(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定状態の液体流の気泡から発せられる音響波形における、周波数に対する音圧のプロファイルが極大となる周波数を基準周波数に設定する基準周波数設定ステップと、
任意状態の液体流の気泡から発せられる音響波形を測定する音響波形測定ステップと、
前記測定された音響波形における周波数に対する音圧のプロファイルが極大となる周波数と前記基準周波数との周波数差を算出する周波数差算出ステップと、
前記周波数差に基づいて、前記任意状態の液体流の水位を算出する水位算出ステップと、
を含むことを特徴とする水位測定方法。
【請求項２】
前記液体流が、下水管渠内または雨水管渠内を流れる水流であることを特徴とする請求項１に記載の水位測定方法。
【請求項３】
所定状態の液体流の気泡から発せられる音響波形における、周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大となる周波数を基準周波数に設定する基準周波数設定手段と、
任意状態の液体流の気泡から発せられる音響波形を測定する音響波形測定手段と、
前記音響波形測定手段によって測定された音響波形における周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大となる所定周波数と、前記基準周波数との周波数差を算出する周波数差算出手段と、
前記周波数差算出手段によって算出された前記周波数差に基づいて、前記任意状態の液体流の水位を算出する水位算出手段と、
を含むことを特徴とする水位測定システム。
【請求項４】
前記液体流との接触によって気泡を発生させる気泡発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の水位測定システム。
【請求項５】
前記液体流との接触によって気泡を発生させるとともに衝突音を発する気泡発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の水位測定システム。
【請求項６】
前記気泡発生手段が、下水管渠または雨水管渠の内壁に、水位の増減方向に沿って複数設置されることを特徴とする請求項４または５に記載の水位測定システム。
【請求項７】
前記液体流が、下水管渠内または雨水管渠内を流れる水流であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の水位測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、菅渠内の音響波形を測定することにより、菅渠内を流れる水の水位を測定する水位測定方法および水位測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の進行に伴って、大雨の発生数が長期的に増加傾向になっている。そのため、雨水の処理施設の計画規模を上回る局地的集中豪雨も多発している。さらに、都市部における内水氾濫の被害なども問題となっている。
【０００３】
これらの問題を的確に把握するためには、菅渠内の水位の変化や流速の変化を把握する必要があり、水位計や流速計を用いた雨水の流入予測の研究も進められている。そこで、菅渠内を流れる雨水の水位を計測する水位計や、流速を計測する流速計が重要となり、これらの水位計や流速計といった測定計器は、多数存在するマンホールごとに設置されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】京藤、前田、桜井：「水中の気泡が発する音」  ながれ２３、ｐｐ２７−ｐｐ３６、２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、菅渠内の雨水などの流水といった液体流における物理量を測定する水位計などの各種測定計器には、測定値などの各種情報データを管理室の端末に送信するための通信手段や、それらを駆動するための電源が必要になる。さらに、これらの測定計器は、多数存在するマンホールごとに設置されているため、測定手段としての測定計器におけるメンテナンスの手間やメンテナンスコスト、さらに設置コストが高くなっていた。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、液体流の水位を測定するための測定手段の設置数を低減することができ、測定手段の設置やメンテナンスに要するコストの低減を図ることができる水位測定方法および水位測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討を行った。以下にその概要を説明する。
【０００８】
