(57)【要約】【課題】音波の受信時刻を正確に検出して、より精確な計測を実現することを可能とする音波発受信装置および距離計測装置ならびに流速計測装置ならびに音速計測装置を提供する。【解決手段】音波発受信装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至る単発のガウシアンパルスのようなエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信する音波発信部１と、その音波発信部１から離れた位置で、音波発信部１から発信された音波の波束を受信する音波受信部２とを備えている。この音波発受信装置は、距離計測装置、流速計測装置、音速計測装置などに組み込まれて用いられる。【選択図】　　　図１
2004028967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、
前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と
を備えたことを特徴とする音波発受信装置。
【請求項２】
前記波束における音波の振幅を、ガウス関数に基づいて形成されたガウシアンパルスのエンベロープによって変調する
ことを特徴とする請求項１記載の音波発受信装置。
【請求項３】
前記時間的始点および前記時間的終点における前記振幅が０であり、かつ前記時間的始点の近傍における前記振幅の変化率が前記時間的始点の０から漸次増加し、かつ前記時間的終点の近傍における前記振幅の変化率が漸次減少して前記時間的終点で０になるように設定されて、前記波束における音波の振幅の変化が、前記時間的始点および前記時間的終点で特異点または変化率が無限大となる点を有さない滑らかなものとなっている
ことを特徴とする請求項１または２記載の音波発受信装置。
【請求項４】
前記音波発信手段および前記音波受信手段の代りに、前記音波発信手段の発信機能と前記音波受信手段の受信機能とを併せ持った音波発・受信手段を少なくとも２個一組で備えており、そのうちの一方が音波を発信するときには他方が音波を受信するように設定されている
ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つの項に記載の音波発受信装置。
【請求項５】
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、
前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、
前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、
前記音波の音速と前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離の計測値を算出する距離計測値算出手段と
を備えたことを特徴とする距離計測装置。
【請求項６】
前記波束における音波の振幅を、ガウス関数に基づいて形成されたガウシアンパルスのエンベロープによって変調する
ことを特徴とする請求項５記載の距離計測装置。
【請求項７】
前記時間的始点および前記時間的終点における前記振幅が０であり、かつ前記時間的始点の近傍における前記振幅の変化率が前記時間的始点の０から漸次増加し、かつ前記時間的終点の近傍における前記振幅の変化率が漸次減少して前記時間的終点で０になるように設定されて、前記波束における音波の振幅の変化が、前記時間的始点および前記時間的終点で特異点または変化率が無限大となる点を有さない滑らかなものとなっている
ことを特徴とする請求項５または６記載の距離計測装置。
【請求項８】
前記音波発信手段および前記音波受信手段の代りに、前記音波発信手段の発信機能と前記音波受信手段の受信機能とを併せ持った音波発・受信手段を少なくとも２個一組で備えており、そのうちの一方が音波を発信するときには他方が音波を受信するように設定されている
ことを特徴とする請求項５ないし７のうちいずれか１つの項に記載の距離計測装置。
【請求項９】
前記音波の音速を計測する音速計測手段をさらに備えると共に、
前記距離計測値算出手段が、前記音速計測手段によって計測された音波の音速と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離の計測値を算出するものである
ことを特徴とする請求項５ないし８のうちいずれか１つの項に記載の距離計測装置。
【請求項１０】
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、
前記音波発信手段から離れた位置に配置され、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、
前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、
前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記音波の音速と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間における前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出する流速計測値算出手段と
を備えたことを特徴とする流速計測装置。
【請求項１１】
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する第１の音波発信手段と、
前記第１の音波発信手段から所定の距離を隔てた位置に配置され、前記第１の音波発信手段から発信された音波の波束を受信する第１の音波受信手段と、
前記波束が前記第１の音波発信手段から発信された時刻から前記第１の音波受信手段に受信された時刻までの到達時間を測定する第１の到達時間測定手段と、
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を、前記第１の音波発信手段とは逆向きに発信する第２の音波発信手段と、
前記第２の音波発信手段から前記所定の距離と同じ距離を隔てて配置され、前記第２の音波発信手段から発信された音波の波束を前記第１の音波受信手段とは逆向きに受信する第２の音波受信手段と、
前記波束が前記第２の音波発信手段から発信された時刻から前記第２の音波受信手段に受信された時刻までの到達時間を測定する第２の到達時間測定手段と、
前記第１の音波発信手段から前記第１の音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離または前記第２の音波発信手段から前記第２の音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記第１の到達時間測定手段によって測定された到達時間と、前記第２の到達時間測定手段によって測定された到達時間とに基づいて、前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出する流速計測値算出手段と
を備えたことを特徴とする流速計測装置。
【請求項１２】
前記第１の音波発信手段と前記第２の音波受信手段とが、１つの第１の音波発／受信手段によって構成され、かつ前記第１の音波受信手段と前記第２の音波発信手段とが、前記第１の音波発／受信手段とは別体の１つの第２の音波発／受信手段によって構成されており、前記第１の音波発／受信手段と前記第２の音波発／受信手段とが、一組として前記所定の距離を隔てて配置されている
ことを特徴とする請求項１１記載の流速計測装置。
【請求項１３】
前記波束における音波の振幅を、ガウス関数に基づいて形成されたガウシアンパルスのエンベロープによって変調する
ことを特徴とする請求項１０ないし１２のうちいずれか一つの項に記載の流速計測装置。
【請求項１４】
前記時間的始点および前記時間的終点における前記振幅が０であり、かつ前記時間的始点の近傍における前記振幅の変化率が前記時間的始点の０から漸次増加し、かつ前記時間的終点の近傍における前記振幅の変化率が漸次減少して前記時間的終点で０になるように設定されて、前記波束における音波の振幅の変化が、前記時間的始点および前記時間的終点で特異点または変化率が無限大となる点を有さない滑らかなものとなっている
ことを特徴とする請求項１０ないし１３のうちいずれか１つの項に記載の流速計測装置。
【請求項１５】
前記音波の音速を計測する音速計測手段をさらに備えると共に、
前記流速計測値算出手段が、前記音速計測手段によって計測された音波の音速と、前記音波の到達経路の距離と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出する
ことを特徴とする請求項１０ないし１４のうちいずれか１つの項に記載の流速計測装置。
【請求項１６】
振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、
前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、
前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、
前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路における前記音波の音速の計測値を算出する音速計測値算出手段と
を備えたことを特徴とする音速計測装置。
【請求項１７】
前記波束における音波の振幅を、ガウス関数に基づいて形成されたガウシアンパルスのエンベロープによって変調する
ことを特徴とする請求項１６記載の音速計測装置。
【請求項１８】
前記時間的始点および前記時間的終点における前記振幅が０であり、かつ前記時間的始点の近傍における前記振幅の変化率が前記時間的始点の０から漸次増加し、かつ前記時間的終点の近傍における前記振幅の変化率が漸次減少して前記時間的終点で０になるように設定されて、前記波束における音波の振幅の変化が、前記時間的始点および前記時間的終点で特異点または変化率が無限大となる点を有さない滑らかなものとなっている
ことを特徴とする請求項１６または１７記載の音速計測装置。
【請求項１９】
前記音波発信手段および前記音波受信手段の代りに、前記音波発信手段の発信機能と前記音波受信手段の受信機能とを併せ持った音波発・受信手段を少なくとも２個一組で備えており、そのうちの一方が音波を発信するときには他方が音波を受信するように設定されている
