特開 2021-175963 風向・風速計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-175963(P2021-175963A)

(43)【公開日】2021年11月4日

(54)【発明の名称】風向・風速計

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/24 20060101AFI20211008BHJP

【ＦＩ】

   G01P5/24 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2020-81564(P2020-81564)

(22)【出願日】2020年5月1日

(71)【出願人】

【識別番号】510132211

【氏名又は名称】牧野 繁

(71)【出願人】

【識別番号】505124041

【氏名又は名称】有限会社メーコー精機

(71)【出願人】

【識別番号】512193388

【氏名又は名称】合同会社アグリハイテック

(74)【代理人】

【識別番号】100090413

【弁理士】

【氏名又は名称】梶原 康稔

(72)【発明者】

【氏名】牧野 繁

(57)【要約】

【課題】 外乱の影響を受けにくく、測定精度の向上を図ることができる風向・風速計を提供する。
【解決手段】 スピーカ１１０からは白色雑音が出力されて散乱板２１０に入射し、ここで球面方向に拡散する。散乱された白色雑音は、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎにそれぞれ入射し、電気信号に変換される。相互相関関数演算部３００では、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗの出力電気信号に対して相互相関関数を求める演算が行われる。風により、マイクロホン１２０Ｅに対する白色絶音の入射時刻と、マイクロホン１２０Ｗに対する白色絶音の入射時刻との間にずれが生ずるようになる。これから、東西方向の風速が求められる。同様にして、南北方向の風速も求められる。そして、それらの風速から、ベクトル演算部３０２でベクトル演算が行われ、風向・風速が求められて、表示部３０４で表示される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

白色雑音を出力するスピーカ，
該スピーカから出力された白色雑音を散乱する散乱板，
該散乱板によって散乱された白色雑音を受信して電気信号に変換する複数のマイクロホン，
該複数のマイクロホンから出力された電気信号から相互相関関数を演算する相互相関関数演算手段，
該演算手段によって得られた相互相関関数から、前記スピーカと散乱板との間を通過する風の風向もしくは風速の少なくとも一方を演算するベクトル演算手段，
を備えたことを特徴とする風向・風速計。

【請求項2】

前記マイクロホンを、東西南北の方向であって、前記スピーカから等距離の位置にそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１記載の風向・風速計。

【請求項3】

前記散乱板を、半球面の形状としたことを特徴とする請求項１又は２記載の風向・風速計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風向ないし風速を計測する風向・風速計の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の風向・風速計としては、例えば、下記特許文献１記載の超音波式風向風速計がある。これは、精度の向上を目的としたもので、１つの送信用超音波素子と、４つの受信用超音波素子とを、超音波出射口と超音波入射口が対抗し、かつ、入射口が同一面であって、直交する２軸方向となるように配置するとともに、散乱板を設ける。そして、送信用超音波素子から散乱板を経て４つの受信用超音波素子までの４つの超音波伝搬時間を検出し、これに基づいて風速，風向を算出するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平8-220127号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した背景技術では、超音波の伝搬時間を検出する方法として、
ａ，超音波送信・受信波形の位相差を検出する，
ｂ，超音波をバースト発振し、バースト発振から受信までの時間を検出する，
方法が指摘（明細書段落００２１）されているが、いずれの方法であっても、外乱ノイズの影響を受ける恐れがあり、測定精度が低下することとなる。

【0005】

本発明は、係る点に着目したもので、外乱の影響を受けにくく、測定精度の向上を図ることができる風向・風速計を提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、白色雑音を出力するスピーカ，該スピーカから出力された白色雑音を散乱する散乱板，該散乱板によって散乱された白色雑音を受信して電気信号に変換する複数のマイクロホン，該複数のマイクロホンから出力された電気信号から相互相関関数を演算する相互相関関数演算手段，該演算手段によって得られた相互相関関数から、前記スピーカと散乱板との間を通過する風の風向もしくは風速の少なくとも一方を演算するベクトル演算手段，を備えたことを特徴とする。

【0007】

主要な形態の一つによれば、前記マイクロホンを、東西南北の方向であって、前記スピーカから等距離の位置にそれぞれ配置したことを特徴とする。他の形態によれば、前記散乱板を、半球面の形状としたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、スピーカから送信された白色雑音を複数のマイクロホンで受信し、マイクロホンの受信信号間で相互相関関数を求め、これらの値からベクトル演算を行って風向・風速を求めることとしたので、外部雑音の影響を受けにくく、測定精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例におけるスピーカ及びマイクロホンの配置を示す図である。

