JP7281396B2 - Particle image imaging method and particle velocity distribution creation method - Google Patents

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Description

特許法第30条第2項適用 発行者名:一般社団法人日本音響学会、刊行物名:日本音響学会2019年秋季研究発表会 講演要旨、発行日:2019年8月21日 集会名:日本音響学会2019年秋季研究発表会、立命館大学びわこ・くさつキャンパス、開催日:2019年9月4日Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies Publisher name: Acoustical Society of Japan, Publication name: Acoustical Society of Japan 2019 Autumn Research Presentation Abstract, Publication date: August 21, 2019 Meeting name: Nihon Onkyo Academic Conference 2019 Autumn Research Presentation, Ritsumeikan University, Biwako-Kusatsu Campus, Date: September 4, 2019

本発明は、音場を可視化するための粒子画像撮像方法及び粒子速度分布作成方法に関する。 The present invention relates to a particle image capturing method and a particle velocity distribution creating method for visualizing a sound field.

未知の音響現象について調べる際、音場を可視化する試みがこれまで数多くなされている。それらの中でも、PIV(粒子画像流速測定法)によりカメラを用いて空気の振動を撮影する手法は、粒子速度の空間的な分布を非接触で測定できるという大きな利点がある(例えば、非特許文献1)。 Many attempts have been made to visualize sound fields when investigating unknown acoustic phenomena. Among them, PIV (particle image velocimetry) is a method of photographing air vibrations using a camera, which has the great advantage of being able to measure the spatial distribution of particle velocities without contact (e.g., non-patent literature 1).

武岡成人、外3名、「高速度カメラを用いたPIV法による音場収録」、日本音響学会講演論文集、2010年3月、p.1451-1452Shigeto Takeoka, 3 others, "Sound field recording by PIV method using high-speed camera", Proceedings of Acoustical Society of Japan, March 2010, p. 1451-1452

しかしながら、音による振動は一般的なカメラでは写すことのできない周期の短い振動である。そのため、従来のPIVを音場に用いるには少なくとも高速度カメラが必要である。 However, sound-induced vibrations are short-period vibrations that cannot be captured by ordinary cameras. Therefore, at least a high-speed camera is required to use conventional PIV in the sound field.

そこで、本発明は、高速度カメラを用いることなくPIVにより音場を可視化するための粒子画像撮像方法及び粒子速度分布作成方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a particle image capturing method and a particle velocity distribution generating method for visualizing a sound field by PIV without using a high-speed camera.

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。 The present invention has been made to solve at least part of the above problems, and can be implemented as the following aspects or application examples.

[1]本発明に係る粒子画像撮像方法の一態様は、
周波数fの純音が卓越する定常音場に散布されたトレーサ粒子に対し、光源から周波数fで点滅する光シートを照射する工程と、
前記光シートが照射された前記トレーサ粒子を撮像手段で撮像して、下記式(1)で得られる周波数fの振動成分を含む複数の粒子画像を得る工程と、
を含み、
前記撮像手段は、フレームレート(fps)が前記周波数fの2倍以上であることを特徴とする。
[1] One aspect of the particle imaging method according to the present invention is
a step of irradiating tracer particles dispersed in a stationary sound field in which a pure tone of frequency f S is dominant with a light sheet blinking at frequency f L from a light source;
a step of capturing an image of the tracer particles irradiated with the light sheet by an imaging means to obtain a plurality of particle images including a vibration component of frequency f A obtained by the following formula (1);
including
The imaging means is characterized in that the frame rate (fps) is at least twice the frequency fA .

Figure 0007281396000001
[2]上記粒子画像撮像方法の一態様において、
前記フレームレートは、前記周波数fよりも低い値とすることができる。
Figure 0007281396000001
[2] In one aspect of the particle image capturing method,
The frame rate may be lower than the frequency fL .

[3]本発明に係る粒子速度分布作成方法の一態様は、
上記粒子画像撮像方法の一態様において得られた2時刻の前記粒子画像を用いて粒子画像流速測定法により流速分布を得る工程と、
前記流速分布を時間軸上でフーリエ変換して気流による直流成分を除いて、前記周波数
の振動成分からなる擬似粒子速度分布を得る工程と、
前記擬似粒子速度分布における擬似粒子速度にf/fを乗じて粒子速度分布を得る工程と、
を備えることを特徴とする。
[3] One aspect of the method for creating a particle velocity distribution according to the present invention is
a step of obtaining a flow velocity distribution by a particle image velocimetry using the particle images obtained at two times in one aspect of the particle image imaging method;
a step of Fourier transforming the flow velocity distribution on the time axis to remove the direct current component due to the airflow to obtain a pseudo-particle velocity distribution composed of the oscillation component of the frequency f A ;
obtaining a particle velocity distribution by multiplying the pseudo-particle velocity in the pseudo-particle velocity distribution by f S /f A ;
characterized by comprising

