JP2866930B2 - 水中音響模擬装置 - Google Patents

水中音響模擬装置

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JP2866930B2 JP34241296A JP34241296A JP2866930B2 JP 2866930 B2 JP2866930 B2 JP 2866930B2 JP 34241296 A JP34241296 A JP 34241296A JP 34241296 A JP34241296 A JP 34241296A JP 2866930 B2 JP2866930 B2 JP 2866930B2
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昭典 松山
康治 右田
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水中音響模擬装置
に係り、とくにソナーシステムの信号処理装置が受信す
る電気信号を、電気的なシステム構成により模擬的に生
成できるようにした水中音響模擬装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、水中で用いられるソナーシス
テムの性能試験等を、実際の海等ではなく陸上の試験場
で行うために、水中音響模擬装置が用いられている。図
5は従来技術の水中音響模擬装置であり、巨大な水槽1
に水2を溜め、実際の音源が発する水中音波と同様な水
中音波3を発する模擬信号発生器4を、水2の中に入れ
ている。一方、ソナーシステムの受波器5も水2の中に
入れている。受波器5は振動子5aを備えており、水中
音波3を受信して振動子5aが振動すると、受信した水
中音波3に対応した電気信号6を出力する。ソナーシス
テムの信号処理装置8は、水槽1の外に設置されてお
り、電気信号6を受けて信号処理演算をして模擬信号発
生器4の位置等を求める。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の水中音響模擬装置では、巨大な水槽1及び大量の水
2が必要であり、設備が大きくなり、また建設や維持の
ために大きな費用がかかっていた。更に水中伝搬特性
(水の温度等)を簡単に変えることはできず、条件を色
々に変えて各種条件下での特性を求めることは難しかっ
た。
【0004】本発明は、上記の点に鑑み、装置構成が簡
単で且つ条件変更が容易にできる安価な水中音響模擬装
置を提供することを目的とする。
【0005】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の水中音響模擬装置は、白色雑音を音源周波
数特性を表すパワースペクトルと同じ周波数特性のII
R型フィルタに通し、該IIR型フィルタの出力に音源
のベアリング角及びエレベーション角に基づく指向特性
の特性変化を与えて模擬音波信号を出力する音源モデル
と、音源と受波器との距離に応じた音波信号の伝搬損失
特性を求め、前記音源モデルから送られてきた模擬音波
信号に前記伝搬損失特性による特性変化を与えて出力す
る水中伝搬モデルと、受波器の各振動子のベアリング角
及びエレベーション角に基づく指向特性、並びに、各受
波器振動子の受信時間差及び受信信号の中心周波数に基
づく信号位相差を求め、前記水中伝搬モデルから出力さ
れた信号を前記各振動子の指向特性及び前記位相差に応
じて変換し、変換した信号をソナーシステムの信号処理
装置に向けて送る受波器モデルとを具備することを特徴
とする。
【0007】本発明の水中音響模擬装置においては、音
源モデルから水中音波を模擬した電気信号である模擬音
波信号を出力し、水中伝搬モデルでは水の音波伝搬特性
を模擬した電気的伝搬特性により模擬音波信号に特性変
化を与え、受波器モデルでは受波器の水中音響/電気信
号変換特性を模擬した電気変換特性により、水中伝搬モ
デルから送られてくる信号を変換し、変換した信号をソ
ナーシステムの信号処理装置に送るようにしている。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水中音響模擬
装置の実施の形態を図面に従って説明する。なお従来技
術と同一部分には同一符号を付して説明をする。
【0009】図1は本発明の実施の形態を示すブロック
図である。本実施の形態では、高速ディジタル計算機1
0により、音源モデル11、水中伝搬モデル12及び受
波器モデル13が形成されている。高速ディジタル計算
機10の出力信号(ディジタル信号)は、ディジタル/
アナログ変換器14によりアナログの電気信号6aに変
換されて、ソナーシステムの信号処理装置8に送られ
る。また信号処理装置8にはソナーシステムの受波器5
が接続されている。
【0010】上記音源モデル11は、水中の音源が発す
る水中音波を模擬した電気信号である模擬音波信号Uを
出力する。しかも、音源の音響特性(周波数特性、信号
レベル、指向特性等)に応じて模擬音波信号Uの電気的
特性を変えて、模擬音波信号Uを出力することができ
る。
【0011】上記水中伝搬モデル12は、水の音波伝搬
特性(伝搬損失、伝搬経路、反射、散乱等)を模擬した
電気的伝搬特性を有しており、入力された模擬音波信号
Uの電気的特性を変えて、模擬音波信号Vとして出力す
る。この模擬音波信号Vの電気的特性は、実際に水中を
伝搬してきて水中の受波器に入力される水中音波の音響
特性を示したものとなっている。
【0012】受波器モデル13は、水中に備えた受波器
の水中音響/電気信号変換特性(指向性、変換感度、各
振動子間の相関等)を模擬した電気変換特性を有してお
り、模擬音波信号Vを電気信号Wに変換する。電気信号
Wの電気的特性は、受波器5が水中に設置されて水中音
波を受けたときに出力する電気信号の特性と同様なもの
となっている。
【0013】次に、上述した各モデル11,12,13
