(57)【要約】【課題】所望の指向性特性を有し且つ製造が容易な電気音響変換装置、その制御パラメータ最適化方法を提供する。【解決手段】電気信号と音響信号の間の変換を行う電気音響変換装置であって、正ｎ面体（ｎは４以上の整数）の各面にｍ個（ｍは２以上の整数）のトランスデューサを有し、正ｎ面体のｎ個の面がトランスデューサアレイを構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号と音響信号の間の変換を行う電気音響変換装置であって、
正ｎ面体（ｎは４以上の整数）の各面にｍ個（ｍは２以上の整数）のトランスデューサを備え、
前記正ｎ面体のｎ個の面がトランスデューサアレイを構成する電気音響変換装置。
【請求項２】
前記正ｎ面体の各面におけるｍ個の前記トランスデューサは、マトリクス状に配置される。
請求項１に記載の電気音響変換装置。
【請求項３】
前記正ｎ面体の各面は、平板状の圧電素子を有し、
前記圧電素子は、前記電気音響変換装置の内側となる面上に、ｍ個の電極を有し、前記電気音響変換装置の外側となる面上で且つ前記ｍ個の電極に対向する領域に、１個の電極を有する、
請求項１または請求項２に記載の電気音響変換装置。
【請求項４】
（ｍ×ｎ）個の前記トランスデューサの夫々により送波される信号又は受波された信号の振幅及び位相は、（ｍ×ｎ）個の前記トランスデューサの全てによる指向性特性が所定の指向性特性を満たすように、遺伝的アルゴリズムを用いて最適化される、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電気音響変換装置。
【請求項５】
前記遺伝的アルゴリズムは、前記振幅及び位相に基づく遺伝子と前記所定の指向性特性に基づく適応度関数とを用いる、
請求項４に記載の電気音響変換装置。
【請求項６】
電気信号と音響信号の間の変換を行う電気音響変換装置の制御パラメータを最適化する制御パラメータ最適化方法であって、
前記電気音響変換装置は、正ｎ面体（ｎは４以上の整数）の各面にｍ個（ｍは２以上の整数）のトランスデューサを備え、前記正ｎ面体のｎ個の面がトランスデューサアレイを構成しており、
（ｍ×ｎ）個の前記トランスデューサの全てによる指向性特性が所定の指向性特性を満たすように、（ｍ×ｎ）個の前記トランスデューサの夫々により送波される信号又は受波された信号の振幅及び位相を、遺伝的アルゴリズムを用いて最適化する、
電気音響変換装置の制御パラメータ最適化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号から音響信号への変換または音響信号から電気信号への変換を行う電気音響変換装置、電気音響変換装置の制御パラメータ最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中で音波を送受するためには、優れた指向性特性を有するハイドロホン（水中音波送受波器）を利用する。中空球状の圧電セラミックを用いることで、幅広い周波数帯域で無指向性を実現する技術がある（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】O. M. Al-Bataineh, R. J. Meyer, R. E. Newnham, N. B. Smith, "Utilization of the High-Frequency Piezoelectric Ceramic Hollow Spheres for Exposimetry and Tissue Ablation," Proceedings of IEEE International Ultrasonics Symposium, Munich, Germany, October 2002.
【非特許文献２】R. Newnham, J. Zhang, S. Alkoy, R. Meyer, W. Hughes, A. Hladkey-Hennion, J. Cochran, and D. Markley, "Cymbal and BB underwater transducers and arrays," Material Research Innovations, Vol.6, No.3, pp.89-91, Springer Berlin, September 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、中空球状の圧電セラミックは、開発及び製造が困難であり、また一定の品質を保つのが難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、所望の指向性特性を有し且つ製造が容易な電気音響変換装置、その制御パラメータ最適化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、電気信号と音響信号の間の変換を行う電気音響変換装置であって、正ｎ面体（ｎは４以上の整数）の各面にｍ個（ｍは２以上の整数）のトランスデューサを有し、正ｎ面体のｎ個の面がトランスデューサアレイを構成する。
