(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024059117
(43)【公開日】2024-05-01
(54)【発明の名称】音響測定によるガスの特性抽出方法およびそのための装置
(51)【国際特許分類】
G01N 29/036 20060101AFI20240423BHJP
G01N 29/032 20060101ALI20240423BHJP
G01N 29/44 20060101ALI20240423BHJP
【ＦＩ】
G01N29/036
G01N29/032
G01N29/44
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022166570
(22)【出願日】2022-10-18
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】100190067
【弁理士】
【氏名又は名称】續 成朗
(72)【発明者】
【氏名】ユルドゥルム タンジュ
(72)【発明者】
【氏名】吉川 元起
【テーマコード（参考）】
2G047
【Ｆターム（参考）】
2G047AA01
2G047BA04
2G047BC03
2G047BC04
2G047GD02
2G047GF11
2G047GG28
2G047GG32
(57)【要約】
【課題】比較的単純な装置構成で、対象ガスに固有の物理的特性を測定することによって、当該対象ガスの特性の抽出を可能とする方法およびそのための装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る音響測定によるガスの特性抽出方法においては、筐体１２０，１３０と、筐体１２０の一端に取り付けられた音響波出力手段１５０と、筐体１３０内に配置された音圧測定手段１４０とを有する音響共振器１００を用い、特定の信号で励起された音響波を音響波出力手段１５０から音響共振器１００内に発しながら音響共振器１００内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で当該音響波による音圧を音圧測定手段１４０により測定し、得られた結果から当該対象ガスの特性を抽出する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の一実施形態に係る音響測定によるガスの特性抽出方法においては、筐体１２０，１３０と、筐体１２０の一端に取り付けられた音響波出力手段１５０と、筐体１３０内に配置された音圧測定手段１４０とを有する音響共振器１００を用い、特定の信号で励起された音響波を音響波出力手段１５０から音響共振器１００内に発しながら音響共振器１００内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で当該音響波による音圧を音圧測定手段１４０により測定し、得られた結果から当該対象ガスの特性を抽出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
音響測定によるガスの特性抽出方法において、
筐体と、
前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、
前記筐体内に配置された音圧測定手段と
を有する音響共振器を用い、
特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定するステップと、
前記測定するステップで得られた結果から前記対象ガスの特性を抽出するステップと
を含む、方法。
筐体と、
前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、
前記筐体内に配置された音圧測定手段と
を有する音響共振器を用い、
特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定するステップと、
前記測定するステップで得られた結果から前記対象ガスの特性を抽出するステップと
を含む、方法。
【請求項2】
前記測定するステップにおいて、
前記周波数領域での測定は、１オクターブごとのエネルギーが一定である１／ｆノイズで励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、前記音圧測定手段に作用する音圧の周波数応答関数を得ることを含み、
前記時間領域での測定は、固定周波数の正弦波で励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含む、
請求項１に記載の方法。
前記周波数領域での測定は、１オクターブごとのエネルギーが一定である１／ｆノイズで励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、前記音圧測定手段に作用する音圧の周波数応答関数を得ることを含み、
前記時間領域での測定は、固定周波数の正弦波で励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記抽出するステップは、
前記周波数領域での測定で得られた周波数応答関数から、対象ガスの物理パラメータを得ることを含み、
前記時間領域での測定で得られた前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出することを含む、
請求項２に記載の方法。
前記周波数領域での測定で得られた周波数応答関数から、対象ガスの物理パラメータを得ることを含み、
前記時間領域での測定で得られた前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出することを含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記周波数領域での測定は、
前記音響共振器内が前記対象ガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第一の周波数応答関数を得ることと、
前記音響共振器内がパージガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第二の周波数応答関数を得ることと
を含み、
前記抽出するステップにおいて、前記第一および第二の周波数応答関数を比較して選択された共振ピークに基づいて、前記対象ガスの物理パラメータを得る、
請求項３に記載の方法。
前記音響共振器内が前記対象ガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第一の周波数応答関数を得ることと、
前記音響共振器内がパージガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第二の周波数応答関数を得ることと
を含み、
前記抽出するステップにおいて、前記第一および第二の周波数応答関数を比較して選択された共振ピークに基づいて、前記対象ガスの物理パラメータを得る、
請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記時間領域での測定は、前記音響共振器内に前記対象ガスとパージガスとを交互に切り替えて導入し、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含み、
前記抽出するステップにおいて、前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出する、
請求項３に記載の方法。
前記抽出するステップにおいて、前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出する、
請求項３に記載の方法。
【請求項6】
前記抽出するステップで得られた、前記周波数領域での測定からの対象ガスの物理パラメータと、前記時間領域での測定からの特徴量とから構成されるデータ集合に対して主成分分析または線形判別分析を適用することをさらに含む、請求項３～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記音響共振器は、一方の端部が開口端、他方の端部が閉口端である片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）であるか、または、両方の端部が開口端である両側開口管であり、（1/2＋2n/2）波長の共振器（nは０以上の整数）である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記音響共振器は、前記片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）である、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記音響共振器は1/4波長共振器である、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
音響測定によりガスの特性を抽出するための装置であって、
筐体と、
前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、
前記筐体内に配置された音圧測定手段と
を有する音響共振器を備え、
前記音響共振器は、その内部に対象ガスを導入する導入部、および、内部のガスを外部に排出可能な排出部を有し、
特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定可能に構成された、
装置。
筐体と、
前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、
前記筐体内に配置された音圧測定手段と
を有する音響共振器を備え、
前記音響共振器は、その内部に対象ガスを導入する導入部、および、内部のガスを外部に排出可能な排出部を有し、
特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定可能に構成された、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、音響測定によるガスの特性抽出方法およびそのための装置に関し、特に、周波数領域と時間領域の両方での音響測定によるガスの特性抽出方法および装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスの特性を測定、感知、抽出することは、化学種の同定に極めて重要である。ガス検知器は、分子量、密度、揮発性、蒸気圧などの特定の特性を測定する。測定された信号から解析モデルを用いて、あるいは、異なる特性を測定する複数のセンサを組み合わせることによって、ガスの各種特性を抽出することができる。このような高精度な測定を行うことにより、ガス分子の特性に基づいたガス試料の同定が可能であり、農業、ヘルスケア、医療、安全、ロボット、環境科学など多くの分野で利用されている。
【0003】
既存のガスセンサには、金属酸化物、ケミレジスター、電界効果トランジスタ、電気化学、表面弾性波（ＳＡＷ）、カンチレバー、膜、水晶振動子およびマイクロチャンネルなどを利用した、様々な種類がある。測定対象物がセンサ素子の周囲を流れるとき、測定対象分子のセンサ素子への吸着により、センサ素子の挙動が変化し、センサ素子と対象ガスの両方の特性に基づいて独特の信号を出力する。この種のセンサは、通常、センサ素子とガス分子間の化学的親和性に依存しているため、化学的な選択性は特定のガス種（対象ガスの種類）に対して特別に設計することができるが、濃度（Ｃ）に加えて、ガス密度（ρ）や蒸気圧などの物理パラメータを単純な装置で決定することは依然として困難である。これに対し、物理的特性を測定するガスセンサは、このようなセンサ素子と測定対象分子との間の化学的親和性に依存しないため、あらゆる種類のガスに適用でき、物理的なパラメータを定量化することが可能である。
【0004】
非特許文献１～３には、固体圧電ＳＡＷを用いた音響式ガスセンサが記載されているが、これらのセンサは、周波数シフトを誘起するための化学受容体などを使用するため、測定精度は当該化学受容体の性能に依存し、また、当該化学受容体の合成・製造のための手間も要する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】X. Qi, J. Liu, Y. Liang, J. Li, S. He, The response mechanism of surface acoustic wave gas sensors in real time, Japanese Journal of Applied Physics, 58(2019) 014001.
