(57)【要約】【課題】小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンを得る。【解決手段】受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、音響媒体１０２を満たした筐体１０１の中に前記受波素子を固定し、前記筐体１０１のいずれかの面に、音圧を受けて振動する整音板１０３を構成したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、
音響媒体を満たした筐体の中に前記受波素子を固定し、
前記筐体のいずれかの面に、音圧を受けて振動する第１振動板を構成したことを特徴とするハイドロホン。
【請求項２】
前記受波素子は、音響中心が前記第１振動板の中心線に重なるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のハイドロホン。
【請求項３】
複数の前記受波素子を備え、
前記受波素子は、前記第１振動板の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置されたことを特徴とする請求項２に記載のハイドロホン。
【請求項４】
前記筐体の、前記第１振動板に対向する面に、
音圧を受けて振動する第２振動板を構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項５】
前記第２振動板は、
中心線が前記第１振動板の中心線と重なるように配置されたことを特徴とする請求項４に記載のハイドロホン。
【請求項６】
前記第２振動板は、
前記第１振動板と同一方向に振動した際に、前記音響媒体が前記受波素子に与える圧力が変化しないようにインピーダンスを調整されてなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のハイドロホン。
【請求項７】
一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、
該バネのもう一方の端部を、前記第１振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項８】
一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、
該バネのもう一方の端部を、前記第２振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項９】
一方の端部を前記第１振動板の中央部近傍に固着したバネを設け、
該バネのもう一方の端部を、前記第２振動板の中央部に固着したことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１０】
前記バネは、
該バネを固着した前記第１振動板又は前記第２振動板の面外方向の振動による変位が一様となるように、バネ定数を調整されてなることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１１】
前記第１振動板の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１２】
前記第２振動板の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部を設けたことを特徴とする請求項４ないし請求項１０のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１３】
前記第１振動板は、アルミ合金で形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１４】
前記第２振動板は、アルミ合金で形成されたことを特徴とする請求項４ないし請求項１２のいずれかに記載のハイドロホン。
【請求項１５】
前記受波素子として、光ファイバセンサを用いたことを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載のハイドロホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイドロホンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のハイドロホンとして、船舶に取り付けて水中の音を検出する場合に発生する雑音を低減することのできるものがある。例えば、乱流で発生する雑音や、振動する大きな板から発生する雑音（以下では単に雑音と記す）は、信号となる音波より波長が短いことを利用し、ハイドロホンの受波面を広くして空間的に平均することで雑音を低減しているものがある。
