(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中送波器の送波感度を計測する検査装置であって、
所定の検査信号を発生する発振器と、
前記検査信号を増幅して前記水中送波器を駆動する電力増幅器と、
水面から所定の高さの大気中に設置されて、駆動された前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する振動計測装置と、を備え、
前記振動計測装置は、前記水中送波器が設置される水深度に対応した補正データを予め記憶し、当該補正データに基づき計測値を補正することを特徴とする水中送波器の検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水中送波器の検査装置であって、
前記振動計測装置により音響放射面の振動振幅を計測する際には、当該音響放射面の複数点を計測することを特徴とする水中送波器の検査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水中送波器の検査装置であって、
前記振動計測装置により音響放射面の振動振幅を計測する際には、当該音響放射面の内で最も振幅の大きい１点を計測することを特徴とする水中送波器の検査装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水中送波器の検査装置であって、
前記振動計測装置を水面に対して平行に移動させる走査装置が設けられて、
前記電力増幅器が、複数の前記水中送波器に検査信号を出力し、
前記走査装置が前記振動計測装置を移動させて、前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を順次計測することを特徴とする水中送波器の検査装置。
【請求項５】
水中送波器の送波感度を計測する検査方法であって、
水中に設置された水中送波器を駆動する駆動手順と、
大気中から水中に探知光を照射して、前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する計測手順と、
前記水中送波器が設置される水深度に対応した補正データを予め記憶する手順と、
前記補正データに基づき前記計測値を補正する手順と、を含むことを特徴とする水中送波器の検査方法。
【請求項６】
請求項５に記載の水中送波器の検査方法であって、
前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する計測手順は、前記音響放射面を複数点計測する手順を含むことを特徴とする水中送波器の検査方法。
【請求項７】
請求項５に記載の水中送波器の検査方法であって、
前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する計測手順は、前記音響放射面の内で最も振幅の大きい１点を計測する手順を含むことを特徴とする水中送波器の検査方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の水中送波器の検査方法であって、
複数の前記水中送波器に検査信号を出力して、前記水中送波器毎に音波を放射させる手順と、
前記水中送波器における音響放射面の振動振幅が計測できるように、振動計測装置を移動させる手順と、
前記振動計測装置により音響放射面の振動振幅を計測する手順と、を含むことを特徴とする水中送波器の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に音波を送波する水中送波器の検査装置及び検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波等の音波を水中に送波する水中送波器の音響性能を計測するために、広い音場である海中や音響試験専用の試験水槽施設が用いられると共に、受波感度性能が明らかな標準受波器が用いられている。
【０００３】
この水中送波器と標準受波器とは、水中で所定距離を隔てて対向配置されて、水中送波器から放射された音波を標準受波器で受波する。そして、受波信号を解析することにより、水中送波器の音響性能を得ている。なお、インピーダンスの水圧特性が安定するように、水深度が深く、かつ、水流や水温の変動が少ない試験水槽設備を用いて計測するのが一般的である。
【０００４】
図１０は、水中送波器の音響性能の計測を行う際に用いる計測装置１００のブロック図である。計測装置１００は、発振器１０１、電力増幅器１０２、標準受波器１１１、前置増幅器１１２、帯域フィルタ１１３、オシロスコープ１１４を備えている。そして、水中送波器１０３と標準受波器１１１とは、大型の試験水槽内に吊り下げて設置され、水中送波器１０３からの音波を標準受波器１１１で受波する。
【０００５】
このような構成で、発振器１０１から所定周波数の正弦波の検査信号が出力され、この検査信号が電力増幅器１０２で電力増幅されて水中送波器１０３に出力される。水中送波器１０３は、電力増幅された検査信号に対応した周波数の音波を水中に放射する。
【０００６】
水中に放射された音波は、距離Ｗを離れた標準受信機１１１によって受波される。音波は所定の音速を持つので、距離Ｗに対応した時間だけ遅れて受波されることになる。
【０００７】
