(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出方向に沿って間隔をあけて配置され、各々が音波の成分を含む音波信号を検出する３個以上の検出素子と、
３個以上の前記検出素子において検出された複数の前記音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
隣り合う前記検出素子に対応する２つの前記音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器と、
前記複数の減算器において減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける減算側遅延装置と、
前記減算側遅延装置からの出力に加算処理を施す減値加算器と、を有する音響センサ。
【請求項２】
前記演算処理部は、
隣り合う前記検出素子に対応する２つの前記音波信号それぞれに加算処理を施す複数の二値加算器と、
前記複数の二値加算器において加算処理が施された前記音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加算側遅延装置と、
前記加算側遅延装置からの出力に加算処理を施す加値加算器と、を有する請求項１に記載の音響センサ。
【請求項３】
検出方向に沿って間隔をあけて配置され、各々が音波の成分を含む音波信号を検出する３個以上の検出素子と、
３個以上の前記検出素子において検出された複数の前記音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記複数の音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加減遅延装置と、
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延装置において遅延がかけられた２つの前記音波信号それぞれに対する減算処理と、当該減算処理の各出力に対する加算処理とを実行する加減演算器と、を有する音響センサ。
【請求項４】
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延装置において遅延がかけられた２つの前記音波信号それぞれに対する加算処理と、当該加算処理の各出力に対する加算処理とを実行する加算演算器と、を有する請求項３に記載の音響センサ。
【請求項５】
３個以上の前記検出素子は、前記間隔が不揃いとなるように配置されている請求項１〜４の何れか一項に記載の音響センサ。
【請求項６】
３個以上の前記検出素子は、前記間隔が前記検出方向に向かって大きくなるように配置されている請求項５に記載の音響センサ。
【請求項７】
３個以上の前記検出素子は、異なる形状の前記検出素子が組み合わされて構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の音響センサ。
【請求項８】
検出方向に沿って間隔をあけて配置された３個以上の検出素子それぞれによって音波の成分を含む音波信号を検出する音波信号検出ステップと、
隣り合う前記検出素子に対応する２つの前記音波信号それぞれに減算処理を施す減算ステップと、
前記減算ステップで前記減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する減算側遅延ステップと、
前記減算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する音波検出方法。
【請求項９】
隣り合う前記検出素子に対応する２つの前記音波信号それぞれに加算処理を施す二値加算ステップと、
前記二値加算ステップで加算処理が施された前記音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する加算側遅延ステップと、
前記加算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有する請求項８に記載の音波検出方法。
【請求項１０】
検出方向に沿って間隔をあけて配置された３個以上の検出素子それぞれによって音波の成分を含む音波信号を検出する音波信号検出ステップと、
３個以上の前記検出素子において検出された複数の音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加減遅延ステップと、
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延ステップで遅延がかけられた２つの前記音波信号それぞれに減算処理を施して出力する減値減算ステップと、
前記減値減算ステップでの減算処理後に出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する音波検出方法。
【請求項１１】
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延ステップで遅延がかけられた２つの前記音波信号それぞれに加算処理を施して出力する二値加算ステップと、
前記二値加算ステップでの加算処理後に出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有する請求項１０に記載の音波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は音響センサ及び音波検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中の音波を検出する音響センサの一例が特許文献１に示されている。特許文献１の音響センサは、音波の成分を含む音波信号を検出する２つの検出素子を用い、検出方向から伝搬してくる音波に対して感度が高く、検出方向とは逆の方向から伝搬してくる音波に対しては感度が低くなる指向性を持たせたものである。
【０００３】
また、検出素子の一例が特許文献２に示されている。特許文献２の検出素子は、光ファイバコイルの中に弾性体を入れた構造により、音波による光ファイバの歪を利用して、光を位相変調するものである。こうした検出素子で検出した信号は、非特許文献１などに示された復調器を用いて復調することができる。
【０００４】
図７は、従来技術に係る音響センサの構成を示す模式図である。図７には、上記各文献に示された従来技術によって実現することができる音響センサ１００として、光ファイバにより水中の音波を検出する光ファイバ音響センサを示している。音響センサ１００は、光源・復調器２００が発信する光を音波信号により変調する検出素子Ｆ及び検出素子Ｂを有している。検出素子Ｆと検出素子Ｂとは、検出方向に沿って間隔ｄを隔てて配置されており、検出素子Ｆは、検出素子Ｂよりも検出方向側に配置されている。光源・復調器２００は、検出素子Ｆで変調された光を復調して音波信号ｐＦを生成し、検出素子Ｂで変調された光を復調して音波信号ｐＢを生成するものである。
【０００５】
そして、音響センサ１００は、光源・復調器２００で生成される音波信号ｐＦ及び音波信号ｐＢをもとに、信号加算器６１０、減算器４００、積分・増幅器７００、及び出力加算器６３０を用いて下記式（１）の演算を行い、音波の情報である出力Ｖを得るものである。
【０００６】
【数１】
0006627563.tif 000002
【０００７】
ここで、ｔは時間であり、ｃは音速である。
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅Ｐ、角周波数ωの正弦波を検出する場合、pＦ、pＢ、及びＶは、それぞれ、下記の式（２）〜式（４）で表される。
【０００８】
【数２】
0006627563.tif 000003
【０００９】
【数３】
0006627563.tif 000004
【００１０】
【数４】
0006627563.tif 000005
【００１１】
ここで、ｋは波数である。
式（４）における規格化感度Ｄは、下記式（５）で表される。
【００１２】
【数５】
0006627563.tif 000006
【００１３】
図８は、波数ｋと２つの検出素子の間隔ｄとの積ｋｄに対する規格化感度Ｄの計算結果を示すグラフである。図８には、θ=０とθ=π（ｒａｄ）の２通りについて、ｋｄに応じた規格化感度Ｄの変化の様子を示している。図８からは、ｋｄ＜１の範囲では、θ=０の場合に感度が高く、θ=π（ｒａｄ）の場合に感度が低くなることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１２０２４号公報
