JP6361062B2

JP6361062B2 - 気泡検出装置

Info

Publication number: JP6361062B2
Application number: JP2013242926A
Authority: JP
Inventors: 秀樹堀内
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: JP2015102416A

Description

本発明は、気泡検出装置に関する。

近年、気泡によって船舶の船底に作用する水による摩擦抵抗を低減する空気潤滑（Air Lubrication）法（以下、ＡＬ法と称する）を用いた船舶が知られている。例えば、特許文献１には、ＡＬ法を用いた摩擦抵抗低減船が開示されている。

特許文献１に記載の摩擦抵抗低減船では、船舶の船首部から船尾部に至る船底の部分に気泡発生装置を設けている。船舶の航行時に、航行速度より僅かに速い流速で気泡発生装置から気泡を含む気泡水を噴き出すと、気泡が水流とともに船底の表面に沿って後方へ拡散しながら移動し、船底の浸水部を覆う。これにより、船舶の航行時における船舶の船底における水との摩擦抵抗を低減するとともに、気泡の上昇力を推力の一部として利用し、燃費などの推進効率を向上させている。

特開平９−１１８２８８号公報

しかしながら、従来、上記のようなＡＬ法を用いた摩擦抵抗低減船において気泡発生装置が発生する気泡を観測する場合、船底に水中カメラを取り付けて、実際の気泡を観測していた。このように水中カメラで気泡を観測する場合、カメラの部品、或いは取り付け部などが水中にあるために経年劣化し、定期的に交換を行なう必要があった。また、特に海水中に静止状態で置かれる場合、フジツボなどの海中生物が付着しやすく、交換、クリーニングなどの定期的な作業が発生していた。すなわち、従来において、水中カメラで気泡観測する場合、気泡を観測するためのコストを上昇させていた。また、水中カメラにより撮像した画像を処理して気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出するため、容量の大きい画像信号の処理が必要となり、信号処理が煩雑になるという問題があった。
また、船首から船底に潜り込む気泡により、測深器やドップラーソナー、ドップラーログなどの超音波機器から発せられる超音波が遮蔽され、従来の超音波機器（従来機器）においては、正常な計測が妨害されてしまう（「泡かみ」などと呼称される）という問題がある。このため、船底の気泡の検出時においては、超音波機器が現在計測不能であることを通知するため、気泡の大きさ、密度を気泡検出機能により精確に検出する機能（気泡処理機能）を、超音波機器に持たせる必要がある。

本発明の気泡検出装置は、所定周波数の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、前記気泡からの反射波を受信して電気信号に変換する振動子と、前記振動子を駆動するとともに、前記電気信号を処理する制御装置と、を備えた気泡検出装置であって、前記制御装置は、前記電気信号の周波数変化量を算出し、算出した周波数変化量を、予め設定される周波数変化量と比較して、比較結果に応じて、前記気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出し、前記予め設定される周波数変化量は、前記気泡検出装置が設けられる対象の船舶の進行方向に対して垂直な方向において、前記船舶の船底からの距離を示す前記気泡を含む層の厚みに対応して、複数個数設定されており、前記制御装置は、算出した周波数変化量を、前記複数個数設定される周波数変化量各々と比較して、比較結果に応じて、前記気泡を含む層の厚みを検出する、ことを特徴とする。

また、本発明の気泡検出装置において、前記周波数変化量は、前記電気信号の周波数分布における送信周波数に対するピークの広がりである、ことを特徴とする。

また、本発明の気泡検出装置において、前記気泡は、船舶の船底に設けられた気泡発生装置が発生する気泡であることを特徴とする。なお、本発明の気泡検出装置は、ＡＬ法の船で発生する気泡に限らずに、通常の航行時においてバルバスバウなどの船首方向から船底に潜り込む気泡も検出対象とするものである。

