(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中の音場及び音響出力の測定方法であって、
音場が分布する水にレーザー光を照射する工程と、
水中の音場により偏光したレーザー光を受光する工程と、
受光したレーザー光から音場の分布を解析する工程と、
得られた音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させる工程と、
移動させた位置における音響出力をハイドロホンにより測定する工程と、
を有する、前記測定方法。
【請求項２】
水中の音場及び音響出力を測定するための装置であって、
ハイドロホンと、
該ハイドロホンの位置を移動させる位置移動手段と、
前記ハイドロホンから出力される電気信号を測定する電気信号測定手段と、
レーザー光の発光部及び受光部からなるシュリーレン測定手段と、
該シュリーレン測定手段からの出力を受けて前記位置移動手段を制御する制御手段と、
を有する、前記測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
音場及び音響出力の測定方法及び測定装置に関するものである。特に、本発明は、音源から発せられた音波により水中に形成された音場及び音響出力を迅速かつ精細に測定することの可能な、水中の音場及び音響出力の測定方法及び測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水中の音場及び音響出力を測定する方法としては、図４に示すような測定系を使用して、測定対象である水中に配置されたハイドロホン１１をポジショナ１４などの位置移動手段により移動させ、このハイドロホン１１の走査を三次元的に繰返し行なうことにより、水中に分布する音場を解析するとともに水中の各位置における音響出力を測定する方法が採用されていた。
また、近年、水中での音場の分布を簡易に測定する方法として、図５に示すように、レーザー光を測定対象である水に照射し、音場により偏光したレーザー光を解析して音場の屈折率を計測することにより音場分布を把握するシュリーレン法が試みられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ハイドロホンを使用して水中の音場及び音響出力を測定する方法は、音場分布の全体像および音響出力の最強位置を検出するのに非常に時間がかかるという点で問題がある。特に、測定対象となる水中の領域が極めて広い一方で、音場が特定の位置に偏在するような場合には、この問題が顕著となる。また、ハイドロホンを水中で移動させることにより水中の音場が乱れるため、ハイドロホンの水中での移動回数が多くなるのは望ましくない。さらに、ハイドロホンを水中で繰返し移動させると、ハイドロホン及びその移動手段が受ける機械的負担も大きくなり、測定装置が故障する原因ともなりうる。
また、シュリーレン法により音場分布を測定する方法は、水中に存在する音場を乱すことなく瞬時に音場の解析を行なうことができると考えられるが、音響強度の測定値の精度がハイドロホンよりも悪いという点で問題がある。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、水中の音場及び音響出力を短時間で精度良く測定することの可能な音場及び音響出力の測定方法及び測定装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の水中の音場及び音響出力の測定方法は、音場が分布する水にレーザー光を照射する工程と、水中の音場により偏光したレーザー光を受光する工程と、受光したレーザー光から音場の分布を解析する工程と、得られた音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させる工程と、移動させた位置における音響出力をハイドロホンにより測定する工程とを有するという構成を有している。
この構成により、水中の音場及び音響出力を短時間で精度良く測定することができる。
また、本発明の水中の音場及び音響出力を測定するための装置は、ハイドロホンと、該ハイドロホンの位置を移動させる位置移動手段と、前記ハイドロホンから出力される電気信号を測定する電気信号測定手段と、レーザー光の発光部及び受光部からなるシュリーレン測定手段と、該シュリーレン測定手段からの出力を受けて前記位置移動手段を制御する制御手段とを有するという構成を有する。
この構成により、水中の音場及び音響出力を短時間で精度良く測定することができるとともに、故障が発生しにくいことになる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の水中の音場及び音響出力の測定方法について、工程ごとに説明する。
本発明の方法は、まず、音場が分布する水にレーザー光を照射する工程を有する。
測定対象である音場が分布する水は、例えば、無色透明な脱気水を満たした水槽に、音源として圧電体を入れ、この圧電体に交流電圧を印加することにより、モデル的に得ることができる。レーザー光の照射は、レーザー光をピンホール、レンズ等を用いて必要な大きさの平行光束にまで拡大し、水中に形成された音場を横から走査するよう水中に照射することにより行なうことができる。
