JP6139721B1 - 気泡パラメータ特定装置、気泡パラメータ特定方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを、振幅のばらつきを鑑みて精度よく特定する。【解決手段】反射波受信部は、計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信する。気泡反射波抽出部は、受信した前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である気泡反射波を抽出する。振幅特定部は、抽出された前記気泡反射波の振幅を特定する。抽出数情報生成部は、複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成する。気泡パラメータ特定部は、気泡径ごとに予め得られた、当該気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された出現割合とに基づいて、計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定する。【選択図】図１
Description
本発明は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定装置、気泡パラメータ特定方法、およびプログラムに関する。
特許文献１には、水中に含まれる気泡の量および水中のボイド率を求める方法が開示されている。具体的には、特許文献１には、水中に超音波を照射し、その反射波に基づいて気泡の量および径を求めることが開示されている。
気泡を含む水中に照射された超音波の反射波の強度は、照射された超音波の強度と、気泡の径に応じた反射係数とに基づいて求めることができる。他方、超音波の強度は、超音波ビームの中央付近と端部付近とで異なるため、超音波ビームに対する気泡の位置によって、受信される反射波の強度にばらつきが生じる。具体的には、気泡の位置が超音波ビームの中央から離れるほど、当該気泡による反射波の強度は相対的に小さくなる。そのため、特許文献１に記載の方法では、算出される気泡の径が正確でないため、当該気泡の径に基づいて算出されるボイド率も、精度に欠ける可能性がある。
本発明の目的は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを精度よく特定することができる気泡パラメータ特定装置、気泡パラメータ特定方法、およびプログラムを提供することにある。
本発明の第１の態様によれば、気泡パラメータ特定装置は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定装置であって、前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信する反射波受信部と、受信した前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である気泡反射波を抽出する気泡反射波抽出部と、抽出された前記気泡反射波の振幅を特定する振幅特定部と、前記複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成する抽出数情報生成部と、気泡径ごとに予め得られた、当該気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記出現割合とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定する気泡パラメータ特定部とを備える。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、抽出された前記気泡反射波それぞれについて、前記送信波の照射時刻から前記気泡反射波の受信時刻までの時間である伝播時間を特定する伝播時間特定部をさらに備えるものであってよい。
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記伝播時間に基づいて、前記気泡反射波のうち前記計測対象に含まれる気泡に反射したものを特定する対象内気泡特定部をさらに備え、前記抽出数情報生成部が、前記対象内気泡特定部によって特定された前記気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を特定するものであってよい。
本発明の第４の態様によれば、第２または第３の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記振幅特定部が特定した前記複数の気泡反射波それぞれの振幅を、対応する前記伝播時間に基づいて正規化する振幅正規化部をさらに備えるものであってよい。
本発明の第５の態様によれば、第１から第４の何れかの態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記気泡パラメータ特定部が、前記出現率情報が示す振幅ごとの出現率の加重和が前記抽出数情報が示す振幅ごとの抽出数と近似するように、前記加重和の算出に用いる振幅ごとの重み係数を特定するものであってよい。
本発明の第６の態様によれば、第５の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記気泡パラメータ特定部が、前記振幅ごとの重み係数に前記気泡反射波の総抽出数を乗算することで、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定するものであってよい。
本発明の第７の態様によれば、第１から第６の何れかの態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記気泡パラメータ特定部が特定した前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数とに基づいて、前記計測対象のボイド率を特定するボイド率特定部をさらに備えるものであってよい。