本発明によれば、振動子とともに気泡検出装置を構成する制御装置を水中に配置する必要はないため、定期的な交換を行なう必要がなくなる。また、振動子は走行中などの気泡発生時は振動しているため、海水中に静止状態で置かれる期間が少なく、生物が付着する可能性が低いため、交換、クリーニングなどの定期的な作業は発生しにくい。そのため、従来に比べて、気泡を検出するためのコストを削減できる。また、制御装置が電気信号の周波数変化量を算出し、算出した周波数変化量を、予め設定される周波数変化量と比較して、比較結果に応じて、前記気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出する。そのため、画像処理等の複雑な信号処理を必要とせず、気泡の存在の有無等を簡単に検出することが可能な気泡検出装置を新たに提供できる。
また、従来機器に気泡処理機能を搭載する場合には、通常の船速や測深などの計測に用いる測定系（振動子から送受信器に至る系）を気泡処理機能に用いることになる。しかしながら、気泡検出判定を行う際、従来機器のような遠距離の海底や潮流を測定する送信パワーおよび受信ゲインでは高すぎるため、送信パワーおよび受信ゲインを下げる必要がある。そのため、従来機器に気泡処理機能を搭載する場合、新たな振動子や送受信機が必要となってしまう。本発明の気泡検出装置によれば、送信パワーおよび受信ゲインを下げるために、新たな振動子や送受信機などを装備する必要もなく、ソフトウエアの変更のみで、測深器やドップラーソナー、ドップラーログなどの従来機器に気泡処理機能を追加することが可能となる。

本実施形態の気泡検出装置１００が一例として配置される船舶を、船底側からみた図である。気泡検出装置１００の構成を示すブロック図である。振動子１０の機能を説明するための図である。第２の電気信号２４の時間変化を示す図である。信号処理部２１による気泡の存在の有無、形状の検出を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態の気泡検出装置１００が一例として配置される船舶を、船底側からみた図である。なお、ここでは、気泡検出装置１００を船舶に配置する例について説明するが、本実施形態の気泡検出装置１００は船舶に限定して用いられるものではない。本願発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

図１においては、船舶４０を船底側から見ており、船舶４０を、船首側（前側）が図面右側、船尾側（後側）が図面左側となるように示している。
気泡発生装置５０は、船舶４０の船底において、前側に配置される。気泡発生装置５０は、船舶４０の航行時に、気泡を発生する。気泡は、水流とともに船舶４０の船底の表面に沿って後方へ拡散しながら移動し、船舶４０の船底の浸水部を覆う。これにより、船舶４０の航行時における船舶４０の船底に対する水の摩擦抵抗を低減する。

振動子１０は、船舶４０の船底において、気泡発生装置５０と船舶の後側との間に設けられる。振動子１０は、気泡検出装置１００（図１において不図示）の一部を構成し、気泡に対して超音波を出力するとともに、気泡から反射される超音波が入力される。以下、振動子１０を含んで構成される気泡検出装置１００について図面を参照しつつ詳述する。

図２は、気泡検出装置１００の構成を示すブロック図である。また、図３は振動子１０の機能を説明するための図である。また、図４は、第２の電気信号２４の時間変化を示す図である。
気泡検出装置１００は、振動子１０と、制御装置２０と、表示機器３０とを備える。

振動子１０は、超音波の送受信センサーであり、上述のように、水中の船底に装備される。
振動子１０は、送受信部２２からの第１の電気信号２３を超音波に変換して、図３に示すように、船舶４０の船底から、船首方向へ（気泡の流れる方向とは逆方向へ）角度（俯角）、例えば７５°の俯角を持たせて水中に対して超音波を発信する。超音波は、水中の気泡により直接反射されるか、或いは振動子１０と気泡との間、および気泡と気泡の間で乱反射（反射及び減衰）され、振動子１０に再び入力する。もちろん、超音波に対する反射、乱反射の程度は、気泡の大きさ、水流における気泡の密度、あるいは、振動子１０と気泡を含む水流との距離、気泡を含む水流の幅（厚み）により、異なったものとなる。なお、水流の厚みとは、船舶の進行方向に対して垂直方向、すなわち深さ方向における気泡を含む水流の厚みである。
図３では、厚み方向を区間（領域）（１）、（２）、（３）と分けて示している。領域（１）に対応する受信信号は、領域（１）での多重反射信号となる。また、領域（２）に対応する受信信号は、領域（１）での多重反射信号も含む。また、領域（３）に対応する、さらに領域（１）および領域（２）での多重反射信号を含む。
図２に戻って、振動子１０は、水中からのエコー（残響）として入力される超音波を第２の電気信号２４に変換して送受信部２２に対して出力する。

