ADXⅡ42C-WiFi 高速・高分解能・多機能のMultifunctionI/Oボード(PCI/PCI-Express/Ethernet)です。アナログ入出力、デジタル入出力、カウンタ入力、PWM出力を1枚のボードに集積しています。高速リングバッファと多機能トリガで連続波形入出力が可能です。マルチファンクションI/OA/DボードアナログI/OボードADボードデータ収集ボードD/AボードデジタルI/OボードDAボードMultifunction-I/OI/OボードリモートI/ORemoteI/Oまたはトリガリングバッファ16Bit高速A/D同時サンプリングエンコーダーカウンタPWMSPDIF受託開発A/DボードアナログI/OボードADボードデータ収集ボードD/AボードデジタルI/OボードDAボードMultifunction-I/OI/OボードリモートI/ORemoteI/Oまたはトリガリングバッファ16Bit高速A/D同時サンプリングエンコーダーカウンタPWMSPDIF受託開発A/DボードアナログI/OボードADボードデータ収集ボードD/AボードデジタルI/OボードDAボードMultifunction-I/OI/OボードリモートI/ORemoteI/Oまたはトリガリングバッファ16Bit高速A/D同時サンプリングエンコーダーカウンタPWMSPDIF受託開発A/DボードアナログI/OボードADボードデータ収集ボードD/AボードデジタルI/OボードDAボードMultifunction-I/OI/OボードリモートI/ORemoteI/Oまたはトリガリングバッファ16Bit高速A/D同時サンプリングエンコーダーカウンタPWMSPDIF受託開発

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津波センサGPS波浪計津波防災水圧計津波インフラサウンド津波計測tsunami東日本大震災3.11津波測定5.png陸上設置陸上設置通信不要電源喪失インフラサウンドアレイ避難インフラサウンド津波センサ地震微気圧計infrasound
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インフラサウンドとは

超低周波

インフラサウンドとは、人間の可聴域(20 Hz~20 kHz)より、低い周波数(1mHz~100 Hz)の音波のことで、地球物理に関する様々な状態を把握出来ます。代表的なものとして、津波・火山噴火・地震・土砂崩れ・隕石や人工衛星の大気圏突入・各種人工騒音(風力発電・爆発音・核実験等)などが挙げられます。周波数は低いほど遠くまで減衰せずに届く性質があるため、インフラサウンドを用いれば遥か彼方で生じている現象を把握することができます。オーディオ用のマイクロホンで扱える最低周波数は20Hz程度までなので、インフラサウンドを調べるには専用のセンサーが必要となります。20Hzの波長は17m程度ですが、1mHz=0.001Hzは340Kmもの波長があるので、このような波長を効率よく捉えるには、マイクロホンとは原理の異なるセンサが必要になるのです。

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微気圧

音は言い換えると気圧変化ですからインフラサウンドのような低周波は気圧計で捉えることができそうです。しかし気圧計が扱う測定レンジはKPa(キロパスカル)レベル、インフラサウンドセンサで検出したい圧力偏移は、最大10Pa(パスカル)以上、最小1mPa以下(ミルパスカル)と微小です。この観点でも専用のセンサーが必要となります。

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低周波騒音との相違

低周波騒音計ではマイクロホンにG特性という20Hzを中心としたバンドパスフィルタを組み合わせたもので、主に20Hz付近の低周波音を計ります。このような低周波騒音計で20Hz以下の実態を計ることは困難です。真の低周波騒音の実態を計測するにはインフラサウンドセンサが必要なのです。

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インフラサウンドと津波の関係

津波は巨大スピーカー

津波は数Km~数百Kmもの大きさの巨大なスピーカーと同じで、空気を振動させ、大音量のインフラサウンドを発生させますが、周波数は大変低く、人間の耳では捉えることが出来ません。3.11の時には、1000Km先の計測拠点でも、30Paものインフラサウンドが確認されていますが、これは音圧で言うと125dBにも達し人間の耳が耐えられる最大音圧を超えるほどの爆音です。そこで、このインフラサウンドを使った津波センサーを作れば、従来の、洋上のGPS波浪計や、海底の精密水圧計を使った大掛かりな津波計測に比べ、より簡単で安価に津波が計測でき、防災にも役立つだろうと考えました。
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どのような津波センサーにするか

