JP2004279255A - 降水状態観測装置および観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】降水状態の観測対象位置における降水量、雨滴粒径を、短時間ピッチで連続して観測できるようにする。
【解決手段】降水時に落下した雨滴が受雨面カバー１１に衝突して発生した音圧変化を検知する音圧センサ１２を有するセンサ部１と、所定時間間隔、時間幅でセンサ部１から送られる音圧検知信号をもとに周波数換算を行い、所定帯域の周波数をもとに降水量と雨滴粒径とを算出し、その算出結果を外部に出力あるいは媒体に記録可能な制御記録部２を備え、雨滴の受雨面カバー１１への衝突音の音圧変化を検知して得られた音圧検知信号をもとに、降水時の降水量と落下雨滴の粒径とを所定時間間隔、所定時間帯で算出し、算出値を表示、外部出力、媒体記録する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は降水状態観測装置および観測方法に係り、降水時に落下した雨滴が観測装置に衝突して発生する音を検知して、そのときの降水量、雨滴粒径を求めることができる降水状態観測装置および観測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に気象観測では、降水量は転倒桝降水量計等の測定器を用いて測定されている。これに対して電子計測装置の応用例として、所定の検知区間を落下する雨滴を非接触検知して降水状態を確認する光学センサ、超音波センサを組み込んだ装置も知られている。また、振動板に降った雨滴を受けて振動センサでその振動波形を得て、記憶部に記憶された種々の基準波形との比較により、降水、降雪の状態判定を行うようにした技術（降雪検知装置）も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１０１３７７号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の降雪検知装置は、まず振動板に降雨あるいは降雪があったかどうかを、振動板から流下した水分の検知を行うことにより判断し、その後に振動板が受けた振動が降雨によるものなのか、降雪によるか、また他の外的な振動が入力されたのかを判定し、検知の結果として降雨か降雪かを判断することを目的としている。このため、降雨を観測した場合にもこの装置によって降水量を知ったりすることは考慮されておらず、その結果は天候の判断、すなわちその天候が降雨か降雪であるかを知るにとどまる。
【０００５】
ところが、実際の降水状態観測では、降水量を知ることはもちろんのこと、付加的な情報として大粒の雨滴が降っているのか、小粒の雨滴が強く降り注いでいるのか、すなわち降水強度等の定量的な降水状態の観測データが得られることが望まれている。
【０００６】
出願人は、この点に鑑み、降水現象について考察を加え、以下の知見を得、これをもとに上記問題点を解消するに至った。すなわち、降水現象は雨滴集合の落下現象ととらえることができる。そしてこの落下してくる雨滴が所定面積の金属片等からなる受雨面に衝突すると、受雨面の微少な振動により一定の衝突音が発生する。このとき発生音源となる受雨面を構成する金属片を一定の寸法、形状、材質で規定すると、その金属片固有の法則性のある音が得られることになる。この法則性のある音の強さ（音圧）及び高さ（周波数）は、主に雨滴集合としての水の量（降水量）、雨滴の大きさ（粒径）及び雨滴の落下速度を主要因として変化すると考えてよい。そこで、出願人は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、降水状態、特に降水量と、雨滴の大きさ（雨滴直径）とを精度よく得ることができる降水状態観測装置および観測方法を提供することを目的として、本発明を完成したので、以下にその構成、手段及び実施の形態について説明する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、その装置発明として降水時に落下した雨滴が受雨面に衝突して発生した音圧変化を検知するセンサ部と、所定時間間隔、時間幅で前記センサ部から送られる音圧検知信号をもとに周波数換算を行い、所定帯域の周波数をもとに降水量と雨滴粒径とを算出する演算解析部と、該演算解析部での算出結果を外部に出力あるいは媒体に記録可能な出力記録部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記センサ部は、金属製受雨面と、その下面に固定された圧電素子センサとすることが好ましい。
