Volume measuring device and method

本発明は、例えば、宇宙環境技術や製造ラインにおける密閉系（閉鎖系）容器内又は開放系容器内の物体体積を計測する、体積計測装置及び方法に関する。 より詳細には、例えば、無重力下や微小重力下、人工衛星の軌道上のような真空状態の環境下、或いは製品の製造工場ラインのような騒音下で、気体を除く物体の体積計測に応用可能な、体積計測装置及び方法の技術分野に関する。

この種の体積計測装置及び方法として、ヘルムホルツ型の計測がある。 このうち「開放系」容器内の体積計測については、例えば特許文献１及び２に開示されている。 これらの技術によれば、開放された音響管を容器に設けて、スピーカ等から音波を容器内へ出力して、そのヘルムホルツ共鳴音を、マイクロフォンで収集することで、その共鳴周波数から液体の体積を求めている。

他方、ヘルムホルツ型の計測のうち「閉鎖系」容器内の体積計測については、例えば特許文献３から５に開示されている。 これらの技術では、閉鎖された二つの容器を音響管で連結して、スピーカ等から音波を容器内へ出力して、そのヘルムホルツ共鳴音を、マイクロフォンで収集することで、その共鳴周波数から液体の体積を求めている。

また、特許文献６には、超電導スピーカを用いたタンク内液量計測装置が開示されている。

特開平０８−３２７４２９号公報

特開平０７−０８３７３０号公報

特開２００３−００４５０３号公報

特開平０６−２０１４３３号公報

特開平０６−２０１４３４号公報

特開２００２−２９１０９３号公報

しかしながら、上述の如きスピーカから容器内に出力した音響信号の応答を、容器内に設置されたマイクロフォンで検出するような計測方法では、例えば、人工衛星の軌道上のような無重力状態の場合、容器内を浮遊する液体などの被測定物が付着することによるマイクロフォンの損傷を防止する策を講じる必要性が生じるという問題点がある。 或いは、スピーカ自体に被測定物が付着することにより測定不能や測定困難となる問題点も生じ得る。

また、被測定物が、例えば、可燃性或いは爆発性の物質の場合には、スピーカからの発熱を抑制するために音量を可能な限り低くすることが望ましいが、このことにより音響信号以外の外部騒音によりマイクロフォンのＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比が低下し、計測精度が低下してしまうという技術的問題点もある。

他方、製品の製造工場ラインのような騒音下で、液体等の被測定物のヘルムホルツ型の計測を行う場合には、やはり外部騒音によりマイクロフォンのＳ／Ｎ比が低下し、計測精度が低下してしまうという技術的問題点もある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、閉鎖系又は開放系容器内において、例えばスピーカ又はマイクロフォンなどの計測用素子が液体などの被測定物に接触することを避けることが可能である、体積計測装置及び方法を提供することを課題とする。

本発明は更に、閉鎖系又は開放系容器内において、例えばマイクロフォンなどの計測用素子を不要としつつ体積測定が可能である体積計測装置及び方法を提供することを他の課題とする。

本発明の第１の体積計測装置は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器に一端が連通された音響管と、該音響管の他端に連通された他の容器と、該他の容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記他の容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔てて対向配置されている動電型スピーカと、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記他の容器内に出力される音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理手段とを備える。

本発明の第１の体積計測装置によれば、例えばネックチューブである音響管は、例えば液体燃料等の被測定物が収容される容器に一端が連通されており、他の容器は、音響管の他端に連通されている。 即ち、閉鎖系における二つの容器が音響管で繋がれている構成が構築されるので、ヘルムホルツ型の計測が可能となる。 ここで特に、仕切り室は、他の容器に隣接配置されている密閉空間を規定しており、この密閉空間と他の容器の内部空間とは、仕切り板によって仕切られている。 動電型スピーカは、この密閉空間内に配置される。 そして、通常は動電型スピーカのコーンの前面である音波出力面が、仕切り板に対して対向配置されている。

計測時には、動電型スピーカが、例えば所定周波数帯域の音をスイープするなど、その音波出力面から音波を出力すると、この音波は、仕切り板を介して他の容器の内部空間内へと出力される。 処理手段は、この音波に係る音響信号に基づいて、例えば閉鎖系のヘルムホルツ型の計測によって、被測定物の体積を求める。 この際、これらの被測定物が収容された容器、音響管及び他の容器は、「密閉系容器」とされており、即ち閉鎖系であるので、例えば宇宙空間等の高真空雰囲気においても、計測が可能となる。 しかも、動電型スピーカは、例えば液体、流体、粘性体等である被測定物に接触することはない。 これにより、動電型スピーカが被測定物によって損傷或いは故障したり、腐蝕したり、短寿命化したり、計測不能な状態になったりすることが効果的に防止される。 他方で、被測定物が動電型スピーカによって汚染等されることも効果的に防止される。 更に、計測中に動電型スピーカから発生する熱が被測定物に直接伝達することもないので、仕切り板の密閉空間側にて適当な断熱手段を設けことで、或いは、例えば短時間のみ音波を出力する等により発生熱量を抑制することで、動電型スピーカによって被測定物を殆ど加熱しない構成を容易に構築できる。 これは、例えば被測定物に関して加熱により爆発等の危険性がある場合や加熱による化学変化が懸念される場合などに、大変有利となる。

以上の結果、第１の体積計測装置によれば、例えばスピーカ又はマイクロフォンなどの計測用素子が液体などの被測定物の一部又は全部に接触することを避けることが可能である。 これにより、例えば人工衛星の軌道上に置かれた容器内の被測定物の付着防止構造を不要としつつ、該被測定物の計測用素子への付着による計測不能状態の発生を効果的に排除できる。 更に、計測用の音響信号以外の外部騒音によるＳ／Ｎ比の低下を抑制し得る。 これにより、外部騒音に影響を受け難く、高精度での体積計測が可能となる。

このように第１の体積計測装置によれば、例えば、宇宙空間、特に地球周回や惑星周回における液体酸素、液体水素、液化メタン（液化天然ガス）等の極低温推進剤の軌道状における貯蔵・移送の際に重要となる、無重力或いは微小重力下における液量計測が可能となる。 これは、宇宙空間において燃料を、運搬・貯蔵・再補給したり、軌道間宇宙輸送機ＯＴＶ（Orbit Transfer Vehicle）に供給するのに大いに役立つ。

特に、無重力或いは微小重力下における液量計測では、ヘルムホルツ共鳴を利用した液量計測方法、即ちヘルムホルツ型の計測が好適である。 ヘルムホルツ型の計測は、周波数の体積依存性を利用しての音波による液体、固体、流体、粘性体等の体積計測方法の一つであり、被測定物の形状に左右されないという特色を有するためである。 但し、ヘルムホルツ共鳴現象は、一般に液量が少ない時の液量変化に対する周波数の変化量は小さい。

本発明の第２の体積計測装置は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器と、該容器に一端が連通されると共に他端が周囲環境に開放された音響管と、前記容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔てて対向配置されている動電型スピーカと、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記容器内に出力される音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理手段とを備える。

本発明の第２の体積計測装置によれば、例えばネックチューブである音響管は、例えば液体、固体等の被測定物が収容される容器に一端が連通されており、音響管の他端は、周囲環境に開放されている。 即ち、開放系における一つの容器が音響管で周囲環境に開放されている構成が構築されるので、ヘルムホルツ型の計測が可能となる。 ここで特に、仕切り室は、容器に隣接配置されている密閉空間を規定しており、この密閉空間と容器の内部空間とは、仕切り板によって仕切られている。 動電型スピーカは、この密閉空間内に配置される。 そして、通常は動電型スピーカのコーンの前面である音波出力面が、仕切り板に対して対向配置されている。