ことを特徴とする請求項１６ないし１８のうちいずれか１つの項に記載の音速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音波発受信装置および距離計測装置ならびに流速計測装置ならびに音速計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば超音波伝播方式の流速計測装置では、計測対象の流体の流れに従う方向（上流側から下流側へと向かう方向）に、所定の周波数の音波を所定の時間に区切って発信させた超音波の伝播時間（到達時間）と、それとは逆に流れに逆らう方向（下流側から上流側へと向かう方向）に超音波を伝播させたときの伝播時間（到達時間）との時間差を測定し、その時間差と、伝播距離とに基づいて、そのときの計測対象の流体の流速を計測することが一般に行われている。
【０００３】
さらに詳細には、所定の周波数で計測対象の流体の上流側から下流側へと超音波を伝播させたときの到達時間と、下流側から上流側へと超音波を伝播させたときの到達時間との到達時間差Δｔを計測し、この到達時間差Δｔに基づいて、そのときの流体の流速の計測値を得るというもので、このような計測方式（計測方法および計測装置）は時間差法と呼ばれているものである。
【０００４】
この時間差法では、流体の流速をｖ、音速をｃとすると、流体中を伝わる超音波の速度は、流速に対して正方向（上流から下流へと向かう方向）ではｃ＋ｖとなり、流速に対して逆方向（下流から上流へと向かう方向）ではｃ−ｖとなる。従って、音波の伝播経路の距離をＬとすると、このＬの間を超音波が伝わる時間（到達時間）ｔは、流速に対して正方向ではｔｐｒｏ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）、逆方向ではｔｒｅｖ＝Ｌ／（ｃ−ｖ）となるから、両時間の差Δｔは、Δｔ＝ｔｐｒｏ−ｔｒｅｖ＝｛Ｌ／（ｃ＋ｖ）｝−｛Ｌ／（ｃ−ｖ）｝＝２ｖＬ／｛（ｃ＋ｖ）・（ｃ−ｖ）｝となる。これをｖについて解けば、近似的に、ｖ＝（ｃ２・Δｔ）／２Ｌが得られる。このように、時間差法では、正方向と逆方向とでの音波の到達時間の時間差Δｔおよび距離Ｌに基づいて、そのときの流体の流速ｖを計測することができる。
【０００５】
または、この時間差法では、ｔｐｒｏ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）を変形するとｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−ｃとなり、ｔｒｅｖ＝Ｌ／（ｃ−ｖ）を変形するとｖ＝−Ｌ／ｔｒｅｖ＋ｃとなるから、左右両辺でそれぞれ和をとると、２ｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−Ｌ／ｔｒｅｖとなるので、ｖ＝（Ｌ／ｔｐｒｏ−Ｌ／ｔｒｅｖ）／２を計算することによって、そのときの流体の流速ｖを求めることができる。これはすなわち、到達時間（発信から受信までに要する時間）ｔｐｒｏとｔｒｅｖとを別個に求めれば、そのｔｐｒｏの値とｔｒｅｖの値、および距離Ｌの値によって、音速の値ｃを用いることなく流速ｖを計測することができるということである。この手法によれば、媒質の音速ｃの変化の影響を受けることなく（あるいは媒質の音速ｃに対応した校正等を必要とすることなく）正確な流速の計測が可能であるというメリットがある。
【０００６】
あるいは、計測対象の流体が静止状態での（流速ｖ＝０の際の）音速ｃが既知であれば、計測対象の流体の流れに対して正方向（上流側から下流側へと向かう方向）での発信から受信までの時間（到達時間）ｔｐｒｏまたは逆方向（下流側から上流側へと向かう方向）での発信から受信までの時間ｔｒｅｖのうちのいずれか一方のみを測定することで、その測定によって得られたうちのいずれか一方の時間（正方向の場合；ｔｐｒｏ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ），逆方向の場合；ｔｒｅｖ＝Ｌ／（ｃ−ｖ）の値と距離Ｌの値とに基づいて、そのときの流体の流速ｖを求めることができる（正方向の場合；ｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−ｃ，逆方向の場合；ｖ＝Ｌ／ｔｒｅｖ＋ｃ）。但し、この一方向の伝播時間のみを測定する方式の場合には、正確な流速の計測値ｖを得るためには、正確な音速ｃがあらかじめ既知であることが必要である。
【０００７】
また、上記のような流速計測装置の他にも、音波伝播方式の距離計測装置では、音波発信器から所定の周波数の音波を所定の時間に区切って発信し、その音波を音波発信器から距離を隔てて配置された音波受信器で受信して、その際の音波発信器から音波が発信された時刻とその音波を音波受信器で受信した時刻との間の時間（到達時間）ｔを測定し、その時間ｔの値と、音波の音速ｃの値とに基づいて、音波発信器と音波受信器との間の距離Ｌの値を計測している。この場合の演算としては、最も基本的には、乗算；Ｌ＝ｃ・ｔを行っている。
【０００８】
また、音速計測装置では、計測対象の媒質中に、音波発信器と音波受信器とを所定の距離Ｌを隔てて配置しておき、音波発信器から所定の周波数の音波を発信して計測対象の媒質中に伝播させ、その音波を音波受信器で受信して、そのときの音波発信器から音波を発信させた時刻とその音波を音波受信器で受信した時刻との時間ｔを測定する。そしてその時間ｔの測定値と距離Ｌの値とに基づいて、計測対象の媒質における音波の音速を計測している。この場合の演算としては、最も基本的には除算；ｃ＝Ｌ／ｔを行っている。
【０００９】
このような音波を伝播させて計測を行う方式の従来の流速計測装置、距離計測装置、音速計測装置では、いずれも、時間的に有限に区切られた（時間的始点と時間的終点とを有する）音波を音波発信器から発信し、その音波が音波受信器で受信されるまでの到達時間ｔ、または流れに対して正方向での到達時間と逆方向での到達時間との時間差Δｔを測定し、その到達時間ｔまたは時間差Δｔの値を用いてそれぞれ各種の計測を行っている。
【００１０】
従来の技術では、そのような到達時間ｔまたは時間差Δｔを測定するために用いられる時間的に有限に区切られた音波として、発信時刻や受信時刻を明確に検出することができるようになることなどを企図して、一定の周波数かつ一定の振幅の音波をその時間的始点から時間的終点までの区切られた時間内でステップ入力的（オン／オフの２値的）に発信するようにしていた。
【００１１】
さらに詳細には、図１５（Ａ）に模式的に示した矩形波状のストローブ信号のような変調波形（以下、これを「ゲーティングパルス」とも呼ぶ）１０１に基づいて、図１５（Ｂ）に模式的に示したような一定の周波数かつ一定の振幅の音波１０２（以下、これを「搬送波」と呼ぶ。この音波１０２は、通信用の連続的な搬送波とは異なり時間的に区切られたものとなるのであるから、厳密には通信技術分野で用いられる「搬送波」という用語の意味するものとは異なるが、振幅変調を受ける基調波であるというアナロジーから、ここでは疑似的に「搬送波」と呼ぶことにする）を、時間的始点１０３までは非発信状態を維持しており、時間的始点１０３から、一定の周波数でかつ一定の振幅（音圧）の波形の音波１０２の出力を開始して、時間的終点１０４まで恒常的に出力し、時間的終点１０４を経過すると再び非発信状態に戻る、というように時間的に区切る（以下、これを「ゲーティングする」とも呼ぶ）ようにすることで、図１５（Ｃ）に模式的に示したような時間的に有限の２値的な（ステップ入力的な）音波１０５の発信および受信を行うようにしていた。
【００１２】
そして、この時間的に有限の音波１０５の発信時刻や受信時刻の検出方法としては、時間的始点１０３または時間的終点１０４の検出された時刻をそれと見做すようにしていた。あるいは、特に音波の受信時刻については、受信波形が所定のしきい値を超えた時を検出し、その時を受信時刻として検出することや、受信波形が所定のしきい値を超えた後にゼロクロスする時を検出し、その時を受信時刻として検出するという手法が採用されていた。
【００１３】
これら従来の一般的な手法は、時間的に有限の音波１０５の発信開始時点すなわち時間的始点１０３では、発信される音波の波形がそれまで非発信状態であったものが最も衝撃的に（ステップ波形的に急峻に）発信状態に変化しているので、この部分の波形が最もエッジが効いたものとなり、従って音波受信器で受信された際に、この時間的始点１０３を最も明確に検出することができるであろう、ということを想定して案出されたものであった。また、時間的に有限の音波１０５の発信終了時点すなわち時間的終点１０４でも同様に、発信される音波の波形がそれまで発信状態であったものが最も衝撃的に（ステップ波形的に急峻に）非発信状態に変化しているので、この部分の波形も時間的始点１０３の場合と同様に最もエッジが効いたものとなり、従ってこの時間的に有限の音波１０５が音波受信器で受信された際に、時間的終点１０４を最も明確に検出することができるであろう、ということを想定して案出されたものであった。また、時間的に有限な音波１０５の発信手法（生成手法）としては、上記のようなステップ入力波形的な（２値的な）発信が最も簡易なものであることなども、このようなステップ入力波形的な音波１０５の発信が、従来、一般的に採用された理由であった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実際には、上記のようなステップ波形的あるいはオン／オフの２値的にゲーティングされた音波１０５を用いた従来の距離計測装置または流速計測装置または音速計測装置では、音波受信装置で受信された音波１０５の波形を周波数領域で観察すると、本来の音波１０５とは別に、いわゆるサイドローブ（側波帯）が顕著に発生する場合が多い。また、音波受信装置で受信された音波１０５の波形を時間帯域で観察すると、顕著なリンギングが発生する場合が多い。このように周波数領域でサイドローブが顕著に発生し、また時間帯域でリンギングが顕著に発生すると、結局、受信された音波１０５の波形には大幅な歪みが生じ、その歪みに起因して、音波１０５の到達時間（受信時刻）の正確な検知が困難あるいは不可能なものとなり、延いては計測対象の距離や流速や音速の正確な計測が妨げられてしまうこととなる。
【００１５】
