(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の音響的開口部を有し、内部には気体、液体、弾性体のいずれかの媒質またはこれらの混合媒体を封入した容器状の受波器と、同受波器の表面又は内部に設けられた１個の音響センサーと、同音響センサーの検出信号が入力される増幅器及びＡ／Ｄ変換器と、前記音響的開口部から受波器に入り受波器内を伝搬する各種音波の各音響的開口部から音響センサーまでのインパルス応答関数が予め記憶されている記憶装置と、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を取り込み、前記記憶装置に記憶されている前記インパルス応答関数を用いて入力された音波を特定し、分離抽出する演算を行う演算装置とを具備してなることを特徴とする受波装置。
【請求項２】
前記受波器の形状は断面が一様な所定の長さを有する筒状であることを特徴とする請求項１記載の受波装置。
【請求項３】
前記受波器の形状は断面が任意形状で、かつ断面の軸は曲線であることを特徴とする請求項１記載の受波装置。
【請求項４】
前記受波器には音響窓が設けられ、同音響窓に連通する導波管を設け、前記音響センサーは前記導波管に設けたことを特徴とする請求項２記載の受波装置。
【請求項５】
前記受波器には音響窓が設けられ、同音響窓に連通し一端に楔形状を有する導波管を設け、前記音響センサーは前記導波管に設けたことを特徴とする請求項２記載の受波装置。
【請求項６】
前記受波器は、厚さが観測対象音波の半波長より短い円形の平板状であり、かつ同受波器には音響窓と、同音響窓に連通する導波管とを設け、前記音響センサーは前記導波管に設けられていることを特徴とする請求項１記載の受波装置。
【請求項７】
前記受波器は非円形状で、その面は任意の曲面で形成されていることを特徴とする請求項６記載の受波装置。
【請求項８】
前記受波器は、任意曲面から形成される容器形状であり、かつ同受波器には音響窓と、同音響窓に連通する導波管とを設け、前記音響センサーは前記導波管に設けられていることを特徴とする請求項１記載の受波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は受波装置に関し、水中、空気中で使用されるソーナー用、音響通信用の音響アンテナ、音波及び超音波を用いた非破壊検査用受波装置、等に用いられ、１個の音響センサーの出力に対して複数個の音響的開口部からの信号が含まれ、１個のセンサーから複数の音波を分離抽出する構成として装置の構成を簡略化するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のソーナー等に用いられている受波アレイでは、指向性の鋭い受波アレイを構成するにあたり、１つのシステムで多数の音響センサーが使用されている。各音響センサーにはそれぞれ個別の系統からなる受波アンプが設けられているなど、信号処理部のハード構成が大がかりなものとなっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来用いられている受波アレイは、ソーナーの１システムにおいて指向性を高めるために多数の音響センサーが用いられ、各音響センサーの開口から入力する音響入力信号はそれぞれの系において信号処理されるので装置が大がかりとなり、装置の簡素化が望まれていた。
【０００４】
そこで本発明は、音響入力信号が入射する音響的開口部を受波器に複数個設けると共に複数の音波が受波器内を伝搬し、１個の音響センサーで受け、１個の音響センサーの出力から複数個の音響的開口部に伝搬する音波を分離抽出するような構成とし、各音響的開口部に音響センサーを配置する必要がないので、音響センサーの数を少なくすることができ、また、受波アンプ、信号処理用ハードの数も少なくなり、信号処理部を小型化するようにした受波装置を提供することを課題としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために、次の（１）〜（８）の手段を提供する。
【０００６】