本発明の第８の態様によれば、第１から第７の何れかの態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記反射波の包絡線を特定する包絡線処理部をさらに備え、前記気泡反射波抽出部が、前記包絡線のピークに基づいて、前記複数の気泡反射波を抽出するものであってよい。
本発明の第９の態様によれば、第８の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記振幅特定部が、前記包絡線のピークの振幅に基づいて前記振幅を特定するものであってよい。
本発明の第１０の態様によれば、第１から第９の何れかの態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記気泡パラメータ特定部が、深さが異なる複数の前記計測対象からなる本計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を、各深さの前記計測対象に含まれる前記気泡の気泡径ごとの個数の和を求めることで特定するものであってよい。
本発明の第１１の態様によれば、第１０の態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記気泡パラメータ特定部が、深さごとに予め得られた前記出現率情報に基づいて、各深さの前記計測対象に含まれる前記気泡の気泡径ごとの個数の和を求めることで特定するものであってよい。
本発明の第１２の態様によれば、第１から第１１の何れかの態様に係る気泡パラメータ特定装置は、前記送信波が縦波として鋼板を介して発信され、前記送信波の前記鋼板中の横波屈折角が４０度以上４５度以下であるものであってよい。
本発明の第１３の態様によれば、気泡パラメータ特定方法は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定方法であって、前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信する反射波受信ステップと、前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である複数の気泡反射波を抽出する気泡反射波抽出ステップと、抽出された前記複数の気泡反射波の振幅を特定する振幅ステップと、前記複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成する抽出数情報生成ステップと、複数の気泡径ごとに予め得られた、前記気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記出現割合とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径と個数との関係を特定する気泡パラメータ特定ステップとを備える。
本発明の第１４の態様によれば、プログラムは、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定装置のコンピュータを、前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信する反射波受信部、前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である複数の気泡反射波を抽出する気泡反射波抽出部、抽出された前記複数の気泡反射波の振幅を特定する振幅特定部、前記複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成する抽出数情報生成部、複数の気泡径ごとに予め得られた、前記気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記出現割合とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径と個数との関係を特定する気泡パラメータ特定部として機能させる。
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、気泡パラメータ特定装置は、気泡径ごとの気泡反射波の振幅と出現率に基づいて、計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定する。これにより、気泡パラメータ特定装置は、気泡反射波の強度のばらつきを鑑みて、気泡に関するパラメータを特定することができる。
〈第１の実施形態〉
《全体構成》
以下、図面を参照しながら第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る気泡パラメータ特定システムの構成を示す図である。
気泡パラメータ特定システム１は、船舶の船底Ｂ近傍の水中のボイド率を特定する。ボイド率とは、流体の単位体積あたりに含まれれる気泡の容積割合を示すパラメータである。つまり、第１の実施形態に係る気泡パラメータ特定システム１は、船底Ｂ近傍の水を計測対象とする。気泡パラメータ特定システム１は、超音波探触子１００と気泡パラメータ特定装置２００とを備える。
超音波探触子１００は、船底Ｂに対して所定の角度を以て超音波を発信し、その超音波の反射波を受信する。
気泡パラメータ特定装置２００は、超音波探触子１００で受信された反射波に基づいて、船底Ｂ近傍の水中のボイド率を特定する。
《全体構成》
以下、図面を参照しながら第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る気泡パラメータ特定システムの構成を示す図である。
気泡パラメータ特定システム１は、船舶の船底Ｂ近傍の水中のボイド率を特定する。ボイド率とは、流体の単位体積あたりに含まれれる気泡の容積割合を示すパラメータである。つまり、第１の実施形態に係る気泡パラメータ特定システム１は、船底Ｂ近傍の水を計測対象とする。気泡パラメータ特定システム１は、超音波探触子１００と気泡パラメータ特定装置２００とを備える。
超音波探触子１００は、船底Ｂに対して所定の角度を以て超音波を発信し、その超音波の反射波を受信する。
気泡パラメータ特定装置２００は、超音波探触子１００で受信された反射波に基づいて、船底Ｂ近傍の水中のボイド率を特定する。
《超音波探触子の構成》
