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超音波速度・減衰係数計測方法 コモンズ

国内特許コード P110004884
整理番号 P05021705
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2005-061145
公開番号 特開2006-242852
登録番号 特許第4621913号
出願日 平成17年3月4日(2005.3.4)
公開日 平成18年9月14日(2006.9.14)
登録日 平成22年11月12日(2010.11.12)
発明者
  • 櫛引 淳一
  • 小田川 裕之
  • 荒川 元孝
出願人
  • 学校法人東北大学
発明の名称 超音波速度・減衰係数計測方法 コモンズ
発明の概要

【課題】 固体、液体、及び生体試料の超音波速度及び減衰係数を、UHF帯の周波数まで簡便且つ高精度に計測する装置及び計測方法を提供する。
【解決手段】 減衰の大きい液体カプラ、液体試料或いは生体試料を薄層化することにより、UHF帯までの超音波速度及び減衰係数を計測可能とする。また、バッファーロッドと、固体試料(或いは固体参照試料)との間にスペーサを設置することにより、バッファーロッドと固体試料(或いは固体参照試料)との距離、及び、平行度を調節する機構を不要とし、装置の小型化と計測の簡便化を可能とする。また、この装置を用いてUHF帯で計測するには、薄層液体媒体(または生体試料)での超音波の多重反射を分離することができないため、多重反射を含んだまま計測する手法を確立することで、UHF帯での計測を可能にする。
【選択図】 図4

従来技術、競合技術の概要


固体、液体材料における物性研究や材料開発や生体試料の病理診断を目的として、試料を伝搬する超音波速度(以下、音速とも呼ぶ)と減衰係数の計測から試料の音響特性を求める研究が行なわれている。その際、一般に、伝搬させる超音波の周波数によって音響特性が変化するため、それを計測することでより詳細な情報を得ることが可能となる。そのため、広範囲な周波数帯で計測可能な超音波計測装置と計測手法が必要とされている。([非特許文献1]、[非特許文献2]、[非特許文献3])
従来技術では、固体試料の音速及び減衰係数の計測において、VHF帯以下ではバッファーロッドから固体試料へ超音波を伝導するための音響カプラとして水などの液体が用いられており、またUHF帯では液体での超音波の減衰が大きいため、液体の代わりに減衰の小さいサロール(サリチル酸フェニル)などで接着する方法が用いられている。このような技術は、例えば[非特許文献4]、[非特許文献5]に開示されている。しかし、接着剤を用いると、接着状態や凝固条件により音響特性が大きく変化するため安定した計測には熟練とプロセスの安定化が必要となるとともに、計測を開始するまでの準備に時間がかかるという欠点がある。



一方、液体試料及び生体試料の音速及び減衰係数の計測においては、従来技術では、超音波の減衰が小さいVHF帯以下では計測が行われていたが、UHF帯では減衰が大きいため計測が困難であった。
また、固体試料、液体試料及び生体試料の音速及び減衰係数の計測を高精度に行なう場合には、バッファーロッドと固体試料との距離と平行度の調整が不可欠である。しかし、試料の交換の都度、試料を乗せている試料台をバッファーロッドから大きく離して試料交換し、再びバッファーロッドの近くに近づける必要があるため、距離及び角度を調節可能な機構を有する大掛かりな装置が必要になるとともに、計測前の調整に時間がかかるという問題があった。

【非特許文献1】J. Kushibiki, N.Akashi, N.Chubachi and F.Dunn,”VHF/UHF Range Bioultrasonic Spectroscopy System and Method”, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 42, pp. 1028-1039 (1995).

【非特許文献2】J. Kushibiki and M. Arakawa, “Diffraction effects on bulk-wave ultrasonic velocity and attenuation measurements”, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 108, pp. 564-573 (2000).

【非特許文献3】J. Kushibiki, R. Okabe, and M. Arakawa, "Precise measurements of bulk-wave ultrasonic velocity dispersion and attenuation in solid materials in the VHF range," J. Acoust. Soc. Am., Vol. 113, pp. 3171-3178 (2003).

【非特許文献4】櫛引、荒川、岡部、 信学技報,“超高周波超音波材料解析システムによる固体試料の縦波音響特性の測定” Vol. US2003-46, pp.7-12 (2003.9).

【非特許文献5】櫛引、荒川、 信学技報,“超高周波平面超音波材料解析システムによるUHF帯における固体試料の縦波音響特性の測定” Vol. US2004-11, pp.37-42 (2004.11).

【非特許文献6】J.Kushibiki, T.Sannomiya and N.Chubachi, “A useful acoustic measurement system for pulse mode in VHF and UHF ranges, “IEEE Trans.Sonics and Ultrason., Vol.SU-29, pp.338-342 (1982).