しかも、このような受信された音波１０５の時間帯域での歪みや周波数帯域の歪みは、音波１０５を伝播させる媒質の温度や密度、あるいは例えば所定の材質の管の内部の媒質に音波１０５を伝播させる場合などにはその管の材質や形状等の影響で、種々に変化する。また、音波は一般に音源から周囲に拡散して、その環境における多様な反響や残響を発生させるので、それらが顕著なノイズとして音波受信器に受信されてしまうこととなる。
【００１６】
このため、時間的に有限な音波が音波受信器に受信された際に生じている歪みは、例えば電気通信（有線または無線）技術の分野における電気信号の受信波形の歪みの場合等とは全く異なった様相を示すこととなるので、電気通信技術の分野等で一般に行われているような電気的な有線信号や無線信号などの受信波形の歪みを解消するための補正方法や負帰還制御方法などは、音波の場合には実際上、ほとんど全く役に立たない。従って、上記のような流速計測装置や距離計測装置や音速計測装置で用いられる音波の歪みを低減ないし解消するために有効な手法（対策）については、そのような音波の発受信について専用の技術が必要となるが、従来はそのような技術については提案されておらず、また示唆すらされていなかった。
【００１７】
また、特に時間差法を用いた流速計測装置や距離計測装置では、音波発信器の特性と音波受信器の特性とを、流れの正方向と逆方向とでできるだけ等しくすることが要請されるが、使用環境等の影響を受けて種々に変化する音波のサイドローブやリンギングの発生特性まで音波発信器と音波受信器とが揃うように、それら音波発信器と音波受信器との組み合わせを管理することは、極めて困難あるいは不可能である。その結果、特に時間差法を用いた流速計測装置や距離計測装置では、使用環境等の影響を受けて種々に変化する音波のサイドローブやリンギングが回避困難な外乱要因となって、計測誤差の主要な発生要因となっていた。
【００１８】
このように、従来の２値的（ステップ入力的）にゲーティングされた音波を用いた流速計測装置や距離計測装置や音速計測装置では、受信された音波の波形にサイドローブのような周波数帯域的な歪みやリンギングのような時間帯域的な歪みが顕著に発生しやすく、これに起因して、特に音波の受信時刻を正確に検出することが困難あるいは不可能となり、延いては、より精確な計測を実現することが困難なものとなっていた。
【００１９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、音波の受信時刻を正確に検出して、より精確な計測を実現することを可能とする音波発受信装置および距離計測装置ならびに流速計測装置ならびに音速計測装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による音波発受信装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段とを備えている。
【００２１】
本発明による音波発受信装置では、上記のエンベロープの時間的始点から時間的終点までの時間よりも短波長である音波の振幅を、時間的始点から単調増加し、極大値を経て単調減少に転じて時間的終点へと至るという、紡錘型のような曲線的なエンベロープによって変調して、時間的始点と時間的終点とを有してその間に時間的に有限に区切られた音波の波束を作り出し、それを音波発信手段から発信（出力）する。そしてその出力された音波の波束は、例えば大気や海水のような計測環境雰囲気の媒質を通って（伝播して）、音波発信手段から離れた位置に配置された音波受信手段で受信される。
【００２２】
このようにすることにより、音波受信手段で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状の（換言すればオン／オフの２値的な、あるいは衝撃波的な）音波の塊を発信した場合に、受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる。
【００２３】
ここで、上記の「波束」とは、「時間的に始点と終点とを有して、その間に時間的に有限に区切られた音波の塊」ということを意味しているのであって、例えば初期量子力学などで使用される「波束」という用語の場合のような、位相や周期の異なった極めて多数の波形をフーリエ級数和的に重ね合わせて形成される波形、という点については意味していない。従って、初期量子力学などで考えられている「波束」の場合には、その「波束」が媒質中を伝播していくうちに、その波形を形成している多数の要素波の位相の違い等に起因して、その「波束」が次第に崩壊していくという特質があるが、本発明で言う音波の波束の場合には、基本的には（媒質に起因した単なる音波の減衰作用を無視すれば）、音波発信手段から発信出力された音波の波束は、その時間的な始点と終点との間または進行方向での先端と後端との間のような区切りを有する紡錘状のような音の塊の状態を維持しながら媒質中を進行していき、位相差等に起因した崩壊を生じることなく波束のままで音波受信手段に受信される。
【００２４】
このように紡錘状のような滑らかなエンベロープで振幅が変調（ゲーティング）された音波の波束を発信して媒質を伝播させ、音波受信手段でそれを受信した場合には、その音波の波束の伝播経路（到達経路）の媒質や温度や反響条件や残響条件など種々の条件が異なっても、従来の技術と比較して、前述したようなリンギングやサイドローブの発生を極めて効果的に低減ないしは解消することが可能となることを、本発明者らは、種々の実験および考察等によって確認した。
【００２５】
なお、本発明者らは、さらに、上記の波束における音波の振幅をガウス関数に基づいて形成された単発のガウシアンパルスのエンベロープによって変調することで、さらに効果的にリンギングやサイドローブの発生を低減ないしは解消することが可能となることを確認している。
【００２６】
すなわち、上記の波束における音波の振幅を、ガウス関数に基づいて形成されたガウシアンパルスのエンベロープによって変調することが望ましい。
【００２７】
あるいは、上記のエンベロープの形状としては、ガウシアンパルスのみには限定されないことは言うまでもない。その他にも、ガウシアンパルスに近似した滑らかな波形とすることも可能である。
【００２８】
すなわち、前記時間的始点および前記時間的終点における前記振幅が０であり、かつ前記時間的始点の近傍における前記振幅の変化率が前記時間的始点の０から漸次増加し、かつ前記時間的終点の近傍における前記振幅の変化率が漸次減少して前記時間的終点で０になるように設定されて、前記波束における音波の振幅の変化が、前記時間的始点および前記時間的終点で特異点または変化率が無限大となる点を有さない滑らかなものとなっているようにしてもよい。なお、上記のガルシアンパルス波形やそれに近似した波形を用いる場合では、その波形に所定のオフセットを設けるようにするといった態様なども可能であることは言うまでもない。
【００２９】
ここで、上記の音波発信手段の、より現実的な態様の一例としては、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープの波形を出力するエンベロープ波形出力手段と、振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定されており振幅が所定の振幅に設定されている搬送波形を発振する搬送波形発振手段と、前記搬送波形発振手段から発振された搬送波形の振幅を前記エンベロープ波形出力手段から出力されたエンベロープの波形によって変調して、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信するための信号を出力する波束発信用信号出力手段と、前記波束発信用信号出力手段から出力された信号に基づいて、前記音波の波束を出力する音波波束出力手段とを備えたものであるようにしてもよい。あるいは、簡易な回路構成で製造コスト等の低廉化を達成可能な態様としては、例えば上記のような搬送波形に変調を掛ける手法の他にも、最初から直接に周波数一定で振幅を変調（漸増・漸減）させた波形をデジタル回路によって合成するといったことなども可能である。
【００３０】
このようにすることにより、上記の単発ガウシアンパルスのようなエンべロープ波形で変調された音波の波束を、簡易な構成で作り出して発信出力することができる。
【００３１】
このような本発明による音波発受信装置は、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を測定する手段等とさらに組み合わせて用いることで、その音波発信手段の位置と音波受信手段の位置との間の距離を計測するための距離計測装置の一部としてとして機能させることが可能である。
【００３２】
すなわち、本発明による距離計測装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、前記音波の音速と前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離の計測値を算出する距離計測値算出手段とを備えている。
【００３３】
本発明による距離計測装置では、音波受信手段で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状の（換言すればオン／オフの２値的な、あるいは衝撃波的な）音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる、という上記の音波発受信装置によるメリットを活用して、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な距離計測を実現することが可能となる。
【００３４】
なお、本発明による距離計測装置は、前記音波の音速を計測する音速計測手段をさらに備えると共に、前記距離計測値算出手段が、前記音速計測手段によって計測された音波の音速と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の波束の到達経路の距離の計測値を算出するようにしてもよい。
【００３５】
すなわち、本発明による距離計測装置では音波の波束の到達経路の距離の計測値を最終的に得るのであるが、その距離の計測値を精確に算出するためには、音波の波束を伝播させた媒質における音速の値を把握しておくことが必要である。
【００３６】
このとき、媒質ごとに一般的に既知の音速の実測値を用いると共に、温度や湿度などのような計測環境上の諸条件を加味した校正を行うなどして、その計測時における音速の値を想定するようにしてもよいが、より精確な計測を行うためには、実際に計測を行う対象の媒質における音速を測定することが最も望ましい。そこで、音波の音速を計測する音速計測手段をさらに備えて、媒質の音速を計測しておくようにすることで、そのとき計測された媒質の音速の値と、音波の波束の到達時間の値とを用いて、そのときの最終的な計測対象である距離の、より精確な計測値を算出することが可能となる。
