インフラサウンド測定装置
【課題】簡単な構成で安価に提供することができるとともに、低周波領域において非常に優れた感度を有し、経年劣化も生じにくいインフラサウンド測定装置を提供すること。
【解決手段】開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置とする。
【解決手段】開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象によって励起されるインフラサウンドを測定するためのインフラサウンド測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、人間は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の周波数の音波を聞き取る能力を持っているといわれている。この周波数範囲の音を「可聴音」と呼び、この範囲を超えた音になると、人の耳で捉えることができなくなる。この可聴範囲外の音のうち、２０ｋＨｚ以上の高周波域の音を「ウルトラサウンド（超音波）」といい、２０Ｈｚ以下の低周波域の音を「インフラサウンド」という。
【０００３】
音波は高周波になるほど空気の粘性により強い減衰を受け、その減衰は周波数の２乗に反比例する。すなわち、１ｋＨｚの波が１ｍ伝わる時に受ける減衰は、０．１Ｈｚのインフラサウンドが１０万ｋｍ伝わる時に受ける減衰と同等であることから、インフラサウンドは空気の粘性による減衰を受けにくく長距離伝播を可能とする特性を持つ。
【０００４】
インフラサウンドは、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象によって励起されることが知られている。上記した長距離伝播の特性を利用して、近年、火山噴火活動の監視や、核実験の監視などといった広域的な監視のために、インフラサウンドの観測が活用されている。インフラサウンドの到来方向、速度を求めるには３つ以上のセンサを配することで１観測点だけから求めることも可能ではあるが、音波源を特定するためには１観測点では困難であり、複数のセンサを使用した観測点を多地点に配置し総合的に音波源を特定することを必要とする。
【０００５】
インフラサウンドを測定するための技術として、特許文献１には、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させた低周波用コンデンサマイク型センサが提案されている。この低周波用コンデンサマイク型センサは、微小差の圧力を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能を有し、通常使用されるセラミックを利用した微気圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、微小な圧力を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、低周波用コンデンサマイク型センサは、１台がセンサ単体だけで非常に高額であるために多数設置することは困難である。それ故、多点観測を狙ったインフラサウンド測定センサとして使用するには適していない。安価なインフラサウンド測定センサが開発されれば、多点観測を狙った複数のセンサを設置することができ、多地点インフラサウンド観測網の確立を行い、自然環境下におけるインフラサウンドの計測並びに防災面で利用することができる。
【０００７】
上記したような実状に鑑みて、本願発明者らは、特願２００８−１３４７５０号において、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面に取り付けられた圧電素子（ピエゾフィルム等）からなるインフラサウンド測定センサを提案している。
【０００８】
このインフラサウンド測定センサは、単純な構成で従来のセンサと遜色ない感度を有する優れたものである。
しかしながら、このインフラサウンド測定センサでは、シート表面に圧電素子を接触させているため、シート表面に負荷がかかり、振動（微小圧力変動）を妨げる場合があることから、低周波領域における感度に限界があった。
また、経時的に生じるシート表面のアライメント不良により、圧電素子に静電容量が発生し、感度が低下するという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２８１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、簡単な構成で安価に提供することができるとともに、低周波領域において非常に優れた感度を有し、経年劣化も生じにくいインフラサウンド測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置に関する。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記非接触型変位検出手段が、前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることを特徴とする請求項１記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記受光部が、光位置検出素子を備えていることを特徴とする請求項２記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１４】
請求項４に係る発明は、前記容器には、ピンホールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されていることを特徴とする請求項４記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えているインフラサウンド測定装置であるから、インフラサウンドの到達によって容器周囲の圧力が変化し、容器内の圧力が変化しないことにより生じた差圧によって、シート表面（膜面）が上下に振動し、この振動による変位を非接触型変位検出手段により検出することにより、インフラサウンドを測定することができる。
そのため、優れた感度を有する装置を単純な構成で安価に提供することができ、火山噴火活動の監視等のために多地点にて複数台設置することが可能な有用性の高いインフラサウンド測定装置となる。
しかも、シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段を備えていることから、シート表面に負荷がかかって振動（微小圧力変動）を妨げることがなく、低周波領域における感度を優れたものとすることができる。また、経時的に生じるシート表面のアライメント不良等によって感度が低下することがなく、長期間に亘って優れた性能を発揮することができる。
【００１７】
請求項２に係る発明によれば、前記非接触型変位検出手段が、前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることから、シート表面の振動による変位を高感度で検出することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明によれば、受光部が光位置検出素子を備えていることから、受光部を簡易な構成で高感度なものとすることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明によれば、前記容器にピンホールが設けられていることから、インフラサウンド測定装置が測定可能な周波数を調節することができる。また、容器内に緩やかな温度変化等が生じ、容器内の圧力が緩やかに変化したとしても、ピンホールから圧力が抜けるため、シート表面が上下することがなく、ノイズを低減することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されているため、小径管を内径や長さの異なるものに交換することができ、検出周波数範囲を調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るインフラサウンド測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】インフラサウンド検出部の第一実施形態を示す図である。
【図３】容器にピンホールを設けた図である。
【図４】容器にピンホールを別の形態で設けた図である。
【図５】非接触型変位検出手段の構成を示す図である。
【図６】シートの表面の特性による反射光の挙動の違いを示す説明図である。
【図７】光位置検出素子の動作原理を示す断面構造図である。
【図８】受光面及びその入射位置換算の説明図である。
【図９】電流電圧変換回路の一例を示す回路図である。
【図１０】一般的な計装アンプの内部回路および動作原理を示す図である。
【図１１】非接触型変位検出手段の一例を示す回路図である。
【図１２】非接触型変位検出手段用の電源回路の一例を示す回路図である。
【図１３】光位置検出素子による方式（PSD方式）と一次元イメージセンサによる方式のスポット光量分布による誤差を示す図である。
【図１４】インフラサウンド検出部の第二実施形態を示す図である。
【図１５】インフラサウンド検出部の第二実施形態の分解構成図である。
【図１６】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（１番目）。