【非特許文献2】L. Zhou, Z. Hu, P. Wang, N. Gao, B. Zhai, M. Ouyang, et al., Enhanced NO2 sensitivity of SnO2 SAW gas sensors by facet engineering, Sensors Actuators B: Chemical, 361(2022) 131735.
【非特許文献3】N. Levit, D. Pestov, G. Tepper, High surface area polymer coatings for SAW-based chemical sensor applications, Sensors Actuators B: Chemical, 82(2002) 241-9.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、比較的単純な装置構成で、対象ガスに固有の物理的特性を測定することによって、当該対象ガスの特性の抽出を可能とする方法およびそのための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、以下のとおりである。
【0008】
［１］ 音響測定によるガスの特性抽出方法において、筐体と、前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、前記筐体内に配置された音圧測定手段とを有する音響共振器を用い、特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定するステップと、前記測定するステップで得られた結果から前記対象ガスの特性を抽出するステップと
を含む、方法。
［２］ 前記測定するステップにおいて、前記周波数領域での測定は、１オクターブごとのエネルギーが一定である１／ｆノイズで励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、前記音圧測定手段に作用する音圧の周波数応答関数を得ることを含み、前記時間領域での測定は、固定周波数の正弦波で励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含む、［１］に記載の方法。
［３］ 前記抽出するステップは、前記周波数領域での測定で得られた周波数応答関数から、対象ガスの物理パラメータを得ることを含み、前記時間領域での測定で得られた前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出することを含む、［２］に記載の方法。
［４］ 前記周波数領域での測定は、前記音響共振器内が前記対象ガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第一の周波数応答関数を得ることと、前記音響共振器内がパージガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第二の周波数応答関数を得ることとを含み、前記抽出するステップにおいて、前記第一および第二の周波数応答関数を比較して選択された共振ピークに基づいて、前記対象ガスの物理パラメータを得る、［３］に記載の方法。
［５］ 前記時間領域での測定は、前記音響共振器内に前記対象ガスとパージガスとを交互に切り替えて導入し、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含み、前記抽出するステップにおいて、前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出する、［３］に記載の方法。
［６］ 前記抽出するステップで得られた、前記周波数領域での測定からの対象ガスの物理パラメータと、前記時間領域での測定からの特徴量とから構成されるデータ集合に対して主成分分析または線形判別分析を適用することをさらに含む、［３］～［５］のいずれかに記載の方法。
［７］ 前記音響共振器は、一方の端部が開口端、他方の端部が閉口端である片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）であるか、または、両方の端部が開口端である両側開口管であり、（1/2＋2n/2）波長の共振器（nは０以上の整数）である、［１］～［６］のいずれかに記載の方法。
［８］ 前記音響共振器は、前記片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）である、［７］に記載の方法。
［９］ 前記音響共振器は1/4波長共振器である、［８］に記載の方法。
［１０］ 音響測定によりガスの特性を抽出するための装置であって、筐体と、前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、前記筐体内に配置された音圧測定手段とを有する音響共振器を備え、前記音響共振器は、その内部に対象ガスを導入する導入部、および、内部のガスを外部に排出可能な排出部を有し、特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定可能に構成された、装置。
を含む、方法。
［２］ 前記測定するステップにおいて、前記周波数領域での測定は、１オクターブごとのエネルギーが一定である１／ｆノイズで励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、前記音圧測定手段に作用する音圧の周波数応答関数を得ることを含み、前記時間領域での測定は、固定周波数の正弦波で励起された音響波を用い、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含む、［１］に記載の方法。
［３］ 前記抽出するステップは、前記周波数領域での測定で得られた周波数応答関数から、対象ガスの物理パラメータを得ることを含み、前記時間領域での測定で得られた前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出することを含む、［２］に記載の方法。
［４］ 前記周波数領域での測定は、前記音響共振器内が前記対象ガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第一の周波数応答関数を得ることと、前記音響共振器内がパージガスで満たされたときの前記音圧測定手段から出力される信号を測定し、第二の周波数応答関数を得ることとを含み、前記抽出するステップにおいて、前記第一および第二の周波数応答関数を比較して選択された共振ピークに基づいて、前記対象ガスの物理パラメータを得る、［３］に記載の方法。
［５］ 前記時間領域での測定は、前記音響共振器内に前記対象ガスとパージガスとを交互に切り替えて導入し、前記音圧測定手段から出力される信号の時間変化を測定することを含み、前記抽出するステップにおいて、前記出力信号の時間変化から特徴量を抽出する、［３］に記載の方法。
［６］ 前記抽出するステップで得られた、前記周波数領域での測定からの対象ガスの物理パラメータと、前記時間領域での測定からの特徴量とから構成されるデータ集合に対して主成分分析または線形判別分析を適用することをさらに含む、［３］～［５］のいずれかに記載の方法。
［７］ 前記音響共振器は、一方の端部が開口端、他方の端部が閉口端である片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）であるか、または、両方の端部が開口端である両側開口管であり、（1/2＋2n/2）波長の共振器（nは０以上の整数）である、［１］～［６］のいずれかに記載の方法。
