(57)【要約】【課題】ランダム雑音電気信号を音響信号に変換する場合に、駆動アンプの電力用出力素子の耐電力規格、耐電圧規格、耐電流規格が下げられ、小型化および低電力化を実現する電気音響変換系を提供する。【解決手段】外部から入力される所要送波スペクトル特性１０１に基づき、制御部１０２は発生ランダム雑音のスペクトルレベルおよび駆動リミット電圧と駆動リミット電流を計算し、ランダム雑音発生器１０３に発生スペクトルレベルを指示すると同時に、リミット電圧回路１０４およびリミット電流回路１０５に駆動アンプ１０６の駆動リミット電圧、電流を指示する。駆動アンプ１０６の出力は電気音響変換器１０７で送波音響信号１０８に変換されその一部はモニタ電気信号１１０に変換される。制御部１０２は当該モニタ信号１１０からそのスペクトルレベルを計算し、所要送波スペクトル特性１０１と比較して、許容自乗平均誤差に入るよう発生ランダム信号のスペクトルレベルをランダム雑音発生器に対し指示し微調整する。【選択図】  図１
2006210989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要帯域内の送波スペクトルレベルに対応する周波数特性に基づいたランダム雑音電気信号をランダム雑音発生器で生成し、該ランダム雑音電気信号を駆動アンプで増幅し電気音響変換器で送波音響信号に変換して出力する電気音響変換系の駆動システムであって、
前記駆動アンプの出力電圧の絶対値を制限する電圧リミット回路と、出力電流の絶対値を制限する電流リミット回路と、制御部を有し、
前記制御部は、制限後の電圧を駆動リミット電圧、制限後の電流を駆動リミット電流として、前記所要帯域内の送波スペクトルレベルが所要送波スペクトル特性と比較して許容自乗平均誤差内であるように、前記ランダム雑音発生器の周波数特性を演算し設定する周波数特性設定ユニットと、
当該駆動リミット電圧および当該駆動リミット電流の最小値を演算して設定し、かつ許容自乗平均誤差内となるように当該駆動リミット電圧を演算して設定する駆動リミット設定ユニットと、
当該送波音響信号のスペクトルレベルを計測して前記所要送波スペクトル特性と比較し、当該許容自乗平均誤差内になるように、当該ランダム雑音発生器のスペクトルレベルの微調整と前記駆動アンプの駆動リミット電圧の微調整を行う微調整ユニット、を備えたことを特徴とする電気音響変換系の駆動システム。
【請求項２】
請求項１において、前記周波数特性設定ユニットは、前記所要帯域外の送波スペクトルレベルが所要レベル以下となるように前記駆動アンプの入力となる前記ランダム雑音発生器の周波数特性を演算して設定することを特徴とする電気音響変換系の駆動システム。
【請求項３】
所要帯域内の送波スペクトルレベルに対応する周波数特性に基づいたランダム雑音電気信号をランダム雑音発生器で生成し、該ランダム雑音電気信号を駆動アンプで増幅し電気音響変換器で送波音響信号に変換して出力する電気音響変換系の駆動システムであって、
前記駆動アンプの出力電圧の絶対値または出力電流の絶対値の少なくともいずれか1つを制限するリミット回路と、制御部を有し、
前記制御部は、制限後の電圧または電流を駆動リミット値として、前記所要帯域内の送波スペクトルレベルが所要送波スペクトル特性と比較して許容自乗平均誤差内であるように、前記ランダム雑音発生器の周波数特性を演算し設定する周波数特性設定ユニットと、
当該駆動リミット値の最小値を演算して設定する駆動リミット設定ユニットと、
当該送波音響信号のスペクトルレベルを計測して前記所要送波スペクトル特性と比較し、当該許容自乗平均誤差内になるように、当該ランダム雑音発生器のスペクトルレベルの微調整と出力駆動アンプの当該駆動リミット値の微調整を行う微調整ユニット、を備えたことを特徴とする電気音響変換系の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電力のランダム雑音電気信号を音響信号に変換する電気音響変換系の駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中で大出力のランダム雑音音響信号を発生させる目的の電気音響変換系は、数10Hzから数kHzまでの所要周波数スペクトル信号を一様に出力する。これに使用する駆動アンプは数ｋWの大出力となる。このような技術は、特許文献１や非特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許２６４８０６７号公報