本発明に係る粒子画像撮像方法の一態様によれば、高速度カメラを用いることなくPIVにより音場を可視化するための粒子画像を得ることができる。また、本発明に係る粒子速度分布作成方法の一態様によれば、高速度カメラを用いることなくPIVにより音場が可視化された粒子速度分布を得ることができる。 According to one aspect of the particle image capturing method according to the present invention, a particle image for visualizing a sound field can be obtained by PIV without using a high-speed camera. Moreover, according to one aspect of the method for creating a particle velocity distribution according to the present invention, it is possible to obtain a particle velocity distribution in which a sound field is visualized by PIV without using a high-speed camera.

本発明の一実施形態に係る粒子画像撮像方法及び粒子速度分布作成方法のフローチャートである。1 is a flow chart of a particle image capturing method and a particle velocity distribution creating method according to an embodiment of the present invention; 粒子画像撮像装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a particle imaging device; FIG. 周波数fと周波数fとの関係を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the relationship between the frequency fS and the frequency fA . 粒子画像の一例である。It is an example of a particle image. スピーカーを停止した状態の流速分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the flow velocity distribution with the speaker turned off; 位相0(rad)としたときの粒子速度分布を示す図である。It is a figure which shows particle velocity distribution when a phase is set to 0 (rad). 位相π/2(rad)としたときの粒子速度分布を示す図である。It is a figure which shows particle velocity distribution when phase is set to (pi)/2 (rad). 位相π(rad)としたときの粒子速度分布を示す図である。It is a figure which shows particle velocity distribution when phase is set to (pi) (rad).

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments described below do not unduly limit the scope of the invention described in the claims. Moreover, not all the configurations described below are essential constituent elements of the present invention.

1.粒子画像撮像方法及び流速分布作成方法の概要
図1~図8を用いて粒子画像撮像方法及び粒子速度分布作成方法の一実施形態について説明する。
1. Overview of Particle Image Imaging Method and Flow Velocity Distribution Creation Method An embodiment of a particle image imaging method and a particle velocity distribution creation method will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の一実施形態に係る粒子画像撮像方法(S10)及び粒子速度分布作成方法(S20)のフローチャートである。図1に示すように、粒子速度分布作成方法(S20)は、粒子画像撮像方法(S10)の後に実行される。そして、粒子画像撮像方法(S10)は、照射する工程(S12)と、粒子画像を得る工程(S14)と、を含む。粒子画像撮像方法(S10)は、粒子速度分布作成方法(S20)と別工程としてもよい。 FIG. 1 is a flow chart of a particle image capturing method (S10) and a particle velocity distribution creating method (S20) according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the particle velocity distribution generating method (S20) is executed after the particle image capturing method (S10). The particle image capturing method (S10) includes a step of irradiating (S12) and a step of obtaining a particle image (S14). The particle image capturing method (S10) may be a separate process from the particle velocity distribution creating method (S20).

1.1.粒子画像撮像装置
まず、図2を用いて、粒子画像撮像方法(S10)に用いる粒子画像撮像装置1について説明する。図2は、粒子画像撮像装置1の概要を示す模式図である。
1.1. Particle Imaging Apparatus First, the particle imaging apparatus 1 used in the particle imaging method (S10) will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing an overview of the particle imaging device 1. As shown in FIG.

図2に示すように、粒子画像撮像装置1は、音源ユニット10と、光源ユニット20と、音響管30と、ビデオカメラ40と、演算部42と、を備える。 As shown in FIG. 2, the particle imaging device 1 includes a sound source unit 10, a light source unit 20, an acoustic tube 30, a video camera 40, and a computing section .

音源ユニット10は、周波数fの純音が卓越する定常音場を生成する。音源ユニット10は、音響管30の一端に取り付けられたスピーカー12と、スピーカー12に電気的に接続された増幅器14及び発振器16とを備える。スピーカー12は、純音を出力することで、音響管30内に1次モードを励起する。 The sound source unit 10 generates a stationary sound field in which pure tones of frequency f S predominate. The sound source unit 10 includes a speaker 12 attached to one end of an acoustic tube 30 and an amplifier 14 and an oscillator 16 electrically connected to the speaker 12 . The speaker 12 excites the primary mode in the acoustic tube 30 by outputting a pure tone.

