(57)【要約】【課題】本発明の課題は、周期的な非定常圧力変動場であって、その変動成分が広帯域にわたる成分を持っている場の変動圧力の分布を画像計測する手法を提示することにある。また圧力変動が小さい微小圧力場であっても変動圧力成分の分布が計測できるような手法を提示することも課題である。【解決手段】本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、感圧塗料あるいは感圧コーティングを用いた画像計測であって、取得された感圧塗料あるいは感圧コーティングからの発光データを基にして、該発光データにおける周波数次元での圧力変動成分の分布を画像化して表示するようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧塗料あるいは感圧コーティングを用いた画像計測であって、取得された感圧塗料あるいは感圧コーティングからの発光データを基にして、該発光データにおける周波数次元での圧力変動成分の分布を画像化して表示する感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法。
【請求項２】
感圧塗料あるいは感圧コーティングからの発光データである画像取得装置によって得られた複数枚の時系列画像を、画像上の２次元の軸と時間軸から成る一連の３次元データとして扱い、周波数解析または時間周波数解析によって非定常変動圧力に関わる状態量を得る請求項１に記載の画像計測手法。
【請求項３】
時系列画像群に対して加える周波数解析または時間周波数解析として、FFT、DFT、ウェーブレットまたは短時間フーリエ変換のいずれかを採用した請求項２に記載の画像計測手法。
【請求項４】
時系列画像群に対するFFT、DFT、ウェーブレットまたは短時間フーリエ変換の結果からそれぞれの周波数成分に対応する振幅分布、パワー分布、振幅スペクトル密度分布、パワースペクトル密度、基準点からの位相差分布、同種成分の相関領域の分布のいずれかを得る請求項３に記載の画像計測手法。
【請求項５】
時系列画像群に対して加える周波数解析または時間周波数解析としてFFT、DFT、ウェーブレットまたは短時間フーリエ変換であり、その複数回にわたるデータ処理結果を積算することで平均化によるノイズ低減を行い、計測可能な最小変動圧力レベルを向上させる請求項３に記載の画像計測手法。
【請求項６】
計測結果の表示が周波数毎、あるいは任意の周波数幅を持つ周波数帯毎、あるいは１オクターブ・1/3オクターブ・1/8オクターブ・1/12オクターブなど各種の周波数帯表示方法であって、その各画像あるいはビデオの１フレームにパワースペクトル・振幅スペクトル・エネルギスペクトルなどの強度分布や、位相分布・位相速度分布などの状態量を画像として表示する請求項４に記載の画像計測手法。
【請求項７】
感圧塗料あるいは感圧コーティングは、ポルフィリン系、遷移金属錯体、多環式芳香族化合物、希土類錯体、フタロシアニン系のいずれかの感圧色素を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像計測手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧塗料または感圧コーティング（これらをPSPと総称する。）を使った圧力分布の画像計測であって、現象が周期的非定常であるとみなせるものを対象とし、その非定常圧力変動成分が物体表面上でどのような周波数成分でどのように分布しているかを微小圧力レベルまで計測し画像化する技術である。周波数帯毎に非定常成分の振幅やパワー、位相などの物体表面上分布を計測する。
適用先としては、航空宇宙機・鉄道・自動車などの輸送機械、空調機・ファンなど流体機械など広い分野にわたる。物体表面に存在する非定常場の挙動を把握し、機械の設計や効率改善などを図る目的で用いることができる技術である。
また、本手法は周期的非定常場の計測であるが、本手法によって計測される非定常圧力場の情報は空力騒音のうちの二重極音と密接に相関する状態量であるため、この空力騒音分野にも有効に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
kHzオーダーの応答性も実現可能である陽極酸化皮膜感圧コーティングや粒子とポリマーを混合し応答性を向上させたpolymer/ceramic PSPやシリカゲル微粒子を粘着テープに固定したTLC PSPなどの高速応答型感圧塗料を用いた非定常感圧塗料計測がこれまでに行われている。高速応答型感圧コーティングを用いた非特許文献１、非特許文献２では、高速応答型感圧コーティングを模型にコーティングし、これからの発光を高速カメラによって複数枚の画像として計測し、このデータを一般的な感圧塗料のデータ処理法であるStern-Volmer式；
