JP2016045014A - 水中音響機器を備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストな手段で、水中音響機器に伝搬するノイズを低減し、受波感度（ＳＮ比）を向上させる。
【解決手段】喫水線下の船体の外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶において、前記船体の音波発生源で発生した音波が水中を伝搬して前記受信部に到達する経路に面した前記船体の外表面の領域に開口し、前記船体の周辺の水と同等の音響インピーダンスを有する媒質が充填された有底の筒形空間を有する少なくとも１つの減音装置を備え、前記筒形空間の開口から底までの軸方向長さをＬとし、前記音波発生源から発生する少なくとも１つの音波の波長をλとし、ｎを０又は正の整数としたときに、次式：Ｌ＝λ／４＋λ・ｎ／２で満たされる関係が成立している。
【選択図】図１

Description

本開示は、喫水線下の船体外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶に関する。

魚群探知機のソナーや音波式の速度計等の水中音響機器を備えた船舶は、自船のプロペラ、膜波、砕波等から生じる音波や、機器類（主機、補機類等）の振動から発せられる音圧変動が水中を伝搬して水中音響機器に伝わり、これらが水中音響機器でノイズとして観測される。そのため、水中音響機器の受波感度（ＳＮ比）が悪化するという問題がある。
ノイズとして水中音響機器に伝わる音波には、プロペラなどから直接水中音響機器に伝わる音波と、機器類で発せられた音波が船体外表面に沿って回折しながら水中音響機器に伝わる音波等がある。

この問題を改善するため、例えば、特許文献１には、プロペラで発生したキャビテーションが崩壊する時発生するノイズを緩和するため、プロペラキャビテーションが水中音響機器に直接伝搬する経路に、空気を吹き出す多数の噴出口を有する遮蔽フィンを船底外表面から突設した手段が開示されている。
また、特許文献２には、船体の周りを流れる気泡の影響を避けるため、水中音響機器を内蔵したドーム型ケーシングを船底から突設可能にした構成が開示されている。
さらに、特許文献３には、プロペラキャビテーションが発生する音源と水中音響機器の音波受信部との間の船体外表面に、船体外表面に沿って水中音響機器に到達する回折波を低減するため、回折波の伝搬経路に空気吹出部を設けた構成が開示されている。

実開昭６１−０３４４８６号公報 実開平０１−１４１１９５号公報 特開２０１２−０９１５３９号公報

特許文献１及び２に開示された手段は、構成が複雑かつ高コストになる。特に、特許文献１に開示された手段は、船体外表面から遮蔽フィンを突出させるため、船体抵抗が増加するという問題がある。
特許文献３に開示された構成も、空気吹出部に空気を送る送気管などの設備を設ける必要があるため、構成が複雑かつ高コストになるという問題がある。

本発明の少なくとも一態様は、かかる従来技術の課題に鑑み、簡易かつ低コストな手段で、水中音響機器に伝搬するノイズを低減し、受波感度（ＳＮ比）を向上させることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る船舶は、
喫水線下の船体の外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶において、
前記船体の音波発生源で発生した音波が水中を伝搬して前記受信部に到達する経路に面した前記船体の外表面の領域に開口し、前記船体の周辺の水と同等の音響インピーダンスを有する媒質が充填された有底の筒形空間を有する少なくとも１つの減音装置を備え、
前記筒形空間の開口から底までの軸方向長さをＬとし、前記音波発生源から発生する少なくとも１つの音波の波長をλとし、ｎを０又は正の整数としたときに、次式：
Ｌ＝λ／４＋λ・ｎ／２
で満たされる関係が成立している。

ここで「音響インピーダンス」とは、媒質の密度と媒質中の音速との積で表される。異なる媒質間を音波（例えば超音波）が進むとき、媒質間の音響インピーダンスの差が大きいほど反射波の反射量が多くなり、音響インピーダンスの差が小さいほど反射せずに透過する透過量が多くなる。そして、媒質間の音響インピーダンスに差がないとき、音波はすべて透過する。
また、ここで「水」とは、真水及び海水のいずれでもよく、両者を含むものとする。

前記筒形空間に水と同等の音響インピーダンスを有する媒質（例えば海水）が充填されると、船体外表面を伝搬してきた音波は全く反射することなく筒形空間に入射する。そして、筒形空間は入射した音波の波長λに対して（λ／４＋λ・ｎ／２）、言い換えれば、波長λの（１／４＋ｎ／２）倍の軸方向長さを有しているので、筒形空間に入射した音波は筒形空間の底面で反射し、筒形空間の入口で船体外表面を伝搬してきた音波と逆位相となる。そのため、両音波は互いに打消し合って消滅するため、船体の音波発生源で発生した音波は水中音響機器にノイズとして受信されない。
このように、簡易かつ低コストな手段で、即ち、船舶に大きな改造などを要せず、水中音響機器の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。