本発明の方法は、次いで、水中の音場により回折したレーザー光を受光する工程を有する。
平行光束として照射されたレーザー光は、水中の音場（音波が放射されている透明な媒質）を通過すると、媒質内に音圧の強弱によって形成された粗密波によって回折する。この回折光を、レーザー光を受光する受光部で受光する。受光したレーザー光は、受光部で集光し、ナイフエッジで不要な主光束をカットした後に、高感度カメラで撮影することができる。
本発明の方法は、さらに、受光したレーザー光から音場の分布を解析する工程を有する。
音場の分布の解析は、上記のように、不要な主光束をカットした受光したレーザー光を高感度カメラで撮影し、その結果から、回析した平行光の回折の強弱を測定して、形成された音場の強弱を音場の分布として観察することにより、行なうことができる。
【０００６】
本発明の方法は、上記一連の工程により得られた音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させる工程を有する。
シュリーレン測定する水槽内のＸＹＺ座標を、予め制御部に認識させておくことにより、各座標の音場分布を認識することが可能となる。また、この座標に従って、ポジショナによってハイドロホンを移動させることにより、音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させることができる。
本発明の方法は、その上で、移動させた位置における音響出力をハイドロホンにより測定する工程を有する。
ハイドロホンは、一般に、水中で１〜２０ＭＨｚの帯域の音波（音圧）を受信して、電気信号に変換する特性を有している。この電圧−音圧の相関係数（周波数応答係数）は、ハイドロホン毎に校正され、求められている。したがって、ハイドロホンで水中の音圧を電圧信号として受信し、それをオシロスコープで測定することにより、水中の音圧を測定することができる。
【０００７】
また、本発明の方法において、音場が分布する水にレーザー光を照射し、水中の音場により偏光したレーザー光を受光して、受光したレーザー光から音場の分布を解析することにより、音源の発している音場（音束）のポジショナの移動軸に対する傾きが何度あるかを把握し、得られた音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させるに先立って、ポジショナの移動軸に対して音場が平行または垂直になるように音源の傾きを調整してもよい。
さらに、本発明の方法において、音場が分布する水にレーザー光を照射し、水中の音場により偏光したレーザー光を受光して、受光したレーザー光から音場の分布を解析することにより音場の強弱の分布を求め、得られた音場分布上の音場の音響出力最大の位置にハイドロホンを移動させ、移動させた位置における音響出力をハイドロホンにより測定した上で、測定された音響出力測定値と上記音場の強弱の分布から、音場の各位置での音響出力値を計算し、音束の断面の音響出力値を面積積分することによって、音場のＴｏｔａｌ  Ｐｏｗｅｒ（総エネルギー）を計算することができる。この時、ハイドロホンで測定する位置を、音響出力最大の位置に加えてさらに数点設けることとして、音場のＴｏｔａｌ  Ｐｏｗｅｒについての計算の精度を上げてもよい。
【０００８】
次に、本発明の水中の音場及び音響出力の測定装置について、図面を用いて説明する。
図１に、本発明の実施の形態の測定装置の構成を示す。
図１に示すように、本発明の実施の形態の測定装置は、脱気した水を満たした水槽９中の水中に音を発する音源１による水中の音場及び音響出力を測定するための装置であって、音響出力を電気信号に変換するハイドロホン２と、ハイドロホン支持台４を動かしてハイドロホン２の位置を移動させる位置移動手段であるポジショナ５と、ハイドロホン２から出力される電気信号を測定する電気信号測定手段であるＤＳＯ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）３と、音場による偏光を測定するためのレーザー光を発する発光部６及び音場により偏光したレーザー光を受ける受光部７からなるシュリーレン測定手段と、該シュリーレン測定手段からの出力を受けてポジショナ５を制御する制御手段である制御装置８とを有している。
【０００９】
図２に、本発明の実施の態様におけるハイドロホン２として使用可能なハイドロホンの構成を示す。
ハイドロホンは、その形状により、ハイドロホン１０のようなニードル（針）型ハイドロホンと、ハイドロホン１５のようなメンブレン（膜）型ハイドロホンとに大別される。
ニードル型ハイドロホン１０は、その先端のセンサ部に保護膜１４で覆われた圧電材１１が配置され、音圧を電気信号に変換して金線１２を通じて出力する。圧電材１１の材料としては、主として高分子材料（圧電性を有するＰＶＤＦなど）またはセラミックス（ＰＺＴ圧電材など）が使用される。ニードル型ハイドロホン１０の径は、通常０．４〜１ｍｍ程度である。
メンブレン型ハイドロホン１５は、厚さ数十μｍの高分子材料（ＰＶＤＦなど）の膜１６の中央部分の電極部１７が音圧を電気信号として検出し、信号線１９が受信信号を伝達しする。その際、信号線１９周辺の接地膜１８が、ノイズの混入を防ぐ。電極部１７の径は、通常０．４〜０．８ｍｍ程度である。