【００３７】
上記のような本発明による音波発受信装置は、距離計測装置の他にも、流速計測装置に適用することも可能である。
【００３８】
すなわち、本発明による第１の流速計測装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、前記音波発信手段から離れた位置に配置され、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記音波の音速と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間における前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出する流速計測値算出手段とを備えている。
【００３９】
本発明による第１の流速計測装置では、音波受信手段で受信された音波の波束の波形における、従来のステップ入力的な矩形波状の衝撃波的な音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる、という上記の音波発受信装置によるメリットを活用して、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な流速計測を実現することが可能となる。
【００４０】
本発明による第２の流速計測装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する第１の音波発信手段と、前記第１の音波発信手段から所定の距離を隔てた位置に配置され、前記第１の音波発信手段から発信された音波の波束を受信する第１の音波受信手段と、前記波束が前記第１の音波発信手段から発信された時刻から前記第１の音波受信手段に受信された時刻までの到達時間を測定する第１の到達時間測定手段と、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を、前記第１の音波発信手段とは逆向きに発信する第２の音波発信手段と、前記第２の音波発信手段から前記所定の距離と同じ距離を隔てて配置され、前記第２の音波発信手段から発信された音波の波束を前記第１の音波受信手段とは逆向きに受信する第２の音波受信手段と、前記波束が前記第２の音波発信手段から発信された時刻から前記第２の音波受信手段に受信された時刻までの到達時間を測定する第２の到達時間測定手段と、前記第１の音波発信手段から前記第１の音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離または前記第２の音波発信手段から前記第２の音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記第１の到達時間測定手段によって測定された到達時間と、前記第２の到達時間測定手段によって測定された到達時間とに基づいて、前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出する流速計測値算出手段とを備えている。
【００４１】
本発明による第２の流速計測装置では、第１の音波受信手段や第２の音波受信手段で受信された音波の波束の波形における、従来のステップ入力的な矩形波状の衝撃波的な音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる、という上記の音波発受信装置によるメリットを活用して、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な流速計測を実現することが可能となる。
【００４２】
なお、第２の流速計測装置においては、前記第１の音波発信手段と前記第２の音波受信手段とが、一つの第１の音波発／受信手段によって構成され、かつ前記第１の音波受信手段と前記第２の音波発信手段とが、前記第１の音波発／受信手段とは別体の一つの第２の音波発／受信手段によって構成されており、前記第１の音波発／受信手段と前記第２の音波発／受信手段とが、一組として前記所定の距離を隔てて配置されているようにしてもよい。
【００４３】
また、前記音波発信手段または前記第１の音波発信手段および前記第２の音波発信手段が、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープの波形を出力するエンベロープ波形出力手段と、振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定されており振幅が所定の振幅に設定されている搬送波形を発振する搬送波形発振手段と、前記搬送波形発振手段から発振された搬送波形の振幅を前記エンベロープ波形出力手段から出力されたエンベロープの波形によって変調して、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信するための信号を出力する波束発信用信号出力手段と、前記波束発信用信号出力手段から出力された信号に基づいて、前記音波の波束を出力する音波波束出力手段とを備えたものであるようにしてもよい。
【００４４】
また、本発明による第１の流速計測装置または第２の流速計測装置においても、上記の距離計測装置の場合と同様に、前記音波の音速を計測する音速計測手段をさらに備えると共に、前記流速計測値算出手段が、前記音速計測手段によって計測された音波の音速と、前記音波の到達経路の距離と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波の媒質となった流体の流速の計測値を算出するようにしてもよい。
【００４５】
このようにすることにより、上記の距離計測装置の場合と同様に、音速計測手段によって計測された媒質の音速の値と、音波の波束の到達時間の値とを用いて、そのときの最終的な計測対象である流速の、より精確な計測値を算出することが可能となる。なお、所定の断面積を有する流管中を流れる流体の流速値を計測することができれば、その流速値にそのときの流管の断面積（より望ましくは断面内の平均流速に対応して流量係数のように定まる実効断面積あるいは平均断面積など）を乗算するだけで容易に流量値を算出することができる。換言すれば、流量の計測値を得るためには、流速の計測を行うことが必要条件であって、その流速の計測値にそのときの流れの断面積を乗算するか、あるいは予め流速の計測を行う段階で計測値に断面積を乗算するという演算が行われたのと同じになるような係数を掛けた計測値が得られるように設定しておくことにより、上記のような流速の計測を行うことで容易に流量の計測値を得ることができる。このように、流速の計測と流量の計測とは極めて近似したものであるから、本発明による流速計測装置は、上記のようにして流速の計測値を得た上で、その流速の計測値にそのときの流管または管路の断面積を乗算することで容易に流量計測装置としても機能することが可能であることは言うまでもない。よって、前記のような流速と流量との関係についての説明や「流速または流量のうち少なくとも流速」などといった表記を繰り返すことは説明の繁雑化を招く虞があるので、それらに関する説明や表現あるいは表記の簡潔化を図るために、上記の各請求項およびこの課題を解決するための手段の説明では、「流速」には「流量」という意味も含ませるものとする。
【００４６】
ここで、本発明による音波発受信装置は、上記の音速計測手段のような音速を計測するための音速計測装置に適用することも可能である。
【００４７】
すなわち、本発明による音速計測装置は、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された、音波の波束を発信する音波発信手段と、前記音波発信手段から離れた位置で、前記音波発信手段から発信された音波の波束を受信する音波受信手段と、前記波束が前記音波発信手段から発信された時刻から前記音波受信手段に受信された時刻までの間の到達時間を測定する到達時間測定手段と、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路の距離と、前記到達時間測定手段によって測定された前記到達時間とに基づいて、前記音波発信手段から前記音波受信手段までの間での前記音波の到達経路における前記音波の音速の計測値を算出する音速計測値算出手段とを備えている。
【００４８】
さらに詳細には、本発明による音速計測装置は、前記音波発信手段が、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープの波形を出力するエンベロープ波形出力手段と、振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定されており振幅が所定の振幅に設定されている搬送波形を発振する搬送波形発振手段と、前記搬送波形発振手段から発振された搬送波形の振幅を前記エンベロープ波形出力手段から出力されたエンベロープの波形によって変調して、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され振動周期が前記エンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信するための信号を出力する波束発信用信号出力手段と、前記波束発信用信号出力手段から出力された信号に基づいて、前記音波の波束を出力する音波波束出力手段とを備えたものであるようにしてもよい。
【００４９】
本発明による音速計測装置では、音波受信手段で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状の音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる、という上記の音波発受信装置によるメリットを活用して、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な音速計測を実現することが可能となる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５１】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態として、本発明の一実施の形態に係る音波発受信装置の概要構成を表したものである。この音波発受信装置は、単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープによって振幅が変調され、かつそのエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に振動周期が設定された音波の波束を発信する音波発信部１と、その音波発信部１から離れた位置で、その音波発信部１から発信された音波の波束を受信する音波受信部２とを備えている。
