JP3030428B2

JP3030428B2 - 円筒形ハイドロホン

Info

Publication number: JP3030428B2
Application number: JP9008629A
Authority: JP
Inventors: 宏幸三上
Original assignee: 防衛庁技術研究本部長
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2000-04-10
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH10210589A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、えい航式パッシブ
ソーナー用受波器、可変深度ソーナー用受波器、各種の
ソーナー試験用受波器として利用される円筒形ハイドロ
ホンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に、圧電磁器振動子を用いた従来の
円筒形ハイドロホンの一例を示す。同図の円筒形ハイロ
ドホンは、ベース２とワッシャ３ａで円筒形圧電磁器振
動子１ａ、また、ベース２とワッシャ３ｂで円筒形圧電
磁器振動子１ｂをそれぞれ挟むようにして、金属棒から
なるシャフト４を貫通させ、その両端部にて雄ネジ５
ａ，５ｂで締めつけ固定している。さらに、上記ベース
２と取付座８は、４本の金属棒からなる支持棒７ａ，７
ｂ、及び図示していない７ｃ，７ｄによって吊持されて
おり、シリコン油等の充填液１１を充填したブーツ１０
に収納した構造であって、円筒形圧電磁器振動子１ａ，
１ｂからの電気的出力は、リード線１４と貫通端子６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを経由してブーツ１０と同様に水
密性を維持するキャップ１２を貫通するケーブル１３に
接続してある。なお、円筒形圧電磁器振動子１ａ，１ｂ
の内周面は空気であり、１６は充填剤、１５は気密保持
のための“０”リングである。このような構造の円筒形
ハイドロホンにおいて、外部よりの到来音波はケース１
０、および充填液１１を透過し円筒形圧電磁器振動子１
ａ，１ｂにより捕捉され、音波により生じた機械的なひ
ずみが電気的出力に変換され、ケーブル１３を介して送
出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の円筒形ハイドロホンでは、ハイドロホンを計測船等
から吊下して音響計測する場合、船の動揺や水流による
ケーブル振動等が発生し、全体に与えられた振動は、取
付座８から支持棒７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとベース２を
経て円筒形圧電磁器振動子１ａ，１ｂに伝達され、振動
に基づく雑音出力を生じてＳ／Ｎを低下させる結果とな
る。また、前記の構造にあっては、円筒形圧電磁器振動
子の組立部全体として複雑な共振を生じ、それが音響信
号に重畳することによって、極めて好ましくない周波数
特性のハイドロホンになる。このような組立部全体の振
動による共振特性を有する場合には、水温や水圧によっ
ても特性が著しく変わるため、計測のつど補正や補正の
ための余分な計測作業と共に煩雑で細かい計算作業が発
生する。しかし、複合による影響を個々の要因毎に分離
することが至難であり、正確な補正を行うことは難し
い。さらに、上記の従来の円筒形ハイドロホン各部の材
質は、合成ゴム又は合成樹脂製のブーツ、キャップ、ゴ
ム座及びチタン・ジルコン酸鉛系磁器振動子等の構成部
品の他は、主として、黄銅とアルミ合金であり、このた
め、比較的大重量になり、それに伴って強度のある太い
ケーブルを使うはめになって、ますます重量増となり、
持ち運びやケーブル捌き作業にそれだけ人手を余分に要
する。特に、試験の目的によっては、ハイドロホンを水
中に浮遊させて音響計測をする必要のある時もあるが、
上記の材質の場合には、重量の点で浮遊ハイドロホンの
実現が難しい。さらに、ハイドロホンの受波センサの材
質が磁器のため、衝撃によりひび割れや破損の発生が起
こりやすく、特に、船上から水中に吊下・揚収の際に動
揺で舷側にぶち当てたり、甲板上に落下させたりした場
合には、その都度、作動のチェックを行うのであるが、
それに要する時間は、本来の計測すべき時間に食い込ん
でおり、計測効率を低下させている。しかも、船上で
は、感度校正装置がないので、正確な特性の確認には至
らない。このために、不審の場合に備えて代替品を用意
しているが、購入に要する費用も少なくない。

