流速計測装置
【課題】任意の位置の流体の３次元流速を測定する。
【解決手段】超音波を所定方向に向けて送信する３つの超音波流速計１０を位置が既知であって互いに別の位置に配置する。また、取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する少なくとも３つのマイクロフォン１２を設ける。超音波流速計１０の送信波の方向を変更して各超音波流速計１０から別の位置に配置された３つのマイクロフォン１２に向けて送信し、各マイクロフォン１２のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各超音波流速計１０においてそれぞれ検出し、各超音波流速計１０における法線方向と、方位角の基準方向を同定する。各超音波流速計１０からの送信波の方向を制御し、各超音波流速計１０からの送信波の反射波を同一の位置の超音波流速計１０において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出する。
【解決手段】超音波を所定方向に向けて送信する３つの超音波流速計１０を位置が既知であって互いに別の位置に配置する。また、取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する少なくとも３つのマイクロフォン１２を設ける。超音波流速計１０の送信波の方向を変更して各超音波流速計１０から別の位置に配置された３つのマイクロフォン１２に向けて送信し、各マイクロフォン１２のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各超音波流速計１０においてそれぞれ検出し、各超音波流速計１０における法線方向と、方位角の基準方向を同定する。各超音波流速計１０からの送信波の方向を制御し、各超音波流速計１０からの送信波の反射波を同一の位置の超音波流速計１０において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信によって、任意の場所の３次元の流速を検出する流速計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流速計測は、各種の場面でその必要があるが、例えば船の船尾付近の流体計測は船体設計などの上で重要である。この船体後部における流体計測については、例えば次のようなものが知られている。
【０００３】
「５孔管による方法」
非特許文献１では、５孔管によって長さ１６７ｍの貨物船の実船船尾の流場計測を実施している。そこでは、５孔管を多数並べた櫛形の架台をスイングさせることにより扇型で覆われる面内の流速分布を計測している。また、非特許文献２では、長さ３００ｍのタンカー船尾に櫓を取り付け、そこに５孔管をあらかじめ配置して流場を計測している。
【０００４】
この５孔管による方法では、５孔管に流体を流入させて流速を計測するため、この５孔管の支持のための構造などが流体流れをせき止め、この影響が無視できない場合も多い。また、５孔管の支持構造なども大きくなり、コストが高くなりやすい。
【０００５】
「LDV(LASER Doppler Velocimetry)による方法」
レーザー光を照射し、反射光におけるドップラ効果を検出して流速を検出することも、例えば、非特許文献３、４，５に示されている。これら文献では、プロペラ上部の船底板に孔を開け、レーザー光をここから照射して、実船伴流分布を計測している。この方法では、船体に大がかりな改装工事が必要であること、レーザー装置が高価であることなどの問題がある。また、計測範囲は窓下方の扇形状の限られた範囲になってしまう。
【０００６】
【非特許文献１】Ogiwara S.,”Stern Flow Measurements for The Tanker”Ryko-Maru” in Model Scale, Intermediate Scale and Full Scale Ships”, Proc. CFD Workshop Tokyo 1994 Vol.1 (1994)
【非特許文献２】高橋肇他 : 実船における船尾流速分布の計測 -主として計測法について-西部造船会会報第42号、(1971)
【非特許文献３】Tanibayashi H., et al : Full-Scale LDV Measurements of Ship Stern Flow, Osaka Colloquium ‘91
【非特許文献４】Kux et al., : Correlation of Wake Measurements at Model and Full Scale Ship, 15th ONR Sympo.