音響管30は、透明な壁体で構成された直方体である。音響管30は、外部からの気流の影響を受けないように密閉された内部空間を有する。音響管30の長手方向(図2におけるZ軸に沿った方向)の一端にスピーカー12が取り付けられ、他端に騒音計32が取り付けられる。音響管30の壁体は、粒子画像を撮像可能な程度に少なくとも一部が透明であればよく、透明な壁体としては例えばアクリル板やガラス板等で構成される。音響管30の内部には、スピーカー12からの出力により、音響管30の長手方向に1次モードが励起され、周波数fの純音が卓越する定常音場が形成される。騒音計32は、音響管30の内部の音圧レベルを測定する。 The acoustic tube 30 is a rectangular parallelepiped made of transparent walls. The acoustic tube 30 has an internal space that is sealed so as not to be affected by air currents from the outside. The speaker 12 is attached to one end of the acoustic tube 30 in the longitudinal direction (the direction along the Z-axis in FIG. 2), and the sound level meter 32 is attached to the other end. The wall of the acoustic tube 30 may be at least partially transparent to the extent that a particle image can be picked up, and the transparent wall is composed of, for example, an acrylic plate or a glass plate. Inside the acoustic tube 30, the output from the speaker 12 excites the primary mode in the longitudinal direction of the acoustic tube 30, forming a stationary sound field in which the pure tone of the frequency fS is dominant. A sound level meter 32 measures the sound pressure level inside the acoustic tube 30 .

また、音響管30の内部には、気体例えば空気や不活性ガス等の中にトレーサ粒子が散布される。トレーサ粒子は、PIVで用いられる公知の気相用のトレーサ粒子を採用することができ、例えばたばこや線香の煙、オイルミスト等である。 Inside the acoustic tube 30, tracer particles are dispersed in a gas such as air or an inert gas. As the tracer particles, known gas-phase tracer particles used in PIV can be employed, such as cigarette smoke, incense smoke, oil mist, and the like.

ここでは、周波数fの純音が卓越する定常音場を音響管30として設けたが、これに限らず、ビデオカメラ40で粒子画像を撮像可能な気流の影響が少ない空間を採用することができる。 Here, the steady sound field in which the pure tone of frequency f S is dominant is provided as the acoustic tube 30, but the present invention is not limited to this, and a space with little influence of air currents capable of capturing particle images with the video camera 40 can be adopted. .

光源ユニット20は、周波数fの純音が卓越する定常音場に散布されたトレーサ粒子に対して周波数fで点滅する光シート28を照射する。光源ユニット20は、光シート28を照射する光源である照射装置22と、モーター24と、モーター24により回転する円板26と、を備える。照射装置22は、例えばYVOレーザーやYAGレーザー等による光シート28を照射することができる。円板26には所定間隔でスリットが形成されている。照射装置22の前で円板26をモーター24により回転させることで、光シート28を周波数fで点滅させることができる。光源ユニット20の構成はこれに限らず、PIVに用いられる公知の光源を採用することができ、例えばパルス発光が可能なレーザー照射装置であってもよい。 The light source unit 20 irradiates a light sheet 28 flickering at a frequency fL to the tracer particles dispersed in a stationary sound field in which the pure tone of the frequency fS is dominant. The light source unit 20 includes an irradiation device 22 that is a light source that irradiates a light sheet 28 , a motor 24 , and a disk 26 that rotates by the motor 24 . The irradiation device 22 can irradiate the light sheet 28 with, for example, a YVO 4 laser, a YAG laser, or the like. Slits are formed in the disk 26 at predetermined intervals. Rotating a disk 26 by a motor 24 in front of the illumination device 22 causes the light sheet 28 to flash at a frequency fL . The configuration of the light source unit 20 is not limited to this, and a known light source used for PIV can be adopted, for example, a laser irradiation device capable of pulse emission may be used.

光シート28は、音響管30の透明な壁体を透過する、図2におけるY-Z方向に沿って広がる薄い光シートである。 Light sheet 28 is a thin light sheet extending along the YZ direction in FIG. 2 that is transmitted through the transparent walls of acoustic tube 30 .

ビデオカメラ40は、音響管30の内部において光シート28の照射を受けたトレーサ粒子からの散乱光を撮像する。ビデオカメラ40は、所定のフレームレート(fps:frames per second)で画像を撮像でき、そのフレームレートは、従来のPIVによる音場の可視化に用いられる高速度カメラに比べて小さいものを採用できる。ビデオカメラ40は、市販のデジタル式のビデオカメラを採用することができる。 A video camera 40 images the scattered light from the tracer particles illuminated by the light sheet 28 inside the acoustic tube 30 . The video camera 40 can capture images at a predetermined frame rate (fps: frames per second), and the frame rate can be lower than that of a high-speed camera used for visualizing a sound field by conventional PIV. A commercially available digital video camera can be adopted as the video camera 40 .

