JP2014508461A - 低周波電気音響変換器及び音響波を生成する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、水中音響通信のために浸漬流体（８）内に浸漬可能な電気音響変換器に関し、２つのホーン（３ａ、３ｂ）と、カウンターウェイト（４）と、カウンターウェイトの両側に配置され、対称軸（６）に沿って位置合わせされ、両端がそれぞれホーンに結合されている、２つの電気音響モータ（１ａ、１ｂ）と、を備え、ユニットは、電気音響モータ、カウンターウェイト、及びホーンで構成され、縦方向電気音響共振モードを生成できるようになっている。本発明によれば、変換器は、カウンターウェイトの周りに延び、変換器の対称軸と一致する軸を有し、内部が浸漬流体で満たすことができる流体キャビティを形成する、剛性のある中空円筒部（５）を備え、電気音響モータ及び円筒部は、流体キャビティが浸漬流体で満たされる場合、流体キャビティが、変換器の縦方向電気音響共振モードと円筒部の円周方向共振モードとの間の音響結合を形成するように寸法決めされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中音響通信又は水中音響トモグラフィーのための電気音響変換器に関する。詳細には、本発明は、低周波領域（１ｋＨｚよりも低い）で作動し、非常に深い浸漬（３０００ｍを超える）に適合し、長期にわたる自立性を有する水中電気音響変換器に関する。また、本発明は、低周波かつ広帯域の音響波を生成する方法に関する。

電気音響変換器は、音響圧力波を送波及び／又は受波するために使用される。送波モードにおいて、音響変換器は電位差を音響圧力波に変換し、受波モードではその逆になる。変換器は周波数帯域幅を有し、帯域幅の中央に対応する所謂、中心周波数が存在している。

約１０Ｋｍより長い長距離の水中音響通信は、長距離で広帯域（中心周波数の１０％を超える帯域幅）の目的を達成して十分なデータ転送速度を可能にするために、低周波音響源（１ｋＨｚより低い周波数）を必要とする。

水中音響において種々のタイプの低周波変換器が一般に使用されている。
−スパーカは音響スパークギャップであり、その送出波の符号化は不可能である。
−ブーマーは、２枚の平行な金属プレート内のフーコー電流によって音響波を発生させるが、符号化通信は不可能である。
−圧電リングは、１つ又は複数の金属リングから構成されるシステムであり、リングの内壁には複数の圧電モータが放射状に配置されている。圧電モータを励起すると、リングは振動する。従って、リングはホーン又は振動壁として機能する。しかしながら、圧電リングシステムの実装は依然として難しく、再現性が不十分である。
−ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は符号化に適合するが、低周波において制約を受ける。

ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器に関して以下に詳細に言及する。ダブルトンピルツ（ｄｏｕｂｌｅ Ｔｏｎｐｉｌｚ）型と呼ばれる場合もあるヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は、圧電モータを形成する圧電構成要素スタックの使用に基づいている。ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は、同じ軸に沿って位置合わせされ、中央カウンターウェイト上に固定される２つの圧電音響モータを備え、圧電音響モータの各々は、プレストレスロッドを介してホーンに結合されている。従って、２つのホーンは、デバイスの軸上の反対側の端部に配置され、この軸を横切る平面に対して対称である。一般に、ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は、エンクロージャの内壁とホーンの後面との間の流体キャビティの境界を定める、非共振で剛性のある円筒形エンクロージャを備える。ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器によって、トンピルツ型変換器（１ｋＨｚを超える周波数）よりも低い音響周波数（１５０Ｈｚから２０ｋＨｚ）での作動が可能になる。ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は、変換器の軸に沿って位置付けられる伝達方向の縦方向音響共振モードを生成する。以下、この共振モードは縦方向共振モードと呼ぶ。しかしながら、ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は、低周波数（＜１ｋＨｚ）の制約を受ける。特に、共振周波数は、キャビティの容積に逆比例し、低周波のヤヌス・ヘルムホルツ型変換器は容積の制約を受ける。

一般に、圧電音響共振器は、防水保護エンクロージャ内に配置される。ホーンの外面は、液浸媒体に直接接触するか、又は音響透過性ダイアフラムの裏側に配置される。エンクロージャの内部キャビティは、空気、又は損失なく、つまり水でインピーダンスを破壊することなく良好な音響インピーダンスを有するように選択された流体で満たされる。使用される流体は、一般にオイルである。キャビティが空気で満たされる場合に、ホーンの外面を介して変換器と液浸媒体との間の音響結合がもたらされる。キャビティがオイルで満たされる場合、オイル及びエンクロージャを経て、ホーンを介して変換器と液浸媒体との間の音響結合がもたらされる。浸漬された変換器は、共振器の振動波を、液浸媒体内を伝播する音響圧力波に変換する。