【図１７】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（２番目）。
【図１８】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（３番目）。
【図１９】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（４番目）。
【図２０】インフラサウンド到来予想時刻付近の時間範囲の測定波形の拡大図である。
【図２１】図２０と同時間範囲内のパワースペクトラムである。
【図２２】図２０と同時間範囲のダイナミックスペクトルである。
【図２３】周波数範囲０Ｈｚ〜１．５Ｈｚ部分を拡大したダイナミックスペクトル（左）とその２値化画像（右）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係るインフラサウンド測定装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るインフラサウンド測定装置の全体構成を示す概略図である。
本発明に係るインフラサウンド測定装置は、インフラサウンドを検出するインフラサウンド検出部１と、インフラサウンド検出部１から出力された信号を取り込んで解析する信号取り込み解析部１０とからなる。
【００２３】
図２は、インフラサウンド検出部１の第一実施形態を示す図である。
インフラサウンド検出部１は、開口部２１を有する容器２と、開口部２１を覆うように展張されたシート３と、シート３の表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段４とを備えている。
【００２４】
容器２の形状は、開口部２１を有していれば特に限定されず、様々な形状のものを使用することができる。例えば、有底円筒形状のものや有底多角筒形状のものを使用することができるが、開口部２１にシート３を展張し易いため、図示のような有底円筒形状が好ましい。
図２では、開口部２１と底部２２の面積が略同一である寸胴形状の容器２を使用しているが、開口部２１の面積が広く、底部２２の面積が狭い形状でもよく、逆に、開口部２１が狭く底部２２が広い形状でもよい。
容器２の開口部２１には、図３に示す通り縁部２３が幅をもって設けられていることが好ましい。容器２とシート３が接触する面積を多くすることにより、シート３を容器２の開口部２１に展張し易くなり、容器２の密閉性をより向上させることができるためである。縁部２３の幅は１ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
【００２５】
容器２の材質としては、容器内外の圧力の変化により形状が変化して容積が変化することがないものを使用することができる。例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス、チタン、銅等の金属類、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ＡＢＳ樹脂等の硬質樹脂類等が好適に用いられる。一方、容器２の形状が容易に変化するもの、例えば可撓性を有する軟質樹脂等を使用した場合、容器内外の圧力の変化により容器自体が膨張、収縮をし、シート表面（膜面という場合がある）３１に圧力の変化が伝達されないことにより、インフラサウンドを測定できない可能性があるため好ましくない。
【００２６】
容器２は、断熱構造を有していることが好ましい。
容器２に断熱性が備えられることで、容器２外の温度が急激に変化したとしても、それに追随して容器２内の空気が急激に膨張、収縮してシート表面３１が上下に変位し、この変位が非接触型変位検出手段４により検出されるのを防止することができる。そのため、インフラサウンド測定装置１が検出するノイズを低減することが可能となる。
断熱構造としては、容器２を二重構造とすることが考えられる。また、容器２を断熱性の優れた素材から形成してもよい。
【００２７】
容器２の側面には、図３に示すようにピンホール５を設けることが好ましい。ピンホール５を設けることにより、インフラサウンド測定装置が測定可能な周波数を調節することができるからである。また、容器内に緩やかな温度変化等が生じ、容器内の圧力が緩やかに変化したとしても、ピンホール５から圧力が抜けるために、シート表面３１が上下することがないため、ノイズを低減することができる。
【００２８】
ピンホール５は、容器２に孔を開けて管を通し、管と容器２の壁面の隙間を接着剤等で密封固定することによって設けられる。容器２に開ける孔の大きさは、管の外径よりもひとまわり大きい程度である。管の材質は特に限定されず、金属や合成樹脂等様々なものを使用することができるが、安定性や耐久性の面から例えばステンレス管を使用することができる。管の内径、管の長さ等は、容器２の容積、インフラサウンド測定装置１に求められる検出感度、ノイズの低減等、その他様々な要因によって適宜設定される。例えば、インフラサウンド測定装置の感度を上げるためには、管の内径をより小さくし、ノイズを低減させる場合は、管の内径をより大きくする。また、管に撚った銅線等を挿入することによって、ピンホール５の見かけ上の内径（断面積）を事後的に減少させることができる。
【００２９】
図４は、ピンホール５を別の形態により設けた例を示す図である。
この形態において、ピンホール５は、一端部が容器２に設けられた小孔５０に連通するように接続された接続管５１と、この接続管５１の他端部に対して着脱可能に取り付けられた小径管５２とから構成されている
接続管５１は、気密性に優れた樹脂製チューブ等からなり、例えば点滴に使用される医療用の樹脂製チューブ等が好適に使用できる。接続管５１の長さ及び太さは特に限定されないが、例えば長さ１０〜２０ｃｍ、内径φ１〜５ｍｍのものが使用される。
接続管５１は、一端部が容器２の外面に対して気密に接続されており、他端部にはアタッチメント５３を介して小径管５２が着脱可能に接続されている。アタッチメント５３は、様々な太さの小径管５２を着脱可能に且つ気密に接続することが可能な公知の構造を有している。
小径管５２は、接続管５１よりも内断面積（内径）が小さいものであり、例えば注射針等を好適使用することができる。小径管５２の長さ及び太さは特に限定されないが、例えば長さ２０〜４０ｍｍ、内径φ０．５〜１．０ｍｍのものが使用される。
この構造では、容器２の内部は、小孔５０、接続管５１、アタッチメント５３、小径管５２を介して外部と連通する。
この構造によれば、接続管５１の長さにより外気との圧力調整にかかる時間を稼ぐことができる。そして、小径管５２が着脱可能であるため、小径管５２を内径や長さの異なるものに交換することができ、検出周波数範囲を調整することが可能となる。
【００３０】
シート３は、容器２の開口部２１を覆うように取り付けられ、容器２を密封するように展張されることにより膜面３１を形成する。インフラサウンドにより容器２内外の圧力が変化し、それに伴って膜面３１が上下する。図２では、シート２を容器２の側面においてガムテープ等の粘着テープ２６を使用することにより固定しているが、容器２の縁部２３で両面テープを使用することによりシート２を固定する方法や、容器２の側面において紐等によって縛って固定する方法、その他接着剤を使用することにより固定する方法等がある。
【００３１】
シート３の材質は、インフラサウンドにより膜面３１が上下するものであれば特に限定はされないが、硬質樹脂フィルム、軟質樹脂フィルム等の合成樹脂フィルムを使用することができ、アルミニウム箔等の金属シートも使用することができる。これらの中でも、アルミニウム蒸着塩化ビニルシート、アルミニウム蒸着ポリプロピレンシート等、市販の菓子の密封構造を維持する包装フィルムとして使用されているアルミニウム蒸着樹脂フィルムの同等品を用いるのが好ましい。シートの耐久性を向上させることができ、シートが破損するのを防止することができるからである。加えて、容器内の急激な温度変化を防止することができるからである。
【００３２】
非接触型変位検出手段４は、シート３の上方に配置され、シート３の表面（膜面３１）の振動による上下変位を非接触で検出する。
図５は、非接触型変位検出手段４の構成を示す図である。
非接触型変位検出手段４は、シート３の表面に対してスポット光を照射する投光部４１と、投光部４１から照射されてシート表面で反射又は散乱した光（反射光）を受光する受光部４２とから構成される。
【００３３】
投光部４１としては、半導体レーザ等のレーザポインタが好適に使用される。
投光部４１から照射されるスポット光は、シート３の表面３１において反射する。
このとき、シート３の表面の特性により反射光の挙動が異なる。
図６は、シート３の表面の特性による反射光の挙動の違いを示す説明図である。
シート３の表面に光沢が無い場合、（ａ）に示すように拡散反射成分が支配的になる。この場合、鏡面反射光が得られにくいため、スポット光を表面に対して垂直に照射して拡散反射光（散乱光）を受光部にて受光する方式（拡散反射方式）を採る。
シート３の表面に光沢がある場合や表面が鏡面である場合、（ｂ）に示すように正反射成分が支配的になる。この場合、スポット光を表面に対して斜め方向に照射して反射光を受光部にて直接受光する方式（正反射方式）を採る。
