(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧気泡を形成するための気泡発生手段を有し、気泡発生手段は前記気泡のプルームを発生する吐出口に接続されたガスの供給源を有し、気泡のプルームを調整すべく気泡のプルームに変動圧力を加える手段とを備える音響発生システムであって、変動圧力を加える手段が低周波音源を含み、これによって、低周波音源により発生される周波数と同じ一又は複数の周波数を有する、低周波音波の供給源が作り出されることを特徴とする音響発生システム。
【請求項２】
前記低周波音源が前記吐出口の近くに位置する、請求の範囲第１項に記載の音響発生システム。
【請求項３】
前記泡発生手段は、加圧ガスをチャンバに導く手段と、所定のサイズおよび速度をもつパルスまたは気泡の形での前記吐出口からのガスの放出を制御するパルス発生手段とを有する、請求の範囲第１項または第２項に記載の音響発生システム。
【請求項４】
前記パルス発生手段が適当な遮断装置を含む、請求の範囲第３項に記載の音響発生システム。
【請求項５】
前記遮断装置がバルブ、回転セクタディスクまたはその同等物である、請求の範囲第４項に記載の音響発生システム。
【請求項６】
請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の音響発生システムを備える、水中で長距離信号を発生させるための低周波音響送出装置。
【請求項７】
請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の音響発生システムを含み、さらに、音波を強化して共鳴作用を引き起こすように反射波の到着に応答するアクチュエータを備えた水中共鳴音波発生装置。
【請求項８】
前記プルーム中の音圧を上げることによって起動されるバルブを前記気泡発生装置への供給部に含んでおり、反射波の到着によって前記バルブが開き、プルームの基部において気泡をさらに放出する、請求の範囲第７項に記載の水中共鳴音波発生装置。
【請求項９】
気泡のシートが形成されるような直線形状を有する気泡発生手段及び音源を含む、請求の範囲第７項または第８項に記載の水中共鳴音波発生装置。
【請求項１０】
請求の範囲第７項または第８項に記載の水中共鳴音波発生装置を複数並べて備える水中音響障壁。
【請求項１１】
既知の低周波数の音を液体媒質中に発する方法であって、
液体中に加圧気泡を発生させる段階と、
気泡をプルームの中に向ける段階と、
気泡のプルームに変動圧力を加えて気泡のプルームを調整する段階とを備えており、前記変動圧力が低周波音源によって加えられ、これによって、低周波音源により発生される周波数と同じ一又は複数の周波数を有する、低周波音波の供給源が作り出されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
気泡発生チャンバに加圧ガスを導き、ガスを所定のサイズおよび速度をもつパルスまたは気泡の形でチャンバの吐出口から放出することによって、気泡の発生が行われる請求の範囲第11項に記載の方法。
【請求項１３】
パルスが適当な遮断装置によって生起される請求の範囲第12項に記載の方法。
【請求項１４】
請求の範囲第11項から第13項のいずれか一項に記載の方法を使用する、水中における長距離低周波音響信号の送出方法。
【請求項１５】
共鳴波を引き起こすためにアクチュエータが使用される、請求の範囲第11項から第13項のいずれか一項に記載の方法を含む水中共鳴音波発生方法。
【請求項１６】
プルームの上昇音圧に応答してさらに加圧気泡が発生し、共鳴効果を強化する、請求の範囲第15項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、音を発生する装置に関し、特に水中での用途において低周波の音を発生させることに関する。
