JP2020067367A

JP2020067367A - 気泡測定装置及び気泡測定プログラム

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Publication number: JP2020067367A
Application number: JP2018200052A
Authority: JP
Inventors: 秀樹堀内; Hideki Horiuchi
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-24
Also published as: JP7217129B2

Abstract

【課題】本開示は、超音波計測技術を用いて水中の気泡を検出するときに、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することを目的とする。【解決手段】本開示は、水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する超音波制御部２１と、水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する気泡測定部２２と、を備えることを特徴とする気泡測定装置２である。【選択図】図１

Description

本開示は、水中の気泡を高い精度で検出する超音波計測技術に関する。

超音波計測技術を用いて、水中の物標を高い精度で検出することができる（例えば、特許文献１を参照）。例えば、プランクトン等からの反射信号のドップラーシフトに基づいて、船舶の対水速度や潮流の速度を検出することができる。そして、魚群や海底からの反射信号の伝搬遅延時間に基づいて、魚群や深度を探知することができる。

特開２０１５−１６６６９８号公報

ところで、船底が海水から受ける抵抗を低減するために、船底近傍の水中に気泡を故意に発生させている。しかし、船底近傍の水中に気泡が故意に発生されているとともに、バルバスバウ近傍の水中に気泡が自然に発生されているため、水中の気泡より遠方にある水中の物標を高い精度で検出することができないとともに、プロペラへの水中の気泡の巻き込みにより推進力を発揮することができない。そこで、船底近傍、バルバスバウ近傍及びプロペラ近傍において、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定する必要がある。

ここで、従来技術では、水中へと照射される超音波の周波数を１種類のみに制御しているとともに、水中の気泡から反射された超音波の強度を１種類のみの周波数で測定しているため、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することができない。例えば、水中へと照射される超音波の周波数を１種類の高周波数のみに制御しているとともに、水中の気泡から反射された超音波の高い強度を１種類の高周波数のみで測定していることを考える。しかし、当該高周波数での超音波の高い強度が、水中の気泡の大きさが当該高周波数での超音波の波長より小さいことによるレイリー散乱によるものか、水中の気泡の密度が大きいことによる多重散乱によるものか、判別することができない。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、超音波計測技術を用いて水中の気泡を検出するときに、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することを目的とする。

前記課題を解決するために、水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御するとともに、水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で測定することにより、水中の気泡の密度及び大きさを測定するためのパラメータ数を増やすこととした。

具体的には、本開示は、水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する超音波制御部と、水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する気泡測定部と、を備えることを特徴とする気泡測定装置である。

また、本開示は、水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する超音波制御ステップと、水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する気泡測定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための気泡測定プログラムである。

これらの構成によれば、超音波計測技術を用いて水中の気泡を検出するときに、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することができる。

また、本開示は、前記超音波制御部は、超音波の周波数を３種類以上に制御し、前記気泡測定部は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有さないときには、３種類以上の周波数のうちの両端近傍の周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定することを特徴とする気泡測定装置である。

この構成によれば、水中の気泡の密度及び大きさを測定するためのパラメータとして、互いに離れた周波数での超音波の強度のみを採用する。よって、水中の気泡の密度及び大きさを測定するためのパラメータ数をできるかぎり減らしたうえで、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度でかつ高い速度で測定することができる。

また、本開示は、前記気泡測定部は、（１）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、高周波数側の一端近傍での超音波の強度が低周波数側の一端近傍での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記高周波数側の一端近傍での超音波の波長より小さいと判定し、（２）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、前記低周波数側の一端近傍での超音波の強度が前記高周波数側の一端近傍での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記低周波数側の一端近傍での超音波の波長より大きいと判定し、（３）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に高いとともに、前記高周波数側の一端近傍での超音波の強度が前記低周波数側の一端近傍での超音波の強度と同程度であるときには、水中の気泡の密度が相対的に高いと判定することを特徴とする気泡測定装置である。

この構成によれば、測定結果が、（１）水中の気泡の大きさが当該高周波数での超音波の波長より小さいことによるレイリー散乱によるものか、（２）水中の気泡の大きさが当該低周波数での超音波の波長より大きいことによる共鳴領域以上によるものか、（３）水中の気泡の密度が大きいことによる多重散乱によるものか、判別することができる。