【非特許文献５】Kuiper et al., : Propeller Inflow at Full Scale During a Manoeuvre, 24th SNH
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
タンカーなどの船体の後部などの流体の流速分布を効率的に計測する流速計測装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、取り付け位置が既知であって互いに別の位置に配置され、超音波を所定方向に向けて送信する少なくとも３つの送信手段と、取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する受信手段であって、少なくとも３つは前記３つの送信手段とそれぞれ同一の位置に配置される少なくとも４つの受信手段と、各送信手段の送信波の方位角および仰角をそれぞれ変更する少なくとも３つの方向制御装置と、を含み、前記方向制御手段により送信波の方向を変更して各送信手段から別の位置に配置された少なくとも３つの前記受信手段に向けて送信するとともに、各受信手段のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各送信手段においてそれぞれ検出することで、各送信手段における法線方向と、方位角の基準方向を同定し、各送信手段からの送信波の方向を制御し、各送信手段からの送信波の反射波を同一の位置の受信手段において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記受信手段を送信手段と同一の位置に設けられるものの他に３つ設け、この３つを位置同定のため専用に用い、同一の位置に設けられる送信手段と受信手段のペアを流体速度検出専用に用いることが好適である。
【００１０】
また、前記送信手段を４つ設け、そのすべてを前記受信手段とそれぞれ同一の位置に設けることが好適である。
【００１１】
また、前記送信手段および受信手段は、船体の後部であって、水中においてスクリューが見通せる位置に配置され、スクリューの流入部近傍の任意位置の３次元の流速を検出することが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、任意の位置の３次元の流速を非接触で検出することができる。そこで、船のスクリュー近傍の流速分布などを効果的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に概略構成を示す図である。
【００１４】
３つの超音波送受信機を内蔵する超音波流速計１０（１０−１，１０−２，１０−３）が予め定められた位置に設置される。この３つの超音波流速計１０−１〜１０−３は、流速分布を測定したい位置が見通せる位置に配置する。例えば、船体後部のスクリューの前方近傍の流速分布を測定する場合であれば、図２に示すように、スクリューの前方の船体後部に互いに離れた位置に超音波流速計１０を配置する。この図２は、船底を下方から見た図であり、この例では、６つの超音波流速計１０−１〜１０−６が設けられており、超音波流速計１０−１〜１０−３は、進行方向右側に配置され、超音波流速計１０−４〜１０−６は、進行方向左側に配置されており、それぞれスクリュー前方右側および前方左側の流速分布の測定を行う。
【００１５】
また、３つの超音波流速計１０−１〜１０−３から見通せる位置の船底上には、超音波受信機として動作するマイクロフォン１２（１２−１〜１２−３）が互いに離れて配置されている。
【００１６】
図３には、超音波流速計１０の構成を示してある。このように、船底などに取り付けられる取り付け台２０の上には、水平方向に回転自在な水平回転台２２が配置される。水平回転台２２の上には、仰角設定装置２４が取り付けられ、この仰角設定装置２４に超音波送受信機２６が仰角方向設定自在に配置される。超音波送受信機２６は、１つの超音波ビームを１方向に向けて送信するもので、入射してくる超音波を受信する超音波受信機も備えている。この例では、方位角φ、仰角θとして、これらは水平回転台２２，仰角設定装置２４において設定する。なお、水平回転台２２，仰角設定装置２４は、ステッピングモータなどによって、回転駆動量を制御して、方位角（水平角）φ、仰角θを設定するが、その他の構成をとってもよい。このように、本実施形態の超音波流速計１０は、超音波送受信機２６の取り付け台２０に対する仰角と方位角を任意に設定することができ、これによって取り付け台２０の面上の任意の方向に超音波ビームを向けられる。すなわち、超小型天文台のようなものである。
【００１７】
超音波送受信機２６は、超音波を１方向に発射し、その方向に存在する微小物体に反射して帰ってくる反射波を受信する。そして、ドップラシフトによる、送信した超音波と受信した超音波の周波数のずれから、超音波送信方向の速度の分布を計測する。このような超音波式の流速計は各種実用化されており、適宜選択して利用することができる。
【００１８】
ここで、超音波流速計１０の法線方向および方位角の基準の同定について説明する。まず、３つの超音波流速計１０を船底上などの所定の位置に取り付ける。従って、船底を基準とした座標計において、各流速計の位置は既知である。図１では、３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３の位置をそれぞれ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）とする。また、３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３も船底上の所定位置に取り付け、この位置をそれぞれ（ｐ１，ｑ１，ｒ１）、（ｐ２，ｑ２，ｒ２）、（ｐ３，ｑ３，ｒ３）とする。
【００１９】
