第1号

防災科学技術総合研究速報

1966年3月

551．46，018：551．465

超音波波高計（空中型） について

岩田憲幸・稲田亘
国立防災科学技術センター
Om

them㍍asonicBylVα〃oηα1R2seαγcん

Surfa㏄Wave

Tramsd㎜㏄rN．Iwata

W．Imadaand

imAir TypeCε7−feγ∫oγD兆α8，eγPγe砂ε〃〃oω，τoκ〃o

AbstractIn

oraer

tower，wetohavegenerated−byparabolic
by

a

By

measurethed．evelopedaischargereflector，ana

ofofusingparabolicincreasethetheareref1ected

wid．e＿banameasuringwave

u1trasonicsparksthemicrophonesurfaceanwaveattransmitted−withwaves

at

the

the

marinetransducer．Pulses

sea

observation
ofsound．

good−directionality
surfacecanbeare

abIe

bya

receivea

capacity．

reflector

range

elevation

surfaceandthespark−pu1se，wetoand−accuracy．

1．はしがき2−1

波の高さおよび波形を測定する波高計は種々あるが，送受波器から水面迄の音波往復時閻よりもパルス繰返

パルス繰返し周波数測定精度，応答性，測定範囲等の点で充分とは云えなかし周期を短くすることは出来ないので必然的に制限があった、この超音波式波高計はパルス音波を発生し，そのる．またその周期を長くすれば応答特性が悪くなる．

音に放物面反射鏡により指向性を与え，．水面からの反射送受波器

波を広帯域容量形マイクロホンで受信するため，水面に影響を与えず，反射鏡による利得と指向特性により測定範囲と精度を増大し，広い周波数特性のため受信波の立上りが急峻刊則定精度が良好で，・パルス受信信号の保持方式により応答性が優れてい一る．欠点としては波傾斜による誤差があるが送信音波の指向特性によって誤差の軽水茜減を計つている．
／2．測定原理一

第2・1・1図

水面上の空気中に送受波器を設置し，送波器からパルス音波を放射し，水面から反射した音波を受波器で受波

H：水面からの送受波器の高さし，送受波の時間間隔を測定する．空気中の音速が既知

C：音速

丁：音波往復時間であれぱこの時間間隔と波高とを対応し，電圧として表示することが出来る．

以下項目別に説明する．

F：理論的最大パルス繰返し周波数とすれば

r33一相模灘における海象等に関する研究（中間報告）防災科学技術総合研究速蟹第1号1966

2H
τ＝一C

〃一D

δ（％）＝100（2．1．1）
た1C
F＝一＝一 （2．1．2）
lr 2H

従ってH＝1mの場合

H＝100（1一…θ）

しθは水面が水平となす角度である．

もし10。の波傾斜があれば1．5％の指示誤差を生ずることになる．

C＝340m／sとして送受波器に音波指向特性があった場合は傾斜水面に垂C
340＝一＝1709も2H 2×1

1ア＝一直に当るP点の音波強度は指向特性により減少し更に受H＝10mの場合波器の受信能率も減少する．一方送受波器の指向方向でF＝17％あるQ点では音波はqの方向に反射し，Q点のさ音速の変化や，回路処理時間等から余裕を見込んでパ小さくなるが，受信機の感度調整によつて測定誤差を減ルス繰返し周波数は若干小さくしなけれぱならない．

2−2

なみによる乱反射した音波を受波するため，受信強度は同様少させることが出来る．

応答特性

2−4

送波器から発射された音波が水面に達し，反射した瞬音波波形の測定和度に及ぱす影讐

間が正確な波高を示すので，水面からの反射波が受波器送受音波波形の立上りは直接精度に影響する．送波器に達する時間が必然的な遅れ時間になる．反射波が受波にはスパークを使用しているため非常に広い周波数帯域器に達した時に波高に相当した電圧回路で記憶し，次のを持ち，急峻な立上りを持つ音波パルスが放射される．

反射波が来た時に新しく電圧を記憶し直すため，出力波

この音波パルスを広帯域の容量型受波器で受信するため，形はパルス繰返し周波数に従って階段状に変化する．こ音波パルスの立上りを忠実に変換し，音波の往復時間はれはサンプリング測定方式としては最大の応答特性を持他の方式に比して精度よく測定出来る．たつ．従って波高1mの場合は理論的最大応答が毎秒170