【００５２】
さらに詳細には、音波発信部１は、図２に示したように、エンベロープ波形出力部１１と、搬送波形発振部１２と、波束発信用信号出力部１３と、音波波束出力部１４とから、その主要部が構成されている。
【００５３】
エンベロープ波形出力部１１は、上記の単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープの波形を出力するものである。エンベロープ波形出力部１１から出力される波形を図３（Ａ）に模式的に示す。このエンベロープの波形の形成手法については、例えば位相および周期の異なる複数の波形をフーリエ級数和的に重ね合わせて（合成して）形成するようにしてもよく、あるいはその他の手法によって同様の波形を生成するようにしてもよい。この波形は、最終的に音波波束出力部１４の図４に示した音波発信器１４１（例えばスピーカなど）から出力される音波の振幅が上記の単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープによって変調（ゲーティング）されて、時間的な始点と終点との間（または進行方向での先端と後端との間）の区切りを有する紡錘状のような滑らかなエンベロープでゲーティングされた音波の波束（換言すれば音の塊）となるように設定されたもので、例えば音波発信器１４１から出力される音波の振幅が入力電圧に対応して定まる場合には電圧波形である。
【００５４】
搬送波形発振部１２は、振動周期が上記のエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定されており、かつ振幅が所定の振幅に設定されている搬送波形を発振するものである。この搬送波形発振部１２から出力される波形を図３（Ｂ）に模式的に示す。なお、この波形は、最終的に上記のエンベロープによってデーティングされて時間的な始点と終点とを有するパケット状のものとなるのであり、またその変調すること自体が何らかの情報をこの搬送波形発振部１２から出力される波形に盛り込むというものでもないのであるから、厳密には、例えば電気通信技術の分野などで言う「搬送波形」とは異なるが、他に適した用語がなく、また上記の「エンベロープによって振幅変調を受ける短周期の（高周波数の）波形」という意味ではアナロジーが成立するので、ここでは取り敢えず「搬送波形」と呼ぶものとする。
【００５５】
波束発信用信号出力部１３は、搬送波形発振部１２から発振された搬送波形の振幅をエンベロープ波形出力部１１から出力されたエンベロープの波形によって変調して、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され振動周期がエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信するための信号を出力するものである。この波束発信用信号出力部１３によって変調を受けて出力される信号の波形を図３（Ｃ）に模式的に示す。
【００５６】
この波束発信用信号出力部１３としては、例えば出力波形の電圧振幅の増幅率をエンベロープ波形出力部１１から送られて来たエンベロープの波形に対応して０から所定の最大電圧振幅まで変化させることができる増幅回路などを用いることができる。あるいはその他の回路を用いて同様の変調を行うようにすることも可能であることは言うまでもない。
【００５７】
音波波束出力部１４は、波束発信用信号出力部１３から出力された信号に基づいて、上記の単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープによって変調してなる音波の波束を出力するものである。さらに詳細には、この音波波束出力部１４は、図４に示したように、波束発信用信号出力部１３から出力された信号を増幅する増幅回路１４２と、その増幅回路１４２から出力される電気信号に対応して音波を出力するスピーカのような音波発信器１４１とからその主要部が構成されている。この音波波束出力部１４から出力される音波の波形は、基本的に（音波発信器１４１自体の出力特性に実質的な不都合がなければ）、波束発信用信号出力部１３から出力される図３（Ｃ）に示した波形と相似形となる。
【００５８】
音波受信部２は、音波発信部１から発信された音波の波束を受信するように設定されたもので、例えば、所定の周波数帯域の音波を受けてそれを電気信号に変換するマイクロホンのような音波受信器とその音波受信器から出力される電気信号を増幅する増幅回路（いずれも図示省略）とを備えたものなどを用いることができる。この音波受信部２では、基本的に（自体の出力特性に実質的な不都合がなければ）、雑音除去や、マイクロホンと音波発信部１のスピーカ（音波発信器１４１）とのインピーダンスマッチングや、フィードバック制御といった、煩雑なノイズ対策または歪み対策などを行わずとも、また音波発信部１から音波受信部２に至るまでの音波の波束の到達経路を含む環境の全体を一つの計測系と見做せばその計測系における音波の共振条件や反響条件や残響条件が種々異なったものであっても、上記のような音波の波束を用いたことによって得られる作用（その詳細は後述する）によって、サイドローブやリンギングが低減ないし解消された、良好な波形の音波の波束を受信することができる。
【００５９】
次に、この音波発受信装置における作用について説明する。
【００６０】
本実施の形態に係る音波発受信装置では、上記のエンベロープの時間的始点から時間的終点までの時間よりも短波長である音波の振幅を、時間的始点から単調増加し、極大値を経て単調減少に転じて時間的終点へと至るという、紡錘型のような曲線的なエンベロープによって変調して、時間的始点と時間的終点とを有してその間に時間的に有限に区切られた音波の波束を作り出し、それを音波発信部１から発信（出力）する。そしてその出力された音波の波束は、例えば大気やガスや海水のような計測系における媒質を通って、音波発信部１から離れた位置に配置された音波受信部２に受信される。
【００６１】
このようにすることで、音波の波束の到達経路の媒質や温度や反響条件や残響条件などの条件が種々に異なっても、音波発信部１から発信されて音波受信部２で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状あるいは衝撃波的な音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な（後述するような種々の計測における誤差要因となり得るような）歪みやサイドローブのような周波数帯領域での歪みなどの発生を、極めて効果的に低減ないしは解消することができる。特に、上記の波束における音波の振幅をガウス関数に基づいて形成された単発のガウシアンパルスのエンベロープによって変調することで、さらに効果的にリンギングやサイドローブの発生を低減ないしは解消することが可能となることを、本発明者らは種々の実験および考察等によって確認した。
【００６２】
図５は、本発明者らが行った実験における、音波波束出力部１４に入力された信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）をそれぞれ示したものである。また図６は、その実験結果として、音波受信部２のマイクロホンのような音波受信器（図示省略）で受信され、電気信号化されて出力された信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）をそれぞれ示したものである。また、比較例として、図７は、従来の技術による実験を行った場合に、音波波束出力部１４に入力される信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）をそれぞれ示したものであり、図８は、その従来の技術による実験の結果として、音波受信部２で受信され電気信号化されて出力された信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）をそれぞれ示したものである。
【００６３】
本実施の形態に係る音波発受信装置の実験では、波束発信用信号出力部１３が、搬送波形発振部１２から出力された搬送波形を、エンべロープ波形出力部１１から出力された単発のガウシアンパルスの信号によって振幅変調し、図５に示したような波形の信号を形成して、音波波束出力部１４に入力した。
【００６４】
このときの波束発信用信号出力部１３から出力された波形は、図５（Ａ）に明らかに示されているように、時間的スペクトルが紡錘状に分布した形状となっている。また、図５（Ｂ）に明らかに示されているように、メインローブの周波数帯域は６０００［Ｈｚ］を中心として５５００［Ｈｚ］から６５００［Ｈｚ］までの間の約１０００［Ｈｚ］以内という明確に限定された領域内に集中している。また、その最大分布強度は約−２５［ｄＢ］となっており、それ以外の帯域（５５００［Ｈｚ］未満の帯域および６５００［Ｈｚ］超の帯域）のいわゆる暗ノイズはほぼ一定で−８０〜−１２０［ｄＢ］程度となっているので、６０００［Ｈｚ］を中心としてその±５００［Ｈｚ］のメインローブの周波数帯域スペクトルの分布が突出して際立ったものとなっている。従って、この入力信号の波形は、音波波束出力部１４で搬送波形を単発のガウシアンパルスのような紡錘状のエンベロープでゲーティングしてなる音波の波束を生成するための信号として、時間的スペクトルの点でも、周波数帯域スペクトルの点でも、極めて整った（従って最も望ましい）波形のものとなっている。
【００６５】
他方、それと比較して、従来の技術における入力信号の場合には、図７（Ｂ）に示したように、周波数帯域スペクトルの分布はメインローブである約６０００［Ｈｚ］の前後が緩やかな裾野状となっており、既にこの入力信号の段階で、多くの周波数が混在する音波を生成させてしまう可能性を多分に含んだ信号となってしまっている。
【００６６】
