(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
ｂ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
ｃ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
ｄ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
ｅ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリ。
【請求項２】
送信トランスデューサ要素が、１０００ＨＺ〜１００００Ｈｚの範囲内の共鳴周波数を有する請求項１に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項３】
送信トランスデューサ要素が、フレックステンショナル・トランスデューサ、曲げディスク・トランスデューサ、またはスロット付き円筒形トランスデューサを含む請求項１又は請求項２に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項４】
送信トランスデューサ要素が、高出力密度電歪セラミック材料のスタックを備える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項５】
送信トランスデューサ要素が、高出力密度磁歪材料のスタックを備える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項６】
送信トランスデューサ要素は、凹状または凸状側壁を有する中空楕円形シェルを備える一対の凹状または凸状フレックステンショナル・トランスデューサからなり、前記一対のフレックステンショナル・トランスデューサは対向する端部で合流するようになっており、
各フレックステンショナル・トランスデューサは、その内部に高出力密度電歪セラミック・スタックまたは磁歪スタックを、その内面の両端間に延在した状態で有し、
前記スタックは電極に結合されており、電極を介して十分な駆動電圧をスタックが受けるときに、対向する端部に力を及ぼし、凹状または凸状側壁を歪曲させるように適合されている請求項１に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項７】
トランスデューサ要素を構成する一対のフレックステンショナル・トランスデューサは、エラストマー・シールを介して合流しており、
一方のフレックステンショナル・トランスデューサの電歪または磁歪スタックが他方のフレックステンショナル・トランスデューサの電歪または磁歪スタックに並列になるように位置決めされ、
トランスデューサ要素の両端の開口部がエンドキャップによって閉じられた請求項６に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項８】
２つのトランスデューサ要素を並列させてトランスデューサ・モジュールを形成し、前記トランスデューサ・モジュールを圧力ハウジングの両端にわたって複数積層させてなる請求項７に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項９】
トランスデューサ・モジュールを８層積層させた請求項８に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１０】
トランスデューサ要素内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／４波長の距離で離隔している請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１１】
トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／４波長の距離で隔離している請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１２】
トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／２波長の距離で、積層方向で離隔されて積層されている請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１３】
高出力密度セラミック・スタックが、ニオブ酸鉛マグネシウム、またはニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛を含む請求項６〜請求項１２のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１４】
音響受信ハイドロフォンが、ステーブの両側面に沿って対向して配列されている請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１５】
音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号からデジタル信号を生成するための手段を備える請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１６】
ステーブの両側面に沿って対向して配列されている音響受信ハイドロフォンの対からアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号の各対に対応してデジタル信号を生成するための手段を備える請求項１４に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１７】