【０００７】
また、本発明の一態様は、電気信号と音響信号の間の変換を行う電気音響変換装置の制御パラメータを最適化する制御パラメータ最適化方法であって、電気音響変換装置は、正ｎ面体（ｎは４以上の整数）の各面にｍ個（ｍは２以上の整数）のトランスデューサを備え、正ｎ面体のｎ個の面がトランスデューサアレイを構成しており、（ｍ×ｎ）個のトランスデューサの全てによる指向性特性が所定の指向性特性を満たすように、（ｍ×ｎ）個のトランスデューサの夫々により送波される信号又は受波された信号の振幅及び位相を、遺伝的アルゴリズムを用いて最適化する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、所望の指向性特性を有し且つ製造が容易な電気音響変換装置、その制御パラメータ最適化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態におけるハイドロホンの外観の一例を示す外観図である。
【図２】平板圧電セラミックの内壁面の構造の一例を示す構造図である。
【図３】トランスデューサの配置の一例を示す配置図である。
【図４】パラメータ最適化処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
以下の実施の形態においては、本発明の電気音響変換装置を適用したハイドロホンについて説明する。
【００１２】
本実施の形態においては、平板圧電セラミックを用いてマトリクス状のアレイを有するハイドロホンを実現する。更に、アレイの指向性特性を制御するために遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いる。
【００１３】
本実施の形態では、ハイドロホンの構造として正六面体を用いる。ハイドロホンの構造は、正六面体の代わりに、正四面体、正十二面体、正二十面体などの正多面体（正ｎ面体：ｎは４以上の整数）であっても良い。もしくは正多面体以外の多面体であっても良い。
【００１４】
また、ここでは、遺伝的アルゴリズムにおいて、遺伝子の選択をルーレット選択とし、遺伝子の交叉を二点交叉とする。ルーレット選択の代わりに、ランキング選択、トーナメント選択、エリート選択としても良い。二点交叉の代わりに、一点交叉、多点交叉としても良い。
【００１５】
また、ここでは、アレイを構成する振動子として圧電セラミックを用いる。圧電セラミックの代わりに、超磁歪振動子などを用いても良い。
【００１６】
本実施の形態におけるハイドロホンの構造について以下に説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態におけるハイドロホンの外観の一例を示す外観図である。この図は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸と、本実施の形態におけるハイドロホン１とを示す。ハイドロホン１の形状は、正六面体である。このハイドロホン１における、正六面体の各面は、正方形の平面トランスデューサアレイ２である。平面トランスデューサアレイ２において、ハイドロホン１の外壁を成す面を外壁面とし、ハイドロホン１の内壁を成す面を内壁面とする。
【００１８】
図２は、平面トランスデューサアレイ２の内壁面の構造の一例を示す構造図である。平面トランスデューサアレイ２は、平板圧電セラミック５を有する。平板圧電セラミック５の内壁面には、ｍ個（ｍは２以上の整数）の電極７が設けられる。ここではｍを９とし、平板圧電セラミック５の内壁面には、９個の正方形の電極７が３行３列のマトリクス状に設けられる。
【００１９】
図１に示されるように、平面トランスデューサアレイ２の外壁面において、内壁面の９個の電極７に対向する領域の全てを覆う正方形の領域に１つの電極６が設けられる。
【００２０】
図３は、トランスデューサ３の配置の一例を示す配置図である。この図において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、ハイドロホン１の位置関係は、図１と同じである。以後、平面トランスデューサアレイ２のうち、内壁面の１つの電極７に覆われた部分を１つのトランスデューサ（振動子）３とする。この図は、更に、後述の指向性特性の算出に用いるためにｘｙ平面上におけるｘ軸からの角度φを示す。
【００２１】
この図は、更に、ハイドロホン１の送信信号または受信信号に対する信号処理を行う信号処理装置４を示す。電極７のそれぞれは、独立に信号処理装置４と接続される。電極６は、信号処理装置４における基準電位（グランド）に接続される。信号処理装置４は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、記憶部、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する。送波時、信号処理装置４から各トランスデューサ３への送信信号は、信号処理装置４により独立に信号処理される。受波時、各トランスデューサ３から信号処理装置４への受信信号は、信号処理装置４により独立に信号処理される。