計測時には、動電型スピーカが、例えば所定周波数帯域の音をスイープするなど、その音波出力面から音波を出力すると、この音波は、仕切り板を介して容器の内部空間内へと出力される。 処理手段は、この音波に係る音響信号に基づいて、例えば開放系のヘルムホルツ型の計測によって、被測定物の体積を求める。 この際、動電型スピーカは、例えば液体、固体等である被測定物に接触することはない。 これにより、動電型スピーカが被測定物によって損傷或いは故障したり、腐蝕したり、短寿命化したり、計測不可能な状態になったりすることが効果的に防止される。 他方で、被測定物が動電型スピーカによって汚染等されることも効果的に防止される。 更に、計測中に動電型スピーカから発生する熱が被測定物に直接伝達することもないので、仕切り板の密閉空間側にて適当な断熱手段を設けることで、或いは、例えば短時間のみ音波を出力する等により発生熱量を抑制することで、動電型スピーカによって被測定物を殆ど加熱しない構成を容易に構築できる。

以上の結果、第２の体積計測装置によれば、例えばスピーカ又はマイクロフォンなどの計測用素子が液体などの被測定物の一部又は全部に接触することを避けることが可能である。 更に、計測用の音響信号以外の外部騒音によるＳ／Ｎ比の低下を抑制し得る。 このように第２の体積計測装置によれば、例えば、工場、検査場、研究所、実験室など各種環境における液量計測や固体量計測が可能となる。

本発明の第３の体積計測装置は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器と、該容器に一端が夫々連通されると共に他端が周囲環境に夫々開放された複数の音響管と、該複数の音響管のうちの一つを介して前記被測定物を前記容器内に搬入すると共に、前記複数の音響管のうちの他の一つを介して前記被測定物を前記容器外に搬出する搬送手段と、前記容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔てて対向配置されている動電型スピーカと、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記容器内に出力される音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理手段とを備える。

本発明の第３の体積計測装置によれば、例えばネックチューブである音響管は、例えば液体、固体等の被測定物が収容される容器に一端が連通されており、音響管の他端は、周囲環境に開放されている。 即ち、開放系における一つの容器が音響管で周囲環境に開放されている構成が構築されるので、ヘルムホルツ型の計測が可能となる。 音響管の少なくとも一部は、搬入用の管又は搬出用の管としても機能しており、搬送手段によって、被測定物が一つの音響管を介して容器内に搬入され、他の一つの音響管を介して容器外に搬出されるように構成されている。 ここで特に、仕切り室は、容器に隣接配置されている密閉空間を規定しており、この密閉空間と容器の内部空間とは、仕切り板によって仕切られている。 動電型スピーカは、この密閉空間内に配置される。 そして、通常は動電型スピーカのコーンの前面である音波出力面が、仕切り板に対して対向配置されている。

計測時には、搬送手段によって、被測定物が一つの音響管を介して容器内に搬入される。 動電型スピーカが、例えば所定周波数帯域の音をスイープするなど、その音波出力面から音波を出力すると、この音波は、仕切り板を介して容器の内部空間内へと出力される。 処理手段は、この音波に係る音響信号に基づいて、例えば開放系のヘルムホルツ型の計測によって、被測定物の体積を求める。 この際、動電型スピーカは、例えば液体、固体等である被測定物に接触することはない。 これにより、動電型スピーカが被測定物によって損傷或いは故障したり、腐蝕したり、短寿命化したり、計測不可能な状態になったりすることが効果的に防止される。 他方で、被測定物が動電型スピーカによって汚染等されることも効果的に防止される。 更に、計測中に動電型スピーカから発生する熱が被測定物に直接伝達することもないので、仕切り板の密閉空間側にて適当な断熱手段を設けることで、或いは、例えば短時間のみ音波を出力する等により発生熱量を抑制することで、動電型スピーカによって被測定物を殆ど加熱しない構成を容易に構築できる。 計測後には、搬送手段によって、被測定物が、他の一つの音響管を介して容器外に搬出される。 その後、次の被測定物が容器内に搬入され、流れ作業的に体積計測が順次実施されてもよい。

以上の結果、第３の体積計測装置によれば、例えばスピーカ又はマイクロフォンなどの計測用素子が液体などの被測定物の一部又は全部に接触することを避けることが可能である。 更に、計測用の音響信号以外の外部騒音によるＳ／Ｎ比の低下を抑制し得る。 このように第３の体積計測装置によれば、例えば、工場、検査場、研究所、実験室など各種環境における液量計測や固体量計測が可能となる。

本発明の第１から第３の体積計測装置の一態様では、前記動電型スピーカを駆動する定電流駆動型の増幅器を更に備えており、前記処理手段は、前記動電型スピーカに係るボイスコイルの電圧を測定する測定手段と、該測定された電圧に基づいて、前記被測定物の体積を演算する演算手段とを含む。

この態様によれば、増幅器によって動電型スピーカを定電流駆動しつつ、測定手段によって、前記動電型スピーカに係るボイスコイルの電圧が測定される。 ここでボイスコイルの電圧は、ボイスコイルのインピーダンスに概ね比例するので、演算手段によって、このボイスコイルの電圧に基づいて、被測定物の体積が演算可能となる。 即ち、処理手段が計測に利用する音響信号としては、動電型スピーカのボイスコイルのインピーダンスに概ね比例する電圧の測定によって間接的に、「密閉空間内へと出力される音波に係る音響信号」を取得できる。 よって、容器内における気相部分についてのヘルムホルツ共鳴周波数を特定或いは同定できる。 このように、容器内にマイクロフォンを設置する必要はなくなる。 マイクロフォンの場合、音響信号に外部騒音が重畳される結果、Ｓ／Ｎ比が低下する可能性があるので、当該マイクロフォンを用いないで済む計測は、計測精度を高める観点からも有利である。 言い換えれば、外部雑音等の音響信号以外の騒音が、動電型スピーカの機械系に変換される部分で、仕切り板を介しての変換による損失がマイクロフォンに比して顕著に大きいため、マイクロフォンを用いた検出法よりも外部音響による影響を受け難いという効果がある。

このように構成した場合更に、前記演算手段は、前記測定された電圧に基づいて、前記音響信号に係る周波数解析を行う第１演算手段と、該行なわれた周波数解析の結果に基づいて、前記被測定物の体積を演算する第２演算手段とを含むように構成してもよい。

このように構成すれば、第１演算手段によって、例えばＦＦＴ法（高速フーリエ変換法）や、ＭＥＭ法（最大エントロピー法）による周波数解析が行なわれる。 特にＭＥＭ法を用いれば、短時間の音響データから、ヘルムホルツ共鳴周波数を求めることが可能となる。 尚、容器内における正確な音速を特定して体積計測を行うのには、即ち、容器内における気相部分の体積を正確に測定するには、容器内の気相部分の温度分布を把握して、これに基づいて補正すればよい。

このように構成した場合更に、前記第１演算手段は、前記測定された電圧のスペクトル上でピークを与える周波数として、前記音響信号に係る共鳴周波数を決定し、前記第２演算手段は、前記決定された共鳴周波数に基づいて前記体積を演算するように構成してもよい。

