を送信するたびに、試料３の厚さが異なっていることが好ましいが、厚さが異なっていない場合があってもよい。厚さが異なっていない場合には、第１の位相差および第２の位相差は理論的にはゼロとなるので、そのようなデータの平均を計算するときに除外すればよい。
【００５６】
更に、２回以上超音波を送信する場合において、はじめに２つ以上のｍについて求められた第１の位相差および第２の位相差から試料３の音速を計算し、以降、得られた試料３の音速および媒質１３の音速と、第１および第２の反射波とから試料３の厚さｔを求めてもよい。このようにすることによって、逐次変化してゆく試料３の厚さをリアルタイムで計測することも可能である。
【００５７】
また、上記実施形態において試料３は自重によってその厚さが逐次変化していた。しかし、厚さの差が所定の条件を満たす試料を用意できれば、厚さは経時変化しなくてもよい。具体的には、図４（ａ）に示すように、第１の厚さを有する第１の部分３ｄおよび第２の厚さを有する第２の部分３ｅを含む試料３を用いてもよい。この場合、第１の厚さと第２の厚さとの差Δｔは、第１の反射波および第２の反射波による受信信号の中心周波数付近の１波長よりも短くなっている必要がある。あるいは、図４（ｂ）に示すように、試料３が第１の厚さを有する第１の断片３ｆおよび第２の厚さを有する第２の断片３ｇを含んでおり、第１の断片３ｆおよび第２の断片３ｇの厚さの差Δｔが上述の条件を満たしていてもよい。
【００５８】
このような場合において、まず、第１の部分３ｄあるいは第１の断片３ｆに対して超音波を送信して、第１の厚さに基づく第１の反射波および第２の反射波を検知する。次に、超音波トランスデューサ１を移動させるか、試料３を移動させて、第２の部分３ｅあるいは第２の断片３ｇに対して超音波を送信して、第２の厚さに基づく第１の反射波および第２の反射波を検知する。以降、上述と同様にして試料３の音速を求めることができる。
【００５９】
（第２の実施形態）
以下、本発明による音速測定装置４０およびそれを用いた音速測定方法の第２の実施形態を説明する。
【００６０】
図５に示すように、第２の実施形態による音速測定装置４０は、試料３の厚さを変化させるための機構４１を備えている点で、第１の実施形態の音速測定装置４０とは異なっている。このため、試料３は自重によって変形するものでなくてもよく、機構４１によって加えられる力により変形し得る種々の物質を試料３として用い、音速を測定し得る。
【００６１】
機構４１は、押さえ板２と、ステージ６と、ステッピングモータ５と、コントローラ７とを備えている。押さえ板２は、試料台４との間に形成される間隙を規定し、試料３を試料台４に押さえつけることによって試料３の厚さを変化させる。押さえ板２は、例えばポリスチレンなどから形成され、ステージ６に固定されている。押さえ板２は、押さえ板２と前記試料台との間に生じる多重反射と第１および第２の反射波とが干渉しないような厚みを有している。ステッピングモータ５はコントローラ７からの指令を受けて、ステージ６を６Ａあるいは６Ｂ方向へ移動させる。コントローラ７は、タイミング回路１２に制御される。
【００６２】
以下に、音速測定装置４０を用いて試料３の音速を測定する手順を説明する。
【００６３】
まず、押さえ板２が試料３に接するように試料台４の上に試料３を配置する。試料３が第１の厚さを有している場合において、第１の実施形態で説明したように、超音波を送信し、反射波を超音波トランスデューサ１で検知する。検知した信号を処理して、受信した信号の中心周波数付近の１波長を求める。
【００６４】
求めた波長に基づいて、ステージ６の移動量および超音波を送信し、反射波を取り込む繰り返し周期を決定する。ステージ６を段階的に移動させ、一回の超音波の送受信の間、試料３の厚さを一定に保つ場合には、ステージ６の一回の移動量が求めた波長より小さくなるようにする。この場合には、繰り返し周期は、ステージ６が移動する周期に一致させる。
【００６５】
一方、ステージ６を連続的に移動させる場合には、第１の実施形態で説明したように、超音波の送受信の繰り返し周期を決定する。第１の実施形態と異なり、試料３の厚さが変化する速度もステージ６の移動速度を調節することによって変化させることができる。したがって、繰り返し周期を決定するにあたって、ステージ３の移動速度も考慮する必要がある。
【００６６】
このようにして決定したステージの移動量と繰り返し周期を用いて第１の実施形態で説明した方法と同様の方法により試料３の音速を求めることができる。
【００６７】
また、試料３が例えばゲル状物質であり、押さえ板２と試料３との密着性がよい場合、押さえ板２を矢印６Ａの方向に移動させることによって、試料３の厚さを最初の状態よりも大きくすることができる。つまり、試料の第２の厚さは第１の厚さよりも大きくなってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、試料が不定形であって、その厚さを正確に求めるのが困難な場合でも、試料の音速を高い精度で求めることができる。また、厚さが刻々と変化する試料の音速を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による音速測定装置の概略を示す図である。
【図２】超音波を試料に向けて送信し、反射波を受信する様子を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は試料の厚さが変化した場合の反射波の様子を模式的に示す図である。（ｂ）は受信した反射波の波形を示している。（ｃ）は受信した反射波の位相を示すグラフである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明において用いることのできる試料の別な形態をそれぞれ示している。
【図５】本発明の第２の実施形態による音速測定装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
１  超音波トランスデューサ
２  押さえ板
３  試料
４  試料台
５  ステッピングモータ
６  ステージ
７  コントローラ
８  送信アンプ
９  関数発生器
１０  Ａ／Ｄ変換回路
１１  信号処理回路
１２  タイミング回路
１３  媒質
１５  第１の反射波
１６  第２の反射波
３０、４０  音速測定装置
３１  支持構造
３５  駆動回路
３６  演算回路
４１  機構
【図１】
0004024553.tif 000004
【図２】
0004024553.tif 000005
【図３】
0004024553.tif 000006
【図４】
0004024553.tif 000007
【図５】
0004024553.tif 000008