［８］ 前記音響共振器は、前記片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）である、［７］に記載の方法。
［９］ 前記音響共振器は1/4波長共振器である、［８］に記載の方法。
［１０］ 音響測定によりガスの特性を抽出するための装置であって、筐体と、前記筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、前記筐体内に配置された音圧測定手段とを有する音響共振器を備え、前記音響共振器は、その内部に対象ガスを導入する導入部、および、内部のガスを外部に排出可能な排出部を有し、特定の信号で励起された音響波を前記音響波出力手段から前記音響共振器内に発しながら前記音響共振器内に対象ガスを導入し、周波数領域と時間領域の両方で前記音響波による音圧を前記音圧測定手段により測定可能に構成された、装置。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、比較的単純な装置構成で、対象ガスに固有の物理的特性を測定することによって、当該対象ガスの特性の抽出を可能とする方法およびそのための装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明において使用可能な音響共振器の具体的な構成例を示す模式断面図。
【図2】実施例で作製した1/4波長音響共振器の２次共振の共振周波数ｆｒｅｓを有限要素解析で数値的にシミュレーションした結果を示す図。
【図3】実施例で作製した音響共振器において、様々な音速ｃに対してマイクロフォンに作用する音圧の周波数応答関数を有限要素解析で数値的にシミュレーションした結果を示す図。
【図4】実施例で作製した音響共振器を用いたガス測定のための測定システムの構成を示す模式図。
【図5A】実施例の周波数領域での測定において、対象ガスを測定チャンバーに導入して得られた周波数応答関数を示す図。
【図5C】対象ガスについて、ガス密度ρ（Ｘ軸）に対する共振周波数ｆｒｅｓおよび音速ｃ（Ｙ軸）の関係をプロットしたグラフを示す図。共振周波数ｆｒｅｓおよび音速ｃの両方について、近似曲線の決定係数はＲ２＝１であった。
【図6A】実施例の周波数領域と時間領域での測定結果に関し、ｎ－ヘキサンの周波数領域と時間領域の挙動を示す交互サイクルを示す図。図中に挿入した周波数応答関数は、図５Ａについて周波数５．５～８．５ｋＨｚの範囲における純窒素およびｎ－ヘキサンの共振ピークを抜き出したものである。
【図6B】実施例の周波数領域と時間領域での測定結果に関し、異なるガスに対するマイクロフォン出力電圧の時間領域での二乗平均平方根値を示す図。
【図6E】実施例の周波数領域と時間領域での測定結果に関し、図６Ｃに示したｎ－ヘキサンに対する応答信号を例として、時間領域での測定結果から抽出される立ち上がり時間（Rise Time）、立ち上がり振幅（Rise Amplitude）、立ち下がり時間（Fall Time）、および立ち下がり振幅（Fall Amplitude）の特徴量について説明する図。
【図6F】実施例の周波数領域と時間領域での測定結果に関し、周波数領域と時間領域での測定結果から抽出されたデータ集合を用いて行った主成分分析の結果を示す図。
【図7A】実施例の、ｎ－ヘキサンを用いた濃度依存性測定の結果に関し、ｎ－ヘキサン濃度の異なる対象ガスを測定チャンバーに導入して得られた周波数応答関数を示す図。
【図7B】実施例の、ｎ－ヘキサンを用いた濃度依存性測定の結果に関し、ｎ－ヘキサン濃度の異なる対象ガスに対するマイクロフォン出力電圧の時間領域での二乗平均平方根値を示す図。
【図7C】実施例の、ｎ－ヘキサンを用いた濃度依存性測定の結果に関し、対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度に対するマイクロフォン出力電圧の振幅レベル（ΔＶ）の関係をプロットした図。図中の直線は回帰直線を示す。
【図7D】実施例の、ｎ－ヘキサンを用いた濃度依存性測定の結果に関し、ｎ－ヘキサン濃度の異なる対象ガスの周波数領域と時間領域での測定結果から抽出されたデータ集合を用いて行った主成分分析の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
【0012】
本発明の音響測定によるガスの特性抽出方法においては、筐体と、当該筐体の一端に取り付けられた音響波出力手段と、当該筐体内に配置された音圧測定手段とを有する音響共振器を用いる。
【0013】
図１は、上記音響共振器の具体的な構成例を示す模式断面図である。
【0014】
図１に示す音響共振器１００は、基板１１０を介して上部筐体１２０と下部筐体１３０とを有する。上部筐体１２０と下部筐体１３０とは、基板１１０に設けられた孔（オリフィス）１１２によって内部空間が導通されている。また、上部筐体１２０と下部筐体１３０には、シール部材（Ｏリング）１２２、１３２が設けられており、それぞれ、基板１１０の上面と上部筐体１２０の下部、および、基板１１０の下面と下部筐体１３０の上部との密封性（密閉性）を確実にしている。
【0015】
下部筐体１３０の内部には、音圧測定手段１４０が配置されており、音圧測定手段１４０は、基板１１０のオリフィス１１２を介して上部筐体１２０の内部からの音圧を受容可能とされている。
【0016】
上部筐体１２０の上端、すなわち、音圧測定手段１４０が配置された下部筐体１３０がある側とは反対側の端部には、音響波出力手段１５０が取り付けられている。音響波出力手段１５０は、音響波を発出する部分が上部筐体１２０の内部に向けられている。また、上部筐体１２０の上端と音響波出力手段１５０との間には、シール部材（Ｏリング）１２４が設けられており、上部筐体１２０の上端と音響波出力手段１５０との密封性（密閉性）を確実にしている。
【0017】
加えて、上部筐体１２０は、左右両側に開口部１２６、１２８を有し、一方の開口部（例えば、開口部１２６）は上部筐体１２０（つまり、音響共振器１００）の内部に対象ガスを導入する導入部として、他方の開口部（例えば、開口部１２８）は上部筐体１２０（音響共振器１００）の内部のガスを外部に排出可能な排出部として機能する。言い換えると、図１に示す音響共振器１００においては、上部筐体１２０の内部および基板１１０のオリフィス１１２を含む空間で構成される部屋（チャンバー）Ｃが存在し、チャンバーＣは、開口部１２６を介してその内部に対象ガスを導入し、開口部１２８を介して内部のガスを外部に排出可能に構成されている。以下では、このようなチャンバーＣを測定チャンバーとも称する。なお、開口部１２６、１２８の配置場所や大きさなどは、図１に示す態様に限定されず、適宜設計することができる。また、測定チャンバーＣは、狭義には、音響波出力手段１５０の下端から基板１１０の下面（音圧測定手段１４０の上面）までの範囲（図１に示す符号ｘ１）であるが、後述する音響共振器１００の共振波長に関する文脈においては、測定チャンバーＣの範囲は、音響波出力手段１５０の音響波発生部１５２の位置（図１に示す符号ｘ２）、および、音圧測定手段１４０の音圧受容部１４２の位置（図１に示す符号ｘ３）を考慮したもの（すなわち、図１に示す符号Ｘ）であることに留意されたい。なお、実際に音響波出力手段１５０および音圧測定手段１４０として使用する部材の構成（構造）上、上記ｘ２およびｘ３の値の一方もしくは両方を除外して考えても差し支えないような場合には、実質的な測定チャンバーＣの範囲として、例えば、上記ｘ１とｘ２の合計値を用いることも可能であり得る。加えて、図１では、分かりやすさのために、基板１１０が一定の厚みを有するように描かれているが、上記ｘ１の値（あるいはｘ１とｘ２の合計値）に対して実際に基板１１０として使用する部材の厚みが十分に小さい場合には、実質的な測定チャンバーＣの範囲として、上記ｘ１とｘ２の合計値から基板１１０の厚みを除算した値（すなわち、基板１１０の上面から音響波出力手段１５０の音響波発生部１５２までの範囲）を用いてもよい。
