JP2001356165A - 船首ドーム・ソナー及び水中物体の検出方法 - Google Patents

船首ドーム・ソナー及び水中物体の検出方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のソナー・アセンブリよりもはるかに小型
で軽量化が可能であり、且つ、従来設計と同様の高い性
能を有する船首ドーム・ソナー・アセンブリを提供する
こと。 【解決手段】本発明は、単一音響ハウジング内部に閉じ
込められた個別送信および受信アレイを有する、船の船
首で使用するための小型モジュラ・ソナー・アセンブリ
である。本発明に係るソナー・アセンブリは、細く小型
の設計が、典型的な船首ドーム・ソナー設計に比べて、
流体力学的に望ましいバルバス・バウ設計にはるかに良
く適合し、低コストで、かつサイズおよび重量を低減し
て良好な性能を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、潜水艦および他の
水中障害物を水中で検出するためのソナー・センサに関
する。より詳細には、高出力密度を有するフレックステ
ンショナル・トランスデューサまたはその他の小型トラ
ンスデューサと、個別受信センサとを利用する船または
潜水艦の船首で使用するための小型モジュラ・ソナーに
関し、従来の長範囲ソナー・システムに比べて性能が良
く、コストが安く、サイズおよび重量が小さいものに関
する。
【０００２】
【従来の技術】当技術分野でよく知られているように、
ソナー搭載船および潜水艦は、潜水艦および他の水中障
害物の検出に有用である。そのようなソナーの１つの特
定のタイプは、船または潜水艦の船首ドーム内に取り付
けられる。一般に、船首ドーム・ソナー・アレイは、船
または潜水艦の船体に取り付けられ、音響的に透過性の
窓または楕円体ドームによって保護されたソナー・セン
サである。例えば、船の船体に水中で取り付けられたソ
ナー・システムを一般的に記述する米国特許第５４００
３００号を参照のこと。また、水中ドーム形ソナー・ア
センブリを一般的に記述する米国特許第５７１９８２４
号も参照のこと。
【０００３】船首ドーム・ソナー・アセンブリの音響窓
内部に、音波投射および受信トランスデューサがある。
ソナーの分野では、投射トランスデューサは通常、入力
電気信号に応答して水域中に音響出力信号を投射するた
めに使用される。受信トランスデューサは通常、ソナー
・アセンブリに反射し返された音響波を受信し、反射さ
れた音響エネルギーに応答して出力信号を生成するため
に使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術であ
る船首ドーム・ソナーの能力は、各種あるが長範囲（３
０〜４０海里）ソナー・アセンブリに関しては、アセン
ブリのサイズおよび重量の問題がある。
【０００５】即ち、水上船用の典型的な長範囲ソナー・
アセンブリのサイズは、それらを収容するのに必要な船
体設計に影響を及ぼすほど大きい。これは、船のレンジ
およびその動作速度を低減する。また、従来のソナー・
アセンブリは非常に重く（例えば３０〜４０トン）これ
らソナー・アセンブリは、水域中でそれらを牽引するの
に多大なエネルギーを必要とし、船の燃料効率および動
作速度を低下させる。このアセンブリの大きなサイズお
よび重い重量が、船の流体力学に悪影響を及ぼし、抗力
の増大および燃料効率の低下をもたらす。
【０００６】そこで、本発明は、従来技術で知られてい
るものよりもはるかに小さいパッケージで軽量化が可能
であり、且つ、従来設計と同様の高い性能を有する船首
ドーム・ソナー・アセンブリを提供することである。
尚、本発明の文脈では、船とは潜水艦を含むものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者等によれば、上
述した従来の船首ドーム・ソナーは、送信機能と受信機
能の両方を有する単一トランスデューサ・アレイを使用
するものである。このようなデュアル機能トランスデュ
ーサを用いる設計では、送信機能から受信機能へのトラ
ンスデューサの移行を要し、そのための複雑な交換網を
必要とする。その結果、ソナーのコストおよび重量が増
大するのである。
【０００８】本発明者等は、従来技術のデュアル機能ト
ランスデューサに替えて、投射機能と受信機能を行うた
めのトランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの
配置を適当とした船首ドーム・ソナー・アセンブリとす
ることで上記課題を解決することできるとした。
【０００９】即ち、本発明は、 ａ）駆動回路に独立して接続される送信トランスデュー
サ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置し
た状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを
閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、 ｂ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付
け可能なフレームと、 ｃ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレーム
に順次に位置決めされた複数のステーブと、 ｄ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステ
ーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受
信ハイドロフォンと、 ｅ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジング
と、 を備えるソナー・アセンブリである。
【００１０】個別に送信および受信アレイを有するこの
設計は、従来技術よりも細く小型の船首ドーム設計とな
る。この設計はまた、複雑な交換網を必要とせず、キャ
ビネットを受け取り、埋込型牽引アレイ遠隔測定の使用
を可能にする。これは、個別トランスデューサが、送信
および受信機能で使用されるからである。また、本発明
に係るソナー・アセンブリは、典型的なソナー船首ドー
ム設計に比べ、より細く、より背の高い形状であり、こ
れは流体力学的に望ましいとされるバルバス・バウ設計
に良く適合する。
【００１１】本発明はさらに、このソナー・アセンブリ
を用いた水中物体を検出するための方法を提供する。即
ち、 ａ）（ｉ）駆動回路に独立して接続される送信トランス
デューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次
並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記ア
レイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、（ｉｉ）
前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可
能なフレームと、（ｉｉｉ）前記圧力ハウジングを取り
囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数の
ステーブと、（ｉｖ）信号検出回路に独立して接続さ
れ、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決め
される一連の音響受信ハイドロフォンと、（ｖ）フレー
ムを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、を備え
るソナー・アセンブリを設け、 ｂ）前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音
響信号を伝送し、 ｃ）反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによ
って受信し、 ｄ）前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたア
ナログ信号をサンプリング手段によってサンプリング
し、 ｅ）サンプリング手段によりサンプリングされたアナロ
グ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法であ
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１に、本実施形態に係る船首ド
ーム・ソナー・アセンブリ１の斜視図を示す。図示する
ように、アセンブリ１は、閉鎖形の、好ましくは円筒形
の圧力ハウジング４を備え、その圧力ハウジング４内部
に閉じ込められ、細長いアレイ３を構成する送信トラン
スデューサ要素２が順次積層されている。この図ではハ
ウジング４が切り取って示されている。各送信トランス
デューサは図示せぬ駆動回路に独立して接続されてお
り、これによりそれらの音響投射を個別に制御すること
ができる。圧力ハウジング４の両端は、船の船首５に取
付け可能なフレーム１７の内側から取り付けられてい
る。そして、複数のステーブ６が、各ステーブがフレー
ムの上部１６とフレームの底部１８との間に延在するよ
うにフレーム１７の周縁部の周りに順次に位置決めされ
る。更に、一連の音響受信ハイドロフォン８が各ステー
ブ６に沿って位置決めされており、各ハイドロフォン８
は図示せぬ信号検出回路に独立して接続される。そし
て、音響的に透過性のハウジング１２がフレームを封じ
込めている。
【００１３】当技術分野では様々なタイプの送信トラン
スデューサが知られており、フレックステンショナル・
トランスデューサ、曲げディスク・トランスデューサ、
スロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バ
イアス・トランスデューサ等が含まれ、いずれも本発明
へ使用可能である。本発明で使用するのに最も適したト
ランスデューサは、高出力密度変換材料を使用するもの
である。「高出力密度」は、変換材料と振動ユニットの
組合せが高い音響強度を生み出すことを意味し、この音
響強度とは、トランスデューサ放射面に垂直な単位領域
を介するエネルギーの平均流量である。その単位として
は、例えばジュール毎秒毎平方メートルまたはワット毎
平方メートルが用いられる。本発明で使用される送信ト
ランスデューサは、好ましくは、１２００ワット／ｍ２
以上の音響強度を有するものである。
【００１４】このようなトランスデューサとしては、ス
ロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バイ
アス・トランスデューサ、フレックステンショナル・ト
ランスデューサがある（これらトランスデューサの詳細
については、米国特許第４７０９３６１号、米国特許出