【００１０】
ハイドロホンの位置を移動させる位置移動手段であるポジショナ５は、制御装置８による制御を受け、ＸＹＺ３方向の各移動軸についてハイドロホン支持台４を精密に位置移動させるステッピングモータ等とすることができる。
電気信号測定手段であるＤＳＯとしては、通常のデジタルストレージオシロスコープを使用すればよく、特に制限はない。
【００１１】
図３に、本発明の実施の態様におけるシュリーレン測定装置として使用可能な装置の構成を示す。
シュリーレン装置発光部６は、レーザー光源２０から出力されたレーザー光をピンホール２１で拡大し、平行光束作成器２２により平行光にすることにより、被検体２３をシュリーレン測定することを可能にするものである。レーザー光源２０の光源としては、一般に、ヘリウムネオンレーザー（λ＝６３３ｎｍ）、アルゴンレーザー（λ＝４８８ｎｍ）等が用いられる。平行光束作成器２２は、通常、凸レンズ、凹レンズと反射鏡等の組み合わせによって構成される。
シュリ一レン装置受光部７は、被検体２３を透過した平行光を、平行光束集光器２４によって集光し、測定に不要な主光束をナイフエッジ２５によってカットして、被検体によって生じた同折光・散乱光を高感度カメラ２６によって捕らえるものである。
【００１２】
制御装置８は、ポジショナの位置制御を行うための位置情報入力装置と、モータ制御信号出力装置並びにシュリーレン測定装置発光部及び受光部の発光・受光タイミングを制御するためのタイミング制御装置と、受光部で測定した回折光データを受信するためのデータ入力装置と、ハイドロホンで受信した電圧波形を測定するためのＤＳＯ制御信号出力装置とＤＳＯで受信した波形データ入力装置とを有するものである。
【００１３】
本発明の測定装置は、また、位置移動手段の移動軸に対する音場の傾きを計算するソフトウェアと、音源の傾きを調整することが可能な音源固定治具を備えるものとすることができる。
本発明の測定装置は、さらに、音場のＴｏｔａｌ  Ｐｏｗｅｒ（総エネルギー）を計算する積分計算用ソフトウェアを備えるものとすることができる。
【００１４】
上記本発明の実施の形態の測定装置を使用して水中の音場及び音響出力を測定する場合、まず、制御装置８によりシュリーレン測定装置の発光部６を制御して、レーザー光を発光させる。音源１が発している音波の音場を発光部６により走査させ、音場により偏光したレーザー光をシュリーレン測定装置の受光部７によって受光する。受光したレーザー光の偏光を制御装置８によって解析し、音源１が発している音場を測定する。制御装置８によってポジショナ５を制御して、ハイドロホン支持台４を動かし、測定された音場の音響出力最大の位置までハイドロホン２を移動させる。そこで、ハイドロホン２により受けた音響出力を電気信号に変換し、ＤＳＯ３に対し電気信号を出力させる。ＤＳＯ３で電気信号を測定して制御装置８に測定結果を送り、制御装置８により測定結果を解析する。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、音場が分布する水にレーザー光を照射する工程、水中の音場により偏光したレーザー光を受光する工程、受光したレーザー光から音場の分布を解析する工程、得られた音場分布上の任意の位置にハイドロホンを移動させる工程、及び、移動させた位置における音響出力をハイドロホンにより測定する工程を有することにより、水中の音場及び音響出力を短時間で精度良く測定することができるというすぐれた効果を有する水中の音場及び音響出力の測定方法を提供することができるものである。
また、本発明は、ハイドロホン、該ハイドロホンの位置を移動させる位置移動手段、前記ハイドロホンから出力される電気信号を測定する電気信号測定手段、レーザー光の発光部及び受光部からなるシュリーレン測定手段、及び該シュリーレン測定手段からの出力を受けて前記位置移動手段を制御する制御手段を有することにより、水中の音場及び音響出力を短時間で精度良く測定することができるとともに、故障が発生しにくいというすぐれた効果を有する水中の音場及び音響出力を測定するための装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による音響出力測定装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態で使用するハイドロホンの構成図
【図３】本発明の実施の形態で使用するシュリーレン測定装置の構成図
【図４】従来技術におけるハイドロホンによる音場測定法の構成図
【図５】従来技術におけるシュリーレン測定による音場測定法の構成図
【符号の説明】
１  音源
２  ハイドロホン
３  ＤＳＯ
４  ハイドロホン支持台
５  ポジショナ
６  シュリーレン測定装置発光部
７  シュリーレン測定装置受光部
８  制御装置
９  水槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003597444.tif 000005
【図５】
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