JP2009008425A

JP2009008425A - 音響模擬信号標的用送受波器

Info

Publication number: JP2009008425A
Application number: JP2007167596A
Authority: JP
Inventors: Akira Kameyama; 明亀山
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】小型軽量にして周波数帯域幅が広く、かつ低周波数にも適した音響標的用送受波器を提供する。
【解決手段】到来音波を円筒型圧電振動子４で受波し、対向する２組の内面電極６ａと６ｃ、６ｂと６ｄから取り出したダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａ、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂを、信号処理器２３によりトロイダル指向性信号３に変換し、増幅器２４ａにて増幅してオムニ指向性信号２に変換し、入力変成器１３ａ、１３ｂの１次側中性点と円筒型圧電振動子４の外周電極７間に入力して送波することにより円筒型圧電振動子４を用いて送受波を同時作動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に水中で使用するための送受波器に関し、特に音響模擬信号標的（以下、音響標的と記す）用送受波器に関する。

従来より、水中の物体を捕らえるためのソナーの評価や、訓練用に実物の標的艦等を用いて行うのでは、多大の工数と費用がかかるために、代わりに模擬的な音響を発生する音響標的が開発されている。例えば、水中で使用される音響標的としては、特許文献１のアクティブソナー用目標音響模擬システムや、特許文献２、３、４の音響標的等がある。

音響標的は、ソナーの音波を受信してそれに応じて模擬音響を発信する。この受波した音波を電気信号に変換する受波器と、電気信号を音波に変換する送波器を持つ構成上、従来からハウリング（自己発振現象）の抑制が考慮されてきた。

特許文献４に記載されている従来の音響標的を図を用いて説明する。図８は、従来の音響標的用送受波器を示す構成図である。図８に示すように、従来の音響標的は、受波器２５と送波器２６からなる送受波器２１ｂと、伝送ケーブル２２ｂ及び増幅器２４ｂで構成されていた。

送受波器の重要な性能であるクロストークは、従来の音響標的用送受波器では音波の形態で送波系統から受波系統に漏洩することから、音響クロストークであった。受波器２５と送波器２６の間の音響クロストーク２９ｂを減衰させるために、円筒型圧電振動子を複数個積層配列して組み立て、配列軸を一致させて垂直軸とし、受波器２５と送波器２６の間に送波器受波器間距離３０を設けていた。

このような配置構成とすることで、送受波器２１ｂの水平方向が無指向性であるため水平面全方位からの到来音波２７ｂを受波し、出力音波２８ｂを送波して音響標的として機能し、受波器２５と送波器２６の相対する軸方向の垂直方向指向性による減衰と、送波器受波器間距離３０による距離伝播減衰とで受波器２５と送波器２６の間の音響クロストーク２９ｂを抑制し、音響標的の異常現象であるハウリング（自己発振現象）を抑制していた。

特開平０６−１０２３４５号公報特開２００３−３０７５６５号公報特開２００４−６９１１７号公報特開２００６−２６６９６８号公報

従来の音響標的用受波器の構成によれば、送波器と受波器間に減衰用の距離が必要なことから、送受波器を小型化、軽量化することはできなかった。

特に低周波数の音響標的用送受波器の場合は、波長が長くなるので送波器と受波器間の減衰用の距離も長くする必要があり、送受波器寸法が大きく、重くなるという問題があった。

ところで、音響標的の作動範囲、即ち俯仰角範囲は広いことが望まれ、送受波器の垂直指向性については、広指向幅が求められている。ところが、音響クロストークを抑制する必要があるために９０度方向（即ち軸方向）指向係数を小さくすると、垂直指向幅が狭くなり、音響標的の作動範囲を広くすることはできなかった。

本発明は、上記課題を解決し、小型軽量にして周波数帯域幅が広く、かつ低周波数にも適した音響標的用送受波器を提供するものである。

本発明は、到来音波を受波器で電気信号に変換し、増幅回路にて増幅された前記電気信号を音波に変換し、送波器から送波する音響擬似信号標的用送受波器において、前記到来音波を、円筒型圧電セラミックに外周電極と内周電極を設け前記内周電極を４等分した内面電極を有する円筒型圧電振動子にて受波し、対向する２組の前記内面電極からダイポール指向性ｘ軸信号とダイポール指向性ｙ軸信号として取り出し、各々を１次側中性点を有する変成器に入力し移相回路にて９０度位相差を与えた後、加算回路にて加算することにより得られたトロイダル指向性信号を、電圧増幅回路及び電力増幅回路にて増幅してオムニ指向性送波信号に変換し、前記１次側中性点と前記外周電極間に入力して送波することにより、送受波を同時作動することを特徴とする音響標的用送受波器である。