制御装置２０は、図２に示すように、信号処理部２１（制御部）、送受信部２２、記憶部２５を含んで構成される。
送受信部２２は、振動子１０が超音波送信に用いる送信波（バースト波）を生成する。また、送受信部２２は、振動子１０によりエコーとしての超音波を受信信号に増幅し、増幅後の受信信号（第２の電気信号２４）を信号処理部２１に対して出力する。
信号処理部２１は、例えばマイコン等で構成され、送受信部２２に接続される。信号処理部２１は、この送受信部２２から、所定周期のパルスである第１の電気信号２３を発生させる。すなわち、信号処理部２１は、第１の電気信号２３により振動子１０を駆動し、超音波送信に用いる送信波（バースト波）を発信させる。また、信号処理部２１は、送受信部２２による増幅後の電気信号（第２の電気信号２４）を、例えばＡ／Ｄ（ＡｎａｌｏｇＴｏＤｉｇｉｔａｌ）変換器にてディジタルデータとして取り込む。信号処理部２１は、取り込んだディジタルデータに対してデジタルフィルタ、信号処理を行うことで、各時間における周波数を演算する。信号処理部２１は、演算結果を用いて周波数変化量（周波数分布の広がり）を確認し、気泡発生装置５０が発生する気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を判定する（詳細後述）。

記憶部２５には、信号処理部２１が判定を行う際に用いる信号の周波数分布（基準周波数）などが予め記憶されている。
また、表示機器３０は、信号処理部２１による気泡検出結果を表示する。また、表示機器３０は、同時に、気泡検出結果を外部機器へ、例えば海上機器用の専用通信において用いられるＮＭＥＡ０１８３仕様に従った形式（フォーマット）で出力する。

信号処理部２１には、図４に反射レベルを示す第２の電気信号２４が入力される。図４では、第２の電気信号２４の電圧レベル（反射レベル）を縦軸に、第１の電気信号２３の出力直後を時刻０として時刻０からの時間を横軸にプロットしている。図４に示すように、気泡から反射若しくは乱反射された超音波の第２の電気信号２４への変換後の反射レベルは、時間の経過とともに減衰する波形となる。図３では、送信信号の後に示す受信信号のレベル（第２の電気信号２４への変換後の反射レベル）は、図３に示す領域（１）、（２）、（３）に対応して、それぞれ時間の経過とともに減衰する波形となっていることがわかる。つまり、この反射レベルの大きさは、気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度により、変化する。

信号処理部２１は、第２の電気信号２４への変換後の反射レベルを信号処理、例えば高速フーリエ解析（ＦＦＴ）することにより、受信信号の周波数分布を厚み方向の領域（１）、（２）、（３）ごとに算出する。
図５は、信号処理部２１による気泡の存在の有無、形状の検出を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｄ）各々は、受信波の電力（Ｐｏｗｅｒ）を受信波の周波数を横軸にプロットした、受信波の周波数解析結果を示している。また、各図において、送信周波数を基本周波数として示している。
図５（ａ）は、気泡がないときの信号処理部２１による周波数解析結果を示している。図５（ａ）に示すように、気泡がないときは、送信周波数に対する受信周波数の周波数分布は、反射やドップラー効果が発生しないため、ほぼピークの無い波形となる。
図５（ｂ）は、気泡があるときの、領域（１）に対する信号処理部２１による周波数解析結果を示している。図５（ｂ）に示すように、領域（１）での周波数分布は、気泡表面での多重反射などにより、周波数分布が、基本周波数よりも高周波側にシフトする、すなわち、ブロードな波形となる。

図５（ｃ）は、気泡があるときの、領域（２）に対する信号処理部２１による周波数解析結果を示している。図５（ｃ）に示すように、領域（２）での周波数分布は、領域（１）における多重反射信号も含むため、図５（ｂ）に示す領域（１）での周波数分布よりも、さらにブロードな波形となる
図５（ｄ）は、気泡があるときの、領域（３）に対する信号処理部２１による周波数解析結果を示している。図５（ｄ）に示すように、領域（３）での周波数分布は、領域（１）および領域（２）での多重反射信号を含むため、図５（ｃ）に示す領域（２）での周波数分布よりも、さらにブロードな波形となる。

