JP6703775B2 - 音波伝搬長測定方法、及び音波伝搬長測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、音波伝搬長測定方法、及び音波伝搬長測定装置に関する。

従来、流体管路内において音波を送受信し、送信された音波と受信された音波とに基づいて、音波の伝搬長を測定する技術が知られている(例えば、特許文献１を参照。)。

特開２００２−１９６０７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような従来の技術においては、受信された音波波形に流体管路内に生じる雑音の波形が重畳してしまう場合があり、この場合には、音波の伝搬長の測定精度が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、流体管路内に生じる雑音の影響を低減することができる波伝搬長測定方法、及び音波伝搬長測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様は、内部を流体が流通する流体管路内の当該流体を介して音波を送受信することにより前記音波の伝搬長を測定する音波伝搬長測定方法であって、所定の周波数帯域の信号を発生させる波形発生手順と、前記波形発生手順において発生された信号を、前記流体管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波にして前記流体管路中の前記流体に対して送信する音波送信手順と、前記音波送信手順において送信された音波を受信する音波受信手順と、前記音波受信手順において受信された音波に含まれる雑音を、前記波形発生手順において発生された信号に基づいて低減する雑音低減手順と、前記雑音低減手順において雑音が低減された信号と、前記波形発生手順において発生された信号とに基づいて、前記流体中を伝搬する音波の伝搬長を測定する測定手順とを有する音波伝搬長測定方法である。

本発明の一つの態様は、前記雑音低減手順において、前記音波受信手順において受信された音波に含まれる雑音を、前記波形発生手順において発生された信号に基づくロックイン検波手法によって低減する。

本発明の一つの態様は、前記波形発生手順において、所定の周波数帯域のバースト信号を前記信号として発生させる。

本発明の一つの態様は、前記波形発生手順において、所定の周波数帯域の連続信号を前記信号として発生させる。

本発明の一つの態様は、前記音波受信手順において、前記音波送信手順において送信された音波が測定対象物に反射された反射波を受信し、前記測定手順において、前記音波受信手順において受信された前記反射波の変化に基づいて、前記測定対象物の位置の変化を測定する。

本発明の一つの態様は、内部を流体が流通する流体管路内の当該流体を介して音波を送受信することにより前記音波の伝搬長を測定する音波伝搬長測定装置であって、所定の周波数帯域の信号を発生させる波形発生部と、前記波形発生部が発生させる信号を、前記流体管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波にして前記流体管路中の前記流体に対して送信する音波送信部と、前記音波送信部が送信する音波を受信する音波受信部と、前記音波受信部が受信する音波に含まれる雑音を、前記波形発生部が発生させる信号に基づいて低減する雑音低減部と、前記雑音低減部によって雑音が低減された信号と、前記波形発生部が発生させる信号とに基づいて、前記流体中を伝搬する音波の伝搬長を測定する測定部とを備える音波伝搬長測定装置である。

流体管路内において音波を送受信し、送信された音波と受信された音波とに基づいて、音波の伝搬長を測定する場合において、流体管路内に生じる雑音の影響を低減することができる。

第１の実施形態の音波伝搬長測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の信号波形の一例を示す図である。 第２の実施形態の音波伝搬長測定装置の構成の一例を示す図である。 第２の実施形態の信号波形の一例を示す図である。

[第１の実施形態]
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１を参照して、音波伝搬長測定装置１の概要について説明する。

図１は、本実施形態の音波伝搬長測定装置１の構成の一例を示す図である。この音波伝搬長測定装置１は、内部を流体Ｆｄが流通する流体管路Ｆｐ内の流体Ｆｄを介して音波Ｗを送受信することにより音波Ｗの伝搬長を測定する。具体的には、音波伝搬長測定装置１は、波形発生部１０と、増幅部２０と、送信部３０と、受信部４０と、ロックイン検波部５０と、測定部６０とを備える。

波形発生部１０は、バースト信号ＢｔＳと、参照信号ＲｆＳとを発生させる。波形発生部１０は、発生させたバースト信号ＢｔＳを、増幅部２０及び測定部６０に供給する。このバースト信号ＢｔＳとは、例えば、１０［ｋＨｚ］のバースト波形信号である。波形発生部１０は、発生させた参照信号ＲｆＳをロックイン検波部５０に供給する。この参照信号ＲｆＳとは、例えば、１０［ｋＨｚ］の連続波形信号である。