まず、本発明者は、上述した従来技術における流速計や水位計の設置数を低減させる方法について検討を行った。そして、本発明者は、従来の流速計や水位計のように水流に直接接触させて測定する測定計器を用いるよりも、非接触で流速や水位を計測することができれば、測定計器の設置数を低減できることを想起した。そこで、本発明者が水流の流速や水位の変動に応じて変化する物理量について重ねて検討を行ったところ、水流から発せられる音響波形に基づいて水流の流速や水位を測定することができれば、菅渠内の長い距離において、非接触で流速や水位を測定できることを想起するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明者の知見によれば、液体の流れ（液体流）の音は、液体流中に生じる気泡により発生する。また、気泡の発生や破裂による音響波形に対して、フーリエ変換解析（ＦＴ解析）、具体的には例えば高速フーリエ変換解析（ＦＦＴ解析）を行うと、数１００Ｈｚ近傍の低周波域に音圧のピークが存在することも知られている（非特許文献１参照）。
【００１０】
本発明者は、これらの知見に基づいて種々実験を行い、液体中の気泡群を検知する場合に、液体流中に気泡が発生する条件において、液体流が増加して水位が上昇すると液体流中の気泡群の密度が低下し、反対に液体流が減少して水位が低下すると気泡群の密度が上昇するという相関を見出した。
【００１１】
さらに、本発明者は、実験およびこれに基づいた検討を行って、図１に示すような水位とピーク音圧における周波数との相関を見出した。すなわち、本発明者は、液体流中の気泡群の密度が低下すると、音圧Ｌｐが極大となる周波数が、所定周波数ｆ0から所定周波数ｆ1に低下すること、反対に、液体流中の気泡群の密度が上昇すると、音圧Ｌｐが極大となる周波数が、所定周波数ｆ1から所定周波数ｆ0に上昇することを見出した。
【００１２】
これらのことから、本発明者は、液体流の水位が所定の水位から増加した場合には、液体流中の気泡の密度が低下して音圧が極大になる周波数が低下し、反対に液体流の水位が所定の水位から低下した場合には、液体流中の気泡の密度が上昇して音圧が極大となる周波数が上昇するという物理現象を、新たに見出すに至った。このような液体流と音圧が極大になる周波数との相関に関する物理現象に基づいて、本発明者は、所定状態の液体流において音圧が極大となる周波数を基準周波数としてあらかじめ測定し設定した後、菅渠内などを流れる液体流の通常の状態である任意状態において、液体流から発生する音響波形を測定して、この音響波形から周波数に対する音圧を解析し、音圧が極大となる周波数と基準周波数との差に応じた液体流の水位の相関に基づいて、液体流の水位を算出できることを想起するに至った。本発明は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。
【００１３】
したがって、本発明に係る水位測定方法は、所定状態の液体流の気泡から発せられる音響波形における、周波数に対する音圧のプロファイルが極大となる周波数を基準周波数に設定する基準周波数設定ステップと、任意状態の液体流の気泡から発せられる音響波形を測定する音響波形測定ステップと、測定された音響波形における周波数に対する音圧のプロファイルが極大となる周波数と基準周波数との周波数差を算出する周波数差算出ステップと、周波数差に基づいて、任意状態の液体流の水位を算出する水位算出ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る水位測定方法は、上記の発明において、液体流が、下水管渠内または雨水管渠内を流れる水流であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る水位測定システムは、所定状態の液体流の気泡から発せられる音響波形における、周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大となる周波数を基準周波数に設定する基準周波数設定手段と、任意状態の液体流の気泡から発せられる音響波形を測定する音響波形測定手段と、音響波形測定手段によって測定された音響波形における周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大となる所定周波数と、基準周波数との周波数差を算出する周波数差算出手段と、周波数差算出手段によって算出された周波数差に基づいて、任意状態の液体流の水位を算出する水位算出手段と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る水位測定システムは、上記の発明において、液体流との接触によって気泡を発生させる気泡発生手段をさらに備えることを特徴とする。また、本発明に係る水位測定システムは、上記の発明において、液体流との接触によって気泡を発生させるとともに衝突音を発する気泡発生手段をさらに備えることを特徴とする。