送信フレックステンショナル・トランスデューサが実質的に同一である請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１８】
圧力ハウジングがシリンダである請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項１９】
圧力ハウジングが、２．７５×１０−３Ｐａ（４０ｐｓｉ）〜３．４５×１０−３Ｐａ（５０ｐｓｉ）で内部から加圧される請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項２０】
圧力ハウジングが流体を充填される請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項２１】
音響的に透過性のハウジングが、１．０３×１０−３Ｐａ（１５ｐｓｉ）〜１．７２×１０−３Ｐａ（２５ｐｓｉ）で内部から加圧される請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項２２】
フレームは船の船首に接続可能に形成されている請求項１〜請求項２１のいずれか１項に記載のソナー・アセンブリ。
【請求項２３】
水中物体を検出するための方法であって、
ａ）（ｉ）駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
（ｉｉ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
（ｉｉｉ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
（ｉｖ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
（ｖ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリを設け、
ｂ）前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を伝送し、
ｃ）反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信し、
ｄ）前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングし、
ｅ）サンプリング手段によりサンプリングされたアナログ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法。
【請求項２４】
デジタル信号を表示装置によって表示することを含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
音響受信ハイドロフォンをステーブの両側面に沿って対向して配列させ、対向するハイドロフォンの対から受信されたアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号の各対に対応してデジタル信号が生成させる請求項２３又は請求項２４に記載の水中物体を検出するための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜水艦および他の水中障害物を水中で検出するためのソナー・センサに関する。より詳細には、高出力密度を有するフレックステンショナル・トランスデューサまたはその他の小型トランスデューサと、個別受信センサとを利用する船または潜水艦の船首で使用するための小型モジュラ・ソナーに関し、従来の長範囲ソナー・システムに比べて性能が良く、コストが安く、サイズおよび重量が小さいものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
当技術分野でよく知られているように、ソナー搭載船および潜水艦は、潜水艦および他の水中障害物の検出に有用である。そのようなソナーの１つの特定のタイプは、船または潜水艦の船首ドーム内に取り付けられる。一般に、船首ドーム・ソナー・アレイは、船または潜水艦の船体に取り付けられ、音響的に透過性の窓または楕円体ドームによって保護されたソナー・センサである。例えば、船の船体に水中で取り付けられたソナー・システムを一般的に記述する米国特許第５４００３００号を参照のこと。また、水中ドーム形ソナー・アセンブリを一般的に記述する米国特許第５７１９８２４号も参照のこと。
【０００３】
船首ドーム・ソナー・アセンブリの音響窓内部に、音波投射および受信トランスデューサがある。ソナーの分野では、投射トランスデューサは通常、入力電気信号に応答して水域中に音響出力信号を投射するために使用される。受信トランスデューサは通常、ソナー・アセンブリに反射し返された音響波を受信し、反射された音響エネルギーに応答して出力信号を生成するために使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術である船首ドーム・ソナーの能力は、各種あるが長範囲（３０〜４０海里）ソナー・アセンブリに関しては、アセンブリのサイズおよび重量の問題がある。
【０００５】