【特許文献２】特開２０１２−６８０８７号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】JASA Vol. 115, No. 6 “Acoustic Performance of a large-aperture, seabed, fiber-optic hydrophone array”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の音響センサ１００では、光源の波長の変動などに起因した雑音が発生する。すなわち、一般に、２つの検出素子に対応する音波信号の雑音成分には相関のない成分が多いため、上記式（１）の２項目の減算において雑音レベルは低下しない。一方、２つの検出素子に対応する音波信号の音波の成分には相関があるため、上記式（１）の２項目の減算において信号レベルは低くなる。また、検出する音波の周波数が低いほど、音波の成分の相関が大きいため、周波数の低い音波を検出する場合は、当該減算での信号レベルがさらに大きく低下する。
【００１７】
図９は、波数ｋと２つの検出素子の間隔ｄとの積ｋｄに対する積分処理の利得を示すグラフである。ｋｄは周波数と比例するため、図９から、検出する音波の周波数が低いほど利得が大きくなることが分かる。したがって、従来の音響センサ１００による処理では、検出する音波の周波数が低いほど、出力の雑音が大きくなり、微弱な音波を示す信号の検出が難しくなる。
【００１８】
従来の音響センサ１００において、間隔ｄを大きくすると、積分・増幅器７００の利得を低くすることができるため、雑音の一部を抑制することができる。しかしながら、間隔ｄを大きくした場合、ｋｄ＜１となる周波数範囲の上限が低くなるため、高い周波数の音波を検出する際に、感度の低下及び指向性の乱れが発生する。さらに、圧電材料を用いた検出素子を有する音響センサであっても、増幅器が発生する雑音により、光ファイバ音響センサと同様に、検出したい音波の信号レベルが低下し、感度の低下及び指向性の乱れが発生する。よって、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑制する音響センサ及び音波検出方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る音響センサは、検出方向に沿って間隔をあけて配置され、各々が音波の成分を含む音波信号を検出する３個以上の検出素子と、３個以上の検出素子において検出された複数の音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、を有し、演算処理部は、隣り合う検出素子に対応する２つの音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器と、複数の減算器において減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する検出素子の位置に応じた遅延をかける減算側遅延装置と、減算側遅延装置からの出力に加算処理を施す減値加算器と、を有するものである。
【００２０】
また、本発明に係る音波検出方法は、検出方向に沿って間隔をあけて配置された３個以上の検出素子それぞれによって音波の成分を含む音波信号を検出する音波信号検出ステップと、隣り合う検出素子に対応する２つの音波信号それぞれに減算処理を施す減算ステップと、減算ステップで減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する減算側遅延ステップと、減算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、隣り合う検出素子に対応する２つの音波信号に対し、当該検出素子の位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算することから、同じ検出素子より出力される雑音を減衰させることができるため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。
【図２】図１の音響センサの動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。
【図４】図３の音響センサの動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。
【図７】従来技術に係る音響センサの構成を示す模式図である。
【図８】波数と２つの検出素子の間隔との積に対する規格化感度の計算結果を示すグラフである。
【図９】波数と２つの検出素子の間隔との積に対する積分処理の利得を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第１実施形態の音響センサは、従来技術の音響センサとは異なり、３個以上の検出素子を有している。また、本第１実施形態の音響センサは、複数の減算器によって、隣り合う検出素子に対応する各音波信号に減算処理を施し、複数の減算器からの出力に、各検出素子の位置に応じた遅延をかけてから加算するように構成されている。図１を参照して、４個の検出素子を有する音響センサ１０の構成を説明する。
【００２４】
音響センサ１０は、４個の検出素子Ｅ０〜Ｅ３と、光源・復調器２０と、演算処理部３０と、を有している。各検出素子Ｅ０〜Ｅ３は、それぞれ、円筒状に形成されており、検出方向に対してθの角度から伝搬してくる音波を検出する場合、図８のような指向性を示す。各検出素子Ｅ０〜Ｅ３は、同一直線上に並ぶように配置されている。以降では、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３が並ぶ方向を検出方向とする。すなわち、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３は、検出方向に沿って予め設定された間隔ｄをあけて配置されている。以降では、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３を総称する場合又はこれらと同等の構成を称する場合、検出素子Ｅともいう。
【００２５】
検出素子Ｅは、光源・復調器２０から入力した光を、長さの異なる２つの経路に分岐してミラー（図示せず）で反射させることにより、音波の成分を含む干渉光を音波信号として検出するものである。また、検出素子Ｅは、検出した音波信号を光源・復調器２０へ出力するように構成されている。
【００２６】
光源・復調器２０は、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３に光を発信する光源（図示せず）と、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調して、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３のそれぞれに対応する各音波信号ｐ０〜ｐ３を生成する復調器（図示せず）と、を含んでいる。つまり、光源・復調器２０は、検出素子Ｅ０が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐ０を生成し、検出素子Ｅ１が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐ１を生成するものである。また、光源・復調器２０は、検出素子Ｅ２が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐ２を生成し、検出素子Ｅ３が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐ３を生成するものである。そして、光源・復調器２０は、生成した各音波信号ｐ０〜ｐ３を演算処理部３０へ出力するように構成されている。
【００２７】
このように、本第１実施形態では、検出素子Ｅが検出する信号と、光源・復調器２０が生成する信号とは、実質的に同一のものであるため、双方共に音波信号と称する。そして、光源・復調器２０が生成する音波信号に符号「ｐ」を付すことにより両者を区別する。後述する第２〜第４実施形態においても同様とする。以降では、各音波信号ｐ０〜ｐ３を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号ｐともいう。
【００２８】