願第０９／２７６０３０号、米国特許第５４９７３５７
号および米国特許第５２３９５１８号参照。）。本発明
において最も好ましいトランスデューサは、フレックス
テンショナル・トランスデューサである。
【００１５】図２は、本発明で有用なフレックステンシ
ョナル・トランスデューサ２の斜視図を示す。フレック
ステンショナル・トランスデューサ要素は、凹状または
凸状の側壁を有する中空シェル２４を備える。そして、
中空シェル２４内にはその両端に渡ってセラミック・ス
タック２６が延在する。この高出力密度セラミック・ス
タック２６は、スタックに結合された電極を介して十分
な駆動電圧を受けたときに、両端部に力を及ぼし、凹状
または凸状側壁を歪曲させるようになっている。図３
は、一対のトランスデューサ要素を、分解したものであ
る。それぞれが高出力密度セラミック・スタック２６を
含む２つの開いた中空シェル２４が示されている。ここ
で、各シェルはエンドキャップ２８によってカバーされ
る。キャップを介して延在する電極２０は、セラミック
・スタックに電気的に接続される（電極２０は防水コネ
クタ内部に収容されている）。図４は、２つのフレック
ステンショナル・トランスデューサを合流させてなる送
信トランスデューサ要素を示すが、この送信トランスデ
ューサ要素２は２つのフレックステンショナル・トラン
スデューサがエラストマー・シール３０によって接合さ
れている。シール３０は、各トランスデューサ要素の開
いた側面に取り付けられる。尚、２つフレックステンシ
ョナル・トランスデューサの接合にはエラストマー・シ
ールの他、金属スペーサを用いても良く、この場合スペ
ーサおよびシェルを、封止カバーまたはブートによって
取り囲むようにしても良い。また、対合するトランスデ
ューサ要素２の両端の開口部、エンドキャップ２８によ
って閉じられ、それにより中空長円形容器を形成してい
る。
【００１６】図４で示すように、本実施形態では２つの
トランスデューサ要素を並列に固定させてトランスデュ
ーサ・モジュールとしている。このトランスデューサ・
モジュール内のセラミック・スタック（図４では合計４
個になる）の配置としては、まずトランスデューサ要素
の長手方向の２つのセラミック・スタックが、ソナー・
アセンブリの動作周波数帯域の中心で略１／４波長の距
離で離隔されているのが好ましい。また、トランスデュ
ーサ・モジュール内のセラミック・スタックの水平方向
の配置としては、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域
の中心で略１／４波長の距離で隔離しているのが好まし
い。このようにトランスデューサ内のセラミック・スタ
ックの距離を規定するのは、流体媒体中への音響信号伝
送時の位相遅延と水平方向ステアリングとを考慮するた
めである。
【００１７】トランスデューサは、静水負荷または動的
駆動状態によって誘発される引張応力を補償するのに十
分なセラミックに対する圧縮負荷を供給するように構成
されることが好ましい。トランスデューサにはシェル形
状が異なる多くのタイプのフレックステンショナル・ト
ランスデューサが知られているが、対称低周波トランス
デューサが好ましい。通常はトランスデューサを大きく
するより大きな、かつ／またはより厚い壁を有するシェ
ルを使用することによって、より低い共鳴周波数が達成
される。低周波数トランスデューサは、海水中の音響信
号の低い減衰を示し、トランスデューサがより高い出力
を有する必要があるときに使用される。送信トランスデ
ューサが、１０００ＨＺ〜１００００Ｈｚの範囲内の共
鳴周波数を有することが好ましい。フレックステンショ
ナル・トランスデューサは、同等のサイズおよび重量を
有する他のタイプのトランスデューサに比べ、より広い
帯域幅を有し、より低い動作周波数、およびより高い出
力処理能力で小型であるため好ましい。１つの好ましい
フレックステンショナル・トランスデューサ（「Ｃｌａ
ｓｓ ＩＶ フレックステンショナル・トランスデュー
サ」）は、楕円形状シェル内部に、シェルの主軸に沿っ
て取り付けられた円筒形または長方形セラミック駆動装
置を含むものである。
【００１８】各高出力密度セラミック・スタック２６
は、金属電極を挟持するセラミック・プレートが積層さ
れてなり、電極が並列に接続されている。各スタック要
素は、トランスデューサ動作状態中にその接着力を失わ
ないエポキシなどの適切な接着剤によって次のスタック
要素ならびに端部に取り付けられている。スタックの各
要素は、平坦であり、好ましくは長方形または円形であ
り、長さおよび幅が約０．５インチ〜約６インチ（約
１．２７ｃｍ〜約１５．２４ｃｍ）の範囲内であり、厚
さが約０．００５インチ〜約０．５インチ（約０．０１
２７ｃｍ〜約１．２７ｃｍ）の範囲内である場合があ
る。セラミック・スタック全体は、シェル２４内に嵌ま
る長さを有する。スタックは、室温で、室温よりも低い
温度で、または室温よりも高い温度で動作することがで
きる。連続的な動作にわたって高出力を達成するための
好ましい動作温度は、１０℃〜１３０℃、より好ましく
は２０℃〜１００℃、最も好ましくは２０℃〜９０℃の
範囲内である。スタックは、スタック要素またはシェル
に直接取り付けられたロッド加熱器またはブランケット
加熱器によって加熱することができる。
【００１９】セラミック・スタックを構成するセラミッ
クは、電歪、圧電、または磁歪材料など任意の適切なセ
ラミック結晶材料よりなる。セラミック結晶は、製造プ