ビデオカメラ40で撮像された画像データは、演算部42によるPIVにより画像解析され、さらにフーリエ変換して所望の流速分布を作成することができる。演算部42は、パーソナルコンピューターを採用することができ、例えば、CPU(Central Processing Unit)、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、ROM(Read-Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の記憶装置、キーボード、マウス、タッチパッド等の入力装置、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等の表示装置で構成される。 Image data picked up by the video camera 40 is image-analyzed by PIV by the calculation unit 42, and further Fourier-transformed to create a desired flow velocity distribution. The computing unit 42 can employ a personal computer, and includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), ROM (Read-Only Memory), RAM (Random Access Memory). ), an input device such as a keyboard, a mouse, and a touch pad, and a display device such as a liquid crystal display and an organic EL (Electro Luminescence) display.

1.2.粒子画像撮像方法
次に、図1~図3を用いて、粒子画像撮像方法(S10)の一実施態様について説明する。図3は、周波数fと周波数fとの関係を説明する模式図であり、横軸が時間、縦軸がトレーサ粒子の変位を示す。
1.2. Particle Image Imaging Method Next, an embodiment of the particle image imaging method (S10) will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the relationship between the frequency f S and the frequency f A , where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates the displacement of the tracer particles.

図1に示すように、粒子画像撮像方法(S10)は、照射する工程(S12)と、粒子画像を得る工程(S14)と、を含む。 As shown in FIG. 1, the particle image capturing method (S10) includes a step of irradiating (S12) and a step of obtaining a particle image (S14).

照射する工程(S12)は、周波数fの純音が卓越する定常音場に散布されたトレーサ粒子に対し、光源から周波数fで点滅する光シート28を照射する工程である。図2に示す粒子画像撮像装置1では、スピーカー12からの出力により、空気中に線香の煙等のトレーサ粒子が散布された音響管30の内部が周波数fの純音が卓越する定常音場となり、光源ユニット20から周波数fで点滅する光シート28がトレーサ粒子に照射される。 The irradiating step (S12) is a step of irradiating the light sheet 28 flickering at the frequency fL from the light source to the tracer particles dispersed in the stationary sound field in which the pure tone of the frequency fS is dominant. In the particle imaging apparatus 1 shown in FIG. 2, the sound tube 30, in which tracer particles such as incense smoke or the like are dispersed in the air, becomes a stationary sound field in which the pure tone of the frequency fS is dominant due to the output from the speaker 12. , a light sheet 28 flashing at a frequency fL from the light source unit 20 is irradiated onto the tracer particles.

図3において破線で示す短い周期の正弦波がスピーカー12から出力された周波数fの純音を示す。周波数fは任意の周波数であるが、ここでは例えば121Hzの純音として説明する。 In FIG. 3, the short-cycle sine wave indicated by the dashed line indicates the pure tone of frequency fS output from the speaker 12 . Although the frequency fS is an arbitrary frequency, it is explained here as a pure tone of 121 Hz, for example.

また、図3において網掛けされていない範囲(矢印で示す位置)で光源ユニット20から周波数fで点滅する光シート28が照射されることを示す。この光シート28の点滅により、音響管30内のトレーサ粒子が周波数fで光る。周波数fは、ビデオカメラ40のフレームレートと周波数fにより定まるが、ここでは例えば120Hzで点滅するものとして説明する。 Also, in FIG. 3, the light sheet 28 blinking at the frequency fL is irradiated from the light source unit 20 in the non-shaded area (the position indicated by the arrow). This flashing of the light sheet 28 causes the tracer particles in the acoustic tube 30 to glow at the frequency fL . The frequency fL is determined by the frame rate of the video camera 40 and the frequency fS , but here, for example, it will be described as flickering at 120 Hz.

粒子画像を得る工程(S14)は、光シート28が照射されたトレーサ粒子を撮像手段で撮像して、下記式(1)で得られる周波数fの振動成分を含む複数の粒子画像を得る工程である。図2に示す粒子画像撮像装置1では、ビデオカメラ40が周波数fで光るトレーサ粒子を撮像し、例えば、ビデオカメラ40内部の記憶装置に複数の粒子画像が記憶される。光源ユニット20の点滅によるストロボ効果で、図3に示すように、トレーサ粒子が見かけ上少なくとも周波数fで振動することになる。そのため、これらの複数の粒子画像からは、トレーサ粒子が周波数fの振動成分と、音響管30内の気流による移動と、を含む見かけ上の移動について観察が可能である。 The step of obtaining a particle image (S14) is a step of obtaining a plurality of particle images containing a vibration component of frequency f A obtained by the following formula (1) by imaging the tracer particles irradiated by the light sheet 28 with an imaging means. is. In the particle image capturing apparatus 1 shown in FIG. 2, the video camera 40 captures images of the tracer particles shining at the frequency fL , and a plurality of particle images are stored in the storage device inside the video camera 40, for example. The stroboscopic effect caused by the blinking of the light source unit 20 causes the tracer particles to oscillate apparently at least at the frequency f A , as shown in FIG. Therefore, from these multiple particle images, it is possible to observe the apparent movement of the tracer particles including the vibration component of the frequency f A and the movement due to the airflow inside the acoustic tube 30 .