水中でのコミュニケーションに使用される変換器（トランスデューサ）、ソナー、およびその他の計器類の作動周波数を低くするために、多くの努力が費やされてきた。低周波音を測定し記録することは比較的簡単であるが、このような音を発生させることは比較的困難である。低周波変換機の電流発生は一般に、引張り柔軟性をもつ（flextensional）カプセルの内部で作動する圧電材料または磁気ひずみ材料に基づくもので、このカプセルは、装置によって引き起こされる水の変位あるいは移動を増大し、こうしてこの動作をさらに効率的にする。しかしながらこの変換器は、所与の動作効率度を維持するためには変換器のサイズを作動周波数に反比例して増大しなければならないという欠点がある。したがって、サイズ、重量およびコストを考慮すると、既存の変換器の使用可能な低周波数としては200Hz位に限られる。装置は周波数が低くなるにつれてますます共鳴あるいは反響し、これによって使用可能な周波数範囲を制限する。
米国特許第3437170号は、所定のエネルギースペクトルを有する波を発生する様々な容積をもった多くのチャンバから水中で気泡を放出あるいは吐出する音響発生装置を開示している。また米国特許第3493072号も、加圧ガスが水中チャンバから瞬間的に放出されて、変動基本周波数をもつ気泡を作り出す、海上地震探査用の音響発生装置を開示している。
本発明は、従来の技術によるシステムのいくつかの欠点を克服することのできる改善された低周波音響発生システムを対象とする。
したがって本発明によれば、音響発生システムは、加圧気泡を形成するための気泡発生手段、吐出口からプルームあるいは上昇流（plume）の中に気泡を向ける手段、および気泡のプルームを調整すべく気泡のプルームの基部に変動圧力を加える手段を備え、変動圧力を加える手段は低周波音源を含み、これによって、吐出口の近くに位置することが好ましい低周波音波の供給源が作られる。使用の際は、音響発生システムは海水などの液体媒質の中に沈められていることが好ましい。
本発明のもう一つの態様によれば、上記のような音響発生システムを使用して既知の低周波数の音を発する方法が提供される。
水中における気泡のプルームは普通でない音響特性、すなわち音を方向付ける性質を持っている。水中の（気泡としての）空気のわずかな割合、一般的には10分の１または100分の１パーセントが、音の速度に実質的な変化を生じさせる。もっと高い割合での気泡の存在は音速をさらに低下させて、数パーセントの空気の場合には最低の約35ms-1になる。気泡のプルームでは、空気の最大濃度は流れの軸に沿って見られ、したがって音は、最低音速に向かう回折によってプルームの内部に閉じ込められる。さらにプルームの音響インピーダンスは、その形成箇所における非常に低い値から、気泡が分散して水の中に吸収される箇所における高い値まで、その長さに沿って連続的に変化する。この結果、プルーム形成箇所における空気容積の変化によって生ずる小さな圧力変化が、プルームの端部において、さらに最終的には周囲の流体中において（わずかな容積変化を伴うにもかかわらず）大きな圧力変化を発生させることができるという状況になる。プルームへの空気供給をパルス化あるいは脈動させることによって達成される効果は、空気中におけるらつぱやメガホンの効果と非常によく似ている。したがって、気泡を発生させるためだけに必要な小さな供給源を利用して、プルームのネック（首部）における容積変化を利用して高レベルの低周波音を発生させることが可能である。
本発明では、水中のような密度がより高い流体の中で使用するための改善された低周波変換器を作るために、プルームのこれらの性質を利用する。空気などの低密度の媒質においては、大きな音の変位を起こさせるために必要な力は小さく、またスピーカなどの発生装置がフレキシブルシステムの大きな変位を具体化する。密度がより高い媒質においては、小さな変位を起こさせるためにより大きな力が必要であり、装置は非常に硬い圧電要素をベースにする傾向がある。さらに、効率的で広帯域の音響を発生するためには、装置の作用領域は一般的に波長に比べて大きくしなければならない。水中では、100Hzの周波数で波長は15メートルである。したがって、この周波数では既存の変換器は共鳴を起こして非効率的になる傾向がある。本発明は、従来の変換器における上記の問題を克服するために必要であるよりはるかに扱いやすく実用的なサイズの効率的で広帯域の低周波音響発生装置を提供する。したがって、水中において100Hz未満で作動する変換器が実用的な提案とされる。