増幅部２０は、波形発生部１０から供給されるバースト信号ＢｔＳを増幅して、増幅した信号を送信信号ＴｘＳとして送信部３０に供給する。

送信部３０は、例えば、水中スピーカーを備えており、供給される送信信号ＴｘＳを、流体管路Ｆｐ内の流体Ｆｄに対して、音波Ｗとして出力する。以下、この音波Ｗの性質について、流体管路Ｆｐが、間隔ｄで対向する平行平板壁であるものとして説明する。

間隔ｄで対向する平板間に、波長λ＝ｄ／４の波動が伝搬する場合を考える。この場合、０次の波は平板間を直進して伝搬する。またこの場合、１次の波、２次の波、３次の波が伝搬し、４次以上の波は伝搬しえない。１次の波、２次の波、３次の波のような高次の波は平板面に対して斜めに進行して壁面で多重反射し、０次の波より遅れて進行する。このため、０次の波に比べ高次の波は、受信部４０への到着が遅れる。したがって、０次の波に比べ高次の波は、受信部４０に受信された波形が時間軸に方向にぼやけて伸びる。このため、０次の波に比べ高次の波は、受信部４０への到着時間の決定が困難となる。したがって、送信部３０は、流体管路Ｆｐ内に０次の波を音波Ｗとして出力することが好ましい。

ここで、流体管路Ｆｐをいわゆる導波管として考え、導波管の遮断周波数の概念を音波Ｗに対してあてはめると、次のようにして説明することができる。すなわち、流体管路Ｆｐを導波管と見なした場合の一次遮断周波数より小さい周波数の音波Ｗであれば、１次の波、２次の波、３次の波…等の高次の境界波動は存在できず、０次の波のみしか存在し得ないといえる。換言すれば、流体管路Ｆｐを導波管と見なした場合の一次遮断周波数に対応する波長よりも長い波長の音波であれば、１次の波、２次の波、３次の波…等の高次の境界波動は存在できず、０次の波のみしか存在し得ないといえる。

なお、音波Ｗにおける一次遮断周波数は、電磁波の導波管の一遮断周波数と同様にして、管の断面形状、流体中の音速（例えば、常温の水中での音速は１５００ｍ／ｓ、海水中では１５１３ｍ／ｓ等）、管壁での境界条件等を考慮して数学的に解析できることがよく知られている。板波の波動解析や電磁波の導波路解析でもよく知られているように遮断周波数の波動の波長のオーダーも境界条件にほとんどよらないことも数学的に自明である。
また、間隔ｄで対向した平板間の水路を導波管と見なした場合の音波Ｗの一次遮断周波数に対応する波長λは、概ねλ＝ｄであることが知られている。

波形発生部１０が、流体管路Ｆｐを導波管と見なした場合の一次遮断周波数より小さい周波数の音波Ｗを生成しうるバースト信号ＢｔＳを出力すれば、流体管路Ｆｐ内の音波Ｗが０次の波になる。換言すれば、波形発生部１０が発生させるバースト信号ＢｔＳとは、流体管路Ｆｐを導波管と見なした場合の一次遮断周波数より小さい周波数の音波Ｗを生成しうる信号である。
すなわち、送信部３０は、波形発生部１０が発生させる信号を、流体管路Ｆｐを導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波Ｗにして流体管路Ｆｐ中の流体Ｆｄに対して送信する。

受信部４０は、例えば水中マイクを備えており、送信部３０が流体Ｆｄに対して出力する音波Ｗを受信し、受信した音波Ｗを受信信号ＲｘＳとして出力する。ここで、受信部４０が受信する音波Ｗには、雑音Ｎが含まれている場合がある。ここで、雑音Ｎとは、受信部４０が受信する音波Ｗの成分のうち、送信部３０が送信する音波Ｗの成分以外の成分である。例えば、雑音Ｎとは、送信部３０が送信した音波Ｗに対して、流体管路Ｆｐ内において加えられる振動成分である。具体的な一例として、流体管路Ｆｐは、工場など振動が発生する環境におかれる場合がある。このような場合において、流体管路Ｆｐに振動が加えられると、流体管路Ｆｐの壁面から流体Ｆｄに振動が伝達され、流体Ｆｄに振動が生じる。流体Ｆｄに振動が生じると、受信部４０が受信する音波Ｗには、この振動に応じた雑音Ｎが含まれる。雑音Ｎが含まれた受信信号ＲｘＳの一例を図２に示す。