Figure 0007281396000002
Figure 0007281396000002

例えば、音響管30内が気流によるトレーサ粒子の移動を無視できるほど気流が小さい場合には、これらの複数の粒子画像でPIVを用いて流速を測定することで音場をあらかじめ設定された複数の観測点における流速ベクトルとして可視化することができる。 For example, when the airflow in the acoustic tube 30 is so small that the movement of the tracer particles due to the airflow can be ignored, the flow velocity is measured using PIV on these multiple particle images, and the sound field is set in advance by using a plurality of It can be visualized as a velocity vector at the observation point.

粒子画像を得る工程(S14)に用いる撮像手段は、フレームレート(fps)が周波数fの2倍以上である。本例における粒子画像撮像装置1は、上記式(1)によれば周波数fは1Hz(=121Hz-120Hz)であるので、ビデオカメラ40のフレームレートはその2倍で2(fps)以上となる。従来のPIVによる音場の可視化では121Hzの振動を撮像するのに242(fps)以上のフレームレートを有するカメラが必要であったが、本実施形態によれば、フレームレートが2(fps)以上であればよいので、例えば30(fps)~60(fps)の一般的なビデオカメラ40を用いてPIVにより音場を可視化するための粒子画像を得ることができることになる。 The frame rate (fps) of the imaging means used in the step of obtaining the particle image (S14) is at least twice the frequency fA . According to the above equation (1), the particle image capturing apparatus 1 in this example has a frequency f A of 1 Hz (=121 Hz-120 Hz), so the frame rate of the video camera 40 is twice that, which is 2 (fps) or more. Become. In the conventional visualization of the sound field by PIV, a camera with a frame rate of 242 (fps) or more was required to image the vibration of 121 Hz, but according to this embodiment, the frame rate is 2 (fps) or more. Since it is sufficient, for example, a general video camera 40 of 30 (fps) to 60 (fps) can be used to obtain a particle image for visualizing a sound field by PIV.

また、ビデオカメラ40のフレームレートは、周波数fよりも低い値とすることが好ましい。ビデオカメラ40のフレームレートが周波数fよりも低い値であれば、ビデオカメラ40で点滅するトレーサ粒子を撮像することができる。 Also, the frame rate of the video camera 40 is preferably set to a value lower than the frequency fL . If the frame rate of the video camera 40 is a value lower than the frequency fL , the video camera 40 can image the blinking tracer particles.

例えば、粒子画像撮像装置1に使うビデオカメラ40が決まっていれば、周波数fがそのフレームレートの半分以下の値になるように、上記式(1)に基づいて周波数f及び周波数fを設定してもよい。 For example, if the video camera 40 to be used in the particle image capturing apparatus 1 is determined, the frequency fS and the frequency fL are adjusted based on the above equation (1) so that the frequency fA is a value equal to or less than half the frame rate of the video camera 40. may be set.

1.3.流速分布を得る工程
次に、後述する図1の粒子速度分布作成法(S20)以外の流速分布を得る工程について説明する。流速分布を得る工程は、図1の粒子画像撮像方法(S10)によって得られた2時刻の粒子画像を用いて公知のPIVを用いて粒子速度分布を得ることができる。
1.3. Step of Obtaining Flow Velocity Distribution Next, a step of obtaining a flow velocity distribution other than the particle velocity distribution generating method (S20) in FIG. 1, which will be described later, will be described. In the step of obtaining the flow velocity distribution, the particle velocity distribution can be obtained using a known PIV using the two-time particle images obtained by the particle image capturing method (S10) of FIG.

上述のように音響管30内に気流がない状態であれば、2時刻の粒子画像を用いてPIVにより粒子速度分布を得ることが可能であるが、粒子画像撮像方法(S10)で得られる粒子画像は実際に音によって振動する粒子の周波数よりも低い周波数である。そのため、粒子画像撮像方法(S10)で得られる粒子画像は気流の影響を受けやすい。 As described above, if there is no airflow in the acoustic tube 30, it is possible to obtain the particle velocity distribution by PIV using the particle images taken at two times. The image is actually at a lower frequency than the frequency of the particles vibrating with the sound. Therefore, the particle image obtained by the particle image capturing method (S10) is likely to be affected by air currents.