このように、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、信号処理部２１による周波数解析結果は、気泡の存在の有無、気泡の大きさや密度が変化することにより異なったものとなる。
そこで、これら周波数分布を事前に実験（図１に示す気泡発生装置５０により気泡の大きさや密度、予め周波数分布を求める実験）により測定し、基準となる周波数分布（基準周波数分布）を記憶部２５に保存し、テーブル化しておく。これにより、信号処理部２１による気泡の大きさや密度の判定も可能となる。
また、テーブル化に際しては、気泡を含む層の厚さを変えて、周波数分布を測定し、領域毎に記憶部２５に保存しておく。これにより、信号処理部２１による各領域の周波数分布から気泡を含む層の厚みを判定することも可能となる。

信号処理部２１は、新たに測定した周波数分布と、記憶部２５に保存した基準周波数分布との比較を、次のように行う。
例えば、記憶部２５は、船底からの距離を示す上記領域、また気泡の大きさ、気泡の密度を一組として、各組それぞれに関連付けて、周波数に対するパワーを記憶している。
信号処理部２１は、例えば、新たに測定した周波数分布に対して、任意の周波数におけるパワーの基準周波数との差分を算出する。そして、差分を算出する周波数全てにおいて各差分が所定の誤差値以内にある場合に、気泡の大きさ、気泡の密度が、基準周波数分布の気泡の大きさ、気泡の密度と同じであると判定する。また、気泡の大きさ、気泡の密度が決定されるまで記憶部２５内の検索（サーチ）が行なわれる。

また、気泡を含む水流の厚みに関しては、上記サーチを領域毎に行い、領域に対応する基準周波数分布をサーチすることにより、判定される。例えば、領域（１）と（２）は対応する基準周波数分布と一致することにより決定されるが、領域（３）については決定されない場合、厚みは領域（１）と領域（２）の深さ方向の長さであると判定される。或いは、領域（１）は基準周波数分布が決定されるが、領域（２）、（３）については決定されない場合（例えば領域では気泡が合泡されている場合など）、厚みは領域（１）の深さ方向の長さであると判定される。

なお、任意の周波数でのパワーを比較するに際して、比較するポイントを増やして、多くの周波数について判定を行ってもよい。このような構成により、新たに測定した周波数分布が、記憶部２５に記憶された基準周波数分布のいずれかと一致することにより、気泡の形状（気泡の大きさ、密度と、気泡を含む水流の厚み）を検出することができる。なお、記憶部２５に該当する気泡のデータが存在しない場合は、表示機器３０を介して、ユーザに該当する気泡が存在しない旨を周知する構成にしてもよい。また、この新たな気泡のデータを記憶部２５に記憶させ、次回の気泡の検出からこの新たな気泡の検出を行なう構成としてもよい。また、検出する気泡の状態はいつも同じではない。そのため、気泡検出の際、複数回の測定を行い、得られた複数の周波数分布の平均を求めて、すなわち周波数分布における任意の周波数におけるパワーの平均値を求めて、この平均値が示す周波数分布を新たな周波数分布として、上述した比較演算を行う構成としてもよい。このようにすれば、気泡の存在の有無、気泡の形状の検出を行なう際の検出精度を向上することができる。

また、比較の際、新たに測定した周波数分布を表示機器３０に表示し、ユーザが記憶部２５から基準周波数を読み出し、新たに測定した周波数分布と基準周波数分布との比較を表示機器３０上で行う構成としてもよい。

このように、本発明の気泡検出装置１００は、所定周波数の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、気泡からの反射波を受信して電気信号（第２の電気信号２４）に変換する振動子１０と、振動子１０を駆動するとともに、第２の電気信号２４を処理する制御装置２０と、を備える。制御装置２０は、第２の電気信号２４の周波数変化量を算出し、算出した周波数変化量を、予め設定される周波数変化量と比較して、比較結果に応じて、気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出する。