また、本開示は、前記超音波制御部は、超音波の周波数を３種類以上に制御し、前記気泡測定部は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有するときには、３種類以上の周波数のうちの前記ピークでの周波数及び一端近傍での周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定することを特徴とする気泡測定装置である。

この構成によれば、水中の気泡の密度及び大きさを測定するためのパラメータとして、ピークでの周波数及びピークから離れた周波数での超音波の強度のみを採用する。よって、水中の気泡の密度及び大きさを測定するためのパラメータ数をできるかぎり減らしたうえで、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度でかつ高い速度で測定することができる。

また、本開示は、前記気泡測定部は、前記ピークでの周波数及び前記一端近傍での周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、前記ピークでの周波数での超音波の強度が前記一端近傍での周波数での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記ピークでの周波数での超音波の波長に応じて決まると判定することを特徴とする気泡測定装置である。

この構成によれば、測定結果が、水中の気泡の大きさが当該ピークでの周波数での超音波の波長に応じて決まることによる共鳴領域近傍によるものと、判別することができる。

このように、本開示は、超音波計測技術を用いて水中の気泡を検出するときに、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することができる。

本開示の超音波計測システムの構成を示す図である。本開示の気泡測定処理の流れを示すフローチャートである。本開示の気泡測定処理の第１の超音波制御方法を示す図である。本開示の気泡測定処理の第２の超音波制御方法を示す図である。本開示の気泡測定処理の積分強度算出方法を示す図である。本開示の気泡測定処理の積分強度の周波数依存性を示す図である。本開示の気泡測定処理の積分強度の周波数依存性を示す図である。本開示の気泡測定処理の積分強度の周波数依存性を示す図である。本開示の気泡測定処理で照合される格納テーブルを示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の超音波計測システムの構成を図１に示す。本開示の超音波計測システムは、超音波振動子１、気泡測定装置２（超音波制御部２１及び気泡測定部２２から構成される。）及び物標表示装置３から構成される。気泡測定装置２は、図２に示す気泡測定プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現することができる。

超音波振動子１は、照射信号を送信し、反射信号を受信し、例えば、船舶Ｓの船首の船底に配置される。気泡測定装置２は、反射信号に基づいて、水中の気泡Ｂを検出し、例えば、船舶Ｓの船首の甲板下に配置される。物標表示装置３は、水中の物標の位置や速度を表示し、水中の気泡Ｂの密度や大きさを表示し、例えば、船舶Ｓの操舵室に配置される。

例えば、プランクトンＰ等からの反射信号のドップラーシフトに基づいて、船舶Ｓの対水速度や潮流の速度を検出することができる。そして、魚群Ｆや海底Ｕからの反射信号の伝搬遅延時間に基づいて、魚群Ｆや深度を探知することができる。

超音波制御部２１は、水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂから反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する。

このように、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定するためのパラメータ数を増やしている。よって、超音波計測技術を用いて水中の気泡Ｂを検出するときに、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを高い精度で測定することができる。本実施形態では、気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度及び大きさのうちの両方ともを測定している。変形例として、気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度及び大きさのうちの一方のみを測定してもよい。

本開示の気泡測定処理の流れを示すフローチャートを図２に示す。超音波制御部２１は、水中へと照射される超音波の周波数を３種類以上に制御する（ステップＳ１）。

本開示の気泡測定処理の第１の超音波制御方法を図３に示す。超音波制御部２１は、周波数チャープの１送信周期内で、超音波の周波数を周波数ｆ_Ｌから周波数ｆ_Ｍを経て周波数ｆ_Ｈへとスイープする。超音波振動子１として、単数の広帯域振動子を適用することができる。気泡測定部２２は、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈにおいて、照射信号と反射信号との間の時間差に基づいて、気泡Ｂの深度を測定する。本実施形態では、超音波制御部２１は、超音波の周波数を下方から上方へとスイープしている。変形例として、超音波制御部２１は、超音波の周波数を上方から下方へとスイープしてもよい。

