JP2019176315A - 送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ソースレベルと変換効率を向上できる送受波器を提供する。【解決手段】本発明が提供する送受波器１０は、放射面１２ａから超音波を放射する振動子１２と、振動子の外側に配設されるドーム１８と、を含む。振動子の放射面からドームの内面１８ａまでの距離ｄの２倍が超音波の波長の整数倍に超音波の半波長を加えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、水中超音波機器用の送受波器に関する。

現有のスキャニングソナー技術において、船の航行中にスキャニングソナーの送受波器が流木、鯨等の異物の衝突を受けて破壊されることを防止するため、スキャニングソナーの送受波器の外にドームを取り付けている。ドームは、送受波器の強度を保持する用途として取り付けられる。

ドームの取り付けは、スキャニングソナーの送受波器を保護することができるが、音波がドームを通過することによる透過損失、ソースレベル（ｓｏｕｒｃｅ ｌｅｖｅｌ）低下の問題がある。

送受波器のドームに関する先行技術として、例えば、特許文献１および特許文献２に開示される内容を参考することができる。

実用新案登録第２５４９２４４号 特許公開第２０１２−１５４７９１号

そこで、ドームを取り付けたとしてもソースレベル、感度および電気音響変換効率を向上できる解決案を提供する必要がある。

本発明は、放射面から超音波を放射する振動子と、前記振動子の外側に配設されるドームと、を含む送受波器を提供する。前記振動子の前記放射面から前記ドームの内面までの距離の２倍が前記超音波の波長の整数倍に前記超音波の半波長を加えたものである。

実施例に基づき、送受波器は、更に、放射面上に設けられる保護層と、保護層およびドームの間に充填される充填液と、を含む。充填液の音響インピーダンスは、保護層における音響インピーダンスとドームにおける音響インピーダンスの間である。

上記の手段によって、ドームを取り付けた場合においても、振動子の放射面とドームの内表面の間での共振現象を利用してソースレベルと変換効率を向上できる。充填液および音響インピーダンスを選択することによって、媒質の境界面での反射を低減し、更には、ソースレベルと変換効率の低下を減少できる。

本発明の実施例に基づく送受波器の断面説明図である。 ドーム有りの場合とドーム無しの場合におけるソースレベルと変換効率の比較図である。 本発明の他の実施例に基づく送受波器の断面説明図である。 本発明の変形例に基づく送受波器の断面説明図である。

ここで、本発明の好適実施例を詳細に参照し、好適実施例の実例を図面に示す。可能な限りは、同じ部材の符号は、図面および記述中で同じ又は類似する部分を示すことに用いる。

現在まで、スキャニングソナーの送受波器にドームを取り付けることは、ドームの保護作用のみが考慮され、ドームが招く性能低下の問題、例えば、ソースレベルＳＬと変換効率ηの低下等は無視されていた。また、誰も振動子の放射面とドームの内表面の間の距離の設計方式について考慮していなかった。従って、本願は、距離と充填液の２つの要素を考慮しており、その詳細な説明は、以下のとおりである。

一般に送受波器の効率を考える時、例えば、送波電力感度Ｓｐについて考える場合、この送波電力感度Ｓｐは、ソースレベルＳＬ、送信電力Ｐ、電気音響変換効率η、指向性利得ＤＩの影響を受ける。これら要素の相互の間の関係は、以下のとおりである。
Ｓｐ＝ＳＬ−１０ｌｏｇＰ＝１０ｌｏｇη＋ＤＩ＋１７０．８（ｄＢμＰａ／√Ｗ＠１ｍ）

従って、ドームを取り付けた状態での送受波器の効率を向上させようとする場合、ソースレベルＳＬと変換効率η等の要素を如何に向上させるかを考える必要がある。

図１は、本発明の実施例に基づく送受波器の断面説明図である。図１に示すように、送受波器１０は、振動子１２、保護層１４、充填液１６およびドーム１８を含む。振動子１２は、放射面１２ａを有する。振動子１２は、振動によって音波を発生し、水面下の物体を探知することができ、例えば、魚群の位置を探知、水底又は海底の地表を探知することができる。また、音波は、超音波を使用することができる。振動子１２は、電気信号を振動の信号に変換し、超音波として送信し、反射波を受ける受信センサーとして働くことができる。振動子１２は、通常、魚群探知機、スキャニングソナーの超音波送受波器などに用いられる。

保護層１４は、振動子１２の表面に設置され、振動子１２を保護することに用いられる。振動子保護層として、一般には、音響インピーダンスが水に近い材料が用いられる。保護層は、例えば、ウレタン樹脂、クロロプレンゴム等の伸縮性材料を用いることができる。