音波の減衰は周波数の二乗に比例するため，測定距離が階段で，波高10mの場合は毎秒17階段となる．

増大する程必然的に音波パルスの立上りは悪くなる．

2−52−3

し空気中の測定距雌

測定距離は受波器の受信信号レベルと雑音レベルとが波傾斜の精度に及ぼす影讐

判別可能限界で決まる．送波器から放射された音波は球面波で，送波器からの距雛による音波の強さおよび音圧送受波器を次に示す．

T：音源からの距離h：π点における音の強さ
11：土点における音の強さbθHα：吸収係数qとするとp・一（三ド2αh1）（21川Q

Pエ：丁点における音圧

水面P。：士。点における音圧■とすると第2・3・1図工。

傾いた水面を測定する場合に送受波器の音波指向特性がないものとすると，音波の往復時間は，送受波器に対して水面が光学的反射面となるような径路（第2．3．1図）

一α（工一工。）（2．5．2）

P工＝一p12
工
吸収係数は周波数によって変るため，周波数成分の分布によって異ってくる．

実際の送受波器で棚定した音波の減衰状態を第2．5．1を通つた時間として測定され，希望する波高Hよりも小さく表示される．その誤差の比率δは次式により表わさ図に示す．

れる．

こ・で

一34一一超音波波高計（空中型）について一岩田・稲田
β：去強さのビーム巾

D：放物面の開き直径

2015

K：音場分布状態による係数

出力皆；亨λ：音の波長

ヌ屋6）54x58λ

A

β：κ一度
D3（2．5．3）

従って周波数によってビーム巾が変ることが知られる．

2、x放物面反射鏡を使用することにより音波の強さは（2．

5．4）式によって増大する．この場合のGは放物面反射1002003D0400鏡を使用しない場合に対する共率を示す．

→距雌㎝61）2（2−5．4）

G＝一λ2

第2・5・1図

音圧は音の強さの％乗であるからπの割合で測定距離が増大する．

送波器：スパーク音源

受波器：容量型受波器（100％〜500KC）
3．超音波式波高計の性能

受信増巾器帯域巾：20KC〜1MC
容量型受波器は音圧を電圧変換するため出力電圧は音

測定範囲

0〜10m

分解能

0．1％以下を曲線λで示し，測定した点を×印で示す．超音波領域

ドリフト

011％以下においては吸収係数の犬きいことが知られる．波高測定

繰返しパルス周波数12．5％

状態での外部雑音の影響を小さくするためには，高い周応答性

毎秒12．5ステップ

波数程吸収が大きいことから，高周波領域の使用が望ま

測定指示方式

波高メーター直読

圧に比例する．

（2．5．2）式により吸収係数がOの場合記録計接続可能・しいが，音波パルスの高い周波数も同様に減衰するため，測定距離に応じて使用周波数範囲を選ぷ必要がある．実

電

100V

源

際に距離1mの場合には20KC〜500KC，10mの場合には2K

C〜500K

50％，60％

約140VACの周波数範囲を選んだ．

4．仙成およぴ回路脱明測定距離を増すもう一つの方法は送信音波の強さを増すことである．スパークの間隙を広げると放電エネルギーが増大して音波も強くなるが，スパークの形状変化が音源位置の変化となって測定精度に悪影響をおよぼすた
め限界がある．音波を一方向に揃えて放射するために放物面反射鏡を使用することは極めて効果的である．そのフアンタスト
問軸
ロン回路
発生回路

保持回路

指示計

前置増巾器

指示帥回路

記録計

パル ス発生回路

場合の指向性音波のビーム巾は（2．5．3）式で与えられ反射波振巾

弁別回路

る．

「・・一・1

送1波器

・1I

受波1器

L二讐」

量源回路

100V50％

安定電源、放物面
反射飢

第4・1図

音源

この装置のプロックダイヤグラムを第41図に示す．

装置の外槻の写真を第42図，第43図に示す．
パルス発生回路において毎秒12．5の割合で高圧パルス

第2・5・2図

一35一

相模灘における海象等に関する研究（中間報告）防災科学技術総合研究速報第1号

1966

示し，受波器から前置増巾器で増巾された波形をλに示す．送波パルスから音波の往復時間后に受波パルスが観．負〜則される．

フアンタストロン回路はパルス発生回路からのパルス，1を受けて400μsの矩形波を発生し，矩形波の終端をパ】

阿路は，このパルスでマルチバイブレーターを動作させ，ルスにして反射波振巾弁別回路に送る．反射波振巾弁別

受波パルス信号でマルチバイブレーターの動作を終了させて第4．4図Cの如く矩形波を発生する．この矩形波の巾が波高に柵当する、フアンタストロン回路は送波パル
ス発乍時の電気的雑音および受波器に直接入るパルスによる誤動作を防止する目的で入っている．