本発明においては、上記いずれの方式を採用してもよいが、拡散反射方式とする場合はシート３の表面を反射率が高い白色として白色面での拡散反射とすることが好ましい。
【００３４】
受光部４２は、フィルタ４２１と、マクロレンズ４２２と、コンバータレンズ４２３と、光位置検出素子４２４と、計装アンプ４２５を備えている。但し、フィルタ４２１は必要に応じて装着すればよく、必須ではない。
シート３の表面において反射した光は、フィルタ４２１、マクロレンズ４２２、コンバータレンズ４２３を順次通過した後、光位置検出素子４２４の受光面において結像しスポットを形成する。
【００３５】
光位置検出素子４２４は、反射してきたスポット光の位置を検出できる位置検出半導体素子（Position Sensitive Device：PSD）である。
光位置検出素子４２４の基本構造は、１つの接合面をもつPIN構造となっている。
図７は、光位置検出素子４２４の動作原理を示す断面構造図である。
接合面は比較的大きく（例えば１ｍｍ×３ｍｍ）、均一な面状の接合層の受光面であるＰ層両端に一対の光電流取り出し電極（Ｘ１，Ｘ２）が形成されている。また裏面のＮ層には共通電極が形成されている。
受光面にスポット光が当たると電荷が生成されて光電流として両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）に到達し、この光電流はスポット光（入射光）の位置より電極（Ｘ１，Ｘ２）までの距離に逆比例して分割されて両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）より出力される。出力される電流値（ＩＸ１，ＩＸ２）はスポット光の重心位置に応じた電流値であり、電極（Ｘ１，Ｘ２）から取り出された電流は必要な演算を行うことにより、スポット光の位置に比例したデータとして扱うことができる。
【００３６】
上述した動作原理の通り、光位置検出素子４２４に入射するスポット光の重心位置を検出するためには、両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）より出力される光電流（ＩＸ１，ＩＸ２）について、電流電圧変換、差動増幅を行う回路が必要となる。このときの入射位置換算は下記（式１）により行うことができる。図８は受光面及びその入射位置換算の説明図である。
【００３７】
【００３８】
電流電圧変換回路としては、光電流のような微弱な電流を実用的な電圧信号に変換するオペアンプを用いたトランスインピーダンス方式の電流電圧変換回路が好適に使用される（図９参照）。
図９において、オペアンプの反転入力端子に入力される微弱な電流Ｉは、全て帰還抵抗Ｒｆを通じてオペアンプの出力側へと流れ、帰還抵抗には−Ｉ×Ｒｆの電圧が発生する。この場合、トランスインピーダンスゲインの絶対値はＲｆの値と等しくなる。
【００３９】
差動増幅回路としては、差動入力でシングルエンド出力をもった閉ループ・ゲインブロックである計装アンプ（instrumentation amplifier）が好適に使用される。図１０に一般的な計装アンプの内部回路図および動作原理を示す。
計装アンプ回路の入力バッファは対称な２つのオペアンプであり、入力電圧は単位利得のみをとる。後段では各バッファからの出力を差動増幅回路で減算し、差分電圧だけが出力されて同相電圧は遮断される。通常、計装アンプはパッケージに内蔵される帰還抵抗ネットワークと１個の外付け利得設定抵抗Rｇから構成される。これはオペアンプと異なり一体構造として構成されたチップである。
【００４０】
上述したようにスポット光の重心位置に応じた光電流が光位置検出素子４２４から出力され、この光電流は上記したトランスインピーダンス方式の電流電圧変換回路により電圧に変換される。図１１は非接触型変位検出手段４の一例を示す回路図であり、図１２は非接触型変位検出手段４用の電源回路の一例を示す回路図である。
【００４１】
光位置検出に対しては光位置検出素子４２４の分解能は高い（理論的には無限小である）。しかし、実際の入射位置と差動演算で求められる位置についてはシート表面の状態によっては誤差が大きくなる。但し、ここで求められる入射位置は光束の大きさや形状、光量に影響されない。また光スポットのピントが合っていなくても検出面範囲内で一様に拡がっている場合、位置検出に影響はない。
しかし、光位置検出素子４２４では光スポット全体の光量重心位置のみの情報しか得られないため、真の入射位置との誤差が生じやすい。従って、真の入射位置との誤差を小さくするために、受光部４２に用いる受光素子として光位置検出素子４２４に代えて一次元イメージセンサ（ＣＣＤ等）を使用してもよい。
一次元イメージセンサは、光位置検出素子に比べて分解能に制限があるが、セルごとの受光量を検出することができるため、シート表面の色むらや表面状態の影響を受けずに正確に光量のピーク位置と光量分布を検出することができる。
図１３に光位置検出素子による方式（PSD方式）と一次元イメージセンサによる方式のスポット光量分布による誤差を示す。
【００４２】
信号取り込み解析部１０は、インフラサウンド検出部１から出力された信号が入力されるＡＤボード１０１と、ＡＤボード１０１によりＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を取り込むパソコン１０２とからなる。パソコン１０２では、ソフトウェアによって取り込まれたデータを相関解析し、インフラサウンドの到来方向と速度を計算して、インフラサウンド測定結果を得る。
【００４３】
図１４はインフラサウンド検出部１の第二実施形態を示す図であり、図１５はその分解構成図（非接触型変位検出手段は省略）である。
第二実施形態のインフラサウンド検出部１は、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２によって挟持されている。以下、第二実施形態について説明を行うが、第一実施形態と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４４】
固定板６は、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２とが対になっている。
固定板６には、容器２の近傍であって、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の夫々対応する位置に複数の貫通孔６３が形成されている。図１５では３箇所の貫通孔６３がシート上面固定板６１と容器下面固定板６２に夫々に設けられているが、３箇所に限定されず４箇所以上でもよい。一方、２箇所以下であると、容器２を密封しにくくなるため好ましくない。
シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の貫通孔６３にボルト７を挿通し、ナット８で上下から締結することにより、容器２とシート３が図１４に示す通りシート上面固定板６１と容器下面固定板６２とにより狭持される。シート上面固定板６１と容器下面固定板６２をボルト７とナット８により締め付けることで容器２とシート３との間をより確実に密封することができる。
【００４５】
容器２とシート３との間には、図１５に示す通り、さらにドーナツ形の密封用パッキン３２が設けられていることが好ましい。シート３と容器２との間に隙間が形成されるのを防止することができ、シート３と容器２をより確実に密封することができるからである。
シート３と容器２との間を確実に密封することにより、容器内の空気が容器外へ漏れることを防止することができ、容器内の圧力に対する容器外の空気圧の変化を確実に膜面３１に伝達することができ、インフラサウンド検出部の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
容器２と密封用パッキン３２との間の縁部２３（図３参照）に、グリスやワセリン等を塗布することが好ましい。密封用パッキン３２と容器２との間をより確実に密封することができるからである。
【００４７】
シート上面固定板６１には、容器２の開口部２１において、容器２の開口部２１の外縁部２４（図３参照）より一回り小さい切り抜き孔６４が設けられている。これにより、シート上面固定板６１が膜面３１と接触せず、膜面３１が上下するときにシート上面固定板６１の存在によりその動きが妨げられることがない。また、容器２の開口部２１の縁部２３とシート上面固定板６１によりシート３が挟持されるため、容器２とシート３との間を密封することができる。
一方、容器２の開口部２１の外縁部２４よりも切り抜き孔６４が大きい場合は、開口部２１の面積が広く、底部２２の面積が狭いコップ状の容器２を使用した時にはシート上面固定板６１と容器下面固定板６２によって容器２とシート３を挟持することができず、好ましくない。
【００４８】
切り抜き孔６４は、容器２の開口部２１の内縁部２５（図３参照）より一回り大きいことが好ましい。シート上面固定板６１がシート３を密封しつつ膜面３１をより広く確保することができ、インフラサウンド検出部１の感度を向上させることができるからである。
【００４９】
シート３とシート上面固定板６１との間には、図１５に示すように、ドーナツ形の弾性部材３３が設けられていることが好ましい。弾性部材３３が設けられていることにより、上面に配置された固定板に切り抜き孔を開けた場合にバリ等が発生したとしても、固定板によって容器とシートを挟持したときにバリの部分が弾性部材で吸収され、寸法誤差を防止することができる。また、シートと固定板が直接接触することがないため、シートが破損するのを防止することができる。