【0018】
このような構成を有する音響共振器１００において、音響波出力手段１５０は、特定の周波数を有する信号で励起された音響波を音響共振器１００内に（測定チャンバーＣ内に）発し、音圧測定手段１４０は、当該音響波による音圧を測定することで、所要の音響測定を行うことができる。また、上記音響測定においては、音響波出力手段１５０から測定チャンバーＣ内に音響波を発しながら、開口部１２６を介して測定チャンバーＣ内にガスを導入し、そのときの音響波による音圧を音圧測定手段１４０で測定することも可能である。
【0019】
本発明では、音圧測定手段１４０および音響波出力手段１５０として、それぞれ、一般に入手可能な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロフォンおよびスピーカーを用いることができる。また、基板１１０としては、絶縁体の基板であってもよく、当該絶縁体基板の上や内部に導体の配線が施されたプリント配線板（ＰＷＢ）、またはさらに電子部品が取り付けられたプリント回路板（ＰＣＢ）であってもよい。基板１１０としてＰＣＢを用いた場合には、そこに音圧測定手段（マイクロフォン）１４０および音響波出力手段（スピーカー）１５０を電気的に接続し、これらの動作を制御するように構成することも可能である。
【0020】
音響共振器１００の筐体（上部筐体１２０および下部筐体１３０）を構成する材料としては、その内部に導入されたガスが筐体に吸脱着するなどの化学的相互作用が生じにくいものを選択することが好ましい。このような化学的相互作用が生じると、本発明の方法によるガスの特性の抽出結果に影響を及ぼす可能性があるためである。具体的には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）、ＦＥＰ（パーフルオロエチレンプロペンコポリマー）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー）などのフッ素樹脂は、音響共振器１００の筐体、特に、測定チャンバーＣを有する上部筐体１２０を構成する材料として好適に用いることができる。
【0021】
本発明では、上記のような構成を有する音響共振器１００を用い、対象ガスを周波数と時間の両領域で測定することで、対象ガスの特性の抽出を実現する。
【0022】
ここで、本発明の代表的な一実施形態において、音響共振器１００は、1/4波長の共振器を形成するように構成されていることが好ましい。図１に示す構成を有する音響共振器１００においては、基板１１０の下面から音響波出力手段１５０の下端（音響波を発出する部分）までの距離ｘ１と、音響波出力手段１５０の下端から音響波出力手段１５０の内部に備えられた音響波発生部（例えば、スピーカーの振動膜（振動板））１５２までの距離ｘ２と、基板１１０の下面と音圧測定手段１４０の内部に備えられた音圧受容部（例えば、マイクロフォンの振動膜（振動板））１４２までの距離ｘ３との合計値で表わされる長さＸの値を適切に設定することで、1/4波長共振器として機能する音響共振器１００を構成することができる。そのような1/4波長共振器の具体的な構成例については、実施例の項において説明する。なお、装置の設計上許容される場合には、音響共振器１００を3/4波長共振器、5/4波長共振器など、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは１以上の整数）として構成することも可能である。加えて、図１に示す音響共振器１００では、上部筐体１２０の上端が開口端であり、下部筐体１３０の底部が閉口端である片側開口管（閉管共振器）が形成されているが、下部筐体１３０の底部を開放状態として両側開口管（開管共振器）とした場合には、音響共振器１００を1/2波長共振器あるいは（1/2＋2n/2）波長の共振器（nは１以上の整数）として構成することも可能であり得る。すなわち、本発明の一態様においては、音響共振器１００は、一方の端部が開口端、他方の端部が閉口端である片側開口管であり、（1/4＋2n/4）波長の共振器（nは０以上の整数）であり得、また、別の態様においては、音響共振器１００は、両方の端部が開口端である両側開口管であり、（1/2＋2n/2）波長の共振器（nは０以上の整数）であり得る。
【0023】
上記（1/4＋2n/4）波長の共振器または（1/2＋2n/2）波長の共振器（いずれもnは０以上の整数）を形成するように、より具体的には1/4波長共振器を形成するように構成された音響共振器１００を用いることで、共振周波数で著しく増加した音圧を音圧測定手段１４０で測定することが可能となる。この共振周波数は、音響共振器１００内部の（測定チャンバーＣの内部の）ガスの音速ｃおよび密度ρによって与えられる。すなわち、対象ガスが開口部１２６から音響共振器１００内に（測定チャンバーＣ内に）導入されると、測定チャンバーＣ内のガスの密度ρと音速ｃが変化し、音響波出力手段１５０から発せられる音圧波が変化する。この音圧波の変化に起因する、測定チャンバーＣ内のガスの共振周波数の変化は、周波数領域での測定、具体的には、可聴周波数範囲における標準的な１／ｆ等オクターブピンクノイズ試験などによって実験的に得ることができる。また、一定の（固定された）周波数条件での時間領域での測定によって得られる時系列信号は、対象ガスの種類や対象ガスに含まれる特定のガスの濃度に依存して固有のプロファイルを示すため、そこから複数の特徴量を抽出することにより、多次元的なデータ解析が可能となる。この周波数－時間両領域測定で得られた多次元データ（データ集合）を基に、対象ガスの種類や対象ガスに含まれる特定のガスの濃度を明らかにすることが可能となる。
【0024】
非特許文献１～３に記載されるような固体圧電ＳＡＷを用いた既存の音響式ガスセンサと比較して、本発明の装置は、上述した周波数シフトを誘起するための化学受容体などを使用せず、対象ガスの特性に固有であり、かつ可聴域の共振周波数（ｆｒｅｓ）を測定する点において有用性が高い。様々なガスの音速ｃは、光音響共鳴器やヘルムホルツ共鳴器を用いて測定することが可能であるが、これらは通常、よく知られた特性を持つ特定の純粋なガスのモニタリングに使用されている。
【0025】
これに対し、本発明では、後述する実施例で具体的に説明するように、特定の化学物質を収容した密閉バイアルのヘッドスペースガスを用いて調製されたガスを対象とした測定を行い、その結果から、対象ガスの種類に固有の物理パラメータとして、音速ｃと密度ρを求めることができる。また、対象ガスが測定チャンバーに導入される際の音圧の時間領域における時系列変化の測定も行うことで、対象ガスの種類に固有の多次元データを得ることができ、それらの多次元データから、対象ガスの化学的特性を得ることもできる。
【0026】
加えて、本発明では、周波数領域での測定で得られた物理パラメータ（音速、密度など）と、時間領域での測定で得られた多次元データとを用いて、例えば主成分分析（Principal Component Analysis，ＰＣＡ）や線形判別分析（Linear Discriminant Analysis，ＬＤＡ）等、データ集合の特徴に基づく、データ集合間の類似の程度を何らかの形態で表現する各種の統計的な処理やそれに関連する機械学習を行うことで、対象ガスの特徴を抽出することも可能である。
【0027】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例は本発明を限定するものではなく、その理解を助けるためのものであることに留意されたい。
【実施例0028】
［装置構成］