このように構成すれば、第１演算手段によって、ボイスコイルのインピーダンスを直接計測するのではなく、このピーク時におけるボイスコイルのインピーダンスに概ね比例するボイスコイルの電圧を測定して、該ボイスコイルの電圧のピーク時における値に基づいて、即ち、測定された電圧のスペクトル上でピークを与える周波数として、共鳴周波数が決定或いは同定される。 更に第２演算手段によって、この決定された共鳴周波数に基づいて体積が演算される。 従って、閉鎖系又は開放系におけるヘルムホルツ型の計測によって、比較的短時間で且つ高精度で体積を求めることが可能となる。

このように構成した場合更に、前記容器内には、前記被測定物が極低温状態で収容されており、前記増幅器は、最大エントロピー（ＭＥＭ）法を行うのに十分な時間だけ前記動電型スピーカを定電流駆動し、前記第１演算手段は、前記最大エントロピー法により前記共鳴周波数を決定する。

このように構成すれば、例えば液体燃料等の容器内に極低温状態で収容された被測定物について、ＭＥＭ法によって、共鳴周波数が決定される。 更に、この決定された共鳴周波数に基づいて体積が演算される。 特にＭＥＭ法を用いれば、例えば数十ｍ秒から数百ｍ秒といった非常に短時間の音響信号から、共鳴周波数を求めることが可能となる。 他方で、ＦＦＴ法の場合には、例えば５〜１０秒程度の比較的長時間の音響信号が用いられる。 従って、動電型スピーカが、その動作時に発熱体として発熱することに鑑みれば、高温にすることが許されない或いは望ましくない極低温流体を取り扱う場合、このようにＭＥＭ法を採用すると有利である。

尚、上述した第１から第３の体積測定装置において、動電型スピーカを、定電流駆動するのではなく定電圧駆動することで、動電型スピーカのボイスコイルに係るインピーダンス曲線の反共振周波数を特定或いは同定し、この反共振周波数によって体積を測定することも可能である。

本発明の第１から第３の体積計測装置の他の態様では、前記音波を受信するマイクロフォンを更に備えており、前記処理手段は、前記マイクロフォンにより受信された音波に係る前記音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める。

この態様によれば、計測時に、動電型スピーカが、その音波出力面から音波を出力すると、この音波は、仕切り板を介して他の容器の内部空間内へと出力される。 すると、被測定物が収容された容器内など、所定位置に配置されたマイクロフォンにより、この音波が受信される。 そして、この受信された音波に係る音響信号に基づいて、例えばヘルムホルツ型の計測によって、被測定物の体積が求められる。 このようにマイクロフォンを用いても、動電型スピーカについては、液体等の被測定物に接触することはなく、その損傷等は起きないで済む。

尚、このようなマイクロフォンによる音響信号の検出と、前述したボイスコイルのインピーダンス測定による音響信号の検出とを併用或いは組み合わせるように構成してもよい。

本発明の第１から第３の体積計測装置の他の態様では、前記被測定物は液体であり、無重力又は微小重力状態において前記液体を気相から分離させる分離手段を更に備える。

この態様によれば、無重力又は微小重力状態にある容器内で、例えばグルーブ、メッシュ、スチールウール、スポンジ、ウイック材等の静的な分離手段や、回転子、攪拌機等の動的な分離手段によって、被測定物たる液体は、容器内における気相から分離される。 従って、宇宙空間等の無重力又は微小重力状態であっても、ヘルムホルツ型の液量計測が可能となる。

勿論、前述の通りに、第１から第３の体積計測装置によれば、被測定物として「固体」について、その体積を測定可能である。

本発明の第１の体積計測方法は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器に一端が連通された音響管と、該音響管の他端に連通された他の容器と、該他の容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記他の容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔てて対向配置されている動電型スピーカとを備えた体積計測装置における体積計測方法であって、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記他の容器内に音波を出力する出力工程と、該出力された音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理工程とを備える。

本発明の第１の体積計測方法によれば、上述した本発明の第１の体積計測装置の場合と同様に、例えば閉鎖系におけるヘルムホルツ型の計測によって、無重力或いは微小重力下における被測定物の体積を、比較的容易に且つ高精度で求めることができる。

本発明の第３の体積計測方法は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器と、該容器に一端が連通されると共に他端が周囲環境に開放された音響管と、前記容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔て対向配置されている動電型スピーカとを備えた体積計測装置における体積計測方法であって、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記容器内に音波を出力する出力工程と、該出力された音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理工程とを備える。

本発明の第２の体積計測方法によれば、上述した本発明の第２の体積計測装置の場合と同様に、例えば開放系のヘルムホルツ型の計測によって、例えば、工場、検査場、研究所、実験室など各種環境における液量計測や固体量計測が可能となる。

本発明の第３の体積計測方法は上記課題を解決するために、被測定物が収容される容器と、該容器に一端が夫々連通されると共に他端が周囲環境に夫々開放された複数の音響管と、該複数の音響管のうちの一つを介して前記被測定物を前記容器内に搬入すると共に、前記複数の音響管のうちの他の一つを介して前記被測定物を前記容器外に搬出する搬送手段と、前記容器に隣接配置されている密閉空間を規定すると共に、該密閉空間と前記容器の内部空間とを仕切る仕切り板を含んでなる仕切り室と、前記密閉空間内に配置されると共に、前記仕切り板に対して音波出力面が前記密閉空間内に含まれる空間を隔てて対向配置されている動電型スピーカとを備えた体積計測装置における体積計測方法であって、前記搬送手段により前記被測定物が前記容器内に搬入された際に、前記音波出力面から前記仕切り板を介して前記容器内に音波を出力する出力工程と、該出力された音波に係る音響信号に基づいて前記被測定物の体積を求める処理工程とを備える。

本発明の第３の体積計測方法によれば、上述した本発明の第３の体積計測装置の場合と同様に、例えば開放系のヘルムホルツ型の計測によって、例えば、工場、検査場、研究所、実験室など各種環境における液量計測や固体量計測が可能となる。

尚、第１から第３の体積計測方法では、第１から第３の体積計測装置の各種態様に夫々対応する各種態様を採ることができる。 更に、動電型スピーカを定電流駆動しつつボイスコイルの電圧を測定して、この測定結果に基づいてヘルムホルツ共鳴周波数を同定してもよいし、或いは、動電型スピーカを定電圧駆動して反共振周波数を同定してもよい。 何れの場合にも、ヘルムホルツ型の体積測定が可能となる。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る体積計測装置が有する、共鳴器部分の構成を示す概略断面図である。

第１実施形態に係る体積計測装置における、共鳴器部分の他に計測部分を含む装置全体の構成を示すブロック図である。

本発明の第２実施形態に係る体積計測装置が有する、共鳴器部分の構成を示す概略断面図である。

第２実施形態に係る音響システムにおける、振動板からみた電気的類推回路を示す等価回路図である。

第２実施形態に係る音響信号の周波数と動電型スピーカの振動板速度との関係を示す特性図である。

本発明の第３実施形態に係る体積計測装置が有する、共鳴器部分の構成を示す概略断面図である。

本発明の第４実施形態に係る体積計測装置が有する、共鳴器部分の構成を示す概略断面図である。

本発明の第５実施形態に係る体積計測装置が有する、共鳴器部分の構成を示す概略断面図である。

第５実施形態による騒音試験の結果を示す信号波形図である。

第４実施形態による騒音試験の結果を示す信号波形図である。

第５及び第４実施形態について、同様の条件下で、ヘルムホルツ共鳴周波数を１００回測定した際の、同定共鳴周波数の変動係数を示す表である。

共鳴時の波長が共鳴器サイズよりも大きく、集中定数系で近似できるとして、第１実施形態に係る閉鎖系音響システムにおける、スピーカコーン（振動板）からみた機械系および音響系振動をすべて機械系に置き換えて得た電気的類推回路を示す回路図である。