弾性部材３３の材質としては、天然樹脂、合成樹脂等を用いることができる。
尚、シート上面固定板６１に切り抜き孔６４を設ける際に、バリ等が発生せず、または発生したとしてもやすりがけ等により除去し、シート３を損傷する可能性がない場合は、当該弾性部材３３を省略することができる。
【００５０】
密封用パッキン３２、弾性部材３３にはシート上面固定板６１に設けられた切り抜き孔６４と同一の孔が設けられる。
シート３、密封用パッキン３２、弾性部材３３の容器２の開口部２１の縁部２３からはみ出る部分については、切り取ってもよいし、そのままにしてもよい。
【００５１】
上記第二実施形態について、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２をボルト７とナット８とによって狭持する形態について説明を行ったが、挟持する手段はボルトとナットには限定されず、例えば、固定板６にはボルト７用の貫通孔６３は設けず、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の端部において複数箇所を万力によって狭持することもできる。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明の実施例を示すことにより本発明の効果を明確とするが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５３】
（インフラサウンド検出部の作製）
容器として、開口部φ１００ｍｍ×高さ１１０ｍｍ、容積１×１０６ｍｍ３のステンレス製の有底円筒状容器を使用し、その外周に断熱用のウレタンを巻き付けた。容器の側面の高さ２ｃｍの位置にピンホール用の孔を開けた。このピンホール用の孔に医療用注射針（テルモ注射針22Ｇ 1’1/2（φ0.70ｍｍ×37ｍｍ））を差し込んでピンホールとした。
【００５４】
シートとして、市販のアルミニウムが蒸着されたポリプロピレンシートを使用し、容器の開口部を覆う程度の大きさに切断した。密封用パッキンは、通常のゴム板（縦１０ｃｍ×横１０ｃｍ×厚さ０．５ｍｍ）を使用した。中央部には孔（φ９０ｍｍ）を開け、シートと同一の大きさに切断することにより確実に密封用パッキンが容器の縁部に重なるようにした。
容器の縁部に密封用パッキンを重ね、その上にシートを重ね、シートの上方に図５に示すように非接触型変位検出手段を配置した。投光部としては半導体レーザからなる赤色レーザポインタ（LM−１０２／１０１−Ａ２ WENTA ELECTRONIC社製）を使用し、光位置検出素子としては一次元ＰＳＤ素子（Ｓ３９７９ 浜松ホトニクス社製）を使用した。光位置検出素子に接続される回路は、図９〜図１２に示した構造のものを使用した。
【００５５】
固定板として、縦１５ｃｍ×横１５ｃｍのアルミ板を２枚使用した。シート上面固定板は厚み３ｍｍ、容器下面固定板は厚み５ｍｍとした。固定板同士を重ね合わせて、容器を中心として容器と重ならない位置に、１２０°間隔で３箇所、ボルト用の６ｍｍの孔を開けた。シート上面固定板には切り抜き孔（φ９０ｍｍ）を開けた。
弾性部材として通常のゴム板（縦１０ｃｍ×横１０ｃｍ×厚さ０．５ｍｍ）を使用し、中央部には孔（φ９０ｍｍ）を開け、容器の縁部に重ねた。
容器下面固定板の下面から上面方向へ高さ１０ｃｍのボルト（Ｍ６）を３箇所挿通し、容器下面固定板の上面に容器を載置し、シートにさらに弾性部材を重ねた。その後、３箇所のボルトを貫通孔に通しつつシート上面固定板を弾性部材の上に重ねた。最後に、３箇所のボルトをナットによって締結し、一対の固定板によってシートを狭持した。
【００５６】
（インフラサウンド測定装置の作製）
上記したように作製したインフラサウンド検出部を、ＡＤボード（ＡＤＸ８５−１０００ＣＬ 株式会社サヤ製）及びパソコンからなる信号取り込み解析部と接続し、本発明に係るインフラサウンド測定装置とした。ＡＤボードの測定時に使用したレンジは16bit A/Dコンバータ±2.5Ｖレンジであり、サンプリング周波数は２００Ｈｚである。
【００５７】
（インフラサウンドの測定試験）
作製したインフラサウンド測定装置を高知工科大学キャンパス内に設置してインフラサウンドの測定を行った。測定装置は上蓋付きの有底ケース内に収容し、ケースの側面から放射状に延びるように、３ｍ長の小孔が無数にあいている８本の園芸用ポーラスパイプ（スプリンクラー用）を接続した。これらのパイプは、測定周波数域に比べ高周波や局所的な風などによるノイズをキャンセルするための構造的ローパスフィルタの役割を果たす。
【００５８】
測定は２００９年２月５日〜９日までの４日間行った。この期間の２月９日７時４６分頃に浅間山（群馬県と長野県の県境、標高２５６８ｍ）にてごく小規模な噴火が発生した。
図１６〜図１９に２００９年２月９日７時４５分５０秒〜同９時２５分５０秒までの計１００分間に測定された連続波形を時間順に示す。高周波の変動を除くため、２００サンプル（１秒間）の移動平均の波形（黄色又は白色の線）を併せて示した。波形後半の９時００分過ぎからの波型消失（測定レンジ±2.5Ｖを振り切っている）は、低気圧の接近によると推察される。
【００５９】
（考察）
浅間山は高知工科大学より直線距離にて５３６ｋｍ離れている。当日の天気状況に近い気温５℃における音速３３４．５５ｍ／ｓを仮定すると、７時４６分頃の噴火から２６．７分後の８時１２分過ぎに噴火によるインフラサウンドの到来が予想される。
図２０に到来予想時刻付近の８時９分５０秒〜８時１３分５０秒までの測定波形の拡大を示す。図２０には、環境ノイズとは異なる急峻波形と相対的に遅れてくる波形として、２つの空振と思われる波形（２箇所の矢印部分）を確認できる。また、同時間範囲内のパワースペクトラム（図２１参照）でも空振周波数（２箇所の矢印部分）を確認できる。
図２２には同時間範囲のダイナミックスペクトルを示し、図２３にはその周波数範囲０Ｈｚ〜１．５Ｈｚ部分を拡大したダイナミックスペクトル（左）とその２値化画像（右）を示す。
図２３のダイナミックスペクトルより、１Ｈｚ以下の周波数範囲にのみ本発明の測定装置の検出感度があることが確認できる。
先行の０．１５Ｈｚ帯の波は衝撃波、相対的に後ろにずれた０．０５Ｈｚ帯の波は膨張波とみることができる、この２つの空振は噴火による空振の可能性が高いと考えられる。
従って、本発明に係るインフラサウンド測定装置によれば、火山噴火により生じるインフラサウンド（空振）を測定できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るインフラサウンド測定装置は、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象を監視・測定するために好適に使用することができる。また、低周波振動センサとして環境計測のために、例えば高速鉄道等のトンネル突入時にトンネル出口側で発生する微気圧波、工場等周辺の低周波騒音の測定、大規模土砂災害等の監視のために好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ インフラサウンド検出部
２ 容器
３ シート
３１ シート表面（膜面）
４ 非接触型変位検出手段
４１ 投光部
４２ 受光部
４２４ 光位置検出素子
５ ピンホール
５０ 小孔
５１ 接続管
５２ 小径管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象によって励起されるインフラサウンドを測定するためのインフラサウンド測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、人間は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の周波数の音波を聞き取る能力を持っているといわれている。この周波数範囲の音を「可聴音」と呼び、この範囲を超えた音になると、人の耳で捉えることができなくなる。この可聴範囲外の音のうち、２０ｋＨｚ以上の高周波域の音を「ウルトラサウンド（超音波）」といい、２０Ｈｚ以下の低周波域の音を「インフラサウンド」という。
【０００３】
音波は高周波になるほど空気の粘性により強い減衰を受け、その減衰は周波数の２乗に反比例する。すなわち、１ｋＨｚの波が１ｍ伝わる時に受ける減衰は、０．１Ｈｚのインフラサウンドが１０万ｋｍ伝わる時に受ける減衰と同等であることから、インフラサウンドは空気の粘性による減衰を受けにくく長距離伝播を可能とする特性を持つ。
【０００４】
インフラサウンドは、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象によって励起されることが知られている。上記した長距離伝播の特性を利用して、近年、火山噴火活動の監視や、核実験の監視などといった広域的な監視のために、インフラサウンドの観測が活用されている。インフラサウンドの到来方向、速度を求めるには３つ以上のセンサを配することで１観測点だけから求めることも可能ではあるが、音波源を特定するためには１観測点では困難であり、複数のセンサを使用した観測点を多地点に配置し総合的に音波源を特定することを必要とする。
【０００５】