超音波探触子１００は、船舶の船底Ｂに設置される。具体的には、超音波探触子１００は、縦波の超音波を発信し、また受信する探触子本体１０１と、船底Ｂに対する探触子本体１０１の角度を規定するスペーサ１０２とを備える。つまり、探触子本体１０１から発される超音波は、スペーサ１０２と船底Ｂとの境界面、船底Ｂと水との境界面、および水と気泡との境界面で反射される。以下、水と気泡との境界面で反射された反射波を気泡反射波という。そのため、探触子本体１０１は、このような多重反射の影響を抑え、かつ水中への音響エネルギーの透過量を増大させることができる適切な角度で取り付けられる。具体的には、船底Ｂが鋼板で構成され、板厚が１５ミリメートル以上３０ミリメートル以下である場合、船底Ｂにおける横波屈折角が４０度以上かつ４５度以下の範囲内の角度となるように、好ましくは横波屈折角が４０度となるように探触子本体１０１が設置されるとよい。
超音波探触子１００は、船舶の船底Ｂに設置される。具体的には、超音波探触子１００は、縦波の超音波を発信し、また受信する探触子本体１０１と、船底Ｂに対する探触子本体１０１の角度を規定するスペーサ１０２とを備える。つまり、探触子本体１０１から発される超音波は、スペーサ１０２と船底Ｂとの境界面、船底Ｂと水との境界面、および水と気泡との境界面で反射される。以下、水と気泡との境界面で反射された反射波を気泡反射波という。そのため、探触子本体１０１は、このような多重反射の影響を抑え、かつ水中への音響エネルギーの透過量を増大させることができる適切な角度で取り付けられる。具体的には、船底Ｂが鋼板で構成され、板厚が１５ミリメートル以上３０ミリメートル以下である場合、船底Ｂにおける横波屈折角が４０度以上かつ４５度以下の範囲内の角度となるように、好ましくは横波屈折角が４０度となるように探触子本体１０１が設置されるとよい。
図２は、超音波の鋼中屈折角と、気泡反射波のエコーレベルとの関係を示す図である。図３は、超音波の鋼中屈折角と、反射波全体に対する気泡反射波のエコー比との関係を示す図である。
図２および図３によれば、船底Ｂにおける横波屈折角度θが４０度の近傍において、気泡反射波のエコーレベルおよび反射波全体に対する気泡反射波のエコー比が最大となる。４０度は臨界角であるため、探触子本体１０１から船底への超音波伝搬時に縦波成分が発生しない。したがって、横波屈折角度θが４０度以上となるように探触子本体１０１を設置することで、反射波に縦波成分が含まれれなくなる。つまり、横波屈折角度θが４０度以上となるように探触子本体１０１を設置することで、多重反射の影響を抑えることができる。他方、横波屈折角度θを４５度を超えると、気泡反射波のエコーレベルは横波屈折角度θが４０度であるときに得られるエコーレベルの９０パーセント未満となる。つまり、横波屈折角度θが４５度以下となるように探触子本体１０１を設置することで、水中への音響エネルギーの透過量の減少を防ぐことができる。
なお、本実施形態において、横波屈折角度θが４０度となる探触子本体１０１の取付角度φ（鉛直線に対する探触子本体１０１の超音波の発信面の垂線の角度）は、２８度である。
図２および図３によれば、船底Ｂにおける横波屈折角度θが４０度の近傍において、気泡反射波のエコーレベルおよび反射波全体に対する気泡反射波のエコー比が最大となる。４０度は臨界角であるため、探触子本体１０１から船底への超音波伝搬時に縦波成分が発生しない。したがって、横波屈折角度θが４０度以上となるように探触子本体１０１を設置することで、反射波に縦波成分が含まれれなくなる。つまり、横波屈折角度θが４０度以上となるように探触子本体１０１を設置することで、多重反射の影響を抑えることができる。他方、横波屈折角度θを４５度を超えると、気泡反射波のエコーレベルは横波屈折角度θが４０度であるときに得られるエコーレベルの９０パーセント未満となる。つまり、横波屈折角度θが４５度以下となるように探触子本体１０１を設置することで、水中への音響エネルギーの透過量の減少を防ぐことができる。
なお、本実施形態において、横波屈折角度θが４０度となる探触子本体１０１の取付角度φ（鉛直線に対する探触子本体１０１の超音波の発信面の垂線の角度）は、２８度である。
《気泡パラメータ特定装置の構成》
気泡パラメータ特定装置２００は、探触子制御部２０１、反射波記録部２０２、反射波記憶部２０３、気泡反射波抽出部２０４、伝播時間特定部２０５、対象内気泡特定部２０６、振幅特定部２０７、振幅正規化部２０８、抽出数情報生成部２０９、ヒストグラム記憶部２１０、気泡パラメータ特定部２１１、ボイド率特定部２１２を備える。
気泡パラメータ特定装置２００は、探触子制御部２０１、反射波記録部２０２、反射波記憶部２０３、気泡反射波抽出部２０４、伝播時間特定部２０５、対象内気泡特定部２０６、振幅特定部２０７、振幅正規化部２０８、抽出数情報生成部２０９、ヒストグラム記憶部２１０、気泡パラメータ特定部２１１、ボイド率特定部２１２を備える。
探触子制御部２０１は、超音波探触子１００に、超音波を発信指示を出力する。探触子制御部２０１は、超音波探触子１００が発信した超音波の反射波の波形を、超音波探触子１００から受信する。具体的には、探触子制御部２０１は、超音波探触子１００から出力されるアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換する。探触子制御部２０１は、反射波受信部の一例である。
反射波記録部２０２は、探触子制御部２０１が受信した反射波の波形を、超音波の発信時刻（照射時刻）に関連付けて反射波記憶部２０３に記録する。反射波の波形は、反射波の受信時刻とレベルとの関係により特定される。
反射波記憶部２０３は、超音波の発信時刻ごとに、当該超音波の反射波を記憶する。
反射波記録部２０２は、探触子制御部２０１が受信した反射波の波形を、超音波の発信時刻（照射時刻）に関連付けて反射波記憶部２０３に記録する。反射波の波形は、反射波の受信時刻とレベルとの関係により特定される。
反射波記憶部２０３は、超音波の発信時刻ごとに、当該超音波の反射波を記憶する。
気泡反射波抽出部２０４、気泡反射波抽出部２０４は、反射波記憶部２０３が記憶する反射波から、気泡反射波を抽出する。