（１）表面に複数の音響的開口部を有し、内部には気体、液体、弾性体のいずれかの媒質またはこれらの混合媒体を封入した容器状の受波器と、同受波器の表面又は内部に設けられた１個の音響センサーと、同音響センサーの検出信号が入力される増幅器及びＡ／Ｄ変換器と、前記音響的開口部から受波器に入り受波器内を伝搬する各種音波の各音響的開口部から音響センサーまでのインパルス応答関数が予め記憶されている記憶装置と、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を取り込み、前記記憶装置に記憶されている前記インパルス応答関数を用いて入力された音波を特定し、分離抽出する演算を行う演算装置とを具備してなることを特徴とする受波装置。
【０００７】
（２）前記受波器の形状は断面が一様な所定の長さを有する筒状であることを特徴とする（１）記載の受波装置。
【０００８】
（３）前記受波器の形状は断面が任意形状で、かつ断面の軸は曲線であることを特徴とする（１）記載の受波装置。
【０００９】
（４）前記受波器には音響窓が設けられ、同音響窓に連通する導波管を設け、前記音響センサーは前記導波管に設けたことを特徴とする（２）記載の受波装置。
【００１０】
（５）前記受波器には音響窓が設けられ、同音響窓に連通し一端に楔形状を有する導波管を設け、前記音響センサーは前記導波管に設けたことを特徴とする（２）記載の受波装置。
【００１１】
（６）前記受波器は、厚さが観測対象音波の半波長より短い円形の平板状であり、かつ同受波器には音響窓と、同音響窓に連通する導波管とを設け、前記音響センサーは前記導波管に設けられていることを特徴とする（１）記載の受波装置。
【００１２】
（７）前記受波器は非円形状で、その面は任意の曲面で形成されていることを特徴とする（６）記載の受波装置。
【００１３】
（８）前記受波器は、任意曲面から形成される容器形状であり、かつ同受波器には音響窓と、同音響窓に連通する導波管とを設け、前記音響センサーは前記導波管に設けられていることを特徴とする（１）記載の受波装置。
【００１４】
本発明の（１）の受波装置は、受波装置には複数の音響的開口部が設けてあり、複数の音波を受信する音響センサーが１個設けられている。従って本発明の（１）では、従来の受波アレイとして構成されていた音響センサーの位置に、音響的減衰が小さく音響信号が透過し易い音響的開口部を設置する構成とし、任意の数で、任意の位置に設けられた音響的開口部に入射した音波が、受波器内で縦波、横波など弾性波として伝搬する音波伝搬経路を経由して、１個の音響センサーに伝搬される。音響センサーで受信した音波は、フィルタ機能を有する増幅器により増幅されＡ／Ｄ変換器から演算装置へ入力される。記憶装置には、各音響的開口部から音響センサーまでの音波伝搬特性がインパルス応答関数として予め計測され、記憶されており、演算装置では音響センサーからの信号と計測されているインパルス応答関数を用いて、各音響的開口部に伝搬している音波を演算により、分離抽出する。従来の手法では、音響窓と音響センサーの数が一致していたが、本発明の（１）により、音響窓の数に対して音響センサーの数を減じることができ、また、信号処理部用ハードの小型化が可能となる。
【００１５】
本発明の（２）では、断面が一様であり、製作が容易になり、又、本発明の（３）では、受波器が曲面形状を有する水中走行体、等に装備し易くなり、音響的開口部も３次元的に配置できるので、複数の音響的開口部から音響センサーまでの音波伝搬特性が互いに異なるように容易に設定でき、分離抽出がやり易くなる。
【００１６】
本発明の（４）では、受波器には導波管が設けられ、導波管に音響センサーが設けられるので、各音響的開口部からの音波が音響センサーに至る直前で同一伝播条件となり、音響的解析が容易となり、かつ分離抽出の精度も向上する。又、本発明の（５）では、導波管の一端に楔形状が設けられているので導波管内での多重反射が減少し、音響センサーで受信する音波の精度が向上する。
【００１７】
本発明の（６）では、受波器は円形平板状であるので、２次元波動伝搬となり、又、導波管を設けることにより、導波管の楔形状の効果により多重反射も抑えられるので２次元的観測に適した受波器となる。
【００１８】