このように気泡プルームの性質を利用することは、上述の各米国特許に記載されているような空気またはガスを水中で使用する他の音源とは著しく異なるものである。一つまたは複数の気泡の突然の膨張を起こさせるために圧縮空気を使用する装置が使用可能である。しかしながらこれらの装置は衝動的で共鳴を起こし、インピーダンスを変換させるために気泡の性質を利用するものではない。ここで説明する装置は、音を連続的に送出し、広範囲の周波数にわたって作動可能である。
本発明による音響発生システムは、音響測深、遠距離通信、例えば魚群を突きとめるための魚群探知などの適用範囲のための低周波音源として使用することもできる。これらのシステムはまた、例えば機雷掃海、潜水艦探知などの軍用すなわち海軍用として使用することもできる。低周波における水中での音の減衰は小さく、これによって本発明による装置を使用して長距離にわたる信号伝達が可能になる。
気泡の形成は、所定サイズおよび速度を有するパルスまたは気泡の形で吐出口から放出される加圧ガスをチャンバに導くことによって実施することが好ましい。したがって、気泡形成手段は、加圧ガスをチャンバに導く手段と、所定のサイズおよび速度をもつパルスまたは気泡の形で吐出口からのガスの放出を制御する手段とを有することが好ましい。パルスは、バルブまたは回転セクタディスクなどの適当な遮断装置によって得ることができる。こうして、所要周波数で作動するバルブまたはその同等物を介して圧縮ガスを放出することによって音が発生する。形成される気泡プルームは、音を方向付ける（チャネリングする）ためのしくみを提供し、空気から水などの液相に音エネルギーを移すように作用する。
気泡を調整する手段は、好ましくは５〜1000Hz、さらに好ましくは20〜1000Hzである周波数範囲を有する低周波音源であり、例えばスピーカ、フォグホーンなどである。本発明は、音源が従来の技術による装置では実際の有効限界である200Hz未満の周波数範囲を有するという特別の利点を提供し、100Hz未満の周波数では水中で長距離にわたって減衰が低いという特別の利点を提供する。このように本発明は、例えば長距離のソナーまたはコミュニケーションに適用するために、水中における長距離信号発生のための低周波音響送出装置（トランスミッタ）における使用に特に適している。
同じ一般的基礎原理を採用する気泡雲の別の性質に基づく本発明の代替態様が、浅水中において適用するために提案されている。浅水中におけるようにプルームの高さが限られるところでは、プルームの中に誘導される波はプルームに沿って移動し、水の表面とプルームが発生する箇所との両方において反射する。これがプルームの共鳴挙動あるいは共鳴作用すなわち特定の周波数をもたらし、この特定の周波数において、プルーム内部の高い音響レベルが、プルームの基部と表面との間における音の多重反射の結果として発生する。
この作用は、アクチュエータによって、すなわち音を発生するかまたは一種の振動様式でプルームの基部を変位させる何らかの方法によって引き起こされる。この実施形態では、上述の一般的な音響発生システムは、反射波の到着に応答して音波を強化して共鳴作用を引き起こすように構成されたアクチュエータを追加的に備えている。共鳴作用を引き起こすために使用できるアクチュエータの具体例として、水中スピーカー、フォグホーンまたはサイレン、プルームへの空気の供給を調整する空気弁、及びプルームを揺する圧縮空気によって駆動されるパネルが挙げられる。
プルームが励起される追加の方法は、プルーム中の音圧を上げることによって起動される気泡発生装置への供給路にバルブを設け、これによってバルブは反射波の到着によって開き、プルームの基部においてさらにガス泡を放出し、またはアクチュエータがプルームの中へ音を注入するようにさせることである。音圧が上昇するとバルブは開き、こうして音圧をさらに上昇させるが、これと反対に音圧が低下するとバルブは閉じる。この作用はプルームにおける音の共鳴を強化し、非常に高いレベルの音を実現する。
気泡シートが発生するように、直線形状の気泡発生手段および音源（例えば、直線発生器および音源またはこれらの直線列）とを使用して、一つの線に沿ってプルームを発生させる場合には、このプルームは、魚群を探知するためまたは水泳者がある領域に入らないように阻止するために非常に適するような高レベル音の障壁になる。上述のような水中共鳴音波発生装置の配列を包含する水中音響障壁を製造することができる。