本発明によれば、振動子１０とともに気泡検出装置１００を構成する制御装置２０を水中に配置する必要はないため、定期的な交換を行なう必要がなくなる。また、振動子１０は走行中などの気泡発生時は振動しているため、海水中に静止状態で置かれる期間が少なく、生物が付着する可能性が低いため、交換、クリーニングなどの定期的な作業は発生しにくい。そのため、従来に比べて、気泡を検出するためのコストを削減できる。また、また、制御装置２０が電気信号（第２の電気信号）の周波数変化量を算出し、算出した周波数変化量を、予め設定される周波数変化量と比較して、比較結果に応じて、気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出する。そのため、画像処理等の複雑な信号処理を必要とせず、気泡の存在の有無等を簡単に検出することが可能な気泡検出装置を新たに提供できる。

また、本発明の気泡検出装置１００は、予め設定される周波数変化量（基準周波数分布）は、振動子１０の気泡を送信する方向に対して、振動子１０からの距離に応じて複数例えば領域（１）〜（３）に対応した複数個数設定されており、制御装置２０は、算出した周波数変化量前記複数個数設定される周波数変化量各々と比較して、比較結果に応じて、気泡を含む層の厚みを検出する、ことを特徴とする。
これにより、各領域（１）〜（３）の周波数分布から気泡を含む層の厚みも計測可能となる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態の説明では、領域（１）〜（３）の３つの領域に分けたが、船底からの領域の設定数は３でなく、任意の数であってよい。分割を増やして、分割した領域の数に応じて基準周波数分布を記憶部２５に記憶させることにより、比較の精度が高くなり、気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度、気泡を含む層の厚みを精度よく検出することができる。

また、上記実施形態の説明では、振動子１０を船舶４０の船底に１個設ける構成について説明したが、振動子１０を異なる位置に複数個配置する構成としてもよい。この場合、１つの制御装置２０が、振動子１０から入力される第２の電気信号２４各々を個別に処理して、各振動子１０が設けられた位置における気泡の存在の有無、及び気泡の形状を検出する構成としてよい。また、このように得られた各振動子１０での気泡の検出結果に差がある場合、気泡発生装置５０が発生する気泡の形状を変更するようにしてもよい。例えば、振動子１０を、船舶４０の船底に、船首から船尾への中心線に対して同じ距離に位置するように２個配置したとする。船舶４０が直進している場合、船舶４０の燃費などの推進効率を考えると、左右の振動子１０で同じ形状の気泡が検出されることが望ましい。そこで、左右の振動子１０で同じ形状の気泡が検出されない場合、気泡発生装置５０が発生する気泡の量を左右で異なるものとし、左右の振動子１０で検出する気泡の形状が同じになるように制御し、船舶４０の推進効率を向上する構成としてもよい。

１０…振動子、２０…制御装置、２１…信号処理部、２２…送受信部、２３…第１の電気信号、２４…第２の電気信号、２５…記憶部、３０…表示機器、４０…船舶、５０…気泡発生装置

Claims

所定周波数の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、前記気泡からの反射波を受信して電気信号に変換する振動子と、
前記振動子を駆動するとともに、前記電気信号を処理する制御装置と、
を備えた気泡検出装置であって、
前記制御装置は、前記電気信号の周波数変化量を算出し、算出した周波数変化量を、予め設定される周波数変化量と比較して、比較結果に応じて、前記気泡の存在の有無、気泡の大きさ、密度を検出し、
前記予め設定される周波数変化量は、前記気泡検出装置が設けられる対象の船舶の進行方向に対して垂直な方向において、前記船舶の船底からの距離を示す前記気泡を含む層の厚みに対応して、複数個数設定されており、
前記制御装置は、算出した周波数変化量を、前記複数個数設定される周波数変化量各々と比較して、比較結果に応じて、前記気泡を含む層の厚みを検出する、
ことを特徴とする気泡検出装置。
前記周波数変化量は、前記電気信号の周波数分布における送信周波数に対するピークの広がりである、
ことを特徴とする請求項１に記載の気泡検出装置。
前記気泡は、船舶の船底に設けられた気泡発生装置が発生する気泡であることを特徴とする請求項１または請求項２いずれか一項に記載の気泡検出装置。