(57)【要約】【課題】雑音に強く遠方まで音波を届かせることが可能であり、波形の減衰を防いで正確に管長を測定する。【解決手段】測定部１１と測定管１２を有する測定機構１を配管３に接続した状態で、測定管内にハウリングが発生するように配置した、マイクロホン１０３から発せられた受音信号をスピーカ１０２より受信する。スピーカ１０２とマイクロホン１０３による大きな振幅の音波が配管３内に発生し、定在波のペクトルが検出されるまで信号発生部１０４で発生する信号の周波数を変更制御する。この時の、管内の温度データと定在波のピーク周波数を用いて、測定装置２の制御部２１で所定の式に基いて管長を計算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定管に測定機構を接続し、定在波を利用して該被測定管の長さを測定する管長測定システムにおいて、
音波を出力するための信号の周波数を制御する信号発生部と、
該出力された音波を受音してハウリング現象を発生させるハウリング発生機構と、
該ハウリング発生機構によってハウリングを発生させて得られる定在波の周波数データと、該被測定管に関する温度データを用いて、所定の関係式に基づいて該被測定管の長さを計算する測定装置と、を有することを特徴とする管長測定システム。
【請求項２】
該ハウリング発生機構は、該測定機構内に配置された、音波を出力する音波出力手段と、出力された該音波を受音する受音手段とを一対としてハウリングを発生させるハウリング発生部を有し、
該信号発生部には、受音した信号でハウリングの発生を継続するための電力増幅部が接続され、該測定装置が定在波の周波数を検出するまで該信号発生部の信号の周波数を制御することを特徴とする請求項１の管長測定システム。
【請求項３】
該測定装置は、該ハウリング発生機構により受音した信号を増幅する信号増幅部と、該信号増幅部で増幅された信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部より得られる信号をフーリエ変換して求められる定在波の周波数データと該温度データを用いて被測定管の長さを計算する計算手段と、を有し、
該計算手段による計算に従って、該信号発生部の信号の出力周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２の管長測定システム。
【請求項４】
該被測定管の内部の温度を検知する温度センサを備え、
該測定装置は、該温度センサによって検知された被測定管に関する温度データを用いて、所定の関係式に基づいて該被測定管の長さを計算することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの管長測定システム。
【請求項５】
該計算手段は、該Ａ／Ｄ変換部で変換されて得られた時系列信号をフーリエ変換して周波数領域へ射影し、ピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を選択して、被測定管内の温度ｔ（℃）から音速ｃ（ｍ／ｓ）を算出し、そこから反射距離である管長Ｌｎ（ｍ）を、関係式（Ｌｎ＝ｃ／２ｆ）を用いて計算することを特徴とする請求項３又は請求項４の管長測定システム。
【請求項６】
定在波を利用して被測定管の長さを測定する管長測定方法において、
該被測定管に対して、音波を出力するため信号の周波数を制御して音波を出力し、
該出力された音波を受音してハウリングを発生させ、
該ハウリングを発生させて得られる定在波の周波数データと、取得された該被測定管に関する温度データを利用して処理装置で所定の関係式に基いて計算して、該被測定管の長さを求めることを特徴とする管長測定方法。
【請求項７】
該ハウリング発生において、信号発生部により信号の出力周波数を変更制御して音波を出力し、該被測定管の内部を定在波発生状態にして該所定の周波数データを得ることを特徴とする請求項６の管長測定方法。
【請求項８】
被測定管に測定機構を接続し、定在波を利用して被測定管の長さを測定する管長測定方法において、
被測定管内の温度を取得し、
音波の出力信号の周波数を制御して該被測定管に対して音波を発し、かつ該音波を受音することを繰り返してハウリングを発生させ、
受音した信号を増幅してアナログからデジタルに変換したデータを測定し、
該信号発生部からの出力信号の周波数を変更制御しながら、該測定されたデータに関して該定在波が発生したかを検出し、
定在波が検出された場合、取得された被測定管内の温度データと該測定データを用いて、処理装置で所定の関係式に基づき被測定管の長さを計算することを特徴とする管長測定方法。
【請求項９】