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通信網に依存しないこと

東日本大震災では、地震直後に電源と通信網が破壊され、テレビ放送を聴けなかった多くの方が、地震後の家の後片付けの最中に津波に襲われ無くなりました。関東でも通信網の破壊は深夜になっても続き、多くの家族が、お互いどこにいるのか分からないという不安な一夜を過ごしました。水圧計式の津波センサーは、ケーブルが破壊され、データを取得することはできませんでした。こうした教訓から、津波センサーは如何なる通信網にも依存しないことが望まれます。何らかの通信網に依存していれば、地震規模が多くなるほど使えなくなる可能性が高くなるのです。本製品は通信網がなくても単独で津波を判断し、防災用のサイレン等を鳴らせる仕組みとしました。
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誤動作しないこと

インフラサウンドは気象的な気圧変化、風、竜巻、雷、通常の波、鉄橋や陸橋、土砂崩れ、雪崩、隕石の突入、温度変化、重量の大きな車両の通過など様々な要因で発生します。このためインフラサウンドセンサー単体で、津波だけを識別するのは難しいとされ、数Km~数十Km間隔で、インフラサウンドセンサーを複数配備して、各インフラサウンドセンサーのデータの相関関係を計ることで、津波だけを識別する方法が考えられます。しかし、この方法では、インフラサウンドセンサー同士のデータを通信で送る必要があり、前述の通信網に依存しない仕組みにならず、サバイバル能力に欠けたシステムになってしまいます。弊社は、インフラサウンドセンサー単体で、確実に津波だけを識別できる仕組みを考案・製品化することに成功しました。(特許番号5660586号)
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電源がなくても動くこと

通信網同様に、地震の時には電源が失われることが容易に想像がつきます。津波は何度も押し寄せますし、余震による津波も考えられます。よってバッテリにより、電源喪失時でも1日程度動作することを目標としました。
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沿岸に設置しなくてもよい事

津波は内陸に数Km侵入してきます。これで壊れてしまうと、次の余震などによる津波を検出できなくなる恐れがあります。そこで内陸10Km程度に敷設しても動くことを目標にします。インフラサウンドセンサーは、沿岸に設置する必要が全くないので、このような目的に合致します。
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低コスト、保守性で優れること

十分な津波防災網を整備するには、十分な数のインフラサウンド津波センサーを配備することは不可欠で、そのためには安価でなければなりません。十分な数が配備できれば、通信網が破断しても、拡声器の声やサイレンで避難を呼びかけることもできます。また導入コストだけでなく、運用コストも十分抑える必要があり、そのためには保守性の優れたものでなければなりません。あまりにも保守性が悪いと、運用ができなくなったり、運用が間欠になる可能性もあり、実用になりません。
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危険な津波を判定できること

小さい津波で、何度も繰返し避難指示が出続けると、人は避難しなくなります。従って、危険性の高い津波を確実に認識して避難指示を出せることが望まれます。

精密水圧計方式の問題点

海中設置と長距離通信の必要性から信頼性が低く、保守が極めて困難で、コストが高いなど多くの問題を有しています。この方法では、設置箇所の波高値しかわかりません。しかし津波は、地形、震源域、震源の数、津波同士の重なり方など様々な要因により、場所ごとに波高値が異なり、測定個所の波高値しかわからない本方式では津波の本当のスケールは誤認するおそれがあります。
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GPS波浪計方式の問題点

これも洋上設置と長距離通信の必要性から信頼性が低く、保守が難しい、コストが高いなど多くの問題を有しています。この方法でも精密水圧計同様、設置箇所の波高値しかわかりませんので、津波の本当のスケールは誤認するおそれがあります。このほか装置が引きずられて移動する、船舶と衝突する危険性がある(高知西部沖 H25.9.15)、あまり沖に設置できないなどなど洋上設置ならではの問題点も有しています。
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光ファイバ方式の問題点

これは海底設置なので、精密水圧計方式に酷似した問題点を有しています。すなわち、海中設置と長距離通信の必要性から信頼性が低く、保守が極めて困難で、コストが高いなど多くの問題を有しています。
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レーダー方式の問題点

陸上設置なので、海洋設置型よりは多くの利点があります。ただし測定レンジが80Km程度と、インフラサウンドセンサーに比べると狭く、また沿岸への設置が必要な点もマイナスです。また津波と吹送流の見分けが難しい問題点もあります。コストもインフラサウンドセンサーに比べるとかなり高くなります。
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インフラサウンドアレイ方式の問題点

前述しましたが、これは複数のインフラサウンドセンサーで、相関を取りながら津波を識別するものです。陸上設置なので、海洋設置型よりは保守性や信頼性などで有利ですが、センサー間で通信をするため、通信インフラが破壊されると機能しないという問題があり、せっかくのインフラサウンドセンサーの長所が十分に生かされていません。
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周辺センサー一覧