伝播時間特定部２０５は、気泡反射波抽出部２０４が抽出した気泡反射波に基づいて、超音波の発信時刻から気泡反射波の受信時刻までの時間である伝播時間を特定する。
対象内気泡特定部２０６は、伝播時間特定部２０５が特定した伝播時間に基づいて、気泡パラメータの特定対象となる範囲内に存在する気泡を特定する。
伝播時間特定部２０５は、気泡反射波抽出部２０４が抽出した気泡反射波に基づいて、超音波の発信時刻から気泡反射波の受信時刻までの時間である伝播時間を特定する。
対象内気泡特定部２０６は、伝播時間特定部２０５が特定した伝播時間に基づいて、気泡パラメータの特定対象となる範囲内に存在する気泡を特定する。
振幅特定部２０７は、気泡反射波抽出部２０４が抽出した気泡反射波の振幅を特定する。具体的には、振幅特定部２０７は、気泡反射波の包絡線の極大値を振幅として特定する。
振幅正規化部２０８は、振幅特定部２０７が特定した振幅を伝播時間に応じて正規化する。超音波の反射波は、反射位置までの距離が長いほど減衰する。したがって、振幅正規化部２０８は、振幅を正規化することで、気泡の位置に応じた減衰の影響を低減することができる。
抽出数情報生成部２０９は、気泡反射波の振幅範囲ごとの抽出数を示す抽出数情報を生成する。
振幅正規化部２０８は、振幅特定部２０７が特定した振幅を伝播時間に応じて正規化する。超音波の反射波は、反射位置までの距離が長いほど減衰する。したがって、振幅正規化部２０８は、振幅を正規化することで、気泡の位置に応じた減衰の影響を低減することができる。
抽出数情報生成部２０９は、気泡反射波の振幅範囲ごとの抽出数を示す抽出数情報を生成する。
ヒストグラム記憶部２１０は、気泡の直径と、気泡の深さとに関連付けて、当該気泡で反射した気泡反射波の振幅とその出現数との関係を示すヒストグラムを記憶する。当該ヒストグラムは、シミュレーションまたは実験により予め得られたものである。ここで「深さ」とは、探触子本体１０１の発信面の垂線方向の距離である。
ここで、シミュレーションにより気泡反射波の振幅とその出現数との関係を示すヒストグラムを生成する方法の一例を説明する。作業者は、シミュレーションのモデルとして、船底Ｂと同じ厚さを有する鋼板の上に超音波探触子１００が設置され、水中に所定径の気泡が１つ存在するモデルを作成する。当該モデルにおける気泡の位置は、所定の深さにおける、超音波の照射面に平行な面上のランダムな位置に設けられる。次に、作業者は、シミュレータに当該モデルを用いて超音波探触子１００による音響シミュレーションを実行させる。これにより、シミュレータは、気泡反射波の波形を生成することができる。次に、作業者は、上記シミュレーションを複数回実行することで、所定深さの位置に存在する所定径の気泡について、当該気泡で反射した気泡反射波の振幅とその出現数との関係を示すヒストグラムを生成する。作業者は、上記手順によるヒストグラムの生成を、複数の径および複数の深さの気泡について実行する。これにより、作業者は、気泡の直径ごとおよび深さごとのヒストグラムを生成することができる。
ヒストグラム記憶部２１０が記憶するヒストグラムは、気泡径ごとに予め得られた、当該気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報の一例である。
ここで、シミュレーションにより気泡反射波の振幅とその出現数との関係を示すヒストグラムを生成する方法の一例を説明する。作業者は、シミュレーションのモデルとして、船底Ｂと同じ厚さを有する鋼板の上に超音波探触子１００が設置され、水中に所定径の気泡が１つ存在するモデルを作成する。当該モデルにおける気泡の位置は、所定の深さにおける、超音波の照射面に平行な面上のランダムな位置に設けられる。次に、作業者は、シミュレータに当該モデルを用いて超音波探触子１００による音響シミュレーションを実行させる。これにより、シミュレータは、気泡反射波の波形を生成することができる。次に、作業者は、上記シミュレーションを複数回実行することで、所定深さの位置に存在する所定径の気泡について、当該気泡で反射した気泡反射波の振幅とその出現数との関係を示すヒストグラムを生成する。作業者は、上記手順によるヒストグラムの生成を、複数の径および複数の深さの気泡について実行する。これにより、作業者は、気泡の直径ごとおよび深さごとのヒストグラムを生成することができる。
ヒストグラム記憶部２１０が記憶するヒストグラムは、気泡径ごとに予め得られた、当該気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報の一例である。
気泡パラメータ特定部２１１は、抽出数情報生成部２０９が生成した抽出数情報と、ヒストグラム記憶部２１０が記憶するヒストグラムとに基づいて、計測対象に含まれる気泡の径と数との関係を特定する。計測対象に含まれる気泡の径と数との関係は、気泡に関するパラメータの一例である。
ボイド率特定部２１２は、気泡パラメータ特定部２１１が特定した気泡の径と数との関係に基づいて、計測対象のボイド率を算出する。
ボイド率特定部２１２は、気泡パラメータ特定部２１１が特定した気泡の径と数との関係に基づいて、計測対象のボイド率を算出する。
次に、第１の実施形態に係る気泡パラメータ特定システム１の動作について説明する。図４は、第１の実施形態に係るボイド率の算出処理を示すフローチャートである。
気泡パラメータ特定システム１がボイド率の算出処理を開始すると、探触子制御部２０１は、超音波探触子１００に、超音波を発信指示を間欠的に複数回（例えば、数百回から数千回）出力する（ステップＳ１）。これにより、超音波探触子１００は、超音波の送信および反射波の受信を複数回実行する。次に、探触子制御部２０１は、超音波探触子１００から複数の反射波の波形を受信する（ステップＳ２）。反射波記録部２０２は、探触子制御部２０１が受信した反射波の波形を超音波の発信時刻に関連付けて反射波記憶部２０３に記録する（ステップＳ３）。
気泡パラメータ特定システム１がボイド率の算出処理を開始すると、探触子制御部２０１は、超音波探触子１００に、超音波を発信指示を間欠的に複数回（例えば、数百回から数千回）出力する（ステップＳ１）。これにより、超音波探触子１００は、超音波の送信および反射波の受信を複数回実行する。次に、探触子制御部２０１は、超音波探触子１００から複数の反射波の波形を受信する（ステップＳ２）。反射波記録部２０２は、探触子制御部２０１が受信した反射波の波形を超音波の発信時刻に関連付けて反射波記憶部２０３に記録する（ステップＳ３）。