そして、各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ超音波ビームを送信し、マイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３における受信強度を計測する。どのような順番で各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ超音波ビームを送信するかは任意であるが、各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３について、各マイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３での受信強度が最大となる方位角φ、仰角θを検出する。例えば、１つの超音波流速計１０から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ順に超音波ビームを向けそれぞれのマイクロフォン１２において、受信強度が最大となる方位角φ、仰角θを検出する。
【００２０】
このようにして、１つの超音波流速計１０を位置の異なる３つのマイクロフォンに向け、もっとも受信感度が高くなるときの方位角φと仰角θを検出する。これによって、取り付け位置が既知の３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３の向きについて３つの方位角φおよび仰角θがわかるので、これから幾何学を用いることで、超音波流速計１０の法線ベクトルおよび方位角の基準方向が同定される。これを３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３について繰り返すことで、各超音波流速計１０について、その法線ベクトルと方位角の基準方向を同定することができる。
【００２１】
このように、各超音波流速計１０法線ベクトルおよび方位角の基準方向が同定されると、計測したい点の座標を指定すれば、各超音波流速計１０に対して方位角φ、仰角θ、および超音波流速計１０と計測点までの距離が幾何学的に計算できるので、３つの超音波流速計１０により、任意の位置における３つの超音波ビーム方向の速度成分が計測される。従って、得られた３つの方向の速度成分を座標変換することで直角座標系における速度３成分が求まる。
【００２２】
本実施形態によれば、３つの超音波流速計１０により、３つの超音波ビームを送信した方向に沿う方向の速度成分を、それぞれの超音波ビームに沿った線上の分布として計測する。従って、３つ以上の位置に設置された超音波流速計１０から、計測点に向けて放射されて得たデータを解析することにより、その点の速度３成分を求めることができる。
【００２３】
また、天文台形式の方位角、仰角の制御機構を有する超音波流速計１０は、比較的小型であり、これを船底に取り付けても、流体流れに対する影響はほとんどない。取り付け台２０の船底への取り付けは、溶接などで容易に行える。また、マイクロフォン１２についても同様にして船底に取り付けることができる。超音波流速計１０は、水中において正確な流速測定が行え、船底に取り付けるものとして好適である。超音波流速計１０、マイクロフォン１２への電源供給や、信号の伝達は、船体に沿ってケーブルを設置することで容易に行えるが、電池や無線を利用してもよい。なお、無線は、船体を通過することができないため、適当な中継局を設置するとよい。
【００２４】
超音波流速計１０は、なるべく離して配置することが好適であり、特に計測したい場所を異なる方向から見る位置とすることが好適である。これによって、流速についての直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）方向の成分を効率的に取り出すことができる。また、マイクロフォン１２もなるべく離して配置した方が位置同定の精度を上げられる。さらに、船底は、曲面であり、各超音波流速計１０を３つのマイクロフォン１２と同一平面上でない場所に配置することは容易である。タンカーなどの船は、通常１００ｍを超える船体を有しており、超音波流速計１０などを十分離して設置することは容易である。
【００２５】
なお、３以上の多数の超音波流速計１０を設置することで、ある計測点における流速を計測する場合、多数の超音波流速計１０から最適な３台を取り出して計測することにより精度を高めることができる。
【００２６】
また、超音波帯域（高い周波数帯域）のマイクロフォンは高価になる場合がある。このため、超音波流速計１０をマイクロフォン１２に代えて利用することも出来る。これによって、最低４個の超音波流速計１０を用意するだけで位置特定が可能となり、より経済的なシステムとなる。すなわち、１つの超音波流速計１０の法線方向および方位角基準の同定の際に、他の３つの超音波流速計１０をマイクロフォン１２として用いればよい。また、同定終了後は４つの超音波流速計１０を利用して、流速分布の測定を行うことができる。
【００２７】
「超音波流速計１０の法線方向および方位角の基準」
ここで、超音波流速計１０の法線方向および方位角に基準の算出について説明する。まず、既知の情報は以下の通りである。
・超音波流速計１０の位置：Ｘ＝（ｘ，ｙ，ｚ）
【００２８】
なお、以下において、他のベクトルについても大文字で示す。３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３の位置をそれぞれＸ１，Ｘ２，Ｘ３とするが、ここでは１つの超音波流速計１０についての法線ベクトルＮおよび方位角基準方向ベクトルＬを求めるため、流速計位置Ｘを考える。
・マイクロフォン１２の位置：Ｐｋ＝（ｐｋ，ｑｋ，ｒｋ）（ｋ＝１，２，３）
【００２９】
なお、超音波流速計１０、マイクロフォン１２の位置としては、Ｐ１−Ｘ， Ｐ２−Ｘ，Ｐ３−Ｘが一次独立であるように選ぶものとする。換言すれば超音波流速計１０が３つのマイクロフォン１２のなす平面に乗らないということで、これを条件(c)と呼ぶことにする。
・位置Ｘにある超音波流速計１０から見たマイクロフォン１２の方向：（θｋ，φｋ）（ｋ＝１，２，３）
ここで、０≦θｋ≦π，−π≦φｋ≦π にとる。
【００３０】
このとき、超音波流速計１０の方位の基準単位ベクトルＮ（θ＝０），Ｌ（θ＝π／２，φ＝０）を求める。Ｎが超音波流速計１０の法線方向を示す法線単位ベクトル、Ｌが方位角の基準方向の単位ベクトルである。