図２は、第１の実施形態の信号波形の一例を示す図である。波形発生部１０は、図２（ａ）に示すバースト信号ＢｔＳを出力する。送信部３０は、このバースト信号ＢｔＳが増幅された送信信号ＴｘＳを音波Ｗとして出力する。つまり、波形発生部１０が発生させるバースト信号ＢｔＳの波形と、送信部３０が出力する音波Ｗの波形とは相似である。受信部４０は、音波Ｗを受信し、図２（ｂ）に示す受信信号ＲｘＳを出力する。この一例に示すように、バースト信号ＢｔＳの波形に対して受信信号ＲｘＳの波形は変形している。つまり、受信信号ＲｘＳには、雑音Ｎが含まれている。

図１に戻り、ロックイン検波部５０は、参照信号ＲｆＳに基づいて、受信信号ＲｘＳを既知のロックイン検波手法によって検波する。ロックイン検波部５０は、受信信号ＲｘＳの検波結果をロックイン出力信号ＬｉＳとして測定部６０に出力する。このロックイン出力信号ＬｉＳの波形の一例を図２（ｃ）に示す。ここで、図２（ｂ）に示す受信信号ＲｘＳと、ロックイン出力信号ＬｉＳとを比較すると、ロックイン出力信号ＬｉＳは、受信信号ＲｘＳに含まれる雑音Ｎ成分が低減された矩形状の波形を有する。つまり、ロックイン出力信号ＬｉＳは、受信信号ＲｘＳに含まれる雑音Ｎ成分が低減されている。
すなわち、ロックイン検波部５０は、受信部４０が受信する音波Ｗに含まれる雑音Ｎを、波形発生部１０が発生させる信号に基づいて低減する。

ここで、既知のロックイン検波手法においては、所定の周波数オーダーの連続信号をその参照信号として用いることが好ましい。ここで、所定の周波数とは、例えば、１００ｋＨｚ以下、又は１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。波形発生部１０が発生させるバースト信号ＢｔＳ及び参照信号ＲｆＳは、いずれも所定の周波数（例えば、１００ｋＨｚ以下、又は１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）オーダーの信号である。すなわち、波形発生部１０は、所定の周波数帯域の信号を発生させる。また、参照信号ＲｆＳは、所定の周波数（例えば、１００ｋＨｚ以下、又は１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）オーダーの連続波である。したがって、波形発生部１０が発生させるバースト信号ＢｔＳ及び参照信号ＲｆＳは、既知のロックイン検波手法に適した周波数帯域と波形とを有している。

測定部６０は、波形発生部１０が出力するバースト信号ＢｔＳと、ロックイン検波部５０が出力するロックイン出力信号ＬｉＳとに基づいて、送信部３０と受信部４０との間の音波Ｗの伝搬長ｌを測定する。具体的には、測定部６０は、波形発生部１０が出力するバースト信号ＢｔＳを取得する。このバースト信号ＢｔＳとは、図２（ａ）に示すように時刻ｔ１においてバースト波形が立ち上がる信号である。測定部６０は、ロックイン検波部５０が出力するロックイン出力信号ＬｉＳを取得する。このロックイン出力信号ＬｉＳとは、図２（ｃ）に示すように時刻ｔ２において矩形状の波形が立ち上がる信号である。測定部６０は、これら２つの信号の立ち上がりの時刻差Δｔと、流体Ｆｄ中を伝搬する音波Ｗの音速ＷＳとに基づいて、音波Ｗの伝搬長ｌを測定する。
すなわち、測定部６０は、ロックイン検波部５０によって雑音が低減された信号と、波形発生部１０が発生させる信号とに基づいて、流体Ｆｄ中を伝搬する音波Ｗの伝搬長ｌを測定する。

以上説明したように本実施形態の音波伝搬長測定装置１において、波形発生部１０は、ロックイン検波部５０の検波方式に適した周波数帯域及び波形である信号、すなわち、バースト信号ＢｔＳ及び参照信号ＲｆＳを出力する。また、音波伝搬長測定装置１において、ロックイン検波部５０は、波形発生部１０が出力する参照信号ＲｆＳに基づいて、受信信号ＲｘＳに含まれる雑音Ｎを低減する。換言すれば、音波伝搬長測定装置１は、雑音Ｎの低減効果を有するロックイン検波方式を採用しうる周波数帯域及び波形によって、音波Ｗの伝搬長ｌを測定する。
つまり、本実施形態の音波伝搬長測定装置１によれば、流体管路Ｆｐ内において音波Ｗを送受信し、送信された音波Ｗと受信された音波Ｗとに基づいて、音波Ｗの伝搬長ｌを測定する場合において、流体管路Ｆｐ内に生じる雑音Ｎの影響を低減することができる。この方法は、送信部３０及び受信部４０を送受信装置に置き換えれば、次に示す第２の実施形態でも適用可能である。