インフラサウンドを測定するための技術として、特許文献１には、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させた低周波用コンデンサマイク型センサが提案されている。この低周波用コンデンサマイク型センサは、微小差の圧力を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能を有し、通常使用されるセラミックを利用した微気圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、微小な圧力を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、低周波用コンデンサマイク型センサは、１台がセンサ単体だけで非常に高額であるために多数設置することは困難である。それ故、多点観測を狙ったインフラサウンド測定センサとして使用するには適していない。安価なインフラサウンド測定センサが開発されれば、多点観測を狙った複数のセンサを設置することができ、多地点インフラサウンド観測網の確立を行い、自然環境下におけるインフラサウンドの計測並びに防災面で利用することができる。
【０００７】
上記したような実状に鑑みて、本願発明者らは、特願２００８−１３４７５０号において、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面に取り付けられた圧電素子（ピエゾフィルム等）からなるインフラサウンド測定センサを提案している。
【０００８】
このインフラサウンド測定センサは、単純な構成で従来のセンサと遜色ない感度を有する優れたものである。
しかしながら、このインフラサウンド測定センサでは、シート表面に圧電素子を接触させているため、シート表面に負荷がかかり、振動（微小圧力変動）を妨げる場合があることから、低周波領域における感度に限界があった。
また、経時的に生じるシート表面のアライメント不良により、圧電素子に静電容量が発生し、感度が低下するという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２８１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、簡単な構成で安価に提供することができるとともに、低周波領域において非常に優れた感度を有し、経年劣化も生じにくいインフラサウンド測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置に関する。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記非接触型変位検出手段が、前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることを特徴とする請求項１記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記受光部が、光位置検出素子を備えていることを特徴とする請求項２記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１４】
請求項４に係る発明は、前記容器には、ピンホールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されていることを特徴とする請求項４記載のインフラサウンド測定装置に関する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、開口部を有する容器と、該開口部を覆うように展張されたシートと、該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段とを備えているインフラサウンド測定装置であるから、インフラサウンドの到達によって容器周囲の圧力が変化し、容器内の圧力が変化しないことにより生じた差圧によって、シート表面（膜面）が上下に振動し、この振動による変位を非接触型変位検出手段により検出することにより、インフラサウンドを測定することができる。
そのため、優れた感度を有する装置を単純な構成で安価に提供することができ、火山噴火活動の監視等のために多地点にて複数台設置することが可能な有用性の高いインフラサウンド測定装置となる。
しかも、シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段を備えていることから、シート表面に負荷がかかって振動（微小圧力変動）を妨げることがなく、低周波領域における感度を優れたものとすることができる。また、経時的に生じるシート表面のアライメント不良等によって感度が低下することがなく、長期間に亘って優れた性能を発揮することができる。
【００１７】
請求項２に係る発明によれば、前記非接触型変位検出手段が、前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることから、シート表面の振動による変位を高感度で検出することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明によれば、受光部が光位置検出素子を備えていることから、受光部を簡易な構成で高感度なものとすることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明によれば、前記容器にピンホールが設けられていることから、インフラサウンド測定装置が測定可能な周波数を調節することができる。また、容器内に緩やかな温度変化等が生じ、容器内の圧力が緩やかに変化したとしても、ピンホールから圧力が抜けるため、シート表面が上下することがなく、ノイズを低減することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されているため、小径管を内径や長さの異なるものに交換することができ、検出周波数範囲を調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るインフラサウンド測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】インフラサウンド検出部の第一実施形態を示す図である。
【図３】容器にピンホールを設けた図である。
【図４】容器にピンホールを別の形態で設けた図である。
【図５】非接触型変位検出手段の構成を示す図である。
【図６】シートの表面の特性による反射光の挙動の違いを示す説明図である。
【図７】光位置検出素子の動作原理を示す断面構造図である。
【図８】受光面及びその入射位置換算の説明図である。
【図９】電流電圧変換回路の一例を示す回路図である。
【図１０】一般的な計装アンプの内部回路および動作原理を示す図である。
【図１１】非接触型変位検出手段の一例を示す回路図である。
【図１２】非接触型変位検出手段用の電源回路の一例を示す回路図である。
【図１３】光位置検出素子による方式（PSD方式）と一次元イメージセンサによる方式のスポット光量分布による誤差を示す図である。
【図１４】インフラサウンド検出部の第二実施形態を示す図である。
【図１５】インフラサウンド検出部の第二実施形態の分解構成図である。
【図１６】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（１番目）。
【図１７】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（２番目）。
【図１８】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（３番目）。
【図１９】本発明に係るインフラサウンド測定装置により測定された連続波形を時間順に示す図である（４番目）。
【図２０】インフラサウンド到来予想時刻付近の時間範囲の測定波形の拡大図である。
【図２１】図２０と同時間範囲内のパワースペクトラムである。
【図２２】図２０と同時間範囲のダイナミックスペクトルである。
【図２３】周波数範囲０Ｈｚ〜１．５Ｈｚ部分を拡大したダイナミックスペクトル（左）とその２値化画像（右）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係るインフラサウンド測定装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るインフラサウンド測定装置の全体構成を示す概略図である。
本発明に係るインフラサウンド測定装置は、インフラサウンドを検出するインフラサウンド検出部１と、インフラサウンド検出部１から出力された信号を取り込んで解析する信号取り込み解析部１０とからなる。
【００２３】
図２は、インフラサウンド検出部１の第一実施形態を示す図である。
インフラサウンド検出部１は、開口部２１を有する容器２と、開口部２１を覆うように展張されたシート３と、シート３の表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段４とを備えている。
【００２４】
容器２の形状は、開口部２１を有していれば特に限定されず、様々な形状のものを使用することができる。例えば、有底円筒形状のものや有底多角筒形状のものを使用することができるが、開口部２１にシート３を展張し易いため、図示のような有底円筒形状が好ましい。