本発明はまた、既知の低周波数の音を液体媒質中に発する方法であって、
液体中に加圧ガス泡を発生させる段階と、
気泡をプルームの中に向ける段階と、
気泡のプルームの基部に変動圧力を加えて気泡のプルームを調整する段階とを備えており、この変動圧力が好ましくは吐出口のそばに位置する低周波音源によって加えられ、これによって低周波音波の供給源が作り出されることを特徴とする方法を提供する。
この方法は、気泡発生チャンバに加圧ガスを導き、ガスを所定のサイズおよび速度をもつパルスまたは気泡の形でチャンバの吐出口から放出することによる気泡発生を含むことが好ましく、パルスまたは気泡は、バルブまたは回転セクタディスクなどの適当な遮断装置によって発生させることが好ましい。
上述のように、この方法を、ソナーなどのためまたは浅水に適した水中における長距離低周波音響信号の送出方法として使用して、水中共鳴音波発生方法を得ることができ、この場合、水面および音源における反復反射によって発生する共鳴波を引き起こすためにアクチュエータが使用され、反射波の到着によって生起されるようなプルームの音圧上昇に応答してさらに加圧ガス泡が発生し、これによって共鳴効果を強化する任意の追加段階を伴う。さらにこの方法は、気泡シートを発生させるように変更すれば、水中障壁を発生させる場合に特に効果的である。
本発明を、単なる例示として添付の図面の第１図から第６図を参照して以下に説明する。
第１図は、本発明の原理を取り入れた水中低周波音響送出装置を示す図である。
第２図から第４図までは、本発明による音源によって利用される気泡プルームの音響作用を示すグラフである。
第５図は、本発明による水中での作動における音源および気泡プルームを組み合わせた概略図である。
第６図および第７図は、本発明の原理を取り入れた浅水中において使用するための音響共鳴システムを示す図である。
第１図の音波発生システムは、フォグホーン２の入口に連結された加圧空気またはその他の適当なガスの供給源１を含む。この供給源はバルブ（図示せず）に接続され、このバルブは、水中に通されたときに気泡を形成することのできる空気のパルスあるいは脈動を形成するように、ある周波数で開閉するように構成されている。フォグホーンは、水中聴音器（ハイドロフォン）のチェーン４によって支持されたチャンバ３中に封入されている。チャンバは、シンターガラス（sintered glass）の二つの領域６、７を有する下方に向いている延長部５を有する。第一領域６は薄いダイアフラム８によって取り囲まれ、第二領域７は周囲の同軸開放管９への吐出口孔を提供する。
使用する場合には、パルス化された空気がフォグホーンに流入してチャンバ延長部５に沿って通過する。気泡のプルームは第二領域７の吐出口孔から浮かび上がって、管９の上端から出て行く。延長部５と管９との間の環状空間に沿って通過する気泡は、チャンバ３からの脈動空気流によって引き起こされるダイアフラム８の動きによって調整（モジュレート）される。
本発明の代替実施形態では、連続気泡流が、空気などの圧縮ガスの供給源からプルーム中に流される。気泡プルームのスロート部の周りに、ほぼ５〜100Hzの範囲の低周波信号を送出することのできる拡声器あるいはスピーカ形態の低周波音源が配置されている。スピーカは気泡に作用、すなわち気泡を「絞り（スクイーズし）」、スピーカの周波数と同じ周波数で音を発するプルームを生成する。
第１図に示す装置の作動原理及び本発明のその他の類似の実施形態を、下記のように第２図から第４図を参照して説明することができる。水中の気泡発生装置には空気または別のガスの連続流が供給される。気泡発生装置は、浮力の効果で水中を上昇する気泡のプルームを形成するように設計されている。またほぼ水平のプルームを形成することが望まれる場合もあり、この場合には、気泡発生装置は、気泡の上昇速度が音源の前進速度と比べて低い速度で水中を引っ張られる。プルームは、これが気泡発生装置から離れるにつれて、一般的には７度程度の開口角度で分散する。気泡発生装置の近くでは、プルームは一般的には５〜10容量パーセントの空気を含有する。気泡発生装置から遠ざかるにつれて空気の割合は、プルームの分散と水中への空気の溶解につれて急速に減少する。一般的には、プルームに沿った約200メートルの距離で、空気は溶解してプルームの効果的な存在は消滅する。