第２容器に対して液体を0、10、20%入れたときの振動板速度の周波数特性を示す特性図である。

符号の説明

１、２１、３１…仕切り室２、２２、３２…動電型スピーカ３、２３、３３、仕切り板４…第１容器５、２５、３５in、３５out…音響管６…第２容器７、２７…液体試料８…駆動用増幅器９…発信・受信コントローラ１０…計測用増幅器１１…演算器３６…搬送ベルト３７…固体試料４２…攪拌子４３…マグネティックスターラー２ａ…スピーカコーン（振動板）

以下では、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、体積計測装置の第１実施形態について説明する。 ここに図１は、第１実施形態に係る体積計測装置が有する共鳴器部分の概略構成を示し、図２は、第１実施形態に係る体積計測装置における、図１に示した共鳴器部分の他に計測部分を含む装置全体のブロック構成を示す。 第１実施形態の体積計測装置は、本発明に係る「第１の体積計測装置」の実施形態であり、閉鎖系のヘルムホルツ型の計測装置である。

先ず、第１実施形態の構成について説明する。

図１において、体積計測装置は共鳴器部分として、仕切り室１、動電型スピーカ２、第１容器４、ネックチューブ５、及び第２容器６を備えて構成されている。 この際、仕切り室１は、内部に密閉空間を規定しており、この密閉空間内に動電型スピーカ２が配置されている。 仕切り室１は、仕切り板３を含んでなり、動電型スピーカ２の音波出力面（図中、下側に位置する前面）は、仕切り板３に対して対向配置されている。 スピーカ２と仕切り板３との間の空間は、密閉されており、その空間の体積は第２容器６に比して十分に小さいことが好ましい。

第１容器４は、本発明の第１の体積計測装置に係る「他の容器」の一例であり、仕切り室１が隣接配置されている。 第２容器６は、本発明の第１の体積計測装置に係る「容器」の一例であり、本発明に係る「被測定物」の一例である液体試料７が収容されている。 ネックチューブ５は、本発明に係る「音響管」の一例であり、第１容器４及び第２容器６を相互に連通しており、閉鎖系のヘルムホルツ共鳴器を構築している。

仕切り室１、第１容器４及び第２容器６の壁は夫々、例えば、液体試料７の性質や周囲環境に応じて、金属、合金、樹脂、プラスチック、セラミック等から構成されたり、真空断熱壁から構成される。 また、仕切り板３は、動電型スピーカ２から出力された音波を、第１容器４内に効率良く伝搬するように、該音波の周波数特性に応じた厚さ及び弾性を有する、金属、合金、樹脂、プラスチック、セラミック等の板として構成される。 より具体的には例えば、厚さ１ｍｍのアクリル板を用いることができる。 また、このような仕切り板３は、多層膜から構成されてもよい。

本実施形態では特に、動電型スピーカ２を含む仕切り室１は、完全密閉された密閉空間を規定している。 これにより、液体試料７が動電型スピーカ２に直接触れないように構成されている。 動電型スピーカ２の背面に位置する仕切り室１は、周囲環境が、真空環境以外であれば、存在せずともよい。 但しこの場合にも、仕切り板３とスピーカ２とが相互に接触してしまうことのないように、仕切り板３とスピーカ２との間にできる密閉空間は存在することが望ましい。 逆に、周囲環境が宇宙空間等の真空環境であると、仕切り室１により密閉されると共に適当な圧力に維持された密閉空間内に、動電型スピーカ２が配置されることになるので、動電型スピーカ２による音波出力動作が、仕切り室１内で良好に行なわれることになる。 また、仕切り室１により、周囲環境からの粉塵等が、動電型スピーカ２へ付着することを予防するように構成されている。

尚、図１から分かるように、第１実施形態では、計測用のマイクロフォンは設置されていない。

図２において、体積計測装置は、図１に示した共鳴器部分の他に計測部分として、駆動用増幅器８、発信・受信コントローラ９、計測用増幅器１０、及び演算器１１を備えて構成されている。 尚、電源については省略する。

駆動用増幅器８は、本発明に係る「増幅器」の一例であり、動電型スピーカ２を定電流駆動する。 発信・受信コントローラ９は、動電型スピーカ２から音波を発信させたり、動電型スピーカ２のボイスコイルの電圧信号を受信（測定）させたりの制御を行う。 計測用増幅器１０は、動電型スピーカ２のボイスコイルの電圧を測定するための増幅器である。 演算器１１は、本発明に係る「演算装置」、「第１演算手段」及び「第２演算手段」の一例を構成しており、例えばＣＰＵ等を含んでなり、ボイスコイルを定電流駆動することによってボイスコイルのインピーダンスに概ね比例することになる「ボイスコイルの電圧」に基づいて、ネックチューブ５、第１容器４及び第２容器６からなる閉鎖系のヘルムホルツ共鳴器に係るヘルムホルツ共鳴周波数を求め、更にこれから液体試料７の体積を演算するように構成されている。

次に、第１実施形態による体積計測の原理及び動作について説明する。

計測の際には、発信・受信コントローラ９よって、信号時間が数十ミリ秒から数秒であり、且つ第１容器４、音響管５及び第２容器６を「共鳴器」としてみた場合におけるヘルムホルツ共鳴周波数を含む帯域のスウィープ波を出力する。 この際、駆動用増幅器８を用いて、動電型スピーカ２を、定電流駆動する。

ここで仮に、マイクロフォンで上記「共鳴器」における応答を検出すると、特に動電型スピーカ２による発熱を抑制するために音量を絞った場合には、音響信号以外の外部雑音がマイクロフォンにより検出されることになる。 よって、最終的には、ヘルムホルツ共鳴周波数の同定精度の低下をきたす。

しかるに本実施形態では、駆動用増幅器８は、一定電流で動電型スピーカ２を駆動し、動電型スピーカ２のボイスコイル電圧を、計測用増幅器１０を経由して、発信・受信コントローラ９にて受信する。 この際、動電型スピーカ２による発熱を抑制するために音量を絞ることはない。

続いて、演算器１１は、このように音響信号に対応するボイスコイル電圧に係る電圧信号を、発信・受信コントローラ９から受けて、最大エントロピ（ＭＥＭ）法を用いて、パワースペクトルを算出する。 続いて、卓越周波数ピークを決定する。 この際、演算器１１は、ＭＥＭ法を用いることで、信号時間が数秒以下と短い信号でも、１Ｈｚ以下の周波数分解能で、パワースペクトル上でピークとなる周波数の同定が可能となる。 続いて、このピークを与える周波数を、ヘルムホルツ共鳴周波数として、例えば、公知である次式に代入して、第２容器６の気相部の体積を決定する。

ｆ＝（Ｃ／２π）×［（Ａ／Ｌ）×｛（１／Ｖ１）＋（１／Ｖ２）｝］ ^1/2
但し、
ｆ ：音響信号のヘルムホルツ共鳴周波数 Ｃ ：音速 Ａ ：音響管５の断面積 Ｌ ：音響管５の長さ Ｖ１：第１容器４の気相部の体積 Ｖ２：第２容器６の気相部の体積 ここで、音速Ｃ、音響管５の断面積Ａ、音響管５の長さＬ及び第１容器４の体積Ｖ１は、既知（固定値）であるので、第２容器６の気相分の体積Ｖ２の変化が周波数ｆの現れることになる。 よって、周波数ｆの解析によって、第２容器６内の気相部分の体積Ｖ２を算出することができる。 そして、第２容器６の全容積は、既知（固定値）であるので、結局、第２容器６内に収納された液体試料７の体積を演算できることになる。

