(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中あるいは水中の音波を遮音する金属、プラスチックまたは空気層に相当する材料等で構成されたホン型遮音体であって、
下記数１にてそのホンの形状定数μがμ＞2にて構成されることを特徴とするホン型遮音体。
【数１】
0003738646.tif 000003
【請求項２】
請求項１記載の遮音体に、ホンの形状係数μがμ≧0にて構成され、遮音方向が第１の遮音体と反対になる第２の遮音体を備えたことを特徴とするホン型遮音体。
【請求項３】
請求項１〜２記載の遮音体であって、回折波を反射・減衰させるための第３の遮音体を音波の遮音方向あるいは第１、第２の遮音体の間に備えたことを特徴とするホン型遮音体。
【請求項４】
請求項１〜３記載の遮音体であって、第１、第２の遮音体の高さＬが遮音周波数における媒体の波長の３倍以上で構成されることを特徴とするホン型遮音体。
【請求項５】
請求項１〜４記載の遮音体であって、金属で構成しその厚さｔが遮音周波数における媒体の波長の１／１０以下にて構成されることを特徴とするホン型遮音体。
【請求項６】
請求項１〜５記載の遮音体に、無指向性送受波器を備えたことを特徴とするホン型遮音体付き送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意方向の空中あるいは水中音波を広帯域で遮音する遮音体及び任意方向を遮音すると供にそれ以外の方向については無指向性化を実現する前記遮音体付き送受波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音源と受音装置が共存する空間において、特定方向の音源が発する音波が受音装置の妨害音となる場合が多々ある。例えば、船舶に装備する魚群群探知器やソーナー等、音源より音を送波し目標物からの反射音を受音装置にて受波するシステムにおいて、船舶のプロペラノイズや船体からの放射雑音等が受音装置の妨害音となる場合である。
【０００３】
また、音源から音を常に放射し、そのエコー音を受音装置で受波する送受同時運用を考えた音響システムにおいて、音源からの直接音が、受音装置の妨害音になる場合等がある。
【０００４】
これらの問題を回避するために、従来は「吸音くさびの水圧特性」（海洋音響学会講演論文集、Ｐ１、１９９１年５月）に記載のゴム材に気泡を混入したクサビ状吸音ゴム等で音源の音を吸音したり、「水中伝搬音に対する障壁の遮音効果」（海洋音響学会講演論文集、Ｐ１３、１９９１年５月）記載の遮音体のように単なる金属壁で遮音していた。
【０００５】
しかしながら、前者のクサビ状吸音ゴムを使用した場合、水圧印加時に気泡がつぶれてしまうため、水深の深い場所では効果がなく、また長時間水中に放置すると水を吸収し特性が変化してしまい性能が劣化する等改良すべき点があった。
【０００６】
後者の金属壁を使用した場合は、音源と受音装置を結ぶ音響軸に対して垂直に反射面があるために、そこからの反射音が送受指向性に影響を及ぼす等の改良すべき点があった。
【０００７】
その他にホン型遮音体の例として「コニカル状バッフルを有する円筒送波器の指向性」（海洋音響学会講演論文集、Ｐ３９、１９９０年５月）に記載された、円筒送波器にコニカル形状のホン型遮音体を形成した例がある。この場合は、筐体反射音が送波器指向性に及ぼす影響の計算を示したに過ぎず、任意の方向の音波を広帯域で抑制する遮音効果は小さい。
【０００８】
また、任意方向の感度を抑制する手法として、次のような手法がある。一つは、アレイを構成しその指向性のヌルを感度抑制したい方向に向ける方法である。もう一つは音源音波と逆位相の音波を直接音と重畳させアクティブに音波を消す方法等である。
【０００９】
しかしながら、これらの方法では特定の周波数だけの遮音であり、広帯域に感度を抑制することは困難である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記点に鑑み、広帯域・高水圧下において任意の方向の遮音を可能とする遮音体を提供することにある。
【００１１】
また、この遮音体と球殻等の無指向性送受波器とを組み合わせ、任意の方向を遮音するとともにそれ以外の方向については、無指向性化を実現する送受波器を提供することにある。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。まず、遮音体に係わる実施形態を説明する。