圧電セラミックの性能は、静水圧が浸漬深さに対して直線的に増加するので、深く浸漬させて使用する場合に著しく変わることが知られている。

ガスで満たされた防水エンクロージャを備えた電気音響変換器が存在するが、エンクロージャは、浸水圧に十分耐えるように強固である必要があり、これにより、浸漬深さが非常に深い場合には変換器が著しく重くなる。

エンクロージャ上の静水圧の作用を補償して深い浸漬での外部圧力に対して防水性を高めるための、空気補償システムを備える電気音響変換器が存在する。しかしながら、この複雑な空気補償システムは、３０００ｍよりも深い浸漬深さに制限される。

エンクロージャを備える電気音響変換器において、一般に、エンクロージャを通る音響波の送出を減衰することが分かっており、このエンクロージャ伝達は、送波及び受波の望ましくない放射による損失の原因である。変換器の軸を横切る方向の音響波の吸収又は回折のための手段の使用に基づく、エンクロージャと圧電スタックの間の分離のための種々のデバイスが存在する。

他方で、従来の音響変換器の共振周波数を低下させるための解決法は、共振キャビティ内にガスで満たされた軟質チューブを配置することを基礎としている。従って、このような変換器は、５００から１０００Ｈｚの間の共振周波数を有する。しかしながら、軟質チューブは、液浸媒体の静水圧を受けて高圧で押しつぶされるので、変換器の浸漬深さは１０００ｍ未満に制限される。

本発明の１つの目的は、非常に深い浸漬深さ及び低い周波数で音響波を送出するための、自立的水中音響通信システムを提供することである。本発明の他の目的は、低周波かつ広帯域の音響波を生成する方法を提供することである。技術的な問題点は、非常に深い浸漬深さでの電気音響効率及び長期の自立性を保証するために、変換器のサイズ及び重量を増大することなく、ヤヌス・ヘルムホルツ型の水中電気音響変換器の共振周波数を低下させることである。

本発明は、従来のデバイスの問題点を解消することを目的としており、詳細には、水中音響通信のために流体内に浸漬可能な電気音響変換器に関し、この変換器は、２つのホーンと、カウンターウェイトと、該カウンターウェイトの両側に配置される２つの電気音響モータとを備え、モータは軸に沿って対称に位置合わせされ、モータの反対側の端部は、それぞれホーンに結合され、ユニットはこの電気音響モータ、カウンターウェイト、及びホーンから構成されて縦方向の電気音響共振モードを生成することができる。本発明によれば、変換器は、カウンターウェイトの周りに延び、変換器の対称軸と一致する軸を有し、内部が浸漬流体で満たすことができる流体キャビティを形成する、剛性のある中空円筒部を備え、電気音響モータ及び円筒部は、流体キャビティが浸漬流体で満たされる場合、流体キャビティが、変換器の縦方向電気音響共振モードと円筒部の円周方向共振モードとの間の音響結合を形成するように寸法決めされている。

本発明の特定の実施形態によれば、円筒部は、該円筒部をカウンターウェイトから音響的に分離するサスペンション手段によってカウンターウェイトに固定される。

本発明の好ましい実施形態によれば、円筒部は、円周方向タイプの音響振動モードを生成することができる、金属製又は複合材料製である。

本発明の１つの態様によれば、変換器は、１００００Ｈｚよりも低く、中心音響周波数の１０％を超える帯域幅を有する音響周波数の音響伝達の供給源をもたらすことができる。本発明の好ましい実施形態によれば、変換器は、１０００Ｈｚよりも低く、中心音響周波数の１０％を超える帯域幅を有する音響周波数の音響伝達の供給源をもたらすことができる。

本発明の特定の態様によれば、
−円筒部は環状セクションを有し、
−円筒部の壁は硬質であり、
−流体キャビティは水で満たされ、
−圧電スタックの縦方向共振モードと、円筒部の円周方向モードとの間の周波数の偏差は、変換器の中心周波数の約１０％以下である。