演算処理部３０は、各音波信号ｐ０〜ｐ３に演算処理を施して音波を検出するものである。演算処理部３０は、複数の減算器４０Ａ〜４０Ｃと、減算側遅延装置５１と、信号加算器６１と、減値加算器６２と、出力加算器６３と、積分・増幅器７０と、を有している。
【００２９】
各減算器４０Ａ〜４０Ｃは、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐそれぞれに減算処理を施すものである。すなわち、各減算器４０Ａ〜４０Ｃは、それぞれ、関連づけられた２つの検出素子Ｅに対応する各音波信号ｐに減算処理を施すものである。本第１実施形態において、減算器４０Ａは、検出素子Ｅ１に対応する音波信号ｐ１から検出素子Ｅ０に対応する音波信号ｐ０を減算するものである。減算器４０Ｂは、検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐ２から検出素子Ｅ１に対応する音波信号ｐ１を減算するものである。減算器４０Ｃは、検出素子Ｅ３に対応する音波信号ｐ３から検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐ２を減算するものである。以降では、各減算器４０Ａ〜４０Ｃを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、減算器４０ともいう。
【００３０】
減算側遅延装置５１は、複数の減算器４０において減算処理が施された各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、減算側遅延装置５１が音波信号ｐにかける遅延には０を含むものとする。
【００３１】
より具体的に、減算側遅延装置５１は、減算器４０Ｂの後に設けられた減算側遅延器５１Ｂと、減算器４０Ｃの後に設けられた減算側遅延器５１Ｃと、を有している。以降では、減算側遅延器５１Ｂ及び減算側遅延器５１Ｃを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、減算側遅延器５１ｍともいう。
【００３２】
減算側遅延器５１Ｂは、減算器４０Ｂにおいて減算処理が施された音波信号ｐ１及び音波信号ｐ２に、対応する検出素子Ｅ１及び検出素子Ｅ２の位置に応じた遅延をかけるものである。減算側遅延器５１Ｃは、減算器４０Ｃにおいて減算処理が施された音波信号ｐ２及び音波信号ｐ３に、対応する検出素子Ｅ２及び検出素子Ｅ３の位置に応じた遅延をかけるものである。
【００３３】
本第１実施形態において、減算側遅延器５１Ｂの遅延時間は、検出素子Ｅ１と検出素子Ｅ２との中点から検出素子Ｅ０と検出素子Ｅ１との中点まで音波が伝播する時間であるｄ／ｃとなっている。また、減算側遅延器５１Ｃの遅延時間は、検出素子Ｅ２と検出素子Ｅ３との中点から検出素子Ｅ０と検出素子Ｅ１との中点まで音波が伝播する時間である２ｄ／ｃとなっている。
【００３４】
ただし、検出素子Ｅの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。ここで、音波信号が検出方向から入射した場合、検出素子Ｅ３で検出される音波は、直接入射した音波と他の検出素子Ｅで反射して検出素子Ｅ３に戻った音波とが重畳したものである。反射した音波は、直接入射した音波より遅れるため、ある検出素子Ｅにおいて、他の検出素子Ｅでの反射後に検出される音波には、直接入射した音波のタイミングから遅れが生じる。検出素子Ｅ２に入射する音波には、検出素子Ｅ３の周辺での回折により遅れて入射する成分があり、こうした回折も、検出素子Ｅで検出される音波の遅れの原因となる。特に、特許文献２の検出素子のように、光ファイバコイルの中に弾性体を入れた構造の受波素子では、弾性体での反射が大きいため、音波の遅れの影響が大きくなる。これらの反射、回折等を補正する方法の一例として、音響センサ１０に音波を入射し、検出素子Ｅにおいて検出される音波信号の遅延時間を測定して、当該遅延時間により補正する方法がある。音波を入射する方向により遅延時間が変化するため、検出方向の感度を高くすることを優先する場合は、検出方向から音波を入射して測定した遅延時間により補正し、逆方向から入射する音波の抑制効果を優先する場合は、逆方向から音波を入射して測定した遅延時間により補正する。
【００３５】
ところで、演算処理部３０では、減算器４０Ａの後に減算側遅延器５１ｍが設けられていない。つまり、本第１実施形態では、減算器４０Ａにおいて減算処理が施される音波信号ｐ１及び音波信号ｐ０に関する検出素子Ｅ１及び検出素子Ｅ０の位置に応じた遅延時間は０となっている。換言すれば、減算側遅延装置５１が、減算器４０Ａにおいて減算処理が施される音波信号ｐ１及び音波信号ｐ０にかける遅延は０である。
【００３６】
信号加算器６１は、光源・復調器２０において生成される各音波信号ｐ０〜ｐ３を加算して、出力加算器６３へ出力するものである。減値加算器６２は、各減算器４０Ａ〜４０Ｃを経由して出力される信号、すなわち減算側遅延装置５１からの出力に加算処理を施すものである。より具体的に、減値加算器６２は、減算器４０Ａから出力される信号と、減算側遅延器５１Ｂから出力される信号と、減算側遅延器５１Ｃから出力される信号とを加算して、積分・増幅器７０へ出力するものである。
【００３７】
積分・増幅器７０は、減値加算器６２から出力される信号を、積分処理により増幅させて、出力加算器６３へ出力するものである。出力加算器６３は、信号加算器６１から出力される信号と、積分・増幅器７０から出力される信号とを加算して、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された音波信号に基づく音波の情報として出力Ｖを生成し、外部へ出力するものである。
【００３８】
上記構成の説明では、音響センサ１０が４個の検出素子Ｅ０〜Ｅ３を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ１０は、３個又は５個以上の任意の数の検出素子Ｅを有していてもよい。例えば、音響センサ１０がＮ個（Ｎは３以上の整数）の検出素子Ｅを有する場合、演算処理部３０は、Ｎ−１個の減算器４０と、Ｎ−２個の減算側遅延器５１ｍと、を有するように構成される。
【００３９】
すなわち、本第１実施形態の音響センサ１０は、Ｎ個の検出素子Ｅ０〜ＥＮ−１に対応する音波信号ｐｉ（ｉ＝０，１，・・・，Ｎ−１）から、下記式（６）で表される演算を行い、音波の情報である出力Ｖを得るものである。
【００４０】
【数６】
0006627563.tif 000007
【００４１】
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅Ｐ、角周波数ωの正弦波を検出する場合、ｐｉ及びＶは、それぞれ、下記式（７）及び式（８）で表される。規格化感度Ｄについては、上記式（５）から、ｋｄ＜１の範囲では、θ=０の場合に感度が高く、θ=π（ｒａｄ）の場合に感度が低くなることが分かる。
【００４２】
【数７】
0006627563.tif 000008
【００４３】
【数８】
0006627563.tif 000009
【００４４】
式（６）の２項目における「Σ」では、検出素子Ｅ１から検出素子ＥＮ−１までのそれぞれに対応する音波信号ｐｉについて、同じ検出素子Ｅに対応する音波信号ｐｉにｄ／ｃの遅延をかけて減算するようになっている。ここで、同じ検出素子Ｅから出力される雑音は、遅延をかけても相関が大きいため、音響センサ１０によれば、減算器４０及び減算側遅延器５１ｍでの演算処理によって雑音を低減することができる。つまり、音響センサ１０は、式（６）の２項目で表される処理を行うことにより、両端に配置された検出素子Ｅ（検出素子Ｅ０及び検出素子ＥＮ−１）以外からの雑音を減衰させることができる。
【００４５】
上述したように、従来の音響センサは、間隔ｄを広げた場合に、高い周波数の音波に対する感度が低下し、指向性の乱れが発生する。この点、音響センサ１０は、従来の音響センサにおける２つの検出素子の間隔をｄから（Ｎ−１）ｄまで広げた場合に近いレベルまで、積分・増幅器７０の利得を低くすることができる。このため、音響センサ１０によれば、高い周波数の音波に対する感度の低下及び指向性の乱れを抑制すると共に、雑音を低減することができる。
【００４６】