また、光ファイバハイドロホンに関する技術として、光ファイバを渦巻状に巻いて振動板に接着した構造を有し、音による振動板の屈曲振動で光ファイバが歪み、その光ファイバを伝搬した光の位相が変調されるようにして水中の音を検出するものがある（非特許文献１）。これは、水中部に電子回路を用いずに多重伝送系を構成できるので、信号を伝送するケーブルが少なくなり軽量となる。電気式のハイドロホンでも多重伝送系を構成できるが電子回路、電子回路を入れる容器、電子回路を駆動するための電力供給系が必要となり重くなるという課題がある。この点において、光ファイバハイドロホンに優位性がある。
また、『圧力バランス構造による高耐水圧の光ファイバ型音響センサを得る。』ことを目的とした、『二重円筒体の円筒１，２を隔壁板３を介して直列接続して一体的に形成した縦続型二重円筒体の両端にそれぞれ蓋５，５ａを有し、かつ縦続型二重円筒体の各内円筒１ａ，２ａに光ファイバ４，４ａを巻回してなり、円筒１及び円筒２の各内外空洞部１Ｌ，１Ｈ及び２Ｈ，２Ｌに面する各蓋５，５ａに、各内外空胴部と縦続型二重円筒体の外周部との静水圧を等しくするオリフィス１１Ｌ，１１Ｈ及び１２Ｈ，１２Ｌをそれぞれ設けたもの。』というものもある（特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−１９６７４９号公報（要約）
【非特許文献１】電子情報通信学会技術研究報告書ＯＰＥ９５−２「光ファイバハイドロホンの研究」（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記非特許文献１に示された光ファイバハイドロホンにおいて、振動板を大きくすることにより、上記従来技術で示した空間的に平均する手法と同様に雑音を低減することができるが、振動板の共振周波数が低くなり、検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
また、上記特許文献１に示された円筒状に巻いた光ファイバハイドロホンにおいても、同様に円筒を大きくすることで雑音を低減することができるが、やはり共振周波数が低くなり検出できる音の周波数帯が狭くなるという課題がある。
そのため、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することのできるハイドロホンが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係るハイドロホンは、
受波した音波に基づいた信号を出力する受波素子を備えたハイドロホンであって、
音響媒体を満たした筐体の中に前記受波素子を固定し、
前記筐体のいずれかの面に、音圧を受けて振動する第１振動板を構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明に係るハイドロホンによれば、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
ハイドロホン１００は、本実施の形態１に係るハイドロホンであり、筐体１０１の中には音響媒体１０２（水などの液体）が満たされている。
筐体１０１の正面には、音圧を受けて振動する振動板（以下、整音板１０３と呼ぶ）が構成されており、整音板１０３が振動することにより、筐体１０１内に音が伝わるようになっている。
筐体１０１の内部には、支柱１０５で筐体１０１の内壁に固定された光ファイバコイル１０６が配置されている。
光ファイバコイル１０６は、光ファイバを円柱状に巻回して形成したものであり、受波素子としての役割を果たす。
光ファイバコイル１０６には入出力光ファイバ１０７が取り付けられており、ハイドロホン１００の外部と、信号の入出力が行えるようになっている。
【０００７】
筐体１０１は、直方体状に形成されており、ハイドロホン１００の外部の音が直接筐体１０１の内部に伝わらないように、硬い材質を用いて形成する。
【０００８】
整音板１０３の材料には、撓み振動が生じ難い硬いものを用いる。具体的には、硬さと軽さを兼ね備えたアルミ合金が適している。
剛性が十分な材質を用いることにより、整音板１０３の中心近傍が他の部分よりも大きく撓むことがなくなるので、整音板１０３が音響媒体１０２に与える圧力を均等にすることができる。
【０００９】
光ファイバコイル１０６は、筐体１０１内に複数配置されている。その配置は、音響感度の中心位置である音響中心が、整音板１０３の中心線上に位置するようにする。
特に、同じ感度の光ファイバコイル１０６を、整音板１０３の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置することが望ましい。
このように配置することで、ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、後述の整音板１０３による雑音低減効果を十分に発揮することができる。
【００１０】
整音板１０３の周縁部分には、整音板１０３の板厚を薄くすることにより形成された、屈曲部１０４が設けられている。整音板１０３が音圧を受けると、屈曲部１０４が撓むことにより、整音板１０３が面外方向に一様に振動するようになっている。