本発明の（７）では、受波器を（６）の発明の平板状から面形状を曲面としているので、受波器を３次元曲面を有する水中走行体の頭部に装備することができ、音響的開口部も３次元的な配置とし、音波伝搬特性を異なる特性として分離抽出も容易にすることができる。又、本発明の（８）では、受波器を曲面で形成される容器、例えば、タマゴ形としているので、音響的開口部もその表面で３次元的に配置され、かつ、伝搬する音波も受波器内で３次元波動伝搬となり、３次元的観測が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。まず、本発明で提案する受波装置は大きく分類すると、音響的開口部、受波器、音響センサー、信号増幅器、Ａ／Ｄ変換器、演算装置、記憶装置から構成される。以下に、本発明の実施の形態において詳しく説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施の第１形態に係る受波装置の構成図である。図において、ａ１は受波器であり、音波を受波し、伝播するもので、音波を受波する受波器内は、気体、液体、弾性体により、均一媒質、不均一媒質あるいは、これらが混在した構成となっている。受波器ａ１表面には、任意の位置に、複数個（２個以上であれば、何個でも良い）の音響的開口部ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４が設けられている。
【００２１】
音響的開口部ｂ１〜ｂ４は水中、空気中等の空間を伝搬してくる音波が、減衰が少ない状態で透過できる構造となっている。この音響的開口部ｂ１〜ｂ４は、通常は穴が開口しているが、内部の媒質が空気ではなく液体であると、ゴム等の薄い膜を設けることが必要であり、この場合には音波が透過し易いような材料、穴の形状を採用する。又、受波器全体が比較的音波を通し易い材料で構成されている場合には開口部以外の部分は遮音材により音波を遮断して音波が開口部のみから受波できるような構造を採用する。
【００２２】
又、受波器ａ１は音響的開口部ｂ１〜ｂ４に入射した音波が、縦波、横波など弾性波として伝搬する音波伝搬経路となっており、音波伝搬形態としては、図示の例では軸方向に進行する１次元波動伝搬となっている。又、複数個の音響的開口部に入射した音波は後述するように、１個の音響センサーに伝搬するように伝搬経路が形成されている。また、受波器端部での音響反射率が１より小さく設定されており、反射音が次第に小さくなる。
【００２３】
受波器ａ１の断面形状は軸方向に一定形状（図では円柱状）で、観測対象となる音波の半波長よりも比較的短く設定されており、受波器ａ１内での音波伝搬形態が近似的に、軸方向の１次元波動伝搬として取り扱う構成である。このような構成にすると、受波器ａ１内の波動伝搬形態が２次元，３次元波動伝搬に比べて、受波器ａ１の特性計測が簡単となる。又、断面形状が円、方形などのように一定の場合、断面形状を変化させるよりも製作が簡単になる利点がある。
【００２４】
又、受波器ａ１内は前述のように気体、液体、弾性体により、均一媒質、不均一媒質、あるいは、これらが混在した構成となっている。均一媒質にする構成は、例えば水、油用の受波器を製作するのは簡単となる利点があるが、一方、不均一媒体を採用する受波器は各音響的開口部ｂ１〜ｂ４から音響センサーまでの音波伝播特性が互いに異なるようになり、音波の分離抽出が容易となる。
【００２５】
ｃは音響センサーであり、受波器の側面（外表面）に設けられ、縦波、横波などの弾性波を電気信号、光信号等に変換するセンサーである。音響センサーｃは複数個の音響的開口部ｂ１〜ｂ４に入射した音波が検出され、１個のセンサーｃですべての信号が電気信号に変換される。
【００２６】
音響センサーｃにより検出された音波は、伝送線ｄにより信号増幅器ｇへ入力される。信号増幅器ｇはフィルター機能を兼ねた増幅器であり、検出された信号を増幅しＡ／Ｄ変換器ｈに出力する。Ａ／Ｄ変換器ｈはアナログ信号をディジタル信号に変換する装置で、増幅器ｇからの出力信号を受け、ディジタル信号に変換する。
【００２７】
ｒは記憶装置であり、各音響的開口部ｂ１〜ｂ４から音響センサーｃまでの各種の音波伝搬特性がインパルス応答関数として記憶されており、予め各種の音源の波形を記憶しておくものである。
【００２８】
ｑは演算装置であり、Ａ／Ｄ変換器ｈより入力されるディジタルデータと、記憶装置ｒに記憶されている各種のインパルス応答関数を用いて各音響的開口部ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４から送られてくる音波を推定し、音波の分離、抽出する演算を行う。演算装置ｑでは、各音響的開口部ｂ１〜ｂ４に伝播してくる音波の分離抽出演算に当たり、逆フィルタ又は適応型演算を用いる。
