JP6103713B2 - 体積計測用ヘルムホルツ共鳴容器、体積計測装置、及び体積計測方法 - Google Patents
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Description
[構成]
図6を参照して、この発明の第1の実施の形態に係る体積計測システム100は、魚等の水圏生物の体積を計測するためのシステムであって、全体が水中に定置された、端部(上面)に開口部112を有する円筒形状のネック部を持つ容器110を含む。開口部112の形状については図7〜図9を参照して後述するが、開口部112を形成する縁部の1つが、開口部112に近くなるほど肉厚が薄くなるように形成され、ちょうど楽器のリードのように、水流がある範囲の角度でこの縁部に当てられると、水中で音を発生するようになっている(以下この縁部を「リード部」と呼ぶ。)。この音に対する容器110のヘルムホルツ共鳴周波数は、図4及び図5に示される例と異なり、スペクトル中で明瞭に識別でき、しかも容器110の内部の容積と一定の関係をもって変化することが発明者らの実験により判明した。本実施の形態では、このような容器110を用いて、容器110内部に存在する体積計測の対象となる物体(典型的には生魚)の体積を計測する。
上に構成を説明した体積計測システム100において、共鳴器本体130内に存在する計測対象の体積を計測する原理は従来と同様、ヘルムホルツ共鳴法である。ただし、本実施の形態では、従来と異なり、共鳴を生じさせるための音声を、打撃法でも音響共鳴法でもなく、リード法により発生させる。リード法とは、図9に示すように送水管118及びノズル160からの水流をリード部152に当てることにより、水中で音声を発生させ、その音により容器110内に生ずる共鳴音を計測する方法である。
この実施の形態に係る体積計測システム100の動作を簡単に説明する。図7を参照して、キャップ136を除き容器110が全て組立てられているものとし、送水管118もリード部152に水が連続的に供給できるように固定具142により固定されているものとする。容器110を水中に沈め、計測対象の生魚を開口部132から共鳴器本体130内に入れ、キャップ136を閉めて共鳴器本体130を密閉する。この結果、共鳴器本体130はネック部210との連通部を除き閉空間を形成する。計測時には容器110の全体を水中に浸す。定量ポンプ114を起動し、水を開口部112のリード部152に連続的に供給する。すると、リード部152はかなり広い範囲の周波数にひろがるパワースペクトルを持つ音を発生させる。この結果、ヘルムホルツ共鳴により、ある特定の周波数で共鳴が生じる。水中マイク120が水中で収集した音声を電気信号に変換する。アンプ122がこの電気信号を増幅し、コンピュータ124に与える。コンピュータ124は、この電気信号により表される音声信号のスペクトル分析を行ない、ピーク周波数を特定する。このピーク周波数は、ヘルムホルツ共鳴によるものであり、その周波数は上述した式により決定される。コンピュータ124には、予めヘルムホルツ共鳴周波数と、容器110内に入れられる計測対象の体積との関係がテーブル形式で記憶されている。コンピュータ124は、スペクトル分析の結果得られたピーク周波数に対応する体積値をこのテーブルからルックアップし、出力する。
最初に、共鳴器本体130に入れられる計測対象の体積と、平均共鳴周波数との関係を調べ、体積計測システム100によって、ヘルムホルツ共鳴に基づく体積計測が可能か否かを調べた。実験では、共鳴器本体130内にガラス玉を入れ、ガラス玉の個数を変化させたときに共鳴周波数がどのように変化するかを調べた。実験では、同じ体積を持つ多数のガラス玉を準備し、共鳴器本体130内に入れるガラス玉の個数を変化させながら、コンピュータ124が検知するピーク周波数(共鳴周波数)を調べた。リード部152に対して供給される水の流量は14リットル/分であった。
図13に、リード部152に供給される水の流量を変化させた実験により得られた、ガラス玉の体積とピーク周波数との相関を示す。図13に示すように、流量を変化させても、ピーク周波数(ヘルムホルツ共鳴周波数)は共鳴器本体130内のガラス玉の体積に応じて変化することが分かった。ただし、やはり理論値とはずれが生じることと、流量を変化させるとガラス玉の体積とピーク周波数との間の関係も変化することが分かった。したがって、流量を変化させる場合には、ピーク周波数を求めるためのテーブルも流量に応じたものに交換する必要があることが分かる。
今回の発明の応用分野の1つとして、魚類の精密養魚がある。そこで、魚について上のガラス玉を用いて行なったものと同様の実験を行なった。この実験では、まるごとの魚、魚のうち内臓を除いた部分、及び魚の骨の部分について、それぞれ図12と同様の実験を行なった。結果を図15に示す。
上記実施の形態では、図7に示すようにほぼ直方体形状の共鳴器本体130を持つ容器110を用いている。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。中空の容器の内部の体積(容積)は、水等をその中に満たしてからその量を測ることにより、容器の形状にかかわらず容易に計測できる。したがって、共鳴器本体130の形状は、図7に示すような形状には限定されない。