ロセス中に高い直流電圧を受ける場合、永久的に分極さ
れ、圧電領域内で動作する。次いで、電気信号がセラミ
ック・スタックに印加されて、機械的振動を発生させ
る。代替方法として、結晶の分極をもたらすために、動
作中にセラミック・スタックに直流電圧を一時的に印加
することができる。これらの条件下では、投射器の動作
が電歪領域内にある。直流電圧の印加が停止された後
は、セラミック・スタックはもはや分極されない。上記
２つのうち、圧電セラミック・スタックの方がより一般
的に使用される。
【００２０】好ましい電歪材料には、ニオブ酸鉛マグネ
シウム（ＰＭＮ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸
鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン
酸鉛−チタン酸バリウム（ＰＭＮ−ＰＴ−ＢＡ）、ジル
コン酸ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）、ジルコン酸ニオブ酸鉛−
チタン酸バリウム（ＰＺＮ−ＢＡ）、Ｐｂ１−ｘ ２＋Ｌ
ａｘ ３＋（ＺｒｙＴｉｚ）１−ｘ／４Ｏ３（ＰＬＺＴ）
が含まれる。好ましい圧電材料には、ジルコン酸チタン
酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）、およびＮ
ｂＬｉＯ３が含まれる。当技術分野でよく知られている
ように、ニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）、好ましく
はニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−Ｐ
Ｔ）が好ましい。好ましくは、ニオブ酸鉛マグネシウム
は、電気音響トランスデューサの動作温度にほぼ等しい
キュリー温度Ｔｍを有する。高出力投射器適用例では、
従来のＰＺＴと比べて最大１１ｄＢの有利な改良値を与
えるのでＰＭＮ−ＰＴ材料が特に魅力的である。この増
大を使用して、システムのサイズ／重量に大きな影響を
与えることなくより高いピーク源レベルを生成すること
ができる、または増大を使用して、より小さく、より軽
量のアレイ内で同等のシステム性能を達成することがで
きる。用語ＰＭＮ−ＰＴは、電歪性質が様々に異なるセ
ラミックの属を記述するために使用する。チタン酸鉛
（ＰＴ）（および他の材料）とＰＭＮの比が、材料性能
（誘電正接、カップリングなど）、およびこれらの特性
が最大になる温度（Ｔｍ）に影響を及ぼす。トランスデ
ューサではＴｍ＝８５℃のＰＭＮ材料が好ましい。この
材料は優れた電歪性質を有し、しかしまた、材料を他の
ＰＭＮセラミックよりも使用可能なものとする他の機械
的または電気的特性も示す。ＰＭＮ−ＰＴ組成物は、ト
ランスデューサを駆動するために使用するとき、ＰＺＴ
セラミックスよりも著しく高いひずみ速度、したがって
より高い音響源レベルを与える。他の有用なセラミック
材料には、排他的にではなく、ＰＭＮＲＴ（Ｔｍ＝２５
℃）、ＰＭＮ−１０／３（Ｔｍ＝８５℃）、ＰＭＮＨＴ
（Ｔｍ＝８５℃）、およびＰＺＴ８（Ｔｍ＝２５℃）が
含まれる。磁歪材料には、ニッケル合金および希土類鉄
合金が含まれる。好ましい磁歪材料は、登録商標Ｔｅｒ
ｆｅｎｏｌとして知られているテルビウムジスプロシウ
ム鉄合金である。
【００２１】送信トランスデューサまたは投射器は通
常、ピストン、シェル、またはシリンダなどの機械的被
動部材と、駆動装置とを含む。駆動装置は、電気エネル
ギーに応答し、そのようなエネルギーを機械的エネルギ
ーに変換して機械的被動部材を駆動する。被動部材は、
機械的エネルギーを音響波に変換し、それが水域中を伝
播する。ほとんどの音響トランスデューサが、磁歪また
は圧電性質を有する材料を使用する駆動装置要素を有す
る。磁歪材料は、印加磁場が存在する時に寸法が変化
し、圧電材料は、電場が存在する時に機械的変形を受け
る。一般的な圧電駆動装置は、転極を伴って積層された
個別セラミック要素からなるセラミック・スタック駆動
装置である。このスタック構成では、セラミック・スタ
ックが長手方向に分極されている。電気駆動信号がセラ
ミック・スタックの要素に印加され、それに応答して、
各要素が長手方向に伸長および収縮する。個々の要素の
変位が累積されて、スタックの総変位を与える。シェル
をその短い軸に沿って圧縮することによってプレストレ
スがスタックに印加され、それにより主軸寸法を延ば
し、わずかに過大なセラミック・スタック駆動装置を主
軸に沿って配置することができるようにする。楕円形シ
ェルに加えられる圧縮力を解放することで、スタックが
圧縮状態で配置される。この構成では、楕円形シェル
が、駆動要素と、トランスデューサが配置されている水
域などの媒体との間で機械インピーダンス・トランスフ
ォーマとして働く。いくつかのフレックステンショナル
構成では、セラミック・スタックが２つの部品として形
成され、セラミック駆動装置の対が支持構造を用いて分
離され、楕円形シェルの短軸にわたって配置されてシェ
ルの各端部で端板に対する取付け表面を与えるためのＩ
字形ビーム・フレームを有する。
【００２２】エンドプレート２８は、トランスデューサ
・スタックを封止し、内部構成要素を外部媒体から保護
する。この様式で使用されるとき、スタック支持構造
は、セラミック・スタック駆動装置内で発生した熱を放
散するための熱経路を与える。この熱シンク機能は、高
