JP2017172982A - ラスレーダー用の音波発生装置及びラスレーダー - Google Patents

Abstract

【課題】指向性が良く、近隣への騒音被害を低減でき、また風の影響を素早く補正することが可能な大出力、低コストのラスレーダー用の音波発生装置及びラスレーダーを提供する。【解決手段】音波と電波を上空に向けて送波し、音波面によって反射する電波のドップラー効果による周波数シフト量から観測空域での音速を測定し、音速から観測空域の気温を算出するラスレーダー用の音波発生装置において、基板２１上に超指向性の音波送波器２２を複数搭載し、全体として指向性を高めた。超指向性の音波送波器を基板上に複数搭載した単位モジュール２０を、架台に２次元的に複数配列した。【選択図】 図３

Description

本発明は、ラスレーダー用の音波発生装置及びラスレーダーに係わり、更に詳しくは指向性の高い音波を発生させることが可能なラスレーダー用の音波発生装置及びラスレーダーに関するものである。

上層大気中の風向風速・気温高度分布を地上から連続的に遠隔測定するための電波音波計測システム｛ラスレーダー（ＲＡＳＳ：Radio Acoustic Sounding System）｝は、既に昭和５５年度から環境庁の国立機関公害防止等試験研究プロジェクトの一環として開発研究がなされている。

ラスレーダーは、地上の音源から上空の観測空域に向けて音波を発射するとともに、ドップラーレーダーから観測空域に向けて電波を発射し、音波の音波面（粗密波面）で反射され、ドップラー効果によって周波数がシフトした電波を地上で受信し、電波のドップラーシフト量から観測空域の音波の伝播速度を測定し、そして音波の伝播速度が媒質の温度によって変化する性質を利用して気温を算出するのである。ここで、ドップラーレーダーには、測距機能を備えてあり、上空の気温高度分布を測定できる。また、ラスレーダーは、風による音波面の移動に伴い電波の反射像が移動する性質を利用して、アレー状配列の電波受信アンテナで反射像を検出追跡することにより、上空の風向風速高度分布も気温と同時に遠隔測定することが可能である。

前述のラスレーダーの原理は、特許文献１，２に示されている。また、特許文献３には、スピーカーから発生する再生音の左右への拡がりを抑制し、ある特定の方向だけで音を聞くことができるように位相コントロールし、指向特性を任意に調整できる音響技術が開示されている。

ラスレーダーでは、風の影響により音波が流れてしまって気温測定ができないことがあるが、対策として四方にスピーカー（音波発生装置）を４ヶ所設置し、どの方向から風が吹いても、どこかのスピーカーから送波した音波を測定に利用できるようにしている。

特開平０８−０２１７６９号公報 特開平１１−２６４７７３号公報 特開平０４−３３７９９９号公報

しかしながら、ラスレーダーに使用されるスピーカーの音波出力は非常に大きいため、近隣への騒音が問題となっている。そこで、近隣住民への騒音被害がでないラスレーダーが望まれている。四方にスピーカーを４ヶ所設置し、どの方向から風が吹いても、どこかのスピーカーから送波した音波を測定に利用できるようにしている方法では、スピーカーを複数設ける必要があり、多大なコストがかかってしまうため、低コストのラスレーダー用のスピーカーの提供が望まれている。

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、指向性が良く、近隣への騒音被害を低減でき、また風の影響を素早く補正することが可能な大出力、低コストのラスレーダー用の音波発生装置及びラスレーダーを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、以下のラスレーダー用の音波発生装置を構成した。

（１）音波と電波を上空に向けて送波し、音波面によって反射する電波のドップラー効果による周波数シフト量から観測空域での音速を測定し、音速から観測空域の気温を算出するラスレーダー用の音波発生装置において、基板上に超指向性の音波送波器を複数搭載し、全体として指向性を高めたことを特徴とするラスレーダー用の音波発生装置。