2.粒子速度分布作成方法
図1及び図4~図8を用いて、粒子速度分布作成方法(S20)の一態様について説明する。図4は、粒子画像の一例であり、図5は、スピーカー12を停止した状態の流速分布を示す図であり、図6は、位相0(rad)としたときの粒子速度分布を示す図であり、図7は、位相π/2(rad)としたときの粒子速度分布を示す図であり、図8は、位相π(rad)としたときの粒子速度分布を示す図である。図4~図8の画像は、いずれも画像を右に90度回転させた(Z軸が図の左右に延びる)状態で示し、したがって、各画像の左側に図2の音響管30におけるスピーカー12が配置され、下側に光源ユニット20が配置される。
2. Particle Velocity Distribution Creation Method One mode of the particle velocity distribution creation method (S20) will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 8. FIG. FIG. 4 is an example of a particle image, FIG. 5 is a diagram showing the flow velocity distribution with the speaker 12 stopped, and FIG. 6 is a diagram showing the particle velocity distribution when the phase is 0 (rad). FIG. 7 is a diagram showing the particle velocity distribution when the phase is π/2 (rad), and FIG. 8 is a diagram showing the particle velocity distribution when the phase is π (rad). The images of FIGS. 4-8 are all shown with the images rotated 90 degrees to the right (the Z-axis extends left and right in the figures), so to the left of each image is the speaker 12 in the acoustic tube 30 of FIG. is arranged, and the light source unit 20 is arranged on the lower side.

図4は、光シート28の厚みによる濃淡の他にトレーサ粒子の拡散過程で生じた縞模様が見える。 In FIG. 4, in addition to the shading due to the thickness of the light sheet 28, a striped pattern generated during the diffusion process of the tracer particles can be seen.

図5は、スピーカー12の出力を停止した状態の流速分布を示す図である。具体的には、流速分布は、粒子画像撮像装置1のスピーカー12の出力を停止した状態で、音響管30内に煙を封入後1時間以上後に撮像された2時刻の粒子画像からPIVにより得た流速分布(瞬時値)である。図5における矢印が流速ベクトルであり、図5によれば音響管30内で空気が対流していることがわかる。このように粒子画像が気流の影響を受ける場合には、以下に説明する粒子速度分布作成方法(S20)が好適である。 FIG. 5 is a diagram showing the flow velocity distribution when the output of the speaker 12 is stopped. Specifically, the flow velocity distribution was obtained by PIV from particle images taken at two times one hour or more after the smoke was sealed in the acoustic tube 30 while the output of the speaker 12 of the particle image capturing device 1 was stopped. is the flow velocity distribution (instantaneous value). Arrows in FIG. 5 indicate flow velocity vectors, and it can be seen from FIG. When the particle image is affected by the airflow in this way, the particle velocity distribution creating method (S20) described below is suitable.

図1に示すように、本発明の一実施形態に係る粒子速度分布作成方法(S20)は、流速分布を得る工程(S22)と、擬似粒子速度分布を得る工程(S24)と、粒子速度分布を得る工程(S26)と、を備える。 As shown in FIG. 1, the particle velocity distribution creation method (S20) according to one embodiment of the present invention comprises a step of obtaining a flow velocity distribution (S22), a step of obtaining a pseudo particle velocity distribution (S24), and a particle velocity distribution and a step of obtaining (S26).

2.1.流速分布を得る工程
流速分布を得る工程(S22)は、粒子画像撮像方法(S10)において得られた2時刻の粒子画像を用いて粒子画像流速測定法(以下、「PIV」)により流速分布を得る工程である。2時刻はなるべく短い時間間隔であることが望ましいが、従来のような高速度カメラを用いていないので、ビデオカメラ40で撮像された複数の粒子画像における任意のフレームとその一つ前のフレームとを2時刻の粒子画像としてPIVにより流速分布を得ることが好ましい。
2.1. Step of Obtaining Flow Velocity Distribution The step of obtaining the flow velocity distribution (S22) is to obtain the flow velocity distribution by the particle image velocimetry (hereinafter referred to as “PIV”) using the particle images obtained at two times in the particle image imaging method (S10). It is a process of obtaining It is desirable that the two times are as short a time interval as possible. It is preferable to obtain the flow velocity distribution by PIV using the two time particle images.

