防災科学技術総合研究速報

第1号1966年3月

551，508．5：551，508．26

強風測定

関する研究

1二奥穣

気象研究 所 台風研究部
StMy

Maimlyaboutom舳et11e

Meas皿reme11t

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A皿emometer
By

Wimd

aI1d

Thermometer

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Abstract

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test

in

1．はしかきobse，vation

い．風洞の実験結果は主として沖電気K

本研究は防災科学技術センターを中心とした共同研究の一環として行なわれているのであるグ，最初に次ぎのことを断っておexperimental

given．

Kよりいただいたものである．以下，研究過程と中間的な結果について報告する．

きたい．すなわち，本研究の遂行に当っ風害は強風によってひき起こされることは，すでに承て，気象研究所内では1則器研の根本茂技官，物理気象研知していることである．しかし，強風の如何なる性質がの相馬清二技官の御協力をいただいたこと，本測器の開破壊現象に最も強い影響を与えるのか，強風の構造は如発に当っては沖電気KKの宮沢久，清水良次，磯川昭の何なるものであるかという点になると，われわれの知識3氏があずかって力があったこと，研究の具体的推進には非常に少ない．この現状は主として強風の乱流構造をは筆者と同研究室員である当舎万寿夫技官が主として当測定する測器に適当なものがなかったことから発生してり，筆者は単に現在までの成果をとりまとめたにすぎないる．本研究にお一3一いて，われわれが超音波風速温度計の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鞭第1号1966

ω

試作および，それによる観測に重点をしぼったのは以上
1＝の理由による．現在までに試作とTest観測および2号・1一（争）2＋γ則機の製作だけしか行なっておらず，本格的な観測にはまだ立入っていない．本報告では超音波風速温度計の開発（2〕2＝過程と間題点にしぼって報告したいと考える．

・1一（㌣）2＋㌦

2．超音波風遠温度計の原理
11）超音波風遠計の原理

ただし，yρ1＝yψCOSθ十ySinθ

超音波風速計は，空気中において超音波の音速が風速γ蜆。二阿の影響を受け，風上に伝搬する場合はおそくなり，風下yρ。：一灼…に伝搬する場合は早くなることを電気的に検出し，風速

θ十y・i・θを測定する装置である．方式としては，連続波の超音波〜＝／町を用いた連続波位相差法とパルス波を用い．たパルス法がC：空気中の音速それ故，両考の時間差ある．

1〜らは，C2》y2と考えると，22吻…θ．2〃9…θ（3）

基本原理は以上のようなものであるが，まず，音波によ

1〜ら＝ C2＿γ2って風速が測定される原理を，位相差方式によって述べる．

＝C・となる．時間差1。〜りを連続波位相差△φで表わすと次第1図は本測定器の受感部の送・受波器配置図である式になる．

が，この図の配置を使って測定原理を説明する．

22〜co・θ
△φ＝一∫36ぴ

（4）

C2Z

↑

ここで∫は使用周波数％である・

したがって，上式より位相差△φは風速γのリ方向成〔「〃1分γリに比例することがわかる．

（2〕基本的に考えられる誤差〃。

空気中の音速Cは気温により多少変化する．その他，、＿＼含有水蒸気量の多い場合などについて，音速の変化による誤差を検討する必要がある．連続波の位相差を風速に■θθ

おきかえる場合に，誤差として次ぎのようなものが考えられる．

1α〕13）式において，C2》γ2として，γ2を省略したこと

S
1タによる誤差（あ〕音速Cの変化による誤差（C）寸法精度による誤差（d〕角度θの非対象による誤差〃、κは1z平面内。

（2〕反射波による課差以上の考えられる誤差について若干の考察を加える．

第1図

受感部の送受波器配線図（α）C2》y2ξし，y2を省略したことの誤差（3〕式を変形すると，今，送受波器の配置に対して風速yが吹いているとする．この場合，送波器Sから受波器仏，すなわち，∫→一1一ら＝仏の音道に対する垂直成分をym。，平行成分をyρ。とし，−2