該処理装置による計算において、受音した信号をアナログからデジタルに変換して得られた時系列信号をフーリエ変換して周波数領域へ射影し、ピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を選択して、被測定管内の温度ｔ（℃）から音速ｃ（ｍ／ｓ）を算出し、これから反射距離である管長Ｌｎ（ｍ）を、関係式（Ｌｎ＝ｃ／２ｆ）を用いて計算することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかの管長測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管長測定システム及びその測定方法に係り、特に、埋設された配管に対して定在波を発生して測定し、フーリエ変換して得られる周波数を用いて配管の長さを計算する管長測定システム及びその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下に埋設されたガス管や水道管の長さを測定する手段として、パルス音波やノイズを利用して管長を測定する方法が知られている。パルス音波を利用する方法は、入射音波の発生時間と反射音波の受音時間の時間差を音速で除算して管長を求める。またノイズを利用する方法は、受音信号の自己相関におけるピーク値の発生時間を音速で除算して管長を求めるものである。前者については、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、定在波を用いた距離の測定法として、スピーカから放射された音と対象物からの反射音の干渉によって生じる定在波を利用して距離を測定する原理が提唱されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１３２５４０号公報
【非特許文献１】中迫、上保、森：「定在波を用いた距離推定の基礎的検討」日本音響学会講演論文集（２００６年９月、ｐｐ．４３５〜４３６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のパルス音波を利用して管長を測定する方法は、配管内を伝播する音波のエネルギーが小さく、外来ノイズが多い環境、極端に長い配管の場合においては正確に管長を求めることが困難である。また、白色雑音（あらゆる周波数の成分をほぼ同量ずつ含む音）などの広帯域信号による管長の測定は、それらの自己相関性を利用して測定をしており、自己相関が弱い場合は、高いピーク値を得られないため、管長を求めるのに必要なパラメータであるピーク発生時間を求めるのが困難である。
【０００６】
このように、従来技術では、雑音に弱く、遠方まで音波を届かせることが困難であり、波形の減衰の心配があるために管長を正確に求めることが難しかった。また、上記非特許文献１には、定在波を用いた距離の測定法の原理について開示されているが、管長の測定のために定在波による方法を如何に適用したらよいかについてまでは言及されていない。
【０００７】
本発明の目的は、雑音に強く遠方まで音波を届かせることが可能であり、波形の減衰を防いで正確に管長を測定することができる、定在波を利用した管長測定システム及び測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る管長測定システムは、好ましくは、被測定管に測定機構を接続し、定在波を利用して該被測定管の長さを測定する管長測定システムにおいて、音波を出力するための信号の周波数を制御する信号発生部と、該出力された音波を受音してハウリング現象を発生させるハウリング発生機構と、該ハウリング発生機構によってハウリングを発生させて得られる定在波の周波数データと、該被測定管に関する温度データを用いて、所定の関係式に基づいて該被測定管の長さを計算する測定装置と、を有することを特徴とする管長測定システムとして構成される。
【０００９】
好ましい例では、該ハウリング発生機構は、該測定機構内に配置された、音波を出力する音波出力手段と、出力された該音波を受音する受音手段とを一対としてハウリングを発生させるハウリング発生部を有し、該信号発生部には、受音した信号でハウリングの発生を継続するための電力増幅部が接続され、該測定装置が定在波の周波数を検出するまで該信号発生部の信号の周波数を制御する。
【００１０】
また、好ましくは、該測定装置は、該ハウリング発生機構により受音した信号を増幅する信号増幅部と、該信号増幅部で増幅された信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換部と、該Ａ／Ｄ変換部より得られる信号をフーリエ変換して求められる定在波の周波数データと該温度データを用いて被測定管の長さを計算する計算手段と、を有し、該計算手段による計算に従って、該信号発生部の信号の出力周波数を制御する。