【００３１】
Ｎは幾何学的考察から、
Ｎ＝Ｍ±√（１−｜Ｍ｜２Ｃ） (1)
で与えられる。
【００３２】
ただし、各変数ベクトル、変数は、
Ｍ＝ａ１Ｕ１＋ａ２Ｕ２、Ｕｋ＝Ｐｋ−Ｘｋ、ａｋ＝（ｃｏｓθｋ−ｃｏｓθ１２ｃｏｓθ３−ｋ）／（１−ｃｏｓ２θ１２）（ｋ＝１，２）、Ｕ１・Ｕ２＝ｃｏｓθ１２、Ｃ＝（Ｕ１×Ｕ２）／｜Ｕ１×Ｕ２｜で定義される。Ｕｋは、各マイクロフォンに向く単位ベクトルである。
【００３３】
上記(1)式の符号のどちらを選ぶかは第３のマイクロフォン１２−３からの情報で決める。すなわちｃｏｓθ３＝Ｎ・Ｕ３が成り立つように符号を選ぶのであるが、条件(c)からＣ・Ｕ３≠０となるので符号はただ一方に定まる。
【００３４】
また、Ｌは、
Ｌ＝Ｖ１ｃｏｓφ１±Ｎ×Ｖ１ｓｉｎφ１、ｃｏｓφ２＝Ｌ・Ｖ２ (2)
の条件から決定できる。Ｖｋは水平面内θ＝０における各マイクロフォン１２の方向を向く単位ベクトルである。
【００３５】
ただし、Ｗｋ＝Ｕｋ−（Ｕｋ・Ｎ）Ｎ（ｋ＝１，２，３）、Ｖｋ＝Ｗｋ／｜Ｗｋ｜である。
【００３６】
このようにして、基準ベクトルＮ，Ｌが求まり、超音波流速計１０の法線方向Ｎ、方位角の基準方向Ｌが決定される。
【００３７】
なお、各ベクトルの方向は、図４および図５に示すとおりである。
【００３８】
「任意位置Ｐに超音波流速計１０を向ける」
このように、超音波流速計１０の方位（法線方向、方位角の基準法孔）が定まる。少なくとも３つの超音波流速計１０について、その方位を定めた場合には、３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３からの超音波ビームが任意の位置Ｐ＝（ｐ，ｑ，ｒ）を向くように 仰角および方位角（θ，φ）を決める。
【００３９】
θは、Ｕ＝（Ｐ−Ｘ）／｜Ｐ−Ｘ｜ とおいて、
θ＝ｃｏｓ−１（Ｕ・Ｎ） (3)
となる。なお、ｃｏｓ−１の値は０≦θ≦πの範囲でとるものとする（以下同様)。
【００４０】
また、φは、Ｖ＝（Ｕ−（Ｕ・Ｎ）Ｎ）／｜（Ｕ−（Ｕ・Ｎ）Ｎ）｜とすると、
φ＝±ｃｏｓ−１（Ｖ・Ｌ） (4)
となる。
【００４１】
この符号を定めるには、Ｎ，Ｌが定める平面Πに関してこの平面上にないいずれかのマイクロフォン１２と同じ側にあるか逆側にあるかを調べればよい。
【００４２】
具体的には、
φ１＝sgn（φ，φ１）・sgn（１，［（Ｎ×Ｌ）・Ｖ１］・［（Ｎ×Ｌ）・Ｖ］） (5)
を満たすように符号を決める。ただし、ここでsgn（α，β）はαの絶対値にβの符号をつけたものを表す関数とする。
【００４３】
このようにして、各超音波流速計１０において、それぞれの法線方向および方位角の基準方向が決定されていれば、任意の点に対する仰角θおよび方位角φが決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態の概念構成を示す図である。
【図２】船底への流速計取り付け位置を示す図である。
【図３】流速計の構成を示す図である。
【図４】各ベクトルの方向を示す図である。
【図５】方位角および仰角と、各ベクトルの関係を示す図である。
【図６】方位角方向の各ベクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 流速計、１２ マイクロフォン、２０ 取り付け台、２２ 水平回転台、２４ 仰角設定装置、２６ 超音波送受信機。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信によって、任意の場所の３次元の流速を検出する流速計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流速計測は、各種の場面でその必要があるが、例えば船の船尾付近の流体計測は船体設計などの上で重要である。この船体後部における流体計測については、例えば次のようなものが知られている。
【０００３】
「５孔管による方法」
非特許文献１では、５孔管によって長さ１６７ｍの貨物船の実船船尾の流場計測を実施している。そこでは、５孔管を多数並べた櫛形の架台をスイングさせることにより扇型で覆われる面内の流速分布を計測している。また、非特許文献２では、長さ３００ｍのタンカー船尾に櫓を取り付け、そこに５孔管をあらかじめ配置して流場を計測している。
【０００４】
この５孔管による方法では、５孔管に流体を流入させて流速を計測するため、この５孔管の支持のための構造などが流体流れをせき止め、この影響が無視できない場合も多い。また、５孔管の支持構造なども大きくなり、コストが高くなりやすい。
【０００５】
「LDV(LASER Doppler Velocimetry)による方法」
レーザー光を照射し、反射光におけるドップラ効果を検出して流速を検出することも、例えば、非特許文献３、４，５に示されている。これら文献では、プロペラ上部の船底板に孔を開け、レーザー光をここから照射して、実船伴流分布を計測している。この方法では、船体に大がかりな改装工事が必要であること、レーザー装置が高価であることなどの問題がある。また、計測範囲は窓下方の扇形状の限られた範囲になってしまう。
【０００６】
【非特許文献１】Ogiwara S.,”Stern Flow Measurements for The Tanker”Ryko-Maru” in Model Scale, Intermediate Scale and Full Scale Ships”, Proc. CFD Workshop Tokyo 1994 Vol.1 (1994)
【非特許文献２】高橋肇他 : 実船における船尾流速分布の計測 -主として計測法について-西部造船会会報第42号、(1971)
【非特許文献３】Tanibayashi H., et al : Full-Scale LDV Measurements of Ship Stern Flow, Osaka Colloquium ‘91
【非特許文献４】Kux et al., : Correlation of Wake Measurements at Model and Full Scale Ship, 15th ONR Sympo.