本実施の形態に係る音波発受信装置では、上記のような入力信号に基づいて、音波波束出力部１４が搬送波形を単発のガウシアンパルスのような紡錘状のエンベロープでゲーティングしてなる音波の波束を生成し、音波受信部２に向けて媒質中へと出力する。そしてこの出力された音波は、大気またはガスあるいは海水のような媒質中を進行（伝播）していき、音波受信部２に受信される。その結果、音波受信部２で受信された音波は電気信号に変換されて、図６に示したような波形となる。
【００６７】
すなわち、受信された音波の波束を音波受信部２で電気信号に変換してなる波形の時間的スペクトルは、図６（Ａ）に明らかに示されているように、音波発信部１で音波の波束の発信用に用いられた入力信号の波形と極めて相似した、単発のガウシアンパルスのような紡錘状のエンベロープでゲーティングしてなる波形となっている。また、その周波数帯域スペクトルは、図６（Ｂ）に明らかに示されているように、０〜１０００［Ｈｚ］辺りの主要周波数帯域（メインローブ）から最も遠い帯域では若干のノイズが混入しているが、その他の帯域では、計測に不都合を生じさせる要因となる虞のあり得るノイズはほとんど全くなく、ほぼ−１１０〜−１３０［ｄＢ］程度の分布強度に収まっている。従って、距離や流速等の計測に用いられる信号としての音波の波束の主要周波数帯域である６０００±５００［Ｈｚ］の周波数帯域のスペクトルが、それ以外の帯域（５５００［Ｈｚ］未満の帯域および６５００［Ｈｚ］超の帯域）と比較して明確に判別することができるように際立ったものとなっている。
【００６８】
他方、それと比較して従来の技術の場合には、時間的スペクトルの分布は、図８（Ａ）に示したように、０．０５８［ｓｅｃ］辺りの立上がり時点および０．０７［ｓｅｃ］辺りの立下がり時点で、それぞれ媒質およびそれを包含する管壁や側壁等を含めた計測系全体での共振等に起因するものと推測されるスパイク状の顕著なノイズが発生しており、また０．０７［ｓｅｃ］から０．０７５［ｓｅｃ］辺りにかけては残響のような減衰的なノイズが発生している。また、周波数帯域スペクトルの分布は、図８（Ｂ）に示したように、６０００［Ｈｚ］を中心とするメインローブが極めて細く、その前後の周波数帯域の強度分布も緩やかな裾野状となっているので、メインローブが際立たず、しかもその６０００［Ｈｚ］を中心とするメインローブ以外の周波数帯域にも、例えば１０００［Ｈｚ］や２０００［Ｈｚ］や４０００［Ｈｚ］などを中心とする帯域で、メインローブの強度と同じ程度に際立った強度のノイズが発生している。このため、メインローブがノイズに埋没してしまい、それを時間的にも周波数帯的にも検出することが困難となる虞がある状態となっている。
【００６９】
従来の技術の場合には、上記のように受信された波形が時間的なノイズおよび周波数帯域的なノイズが多分に含んだ波形となることに起因して、音波発信部１から発信された音波の波束が音波受信部２で受信されたときの時刻を正確に特定することができなくなる場合があった。延いては、そのような従来の音波発受信装置を用いて距離または流速あるいは音速の計測を行う際に、その計測結果の精度を高いものとすることが困難ないしは不可能となるという問題があった。
【００７０】
しかし、本実施の形態に係る音波発受信装置によれば、図６に示したように、受信波形には受信時刻を特定する際の誤差要因となるリンギングのような時間的ノイズもサイドローブのような周波数帯域的ノイズも発生しないので、音波発信部１から発信された音波の波束が音波受信部２で受信されたときの時刻を正確に特定することが可能となり、延いてはそのような音波発受信装置を用いて測定された音波の波束の到達時間の値に基づいた距離または流速あるいは音速の計測を精確に行うことが可能となる。
【００７１】
ここで、上記のような音波受信部２における音波の波束の受信時刻を特定する手法としては、受信波形が所定のしきい値を超えたときの時刻を受信時刻として検知するという手法や、受信波形が所定のしきい値を超えた後にゼロクロスしたときの時刻を受信時刻として検知するという手法などが適用可能である。
【００７２】
なお、上記のエンベロープの形状としては、ガウシアンパルスのみには限定されないことは言うまでもない。その他にも、ガウシアンパルスに近似した滑らかな波形とすることも可能である。すなわち、図９に模式的に表したように、時間的始点および時間的終点における振幅が０（Ａ＝０）であり、かつ時間的始点の近傍における振幅の変化率（ｄＡ／ｄｔ）が、時間的始点でｄＡ／ｄｔ＝０から漸次増加しそのまま振幅が単調増加して（ｄＡ／ｄｔ＞０）、極大値（Ａ＝ＭＡＸ）に達し、その後、振幅が単調減少していき（ｄＡ／ｄｔ＜０）、時間的終点の近傍では振幅の変化率が漸次減少していき時間的終点でｄＡ／ｄｔ＝０になるように設定されて、波束における音波（変調を受けた搬送波形）の振幅の変化が、時間的始点から時間的終点までの間で特異点または変化率が無限大となる点を有さないような滑らかなものとなっているようにしてもよい。このような波形は、言うなれば、曲線としての増減や凹凸等の解析的概形がガウシアンパルスに近似した波形である。そのような近似的波形としては、例えば、１−Ａｃｏｓθ（０≦θ≦２π、Ａは最大振幅）で現されるような波形がある。その他にも、上記のような条件を満たす概形のものであれば、種々の波形を採用することが可能である。あるいは、上記のガウシアンパルスまたはそれに近似した波形のエンべロープに所定のオフセットを与えて、時間的始点および時間的終点における振幅を０ではなくするようにしてもよい。但し、その場合には、波束の時間的始点および時間的終点における波形の立上がりが音波を伝播させる媒質およびそれを包含している環境に対していわゆるステップ応答的な誤差要因となることのないようにオフセット量を設定することが望ましい。
【００７３】
［第２の実施の形態］
図１０は、第２の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を組み込んだ距離計測装置の概要構成を表したものである。なお、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置に関する部分については実質的に内容が重複するので、その部分についての説明は簡略化し、距離計測装置として付加した特徴的な部分の概要構成およびその動作についてのみを詳細に説明する。
【００７４】
この距離計測装置は、単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープによって振幅が変調され、かつそのエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に振動周期が設定された音波の波束を発信する音波発信部１と、その音波発信部１から離れた位置で、その音波発信部１から発信された音波の波束を受信する音波受信部２と、音波の波束が音波発信部１から発信されてから音波受信部２に到達するまでの間の時間を測定する到達時間測定部３と、音波の音速と到達時間測定部３によって測定された到達時間とに基づいて、音波発信部１から音波受信部２までの間の波束（音波）の到達経路上での距離の計測値を算出する距離計測値算出部４と、計測値出力部５とを備えている。
【００７５】
上記の概要構成のうち、音波発信部１および音波受信部２は、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置である（従って、ここではその詳細な説明については省略する）。
【００７６】
到達時間測定部３は、音波発信部１から音波の波束が発信されたときに、それを音波発信部１から出力される電気信号の波形に基づいて検知して、それを音波の波束の発信時刻とし、その時刻から計時動作を開始する。続いて、その音波の波束が音波受信部２に到達すると、それを音波受信部２から出力される電気信号の波形に基づいて検知して、その時刻を音波の波束の到達時刻とする。そして音波の波束が音波発信部１から発信されてから音波受信部２に到達するまでの間の時間の測定結果（到達時間の測定値）の情報の信号を出力する。
【００７７】
距離計測値算出部４は、到達時間測定部３から出力された到達時間の測定結果の値（ｔ）と、そのときの音波の音速の値（ｃ）とに基づいて、音波発信部１から音波受信部２までの間の、波束の到達経路上での距離の計測値（Ｌ）を、基本的にＬ＝ｃ・ｔという演算を行って算出する。ここで「基本的に」とは、音波の音速ｃが媒質や温度等の計測環境（計測系の条件）に起因して変化する場合があるので、それが外乱的に計測誤差の要因となることを避けるために、温度変化等に対応して距離の計測値の補正または校正を行う必要があるので、上記のような単純な乗算式以外の補正式等を用いることが必要となる場合もあり得る、という意味である。
【００７８】
計測値出力部５は、距離計測値算出部４からの出力に基づいて、計測結果の値の情報を、例えばプリンタ装置によって印刷出力または表示装置によって表示出力またはデータ記録装置によってデータとして記録するものである。
【００７９】
本実施の形態に係る距離計測装置によれば、音波受信部２で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状、換言すればオン／オフの２値的あるいは衝撃波的な音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を効果的に低減ないしは解消することができるという、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置による作用を活用して、音波発信部１から発信された音波の波束が音波受信部２に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な距離計測を実現することが可能となる。
【００８０】
なお、この距離計測装置における距離計測で用いる音波の音速ｃの値については、前述した如く、音波の媒質や温度等の計測環境（計測系の条件）に起因して変化する場合があるので、より精確な計測を行うためには、距離計測を行うに先立って、その計測系における音波の音速ｃの値を計測（実測）し、その音速の計測値ｃと到達時間ｔとを用いて、より精確な距離の計測値を算出するようにしてもよい。そのような音波の計測を行う音波計測装置としては、第４の実施の形態で説明するようなものを好適に用いることができる。
【００８１】
［第３の実施の形態］