ところで、本第１実施形態では、複数の検出素子Ｅ及び光源・復調器２０を用いて音波信号を検出し生成する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、音響センサ１０は、複数の検出素子Ｅ及び光源・復調器２０の代わりに、圧電材料などを用いた複数の検出素子を有していてもよい。圧電材料などを用いた検出素子としては、例えば特許文献１に示された検出素子（特許文献１では、受波器又は水中受波器と記載されている）を採用することができる。圧電材料などを用いた検出素子は、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を直接検出することができるため、光源・復調器２０を介さずに、音波信号を演算処理部３０へ出力することができる。
【００４７】
図２は、音響センサ１０の動作を示すフローチャートである。図２を参照して、音響センサ１０による音波検出方法について説明する。
【００４８】
まず、光源・復調器２０が、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３に光を発信する（図２：ステップＳ１０１）。そして、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３が、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を検出する。すなわち、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３は、それぞれ、光源・復調器２０から発信される光を音波信号により変調する（図２：ステップＳ１０２）。次に、光源・復調器２０は、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された各音波信号により変調された光を個別に復調し、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３のそれぞれに対応する音波信号ｐ０〜ｐ３を生成する（図２：ステップＳ１０３）。
【００４９】
ここで、ステップＳ１０１からステップＳ１０３までの３つの工程は、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３が、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を検出するステップであり、本発明の「音波信号検出ステップ」に相当する。そして、複数の検出素子Ｅ及び光源・復調器２０の代わりに、圧電材料などを用いた複数の検出素子を用いる場合、各検出素子は、それぞれ、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を、直接検出して生成し出力することができる。したがって、このような検出素子を採用した音響センサ１０の場合は、本発明の「音波信号検出ステップ」を１つの工程によって実現することができる。
【００５０】
次に、演算処理部３０は、各減算器４０Ａ〜４０Ｃにより、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐそれぞれに減算処理を施す（図２：ステップＳ１０４／減算ステップ）。また、演算処理部３０は、減算側遅延装置５１により、各減算器４０Ａ〜４０Ｃで減算処理が施された各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける。すなわち、減算側遅延器５１Ｂが、音波信号ｐ１及び音波信号ｐ２に遅延をかけ、減算側遅延器５１Ｃが、音波信号ｐ２及び音波信号ｐ３に遅延をかける（図２：ステップＳ１０５／減算側遅延ステップ）。
【００５１】
続いて、信号加算器６１により、音波信号ｐ０と音波信号ｐ１と音波信号ｐ２と音波信号ｐ３とを加算する（図２：ステップＳ１０６／信号加算ステップ）。また、演算処理部３０は、減値加算器６２により、各減算器４０Ａ〜４０Ｃを経由して出力される信号、すなわち減算側遅延装置５１で遅延がかけられ出力される各信号を加算する（図２：ステップＳ１０７／減値加算ステップ）。
【００５２】
そして、演算処理部３０は、積分・増幅器７０により、減値加算器６２からの出力を増幅させる（図２：ステップＳ１０８／増幅ステップ）。次に、演算処理部３０は、出力加算器６３により、信号加算器６１からの出力と積分・増幅器７０からの出力とを加算して、音波の情報である出力Ｖを生成し、外部に出力する（図２：ステップＳ１０９／出力加算ステップ）。
【００５３】
以上のように、本第１実施形態の音響センサ１０は、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐに対し、当該検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算するため、同じ検出素子Ｅから出力される雑音を減衰させることができる。そして、音響センサ１０は、従来の音響センサにおける２つの検出素子の間隔ｄをＮ−１倍まで広げた場合のように、積分・増幅器７０の利得を低くすることができる。よって、音響センサ１０によれば、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。また、検出方向（θ＝０°）における音響センサ１０の感度は、ｋｄ＜１の範囲で高いため（図８参照）、音響センサ１０によれば、検出できる音波の帯域を、従来の音響センサのＮ−１倍近くまで拡大することができる。
【００５４】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第２実施形態の音響センサは、複数の減算器及び複数の加算器によって、隣り合う検出素子Ｅに対応する音波信号ｐに減算処理及び加算処理を施し、各減算器からの出力及び各加算器からの出力に、各検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけてから加算する、という構成を採っている。図３を参照して、４個の検出素子Ｅ０〜Ｅ３を有する音響センサ１０Ａの構成を説明する。前述した第１実施形態における音響センサ１０と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００５５】
図３に示すように、音響センサ１０Ａは、複数の検出素子Ｅ０〜Ｅ３と、光源・復調器２０と、演算処理部３０Ａと、を有している。演算処理部３０Ａは、各音波信号ｐ０〜ｐ３に演算処理を施し、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された音波信号に含まれる音波を検出するものである。
【００５６】
演算処理部３０Ａは、複数の減算器４０Ａ〜４０Ｃ、減算側遅延器５１Ｂ、減算側遅延器５１Ｃ、減値加算器６２、出力加算器６３、及び積分・増幅器７０を有している。また、演算処理部３０Ａは、前述した第１実施形態の演算処理部３０とは異なり、複数の二値加算器６１Ａ〜６１Ｃと、加算側遅延器５２Ｂと、加算側遅延器５２Ｃと、加値加算器６４と、を有している。
【００５７】
各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃは、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐそれぞれに加算処理を施すものである。すなわち、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃは、それぞれ、関連づけられた２つの検出素子Ｅに対応する各音波信号ｐに加算処理を施すものである。本第２実施形態において、二値加算器６１Ａは、検出素子Ｅ０に対応する音波信号ｐ０と検出素子Ｅ１に対応する音波信号ｐ１とを加算するものである。二値加算器６１Ｂは、検出素子Ｅ１に対応する音波信号ｐ１と検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐ２とを加算するものである。二値加算器６１Ｃは、検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐ２と検出素子Ｅ３に対応する音波信号ｐ３とを加算するものである。以降では、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃを総称する場合又はこれらと同様の構成について称する場合、二値加算器６１ｍともいう。
【００５８】
加算側遅延装置５２は、複数の二値加算器６１ｍにおいて減算処理が施された各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、加算側遅延装置５２が音波信号ｐにかける遅延には０を含むものとする。