【数１】
2008082735.tif 000003
あるいはこの高次表現である経験式に基づき、未知の圧力場である計測画像I（wind-on画像）と既知圧力場の計測画像Iref（reference画像、あるいはwind-off画像）を用いて圧力分布を算出し、これを時間方向の画像枚数分だけ繰り返し、得られた圧力分布画像群を時間軸に対して並べ、ビデオ画像あるいは各時間に対応する画像群として結果を表示している。しかしこれらの計測ではカメラ計測画像を個々に圧力に変換しており、各画像は取得レートが1kHzで各フレームの露光時間が1ms程度と非常に小さく、感圧塗料からの発光が蛍光や燐光といった弱い光であることと相まって計測シグナルに対するショットノイズなどのノイズ成分のS/N比が大きい。結果として、得られた個々の画像上での有意な圧力分解能はkPa以上のオーダーになっており、100Paオーダーや更に小さい圧力変動成分はノイズに埋もれ検出することができない。また処理結果の画像群は時間軸に対する圧力分布の変化として表示される。圧力変動が各部位においてどのような周波数成分を持つのか周波数領域での挙動は提示されておらず、物体上のどの部分で変動成分の大小があるかは時間軸データからの視覚的な定性的判断に依ることとなる。非特許文献１や非特許文献２では、比較用圧力センサ周辺の４点での周波数領域での感圧塗料データの解析が行われているが、これは感圧塗料の時間応答性を評価する目的で行われたものであり、物体表面上での周波数次元での非定常現象の分布の把握を目的としたものではない。
【０００３】
非特許文献３、非特許文献４でも、高速応答型感圧塗料を用いた非定常場の計測が行われているが、ここでの方法は時間的に連続な画像取得装置を用いるのではなく、現象の周期性を用いて基準センサからの信号などの特定の情報にフェーズロックし、パルスLEDを用いて十分に小さい露光位相で積算を用いつつ画像を取得する手法である。非特許文献３では周波数分離性の非常に良い場を使い、高速応答型感圧塗料の応答性を評価することを主目的とし、非特許文献４ではさらに小さな圧力変動場に対して用いられているものである。この方法では単一の周波数成分を持ちフェーズロックが適用できる場合には有効な非定常圧力変動計測手法であるが、一般的な流れ場の特徴である周期的ではあるが多数の周波数成分が混在した場を対象とした場合にはフェーズロックを行うことが非常に難しくなるため、一般的な流れ場の計測には大きな困難が伴う。また対象としている場が単一周波数の場であるため、１つの周波数にフェーズロックした変動圧力分布が提示されているのみであり、場が周波数方向にどのような成分を持っているかを知るという点に関しては考慮されていない。非特許文献３や非特許文献４においても感圧塗料塗装部位の１点だけにレーザを照射し、これをPMTを用いて計測することによって周波数領域での圧力変動を計測している例が示されているが、これも非特許文献１や非特許文献２と同様に感圧塗料の時間応答性を評価する目的で行われたものであり、物体表面上での非定常現象の分布の把握を目的としたものではない。
また、変動成分が単一周波数であれば既にフェーズロックなどの方法を用いて変動成分を画像計測する方法が提案されているが、現象に対して制約を設けず、一般的な複雑かつ広帯域の周波数成分を持つ圧力場の変動圧力成分の分布を画像計測する技術はない。
【特許文献１】特開２００６−１０５１７号公報  「温度依存性補正を加えた感圧塗料のin-situ 計測手法とその装置」  平成１８年１月１２日公開
【特許文献２】特開２００６−６４６００号公報  「A-priori/In-situ Hybrid 感圧塗料データ処理手法」平成１８年３月９日公開
【非特許文献１】亀田正治,田部井孝聡,半谷智弘,川上崇穂,中北和之,坂上博隆,浅井圭介「陽極酸化アルミニウム感圧コーティングによる非定常流中物体表面圧力場の画像計測」日本機械学会論文集Ｂ編,Vo1.71,No.710（2005年）pp.2486〜2493
【非特許文献２】M.Kameda, T.Tabei, K.Nakakita, H.Sakaue and K.Asai, "Image measurements of unsteady pressure fluctuation by a pressure sensitive coating on porous anodized aluminium," Meas.Sci,Technol.16(2005)pp.2517-2524
【非特許文献３】James W.Gregory, Hirotaka Sakaue and John P.Sullivan, "Fluidic Oscillator as a Dynamic Calibration Too1," AIAA2002-2701, 2002.