（２）超指向性の音波送波器を基板上に複数搭載した単位モジュールを、架台に２次元的に複数配列してなる（１）記載のラスレーダー用の音波発生装置。

（３）音波の送波方向転換機能を搭載してなる（１）又は（２）記載のラスレーダー用の音波発生装置。

（４）音波の送波方向転換機能を各音波送波器により発生する音波の位相制御により行う（３）記載のラスレーダー用の音波発生装置。

（５）音波の断面形状を楕円形とし、その長軸を風向きに沿った方向に設定する（１）〜（４）何れか１に記載のラスレーダー用の音波発生装置。

（６）前記音波送波器による音波の周波数のピークが３５〜４５ｋＨｚである（１）〜（５）何れか１に記載のラスレーダー用の音波発生装置。

そして、本発明は、以下のラスレーダーを構成した。

（７）前述の（１）〜（６）何れか１に記載の音波発生装置と、
上空に向けて電波を送波し、前記音波発生装置から上空に向けて送波された音波からの反射を受信してドップラー効果による周波数シフト量から観測空域での音速を測定するドップラーレーダーと、
音速から大気中の温度を算出する処理装置と、
からなることを特徴とするラスレーダー。

以上にしてなる本発明のラスレーダー用の音波発生装置によれば、音波に指向性があるので、周囲への音漏れがなく近隣住民への騒音被害が発生しない。更に、音波の周波数をヒトの可聴音を超える超音波領域の３５〜４５ｋＨｚとしたので、仮に周囲に音波が漏れても騒音被害とはなり難い。

音波発生装置は、基板上に超指向性の音波送波器を複数搭載して構成したので、製造が容易であり、しかも超指向性の音波送波器を基板上に複数搭載した単位モジュールを、架台に２次元的に複数配列したので、特に製造が容易になるとともに、音波のパワーを使用する単位基板の枚数によって制御可能である。

また、音波の伝播方向を変化させることが可能な送波方向転換機能を備えたので、風向きの変化にも対応可能であり、しかも音波の位相制御により構成するので、低コストで風による補正が可能であり、機械制御に比べて急な風向きの変化にも対応可能である。

また、伝播距離と減衰特性のバランスが最も良い４０ｋＨｚ近傍の周波数の超音波を使用するので、音波を高い高度まで減衰を抑えて送波することができ、それにより広範囲の高度で気温測定が可能である。

ラスレーダーのシステム図である。 ラスレーダーにより上空の気温を測定する原理説明図である。 音波発生装置を構成する単位モジュールの平面図である。 音波送波器の構造を示す簡略断面図である。 架台に複数の単位モジュールを配列した状態の斜視図である。 音波の空気中における減衰特性を示したグラフである。 本実施形態で使用した音波送波器の周波数特性を示すグラフである。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は、ラスレーダーのシステム図を示し、図２はラスレーダーにより上空の気温を測定する原理説明図を示し、図中符号１は音波発生装置、２はドップラーレーダー、３は処理装置を示している。

前記音波発生装置１は、音波を上空に向けて送波する音波送波器群４を備え、発振器５で発生させて音波信号を、スイッチング手段６を介して位相制御器７に送り、増幅器８で所定出力に増幅した後、前記音波送波器群４に入力して所定周波数、所定位相の音波を発生させ上空に送波するものである。

前記ドップラーレーダー２は、送信アンテナ９と受信アンテナ１０を備え、レーダー送信器１１から送信アンテナ９に信号を送って上空に向けて探査電波Ｄを送波し、前記音波発生装置１で発生されて上空を進行中の音波の音波面Ａで反射した反射電波Ｒを受信アンテナ１０で受けてその信号をレーダー受信器１２で検出し、その受信信号を周波数シフト量測定器１３に入力して、ドップラー効果による周波数シフト量を検出し、それから観測空域における前記音波発生装置１から上空に向けて送波された音波の音速を測定するものである。