本実施例では、図１を参照して説明したのと同様の構成を有する装置（１００）を作製した。
音圧測定手段（１４０）としては、市販のＭＥＭＳマイクロフォン（ADMP401-sparkfun）を使用し、音響波出力手段（１５０）としては、市販のイヤホン（ZNS-0111-BEIY，Boesklenn社製）の片方１個を使用した。
基板（１１０）としてはＰＣＢを用い、ＰＣＢの一方の面にＰＴＦＥ製の上部筐体（１２０）を配置し、ＰＣＢのもう一方の面に３Ｄプリンタで作製した下部筐体（１３０）を配置した。
本実施例では、図１を参照して説明したのと同様の構成を有する装置（１００）を作製した。
音圧測定手段（１４０）としては、市販のＭＥＭＳマイクロフォン（ADMP401-sparkfun）を使用し、音響波出力手段（１５０）としては、市販のイヤホン（ZNS-0111-BEIY，Boesklenn社製）の片方１個を使用した。
基板（１１０）としてはＰＣＢを用い、ＰＣＢの一方の面にＰＴＦＥ製の上部筐体（１２０）を配置し、ＰＣＢのもう一方の面に３Ｄプリンタで作製した下部筐体（１３０）を配置した。
【0029】
作製した装置において、対象ガスが導入される上部筐体内部の空間（測定チャンバーＣ）の長さ（図１に示す符号Ｘの値、すなわち、スピーカーの内部の振動膜からマイクロフォンの内部の振動膜までの距離）は、約１７ｍｍであり、この長さから、ＰＣＢの下面からマイクロフォンの振動膜までの距離およびＰＣＢの厚みを除算すると、約１４ｍｍ（ＰＣＢの上面からスピーカーの振動膜までの距離に相当）であった。また、測定チャンバーの直径（上部筐体の内径）は６ｍｍとし、これは、スピーカーと上部筐体の上端との間の密閉性を確保するためにスピーカーの周囲に装着したＯリング（１２４）の内径と同じサイズである。なお、クリップを用いてスピーカーとＯリングを押さえることで、両構成要素の密着性が保たれるようにした。
【0030】
以上の構成により、上部筐体の上端側に、対象ガスを音響共振器の内部に（測定チャンバーの内部に）導入可能な導入部（１２６）と、測定チャンバーの内部のガスを外部に排出可能な排出部（１２８）を有する、1/4波長音響共振器を形成した。
ここで、当該1/4波長音響共振器における共振周波数は、次式で与えられる
ここで、ｃは音速（ｍ／ｓ）、Ｌは柱の長さ（ｍ）、ｆｒｅｓは共振周波数（Ｈｚ）、ｎは高調波数を表す。閉管共振器の場合、周波数応答関数（Frequency Response Function，ＦＲＦ）には奇数の高調波のみが発生する。本実施例で作製した音響共振器の２次共振（ｎ＝３、３倍振動）のｆｒｅｓを、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓによる有限要素解析（Finite Element Analysis，ＦＥＡ）で数値的にシミュレーションした。なお、このシミュレーションでは、上記式（１）におけるＬの値としては、上述した「ＰＣＢの上面からスピーカーの振動膜までの距離」に相当する値（１４ｍｍ＝０．０１４ｍ）を採用した。
ここで、当該1/4波長音響共振器における共振周波数は、次式で与えられる
【数1】
【0031】
結果を図２に示す。
図２に示すＦＥＡで計算された窒素ガスのｆｒｅｓは、１８．７３７ｋＨｚ（ｃ＝３４９［ｍ／ｓ］）であった。
なお、図２において記号Ｄ－Ｄ’で示す線は、基板の下面においてオリフィスが設けられている部分に接するように配置された、マイクロフォンの内部の振動膜の位置を示している。
図２に示すＦＥＡで計算された窒素ガスのｆｒｅｓは、１８．７３７ｋＨｚ（ｃ＝３４９［ｍ／ｓ］）であった。
なお、図２において記号Ｄ－Ｄ’で示す線は、基板の下面においてオリフィスが設けられている部分に接するように配置された、マイクロフォンの内部の振動膜の位置を示している。
【0032】
本実施例では、対象ガスの音速ｃをより正確に求めるために、以下の３つの理由により、２次共振を利用することとした。
（１）共振ピークが明確であること：１次共振（基本振動）の周波数域周辺には、スピーカーの振動膜の共振とオリフィスと下部筐体容積間のヘルムホルツ共振が重なっているが、２次共振の周辺には他の大きな共振がなく、共振ピークが明確である。
（２）周波数変化量（Δｆｒｅｓ）が大きいこと：２次共振は、ガスの特性の変化による周波数変化が１次共振の３倍となり、異なるガス間の音速ｃの識別が容易になる。
（３）可聴領域であること：２次共振のｆｒｅｓは、２０ｋＨｚ以下であり、簡易オーディオ機器（例えば、ＤＶＤ音質の最低サンプリングレートは４４．１ｋＨｚ）が利用可能である。共振器が異なるガスで満たされると、密度ρと音速ｃの変化によりｆｒｅｓが変化する。理想気体の音速ｃは次式で与えられる。
ここで、γは比熱比（以下、窒素については１．４を使用）、Ｒは気体定数（８．３１４ｍ３Ｐａ×ｍｏｌ－１Ｋ－１）、Ｔは温度（２９３．１５Ｋ）、Ｍｗは気体の平均モル質量（ｋｇ／ｍｏｌ）である。非理想的な混合気体の場合、音速ｃは次式で与えられる。
ここで、Ｂは気体の体積弾性率（Ｐａ）である。図３は、様々な音速ｃに対するｆｒｅｓの効果を示しており、音速ｃのわずかな変化（図３に示す例では１０ｍ／ｓの変化）により、明確なΔｆｒｅｓが生じることを示している。なお、図３中の４つのグラフは、ピーク位置を基準として左から右の順に、音速ｃが３３０ｍ／ｓの場合、３４０ｍ／ｓの場合、３５０ｍ／ｓの場合、３６０ｍ／ｓの場合を示している。
（１）共振ピークが明確であること：１次共振（基本振動）の周波数域周辺には、スピーカーの振動膜の共振とオリフィスと下部筐体容積間のヘルムホルツ共振が重なっているが、２次共振の周辺には他の大きな共振がなく、共振ピークが明確である。
（２）周波数変化量（Δｆｒｅｓ）が大きいこと：２次共振は、ガスの特性の変化による周波数変化が１次共振の３倍となり、異なるガス間の音速ｃの識別が容易になる。
（３）可聴領域であること：２次共振のｆｒｅｓは、２０ｋＨｚ以下であり、簡易オーディオ機器（例えば、ＤＶＤ音質の最低サンプリングレートは４４．１ｋＨｚ）が利用可能である。共振器が異なるガスで満たされると、密度ρと音速ｃの変化によりｆｒｅｓが変化する。理想気体の音速ｃは次式で与えられる。
【数2】
【数3】
【0033】
［実験手順］
図４は、上述した装置を用いたガス測定のための測定システムの構成を示す模式図である。
図４に示す測定システムにおいて、第１のマスフローコントローラ（ＭＦＣ１）は、窒素ラインに接続されており、バイアル瓶に収容された液体試料の蒸気であるヘッドスペースガス（試料ガス）を、混合チャンバーに輸送する。第２のマスフローコントローラー（ＭＦＣ２）は、純窒素を混合チャンバーに導入することで、ＭＦＣ１を介して輸送された試料ガスを所定の割合に希釈する役割を果たす。このようにして調製された混合ガス（対象ガス）が、測定チャンバー（1/4波長音響共振器）に導入される。使用したバイアル瓶はガラス製で２０ｍＬの容積を有し、収容する液体試料の量は３ｍＬとした。
図４は、上述した装置を用いたガス測定のための測定システムの構成を示す模式図である。
図４に示す測定システムにおいて、第１のマスフローコントローラ（ＭＦＣ１）は、窒素ラインに接続されており、バイアル瓶に収容された液体試料の蒸気であるヘッドスペースガス（試料ガス）を、混合チャンバーに輸送する。第２のマスフローコントローラー（ＭＦＣ２）は、純窒素を混合チャンバーに導入することで、ＭＦＣ１を介して輸送された試料ガスを所定の割合に希釈する役割を果たす。このようにして調製された混合ガス（対象ガス）が、測定チャンバー（1/4波長音響共振器）に導入される。使用したバイアル瓶はガラス製で２０ｍＬの容積を有し、収容する液体試料の量は３ｍＬとした。
【0034】