【００２９】
演算装置ｑの出力は、各音響的開口部ｂ１〜ｂ４に伝播する各音波の情報となっており、狭い受波ビームの形成などが必要なソーナー用受波信号、音響通信用受波信号、あるいは非破壊検査用の受波信号として使用できる。
【００３０】
図２は本発明の実施の第２形態に係る受波装置の構成図であり、実施の第１形態と異なる部分は、音響センサーｃを受波器内部に設置し、受波器ａ２としたものであり、その他の構成は図１と同じである。従って、図２では受波器ａ２の構成のみ図示し、その他のｇ，ｈ，ｑ，ｒの信号処理部は省略している。このような構成にすると、センサーｃの取付けが、受波器ａ２の表面に付けるよりも内部に装備した方が取付け易くなり、又、伝達特性を任意に変えることができる。その他の効果は図１に示す実施の第１形態と同様の効果が得られ、同様のソーナーや信号受信、非破壊検査用として用いることができる。
【００３１】
図３は本発明の実施の第３形態に係る受波装置の構成図で、同じく受波器のみを示し、その他の構成は図１と同じである。図において、図２に示す実施の第２形態と異なる部分は、受波器の軸を直線でなく、任意な曲線とし、又、その断面も一様でなく変化させた受波器ａ３としたものである。
【００３２】
このような形状の受波器ａ３とすることにより、受波器を、搭載する複雑な形状に合わせて装備することができ、又、音響的開口部ｂ１〜ｂ４が３次元的な配置とすることができ、断面形状が一定で直線状の図２のものと比べると、音響的開口部ｂ１〜ｂ４から音響センサーｃまでの音波伝搬特性が互いに異なるように容易に設定でき、分離、抽出が容易となるものである。その他の信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成、作用は図１に示す実施の第１形態のものと同じである。
【００３３】
図４は本発明の実施の第４形態の受波装置の構成図であり、図１に示す実施の第１形態と異なる部分は受波器には音響窓ｆを設け、更に、この音響窓ｆに導波管ｅを接続し、音響センサーｃを導波管ｅに設けた受波器ａ４とした部分にあり、その他の構成は図１の実施の第１形態と同じである。図において、受波器ａ４には音響窓ｆが設けられ、この音響窓ｆは受波器ａ４内の音波が導波管ｅに伝搬するように設けられた音響的開口である。導波管ｅの端部は吸音処理等により、音響反射率を１より小さくし、反射音が次第に小さくなるように設定されている。
【００３４】
又、導波管ｅには表面又は内部に音響センサーｃが設けられており、導波管ｅの形状は図では円筒形状であるが、任意の形状で良く、媒質も任意のもので良い。このような実施の第４形態によれば、音響的開口部ｂ１〜ｂ４からの音波は受波器ａ４内を通り、音響窓ｆから導波管ｅに集められ、音響センサーｃへ入力されるので、音響的な解析が容易となり、分離抽出の精度も向上するものである。その他の信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成、その作用は図１の実施の第１形態と同じである。
【００３５】
図５は本発明の実施の第５形態に係る受波装置の構成図であり、図４に示す実施の第４形態と異なる部分は、導波管の一端部を楔形状とした導波管ｅ１とし、このような導波管ｅ１を用いた受波器ａ５としたもので、その他の構成は図４に示すものと同じである。このような形状とすることにより、導波管ｅ１の楔形状の端部での反射量が減少し、導波管ｅ１内で多重反射する量が減少し、音響センサーｃに入力する音波の精度が向上するものである。信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成、その作用は図４に示す実施の第４形態と同じである。
【００３６】
図６は本発明の実施の第６形態に係る受波装置の構成図である。実施の第１〜第５形態の受波装置が１次元波動伝搬として扱える形状としていたが、本実施の第６形態では受波器ａ６の厚みを観測対象の音波の波長よりも比較的短く設定し、波動伝搬が面内での２次元波動伝搬のみとした形状としている。
【００３７】