図２では、開口部２１と底部２２の面積が略同一である寸胴形状の容器２を使用しているが、開口部２１の面積が広く、底部２２の面積が狭い形状でもよく、逆に、開口部２１が狭く底部２２が広い形状でもよい。
容器２の開口部２１には、図３に示す通り縁部２３が幅をもって設けられていることが好ましい。容器２とシート３が接触する面積を多くすることにより、シート３を容器２の開口部２１に展張し易くなり、容器２の密閉性をより向上させることができるためである。縁部２３の幅は１ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
【００２５】
容器２の材質としては、容器内外の圧力の変化により形状が変化して容積が変化することがないものを使用することができる。例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス、チタン、銅等の金属類、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ＡＢＳ樹脂等の硬質樹脂類等が好適に用いられる。一方、容器２の形状が容易に変化するもの、例えば可撓性を有する軟質樹脂等を使用した場合、容器内外の圧力の変化により容器自体が膨張、収縮をし、シート表面（膜面という場合がある）３１に圧力の変化が伝達されないことにより、インフラサウンドを測定できない可能性があるため好ましくない。
【００２６】
容器２は、断熱構造を有していることが好ましい。
容器２に断熱性が備えられることで、容器２外の温度が急激に変化したとしても、それに追随して容器２内の空気が急激に膨張、収縮してシート表面３１が上下に変位し、この変位が非接触型変位検出手段４により検出されるのを防止することができる。そのため、インフラサウンド測定装置１が検出するノイズを低減することが可能となる。
断熱構造としては、容器２を二重構造とすることが考えられる。また、容器２を断熱性の優れた素材から形成してもよい。
【００２７】
容器２の側面には、図３に示すようにピンホール５を設けることが好ましい。ピンホール５を設けることにより、インフラサウンド測定装置が測定可能な周波数を調節することができるからである。また、容器内に緩やかな温度変化等が生じ、容器内の圧力が緩やかに変化したとしても、ピンホール５から圧力が抜けるために、シート表面３１が上下することがないため、ノイズを低減することができる。
【００２８】
ピンホール５は、容器２に孔を開けて管を通し、管と容器２の壁面の隙間を接着剤等で密封固定することによって設けられる。容器２に開ける孔の大きさは、管の外径よりもひとまわり大きい程度である。管の材質は特に限定されず、金属や合成樹脂等様々なものを使用することができるが、安定性や耐久性の面から例えばステンレス管を使用することができる。管の内径、管の長さ等は、容器２の容積、インフラサウンド測定装置１に求められる検出感度、ノイズの低減等、その他様々な要因によって適宜設定される。例えば、インフラサウンド測定装置の感度を上げるためには、管の内径をより小さくし、ノイズを低減させる場合は、管の内径をより大きくする。また、管に撚った銅線等を挿入することによって、ピンホール５の見かけ上の内径（断面積）を事後的に減少させることができる。
【００２９】
図４は、ピンホール５を別の形態により設けた例を示す図である。
この形態において、ピンホール５は、一端部が容器２に設けられた小孔５０に連通するように接続された接続管５１と、この接続管５１の他端部に対して着脱可能に取り付けられた小径管５２とから構成されている
接続管５１は、気密性に優れた樹脂製チューブ等からなり、例えば点滴に使用される医療用の樹脂製チューブ等が好適に使用できる。接続管５１の長さ及び太さは特に限定されないが、例えば長さ１０〜２０ｃｍ、内径φ１〜５ｍｍのものが使用される。
接続管５１は、一端部が容器２の外面に対して気密に接続されており、他端部にはアタッチメント５３を介して小径管５２が着脱可能に接続されている。アタッチメント５３は、様々な太さの小径管５２を着脱可能に且つ気密に接続することが可能な公知の構造を有している。
小径管５２は、接続管５１よりも内断面積（内径）が小さいものであり、例えば注射針等を好適使用することができる。小径管５２の長さ及び太さは特に限定されないが、例えば長さ２０〜４０ｍｍ、内径φ０．５〜１．０ｍｍのものが使用される。
この構造では、容器２の内部は、小孔５０、接続管５１、アタッチメント５３、小径管５２を介して外部と連通する。
この構造によれば、接続管５１の長さにより外気との圧力調整にかかる時間を稼ぐことができる。そして、小径管５２が着脱可能であるため、小径管５２を内径や長さの異なるものに交換することができ、検出周波数範囲を調整することが可能となる。
【００３０】
シート３は、容器２の開口部２１を覆うように取り付けられ、容器２を密封するように展張されることにより膜面３１を形成する。インフラサウンドにより容器２内外の圧力が変化し、それに伴って膜面３１が上下する。図２では、シート２を容器２の側面においてガムテープ等の粘着テープ２６を使用することにより固定しているが、容器２の縁部２３で両面テープを使用することによりシート２を固定する方法や、容器２の側面において紐等によって縛って固定する方法、その他接着剤を使用することにより固定する方法等がある。
【００３１】
シート３の材質は、インフラサウンドにより膜面３１が上下するものであれば特に限定はされないが、硬質樹脂フィルム、軟質樹脂フィルム等の合成樹脂フィルムを使用することができ、アルミニウム箔等の金属シートも使用することができる。これらの中でも、アルミニウム蒸着塩化ビニルシート、アルミニウム蒸着ポリプロピレンシート等、市販の菓子の密封構造を維持する包装フィルムとして使用されているアルミニウム蒸着樹脂フィルムの同等品を用いるのが好ましい。シートの耐久性を向上させることができ、シートが破損するのを防止することができるからである。加えて、容器内の急激な温度変化を防止することができるからである。
【００３２】
非接触型変位検出手段４は、シート３の上方に配置され、シート３の表面（膜面３１）の振動による上下変位を非接触で検出する。
図５は、非接触型変位検出手段４の構成を示す図である。
非接触型変位検出手段４は、シート３の表面に対してスポット光を照射する投光部４１と、投光部４１から照射されてシート表面で反射又は散乱した光（反射光）を受光する受光部４２とから構成される。
【００３３】
投光部４１としては、半導体レーザ等のレーザポインタが好適に使用される。
投光部４１から照射されるスポット光は、シート３の表面３１において反射する。
このとき、シート３の表面の特性により反射光の挙動が異なる。
図６は、シート３の表面の特性による反射光の挙動の違いを示す説明図である。
シート３の表面に光沢が無い場合、（ａ）に示すように拡散反射成分が支配的になる。この場合、鏡面反射光が得られにくいため、スポット光を表面に対して垂直に照射して拡散反射光（散乱光）を受光部にて受光する方式（拡散反射方式）を採る。
シート３の表面に光沢がある場合や表面が鏡面である場合、（ｂ）に示すように正反射成分が支配的になる。この場合、スポット光を表面に対して斜め方向に照射して反射光を受光部にて直接受光する方式（正反射方式）を採る。
本発明においては、上記いずれの方式を採用してもよいが、拡散反射方式とする場合はシート３の表面を反射率が高い白色として白色面での拡散反射とすることが好ましい。
【００３４】
受光部４２は、フィルタ４２１と、マクロレンズ４２２と、コンバータレンズ４２３と、光位置検出素子４２４と、計装アンプ４２５を備えている。但し、フィルタ４２１は必要に応じて装着すればよく、必須ではない。
シート３の表面において反射した光は、フィルタ４２１、マクロレンズ４２２、コンバータレンズ４２３を順次通過した後、光位置検出素子４２４の受光面において結像しスポットを形成する。
【００３５】
光位置検出素子４２４は、反射してきたスポット光の位置を検出できる位置検出半導体素子（Position Sensitive Device：PSD）である。
光位置検出素子４２４の基本構造は、１つの接合面をもつPIN構造となっている。
図７は、光位置検出素子４２４の動作原理を示す断面構造図である。
接合面は比較的大きく（例えば１ｍｍ×３ｍｍ）、均一な面状の接合層の受光面であるＰ層両端に一対の光電流取り出し電極（Ｘ１，Ｘ２）が形成されている。また裏面のＮ層には共通電極が形成されている。
受光面にスポット光が当たると電荷が生成されて光電流として両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）に到達し、この光電流はスポット光（入射光）の位置より電極（Ｘ１，Ｘ２）までの距離に逆比例して分割されて両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）より出力される。出力される電流値（ＩＸ１，ＩＸ２）はスポット光の重心位置に応じた電流値であり、電極（Ｘ１，Ｘ２）から取り出された電流は必要な演算を行うことにより、スポット光の位置に比例したデータとして扱うことができる。
【００３６】