【００１３】
図１、図２は、音源１、遮音体２、受音装置３との関係を示図、図３は、遮音体付き音源の指向性概念図であり、遮音方向の相対感度レベルと感度抑制指向幅を小さくするための技術を示している。
【００１４】
図４は、遮音方向が相対する第１と第２のホン型遮音体５、６の間に第３の遮音体７を挿入し、直径２ａの球殻音源４を有する遮音体モデルである。
【００１５】
図２６は、遮音体の原理図である。以下遮音の原理について説明する。図２６において、球殻音源４から遮音体方向に送波された直接波１３は、第１、第２、第３の遮音体５、６、７と媒体１７の境界及び遮音体内部を伝播、（１６）、第１の遮音体５と第３の遮音体７の接合部から回折波１４が発生する。この回折波１４は音波合成ポイント１８において合成し、図３に示すような遮音方向に指向性のローブ１９ができる。この回折波１４によって発生する指向性のローブ１９を小さくし、図３に示す感度抑制指向幅を狭くすることが本特許の目的である。
【００１６】
図２６において、目標の感度抑制指向幅を実現するために球殻音源４から遮音体方向に送波された直接波１３を第１の遮音体５により拡散させる。第１の遮音体５と第３の遮音体７の接合部から発生した回折波１４は、音波合成ポイント１８において合成するため、このポイントに第３の遮音体７を挿入すると回折波１４が第３の遮音体７により反射１５され、大きな遮音効果が得られるものである。
【００１７】
図４に示す遮音体５の寸法・形状パラメータを変化させ、遮音方向の相対感度レベルと感度抑制指向幅を評価する。評価（計算）は、医療用超音波装置及び水中音響機器等で実績のある時刻歴有限要素解析プログラムを利用することで可能である。（１）第１の遮音体５のホン形状係数μを変化させた場合
第１、第２の遮音体５、６を、図５に示すベッセルホンにて評価する。ここで形状係数をμ、ホン上下端部の断面積をそれぞれとS0、SLと置くと、ベッセル・ホーンの断面半径xは数１の式で表すことができる。
【００１８】
【数１】
0003738646.tif 000002
【００１９】
即ち、図５に示すように、小さい方の直径を２d、大きい方の直径を２Wと置き、形状係数μを変化させた時のホン形状関数の計算結果を図６に示す。ここでμ＝１．０はパラボラ、μ＝２．０はコニカル、μ＝∽はエクスポネンシャルホンとなる。ホンの先端に直径２ａなる球殻音源４を配置し、音を送波した時の遠距離音場における遮音方向の相対感度レベルと感度抑制指向幅を算出した。ここで、第２の遮音体６の形状係数は２に固定した。そのときの計算結果を図７、図８に示す。ｋａは球殻音源４の半径ａを基準とした周波数の関数であり、波数ｋはｋ＝２π／λ（λ計算周波数における媒体１７の波長）で表すことができる。図からわかるように、２つの評価項目が安定した値となるのはμ＞２である。この範囲を越えμ≦２とすると、相対感度レベルは小さくなるが、感度抑制指向幅が広くなってしまい性能が劣化する。つまり、ホンの形状がコニカルホンよりも小さくした方が安定した特性になることを示している。
【００２０】
（２）第２の遮音体６のホン形状係数ψを変化させた場合
第２の遮音体６のホン形状は、上記数１の形状係数μをψに置き換えて計算した。また第１の遮音体５の形状係数μを２に固定した。そのときの計算結果を図９、図１０に示す。ψを小さくすると相対感度レベルは小さくなり第１の遮音体５と同傾向の結果となるが、感度抑制指向幅については形状係数ψを変化させてもほぼ一定値となる。
【００２１】
上記（１）、（２）の結果より、第１、第２の遮音体５、６のホン形状係数μ、ψは、遮音方向の相対感度レベルに影響を与えるが、感度抑制指向幅については、第１の遮音体５の形状係数μのみ関係あり、第２の遮音体６の形状係数ψには影響を受けないことがわかる。
【００２２】
（３）第３の遮断体７の長さｌを変化させた場合
第１の遮音体５と第２の遮音体７の形状係数をそれぞれμ＝３．０、ψ＝２．０に固定し、第３の遮音体７の長さｌを変化させた場合の計算結果を図１１、図１２に示す。相対感度レベルは、ｌが大きくなればなるほど小さくなるが、感度抑制指向幅は変化しない。つまり第３の遮音体７は、第１の遮音体５と第３の遮音体７の接合部で拡散された回折波１４が合成するポイント１８にあるため、第３の遮音体７にて回折波１４を散乱・反射１５させることで、後方に発生する指向性のローブ１９を抑制することができる。従って、長ければ長いほど回折波１４の合成を阻止できるため、ｌの長さに比例して遮音方向の相対感度レベルが小さくなる。