仮に、屈曲部１０４を設けずに、整音板１０３を均等な厚さで形成した場合、整音板１０３の剛性が十分でなければ、整音板１０３の中心近傍が他の部分よりも大きく撓むこととなり、整音板１０３が音響媒体１０２に与える圧力に偏りが生じてしまう。
そこで、屈曲部１０４を設けることにより整音板１０３の周縁に可撓部を形成し、撓みをこの部分に集中させているので、整音板１０３が面外方向に一様に振動するように構成することができる。
ただし、屈曲部１０４の面方向の幅を広く形成し過ぎると、整音板１０３の振動の一様性が損なわれるため、整音板１０３の表面積に対して狭く形成することが好ましい。
【００１１】
なお、本実施の形態１においては、「第１振動板」は、整音板１０３がこれに該当する。また、「光ファイバセンサ」は、光ファイバコイル１０６がこれに該当する。
【００１２】
次に、ハイドロホン１００の基本的な動作について説明する。
（１）
ハイドロホン１００に音圧が加わると、整音板１０３が振動して筐体１０１内の音響媒体１０２に圧力が伝わり、光ファイバコイル１０６が歪む。
（２）
この光ファイバコイル１０６の歪みにより、光ファイバ内を伝搬する光の経路長が変化するため、光ファイバ内を伝搬する光に位相変位が生じる。即ち、音圧による歪みが位相信号に変調されて、入出力光ファイバ１０７より出力される。
この変調位相信号を所定の復調演算処理等により復調することで、音圧を検出することができる。なお、復調処理に関しては公知の技術を用いればよい。
【００１３】
次に、整音板１０３による雑音低減効果について説明する。
整音板１０３は、その表面に加わる音圧の空間平均が力となって振動する。そのため、不均一な分布をもつ雑音成分は、整音板１０３で平均された上で筐体１０１内に伝わることとなる。
これにより、筐体１０１の内部においては雑音の影響が低減され、結果として信号対雑音比が良くなる。
なお、整音板１０３に加わる雑音で整音板１０３が回転する動きが生じると、筐体１０１内にこれが伝わるが、光ファイバコイル１０６の全てを伝搬したところでキャンセルされるため、特段の問題はない。
【００１４】
このように、受波素子である光ファイバコイル１０６自体を大型にすることに替えて、整音板１０３を設けることにより、光ファイバコイル１０６自体は小型のものを用いながら、雑音をキャンセルすることができるのである。
【００１５】
以上のように、本実施の形態１によれば、
音響媒体１０２を満たした筐体１０１の中に光ファイバコイル１０６を固定し、
筐体１０１のいずれかの面に、音圧を受けて振動する整音板１０３を構成したので、
整音板１０３で雑音を平均化してキャンセルすることができ、受波素子自体を大型化する必要はない。これにより、小型の受波素子を用いて検出周波数帯域を確保しつつ、雑音を低減することが可能となる。
【００１６】
また、本実施の形態１によれば、
複数の光ファイバコイル１０６を備え、
各光ファイバコイル１０６は、音響中心が整音板１０３の中心線に重なるように配置され、さらには整音板１０３の中心線を対称軸とした線対称の位置に配置されたので、
ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、整音板１０３による雑音低減効果を十分に発揮することができる。
【００１７】
また、本実施の形態１によれば、
整音板１０３の周縁部分の板厚を薄くして形成した屈曲部１０４を設けたので、
撓みを屈曲部１０４に集中させて、整音板１０３が面外方向に一様に振動するように構成することができる。これにより、整音板１０３が音圧に応じて一様に振動することとなるので、整音板１０３による雑音低減効果が向上する。
【００１８】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
図２におけるハイドロホン２００と、実施の形態１におけるハイドロホン１００との差異は、図１における整音板１０３と対向する面に、対となるもう１つの整音板を設けたことである。
なお、ハイドロホン２００のその他の構成は図１と同様であるため、同様の符号を付して説明を省略する。
【００１９】
図２において、図１の整音板１０３に相当するものを、第１整音板２０３ａとする。
また、筐体２０１の、第１整音板２０３ａに対向する面には、第２整音板２０３ｂが構成されている。図１の屈曲部１０４に相当するものを、それぞれ第１屈曲部３０４ａ、第２屈曲部３０４ｂとする。
第２整音板２０３ｂは、第１整音板２０３ａと同一方向に振動したときに、筐体内の音響媒体２０２の圧力が変化しないように、インピーダンスのバランスを調整されている。
また、第２整音板２０３ｂは、中心線が第１整音板２０３ａの中心線と重なるように配置する。
光ファイバコイル２０６は、実施の形態１と同様に、音響中心が第１整音板２０３ａの中心線と重なる位置に配置し（第２整音板２０３ｂの中心線とも重なる）、支柱２０５で筐体２０１に連結する。