【００５９】
より具体的に、加算側遅延装置５２は、二値加算器６１Ｂの後に設けられた加算側遅延器５２Ｂと、二値加算器６１Ｃの後に設けられた加算側遅延器５２Ｃと、を有している。以降では、加算側遅延器５２Ｂ及び加算側遅延器５２Ｃを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、加算側遅延器５２ｍともいう。
【００６０】
加算側遅延器５２Ｂは、二値加算器６１Ｂにおいて加算処理が施される音波信号ｐ１及び音波信号ｐ２に、対応する検出素子Ｅ１及び検出素子Ｅ２の位置に応じた遅延をかけるものである。加算側遅延器５２Ｃは、二値加算器６１Ｃにおいて加算処理が施される音波信号ｐ２及び音波信号ｐ３に、対応する検出素子Ｅ２及び検出素子Ｅ３の位置に応じた遅延をかけるものである。
【００６１】
本第２実施形態において、加算側遅延器５２Ｂは、減算側遅延器５１Ｂと同様の構成であり、加算側遅延器５２Ｃは、減算側遅延器５１Ｃと同様の構成である。よって、加算側遅延器５２Ｂの遅延時間は、検出素子Ｅ２と検出素子Ｅ３との中点から検出素子Ｅ１と検出素子Ｅ２との中点まで音波が伝播する時間であるｄ／ｃとなっている。また、加算側遅延器５２Ｃの遅延時間は、検出素子Ｅ３と検出素子Ｅ４との中点から検出素子Ｅ１と検出素子Ｅ２との中点まで音波が伝播する時間である２ｄ／ｃとなっている。ただし、検出素子Ｅの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。
【００６２】
ところで、演算処理部３０Ａでは、二値加算器６１Ａの後に加算側遅延器５２ｍが設けられていない。つまり、本第２実施形態では、二値加算器６１Ａにおいて減算処理が施される音波信号ｐ１及び音波信号ｐ０に関する検出素子Ｅ１及び検出素子Ｅ０の位置に応じた遅延時間は０となっている。換言すれば、加算側遅延装置５２が、二値加算器６１Ａにおいて減算処理が施される音波信号ｐ１及び音波信号ｐ０にかける遅延は０である。
【００６３】
加値加算器６４は、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃを経由して出力される信号、すなわちすなわち加算側遅延装置５２からの出力に加算処理を施すものである。より具体的に、加値加算器６４は、二値加算器６１Ａから出力される信号と、加算側遅延器５２Ｂから出力される信号と、加算側遅延器５２Ｃから出力される信号とを加算して、積分・増幅器７０へ出力するものである。
【００６４】
上記構成の説明では、音響センサ１０Ａが４個の検出素子Ｅ０〜Ｅ３を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ１０Ａは、３個又は５個以上の任意の数の検出素子Ｅを有していてもよい。例えば、音響センサ１０ＡがＮ個（Ｎは３以上の整数）の検出素子Ｅを有する場合、演算処理部３０Ａは、Ｎ−１個の減算器４０と、Ｎ−１個の二値加算器６１ｍと、Ｎ−２個の減算側遅延器５１ｍと、Ｎ−２個の加算側遅延器５２ｍと、を有するように構成される。
【００６５】
すなわち、本第２実施形態の音響センサ１０Ａは、Ｎ個の検出素子Ｅ０〜ＥＮ−１に対応する音波信号ｐｉ（ｉ＝０，１，・・・，Ｎ−１）をもとに、下記式（９）で表される演算を行い、音波の情報である出力Ｖを得るものである。
【００６６】
【数９】
0006627563.tif 000010
【００６７】
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅Ｐ、角周波数ωの正弦波を検出する場合、ｐｉは上記式（７）で表され、出力Ｖは下記式（１０）で表される。規格化感度Ｄについては、上記式（５）から、ｋｄ＜１の範囲では、θ=０の場合に感度が高く、θ=π（ｒａｄ）の場合に感度が低くなることが分かる。
【００６８】
【数１０】
0006627563.tif 000011
【００６９】
本第２実施形態の音響センサ１０Ａは、二値加算器６１ｍの後に加算側遅延器５２ｍを設けているため、より高い周波数の音波に対して、感度の低下を抑えることができる。検出方向とは逆の方向（逆方向）から入射する音波は、相対的に、検出素子Ｅ０で早く検出され、検出素子ＥＮ−１（図３ではＥ３）で遅く検出される。そして、検出素子ＥＮ−１で検出された信号は、減算側遅延器５１Ｃ及び加算側遅延器５２Ｃでさらに遅延がかけられる。
ここで、下記式（１１）は、上記式（９）を変形したものである。
【００７０】
【数１１】
0006627563.tif 000012
【００７１】
ところで、第１実施形態の音響センサ１０では、遅延が大きくなる影響で、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果が、２つの検出素子Ｅだけで構成された音響センサと比べて小さくなる。
この点、本第２実施形態の音響センサ１０Ａでは、上記式（１１）の｛  ｝内が、上記式（１）において遅延を掛けた形となっており、同じ遅延がかけられた｛  ｝内の項は、２つの検出素子Ｅだけで構成された音響センサの場合の演算処理と同じとなる。したがって、式（１１）のように｛  ｝内の項をΣによって加算しても、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果は変わらない。このため、音響センサ１０Ａによれば、２つの検出素子Ｅだけで構成された音響センサの場合と同等の感度低減効果を得ることができる。
【００７２】
図４は、音響センサ１０Ａの動作を示すフローチャートである。図４を参照して、音響センサ１０Ａによる音波検出方法について説明する。
【００７３】
まず、音響センサ１０Ａは、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の動作を図２の場合と同様に実行する。次に、演算処理部３０Ａは、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃにより、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐそれぞれに加算処理を施す（図４：ステップＳ２０１／二値加算ステップ）。また、演算処理部３０Ａは、各減算器４０Ａ〜４０Ｃにより、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐそれぞれに減算処理を施す（図４：ステップＳ２０２／減算ステップ）。
【００７４】
そして、演算処理部３０Ａは、加算側遅延装置５２により、二値加算器６１ｍで加算処理が施された各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける（図４：ステップＳ２０３／加算側遅延ステップ）。また、演算処理部３０Ａは、減算側遅延装置５１により、減算器４０で減算処理が施される音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける（図４：ステップＳ２０４／減算側遅延ステップ）。
【００７５】
続いて、演算処理部３０Ａは、加値加算器６４により、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃを経由して出力される信号、すなわち加算側遅延装置５２で遅延がかけられ出力される各信号を加算する。より具体的に、加値加算器６４は、二値加算器６１Ａ、加算側遅延器５２Ｂ、及び加算側遅延器５２Ｃから出力される信号を加算する（図４：ステップＳ２０５／加値加算ステップ）。そして、演算処理部３０Ａは、ステップＳ１０７〜Ｓ１０９の動作を図２の場合と同様に実行する。
【００７６】
以上のように、本第２実施形態の音響センサ１０Ａは、隣り合う検出素子Ｅに対応する２つの音波信号ｐに対し、当該検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算する。このため、音響センサ１０Ａは、同じ検出素子Ｅから出力される雑音を減衰させると共に、積分・増幅器７０の利得を低くすることができる。すなわち、音響センサ１０Ａによれば、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。
【００７７】
さらに、音響センサ１０Ａは、逆方向から入射する音波に対する感度が、２つの検出素子Ｅだけで構成された音響センサと同様に低くなっているため、音波をさらに精度よく検出することができる。他の効果については、前述した第１実施形態と同様である。
【００７８】