本システムは、通信に依存しないで、単一のインフラサウンドセンサーだけを使い、確実に津波を識別するために、インフラサウンドと相関のある複数のセンサーを一体化しています。以下に搭載センサーについて紹介します。
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加速度センサー(地震計)

このセンサーは地震を捕らえる目的で使用されます。センサーはMEMS方式でXYZの3軸を搭載しています。この信号は0.034Hz以下の低域を遮断し、絶対値とした上で、A/Dコンバータ―でデジタル信号に変換された後、ピークホールド回路を経由します。ピークホールドは、ソフトウェアポーリングとポーリング(サンプリング)のピーク値を保持し、ポーリング直後にピーク値はリセットされ、これを繰り返します。これは低速のポーリング(サンプリング)でもピークを逃さないための措置です。

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測定レンジ
0~3347Gal
周波数特性
0.034Hz~1600Hz(XY)、0.034Hz~550Hz(Z)
分解能
16Bit

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騒音センサー

オーディオ帯域の低域はインフラサウンドと隣接しており、周囲の騒音の影響でインフラサウンドが生じる場合があります。このような状態を分別するために使われます。騒音計はコンデンサーマイク方式で、低域のレスポンスは、ベストケースで10Hz程度です。マイクからの音声信号は実効値(630msecの二乗平均平方根+対数)に変換した上で、ピークホールド回路で、ソフトウェアポーリング間隔中はピーク値を保持します。

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測定レンジ
43dB~110dB (ダイナミックレンジ67dB)
周波数特性
10Hz~1000Hz
聴感補正
なし(=Z特性)
時定数
630msec
分解能
16Bit

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気圧センサー

インフラサウンド(もしくはサウンド)は気圧を微分したものと言えますから、気圧の影響も回避できません。そこで本製品には気圧計を搭載しています。気圧計はインフラサウンドに比べ、分解能が粗いものの、インフラサウンドセンサとは桁違いの大きな圧力変化を把握できます。

測定レンジ
15KPa~115KPa
周波数特性
DC~1HzかFs/2の低いほう (Fs=サンプリング周波数またはポーリング周期)
分解能
16Bit

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温度センサー

気圧は温度と相関があるので、本製品には温度監視用の超精密温度センサーを装置内に装備、専用のA/D変換回路を設けています。この温度センサーは装置内部に取り付けられており、極めて高精度です。

測定レンジ
0℃~81.92℃
最小分解能
0.0000390625℃
Dレンジ
128.18dB
分解能
21Bit

インフラサウンドセンサ

本製品のインフラサウンドセンサは電磁誘導式で、アナログ回路がないため性能が大変優れており、22Bit=134.2dBと広大なダイナミックレンジを有しています。さらに1mHzまでの超低周波を捉えつつも絶対気圧には応答しない扱いやすさ、3750mPa/secの急峻な立上りにも追従できる高速性など、数々の特徴を有しています。また温度急変などでインフラサウンド計測に影響のある環境要件が検出されると、低域のカットオフを一時的に最大4mHzまで上げる動的フィルタの搭載などで、温度ドリフトを除去する仕組みも搭載しています。また全てのデジタルフィルタは位相回転が発生しない理想的なFIR型だけで構成され、位相回転の生じるIIRフィルタ、アナログ高次フィルタを追放しています。

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測定レンジ
±378536mPa
最小分解能
0.1805mPa
ノイズレベル
±10mPa (64次移動平均フィルタ通過後は±1mPaに軽減)
Dレンジ
134.2dB
周波数特性
1mHz~6.25Hz
スルーレート
3750mPa/sec

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運用と装置の能力

風の影響

ADXⅡ-INF01  ADXll-INF01インフラサウンド測定の最大の障害は風の影響です。強風にもなると500mPa程度の大きなノイズを発生させます。風の影響を軽減する方法としてよく使われる方法が、吸気口をパイプで分散する手法で、吸気管は、①先端下部より吸気する方法、②吸気管全体でゆっくりと吸収するポーラスパイプの2通りの方法があります。いずれも、時間的に異なる場所でサンプリングした気圧を合成するので、FIR型のデジタルフィルタと等価です。