同様に，S→肌の音道に対する垂直成分をym。，平行成分

21吻cosθ
σ一w簑sinθ（・一；）1・〕をyρ。とする．このような配置において送波器Sより連続波超音波が発振される．送波器Sより受波器必，仏まとなる．（5〕式から見て，風速が大きくなった場合に誤差での超音波の伝搬時間1。，1。は次のようになる。

が現われることがわかる．例えば，風速60m／sのとき

4強風測定に関する研究一奥田には，誤差が3％程度と」なる・したがって、風速がこのは，その影響によって位相変化が起こり，誤差となるこ程度以上になったときには，測定値の吟味をする必要がとが考えられる．その影響を知るために，受波器と同形あることもあるが，普通には無視してもよい値である．の円筒に平面波が入射した場合の散乱波を吟味した．そ（b）音速Cの変化による誤差の結果だけを第2図に示した．図を見て明らかなように空気中における超音波の音速は主として媒質である空散乱波の影響が対となっている他の受波器に十分影響を気の温度変化によって影響を受ける．空気中の超音波音速は次式で表わされる．
・一・・．…／・（1・・．・1・景）1％ ・・（・〕ここで，τ：空気中の温度（。K）
ε：蒸気圧（atm）

ρ：大気圧（atm）（6〕式を見ると，音速Cは気温のほかに水蒸気圧および気圧にも関係するが，気温以外の影響は極めて小さいと考えられる．試みに音速が340±20m／sの場合を上式によって考えると，15。±25℃程度の温度変化に対応する．音速Cの変化に対する時間差。一らを13）式によって考えると，

f1一22yJcosθ
2＝（7〕

C2一γ22姜竿θ（1−2…C）

第2図 円筒に表面波が入射した場合の散乱波の分布となる．音速の変化量△Cを±20m／sとすると誤差は与えることが考えられる．その影響を避けるために受波±12％程度，温度変化が±5℃以内であれば4％以内で器にキルクを巻いて反射波を防くある．精度を問題にする場合は，音速を測定して補正をその結果は良好である、処置を施した（第3図）．

加える必要がある、この補正は，音速の変化に対して応キルク

答直線の傾斜が多少変化するのみであり，比較的容易で1ある．

（C）寸法精度による誤差

厚さ・㎜

間隅

⑱（2㎜）

送・受波器配置において，左右の受波器から送波器までの距離1が，左右△1だけ差のあった場合に生ずる誤差は，同じく13〕式より誤差項として次式が得られる．
△1（C−yψcosθ）

2㎜

（8〕

2皿

C2（d〕角度θの非対称による誤差

送・受波配置において，左右の角度θの非対称による誤差項は同様に次式で表わされる．
△θ2−1ψCOSθ

｛9）

第3図 反射波の影響を除くためのキルク巻きの概要

18〕，（9〕両式によって誤差を吟昧すると，実際上は問題に以上のような、原理的に考えられる誤差以外に，実際しなくともよいことがわかる．ただ，衝撃などで著しくに風洞実験に当って幾つかの問題点が出され，小修正を歪められたような場合だけが問題となる．

経て試作器が完成されたのである．次ぎに作動概要と構C2（2）反射波による誤差成について述べることとする．

連続波信号に対して反射波が入って合成された場合に5一

相模灘に削づ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

3

超音波凪遠温痩計の作コカ概要と構成

第1号

1966

〔超音波風遠温度計の構成〕

第4図を基にして超音波風速温度計の作動概要を述べ

以上のような作動概要からおわかりと思うが，本測器る．まず，100KCの周波数を持った連続波が送波器かの構成を第5図の構成図に示す・さらに説明の要はない

ら発振され，仏，仏という2個の受波器によって受波さと思うので，説明を省くが，サーミスター温度計が付い

位相差方式

送波波形（100KC、M、受波波形（100KC）
AGC増巾器1出力（100KC）
周波数変換器1出力（10KC）

矩形波回路1出力（10KC）

矩形波回路2出力（10KC）

位相差計メーター入力（パルス巾が風速に比例）

送波波の波形（100KC→10KC）

位相和計メータ入力
第4図

位相差式超音波風速温度計の測定原理れる．受波波形は途中の媒質の変化によって多少の乱れているのは，音速が温度によって変化するが，本測器のを生じる．これをA指示器では音速指示範囲が狭いために，サーミスター温G