【００１１】
また、好ましくは、該被測定管の内部の温度を検知する温度センサを備え、該測定装置は、該温度センサによって検知された被測定管に関する温度データを用いて、所定の関係式に基づいて該被測定管の長さを計算する。
【００１２】
また、好ましくは、該計算手段は、該Ａ／Ｄ変換部で変換されて得られた時系列信号をフーリエ変換して周波数領域へ射影し、ピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を選択して、被測定管内の温度ｔ（℃）から音速ｃ（ｍ／ｓ）を算出し、そこから反射距離である管長Ｌｎ（ｍ）を、関係式（Ｌｎ＝ｃ／２ｆ）を用いて計算する。
【００１３】
本発明に係る管長測定方法は、好ましくは、定在波を利用して被測定管の長さを測定する管長測定方法において、
該被測定管に対して、音波を出力するため信号の周波数を制御して音波を出力し、
該出力された音波を受音してハウリングを発生させ、
該ハウリングを発生させて得られる定在波の周波数データと、取得された該被測定管に関する温度データを利用して処理装置で所定の関係式に基いて計算して、該被測定管の長さを求めることを特徴とする管長測定方法として構成される。
【００１４】
好ましくは、該ハウリング発生において、信号発生部により信号の出力周波数を変更制御して音波を出力し、該被測定管の内部を定在波発生状態にして該所定の周波数データを得る。
【００１５】
また、好ましくは、被測定管に測定機構を接続し、定在波を利用して被測定管の長さを測定する管長測定方法において、
被測定管内の温度を取得し、音波の出力信号の周波数を制御して該被測定管に対して音波を発し、かつ該音波を受音することを繰り返してハウリングを発生させ、
受音した信号を増幅してアナログからデジタルに変換したデータを測定し、
該信号発生部からの出力信号の周波数を変更制御しながら、該測定されたデータに関して該定在波が発生したかを検出し、
定在波が検出された場合、取得された被測定管内の温度データと該測定データを用いて、処理装置で所定の関係式に基づき被測定管の長さを計算することを特徴とする管長測定方法として構成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被測定管に測定機構を接続して、信号発生部から出力される信号の周波数を制御して測定管内にハウリングを発生させながら定在波のピーク周波数を経時的に測定し、その定在波のピーク周波数データと被測定管に関する温度データを用いて管長を算出することが可能となる。これにより、雑音に強く遠方まで音波を届かせることが可能であり、波形の減衰を防いで正確に管長を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図１は、本発明の一実施例における管長測定システムの構成図である。
この測定システムは、被測定管である配管３と、その配管３に接続される測定機構１、その測定機構１から得られる信号を処理する測定装置２から構成される。
【００１８】
測定機構１は、配管３に接続される測定管１２と、測定部１１とから成る。測定管１２の内部には配管内の温度を測定する温度センサ１０５が配置される。
測定部１１内には、音波を出力するスピーカ１０２と、スピーカ１０２からの信号を受音するマイクロホン１０３が配置される。スピーカ１０２には、信号を増幅する電力増幅器１０１を介して、音波を出力するための信号を発生する信号発生部１０４が接続される。信号発生部１０４は、制御部２１からの信号に基いて周波数を変更し、その周波数の変更された音波を発生する。
【００１９】
ここで、スピーカ１０２とマイクロホン１０３は対をなしてハウリング発生機構を構成する。信号発生部１０４が、信号の周波数を順次変更していくと、あるタイミングでハウリングが発生する。即ちその定在波が検出されるまで信号発生部１０４により信号の周波数を変更制御することで、定在波を得ることができる。
【００２０】
測定装置２は、主に、制御部２１と、表示部２２、入力部２３、及び信号増幅部２４及びＡ／Ｄ変換部２５を有する。ここで、制御部２１は、好ましくは、パソコン（ＰＣ）を用いてよく、管長を計算するプログラムを実行するＣＰＵ２１１と、プログラム及び種々の処理データを記憶するメモリ２１２を有する。算出された管長データは表示部２２に表示される。なお、図示していないが、好ましくは、種々のデータ及びプログラムを格納するためのＨＤ（ハードディスク）のような記憶装置が制御部２１に接続されるのがよい。