即ち、水上船用の典型的な長範囲ソナー・アセンブリのサイズは、それらを収容するのに必要な船体設計に影響を及ぼすほど大きい。これは、船のレンジおよびその動作速度を低減する。また、従来のソナー・アセンブリは非常に重く（例えば３０〜４０トン）これらソナー・アセンブリは、水域中でそれらを牽引するのに多大なエネルギーを必要とし、船の燃料効率および動作速度を低下させる。このアセンブリの大きなサイズおよび重い重量が、船の流体力学に悪影響を及ぼし、抗力の増大および燃料効率の低下をもたらす。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術で知られているものよりもはるかに小さいパッケージで軽量化が可能であり、且つ、従来設計と同様の高い性能を有する船首ドーム・ソナー・アセンブリを提供することである。尚、本発明の文脈では、船とは潜水艦を含むものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等によれば、上述した従来の船首ドーム・ソナーは、送信機能と受信機能の両方を有する単一トランスデューサ・アレイを使用するものである。このようなデュアル機能トランスデューサを用いる設計では、送信機能から受信機能へのトランスデューサの移行を要し、そのための複雑な交換網を必要とする。その結果、ソナーのコストおよび重量が増大するのである。
【０００８】
本発明者等は、従来技術のデュアル機能トランスデューサに替えて、投射機能と受信機能を行うためのトランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの配置を適当とした船首ドーム・ソナー・アセンブリとすることで上記課題を解決することできるとした。
【０００９】
即ち、本発明は、
ａ）駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
ｂ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
ｃ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
ｄ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
ｅ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリである。
【００１０】
個別に送信および受信アレイを有するこの設計は、従来技術よりも細く小型の船首ドーム設計となる。この設計はまた、複雑な交換網を必要とせず、キャビネットを受け取り、埋込型牽引アレイ遠隔測定の使用を可能にする。これは、個別トランスデューサが、送信および受信機能で使用されるからである。また、本発明に係るソナー・アセンブリは、典型的なソナー船首ドーム設計に比べ、より細く、より背の高い形状であり、これは流体力学的に望ましいとされるバルバス・バウ設計に良く適合する。
【００１１】
本発明はさらに、このソナー・アセンブリを用いた水中物体を検出するための方法を提供する。即ち、
ａ）（ｉ）駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
（ｉｉ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
（ｉｉｉ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
（ｉｖ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
（ｖ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリを設け、
ｂ）前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を伝送し、
ｃ）反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信し、
ｄ）前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングし、
ｅ）サンプリング手段によりサンプリングされたアナログ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本実施形態に係る船首ドーム・ソナー・アセンブリ１の斜視図を示す。図示するように、アセンブリ１は、閉鎖形の、好ましくは円筒形の圧力ハウジング４を備え、その圧力ハウジング４内部に閉じ込められ、細長いアレイ３を構成する送信トランスデューサ要素２が順次積層されている。この図ではハウジング４が切り取って示されている。各送信トランスデューサは図示せぬ駆動回路に独立して接続されており、これによりそれらの音響投射を個別に制御することができる。圧力ハウジング４の両端は、船の船首５に取付け可能なフレーム１７の内側から取り付けられている。そして、複数のステーブ６が、各ステーブがフレームの上部１６とフレームの底部１８との間に延在するようにフレーム１７の周縁部の周りに順次に位置決めされる。更に、一連の音響受信ハイドロフォン８が各ステーブ６に沿って位置決めされており、各ハイドロフォン８は図示せぬ信号検出回路に独立して接続される。そして、音響的に透過性のハウジング１２がフレームを封じ込めている。
【００１３】
当技術分野では様々なタイプの送信トランスデューサが知られており、フレックステンショナル・トランスデューサ、曲げディスク・トランスデューサ、スロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バイアス・トランスデューサ等が含まれ、いずれも本発明へ使用可能である。本発明で使用するのに最も適したトランスデューサは、高出力密度変換材料を使用するものである。「高出力密度」は、変換材料と振動ユニットの組合せが高い音響強度を生み出すことを意味し、この音響強度とは、トランスデューサ放射面に垂直な単位領域を介するエネルギーの平均流量である。その単位としては、例えばジュール毎秒毎平方メートルまたはワット毎平方メートルが用いられる。本発明で使用される送信トランスデューサは、好ましくは、１２００ワット／ｍ２以上の音響強度を有するものである。