次に、気泡パラメータ特定装置２００は、反射波記憶部２０３が記憶する反射波の波形を１つずつ選択し、選択した各波形について以下に示すステップＳ５からステップＳ１０の処理を実行する（ステップＳ４）。
気泡反射波抽出部２０４は、ステップＳ４で選択された反射波の波形に包絡線処理を実施する（ステップＳ５）。次に、気泡反射波抽出部２０４は、反射波の包絡線の各ピークを気泡反射波として抽出する（ステップＳ６）。次に、伝播時間特定部２０５は、ステップＳ４で選択された反射波に関連付けられた超音波の発信時刻と気泡反射波抽出部２０４が抽出した各気泡反射波の受信時刻とから、各気泡反射波の伝播時間（ＴＯＦ：Time Of Fright）を特定する（ステップＳ７）。次に、対象内気泡特定部２０６は、気泡反射波のうち、伝播時間特定部２０５が特定した伝播時間が所定の評価対象区間内に存在するものを、計測対象に含まれる気泡に反射した気泡反射波と特定する（ステップＳ８）。なお、評価対象区間とは、超音波が計測対象の最も浅い位置で反射する場合における気泡反射波の伝播時間から、超音波が計測対象の最も深い位置で反射する場合における気泡反射波の伝播時間までの区間である。評価対象区間は、予めシミュレーション等により求められる。これにより、気泡パラメータ特定装置２００は、気泡反射波抽出部２０４が抽出した気泡反射波から船底Ｂでの反射波を除外することができる。
気泡反射波抽出部２０４は、ステップＳ４で選択された反射波の波形に包絡線処理を実施する（ステップＳ５）。次に、気泡反射波抽出部２０４は、反射波の包絡線の各ピークを気泡反射波として抽出する（ステップＳ６）。次に、伝播時間特定部２０５は、ステップＳ４で選択された反射波に関連付けられた超音波の発信時刻と気泡反射波抽出部２０４が抽出した各気泡反射波の受信時刻とから、各気泡反射波の伝播時間（ＴＯＦ：Time Of Fright）を特定する（ステップＳ７）。次に、対象内気泡特定部２０６は、気泡反射波のうち、伝播時間特定部２０５が特定した伝播時間が所定の評価対象区間内に存在するものを、計測対象に含まれる気泡に反射した気泡反射波と特定する（ステップＳ８）。なお、評価対象区間とは、超音波が計測対象の最も浅い位置で反射する場合における気泡反射波の伝播時間から、超音波が計測対象の最も深い位置で反射する場合における気泡反射波の伝播時間までの区間である。評価対象区間は、予めシミュレーション等により求められる。これにより、気泡パラメータ特定装置２００は、気泡反射波抽出部２０４が抽出した気泡反射波から船底Ｂでの反射波を除外することができる。
次に、振幅特定部２０７は、対象内気泡特定部２０６によって特定された気泡反射波のピークに係る振幅を特定する（ステップＳ９）。次に、振幅正規化部２０８は、振幅特定部２０７によって特定された振幅を、伝播時間に基づいて正規化する（ステップＳ１０）。具体的には、振幅正規化部２０８は、以下の手順で振幅の正規化を行う。まず振幅正規化部２０８は、伝播時間特定部２０５が特定した伝播時間に超音波の伝播速度を乗算し、その２分の１の値を求めることで、気泡の深さを対象深さとして算出する。次に、振幅正規化部２０８は、ヒストグラム記憶部２１０が記憶する気泡の深さのうち、算出された深さに最も近いものを基準深さとして特定する。次に、振幅正規化部２０８は、基準深さから対象深さまでの間における超音波の減衰率を算出する。次に、振幅正規化部２０８は、気泡反射波の振幅に当該減衰率を乗算することで、振幅の正規化を行う。これにより、振幅正規化部２０８は、複数の気泡反射波の反射位置を基準深さにそろえることができる。
気泡パラメータ特定装置２００は、反射波記憶部２０３が記憶するすべての反射波の波形から正規化された気泡反射波を抽出すると、基準深さを１つずつ選択し、各基準深さについて以下のステップＳ１２からステップＳ１７の処理を実行する（ステップＳ１１）。
まず抽出数情報生成部２０９は、振幅正規化部２０８によって正規化された気泡反射波のうち、選択された基準深さに係るものについて、正規化された振幅と当該振幅を有する気泡反射波の数との関係を示すヒストグラムを生成する（ステップＳ１２）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、ヒストグラム記憶部２１０からステップＳ１１で選択された基準深さに関連付けられた各気泡径のヒストグラムを読み出す（ステップＳ１３）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、各気泡径のヒストグラムの荷重和によりステップＳ１２で生成したヒストグラムを得るための重み係数を算出する（ステップＳ１４）。つまり、気泡パラメータ特定部２１１は、以下の式（１）を満たす重み係数ｐを求める。
まず抽出数情報生成部２０９は、振幅正規化部２０８によって正規化された気泡反射波のうち、選択された基準深さに係るものについて、正規化された振幅と当該振幅を有する気泡反射波の数との関係を示すヒストグラムを生成する（ステップＳ１２）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、ヒストグラム記憶部２１０からステップＳ１１で選択された基準深さに関連付けられた各気泡径のヒストグラムを読み出す（ステップＳ１３）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、各気泡径のヒストグラムの荷重和によりステップＳ１２で生成したヒストグラムを得るための重み係数を算出する（ステップＳ１４）。つまり、気泡パラメータ特定部２１１は、以下の式（１）を満たす重み係数ｐを求める。