本開示の気泡測定処理の第２の超音波制御方法を図４に示す。超音波制御部２１は、送受信繰り返しの連続周期内で、超音波の周波数を周波数ｆ_Ｌから周波数ｆ_Ｍを経て周波数ｆ_Ｈへと変化させる。超音波振動子１として、単数の広帯域振動子又は複数の狭帯域振動子を適用することができる。気泡測定部２２は、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈにおいて、照射信号と反射信号との間の時間差に基づいて、気泡Ｂの深度を測定する。本実施形態では、超音波制御部２１は、超音波の周波数を下方から上方へと変化させている。変形例として、超音波制御部２１は、超音波の周波数を上方から下方へと変化させてもよい。

気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂから反射された超音波の強度の周波数依存性を算出する（ステップＳ２）。本実施形態では、気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂから反射された超音波の積分強度の周波数依存性を算出している。変形例として、気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂから反射された超音波のピーク強度の周波数依存性を算出してもよい。

本開示の気泡測定処理の積分強度算出方法を図５に示す。気泡測定の対象深度は、気泡測定装置２の用途に応じて設定される。例えば、エコシップ等の用途においては、船舶Ｓの船底が海水から受ける抵抗を低減したいことから、気泡測定の対象深度は、船舶Ｓの船底の直下の位置に設定される。一方で、船速測定等の用途においては、海水の粘性の影響を受けずに船舶Ｓの対水速度を測定したいことから、気泡測定の対象深度は、船舶Ｓの船底から離れた位置に設定される。図４に示した受信エンベロープ波形は、情報量の低減のためのデシメーションにより、図５に示した受信検波波形に加工される。

気泡測定部２２は、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈにおいて、水中の気泡Ｂから反射された超音波の強度を、対象深度の対応時間の範囲内で積分する。図５では、水中の気泡Ｂから反射された超音波の積分強度は、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈの順序で、小さい値から大きい値へと変化する。これは、水中の気泡Ｂの大きさが周波数ｆ_Ｈでの超音波の波長より小さいことによるレイリー散乱によるものである（図６のケース１を参照）。

気泡測定部２２は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有さないときには（ステップＳ３においてＮＯ）、３種類以上の周波数のうちの両端近傍の周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する（ステップＳ４）。

このように、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定するためのパラメータとして、互いに離れた周波数での超音波の強度のみを採用する。よって、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定するためのパラメータ数をできるかぎり減らしたうえで、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを高い精度でかつ高い速度で測定することができる。

気泡測定部２２は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有するときには（ステップＳ３においてＹＥＳ）、３種類以上の周波数のうちのピークでの周波数及び一端近傍での周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する（ステップＳ５）。

このように、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定するためのパラメータとして、ピークでの周波数及びピークから離れた周波数での超音波の強度のみを採用する。よって、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定するためのパラメータ数をできるかぎり減らしたうえで、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを高い精度でかつ高い速度で測定することができる。

図２のステップＳ３からステップＳ５までの詳細を以下に説明する。本開示の気泡測定処理の積分強度の周波数依存性を図６から図８までに示す。

図６から図８まででは、水中の気泡Ｂの密度及び大きさは、気泡測定の対象深度の範囲内においてほぼ均一であると、模型実験又は実運航に基づいて考えている。

図６では、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈの範囲内において、レイリー散乱を起こすような大きさの水中の気泡Ｂが、疎に分布する極限及び密に分布する極限を、それぞれケース１及びケース２として考える。超音波の強度の周波数依存性は、ピークを有さない。

ケース１では、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度が、相対的に低いとともに、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度が、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度より高い。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に低いとともに、水中の気泡Ｂの大きさが高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の波長λ_Ｈより小さいと判定する。

例えば、気泡測定部２２は、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２が高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度を採用するのは、超音波の強度が高周波数では高いため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度と、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

ケース２では、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度が、相対的に高いとともに、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度が、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と同程度である。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に高いと判定する。なお、水中の気泡Ｂが密に分布するため、水中の気泡Ｂの大きさの測定精度は低い。

例えば、気泡測定部２２は、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２が低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度を採用するのは、気泡Ｂの密度の変化に伴って超音波の強度の変化が大きいため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