【００２０】
なお、本実施の形態２においては、「第１振動板」は第１整音板２０３ａに、「第２振動板」は第２整音板２０３ｂに、それぞれ対応する。
【００２１】
ここで、第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂのインピーダンスとは、機械インピーダンスと放射インピーダンスの合成インピーダンスのことを指す。
機械インピーダンスは、整音板の材質と形状（弾性、抵抗、慣性に寄与するパラメータ）等により定まる。
また、放射インピーダンスは、整音板の形状（特に放射面の面積）、媒質の密度（ｋｇ／ｍ＾３）、当該媒質を伝わる音速（ｍ／ｓ）、整音板付近に存在する物の形状、等により定まる。
第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂは、これらにより定まるインピーダンスのバランスを、上述の通りあらかじめ調整されているものとする。
【００２２】
ハイドロホン２００の基本的な動作は、実施の形態１におけるハイドロホン１００と同様であるが、第２整音板２０３ｂを備えたことにより、以下の効果を奏する。
ハイドロホン２００本体に全体的な加速度が加えられた場合、例えばハイドロホン２００本体を振動させたような場合は、第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂが同一方向に振動するので、筐体２０１内の音響媒体２０２の圧力変化がキャンセルされることとなる。
即ち、ハイドロホン２００本体の振動を誤って検出することはなく、本来検出すべき音波による振動のみを検出することができるのである。
また、不均一な分布をもつ雑音成分は、実施の形態１と同様に第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂで平均された上で筐体２０１内に伝わることとなるので、筐体２０１の内部においては雑音の影響が低減され、結果として信号対雑音比が良くなる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態２によれば、
筐体２０１の、第１整音板２０３ａに対向する面に、
音圧を受けて振動する第２整音板２０３ｂを構成し、
第２整音板２０３ｂは、
第１整音板２０３ａと同一方向に振動した際に、音響媒体２０２が光ファイバコイル２０６に与える圧力が変化しないようにインピーダンスを調整されてなるので、
ハイドロホン２００本体を振動させたような場合は、第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂが同一方向に振動することとなり、筐体２０１内の音響媒体２０２の圧力変化がキャンセルされる。
これにより、ハイドロホン２００本体の振動を誤って検出することがなく、本来検出すべき音波による振動のみを検出することができるので、ハイドロホン２００を振動の多い場所等に設置することが可能となり、ハイドロホン２００の広範な用途が確保される。
【００２４】
また、本実施の形態２によれば、
第２整音板２０３ｂは、
中心線が第１整音板２０３ａの中心線と重なるように配置されたので、
音響中心が第１整音板２０３ａと第２整音板２０３ｂそれぞれの中心線上に位置することなり、ハイドロホンの感度を高めることができるとともに、整音板による雑音低減効果を十分に発揮することができる。
【００２５】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
図３におけるハイドロホン３００と、実施の形態２におけるハイドロホン２００との差異は、整音板同士を連結するバネ３０８を設けたことである。
なお、ハイドロホン３００のその他の構成は図２と同様であるため、同様の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
バネ３０８の位置、数、及びバネ定数は、第１整音板３０３ａ及び第２整音板３０３ｂそれぞれの屈曲部のバネ定数とのバランスをとり、第１整音板３０３ａ及び第２整音板３０３ｂが、面外方向に一様な変位で振動するように設定する。
バネ３０８にはコイルバネ、板バネ、棒状のバネなど用いることもできるが、設置スペースの少ない棒状のバネまたはコイルバネが望ましい。
【００２７】
バネ３０８を設けたことにより、実施の形態２のように、第１整音板３０３ａ及び第２整音板３０３ｂの板自身の剛性だけで整音板中央付近の撓みを抑えている構成と比較すると、それぞれの整音板を薄くすることができる。
これにより、ハイドロホン３００の小型化ないし軽量化を図ることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態３において、バネ３０８を介して第１整音板３０３ａと第２整音板３０３ｂを連結することにより、整音板中央付近の剛性を補強する例を示したが、バネを介してそれぞれの整音板の中央付近と筐体３０１を連結することにより、剛性を補強することも可能である。