ｈは、ステップＳ１２で生成したヒストグラムを示すベクトルである。つまり、ｈは、振幅ごとの気泡反射波の数を要素とする列ベクトルである。Ｇは、ステップＳ１３で読み出されたヒストグラムを示す行列である。つまり、Ｇは、振幅を行とし、気泡径を列とし、気泡反射波の数を要素とする行列である。ｐは、気泡径ごとの重み係数を要素とする列ベクトルである。気泡パラメータ特定部２１１は、例えば最小二乗法により式（１）から重み係数ｐを求めることができる。また、気泡パラメータ特定部２１１は、行列Ｇの逆行列または疑似逆行列を用いて重み係数ｐを求めてもよい。つまり、気泡パラメータ特定部２１１は、ステップＳ１３で読み出されたヒストグラムが示す振幅ごとの気泡の数の加重和がステップＳ１２で生成したヒストグラムと近似するように、重み係数ｐを特定する。
次に、気泡パラメータ特定部２１１は、特定した重み係数ｐから、計測対象における各気泡径に係る気泡の存在割合を算出する（ステップＳ１５）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、特定した各存在割合を基準深さに係る気泡反射波の総数に乗算することで、気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係を特定する（ステップＳ１６）。次に、ボイド率特定部２１２は、気泡パラメータ特定部２１１が特定した気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係に基づいて、ステップＳ１１で選択された基準深さの近傍におけるボイド率を算出する（ステップＳ１７）。ボイド率Ｖは、以下に示す式（２）により求めることができる。
次に、気泡パラメータ特定部２１１は、特定した重み係数ｐから、計測対象における各気泡径に係る気泡の存在割合を算出する（ステップＳ１５）。次に、気泡パラメータ特定部２１１は、特定した各存在割合を基準深さに係る気泡反射波の総数に乗算することで、気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係を特定する（ステップＳ１６）。次に、ボイド率特定部２１２は、気泡パラメータ特定部２１１が特定した気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係に基づいて、ステップＳ１１で選択された基準深さの近傍におけるボイド率を算出する（ステップＳ１７）。ボイド率Ｖは、以下に示す式（２）により求めることができる。
Ｎｃは、計測対象のうち基準深さを含む所定範囲の体積である。ａｊは、ｊ番目の気泡径である。ｎｊは、計測対象のうち基準深さを含む所定範囲に含まれるｊ番目の気泡径に係る気泡の個数である。ｑは、超音波の発信回数である。
気泡パラメータ特定装置２００は、各基準深さについて上記ステップＳ１２からステップＳ１７の処理を実行することで、計測対象に係るボイド率の空間分布を特定することができる。ボイド率の空間分布とは、船底Ｂからの深さと当該深さにおける水中のボイド率との関係を示す情報である。
このように、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定システム１は、気泡径ごとの気泡反射波の振幅と出現率に基づいて、計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数およびボイド率を特定する。これにより、気泡パラメータ特定装置は、気泡反射波の強度のばらつきを鑑みて、精度よく気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係およびボイド率を特定することができる。
また、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、抽出された前記気泡反射波それぞれについて伝播時間を特定する。これにより、気泡パラメータ特定部２１１は、気泡反射波が反射した気泡の深さを特定することができる。本発明の第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、伝播時間に基づいて気泡反射波のうち計測対象に含まれる気泡に反射したものを特定する。これにより、気泡パラメータ特定装置２００は、反射波から計測対象外の気泡を除外することができる。
また、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、複数の気泡反射波それぞれの振幅を、対応する伝播時間に基づいて正規化する。これにより、気泡パラメータ特定装置２００は、気泡の深さに応じた減衰によらず、正確に気泡径と当該気泡径に係る気泡の数との関係およびボイド率を特定することができる。
また、第１の実施形態によれば、超音波は、縦波として鋼板を介して発信され、超音波の鋼板中の横波屈折角度θが４０度以上４５度以下である。横波屈折角度θが４０度以上となるように探触子本体１０１を設置することで、反射波に縦波成分が含まれれなくなる。また、横波屈折角度θが４５度以下となるように探触子本体１０１を設置することで、水中への音響エネルギーの透過量の減少を防ぐことができる。
以上、図面を参照して第１の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータとして、計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、気泡パラメータ特定装置２００は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータとして、計測対象に含まれる気泡の気泡径の出現率、気泡の体積、またはその他のパラメータを算出してもよい。また、他の実施形態に係る気泡パラメータ特定装置２００は、必ずしもボイド率を算出しなくてよい。
例えば、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータとして、計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、気泡パラメータ特定装置２００は、計測対象に含まれる気泡に関するパラメータとして、計測対象に含まれる気泡の気泡径の出現率、気泡の体積、またはその他のパラメータを算出してもよい。また、他の実施形態に係る気泡パラメータ特定装置２００は、必ずしもボイド率を算出しなくてよい。
