JP2009031137A - 超音波式風測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】一辺が５ｍ以上の屋外空間における風速を正確に直接測定することが可能な超音波式風測定システムを提供する。
【解決手段】屋外に５ｍ以上の離隔距離を隔てて一対の超音波送受波器１１，１２を対向配置し、互いに逆向きに超音波を送波させるとき、各超音波送受波器１１，１２間での超音波１４の伝播が、超音波送受波器１１，１２間を結ぶ直線方向に垂直な風速成分を持つ横風１５により妨げられることがないよう、各超音波送受波器１１，１２は広範な指向角（半値角α）の超音波を送波できる構造になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速道路上や高層建物間などにおける風速を超音波を用いて直接測定する超音波式風測定システムに関する。

地球温暖化の影響により、世界各地で猛威をふるっている台風やハリケーン等の自然災害が規模の拡大・増加の傾向にある。それにより、建築物の耐風設計、道路や鉄道軌道上の交通安全管理等、風に関するモニタリング体制の構築が急務とされている。家屋や車輌等の構造物に作用する風力の大きさは、構造物の見つけ面積と平均風速の自乗に比例する。これら実際の構造物の一般的な見付け面積は数百ｍ²以上であり、風力の大きさを見積もるためには、一辺が数十ｍ以上の屋外空間における平均的な風向および風速を測定する必要がある。しかしながら、風杯式あるいはプロペラ式の風向風速計による風測定では、風向風速計が設置された地点における局所的な風向および風速値に限定される。そのため、前述したプロペラ式などの複数の風向風速計を空間内に設置し、ベクトル合成値として平均風速を計算するか、空間内の風況を代表する地点をあらかじめ測定し風測定を行うといった間接的な測定方法がとられていた。

一方、直接的な風測定の方法として特許第2978984号公報（特許文献１）に超音波式トンネル内風速測定システムを用いての風測定が提案されている。このシステムは、一対の超音波送受波器をトンネル内の左右側壁の同じ高さに、該トンネルの長手方向の中心線を通る仮想垂直断面に対して所定の角度をもって設置し、超音波送受波器の間で互いに送波される超音波の伝播時間差から、超音波送受波器間を結ぶ線上の平均風速を求めるものである。
特許第2978984号公報

特許文献１記載の超音波式風速測定システムは、トンネル内における風速測定においてはトンネルの方向に沿った風速成分の横風が卓越しないため、その横風による超音波送受への影響は小さい。しかしながら、トンネルの外における風観測に使用すると、強い横風により一方の送受波器から送波された超音波面が流され、十分な受信強度を持って他方の送受波器に到達できない可能性があり、風速値が得られない虞がある。

さらに、特許文献１に記載の測定システムでは、風速測定に際し、対をなす超音波送受波器間での超音波送受信を順次交互に行ったとき、送受波器間の温度場および湿度場の時間変化に伴う音速の変化が風速値の誤差の原因になる点について着目していなかった。

そこで本発明の目的は、少なくとも上記の課題の一つを解決することにある。その目的の一つは、屋外空間における風速を正確に直接測定することが可能な超音波式風測定システムを提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、超音波を用いて風速を測定する超音波式風測定システムであって、５ｍ以上の離隔距離を隔てて対向配置された一対の超音波送受波器を備える。

そして、該一対の超音波送受波器の間を結ぶ直線方向に対して垂直な風速成分を持つ横風における当該垂直な風速成分の最大値をν_max［ｍ／ｓ］、各超音波送受波器より送波する超音波の音速をｃ［ｍ／ｓ］、該超音波の指向角の半値角をα［°］としたとき、

の関係式を満たす半値角αの指向角を持った超音波振動子により超音波送受波器が構成されている。その上、ν_maxが０ｍ／ｓから６０ｍ／ｓまでの横風条件下において一対の超音波送受波器の間を超音波が送波されるように各超音波送受波器が構成されている。

上記の超音波式風測定システムでは、一対の超音波送受波器のうちの一方の超音波送受波器から他方の超音波送受波器に送波される超音波と、該他方の超音波送受波器から該一方の超音波送受波器に送波される超音波とが、超音波送受波器間の空間において同時に存在できるように超音波送波を制御し、かつ、互いの超音波伝播時間の差から、前記一対の超音波送受波器の間を結ぶ直線方向の風速を求める変換器をさらに備えることが好ましい。

さらに、上記の一対の超音波送受波器の組が少なくとも三組用意され、当該少なくとも三組の超音波送受波器は、送波される超音波が各対の超音波送受波器の間の空間内における任意の一地点で交差するような位置関係に配置された風測定システムであることがより望ましい。このような構成では、上記の各組の超音波送受波器について超音波伝播時間差から超音波送受波器間を結ぶ直線方向の風速をそれぞれ求めるとともに、これらの風速値に基づいて、各対の超音波送受波器の間の空間内における平均的な風向および風速を求める変換器を備えていることが好ましい。