【００２３】
（４）遮音体の板厚ｔを変化させた場合
上記（１）〜（３）は形状効果確認のため、遮音材料を真空状態で計算した。実際、空中、水中等の空間において真空状態を保つためには、何らかのきょう体が必要になる。そこで遮音体材料をＡＬとし、この板厚を変化させ第１の遮音体５と第２の遮音体７の形状係数をそれぞれμ＝３．０、ψ＝２．０に固定し指向性を計算した。その結果を図１３、図１４、図１５に示す。これらの結果からわかるように、中実状態では遮音体内部に透過した音波が遮音方向に再放射し、指向性の乱れが遮音方向に発生している。このため遮音方向の指向性のローブも大きくなってしまう。この透過波の影響を押さえるため板厚ｔを小さくすると、その結果、小さくすればするほど真空状態の指向性に近づく。具体的には遮音周波数における媒体の波長をλとすると板厚ｔが波長の１／１０λ以下で、遮音方向の指向性乱れがなくなり、ローブも小さくなることがわかる。また、金属で遮音体を構成できるため水圧特性が良い。
【００２４】
（５）遮音形状を相似比で大きくした場合
第１及び第２の遮音体５、６の形状係数はそれぞれμ＝３．０、ψ＝２．０に固定で、遮音体を相似的に大きくし計算した。また遮音体の材料は真空状態で計算した。計算結果を図１６、図１７、図１８に示す。相対感度レベルは遮音体が大きければ大きいほど小さくなるが、感度抑制指向幅は変化しない。つまり、遮音体端面の大きい方の直径２Ｗは感度抑制指向幅の開口角とほぼ同等の大きさとなり、遮音体の高さＬは遮音周波数における媒体の波長の３倍以上で効果が現れる。
【００２５】
上記（１）〜（５）の結果より、第１の遮音体の形状係数がμ＞２、第１、第２の遮音体５、６の長さＬ及び遮音体の厚みｔが、それぞれ遮音周波数における媒体の音波波長の４倍以上及び１／１０以下のとき有効な遮音効果が得られる。第３の遮音体７の長さｌについては長さに比例して遮音効果が得られる。
【００２６】
図１９は、本発明の遮音体を示す図である。同図において、船底へ装備したソーナーアレイ９から全方位へ音波を発生する。船尾方向の音波は第１の遮音体５から船首方向へ反射することなく、第１の遮音体５の開口角にほぼ等しい指向幅で船尾方向へ音を放射する。その一部の音波が回折波として船尾方向へ回り込むが、第３の遮音体７により船尾方向への音を反射・減衰させる。一方受波は船尾方向のプロペラ１０が雑音源となるが、送受指向性は同じであるため、プロペラ雑音は第３の遮音体７と第１の遮音体５により減衰し、ソーナーアレイ９へ到達することはない。従って、エコー音をＳ／Ｎの良い状態で受信することができる。
【００２７】
図２０〜図２５に本発明に関わる遮音体付き球殻送受波器の実施例を示す。
【００２８】
図２０は、球殻圧電素子１１に水密用ウレタン樹脂１２でモールドした音源１に本発明の第１の遮音体５を装着した送受波器の実施例である。同図において、ケーブル８を介して球殻圧電素子１１に電気信号を供給すると、電気エネルギーを振動エネルギーへ変換し音波を放射する。音源形状が球殻であるため、広帯域で全方位に音波を放射すため、第１の遮音体５にも音波が到来する。第１の遮音体５へ到来した音波は遮音体の外形にそって音波が拡散するため、遮第１の遮音体５の開口角にほぼ等しい指向性で音波を放射する。従って、受音装置３方向の音のレベルが抑制され、受音装置３に入射する直接音とエコー音を分離することができ、送受波同時運用が可能となる。音源１と受音装置３が反対に構成されても良い。
図２１は、球殻音源１と受音装置３を本発明の第１の遮音体５と第２の遮音体６で結合した例である。原理は図２０と同じであるが、送受供に遮音体を備えているため、遮音効果は図２０に比較すると大きくなる。
図２２は、図２１の送受波器に第３の遮音体７を装備した例である。音源から放射した音波は第１の遮音体５で拡散され、第３の遮音体７へ回折波がぶつかる。この回折波は第３の遮音体７で反射・透過・減衰され受波装置３方向での音波を減衰させエコー音をＳ／Ｎの良い状態で受波することができる。
【００２９】
図２３は、図２２の変形例である。回折波は第１の遮音体５から離れた位置にて合成するため、この位置に第３の遮音体７を配置しても良い。
【００３０】
図２４は、図２２の変形例である。第１の遮音体５、第２の遮音体６、第３の遮音体７で構する遮音体を複数個、音源１と受音装置３の間に構成した実施例である。
【００３１】