【非特許文献４】James W.Gregory, John P.Sullivan, Sameh S. Wanis and Narayanan M.Komerath, "Pressure-sensitive paintas a distributed optical microphone array," J.Acoustical Society of America, Vol.119, No.1, January 2006, pp.251-261.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、周期的な非定常圧力変動場であって、その変動成分が広帯域にわたる成分を持っている場の変動圧力の分布を画像計測する手法を提示すること、具体的には周期的非定常変動場において、その変動成分だけに着目し、統計処理を施して得られる振幅、パワー、エネルギーなどと位相、位相速度について周波数毎のマッピングデータとして画像表示することを課題とする。更には、多数枚の画像を統計的に処理することにより、個々の画像として扱う場合よりも圧力分解能の高い計測を行うことが可能となる手法、すなわち圧力変動が小さい微小圧力場であっても変動圧力成分の分布が計測できるような手法を提示することも課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、感圧塗料あるいは感圧コーティングを用いた画像計測であって、取得された感圧塗料あるいは感圧コーティングからの発光データを基にして、該発光データにおける周波数次元での圧力変動成分の分布を画像化して表示するようにした。
具体的には、画像取得装置によって得られた感圧塗料あるいは感圧コーティングからの発光データである複数枚の時系列画像を、画像上の２次元の軸と時間軸から成る一連の３次元データとして扱い、周波数解析または時間周波数解析によって非定常変動圧力に関わる状態量を得るようにした。
また、時系列画像群に対して加える周波数解析または時間周波数解析として、FFT、DFT、ウェーブレット、短時間フーリエ変換のいずれかを採用すると共に、その結果からそれぞれの周波数成分に対応する振幅分布、パワー分布、振幅スペクトル密度分布、パワースペクトル密度、基準点からの位相差分布、同種成分の相関領域の分布のいずれかを得るようにした。
また、時系列画像群に対して加える周波数解析または時間周波数解析として、FFT、DFT、ウェーブレット、短時間フーリエ変換のいずれかを採用すると共に、その複数回にわたるデータ処理結果を積算することで平均化によるノイズ低減を行い、計測可能な最小変動圧力レベルを向上させるようにした。
【０００６】
また、本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、周波数成分に対応する振幅分布、パワー分布、振幅スペクトル密度分布、パワースペクトル密度、基準点からの位相差分布、同種成分の相関領域の分布の計測結果の表示が、周波数毎、あるいは任意の周波数幅を持つ周波数帯毎、あるいは１オクターブ・1/3オクターブ・1/8オクターブ・1/12オクターブなど各種の周波数帯表示方法であって、その各画像あるいはビデオの１フレームにパワースペクトル・振幅スペクトル・エネルギスペクトルなどの強度分布や、位相分布・位相速度分布などの状態量を画像として表示するようにした。
また、本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法で用いられる感圧塗料あるいは感圧コーティングは、ポルフィリン系、遷移金属錯体、多環式芳香族化合物、希土類錯体、フタロシアニン系のいずれかの感圧色素を含むものとした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、周期的な非定常圧力変動場を計測した時系列の感圧塗料計測データに対して周波数解析や時間周波数解析を適用するものであるから、周波数帯ごとの変動圧力成分の振幅やパワーや位相などの分布を得て、それを画像計測することが可能となる。また、これによって計測対象物体上の非定常圧力変動成分の周波数的な分布と対応する周波数帯での物体上の空間的な分布を画像として容易に把握できるようになる。この非定常圧力変動場としては単一周波数成分を持つ場だけに限らず、広帯域成分や複数の周波数成分を持つ場などどのような場に対しても用いることができる。
また、本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、時系列データであれば非定常場の計測結果に対してデータ積算によるノイズ低減手法を適用することはできないが、周波数軸のスペクトル上であればデータ積算を行うことが可能であるため、多数の計測画像を用い、これらを必要な周波数分解能を実現可能な複数の画像枚数ユニットに分割し、スペクトル上での処理結果の積算を行うことによってノイズ成分と信号成分のS/N比を向上させ、小さい圧力変動まで計測可能レベルを向上させることが可能となる。この点を活かして低速流れでの微小圧力変動場であっても変動圧力成分の分布が計測できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の感圧塗料による非定常圧力場の画像計測方法は、物体表面に感圧塗料を塗布またはコーティングするもので、使用する感圧塗料は、感圧色素としてポルフィリン系あるいはルテニウム錯体などの遷移金属錯体、あるいはピレン系分子などの多環式芳香族化合物、希土類錯体、あるいはフタロシアニン系などの酸素感度を有する分子が用いられ、これをアルミをベースとした陽極酸化皮膜、あるいはシリカゲルをベースとしたTLC（シリカゲルを粘着テープに固着した）プレート、あるいはシリカゲルや酸化アルミ粒子や二酸化チタン粒子などのような多孔質物質、あるいはPoly(TMSP)（ポリトリメチルシリルプロピン）、Poly(IBM)やpoly(IBM-co-TFEM)をはじめとするフッ素系ポリマー、あるいはその他有機ポリマー各種、あるいはポリマーと上述の多孔質粒子を組み合わせたもの、などに混合あるいは吸着あるいは付着などの形態をとって構成するようにした。