図において、受波器ａ６は円板形状で、その厚みは観測対象の音波の波長よりも短くして厚み方向の音波の伝搬は無視するようにし、表面の２次元的な広がりの音波の伝搬のみとし、実施の第１〜第５形態ものと比べ、音波の２次元観測が容易となるものである。又、受波器ａ６には音響窓ｆが設けられ、図５に示す実施の第５形態と同様に一端に楔形状を有する導波管ｅ１を設け、音響センサーｃへ入力する音波の反射波を少くして音波の分離抽出を容易にする構造としている。その他の信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成、作用は図１に示す実施の第１形態のものと同じである。
【００３８】
図７は本発明の実施の第７形態に係る受波装置の構成図である。本実施の第７形態では図６に示す実施の第６形態と異なる部分は、受波器が平面でなく、任意の曲面とし、又、厚みも均一、あるいは任意の形状とした受波器ａ７としたものであり、その他の構成は図６に示す実施の第６形態と同じである。
【００３９】
このような構造の受波器ａ７を採用することにより、受波器ａ７を３次元曲面を有する水中走行体の頭部に装備することができ、厚みを均一にして厚み方向の伝搬を無視できる形状にすれば、受波器ａ７の平面内での２次元波動伝搬として扱うことができ、厚みを変化させる形状とすれば、任意の伝達特性を実現できる。その他の信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成、作用は図１に示す実施の第１形態のものと同じである。
【００４０】
図８は本発明の実施の第８形態に係る受波装置の構成図である。実施の第１〜第７形態までは受波器が１次元波動伝搬、あるいは２次元波動伝搬として扱える形状としたが、本実施の第８形態では受波器の寸法が観測対象音波の波長よりも長く、波動伝搬が３次元波動伝搬として扱える形状の受波器ａ８としている。
【００４１】
図８において、受波器ａ８の形状は、タマゴ形をしており、その他表面の形状は平面の組合せた形状、球面、任意の曲面より構成しても良い。受波器ａ８内には図１〜図７の側と同様に、気体、液体、弾性体により均一媒質、不均一媒質、あるいは、これらが混在した構成からなっている。受波器ａ８の表面には音響的開口部ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４が設けられ、又、音響窓ｆが開口し導波管ｅ１が設けられ、導波管ｅ１内には音響センサーｃが設けられている。その他の信号処理部のｇ，ｈ，ｑ，ｒの構成は図１に示す実施の第１形態のものと同じである。
【００４２】
この導波管ｅ１、音響センサーｃの構成、作用、効果は図５の実施の第５形態で説明した通りであり、本実施の第８形態においては、実施の第１〜第７形態のものと比べ、音響的開口部ｂ１〜ｂ４から伝搬される音波の３次元観測が容易となる。
【００４３】
以上説明の実施の第１〜第８形態の受波装置によれば、受波器ａ１〜ａ８の各種の形状を採用し、これら受波器に音響的開口部ｂ１〜ｂ４を設け、受波器には１個の音響センサーｃを設けて、受波器内を伝播してきた複数の音波を１個のセンサーｃで検知する構成とし、又、受波器ａ４〜ａ８には音響窓ｆを設けて導波管ｅ、又はｅ１を装備し、導波管に音響センサーｃを設け、複数の音波を検知するようにする。音響センサーｃで受けた音波の信号は、増幅器ｇ、Ａ／Ｄ変換器ｈを経由して演算装置ｑへ導き、記憶装置ｒに記憶されている各種音波のインパルス応答関数を用いて、音波を分離抽出するようにしたので、音響センサーｃは１個のみで良く、信号処理部用ハードも小型化が可能となり、装置構成を簡略化することができる。
【００４４】
なお、本実施の第１〜第８形態においては、受波装置を音波の例で説明したが、本発明は、音波に限定されず、伝搬媒体が電波の場合にも適用でき、電波を用いた通信機器用アンテナ及びレーダ等にも適用でき、同様の効果が得られるものである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の受波装置は、（１）表面に複数の音響的開口部を有し、内部には気体、液体、弾性体のいずれかの媒質またはこれらの混合媒体を封入した容器状の受波器と、同受波器の表面又は内部に設けられた１個の音響センサーと、同音響センサーの検出信号が入力される増幅器及びＡ／Ｄ変換器と、前記音響的開口部から受波器に入り受波器内を伝搬する各種音波のインパルス応答関数が予め記憶されている記憶装置と、前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を取り込み、前記記憶装置に記憶されている前記インパルス応答関数を用いて入力された音波を特定し、分離抽出する演算を行う演算装置とを具備したことを特徴としている。このような構成により、従来の手法では、音響窓と音響センサーの数が一致していたものを、音響窓の数に対して音響センサーの数を減じることができ、また、信号処理部用ハードの小型化が可能となる。