【００１４】
このようなトランスデューサとしては、スロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バイアス・トランスデューサ、フレックステンショナル・トランスデューサがある（これらトランスデューサの詳細については、米国特許第４７０９３６１号、米国特許出願第０９／２７６０３０号、米国特許第５４９７３５７号および米国特許第５２３９５１８号参照。）。本発明において最も好ましいトランスデューサは、フレックステンショナル・トランスデューサである。
【００１５】
図２は、本発明で有用なフレックステンショナル・トランスデューサ２の斜視図を示す。フレックステンショナル・トランスデューサ要素は、凹状または凸状の側壁を有する中空シェル２４を備える。そして、中空シェル２４内にはその両端に渡ってセラミック・スタック２６が延在する。この高出力密度セラミック・スタック２６は、スタックに結合された電極を介して十分な駆動電圧を受けたときに、両端部に力を及ぼし、凹状または凸状側壁を歪曲させるようになっている。図３は、一対のトランスデューサ要素を、分解したものである。それぞれが高出力密度セラミック・スタック２６を含む２つの開いた中空シェル２４が示されている。ここで、各シェルはエンドキャップ２８によってカバーされる。キャップを介して延在する電極２０は、セラミック・スタックに電気的に接続される（電極２０は防水コネクタ内部に収容されている）。図４は、２つのフレックステンショナル・トランスデューサを合流させてなる送信トランスデューサ要素を示すが、この送信トランスデューサ要素２は２つのフレックステンショナル・トランスデューサがエラストマー・シール３０によって接合されている。シール３０は、各トランスデューサ要素の開いた側面に取り付けられる。尚、２つフレックステンショナル・トランスデューサの接合にはエラストマー・シールの他、金属スペーサを用いても良く、この場合スペーサおよびシェルを、封止カバーまたはブートによって取り囲むようにしても良い。また、対合するトランスデューサ要素２の両端の開口部、エンドキャップ２８によって閉じられ、それにより中空長円形容器を形成している。
【００１６】
図４で示すように、本実施形態では２つのトランスデューサ要素を並列に固定させてトランスデューサ・モジュールとしている。このトランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタック（図４では合計４個になる）の配置としては、まずトランスデューサ要素の長手方向の２つのセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／４波長の距離で離隔されているのが好ましい。また、トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックの水平方向の配置としては、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／４波長の距離で隔離しているのが好ましい。このようにトランスデューサ内のセラミック・スタックの距離を規定するのは、流体媒体中への音響信号伝送時の位相遅延と水平方向ステアリングとを考慮するためである。
【００１７】
トランスデューサは、静水負荷または動的駆動状態によって誘発される引張応力を補償するのに十分なセラミックに対する圧縮負荷を供給するように構成されることが好ましい。トランスデューサにはシェル形状が異なる多くのタイプのフレックステンショナル・トランスデューサが知られているが、対称低周波トランスデューサが好ましい。通常はトランスデューサを大きくするより大きな、かつ／またはより厚い壁を有するシェルを使用することによって、より低い共鳴周波数が達成される。低周波数トランスデューサは、海水中の音響信号の低い減衰を示し、トランスデューサがより高い出力を有する必要があるときに使用される。送信トランスデューサが、１０００ＨＺ〜１００００Ｈｚの範囲内の共鳴周波数を有することが好ましい。フレックステンショナル・トランスデューサは、同等のサイズおよび重量を有する他のタイプのトランスデューサに比べ、より広い帯域幅を有し、より低い動作周波数、およびより高い出力処理能力で小型であるため好ましい。１つの好ましいフレックステンショナル・トランスデューサ（「Ｃｌａｓｓ  ＩＶ  フレックステンショナル・トランスデューサ」）は、楕円形状シェル内部に、シェルの主軸に沿って取り付けられた円筒形または長方形セラミック駆動装置を含むものである。
【００１８】
各高出力密度セラミック・スタック２６は、金属電極を挟持するセラミック・プレートが積層されてなり、電極が並列に接続されている。各スタック要素は、トランスデューサ動作状態中にその接着力を失わないエポキシなどの適切な接着剤によって次のスタック要素ならびに端部に取り付けられている。スタックの各要素は、平坦であり、好ましくは長方形または円形であり、長さおよび幅が約０．５インチ〜約６インチ（約１．２７ｃｍ〜約１５．２４ｃｍ）の範囲内であり、厚さが約０．００５インチ〜約０．５インチ（約０．０１２７ｃｍ〜約１．２７ｃｍ）の範囲内である場合がある。セラミック・スタック全体は、シェル２４内に嵌まる長さを有する。スタックは、室温で、室温よりも低い温度で、または室温よりも高い温度で動作することができる。連続的な動作にわたって高出力を達成するための好ましい動作温度は、１０℃〜１３０℃、より好ましくは２０℃〜１００℃、最も好ましくは２０℃〜９０℃の範囲内である。スタックは、スタック要素またはシェルに直接取り付けられたロッド加熱器またはブランケット加熱器によって加熱することができる。