この装置の作動原理はプルームの音響作用を理解することによって明らかになる。流体中における音速は次の式によって得られる。
Cp＝（B/p）
ただし、Ｂは流体の体積弾性率、すなわち流体の圧縮率を表すパラメータであり、ｐは流体の密度である。したがって密度の増加は流体中の音速を低下させることになり、体積弾性率の増加（すなわち流体のコンプライアンスの低下）は音速を上昇させることになる。
気泡プルームにおける混合物などガスと流体の混合物については、その性質は一般に二つの媒質の性質の複合物としてモデル化することができる。プルームの場合には、混合物の密度はかなり一定であり、プルームの形成位置における水中の空気含有率５％では、混合物の密度は水の密度の約95％である。しかしながら、非常に低い水の圧縮率に加えられる空気の圧縮率によって体積弾性率は大きく減少する（圧縮率は増加する）（第２図を参照）。
一般的な減少量は0.1％程度またはそれ未満であり、この数字を上記の式に代入すると、プルーム形成位置におけるプルームの中の音の速度は一般的には50m/秒またはそれ未満であると決定することができる。この速度はプルームに沿ってほぼ指数関数的に上昇し、プルームが終わると自由水の値に達する。
この作用は、気泡プルームの内部に音を閉じ込める傾向がある。プルームのこの特徴は次のように説明することができる。プルームの内部および外部の両方を伝搬する波を考える。これは第３図に示されている。短時間後、波面が歪んでいる。プルーム内部の波の部分はプルーム外部の波の部分に対して遅れている。音エネルギーの伝搬方向を表す波面に対する垂直線を引くと、音はプルームの軸に向かって回折しており、プルームの端で周囲の水に出てくるまで閉じ込められていることがわかるであろう。
本発明はこれらの性質を適用して、ここに記載するようなプルームが音響変成装置として利用できるという、これまでに確認されていない結論に達する。音に対する流体のインピーダンスの測定値は、密度と音速との積pCによって得られるRaylsの単位で表す音響インピーダンスである。空気は450Raylsという低い音響インピーダンスを有するが、水は1.5×107Raylsという高い音響インピーダンスを有する。この結果、空気中において大きな音の移動を発生させるために必要な力は小さいが、水中において小さな音の移動を発生させるために必要な力は大きい。スピーカなどの空気中で音を出すために設計される装置はフレキシブルシステムの大きな移動を受け入れるが、水中用に設計される装置は非常に硬い圧電素子をベースにする傾向があり、圧電素子の移動は比較的小さい。
その上、効率的で広帯域の音の発生のためには、装置の活動領域は波長に対して一般的に大きなものでなければならない。媒質が空気である場合には、これはほとんど問題にならないが、水中において100Hzの周波数では波長は15メートルである。したがって、これらの周波数における既存の変換器は共鳴して効率的でない傾向がある。気泡プルームの作用を活用して、従来の変換器における上記の問題を克服するために必要であるよりもはるかに扱いやすく実用的なサイズの、効率的で広帯域の低周波音響発生装置を実現する。
第４図は、気泡プルームの長さに沿って局部音響インピーダンスを正規化された音響インピーダンスの関数として表したグラフである。インピーダンスの発生箇所近くではインピーダンスは非常に小さいが、その端部においては水のインピーダンスに達していることがわかる。インピーダンスの変化は、音の局部波長あたりほぼ一定である。したがって、プルームは非常に効率的な変成装置として作用する。この効果は空気中における警笛またはスピーカに非常に似ており、これは、適当に防水された従来のスピーカなどの低インピーダンス音源をプルームの端部の水の周囲に音を送り込むために使用できることを意味する。音源は圧力におけるガスの交替流（alternating flow）によって移動するダイアフラムでもよい。いずれの場合でも音源はプルーム内の一か所に置くことができ、これによってプルームの局部インピーダンスはその音源のインピーダンスに合致する。
プルームのさらに別の性質は、エネルギー保存の結果として、高い変位における音源における低圧が、低い変位にもかかわらずプルームの端部の水中において高い圧力に変換することである。