【０００９】
また、前記装置を用いて行う降水状態観測方法の発明として、降水時に落下した雨滴が受雨面に衝突して発生した音圧変化を、所定時間間隔、時間幅にわたりセンサ部で検知し、該センサ部から送られる音圧検知信号をもとに、所定周波数換算を行い、所定帯域の周波数をもとに前記降水時の降水量と落下雨滴の粒径とを前記所定時間帯で算出し、該算出値を外部に出力あるいは媒体に記録するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
このとき、前記帯域周波数が、雨滴音周波数帯域とするか、あるいは雨滴音周波数とセンサ部受雨面の共振音周波数とを含めた帯域とすることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の降水状態観測装置および観測方法の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
［観測装置機器構成］
図１は、本実施の形態としての降水状態観測装置の概略構成を示したブロック構成図である。降水状態観測装置１０は、所定形状の受雨面カバー１１が取り付けられた音圧センサ１２を支柱１３に取り付け、支柱１３を所定の観測位置に設置したセンサ部１と、このセンサ部１からの検知信号を受信するとともに、検知信号を音圧レベル値及び周波数に換算し、音圧レベル値または周波数から降水量、雨滴直径を算出する演算解析部と、外部に解析結果を出力し、あるいは各種媒体に記録する出力記録部と、各種状況、情報を表示可能な表示部とを有する制御記録部２により構成されている。
【００１２】
図１は、センサ部１の概略構成を示した模式図である。図２はセンサ部１の詳細図である。センサ部１は、図１，図２に示したように、本実施の形態では地盤面３に立設された木製支柱１３の上端に固定された耐水音圧センサ１２と、この耐水音圧センサ１２の感知部（ピックアップ部）１２ａに緩衝樹脂スペーサー１４を介して密着されたステンレス製の受雨面カバー１１と、音圧センサ１２から導出された信号線ケーブル１５とから構成されている。受雨面カバー１１はφ１００ｍｍの円板状受雨面板１１ａと側面カバー１１ｂとが一体となった無底円筒形状をなし、音圧センサ１２上面に緩衝樹脂スペーサー１４を介して固定されている。音圧センサ１２は、防振ゴムスペーサ１６を介して支持ピン１７により支柱１３上面に固定されている。本実施の形態では、音圧センサ１２としてピックアップ部に圧電素子が埋設されたタイプが使用されており、受雨面カバー１１の受雨面に落下する雨滴によって発生する音が音圧センサ１２により検知され、所定の検知信号が制御記録部２に送られるようになっている。
【００１３】
制御記録部２は、図１に示したように、屋内等の降水の影響のない場所に設置されたボックスタイプの計測装置の態様をなし、その構成は、図３のブロック図に示したように、音圧センサで検出された微弱信号を増幅する増幅回路、周波数帯域別音を計測するバンドパスフィルタ及びＡ／Ｄ変換器と、搭載された各種ソフトウエア（アプリケーション）に基づき信号データの解析を行う演算解析部と、周辺機器との接続により外部へのデータ出力を可能にし、また各種媒体へのデータ記録を行える出力／記録部と、操作手順、解析結果、システム情報等をユーザに伝える表示部とから構成されている。演算解析部は具体的には制御用ＣＰＵ、演算チップが搭載された制御ボードからなり、この演算解析部には計測用システム制御ソフトに加えて、周波数換算アプリケーション、降水量・雨滴粒径算出アプリケーション等のソフトウェアがＲＯＭとして搭載されている。
【００１４】
次に、この観測装置を用いて行う降水観測に関する計測、解析手法、実際の観測のためのキャリブレーションについての考え方について説明する。
［計測項目］
降水状態観測装置のセンサ部へ雨滴が落下して受雨面に衝突することにより次の３つの種類の音が発生すると考えられる。図４は、この周波数と音圧との関係を示したグラフである。同図に示した曲線において、第１のピークは１０^２〜Ｈｚオーダー帯域で観測される落下雨滴音を示している。第２のピークは、落下雨滴音のときの約２倍の周波数近傍に出現するような高調波を示している。〜１０^３Ｈｚ帯域に発生する高調波は１０^２〜オーダーＨｚの帯域に発生する音圧に比して小さい。第３のピークは、使用したセンサの寸法、形状等から決まる固有の共振帯域（本実施の形態におけるφ１００ｍｍステンレス製受雨カバーでの共振帯域は約１８５０Ｈｚ）での共振音を示している。