本発明は、前記変成器の１次側に平衡調整終端回路を付加したことを特徴とする音響標的用送受波器である。

本発明によれば、受波器と送波器が１個の円筒型圧電振動子を共用して構成されることから送受波器の構成要素の数が最小となり、かつ従来技術の構成で必要であった送波器受波器間距離が不要になることから全長、質量共に半分以下とすることができる。

本発明の送受波器で生じるクロストークは、円筒型圧電振動子を用いて、対向する２組の内面電極間で発生する呼吸振動信号の差動出力誤差成分であることから、円筒型圧電振動子のダイポール指向性信号を発生する並進振動モード（正式には円周に沿った１次の縦振動）とオムニ指向性信号を発生する呼吸振動モード（正式には円周に沿った０次の縦振動）の間の振動クロストークである。振動クロストークは音響クロストークより低いことから円筒型圧電振動子が共用でありながら送受波同時作動が可能な送受波器を実現することができる。

円筒型圧電振動子の対向する２組の内面電極間で発生する呼吸振動信号の差動出力誤差成分は、内面電極の寸法誤差による個々の受波信号レベルの不揃いによることから、これらの内面電極に接続される個々の受波信号レベルが揃っているほど良好になる。したがって、内面電極から引き出される出力端、即ち１次側中性点を有する変成器の入力端に平衡調整終端回路を接続し、受波信号レベルの平衡度を調整することにより、容易に振動クロストークを低減することができる。

また、本発明による音響標的用送受波器によれば、トロイダル指向性受波信号の−６ｄＢ垂直指向幅が１２０度と広く、従来技術の受波器の約２倍の広指向幅が得られる。

本発明の実施の形態について、以下に図を用いて詳細に説明する。

図４は、ダイポール指向性信号の説明図である。図４（ａ）は平面図であり水平方向の指向性を示している、図４（ｂ）は正面図であり垂直方向の指向性を示している。図４（ａ）の平面図にて、ダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａがＸ＝ＣＯＳθであり、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂがＹ＝ＳＩＮ θであり、お互いに直交している事を示している。また、図４（ｂ）の正面図では、ダイポール指向性信号の垂直軸（ｚ軸）方向をＺ＝ＣＯＳφで示している。

図５は、オムニ指向性信号の説明図であり、図５（ａ）は平面図であり水平方向の指向性を示している。図５（ｂ）は正面図であり、垂直方向の指向性を示している。図５（ａ）の平面図では水平方向では無指向性であり、図５（ｂ）の正面図では、垂直方向では無指向性に近い指向性を持っていることを示している。

図６は、トロイダル指向性信号の説明図であり、図６（ａ）は平面図であり、水平方向での指向性を示している。図６（ｂ）は正面図であり、垂直方向での指向性を示している。図６（ａ）の平面図では水平方向では無指向性であり、図６（ｂ）の正面図では垂直方向では、ダイポール指向性を持っていることを示している。

図２は、円筒型圧電振動子の構成を示す斜視図である。円筒型圧電振動子の構成は図２に示すように、円筒型圧電セラミック５に内周電極と外周電極７を設け、内周電極を４等分した内面電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有している。

図１は、本発明による音響標的用送受波器の回路ブロック図である。本発明による音響標的用送受波器は、図１に示すように円筒型圧電振動子４と信号処理器２３と増幅器２４ａから構成されている。

ここで、信号処理器２３は、平衡調整終端回路１２ａ、１２ｂ、入力変成器１３ａ、１３ｂ、＋４５度移相回路１４ａ、−４５度移相回路１４ｂ、加算回路１５から構成されている。

増幅器２４ａは出力変成器１１、電圧増幅回路１６、電力増幅回路１７から構成されている。

円筒型圧電振動子４において、到来音波を受波し、対向する内面電極６ａと６ｃ、６ｂと６ｄでの並進振動（円周面に沿った１次の縦振動）により機械電気変換し、ダイポール指向性信号が得られる。