【００２１】
ここで、マイクロホン１０３で受音された信号は、信号増幅部２４で増幅された後、Ａ／Ｄ変換部２５でアナログ信号からデジタル信号に変換されて、制御部２へ送られる。マイクロホン１０３の受音信号はまた、信号発生部１０４の出力とを合成されて電力増幅部１０１へ送られ、そこで増幅されてスピーカ１０２へ送られる。制御部２１にはまた、温度センサ１０５で検知された温度信号ｙが入力される。（なお以下、温度信号ｙをデジタル信号化したものを温度データという。）
制御部２１は、取得した受音信号をフーリエ変換して得られる周波数データ（音響信号）ｘと温度データｙを用いて、所定の関係式に基づいて計算し、定在波が検出される条件を求める。その結果、定在波が検出されない場合には制御信号ｚを信号発生部１０４へ出力する。信号発生部１０４は、受け取った制御信号ｚに基いて出力信号の周波数を増減するように変更制御する。
このような動作を、ハウリングが発生する時の定在波が検出されるまで繰り返す。そして、遂に定在波が検出された時点で、そこから得られる該周波数データ及び温度データを用いてデータＬ（＝Ｌ０＋Ｌ１）を計算する。
【００２２】
ここで、本発明による管長測定の原理についてより詳しく説明する。
制御部２１は、マイクロホン１０３からの受音信号を信号増幅部２４で増幅して、Ａ／Ｄ変換部２５でアナログ信号からデジタル信号に変換して周波数データｘを得る。この時系列信号を周波数領域へ射影するためフーリエ変換する。フーリエ変換された周波数領域において、定在波が検出されるまで、制御信号ｚを出力して信号発生部１０４の信号の周波数を増減させるように変更制御する。さらに定在波のピーク周波数を検出した場合は、配管３内部の温度データｙとデジタル変換した周波数データを用いて管長を計算する。この計算は、所定のプログラムがＣＰＵ２１１で実行して実現される。
【００２３】
制御部２１における計算処理動作に関して説明すると、デジタル信号に変換され入力された合成波信号をフーリエ変換して周波数領域へ射影し、ピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を選択して、管内温度ｔ（℃）から音速ｃ（ｍ／ｓ）を算出し、そこから反射距離である管長Ｌｎ（ｍ）を関係式（Ｌｎ＝ｃ／２ｆ）を用いて演算する。
例として、管内温度ｔ（℃）を測定して音速ｃ（ｍ／ｓ）を演算し、測定される複数データの中からピーク周波数ｆ(Ｈｚ)を選択して、管長Ｌｎ（ｍ）を求める。
【００２４】
音速ｃ（ｍ／ｓ）は、管内温度ｔ（℃）とした場合に関係式は、
ｃ＝３３１．５＋０.６１ｔ  ・・・（１）
となり、管内温度ｔ（℃）を２０度とすると、関係式（１）より音速ｃ(ｍ／ｓ)は、
ｃ＝３３１．５＋０．６１×２０＝３４３．７(ｍ／ｓ)  ・・・（２）
となる。
【００２５】
次に定在波ピーク周波数ｆ(Ｈｚ)の測定値が  ｆ＝５２．０８(Ｈｚ)であったとすると、測定値と（２）の結果から、
Ｌｎ＝ｃ／２ｆ＝３４３．７÷２×５２．０８）≒３．３（ｍ）  ・・・（３）
となり、管長Ｌｎ（ｍ）が求められる。
【００２６】
ここで求めた値は、配管３を測定管１２に結合し測定するための結合部分長Ｌ０（ｍ）を含んだ値となっている。
この場合、結合部分長Ｌ０（ｍ）と求める管長Ｌ１（ｍ）の関係式は、
Ｌｎ＝Ｌ０＋Ｌ１  ・・・（４）
となり、結合部分長Ｌ０（ｍ）を０．３（ｍ）の設定とすると、関係式（４）より配管３の管長Ｌ１（ｍ）は、
Ｌ１＝Ｌｎ−Ｌ０ ＝３．３−０．３＝３．０（ｍ）
として算出することができる。
【００２７】
このように、本実施例による管長測定システムは、信号発生部１０４の信号の周波数を変更制御することにより、定在波特有のスペクトルが得られる地点を、測定部１１内のスピーカ１０２とマイクロホン１０３から経時的に測定することができる。
管長の測定において、制御部２１の処理により経時的な測定とフーリエ変換処理とを繰り返すことにより、定在波特有のスペクトルが得られた時点で信号発生部１０４は、信号の周波数の変更制御を停止する。
【００２８】
その時、制御部２１のＣＰＵ２１１は、配管内の温度センサ１０５からの温度データと、測定された周波数を基に、管長測定の計算を実行し、その結果を表示部２２に表示する。
なお、計算結果を表示部２２に表示することは必須の機能というわけではない。例えば、管長の計算結果をデータベースやメモリ２１２に記憶しておき、後々必要時応じて他の計算機に転送したり、他の表示器に表示したり、或いは印刷出力するようにしてもよい。
【００２９】
次に、図２を参照して、管長の計算処理について説明する。