このように、測定結果が、（ケース１）水中の気泡Ｂの大きさが高周波数ｆ_Ｈでの超音波の波長λ_Ｈより小さいことによるレイリー散乱によるものか、（ケース２）水中の気泡Ｂの密度が大きいことによる多重散乱によるものか、判別することができる。

図７では、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈの範囲内において、共鳴領域近傍となるような大きさの水中の気泡Ｂが、疎に分布する極限及び密に分布する極限を、それぞれケース３及びケース４として考える。ケース３では、超音波の強度の周波数依存性は、ピークを有する。ケース４では、超音波の強度の周波数依存性は、ピークを有さない。

ケース３では、ピークでの周波数ｆ_Ｍ及び一端近傍ｆ_Ｌ又はｆ_Ｈでの周波数での超音波の強度が、相対的に低いとともに、ピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の強度が、一端近傍での周波数ｆ_Ｌ又はｆ_Ｈでの超音波の強度より高い。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に低いとともに、水中の気泡Ｂの大きさが共鳴散乱条件（特に第１共鳴条件）及びピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の波長λ_Ｍに応じて決まると判定する。

例えば、気泡測定部２２は、ピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２がピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の強度を採用するのは、超音波の強度がピークでの周波数では高いため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、ピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の強度と、一端近傍での周波数ｆ_Ｌ又はｆ_Ｈでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

ケース４では、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度が、相対的に高いとともに、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度が、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と同程度である。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に高いと判定する。なお、水中の気泡Ｂが密に分布するため、水中の気泡Ｂの大きさの測定精度は低い。

例えば、気泡測定部２２は、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２が両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度を採用するのは、気泡Ｂの密度の変化に伴って超音波の強度の変化が大きいため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度と、ピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

このように、測定結果が、（ケース３）水中の気泡Ｂの大きさがピークでの周波数ｆ_Ｍでの超音波の波長λ_Ｍに応じて決まることによる共鳴領域近傍によるものか、（ケース４）水中の気泡Ｂの密度が大きいことによる多重散乱によるものか、判別することができる。

図８では、超音波の各周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈの範囲内において、共鳴領域以上となるような大きさの水中の気泡Ｂが、疎に分布する極限及び密に分布する極限を、それぞれケース５及びケース６として考える。超音波の強度の周波数依存性は、ピークを有さない。

ケース５では、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度が、相対的に低いとともに、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度が、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度より高い。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に低いとともに、水中の気泡Ｂの大きさが低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の波長λ_Ｌより大きいと判定する。

例えば、気泡測定部２２は、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２が低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度を採用するのは、超音波の強度が低周波数では高いため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

ケース６では、両端近傍の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｈでの超音波の強度が、相対的に高いとともに、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度が、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と同程度である。気泡測定部２２は、水中の気泡Ｂの密度が相対的に高いと判定する。なお、水中の気泡Ｂが密に分布するため、水中の気泡Ｂの大きさの測定精度は低い。

例えば、気泡測定部２２は、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。なお、気泡測定部２２が高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度を採用するのは、気泡Ｂの密度の変化に伴って超音波の強度の変化が大きいため、水中の気泡Ｂの密度及び大きさの測定精度が高くなるためである。或いは、気泡測定部２２は、高周波数側の一端近傍ｆ_Ｈでの超音波の強度と、低周波数側の一端近傍ｆ_Ｌでの超音波の強度と、の差分を、図９に示す格納テーブルと照合することにより、水中の気泡Ｂの密度及び大きさを測定する。

このように、測定結果が、（ケース５）水中の気泡Ｂの大きさが低周波数ｆ_Ｌでの超音波の波長λ_Ｌより大きいことによる共鳴領域以上によるものか、（ケース６）水中の気泡Ｂの密度が大きいことによる多重散乱によるものか、判別することができる。

図６から図８までのケース１からケース６までの中間ケースを以下に説明する。本開示の気泡測定処理で照合される格納テーブルを図９に示す。

ケース１からケース６までのように、極限ケースでは、定性的な議論は容易であるが、定量的な議論は容易でない。ケース１からケース６までと異なり、中間ケースでは、定性的な議論は容易でないし、定量的な議論も容易でない。そこで、模型実験又はシミュレーションに基づいて、気泡測定部２２の格納テーブルを作成する。