【非特許文献１】海洋音響学会編  「海洋音響の基礎と応用」  成山堂書店
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気音響変換系に使用する駆動アンプは数ｋWの大出力となるが、数Hzの低周波を通すため出力トランスが巨大となる問題がある。  
この対応策として、出力トランスを通さずに直接水中スピーカを駆動する方式があるが、駆動アンプの出力電圧は、例えばピーク値750V、実効値250Vの高電圧となるため、電力用出力素子の耐電圧の観点から実現が難しい。出力素子の耐電圧にマージンが取れない仕様は避けるべきであるが、ランダム雑音電気信号はその特性上、最大電圧が実効電圧の約3倍にもなり、仮にマージンを2倍に取るためには、実効電圧の3×2＝6倍の耐電圧を見込む必要がある。
【０００５】
これは現状使用可能な素子規格からみて不可能な耐電圧仕様であり、例えば出力素子として一般的な電力用電界効果トランジスタの最大耐電圧は1200V程度であるが、所要の送波レベルを出すためには250V×6倍＝1500V以上の耐電圧が必要になる。
【０００６】
電流についても同様の議論が成り立ち、最大電流は実効電流の約3倍であるため、仮にマージンを2倍に取るためには、実効電流の3×2＝6倍の耐電流を見込む必要がある。また瞬時電力は実効電圧3倍×実効電流3倍＝9倍にもなるという実現上の問題がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ランダム雑音電気信号を音響信号に変換する電気音響変換系において、所要帯域内の所要送波スペクトル特性を維持しつつ、電気音響変換系駆動アンプの出力電力と出力電圧を最小化し得る駆動システムを提供することにより、電気音響変換系に要求される駆動アンプの電力用出力素子の耐電圧規格、耐電力規格を軽減し、現状使用可能な素子規格に見合う値に下げることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、所要帯域内の送波スペクトルレベルに対応する周波数特性に基づいたランダム雑音電気信号をランダム雑音発生器で生成し、該ランダム雑音電気信号を駆動アンプで増幅し電気音響変換器で送波音響信号に変換して出力する電気音響変換系の駆動システムであって、  
前記駆動アンプの出力電圧の絶対値を制限する電圧リミット回路と、出力電流の絶対値を制限する電流リミット回路と、制御部を有し、  
前記制御部は、制限後の電圧を駆動リミット電圧、制限後の電流を駆動リミット電流として、前記所要帯域内の送波スペクトルレベルが所要送波スペクトル特性と比較して許容自乗平均誤差内であるように、前記ランダム雑音発生器の周波数特性を演算し設定する周波数特性設定ユニットと、当該駆動リミット電圧および当該駆動リミット電流の最小値を演算して設定し、かつ許容自乗平均誤差内となるように当該駆動リミット電圧を演算して設定する駆動リミット設定ユニットと、当該送波音響信号のスペクトルレベルを計測して前記所要送波スペクトル特性と比較し、当該許容自乗平均誤差内になるように、当該ランダム雑音発生器のスペクトルレベルの微調整と前記駆動アンプの駆動リミット電圧の微調整を行う微調整ユニット、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所要帯域内の所要送波スペクトル特性を維持しつつ、駆動アンプの電力用出力素子に耐電圧規格、耐電力規格の低いものが採用できるため駆動アンプの実現が容易である。また駆動アンプ全体の出力電力、出力電圧、出力電流が低減できるため、駆動アンプの小型化軽量化、低電力化に貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る実施の１形態について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の１実施例である電気音響変換系の駆動システムを示したものである。