標準受信機１１１によって受波された信号は、前置増幅器１１２で増幅されてオシロスコープ１１４に入力し、このオシロスコープ１１４で波形観測等が行われる。
【０００８】
これらの計測装置１００による計測結果は、下記の式１に基づき水中送波器１０３の送波感度として算出される。
【０００９】
Ｓｖ＝Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎ−Ｍｖ−ＰＧ＋２０ｌｏｇ（Ｗ）  …  （１）
ここで、
Ｓｖ：送波感度［ｄＢ  ｒｅ  １μＰａ／Ｖ；Ｗ＝１ｍ］
Ｖｏｕｔ：標準受波器の出力電圧［ｄＢ］
Ｖｉｎ：水中送波器の入力電圧［ｄＢ］
Ｍｖ：標準受波器の受波電圧感度［ｄＢ］
ＰＧ：プリアンプゲイン［ｄＢ］
Ｗ：送受波器間距離［ｍ］
である。
【００１０】
このような水中送波器の送波感度検査方法は、例えば特開平８−７９８９８号公報において開示されている。この特開平８−７９８９８号公報においては、未知感度の送受波器と既知感度の基準水中送波器とを組み合わせ、所定距離隔てて水中に吊下して、未知感度の送受波器を試験する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−７９８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述したような検査方法においては、水中送波器のみならず標準受波器も水中に設置する必要があるため、計測作業に工数を要する問題があった。特に、水中送波器と標準受波器とを水中で所定の距離を保つように設置しなければならないため、多くの作業時間が必要になる。なお、これらを水中で所定の距離を保つように設置する理由は、水中送波器から放射された音波が水以外の部材を介して（反射等して）、標準受波器に入力するのを防止するためである。
【００１３】
そこで、本発明の主目的は、簡便に、かつ、高精度に水中送波器の性能計測が行える水中送波器の検査装置及び水検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、水中送波器の検査装置にかかる発明は、所定の検査信号を発生する発振器と、検査信号を増幅して水中送波器を駆動する電力増幅器と、水面から所定の高さの位置の大気中に設置されて、駆動された前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する振動計測装置と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、水中送波器の検査方法にかかる発明は、水中に設置された水中送波器を駆動する駆動手順と、大気中から水中に探知光を照射して、前記水中送波器における音響放射面の振動振幅を計測する計測手順と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
振動計測装置を大気中に設置するので、簡便に、かつ、高精度に水中送波器の性能計測が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる検査装置のブロック図である。
【図２】第１の実施形態にかかる検査装置を用いた検査手順を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態にかかる検査装置により駆動された圧電型の水中送波器における振動状態を示す図で、（ａ）は膨らんだ状態、（ｂ）は収縮した状態を示す図である。
【図４】第１の実施形態にかかる検査装置により複数点を計測する様子を示す図である。
【図５】第１の実施形態にかかる検査装置を用いて計測した検査信号の周波数に対する送波感度（実線の曲線）と公知の検査方法により計測した検査信号の周波数に対する送波感度（点線の曲線）とを比較した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる検査装置により振幅が最大の点を計測する様子を示す図である。
【図７】第２の実施形態にかかる検査方法により得られた送波感度（実線の曲線）と、公知の方法で計測して得られた送波感度（点線の曲線）とを比較した図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる計測深度に対する計測値の例を示すグラフで、（ａ）は計測値が振動速度の場合、（ｂ）は計測値が共振周波数の場合である。
【図９】本発明の第３の実施形態にかかる検査装置のブロック図である。
【図１０】関連技術にかかる計測装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる水中送波器の検査装置２Ａのブロック図である。
【００１９】
この検査装置２Ａは、所定の周波数の検査信号を発生する発振器１１、検査信号を増幅する電力増幅器１２、赤外線等により水中送波器５における音響放射面の振動振幅を計測する振動計測装置１３を備えている。この水中送波器５は、水２２が満たされた水槽２１の中に設置されて、この水中送波器５に電力増幅器１２から検査信号が入力する。水中送波器５の水深は、予め設定した水深度Ｄ１とし、また振動計測装置１３の水面からの高さは、予め設定した高さＤ２とする。
【００２０】