C増巾器によって振幅変動をおさえ，周波数変換器によって100KCの周波数を10KCに度計の指示値によって測定範囲を切換えるためである．

変換する．10KCに変換寸る目的は，矩形波に直して位（作動概要のところで書き忘れたので付記する．）相差を検出するのであるが，位相計の立上がり特性による影響を小さくするためである．10KCに変換された

なお，本測器の概要を写真によって示すと，写真1は試作器の受感部の水平成分と垂直成分および温度測定部

仏と〃。それぞれの回路から導びかれた波の間の位相差を示し，写真2は振巾調整部，写真3は指示器と記録計が取出され，両者の位相差が風速として人力する．これである．写真4は平塚の観測塔に設置する2号器の感部が風速測定の作動概要である．

で根元の円筒の中に前置増巾器が内蔵してある．写真5

温度測定は第4図下から4段目以下の部分にあたる．

は同じく観測塔内に設置する討測部分で，記録計はない．

送波波形を1OOKCから10KCに変換して，矩形波に整形したところが第4段目である．以下，2個の回路から4．風洞その他の実験結果来た矩形波を合成して位相和計に入れる．以上が本測器

本測器の試作に際し，一番問題になったのは，受感部の作動概要である．の構造と配置である．第6図a）は試作開始時に採用し強風測創二関する研究一奥田

情報入力部
電力増巾器

MX

指示部

振巾調整器

波形整形器

前置増巾器

振巾調整器

トリガー合成器

前置増巾器

局発増巾器

M

S
受感部

電力増巾器

Y

局郁発振措

直流増巾器 出力

主発振器

振巾調整器

波形整形器

前置増巾器

振巾調整器

トリガー合成器

前置増巾器

局発増巾器

MS

受感部

ZとT

振幅調整部

主発振器

M・

局郁発：振器

直流増巾器

振巾調整器

波形整形器
トリガー合成器

出力⑧、

前置増巾器

振巾調整器

サ

前置増巾器

振巾調整器

前置増巾器

振巾調整器

直流増巾器出力

局発増巾器

波形整形器

局部発振姶

トりガー合成器

遅延回路

信号合成器

力増巾器

M

主発振器

M

直流増巾器 出力
サーミスタ

温度計

第5図 超音波風速温度計び）ブロック・ダイヤグラムー7一杣模灘における海象等に関する研究（申間報告）防災科学核術総合研究速徴第11｝1966

η一・〜♪・一・4．

、ノ1．

写真1）試作器の受感部（ノllは垂直成分および温度測定与真4）2け器の受感部

川，右は水平成分）（気象研で試験観測中のもの）

写真2）試作器の振巾調整部

●●、．
■二、

写真5〔辰巾1調整部及指示部

写真3）試作器の病示部および記録計（電磁オシロ）

一8一

強風測定に関する研究一奥田

た受感部の形であるが，丁字型受波器は指向性および受一

波円筒による乱渦の影響があるので，次ぎに写真6に示す形に換えた．この受感部による風洞実験では，まだ受6（・）
第6図

8o（b）

超音波風速温度計の受感部a）は最初の型，b）

X成介（20は最后の型式n）〆；■0％

ρ伽ε舳仰戸雌舳
o15一〃たルθ〃〃κ7

蝋第7図

超音波風速計の指向性

一に激しく変動しているときには，乱渦が送・受波器の間に発生していることを意味する．送・受波器の両方向
写真6）試作段階における受感部風洞実験，受感部のから風が吹く配置では明瞭に乱渦の影響が現われ，特に形は中間段階のもの（気象研中野分室の風洞にて）送波器が風上の時が激しい．その風速測定に対する影響をわかりやすくしたのが第10図である．第10図は送・受波素子をキルクで捲いてはいない．この形の受感部の指波器の配置を30。ずつ変化させたときの風速に対する変向性は第7図に示すようにほぼ8字型であるが，送・受動量である．この送・受波器の配置による影響は，送・波器を結ぷ線上，送波器が風上になる配置になると，そ受波器を適当な角度に調整配置することによって避けるの影響が著しく現われることがわかった．さらに，それことができる．しかし，第8図に見られるnoiseは測定を確めるため各風速毎に送・受波器の風向に対する配置精度上問題になる．nOiSeの発生原因は，一つは受波器を変えて，その記録を電磁オシロにとり，調べた．第8の風速による振動，一つは隣りの受波器からの反射波等