［第２の実施形態］
図３及び図４を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。まず、図２を参照して、本実施形態の音波伝搬長測定装置２の概要について説明する。なお、以下の説明において、上述した第１の実施形態と同一の構成については、第１の実施形態と同一の符号を付して、その説明を省略する。

図３は、第２の実施形態の音波伝搬長測定装置２の構成の一例を示す図である。音波伝搬長測定装置２は、波形発生部１０に代えて波形発生部１５を、送信部３０及び受信部４０に代えて送受信部３５を、ロックイン検波部５０に代えてロックイン検波部５５を、測定部６０に代えて測定部６５をそれぞれ備える。なお、送受信部３５は、必ずしも、一体である必要はないし離れて設置されていてもよいことに留意してほしい。この音波伝搬長測定装置２は、音波Ｗの反射による位相遅れを利用して、流体管路Ｆｐ内の測定対象Ｏｂｊの位置を測定する点において、上述した第１の実施形態と異なる。ここで、測定対象Ｏｂｊとは、例えば、流体管路Ｆｐ内を移動する点検用ロボットや、流体管路Ｆｐ内の異物等である。この一例では、測定対象Ｏｂｊは、図３に示す移動方向Ｄｍにある速度で移動している。この測定対象Ｏｂｊの移動速度が、流体Ｆｄ内を伝搬する音波Ｗの音速ＷＳに比べて十分に低い場合（例えば、測定対象Ｏｂｊの移動速度が１０［ｋｍ／ｈ］程度の場合）について説明する。

波形発生部１５は、連続信号ＣｔＳを増幅部２０に対して出力する。この連続信号ＣｔＳとは、例えば、１０［ｋＨｚ］の連続波形を有する信号である。

送受信部３５は、例えば、水中スピーカーを備えており、供給される送信信号ＴｘＳを、流体管路Ｆｐ内の流体Ｆｄに対して音波Ｗとして出力する。この送受信部３５が流体Ｆｄに出力する音波Ｗを、測定対象Ｏｂｊの入射波Ｗｉ、又は単に入射波Ｗｉともいう。また、送受信部３５は、例えば、水中マイクを備えており、流体Ｆｄに出力された入射波Ｗｉが測定対象Ｏｂｊによって反射された音波Ｗ、すなわち反射波Ｗｒを受信し、受信した反射波Ｗｒを受信信号ＲｘＳとして出力する。この受信信号ＲｘＳには、流体Ｆｄの振動に応じた雑音Ｎが含まれる。雑音Ｎが含まれた受信信号ＲｘＳの一例を図４に示す。

図４は、第２の実施形態の信号波形の一例を示す図である。波形発生部１５は、図４（ａ）に示す連続信号ＣｔＳを出力する。送受信部３５は、この連続信号ＣｔＳが増幅された送信信号ＴｘＳを音波Ｗとして出力する。つまり、波形発生部１５が発生させる連続信号ＣｔＳの波形と、送受信部３５が出力する音波Ｗの波形とは相似である。

ロックイン検波部５５は、参照信号ＲｆＳに基づいて、受信信号ＲｘＳを既知のロックイン検波手法によって検波する。ロックイン検波部５５は、受信信号ＲｘＳの検波結果をロックイン出力信号ＬｉＳとして測定部６５に出力する。このロックイン出力信号ＬｉＳの波形の一例を図４（ｂ）に示す。なお、ロックイン出力信号ＬｉＳは、送受信部３５が受信する受信信号ＲｘＳに含まれる雑音Ｎ成分が低減された信号であるが、この雑音Ｎ成分が低減される仕組みは、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態のロックイン出力信号ＬｉＳは、送受信部３５と測定対象Ｏｂｊとの間の距離ｌ２に応じて立ち上がりと立ち下りとが生じる矩形状の波形を有する信号である。具体的には、ロックイン出力信号ＬｉＳは、流体Ｆｄ中の音波Ｗの波長λの１／４の長さ、つまり距離（λ／４）だけ移動方向Ｄｍに移動する毎に、立ち上がりと立ち下りとが生じる。図４に示す具体例では、測定対象Ｏｂｊは、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて距離（λ／４）だけ移動方向Ｄｍに移動している。また、測定対象Ｏｂｊは、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて距離（λ／４）だけ、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて距離（λ／４）だけ、それぞれ移動方向Ｄｍに移動している。