第4・2図

時閉軸発牛1只雌はフアンタストロンの終了時から鋸歯計測器外観状波を発牛し，第4．4図の1〕に示す如くマルチバイブレーターの終端で復帰させる．従って鋸歯状波の上端の電概圧が波高に杣当したものとなる．この鋸歯状の直線性を持つよう考慮されている．

f呆持同路は鋸歯状波の上端電圧を保持し，次のデータが来た時に新しく保持し直す機能を有し，初段保持回路と次段保持同路に分れ，その波形を第4．4図のE，Fに示す．初段保持回路はフアンタストロン動作時に0に復帰し，鋸歯状波と共に上昇し，その上端電圧を保持する脚｝々動作を繰返す．次段保持回路は初段保持回路が鋸歯状波の上端電圧を保持した初期に初段保持回路の電圧を次段保持回路の電圧として保持し直す．従って次段保持回路

第4・3図の電圧は受波パルスが来る毎に階段的に変化して波高に送受波器相当した信号となる．

指示増巾回路は次段保持回路の電圧を指示計および記を発生し，送波器のスパークギヤップで放電させて熱的にパルス音波に変換する．この音波は放物面反射鏡で指録計に必要な電力を持つよう増巾するものである．

向性を与えられて水面に達し，反射した音波は容量型受電源回路はこの装置に必要な電源を供給するものであ波器で電圧に変換される．第4，4図に各部の回路波形をって入力交流電圧が変動しても回路に供給する電圧が変A受油器

送波パルス∫

前置増巾器

動しない安定化電源を内蔵している．

受舳ルス

5．測定実験

B 7アンタストロノ回路

超音波式波高計の性能を試験するため電気容量型波高反射波娠11」C 介別阿脇計との上ヒ車交同時1則定を行一一た．波形を比較するため：二は同一場所の波高を測らなけれぱならないが厳密にn一場所に設置することは不可能であるが，出来るだけ同じ波D時間械発4・二回路形を測るために水槽実験を行った．10mの測定範囲をllj・E手冴矧粋寺回路るためにパルス繰返し周波数が12，5％となつているのを水槽実験のように60cm以トの波疵を測るのに適したパル
F次段保掩固各ス繰返し周波数100％に改造して第4・4図

炎験した．

第5．1図，第5．2図および第5．3図に示す．

一36一

欠験締果を

超音波波高計（空中型）について一岩田・稲田

波項の肩がほんの少し肥っていること梢忍められる．

単一周波数を使用している超音波式では2−5測定距離の項で述べた結果が現われ最大傾斜角附近で反射波が受波器に受波されず波形が狭い谷を現わしたり波形がとんだ

亙かたちになるが，この点は本方式は相当防止していると

客i型波高計思われる．

6．岬価
理論的，実験的に検討した結果の評価は次のとおりで

超音波式波高計

ある．

a．水面から離れた点で弓則定出来るのは非常に魅力的

第5・1図

規則波の記録である．

b．波傾斜に対しては原理的に誤差があるが10oの波傾斜に対して1．5％であり実用上充分精度を持っものと思われる．

7．むすぴ

容i型波高計報告を終るに当り，直接この波高計の製作にあたつた爾

電子工業株式会社，清水幹一氏に厚く御礼申上げる．
超音波式波高計

第5・2図

参考文献

ELECTRONIC DESIGNERS HANDBOOKTHE SONIC SURFACE WAVE TRANSDUCER

不規則波の記録

JOHN．M．KILLEN

黎
30
閉
2｛

超音波技術便覧
一容口軍温＾；十ルー一一一超音粧式漉高計

粧

高201邊
16M

lO0200110040血

第5・3図
実験着果に対する考察
実験結果によつて知られることは波形が極めて類似し，僅かに容量型波高計の測定記録波形の波項の肩がとがつているようである．しかし容量型と超音波式の設置場所を近接させているとは言え，波の形白体にも若干の相違があるのは止むを得ない．容量型は波に影響を若干与えるため，測定波形が異るとも考えられる．然しこれらは木製波形を用いて行った測定結果と同程度である．つまり超音波式は

一37一

日刊工業