１０２は計算器により構成される制御部であり、外部から入力される所要送波スペクトル特性１０１に基づき、発生すべきランダム雑音のスペクトルレベルおよび駆動リミット電圧と駆動リミット電流を計算し、ランダム雑音発生器１０３に発生スペクトルレベルを指示する。また、制御部１０２は、リミット電圧回路１０４およびリミット電流回路１０５に対して、駆動アンプ１０６の駆動リミット電圧および駆動リミット電流を指示する。駆動アンプ１０６は、電力用半導体出力素子を有しており、ランダム雑音電気信号を増幅して電気音響変換器１０７へ入力する。
【００１２】
制御部１０２は、メモリ上にロードされて実行されるプログラムにより実現される、周波数特性設定ユニット１０２Ａと、駆動リミット設定ユニット１０２Ｂと、微調整ユニット１０２Ｃを備えている。
【００１３】
周波数特性設定ユニット１０２Ａは、制限後の電圧を駆動リミット電圧、制限後の電流を駆動リミット電流として、所要帯域内の送波スペクトルレベルが所要送波スペクトル特性と比較して許容自乗平均誤差内であるように、ランダム雑音発生器103の周波数特性を演算し設定する。
【００１４】
駆動リミット設定ユニット１０２Ｂは、駆動リミット電圧および駆動リミット電流の最小値を演算して設定し、かつ許容自乗平均誤差内となるように当該駆動リミット電圧を演算して設定する。
【００１５】
微調整ユニット１０２Ｃは、送波音響信号のスペクトルレベルを計測して所要送波スペクトル特性と比較し、許容自乗平均誤差内になるように、ランダム雑音発生器のスペクトルレベルの微調整と駆動アンプの駆動リミット電圧の微調整を行う。
【００１６】
制御部１０２は、外部から入力される所要送波スペクトル特性１０１に基づき、発生ランダム雑音のスペクトルレベルおよび駆動リミット電圧と駆動リミット電流を計算し、ランダム雑音発生器１０３に発生スペクトルレベルを指示すると同時に、リミット電圧回路１０４およびリミット電流回路１０５に駆動アンプ１０６の駆動リミット電圧および駆動リミット電流を指示する。駆動アンプ１０６の出力は電気音響変換器１０７で送波音響信号１０８に変換され、当該送波音響信号１０８の一部は音響モニタ１０９によりモニタ電気信号１１０に変換される。制御部１０２は、当該モニタ信号１１０からそのスペクトルレベルを計算し、所要送波スペクトル特性１０１と比較して、許容自乗平均誤差に入るよう発生ランダム信号のスペクトルレベルをランダム雑音発生器に対し指示し微調整する。
【００１７】
図２は、各処理における周波数スペクトルレベルおよび波形を示したものであり、（１）は外部から、例えばユーザによって、与えられる所要送波スペクトル特性Ｐｒ（ｆ）である。この所要送波スペクトル特性に対応する理想駆動電圧ｖｒ（ｋΔｔ）を（２）に示す。（３）はリミット送波スペクトルレベルＰＣ（ｎΔｆ）を示したものであり、所要送波スペクトル特性Ｐｒ（ｆ）に対応して、低周波数領域および高周波数領域の出力がクリップされる。（４）は理想駆動電圧ｖｒ（ｋΔｔ）に、（３）の特性に基づき電圧リミット処理を施した駆動リミット電圧ｖＣ（ｋΔｔ）を示している。
【００１８】
次に、上記電気音響変換系の動作を、動電型電気音響変換系の例に従い、説明する。駆動システムの制御部102は、先に述べたように、周波数特性設定ユニット102A、駆動リミット設定ユニット102B、微調整ユニット102Ｃを備えており、制御部により、各処理が実行される。
【００１９】
図３は、以下で述べる式（３）〜（１４）に対応する最適リミット駆動電圧の演算処理のフローチャートを示したものである。
【００２０】
出力電力ｗは、あらかじめユーザにより設定される。  
動電型電気音響変換系において、所要送波スペクトル特性Ｐｒ（ｆ）を得るための理想駆動電流スペクトルレベルＩｒ（ｆ）は、式（１）の通り。
【００２１】
【数１】
2006210989.tif 000003
【００２２】
また、理想駆動電圧スペクトルレベルＶｒ（ｆ）は、次式
【００２３】
【数２】
2006210989.tif 000004
【００２４】