【００４６】
本発明の（２）では、断面が一様であり、製作が容易になり、又、本発明の（３）では、受波器が曲面形状を有する水中走行体、等に装備し易くなり、音響的開口部も３次元的に配置できるので、複数の音響的開口部から音響センサーまでの音波伝搬特性が互いに異なるように設定でき、分離抽出がやり易くなる。
【００４７】
本発明の（４）では、受波器には導波管が設けられ、導波管に音響センサーが設けられるので、各音響的開口部からの音波が音響センサーに至る直前で同一伝播条件となり、音響的解析が容易となり、かつ分離抽出の精度も向上する。又、本発明の（５）では、導波管の一端に楔形状が設けられているので導波管内での多重反射が減少し、音響センサーで受信する音波の精度が向上する。
【００４８】
本発明の（６）では、受波器は円形平板状であるので、２次元波動伝搬が容易となり、又、導波管を設け、導波管の楔形状の効果により多重反射も抑えられるので２次元的観測に適した受波器となる。
【００４９】
本発明の（７）では、受波器を（６）の発明の平板状から面形状を曲面としているので、受波器を３次元曲面を有する水中走行体の頭部に装備することができ、音響的開口部も３次元的な配置とし、音波伝搬特性を異なる特性として分離抽出も容易にすることができる。又、本発明の（８）では、受波器を曲面で形成される容器、例えば、タマゴ形としているので、音響的開口部もその表面で３次元的に配置され、かつ、伝搬する音波も受波器内で３次元波動伝搬となり、３次元的観測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る受波装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の第２形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図３】本発明の実施の第３形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図４】本発明の実施の第４形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図５】本発明の実施の第５形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図６】本発明の実施の第６形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図７】本発明の実施の第７形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【図８】本発明の実施の第８形態に係る受波装置の構成図で、その受波器を示す。
【符号の説明】
ａ１〜ａ８    受波器
ｂ１〜ｂ４    音響的開口部
ｃ            音響センサー
ｄ            伝送線
ｅ，ｅ１      導波管
ｆ            音響窓
ｇ            信号増幅器
ｈ            Ａ／Ｄ変換器
ｑ            演算装置
ｒ            記憶装置
ｐ            音波
【図１】
0003758911.tif 000002
【図２】
0003758911.tif 000003
【図３】
0003758911.tif 000004
【図４】
0003758911.tif 000005
【図５】
0003758911.tif 000006
【図６】
0003758911.tif 000007
【図７】
0003758911.tif 000008
【図８】
0003758911.tif 000009