【図2】前記実施例における演算回路の構成を示すブロック図である。

【図3】前記実施例における風向・風速計測の一例を示す図である。(A)は風向・風速の様子の一例を示し、(B)は東西方向の風速と相互相関関数の最大値を与える遅延時間の関係を示し、(C)は南北方向の風速と相互相関関数の最大値を与える遅延時間（lag時間）の関係を示す。

【図4】(A)，(B)は前記実施例における白色雑音の一例を示すグラフであり、縦軸は信号強度を示す。(C)，(D)は相互相関関数の一例を示すグラフであり、縦軸は相互相関関数の値を示す。(A)〜(D)の横軸は遅延時間（lag時間）を示す。

【図5】(A)，(B)は前記実施例における外部雑音を加味した白色雑音の一例を示すグラフであり、縦軸は信号強度を示す。(C)はそれらの相互相関関数の一例を示すグラフであり、縦軸は相互相関関数の値を示す。(A)〜(C)の横軸は遅延時間（lag時間）を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

【実施例1】

【0011】

図１には、本実施例にかかる風向・風速計の超音波素子部分が示されている。同図(A)は平面から見た様子を示しており、これを矢印Ｆ１方向から様子が同図(B)に示されている

【0012】

これらの図において、装置の天井１００と床２００は、適宜の間隔をもって水平方向となるように配置されている。風は、矢印Ｆ１で一例を示すように、天井１００と床２００との間を通り抜けるようになっている。

【0013】

天井１００には、その中心にスピーカ（発振用超音波素子）１１０が設けられており、その周囲には、水平面上の東西南北の位置であって、スピーカ１１０の中心から等距離となる位置に、マイクロホン（受信用超音波素子）１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎがそれぞれ設けられている。一方、床２００には、前記スピーカ１１０に対向する位置に、半球面状の散乱板２１０が設けられている。上述したスピーカ１１０から床面２００に向かって出力された超音波は、散乱板２１０で反射され、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎに入射するようになっている。

【0014】

図２には、風向・風速の演算回路の構成が示されている。同図において、上述したマイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎは、受信した超音波信号を電気信号に変換して出力する。出力された電気信号は、相互相関関数演算部３００に入力されるようになっている。相互相関関数演算部３００では、入力信号から相互相関関数を演算する。演算された相互相関関数の値は、ベクトル演算部３０２に入力されるようになっており、ここで、入力信号から風向・風速が演算され、演算結果が表示部３０４に対して出力されるようになっている。

【0015】

これらのうち、相互相関関数演算部３００は、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎのうち、対向するマイクロホンから出力された電気信号から相互相関関数を演算する機能を備えている。この演算結果は、東西方向及び南北方向の風速に対応する。具体的には、マイクロン１２０Ｅ，１２０Ｗの電気信号から東西方向の風速が演算され、マイクロホン１２０Ｓ，１２０Ｎの電気信号から南北方向の風速が演算されることになる。演算された東西方向及び南北方向の風速は、ベクトル演算部３０２に入力される。ベクトル演算部３０２では、東西方向の風速と、南北方向の風速に基づいてベクトル演算が行われ、風向・風速が求められ、表示部３０４に対して出力される。表示部３０４は、入力された演算結果に基づいて、風速及び風向を表示する。

【0016】

次に、本実施例の作用について説明する。上述したように、スピーカ１１０からは、白色雑音が出力される。なお、理想的な白色雑音は、すべての周波数成分の振幅が等しいが、本実施例では、必ずしも理想的なものではない。しかし、風向・風速の測定上何ら支障は生じない。スピーカ１１０から出力された白色雑音は、散乱板２１０に入射し、ここで反射されて球面方向に拡散する。反射された白色雑音は、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎにそれぞれ入射し、電気信号に変換される。

【0017】

相互相関関数演算部３００では、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗの出力電気信号に対して相互相関関数を求める演算が行われる。ここで、風が全く吹いていないと仮定すると、マイクロホン１２０Ｅと１２０Ｗには、同じ白色雑音が同一位相で入射する。従って、相互相関関数の演算結果は、風速「０」を示すことになる。なお、この場合、相互相関関数の演算結果は、白色雑音の自己相関関数と一致する。仮に、白色雑音が理想的であるとすると、自己相関関数はいわゆるデルタ関数となる。本実施例では、理想的な白色雑音ではないし、外乱雑音が加わるので、理想的なデルタ関数とはならないが、概ね波形は近似する。図４(D)には、相互相関関数の一例が示されている。マイクロホン１２０Ｓ，１２０Ｎの出力電気信号に対しても同様である。