この構成において、気泡発生手段は、下水管または雨水管などの菅渠の内壁に、水位の増減方向に沿って複数設置されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る水位測定システムは、上記の発明において、液体流が、下水管渠内または雨水管渠内を流れる水流であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る水位測定方法および水位測定システムによれば、測定された音波に基づいて液体流の水位を算出していることにより、従来の接触型の測定手段である測定計器の場合に比して、非接触型の測定手段の設置場所および設置数を低減することができるので、測定手段の設置やメンテナンスの低コスト化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による水位測定方法における原理を説明するための水流の周波数に対する音圧レベルの分布例を示すグラフである。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による水位測定システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による水位測定方法を示すフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態による菅渠内の状況を示す略線図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施形態による菅渠内における音響波形の周波数に対する音圧のプロファイルを示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による菅渠内の段差部分における水位測定方法を示すフローチャートである。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態による気泡発生装置を示す上面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態による気泡発生装置を示す側面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の一実施形態による気泡発生装置を示す正面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態による水位測定システムにおける菅渠内の気泡発生装置の設置の例を示す略線図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態による水位測定システムにおいて用いられる菅渠内の気泡発生装置の他の例を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による水位測定システムにおいて用いられる菅渠内の気泡発生装置のさらなる他の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する一実施形態によって限定されるものではない。
【００２１】
（水位測定システム）
まず、本発明の一実施形態による水位測定システムについて説明する。図２は、この一実施形態による水位測定システムの全体構成を示す。
【００２２】
図２に示すように、この一実施形態による水位測定システムにおいては、処理場管理室２内の情報処理装置２１と、マンホール３内の耐水耐衝撃用の保護ケース３１に格納された音響信号変換手段としての音響信号変換装置３２の伝送装置３２ａとが、ネットワーク網１を通じて通信可能に接続されている。ネットワーク網１は、インターネットやイントラネット、または携帯端末通信網などの通信網である。また、音響信号変換装置３２は、菅渠４内に設置された音響波形測定手段としてのマイクロホン４１に接続されている。さらに、菅渠４内には、必要に応じて、気泡を発生させるための気泡発生装置４２が設置される。
【００２３】
処理場管理室２に備えられた情報処理装置２１は、情報処理部２１ａ、情報記録部２１ｂ、およびインターフェース２１ｃを備える。情報処理部２１ａは、主として、情報データの入出力によって種々の演算を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）とＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部とから構成されている。インターフェース２１ｃは、情報処理部２１ａをネットワーク網１に接続して通信するための通信中継手段である。そして、マンホール３に備えられた伝送装置３２ａから送信される音響波形のデータや音響信号などの各種情報データは、ネットワーク網１を通じて情報処理装置２１に供給され、インターフェース２１ｃを介して情報処理部２１ａおよび情報記録部２１ｂに供給される。