（２）幾つかの実施形態では、
前記少なくとも１つの減音装置は、第１の減音装置及び第２の減音装置を含み、
前記第１の減音装置によって規定される筒形空間の軸方向長さは、前記第２の減音装置によって規定される筒形空間の軸方向長さと異なっている。
前記構成（２）によれば、各筒形空間によって音波発生源から発生した複数の異なる波長λの音波を消滅させることができ、ノイズ低減効果を向上できる。

（３）幾つかの実施形態では、
前記少なくとも１つの筒形空間によって規定される軸方向長さが可変である。
前記構成（３）によれば、１個の筒形空間で異なる波長の音波を消滅させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、
前記少なくとも１つの筒形空間に、前記船体の周辺の水が充填されるように構成されている。
前記筒形空間は入口が開放された開放空間となっているため、船舶の航行時筒形空間に水が自然に充填される。前記構成（３）によれば、筒形空間に媒質を充填する操作が不要になる。

（５）本発明の少なくとも一態様に係る船舶は、
喫水線下の船体の外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶において、
前記船体の音波発生源で発生した音波が水中を伝搬して前記受信部に到達する経路に面した前記船体の外表面に、前記音波を反射するための自由表面を形成する気体で満たされた領域を有する減音装置を備える。

ここで、「自由表面」とは音波を反射する際に、圧力上昇せずに音波を反射可能な表面であり、反射された音波が逆位相になる表面を言う。
前記構成（５）において、船体の音波発生源で発生した音波は前記自由表面で逆位相に反射する。逆位相で反射された反射波は前記音波の入射波と互いに打消し合って両者は消滅する。そのため、船体の音波発生源で発生した音波は、水中音響機器にノイズとして受信されないため、水中音響機器の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。
このように、船体の外表面に前記構成の減音装置を設けるだけの簡単かつ低コストな構成で、水中音響機器の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。

（６）幾つかの実施形態では、
前記減音装置は、前記気体としての空気で満たされた領域を含むゴム材で構成されている。
前記構成（６）によれば、安価なゴム材を使用することで、前記減音装置を低コストで製造できる。

本発明の少なくとも一態様によれば、音波発生源で発生した音波が海水中を伝搬して水中音響機器に到達する経路に、前記構成の筒形空間又は減音装置を形成するだけの簡易かつ低コストな手段で、水中音響機器に伝搬するノイズを低減し、受波感度（ＳＮ比）を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る水中音響機器装備船の全体構成図である。 前記実施形態における一つの筒形空間の反射波の挙動を示す説明図である。 前記実施形態における別な筒形空間の反射波の挙動を示す説明図である。 本発明の別な一実施形態に係る筒形空間の断面図である。 本発明のさらに別な一実施形態に係る水中音響機器装備船の全体構成図である。 図５に示す実施形態における減音装置の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１において、船舶１０Ａは船体内部に魚群探知機のソナーや音波式の速度計等の水中音響機器を備え、喫水線Ｗより下方の前部船底外表面に該水中音響機器の受発信部１２を備えている。また、船尾部の喫水線下に推進用のプロペラ１４を備えている。
受発信部１２は、例えば魚群探知機のソナーであれば、受発信部１２から海中に向けて超音波を発信し、その反射波を受発信部１２で捉えることで、魚群の位置を計測する。

プロペラ１４の回転により生じる振動から発せられる音波、例えばプロペラ１４で発生したキャビテーションから発信される音波は海水中を船体外表面を回折しながら船体前部に伝搬する。
本実施形態では、プロペラ１４で発生した音波が海水中を船底外表面１０ａを回折しながら受発信部１２に伝搬する経路に、２個の筒形空間１６及び１８が形成されている。筒形空間１６及び１８は船体の前後方向に間隔を置いて配置されている。筒形空間１６及び１８の横断面は円形であっても角形であってもよく、特定の断面形状に限定される必要はない。

筒形空間１６及び１８は、ここから海水が船体の内部に浸入しないように、水密性の剛性の隔壁で構成されている。筒形空間１６及び１８の入口は開放され、船舶１０Ａの航行時には海水で満たされている。筒形空間１６及び１８の軸線は軸方向に直線状に配置されている。
筒形空間１６及び１８の軸方向は船底外表面１０ａに対して垂直方向に形成されているが、船底外表面に対してある程度斜めに傾斜して形成されてもよい。即ち、船舶外表面に沿って伝搬する音波が入射可能な角度であればよい。