また、第１の実施形態によれば、気泡パラメータ特定装置２００は、気泡反射波の伝播時間を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、気泡パラメータ特定装置２００は、伝播時間に基づく補正等を行うことなく気泡に関するパラメータを特定してもよい。
また、第１の実施形態によれば、ヒストグラム記憶部２１０は、気泡径に関連付けて、気泡反射波の振幅と当該気泡反射波の数との関係を示すヒストグラムを記憶するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、ヒストグラム記憶部２１０は、気泡反射波の振幅ごとの出現確率を記録したテーブルまたは関数を記憶してもよい。
また、第１の実施形態によれば、ボイド率特定部２１２は、計測対象の深さごとのボイド率を算出したが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、ボイド率特定部２１２は、計測対象全体のボイド率を特定しても良い。具体的には、ボイド率特定部２１２は、気泡パラメータ特定部２１１が各基準深さに係る気泡径と気泡数の関係を加算することで、計測対象全体における気泡径と気泡数の関係を算出し、当該関係を式（２）に適用することにより計測対象全体のボイド率を特定することができる。また、他の実施形態においては、気泡パラメータ特定装置２００は、計測対象を深さごとに区切らず、計測対象全体について一定深さに正規化を行うことで、計測対象全体のボイド率を特定してもよい。
また、第１の実施形態では、超音波探触子１００が送信波として超音波を発信する場合について説明したが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、探触子は送信波として音波を発信してもよい。
図５は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、入出力インタフェース９０４、通信インタフェース９０５を備える。
上述の気泡パラメータ特定装置２００は、コンピュータ９００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。
コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、入出力インタフェース９０４、通信インタフェース９０５を備える。
上述の気泡パラメータ特定装置２００は、コンピュータ９００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。
なお、少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置９０３は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例としては、入出力インタフェース９０４を介して接続される外部ストレージ９１０およびネットワークＮを介して接続されるサーバ９２０が挙げられる。外部ストレージ９１０の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。
プログラムがネットワークＮを介してサーバ９２０からコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行してもよい。
プログラムがネットワークＮを介してサーバ９２０からコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行してもよい。
また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能を補助記憶装置９０３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現する差分ファイル（差分プログラム）でもよい。
また、他の実施形態においては、探触子制御部２０１、反射波記録部２０２、反射波記憶部２０３、気泡反射波抽出部２０４、伝播時間特定部２０５、対象内気泡特定部２０６、振幅特定部２０７、振幅正規化部２０８、抽出数情報生成部２０９、ヒストグラム記憶部２１０、気泡パラメータ特定部２１１、ボイド率特定部２１２の少なくとも一部がサーバ９２０に備えられ、その実行結果がコンピュータ９００に配信されるものであってもよい。つまり、気泡パラメータ特定システム１は、クラウドコンピューティングシステムやグリッドコンピューティングシステムにより実現されてもよい。
１ 気泡パラメータ特定システム
１００ 超音波探触子
２００ 気泡パラメータ特定装置
２０１ 探触子制御部
２０２ 反射波記録部
２０３ 反射波記憶部
２０４ 気泡反射波抽出部
２０５ 伝播時間特定部
２０６ 対象内気泡特定部
２０７ 振幅特定部
２０８ 振幅正規化部
２０９ 抽出数情報生成部
２１０ ヒストグラム記憶部
２１１ 気泡パラメータ特定部
２１２ ボイド率特定部
１００ 超音波探触子
２００ 気泡パラメータ特定装置
２０１ 探触子制御部
２０２ 反射波記録部
２０３ 反射波記憶部
２０４ 気泡反射波抽出部
２０５ 伝播時間特定部
２０６ 対象内気泡特定部
２０７ 振幅特定部
２０８ 振幅正規化部
２０９ 抽出数情報生成部
２１０ ヒストグラム記憶部
２１１ 気泡パラメータ特定部
２１２ ボイド率特定部
Claims (14)
- 計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定装置であって、
前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信する反射波受信部と、
受信した前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である気泡反射波を抽出する気泡反射波抽出部と、
抽出された前記気泡反射波の振幅を特定する振幅特定部と、
前記気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成する抽出数情報生成部と、
気泡径ごとに予め得られた、当該気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記抽出数情報とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定する気泡パラメータ特定部と