【非特許文献５】Kuiper et al., : Propeller Inflow at Full Scale During a Manoeuvre, 24th SNH
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
タンカーなどの船体の後部などの流体の流速分布を効率的に計測する流速計測装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、取り付け位置が既知であって互いに別の位置に配置され、超音波を所定方向に向けて送信する少なくとも３つの送信手段と、取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する受信手段であって、少なくとも３つは前記３つの送信手段とそれぞれ同一の位置に配置される少なくとも４つの受信手段と、各送信手段の送信波の方位角および仰角をそれぞれ変更する少なくとも３つの方向制御装置と、を含み、前記方向制御手段により送信波の方向を変更して各送信手段から別の位置に配置された少なくとも３つの前記受信手段に向けて送信するとともに、各受信手段のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各送信手段においてそれぞれ検出することで、各送信手段における法線方向と、方位角の基準方向を同定し、各送信手段からの送信波の方向を制御し、各送信手段からの送信波の反射波を同一の位置の受信手段において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記受信手段を送信手段と同一の位置に設けられるものの他に３つ設け、この３つを位置同定のため専用に用い、同一の位置に設けられる送信手段と受信手段のペアを流体速度検出専用に用いることが好適である。
【００１０】
また、前記送信手段を４つ設け、そのすべてを前記受信手段とそれぞれ同一の位置に設けることが好適である。
【００１１】
また、前記送信手段および受信手段は、船体の後部であって、水中においてスクリューが見通せる位置に配置され、スクリューの流入部近傍の任意位置の３次元の流速を検出することが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、任意の位置の３次元の流速を非接触で検出することができる。そこで、船のスクリュー近傍の流速分布などを効果的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に概略構成を示す図である。
【００１４】
３つの超音波送受信機を内蔵する超音波流速計１０（１０−１，１０−２，１０−３）が予め定められた位置に設置される。この３つの超音波流速計１０−１〜１０−３は、流速分布を測定したい位置が見通せる位置に配置する。例えば、船体後部のスクリューの前方近傍の流速分布を測定する場合であれば、図２に示すように、スクリューの前方の船体後部に互いに離れた位置に超音波流速計１０を配置する。この図２は、船底を下方から見た図であり、この例では、６つの超音波流速計１０−１〜１０−６が設けられており、超音波流速計１０−１〜１０−３は、進行方向右側に配置され、超音波流速計１０−４〜１０−６は、進行方向左側に配置されており、それぞれスクリュー前方右側および前方左側の流速分布の測定を行う。
【００１５】
また、３つの超音波流速計１０−１〜１０−３から見通せる位置の船底上には、超音波受信機として動作するマイクロフォン１２（１２−１〜１２−３）が互いに離れて配置されている。
【００１６】
図３には、超音波流速計１０の構成を示してある。このように、船底などに取り付けられる取り付け台２０の上には、水平方向に回転自在な水平回転台２２が配置される。水平回転台２２の上には、仰角設定装置２４が取り付けられ、この仰角設定装置２４に超音波送受信機２６が仰角方向設定自在に配置される。超音波送受信機２６は、１つの超音波ビームを１方向に向けて送信するもので、入射してくる超音波を受信する超音波受信機も備えている。この例では、方位角φ、仰角θとして、これらは水平回転台２２，仰角設定装置２４において設定する。なお、水平回転台２２，仰角設定装置２４は、ステッピングモータなどによって、回転駆動量を制御して、方位角（水平角）φ、仰角θを設定するが、その他の構成をとってもよい。このように、本実施形態の超音波流速計１０は、超音波送受信機２６の取り付け台２０に対する仰角と方位角を任意に設定することができ、これによって取り付け台２０の面上の任意の方向に超音波ビームを向けられる。すなわち、超小型天文台のようなものである。
【００１７】
超音波送受信機２６は、超音波を１方向に発射し、その方向に存在する微小物体に反射して帰ってくる反射波を受信する。そして、ドップラシフトによる、送信した超音波と受信した超音波の周波数のずれから、超音波送信方向の速度の分布を計測する。このような超音波式の流速計は各種実用化されており、適宜選択して利用することができる。
【００１８】