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第３実施形態の音響センサは、各検出素子Ｅの間隔を不均一にし、各遅延器の遅延時間を検出素子Ｅの配置間隔に応じて変更する構成を採った点で、上述した第１及び第２実施形態と相違する。図５を参照して、各検出素子Ｅの間隔が不均一である音響センサ１０Ｂの構成を説明する。上述した第１及び第２実施形態の音響センサ１０及び１０Ａと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００７９】
図５に示すように、音響センサ１０Ｂは、複数の検出素子Ｅ０〜Ｅ３と、光源・復調器２０と、演算処理部３０Ｂと、を有している。図５では、検出素子Ｅ０と検出素子Ｅ１との間隔がｄ０に設定され、検出素子Ｅ１と検出素子Ｅ２との間隔がｄ１に設定され、検出素子Ｅ２と検出素子Ｅ３との間隔がｄ２に設定された場合を例示している。間隔ｄ０と間隔ｄ１と間隔ｄ２との間には、「ｄ０＜ｄ１＜ｄ２」の関係があるものとする。すなわち、各検出素子Ｅは、各検出素子Ｅの間隔が検出方向に向かって大きくなるように配置されている。
【００８０】
本第３実施形態において、光源・復調器２０が内包する復調器は、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調し、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３のそれぞれに対応する複数の音波信号ｐＢ０〜ｐＢ３を生成するものである。演算処理部３０Ｂは、各音波信号ｐＢ０〜ｐＢ３に演算処理を施して音波を検出するものである。以降では、各音波信号ｐＢ０〜ｐＢ３を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号ｐともいう。
【００８１】
演算処理部３０Ｂは、複数の減算器４０Ａ〜４０Ｃ、減値加算器６２、出力加算器６３、加値加算器６４、及び積分・増幅器７０を有している。また、演算処理部３０Ｂは、複数の二値加算器６１Ａ〜６１Ｃと、加減遅延装置５３と、を有している。
【００８２】
加減遅延装置５３は、各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、加減遅延装置５３が音波信号ｐにかける遅延には０を含むものとする。より具体的に、加減遅延装置５３は、減算処理及び加算処理が施される各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける複数の加減遅延器５３Ａ〜５３Ｄを有している。
【００８３】
加減遅延器５３Ａは、検出素子Ｅ１に対応する音波信号ｐＢ１に遅延をかけて、減算器４０Ｂ及び二値加算器６１Ｂへ出力するものである。加減遅延器５３Ｂは、検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐＢ２に遅延をかけて、減算器４０Ｂ及び二値加算器６１Ｂへ出力するものである。加減遅延器５３Ｃは、検出素子Ｅ２に対応する音波信号ｐＢ２に遅延をかけて、減算器４０Ｃ及び二値加算器６１Ｃへ出力するものである。加減遅延器５３Ｄは、検出素子Ｅ３に対応する音波信号ｐＢ３に遅延をかけて、減算器４０Ｃ及び二値加算器６１Ｃへ出力するものである。以降では、各加減遅延器５３Ａ〜５３Ｄを総称する場合又はこれらと同様の構成を称する場合、加減遅延器５３ｍともいう。
【００８４】
本第３実施形態において、加減遅延器５３Ａ及び加減遅延器５３Ｂの遅延時間は、検出素子Ｅ１と検出素子Ｅ２との中点から検出素子Ｅ０と検出素子Ｅ1との中点まで音波が伝搬する時間（（ｄ０＋ｄ１）／（２ｃ））となっている。加減遅延器５３Ｃ及び加減遅延器５３Ｄの遅延時間は、検出素子Ｅ２と検出素子Ｅ３との中点から検出素子Ｅ０と検出素子Ｅ1との中点まで音波が伝搬する時間（（ｄ０＋2ｄ１＋ｄ２）／（２ｃ））となっている。ただし、検出素子Ｅの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。
【００８５】
ところで、演算処理部３０Ｂでは、減算器４０Ａ及び二値加算器６１Ａの前に加減遅延器５３ｍが設けられていない。つまり、本第３実施形態では、減算器４０Ａ及び二値加算器６１Ａにおいて演算処理が施される音波信号ｐＢ１及び音波信号ｐＢ０に関する検出素子Ｅ１及び検出素子Ｅ０の位置に応じた遅延時間は０となっている。換言すれば、加減遅延装置５３は、音波信号ｐＢ１及び音波信号ｐＢ０に遅延０をかけて減算器４０Ａ及び二値加算器６１Ａへ出力するようになっている。
【００８６】
二値加算器６１Ａは、音波信号ｐＢ０と音波信号ｐＢ１とを加算するものである。減算器４０Ａは、音波信号ｐＢ１から音波信号ｐＢ０を減算するものである。二値加算器６１Ｂは、加減遅延器５３Ａ及び加減遅延器５３Ｂの後に配置されている。二値加算器６１Ｂは、加減遅延器５３Ａの出力と加減遅延器５３Ｂの出力とを加算するものである。減算器４０Ｂは、加減遅延器５３Ａ及び加減遅延器５３Ｂの後に配置されている。加減遅延器５３Ｂの出力から加減遅延器５３Ａの出力を減算するものである。二値加算器６１Ｃは、加減遅延器５３Ｃ及び加減遅延器５３Ｄの後に配置されている。二値加算器６１Ｃは、加減遅延器５３Ｃの出力と加減遅延器５３Ｄの出力とを加算するものである。減算器４０Ｃは、加減遅延器５３Ｃ及び加減遅延器５３Ｄの後に配置されている。加減遅延器５３Ｄの出力から加減遅延器５３Ｃの出力を減算するものである。減値加算器６２は、各減算器４０Ａ〜４０Ｃから出力される信号を加算するものである。加値加算器６４は、各二値加算器６１Ａ〜６１Ｃから出力される信号を加算するものである。
【００８７】
上記構成の説明では、音響センサ１０Ｂが４個の検出素子Ｅ０〜Ｅ３を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ１０Ｂは、３個又は５個以上の任意の数の検出素子Ｅを有していてもよい。ここで、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の検出素子Ｅの間隔はＮ−１（ｄ０，ｄ１，・・・，ｄＮ−２）だけ存在する。音響センサ１０Ｂは、各検出素子Ｅの間隔が不揃いになっており、この不揃いな間隔によって検出素子Ｅの位置が決まる。音響センサ１０Ｂでは、加減遅延器５３ｍが、不揃いな各検出素子Ｅの間隔に応じた位置をもとに、各音波信号ｐｉに遅延をかける。ただし、θ＝０°において、感度が高くなる範囲は、最も広い検出素子Ｅの間隔ｄｍａｘ（図３ではｄ２）について、ｋｄｍａｘ＜１となる範囲である。
【００８８】
すなわち、本第３実施形態の音響センサ１０Ｂは、Ｎ個の検出素子Ｅ０〜ＥＮ-１に対応する音波信号ｐｉ（ｉ＝０，１，・・・，Ｎ−１）をもとに、下記式（１２）で表される演算を行い、音波の情報である出力Ｖを得るものである。ここで、τｉ（ｉ＝０，１，・・・，Ｎ−１）は、下記式（１３）のように定義される。また、式（１２）は、下記式（１４）のように変形することができる。
【００８９】
【数１２】
0006627563.tif 000013
【００９０】
【数１３】
0006627563.tif 000014
【００９１】
【数１４】
0006627563.tif 000015
【００９２】
式（１４）の｛  ｝内が、上記式（１）において遅延を掛けた形となっており、同じ遅延がかけられた｛  ｝内の項は、２つの検出素子Ｅだけで構成された音響センサの場合の演算処理と同じとなる。したがって、式（１４）のように｛  ｝内の項をΣによって加算しても、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果が得られる。
【００９３】
音響センサ１０Ｂは、各検出素子Ｅの不均一な間隔に応じた遅延をかける点を除けば、前述した第３実施形態の音響センサ１０Ａと同様に動作する。すなわち、音響センサ１０Ｂによる音波検出方法は、各検出素子Ｅにおいて検出された各音波信号を個別に復調し、各検出素子Ｅのそれぞれに対応する音波信号ｐを生成する復調ステップと、各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける加減遅延ステップと、隣り合う検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延ステップで遅延がかけられた２つの音波信号ｐそれぞれに減算処理を施して出力する減値減算ステップと、減値減算ステップでの減算処理後に出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有している。また、音響センサ１０Ｂによる音波検出方法は、隣り合う検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延ステップで遅延がかけられた２つの音波信号ｐそれぞれに加算処理を施して出力する二値加算ステップと、二値加算ステップでの加算処理後に出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有している。