【００１５】
このとき上述の雨滴音及び共振音は、（１）式で示したように、雨滴の落下状況における雨滴の落下、衝突による音響エネルギー量であるＥｗの影響を受けて変化することが確認されている。
Ｅｗ＝（Ｐｗ）^２＝ｆ（ρ・ｄ^３・Ｎ・Ｕ） …（１）
ここで、
Ｅｗ：雨滴の落下、衝突による音響エネルギー量（Ｗ／ｍ^２）
Ｐｗ：雨滴の落下音圧（Ｐａ，Ｎ／ｍ^２）
ρ：降水（雨滴）の密度（ｇ／ｃｍ^３）
ｄ^３：雨滴の体積（ｃｍ^３）
（ｄ_ａ：雨滴の長粒径、ｄ_ｂ：雨滴の短粒径）
Ｎ：雨滴の個数
Ｕ：雨滴の落下速度（ｃｍ／ｓｅｃ）
【００１６】
［解析手法］
このときＥｗ（雨滴の落下、衝突による音響エネルギー量）は、音圧センサによりＰａ，Ｎ／ｍ^２を単位として計測値の２乗の関係として計測できる。ρは降水（雨滴）の密度であり、降水の密度はほぼ１．０ｇ／ｃｍ^３である。ｄ^３は雨滴を球状として求めた体積である。なお、球の体積は（Ｖ＝πｄ^３／６＝０．５２３６ｄ^３）、Ｎは雨滴の個数、Ｕは雨滴の落下速度であり、霧状の落下しないものを除けば、その落下速度はおおよそ一定としてよい。以上より、雨滴の密度及び落下速度を一定として実験を行なった結果、雨滴落下による音圧の増加（音響エネルギー量^２）は、降水量及び雨滴に比例する関係を得た。雨滴粒径が大きくなる程、発生音の周波数は高くなる。また雨滴粒径の分散が大きい程、発生音周波数の分散も大きくなる関係を得た。
雨滴の落下による音圧の変化は、（２）式として得られる。同式ではｍ＝約１，ｎ＝約２として取り扱ってよい。
ΔＰ＝ａ・（Ｒｖ）^ｍ・（ｄ）^ｎ …（２）
ここで、
ΔＰ：音圧（Ｐａ，Ｎ／ｍ^２）
Ｒｖ：降水量（ｃｍ^３／ｓｅｃ）
ｄ：雨滴粒径（ｃｍ）
ａ：係数
雨滴粒径による周波数変化としては（３）式の関係が成り立つ。
ｄ＝ａ・ｅ^ｂ＊Ｆ …（３）
ここで、
ｄ：雨滴粒径（ｃｍ）
Ｆ：発生音周波数（Ｆｋ）または雨滴音周波数（ＦＲ）（Ｈｚ）
ａ，ｂ：係数、発生音周波数の場合（ａ＝０．１１８，ｂ＝０．００１５），雨滴音周波数の場合（ａ＝０．０８，ｂ＝０．００７）
【００１７】
本実施の形態では、観測の簡便性を考慮し、上記発生音周波数を、雨滴音と共振音を含めての１つの発生音としてとらえて卓越周波数Ｆｋを用いた。また、センサ部の強度、設置における安定を十分考慮した場合には、〜１０^３Ｈｚ帯域音及び共振音を分離して雨滴音としてとらえ、その雨滴音周波数を使用することもできる。したがって、収集する音圧データの種類に適合した周波数の測定範囲を規定したり、適切な使用測定装置を選定することが好ましい。たとえば４０〜４０００Ｈｚを測定可能な装置では、次の７項目を計測することができる。
・雨滴音圧（平均値、（分散）^１／２）
・共振音圧（ 〃 ）
・雨滴音周波数（ 〃 ）
・音響エネルギー量（平均値）
一方、周波数の測定範囲を１〜１０００Ｈｚとしている低周波音計測装置を利用した場合は、次の５項目を計測できる。
・発生音圧（平均値、（分散）^１／２）
・発生音周波数（ 〃 ）
・音響エネルギー量（平均値）
【００１８】
［キャリブレーションの作成］
以上の計測項目をもとに人工降水実験あるいは実際の降水観測等によりキャリブレーションを作成して、次の各式より降水量（Ｒ）、雨滴粒径（ｄ）（完全球体としての粒径）、音響エネルギー量（Ｅｗ）（空気伝播音としてのエネルギー量）を算定することができる。
【００１９】
（雨滴粒径の算定式）
ｄ＝ａ・ｅ^ｂ＊Ｆ
ここで、
ｄ：雨滴粒径（ｃｍ）
Ｆ：発生音周波数（Ｈｚ）または雨滴音周波数（Ｈｚ）
ａ，ｂ：係数、発生音周波数の場合（ａ＝０．１１８，ｂ＝０．００１５），雨滴音周波数の場合（ａ＝０．０８，ｂ＝０．００７）
【００２０】
（降水量の算定式）
Ｒ＝｛ａ・（Ｐ−Ｐ_０）｝／ｄ^１．５
ここで、
Ｒ：降水量（ｍｍ／分）
Ｐ：計測音圧（Ｐａ）
Ｐ_０：無降水時バックグランド音圧（Ｐａ）
（Ｐ_０＝０．０００２〜０．０００３Ｐａ程度）
ａ：係数 ４５０ ｍｍ／分／Ｐａ・ｍｍ^２（３００〜６００）
【００２１】
（降水落下音エネルギー量）
Ｅ_Ｗ＝（Ｐ_Ｔ）^２×２５×１０^−４
ここで、
Ｅ_Ｗ：降水落下音エネルギー量（１０^−１２Ｗ／ｍ^２）
Ｐ_Ｔ：全帯域音圧（Ｐａ）
【００２２】
また、以下のように、分散値をもとに雨滴の粒径分布の算定、雨滴個数の算定も行うことが可能である。
ｄ_１＝ｄ＋１．１５Ｓ
ｄ_３＝ｄ−１．１５Ｓ
Ｎ_１＝０．２５Ｒ／０．５２（ｄ_１）^３