ここで、超音波流速計１０の法線方向および方位角の基準の同定について説明する。まず、３つの超音波流速計１０を船底上などの所定の位置に取り付ける。従って、船底を基準とした座標計において、各流速計の位置は既知である。図１では、３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３の位置をそれぞれ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）とする。また、３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３も船底上の所定位置に取り付け、この位置をそれぞれ（ｐ１，ｑ１，ｒ１）、（ｐ２，ｑ２，ｒ２）、（ｐ３，ｑ３，ｒ３）とする。
【００１９】
そして、各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ超音波ビームを送信し、マイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３における受信強度を計測する。どのような順番で各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ超音波ビームを送信するかは任意であるが、各超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３について、各マイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３での受信強度が最大となる方位角φ、仰角θを検出する。例えば、１つの超音波流速計１０から３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３へ順に超音波ビームを向けそれぞれのマイクロフォン１２において、受信強度が最大となる方位角φ、仰角θを検出する。
【００２０】
このようにして、１つの超音波流速計１０を位置の異なる３つのマイクロフォンに向け、もっとも受信感度が高くなるときの方位角φと仰角θを検出する。これによって、取り付け位置が既知の３つのマイクロフォン１２−１，１２−２，１２−３の向きについて３つの方位角φおよび仰角θがわかるので、これから幾何学を用いることで、超音波流速計１０の法線ベクトルおよび方位角の基準方向が同定される。これを３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３について繰り返すことで、各超音波流速計１０について、その法線ベクトルと方位角の基準方向を同定することができる。
【００２１】
このように、各超音波流速計１０法線ベクトルおよび方位角の基準方向が同定されると、計測したい点の座標を指定すれば、各超音波流速計１０に対して方位角φ、仰角θ、および超音波流速計１０と計測点までの距離が幾何学的に計算できるので、３つの超音波流速計１０により、任意の位置における３つの超音波ビーム方向の速度成分が計測される。従って、得られた３つの方向の速度成分を座標変換することで直角座標系における速度３成分が求まる。
【００２２】
本実施形態によれば、３つの超音波流速計１０により、３つの超音波ビームを送信した方向に沿う方向の速度成分を、それぞれの超音波ビームに沿った線上の分布として計測する。従って、３つ以上の位置に設置された超音波流速計１０から、計測点に向けて放射されて得たデータを解析することにより、その点の速度３成分を求めることができる。
【００２３】
また、天文台形式の方位角、仰角の制御機構を有する超音波流速計１０は、比較的小型であり、これを船底に取り付けても、流体流れに対する影響はほとんどない。取り付け台２０の船底への取り付けは、溶接などで容易に行える。また、マイクロフォン１２についても同様にして船底に取り付けることができる。超音波流速計１０は、水中において正確な流速測定が行え、船底に取り付けるものとして好適である。超音波流速計１０、マイクロフォン１２への電源供給や、信号の伝達は、船体に沿ってケーブルを設置することで容易に行えるが、電池や無線を利用してもよい。なお、無線は、船体を通過することができないため、適当な中継局を設置するとよい。
【００２４】
超音波流速計１０は、なるべく離して配置することが好適であり、特に計測したい場所を異なる方向から見る位置とすることが好適である。これによって、流速についての直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）方向の成分を効率的に取り出すことができる。また、マイクロフォン１２もなるべく離して配置した方が位置同定の精度を上げられる。さらに、船底は、曲面であり、各超音波流速計１０を３つのマイクロフォン１２と同一平面上でない場所に配置することは容易である。タンカーなどの船は、通常１００ｍを超える船体を有しており、超音波流速計１０などを十分離して設置することは容易である。
【００２５】
なお、３以上の多数の超音波流速計１０を設置することで、ある計測点における流速を計測する場合、多数の超音波流速計１０から最適な３台を取り出して計測することにより精度を高めることができる。