出力適用例では非常に重要になる場合がある。セラミッ
ク・スタック駆動装置の動的励振により、スタックが伸
長および収縮する。セラミック・スタックの端部に与え
られた小さな速度が、楕円形シェルの主面でのはるかに
大きな速度に変換され、トランスデューサが配置されて
いる媒体内部に音響場を発生させる。一般に、シェルの
駆動点への接触がセラミック・スタック・アセンブリの
みによってなされる良好な電気音響効率が望まれる。支
持構造と端板は一般に、シェルから物理的に離隔されて
いる。この構成では、フレックステンショナル・トラン
スデューサは、「空気バック」されていると言われる、
すなわちシェルと支持構造との接点に空気が配置され
る。
【００２３】トランスデューサ・シェルは、鋼、アルミ
ニウム、ファイバグラス、または適切なポリマー材料な
ど任意の適切な材料からなる。壁の厚さは、０．２５イ
ンチ〜３インチ（約０．６３５ｃｍ〜約７．６２ｃｍ）
の範囲内の壁厚が有用である。各シェルは、高さ約７イ
ンチ〜約４フィート（約１７．７８ｃｍ〜約１．２１９
ｍ）、幅約１．５インチ〜約２フィート（約３．８１ｃ
ｍ〜約６０．９６ｃｍ）など、任意の好都合な長さおよ
び幅を有することができる。
【００２４】高出力密度電歪セラミックを有するトラン
スデューサ・アセンブリは、好ましくは、セラミック・
スタックを分極するために第１の電気信号を供給するバ
イアス手段を有する。各トランスデューサに交流駆動信
号を印加する手段も設けられる。これは、各トランスデ
ューサから音響的に同相の出力信号を発生させる。交流
駆動信号は、各トランスデューサにわたって個別に印加
される。トランスデューサは、駆動電圧と同様の電気イ
ンピーダンスを呈示するように設計されている。２つの
トランスデューサのインピーダンスは、同じであって
も、異なっていてもよく、ただし３０％程度のばらつき
が許容可能である。好ましいトランスデューサ・アセン
ブリでは、トランスデューサ対が、好ましくは同じ共鳴
周波数を有する。
【００２５】アレイ３は、上記トランスデューサ・モジ
ュールを積層させたものであり、略円筒形の音響的に透
過性の圧力ハウジング４内部に支持され閉じ込められて
いる。この圧力ハウジングは、ソナー・アセンブリの動
作中のキャビテーションを防止する。ハウジング４は、
対向する端部でＵ字形フレーム１７の上部１６および底
部１８に内部から取り付けられている。このフレーム
は、図示されるように船の船体５に取り付け可能であ
る。図５は圧力ハウジング４の断面図を示し、圧力ハウ
ジング４が封じ込めるトランスデューサのアレイ３を示
す。トランスデューサのアレイ３は、支持体９によって
取り付けられている。
【００２６】図５で示すように、本実施形態では、８つ
のモジュールが使用されているが、この数はそれより多
くても、少なくてもよい。各個別トランスデューサ２
は、搭載船信号発生器（図示せず）からトランスデュー
サへ必要な信号を供給するのに適した電極２０によっ
て、駆動回路に独立して接続することができる。高出力
密度セラミック・スタックは、一方のトランスデューサ
要素のスタックが、対向するトランスデューサ要素のス
タックと並列になるように位置決めされている。
【００２７】ここで、トランスデューサ・モジュール内
のセラミック・スタックの積層方向の間隔は、各セラミ
ック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯
域の中心で略１／２波長の距離で離隔されている。これ
は、上記と同様、流体媒体中への音響信号伝送時の位相
遅延と鉛直方向ステアリングとを考慮したものである。
【００２８】アセンブリ１のハウジング４、ならびに支
持体９は、金属またはポリマー金属からなっている。さ
らにハウジング４は、海水や、本発明の範囲内の目的に
適切な任意の他の流体など、流体を充填される。ソナー
・デバイスの動作が、発生した音場によって生成される
負圧によりキャビテーションを生じる可能性がある。こ
の負圧は、水の圧力を蒸気圧未満に低下させ、それによ
り水の蒸発を可能にする。この問題を解決するために、
圧力ハウジング４が２．７５×１０−３Ｐａ（４０ｐｓ
ｉ）〜３．４５×１０−３Ｐａ（５０ｐｓｉ）の範囲内
の圧力で維持されるのが好ましい。
【００２９】再び図１を参照すると、圧力ハウジング４
の周りに、複数のステーブ６が順次に位置決めされてい
る。ステーブ６は、金属、ポリマー、あるいはハイドロ
フォンおよびデュアル音響モジュールを支持するために
使用される他の金属の長く細いストリップである。この
ステーブの数は、２０〜８０個、より好ましくは３０〜
５０個とする。これらのステーブ６は、フレーム１７の
第１の上部１６と第２の底部１８の間に延在する。図６
および図７で見ることができるように、各ステーブ６に
沿って一連の音響受信ハイドロフォン８の対が位置決め
されている。
【００３０】図６は、１のステーブ６の正面図を示す。
典型的には、長さが６フィート〜８フィート（約１．８
２９ｍ〜約２．４３８ｍ）であり、しかしそれよりも長
い、またはそれよりも短くても良い。ハイドロフォン８
は通常、ソナー・システム内で受信機として使用され
る。これらのハイドロフォン８はそれぞれ、信号検出回
路に独立して接続され、ソナー・アセンブリに送り返さ
れる反射音響信号をインターセプトするために使用され
る。典型的には、ハイドロフォンは、広い周波数範囲に
わたって動作するように設計され、一般に、意図される
最大動作周波数の波長に関してサイズが小さくなってい