この場合も、バネの位置、数、及びバネ定数は、第１整音板３０３ａ及び第２整音板３０３ｂそれぞれの屈曲部のバネ定数とのバランスをとり、第１整音板３０３ａ及び第２整音板３０３ｂが、面外方向に一様な変位で振動するように設定する。
【００２９】
以上の実施の形態１〜３において、受波素子として円筒型光ファイバコイルを用いる例を説明したが、振動板に渦巻状に巻いた形など、他の形状に構成した光ファイバセンサを用いることもできる。
【００３０】
また、実施の形態１〜３において、受波素子として光ファイバコイルを用いる例を説明したが、これに変えて圧電材料など他の素子を用いて構成してもよい。
即ち、整音板により雑音をキャンセルし、筐体内の信号対雑音比を向上させたことを有効利用できるものであれば、任意の受波素子を用いることができる。
【００３１】
また、実施の形態１〜３において、筐体内に液体を満たして音響媒体とする例を説明したが、液体の代わりに、ゴムなどの音を透過する弾性材料を用いる、または液体とゴムなどの弾性材料を併用する構成を用いることもできる。
【００３２】
また、実施の形態１〜３において、筐体は直方体状に形成されているものとしたが、形状は直方体に限られるものではなく、例えば立方体や円筒などの形状としてもよい。
ただし、音響媒体に加わる圧力が不均一となることは検出精度の観点から好ましくないので、対向する面が同一形状となる、対称性を有する形状を用いることが望ましい。
【００３３】
図４は、実施の形態３において、筐体を円筒状に形成した場合の構成例である。各部の符号は図３と同様のものを付している。
このように、筐体の形状は、対向する面が同一形状となるように構成することが望ましい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態３によれば、
一方の端部を第１整音板３０３ａの中央部に固着したバネ３０８を設け、
バネ３０８のもう一方の端部を、第２整音板３０３ｂの中央部に固着するように構成したので、
それぞれの整音板の中央付近の剛性をバネ３０８により補強し、整音板を薄く形成することができる。これにより、ハイドロホン全体の軽量化ないし小型化に資する。
また、中央付近の剛性を補強しているので、中央付近が他の部分よりも撓んでしまい、音響媒体に与える圧力に偏りが生じてしまうようなこともないので、ハイドロホンの感度の安定化にも資する。
【００３５】
また、一方の端部を前記筐体に固着したバネを設け、
該バネのもう一方の端部を、第１整音板３０３ａ又は第２整音板３０３ｂ、もしくはその双方の中央部に固着するように構成することもできる。
このように構成することにより、整音板同士をバネで連結した場合と同様の効果を奏する。
【００３６】
また、本実施の形態３によれば、
バネ３０８は、
バネ３０８を固着した第１整音板３０３ａ又は第２整音板３０３ｂの面外方向の振動による変位が一様となるように、バネ定数を調整されてなるので、
整音板１０３が音圧に応じて一様に振動することとなり、整音板１０３による雑音低減効果を損なうことなく、整音板を薄く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
【図２】実施の形態２に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
【図３】実施の形態３に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
【図４】実施の形態４に係るハイドロホンの構成を説明するものである。
【符号の説明】
【００３８】
１００  ハイドロホン、１０１  筐体、１０２  音響媒体、１０３  整音板、１０４  屈曲部、１０５  支柱、１０６  光ファイバコイル、１０７  入出力光ファイバ、２００  ハイドロホン、２０１  筐体、２０２  音響媒体、２０３ａ  第１整音板、２０３ｂ  第２整音板、２０４ａ  第１屈曲部、２０４ｂ  第２屈曲部、２０５  支柱、２０６  光ファイバコイル、２０７  入出力光ファイバ、３００  ハイドロホン、３０１  筐体、３０２  音響媒体、３０３ａ  第１整音板、３０３ｂ  第２整音板、３０４ａ  第１屈曲部、３０４ｂ  第２屈曲部、３０５  支柱、３０６  光ファイバコイル、３０７  入出力光ファイバ、３０８  バネ、４００  ハイドロホン、４０１  筐体、４０２  音響媒体、４０３ａ  第１整音板、４０３ｂ  第２整音板、４０４ａ  第１屈曲部、４０４ｂ  第２屈曲部、４０５  支柱、４０６  光ファイバコイル、４０７  入出力光ファイバ、４０８  バネ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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