第５図は典型的な実施形態を示す。プルームは気泡発生装置10によって発生する。プルームは水を通じて上昇し、分散し溶解して消滅する。プルーム12の一カ所にはドライバあるいは励振器11があり、ここではプルームの音響インピーダンスすなわち機械インピーダンスはドライバの内部インピーダンスに一致する。一般的には、これは空気中におけるスピーカに似ている。別法として、制御弁によって調整される速度で空気を供給することによってエアバッグの容積が変化する、弾力性のあるエアバッグをドライバとして使用することもできる。ドライバによってひき起こされる局部圧力の変化は、プルームを通じて上方（UP）に伝搬し、気泡プルームが分散する位置で水の中に発散される。発散表面の面積は大きいので、原則として現在のシステムの周波数よりもはるかに低い周波数の音が発生し、高い効率が保持される。効率的な作動のためには、音源の表面積を半波長程度の直径にしなければならない。10Hzでは、これは端から端までが150メートルである構造を意味し、これは剛性構造をもつ従来の変換器のための限定された実用的な提案であるが、この値の幅を持つ気泡プルームを発生させるのははるかに容易である。
第６図と第７図は、浅水すなわち数メートルから数10メートル水深のための装置を示し、水の表面と気泡発生位置からの反復反射によって作られる共鳴システムとして作動するように構成されている。
第６図はこのシステムの一般的な実施形態を示す。一本の多孔管（ポーラスパイプ）21が水中で気泡のプルームを発生させる。この管には供給管22を経て圧縮された空気またはガスが供給される。この供給はバルブ23によって制御される。多孔管は気泡のシート24を発生させ、気泡のシートは水の表面28に上昇する。囲い中にあるエアホーン25に上記または別の圧縮空気供給部によって圧縮空気が供給されると、エアホーンは音を発生し、この音は多分ゴム製である可撓性チューブ26中に導かれる。こうして音は可撓性チューブを介して気泡プルーム中に結合され、その中で高レベルの音が発生する。可撓性チューブから排出される空気またはガスは水の中に分散されるか、または図示のようにプルーム発生に役立つように使用されてもよい。もう一つのバルブ27によって、エアホーンへの空気供給を調整することができる。
別の典型的な実施形態を第７図に示す。同じ配置をもつ圧縮空気または圧縮ガス供給部22、バルブ23、及び多孔管21を使用して、気泡プルームを発生させる。この場合には、プルーム内の音は一つまたは複数のスピーカアセンブリ34を準備することによって発生され、このアセンブリの詳細は第7c図に示され、防水囲い36の中に入れられたハイファイシステムに使用されるものと同じスピーカ35から成っている。このスピーカは前後に変位することのできる可撓性ダイアフラム37を備え、スピーカが発生させる変位を可能にし、こうして音を気泡プルームの中に導く。
スピーカアセンブリ34は、ダイアフラムが気泡プルーム38の中にあるように配置される（第7b図）。スピーカは電気信号によって駆動され、これは、スピーカを地上における一つまたは複数の増幅器及び信号発生器に接続する電線を通じて行うことができる。したがってスピーカは正弦波信号、掃引正弦波信号、またはその他の信号によって駆動される。
上記の両実施形態は、気泡プルームの内部に、プルームから離れて急速に減衰するであろう高レベルの音を生起するために使用できる。これはまた、音をよける魚を誘導する有効な手段、またはダイバーがある領域に入ることを防ぐ有効な手段として使用することができる。
【図２】
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【図３】
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【図７ｂ】
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【図１】
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【図７ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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