【００９４】
音響センサ１０Ｂは、上記のように構成され、動作するため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。
ところで、検出素子Ｅは、特許文献２の検出素子と同様、光ファイバが円筒状に巻回されて構成された光ファイバコイルと、その内側に光ファイバコイルと空間を隔てて配置された中空弾性体と、を有するように構成することができる。ここで、上述した第１実施形態の音響センサ１０において、検出素子Ｅが有する中空弾性体の弾性率を低くすると、波長が２ｄと等しくなる周波数において、複数の中空弾性体からの反射波の位相が揃うことにより、各検出素子Ｅの周辺に音場の乱れが発生し、指向性を乱す原因となる。
この点、本第３実施形態の音響センサ１０Ｂは、検出素子Ｅの間隔を不均一にしていることから、音場の乱れを抑えることができるため、ｋｄｍａｘ＜１となる範囲において、前述した第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
検出素子Ｅに入射する音波は直接入射する音波の他に、他の検出素子Ｅで反射した音波もある。第１実施形態において、例えば、波長が２ｄの音波が、θ＝１８０°の方向から入射して直接検出素子Ｅ０に入射する音波と、検出素子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のそれぞれで反射して検出素子Ｅ０に入射する音波の位相は全て等しい。したがって、他の検出素子Ｅで検出した音波により振幅が大きくなり、逆方向から入射した音波の抑制効果が低下する。これに対し、本第３実施形態では、検出素子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のそれぞれで反射して検出素子Ｅ０に入射する音の位相が不均一になるため、検出素子Ｅで検出する音波の振幅誤差が小さくなるため、逆方向から入射した音波の抑制効果が向上する。
【００９６】
なお、図５では、間隔ｄ０と間隔ｄ１と間隔ｄ２との間に「ｄ０＜ｄ１＜ｄ２」の関係がある場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、音響センサ１０Ｂは、間隔ｄ０と間隔ｄ１と間隔ｄ２との間に、「ｄ０＜ｄ１＝ｄ２」、「ｄ０＜ｄ１＞ｄ２」、「ｄ０＝ｄ１＜ｄ２」、「ｄ０＝ｄ１＞ｄ２」、「ｄ０＞ｄ１＜ｄ２」、「ｄ０＞ｄ１＝ｄ２」、又は「ｄ０＞ｄ１＞ｄ２」の関係が成り立つように構成してもよい。これは、音響センサ１０Ｂが３個又は５個以上の任意の数の検出素子Ｅを有する場合も同様である。すなわち、各検出素子Ｅの間隔は、すべてが異なる間隔であってもよく、一部に同じ間隔が含まれていてもよい。
【００９７】
ただし、図５のように、間隔ｄ０と間隔ｄ１と間隔ｄ２との間に「ｄ０＜ｄ１＜ｄ２」の関係がある場合は、遅れ時間が長い検出素子Ｅ３で反射して検出素子Ｅ０に入射する音の伝搬距離が長くなる。このため、音波が減衰して、受波素子で検出する音波の振幅誤差が小さくなり、逆方向から入射した音波の抑制効果が向上する。すなわち、隣り合う検出素子Ｅの間隔が検出方向に向かって大きくなるように、複数の検出素子Ｅが配置されている場合には、逆方向から入射した音波の抑制効果をより向上させることができる。
【００９８】
もっとも、音響センサ１０Ｂは、複数の検出素子Ｅの間隔を不揃いにせず、第１及び第２実施形態と同様に間隔ｄで統一するようにしてもよい。そして、例えば、加減遅延装置５３が、第１又は第２実施形態の減算側遅延装置５１及び加算側遅延装置５２と同様の遅延を加えるようにしてもよい。このようにしても、第２実施形態の音響センサ１０Ａと同様の効果を得ることができる。
【００９９】
また、複数の検出素子Ｅの間隔をｄで統一した上で、例えば、音響センサ１０Ｂに、複数の二値加算器６１ｍを設けることなく、加値加算器６４の代わりに信号加算器６１を設けるようにしてもよい。この場合、加減遅延装置５３が、第１実施形態の減算側遅延装置５１と同様の遅延を加えるように構成するとよい。すなわち、演算処理部３０Ｂが、各音波信号ｐのそれぞれに、当該音波信号ｐに対応する検出素子Ｅの位置に応じた遅延をかける加減遅延装置５３と、隣り合う検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた２つの音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器４０と、複数の減算器４０からの出力に加算処理を施す減値加算器６２と、光源・復調器２０において生成される各音波信号ｐ０〜ｐ３を加算する信号加算器６１と、を有するようにしてもよい。このようにしても、第１実施形態の音響センサ１０と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第４実施形態の音響センサは、検出素子の形状が不揃いである点で、上述した各実施形態の検出素子Ｅと相違する。ここで、検出素子の形状には、検出素子の形、検出素子を設置する向き、及び検出素子の分割の有無が含まれ、検出素子が分割されている場合は、分割した検出素子の位置及び向きが含まれるものとする。図６を参照して、検出素子の形状が不揃いである音響センサ１０Ｃの構成を説明する。上述した第２実施形態の音響センサ１０Ａと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【０１０１】
図６に示すように、音響センサ１０Ｃは、複数の検出素子ＥＣ０〜ＥＣ３と、光源・復調器２０と、演算処理部３０Ａと、を有している。本第４実施形態において、検出素子ＥＣ０は、上述した各実施形態における検出素子Ｅと同様に構成されている。検出素子ＥＣ１は、２つに分割された形状であり、すなわち、２つの検出素子により構成されている。各検出素子は、円筒状に形成されており、双方が検出方向側へ向くように設置されている。また、各検出素子は、検出方向に沿った長さが検出素子ＥＣ０より短くなっており、検出方向に垂直な面における断面積が検出素子ＥＣ０より大きくなっている。検出素子ＥＣ２は、２つに分割された形状であり、円筒状に形成された各検出素子は、検出方向に垂直な方向へ向くように設置されている。各検出素子は、検出素子ＥＣ１を構成する各検出素子と同程度の大きさとなっている。検出素子ＥＣ３は、円筒状に形成されており、検出方向に垂直な方向へ向くように設置されている。検出素子ＥＣ３は、検出方向に垂直な鉛直方向の長さが検出素子ＥＣ０より長くなっており、鉛直方向に垂直な面における断面積が検出素子ＥＣ０より小さくなっている。以降では、各検出素子ＥＣ０〜ＥＣ３を総称する場合又はこれらと同様の構成を称する場合、検出素子ＥＣともいう。
【０１０２】
本第４実施形態において、光源・復調器２０は、各検出素子Ｅ０〜Ｅ３において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調して、複数の音波信号ｐＣ０〜ｐＣ３を生成するものである。すなわち、光源・復調器２０は、検出素子ＥＣ０が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐＣ０を生成し、検出素子ＥＣ１が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐＣ１を生成するものである。また、光源・復調器２０は、検出素子ＥＣ２からが検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐＣ２を生成し、検出素子ＥＣ３が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号ｐＣ３を生成するものである。そして、光源・復調器２０は、生成した各音波信号ｐＣ０〜ｐＣ３を演算処理部３０へ出力するように構成されている。以降では、各音波信号ｐＣ０〜ｐＣ３を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号ｐともいう。