そして、前記処理装置３は、前記ドップラーレーダー２で測定された音速データが入力されて、音波の伝播速度が媒質の温度によって変化する性質を利用して観測空域の気温を算出するものである。前記処理装置３は、典型的にはコンピュータで構成する。そして、前記処理装置３から前記スイッチング手段６を制御して音波を送波するタイミングを制御し、あるいは各種の初期データを入力し、また測定結果を出力することが可能である。

通常、前記ドップラーレーダー２には、測距機能を備えている。例えば、送信アンテナ９から送波された探査電波が音波面に反射され、その反射電波が受信アンテナ１０で受信するまでの時間差から距離を算出できる。こうして、ラスレーダーによって、上空の気温高度分布を測定できるのである。

次に、本発明の詳細を更に説明する。図３は、音波送波器群４を構成する単位モジュール２０を示し、該単位モジュール２０は、正六角形の基板２１の上面に超指向性の音波送波器２２，…を稠密配置したものである。図３に示すように音波送波器２２，…を３６個、インダクター２２Ａを１個、合計３７個の円筒形部品を基板２１の上面に稠密配置している。図４は、前記音波送波器２２の構造を示した断面図である。前記音波送波器２２は、円筒形のケース２３内に搭載した圧電素子２４に電圧を印加して所定周波数で振動させ、その振動をコーン型共振子２５に伝達して空気を振動させる素子である。

そして、図５に示すように、複数の前記単位モジュール２０，…を架台３０に２次元的に配列して音波送波器群４を構成する。本実施形態では、前記架台３０には、水平な支持板３１が設けられ、その上に２７８個（チャンネル）の前記単位モジュール２０，…が稠密に配列されている。

図６は、音波の空気中における減衰特性を示したグラフであり、横軸を伝播距離（ｍ）、縦軸を減衰特性（ｄＢ）とし、周波数をパラメータとして示している。周波数が２０ｋＨｚの音波は、減衰が小さく伝播距離が長くなるが、直進性は悪い。それに対して、周波数が２００ｋＨｚの音波は、減衰が大きく伝播距離が短くなるが、直進性（指向性）は非常に良いことが知られている。周波数が５０ｋＨｚの音波は、両者の中間的な特性を備えている。そこで、本発明では、前記音波発生装置１で発生させる音波の周波数のピークを、ヒトの可聴音（〜２０ｋＨｚ）よりも十分に大きくするとともに、直進性と伝播距離のバランスをとって３０〜６０ｋＨｚの範囲で実施できる。さらに、より直進性と伝播距離のバランスが取れる範囲としては３５〜４５ｋＨｚの範囲が好ましい。特に本実施形態においては、汎用性が高くコスト面で優れた周波数４０ｋＨｚ圧電素子を使用している。 本発明で使用する周波数域の超音波は、可聴音よりも空気中での減衰が大きいが、直進性の良さがそれを補い、遠方においても十分な音圧が得られる。

図７に、本実施形態で使用した音波送波器２２の周波数特性を示し、４０ｋＨｚにピーク周波数を持ち、そのピーク周波数から前後に離れるにつれて超音波音圧が減少する山形特性を有する。この音波送波器２２は、４０ｋＨｚで超音波音圧が１２０ｄＢを超えているが、３０ｋＨｚでは８０ｄＢに下がり、ヒトの耳には全く聞こえない音域の超音波を発生する。

前記単位モジュール２０の指向性に関する音響特性を調べた。前記単位モジュール２０の正面（音軸に対する角度０°）と、音軸に対する角度４５°の方向と、音軸に対する角度９０°の方向で、それぞれ等距離だけ離した位置に騒音計を配置し、それぞれの騒音レベルを計測した。その結果、前記単位モジュール２０の正面で７０ｄＢあったのが、角度４５°の方向で４９ｄＢ，角度９０°の方向で４７ｄＢとなり、角度が増すにつれて騒音レベルは急激に減少し、指向性の良さが確認できた。尚、この場合の暗騒音は４６ｄＢである。