このような測定システムを用いて、対象ガスの特性に関する様々な情報を抽出するために、周波数と時間の両方の領域で、音響波に基づいた２つの異なる測定を実施し、対象ガスの密度ρ、音速ｃ、およびその他の多次元データを取得した。
【0035】
周波数領域での測定では、ＦＲＦを得るために、音響波は、振幅１０ｍＶの１／ｆ等オクターブピンクノイズで励起した。
一方、時間領域での測定では、音響波は、Ｖｉｎ×ｓｉｎ（２πｆｔ）形式の固定周波数の正弦波で励起した。ここで、Ｖｉｎはスピーカーへの入力電圧（ｍＶ）、ｆは試験周波数（Ｈｚ）、ｔは時間（ｓ）である。
一方、時間領域での測定では、音響波は、Ｖｉｎ×ｓｉｎ（２πｆｔ）形式の固定周波数の正弦波で励起した。ここで、Ｖｉｎはスピーカーへの入力電圧（ｍＶ）、ｆは試験周波数（Ｈｚ）、ｔは時間（ｓ）である。
【0036】
スピーカーへの電圧入力にはＰＸＩ５４０６（ＮＩ社製）、マイクロフォンの出力測定にはＰＸＩ５９２２（ＮＩ社製）をそれぞれ使用した。マイクロフォンへのバイアス電圧は、すべての測定で３Ｖに設定した。測定中の実験室の典型的な温度は２０℃であった。すべての測定は、一定の騒音環境下でのデータ取得可能性を評価するために、通常の実験室条件下で実施した。
【0037】
周波数領域での測定（ピンクノイズ試験）では、２００ｋＨｚのサンプリングレートで２００キロサンプル（ｋＳ）取得するという条件で測定を行った（つまり、１Ｈｚでデータを取得した）。また、周囲のノイズ源による変動を低減するため、１００回のピンクノイズ試験を平均化した。
時間領域での時系列測定では、標準的なマイク入力端子で１０Ｈｚの測定ができる条件、つまり４８ｋＨｚのサンプリングレートで４．８ｋＳ取得するという条件で測定を行った。
また、時間領域の測定では、他の不要なノイズ源の影響を除去するために±５００Ｈｚのバンドパスフィルタを使用した。例えば、試験周波数ｆ＝６．９（ｋＨｚ）では、６．４～７．４ｋＨｚのバンドパスフィルタを適用した。フィルタリング後のデータを収集（４．８ｋＳ）した後、収集した時系列データの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を、各サンプリング間隔（１００ｍｓ）におけるマイクロフォンの出力電圧の変化量（ΔＶ）に対して算出した。
時間領域での時系列測定では、標準的なマイク入力端子で１０Ｈｚの測定ができる条件、つまり４８ｋＨｚのサンプリングレートで４．８ｋＳ取得するという条件で測定を行った。
また、時間領域の測定では、他の不要なノイズ源の影響を除去するために±５００Ｈｚのバンドパスフィルタを使用した。例えば、試験周波数ｆ＝６．９（ｋＨｚ）では、６．４～７．４ｋＨｚのバンドパスフィルタを適用した。フィルタリング後のデータを収集（４．８ｋＳ）した後、収集した時系列データの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を、各サンプリング間隔（１００ｍｓ）におけるマイクロフォンの出力電圧の変化量（ΔＶ）に対して算出した。
【0038】
［実験結果］
以下、これらの測定結果について詳述する。
以下、これらの測定結果について詳述する。
【0039】
［周波数領域での測定：各種液体試料から調製した対象ガスの周波数応答関数］
液体試料として、水（超純水、メルクミリポア製超純水製造装置を使用）、メタノール（関東化学、純度 ＞９９．８％）、エタノール（富士フイルム和光純薬、純度 ＞９９．５％）、酢酸エチル（関東化学、純度 ≧９９．５％）、トルエン（和光純薬工業、純度 ≧９９．５％）、アセトン（シグマアルドリッチ、純度 ≧９９．５％）、およびｎ－ヘキサン（富士フイルム和光純薬、純度 ≧９６．０％）を用いた。
液体試料として、水（超純水、メルクミリポア製超純水製造装置を使用）、メタノール（関東化学、純度 ＞９９．８％）、エタノール（富士フイルム和光純薬、純度 ＞９９．５％）、酢酸エチル（関東化学、純度 ≧９９．５％）、トルエン（和光純薬工業、純度 ≧９９．５％）、アセトン（シグマアルドリッチ、純度 ≧９９．５％）、およびｎ－ヘキサン（富士フイルム和光純薬、純度 ≧９６．０％）を用いた。
【0040】
上記液体試料の蒸気（バイアル瓶のヘッドスペースガス）を、２ｓｃｃｍに設定したＭＦＣ１によって混合チャンバーに輸送し、８ｓｃｃｍに設定したＭＦＣ２から送られた純窒素で希釈し、濃度２０％で試料ガスを含む流量１０ｓｃｃｍの混合ガス（対象ガス）を調製し、音響共振器の測定チャンバーに導入した。
【0041】
周波数領域での測定では、対象ガスを４分間測定チャンバー内に導入し、その後、ピンクノイズを用いてＦＲＦを求めた。ピンクノイズ試験は１００回行い、それぞれのピンクノイズ試験の間に０．８秒の時間差を設け、約３分かけてＦＲＦを平均化した。この間、対象ガスは連続的に測定チャンバー内に導入し続けた。
【0042】
図５Ａに示すように、各々の対象ガスはそれぞれ固有の共振ピークを示し、対象ガスに応じて共振ピークの周波数と強度が異なることが確認された。いずれの対象ガスでも、最大共振ピークは６．９～７．０ｋＨｚ付近に見られるが、これは少なくとも以下の複数の共振で構成されている：
・基本的な1/4波長共振（ＦＥＡで５．８ｋＨｚと推定された）、
・スピーカーの主共振（オープン環境で実験的に測定し、６．６ｋＨｚであることが確認された）、および
・ＰＣＢのオリフィスとマイクロフォンを格納する下部筐体間の基本ヘルムホルツ共振（ＦＥＡで９ｋＨｚと推定された）。
・基本的な1/4波長共振（ＦＥＡで５．８ｋＨｚと推定された）、
・スピーカーの主共振（オープン環境で実験的に測定し、６．６ｋＨｚであることが確認された）、および
・ＰＣＢのオリフィスとマイクロフォンを格納する下部筐体間の基本ヘルムホルツ共振（ＦＥＡで９ｋＨｚと推定された）。
【0043】
この５～９ｋＨｚの複数の共振ピークの畳み込みとは別に、１７～１９ｋＨｚの範囲に明確な共振ピークがあり、これは異なるガスに対する測定チャンバー内の２次共振（ｎ＝３、３倍振動）に相当する。上記「装置構成」の項で述べたように、各対象ガスの音速ｃを決定するための主共振として２次共振を選択し、この共振ピーク付近の拡大図を図５Ｂに示した。なお、図５Ａおよび図５Ｂ中の９つのグラフは、図５Ｂにおけるピーク位置を基準として左から右の順に、ｎ－ヘキサン（ｎ－Ｈｅｘａｎｅ）、アセトン（Ａｃｅｔｏｎｅ）、酢酸エチル（ＥｔＯＡｃ）、トルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）、空気（Ａｉｒ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、水（Ｗａｔｅｒ）、純窒素（Ｎ２）である。
【0044】
図５Ａおよび図５Ｂに示すＦＲＦで観測される鋭いピークは、ガス流量に関係なく時々観測されることから、実験室環境での音響ノイズに起因するものであると考えて良い。図５Ｂに示すように、２次共振の共振ピークが明瞭かつ正確に観測されたことは、ノイズの多い環境下でも異なるガスの音速ｃを決定できる可能性を示している。なお、「空気（Ａｉｒ）」とは、ＭＦＣ１およびＭＦＣ２を０ｓｃｃｍに設定し、ガス流路を開放した状態を指し、この条件下では、よく知られた空気の密度ρと音速ｃの値を参照値として得ることができる。
【0045】
各対象ガスのｆｒｅｓはローレンツフィッティングで求めた。窒素の音速ｃを３４９ｍ／ｓ（２０℃の場合）とし、上記式（１）により、設計値である約１４ｍｍの測定チャンバー長から補正長Ｌ＝Ｌｅｆｆを算出し、１３．９２ｍｍとした。マノメーター（１５００Ｎ、穂高製作所）をガス流路に接続し、各対象ガスの圧力を確認したところ、すべての対象ガスにおいて同じ値（０．５ｋＰａ）を示した。これは各対象ガスの圧力が、大気圧（１０１．３ｋＰａ）と両方のＭＦＣによって引き起こされる流圧（０．５ｋＰａ）の合計である１０１．８ｋＰａと同等であることを意味する。測定チャンバー内の圧力が一定であることを考慮すると、理想気体の方程式は、ガス密度ρについて次のように整理することができる。