ここで「流速」は、単に気流による流速だけを意味するものではなく、音による粒子の移動速度を含むものとして説明する。流速分布は、トレーサ粒子が音響管30内部の対流による影響を受けているので、気流による直流成分に加えて音による振動成分が含まれる。また、流速分布における振動成分は、ストロボ効果により振動を見かけ上遅くした擬似
的な振動成分である。後述する擬似粒子速度分布は、流速分布から気流による直流成分を除くことにより、ストロボ効果により振動を見かけ上遅くした擬似的な音による振動成分だけの擬似粒子速度を示す分布となる。
Here, the "flow velocity" does not simply mean the flow velocity due to the air current, but is explained as including the movement velocity of the particles due to sound. Since the tracer particles are affected by the convection inside the acoustic tube 30, the flow velocity distribution includes a vibration component due to sound in addition to the direct current component due to the airflow. Also, the vibration component in the flow velocity distribution is a pseudo vibration component in which the vibration is apparently slowed down by the strobe effect. The pseudo-particle velocity distribution, which will be described later, is a distribution showing the pseudo-particle velocity of only the vibration component due to the pseudo sound in which the vibration is apparently slowed down by the strobe effect by removing the direct-current component due to the airflow from the flow velocity distribution.

PIVは、演算部42に記憶されている公知のPIV解析ソフトウェアを用いることができる。PIVは、画像相関を利用して粒子群の移動距離を定量化するものである。PIVとしては、直接相関法やFFTを用いて相関値を計算することができ、例えば、2つの連続するフレームに露光された粒子画像を解析する相互相関PIVを採用できる。PIV解析ソフトウェアとしては、例えば、Python OpenPIV Library v.0.20.9、ZVECTOR、VisiVector DP2D/3D等を採用することができる。 PIV can use known PIV analysis software stored in the calculation unit 42 . PIV uses image correlation to quantify the moving distance of a group of particles. For PIV, a direct correlation method or FFT can be used to calculate the correlation value, for example cross-correlation PIV, which analyzes two consecutive frames of exposed particle images, can be employed. Examples of PIV analysis software include Python OpenPIV Library v.1. 0.20.9, ZVECTOR, VisiVector DP2D/3D, etc. can be employed.

2.2.擬似粒子速度分布を得る工程
擬似粒子速度分布を得る工程(S24)は、流速分布を時間軸上でフーリエ変換して気流による直流成分を除いて、周波数fの振動成分からなる擬似粒子速度分布を得る工程である。
2.2. Step of Obtaining Pseudo-Particle Velocity Distribution The step of obtaining the pseudo-particle velocity distribution (S24) includes Fourier transforming the flow velocity distribution on the time axis to remove the direct-current component due to the airflow, thereby obtaining a pseudo-particle velocity distribution consisting of an oscillation component with a frequency fA. is the process of obtaining

上述の流速分布を得る工程(S22)によって得られる流速分布は、図5を用いて上述したように気流による直流成分が含まれるので、流速分布における各観測点での流速ベクトルを時間軸上でフーリエ変換することにより気流による直流成分を除くことができる。これにより得られた擬似粒子速度分布は、観測点における周波数fの振動成分からなる擬似粒子速度ベクトルの分布である。フーリエ変換は、演算部42により行うことができる。 Since the flow velocity distribution obtained by the step of obtaining the flow velocity distribution (S22) described above contains a direct-current component due to the airflow as described above using FIG. The DC component due to the airflow can be removed by Fourier transform. The pseudo-particle velocity distribution thus obtained is a distribution of pseudo-particle velocity vectors composed of vibration components of frequency f A at the observation point. The Fourier transform can be performed by the calculator 42 .

2.3.粒子速度分布を得る工程
粒子速度分布を得る工程(S26)は、擬似粒子速度分布における擬似粒子速度にf/fを乗じることで粒子速度分布を得る。
2.3. Step of Obtaining Particle Velocity Distribution The step of obtaining the particle velocity distribution (S26) obtains the particle velocity distribution by multiplying the pseudo-particle velocity in the pseudo-particle velocity distribution by f S /f A .

上述の擬似粒子速度分布を得る工程(S24)によって得られる擬似粒子速度分布は、ストロボ効果により実際の粒子速度のf/f倍の大きさの見かけ上の速度ベクトルの分布であるため、各擬似粒子速度にf/fを乗じることで実際の粒子速度分布を得ることができる。すなわち、本工程では、ストロボ効果で振動が遅くなった分を逆算して実際の粒子速度を得るのである。 Since the pseudo-particle velocity distribution obtained by the step of obtaining the above-described pseudo-particle velocity distribution (S24) is a distribution of apparent velocity vectors f A /f S times the actual particle velocity due to the strobe effect, The actual particle velocity distribution can be obtained by multiplying each pseudo-particle velocity by f S /f A . That is, in this step, the actual particle velocity is obtained by back-calculating the amount by which the vibration is slowed down by the strobe effect.