る。また、信頼可能な遠隔測定を容易にするために、ス
テーブ上にハイドロフォンまたはハイドロフォンの対か
らの受信アナログ信号をサンプリングするデュアル音響
モジュール１０を設置するの好ましい。
【００３１】図１に見られるように、音響的に透過性の
窓またはドーム１２がフレーム１７を取り囲んでいる。
この音響窓１２は、フレームを送信および受信アレイと
共に封じ込めて、閉鎖形の加圧チャンバを形成する。こ
の加圧チャンバはさらに、システムの動作中にアセンブ
リ１をキャビテーションから保護する。音響窓１２によ
って形成されるチャンバはまた、流体を充填されて、
１．０３×１０−３Ｐａ（１５ｐｓｉ）〜１．７２×１
０−３Ｐａ（２５ｐｓｉ）の範囲内にある圧力で維持さ
れる。適切な流体には、海水又は適切な任意の他の流体
が含まれる。そのような音響的に透過性のドームは、楕
円体や円形など任意の従来の形状を有することができ
る。別法として、ドームは、船の船体５の曲線部分に簡
単に適合することができ、そのためビルディングまたは
他の構造物の窓に似ている。そのような音響窓などによ
って取られる特定の物理的形態は、ドームの後方に、ま
たはドームによって少なくとも部分的に画定されるエン
クロージャ内部に位置決めされた音響送信機または受信
機装置によって与えられる特定の音響波形送信／受信機
能に応ずる。窓は、従来の構造的材料からなっていてよ
いが、強化型もしくは非強化型熱硬化性プラスチック、
または強化型もしくは非強化型熱可塑材料等が適用され
る。この他、低密度、高モジュラス金属または金属合
金、あるいは炭素組成物から形成することができる（こ
れらの材料については米国特許第４９９７７０５号参
照。）。
【００３２】次に、本実施形態に係るソナー・アセンブ
リの動作について説明する。船上の電源から、投射トラ
ンスデューサ要素２上の電極２０へ交流が送られる。こ
の電気信号の印加により、高出力密度セラミック要素
が、各セラミック・スタックの長さに沿って伸長、収縮
して振動する。この振動は、円筒形ハウジング４に伝達
されて、シェルの短軸に沿った振動をもたらす。この振
動が音響波を発生し、それがハウジング４および窓１２
を通って海水中に送られる。
【００３３】投射された音響波は、ターゲットに達する
と、反射されてソナー・アセンブリに戻され、受信アレ
イによって受信される。受信アレイは、アセンブリが広
い領域からの音響データをカージオイド鉛直および水平
パターンで受信することを可能にするように構成され、
船の船体および送信アレイからの波反射をなくし、それ
によりアセンブリがデータを受信する可能性があるノイ
ズを最小限に抑える。
【００３４】ハイドロフォン８は、反射音響波をアナロ
グ信号として受信する。その後、音響モジュール１０
が、各ハイドロフォンまたはハイドロフォンの対から受
信されたアナログ信号をサンプリングし、そのアナログ
信号からデジタル信号を生成する。サンプリングされた
データは、デジタル信号に変換され、船内部で光ファイ
バ・ケーブルを介して処理装置ユニットに伝送される。
これにより、船乗組員が、船へ音を反射したターゲット
を検出し、定位することが可能になる。記述した受信ア
レイは、受動モードで使用することもでき、その場合、
能動アレイによって励振されないが、潜水艦または他の
ターゲットによって放出された音響信号を受信する。
【００３５】尚、本発明に係る水中物体の検出方法は、
上述したソナー・アセンブリをまず設けること、次いで
複数のトランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号
を送信すること、反射された音響信号を音響受信ハイド
ロフォンによって受信すること、ハイドロフォンまたは
ハイドロフォンの対によって受信されたアナログ信号を
サンプリング手段によってサンプリングすること、およ
びアナログ信号からデジタル信号を生成するという工程
を含むものである。そして、デジタル信号の表現が、陰
極線管など任意の適切な表示手段によって表示される。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るソナ
ー・アセンブリは、投射機能と受信機能を行うためのト
ランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの配置を
適当としたものであり、これにより従来技術で知られて
いるものよりもはるかに小さいパッケージで軽量とな
る。これにより、船の燃料効率および動作速度を低下さ
せることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】個別送信および受信アレイを有する船首ドーム
・ソナー・アセンブリの斜視図である。
【図２】フレックステンショナル・トランスデューサ要
素の斜視図である。
【図３】エンドキャップが除去された状態での２つの離
隔された送信フレックステンショナル・トランスデュー
サ要素の斜視図である。
【図４】２つの隣接する送信トランスデューサ対を示す
正面図である。
【図５】圧力ハウジング内の送信トランスデューサを示
す図である。
【図６】ハイドロフォンおよびデュアル音響モジュール
を有するステーブの一部分の正面図である。
【図７】１つのステーブの正面図である。
【符号の説明】
１ 船首ドーム・ソナー・アセンブリ ２ 送信トランスデューサ要素 ３ アレイ ４ 圧力ハウジング ５ 船体 ６ ステーブ ８ ハイドロフォン ９ 支持体 １０ 音響モジュール １２ 音響的に透過性のハウジング １７ フレーム