であるから、Ｉｒ（ｆ）を消去して、所要送波スペクトル特性Ｐｒ（ｆ）と理想駆動電圧スペクトルレベルＶｒ（ｆ）の関係式（３）が求められる (ステップ301)。
【００２５】
【数３】
2006210989.tif 000005
【００２６】
これにより、所要送波スペクトル特性Ｐｒ（ｆ）と理想駆動電圧Ｖｒ（ｆ）の関係式が求められる。
ただし、
ｆ  ：周波数
Ｂ  ：磁束密度
ｌ  ：コイル長
ｚ０：放射インピーダンス
ｚ１：振動板機械インピーダンス
Ｚ０：電源インピーダンス
Ｚ１：コイルインピーダンス
ａ  ：振動板半径
ρ０：水の密度
次に、これに対応する時間軸での理想駆動電圧ｖｒ（ｔ）を求める(ステップ302)。理想駆動電圧ｖｒ（ｔ）は、理想駆動電圧スペクトルレベルＶｒ（ｆ）の区間Ｔ＝ＮΔｔ  の間に含まれる周波数ｆ＝ｎΔｆ  の逆フーリエ変換として、次式（４）のように計算できる。
【００２７】
【数４】
2006210989.tif 000006
【００２８】
次に、この理想駆動電圧ｖｒ（ｋΔｔ）にｖlimなる電圧リミット処理を施し、これを駆動リミット電圧  ｖＣ（ｋΔｔ）としてフーリエ変換により、駆動リミット電圧スペクトルレベルＶＣ（ｎΔｔ）を次式（５）、（６）のように計算する(ステップ303、304)。
【００２９】
すなわち、
【００３０】
【数５】
2006210989.tif 000007
【００３１】
であり
【００３２】
【数６】
2006210989.tif 000008
【００３３】
次に、駆動リミット電流スペクトルレベルＩＣ（ｎΔｆ）を求める(ステップ305)。駆動リミット電圧スペクトルレベルＶＣ（ｎΔｆ）による駆動リミット電流スペクトルレベルＩＣ（ｎΔｆ）は、式（２）より、
【００３４】
【数７】
2006210989.tif 000009
【００３５】
これに対応する時間軸での駆動リミット電流ｉＣ（ｋΔｔ）は、フーリエ変換により(ステップ306)、
【００３６】
【数８】
2006210989.tif 000010
【００３７】
この駆動リミット電流ｉＣ（ｋΔｔ）にｉlimなる電流リミット処理を施し、これを駆動再リミット電流ｉＣＣ（ｋΔｔ）として(ステップ307)、フーリエ変換により、駆動再リミット電流スペクトルレベルＩＣＣ（ｎΔｆ）を計算する(ステップ308)。
【００３８】
すなわち、
【００３９】
【数９】
2006210989.tif 000011
【００４０】
であり、
【００４１】
【数１０】
2006210989.tif 000012
【００４２】
次に、駆動再リミット電圧スペクトルレベルＶＣＣを求める(ステップ309)。駆動再リミット電流スペクトルレベルＩＣＣ（ｎΔｆ）による駆動再リミット電圧スペクトルレベルＶＣＣ（ｎΔｆ）は、式（２）より、
【００４３】
【数１１】
2006210989.tif 000013
【００４４】
駆動再リミット電圧スペクトルレベルＶＣＣ（ｎΔｆ）によるリミット送波スペクトルレベルＰＣ（ｎΔｆ）は、式（３）より(ステップ310)、
【００４５】
【数１２】
2006210989.tif 000014
【００４６】
これから、
【００４７】
【数１３】
2006210989.tif 000015
【００４８】
なる条件で当該再リミット駆動電圧スペクトルレベルＶＣＣ（ｎΔｆ）の帯域内自乗平均誤差Ｅｒｒ、
【００４９】
【数１４】
2006210989.tif 000016
【００５０】
を計算し(ステップ311)、これが最小となるリミット駆動電圧ｖlimを求め、式（１３）のｗlimを順次大きくして式（５）〜（１４）を繰り返し(ステップ312)、帯域内自乗平均誤差Ｅｒｒが許容誤差を満足するｗlimにおいて、当該帯域内自乗平均誤差が最小となるｖlimが求める最適リミット駆動電圧である(ステップ313)。
2006210989.tif 000017
【００５１】
図4から、帯域内自乗平均誤差Errを１ｄB以内に押さえるためには、ｗlim＝２５ｋＷで、リミット駆動電圧ｖlim＝４００Vが最適リミット駆動電圧であることが分かる。
【００５２】
すなわち、本発明の方式により、動電型電気音響変換系駆動アンプの出力電圧を最大±400Vに、出力電流を最大±62.5Aに押さえることができる。
【００５３】