筒形空間１６及び１８は、プロペラ１４で発生する音波のうち、異なる波長の音波を消波すべきターゲットとしているため、筒形空間１６の軸方向長さＨ_１と筒形空間１８の軸方向長さＨ_２とは異なっている（Ｈ_１≠Ｈ_２）。
即ち、筒形空間１６の軸方向長さＨ_１は、ターゲットとなる音波の波長λ_１の（１／４＋ｎ／２）倍となるように設定され（ｎは０又は正の整数）、筒形空間１８の軸方向長さＨ_２はターゲットとなる音波の波長λ_２の（１／４＋ｎ／２）倍となるように設定されている。

かかる構成において、船底外表面１０ａに沿って伝搬してきた音波は、筒形空間１６及び１８の入口開口１６ａ及び１８ａから筒形空間１６及び１８に入射する。船舶１０の航行時、筒形空間１６及び１８には自然に海水が流入し海水で満たされている。そのため、音波は筒形空間１６及び１８の入口開口１６ａ及び１８ａで反射波が発生せずに筒形空間１６及び１８に入射する。
筒形空間１６及び１８に夫々入射した音波は筒形空間１６及び１８の内部を軸方向に伝搬し、底面１６ｂ及び１８ｂで反射する。

図２に示すように、この時、筒形空間１６に入射した波長λ_１の音波Ｓ_１は、剛性の底面１６ｂで逆位相に反射する。反射した音波Ｓ_１は筒形空間１６の入口付近を伝搬する波長λ_１の音波Ｓ_２と互いに打消し合って消滅するため、波長λ_１の音波は水中音響機器１２に到達しない。
また、図３に示すように、筒形空間１８に入射した波長λ_２の音波Ｓ_３は、剛性の底面１８ｂで逆位相に反射する。反射した音波Ｓ_３は筒形空間１８の入口付近を伝搬する波長λ_２の音波Ｓ_４と互いに打消し合って消滅するため、波長λ_１の音波は水中音響機器１２に到達しない。

そのため、プロペラ１４から伝搬した音波のうち、波長λ_１及びλ_２の音波は、水中音響機器１２にノイズとして受信されないため、水中音響機器１２の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。また、この効果を船体に筒形空間１６及び１８を形成するだけの簡易かつ低コストな手段で達成できる。
なお、船底外表面１０ａに形成される筒形空間の数は、水中音響機器１２に伝搬する音波に含まれる波の種類に応じて形成することができる。また、同一波長の音波を消滅するための筒形空間は数が多いほど消滅効果を大きくすることができる。さらに、筒形空間が形成される位置を適宜選択することで、消滅効果を高めることができる。

また、本実施形態では、筒形空間１６及び１８の内部に海水を導入するようにしたが、筒形空間１６及び１８の内部に海水と音響インピーダンスが同等の別な媒質を充填するようにしてもよい。例えば、海水と音響インピーダンスが同等のゴム材を充填するようにしてもよい。このように、安価なゴム材を充填することで、低コスト化できる。

次に、本発明の別な一実施形態を図４に基づいて説明する。
図４において、プロペラ１４で発生した音波が海水中を船底外表面１０ａを回折しながら受発信部１２に伝搬する経路に、筒形空間２０が形成されている。筒形空間２０の形状及び大きさは、前記実施形態における筒形空間１６又は１８と同一に形成されている。また、入口開口２０ａは開放され、隔壁は水密性の剛性の隔壁で構成されている。

加えて、筒形空間２０は、底面２０ｂを水密に貫通するように配置されたピストン軸２２と、ピストン軸２２の先端に一体に設けられたピストン２４と、船体内部に設けられ、ピストン軸２２を筒形空間２０の軸方向に駆動する駆動装置２６を備えている。
ピストン２４は筒形空間２０の内周面２０ｃと水密状態で往復可能である。ピストン軸２２は筒形空間２０の底壁との間の隙間には水密なシール性を有するシール材（不図示）が設けられている。また、駆動装置２６は、例えば、２個の油圧室を有し、該２個の油圧室に圧油を給排することで、ピストン２４を往復動させる油圧シリンダ装置で構成されている。

本実施形態では、ピストン２４を筒形空間２０の軸方向に摺動させることで、筒形空間２０の軸方向長さを可変とすることができる。そのため、筒形空間２０の軸方向長さを消滅したい音波の波長に合わせて調整できる。従って、筒形空間２０の軸方向長さを厳密に特定波長の（１／４＋ｎ／２）倍に正確に製作する必要がなくなり、筒形空間２０の製作を容易かつ低コスト化できる。

次に、本発明のさらに別な一実施形態を図５及び図６に基づいて説明する。
図５に示すように、船舶１０Ｂは、プロペラ１４で発生した音波が海水中を船底外表面１０ａを回折しながら受発信部１２に伝搬する経路の途中であり、かつプロペラ１４で発生した音波が海水中を伝搬する経路の途中の船底外表面１０ａに、減音装置３０が形成されている。