【００２２】
前述のように、１つの平面トランスデューサアレイ２は、トランスデューサ３を９素子有し、ハイドロホン１は、平面トランスデューサアレイ２を６面有する。従って、ハイドロホン１は、５４素子のトランスデューサアレイとして動作する。１つの平面トランスデューサアレイ内のトランスデューサ数をｍ、ハイドロホン内の平面トランスデューサアレイ数をｎとすると、本実施の形態においてはｍ＝９、ｎ＝６である。
【００２３】
送波時、各トランスデューサ３は、信号処理装置４から電極６，７間へ印加された電圧により厚み振動を行う。受波時、各トランスデューサ３は、厚み振動により電極６，７間に発生した電圧を信号処理装置４へ送る。
【００２４】
ハイドロホン１の制御方法について以下に説明する。
【００２５】
一般的な無指向性ハイドロホンは、数十ＭＨｚの帯域まで無指向性を実現している。このような無指向性ハイドロホンは、球型圧電セラミックを呼吸球振動させることによって実現される。本実施の形態においては、アレイ制御により、擬似的に呼吸球振動を再現する。理論上、アレイの素子数に比例して呼吸球振動の再現精度は向上する。
【００２６】
複数のトランスデューサ３で構成されるアレイは、ハイドロホン１全体の音場を構成する。ここでは、無限大剛バッフルを前提とする指向性関数を用いて、ハイドロホン１の音場の計算を行うことはできない。また、回折の影響を考慮してハイドロホン１の音場の計算を行う必要がある。ハイドロホン１においては、複数の矩形ピストン音源が正六面体の面上に配置されているため、矩形ピストン音源の指向性を考慮する必要がある。
【００２７】
ここで、ハイドロホン１上のＮ個のトランスデューサ３のそれぞれをトランスデューサｋ（ｋ＝１，２，．．．Ｎ）とする。トランスデューサｋに基準信号に基づく信号を入力したときの音場について述べる。ここで、ｘｚ平面上でｘ軸からの角度φにおいて観測される、測定された複素音圧（振幅と位相を表す）をＰkとする。Ｐkは、トランスデューサ３単体の指向性特性により求められ、φの関数である。また、基準信号に対して、トランスデューサｋに入力される信号の振幅比をＲkとし、位相差をＳkとする。このとき、ｘｚ平面上でｘ軸からの角度φにおいて観測される、ハイドロホン１全体の複素音圧（指向性特性）であって、φの関数であるＰは、次式（１）で与えられる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
以後、ＲN及びＳNをアレイ制御パラメータとする。
【００３０】
ハイドロホン１は、信号処理装置４に接続される。ハイドロホン１による送波を行う場合、信号処理装置４は、アレイ制御パラメータに基づいて各トランスデューサ３の送信信号を調整し、各トランスデューサ３へ送信信号を供給する。ハイドロホン１による受波を行う場合、信号処理装置４は、各トランスデューサ３から受信信号を取得し、アレイ制御パラメータに基づいて各トランスデューサ３の受信信号を合成する。
【００３１】
ここで、ＲN及びＳNはそれぞれ振幅比及び位相差であることから、これらの値の組み合わせ数は無限大であり、アレイ制御パラメータの最適解を総当たり法により算出することは現実的ではない。指向性特性がアレイの各要素の振幅及び位相により変化するだけでなく、アレイ制御パラメータの最適解は複数存在して数学的に閉じていない。
【００３２】
一般的に、アレイの制御は、アレイを構成する各トランスデューサに入力する信号の振幅及び位相を能動的に変化させることで行うが、アレイの特性がトランスデューサの特性や形状に起因するという問題や、アレイの指向性特性を計算で評価することが困難であるという問題がある。そこで、本実施の形態においては、多岐にわたる振幅及び位相の組み合わせからその最適解を求めるために、遺伝的アルゴリズムを用いたパラメータ最適化処理を提供する。
【００３３】
本実施の形態のパラメータ最適化処理は、パラメータ最適化プログラムがパラメータ最適化装置により実行されることにより実現される。パラメータ最適化装置は、例えばＣＰＵ、記憶部、媒体読み取り部を有するコンピュータにより実現される。パラメータ最適化プログラムは、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録されており、媒体読み取り部により記録媒体から読み取られて記憶部に展開され、ＣＰＵにより実行される。
【００３４】
パラメータ最適化装置により最適化されたアレイ制御パラメータが信号処理装置４に設定され、信号処理装置４がこのアレイ制御パラメータに従って信号処理を行う。信号処理装置４とパラメータ最適化装置は、１つの装置内に設けられても良い。
【００３５】
パラメータ最適化処理は、Ｎ＝５４として、全てのトランスデューサ３のアレイ制御パラメータを求めても良い。ここで、トランスデューサ３の配置の対称性により、同一のアレイ制御パラメータとなるトランスデューサ３のアレイ制御パラメータの算出回数を削減することができる。この場合、トランスデューサ３は、各面（平面トランスデューサアレイ２）の中心に位置するトランスデューサ３、ハイドロホン１の各頂点に接するトランスデューサ３、それ以外のトランスデューサ３、の３種類に分類することができる。そこで、パラメータ最適化処理は、Ｎ＝３として、３種類のアレイ制御パラメータを算出すれば良い。