図１１は、第３の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を応用した流速計測装置の概要構成を表したものである。なお、この第３の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置に関する部分については実質的に内容が重複するので、その部分についての説明は簡略化し、流速計測装置として付加した特徴的な部分の概要構成およびその動作についてのみを詳細に説明する。
【００８２】
この流速計測装置は、第１の音波発信部１ａと、第１の音波受信部２ａと、第２の音波発信部１ｂと、第２の音波受信部２ｂと、到達時間測定部３と、流速計測値算出部６と、計測値出力部５とを備えている。
【００８３】
第１の音波発信部１ａは、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期がエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を発信するものである。
【００８４】
第１の音波受信部２ａは、第１の音波発信部１ａから所定の距離Ｌを隔てた位置に配置されて、第１の音波発信部１ａから発信された音波の波束を受信するものである。
【００８５】
第２の音波発信部１ｂは、振幅が時間的始点から単調増加し極大値を経て単調減少して時間的終点へと至るエンベロープによって変調され、かつ振動周期がエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に設定された音波の波束を、第１の音波発信部１ａとは逆向きに発信するものである。
【００８６】
第２の音波受信部２ｂは、第２の音波発信部１ｂから距離Ｌを隔てて配置され、第２の音波発信部１ｂから発信された音波の波束を第１の音波受信部２ａとは逆向きに受信するものである。ここで、第１の音波発信部１ａと第１の音波受信部２ａとの間の距離Ｌと、第２の音波発信部１ｂと第２の音波受信部２ｂとの間の距離Ｌとは、同じ距離に設定することが望ましい。このようにすることにより、後に流速計測値の計算が簡単になるからである。
【００８７】
第１の音波発信部１ａおよび第１の音波受信部２ａ、ならびに第２の音波発信部１ｂおよび第２の音波受信部２ｂは、それぞれ第１の実施の形態で説明した音波発受信装置である（従って、ここではそれらの詳細な説明については省略する）。
【００８８】
到達時間測定部３は、本実施の形態では、音波の波束が第１の音波発信部１ａから発信された時刻から第１の音波受信部２ａに受信された時刻までの到達時間を測定する。さらに詳細には、第１の音波発信部１ａから音波の波束が発信されたときに、それを第１の音波発信部１ａから出力される電気信号の波形に基づいて検知して、その時を音波の波束の発信時刻とし、その時刻から計時動作を開始する。続いて、その音波の波束が第１の音波受信部２ａに到達すると、それを音波受信部２から出力される電気信号の波形に基づいて検知して、その時刻を音波の波束の到達時刻とする。そして音波の波束の発信時刻から到達時刻までの間に計時された時間を、音波の波束が第１の音波発信部１ａから発信されてから第１の音波受信部２ａに到達するまでの間の時間の測定結果（到達時間の測定値）の情報の信号として出力する。また、この到達時間測定部３は、音波の波束が第２の音波発信部１ｂから発信された時刻から第２の音波受信部２ｂに受信された時刻までの到達時間を測定する。さらに詳細には、第２の音波発信部１ｂから音波の波束が発信されたときに、それを第２の音波発信部１ｂから出力される電気信号の波形に基づいて検知して、その時を音波の波束の発信時刻とし、その時刻から計時動作を開始する。続いて、その音波の波束が第２の音波受信部２ｂに到達すると、それを音波受信部２から出力される電気信号の波形に基づいて検知して、その時刻を音波の波束の到達時刻とする。そして音波の波束の発信時刻から到達時刻までの間に計時された時間を、音波の波束が第２の音波発信部１ｂから発信されてから第２の音波受信部２ｂに到達するまでの間の時間の測定結果（到達時間の測定値）の情報の信号として出力する。
【００８９】
流速計測値算出部６は、第１の音波発信部１ａから第１の音波受信部２ａまでの間での音波の到達経路の距離（Ｌ；または第２の音波発信部１ｂから第２の音波受信部２ｂまでの間での音波の到達経路の距離Ｌ）と、到達時間測定部３によって測定された到達時間（ｔｐｒｏ）と、到達時間測定部３によって測定された到達時間（ｔｒｅｖ）とに基づいて（あるいはさらに音速ｃの値も用いる場合もある）、音波の媒質となった流体の流速の計測値（ｖ）を算出するものである。
【００９０】
さらに詳細には、この流速計測値算出部６では、音速をｃとすると、流体中を伝わる音波の静止座標系（計測系）における速度は、流速に対して正方向つまり上流から下流へと向かう方向ではｃ＋ｖとなり、流速に対して逆方向つまり下流から上流へと向かう方向ではｃ−ｖとなる。従って、距離をＬとすると、このＬの間を音波が伝わる到達時間ｔは、流速に対して正方向ではｔｐｒｏ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）、逆方向ではｔｒｅｖ＝Ｌ／（ｃ−ｖ）となるから、両時間の差Δｔは、Δｔ＝ｔｐｒｏ−ｔｒｅｖ＝｛Ｌ／（ｃ＋ｖ）｝−｛Ｌ／（ｃ−ｖ）｝＝２ｖＬ／｛（ｃ＋ｖ）・（ｃ−ｖ）｝となる。これをｖについて解けば、近似的に、ｖ＝（ｃ２・Δｔ）／２Ｌが得られる。このようにして、正方向と逆方向とでの音波の到達時間の時間差Δｔおよび距離Ｌならびに音速ｃに基づいて、そのときの流体の流速ｖを計測することができる。
【００９１】
あるいは、ｔｐｒｏ＝Ｌ／（ｃ＋ｖ）を変形するとｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−ｃとなり、ｔｒｅｖ＝Ｌ／（ｃ−ｖ）を変形するとｖ＝−Ｌ／ｔｒｅｖ＋ｃとなるから、左右両辺でそれぞれ和をとると、２ｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−Ｌ／ｔｒｅｖとなる。従って、ｖ＝（Ｌ／ｔｐｒｏ−Ｌ／ｔｒｅｖ）／２を計算することによって、そのときの流体の流速ｖを求めることができる。これはすなわち、ｔｐｒｏとｔｒｅｖとを別個に求めれば、そのｔｐｒｏの値とｔｒｅｖの値および距離Ｌの値によって、音速の値ｃを用いることなく流速ｖを計測することができるということである。この手法によれば、媒質の音速ｃの変化の影響を受けることなく（あるいは媒質の音速ｃに対応した校正や補正等を必要とすることなく）正確な流速の計測ができるということである。
【００９２】
あるいは、計測対象の流体が静止状態での（流速ｖ＝０の状態での）音速ｃが既知であれば、計測対象の流体の流れに対して正方向での発信から受信までの到達時間ｔｐｒｏまたは逆方向での発信から受信までの到達時間ｔｒｅｖのうちのいずれか一方のみを測定することで、その測定によって得られた到達時間（ｔｐｒｏまたはｔｒｅｖ）の値と距離Ｌの値と音速ｃの値とに基づいて、そのときの流体の流速ｖを求めることができる（正方向の場合；ｖ＝Ｌ／ｔｐｒｏ−ｃ，逆方向の場合；ｖ＝Ｌ／ｔｒｅｖ＋ｃ）。このように正方向または逆方向のいずれか一方のみを計測すればよい場合には、音波発信部１および音波受信部２を２組用いる必要がなくなり、１組用いるだけでよいので、その分、構成が簡易なものとなるというメリットがある。但し、そのように一方向の到達時間のみを測定する場合には、精確な流速の計測値ｖを得るためには、精確な音速ｃがあらかじめ既知であることが必要である。そこで、そのような場合には、流速計測を行うに先立って、その計測系における音波の音速ｃの値を実測し、その音速の計測値ｃと到達時間ｔとを用いて、より精確な流速の計測値を算出するようにしてもよい。そのような音波計測を行う計測装置としては、第４の実施の形態で説明するような音波計測装置を好適に用いることができる。
【００９３】
本実施の形態に係る流速計測装置によれば、第１の音波発信部１ａから発信された音波の波束が第１の音波受信部２ａに受信されるまでの到達時間、および第２の音波発信部１ｂから発信された音波の波束が第２の音波受信部２ｂに受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な流速計測を実現することが可能となる。
【００９４】
なお、この流速計測装置においては、第１の音波発信部１ａと第２の音波受信部２ｂとが、一つの第１の音波発／受信部によって構成され、かつ第２の音波発信部１ｂと第１の音波受信部２ａとが、第１の音波発／受信部とは別体の一つの第２の音波発／受信部によって構成されて、それら第１の音波発／受信部と前記第２の音波発／受信部とが一組として所定の距離Ｌを隔てて配置されているようにしてもよい。また、計測対象として所定の断面積を有する流管または管路を流れる流体の流速値を計測し、その流速値にそのときの流管または管路の断面積を乗算するだけで、容易に流量値を算出することが可能であることは言うまでもない。すなわち、本実施の形態に係る流速計測装置は、流量計測装置として機能するように設定することも可能である。この場合には、流速計測値算出部６から計測結果として出力された流速値に所定の断面積の値を乗算して流量値を得るようにしてもよく、あるいは予め所定の断面積の値を乗算してなる流量値が流速計測値算出部６から直截に計測結果として出力されるように設定してもよい。
【００９５】
［第４の実施の形態］
図１２は、第４の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を組み込んだ音速計測装置の概要構成を表したものである。なお、この第４の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置に関する部分については実質的に内容が重複するので、その部分についての説明は簡略化し、音速計測装置として付加した特徴的な部分の概要構成およびその動作についてのみを詳細に説明する。
【００９６】
この音速計測装置は、単発のガウシアンパルスのような紡錘状の滑らかな形状のエンベロープによって振幅が変調され、かつそのエンベロープの時間的始点から時間的終点までの間の時間よりも短周期に振動周期が設定された音波の波束を発信する音波発信部１と、その音波発信部１から所定の距離Ｌだけ離れた位置で、その音波発信部１から発信された音波の波束を受信する音波受信部２と、音波の波束が音波発信部１から発信されてから音波受信部２に到達するまでの間の到達時間ｔを測定する到達時間測定部３と、音波発信部１から音波受信部２までの間での音波の波束の到達経路の距離Ｌと、到達時間測定部３によって測定された到達時間ｔとに基づいて、音波発信部１から音波受信部２までの間での音波の波束の到達経路における音速ｃの計測値を算出する音速計測値算出部７と、計測値出力部５とを備えている。なお、音波発信部１および音波受信部２は、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置である。