また、この感圧塗料は温度を計測するためのTSPあるいはこれに相当する成分や、温度・圧力の双方に対して感度のないもしくは小さいreference色素、あるいはこれら双方を含む2-colorあるいは3-colorの形態をとることも可能である。
【０００９】
感圧塗料からの発光を得るための励起光源としては、キセノン光源やハロゲンランプ、水銀ランプなどの放電管や、LED、ArレーザやYAG系レーザや半導体レーザなどの各種レーザ、あるいは有機または無機のEL(Electro-Luminescence)などを用いることができる。これらの光源のうちの全てあるいは一部は特定波長を透過しその他波長を遮断するための光学フィルタと組み合わせて用いられる。
【００１０】
感圧塗料からの発光データを計測するために、CCDカメラ、CMOSカメラなどの画像取得装置、あるいはこれらにイメージインテンシファイアなどの画像増幅装置が付属した画像取得装置が用いられる。画像取得装置としては複数枚の画像を連続的に取得できる必要があり、この画像数は多ければ多いほど圧力計測精度は向上する。これらの画像取得装置のうちの全てあるいは一部は特定波長を透過しその他波長を遮断するための光学フィルタと組み合わせて用いられる。
【００１１】
感圧塗料が感圧成分だけでなく、それ以外の感温成分やreference成分なども併せて含む2-colorや3-colorである場合には、画像計測装置を複数台用いたり、3-CCDなどのようなマルチチップ装置を用いたり、カラー画像計測装置を用いたり、適用するフィルタを切り替えるフィルタホイールと併せて用いられるといった形態を採ることができる。
また本発明では画像取得装置に代えて、物体表面の感圧塗料塗布部分をレーザなどの点光源で照射することによって十分に密な空間解像度を発生させ、感圧塗料からの発光はフォトダイオードやフォトマルチプライヤチューブ(PMT)などによって時間分解計測し、点光源側で物体表面上をスキャンすることによって連続的な圧力分布を得る手法によっても同等の計測を行う形態を採ることができる。
【００１２】
データ処理手法の１つは、まず画像取得装置で取得した複数枚画像を用い、複数枚画像の全体あるいは一部の画像を平均しノイズ低減を行ってreference画像Irefを構築するステップ、複数枚画像のうちの個々あるいは一部の画像の平均や移動平均の集合からなるwind-on画像Iとともに式（１）あるいはその一般形式である拡張された表現を用いて圧力に変換するステップを踏む。
異なるデータ処理手法としては、wind-on画像に対応する個々の画像をreference画像として用いたり、2-color（PSP成分＋TSP成分またはPSP成分＋reference成分）や3-color（PSP成分＋TSP成分＋reference成分）などの多成分の感圧塗料を用いたものでは上述のreference画像がPSP成分の平均画像に代えて、reference成分が計測された複数枚画像の個々あるいは一部または全体の平均値である等の形態を採る。またreference画像としては一般的な感圧塗料のデータ処理手法と同様に別途取得される既知圧力下の感圧塗料画像または画像群を用いて構築する形態も採れる。
【００１３】
ある形態ではこれらのプロセス中に物体の移動を補正するための位置合わせや、発光成分の物体表面での反射を補正する反射補正（Self-Illumination補正）や、３次元グリッドへのデータの貼り付けや、空間フィルタによる平滑化やピクセル結合や、温度補正や励起光補正などの各種処理が含まれる。
圧力の算出方法としては式（１）あるいはその高次式への拡張形などが用いられる。これらの式において式（１）の係数A, Bあるいは式（１）の拡張表現での諸係数の算出方法としては、a-priori法、in-situ法、あるいはこれらに温度補正を加えた処理方法、あるいは特許文献２に示されたa-priori/in-situ hybrid法、あるいは特許文献１に示された温度補正in-situ法などが用いられる。
【００１４】
ここまでの処理によって得られた結果は非特許文献１に示された結果と同じく、複数枚計測画像を圧力に変換し、それを時系列に並べただけのものに過ぎない。次の段階の処理として、複数枚の時系列画像の個々のピクセル、あるいは一部のピクセル群、あるいは全体、を時間軸と画像上の２つの軸にわたる一連の３次元データとして捕らえ、これらに周波数解析を加え、時系列データを周波数軸におけるデータに処理するステップ、（この周波数解析にはFFTやDFTなどのフーリエ解析の手法が含まれる。この周波数解析はウェーブレットや短時間フーリエ変換などのような時間周波数解析をもっても同様な効果を得ることが可能である。）この周波数解析あるいは時間周波数解析を画像全体あるいは一部にわたって繰り返し、周波数軸、あるいは時間−周波数軸に対する振幅やパワーやエネルギー、あるいは位相などの形としてデータを得るステップ（これらの周波数あるいは時間周波数解析の手法は個々あるいは複数のピクセルにわたる平均化データを取り出して時系列に並べた１次元データに対して適用されるだけでなく、画像上の全体、あるいは一部の領域にわたっての２次元、あるいは３次元のデータに対する２次元あるいは３次元の周波数解析あるいは時間周波数解析が適用されることもある。）が踏まれる。