【００１９】
セラミック・スタックを構成するセラミックは、電歪、圧電、または磁歪材料など任意の適切なセラミック結晶材料よりなる。セラミック結晶は、製造プロセス中に高い直流電圧を受ける場合、永久的に分極され、圧電領域内で動作する。次いで、電気信号がセラミック・スタックに印加されて、機械的振動を発生させる。代替方法として、結晶の分極をもたらすために、動作中にセラミック・スタックに直流電圧を一時的に印加することができる。これらの条件下では、投射器の動作が電歪領域内にある。直流電圧の印加が停止された後は、セラミック・スタックはもはや分極されない。上記２つのうち、圧電セラミック・スタックの方がより一般的に使用される。
【００２０】
好ましい電歪材料には、ニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛−チタン酸バリウム（ＰＭＮ−ＰＴ−ＢＡ）、ジルコン酸ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、ジルコン酸ニオブ酸鉛−チタン酸バリウム（ＰＺＮ−ＢＡ）、Ｐｂ１−ｘ２＋Ｌａｘ３＋（ＺｒｙＴｉｚ）１−ｘ／４Ｏ３（ＰＬＺＴ）が含まれる。好ましい圧電材料には、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）、およびＮｂＬｉＯ３が含まれる。当技術分野でよく知られているように、ニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）、好ましくはニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）が好ましい。好ましくは、ニオブ酸鉛マグネシウムは、電気音響トランスデューサの動作温度にほぼ等しいキュリー温度Ｔｍを有する。高出力投射器適用例では、従来のＰＺＴと比べて最大１１ｄＢの有利な改良値を与えるのでＰＭＮ−ＰＴ材料が特に魅力的である。この増大を使用して、システムのサイズ／重量に大きな影響を与えることなくより高いピーク源レベルを生成することができる、または増大を使用して、より小さく、より軽量のアレイ内で同等のシステム性能を達成することができる。用語ＰＭＮ−ＰＴは、電歪性質が様々に異なるセラミックの属を記述するために使用する。チタン酸鉛（ＰＴ）（および他の材料）とＰＭＮの比が、材料性能（誘電正接、カップリングなど）、およびこれらの特性が最大になる温度（Ｔｍ）に影響を及ぼす。トランスデューサではＴｍ＝８５℃のＰＭＮ材料が好ましい。この材料は優れた電歪性質を有し、しかしまた、材料を他のＰＭＮセラミックよりも使用可能なものとする他の機械的または電気的特性も示す。ＰＭＮ−ＰＴ組成物は、トランスデューサを駆動するために使用するとき、ＰＺＴセラミックスよりも著しく高いひずみ速度、したがってより高い音響源レベルを与える。他の有用なセラミック材料には、排他的にではなく、ＰＭＮＲＴ（Ｔｍ＝２５℃）、ＰＭＮ−１０／３（Ｔｍ＝８５℃）、ＰＭＮＨＴ（Ｔｍ＝８５℃）、およびＰＺＴ８（Ｔｍ＝２５℃）が含まれる。磁歪材料には、ニッケル合金および希土類鉄合金が含まれる。好ましい磁歪材料は、登録商標Ｔｅｒｆｅｎｏｌとして知られているテルビウムジスプロシウム鉄合金である。
【００２１】
送信トランスデューサまたは投射器は通常、ピストン、シェル、またはシリンダなどの機械的被動部材と、駆動装置とを含む。駆動装置は、電気エネルギーに応答し、そのようなエネルギーを機械的エネルギーに変換して機械的被動部材を駆動する。被動部材は、機械的エネルギーを音響波に変換し、それが水域中を伝播する。ほとんどの音響トランスデューサが、磁歪または圧電性質を有する材料を使用する駆動装置要素を有する。磁歪材料は、印加磁場が存在する時に寸法が変化し、圧電材料は、電場が存在する時に機械的変形を受ける。一般的な圧電駆動装置は、転極を伴って積層された個別セラミック要素からなるセラミック・スタック駆動装置である。このスタック構成では、セラミック・スタックが長手方向に分極されている。電気駆動信号がセラミック・スタックの要素に印加され、それに応答して、各要素が長手方向に伸長および収縮する。個々の要素の変位が累積されて、スタックの総変位を与える。シェルをその短い軸に沿って圧縮することによってプレストレスがスタックに印加され、それにより主軸寸法を延ばし、わずかに過大なセラミック・スタック駆動装置を主軸に沿って配置することができるようにする。楕円形シェルに加えられる圧縮力を解放することで、スタックが圧縮状態で配置される。この構成では、楕円形シェルが、駆動要素と、トランスデューサが配置されている水域などの媒体との間で機械インピーダンス・トランスフォーマとして働く。いくつかのフレックステンショナル構成では、セラミック・スタックが２つの部品として形成され、セラミック駆動装置の対が支持構造を用いて分離され、楕円形シェルの短軸にわたって配置されてシェルの各端部で端板に対する取付け表面を与えるためのＩ字形ビーム・フレームを有する。
【００２２】