図６に示すように、減音装置３０は、船底外表面１０ａに貼り付けられ、内部に多数の空気泡ａが形成されたゴム製の板状体で構成されている。該板状体を構成するゴムは海水と同等の音響インピーダンスを有し、該板状体においてゴムと空気泡ａの界面は自由表面を構成する。つまり、ゴムと空気泡ａの界面では、ゴムの圧力が上昇することなく音波が逆位相で反射される。
この構成では、海水中を受発信部１２に向かって伝搬し減音装置３０に到達した波長λ_１の音波Ｓ_５は、ゴム製の板状体の外表面では反射せずに内部まで伝搬し、空気泡ａの表面、すなわち自由表面で逆位相にて反射する。その反射波は、減音装置３０の付近で海水中を伝搬する音波Ｓ_６と互いに打消し合って消滅する。そのため、プロペラ１４で発生した波長λ_１の音波は水中音響機器１２に到達しない。
そのため、水中音響機器１２にノイズとして受信されず、水中音響機器１２の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。

減音装置３０の形状は直方体又は円筒体であってもよく、特に特定の形状に限定されないが、減音装置３０の幅、長さ及び奥行が夫々入射する音波の１波長以上の大きさを有していることが望ましい。これによって、入射する音波に対し確実に反射波を逆位相にすることができる。
前記実施形態によれば、船底外表面１０ａに減音装置３０を配置するだけの簡単な構成で、水中音響機器１２の受波感度（ＳＮ比）を向上できる。
また、減音装置３０を安価なゴム材で構成することで、空気室３０を低コストで製作できる。

なお、図６に図示された減音装置３０はゴム製の板状体の内部に多数の空気泡ａを形成しているが、気体で満たされた自由表面を形成する領域が１つ以上あればよい。
また、前記実施形態では、いずれもプロペラから発生した音波の消滅を目的としているが、本発明の他の実施形態では、プロペラ以外の音波発生源、例えば、機器類（主機、補機類等）の振動から発せられる音波や、膜波、砕波等から生じる音波変動を消滅させるために、これら音波が水中音響機器に伝搬する伝搬経路に、筒形空間や板状体等からなる減音装置を配置するようにしてもよい。

本発明の少なくとも一態様によれば、簡易かつ低コストな手段で、水中音響機器に伝搬するノイズを低減し、受波感度（ＳＮ比）を向上させることができる。

１０Ａ、１０Ｂ 船舶
１０ａ 船底外表面
１２ 受発信部
１４ プロペラ
１６，１８，２０ 筒形空間
１６ａ、１８ａ、２０ａ 入口開口
１６ｂ、１８ｂ、２０ｂ 底面
２２ ピストン軸
２４ ピストン
２６ 駆動装置
３０ 減音装置
Ｈ_１、Ｈ_２ 軸方向長さ
Ｗ 喫水線
ａ 空気泡
λ_１、λ_２ 波長

Claims (6)

1. 喫水線下の船体の外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶において、
   前記船体の音波発生源で発生した音波が水中を伝搬して前記受信部に到達する経路に面した前記船体の外表面の領域に開口し、前記船体の周辺の水と同等の音響インピーダンスを有する媒質が充填された有底の筒形空間を有する少なくとも１つの減音装置を備え、
   前記筒形空間の開口から底までの軸方向長さをＬとし、前記音波発生源から発生する少なくとも１つの音波の波長をλとし、ｎを０又は正の整数としたときに、次式：
   Ｌ＝λ／４＋λ・ｎ／２
   で満たされる関係が成立していることを特徴とする水中音響機器を備えた船舶。
2. 前記少なくとも１つの減音装置は、第１の減音装置及び第２の減音装置を含み、
   前記第１の減音装置によって規定される筒形空間の軸方向長さは、前記第２の減音装置によって規定される筒形空間の軸方向長さと異なっていることを特徴とする請求項１に記載の水中音響機器を備えた船舶。
3. 前記少なくとも１つの筒形空間によって規定される軸方向長さが可変であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中音響機器を備えた船舶。
4. 前記少なくとも１つの筒形空間に、前記船体の周辺の水が充填されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の水中音響機器を備えた船舶。
5. 喫水線下の船体の外表面に水中を伝搬する音波の受信部を有する水中音響機器を備えた船舶において、
   前記船体の音波発生源で発生した音波が水中を伝搬して前記受信部に到達する経路に面した前記船体の外表面に、前記音波を反射するための自由表面を形成する気体で満たされた領域を有する減音装置を備えることを特徴とする水中音響機器を備えた船舶。
6. 前記減音装置は、前記気体としての空気で満たされた領域を含むゴム材で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の水中音響機器を備えた船舶。

Images