【００９７】
ここで、上記の概要構成のうち、音波発信部１および音波受信部２は、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置である。また、到達時間測定部３は、第２の実施の形態（または第３の実施の形態）で説明した到達時間測定部３と同様のものである。従って、それらについてはここでは詳細な説明は省略する。
【００９８】
音速計測値算出部７では、さらに詳細には、音波発信部１から音波受信部２までの間での音波の波束の到達経路の距離Ｌの値を、到達時間測定部３によって測定された到達時間ｔによって除算して、音波発信部１から音波受信部２までの間での音波の波束の到達経路における音速ｃの計測値を算出する（ｃ＝Ｌ／ｔ）。なお、音波発信部１と音波受信部２との間の距離は、可能な限り常に正確に所定の距離Ｌに保たれていることが望ましいことは言うまでもない。
【００９９】
この音速計測装置によれば、音波受信部２で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的な矩形波状の音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を効果的に低減ないしは解消することができるという上記の音波発受信装置による作用を活用して、音波発信部１から発信された音波の波束が音波受信部２に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、精確な音速計測を実現することが可能となる。
【０１００】
なお、このような音速計測装置は、上記の第２の実施の形態で説明したような距離計測装置に併せ用いることで、より精確な距離計測を行うことや、上記の第３の実施の形態で説明したような流速計測装置に併せ用いることで、より精確な流速計測を行うようにすることなども可能である。
【０１０１】
あるいは、例えば図１３に一例を示したように、第１の実施の形態で説明した音波発受信装置と、第２の実施の形態で説明した距離計測装置と、第３の実施の形態で説明した流速計測装置とを組み合わせて一つの計測システムを構築し、接続制御回路８によって、距離計測値算出部４、流速計測値算出部６、音速計測値算出部７のうちから一度の計測当たりにいずれか一つを選択して機能させるようにすることで、一つの計測システムを距離計測装置または流速計測装置または音速計測装置の３種類の計測装置として適宜に使い分けるようにすることなども可能である。このようにすることにより、例えば距離Ｌのより精確な計測を行うために、その計測に先立って、そのときの計測系における音速ｃの値を計測しておく、というように、最終目的の計測の精度をさらに向上させることができる。しかも、その装置（システム）構成は、各計測装置を別個に独立させたものとした場合には、そのそれぞれに音速発受信装置を用いることが必要となるが、それに接続される計測値算出部の種類を接続制御回路８によって切り替えるようにすることで、１つ用いるだけで済むようにすることができるので、システム全体の構成を簡易なものとすることができる。
【０１０２】
また、距離計測装置のさらなる応用的な用途としては、例えば乗用車やトラックやバスなどの乗り物などに用いられて車両の背後における障害物等の有無を検知するバックソナーや、カメラのオートフォーカス機構なども可能である。あるいはその他にも、異なる２つの周波数の音波を用いて、いわゆるステレオソナー方式の距離計測装置とすることなども可能である。
【０１０３】
あるいは、図１４に模式的に一例を示したように、配管３００の一端の開口に、音波発信器１４１と音波受信器１４３とをいずれも配管３００の奥へと向けて配置しておき、音波発信器１４１から音波の波束を発信し、それが配管３００内の屈曲部などで反射して戻って来たものを音波受信器１４３で受信することで、その発信から受信までに要した時間（到達時間）ｔを測定し、その到達時間ｔの値と音速の値ｃとに基づいて、例えば図１４の一例では配管３００のＴ字型分岐までの（直管部分の）長さＬ（＝ｃ・ｔ／２）を計測することができる。あるいは、長さＬの値が既知で音速ｃが未知の場合には、到達時間ｔの値と長さＬの値とに基づいて、音速の値ｃを計測することができる。あるいは、音速の値ｃと長さＬの値とが既知の場合には、それらの値と到達時間ｔの値とに基づいて、配管３００中における媒質の流速の値ｖまたは流量の値ｑ（＝Ｓ・ｖ；ここにＳは管路の断面積）を計測することができる。あるいは、音波発信器１４１と音波受信器１４３との組み合わせを２組用いるようにすれば、音速の値ｃが未知でも、長さＬの値と流れに対して正方向での到達時間の値ｔｐｒｏと逆方向での到達時間の値ｔｒｅｖとに基づいて、配管３００中における媒質の流速の値ｖまたは流量の値ｑを計測することができる。
【０１０４】
また、図示は省略するが、例えば立体座標系のような直交する一次独立な３方向（ｘ，ｙ，ｚ）のそれぞれで、第３の実施の形態で説明したような流速計測装置による流速計測を行うことができる構成とすることにより、立体的（３次元的）な風向風速計測システムを実現することなども可能である。
【０１０５】
あるいは、上記の実施の形態で説明した装置は、さらにその他にも種々の用途への応用が可能であることは言うまでもない。また、流速計測装置以外の装置でも、音波発信機能と音波受信機能とを併せ持った２個で１組の音波発／受信部を用いるようにすることなども可能である。また、上記の実施の形態のような搬送波を変調するという手法以外にも、簡易な回路構成で製造コスト等の低廉化を達成する手法の一つとして、例えば上記のような搬送波形に変調を掛ける手法の他にも、最初から直接に周波数一定で振幅を変調（漸増・漸減）させた波形をデジタル回路によって合成するといったことなども可能である。但しこの場合には、音波発信手段としては一般にスピーカのようなアナログ波形の入力によって音波を発信するものが多いので、上記のような波形を出力するデジタル回路と音波発信手段との間にＤ／Ａ変換器またはそのための回路を介挿することが必要となる（あるいは回路全体としてデジタルアナログ混載回路系となる）ことは言うまでもない。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし４のいずれかに記載の音波発受信装置または請求項５ないし９のいずれかに記載の距離計測装置または請求項１０ないし１６のいずれかに記載の流速計測装置または請求項１７ないし２０のいずれかに記載の音速計測装置によれば、音波受信手段で受信された音波の波束の波形には、従来のステップ入力的あるいは衝撃波的な音波の塊を発信した場合に受信される波形に生じることが多かったリンギングのような時間領域での顕著な歪みやサイドローブのような周波数帯領域での顕著な歪みなどの発生を、大幅に低減ないしは解消することができる、という上記の音波発受信装置によるメリットを活用して、音波発信手段から発信された音波の波束が音波受信手段に受信されるまでの到達時間を、リンギングやサイドローブ等の悪影響で乱されることなく正確に測定することが可能となり、その結果、その正確な到達時間の測定値を用いて、それぞれ精確な計測を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態として、本発明の一実施の形態に係る音波発受信装置の概要構成を表した図である。
【図２】音波発受信装置における音波発信部の主要な構成を表した図である。
【図３】エンベロープ波形出力部から出力される波形を模式的に表した図である。
【図４】音波発受信装置における音波波束出力部の主要な構成を表した図である。
【図５】本発明者らが行った実験における、音波発信器に入力された信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）を表した図である。
【図６】本発明者らが行った実験結果として、音波受信器で受信され、電気信号化されて出力された信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）を表した図である。
【図７】従来の技術を用いた実験における、音波発信器に入力される信号波形の時間的スペクトル（Ａ）および周波数帯域スペクトル（Ｂ）を表した図である。
【図８】従来の技術を用いた実験結果として、受信され電気信号化されて出力された信号波形の時間的スペクトルの分布を表した図である。
【図９】ガウシアンパルスに近似した滑らかなエンベロープの波形を模式的に表した図である。
【図１０】第２の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を組み込んで用いた距離計測装置の概要構成を表した図である。
【図１１】第３の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を応用した流速計測装置の概要構成を表した図である。
【図１２】第４の実施の形態として、第１の実施の形態に係る音波発受信装置を組み込んで用いた音速計測装置の概要構成を表した図である。
【図１３】第１の実施の形態で説明した音波発受信装置と、第２の実施の形態で説明した距離計測装置と、第３の実施の形態で説明した流速計測装置とを組み合わせて一つの計測システムを構築した場合の一例を表した図である。
【図１４】配管の一端の開口に、音波発信器と音波受信器とを同じく配管の奥へと向けて配置しておき、音波発信器から音波の波束の発信から受信までに要した時間（到達時間）ｔを測定する場合の一例を表した図である。
【図１５】従来の技術による音波発信時のゲーティング方法を表した図である。
【符号の説明】
１…音波発信部、２…音波受信部、３…到達時間測定部、４…距離計測値算出部、５…計測値出力部、６…流速計測値算出部、７…音速計測値算出部、８…接続制御回路
【図１】
2004028967.tif 000003
【図２】
2004028967.tif 000004
【図３】
2004028967.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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