【００２４】
情報記録部２１ｂには、各種計算処理ソフトウェア、音響解析ソフトウェア、水位計算ソフトウェア、および流速計算ソフトウェアなどのプログラムがインストールされている。そして、情報記録部２１ｂと情報処理部２１ａとの間において情報データの入出力を行うとともに、情報処理部２１ａがそれぞれのプログラムに従った処理を実行する。この情報処理部２１ａは、実行されるプログラムに応じて、種々の処理を行う処理手段である。
【００２５】
また、情報記録部２１ｂには、各種データベースがデータテーブルとして格納されている。この各種データベースとしては、菅渠４における管の勾配、材質、マニング粗度係数、および口径などの、いわゆる管の寸法に関する種々の寸法データベース、基準周波数からの周波数差に基づいた水位の加減値の水位計算用データベース、後述する流水４３の水位を算出するための周波数差や、周波数と水流の水位との相関データベース、または気泡発生装置４２ごとの固有の周波数のデータベースなどを挙げることができる。
【００２６】
また、菅渠４内のマイクロホン４１は、例えば指向性が高いパラボラ集音機などから構成される。このマイクロホン４１においては、集音した音に基づいて電気信号が生成される。マイクロホン４１により生成された電気信号は、音響信号変換装置３２に供給される。音響信号変換装置３２は、マイクロホン４１から供給された電気信号を音響信号に変換し、この音響信号を、伝送装置３２ａを介しネットワーク網１を通じて処理場管理室２の情報処理装置２１に供給する。
【００２７】
菅渠４内に設置される気泡発生装置４２は、液体流としての流水４３に接触することで気泡を発生する気泡発生手段であり、菅渠４内において気泡が発生しにくい部分などに設置される。なお、気泡発生装置４２の詳細については後述する。
【００２８】
（水位測定方法）
次に、以上のように構成された菅渠内の水流の水位測定システムによる水位測定方法について説明する。図３は、この一実施形態による水位測定方法を示すフローチャートである。
【００２９】
図３に示すように、この一実施形態による水位測定方法においては、まず、ステップＳＴ１において、流速の計測対象となる流水４３が存在する菅渠４内において基準周波数を設定する初期設定を行う。すなわち、測定対象となる菅渠４の内部において、従来公知の水位計を用いて菅渠４内の所定状態の流水４３の水位を測定するとともに、そのときの音響波形を測定する。その後、測定された音響波形に対して、基準周波数設定手段としての、例えば携帯用の情報処理端末（図示せず）や情報処理装置２１を用いてＦＦＴ解析が行われる。このＦＦＴ解析によって、図１に示すような周波数ごとの音圧値のデータの集合、すなわち周波数に対する音圧のプロファイルが導出される。そして、この周波数に対する音圧のプロファイルの導出結果に基づいて、音圧値が極大となる周波数を基準周波数とする。なお、この菅渠４において設定された所定の水位と、この所定の水位に対応する基準周波数の情報データは、図２に示す情報処理装置２１の情報記録部２１ｂにデータテーブルとして格納される。このようにして測定対象となる流水４３が存在する菅渠４に関する初期設定が行われた後、図３に示すステップＳＴ２に移行する。
【００３０】
ステップＳＴ２においては、菅渠４内の流水４３から発せられる音響波形の測定を開始する。すなわち、図２に示すように、音響波形測定手段としてのマイクロホン４１によって菅渠４内の音を集音する。マイクロホン４１は、集音した音を電気信号に変換して音響信号変換装置３２に供給する。音響信号変換装置３２は、マイクロホン４１からの電気信号を増幅して音響信号として伝送装置３２ａに供給する。伝送装置３２ａは、ネットワーク網１を介して音響信号を処理場管理室２の情報処理装置２１に供給する。情報処理装置２１においては、供給された音響信号を音響波形のデータとして情報記録部２１ｂに格納する。その後、ステップＳＴ３に移行する。
【００３１】
ステップＳＴ３においては、情報処理装置２１に供給されて情報記録部２１ｂに格納された音響波形のデータに対して、情報処理部２１ａによりＦＦＴ解析が行われる。すなわち、測定された音響波形のデータは時間軸に沿った音の変化のデータであることから、この音響波形のデータに対して所定時間ごと、例えば５分間ごとに区切って高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことによって、音響波形から周波数に対する音圧のプロファイルが導出される。この導出された周波数に対する音圧のプロファイルのデータは情報記録部２１ｂに格納される。その後、ステップＳＴ４に移行する。
【００３２】