の特性や設定した数式モデルを、具体的に説明する。な
お図2は設定条件等も一緒に示した説明図であり、図
1、図2を参照しつつ説明する。
【0014】まずはじめに音源モデル11について説明
する。この音源モデル11における音源信号の生成過程
には、線形予測法を用いる。線形系による信号の生成過
程を図3に示し、入力信号は線形系を通って出力信号と
なる。線形系のモデルには、自己回帰モデルを採用す
る。この線形入出力関係の離散システムは、IIR型フ
ィルタと呼ばれ、図2のようにIIR型フィルタに白色
雑音及び音源周波数特性を表すパワースペクトルPm
与えられている。p次の自己回帰モデルでは、信号の入
出力関係は次式(1)に示すようになる。
【0015】
【数1】
【0016】線形予測係数ak及びゲイン定数δは、音
源のパワースペクトルPmを与えれば次式(2)の方程
式(ユール・ウォーカの方程式と呼ばれている)を解く
ことによって得られる。
【0017】
【数2】
【0018】また、図2のように、IIR型フィルタの
出力に音源指向性が付加され、この音源指向性には音
源、受波器運動条件が与えられる。音源の指向性をベア
リング角φ及びエレベーション角θの関数Bs(θ,
φ)で表すと、音源信号は次式(3)のようになる。な
お図4に音源及び受波器の座標を示し、x,y,zは音
源に固定された座標系、φはベアリング角でz軸回りの
回転角、θはピッチ角でxy平面となす角、x′,y′,
z′は受波器に固定された座標系、φ′はベアリング角
でz′軸回りの回転角、θ′はピッチ角でx′y′平面
となす角、rは2つの座標系の原点間距離を示してい
る。
【0019】
【数3】
【0020】次に水中伝搬モデル12について説明す
る。図2のように水中伝搬モデル12には音源、受波器
運動条件が与えられ、伝搬損失PLOSSは、球面拡散と海
水の吸収損失の2要素を考慮すると、次式(4)で表す
ようになる。なお、音波は音源から放射状に伝わるモデ
ルとしているが、実際の水中ではもっと複雑である。
【0021】
【数4】
【0022】次に受波器モデル13について説明する。
図2のように受波器モデル13には音源、受波器運動条
件が与えられ、受波器の各振動子の指向性を、ベアリン
グ角φ′及びエレベーション角θ′の関数BRi(θ′,
φ′)で表す。なおiは振動子の番号を示す。なお座標
系は前述した図4に示すとおりである。
【0023】各受波器振動子に入力する信号の位相差を
受波器モデル13に含ませ位相差をΦiとする。位相差
Φiは、音源と各受波器振動子までの距離の違いからく
る時間差Δtiから次式(5)によって求められる。
【0024】
【数5】
【0025】水中音波の強さが電圧値に変換されると
き、その変換係数をKiとする。以上の特性の受波器モ
デルから出力される電気信号Wは、次式(6)で表わさ
れる。
【0026】
【数6】
【0027】本実施の形態では、音源モデル11の特性
を変えることにより、各種音源に対する電気信号6aを
得ることができる。また水中伝搬モデル12の特性を変
えることにより、各種水域条件での電気信号6aを得る
ことができる。例えば水中での音波の伝わり方は水中温
度分布により大きく影響されるが、水中温度分布に応じ
て水中伝搬モデル12の特性を設定するだけで水中音響
状態特性を調べることができる。更に、受波器モデル1
3の特性を変えることにより、各種受波器に対する電気
信号6aを得ることができる。
【0028】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
音源や水中音波の伝搬特性や受波器の変換特性を数式モ
デル化して水中音響模擬装置を構成したため、各種条件
下における電気信号出力を、電気的処理のみで得ること
ができ、数式モデルに柔軟性を持たせることにより、水
中音響の模擬範囲が拡大する。また電気的装置のみで構
成できるので装置構成が簡略化し、コスト低減となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】上記実施の形態の特性や条件を示すブロック図
である。
【図3】信号の生成過程モデルを示すブロック図であ
る。
【図4】座標系を示す説明図である。
【図5】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
5 受波器 6,6a 電気信号 8 信号処理装置 10 高速ディジタル計算機 11 音源モデル 12 水中伝搬モデル 13 受波器モデル 14 ディジタル/アナログ変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01S 7/52 - 7/539

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 白色雑音を音源周波数特性を表すパワー
    スペクトルと同じ周波数特性のIIR型フィルタに通
    し、該IIR型フィルタの出力に音源のベアリング角及
    びエレベーション角に基づく指向特性の特性変化を与え
    模擬音波信号を出力する音源モデルと、音源と受波器との距離に応じた音波信号の伝搬損失特性
    を求め、前記音源モデルから送られてきた模擬音波信号
    に前記伝搬損失特性による 特性変化を与えて出力する水
    中伝搬モデルと、受波器の各振動子のベアリング角及びエレベーション角
    に基づく指向特性、並びに、各受波器振動子の受信時間
    差及び受信信号の中心周波数に基づく信号位相差を求
    め、前記水中伝搬モデルから出力された信号を前記各振
    動子の指向特性及び前記位相差 に応じて変換し、変換し
    た信号をソナーシステムの信号処理装置に向けて送る受
    波器モデルとを具備することを特徴とする水中音響模擬
    装置。
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