エンドプレート２８は、トランスデューサ・スタックを封止し、内部構成要素を外部媒体から保護する。この様式で使用されるとき、スタック支持構造は、セラミック・スタック駆動装置内で発生した熱を放散するための熱経路を与える。この熱シンク機能は、高出力適用例では非常に重要になる場合がある。セラミック・スタック駆動装置の動的励振により、スタックが伸長および収縮する。セラミック・スタックの端部に与えられた小さな速度が、楕円形シェルの主面でのはるかに大きな速度に変換され、トランスデューサが配置されている媒体内部に音響場を発生させる。一般に、シェルの駆動点への接触がセラミック・スタック・アセンブリのみによってなされる良好な電気音響効率が望まれる。支持構造と端板は一般に、シェルから物理的に離隔されている。この構成では、フレックステンショナル・トランスデューサは、「空気バック」されていると言われる、すなわちシェルと支持構造との接点に空気が配置される。
【００２３】
トランスデューサ・シェルは、鋼、アルミニウム、ファイバグラス、または適切なポリマー材料など任意の適切な材料からなる。壁の厚さは、０．２５インチ〜３インチ（約０．６３５ｃｍ〜約７．６２ｃｍ）の範囲内の壁厚が有用である。各シェルは、高さ約７インチ〜約４フィート（約１７．７８ｃｍ〜約１．２１９ｍ）、幅約１．５インチ〜約２フィート（約３．８１ｃｍ〜約６０．９６ｃｍ）など、任意の好都合な長さおよび幅を有することができる。
【００２４】
高出力密度電歪セラミックを有するトランスデューサ・アセンブリは、好ましくは、セラミック・スタックを分極するために第１の電気信号を供給するバイアス手段を有する。各トランスデューサに交流駆動信号を印加する手段も設けられる。これは、各トランスデューサから音響的に同相の出力信号を発生させる。交流駆動信号は、各トランスデューサにわたって個別に印加される。トランスデューサは、駆動電圧と同様の電気インピーダンスを呈示するように設計されている。２つのトランスデューサのインピーダンスは、同じであっても、異なっていてもよく、ただし３０％程度のばらつきが許容可能である。好ましいトランスデューサ・アセンブリでは、トランスデューサ対が、好ましくは同じ共鳴周波数を有する。
【００２５】
アレイ３は、上記トランスデューサ・モジュールを積層させたものであり、略円筒形の音響的に透過性の圧力ハウジング４内部に支持され閉じ込められている。この圧力ハウジングは、ソナー・アセンブリの動作中のキャビテーションを防止する。ハウジング４は、対向する端部でＵ字形フレーム１７の上部１６および底部１８に内部から取り付けられている。このフレームは、図示されるように船の船体５に取り付け可能である。図５は圧力ハウジング４の断面図を示し、圧力ハウジング４が封じ込めるトランスデューサのアレイ３を示す。トランスデューサのアレイ３は、支持体９によって取り付けられている。
【００２６】
図５で示すように、本実施形態では、８つのモジュールが使用されているが、この数はそれより多くても、少なくてもよい。各個別トランスデューサ２は、搭載船信号発生器（図示せず）からトランスデューサへ必要な信号を供給するのに適した電極２０によって、駆動回路に独立して接続することができる。高出力密度セラミック・スタックは、一方のトランスデューサ要素のスタックが、対向するトランスデューサ要素のスタックと並列になるように位置決めされている。
【００２７】
ここで、トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックの積層方向の間隔は、各セラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／２波長の距離で離隔されている。これは、上記と同様、流体媒体中への音響信号伝送時の位相遅延と鉛直方向ステアリングとを考慮したものである。
【００２８】
アセンブリ１のハウジング４、ならびに支持体９は、金属またはポリマー金属からなっている。さらにハウジング４は、海水や、本発明の範囲内の目的に適切な任意の他の流体など、流体を充填される。ソナー・デバイスの動作が、発生した音場によって生成される負圧によりキャビテーションを生じる可能性がある。この負圧は、水の圧力を蒸気圧未満に低下させ、それにより水の蒸発を可能にする。この問題を解決するために、圧力ハウジング４が２．７５×１０−３Ｐａ（４０ｐｓｉ）〜３．４５×１０−３Ｐａ（５０ｐｓｉ）の範囲内の圧力で維持されるのが好ましい。
【００２９】
再び図１を参照すると、圧力ハウジング４の周りに、複数のステーブ６が順次に位置決めされている。ステーブ６は、金属、ポリマー、あるいはハイドロフォンおよびデュアル音響モジュールを支持するために使用される他の金属の長く細いストリップである。このステーブの数は、２０〜８０個、より好ましくは３０〜５０個とする。これらのステーブ６は、フレーム１７の第１の上部１６と第２の底部１８の間に延在する。図６および図７で見ることができるように、各ステーブ６に沿って一連の音響受信ハイドロフォン８の対が位置決めされている。
【００３０】
図６は、１のステーブ６の正面図を示す。典型的には、長さが６フィート〜８フィート（約１．８２９ｍ〜約２．４３８ｍ）であり、しかしそれよりも長い、またはそれよりも短くても良い。ハイドロフォン８は通常、ソナー・システム内で受信機として使用される。これらのハイドロフォン８はそれぞれ、信号検出回路に独立して接続され、ソナー・アセンブリに送り返される反射音響信号をインターセプトするために使用される。典型的には、ハイドロフォンは、広い周波数範囲にわたって動作するように設計され、一般に、意図される最大動作周波数の波長に関してサイズが小さくなっている。また、信頼可能な遠隔測定を容易にするために、ステーブ上にハイドロフォンまたはハイドロフォンの対からの受信アナログ信号をサンプリングするデュアル音響モジュール１０を設置するの好ましい。