ダイポール指向性信号は、図１において円筒型圧電振動子４の上下に対向している内面電極６ａと６ｃから、ダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａとして取り出すことができる。

さらに、図１において円筒型圧電振動子４の左右に対向している内面電極６ｂと６ｄから、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂとして取り出すことができる。

ダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａは平衡調整終端回路１２ａを介して中性点を有する入力変成器１３ａの１次側に入力され、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂは、平衡調整終端回路１２ｂを介して中性点を有する入力変成器１３ｂの１次側に入力される。

入力変成器１３ａに入力されたダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａは、＋４５度移相回路１４ａに接続され、入力変成器１３ｂに入力されたダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂはと−４５度移相回路１４ｂに接続される。これによりダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａとダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂは、相対的に９０度の位相差となり、次に加算回路１５で加算してトロイダル指向性信号３に変換される。

このときのトロイダル指向性信号３のトロイダル指向性Ｔは、ダイポール指向性の関数形式Ｘ＝ＣＯＳθとＹ＝ＳＩＮθを用い、９０度位相差を虚数記号ｊで記すと次式（１）のように表される。

｜Ｔ｜＝｜ＣＯＳθ＋ｊ×ＳＩＮθ｜＝１・・・・・・・（１）

これからトロイダル指向性信号３の水平指向性は無指向性となることがわかる。

トロイダル指向性信号３は信号処理器２３から増幅器２４ａに伝達される。すなわち、電圧増幅回路１６と電力増幅回路１７で増幅されオムニ指向性信号２に変換される。

オムニ指向性信号２は、出力変成器１１を介して、入力変成器１３ａと１３ｂの１次側中性点と円筒型圧電振動子４の外周電極７に伝達される。そして、円筒型圧電振動子４の外周電極７から送波される。外周電極７に伝達されたオムニ指向性信号２は、呼吸振動（円周に沿った０次の縦振動）により発生する振動を機械電気変換している。

ここで、受波信号系統は、対向する２組の内面電極６ａと６ｃ、６ｂと６ｄから信号を引き出しているので、送波の電気信号に対して、同一電位間にあるので感知しない。また、送波の呼吸振動信号に対しても、対向する２組の内面電極間６ａと６ｃ、６ｂと６ｄで発生する振動を機械電気変換した電気信号の差動接続となるので感知しない。したがって、到来音波による並進振動（円周面に沿った１次の縦振動）による受波信号のみをダイポール指向性信号のｘ軸方向１ａ及びダイポール指向性信号のｙ軸方向１ｂに変換する。これらのことからオムニ指向性信号２の送波系統とダイポール指向性信号１ａ、１ｂの受波系統間のクロストークは非常に低く、送受波の同時作動が可能となる。

ここで、円筒型圧電振動子４のクロストークの要因は、主に２組の対向する内面電極６ａと６ｃ、６ｂと６ｄ間で発生する呼吸振動信号の差動出力誤差成分であり、その寸法誤差による個々の元信号レベルの不揃いによることから、これを調整してクロストークを低減させることができる。

この調整手段として円筒型圧電振動子４の対向する２組の内面電極６ａと６ｃ、６ｂと６ｄからのリード線出力端、即ち入力変成器１３ａ、１３ｂの入力端に平衡調整終端回路１２ａ、１２ｂが付加されている。

なお、送受波器と信号処理器および増幅器が分離している場合には、その間を伝送ケーブルで接続し、信号変換が行うことができる。

図３は、本発明による音響標的用送受波器の構成図である。本発明による音響標的用送受波器は、図３に示すように、送受波系統で共用する円筒型圧電振動子を用いた送受波器２１ａと信号処理器２３及び増幅器２４ａとなり構成が単純であるため小型軽量化が可能である。