本発明によれば、高速道路上や高層建物間などの一辺が５ｍ以上の屋外空間における風速を正確に直接測定することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

特許文献１の従来技術の欄に記載された超音波風速計（以下、従来器と称す。）の場合、添付した図１のように対向配置された一対の超音波送受波器１１，１２の間の離隔距離ｌが数ｃｍと比較的短い。そのため、超音波送受波器１１，１２間を結ぶ直線の方向に垂直な風速成分を持つ横風１５により、超音波送受波器１１，１２間の超音波伝播が妨げられることなく、超音波送波が行える。しかし、距離ｌが大きくなるにつれてその影響は次第に大きくなり、指向性のある超音波は距離ｄだけ送受波器１１，１２間を結ぶ直線と垂直な方向に流される。ここで、超音波送受波器１１，１２間を結ぶ直線と風速ベクトルνとがなす角度をθとし、超音波送受波器１１，１２から送波する超音波の音速をｃ（約３４０ｍ／ｓ）とすると、流される距離ｄは次式（１）で与えられる。すなわち、ｃ：ｌ＝νsinθ：ｄより、

となる。

そこで、超音波送受波器１１，１２間を結ぶ直線の方向に垂直な風速成分の最大値を ν_max として、広範な指向性（指向角の半値角α）を持った超音波１４を送波すれば、 νsinθ＜ν_max の条件の下で確実に、一方の超音波送受波器１２で送波された超音波が他方の超音波送受波器１１に到達できる。このときの角度αは次式（２）で与えられる。すなわち、上記の式（１）より ｄ／ｌ＝νsinθ／ｃ が得られ、これに、ｄ／ｌ＝tanα を代入するとともに、νsinθ＜ν_max の条件を考慮して角度α［°］を求めると、

となる。

以上により、本発明の第一態様による一対の超音波送受波器１１，１２は、上記の関係式（２）を満たすように構成されている。超音波送受波器１１，１２はそれぞれ、圧電素子などを用いた超音波振動子から構成されており、式（２）の角度αを満たす広範な指向性を持った超音波１４を送波するためには、従来器に比べてより低い周波数（２０ｋ〜３０ｋＨz）の超音波を送波する構造を有し、かつ、従来器に比べて超音波の放射面（すなわち振動子の振動放射面）の面積が小さい構造を有する。このような構造を有することにより、一対の超音波送受波器１１，１２間の離隔距離ｌが例えば５ｍ以上の長距離であるとき、超音波送受波器１１，１２間を結ぶ直線方向に垂直な方向に超音波が強い横風１５により流されても、一方の送受波器で送波された超音波が確実に他方の送受波器に到達できる。尚、超音波は周波数が高いほど、また、振動子の振動放射面の大きさが大きいほど、鋭い指向性を持つ。よって、上記の構造は超音波の指向角を広範な値にするのに適する。

尚、特許文献１に記載の超音波式トンネル内風速測定システムの超音波送受波器では上記の角度αが３度程度であったため、風速ν_maxが２０ｍ／ｓ以下の横風条件下でないと送受波器間で超音波が到達できなかった。つまり、この送受波器はトンネル内での使用を想定したものであった。これに対し、本実施例における超音波送受波器１１，１２は、風速ν_maxが０ｍ／ｓから６０ｍ／ｓまでの横風条件下においても、確実に一方の送受波器で送波された超音波が他方の送受波器に到達できるように、上記の角度αを１０度程度まで大きくした構造を有している。つまり、上記の式（２）より、α＝１０°の場合、 ν_maxが６０ｍ／ｓ程度となり、６０ｍ／ｓの横風条件下でも送受波器１１，１２間の超音波伝播を行える構造になっている。風速６０ｍ／ｓ程度の風は屋根瓦が吹き飛んだり建物の損壊が始まるほどの強さを持つので、６０ｍ／ｓの横風条件下で送受波器１１，１２間の超音波送受が可能であれば、実際上、充分である。

また従来器の場合、図１のような超音波送受波器１１，１２間の離隔距離ｌが数ｃｍと比較的短く、一方の送受波器から送波された超音波を他方の送受波器で受信する際に、その受信波と、他方の送受波器から一方の送受波器に向かって超音波が送波されたときに生じる残響波との識別が困難であった。そのため従来器では、一方の送受波器から送波された超音波を他方の送受波器で受信した後に、当該他方の送受波器から一方の送受波器に向かって超音波を送波し、それぞれの伝播時間差から風速値を算出していた。超音波伝播時間差から超音波経路方向の風速νcosθを求める式は、次の通りである。