本実施例によれば、リミット駆動電圧、リミット駆動電流で駆動アンプを駆動するので、所要帯域内の所要送波スペクトル特性を維持しつつ、駆動アンプの電力用出力素子に耐電圧規格、耐電力規格の低いものを採用できる。そのため駆動アンプの実現が容易であり、また駆動アンプ全体の出力電力、出力電圧、出力電流が低減できるため、駆動アンプの小型化軽量化、低電力化に貢献する。
【００５４】
なお、駆動アンプの電力用出力素子を半導体素子で構成する場合、電流値に関しては、半導体素子を並列とすることで低い電流値に押さえることは可能である。しかし、電圧値に関しては、回路構成のみで半導体素子への印加電圧を小さな値にすることは困難であり、本発明の方式を採用するのが効果的である。
【００５５】
本発明の駆動システムは、いずれも公知である汎用の機器を要素として構成可能であり、詳細の説明は省略する。計算器１０１は汎用のコンピュータに入出力装置を付加したものであり、ランダム雑音発生器１０３は汎用のシグナルジェネレータに計算器１０１で計算したランダム雑音波形を入力すれば実現できる。電圧リミッタ回路１０４は駆動アンプ１０６の電力用出力素子の電源電圧を計算器１０２で制御するものであり、また電流リミッタ１０５は駆動アンプ１０６の電力用出力素子の電源電流を計算器１０２で制御するものであり、いずれも汎用電源で実現できる。駆動アンプ１０６は汎用の電力増幅アンプで、出力電力素子の電源が他の電源と分離している形式のものである。電気音響変換器１０７は磁石とボイスコイルを用いた動電型、圧電効果を用いた圧電型等があるが、実現方式は公知である。音響モニタは汎用のマイクロフォンである。音響モニタを用いないで、駆動アンプ出力の電圧または電流を直接モニタする方法も、本実施例から容易に考案できるが、電気音響変換器の特性を補正できない欠点があり、説明を省略する。
【００５６】
所要送波スペクトル特性や電気音響変換方式が変われば駆動電圧、駆動電流は変化するが、いずれも本発明の方式により、最適リミット駆動電圧、最適リミット駆動電流を求めることができ、ランダム雑音を出力とする電気音響変換系において、駆動アンプの最大電圧および最大電流をクリップ回路により制限し、電力用出力素子の耐電力、耐電圧、耐電流がぎりぎりでも最大限の能力を発揮させることが可能となる。
【００５７】
なお、実施例1では、駆動アンプの出力電圧の絶対値を制限する電圧リミット回路と、出力電流の絶対値を制限する電流リミット回路の双方を備えたシステムについて述べたが、用途によっては、所定の出力電出に対して、電流、電圧のいずれか一方の最大、最小値をクリップする本発明に基くリミット回路、例えば電圧リミット回路のみを採用するように構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の方式により、大出力のランダムガウス雑音発生によるインパルス応答を計測することにより、海域特有の音響伝搬特性把握に利用できる。また、船舶の航走雑音を模擬することにより、機雷を爆発処分する装置、大出力の雑音を発生させることにより、音響センサによる探知を妨害する装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第1の実施例になる電気音響変換系の説明図である。
【図２】第1の実施例における、周波数スペクトルおよび波形を示した説明図である。
【図３】第1の実施例における、最適駆動リミット電圧の計算処理フローチャートである。
【図４】第1の実施例における、電気音響変換系のリミット駆動電圧と送波スペクトルの自乗平均誤差の関係を示した説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…所要送波スペクトル特性、１０２…計算器、１０３…ランダム雑音発生器、１０４…電圧リミッタ回路、１０５…電流リミッタ回路、１０６…駆動アンプ、１０７…電気音響変換器、１０８…送波音響信号、１０９…音響モニタ、１１０…モニタ電気信号。
【図１】
2006210989.tif 000018
【図２】
2006210989.tif 000019
【図３】
2006210989.tif 000020
【図４】
2006210989.tif 000021