この計算処理は、主にＣＰＵ２１１で所定のプログラムを実行することで実現される。即ち、ＣＰＵ２１１におけるプログラムの計算処理に従って、信号発生部１０４で信号の周波数の変更制御し、定在波の検出判断し、管長を計算し、最後に処理結果を表示部２２に表示する、等の処理を実行する。以下、詳しく説明する。
【００３０】
まず、測定部１１を有する測定管１２を配管３に接続して、測定装置２の電源投入する（Ｓ２０１１）。信号発生部１０４は音波を出力するための信号の発生すると、電力増幅器１０１はその信号を受けて電力増幅する。すると、スピーカ１０２とマイクロホン１０３との間でハウリング現象が発生する（Ｓ２０１２）。なお、ここで、スピーカ１０２とマイクロホン１０３は、予めハウリング現象が発生する位置に実装されており、この状態から測定が開始されるとの前提とする。
【００３１】
以後、制御部２１のＣＰＵ２１１による処理動作となる。ステップＳ２０１にてハウリング現象を発生させながら、マイクロホン１０３から音波信号を得る。音波信号は信号増幅部２４で増幅され、Ａ／Ｄ変換部２５でアナログからデジタルに変換される（Ｓ２０２１）。この信号を周波数領域へ射影するためフーリエ変換する（Ｓ２０２２）。周波数領域において定在波の検出を経時的に監視して位置調整信号の出力から信号発生部１０４の信号の周波数を変更制御する（Ｓ２０２３）。
【００３２】
そして、定在波のピーク周波数を検出したかを判定する（Ｓ２０２４）。もし、それを検出した場合には、配管３内の温度センサ１０５から得られた温度データと、定在波の検知から得られた最大ピーク周波数データを基に管長の計算を行なう（Ｓ２０３２）。最後に、計算の結果を表示部２２に表示する（Ｓ２０３３）。
【００３３】
ここで、ステップＳ２０３の処理では、ピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を選択して、管内温度ｔ（℃）から音速ｃ（ｍ／ｓ）を算出し、そこから反射距離である管長Ｌｎ（ｍ）を関係式（Ｌｎ＝ｃ／２ｆ）を用いて演算する。
例えば、上記の式（１）〜（４）を用いて、配管３の管長Ｌ１（ｍ）を算出する。
【００３４】
図３は、定在波発生における周波数領域でのスペクトルレベルの概略図である。
この例による管長の測定では、配管内部の温度データと、定在波の波形検出がされた（ある周波数だけが高いピークの波形が観測される）時のピーク周波数を基に管長を算出する。
本実施例による管長の測定において、ハウリングを発生させた状態での定在波は、発生前のスペクトル（Ａ）は、低い周波数から高い周波数までの周波数領域において一定のレベル以上での高いピーク波形が検出されないことが分かる。
一方、定在波の発生時におけるスペクトル（Ｂ）は、特定の周波数において先鋭な高いピーク波形が観測されることが分かる。
【００３５】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されること無く、種々変形して実施し得る。
例えば、配管内の温度を測定する温度センサ１０５は、必ずしも図１の測定管１２内に配置されることに限定されない。温度センサ１０５を配管３に挿入して適当な場所に配置するようにしてもよい。また他の例として、配管３内の温度として別途測定した温度データを用いてもよい。また、予め配管内の温度が分かっている場合には、その温度データを用いてもよい。
【００３６】
また、他の例として、図１において信号発生部１０４は測定部１１の外部にあるように示されているが、信号発生部１０４を測定部１１内に設けてもよい。要するに、信号発生部１０４は、定在波が検出されるまで発生信号の周波数を変更制御することができることが重要であり、その機能或いは手段が実現できれば上記の実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施例における管長測定システムの構成図、
【図２】一実施例における管長測定を示す処理フローチャート、
【図３】定在波発生における周波数領域でのスペクトルレベルの概略図。
【符号の説明】
【００３８】
１：測定機構、  ２：測定装置、  ３配管、  １１：測定部、  １２：測定管、１０１：電力増幅器、  １０２：スピーカ、１０３：マイクロホン、１０４：信号発生部、１０５：温度センサ、２１：制御部、  ２２：表示部、  ２３：入力部、  ２４：信号増幅部、  ２５：Ａ／Ｄ変換部、  ２１１：ＣＰＵ、  ２１２：メモリ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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