【００３１】
図１に見られるように、音響的に透過性の窓またはドーム１２がフレーム１７を取り囲んでいる。この音響窓１２は、フレームを送信および受信アレイと共に封じ込めて、閉鎖形の加圧チャンバを形成する。この加圧チャンバはさらに、システムの動作中にアセンブリ１をキャビテーションから保護する。音響窓１２によって形成されるチャンバはまた、流体を充填されて、１．０３×１０−３Ｐａ（１５ｐｓｉ）〜１．７２×１０−３Ｐａ（２５ｐｓｉ）の範囲内にある圧力で維持される。適切な流体には、海水又は適切な任意の他の流体が含まれる。そのような音響的に透過性のドームは、楕円体や円形など任意の従来の形状を有することができる。別法として、ドームは、船の船体５の曲線部分に簡単に適合することができ、そのためビルディングまたは他の構造物の窓に似ている。そのような音響窓などによって取られる特定の物理的形態は、ドームの後方に、またはドームによって少なくとも部分的に画定されるエンクロージャ内部に位置決めされた音響送信機または受信機装置によって与えられる特定の音響波形送信／受信機能に応ずる。窓は、従来の構造的材料からなっていてよいが、強化型もしくは非強化型熱硬化性プラスチック、または強化型もしくは非強化型熱可塑材料等が適用される。この他、低密度、高モジュラス金属または金属合金、あるいは炭素組成物から形成することができる（これらの材料については米国特許第４９９７７０５号参照。）。
【００３２】
次に、本実施形態に係るソナー・アセンブリの動作について説明する。船上の電源から、投射トランスデューサ要素２上の電極２０へ交流が送られる。この電気信号の印加により、高出力密度セラミック要素が、各セラミック・スタックの長さに沿って伸長、収縮して振動する。この振動は、円筒形ハウジング４に伝達されて、シェルの短軸に沿った振動をもたらす。この振動が音響波を発生し、それがハウジング４および窓１２を通って海水中に送られる。
【００３３】
投射された音響波は、ターゲットに達すると、反射されてソナー・アセンブリに戻され、受信アレイによって受信される。受信アレイは、アセンブリが広い領域からの音響データをカージオイド鉛直および水平パターンで受信することを可能にするように構成され、船の船体および送信アレイからの波反射をなくし、それによりアセンブリがデータを受信する可能性があるノイズを最小限に抑える。
【００３４】
ハイドロフォン８は、反射音響波をアナログ信号として受信する。その後、音響モジュール１０が、各ハイドロフォンまたはハイドロフォンの対から受信されたアナログ信号をサンプリングし、そのアナログ信号からデジタル信号を生成する。サンプリングされたデータは、デジタル信号に変換され、船内部で光ファイバ・ケーブルを介して処理装置ユニットに伝送される。これにより、船乗組員が、船へ音を反射したターゲットを検出し、定位することが可能になる。記述した受信アレイは、受動モードで使用することもでき、その場合、能動アレイによって励振されないが、潜水艦または他のターゲットによって放出された音響信号を受信する。
【００３５】
尚、本発明に係る水中物体の検出方法は、上述したソナー・アセンブリをまず設けること、次いで複数のトランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を送信すること、反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信すること、ハイドロフォンまたはハイドロフォンの対によって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングすること、およびアナログ信号からデジタル信号を生成するという工程を含むものである。そして、デジタル信号の表現が、陰極線管など任意の適切な表示手段によって表示される。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るソナー・アセンブリは、投射機能と受信機能を行うためのトランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの配置を適当としたものであり、これにより従来技術で知られているものよりもはるかに小さいパッケージで軽量となる。これにより、船の燃料効率および動作速度を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】個別送信および受信アレイを有する船首ドーム・ソナー・アセンブリの斜視図である。
【図２】フレックステンショナル・トランスデューサ要素の斜視図である。
【図３】エンドキャップが除去された状態での２つの離隔された送信フレックステンショナル・トランスデューサ要素の斜視図である。
【図４】２つの隣接する送信トランスデューサ対を示す正面図である。
【図５】圧力ハウジング内の送信トランスデューサを示す図である。
【図６】ハイドロフォンおよびデュアル音響モジュールを有するステーブの一部分の正面図である。
【図７】１つのステーブの正面図である。
【符号の説明】
１  船首ドーム・ソナー・アセンブリ
２  送信トランスデューサ要素
３  アレイ
４  圧力ハウジング
５  船体
６  ステーブ
８  ハイドロフォン
９  支持体
１０  音響モジュール
１２  音響的に透過性のハウジング
１７  フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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