以上の結果として計測された体積値は、例えば、不図示の表示パネルなどに表示されたり、レコーダ等の記録装置に液体試料７の種類や時刻に対応付けられた形で記録される。

ここで、仕切り板３と動電型スピーカ２との間の空間が小さくされることで、その部分のスティフネスが大きくなると、理論式では共振と反共振周波数の間に共鳴周波数が来る。 しかるに、共振と反共振周波数との差は小さく、体積の増減により両者とも同じように変動する。 実際に計測すると、インピーダンスの凸しか殆ど観察されない。 本実施形態の如く、定電流駆動方式で駆動されるボイスコイルの電圧を測定することで体積測定を行う場合は、空の場合の共鳴周波数をもとに理論式中の定数項をキャンセルする。 このため、ヘルムホルツ共鳴周波数を共振周波数としても、それほど誤差は大きくない。 そこで、このような定電流駆動式での計測を行なっているのである。

従って、第２容器６以外の各構成要素に係るインダクタンス値、容量値及び抵抗値が与えられれば、第２容器６の気相部分の体積Ｖ２に依存して変化するヘルムホルツ共鳴周波数に対応する、動電型スピーカ２のボイスコイルのインピーダンスから、体積Ｖ２を一義的に特定することができるのである。 よって、このように定電流駆動することで、ボイスコイルのインピーダンスに概ね比例することになる、ボイスコイルの電圧を測定することで、該測定された電圧から、体積Ｖ２を一義的に特定することができるのである。

以上のように第１実施形態によれば、予め第２容器６内に収容される液体試料７の各体積に対して共振によって得られるヘルムホルツ周波数を夫々求めておき、これらの値をテーブル化しておけば、或いは、各体積とヘルムホルツ共鳴周波数との関係を所定関数で近似して求めておけば、後に、実際の計測に際しては、ボイスコイルの電圧計測により得られるヘルムホルツ共鳴周波数から、第２容器６内の気相部分の体積Ｖ２を得られる。 そして、第２容器６の体積は既知であるので、結局、第２容器６内に収容された液体試料７の体積を一義的に特定できることになるのである。

（第２実施形態）
図３から図５を参照して、体積計測装置の第２実施形態について説明する。 第２実施形態の体積計測装置は、本発明に係る「第２の体積計測装置」の実施形態であり、開放系のヘルムホルツ型の計測装置である。

先ず図３を参照して、第２実施形態の構成について説明する。 ここに図３は、第２実施形態に係る体積計測装置が有する共鳴器部分の概略構成を示す。 尚、第２実施形態に係る体積計測装置における、図３に示した共鳴器部分を除く計測部分については、図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共鳴器部分及び計測部分を含む装置全体のブロック構成については図示を省略する。

図３において、体積計測装置は共鳴器部分として、仕切り室２１、動電型スピーカ２２、容器２４及びネックチューブ２５を備えて構成されている。

仕切り室２１は、内部に密閉空間を規定しており、この密閉空間内に動電型スピーカ２２が配置されている。 仕切り室２１は、仕切り板２３を含んでなり、動電型スピーカ２２の音波出力面（図中、下側に位置する前面）は、仕切り板２３に対して対向配置されている。

容器２４は、本発明の第２の体積計測装置に係る「容器」の一例であり、仕切り室２１が隣接配置されており、本発明に係る「被測定物」の一例である液体試料２７が収容されている。 ネックチューブ２５は、本発明に係る「音響管」の一例であり、容器２４の内部空間を周囲環境に連通させている。 このように容器２４及びネックチューブ２５は、開放系のヘルムホルツ共鳴器を構築している。

本実施形態では特に、動電型スピーカ２２を含む仕切り室２１は、完全密閉された密閉空間を規定している。 これにより、液体試料２７が動電型スピーカ２２に直接触れないように構成されている。 仕切り室２１により密閉されると共に適当な圧力に維持された密閉空間内に、動電型スピーカ２２が配置されることになるので、動電型スピーカ２２による音波出力動作が、仕切り室２１内で良好に行なわれることになる。 また、仕切り室２１により、周囲環境からの粉塵等が、動電型スピーカ２２へ付着することを予防するように構成されている。 更に、仕切り板２３が、ネックチューブ２５を介しての或いは液体試料２７からの粉塵等が、動電型スピーカ２２の音波出力面へ付着することを予防するように構成されている。

図３から分かるように、第２実施形態では、計測用のマイクロフォンは設置されていない。

次に図４及び図５を参照して、第２実施形態による体積計測の原理及び動作について説明する。 ここに、図４は、動電型スピーカ２２及び仕切り板２３を含んでなる、開放系音響システムにおける振動板としての仕切り板２３からみた等価回路を示す。 図４は、第２実施形態に係る音響信号の周波数と動電型スピーカの振動板速度との関係を示す。

図４に例示するように、第２実施形態に係る「ヘルムホルツ共鳴器」における、振動板としての仕切り板２３からみた等価回路では、(i)振動板の等価機械質量Ｍsp、振動板の等価機械抵抗Ｒsp、及び振動板の等価機械スティフネスＳsp、(ii)背後空洞部の等価機械抵抗Ｒbk、及び背後空洞部の等価機械スティフネスＳbk、(iii)共鳴器空洞部の等価機械抵抗Ｒca、及び共鳴器空洞部の等価機械スティフネスＳca、(iv)管部の等価機械質量Ｍpo、及び管部の等価機械抵抗Ｒpo、(v)仕切り板−振動板間空洞部の等価機械抵抗Ｒme、及び仕切り板−振動板間空洞部の等価機械スティフネスＳme、並びに(vi)仕切り板の等価機械質量Ｍwl、仕切り板の等価機械Ｒwl、及び仕切り板の等価機械スティフネスＳwlが、図示の通りに電源又は振動源に接続されている。

図５は、第２実施形態に係る体積計測装置内で、ヘルムホルツ共鳴を起こす音響信号の周波数と動電型スピーカ２２の振動板速度との関係の一例を示している。 図５に示したように、動電型スピーカ２２の振動板速度には、第２実施形態に係る開放系音響システムにおけるヘルムホルツ共鳴周波数に対応する共振点及び反共振点で、明らかなピーク値が出現する。 従って、ボイスコイルのインピーダンスに概ね比例するボイスコイルの電圧を測定し、該測定されたボイスコイル電圧信号スペクトルのピーク周波数として、ヘルムホルツ共鳴周波数を特定或いは同定できることになる。

以上のように第２実施形態によれば、予め容器２４内に収容される液体試料２７の各体積に対して共振によって得られるヘルムホルツ周波数を夫々求めておき、これらの値をテーブル化しておけば、或いは、各体積とヘルムホルツ共鳴周波数との関係を所定関数で近似して求めておけば、後に、実際の計測に際しては、ボイスコイルの電圧計測により得られるヘルムホルツ共鳴周波数から、容器２４内の気相部分の体積を得られる。 そして、容器２４の体積は既知であるので、結局、容器２４内に収容された液体試料２７の体積を一義的に特定できることになるのである。