また、図１に示すように、保護層１４の外側にドーム１８を設置する。ドーム１８は、例えば、円筒状の本体部と半球構造の底部を有する。また、振動子１２の放射面１２ａからドームの内表面１８ａまでの距離は、ｄである。ドーム１８は、例えば、ＡＢＳ樹脂を用いることができる。ＡＢＳ樹脂において、音響インピーダンスが低く、横波音速が遅いため、横波との干渉による透過損失を抑制できる。

現在まで、スキャニングソナーの送受波器１０外側にドーム１８を取り付ける目的は、スキャニングソナーの送受波器を保護することであって、透過損失が多少犠牲にされていた。但し、本発明に基づき、１つの振動子１２の放射面１２ａからドーム１８の内表面１８ａまでの間の距離ｄに１つの条件が存在することでスキャニングソナーの送受波器１０の作用の保護を達成できるだけでなく、透過損失等の性能要素を犠牲にすることもなくなっている。

図１に示すように、スキャニングソナーの送受波器１０にドーム１８を取り付けた構造において、距離ｄが以下の数式（１）の条件を満たす時、実測のソースレベルＳＬが上昇し、且つ変換効率も向上することができる。また、距離ｄが以下の数式（２）の条件を満たす時、実測のソースレベルＳＬが低下し、且つ変換効率も伴って低下する。数式（１）、（２）において、ｎが整数であり、λが音波の波長である。
２ｄ＝（ｎ＋１／２）λ （１）
２ｄ＝ｎλ （２）

従って、振動子１２の放射面１２ａからドーム１８の内表面１８ａまでの間の距離の２倍２ｄが波長の整数倍に半波長を加えたものに等しい時、スキャニングソナーの送受波器１０を保護できるだけでなく、送受波器１０の性能を向上することができ、保護と性能の両者について何れも考慮に入れることができる。

次に、本発明の実施例が示す構造において、距離ｄが上記数式（１）の条件を満たす時の実験結果を説明する。図２は、ドーム有りの場合とドーム無しの場合において、ソースレベルＳＬと変換効率ηの実際の実験を行った結果比較図である。図２の実験結果は、２ｄ＝１．５λの条件で実験を行ったものであり、変換効率ηは、ティルト角０°で計算したものである。

図２の実験結果において、ドーム１８を取り付けた実験結果は、実線で示し、ドーム１８を取り付けていない実験結果は、破線で示す。図２に示すように、ドーム１８を取り付けていない場合に比較し、ドーム１８を取り付けた場合は、スキャニングソナーの送受波器１０のソースレベルＳＬが約２ｄＢ上昇している。また、ティルト角０°において、ドーム１８を取り付けていない場合、変換効率ηが３３％となっているが、ドーム１８を取り付けた場合は、変換効率ηが４２％となっている。従って、スキャニングソナーの送受波器１０の変換効率ηも約１０％向上されている。

図２の実験結果から明確に分かるように、振動子１２の放射面１２ａからドーム１８の内表面１８ａまでの間の距離ｄを調整するだけで、ドーム１８を取り付けたとしても、従来のドームの取り付けにより生じていた性能損失の問題を解決できる。

上記説明から分かるように、距離ｄと波長の間の関係を設定することによって、振動子１２の放射面１２ａとドーム１８の内表面１８ａの間での共振現象によりソースレベルＳＬと変換効率ηを向上することができる。

次に、充填液１６の選択を説明する。表１は、充填液とする幾つかの選択候補材料、例えば、水、ソナーオイル、不凍液、クロロプレンゴムおよびＡＢＳ、並びにそれぞれの音響インピーダンスρｃ（Ｍｒａｙｌｓ）、密度ρ、（ｋｇ／ｍ^３）および音速ｃ（ｍ／ｓ）を列記している。

候補の充填液１６の材料は、水、ソナーオイルおよび不凍液等であることができる。以前、性能の向上を考慮していない場合、ドーム１８および振動子１２の間に充填される充填液１６は、通常、ソナーオイルであった。但し、本実施例において、ドーム１８を取り付けた場合の性能の向上を同時に考慮するため、充填液１６の選択は、詳細に考慮することが必要になっている。充填液１６を選択する１つの要素は、音響インピーダンスρｃである。透過損失の低減および全反射の減少等の要素を考慮し、充填液１６の音響インピーダンスρｃは、保護層１４の音響インピーダンスρｃとドーム１８の音響インピーダンスρｃの間であることが好ましい。実施例において、保護層１４の材料がウレタン樹脂であってドーム１８の材料がＡＢＳ樹脂である場合、不凍液を充填液１６として選択することができる。

