パイプハイドロフォンの音響波形に及ぼす境界条件の影響

摘要

掃流砂観測のための様々な手法が日本国内外で試されている(例えば，Gray et al.2010)。日本では山地河川の掃流砂量の観測手法として，音響法の一つのパイプハイドロフォンがよく使われている(例えば，Mizuyama et al.,2003)。パイプハイドロフォンとは，河床に設置した円管に流砂が当たる音を解析し，掃流砂量を推定することを目的とした観測機器である。既往研究(例えば，水山ら，2002)では，同機器はハイドロフォンと呼ばれることが多いが，水中探査に用いられるハイドロフォンと区別するために，Japanese pipe hydrophoneと呼ばれることもある(例えば，Richkenmann et al.2014)。本研究で筆者らは，これをパイプハイドロフォンと呼ぶ。これは近年開発されているセンサー部に金属の円管ではなく，金属板を用いるプレート型ハイドロフォンやスイスをはじめとするヨーロッパで用いられているジオフォン(堤ら，2014)とパイプハイドロフォンとを区別する目的もある。パイプハイドロフォンを用いた掃流砂量の推定手法は，円管に衝突した掃流砂の個数(パルス数)もしくは音の大きさ(音響波形の平均値)とロードセルを用いた観測枡(例えば，Reid et al.,1980)で観測される時系列の堆積土砂の変化量から作成した相関式による手法がこれまで用いられてきた(例えば，Mizuyama et al.,2010 a)。この手法は，掃流砂量および粒度分布を直接観測出来る利点がある一方，相関式の作成には出水データを蓄積する必要があり手間と時間がかかること，観測析の容量に制約があることから観測可能な出水規模に限界があるといった課題がある。%A Japanese pipe hydrophone has been used for bedload measurements in mountain torrents. This measurement sensor is an indirect method using an acoustic signal. Bedload discharge rate can be estimated using the Japanese pipe hydrophone with a linear relationship between a maximum amplitude of eigen frequency of circumferential component of acoustic wave and a momentum of colliding sediment particle with a pipe. Acoustic wave is influenced by several factors, for example, one of factors is an installation condition of a pipe, however there were few studies concerning the acoustic wave deformation. We conducted flume tests on acoustic wave deformation focusing on the pipe fixed condition and re-collision of sediment particles to a pipe. Results show as follows :(1)The maximum amplitude of circumferential component of acoustic wave is changed by the pipe fixed condition, but an inclination of the linear relationship did not changed. We proposed that the linear relationship should be checked every installation location. (2) A re-collision of sediment particle occurred by wake. It influences a number of count sediment particles with the Japanese pipe hydrophone at the beginning and the end of flooding stage, and there is a little influence at high bedload discharge which is exceeded the limitation of a number of countble sediment particles. We proposed the method not to re-collide focusing on the relationship between a step height and a reattachment point length from an experimental data in the condition of high Reynolds number and supercritical flow.