ここで、Ｐはガス圧（１０１．８ｋＰａ）である。
【数4】
【0046】
後述する測定を含め、本実施例で使用したすべての対象ガスの共振周波数ｆｒｅｓ、密度ρ、音速ｃ、平均モル質量Ｍｗを含む結果を表１に示す。なお、表１に示す対象ガスの順序は、共振周波数ｆｒｅｓについての昇順である。純窒素（Ｎ２）と比べて対象ガスの共振周波数ｆｒｅｓが減少するのは、上記式（１）と式（３）の関係に従って、各対象ガスの音速ｃが減少し、それに伴って、べき乗則（図５Ｃ）を介してガス密度ρが増加するためである（図５Ｂには、矢印線と共に「Increasing ρ」という表示を付している。）。式（３）から期待される関係はρ－０．５であり、実際の測定結果に対してｆｒｅｓ、ｃともに指数が－０．５となり、良い一致を示している。
【0047】
【表1】
【0048】
［時間領域での測定：各種液体試料から調製した対象ガスの時間領域応答］
本発明で使用される音響共振器の利点は、時間領域と周波数領域の両方で動作できることであり、これにより、対象ガスの識別のための固有の多次元データセットが得られる。このデータセットと、計算によって得られるいくつかのパラメータ（例えば、表１に示すＭｗとρ）に基づいて、対象ガスの種類の識別が可能となる。空間と時間の両領域における音響波方程式は次式で与えられる。
ここで、ＳＰＬは音圧レベル（Ｐａ）、ｒは空間座標、ωは角周波数（ｒａｄ／ｓ）、ｋは波数（ω／ｃ）、φは位相シフト（ｒａｄ）、δｍは音波の伝播に伴う分子の変位（ｍ）である。式（５）の音響波の振幅は、次式で与えられる。
ここでｖは、初期状態と最終状態の間で振動する音響波中の分子の分子速度を表す（音速ｃとは異なる事に注意）。式（６）は、ＳＰＬがガスの特性に大きく依存し、ヘッドスペースガスが共振器に流れ込むと変化することを意味している。
本発明で使用される音響共振器の利点は、時間領域と周波数領域の両方で動作できることであり、これにより、対象ガスの識別のための固有の多次元データセットが得られる。このデータセットと、計算によって得られるいくつかのパラメータ（例えば、表１に示すＭｗとρ）に基づいて、対象ガスの種類の識別が可能となる。空間と時間の両領域における音響波方程式は次式で与えられる。
【数5】
【数6】
【0049】
時間領域での測定では、上述したのと同様に調製した混合ガス（対象ガス）を音響共振器の測定チャンバーに導入し、サンプリングとパージを交互に行った。サンプリングでは、ＭＦＣ１とＭＦＣ２の流量をそれぞれ２ｓｃｃｍと８ｓｃｃｍとし、パージ（純窒素）では、ＭＦＣ１とＭＦＣ２の流量をそれぞれ０ｓｃｃｍと１０ｓｃｃｍとした。サンプリングとパージは４分間行い、各対象ガスについて連続３サイクル測定することで、ほぼ定常状態として測定を行った。対象ガス中の試料ガス濃度は、１０ｓｃｃｍの総流量を維持しながら、ＭＦＣ１とＭＦＣ２の流量比を調整することで変化させた。
【0050】
時間領域での測定では、一定の試験周波数ｆ＝６．９［ｋＨｚ］を使用した。これは、対象ガスの特性によって共振ピークが低周波側にシフトするため（図６Ａの挿入図）、ｆ＝６．９［ｋＨｚ］は、窒素の最大ｆｒｅｓ＝７．４６［ｋＨｚ］より小さく、かつｎ－ヘキサンの最大ｆｒｅｓ＝６．９５２［ｋＨｚ］付近の周波数範囲をカバーするように選択した。また、この試験周波数では、スピーカーへの電力入力が最小限（すべての時間領域測定でＶｉｎ＝３０［ｍＶ］）で測定可能である。周波数領域測定では単一の物理パラメータを得ることができるのに対して、時間領域測定のデータからは多次元のデータセットを抽出することができる。
【0051】
図６Ａは、ｎ－ヘキサンの周波数領域と時間領域の挙動を示す交互サイクルを示している。ｆ＝６．９［ｋＨｚ］において、ＦＲＦの大きさは、音響共振器がｎ－ヘキサンで充填された場合（サンプリングステップ：Gas Sampling）と窒素で充填された場合（パージステップ：N2Purging）で変化する。ガスサンプリングが行われると、対応するＦＲＦでの振幅が周波数領域で増加し、マイクロフォン出力電圧が時間領域で増加する（ｎ－ヘキサンではマイクロフォンが最大電圧に達すると若干のクリップが発生する）。このプロセスは、サンプリングステップとパージステップでそれぞれ出力電圧の増加と減少として、可逆的に測定される。
【0052】
図６Ｂに、異なる対象ガスに対するマイクロフォン出力電圧の時間領域でのＲＭＳを示す。これは、サンプリングとパージによって対象ガス中の試料ガス分子が音響共振器を出入りし、すべての対象ガスに対して可逆的であることを示している。ここで、図６Ｂ中の７つのグラフは、各サイクルにおける出力電圧の変化量を基準として大きいものから小さいものの順に、ｎ－ヘキサン（ｎ－Ｈｅｘａｎｅ）、アセトン（Ａｃｅｔｏｎｅ）、酢酸エチル（ＥｔＯＡｃ）、トルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、水（Ｗａｔｅｒ）である。最初のサイクルと、後の２つのサイクルの間のわずかな差は、最初のサイクルでバイアル瓶内のヘッドスペースガスが、静置状態から窒素キャリアガスによる動的状態に変化したことに起因している。出力電圧が最低の水から最高のｎ－ヘキサンまでの出力電圧の差は、図６Ｃに示すように、３サイクル目のベースライン値（ΔＶ）を差し引くと－３～５００ｍＶの範囲となる。なお、図６Ｃ中の７つのグラフと対象ガスの種類との対応関係は、上述した図６Ｂと同じである。対象ガスの種類ごとに、時間領域で信号強度と立ち上がり時間や立ち下がり時間などの形状が異なることが明確に示されており、これらの違いから多次元データが抽出可能となる。
【0053】
これらの違いをさらに特徴付けるために、図６Ｄに正規化した応答をプロットしている。ほとんどの対象ガスが様々な時定数を持つ従来の一次応答を示す一方で、水蒸気は非常に異なる信号を示し、最初の２０秒間は増加し、その後減少し、基準の窒素と比較して低いＲＭＳ出力電圧となった。また、ｎ－ヘキサン（Ｍｗが大きく蒸気圧が高い）が最も早い立ち上がりを示し、トルエン（Ｍｗが大きく、蒸気圧が低い）が最も遅い立ち上がりを示した。これは、アセトン（Ｍｗが小さく蒸気圧が高い）やエタノール（Ｍｗが小さく蒸気圧が低い）に比べて、トルエンはＭｗが大きく蒸気圧が低いことに起因していると思われる。
【0054】
ここで、時間領域での測定結果（図６Ｃ）から抽出される特徴量として、立ち上がり時間（Rise Time）、立ち上がり振幅（Rise Amplitude）、立ち下がり時間（Fall Time）、立ち下がり振幅（Fall Amplitude）について説明する。立ち上がり振幅と立ち上がり時間の定義は、それぞれ１２００～１４４０秒の間の１０～９０％の間の振幅レベル（ΔＶ）とこの値に到達するまでの時間である。同様に、立ち下がり振幅と立ち下がり時間の特徴は、１４４０～１６８０秒のパージサイクルについて、振幅の減少（ΔＶ）とこの減少を達成するために要する時間について、それぞれ同じ１０～９０％の間隔で定義されている。
【0055】
図６Ｃに示したｎ－ヘキサンに対する応答信号を例として、これらの用語の概略を図６Ｅに示す。加えて、両ドメインの信号から抽出された主な情報を用いて行った主成分分析（Principal Component Analysis，ＰＣＡ）の結果を図６Ｆに示す。このＰＣＡでは、試料ごとに異なる挙動を示しており、周波数領域と時間領域のいずれかを用いることでこれらを識別可能であることが確認された。例として、周波数領域では、エタノールとメタノールは、他の化学物質と比較して、音速ｃに重みがあるが、これらの特定の特徴でアルコールを識別することは困難である。また、立ち上がり時間と立ち下がり時間は酢酸エチルとトルエンに重みがあるが、立ち上がりと立ち下がりの振幅はｎ－ヘキサンとアセトンに最も関連する。これは、これら４つの試料の間で蒸気圧、ガス密度ρと平均モル質量Ｍｗに違いがあるためである。いずれにしても、時間領域での測定結果から抽出された多次元データと、周波数領域での測定で得られた音速ｃを組み合わせることで、異なる対象ガスを識別可能な多次元データセットが得られる。