【0018】

次に、例えば図３(A)に示すように、南西方向から風が吹いているものとする。この場合、風の影響を受けて、マイクロホン１２０Ｅに対する白色絶音の入射時刻と、マイクロホン１２０Ｗに対する白色絶音の入射時刻との間にずれが生ずるようになる。図示の例では、マイクロホン１２０Ｅにおける入射時刻が、マイクロホン１２０Ｗにおける入射時刻よりも早くなる。図４には信号波形の一例が示されており、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗに入射する白色雑音の波形が、同図(A)，(B)にそれぞれ示されている。それらの相互相関関数を演算すると、同図(C)に示すようになる。これを、同図(D)の無風状態の場合と比較すると、ピークの間にΔＴの時間差があるが、これが風が原因で生じたものであることから、このΔＴの時間差から東西方向の風速を求めることができる。南北方向についても、同様である。

【0019】

図５には、図４(A)，(B)の信号波形に外乱ノイズが加わった場合が示されている。マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎは、スピーカ１１０からの白色雑音の他に、装置が設置された環境に存在する各種の外乱雑音も拾うことになる。これらの外乱雑音は、白色雑音に混ざってしまい、図４(A)，(B)に示した波形は、図５(A)，(B)に示すようになる。しかし、この場合であっても、相互相関関数を求めれば、外乱雑音の影響が低減され、相互相関関数は、図５(C)に示すようになり、上述した図４(C)と比較してピークの位置にずれは生じない。従って、風速は、良好に演算することができる。

【0020】

図３(B)には、東西方向における相互相関関数の値と風速の関係が示されており、同図(C)には、南北方向における相互相関関数の値と風速の関係が示されている。相互相関関数から得られた東西方向の速度と南北方向の速度の各値は、ベクトル演算部３０２に入力され、ベクトル演算が行われる。すなわち、東西方向の速度を示すベクトルと、南北方向の速度を示すベクトルとの合成が行われ、風速に相当する長さであって、風向き方向を向いたベクトルが得られる（図３(A)参照）。

【0021】

図３(A)に示す例では、東西方向の風速が同図(B)に示すＶEWで、南北方向の風速が同図(C)に示すＶSNである。これらが、同図(A)に示すベクトルＦEW，ＦSNの長さにそれぞれ対応する。そして、これらベクトルＦEW，ＦSNを合成すると、ベクトルＦKとなり、このベクトルＦKの大きさが風速を示し、方向が風向を示す。

【0022】

なお、相互相関関数，自己相互相関関数については、例えば、日野幹雄著「スペクトル解析」（朝倉書店，1977年10月1日初版）に詳述されている。

【0023】

以上のように、本実施例によれば、スピーカから送信された白色雑音の超音波を、東西南北のマイクロホンで送受信し、東西及び南北のマイクロホンの受信信号間で相互相関関数を求め、この値からベクトル演算を行って風向・風速を求めることとしたので、外部雑音の影響を受けにくく、測定精度の向上を図ることができる。

【0024】

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
（１）前記実施例では、半球面状の散乱板２１０としたが、スピーカ１１０から出力された超音波をマイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎに向けて反射できれば、半球面以外の形状、例えば四角錘形状としてもよい。
（２）前記実施例では、マイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎを、東西南北の方位となる位置に配置したが、必ずしも方位と一致せず、角度がずれていてもよいが、演算結果を補正する必要がある。
（３）前記実施例は、天井１００側にスピーカ１１０を設置し、床２００側にマイクロホン１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎを設置したが、逆であってもよい。
（４）前記実施例では、超音波の白色雑音を使用したが、超音波でなくてもよい。
（５）前記実施例では、東西南北の４つのマイクロホンを使用したが、少なくとも２つあれば、それらのマイクロホンの設置方向の風速を求めることができる。３つのマイクロホンを設けてベクトル演算を行うことで、風向を求めることができる。
（６）前記実施例では、風向及び風速を求めたが、いずれか一方のみを求めるようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0025】

本発明によれば、スピーカから送信された白色雑音を、複数のマイクロホンで受信し、マイクロホンの受信信号間で相互相関関数を求め、これらの値からベクトル演算を行って風向・風速を求めることとしたので、外部雑音の影響を受けにくく、測定精度の向上を図ることができるので、風向・風速の計測に好適である。

【符号の説明】

【0026】

１００：天井
１１０：スピーカ
１２０Ｅ，１２０Ｗ，１２０Ｓ，１２０Ｎ：マイクロホン
２００：床
２１０：散乱板
３００：相互相関関数演算部
３０２：ベクトル演算部
３０４：表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】