フロントページの続き (72)発明者 メリル イー ファイアー アメリカ合衆国 カリフォルニア 91351, キャニオン カントリー，バイオレット レーンウェイ 15373 (72)発明者 アーネスト セオドア ビック アメリカ合衆国 カリフォルニア 91321, ニューホール，ハデン コート 23010 (72)発明者 スコット エー ハドソン アメリカ合衆国 カリフォルニア 91381, スティーブンソン ランチ，ドイルコート 25445 Ｆターム(参考） 5J083 AA02 AB12 AC31 AF15 AF18 CA01 CA09 CA12 CA35 CB02 CB22

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）駆動回路に独立して接続される送信
    トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要
    素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイ
    と、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジング
    と、 ｂ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付
    け可能なフレームと、 ｃ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレーム
    に順次に位置決めされた複数のステーブと、 ｄ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステ
    ーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受
    信ハイドロフォンと、 ｅ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジング
    と、を備えるソナー・アセンブリ。
  2. 【請求項２】 送信トランスデューサ要素が、１０００
    ＨＺ〜１００００Ｈｚの範囲内の共鳴周波数を有する請
    求項１に記載のソナー・アセンブリ。
  3. 【請求項３】 送信トランスデューサ要素が、フレック
    ステンショナル・トランスデューサ、曲げディスク・ト
    ランスデューサ、またはスロット付き円筒形トランスデ
    ューサを含む請求項１又は請求項２に記載のソナー・ア
    センブリ。
  4. 【請求項４】 送信トランスデューサ要素が、高出力密
    度電歪セラミック材料のスタックを備える請求項１〜請
    求項３に記載のソナー・アセンブリ。
  5. 【請求項５】 送信トランスデューサ要素が、高出力密
    度磁歪材料のスタックを備える請求項１〜請求項３に記
    載のソナー・アセンブリ。
  6. 【請求項６】 送信トランスデューサ要素は、凹状また
    は凸状側壁を有する中空楕円形シェルを備える一対の凹
    状または凸状フレックステンショナル・トランスデュー
    サからなり、前記一対のフレックステンショナル・トラ
    ンスデューサは対向する端部で合流するようになってお
    り、 各フレックステンショナル・トランスデューサは、その
    内部に高出力密度電歪セラミック・スタックまたは磁歪
    スタックを、その内面の両端間に延在した状態で有し、 前記スタックは電極に結合されており、電極を介して十
    分な駆動電圧をスタックが受けるときに、対向する端部
    に力を及ぼし、凹状または凸状側壁を歪曲させるように
    適合されている請求項１に記載のソナー・アセンブリ。
  7. 【請求項７】 トランスデューサ要素を構成する一対の
    フレックステンショナル・トランスデューサは、エラス
    トマー・シールを介して合流しており、 一方のフレックステンショナル・トランスデューサの電
    歪または磁歪スタックが他方のフレックステンショナル
    ・トランスデューサの電歪または磁歪スタックに並列に
    なるように位置決めされ、 トランスデューサ要素の両端の開口部がエンドキャップ
    によって閉じられた請求項６に記載のソナー・アセンブ
    リ。
  8. 【請求項８】 ２つのトランスデューサ要素を並列させ
    てトランスデューサ・モジュールを形成し、前記トラン
    スデューサ・モジュールを圧力ハウジングの両端にわた
    って複数積層させてなる請求項７に記載のソナー・アセ
    ンブリ。
  9. 【請求項９】 トランスデューサ・モジュールを８層積
    層させた請求項８に記載のソナー・アセンブリ。
  10. 【請求項１０】 トランスデューサ要素内のセラミック
    ・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の
    中心で略１／４波長の距離で離隔している請求項６〜請
    求項９に記載のソナー・アセンブリ。
  11. 【請求項１１】 トランスデューサ・モジュール内のセ
    ラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波
    数帯域の中心で略１／４波長の距離で隔離している請求