図6~図8は、流速分布における各点での1Hz成分(周波数f成分)について、画像の中央での管軸方向(Z軸方向)成分の位相をそれぞれ0(rad)、π/2(rad)、π(rad)としたときの分布を平面上に再配置した擬似粒子速度分布を得た後、各点の擬似粒子速度にf/fを乗じて得られた粒子速度分布の一例である。図6~図8において、図の左側がスピーカー側である。このように、音響管30内で生じている1次モードの、音響管30の中央付近での粒子速度を正しく測定することができる。 6 to 8 show the phases of the tube axis direction (Z-axis direction) component at the center of the image for the 1 Hz component (frequency f A component) at each point in the flow velocity distribution, respectively, 0 (rad) and π/2 Particle velocity distribution obtained by multiplying the pseudo-particle velocity at each point by f S /f A is an example. 6 to 8, the left side of the drawing is the speaker side. In this manner, the particle velocity near the center of the acoustic tube 30 in the primary mode occurring within the acoustic tube 30 can be accurately measured.

本発明に係る流速分布作成方法の一態様によれば、従来のような高速度カメラを用いることなくPIVにより音場が可視化された粒子速度分布を得ることができる。カメラの選択の自由度が広がることにより、安価、高感度及び大きな画素数をもったカメラを採用できる。 According to one aspect of the flow velocity distribution creating method according to the present invention, it is possible to obtain a particle velocity distribution in which a sound field is visualized by PIV without using a conventional high-speed camera. By increasing the degree of freedom in camera selection, it is possible to adopt a camera that is inexpensive, highly sensitive, and has a large number of pixels.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発
明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same function, method, and result, or configurations that have the same purpose and effect). Moreover, the present invention includes configurations in which non-essential portions of the configurations described in the embodiments are replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effects or achieves the same purpose as the configurations described in the embodiments. In addition, the present invention includes configurations obtained by adding known techniques to the configurations described in the embodiments.

1…粒子画像撮像装置、10…音源ユニット、12…スピーカー、14…増幅器、16…発振器、20…光源ユニット、22…照射装置、24…モーター、26…円板、28…光シート、30…音響管、32…騒音計、40…ビデオカメラ、42…演算部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Particle imaging device 10... Sound source unit 12... Speaker 14... Amplifier 16... Oscillator 20... Light source unit 22... Irradiation device 24... Motor 26... Disc 28... Optical sheet 30... Acoustic tube 32 Sound level meter 40 Video camera 42 Operation unit

Claims (3)

周波数fの純音が卓越する定常音場に散布されたトレーサ粒子に対し、光源から周波数fで点滅する光シートを照射する工程と、
前記光シートが照射された前記トレーサ粒子を撮像手段で撮像して、下記式(1)で得られる周波数fの振動成分を含む複数の粒子画像を得る工程と、
を含み、
前記撮像手段は、フレームレート(fps)が前記周波数fの2倍以上である、粒子画像撮像方法。
Figure 0007281396000003
a step of irradiating tracer particles dispersed in a stationary sound field in which a pure tone of frequency f S is dominant with a light sheet blinking at frequency f L from a light source;
a step of capturing an image of the tracer particles irradiated with the light sheet by an imaging means to obtain a plurality of particle images including a vibration component of frequency f A obtained by the following formula (1);
including
The particle image capturing method, wherein the image capturing means has a frame rate (fps) that is at least twice the frequency fA .
Figure 0007281396000003
請求項1において、
前記フレームレートは、前記周波数fよりも低い値である、粒子画像撮像方法。
In claim 1,
The particle image capturing method, wherein the frame rate is a value lower than the frequency fL .
請求項1または請求項2において得られた2時刻の前記粒子画像を用いて粒子画像流速測定法により流速分布を得る工程と、
前記流速分布を時間軸上でフーリエ変換して気流による直流成分を除いて、前記周波数fの振動成分からなる擬似粒子速度分布を得る工程と、
前記擬似粒子速度分布における擬似粒子速度にf/fを乗じることで粒子速度分布を得る工程と、
を備える、粒子速度分布作成方法。
a step of obtaining a flow velocity distribution by a particle image velocimetry using the two-time particle images obtained in claim 1 or claim 2;
a step of Fourier transforming the flow velocity distribution on the time axis to remove the direct current component due to the airflow to obtain a pseudo-particle velocity distribution composed of the oscillation component of the frequency f A ;
obtaining a particle velocity distribution by multiplying the pseudo-particle velocity in the pseudo-particle velocity distribution by f S /f A ;
A method for creating a particle velocity distribution, comprising:
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