また、本発明は、浸漬流体中に低周波音響波を送出する方法に関し、本方法は、
浸漬流体内で、カウンターウェイトの両側に配置され、軸に沿って位置合わせされ、両端がそれぞれ２つのホーンに結合されている２つの圧電スタックを含む共振器の縦方向共振モードによる音響波を生成する段階と、
縦方向共振を、浸漬流体に開いている流体キャビティを介して、スタックと同軸で、カウンターウェイトを取り囲み、流体キャビティの境界を定める円筒部の円周方向音響共振モードに結合する段階と、
を含む。

本発明は、水中音響通信システムの用途に特に適している。本発明の変換器の他の用途は、水中音響トモグラフィーに関する。
また、本発明は、以下の説明から明らかになり、更に単独で又は何らかの技術的に可能な組み合わせとして検討する必要がある特徴に関する。
非限定的で例示目的の本開示により、本発明の実施方法は、添付図面を参照して良好に理解できるはずである。

本発明の実施形態による、電気音響変換器の断面図を示す。

図１の変換器は、電気音響変換器であり、圧電スタックと、軸が圧電スタックと一致する環状セクションの円筒部との間で、共振結合による水中音響通信を可能にする。円筒部は、呼吸モードとも呼ばれる共振モード等の円周方向共振を行う。

詳細には、図１は、長さ方向軸（６）に沿って位置合わせされた２つの圧電モータ（１ａ、１ｂ）を備える変換器の断面を概略的に示す。圧電モータは、中央カウンターウェイト（４）の両側に固定される。２つのモータ（１ａ、１ｂ）の反対側の端部は、それぞれホーン（３ａ、３ｂ）に固定される。ユニットは、圧電モータ（１ａ、１ｂ）、カウンターウェイト（４）、及びホーン（３ａ、３ｂ）から構成され、軸方向ピラーに対して外付け又は内在的とすることができる、所謂プリストレスロッドによって圧縮応力が与えられた状態に維持される。

変換器は、好ましくは環状セクションで中空及び長さ方向軸（６）に対して同軸の円筒部（５）を更に備える。円筒部（５）は、カウンターウェイト（４）の周りに配置され、好ましくは変換器の対称面上に位置決めされる。図１の配置において、円筒部（５）の長さは、圧電スタック及びカウンターウェイトの全長よりも短く、また、２つのホーン（３ａ、３ｂ）を隔離する距離よりも短い。円筒部（５）の外径は、ホーンの外径に実質的に等しい。円筒部の厚さは、一般的にセンチメートルのオーダーである。円筒部の壁は好ましくは硬質であり、円筒部（５）は両端部に２つの開口を含む。

中空の円筒部（５）の寸法は、それが内部流体キャビティ（７）の境界を定めるような寸法である。流体キャビティ（７）は両端の開口で開いているので、変換器が浸漬すると、キャビティ（７）の容積は、例えば海水である浸漬流体（８）で満たされる。従って、変換器の構成要素は、恒久的に液浸媒体の何らかの浸漬深さの静水圧と等圧となる。変換器の構造により、空気補償システムを必要とすることなく、深い浸漬深さに関連する高い静水圧に耐えることができる。

円筒部（５）の物理的パラメータは、円周方向音響共振モードを生成できるように決定される。リング部に関して、第１の円周方向共振モードは、以下の式で決定される。
Ｆ_ｒ＝１／（２＊π＊√（Ｓｒ＊ρ＊ａ^２））
ここで、Ｆ_ｒは共振周波数を示し、Ｓ_ｒは半径方向の柔軟性を示し、ρは材料密度であり、ａは平均半径である。一般に、直径１ｍのアルミニウム円板にこの式を適用すると、ほぼ１５００Ｈｚの共振周波数となる。本発明の変換器において、円筒部（５）の円周方向共振モードの励起は、流体キャビティ（７）の音響結合を介して圧電共振器（１ａ、１ｂ）の電気的励起によって行う。

好ましい実施形態によれば、電気音響変換器は、２つの共振器の結合に基づく広帯域で低周波（＜１０００Ｈｚ）の音響伝達の供給源を構成する。第１の共振器は、基本モードが膨張−圧縮と呼ばれる縦方向である、ばね質量タイプの圧電共振器である。第２の共振器は、円筒部（５）で形成される共振器であり、円周方向又は半径方向の共振モードを有する。縦方向共振モード及び円周方向共振モードは、周囲媒体が海水である流体キャビティ（７）によって結合される。結合は、円筒部（５）内の流体キャビティ（７）を介して行われる。圧電スタックの縦方向共振モードは、環状部の円周方向モードの周波数に近づくよう大きさが決められ、２つの共振の間の効率的な結合が可能となっている。