上に述べたように、共鳴器本体を開空間としたときにも、ヘルムホルツ共鳴の原理により計測対象の体積と共鳴周波数との間に一定の関係が成立することを実験により確認した。以下、共鳴器本体が開放されたものである場合の本発明の実施の形態について説明する。
ネック部250は、図1に示す容器30及び図11に示す容器200のネック部210と同様のものである。ネック部250の上端256は開口しており、ここにリード部を持つカバー板が装着される。ネック部250の中心軸に直交する面の断面積はS1[m2]、容器本体252側の端部から上端までの長さはL1[m]である。
40,138,210,250 ネック部
42,212,252 容器本体
44,214 対象物
46,112,132,134 開口部
100 体積計測システム
114 定量ポンプ
116 流量計
118 送水管
120 水中マイク
122 アンプ
124 コンピュータ
130 共鳴器本体
136 キャップ
140 上端面部
142 固定具
150 カバー板
152 リード部
258,260 開口部ネック
Claims (11)
- 液体を貯留する、所定の容積を規定する中空部分を有する容器本体と、前記容器本体の前記中空部分と連通する一端、及び、端面が形成された他端、を持つ筒状のネック部とを含むヘルムホルツ共鳴容器、を用いて、液体中の対象物の体積を非接触で計測する方法であって、
前記端面には開口部が形成されており、
前記端面の前記開口部の縁部を形成する部分の少なくとも一部が、当該開口部に近くなるほど肉厚が薄くなるように形成されて、音声発生のためのリード部を構成しており、
前記方法は、
前記ヘルムホルツ共鳴容器を液体中に浸漬することにより、前記中空部分と前記ネック部とが前記液体に満たされ、かつ、前記ネック部の前記端面も前記液体中に位置するようにするステップと、
前記中空部分に前記対象物を配置するステップと、
前記中空部分に前記対象物が配置されている間に、前記リード部に向けて液体の流れを一定流量で一定方向からあてることにより、前記リード部に音声を発生させるステップと、
前記リード部が発生した音声に共鳴して前記ヘルムホルツ共鳴容器内で発生する共鳴音のピーク周波数を測定するステップと、
前記測定するステップで測定された周波数を変数とする関数により、前記対象物の体積を算出するステップとを含む、液体中の対象物の体積を非接触で計測する方法。 - 前記液体は水であり、
前記対象物は内部に浮き袋を持つ水圏生物であり、
前記関数は、前記周波数が高いほど体積が小さくなるような関数である、請求項1に記載の方法。 - 前記液体は水であり、
前記対象物は内部に浮き袋を持たない水圏生物であり、
前記関数は、前記周波数が高いほど体積が大きくなるような関数である、請求項1に記載の方法。 - 前記算出するステップで算出された前記水圏生物の体積がしきい値以上か否かに応じて前記水圏生物を分類し、第1及び第2の互いに分離された領域に分離するステップをさらに含む、請求項2又は請求項3に記載の方法。
- ヘルムホルツ共鳴により対象物の体積を非接触で計測する方法で用いられるヘルムホルツ共鳴容器であって、
液体を貯留する、所定の容積を規定する中空部分を有する容器本体と、
前記容器本体の前記中空部分と連通する一端、及び、端面が形成された他端、を持つ筒状のネック部とを含み、
前記端面には開口部が形成されており、
前記端面の前記開口部の縁部を形成する部分の少なくとも一部が、当該開口部に近くなるほど肉厚が薄くなるように形成された、音声発生のためのリード部を構成している、ヘルムホルツ共鳴容器。 - 前記端面は、前記開口部を除いて前記ネック部の前記他端全てを覆う形状を持つ、請求項5に記載の容器。
- 前記容器本体は、前記ネック部と連通する部分とは異なる他の開口部を持つ、請求項5又は請求項6に記載のヘルムホルツ共鳴容器。
- 前記端面は、前記ネック部の内部に面する第1の面と、前記ネック部の内部と反対側に面する第2の面とを持つ平板状であり、
前記ヘルムホルツ共鳴容器はさらに、前記第2の面に設けられ、液体を供給する給液管を、当該給液管の先端が前記リード部に向くように前記第2の面に取り付ける取り付け部材を含む、請求項5〜請求項7のいずれかに記載のヘルムホルツ共鳴容器。 - 請求項8に記載のヘルムホルツ共鳴容器を用い、前記対象物の体積を非接触で計測するための体積計測装置であって、
前記ヘルムホルツ共鳴容器は、その全体が所定の液体中に置かれ、
前記体積計測装置は、
前記給液管の、前記先端とは別の端部に、前記所定の液体と同種の液体を所定流量で供給するポンプと、
前記液体中に置かれた前記ヘルムホルツ共鳴容器の近傍において音声を収集する音声収集手段と、
前記給液管から供給される前記液体により前記リード部が発生する音により、前記ヘルムホルツ共鳴容器において発生する共鳴音のピーク周波数を、前記音声収集手段の出力に基づいて特定し、当該周波数の関数として前記容器本体内に存在する前記対象物の体積を算出する体積算出手段とを含む、体積計測装置。 - 前記所定の液体は水であり、
前記対象物は内部に浮き袋を持つ水圏生物であり、
前記関数は、前記周波数が高いほど体積が小さくなるような関数である、請求項9に記載の体積計測装置。 - 前記所定の液体は水であり、
前記対象物は内部に浮き袋を持たない水圏生物であり、
前記関数は、前記周波数が高いほど体積が大きくなるような関数である、請求項9に記載の体積計測装置。
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