（第３実施形態）
図６を参照して、体積計測装置の第３実施形態について説明する。 第３実施形態の体積計測装置は、本発明に係る「第３の体積計測装置」の実施形態であり、開放系のヘルムホルツ型の計測装置である。 ここに図６は、第３実施形態に係る体積計測装置が有する共鳴器部分の概略構成を示す。 尚、第３実施形態に係る体積計測装置における、図６に示した共鳴器部分を除く計測部分については、図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共鳴器部分及び計測部分を含む装置全体のブロック構成については図示を省略する。

図６において、体積計測装置は共鳴器部分として、仕切り室３１、動電型スピーカ３２、容器３４、ネックチューブ３５in、ネックチューブ３５out、及び搬送ベルト３６を備えて構成されている。

仕切り室３１は、内部に密閉空間を規定しており、この密閉空間内に動電型スピーカ３２が配置されている。 仕切り室３１は、仕切り板３３を含んでなり、動電型スピーカ３２の音波出力面（図中、下側に位置する前面）は、仕切り板３３に対して対向配置されている。

容器３４は、本発明の第３の体積計測装置に係る「容器」の一例であり、仕切り室３１が隣接配置されており、本発明に係る「被測定物」の一例である固体試料３７が収容される。 ネックチューブ３５inは、本発明に係る「搬入用の音響管」の一例であり、ネックチューブ３５outは、本発明に係る「搬出用の音響管」の一例である。 ネックチューブ３５in及び３５outは、容器３４の内部空間を周囲環境に連通させている。 このように容器３４並びにネックチューブ３５in及び３５outは、開放系のヘルムホルツ共鳴器を構築している。

搬送ベルト３６は、本発明に係る「搬送手段」の一例として、例えば、ベルトコンベアから構成されており、固体試料３７をネックチューブ３５inを介して容器３４内に搬入し、更に、ネックチューブ３５outを介して容器３４外に搬出するように構成されている。 このように搬入される固体試料３７が、容器３４の中央に到達した時に体積測定が実施される。 尚、搬送ベルト３６は、固体試料３７が容器３４の中央に到達した際に、搬送動作を停止させてもよいし、体積測定が十分な精度で実施可能であれば、計測中に搬送動作を停止させなくてもよい。

本実施形態では特に、動電型スピーカ３２を含む仕切り室３１は、完全密閉された密閉空間を規定している。 これにより、固体試料３７が動電型スピーカ３２に直接触れないように構成されている。 仕切り室３１により密閉されると共に適当な圧力に維持された密閉空間内に、動電型スピーカ３２が配置されることになるので、動電型スピーカ３２による音波出力動作が、仕切り室３１内で良好に行なわれることになる。 また、仕切り室３１により、周囲環境からの粉塵等が、動電型スピーカ３２へ付着することを予防するように構成されている。 更に、仕切り板３３が、ネックチューブ３５in及び３５outを介しての或いは固体試料３７からの粉塵等が、動電型スピーカ３２の音波出力面へ付着することを予防するように構成されている。

尚、図６から分かるように、第３実施形態では、計測用のマイクロフォンは設置されていない。

（第４実施形態）
図７を参照して、体積計測装置の第４実施形態について説明する。 第４実施形態の体積計測装置は、上述した第１実施形態の変形形態であり、閉鎖系のヘルムホルツ型の計測装置である。 ここに図７は、第４実施形態に係る体積計測装置が有する共鳴器部分の概略構成を示す。 尚、第４実施形態に係る体積計測装置における、図７に示した共鳴器部分を除く計測部分については、図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共鳴器部分及び計測部分を含む装置全体のブロック構成については図示を省略する。 また、図７において、図１に示した第１実施形態と同様の構成要素については同様の参照符号を付し、それらの説明については適宜省略する。

図７において、体積計測装置は共鳴器部分として、仕切り室１、動電型スピーカ２、容器４、ネックチューブ５及び容器６を備え、更に攪拌子４２及びマグネティックスターラー４３を備えて構成されている。

攪拌子４２及びマグネティックスターラー４３は、本発明に係る「分離手段」の一例を構成している。 マグネティックスターラー４３は、攪拌子４２を磁力によって回転させる。 攪拌子４２が液体試料７を攪拌することで、慣性力等を利用して液体試料７を容器６内における気相から液体試料７を分離する。 従って、宇宙空間等の無重力又は微小重力状態であっても、ヘルムホルツ型の液量計測が可能となる。

尚、図６から分かるように、第３実施形態では、計測用のマイクロフォンは設置されていない。 マグネティックスターラー４３は、その作動時には、容器６内に音響信号以外の騒音、振動を発生させる。 従って、マイクロフォンを用いて音響信号を得るよりも、動電型スピーカ２のボイスコイルのインピーダンス測定によって音響信号をえた方が、マグネティックスターラー４３からの騒音、振動の悪影響を低減できるので有利である。

尚、このような攪拌子４２に代えて、容器６内に回転子を、動的な分離手段として設けてもよい。 或いは、例えば、容器６の内壁にグルーブを設けて静的な分離手段としてもよいし、例えばメッシュ、スチールウール、スポンジ、ウイック材等の多孔質部材を容器６の内壁に貼り付けて分離手段としてもよい。 更に、これらの分離手段を組み合わせて採用することも可能である。

（第５実施形態）
図８を参照して、体積計測装置の第５実施形態について説明する。 第５実施形態の体積計測装置は、上述した第４実施形態の変形形態であり、閉鎖系のヘルムホルツ型の計測装置である。 ここに図８は、第５実施形態に係る体積計測装置が有する共鳴器部分の概略構成を示す。 尚、第５実施形態に係る体積計測装置における、図８に示した共鳴器部分を除く計測部分については、図２に示した第１実施形態の場合と同様であるので、共鳴器部分及び計測部分を含む装置全体のブロック構成については図示を省略する。 また、図８において、図１及び図７に示した第１及び第４実施形態と同様の構成要素については同様の参照符号を付し、それらの説明については適宜省略する。

図８において、体積計測装置は共鳴器部分として、仕切り室１、動電型スピーカ２、容器４、ネックチューブ５、容器６、攪拌子４２及びマグネティックスターラー４３を備え、更にマイクロフォン５１を備えて構成されている。

マイクロフォン５１は、スピーカ２から容器６内に出力された音波を受信するように構成されている。

尚、マグネティックスターラー４３は、その作動時には、容器６内に音響信号以外の騒音、振動を発生させる。 従って、第５実施形態におけるマイクロフォン５１を用いて音響信号を得るよりも、第４実施形態の如く動電型スピーカ２のボイスコイルのインピーダンス測定によって音響信号を得た方が、マグネティックスターラー４３からの騒音、振動の悪影響を低減できるので有利である。

加えて、図１から図７に示した第１から第４実施形態に対して、第５実施形態の如きマイクロフォン５１を取り付けることも可能である。 マイクロフォン５１を用いても、動電型スピーカが仕切り室１により規定された密閉空間内に配置されていることによる、前述した各種の長所は相応に得られる。

次に、図９から図１１を参照して、マイクロフォンを用いて直接的に音響信号の検出を行う第５実施形態に比べて、ボイスコイルのインピーダンス測定により間接的に音響信号の検出を行う第４実施形態によって、相対的に高いＳ／Ｎ比が得られることについて検証を加える。 ここに、図９は、第５実施形態による騒音試験の結果を示しており、図９（ａ）が騒音がない場合、図９（ｂ）が騒音がある場合を示す。 図１０は、第４実施形態による騒音試験の結果を示しており、図１０（ａ）が騒音がない場合、図１０（ｂ）が騒音がある場合を示す。 また図１１は、同様の条件下で、ヘルムホルツ共鳴周波数を１００回測定した際の、同定共鳴周波数の変動係数を示す。