放射状部は、金属製又は複合材料（カーボン／エポキシ繊維）とすることができ、中央カウンターウェイトによって圧電スタックに一体に保持される。放射状部は、音響デカップラを形成するサスペンション手段によって中央カウンターウェイトに連結される。好ましい実施形態によれば、サスペンション手段は、例えばゴムワッシャーの形態のサスペンションブロック（シリコンブロック）で形成される。カウンターウェイト（４）と円筒部（５）との間の音響減結合を説明するためのサスペンション手段は図１には示されていない。更に、サスペンション手段は、防水されておらず、開いた流体キャビティの障害物を成すものではない。

変換器の機械的構造により、深い浸漬深さ（３０００ｍを超える）で使用することができる。更に、変換器は、空気又はオイルで満たされた内部流体部を備えていない。従って、本発明の変換器は、ロバスト性が非常に高い。

１ａ 電気音響モータ
１ｂ 電気音響モータ
３ａ ホーン
３ｂ ホーン
４ カウンターウェイト
５ 円筒部
６ 軸
７ 流体キャビティ

Claims (10)

1. 水中音響通信のために浸漬流体（８）内に浸漬可能な電気音響変換器であって、前記変換器は、
   ２つのホーン（３ａ、３ｂ）と、
   カウンターウェイト（４）と、
   前記カウンターウェイト（４）の両側に配置され、対称軸（６）に沿って位置合わせされ、両端がそれぞれ前記ホーン（３ａ、３ｂ）に結合されている、２つの電気音響モータ（１ａ、１ｂ）と、
   を備え、
   ユニットは、前記電気音響モータ（１ａ、１ｂ）、前記カウンターウェイト（４）、及び前記ホーン（３ａ、３ｂ）で構成され、縦方向電気音響共振モードを生成できるようになっており、
   前記変換器は、前記カウンターウェイト（４）の周りに延び、前記変換器の対称軸（６）と一致する軸を有し、内部が前記浸漬流体（８）で満たすことができる流体キャビティ（７）を形成する、剛性のある中空円筒部（５）を備え、
   前記電気音響モータ及び前記円筒部（５）は、前記流体キャビティ（７）が前記浸漬流体（８）で満たされる場合、前記流体キャビティ（７）が、前記変換器の縦方向電気音響共振モードと前記円筒部（５）の円周方向共振モードとの間の音響結合を形成するように寸法決めされていることを特徴とする電気音響変換器。
2. 前記円筒部（５）は、該円筒部（５）を前記カウンターウェイト（４）から音響的に分離するサスペンション手段によって前記カウンターウェイト（４）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
3. 前記円筒部（５）は、円周方向タイプの音響振動モードを生成することができる、金属製又は複合材料製であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気音響変換器。
4. 前記円筒部（５）は環状セクションを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気音響変換器。
5. 前記円筒部（５）の壁は硬質であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電気音響変換器。
6. 前記変換器は、１００００Ｈｚよりも低く、中心音響周波数の１０％を超える帯域幅を有する音響周波数の音響伝達の供給源をもたらすことができることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電気音響変換器。
7. 前記変換器は、１０００Ｈｚよりも低く、中心音響周波数の１０％を超える帯域幅を有する音響周波数の音響伝達の供給源をもたらすことができることを特徴とする請求項６に記載の電気音響変換器。
8. 前記流体キャビティ（７）は水で満たされていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電気音響変換器。
9. 前記圧電スタックの縦方向共振モードと、前記円筒部（５）の円周方向モードとの間の周波数の偏差は、前記変換器の中心周波数の約１０％以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電気音響変換器。
10. 浸漬流体中に低周波音響波を送出する方法であって、
    浸漬流体（８）内で、カウンターウェイト（４）の両側に配置され、軸（６）に沿って位置合わせされ、両端がそれぞれ２つのホーン（３ａ、３ｂ）に結合されている２つの圧電スタック（１ａ、１ｂ）を含む共振器の縦方向共振モードによる音響波を生成する段階と、
    前記縦方向共振を、浸漬流体（８）に開いている流体キャビティ（７）を介して、前記スタック（１ａ、１ｂ）と同軸で、前記カウンターウェイト（４）を取り囲み、前記流体キャビティ（７）の境界を定める円筒部（５）の円周方向音響共振モードに結合する段階と、
    を含む方法。
    
    

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