以下においては、発振器１１から正弦波等の検査信号が発生される場合について説明するが、本発明は検査信号として正弦波に限定されるものではない。
【００２１】
また、本実施形態においては、水中送波器５として圧電振動子を使用した屈曲円板タイプで無指向性の水中送波器を例に説明するが、かかる送波器に限定するものではない。
【００２２】
このような構成の水中送波器検査装置２Ａの動作を、図２のフローチャートを参照して説明する。先ず、発振器１１から連続した正弦波の検査信号が出力されて（ステップＳ１）、電力増幅器１２で電力増幅される（ステップＳ２）。増幅された検査信号は、水中送波器５に入力され（ステップＳ３）、これにより水中送波器５が連続振動を起こして、水中に音波が放射される（ステップＳ４）。
【００２３】
図３は、かかる水中送波器５の振動状態を示す図である。図３（ａ）は、検査信号により水中送波器５が膨らんだ状態を示し、図３（ｂ）は収縮した状態を示している。このような振動が音波となって、水中に放射される。なお、水中送波器５には圧電振動子を用いており、放射される音波は超音波となる。
【００２４】
水中に放射された音波の音圧Ｐは、下記の式２で与えられる。
【００２５】
Ｐ＝ρｆＵ／２ｄ  …（２）
ここで、
ρ：音波媒質の密度
ｆ：周波数
Ｕ：体積速度
ｄ：音源から受波点までの距離
である。
【００２６】
この音圧の音波が、水中に放射される。即ち、音波を水中に放射する際には、振動する音響放射面は音響媒質である水を振動させ、その振幅が大きいほど、大きな音圧となる。体積速度Ｕは、音響放射面積とその振動速度から算出できるため、振動計測装置１３で音響放射面全体にわたる振幅を計測することで、音圧が求められる。そして、この振動振幅を計測することで、送波感度が換算できる（ステップＳ５，Ｓ６）。
【００２７】
なお、より正確な送波感度を求めるためには、音響放射面全体の振幅分布を計測することが望ましい（ステップＳ７）。図４は、振動分布を計測するために、多数の計測点で計測する様子を示している。図４において、符号Ｐは計測点を示している。また、符号５ａは音響放射面を示している。
【００２８】
このときの振動振幅は水中送波器５の水中インピーダンス特性に応じた周波数特性を持つため、周波数毎の振幅を計測することで送波感度の周波数特性を求めることができる。
【００２９】
これらの条件を踏まえ、本実施の形態では、振動計測装置１３として、変位センサの中でも計測精度の高い光学式の非接触型振動計を用いている。この光学式の非接触型振動計は、レーザ（探知光）を水中送波器５における音響放射面に照射し、この音響放射面５ａで反射された反射光に含まれる物理的情報（例えば、ドップラー効果、遅延時間）を用いて振幅等を計測する。
【００３０】
図５は、公知の検査方法により計測して得られた送波感度（点線の曲線）と、本実施形態にかかる検査装置２Ａを用いて得られた送波感度（実線の曲線）とを比較した結果である。検査条件としては、同じ水深度に同じ水中送波器が設置されて、所定範囲の周波数（周波数ｆ［ｋＨｚ］に対して±０．１［ｋＨｚ］、±０．２［ｋＨｚ］の範囲の周波数）の検査信号で音波を発生さる。
【００３１】
これにより、両者の検査方法により得られた検査結果の差は非常に小さいことがわかる。従って、本発明にかかる検査方法が、公知の検査方法と同等の計測結果を得ることができる。
【００３２】
一方、計測時間に関しては、公知の検査方法の場合に比べ、本願発明にかかる検査方法は約１／５の時間で行うことができた。
【００３３】
以上により、本発明にかかる検査方法は、計測精度の低下を招くことなく、少ない検査工数で検査できることが実証できた。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００３４】
第１の実施の形態においては、水中送波器の音響放射面全体の振幅を計測することにより、計測精度を向上させた。しかし、計測点を増加させると、計測時間や解析時間が増大してしまう。また、計測点数と計測精度とは、線形な比例関係を示さず、概ね計測点数に対して計測精度はある値（真値）に漸近する。ここで真値とは、計測誤差を含まない、真の値を言うものとする。
【００３５】
そして、計測精度には要求される範囲（要求精度）が、存在する。従って、無意味に高精度に計測する必要もない。この要求精度として、従来用いられている検査方法による精度とすると、第１の実施形態の図５において示した結果は、要求精度を満たす検査方法であるといえる。そして、要求精度を満たす計測数に限定することは、無駄な計測工数の削減に繋がる。
【００３６】
このような観点から、本実施形態においては、図６に示すように、振幅が最大となる音響放射面５ａの中央を１点だけを計測した。図６は、計測点Ｐを示し、一点鎖線は、最大振幅の位置(計測点Ｐの位置)を頂点として音響放射面５ａの振動を三角形に近似した（振動振幅近似分布）を示している。
【００３７】
そして、図７は、このような１点計測して得られた送波感度（実線の曲線）と、公知の方法で計測して得られた送波感度（点線の曲線）とを比較して示した図である。
【００３８】
図７から解るように、１点計測して得られた送波感度は、公知の方法を用いて得られた送波感度と非常に良い一致を示している。そして、本実施形態にかかる方法により送波感度を取得するために要した時間は、公知の方法の場合の約１／２０であった。