前記の方法はかなり広い場所がないと実現できません。もっと簡単な豊富が、室内に設置する方法です。強風であっても、室内は静かであるのは、部屋そのものが風に対するフィルタの働きをしているからです。低周波数のインフラサウンドを計測する場合、部屋のフィルタ特性は殆ど悪影響を与えません。同時に、装置の防水・防塵や給電などを兼ねられるのも大きなメリットです。但し以下の2点に注意してください。

  • 測定室の急激な温度変化を避ける。温度変化は空気を膨張・収縮させ、微気圧の変化になりますので避けるべきです。
  • 扉の開閉等による気圧変化に注意(部屋の気圧が大きく変化します。出入りの少ない部屋で、かつ扉の開閉をゆっくり静かに管理すべきです)

強風時の実例を下に示します。

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ADXll-INF01インフラサウンドinfrasound微気圧計低周波騒音津波地震インフラサウンドinfrasound微気圧計低周波騒音津波地震ADXⅡ-INF01津波センサGPS波浪計津波防災水圧計津波津波計測tsunami東日本大震災3.11津波測定陸上設置通信不要電源喪失インフラサウンドアレイ避難

低周波の応答

下は0.005Hz(波長200秒)の音を測定したときの様子です。このような周波数帯でもはっきりレスポンスを示すのが大きな特徴で、津波は波長が長いので、こうした波が捕らえられないと役に立ちません。インフラサウンドセンサによってはこの帯域で動かないものもあります。

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ADXll-INF01インフラサウンドinfrasound微気圧計低周波騒音津波地震インフラサウンドinfrasound微気圧計低周波騒音津波地震ADXⅡ-INF01津波センサGPS波浪計津波防災水圧計津波津波計測tsunami東日本大震災3.11津波測定陸上設置通信不要電源喪失インフラサウンドアレイ避難

過度応答

下は部屋のドアを急に開き、普通に閉じる動作を、時間を空けて4回繰返した様子で、最初の2回は強め、残り2回は弱めに操作を行いました。グラフは上は弊社のADXⅡ-INF01、下が既存のインフラサウンドセンサーです。ドアを閉じる時は、ドア周囲に空気が逃げるため、ドアを開ける際に比べ圧力変化が小さくなります。ADXⅡ-INF01のグラフを見ると、負圧が大きく、正圧が小さく、この様子をはっきりと捉えています。また急にドアを開いた際の鋭い負圧がはっきりと見えます。既存品は、正負の振幅が同等に出ていて波形再現性が悪く、かつ鋭い負圧が大幅に鈍って、振幅が1/3程度に潰れています。また収束時間がとても長く、正圧ピークの時間がズレており位相特性もよくないと言えます。弊社のセンサはIIRフィルタやアナログフィルタを搭載していないので、このような現象は皆無で直線位相です。ADXⅡ-INF01の最大の特徴は、こうした急激な立上り・立下りに対する追従性に優れ、かつ波形を綺麗に再現する直線的な位相特性にあります。

ADXⅡ-INF01  ADXll-INF01

その他の仕様

搭載センサ
加速度(振動)x3ch(XYZ)、騒音、気圧、汎用アナログ入力(4.1Vユニポーラ)、インフラサウンド、温度センサx2ch
通信方式
WiFi(アドホック接続:Windows7までアクセスポイントなしでPCと直結)
WiFi(インフラストラクチャ接続:アクセスポイント経由でPCと接続)
有線LAN(Ethernet)
寸法
W301.8×D247.2×H220.6mm、シャーシ寸法、コネクタ突起・エアインテーク・インシュレータ含まず
電源電圧
AC85V~AC264V(47Hz~63Hz)
消費電力
10W
周囲温度
-5~70℃ (動作時) -55~125℃ (保存時)
湿度
10~90%RH(動作時:結露なきこと)

ハードウェア概要

 ■ 無線LANおよび有線LAN(ETHERNET)、アナログ出力の3系統出力
 ■ 拡張用のアナログ入力を3チャンネル装備 
 ■ WindowsXP/WindowsVista/Windows7/Windows8.x/Windows10対応
 ■ 津波検出アルゴリズム(実証実験中)

  • データのFTP転送機能
  • アラームのEメール転送機能
  • WEB表示機能(CSV/JavaScript/HTML5)

津波センサGPS波浪計津波防災水圧計津波インフラサウンド津波計測tsunami東日本大震災3.11津波測定dummy1.png陸上設置通信不要電源喪失インフラサウンドアレイ避難インフラサウンド津波センサ

特許に関して

インフラサウンド津波センサの特許(5660586号)は、株式会社サヤより独占使用権を取得しています。
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資料

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