を備える気泡パラメータ特定装置。 - 抽出された前記気泡反射波それぞれについて、前記送信波の照射時刻から前記気泡反射波の受信時刻までの時間である伝播時間を特定する伝播時間特定部をさらに備える
請求項１に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記伝播時間に基づいて、前記気泡反射波のうち前記計測対象に含まれる気泡に反射したものを特定する対象内気泡特定部をさらに備え、
前記抽出数情報生成部が、前記対象内気泡特定部によって特定された前記気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を特定する
請求項２に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記振幅特定部が特定した前記気泡反射波それぞれの振幅を、対応する前記伝播時間に基づいて正規化する振幅正規化部
をさらに備える請求項２または請求項３に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記気泡パラメータ特定部が、前記出現率情報が示す振幅ごとの出現率の加重和が前記抽出数情報が示す振幅ごとの抽出数と近似するように、前記加重和の算出に用いる振幅ごとの重み係数を特定する
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記気泡パラメータ特定部が、前記振幅ごとの重み係数に前記気泡反射波の総抽出数を乗算することで、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を特定する
請求項５に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記気泡パラメータ特定部が特定した前記計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数とに基づいて、前記計測対象のボイド率を特定するボイド率特定部をさらに備える
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記反射波の包絡線を特定する包絡線処理部をさらに備え、
前記気泡反射波抽出部が、前記包絡線のピークに基づいて、前記気泡反射波を抽出する
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記振幅特定部が、前記包絡線のピークの振幅に基づいて前記振幅を特定する
請求項８に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記気泡パラメータ特定部が、深さが異なる複数の前記計測対象からなる本計測対象に含まれる気泡の気泡径ごとの個数を、各深さの前記計測対象に含まれる前記気泡の気泡径ごとの個数の和を求めることで特定する
請求項１から請求項９の何れか１項に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記気泡パラメータ特定部が、深さごとに予め得られた前記出現率情報に基づいて、各深さの前記計測対象に含まれる前記気泡の気泡径ごとの個数の和を求めることで特定する
請求項１０に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 前記送信波が縦波として鋼板を介して発信され、
前記送信波の前記鋼板における横波屈折角が４０度以上４５度以下である
請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の気泡パラメータ特定装置。 - 計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定方法であって、
前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信することと、
前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である複数の気泡反射波を抽出することと、
抽出された前記複数の気泡反射波の振幅を特定することと、
前記複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成することと、
複数の気泡径ごとに予め得られた、前記気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記抽出数情報とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径と個数との関係を特定することと
を有する気泡パラメータ特定方法。 - 計測対象に含まれる気泡に関するパラメータを特定する気泡パラメータ特定装置のコンピュータに、
前記計測対象へ向けて発信された送信波の反射波を受信することと、
前記反射波から、前記計測対象に含まれる気泡によって反射された反射波である複数の気泡反射波を抽出することと、
抽出された前記複数の気泡反射波の振幅を特定することと、
前記複数の気泡反射波の振幅と抽出数との関係を示す抽出数情報を生成することと、
複数の気泡径ごとに予め得られた、前記気泡径を有する気泡に送信波を照射した場合に観測される気泡反射波の振幅と出現率との関係を示す出現率情報と、特定された前記抽出数情報とに基づいて、前記計測対象に含まれる気泡の気泡径と個数との関係を特定することと
を実行させるためのプログラム。
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| JP2015161663A (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-07 | 横河電機株式会社 | 多相流流量計 |
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2017
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