【００３９】
このことは、本実施形態にかかる計測方法を、振幅最大の１点に対して適用するならば、計測精度の低下を防止しながら計測工数を大幅に短縮できることを意味している。従って、計測作業効率が向上する。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４０】
水中送波器は音響負荷によりインピーダンス特性が変化するので、水中送波器が設置される水深度に応じて音響放射面の振動速度や共振周波数が変化する。このため、従来はインピーダンス特性が安定する数ｍ以上の水深度に水中送波器を設置して計測を行っていた。
【００４１】
図８は、計測深度に対する振動速度（図８（ａ））、共振周波数（図８（ｂ））の変化を示したグラフである。振動速度及び共振周波数は、共に計測深度が浅くなるに従い大きな値を示し、正確な送波感度を求めることが困難となることがわかる。
【００４２】
しかし、水深の深い場所に水中送波器を設定する場合には、当然のことながら大型の超音波試験用水槽施設が必要になる。そこで、本実施形態においては、大型の超音波試験用水槽施設を必要とせずに、また計測精度を低下させることなく、従来の検査方法よりも簡潔な検査方法で送波感度等の特性を得ることができるようにする。このための具体的な方法として、本実施形態では、事前に補正データを取得しておき、この補正データに基づき計測データを補正する。
【００４３】
図８に示したように、振動速度や共振周波数は水深に応じて変化するので、予めこれらの特性を水深に対して計測し、近似式やデータテーブル等の形で、例えば振動計測装置１３に記憶しておく。
【００４４】
補正例を、図８（ａ）を参照して説明する。図８（ａ）において、深度Ｄ３に水中送波器が設定され、計測値がｍ１であり、求める真値がｍ２であるとする。なお、ここで言う真値とは、深度が深く、インピーダンス特性の変化等がない値又は実質的にインピーダンス特性の変化等が無視できる値で、点線Ａの値とする。一方、補正データから水中送波器が深度Ｄ３に設定された場合には、真値がＭ２であってもインピーダンス特性の変化等によって、Ｍ１の計測値が計測されることが解っている。そこで、比例配分法を用いて、真値ｍ２は、ｍ２＝ｍ１＊（Ｍ２／Ｍ１）と算出する。Ｍ２／Ｍ１は深度に対応した補正係数である。
【００４５】
このような補正を行うことにより、室内設置が可能な小型の水槽２１でも計測精度の低下を抑制しながら送波感度等を得ることが可能になる。
【００４６】
また、補正データを、例えば数百ｍという水深度まで適用するならば、浅い水深に設置して得た水中送波器の計測値を用いて、この水中送波器が深い深度に位置する場合の送波感度が算出できるようになる。従って、簡便で、適用範囲の広い計測が可能になる。
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４７】
これまでの各実施形態においては、計測対象である水中送波器は１台とした。しかし、複数の水中送波器の評価を行いたい場合もある。かかる場合に、１台の水中送波器毎に設置、交換作業を行うのでは、計測効率が悪くなる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、複数の水中送波器を同時に設置して、振動計測装置を走査させながら個別に計測できるようにした。
【００４９】
図９は、このような水中送波器検査装置２Ｂのブロック図である。発振器１１で生成された検査信号は、電力増幅器で増幅されて、水深Ｄ１の位置に設置された複数の水中送波器５ａ〜５ｎに入力する。これにより、各水中送波器５ａ〜５ｎは音波を放射する。
【００５０】
そこで、走査装置１６により振動計測装置１３を走査させる。そして、振動計測装置１３が１つの水中送波器５の真上に位置すると、振動計測装置１３は、この水中送波器５における音響放射面に向けてレーザ光を照射して、計測を行う。その後、走査装置１６は、次の水中送波器の真上位置に振動計測装置１３を移動させて、計測を行う。このような、振動計測装置１３の移動、計測を各水中送波器５ａ〜５ｎに相当する数だけ繰り返す。
【００５１】
これにより、複数の水中送波器の送波感度を連続的に取得できるようになり、計測工数の大幅な削減が可能になる。
【００５２】
なお、本発明は、これまで説明した各実施形態に限定されるものではなく、水中送波器の方式・形状や使用目的に応じて適宜変更できる。
【符号の説明】
【００５３】
２Ａ，２Ｂ    検査装置
５，５ａ〜５ｎ    水中送波器
１１    発振器
１２    電力増幅器
１３    振動計測装置
１６    走査装置
２１    水槽
【図１】
0005733029.tif 000002
【図２】
0005733029.tif 000003
【図３】
0005733029.tif 000004
【図４】
0005733029.tif 000005
【図５】
0005733029.tif 000006
【図６】
0005733029.tif 000007
【図７】
0005733029.tif 000008
【図８】
0005733029.tif 000009
【図９】
0005733029.tif 000010
【図１０】
0005733029.tif 000011