上記方式によって、媒質の境界面での反射を低減し、更に、ソースレベルＳＬと変換効率ηの低下を減少させることができる。

また、充填液１６を選択するもう１つの要素は、音波の充填液１６中の音速ｃである。超音波がドーム１８の内面１８ａからドーム１８に入射する時、屈折を生じる。スキャニングソナーが送受信を行う時、ティルト角が深くなると、全反射現象により、音波が外に放射（ドームを通過）できない問題が生じる。図２の実験データからも分かるように、ティルト角が５５°である時、ドーム１８を取り付けたソースレベルＳＬが顕著に低下しており、これは、全反射によるものである。

従って、充填液の選択において、ティルト角の範囲内で全反射の発生を極力抑制するように考慮する必要がある。このため、充填液１６の媒質としては、音波がその媒質において伝播する音速が、音波がドーム１８で伝播する音速に近くなければならない。本実施例において、ドーム１８は、ＡＢＳ樹脂の材料を範例としている。従って、このような条件において、表１の音速（ｃ（ｍ／ｓ））の条件からみて、ＡＢＳ樹脂の媒質（ドーム１８）中の音速は、２１００ｍ／ｓであり、最も近いのは、不凍液である。従って、不凍液を充填液１６として選択することができる。この状況において、深いティルト角の場合、ドームで発生する全反射を抑制する効果を達成できる。

図３は、本発明の他の実施例の送受波器の断面説明図である。前述のとおり、音波は、深い角度のティルト角で送受信する時、全反射の問題により、透過損失の顕著な増加の問題を生じる。この問題を解決するため、１つの解決方式は、図３に示すように、テーパー状のドーム２２によって透過損失の増加の問題を抑制することができる。また、テーパー状のドーム２２の側面角度は、振動子１２の放射面１２ａからドーム２２の内表面２２ａまでの間の距離ｄも併せて考慮し、距離ｄに可能な限り上述の数式（１）の条件を満足させるように適合する角度θを設計することができる。但し、この場合、音波がティルト角０°でドーム２２に斜めに入射した状況において、ソースレベルＳＬが若干低下する可能性がある。

（変形例）
図５は、本発明の変形例に基づく送受波器の断面説明図である。上述の実施例は、スキャニングソナーにより説明したが、スキャニングソナーの送受波器は、一般に船体外部に取り付けるものである。但し、本発明が提示する解決案は、その他の種類の魚群探知機、例えば、船内装備等にも応用することができる。送受波器から音響窓を通して、超音波が放射する構造の全ての製品において、何れも応用可能である。

図４に示すように、魚群探知機の送受波器は、船体３８内に取り付けられ、魚群探知機の送受波器の振動子３２は、充填液３６に覆われることができる。この時、送受波器の振動子３２および船体３８（例えば、船底部）の間の距離ｄも上述の数式（１）の条件に基づいて設計することができる。この方式によって、上述の実施例の技術効果を達成することができる。

最後に説明すべき点として、以上の各実施例は、ただ本発明の技術案を説明するためのものであって、それを制限するものではない。前記各実施例が本発明に対して行っている詳細な説明を参照すれば、当業者は、それが依然として前述の各実施例に記載された技術案に対して修正を行うか、又はそのうちの一部又は全部の技術特徴に対して等価な置換を行えることを理解できるはずであって、これらの修正または置換は、相応する技術案の本質を本発明の各実施例の技術案の範囲から離脱させるものではない。

１０ 送受波器
１２、３２ 振動子
１２ａ 放射面
１４ 保護層
１６、３６ 充填液
１８、２２ ドーム
１８ａ 内面
３８ 船体

Claims (7)

1. 放射面から超音波を放射する振動子と、
   前記振動子の外側に配設されるドームと、
   を含み、
   前記振動子の前記放射面から前記ドームの内面までの距離の２倍が前記超音波の波長の整数倍に前記超音波の半波長を加えたものであることを特徴とする送受波器。
2. 前記ドームがＡＢＳ樹脂で形成されることを特徴とする請求項１に記載の送受波器。
3. 前記放射面上に設けられる保護層と、
   前記保護層と前記ドームの間に充填される充填液と、
   を更に含み、
   前記充填液の音響インピーダンスが、前記保護層の音響インピーダンスと、前記ドームの音響インピーダンスとの間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の送受波器。
4. 前記保護層が伸縮性材料であることを特徴とする請求項３に記載の送受波器。
5. 前記伸縮性材料は、ウレタン樹脂またはクロロプレンゴムであることを特徴とする請求項４に記載の送受波器。
6. 前記充填液が不凍液であることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載の送受波器。
7. 前記ドームが、円筒状の本体部と半球構造の底部とからなる形状、円筒状、又はテーパー状であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の送受波器。

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