図２５は、図２２の変形例である。回折波を第１の遮音体５と第３の遮音体７の間、及び第２の遮音体６と第３の遮音体７の間の空間で繰り返し反射させ減衰させる例である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は広帯域・高水圧下において、任意方向の遮音を効果的に実現し、またこの遮音体と球殻等の無指向性送受波器とを組み合わることで、任意の方向を遮音するとともにそれ以外の方向について無指向性化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の音源―遮音体―受音装置の位置関係を示す概念図。
【図２】本発明の音源―遮音体―受音装置の位置関係を示す概念図。
【図３】本発明の遮音体付き音源の指向性概念図。
【図４】本発明の計算パラメータを示す図。
【図５】本発明の計算パラメータを示す図。
【図６】本発明の計算結果を示す特性図。
【図７】本発明の計算結果による感度レベルを示す特性図。
【図８】本発明の計算結果による感度抑制指向幅を示す特性図。
【図９】本発明の計算結果による遮音方向相対感度レベルを示す特性図。
【図１０】本発明の計算結果による感度抑制指向幅を示す特性図。
【図１１】本発明の計算結果による遮音方向相対感度レベルを示す特性図。
【図１２】本発明の計算結果による感度抑制指向幅を示す特性図。
【図１３】本発明の計算結果による指向性を示す図。
【図１４】本発明の計算結果による遮音方向相対感度レベルを示す特性図。
【図１５】本発明の計算結果による感度抑制指向幅を示す特性図。
【図１６】本発明の計算結果による指向性を示す図。
【図１７】本発明の計算結果による遮音方向相対感度レベルを示す特性図。
【図１８】本発明の計算結果による感度抑制指向幅を示す特性図。
【図１９】本発明の遮音体の一実施例を示す図。
【図２０】本発明の遮音体付き送受波器の一実施例を示す図。
【図２１】本発明の遮音体付き送受波器の他の実施例を示す図。
【図２２】本発明の遮音体付き送受波器の更に他の実施例を示す図。
【図２３】本発明の遮音体付き送受波器の実施例を示す図。
【図２４】本発明の遮音体付き送受波器の実施例を示す図。
【図２５】本発明の遮音体付き送受波器の実施例を示す図。
【図２６】本発明の遮音体の原理図。
【符号の説明】
１・・・・・音源
２・・・・・遮音体
３・・・・・受音装置
４・・・・・球殻音源
５・・・・・第１の遮音体
６・・・・・第２の遮音体
７・・・・・第３の遮音体
８・・・・・ケーブル
９・・・・・ソーナーアレイ
１０・・・・プロペラ
１１・・・・球殻圧電素子
１２・・・・水密用ウレタン樹脂
１３・・・・直接波
１４・・・・回折波
１５・・・・反射波
１６・・・・伝搬波
１７・・・・媒体
１８・・・・回折波の合成ポイント
１９・・・・指向性のローブ
【図１】
0003738646.tif 000004
【図２】
0003738646.tif 000005
【図３】
0003738646.tif 000006
【図４】
0003738646.tif 000007
【図５】
0003738646.tif 000008
【図６】
0003738646.tif 000009
【図７】
0003738646.tif 000010
【図８】
0003738646.tif 000011
【図９】
0003738646.tif 000012
【図１０】
0003738646.tif 000013
【図１１】
0003738646.tif 000014
【図１２】
0003738646.tif 000015
【図１３】
0003738646.tif 000016
【図１４】
0003738646.tif 000017
【図１５】
0003738646.tif 000018
【図１６】
0003738646.tif 000019
【図１７】
0003738646.tif 000020
【図１８】
0003738646.tif 000021
【図１９】
0003738646.tif 000022
【図２０】
0003738646.tif 000023
【図２１】
0003738646.tif 000024
【図２２】
0003738646.tif 000025
【図２３】
0003738646.tif 000026
【図２４】
0003738646.tif 000027
【図２５】
0003738646.tif 000028
【図２６】
0003738646.tif 000029