ただし、

ここで、ｔ₁は一方の送受波器から他方の送受波器まで超音波が伝送される伝播時間、ｔ₂は他方の送受波器から一方の送受波器まで超音波が伝送される伝播時間である。式（３）の風速νcosθは式（４）および式（５）における音速ｃが一定であることを仮定して算出する。

従来器の場合、前述の理由により、双方の送受波器から交互に超音波が送波されるため、送受波器間の空間上において双方向への超音波は同時に存在できず、送受波器間の温度場および湿度場の時間変化に伴う音速の変化により、厳密には音速ｃが一定であるとはいえない。しかし、音速の変化を伴う送波距離ｌが比較的短いため、送受波器間の温度場および湿度場は空間的に均質であるとみなすことができ、伝播時間ｔ₁の算出に用いられる音速ｃ₁と、伝播時間ｔ₂の算出に用いられる音速ｃ₂との差による風速値νcosθへの影響は無視できるくらい小さいため、十分な精度で風速値を算出することが可能であった。

しかし、５ｍ以上の長離隔距離（ロングスパン）を隔てて対向配置される超音波送受波器間の超音波伝播経路上には空間的に不均質な温度場および湿度場が存在し、これらの不均一性は、風速値の算出に対して十分に影響を及ぼす可能性がある。この影響を最小限にとどめるために、本発明の第二態様による超音波式風測定システムは、上記の第一態様における一対の超音波送受波器から双方向の超音波が送受波器間の空間において同時に存在するように送波を行う構造を有する。すなわち、図１に示される変換器１３は超音波送受波器１１，１２とケーブル等で接続されており、測定開始信号を受けると、対をなす超音波送受波器１１，１２において同時刻に超音波送波を行う制御機能を備える。以下に、この構造が必要である理由を述べる。

不均質な温度場および湿度場を超音波が伝播する場合、その音速は超音波伝播経路上の平均的な温度および湿度から決定される音速に等しくなると考えてよい。したがって、前述の音速ｃ₁と音速ｃ₂は、送波時刻が同時であればほぼ等しくなり、送波時刻の差が大きくなればなるほど、また、送受波器の離隔距離ｌが長くなればなるほど、音速ｃ₁と音速ｃ₂の差は大きくなる。音速ｃ₁と音速ｃ₂の差はそのまま風速値νcosθに影響する。したがって、送受波器間双方向への超音波が互いの伝搬時間を共有できるような送波構造を有することで音速ｃ₁と音速ｃ₂の差は小さくなり、風速値νcosθへの誤差を最小限にとどめるので、５ｍ以上の長離隔距離においても正確な風速値を得ることが可能となる。

尚、図１に示される変換器１３は演算装置を含み、これを用いて、双方の送受波器１１，１２間で送受される超音波の各伝播時間ｔ₁とｔ₂の差から、一対の超音波送受波器１１，１２の間を結ぶ直線方向の風速を求めている。各々の超音波伝播時間は、例えば同時送波のための測定開始信号を受けてカウントアップタイマーを作動し、各々の送受波器での超音波受信時に出力する当該タイマーの各カウント値に基づいて算出できる。

次に、本発明の他の実施例を図２に基づいて説明する。

図２に示す実施例は、上述した第一態様における一対の超音波送受波器の組を三組用意し、三組の超音波送受波器（２１，２２、２３，２４および２５，２６）を、この各組の超音波送受波器から送波される超音波が、各組の超音波送受波器の間の空間内における任意の一地点で交差するような位置関係に配置したものである。各組の超音波送受波器は変換器２７にケーブル等で接続されている。この変換器２７は、図１に基づいて前述した変換器１３と同じ制御機能や演算装置を含む。すなわち、変換器２７は測定開始信号を受けると、各組の超音波送受波器２１，２２、２３，２４および２５，２６において同時刻に超音波送波を行う制御機能を備える。これにより、各組の超音波送受波器から双方向の超音波が送受波器間の空間において同時に存在するように送波制御され、超音波送受波器対の組ごとに、超音波伝播時間差から送受波器間方向の風速が算出される。さらに本実施例によれば、超音波送受波器対の組ごとに得られた３軸方向の風速成分より座標変換にて直交座標成分風速を求め、さらにベクトル合成して３組の送受波器間の空間における平均的な風向および風速を求めることができる。尚、図２の実施例では三組の超音波送受波器を設置したが、対をなす超音波送受波器の組は三組に限られない。三組より多くの超音波送受波器対を設置することで、更なる測定精度の向上を図ることができる。