【００１５】
この処理の際に感圧塗料データ以外の圧力センサ、マイクロフォン、ホットワイヤ、ホットフィルムなどのデータを導入し、これらを基準現象の圧力あるいは位相の基準として用いたり、感圧塗料データと相互評価を行うことで相互相関などの相関処理を行ったり、との方法がとられる形態もある。感圧塗料データの統計処理では、窓関数が必要になったり、時系列の全体画像群を小部分に分割し、各小部分について統計的処理を加えた上でスペクトル軸上での積算を行う処理が行われたりすることがある。複数の小部分データについて位相情報を統一するためには代表点の位相や参照用の他センサのデータを用いるなどして位相情報の統一を図ることが必要になる。
【００１６】
これら処理によって得られた振幅、パワー、エネルギー、位相、位相速度などの情報は周波数領域で整理され、画像上あるいは計測対象物体に対応する３次元グリッド上などの計測状態量として整理され用いられる。これらの周波数領域の基本的な表現方法としては周波数値と空間座標値と振幅あるいはパワーあるいは位相情報などの値を持つ配列となる。処理結果データの表示方法としては個々の周波数値ごとに各ピクセルに対して振幅やパワーや位相などの値を表示させることもできるが、視覚化に適した表示方法としてはある幅を持った周波数帯毎に含まれる周波数値のデータ積算し表示する手法が有効である。この周波数帯としては10Hzごとや20Hzごとなどの一定値や、１オクターブ・1/3オクターブ・1/8オクターブ・1/12オクターブなど各種の周波数帯表示方法などが用いることができる。これらのデータはデジタルデータや、画像、画像群、あるいは各種のビデオデータとして保存・表示・利用される。
【００１７】
ここまでの周波数解析あるいは時間周波数解析の結果において、励起光強度には分布が存在するため励起光強度の大きい部位では相対的にショットノイズ成分が小さく、逆に小さい部位ではショットノイズが大きくなるため、データ処理結果をそのまま周波数帯ごとに画像表示すると、励起効強度の1/2乗に反比例してショットノイズ成分が増加し、あたかも変動圧力の大きさに分布が存在するかに見えてしまう。この問題を解決するため、wind-on状態での一連の複数枚画像だけでなく、wind-on画像取得直後に風洞を停止して感圧塗料の一連の計測画像を取得し、無風時のショットノイズだけが存在する周波数解析あるいは時間周波数解析結果も作成する。wind-on時の結果から無風時の結果をピクセルなどのデータ処理単位ごとに減算し、部位ごとのショットノイズによるオフセット成分のばらつきを補正することも可能である。この処理を用いることにより励起光の分布に起因するショットノイズによるオフセット成分はかなりの割合で除去することができ、処理結果データの定量性と計測可能変動圧力の向上が期待できる。
【００１８】
また本手法による周波数解析あるいは時間周波数解析では、一般的な広帯域周波数成分を含む非定常データに対して時系列データでは取得データの平均化などノイズ低減処理を加えることができないが、周波数解析、あるいは時間周波数解析を適用することにより、振幅やパワーなどを周波数軸のスペクトル上では積算することができるようになるため、平均化によるノイズ低減処理を施すことが可能になるとのメリットも生じる。取得した多数の画像を、現象を把握するために必要な周波数分解能を実現可能な複数の画像枚数ユニットに分割し、各ユニットごとの周波数解析あるいは時間周波数解析の結果を周波数軸スペクトル上で積算を行うことによって原理的には1/n^0.5 (nは積算するユニット数)の割合でノイズ成分の低減を行うことが可能である。ここで言うノイズ成分とは時間軸上でのホワイトノイズのようなノイズ成分ではなく、周波数スペクトル上での振幅やパワーなどのデータのふらつきのことを指す。複数の画像枚数ユニットの処理結果の積算では、ショットノイズなどのレベルは一定値のままで積算によっても低減できないが、そのショットノイズ成分の周波数軸での振幅やパワーのばらつきを低減させることができ、結果として現象による成分との分離性がよくなるため、計測可能な変動圧力限界が向上するとのメリットを得ることが可能である。このことを利用して、同一の非定常場を多数の画像にわたって計測し、周波数軸上での積算を行うことにより、時系列での個々の画像を圧力に変換する方法よりもはるかに小さい圧力レベルの変動成分まで計測が可能となる。
【００１９】
次に本発明の好ましい形態を示す。計測対象の想定される非定常現象の周波数よりも十分に高速応答かつ十分な発光量を生じさせうる高速応答型感圧塗料と、十分な空間解像度を持ち、時系列に連続に多数、数千枚から数万枚、の画像を取得することが可能な高速度カメラと、用いる高速応答型感圧塗料に含まれる感圧色素の吸収線波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源を用いる。この際、高速度カメラの総画像数は２^ｎであるならばDFT手法ではなくFFT手法が利用可能となるために後のデータ処理部分で高速な処理が可能となる。計測画像数が多いほどまた、励起光源については、レーザである場合にはコヒーレント性の高い光源では計測対象物体の表面にスペックルを生じさせ、ノイズ等の原因となるため、コヒーレント性の低くスペックルを引き起こさない光源の利用が有効である。
【００２０】