ステップＳＴ４においては、測定に基づいて算出された周波数と基準周波数との周波数差が算出される。すなわち、周波数差算出手段としての情報処理装置２１において、情報記録部２１ｂに記録された測定された周波数と基準周波数との周波数差が算出される。その後、ステップＳＴ５に移行する。
【００３３】
ステップＳＴ５においては、水位算出手段としての情報処理装置２１において、算出された周波数差に基づいて菅渠４の内部の流水４３の水位が算出される。すなわち、情報処理装置２１において、情報処理部２１ａが、算出した周波数差に基づいて情報記録部２１ｂに格納されたデータテーブルから周波数差に応じた水位の加減値を抽出し、基準周波数に対応した流水４３の水位に対して、抽出した加減値を加算する演算を行う。これにより、菅渠４内の流水４３の水位が算出される。
【００３４】
その後、図２に示す水位測定システムによる菅渠４内の音響波形の測定が継続して行われる。すなわち、ステップＳＴ１において初期設定がされた後は、ステップＳＴ２〜ＳＴ５が順次繰り返し実行され、菅渠４内においてマイクロホン４１により音響波形が測定されつつ、情報処理装置２１において流水４３の水位が継続して算出される。
【００３５】
（他の配管からの流入および段差での水流の落水）
また、上述した菅渠４内においては、段差が設けられる地点も存在する。図４Ａは、この段差地点を示す模式図である。具体的には、菅渠４内においては、マンホール３などの様々な所から流水４３が流入する段差地点や段差により流水４３の落水が生じる段差地点が存在する。このような段差地点においても流水４３の水位を計測する。以下に、この菅渠４内の段差地点における水位測定方法について説明する。
【００３６】
図４Ａに示すように、マンホール３内の他の配管４４から菅渠４内に流水４３が流入したり菅渠４内において流水４３の落水が生じたりする地点（図４Ａ中、点線丸囲み部）においては、流水４３は常時落水している。このとき流水４３は、落水することによって音を発する。ここで、本発明者の知見によれば、菅渠４内の段差地点における流水４３は、落下する流水４３の流量に応じて音圧が変化する。すなわち、図４Ｂに示すように、段差地点における流水４３の流量が増加すると、所定周波数ｆ2における音圧Ｌｐ0′が上昇して音圧Ｌｐ1′となり、反対に段差地点における流水４３の流量が減少すると、所定周波数ｆ2における音圧Ｌｐ0′が下降して音圧Ｌｐ2′になるという現象が生じる。また、所定周波数ｆ2近傍においても、その音圧Ｌｐが変化する。
【００３７】
図５は、この一実施形態における段差部分での水位を測定する方法を示すフローチャートである。図５に示すように、まず、ステップＳＴ１において、従来公知の流量計を用いて菅渠４内の段差地点における流水４３の流量を測定するとともに、そのときの音響波形を測定する。その後、測定された音響波形に対して、基準音圧設定手段としての、例えば携帯用の情報処理端末（図示せず）や情報処理装置２１を用いてＦＦＴ解析が行われる。これにより、段差地点における流水４３の発する音響波形に関する、周波数に対する音圧のプロファイルが導出される。そして、情報記録部２１ｂに、例えば音圧値が極大となる周波数のデータを所定周波数ｆ2として格納するとともに、この所定周波数ｆ2における音圧Ｌｐのデータを基準音圧Ｌｐ0′のデータとして格納する。これにより、情報処理装置２１において所定周波数ｆ2における基準音圧Ｌｐ0′が設定される。その後、ステップＳＴ２に移行する。
【００３８】
続いて、ステップＳＴ２において、流水４３が流れている任意状態において、マイクロホン４１により段差を落下する流水４３が発する音響波形を測定する。測定された音響波形は、マイクロホン４１により電気信号とされ音響信号変換装置３２に供給される。この電気信号は音響信号変換装置３２により音響信号に変換された後、この音響信号は音響波形のデータとして、伝送装置３２ａおよびネットワーク網１を通じて情報処理装置２１に供給される。その後、ステップＳＴ３に移行する。
【００３９】
ステップＳＴ３においては、情報処理装置２１に供給された音響信号の音響波形に対して、情報処理部２１ａによりＦＦＴ解析が実行されて、図４Ｂに示すような周波数に対する音圧のプロファイルが導出される。
【００４０】
次に、図５に示すステップＳＴ４において、測定された音響波形から導出された周波数に対する音圧Ｌｐのプロファイルと、ステップＳＴ１において設定された所定周波数ｆ2における基準周波数Ｌｐ0′とに基づいて、音圧差算出手段としての情報処理部２１ａにより所定周波数ｆ2における音圧差が算出される。
【００４１】
その後、ステップＳＴ５において、情報処理部２１ａによって算出された音圧差に基づいて、情報記録部２１ｂに格納された基準流量からの加減値のデータベースから、音圧差に対応する流量の加減値のデータが抽出される。そして、情報処理部２１ａによって、抽出された流量の加減値のデータと基準流量のデータとから、測定された音圧に対応する流量が算出される。このようにして、情報処理部２１ａにより、段差地点において生じる音の音響波形から、流水４３の流量が算出される。