第５実施形態において、第２容器６に攪拌子４２以外に何も入れない状態で、マグネティックスターラー４３を作動させることにより、容器６等からなるヘルムホルツ共鳴器内部に、信号音以外の騒音或いは振動が発生する。 図９（ａ）に応答信号（音響信号）を示した如き２００Ｈｚの信号音を動電型スピーカ２より発生させると、無騒音下及び攪拌子４２が発する騒音下では、図９（ｂ）に示した如き、応答信号（音響信号）がマイクロフォン５１によって検出される。 即ち攪拌子４２を回転させた場合、マイクロフォン５１によって検出される２００Ｈｚの検出信号に、その周波数以外の騒音が重畳している。 このように第５実施形態において、外部騒音や攪拌子の回転による騒音が発生すると、図９（ｂ）に示したように、マイクロフォン５１で雑音として拾われる。 よって音響信号（応答信号）におけるＳ／Ｎが悪化する。 即ち、第５実施形態は、要求されるＳ／Ｎ比が低い場合に有効な実施形態である。

これに対して、第４実施形態において、図２に示した駆動用増幅器８を用いて計測した動電型スピーカ２のボイスコイルの電圧の場合、同様の条件下で、図１０（ａ）に応答信号（音響信号）を示した如き２００Ｈｚの信号音を動電型スピーカ２より発生させると、図１０（ｂ）の如く、該２００Ｈｚの検出信号に、その周波数以外の騒音或いは雑音が殆ど重畳されていない。 このように第４実施形態において、外部騒音や攪拌子の回転による騒音が発生しても、ボイスコイルの電圧測定により間接的に得られる音響信号（応答信号）中に、雑音として現れる成分は殆どない。 よって、動電型スピーカ２のボイスコイルは、音響信号（応答信号）におけるＳ／Ｎは、雑音に殆ど依存することなく相対的に高く維持されると言える。 即ち、第４実施形態は、攪拌子を利用したり、外部雑音が大きい場合であって且つ要求されるＳ／Ｎ比が高い場合に有効な実施形態である。

例えば、同様の条件下でヘルムホルツ共鳴周波数を、１００回測定した際、図１１に例示した如き、同定共鳴周波数の変動係数が得られる。 尚、図１１の表１中に示した“変動係数［％］”は、平均値に対する標準偏差の百分率を示している。 第５実施形態の如くマイクロフォン５１を用いる場合、或いは、前述した特許文献１から６等の如くにマイクロフォンを用いる場合には（表１中の左欄参照）、無騒音時に比べて騒音下での変動係数が１００倍以上となる。 これに対して、第４実施形態或いは第１から第３実施形態の如く動電型スピーカを定電流駆動する駆動用増幅器８を用いる場合には（表１中の右欄参照）、無騒音時と騒音時の変動係数はほぼ同じである。

図９から図１１を参照して説明したように、音響信号の検出のためにマイクロフォンを利用しない実施形態は、試料を気相から分離するために攪拌子や回転子等の動的な分離手段を利用したり、試料を搬送する際に雑音が伴ったり、周囲環境における外部雑音が大きい場合には、特に有効な実施形態であると言える。 外部雑音がボイスコイルのインピーダンスに及ぼす影響は、マイクロフォンに及ぼす影響に比して小さいので、Ｓ／Ｎ比の向上を期待することができる。 このように第１から第４実施形態は、耐騒音性で顕著に優れている。

（その他の変形形態）
上述した第１から第５実施形態では、スピーカの前面に仕切り板が設けられているが、その他の変形形態として、このような仕切り板を取り外しても、マイクロフォンが設置されていないことによる利益は相応に得られる。 この場合、ヘルムホルツ共鳴周波数に対応する、測定されたボイスコイル電圧信号スペクトルのピークは、上側に凸型のピークではなく、下側に凸型のピークとなるが、該下側に凸型のピークを与える周波数としてヘルムホルツ周波数を特定或いは同定できる。 即ち、仕切り板を設けなくても、動電型スピーカを定電流駆動しつつそのボイスコイルの電圧を測定することで、（仕切り板による効果は当然に失われるが）体積測定は可能となる。 このような変形形態は、上述した本発明に係る「第４から第６の体積測定装置」の実施形態に相当することになる。 例えば、第２実施形態の変形形態として、仕切り板２３を用いない場合には、予め容器２４内に収容される液体試料２７の各体積に対して反共振（ディップ）を与える周波数を夫々求めておき、これらの値をテーブル化しておけば、或いは、各体積と反共振を与える周波数との関係を所定関数で近似して求めておけば、後に、実際の計測に際しては、ボイスコイルの電圧計測により得られる反共振を与える周波数から、容器２４内の気相部分の体積を得られる。 そして、容器２４の体積は既知であるので、結局、容器２４内に収容された液体試料２７の体積を一義的に特定できることになるのである。

以上詳細に説明したように本実施形態によれば、例えば定電流駆動型の増幅器により動電型スピーカを駆動し、そのボイスコイルの電圧信号を計測或いは解析することで、マイクロフォン等の検出器を用いることなく、閉鎖系容器及び開放系容器中の被測定物体積の計測が可能となる。 このことにより、液体等の被測定物の接触による損傷の可能性のあるマイクロフォンを用いる必要がなくなり、特に宇宙空間のような無重力環境下で被測定液体が浮遊していても、液体体積を測定できる。 更に、外部雑音等の計測用の音響信号以外の騒音がスピーカの機械系に変換される部分で、変換による損失がマイクロフォンに比して大きいため、マイクロフォンによる検出法よりも外部音響による影響を受けにくいという効果がある。 更に加えて、測定システムの耐騒音性が向上することにより、スピーカの駆動電力を従来法よりも低く抑えてスピーカの発熱量を低下させることができる。 このため、可燃性或いは爆発性の物質の体積計測の際の安全性を向上させることも可能である。 また、計測装置が安価な部品より構成され、スピーカが被測定物と直接接触しない構造よりメンテナンスフリーで長寿命となり、一般製造現場への導入が容易である効果もある。

特に第１実施形態によれば、地球・月その他の惑星周回の軌道上で、軌道間宇宙輸送機ＯＴＶに燃料を供給する、いわゆる燃料ステーション構想において必要不可欠な燃料タンク内残存液量の把握に適用できると考えられる。

また第２又は第３実施形態は、工場のような比較的騒音レベルの高い環境下での体積計測を可能にし、また開放系容器のように外部騒音が直接容器内部に入ってくる場合にも有効である。 このため、ベルトコンベア上の製品体積の連続計測にも適用でき、既存施設への導入コストなどのメリットも含め工業的に大きな波及効果を期待できる。 例えば、食品工場・選果場での製品体積計、ホイップクリームなど泡沫食材などの製造工程中のオーバーランモニター、製パン・製菓工場でのドウの膨化モニター、焼き上がり評価計などの各種用途が考えられる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う体積計測装置及び方法もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

（コイルインピーダンス計測と等価モデル）
次に、第１実施形態の閉鎖系容器について、図１２及び図１３を参照して、等価モデルを用いた共鳴周波数同定の理論的裏づけを行う。

入力音波に対する応答音波を検出するために、通常マイクロフォンが用いられる。 閉鎖系容器の場合、容器外にマイクロフォンを設置できないため、燃料容器内部に露出させる必要がある。 液体燃料の接触によるマイクロフォンの損壊が懸念されるため、何らかの保護措置が必要となるが、密封しない限り接触を完全に断つことはできない。 そこで、マイクロフォンを別途設置せず、入力側のスピーカのボイスコイルインピーダンス変化を検出することで、共鳴周波数を同定する。