これらの装置を用いて計測された画像群の全体を平均化することによってreference画像を得る。reference画像は別途取得された静的かつ既知の圧力場の画像であっても良い。このreference画像と個々の画像（wind-on画像）を用いて式（１）あるいはその拡張式と、a-priori法、in-situ法、あるいはこれらに温度補正を加えた処理方法、あるいは特許文献１に示されるa-priori/in-situ hybrid法、あるいは特許文献２に示される温度補正in-situ法などによる感圧塗料較正方法を用いて圧力に変換する。この際、reference画像、wind-on画像ともに空間フィルタ処理、位置あわせ、ビニング、反射補正、３次元グリッドへのマッピング、レンズの歪や色収差補正、カメラ画像のフラット・フィールド補正などの処理が行われる。
【００２１】
次に時系列かつ空間分布を反映した圧力分布データに統計処理を行う。周期的非定常場であればFFTまたはDFTを用いることが最も一般的な方法である。もし周期的非定常を仮定できない場であればウェーブレット解析などを用いる必要がある。FFTまたはDFTを用いる方法では、ピクセル単位で時系列データとしての処理を行う。この際、窓関数を適用し統計処理区間端の影響が混入しないよう処置する。またデータが時間方向に十分なデータ長を持っている場合には、全体を十分な周波数分解能を得られる程度の小区間に区分し、これらを用いて平均化処理を行うと平滑化の効果が得られる。ただし、このような処理を行う際には各小区間毎に位相が保存されなくなるため、位相や位相速度の情報を得ようとする際には、画像内代表点の位相や別途計測される参照用センサの信号を用いてこれを基準する、などの方法で位相を揃える処理を行う必要がある。
【００２２】
このFFTまたはDFT処理によって得られた振幅情報と位相情報を元にパワーやエネルギや位相速度を算出することができる。この結果を周波数毎、あるいは周波数帯毎、あるいは１オクターブ・1/3オクターブ・1/8オクターブ・1/12オクターブなど各種の周波数帯表示方法を用い、画像群あるいはビデオ形式で、パワー・振幅・エネルギなどの強度分布や、位相分布・位相速度分布などの状態量をカラーやグレイスケール、等高線など表示方法を用いて画像として表示する。
【実施例１】
【００２３】
図１に共鳴管の非定常定在波を用いた非定常圧力場の発生装置の写真を、図２にそのシステムの全体を示す。アクリル製の円筒１の一端に大出力スピーカ２を設置し、他端に感圧塗料サンプル３を設置する。スピーカ２を一定の周波数にセットすると感圧塗料のセットされた端部に定在波の腹が存在し、非定常変動圧を計測することができる。この共鳴管を108Hzにセットし試験を行った。非定常圧力変動のｐ−ｐ値はおよそ500Paである。
感圧塗料としては陽極酸化アルミをベースとしバソフェナンスロリン・ルテニウム（Ru(dpp)）を吸着させた高速応答型感圧塗料を用いた。励起光源としてはキセノン光源に青色光だけを透過する励起フィルタを用いた。図１で感圧塗料サンプルの両側に見えている黒い円筒状の物体はライトガイドを通して伝送されたキセノン光をサンプルに照射する照射ヘッドである。画像取得装置としてはCMOSタイプの高速カメラを用い、時間方向の画像枚数を増やすために基本空間解像度、画像枚数が512×512ピクセル、4096枚であるところを128×128ピクセルとし、画像枚数を約33000枚に増加させた。データ処理時にはFFTを用いるためにこのうちの２^15枚の画像を用いた。高速カメラの計測フレームレートは1000fpsである。
【００２４】
この画像上でデータカウント値を増大させるために２×２ピクセルを新たな１ピクセルとするビニング操作を行い、このピクセルを時間方向に２^15枚の１次元データとし、FFT処理を行う。計測の周波数分解能としては高速カメラのフレームレートの1/1000程度あれば実用上十分なため、全体にわたってFFTを適用するのではなく、２^10＝1024枚を単位としたFFTを行った。その際には512枚毎にFFTを行う領域をずらし、計63回のFFT結果に対してaveragingを行った。FFT処理の前にはハニングによる窓関数をかけ、両端部の影響を除去する。この１ピクセルに対する処理を画面全体にわたって繰り返し、中心周波数±20Hzのバンドで積分した結果を周波数毎に画像表示したものが図３であり、計測模型上の１点の周波数方向データをプロットしたものが図４(ａ)である。図４(ａ)より108Hz付近に共鳴管への入力周波数に対応する狭帯域の非定常成分が存在することが分かる。図３の画像ではFFT結果の振幅を中心周波数周りに±20Hzの幅で積分しグレイスケールで表示している。100-140Hzの周波数帯だけが変動成分を持っていることが分かる。100-140Hz帯以外の他の周波数帯では現象に相当する成分は存在していない。100-140Hzでの画像では感圧塗料サンプル上の信号強度はほぼ一様であり、共鳴管による圧力変動は管内断面にわたって一様であるという物理的な知見と一致する結果となっている。
【００２５】
また、図３、図４(ａ)はwind-on状態での一連の複数枚画像だけでなく、wind-on画像取得直後に風洞を停止して一連のwind-off画像を取得して無風時のショットノイズだけが存在する結果を作成し、wind-onデータから無風時のwind-offデータをピクセルごとに減算し、ショットノイズによるオフセット成分のばらつきを補正したものである。図４(ｂ)(ｃ)は図４(ａ)と同じ部位のwind-on、wind-offデータであり、図４(ｂ)から(ｃ)を減算することによって得られたものが図４(ａ)である。励起光量には分布が存在するため、励起光量の大小によって図４(ｂ)(ｃ)が持つオフセット量が異なる。しかしwind-offデータの減算を導入することによってどの部位に対してもオフセット量を０にすることができるため、現象による圧力変動を定量的に評価することに寄与する。