【００４２】
一方、配管４４の高さ、菅渠４の勾配のデータ、材質（抵抗）のデータおよび口径のデータなどの菅渠４における既知の各種データが、データテーブルとして情報記録部２１ｂに格納されている。そして、情報処理部２１ａにより、下記の（１）式に従って、菅渠４における勾配、材質および口径のデータと、算出された流量とに基づいて、流水４３の流速や水位が算出される。
【００４３】
【数１】
0005798027.tif 000002
なお、（１）式において、Ｖ：平均流速 、Ｒ：径深（水理学的平均水深） 、Ｉ：動水（水面）勾配 、ｎ：マニング粗度係数（菅渠の内周面の材質に固有の係数）、Ａ：通水断面積 、Ｓ：潤辺（流れの横断面で水に接している区間の長さ）である。
【００４４】
ステップＳＴ５が終了すると、菅渠４内における段差地点においてもマイクロホン４１による音響波形の測定が継続して行われる。すなわち、図５に示すステップＳＴ１において初期設定がされた後は、ステップＳＴ２〜ＳＴ５が順次繰り返し実行され、マイクロホン４１による音響波形の測定が継続して実行されるとともに、情報処理装置２１による菅渠４内の段差地点における流水４３の水位の算出が実行される。
【００４５】
なお、他の配管４４からの流水４３の流入や段差地点などが複数存在する場合、測定される音響波形は、それぞれの他の配管４４からの流入によって発生する音の音響波形と、それぞれの段差における流水４３の落水によって発生する音の音響波形とが混合した音響波形となる。そこで、個々の他の配管４４ごと、および個々の段差ごとにそれぞれ固有の所定周波数ｆ2を測定して設定し、それぞれ基準周波数Ｌｐ0′を測定して設定する。これにより、合成された音響波形から他の配管４４からの流入ごと、および段差ごとに、流水４３の流量を個別に算出することができる。
【００４６】
（気泡発生装置）
次に、この一実施形態による気泡発生装置の詳細について説明する。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃはそれぞれ、この一実施形態による気泡発生装置４２の平面図、側面図および正面図である。
【００４７】
図６Ａ〜図６Ｃに示すように、この一実施形態による気泡発生装置４２は、例えば防錆加工処理された銅板や鉄板などの基台４２０上に、同様に防錆加工処理された突起部４２１が複数並べて設けられている。突起部４２１は、楕円球を長軸に沿って２等分割した形状において、その長軸に沿った一端部分に切り欠けられた窪み部４２１ａが形成され、例えば蝋付けなどによって基台４２０上に接着されている。また、基台４２０には、例えば皿ねじを用いて菅渠４の壁面に設置するための、複数のねじ穴４２２が形成されている。このような構成によって、気泡発生装置４２の強度が高くされて耐腐食性が向上されている。ここで、気泡発生装置４２の寸法の一例を挙げると、図６Ａに示すように、長さＬ0が１００ｍｍ、幅Ｗ0が７０ｍｍ、突起部４２１の長手方向に沿った長さｌ2が４０ｍｍ、突起部４２１の長手方向に沿ったねじ穴４２２の形成領域の長さｌ1,ｌ3が３０ｍｍである。また、図６Ｂに示すように、基台４２０の板厚ｄ0は例えば２ｍｍであり、図６Ｃに示すように突起部４２１の高さｈ0は例えば１０ｍｍ、幅ｗ0は例えば４０ｍｍである。
【００４８】
そして、以上のように構成された気泡発生装置４２は、図６Ｂに示すように、突起部４２１の窪み部４２１ａの形成位置に対して反対側から水流が到達するように設置される。これにより、気泡発生装置４２に流水４３が到達すると、流水４３が窪み部４２１ａに巻き込まれて窪み部４２１ａの内側に渦流が生じ流水４３中に気泡が発生する。これにより、菅渠４内において気泡が発生しにくい場所に気泡発生装置４２を設置することによって、流水４３が到達した時に意図的に気泡を発生させることが可能になる。また、気泡発生装置４２を、流水４３が窪み部４２１ａに対して突起部４２１の上部分から巻き込むようにして設置することにより、流水４３に伴って流れる砂、泥、または夾雑物などを、特に突起部４２１や窪み部４２１ａに堆積させないようにすることができる。
【００４９】
以上のように構成された気泡発生装置４２によって発生される気泡群４３ａは、固有の周波数の音を発する。気泡発生装置４２によって生じる気泡群４３ａから発せられる固有の周波数は、気泡発生装置４２における突起部４２１や窪み部４２１ａの数、形状、または寸法を変更することによって、異なる周波数にすることができる。
【００５０】