【非特許文献7】W. Kroebel and K. -H. Mahrt, “Recent results of absolute sound velocity measurements in pure water and sea water at atmospheric pressure,” Acustica, Vol. 35, pp. 154-164 (1976).

【非特許文献8】A. O. Williams, Jr., "The piston source at high frequencies," J. Acoust. Soc. Am., vol. 23, pp. 1-6 (1951).

【非特許文献9】M. Arakawa, J. Kushibiki, and N. Aoki, "An evaluation of effective radiuses of bulk-wave ultrasonic transducers as circular piston sources for accurate velocity measurements," IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 51, pp.496-501 (2004).

産業上の利用分野


本発明は、固体、液体、及び、生体試料における超音波速度、及び、減衰係数の周波数特性を、UHF帯まで簡便且つ高精度に計測する超音波速度・減衰係数計測方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
厚さd3の板状の固体試料における超音波速度v3及び減衰係数α3の周波数特性を計測する装置において、パルス幅WのRFトーンバースト信号により所望の周波数範囲の超音波を放射するバッファーロッドと計測する上記固体試料との間に所定の厚さのスペーサを超音波測定経路の外側で挟んで設け、上記バッファーロッドと上記固体試料との間隙を満たす超音波速度v2の液体の薄層をカプラとして設置し、上記固体試料を上記バッファーロッドに対し押圧する加重印加手段を設け、上記薄層の厚さd2が2d2/v2<Wを満たすように上記スペーサの厚さが選択されており、上記薄層で超音波を多重反射及び透過させる超音波速度・減衰係数計測方法であり、
(a) 上記薄層からの第1反射信号と上記固体試料からの第2反射信号を上記バッファーロッドを介して受信し、
(b) 上記固体試料の超音波速度と減衰係数の仮定値を決め、
(c) 上記仮定値を使って上記固体試料内における回折の影響を計算により求め、
(d) 上記第1および第2反射信号と上記回折の影響を使って回折の影響を補償した超音波速度と減衰係数を計算し、
(e) 上記補償した超音波速度と減衰係数が上記仮定値と所定誤差範囲内で一致するか判定し、
(f) 所定誤差範囲内で一致しない場合は上記仮定値を変化させて上記工程(c), (d), (e)を実行することを繰り返すことにより得られた最終の仮定値を上記固体試料の超音波速度と減衰係数とする、
ことを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法。

【請求項2】
液体試料または生体試料における超音波速度v2及び減衰係数α2の周波数特性を計測する装置において、パルス幅WのRFトーンバースト信号により所望の周波数範囲の超音波を放射するバッファーロッドと、音響特性が既知の固体試料との間に、所定の厚さのスペーサを超音波測定経路の外側で挟んで設け、上記バッファーロッドと上記固体試料との間隙を埋める計測対象である推定超音波速度v2’の液体、或いは、生体試料の薄層を設置し、上記固体試料を上記バッファーロッドに対し押圧する加重印加手段を設け、上記薄層の厚さd22d2/v2'<Wを満たするように上記スペーサの厚さが選択されており、上記薄層で超音波を多重反射及び透過させる超音波速度・減衰係数計測方法であり、
(a) 上記薄層からの第1反射信号と上記固体試料からの第2反射信号と、上記カプラを挿入しない状態での第3反射信号を上記バッファーロッドを介して受信し、
(b) 上記薄層の厚さを測定し、上記薄層の超音波速度と減衰係数の仮定値を決め、それら仮定値から上記薄層の伝搬定数を求め、
(c) 上記既知の超音波速度及び減衰係数から上記固体試料内における回折の影響を計算により求め、
(d) 上記第1、第2及び第3反射信号と、上記回折の影響と、上記薄層の厚さと伝搬定数とを使って回折の影響を補償した上記固体試料の超音波速度と減衰係数を計算し、
(e) 上記補償した超音波速度と減衰係数が上記固体試料の上記既知の超音波速度及び減衰係数と所定誤差範囲内で一致するか判定し、
(f) 所定誤差範囲内で一致しない場合は上記仮定値を変化させて上記工程(c), (d), (e)を実行することを繰り返すことにより得られた最終の仮定値を上記薄層の超音波速度と減衰係数とする、
ことを特徴とする超音波速度・減数係数計測方法。

【請求項3】
請求項1記載の超音波速度・減衰係数計測方法において、上記バッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアのいずれかを用い、純水を上記カプラとして用いることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法

【請求項4】
請求項2に記載の超音波速度・減衰係数計測方法において、上記バッファーロッドの材料として、合成石英ガラス、或いはZ軸伝搬のα-水晶、或いはZ軸伝搬のサファイアのいずれかを用い、上記固体試料として合成石英ガラスあるいはZ軸伝搬のα-水晶のいずれかを用いることを特徴とする超音波速度・減衰係数計測方法
産業区分
  • 試験、検査
  • 治療衛生
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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