【実施例２】
【００２６】
図５，図６に示すような噴出しジェット６とそれを間欠的にON/OFFするためのモータに連結された回転平板から成るジェット・チョッパ装置７を用い、これによって生成される周期的非定常圧力場の計測を行った。回転平板7aには６箇所の開口部があり、平板7aが１回転する毎に６回のジェットON/OFFが可能である。この装置をおよそ100HzでジェットをON/OFFするように設定し、試験を行った。
感圧塗料としては陽極酸化アルミにバソフェナンスロリン・ルテニウム（Ru(dpp)）を吸着させた高速応答型感圧塗料を用いた。この他にも高速応答型感圧塗料としてはTLCプレートにバソフェナンスロリン・ルテニウムを吸着させたタイプのものも用いた。ここでは陽極酸化アルミを用いた場合の結果を示す。
励起光源としてはキセノン光源に青色光だけを透過する励起フィルタを用いた場合と、オールライン出力モードのArレーザを用いた場合の２種類を用いた。ここではキセノン光源を用いた場合の結果を示す。
【００２７】
画像取得装置としてはCMOSタイプの高速カメラを用い、時間方向の画像枚数を増やすために基本空間解像度、画像枚数が512×512ピクセル、4096枚であるところを208×304ピクセルとし、画像枚数を16500枚に増加させた。データ処理時にはFFTを用いるためにこのうちの２^14枚の画像を用いた。高速カメラの計測フレームレートは1000fpsである。この画像上でデータカウント値を増大させるために２×２ピクセルを新たな１ピクセルとするビニング操作を行い、このピクセルを時間方向に２^14枚の１次元データとし、FFT処理を行う。この際、計測の周波数分解能としては高速カメラのフレームレートの1/1000程度あれば実用上十分なため、２^14枚全体にわたってFFTを適用するのではなく、２^10＝1024枚を単位としたFFTを行うが、その際には512枚毎にFFTを行う領域をずらし、計31回のFFT結果に対してaveragingを行った。FFT処理の前にはハニングによる窓関数をかけ、両端部の影響を除去する。この１ピクセルに対する処理を画面全体にわたって繰り返し、中心周波数±10Hzのバンドで積分した結果を周波数毎に画像表示したものが図７であり、［実施例１］と同様にwind-onデータから風洞停止後のwind-offデータをピクセルごとに減算し、ショットノイズによるオフセット成分のばらつきを補正したものである。図８は計測模型上の１点の周波数方向データをプロットしたものである。図８より100Hz付近にジェット・チョッパによる非定常圧力場のON/OFFに対応する狭帯域の信号が存在することが分かる。図７の画像ではFFT結果の振幅をグレイスケールで表示している。90−110Hzの周波数帯にだけ白い円形のジェットが衝突した領域が計測されていることが分かる。それ以外の他の周波数帯では現象に相当する成分は存在していない。
【実施例３】
【００２８】
JAXA総合技術研究本部の小型低乱風洞を用いて円柱周りのカルマン渦による非定常圧力変動の計測を行った。小型低乱風洞の計測部は高さ0.65m、幅0.55mであり、ここに次節に記す二次元円柱模型を設置して試験を行った。図９に二次元円柱模型を示す。直径0.04m、長さ0.55mであり、中央部8cmに高速応答PSPがコーティングされている。PSPコーティング部中心線上にはPSP計測と比較するために30°間隔で３点のKulite-XCS-093-5G圧力センサ（フルスケール5psig）が設置されている。PSP計測用高速カメラは図２の風洞計測部の下方に設置され真下から模型のｑ＝0〜180°の領域を計測する。高速カメラの撮影条件は計測レート１kfps、露光時間990msである。データ処理には２^14×5＝81920枚の画像を用いた。
【００２９】
ここに示す計測結果はＵ＝33m/s、Re＝8.6×104でのものであり、ストローハル数を0.2としたときのカルマン渦の周波数は165Hzである。
図１０は圧力センサによる円柱周りのCp分布と変動成分のRMS値である。DCprmsは時系列データでの標準偏差を用いている。Cp分布より70°付近で流れが剥離していることが分かる。圧力変動は澱点付近では小さく、剥離点よりやや下流の80°付近で最大値を取り、その後方ではほぼ一定値が続いている。
【００３０】
図１１は円柱上θ＝80°での圧力センサによって計測された時系列の非定常圧力データである。後述する振幅スペクトルにもあるようにカルマン渦による変動圧力成分は単一周波数ではなくやや広帯域であるため、図１１の時系列データもうなりを伴う複雑な挙動を示す。
【００３１】
図１２は高速応答PSPデータをFFTで周波数解析して得られた非定常圧力の分布画像である。各ピクセルについてのFFT結果を40Hzの範囲で積算し画像にしたものである。音響解析では１オクターブや1/3オクターブ解析が用いられているが、ここでは等間隔で処理した。図１３はθ＝80°位置の１ピクセルのPSPと圧力センサの振幅スペクトルを比較したものである。
図１２でストローハル数0.2に相当する160Hz付近の140−180Hz成分にだけ非定常成分が存在し、他の周波数帯では非定常成分はほとんど見られない。これは図１３の圧力センサによる振幅スペクトルでも160Hz付近のピーク以外には顕著な成分がないことから妥当な結果であると言える。また図１３の圧力センサとPSPの振幅スペクトルでも両者の分布は良く一致している。
【００３２】
