| 研究課題/領域番号 |
17K06625
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| 研究機関 | 豊田工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
松本 嘉孝 豊田工業高等専門学校, 環境都市工学科, 准教授 (40413786)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 超音波 / 底泥 / 粒径分布 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、止水域における底泥の厚さと粒径特性の把握について、広帯域の波（パルス波）を用いることで、短時間に広域で測定できる新手法の開発を目指す。この目的達成のため、粒径ごとのエコー特性の把握実験を第一段階として行う。
研究が提案する新手法は水面から鉛直方向に超音波を照射し、反射したエコーの観測を行うことを想定している。そのため、底質層の表面から反射するエコーの特性を把握する鉛直方向実験を行う。さらに、実水域に堆積する底泥層は様々な大きさの粒径の底泥が重なって構成されている。超音波を用いた新手法の現場適用には多層状態の底泥の解析が必要である。そのため、水平方向実験により、底質層を通過する際に得られるエコー特性の把握を行う。
上記の実験により得られた波形解析には、波形情報をフーリエ変換によって周波数分解し、スペクトルにした結果を用いる。その後、スペクトル変換したものについて、各粒径のエコーがどの周波数帯でピークを特定し、粒径の変化が周波数成分に与える影響を把握する。また、ピーク時に観測される振幅の大きさについても、粒径による違いを考察する。
鉛直方向実験の波形より、粒径が大きくなるほど、波形の振幅は小さくなることがわかった。そして、高周波帯と低周波帯で粒径が大きくなるほど、ピーク時のエコー強度が小さくなることがわかった。次に、水平方向実験で得られた波形より、粒径が大きくなるほど、波形の振幅は大きくなることがわかった。そして、周波数分解した解析結果より、高周波帯と低周波帯で粒径が大きくなるほど、ピーク時のエコー強度は大きくなることがわかった。
以上の実験結果から、本研究の手法によって底質から反射してきたエコーと、底質層を通過するエコーにおいて、各粒径のエコー特性の違いを把握することができた。これまでの研究により、各粒径のエコー特性から堆積している底質粒径の推定可能性を示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
平成29年度の計画としてはphase1の2つのstepの到達を予定していた。
step1としては、パルス制御装置のデジタル式制御化と、波長変換プログラムの構築であったが、この両者とも実施することができた。
step2としては、鉛直方向の実験方法の確立と、粒径毎に層厚を変え、底質厚を求める関係式を作成することであった。その結果、波長の受信時間から層厚を推定することが可能であることがわかった。
さらに、各粒径でエコー解析することで、粒径と振幅、エコー強度との関係を解析するまでに至った。そして、水平方向実験も行い、その実験と結果が異なりその原因についても解析するに至った。
上記の理由から、当初予定していた事に加え、新たに粒径毎のエコー特性解析も行えたため、当初の計画以上に進展しているとした。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度の計画としては、phase1の2つのstepを予定している。
Step3として、実際の底質は、粒径に依存する密度により沈降時間が異なるため、粒径の異なる層状構と考えられる。そのため、多層状に粒径の異なるビーズを配置し、多層状でも層厚が測定できる手法を確立する。その際、Step2で求めた、粒径とエコー周波数、層厚の関係数式により補正し、多層状構の場合にも対応する。
次にStep4として、湖沼より底泥を採取し、ふるいにより数μmから数100μmで分離した試料毎に水平方向の超音波照射実験を行う。現場の底泥は形状が不均一であるため、その結果は模擬底質結果に比べ、分解能が低くなっていると考えられる。そのため、どの程度の誤差が発生しているかを明らかにする。このステップでは、ふるいの購入および底泥採取のための調査費用を計上する。
そのphase1終了後にphase2として、模擬底質と実際の底質との超音波エコー特性の比較および補正式の確立を予定している。具体的には、phase1 のガラスビーズで確立した、底泥厚および粒径解析結果を実際の底質へ適用する研究を行う。実験機器および方法、解析手法はphase1と同様である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初の予定では，機器のデジタル化に関する費用が多く発生すると考え予算計上を行ったが，その費用が多くかからなかった。また，解析ソフトについても昨年度購入することが無かったので，その予算を次年度の予算に充てる予定である。
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