【００２６】
また、超音波帯域（高い周波数帯域）のマイクロフォンは高価になる場合がある。このため、超音波流速計１０をマイクロフォン１２に代えて利用することも出来る。これによって、最低４個の超音波流速計１０を用意するだけで位置特定が可能となり、より経済的なシステムとなる。すなわち、１つの超音波流速計１０の法線方向および方位角基準の同定の際に、他の３つの超音波流速計１０をマイクロフォン１２として用いればよい。また、同定終了後は４つの超音波流速計１０を利用して、流速分布の測定を行うことができる。
【００２７】
「超音波流速計１０の法線方向および方位角の基準」
ここで、超音波流速計１０の法線方向および方位角に基準の算出について説明する。まず、既知の情報は以下の通りである。
・超音波流速計１０の位置：Ｘ＝（ｘ，ｙ，ｚ）
【００２８】
なお、以下において、他のベクトルについても大文字で示す。３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３の位置をそれぞれＸ１，Ｘ２，Ｘ３とするが、ここでは１つの超音波流速計１０についての法線ベクトルＮおよび方位角基準方向ベクトルＬを求めるため、流速計位置Ｘを考える。
・マイクロフォン１２の位置：Ｐｋ＝（ｐｋ，ｑｋ，ｒｋ）（ｋ＝１，２，３）
【００２９】
なお、超音波流速計１０、マイクロフォン１２の位置としては、Ｐ１−Ｘ， Ｐ２−Ｘ，Ｐ３−Ｘが一次独立であるように選ぶものとする。換言すれば超音波流速計１０が３つのマイクロフォン１２のなす平面に乗らないということで、これを条件(c)と呼ぶことにする。
・位置Ｘにある超音波流速計１０から見たマイクロフォン１２の方向：（θｋ，φｋ）（ｋ＝１，２，３）
ここで、０≦θｋ≦π，−π≦φｋ≦π にとる。
【００３０】
このとき、超音波流速計１０の方位の基準単位ベクトルＮ（θ＝０），Ｌ（θ＝π／２，φ＝０）を求める。Ｎが超音波流速計１０の法線方向を示す法線単位ベクトル、Ｌが方位角の基準方向の単位ベクトルである。
【００３１】
Ｎは幾何学的考察から、
Ｎ＝Ｍ±√（１−｜Ｍ｜２Ｃ） (1)
で与えられる。
【００３２】
ただし、各変数ベクトル、変数は、
Ｍ＝ａ１Ｕ１＋ａ２Ｕ２、Ｕｋ＝Ｐｋ−Ｘｋ、ａｋ＝（ｃｏｓθｋ−ｃｏｓθ１２ｃｏｓθ３−ｋ）／（１−ｃｏｓ２θ１２）（ｋ＝１，２）、Ｕ１・Ｕ２＝ｃｏｓθ１２、Ｃ＝（Ｕ１×Ｕ２）／｜Ｕ１×Ｕ２｜で定義される。Ｕｋは、各マイクロフォンに向く単位ベクトルである。
【００３３】
上記(1)式の符号のどちらを選ぶかは第３のマイクロフォン１２−３からの情報で決める。すなわちｃｏｓθ３＝Ｎ・Ｕ３が成り立つように符号を選ぶのであるが、条件(c)からＣ・Ｕ３≠０となるので符号はただ一方に定まる。
【００３４】
また、Ｌは、
Ｌ＝Ｖ１ｃｏｓφ１±Ｎ×Ｖ１ｓｉｎφ１、ｃｏｓφ２＝Ｌ・Ｖ２ (2)
の条件から決定できる。Ｖｋは水平面内θ＝０における各マイクロフォン１２の方向を向く単位ベクトルである。
【００３５】
ただし、Ｗｋ＝Ｕｋ−（Ｕｋ・Ｎ）Ｎ（ｋ＝１，２，３）、Ｖｋ＝Ｗｋ／｜Ｗｋ｜である。
【００３６】
このようにして、基準ベクトルＮ，Ｌが求まり、超音波流速計１０の法線方向Ｎ、方位角の基準方向Ｌが決定される。
【００３７】
なお、各ベクトルの方向は、図４および図５に示すとおりである。
【００３８】
「任意位置Ｐに超音波流速計１０を向ける」
このように、超音波流速計１０の方位（法線方向、方位角の基準法孔）が定まる。少なくとも３つの超音波流速計１０について、その方位を定めた場合には、３つの超音波流速計１０−１，１０−２，１０−３からの超音波ビームが任意の位置Ｐ＝（ｐ，ｑ，ｒ）を向くように 仰角および方位角（θ，φ）を決める。
【００３９】
θは、Ｕ＝（Ｐ−Ｘ）／｜Ｐ−Ｘ｜ とおいて、
θ＝ｃｏｓ−１（Ｕ・Ｎ） (3)
となる。なお、ｃｏｓ−１の値は０≦θ≦πの範囲でとるものとする（以下同様)。
【００４０】
また、φは、Ｖ＝（Ｕ−（Ｕ・Ｎ）Ｎ）／｜（Ｕ−（Ｕ・Ｎ）Ｎ）｜とすると、
φ＝±ｃｏｓ−１（Ｖ・Ｌ） (4)
となる。
【００４１】
この符号を定めるには、Ｎ，Ｌが定める平面Πに関してこの平面上にないいずれかのマイクロフォン１２と同じ側にあるか逆側にあるかを調べればよい。
【００４２】
具体的には、
φ１＝sgn（φ，φ１）・sgn（１，［（Ｎ×Ｌ）・Ｖ１］・［（Ｎ×Ｌ）・Ｖ］） (5)
を満たすように符号を決める。ただし、ここでsgn（α，β）はαの絶対値にβの符号をつけたものを表す関数とする。
【００４３】
このようにして、各超音波流速計１０において、それぞれの法線方向および方位角の基準方向が決定されていれば、任意の点に対する仰角θおよび方位角φが決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態の概念構成を示す図である。
【図２】船底への流速計取り付け位置を示す図である。
【図３】流速計の構成を示す図である。
【図４】各ベクトルの方向を示す図である。
【図５】方位角および仰角と、各ベクトルの関係を示す図である。