図３に戻り、測定部６５は、ロックイン出力信号ＬｉＳの波形の立ち上がり及び立ち下りの回数を計数することにより、送受信部３５と測定対象Ｏｂｊとの間の距離ｌ２の変化を測定する。ここで、図４に示す時刻ｔ１における、送受信部３５と測定対象Ｏｂｊとの間の距離が既知であれば、測定部６５は、ロックイン出力信号ＬｉＳの波形変化の計数結果に基づいて、送受信部３５と測定対象Ｏｂｊとの間の距離ｌ２を測定することもできる。また、測定部６５は、単位時間当たりのロックイン出力信号ＬｉＳの波形変化の計数結果に基づいて、測定対象Ｏｂｊの移動速度を測定することもできる。

以上説明したように本実施形態の音波伝搬長測定装置２によれば、流体管路Ｆｐ内に生じる雑音Ｎの影響を低減しつつ、流体管路Ｆｐ内における測定対象Ｏｂｊの位置や移動速度を測定することができる。つまり、音波伝搬長測定装置２によれば、流体管路Ｆｐ内における測定対象Ｏｂｊの位置や移動速度を測定する場合において、流体管路Ｆｐ内に生じる雑音Ｎの影響を低減することができる。

なお、上記実施形態及び各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。

１、２…音波伝搬長測定装置、１０、１５…波形発生部、２０…増幅部、３０…送信部（音波送信部）、３５…送受信部（音波送信部、音波受信部）、４０…受信部（音波受信部）、５０、５５…ロックイン検波部（雑音低減部）、６０、６５…測定部、Ｆｐ…流体管路、Ｏｂｊ…測定対象

Claims (4)

1. 内部を流体が流通する流体管路内の当該流体を介して音波を送受信することにより前記音波の伝搬長を測定する音波伝搬長測定方法であって、
   所定の周波数帯域の正弦波の連続信号と、参照信号とを発生させる波形発生手順と、
   前記波形発生手順において発生された前記連続信号を、前記流体管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波にして前記流体管路中の前記流体に対して送信する音波送信手順と、
   前記音波送信手順において送信された音波を受信する音波受信手順と、
   前記音波受信手順において受信された音波に含まれる雑音を、前記波形発生手順において発生された前記参照信号に基づくロックイン検波手法によって低減し、前記ロックイン検波手法によって雑音が低減された信号の立ち上がりの回数を特定する信号立上特定手順と、
   前記信号立上特定手順において特定された前記回数に基づいて、前記流体中を伝搬する音波の伝搬長を測定する測定手順と
   を有する音波伝搬長測定方法。
2. 前記測定手順は、前記信号立上特定手順において特定された前記回数と、前記音波受信手順において受信された音波の波長とに基づいて、前記流体中を伝搬する音波の伝搬長を測定する、
   請求項１に記載の音波伝搬長測定方法。
3. 前記参照信号は、前記所定の周波数帯域の正弦波の連続信号である、
   請求項１又は２に記載の音波伝搬長測定方法。
4. 内部を流体が流通する流体管路内の当該流体を介して音波を送受信することにより前記音波の伝搬長を測定する音波伝搬長測定装置であって、
   所定の周波数帯域の正弦波の連続信号を発生させる波形発生部と、
   前記波形発生部が発生させる前記連続信号を、前記流体管路を導波管と見なした場合の一次遮断周波数よりも低い周波数の音波にして前記流体管路中の前記流体に対して送信する音波送信部と、
   前記音波送信部が送信する音波を受信する音波受信部と、
   前記音波受信部が受信する音波に含まれる雑音を、前記波形発生部が発生させる前記参照信号に基づくロックイン検波手法によって低減し、前記ロックイン検波手法によって雑音が低減された信号の立ち上がりの回数を特定する信号立上特定部と、
   前記信号立上特定部によって特定された前記回数に基づいて、前記流体中を伝搬する音波の伝搬長を測定する測定部と
   を備える音波伝搬長測定装置。

Images