そこで、複数の気泡発生装置４２を用いて、流水４３の水位を測定する方法について以下に説明する。ここで、複数の気泡発生装置４２は、突起部４２１や窪み部４２１ａの数、形状、または寸法を変更して、生成される気泡群から発する音の固有の周波数が相互に異なるように製造される。図７は、相互に異なる固有の周波数の音を発する気泡群４３ａを発生するように製造された複数の気泡発生装置４２ａ〜４２ｄを、菅渠４内に設置した状態を示す。
【００５１】
図７に示すように、菅渠４の内壁面に、例えば４台の気泡発生装置４２ａ〜４２ｄが水位の増減方向である縦方向に沿って配置されている。具体的には、菅渠４の底部Ｈ0を基準として、気泡発生装置４２ａが高さＨ1、気泡発生装置４２ｂが高さＨ2、気泡発生装置４２ｃが高さＨ3、気泡発生装置４２ｄが高さＨ4の位置に配置される。なお、これらの気泡発生装置４２ａ〜４２ｄの設置位置、設置高さ、およびマイクロホン４１からの距離などのデータは、情報処理装置２１の情報記録部２１ｂにデータベースとして格納される。
【００５２】
そして、菅渠４内に雨水などの水が流れ込み、流水４３が例えば高さＨ1まで増加すると、気泡発生装置４２ａに流水４３が接触して、気泡群４３ａが発生し音を発する。この気泡群４３ａの発する音は、図２に示すマイクロホン４１によって音響波形の一部として測定される。マイクロホン４１によって測定された音響波形は、図２に示す音響信号変換装置３２によって音響信号に変換された後、伝送装置３２ａを介して情報処理装置２１に供給されてＦＦＴ解析が行われる。これにより、情報処理装置２１において、測定された音響波形における周波数に対する音圧のプロファイルが導出される。
【００５３】
この周波数に対する音圧のプロファイルにおいては、所定周波数としての気泡発生装置４２ａの固有の周波数において音圧が極大となる。そして、情報処理部２１ａによって、情報記録部２１ｂに格納されたデータベースから、気泡発生装置４２ａの固有の周波数および設置高さＨ1のデータが抽出され、菅渠４内の流水４３の水位が高さＨ1であることが算出される。なお、算出された径深の値、および情報記録部２１ｂに格納された菅渠４のマニング粗度係数や動水勾配のデータに基づいて、必要に応じて、情報処理部２１ａによって上述した（１）式に基づいた演算が行われて流水４３の流速が算出される。
【００５４】
その後、流水４３が増水したりして、流水４３の水位が高さＨ2、高さＨ3、または高さＨ4となった場合においても同様にして水位が算出される。すなわち、マイクロホン４１が、気泡発生装置４２ｂ〜４２ｄによって流水４３中に生じる気泡群４３ａの発する音の音響波形を測定するとともに、この音響波形に対してＦＦＴ処理を行うことにより、情報処理装置２１が菅渠４内の流水４３の水位をそれぞれ算出する。
【００５５】
以上のようにして流水４３の水位が計測されて、さらに流速も計測されると、これらの計測値と菅渠４の管径や形状のデータとに基づいて、情報処理装置２１によって菅渠４内の流水４３の流量も併せて算出することが可能となる。
【００５６】
（気泡発生装置の他の実施例１）
次に、気泡発生装置の他の実施例１について説明する。図８は、この一実施形態の他の実施例１における気泡発生装置を示す。
【００５７】
図８に示すように、この一実施形態の他の実施例１による気泡発生装置４２ｅは、円柱状または円筒状の部材の外周曲面に複数の突起部が設けられている。また、気泡発生装置４２ｅは、円柱状または円筒状の円断面のほぼ中心を軸として回転可能に構成されている。すなわち、気泡発生装置４２ｅは、いわゆる羽根からなる突起部を有する水車から構成されている。
【００５８】
この気泡発生装置４２ｅは、その突起部の羽面に流水４３が接触することにより軸を中心に回転する。気泡発生装置４２ｅの突起部の羽面が流水４３と衝突することによって、気泡が発生するとともに衝突音が連続して発生する。そこで、この突起部と流水４３との衝突音の音響波形をマイクロホン４１により測定することによって、流水４３の流れに起因した気泡発生装置４２ｅの回転により生じる音響波形を測定することができる。
【００５９】
また、流水４３の流速の変化に関連して、気泡発生装置４２ｅの単位時間あたりの回転数が変化する。そこで、気泡発生装置４２ｅの突起部と流水４３との接触によって連続して生じる接触音の発生時間間隔を測定する。一方、気泡発生装置４２ｅの寸法や突起部の数に基づいて、その回転数と流水４３の流速との相関関係が情報処理装置２１の情報記録部２１ｂにデータテーブルとして必要に応じて抽出可能に格納されている。そのため、マイクロホン４１により、気泡発生装置４２ｅによって生じる接触音の音響波形を測定して発生時間間隔を計測するとともに、情報処理部２１ａによって、情報記録部２１ｂに格納されたデータテーブルから情報データを抽出して、演算を行うことにより、情報処理装置２１において流水４３の流速を算出することが可能となる。
【００６０】