【図６】方位角方向の各ベクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 流速計、１２ マイクロフォン、２０ 取り付け台、２２ 水平回転台、２４ 仰角設定装置、２６ 超音波送受信機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り付け位置が既知であって互いに別の位置に配置され、超音波を所定方向に向けて送信する少なくとも３つの送信手段と、
取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する受信手段であって、少なくとも３つは前記３つの送信手段とそれぞれ同一の位置に配置される少なくとも４つの受信手段と、
各送信手段の送信波の方位角および仰角をそれぞれ変更する少なくとも３つの方向制御装置と、
を含み、
前記方向制御手段により送信波の方向を変更して各送信手段から別の位置に配置された少なくとも３つの前記受信手段に向けて送信するとともに、各受信手段のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各送信手段においてそれぞれ検出することで、各送信手段における法線方向と、方位角の基準方向を同定し、
各送信手段からの送信波の方向を制御し、各送信手段からの送信波の反射波を同一の位置の受信手段において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出する流速計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流速計測装置において、
前記受信手段を送信手段と同一の位置に設けられるものの他に３つ設け、この３つを位置同定のため専用に用い、同一の位置に設けられる送信手段と受信手段のペアを流体速度検出専用に用いる流速計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の流速計測装置において、
前記送信手段を４つ設け、そのすべてを前記受信手段とそれぞれ同一の位置に設ける流速計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の流速計測装置において、
前記送信手段および受信手段は、船体の後部であって、水中においてスクリューが見通せる位置に配置され、スクリューの流入部近傍の任意位置の３次元の流速を検出する流速計測装置。
【請求項１】
取り付け位置が既知であって互いに別の位置に配置され、超音波を所定方向に向けて送信する少なくとも３つの送信手段と、
取り付け位置が既知で互いに別の位置に配置され超音波を受信する受信手段であって、少なくとも３つは前記３つの送信手段とそれぞれ同一の位置に配置される少なくとも４つの受信手段と、
各送信手段の送信波の方位角および仰角をそれぞれ変更する少なくとも３つの方向制御装置と、
を含み、
前記方向制御手段により送信波の方向を変更して各送信手段から別の位置に配置された少なくとも３つの前記受信手段に向けて送信するとともに、各受信手段のそれぞれにおいて受信強度が大きくなる送信波の方向を各送信手段においてそれぞれ検出することで、各送信手段における法線方向と、方位角の基準方向を同定し、
各送信手段からの送信波の方向を制御し、各送信手段からの送信波の反射波を同一の位置の受信手段において受信することで送信方向における任意の場所の３次元の流速を検出する流速計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流速計測装置において、
前記受信手段を送信手段と同一の位置に設けられるものの他に３つ設け、この３つを位置同定のため専用に用い、同一の位置に設けられる送信手段と受信手段のペアを流体速度検出専用に用いる流速計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の流速計測装置において、
前記送信手段を４つ設け、そのすべてを前記受信手段とそれぞれ同一の位置に設ける流速計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の流速計測装置において、
前記送信手段および受信手段は、船体の後部であって、水中においてスクリューが見通せる位置に配置され、スクリューの流入部近傍の任意位置の３次元の流速を検出する流速計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１３９１４０（Ｐ２００９−１３９１４０Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１３６００（Ｐ２００７−３１３６００）
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月４日（２００７．１２．４）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
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