図７は本発明による音響標的用送受波器の、送受波のクロストーク比の測定結果を示すグラフである。図５のオムニ指向性信号２に１Ｖ（０ｄＢ）の信号を加えたときのダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａ、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂに発生する送波信号の漏れ電圧のクロストーク比Ｘ（ｄＢ）と、オムニ指向性信号２の送波電圧感度とダイポール指向性ｘ軸方向信号１ａ、ダイポール指向性ｙ軸方向信号１ｂの受波電圧感度の積（リニア単位での積であり、ｄＢ表示では和）で表す感度積Ａを呼吸振動の共振周波数ｆｏから並進振動の共振周波数ｆｄまでの範囲とその近傍の周波数特性として示したグラフである。ｆｄとｆｏは、次式（２）のように表される。図７では、ｆｏ−２（ｋＨｚ）からｆｏ＋７（ｋＨｚ）の範囲で周波数特性を示した。

ｆｄ＝ｆｏ＋５（ｋＨｚ）・・・・・・・（２）

音響標的の性能を表すターゲットストレングス（ＴＳ）は前記感度積に増幅利得を加えた関数形式で示され、また、ハウリング（自己発振現象）の限界がクロストーク比Ｘに前記増幅利得を加えた値が正にならない（０もしくは−αｄＢ）条件で示されることから、最大ターゲットストレングス（ＭＴＳ）は次式（３）で表される。

ＭＴＳ＝（Ａ−Ｘ）−α（ｄＢ）・・・・・・・・（３）

図７より、呼吸振動の共振周波数ｆｏにてＭＴＳは２３（ｄＢ）、並進振動の共振周波数ｆｄにおいて２１ｄＢであり、実測値は二つの共振周波数を含む広帯域でＭＴＳが概ね一定であり、かつ必要なターゲットストレングスを満たすことができた。

本発明による送受波器は、主に水中で使用する音響標的用として説明してきたが、送受波系統切替え機能の圧電振動子構造は、他の円筒型圧電振動子を用いた水平面全方位ソーナー等にも適用できるものである。

本発明による音響標的用送受波器の回路ブロック図。円筒型圧電振動子の構成を示す斜視図。本発明による音響標的用送受波器の構成図。ダイポール指向性信号の説明図。図４（ａ）は平面図。図４（ｂ）は正面図。オムニ指向性信号の説明図。図５（ａ）は平面図。図５（ｂ）は正面図。トロイダル指向性信号の説明図。図６（ａ）は平面図。図６（ｂ）は正面図。本発明による音響標的用送受波器による送受波のクロストーク比の測定結果を示すグラフ。従来の音響標的用送受波器の構成図。

符号の説明

１ａダイポール指向性ｘ軸方向信号
１ｂダイポール指向性ｙ軸方向信号
２オムニ指向性信号
３トロイダル指向性信号
４円筒型圧電振動子
５円筒型圧電セラミック
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ内面電極
７外周電極
１１出力変成器
１２ａ、１２ｂ平衡調整終端回路
１３ａ、１３ｂ入力変成器
１４ａ＋４５度移相回路
１４ｂ −４５度移相回路
１５加算回路
１６電圧増幅回路
１７電力増幅回路
２１ａ、２１ｂ送受波器
２２ａ、２２ｂ伝送ケーブル
２３信号処理器
２４ａ、２４ｂ増幅器
２５受波器
２６送波器
２７ａ、２７ｂ到来音波
２８ａ、２８ｂ出力音波
２９ａ振動クロストーク
２９ｂ音響クロストーク
３０送波器受波器間距離

Claims

到来音波を受波器で電気信号に変換し、増幅回路にて増幅された前記電気信号を音波に変換し、送波器から送波する音響擬似信号標的用送受波器において、前記到来音波を、円筒形圧電セラミックに外周電極と内周電極を設け前記内周電極を４等分した対向する２組の内面電極を有する円筒型圧電振動子にて受波し、前記内面電極からダイポール指向性ｘ軸信号とダイポール指向性ｙ軸信号として取り出し、各々を１次側中性点を有する変成器に入力し移相回路にて９０度位相差を与えた後、加算回路にて加算することにより得られたトロイダル指向性信号を、電圧増幅回路及び電力増幅回路にて増幅してオムニ指向性送波信号に変換し、前記１次側中性点と前記外周電極間に入力して送波することにより、送受波を同時作動することを特徴とする音響模擬信号標的用送受波器。
前記変成器の１次側に平衡調整終端回路を付加したことを特徴とする請求項１の音響模擬信号標的用送受波器。