このように、前記音波発生装置１から観測空域に向けて音波を送波し、それに向けて前記ドップラーレーダー２から電波を送波するが、上空の風の流れによって、音波が観測空域からずれることがある。実際の観測では、予め、ウインドプロファイラーを用いて風速を２５分間計測し、その段階で風向きを観測した後、風向きと風速に合わせて風上方向へ音波の伝播方向を向けて送波し、温度を５分間測定する。

本発明では、音波の伝播方向を、風向き及び風速に応じて素早く変化させるために、音波の送波方向転換機能を搭載している。前記架台３０に設置された支持板３１の角度を機械的に変化させることも可能であるが、駆動機構がコスト高となり、また素早い変化には不適当であるため、本発明では、音波の送波方向転換機能を各音波送波器２２により発生する音波の位相制御により行うようにしている。本実施形態では、前記単位モジュール２０を同じ位相とし、２７８チャンネルの位相制御器７によって、各単位モジュール２０の位相を制御する。各単位モジュール２０から発生した超音波は、空気中を伝播しながら合成されるが、位相の制御によって合成波の伝播方向を制御することができる。これにより従来のラスレーダーのように、四方にスピーカーを４ヶ所設置する必要がなく、１つのスピーカーであっても、風向き及び風速の変化に応じて素早く対応する事が可能となる。

また、前記音波発生装置１から送波する前記音波の断面形状を楕円形とし、その長軸を風向きに沿った方向に設定することも好ましい。この場合も、前記単位モジュール２０を位相制御することで音波の断面形状を変更できる。これにより、風の影響で音波の伝播方向が多少ずれても観測空域に音波が到達するようになり、ドップラーレーダー２からの電波を観測空域で反射させ、温度測定が可能となる。

１ 音波発生装置
２ ドップラーレーダー
３ 処理装置
４ 音波送波器群
５ 発振器
６ スイッチング手段
７ 位相制御器
８ 増幅器
９ 送信アンテナ
１０ 受信アンテナ
１１ レーダー送信器
１２ レーダー受信器
１３ 周波数シフト量測定器
２０ 単位モジュール
２１ 基板
２２ 音波送波器
２２Ａ インダクター
２３ ケース
２４ 圧電素子
２５ コーン型共振子
３０ 架台
３１ 支持板
Ａ 音波面
Ｄ 探査電波
Ｒ 反射電波

Claims (7)

1. 音波と電波を上空に向けて送波し、音波面によって反射する電波のドップラー効果による周波数シフト量から観測空域での音速を測定し、音速から観測空域の気温を算出するラスレーダー用の音波発生装置において、基板上に超指向性の音波送波器を複数搭載し、全体として指向性を高めたことを特徴とするラスレーダー用の音波発生装置。
2. 超指向性の音波送波器を基板上に複数搭載した単位モジュールを、架台に２次元的に複数配列してなる請求項１記載のラスレーダー用の音波発生装置。
3. 音波の送波方向転換機能を搭載してなる請求項１又は２記載のラスレーダー用の音波発生装置。
4. 音波の送波方向転換機能を各音波送波器により発生する音波の位相制御により行う請求項３記載のラスレーダー用の音波発生装置。
5. 音波の断面形状を楕円形とし、その長軸を風向きに沿った方向に設定する請求項１〜４何れか１項に記載のラスレーダー用の音波発生装置。
6. 前記音波送波器による音波の周波数のピークが３５〜４５ｋＨｚである請求項１〜５何れか１項に記載のラスレーダー用の音波発生装置。
7. 請求項１〜６何れか１項に記載の音波発生装置と、
   上空に向けて電波を送波し、前記音波発生装置から上空に向けて送波された音波からの反射を受信してドップラー効果による周波数シフト量から観測空域での音速を測定するドップラーレーダーと、
   音速から大気中の温度を算出する処理装置と、
   からなることを特徴とするラスレーダー。

Images