Ｎ_２＝０．５Ｒ／０．５２（ｄ）^３
Ｎ_３＝０．２５Ｒ／０．５２（ｄ_３）^３
ここで、
ｄ_１：雨滴粒径（８７．５％）（ｃｍ）
ｄ_３： 〃 （１２．５％）（ｃｍ）
Ｓ：発生音（雨滴音）周波数の（分散）^１／２
Ｎ_１：雨滴個数（８７．５％粒径）
Ｎ_２： 〃 （５０％粒径）
Ｎ_３： 〃 （１２．５％粒径）
【００２３】
【実施例】
以下に観測装置を用いて行った人工降雨による実験結果、実際の現場観測時の降水量、雨滴粒径観測結果について説明する。
［基礎実験］
本発明の降水状態観測装置の精度確認のために、雨滴粒径を変化させた人工降雨による降水状態観測を行った。雨滴粒径は水を雨滴状に落下可能な降水装置のノズル径（０．５ｍｍ，０．７ｍｍ，１．０ｍｍ，１．６ｍｍ，２．３ｍｍ）によって調整した。各降雨時に落下速度が一定となるように、７ｍの高さより雨滴を一様落下させた。
【００２４】
図５は降水量の変化と音圧との関係を示したグラフ、図６は降水量を変化させた際に発生音周波数をもとに得られる雨滴粒径、図７は降水量を変化させた際に雨滴音周波数をもとに得られる雨滴粒径についての関係グラフを示している。
図５から各雨滴粒径においても降水量の増加に伴い、検出音圧はほぼ直線的に増加することが確認できた。すなわち、雨滴落下による音圧の増加（音響エネルギー量^２）は、降水量及び雨滴粒径に比例することが確認された。図６，図７から、降水量の多少にかかわらず雨滴粒径が大きくなる程、発生音周波数、雨滴周波数が高くなる関係が確認された。また、雨滴粒径の分散が大きい程、発生音周波数の分散も大きくなる関係も確認された。
【００２５】
［現場観測例］
図８，図９は降水観測装置によって実際の降水状態を観測し、降水量、雨滴粒径、及び降水時の降水落下音エネルギー量の算出結果を図示したグラフである。降水量は、転倒桝式降水量計の値に十分近い値として得られた。
【００２６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、簡単な観測装置により、観測対象位置での降水量、雨滴粒径に関して、短時間ピッチで連続した観測が可能となり、また連続観測データを容易に取得できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による降水状態観測装置の一実施の形態での設置例を示した模式図。
【図２】降水状態観測装置の音圧センサ部の詳細構成を示した部分拡大図。
【図３】制御記録部の構成を示したブロック図。
【図４】降水時において降水状態観測装置で得られる音圧と周波数との関係を示したグラフ。
【図５】基礎実験において、雨滴粒径ごとの降水量と音圧との関係を示したグラフ。
【図６】基礎実験において、発生周波数と雨滴粒径との関係を示したグラフ。
【図７】基礎実験において、雨滴音周波数と雨滴粒径との関係を示したグラフ。
【図８】降水観測時における降水量、雨滴粒径の変化を示した経時グラフ。
【図９】降水観測時における降水落下音エネルギー値の変化を示した経時グラフ。
【符号の説明】
１ センサ部
２ 制御記録部
１１ 受雨面カバー
１２ 音圧センサ

Claims (5)

1. 降水時に落下した雨滴が受雨面に衝突して発生した音圧変化を検知するセンサ部と、所定時間間隔、時間幅で前記センサ部から送られる音圧検知信号をもとに周波数換算を行い、所定帯域の周波数をもとに降水量と雨滴粒径とを算出する演算解析部と、該演算解析部での算出結果を外部に出力あるいは媒体に記録可能な出力記録部とを備えたことを特徴とする降水状態観測装置。
2. 前記センサ部は、金属製受雨面と、その下面に固定された圧電素子センサからなることを特徴とする請求項１に記載の降水状態観測装置。
3. 降水時に落下した雨滴が受雨面に衝突して発生した音圧変化を、所定時間間隔、時間幅にわたりセンサ部で検知し、該センサ部から送られる音圧検知信号をもとに、所定周波数換算を行い、所定帯域の周波数をもとに前記降水時の降水量と落下雨滴の粒径とを前記所定時間帯で算出し、該算出値を外部に出力あるいは媒体に記録するようにしたことを特徴とする降水状態観測方法。
4. 前記帯域周波数が、雨滴音周波数帯域であることを特徴とする請求項３に記載の降水状態観測方法。
5. 前記帯域周波数が、雨滴音周波数とセンサ部受雨面の共振音周波数とを含めた帯域であることを特徴とする請求項３に記載の降水状態観測方法。

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