【0056】
［濃度依存性測定］
ここでは、対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度が異なる６種類の対象ガスを用いた周波数領域と時間領域の両方での測定結果について説明する。
ここでは、対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度が異なる６種類の対象ガスを用いた周波数領域と時間領域の両方での測定結果について説明する。
【0057】
使用した対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度は、６％、８％、１０％、１３％、１６％、および２０％であった。ｎ－ヘキサン濃度２０％の混合ガスの調製方法は上述した通りである。それ以外の濃度の混合ガスの調製は、１０ｓｃｃｍの総流量を維持しながら、ＭＦＣ１とＭＦＣ２の流量比を調整することにより行った。例えば、ｎ－ヘキサン濃度１６％の混合ガスは、ｎ－ヘキサンを収容したバイアル瓶のヘッドスペースガスを１．６ｓｃｃｍに設定したＭＦＣ１によって混合チャンバーに輸送し、８．４ｓｃｃｍに設定したＭＦＣ２から送られた純窒素で希釈することにより、流量１０ｓｃｃｍとされたものである。
【0058】
図７Ａに示すように、周波数領域での測定では、ｎ－ヘキサン濃度が増加すると、混合ガスの密度ρが増加するため、音速ｃが減少する結果が得られた。ここで、図７Ａ中の６つのグラフは、ピーク位置を基準として左から右の順に、ｎ－ヘキサン濃度が２０％、１６％、１３％、１０％、８％、６％（すなわち、ｎ－ヘキサン濃度の降順）である。図７Ｂに示す時間領域での測定では、対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度によってマイクロフォン出力電圧の曲線の形状が変化した。具体的には、ｎ－ヘキサン濃度が６～１０％の間ではサンプリングステップの終わりに出力電圧が最大値に達するが、ｎ－ヘキサン濃度が１０％以上ではサンプリングステップの初期に出力電圧が最大値に達した後、定常値に向かってゆっくりと減少する、わずかに異なる挙動を示した。バイアル瓶内のヘッドスペースにおける動的な乱流が、蒸気圧が変化する異なる濃度レベルにおけるこの明らかな現象の原因であると考えられる。なお、図７Ｂ中の６つのグラフは、出力電圧の変化量を基準として大きいものから小さいものの順に、ｎ－ヘキサン濃度が２０％、１６％、１３％、１０％、８％、６％（すなわち、ｎ－ヘキサン濃度の降順）である。
【0059】
図７Ｃは、対象ガス中のｎ－ヘキサン濃度Ｃに対するマイクロフォン出力電圧の振幅レベル（ΔＶ）の関係を示しており、強い線形性を示している（ゼロ点はｎ－ヘキサンを含まない純粋な窒素、すなわちＣ＝０％を示している）。このようにΔＶとＣの線形性は、対象ガス中の化学物質の濃度を特定するために利用できる。ΔＶの値は、比較のために１４４０秒で取得した（前述したように、ｎ－ヘキサンではマイクロフォンからの信号のクリッピングが発生したため、濃度２０％でのデータは除外した）。また、この線形性は、本実験に用いたガスが理想ガスとして取り扱えることを示しており、測定に利用したシステムが線形音響学的な範囲で動作していることを裏付けている。
【0060】
音速（周波数領域）、および時間領域の多次元データを用いてＰＣＡ分析を行った結果を図７Ｄに示す（特徴量の説明は上述した図６Ｅに関する説明を参照されたい。）。これは、対象ガス中のｎ－ヘキサンの異なる濃度レベルは、これらの特徴量を用いることで識別可能であることを示しており、多次元データに基づいたデュアルドメイン手法（周波数－時間両領域測定）の利点を示している。
【0061】
［結論］
本実施例では、1/4波長音響共振器を用いて、周波数と時間の両領域で、異なるガスの特性の測定を行った。対象ガスが共振器に導入されると、導入前のガス（パージステップで供給された純窒素）に対して音速が減少し、ガス密度が増加するため、周波数領域で周波数応答がシフトし、時間領域で音圧が増加する結果が得られた。
周波数領域での測定（ピンクノイズ試験）により、異なる対象ガスの周波数応答関数と音速が正確に得られ、そこから各対象ガスの密度ρを測定することができた。
時間領域での測定では、固定された周波数で、異なる対象ガスのサンプリングとパージが繰り返されるサイクルを適用した。時間領域解析の大きな特徴は、多次元データを抽出できることである。時間領域での測定結果から抽出された多次元データと、周波数領域での測定で得られた音速を用いた主成分分析により、対象ガスの種類や対象ガスに含まれる特定のガスの濃度ごとの属性を容易に判別できることが示された。
本実施例では、1/4波長音響共振器を用いて、周波数と時間の両領域で、異なるガスの特性の測定を行った。対象ガスが共振器に導入されると、導入前のガス（パージステップで供給された純窒素）に対して音速が減少し、ガス密度が増加するため、周波数領域で周波数応答がシフトし、時間領域で音圧が増加する結果が得られた。
周波数領域での測定（ピンクノイズ試験）により、異なる対象ガスの周波数応答関数と音速が正確に得られ、そこから各対象ガスの密度ρを測定することができた。
時間領域での測定では、固定された周波数で、異なる対象ガスのサンプリングとパージが繰り返されるサイクルを適用した。時間領域解析の大きな特徴は、多次元データを抽出できることである。時間領域での測定結果から抽出された多次元データと、周波数領域での測定で得られた音速を用いた主成分分析により、対象ガスの種類や対象ガスに含まれる特定のガスの濃度ごとの属性を容易に判別できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【0062】
上述した、本発明による音響的なアプローチは、近年のＭＥＭＳマイクロフォンの低コスト・高感度化に加え、各種音響増幅器および測定装置の小型化・低コスト化が可能であることから、様々なアプリケーションへの適用可能性が高い。このようなアプローチにより、既存の豊富な音響関連デバイスや信号処理技術を利用して、混合ガス中の各化学種の識別や同定が将来的に可能になると考えられる。
【0063】
加えて、本発明によれば、比較的小型の音響共振器を用いることで、音声によるガスセンシングや人工嗅覚の実現に向けた新たな音響計測技術体系の創出が期待される。
【符号の説明】
【0064】
１００ 音響共振器
１１０ 基板
１１２ 孔（オリフィス）
１２０ 上部筐体
１２２、１２４ シール部材（Ｏリング）
１２６、１２８ 開口部
１３０ 下部筐体
１３２ シール部材（Ｏリング）
１４０ 音圧測定手段（マイクロフォン）
１４２ 音圧受容部（振動膜）
１５０ 音響波出力手段（スピーカー）
１５２ 音響波発生部（振動膜）
Ｃ 測定チャンバー
１１０ 基板
１１２ 孔（オリフィス）
１２０ 上部筐体
１２２、１２４ シール部材（Ｏリング）
１２６、１２８ 開口部
１３０ 下部筐体
１３２ シール部材（Ｏリング）
１４０ 音圧測定手段（マイクロフォン）
１４２ 音圧受容部（振動膜）
１５０ 音響波出力手段（スピーカー）
１５２ 音響波発生部（振動膜）
Ｃ 測定チャンバー
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