格納テーブルでは、水中の気泡Ｂの密度及び大きさが、ρ_Ｎ、ｒ_Ｎ（Ｎ＝１、２、３、・・・）であるときには、超音波の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈでの積分強度は、Ｉ_ＬＮ、Ｉ_ＭＮ、Ｉ_ＨＮであり、超音波の周波数（ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌ）、（ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈ）、（ｆ_Ｍ、ｆ_Ｌ）（括弧は周波数のペア）での強度差分は、Ｄ_ＨＬＮ、Ｄ_ＭＨＮ、Ｄ_ＭＬＮであることが記憶されている。

気泡測定部２２は、超音波の周波数ｆ_Ｌ、ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈでの積分強度が、Ｉ_ＬＮ、Ｉ_ＭＮ、Ｉ_ＨＮ（Ｎ＝１、２、３、・・・）であり、超音波の周波数（ｆ_Ｈ、ｆ_Ｌ）、（ｆ_Ｍ、ｆ_Ｈ）、（ｆ_Ｍ、ｆ_Ｌ）（括弧は周波数のペア）での強度差分が、Ｄ_ＨＬＮ、Ｄ_ＭＨＮ、Ｄ_ＭＬＮであるときには、水中の気泡Ｂの密度及び大きさは、ρ_Ｎ、ｒ_Ｎであることを測定する。

本開示の気泡測定装置及び気泡測定プログラムは、船底が海水から受ける抵抗を低減するために、船底近傍の水中に気泡を故意に発生させるエコシップ等の用途において、水中の気泡の密度及び大きさを高い精度で測定することができる。

１：超音波振動子
２：気泡測定装置
３：物標表示装置
２１：超音波制御部
２２：気泡測定部
Ｓ：船舶
Ｂ：気泡
Ｐ：プランクトン
Ｆ：魚群
Ｕ：海底

Claims

水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する超音波制御部と、
水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する気泡測定部と、
を備えることを特徴とする気泡測定装置。
前記超音波制御部は、超音波の周波数を３種類以上に制御し、
前記気泡測定部は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有さないときには、３種類以上の周波数のうちの両端近傍の周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する
ことを特徴とする、請求項１に記載の気泡測定装置。
前記気泡測定部は、（１）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、高周波数側の一端近傍での超音波の強度が低周波数側の一端近傍での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記高周波数側の一端近傍での超音波の波長より小さいと判定し、
（２）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、前記低周波数側の一端近傍での超音波の強度が前記高周波数側の一端近傍での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記低周波数側の一端近傍での超音波の波長より大きいと判定し、
（３）前記両端近傍の周波数での超音波の強度が相対的に高いとともに、前記高周波数側の一端近傍での超音波の強度が前記低周波数側の一端近傍での超音波の強度と同程度であるときには、水中の気泡の密度が相対的に高いと判定する
ことを特徴とする、請求項２に記載の気泡測定装置。
前記超音波制御部は、超音波の周波数を３種類以上に制御し、
前記気泡測定部は、超音波の強度の周波数依存性がピークを有するときには、３種類以上の周波数のうちの前記ピークでの周波数及び一端近傍での周波数で超音波の強度を比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の気泡測定装置。
前記気泡測定部は、前記ピークでの周波数及び前記一端近傍での周波数での超音波の強度が相対的に低いとともに、前記ピークでの周波数での超音波の強度が前記一端近傍での周波数での超音波の強度より高いときには、水中の気泡の密度が相対的に低いとともに、水中の気泡の大きさが前記ピークでの周波数での超音波の波長に応じて決まると判定する
ことを特徴とする、請求項４に記載の気泡測定装置。
水中へと照射される超音波の周波数を複数種類に制御する超音波制御ステップと、
水中の気泡から反射された超音波の強度を複数種類の周波数で比較することにより、水中の気泡の密度及び大きさのうちの少なくともいずれかを測定する気泡測定ステップと、
を順にコンピュータに実行させるための気泡測定プログラム。