【０１０３】
音響センサ１０Ｃの動作、すなわち音響センサ１０Ｃによる音波検出方法は、前述した第２実施形態の音響センサ１０Ａと同様である。ただし、検出素子ＥＣの反射、回折等による伝搬時間への影響は、第２実施形態における検出素子Ｅより大きくなる。このため、検出素子ＥＣの反射、回折等の影響で変化した伝搬時間に応じて、減算側遅延器５１ｍ
及び加算側遅延器５２ｍの各遅延時間を補正するとよい。
【０１０４】
音響センサ１０Ｃは、上記のように構成され、動作するため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。すなわち、音響センサ１０Ｃによれば、第２実施形態の音響センサ１０Ａと同様、検出する音波の周波数が低い場合に雑音の増加を抑えることができ、第３実施形態の音響センサ１０Ｂと同様、音場の乱れを抑えることができる。また、音響センサ１０Ｃは、各検出素子ＥＣの間隔を、各検出素子Ｅの間隔を不揃いにした第３実施形態の構造より小さくしても、高い周波数の音波を検出する場合の感度の低下及び指向性の乱れを抑えることができる。
【０１０５】
ところで、本第４実施形態では、各検出素子ＥＣについては、すべての形状が異なる場合を例示したが、これに限らず、一部の検出素子ＥＣが同一の形状であってもよい。すなわち、音響センサ１０Ｃが有する複数の検出素子ＥＣは、異なる形状の検出素子ＥＣが組み合わされて構成されていてもよい。もっとも、検出素子ＥＣの形状、すなわち、検出素子ＥＣの形、検出素子ＥＣを設置する向き等は、図６に示す例に限るものではない。
【０１０６】
なお、上述した実施形態は、音響センサ及び音波検出方法における好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、第１実施形態では、減算器４０の後に減算側遅延器５１ｍを配置し、減値加算器６２の後に積分・増幅器７０を配置する例を示したが、上記式（６）と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ１０の構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
【０１０７】
また、第３実施形態では、複数の減算器４０と減値加算器６２とを設ける例を示したが、これに限定されるものではない。音響センサ１０Ｂは、各減算器４０及び減値加算器６２の代わりに、例えば、隣り合う検出素子Ｅそれぞれのうちの検出方向側の各検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた各音波信号ｐを加算する第１加算器と、隣り合う検出素子Ｅそれぞれのうちの検出方向とは反対側の各検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた各音波信号ｐを加算する第２加算器と、第１加算器の出力から第２加算器の出力を減算する減算器と、を有するようにしてもよい。さらに、音響センサ１０Ｂは、各減算器４０及び減値加算器６２又は第１〜第２加算器及び減算器といった複数の演算器の代わりに、隣り合う検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた２つの音波信号ｐそれぞれに対する加算処理と、当該加算処理の各出力に対する加算処理とを実行する１つの加減演算器を有するようにしてもよい。なお、各減算器４０及び減値加算器６２と、第１〜第２加算器及び減算器とは、本発明の「加減演算器」に含まれるものとする。
【０１０８】
併せて、第３実施形態では、複数の二値加算器６１ｍと加値加算器６４とを設ける例を示したが、これに限定されるものではない。音響センサ１０Ｂは、各二値加算器６１ｍ及び加値加算器６４の代わりに、例えば、隣り合う検出素子Ｅそれぞれのうちの検出方向側の各検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた各音波信号ｐを加算する第１加算器と、隣り合う検出素子Ｅそれぞれのうちの検出方向とは反対側の各検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた各音波信号ｐを加算する第２加算器と、第１加算器の出力と第２加算器の出力とを加算する第３加算器と、を有するようにしてもよい。そして、音響センサ１０Ｂは、各二値加算器６１ｍ及び加値加算器６４又は第１〜第３加算器といった複数の加算器の代わりに、隣り合う検出素子Ｅに対応し、かつ加減遅延装置５３において遅延がかけられた２つの音波信号ｐそれぞれに対する加算処理と、当該加算処理の各出力に対する加算処理とを実行する１つの加算演算器を有するようにしてもよい。なお、各二値加算器６１ｍ及び加値加算器６４と、第１〜第３加算器とは、本発明の「加算演算器」に含まれるものとする。
【０１０９】
また、第２実施形態及び第４実施形態では、減算器４０の後に減算側遅延器５１ｍを配置し、二値加算器６１ｍの後に加算側遅延器５２ｍを配置し、減値加算器６２の後に積分・増幅器７０を配置する例を示したが、上記式（９）と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ１０Ａ及び１０Ｃの構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
【０１１０】
さらに、第３実施形態では、減算器４０又は二値加算器６１ｍの前に加減遅延器５３ｍを配置し、減値加算器６２の後に積分・増幅器７０を配置する例を示したが、上記式（９）と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ１０Ａ及び１０Ｃの構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
【０１１１】
また、第１実施形態では、減算器４０の出力を積分する例を示したが、音響センサ１０は、信号加算器６１の出力を微分する方法により構成してもよい。かかる構成を採った音響センサ１０によっても、上記同様の効果を得ることができる。同様に、上記第２実施形態〜第４実施形態では、減算器４０の出力を積分する例を示したが、二値加算器６１ｍの出力を微分する方法を採るようにしてもよい。かかる構成を採った音響センサ１０Ａ〜１０Ｃによっても、上記同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
加えて、第２〜第４実施形態では、光ファイバ音響センサを用いる例を示したが、音響センサ１０Ａ〜１０Ｃは、第１実施形態の場合と同様に、圧電材料を用いた検出素子など、他の形式の検出素子を用いて音波信号を直接検出するようにしてもよい。かかる構成を採った音響センサ１０Ａ〜１０Ｃによっても、上記同様の効果を得ることができる。
【０１１３】
さらに、第１実施形態では、全ての検出素子Ｅに対応する音波信号ｐを信号加算器６１で加算する例を示したが、一部の検出素子Ｅに対応する音波信号ｐを加算するように構成してもよい。また、信号加算器６１を用いずに、何れか１つの検出素子Ｅに対応する音波信号ｐを減値加算器６２に入力するように構成してもよい。
【０１１４】
また、第１、第２、及び第４実施形態の構成に、各検出素子Ｅの間隔を不揃いにするという構成を適用してもよく、第１〜第３実施形態の構成に、各検出素子Ｅの形状を不揃いにするという構成を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１０Ａ〜１０Ｃ、１００  音響センサ、２０、２００  復調器、３０、３０Ａ、３０Ｂ  演算処理部、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４００  減算器、５１  減算側遅延装置、５１Ｂ、５１Ｃ  減算側遅延器、５２  加算側遅延装置、５２Ｂ、５２Ｃ  加算側遅延器、５３  加減遅延装置、５３Ａ〜５３Ｄ  加減遅延器、６１、６１０  信号加算器、６１Ａ〜６１Ｃ  二値加算器、６２  減値加算器、６３、６３０  出力加算器、６４  加値加算器、７０、７００  積分・増幅器、Ｅ０〜Ｅ３、ＥＣ０〜ＥＣ３  検出素子、ｐ０〜ｐ３、ｐＢ０〜ｐＢ３、ｐＣ０〜ｐＣ３、ｐｉ  音波信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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