図１４は各ピクセルについて160Hz±10Hzの範囲のFFT結果を積算して画像表示したものであり、空間分解能は縦100ピクセル横160ピクセルでる。図１５は図１４の中央部で流れの二次元性を仮定し横方向に80ピクセルを平均して得られた周方向分布である。図１５での圧力センサデータはPSP結果と同様に時系列データをFFT処理し、150−170Hzの範囲を積算したものである。図１４からは非定常圧力成分がほぼ二次元的に分布していること、θ＝80°付近に変動圧のピークが存在し、下流側では変動成分はほぼフラット、上流では変動成分が小さいことなどが分かる。図１５ではPSPによる非定常圧力の計測結果と圧力センサからのデータとが細部でずれはあるものの定性的に良い一致を示している。
【００３３】
図１６は周波数解析結果の重ねあわせによるS/N比向上の評価の例である。FFT解析は計測周波数分解能１Hzを実現するため、高速カメラの計測フレームレートが１kHzであることから１セットを1024枚とした。実際には窓関数による計測データ利用の非効率性を保障するため、512枚を１組として時系列画像群を区分し、512枚２組を順にオーバーラップしながら1024枚のセットを高速カメラ計測の１ユニット２^14＝16384枚に対して31セット作成する。１ユニットの計測結果には1024枚の画像に対するFFT結果が31セット積算されていることになる。
図１６は16384枚のユニットをさらに１ユニット、３ユニット、５ユニット積算したときのスペクトル上でのノイズ低減の挙動を示している。これまでに示されている結果は５ユニットの結果である。図１６(ａ)〜(ｃ)より、データ積算を増やすほど現象に対応する160Hz付近の信号とノイズレベルの分離性がよくなっていくことが分かる。これは周波数解析を用いることで、データ積算回数を増やしてノイズレベルを低減すると、より小さな圧力変動まで計測可能になることを意味する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
航空宇宙分野をはじめとし、鉄道・自動車などの輸送機械、空調機・ファンなどの流体機械などの広い分野にわたり、非定常圧力変動場が振動や騒音、金属疲労などの問題を生じさせる流れ場に対して利用可能である。これらの分野において、非定常圧力場の存在する箇所やその強度、周波数成分、あるいは位相成分を計測することによって物体表面に存在する非定常場の挙動を把握し、機械の設計や効率の改善、騒音や振動の低減、など多様な目的で用いることができる基本的な技術として用いられる可能性を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】共鳴管の非定常定在波を用いた非定常圧力場の発生装置の写真である。
【図２】図１の装置のシステム全体を示す模式図である。
【図３】１ピクセルに対する処理を画面全体にわたって繰り返し、中心周波数±20Hzのバンドで積分した結果を周波数毎に画像表示したものである。
【図４】(ａ)は計測模型上の１点の周波数方向データをプロットしたもの、(ｂ)，(ｃ)は(ａ)と同じ部位のwind-onデータ、wind-offデータであり、(ｂ)−(ｃ)が(ａ)のデータである。
【図５】噴出しジェットとそれを間欠的にON/OFFするためのモータに連結された回転平板から成るジェット・チョッパ装置の写真である。
【図６】図５のジェット・チョッパ装置の模式図である。
【図７】１ピクセルに対する処理を画面全体にわたって繰り返し、中心周波数±10Hzのバンドで積分した結果を周波数毎に画像表示したものである。
【図８】計測模型上の１点の周波数方向データをプロットしたものである。
【図９】実験に用いた二次元円柱模型の写真である。
【図１０】圧力センサによる円柱周りのCp分布と変動成分のRMS値である。
【図１１】円柱上θ＝80°での圧力センサによって計測された時系列の非定常圧力データである。
【図１２】高速応答PSPデータをFFTで周波数解析して得られた非定常圧力の分布画像である。
【図１３】圧力センサとPSPの振幅スペクトルの比較図である。
【図１４】各ピクセルについて160Hz±10Hzの範囲のFFT結果を積算して画像表示したものである。
【図１５】図１４の中央部で流れの二次元性を仮定し横方向に80ピクセルを平均して得られた周方向分布である。
【図１６】周波数解析結果の重ねあわせによるS/N比向上の評価を示す例である。
【符号の説明】
【００３６】
１  アクリル製の円筒                  ２  大出力スピーカ
３  感圧塗料サンプル                  ４  励起光源
５  高速カメラ                        ６  噴出しジェット
７  チョッパ装置                      7a  回転平板
【図２】
2008082735.tif 000004
【図４】
2008082735.tif 000005
【図６】
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【図８】
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【図１０】
2008082735.tif 000008
【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図１２】
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【図１４】
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