スピーカコーンの振動は機械系振動であり、この振動が音響系振動に変換され音となる。 仕切り板付きの共鳴器の場合、共鳴時の共鳴器内部での音圧が、仕切り板と密閉空間を介してスピーカコーンの機械系振動に影響を及ぼす。 スピーカコーンの振動はボイスコイルの電気系振動に影響を与える。

ボイスコイルの電気インピーダンスは、コイルの静的な特性としてのインピーダンスと、コイルの動きに対応する動的な特性としてのインピーダンスが合成されたものである。 電気インピーダンスはボイスコイルの速度を反映する。 共鳴時には、このコイルの振動速度が極値をとるため、インピーダンス曲線から共鳴周波数が推定できると考えられる。

共鳴時の波長が共鳴器サイズよりも大きく、集中定数系で近似できるとして、スピーカコーン（振動板）からみた機械系および音響系振動をすべて機械系に置き換えて得た電気的類推回路を図１２に示す。

図１２の等価回路の駆動力を一定とした時、振動板であるスピーカコーン２ａから負荷をみた時の等価機械インピーダンスは次式であらわされる。

但し、
Ｍ _sp ：スピーカコーン（振動板）の等価機械質量 Ｒ _sp ：スピーカコーン（振動板）の等価機械抵抗 Ｓ _sp ：スピーカコーン（振動板）の等価機械スティフネス Ｒ _bk ：スピーカ背後空洞部の等価機械抵抗 Ｓ _bk ：スピーカ背後空洞部の等価機械スティフネス Ｒ _md ：スピーカコーン（振動板）-仕切り板間の空洞部の等価機械抵抗 Ｓ _md ：スピーカコーン（振動板）-仕切り板間の空洞部の等価機械スティフネス Ｍ _wl ：仕切り板の等価機械質量 Ｒ _wl ：仕切り板の等価機械抵抗 Ｓ _wl ：仕切り板の等価機械スティフネス Ｒ _c1 ：第１容器の空洞部の等価機械抵抗 Ｓ _c1 ：第１容器の空洞部の等価機械スティフネス Ｒ _c2 ：第２容器の空洞部の等価機械抵抗 Ｓ _c2 ：第２容器の空洞部の等価機械スティフネス Ｍ _po ：管部の等価機械質量 Ｒ _po ：管部の等価機械抵抗 駆動力、振動板速度の実効値をそれぞれＦ、Ｖとすると次式が成立する。

音響系における気相部の抵抗Ｒ _ｂｋ 、Ｒ _ｍｄ 、Ｒ _ｐｏ 、Ｒ _ｃ１ 、Ｒ _ｃ２が無視できるほど小さく、かつ、
{(Ｓ _ｃ１ ＋Ｓ _ｃ２ )/Ｍ _ｐｏ } ^１／２ << [{(Ｓ _ｓｐ ＋Ｓ _ｂｋ ＋Ｓ _ｗｌ )＋Ｓ _ｍｄ }/(Ｍ _ｓｐ ＋Ｍ _ｗｌ )] ^１／２
が成立するとき、即ちスピーカコーンと仕切り板の間の空間を第１容器４、第２容器６に比して十分に小さくしてＳ _ｍｄを大きく取った場合、(1)式、(2)式より、ω＝{(Ｓ _ｃ１ ＋Ｓ _ｃ２ )/Ｍ _ｐｏ } ^１／２で、振動板速度は極大となる。 ヘルムホルツ共鳴系を、ネックチューブ中の気柱質量と容器内空洞の空気バネからなる1自由度振動系と仮定したとき、Ｓ _ｃ１ 、Ｓ _ｃ２ 、Ｍ _ｐｏはそれぞれＳ _ｃ１ ＝γＰ _０ Ａ ^２ /Ｖ _１ 、Ｓ _ｃ２ ＝γＰ _０ Ａ ^２ /Ｖ _２ 、Ｍ _ｐｏ ＝ρＡＬと表すことができ、これをωの式に代入し、気体の音速式ｃ＝（γＰ _０ /ρ） ^１／２を用いて整理すると、極大点周波数f _０は次のようになる。
f _０ ＝(ｃ/２π)×[(Ａ/Ｌ）×{(１/Ｖ１)＋(１/Ｖ２)｝］ ^１／２
(3)
但し、
γ：空気の比熱比 ρ：空気密度 Ｐ _０ ：空気圧力 ｃ：空気中の音速 Ｖ _１ ：閉鎖系共鳴器の容器1の空洞部容積 Ｖ _２ ：閉鎖系共鳴器の容器2の空洞部容積 Ａ：閉鎖系共鳴器のネックチューブ断面積 Ｌ：閉鎖系共鳴器のネックチューブ長
(3)式は発明者が導出した閉鎖系容器のヘルムホルツ共鳴式と一致する。 等価回路素子の各パラメータについて、図１の共鳴器の寸法と空気の物性値から推定可能なものはそれを用い、それ以外は任意の値を与え、(1)、(2)式から第２容器６の容量に対して液体を0、10、20%入れたときの振動板速度の周波数特性を計算したものを図１３に示す。 やや右上がりのベースライン上に一つの共振点が認められる。 別途(3)式より算出した共鳴周波数は、201.62、204.95、209.04Hzとなり、図１３中の共振周波数と一致する。

ヘルムホルツ共鳴周波数は、その空洞部分に物体があると共鳴周波数が増加する。 これは物体体積を除く空洞部の空気の音響容量が減少するため、換言すれば空洞部の等価機械スティフネスＳ _ｃ２ （第２容器６に物体を入れた場合）が増加するためである。 図１３より、ヘルムホルツ共鳴周波数と同じく、Ｓ _ｃ２の増加とともに極大点周波数も増加していることが確認できる。 ボイスコイルの速度が大きくなると、その電気インピーダンスも増加する。 従って、電気インピーダンスの周波数応答を計測することによって、その極大点周波数から共鳴周波数が推定できると考えられる。

実際の計測においては、白色雑音や掃引信号に対する応答信号からスペクトルを推定し、共鳴周波数を同定する。 その場合、スペクトル推定のために高速フーリエ変換（FFT）が用いられることが多い。 演算が高速なため、計測系に組み込んでも実時間処理が十分可能である。 しかしFFTを用いた場合、データ長が小さくなると周波数分解能が低下するため、発熱抑制を目的とした信号印加時間の短縮は、周波数から計算される体積の推定精度の低下につながる。

そこで本発明では、FFTに替えて、短いデータからでも分解能の高いスペクトル推定ができる最大エントロピ法（MEM）を用いる。 通常、スピーカは定電圧で駆動されるため、電気インピーダンス計測はコイル電流の測定により行う。 この場合、電気インピーダンスの逆数に比例した出力になるため、電気インピーダンス曲線で極大値をとる周波数では、逆に極小値になる。 しかし、MEMは極小点の推定に適用することが困難なため、スピーカを定電流で駆動し、そのボイスコイル間電圧を計測することで、電気インピーダンスの変化に比例した出力を取り出すのである。

本発明に係る体積計測装置及び方法は、例えば、宇宙環境技術や製造ラインにおける密閉系（閉鎖系）容器内又は開放系容器内の物体体積を計測する、体積計測に利用可能である。 更に、燃料電池車の液体水素タンク内の燃料残量計測に利用可能である。 また本発明は、クリーンエネルギーとして自動車以外に水素が用いられる場合においても、燃料タンク内の液体水素計測にも利用可能である。