上述した動作原理の通り、光位置検出素子４２４に入射するスポット光の重心位置を検出するためには、両端の電極（Ｘ１，Ｘ２）より出力される光電流（ＩＸ１，ＩＸ２）について、電流電圧変換、差動増幅を行う回路が必要となる。このときの入射位置換算は下記（式１）により行うことができる。図８は受光面及びその入射位置換算の説明図である。
【００３７】
【００３８】
電流電圧変換回路としては、光電流のような微弱な電流を実用的な電圧信号に変換するオペアンプを用いたトランスインピーダンス方式の電流電圧変換回路が好適に使用される（図９参照）。
図９において、オペアンプの反転入力端子に入力される微弱な電流Ｉは、全て帰還抵抗Ｒｆを通じてオペアンプの出力側へと流れ、帰還抵抗には−Ｉ×Ｒｆの電圧が発生する。この場合、トランスインピーダンスゲインの絶対値はＲｆの値と等しくなる。
【００３９】
差動増幅回路としては、差動入力でシングルエンド出力をもった閉ループ・ゲインブロックである計装アンプ（instrumentation amplifier）が好適に使用される。図１０に一般的な計装アンプの内部回路図および動作原理を示す。
計装アンプ回路の入力バッファは対称な２つのオペアンプであり、入力電圧は単位利得のみをとる。後段では各バッファからの出力を差動増幅回路で減算し、差分電圧だけが出力されて同相電圧は遮断される。通常、計装アンプはパッケージに内蔵される帰還抵抗ネットワークと１個の外付け利得設定抵抗Rｇから構成される。これはオペアンプと異なり一体構造として構成されたチップである。
【００４０】
上述したようにスポット光の重心位置に応じた光電流が光位置検出素子４２４から出力され、この光電流は上記したトランスインピーダンス方式の電流電圧変換回路により電圧に変換される。図１１は非接触型変位検出手段４の一例を示す回路図であり、図１２は非接触型変位検出手段４用の電源回路の一例を示す回路図である。
【００４１】
光位置検出に対しては光位置検出素子４２４の分解能は高い（理論的には無限小である）。しかし、実際の入射位置と差動演算で求められる位置についてはシート表面の状態によっては誤差が大きくなる。但し、ここで求められる入射位置は光束の大きさや形状、光量に影響されない。また光スポットのピントが合っていなくても検出面範囲内で一様に拡がっている場合、位置検出に影響はない。
しかし、光位置検出素子４２４では光スポット全体の光量重心位置のみの情報しか得られないため、真の入射位置との誤差が生じやすい。従って、真の入射位置との誤差を小さくするために、受光部４２に用いる受光素子として光位置検出素子４２４に代えて一次元イメージセンサ（ＣＣＤ等）を使用してもよい。
一次元イメージセンサは、光位置検出素子に比べて分解能に制限があるが、セルごとの受光量を検出することができるため、シート表面の色むらや表面状態の影響を受けずに正確に光量のピーク位置と光量分布を検出することができる。
図１３に光位置検出素子による方式（PSD方式）と一次元イメージセンサによる方式のスポット光量分布による誤差を示す。
【００４２】
信号取り込み解析部１０は、インフラサウンド検出部１から出力された信号が入力されるＡＤボード１０１と、ＡＤボード１０１によりＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を取り込むパソコン１０２とからなる。パソコン１０２では、ソフトウェアによって取り込まれたデータを相関解析し、インフラサウンドの到来方向と速度を計算して、インフラサウンド測定結果を得る。
【００４３】
図１４はインフラサウンド検出部１の第二実施形態を示す図であり、図１５はその分解構成図（非接触型変位検出手段は省略）である。
第二実施形態のインフラサウンド検出部１は、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２によって挟持されている。以下、第二実施形態について説明を行うが、第一実施形態と同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４４】
固定板６は、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２とが対になっている。
固定板６には、容器２の近傍であって、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の夫々対応する位置に複数の貫通孔６３が形成されている。図１５では３箇所の貫通孔６３がシート上面固定板６１と容器下面固定板６２に夫々に設けられているが、３箇所に限定されず４箇所以上でもよい。一方、２箇所以下であると、容器２を密封しにくくなるため好ましくない。
シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の貫通孔６３にボルト７を挿通し、ナット８で上下から締結することにより、容器２とシート３が図１４に示す通りシート上面固定板６１と容器下面固定板６２とにより狭持される。シート上面固定板６１と容器下面固定板６２をボルト７とナット８により締め付けることで容器２とシート３との間をより確実に密封することができる。
【００４５】
容器２とシート３との間には、図１５に示す通り、さらにドーナツ形の密封用パッキン３２が設けられていることが好ましい。シート３と容器２との間に隙間が形成されるのを防止することができ、シート３と容器２をより確実に密封することができるからである。
シート３と容器２との間を確実に密封することにより、容器内の空気が容器外へ漏れることを防止することができ、容器内の圧力に対する容器外の空気圧の変化を確実に膜面３１に伝達することができ、インフラサウンド検出部の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
容器２と密封用パッキン３２との間の縁部２３（図３参照）に、グリスやワセリン等を塗布することが好ましい。密封用パッキン３２と容器２との間をより確実に密封することができるからである。
【００４７】
シート上面固定板６１には、容器２の開口部２１において、容器２の開口部２１の外縁部２４（図３参照）より一回り小さい切り抜き孔６４が設けられている。これにより、シート上面固定板６１が膜面３１と接触せず、膜面３１が上下するときにシート上面固定板６１の存在によりその動きが妨げられることがない。また、容器２の開口部２１の縁部２３とシート上面固定板６１によりシート３が挟持されるため、容器２とシート３との間を密封することができる。
一方、容器２の開口部２１の外縁部２４よりも切り抜き孔６４が大きい場合は、開口部２１の面積が広く、底部２２の面積が狭いコップ状の容器２を使用した時にはシート上面固定板６１と容器下面固定板６２によって容器２とシート３を挟持することができず、好ましくない。
【００４８】
切り抜き孔６４は、容器２の開口部２１の内縁部２５（図３参照）より一回り大きいことが好ましい。シート上面固定板６１がシート３を密封しつつ膜面３１をより広く確保することができ、インフラサウンド検出部１の感度を向上させることができるからである。
【００４９】
シート３とシート上面固定板６１との間には、図１５に示すように、ドーナツ形の弾性部材３３が設けられていることが好ましい。弾性部材３３が設けられていることにより、上面に配置された固定板に切り抜き孔を開けた場合にバリ等が発生したとしても、固定板によって容器とシートを挟持したときにバリの部分が弾性部材で吸収され、寸法誤差を防止することができる。また、シートと固定板が直接接触することがないため、シートが破損するのを防止することができる。
弾性部材３３の材質としては、天然樹脂、合成樹脂等を用いることができる。
尚、シート上面固定板６１に切り抜き孔６４を設ける際に、バリ等が発生せず、または発生したとしてもやすりがけ等により除去し、シート３を損傷する可能性がない場合は、当該弾性部材３３を省略することができる。
【００５０】
密封用パッキン３２、弾性部材３３にはシート上面固定板６１に設けられた切り抜き孔６４と同一の孔が設けられる。
シート３、密封用パッキン３２、弾性部材３３の容器２の開口部２１の縁部２３からはみ出る部分については、切り取ってもよいし、そのままにしてもよい。
【００５１】
上記第二実施形態について、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２をボルト７とナット８とによって狭持する形態について説明を行ったが、挟持する手段はボルトとナットには限定されず、例えば、固定板６にはボルト７用の貫通孔６３は設けず、シート上面固定板６１と容器下面固定板６２の端部において複数箇所を万力によって狭持することもできる。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明の実施例を示すことにより本発明の効果を明確とするが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５３】
（インフラサウンド検出部の作製）
容器として、開口部φ１００ｍｍ×高さ１１０ｍｍ、容積１×１０６ｍｍ３のステンレス製の有底円筒状容器を使用し、その外周に断熱用のウレタンを巻き付けた。容器の側面の高さ２ｃｍの位置にピンホール用の孔を開けた。このピンホール用の孔に医療用注射針（テルモ注射針22Ｇ 1’1/2（φ0.70ｍｍ×37ｍｍ））を差し込んでピンホールとした。
【００５４】
