超音波センサの共振周波数について

質問

現在公称周波数が40kHzの超音波センサを使っているのですが、超音波センサ個々の共振周波数は実際には40kHzから少しずれているのではないかと思います。そこで共振周波数を調べてみたいのですが、調べ方がよく分かりません。ご存知の方がいらっしゃいましたら教えていただけませんでしょうか。よろしくお願い致します。

回答No.3

foobar · ベストアンサー

測定方法は、概ね#1お礼欄に書かれた方法で良いかと思います。
アドミッタンスを測定する際に、#2さん回答にもあるように、電圧と電流の位相差も調べるほうが良いかと。

(虚部が0の点が比較的近接してあって、一方がアドミッタンス最大(付近？)の(等価的な)直列共振、もう一方が並列共振というような挙動をしているかもしれません。)
)

お礼

丁寧な回答ありがとうございます。

電圧と電流の位相差を調べた方が良いとのことですが、位相差から何が分かるのでしょうか。勉強不足で申し訳ありません。

現在電圧と電流の値はオシロスコープに表示される波形（２周期くらい）のRMS値からアドミッタンスを求めているのですが、ある時間でのVとIの瞬間の値で評価したほうが良いのでしょうか。

位相差と聞いて、電圧と電流値の評価の仕方が間違っているのではと思ったのですが。

回答No.5

tadys

セラミック振動子の周波数特性は水晶振動子と同じような振る舞いをします。
周波数が低い間は容量性のインピーダンスを示し、周波数を上げていくとある周波数で最小の値を示します。
この点が直列共振周波数でインピーダンスは抵抗性になります。
さらに上げていくとインピーダンスは上昇し別の周波数でピークを示します。
この点は並列共振周波数です。直列共振周波数と並列共振周波数の間のインピーダンスはインダクタンス性のものになります。
さらに高い周波数ではまた容量性のインピーダンスとなります。

センサを共振させる場合には直列共振周波数と並列共振周波数の間の
インダクタンス成分と外部のコンデンサとで共振させます。
コンデンサの値を変えれば共振周波数も(微妙に)変化します。

参考URL：

http://okwave.jp/kotaeru_reply.php3?q=2315307

お礼

詳しい回答ありがとうございます。大変参考になりました。アドミッタンスを調べると最大値をとるところと最小値をとるところがあるわけですね。

回答No.4

foobar

超音波センサが等価的に抵抗の様に電気的に見える場合、電圧と電流の位相は一致しています。

ところが、大抵の場合、等価的には電気回路のコンデンサやコイルが繋がっているように見えることが多いです。
この時には、電流と電圧に位相差が現れます。
で、位相差がある(電気的にコイルに相当する成分やコンデンサ相当の成分がある)と、流れている電流の一部は、コンデンサやコイルの方に流れていて、音響として外に出ません(音響として外に出て行くパワーは、等価的には抵抗で消費される電力(の一部)として現れて来ます)

電圧と電流の位相差を測定する(#2さん回答のj分を見るに相当)ことで、流れている電流が実際に音と関係しているのか、否かを知ることができます。

測定方法としては、
御質問者の方法でアドミッタンスの絶対値|Y|を計算する。
電流と電圧の位相差φを測定する。
複素アドミタンスY=|Y|cosφ+j|Y|sinφ
となります。
(|Y|cosφが抵抗成分、|Y|sinφが等価的なコンデンサやコイルの成分)

お礼

何度も回答くださりありがとうございます。大変よく分かりました。

早速位相差も調べてみたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.2

fjnobu

共振周波数は、アドミッタンスが１番高いところで良いのですが、安定に動作させるには、其処から少し上か下にｊ分が最小の所がある筈です。そこで動作させるのが安定すると思います。

お礼

再度回答くださりありがとうございます。

共振周波数の評価方法に関してはおおむね合っているとのことでまずは安心しました。

評価方法があってるとすると別の疑問が生じるのですが、前述したような方法で公称周波数40kHzの超音波センサの共振周波数を調べています。横軸を周波数、縦軸にアドミッタンスをとってグラフを書くと、アドミッタンスの最大値が39kHzあたりにくるのですが、このくらいのずれは普通なのでしょうか。

何度も申し訳ありません。ご存知でしたらお願い致します。

回答No.1

fjnobu

可変周波数発信機と、その他に手持ちの測定器によって測定方法が色々です。周波数特性の判っているレシーバがあれば一番確実です。

補足

回答くださりましてありがとうございます。質問に関して補足させていただきます。

やってみた方法として、アドミタンスによる評価を試しました。ファンクションジェネレータを超音波センサにつなぎ、ある一定の交流電圧を印加します。その時超音波センサに実際に印加された電圧と電流を測定し、アドミタンスを求めます。この作業を公称周波数をはさんでプラスマイナス2kHzの範囲で0.1kHz刻みで行い、一番アドミタンスの値が高い周波数が共振周波数なのではないかというものです。

この方法に関して間違っている点などがありましたらご指摘くださいますでしょうか。よろしくお願い致します。