図の場合は，送・受波器の影響がないと見られる配置のが考えられる．（その他，リプルの影響が考えられるが，記録である．図から明かなように，風速に比例したnOiSe

これにはここでは触れない．）振動の影響は写真6に見が観測される．また，第9図は送・受波器の配置を風向られる送・受波器を，振動に対して強い構造にすればよに対して変化させた場合の風速記録の変化を示したもの

い．その点から第6図bの形に最終的に変えた．その結である．申しおくれたが，記録の上部にある十一検出と果，noiseいうのは，風向の正負を意味する．十一検出記録がどちの問題は，風速が40m／s程度になると，本測器の風速らか一方を安定して指示．しておれば乱れが少ないし，十指示が真風速より小さい傾向が出たことからも検討され

一9一levelが明らかに低下した．さらに，反射波柵模灘における海象等に閥する研究（中間報㌫）防災科γ技術総柵究速顯

茸；1け1966

電石泣オう口言巴録結果（1）ri一■↑一丁、．．一三…≡

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強風測定に関する研究一奥田鞍顯苧仰記坤粋）

風遠計特性

気象庁風洞

X成分

4て目盛45．5％

45H．O

X＿X

40

気温24．335
1・・

気圧C752mm

○Hg

30

風

遼20
目

盛15
■

105

1015

2025

凪速％→

303540第11図垂直成分受感部による風速と風速目盛との関係（目盛調整を厳密にはしていない．測点が直線上にあればよい）

電磁オシロ記録結果
変動量210，240

風遮計特性
Z成分

270

斗斗斗 斗牛トH

o0→o1←

2変動量！

x35

1︐57デ

H

■／

30

榊ノ％1

風
遠目20ニ／、〆

盛

1530

第10図

60

90，

210

入射角→

240・

270・
10

受感部を30o毎に風向に対する角度を変えた場
00

合の風速記録の変動量

510152025303540

風遠％一一→た．キルクで蜷き，送・受波器の支持構造を現在の形にした後の風洞実験結果を，X成分の感部で『則定したもの

第12図

水平成分受感部による風速と風速目盛との関係を第11図，Z成分の感部のを第12図に示した．45．5m／s（目盛調整を厳密にはしていない．測点が直線までの実験結果であるが，｛まぼ満足する結果を得た．

上にあれぱよい）一11一

相模灘における海象筆に関する研究（中間報告）防災科学披術総（苧研究速鞭第1岩

5．昌然風内での試験齪測

1966

試験観測中に得た記録と，その解析の1例を第13図に試作器は，上記のような種々の風洞実験の後，気象研示す、読取りは％秒毎に行なったが，風速の垂直成分の究所の池上で試験観測を実施した．しかし，本測器はそ変動ωと気温の変動τは，図を見ると明らかなように，の性能が極めて応答時間の短いものであるため、これに負の相関関係にあるように見られ，何か周期的な変化を対応する測器がなかなかそろわず，現在，試験観測続行しているようである．ポ「の％秒毎の計算値を図中に示中のところである．写真1は観測のために設置した状態しておいたが，上の関係を裏書きする傾向が明らかになのものである、観測によって次ぎのことがわかり，部分ると同時に，間けつ的に大きいfluX梢忍められる．こ改造を施す予定である．

れが如何なる現象と結びつくかは，現在のところ不明で川あるが，面白い現象といえよう．

風向の変化を十一によって検出するようにしたが，徴風時の風向変化を読みとるのに非常に不便なので追記）なお，本測器の開発には風洞実験が重要な役割を演じたのであるが，風洞使用を快諾して下さった気象

零点を中央に置いて十一の検出を止める．＊

庁観測部測器課と物理気象研究部に対し，心から御礼を（2）風速目盛りを強風時と弱風時とに切換えることができるようにする．

申し上げたい．

＊2号器ではこの点を改良してある．
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