    項８〜請求項１０に記載のソナー・アセンブリ。
  12. 【請求項１２】 トランスデューサ・モジュール内のセ
    ラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波
    数帯域の中心で略１／２波長の距離で、積層方向で離隔
    されて積層されている請求項８〜請求項１０に記載のソ
    ナー・アセンブリ。
  13. 【請求項１３】 高出力密度セラミック・スタックが、
    ニオブ酸鉛マグネシウム、またはニオブ酸鉛マグネシウ
    ム−チタン酸鉛を含む請求項６〜請求項１２に記載のソ
    ナー・アセンブリ。
  14. 【請求項１４】 音響受信ハイドロフォンが、ステーブ
    の両側面に沿って対向して配列されている請求項１〜請
    求項１３に記載のソナー・アセンブリ。
  15. 【請求項１５】 音響受信ハイドロフォンによって受信
    されたアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号か
    らデジタル信号を生成するための手段を備える請求項１
    〜請求項１３に記載のソナー・アセンブリ。
  16. 【請求項１６】 ステーブの両側面に沿って対向して配
    列されている音響受信ハイドロフォンの対からアナログ
    信号をサンプリングし、アナログ信号の各対に対応して
    デジタル信号を生成するための手段を備える請求項１４
    に記載のソナー・アセンブリ。
  17. 【請求項１７】 送信フレックステンショナル・トラン
    スデューサが実質的に同一である請求項１〜請求項１６
    に記載のソナー・アセンブリ。
  18. 【請求項１８】 圧力ハウジングがシリンダである請求
    項１〜請求項１７に記載のソナー・アセンブリ。
  19. 【請求項１９】 圧力ハウジングが、２．７５×１０
    −３Ｐａ（４０ｐｓｉ）〜３．４５×１０−３Ｐａ（５
    ０ｐｓｉ）で内部から加圧される請求項１〜請求項１８
    に記載のソナー・アセンブリ。
  20. 【請求項２０】 圧力ハウジングが流体を充填される請
    求項１〜請求項１９に記載のソナー・アセンブリ。
  21. 【請求項２１】 音響的に透過性のハウジングが、１．
    ０３×１０−３Ｐａ（１５ｐｓｉ）〜１．７２×１０
    −３Ｐａ（２５ｐｓｉ）で内部から加圧される請求項１
    〜請求項２０に記載のソナー・アセンブリ。
  22. 【請求項２２】 フレームは船の船首に接続可能に形成
    されている請求項１〜請求項２１に記載のソナー・アセ
    ンブリ。
  23. 【請求項２３】 水中物体を検出するための方法であっ
    て、 ａ）（ｉ）駆動回路に独立して接続される送信トランス
    デューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次
    並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記ア
    レイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、 （ｉｉ）前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取
    り付け可能なフレームと、 （ｉｉｉ）前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フ
    レームに順次に位置決めされた複数のステーブと、 （ｉｖ）信号検出回路に独立して接続され、前記複数の
    ステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音
    響受信ハイドロフォンと、 （ｖ）フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジン
    グと、を備えるソナー・アセンブリを設け、 ｂ）前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音
    響信号を伝送し、 ｃ）反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによ
    って受信し、 ｄ）前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたア
    ナログ信号をサンプリング手段によってサンプリング
    し、 ｅ）サンプリング手段によりサンプリングされたアナロ
    グ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法。
  24. 【請求項２４】 デジタル信号を表示装置によって表示
    することを含む請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 音響受信ハイドロフォンをステーブの
    両側面に沿って対向して配列させ、対向するハイドロフ
    ォンの対から受信されたアナログ信号をサンプリング
    し、アナログ信号の各対に対応してデジタル信号が生成
    させる請求項２３又は請求項２４に記載の水中物体を検
    出するための方法。
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