シートとして、市販のアルミニウムが蒸着されたポリプロピレンシートを使用し、容器の開口部を覆う程度の大きさに切断した。密封用パッキンは、通常のゴム板（縦１０ｃｍ×横１０ｃｍ×厚さ０．５ｍｍ）を使用した。中央部には孔（φ９０ｍｍ）を開け、シートと同一の大きさに切断することにより確実に密封用パッキンが容器の縁部に重なるようにした。
容器の縁部に密封用パッキンを重ね、その上にシートを重ね、シートの上方に図５に示すように非接触型変位検出手段を配置した。投光部としては半導体レーザからなる赤色レーザポインタ（LM−１０２／１０１−Ａ２ WENTA ELECTRONIC社製）を使用し、光位置検出素子としては一次元ＰＳＤ素子（Ｓ３９７９ 浜松ホトニクス社製）を使用した。光位置検出素子に接続される回路は、図９〜図１２に示した構造のものを使用した。
【００５５】
固定板として、縦１５ｃｍ×横１５ｃｍのアルミ板を２枚使用した。シート上面固定板は厚み３ｍｍ、容器下面固定板は厚み５ｍｍとした。固定板同士を重ね合わせて、容器を中心として容器と重ならない位置に、１２０°間隔で３箇所、ボルト用の６ｍｍの孔を開けた。シート上面固定板には切り抜き孔（φ９０ｍｍ）を開けた。
弾性部材として通常のゴム板（縦１０ｃｍ×横１０ｃｍ×厚さ０．５ｍｍ）を使用し、中央部には孔（φ９０ｍｍ）を開け、容器の縁部に重ねた。
容器下面固定板の下面から上面方向へ高さ１０ｃｍのボルト（Ｍ６）を３箇所挿通し、容器下面固定板の上面に容器を載置し、シートにさらに弾性部材を重ねた。その後、３箇所のボルトを貫通孔に通しつつシート上面固定板を弾性部材の上に重ねた。最後に、３箇所のボルトをナットによって締結し、一対の固定板によってシートを狭持した。
【００５６】
（インフラサウンド測定装置の作製）
上記したように作製したインフラサウンド検出部を、ＡＤボード（ＡＤＸ８５−１０００ＣＬ 株式会社サヤ製）及びパソコンからなる信号取り込み解析部と接続し、本発明に係るインフラサウンド測定装置とした。ＡＤボードの測定時に使用したレンジは16bit A/Dコンバータ±2.5Ｖレンジであり、サンプリング周波数は２００Ｈｚである。
【００５７】
（インフラサウンドの測定試験）
作製したインフラサウンド測定装置を高知工科大学キャンパス内に設置してインフラサウンドの測定を行った。測定装置は上蓋付きの有底ケース内に収容し、ケースの側面から放射状に延びるように、３ｍ長の小孔が無数にあいている８本の園芸用ポーラスパイプ（スプリンクラー用）を接続した。これらのパイプは、測定周波数域に比べ高周波や局所的な風などによるノイズをキャンセルするための構造的ローパスフィルタの役割を果たす。
【００５８】
測定は２００９年２月５日〜９日までの４日間行った。この期間の２月９日７時４６分頃に浅間山（群馬県と長野県の県境、標高２５６８ｍ）にてごく小規模な噴火が発生した。
図１６〜図１９に２００９年２月９日７時４５分５０秒〜同９時２５分５０秒までの計１００分間に測定された連続波形を時間順に示す。高周波の変動を除くため、２００サンプル（１秒間）の移動平均の波形（黄色又は白色の線）を併せて示した。波形後半の９時００分過ぎからの波型消失（測定レンジ±2.5Ｖを振り切っている）は、低気圧の接近によると推察される。
【００５９】
（考察）
浅間山は高知工科大学より直線距離にて５３６ｋｍ離れている。当日の天気状況に近い気温５℃における音速３３４．５５ｍ／ｓを仮定すると、７時４６分頃の噴火から２６．７分後の８時１２分過ぎに噴火によるインフラサウンドの到来が予想される。
図２０に到来予想時刻付近の８時９分５０秒〜８時１３分５０秒までの測定波形の拡大を示す。図２０には、環境ノイズとは異なる急峻波形と相対的に遅れてくる波形として、２つの空振と思われる波形（２箇所の矢印部分）を確認できる。また、同時間範囲内のパワースペクトラム（図２１参照）でも空振周波数（２箇所の矢印部分）を確認できる。
図２２には同時間範囲のダイナミックスペクトルを示し、図２３にはその周波数範囲０Ｈｚ〜１．５Ｈｚ部分を拡大したダイナミックスペクトル（左）とその２値化画像（右）を示す。
図２３のダイナミックスペクトルより、１Ｈｚ以下の周波数範囲にのみ本発明の測定装置の検出感度があることが確認できる。
先行の０．１５Ｈｚ帯の波は衝撃波、相対的に後ろにずれた０．０５Ｈｚ帯の波は膨張波とみることができる、この２つの空振は噴火による空振の可能性が高いと考えられる。
従って、本発明に係るインフラサウンド測定装置によれば、火山噴火により生じるインフラサウンド（空振）を測定できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るインフラサウンド測定装置は、火山噴火や雷等の自然現象、核実験等の人工爆発現象を監視・測定するために好適に使用することができる。また、低周波振動センサとして環境計測のために、例えば高速鉄道等のトンネル突入時にトンネル出口側で発生する微気圧波、工場等周辺の低周波騒音の測定、大規模土砂災害等の監視のために好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ インフラサウンド検出部
２ 容器
３ シート
３１ シート表面（膜面）
４ 非接触型変位検出手段
４１ 投光部
４２ 受光部
４２４ 光位置検出素子
５ ピンホール
５０ 小孔
５１ 接続管
５２ 小径管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する容器と、
該開口部を覆うように展張されたシートと、
該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段と
を備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置。
【請求項２】
前記非接触型変位検出手段が、
前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、
該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることを特徴とする請求項１記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項３】
前記受光部が、光位置検出素子を備えていることを特徴とする請求項２記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項４】
前記容器には、ピンホールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項５】
前記ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されていることを特徴とする請求項４記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項１】
開口部を有する容器と、
該開口部を覆うように展張されたシートと、
該シート表面の振動による変位を非接触で検出する非接触型変位検出手段と
を備えていることを特徴とするインフラサウンド測定装置。
【請求項２】
前記非接触型変位検出手段が、
前記シート表面に対してスポット光を照射する投光部と、
該投光部から照射されてシート表面で反射又は散乱した光を受けて電気信号に変換する受光部とからなることを特徴とする請求項１記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項３】
前記受光部が、光位置検出素子を備えていることを特徴とする請求項２記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項４】
前記容器には、ピンホールが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のインフラサウンド測定装置。
【請求項５】
前記ピンホールが、一端部が前記容器に設けられた小孔に連通するように該容器外面に気密に接続された接続管と、該接続管の他端部に対して着脱可能に取り付けられた該接続管よりも内断面積が小さい小径管とから構成されていることを特徴とする請求項４記載のインフラサウンド測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−２６６３９２（Ｐ２０１０−２６６３９２Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１９５０４（Ｐ２００９−１１９５０４）
【出願日】平成２１年５月１８日（２００９．５．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年４月２７日 日本地球惑星科学連合発行の「日本地球惑星科学連合 ２００９年大会 予稿集」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１８日（２００９．５．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年４月２７日 日本地球惑星科学連合発行の「日本地球惑星科学連合 ２００９年大会 予稿集」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【Ｆターム（参考）】
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