【００３６】
パラメータ最適化処理において、パラメータ最適化装置は、ＲN及びＳNをそれぞれ２進数のコード（バイナリ値）とし、遺伝子Ｇを［Ｒ1  Ｒ2…ＲN  Ｓ1  Ｓ2…ＳN］とする。
【００３７】
図４は、パラメータ最適化処理の一例を示すフローチャートである。まず、パラメータ最適化装置は、ランダムにＭ個の遺伝子を生成し、生成された遺伝子の集合［Ｇ1  Ｇ2…  ＧM］を初期集団とする（Ｓ１１）。
【００３８】
次に、パラメータ最適化装置は、得られた集団それぞれの適応度ｆi，（ｉ＝１，２，．．．Ｍ）を評価する（Ｓ１２）。ここで、パラメータ最適化装置は、それぞれの遺伝子から指向性特性Ｐを計算し、このＰに基づいてｆiを算出し、ｆiの値により要求される指向性特性（所定の指向性特性）にどれだけ近いかを評価する。ｆiは、例えば次式（２）で表される。
【００３９】
【数２】
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【００４０】
ここで、要求される指向性特性は、無指向性、即ち角度に対して一様な音圧レベルとする。ＤGは、式（１）と遺伝子Ｇとにより算出される指向性関数である。このｆiが０に近いほど、遺伝子Ｇにおける音圧レベルの差が小さく、要求される指向性関数に近い。ここでは、要求される指向性関数に近くなるほど適応度が低くなる適応度関数ｆを用いたが、要求される指向性関数に近くなるほど適応度が高くなる適応度関数を用いても良い。
【００４１】
次に、パラメータ最適化装置は、次の世代に残すための遺伝子を選択する選択操作を行う（Ｓ１３）。この選択操作において、適応度が低い遺伝子ほど（要求される指向性特性に近い遺伝子ほど）選択される確率が高い。
【００４２】
次に、パラメータ最適化装置は、選択された遺伝子同士を交叉させる（Ｓ１４）。ここで、パラメータ最適化装置は、遺伝子の何ビット目から何ビット目までを交叉させるかを乱数により決定する。
【００４３】
次に、パラメータ最適化装置は、所定の突然変異確率で遺伝子に突然変異を発生させる（Ｓ１５）。ここで、突然変異確率は、非常に低い。
【００４４】
次に、パラメータ最適化装置は、終了条件が満たされたか否かの判定を行う（Ｓ１６）。終了条件は、例えば、適応度の最大値の変化が所定の世代数にわたって所定の範囲内となる（適応度の最大値が収束する）ことである。
【００４５】
終了条件が満たされない場合（Ｓ１６，Ｎ）、パラメータ最適化装置は、このフローをＳ１２へ移行させる。終了条件が満たされた場合（Ｓ１６，Ｙ）、パラメータ最適化装置は、終了処理を行い（Ｓ１７）、このフローを終了させる。終了処理は、最終的な遺伝子をアレイ制御パラメータの組み合わせの最適解として出力する。
【００４６】
このパラメータ最適化処理によれば、所望の指向性特性を実現するためのアレイ制御パラメータを短時間で算出することができる。
【００４７】
本実施の形態によれば、数十ＭＨｚ以下の低周波領域において、中空形状構造を用いずに無指向性を実現することができる。
【００４８】
開発及び製造が容易で品質的にも安定した平板圧電セラミックを正多面体状に構成し、且つそれらをアレイ制御することにより、安定した測定を安価に実現することができる。アレイ制御により、無指向性のみならず様々な指向性特性を実現できることから、形状に依存しない、汎用性に富んだハイドロホンを提供することができる。
【００４９】
水中音響計測において、ハイドロホンは、音波の送波及び受波の手段として利用される。従来のハイドロホンは、圧電セラミックの形状が指向性特性を決定付けている。後ろに岸壁が存在しているなど、測定場所などによっては不要な反射波を抑制するためのハイドロホンが必要となる。本実施の形態のハイドロホンによれば、１つのハイドロホンであらゆる環境下の精密な音響測定が可能になる。
【００５０】
また、本実施の形態のハイドロホンを音響通信に応用することにより、水中音響通信の性能を向上させることができる。
【００５１】
本実施の形態によれば、単一の機器で様々な環境に最適な指向性特性を実現することができる。従って、あらゆる場所における温度や流速などを精度良く測定することができる。また、本発明は、河口などにおける複雑な流れ場の解析、空気中における温度や風向の測定、混相流における流れ場の解明などに寄与することができる。
【００５２】
圧電素子は、実施の形態における平板圧電セラミック５に対応する。
【００５３】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００５４】
１  ハイドロホン
２  平面トランスデューサアレイ
３  トランスデューサ
４  信号処理装置
５  平板圧電セラミック
６，７  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010212826.tif 000008