以上に例示した超音波式風測定システムでは、一辺が５ｍ以上の屋外空間内で正常かつ安定した風速測定を行うために、一方の超音波送受波器から送波された超音波が、他方の超音波送受波器に十分な強度で到達する必要がある。そのために本発明では、超音波送受波器において多段合成あるいは配列合成された圧電タイプの振動子に高周波の高パルス電圧を入力する構造を有し、この構造により十分な強度の超音波を送波することが可能である。さらに本発明の超音波式風測定システムは、ウェーブレット変換などを用いて、超音波送信中の送受波器の振動子が受けとる全受信波からその送信波のみを効率よく抽出できる信号処理回路を有する。また、対向する一対の超音波送受波器を効率良く設置するために、送受波器の対向状態を正確にとれる治具を有する。この治具には、正確に送受波器間の対向をとるために超音波受波強度の最大点をモニターできる機能を有する。また、一方の送受波器から他方の送受波器に向けてレーザー光を発光する装置を備えていることが好ましく、それにより、強い横風が吹いている場合においても、レーザー光の直進性を利用して送受波器の対向配置を容易に行うことが可能である。

以上に述べたような発明では、屋外に５ｍ以上の離隔距離を隔てて一対の超音波送受波器を対向配置し、互いに逆向きに超音波を送波させるとき、各超音波送受波器の送信波が上述の式（２）を満足するような広範な指向性を有し、かつ、他方に到達できる十分な強度を持っている。その結果、超音波送受波器間を結ぶ直線方向に垂直な風速成分を持つ横風により超音波の伝播が妨げられることなく、一方で送波された超音波が他方に十分な受信強度を持って到達することができる。さらに、双方の超音波送受波器から互いに逆向きに送波された超音波どうしが、超音波送受波器間の空間において同時に存在できるように超音波送波の発信を制御することにより、超音波送受波器間の超音波伝播経路上の空間における不均質な温度場および湿度場による風速誤差を最小限にとどめることが出来る。これらの事により、５ｍ以上隔てて対向配置された超音波送受波器間の空間における風速を正確に直接測定することができる。

さらに、超音波送受波器間の空間内に測定治具が存在しないため、空間内の風況を乱すことなく風向・風速を測定することができる利点があり、高層建物周辺に発生する強風観測（図３参照）、強風による道路や鉄道軌道上の交通安全管理の効率化（図４参照）等が期待される。

本発明の超音波式風測定システムの構成概念を説明するための図。 本発明の他の実施例による超音波式風測定システムを示す図。 図２の実施例による超音波式風測定システムを高層建物間の風測定に使用する例を示した図。 図２の実施例による超音波式風測定システムを高速道路上の風測定に使用する例を示した図。

符号の説明

１１，１２，２１，２２，２３，２４，２５，２６ 超音波送受波器
１３，２７ 変換器
１４ 超音波
ｌ 離隔距離
ν 風速ベクトル
θ 一対の超音波送受波器の間を結ぶ直線に対する風速ベクトルの角度
α 超音波送受波器から送波される超音波の指向角の半値角

Claims (3)

1. 超音波を用いて風速を測定する超音波式風測定システムであって、
   ５ｍ以上の離隔距離を隔てて対向配置された一対の超音波送受波器を備え、
   該一対の超音波送受波器の間を結ぶ直線方向に対して垂直な風速成分を持つ横風における当該垂直な風速成分の最大値をν_max［ｍ／ｓ］、各超音波送受波器より送波する超音波の音速をｃ［ｍ／ｓ］、該超音波の指向角の半値角をα［°］としたとき、
   

   

   の関係式を満たす半値角αの指向角を持った超音波振動子を前記超音波送受波器が有するとともに、ν_maxが０ｍ／ｓから６０ｍ／ｓまでの横風条件下において前記一対の超音波送受波器の間を超音波が送波されるように構成されていることを特徴とする超音波式風測定システム。
2. 前記一対の超音波送受波器の一方の超音波送受波器から他方の超音波送受波器に送波される超音波と、該他方の超音波送受波器から該一方の超音波送受波器に送波される超音波とが、超音波送受波器間の空間において同時に存在できるように超音波送波を制御し、かつ、互いの超音波伝播時間の差から、前記一対の超音波送受波器の間を結ぶ直線方向の風速を求める変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波式風測定システム。
3. 前記一対の超音波送受波器の組が少なくとも三組用意され、当該少なくとも三組の超音波送受波器は、送波される超音波が各対の超音波送受波器の間の空間内における任意の一地点で交差するような位置関係に配置されており、
   前記変換器は、前記各組の超音波送受波器について超音波伝播時間差から超音波送受波器間を結ぶ直線方向の風速をそれぞれ求めるとともに、これらの風速値に基づいて、前記各対の超音波送受波器の間の空間内における平均的な風向および風速を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波式風測定システム。

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