また、流水４３の水位の上昇に応じて、気泡発生装置４２ｅの突起部４２１によってかき乱される水量が変化して、気泡発生装置４２ｅから発せられる音響波形の特性も水量に応じて変化する。そこで、気泡発生装置４２ｅから発せられる音響波形と流水４３の水量との相関をあらかじめ測定し、水量と水位と音響波形との相関を、情報処理装置２１の情報記録部２１ｂのデータベースに格納しておく。これにより、気泡発生装置４２ｅから発せられる音響波形から、流水４３の水位を測定することが可能となる。
【００６１】
（気泡発生装置の他の実施例２）
次に、気泡発生装置の他の実施例２について説明する。図９は、この一実施形態の他の実施例２における気泡発生装置を示す。
【００６２】
図９に示すように、この一実施形態の他の例２による気泡発生装置４２ｆは、中空の細い導管から構成されている。この気泡発生装置４２ｆの導管の一端は流水４３中に浸漬されるとともに、他端が大気圧の外気に解放されている。そして、気泡発生装置４２ｆの導管の一端を流水４３の下流側に向けることで、他端から大気圧によって導管内の空気が押圧されて、流水４３中に空気が放出され、気泡群を発生させることができる。上述したように、気泡発生装置４２ｆによって流水４３中に気泡群を発生させることで、マイクロホン４１によって気泡群の発する音響波形を測定することができる。そのため、この実施例２においても、マイクロホン４１により測定された音響波形のデータに基づいて、情報処理装置２１において流水４３の流速や水位を算出することが可能となる。
【００６３】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、菅渠４内に流れる流水４３の気泡から発する音響波形を測定し、周波数に対する音圧のプロファイルを導出して、音圧が極大となる周波数の変化に基づいて流水４３の水位を算出していることにより、菅渠４内における流水４３の水位の計測を非接触で行うことが可能になるので、従来のように接触型の流速計をマンホール３ごとに設ける必要がなくなり、水位測定における機材の設置数を大幅に低減することができる。そのため、機材の設置に要するコストやメンテナンスコストを低減できる。また、従来、水位計がマンホール３ごとに設けられていたことから、水位計から情報処理装置２１に送信する情報データ量が極めて多量であったのに対し、この一実施形態においては、測定装置の設置台数を大幅に低減できるので、通信量（通信トラフィック）も大幅に低減することができる。
【００６４】
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００６５】
上述の一実施形態においては、ＦＦＴ解析を、音響波形における時間を５分間ごとに区切って行っているが、必ずしも５分間ごとに限定されるものではなく、菅渠４における種々の状況や状態に応じて種々の時間に設定することが可能である。また、ＦＦＴ解析は、対象時間を区切ることなく連続的に行うことも可能である。
【００６６】
上述の一実施形態においては、流量の測定時に採用する所定周波数ｆ2として、周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大のピークになる周波数を採用しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。所定周波数ｆ2は、水流の流量との相関が明確となる周波数帯であれば、周波数に対する音圧のプロファイルにおいて音圧が極大になる周波数以外の周波数を採用することも可能である。
【００６７】
上述の一実施形態においては、マンホール３の内部に設置される音響信号変換装置３２と、菅渠４の内部に設置されるマイクロホン４１とをケーブルなどの有線によって接続しているが、必ずしも有線で接続する方法に限定されるものではない。音響信号変換装置３２とマイクロホン４１とは、必要に応じて無線通信可能な構成を採用することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  ネットワーク網
２  処理場管理室
３  マンホール
４  菅渠
２１  情報処理装置
２１ａ  情報処理部
２１ｂ  情報記録部
２１ｃ  インターフェース
３１  保護ケース
３２  音響信号変換装置
３２ａ  伝送装置
４１  マイクロホン
４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ  気泡発生装置
４３  水流
４３ａ  気泡群
４４  他の配管
４２０  基台
４２１  突起部
４２１ａ  窪み部
４２２  ねじ穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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