【０００４】本発明は、上述した従来の円筒形ハイドロ
ホンの問題点を一挙に解決すべく、広範囲の周波数に渡
って受波感度を平坦特性にすることができるように工夫
したものであり、受波感度水圧特性を改善させ、堅牢型
水中受波器を実現させ、さらに、受波感度を向上させ、
加速度感度を低減させ、受波感度周波数特性を改善させ
る等の優れた特性を有する円筒形ハイドロホンを提供す
ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の要旨とするところは、ハイドロホンの受
波センサにおいて、軽量で硬質のポリ塩化ビニル円筒基
盤を補強材として、その内周面と外周面上に電気音響変
換素子として、軽量で可撓性を有するシート状の高分子
圧電材（ＰＶＤＦ）を装着する。

【０００６】これを、図２の実施の形態を参照して説明
すれば、本発明の円筒形ハイドロホンは、ハイドロホン
の円筒受感部として、軽量で硬質な合成樹脂製の円筒基
盤１７ａ，１７ｂを補強材とし、その内周面上及び外周
面上に、水中音受波用の電気音響変換素子である可撓性
を有する高分子圧電材１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ
を装着したことを特徴としている。

【０００７】さらに、上記２個の円筒受感部をそなえ、
該２個の円筒受感部をその対向する一端で環状ベース２
０に取りつけ、該２個の円筒受感部の内周面上及び外周
面上に装着した上記高分子圧電材１８ａ，１８ｂ，１８
ｃ，１８ｄを直列に接続するとともに、それらを包囲す
る籠形のケース２１を設け、該ケース２１を音響通過の
良好なる発砲体１９でブーツ１０内に保持し、該ケース
２１及びブーツ１０内に充填した液体を音響媒体とし
て、上記ブーツ外からの音波を上記高分子圧電材に伝達
させ、音波により生じた機械的なひずみを電気的出力に
変換して導出するよう構成したことを特徴としている。

【０００８】

【作用】ハイドロホンをプラットホームから吊下して水
中音波を捕捉する場合、プラットホームの移動や水流等
で、ハイドロホンが動揺し、加速度雑音が発生すること
がある。この加速度雑音が発生すると、電気音響変換素
子にて受波される水中音波に重畳された形で上記加速度
雑音が加わり、Ｓ／Ｎ（信号対雑音）を低下させる欠点
があり、微弱音波の検出を困難にさせる。一般に、ハイ
ドロホンにおける雑音出力電圧は音響雑音と加速度雑音
の和で示される。ここで、音響雑音レベル（Ｎ：μＰ
ａ）、受波感度（Ｍ₀：Ｖ／μＰａ）、加速度（Ａ：Ｇ
＝重力加速度）、加速度感度（Ｇ₀：Ｖ／Ｇ）とすると
雑音出力電圧（Ｖ_N）は次の数１のようになる。

【０００９】

【数１】

【００１０】の（Ｓ／Ｎ）_Eの向上のためには、式
の分母の加速度感度（Ｇ₀）と受波感度（Ｍ₀）の比を
大きくする事によって得られる。したがって、加速度感
度（Ｇ₀）を低減し、受波感度（Ｍ₀）を高くすること
によって、雑音出力電圧を低減させることができる。こ
れによってＳ／Ｎが向上するため、微弱な信号音の検出
が可能となる。

【００１１】そこで、上記従来の円筒形ハイドロホンで
は、電気音響変換素子として２個の円筒形圧電磁器振動
子を金属円板製のベースを介して互いにタンデムに連結
し、上記ベースをケース内に支持棒と取付座で支持し
て、ブーツ内に充填した音響媒体である充填液を介して
ブーツ外の音波を上記円筒形圧電磁器振動子に伝達する
時、円筒形圧電磁器振動子の軸方向の加速度雑音につい
ては、これを各円筒形圧電磁器振動子の振動から発生す
る信号で相殺するようにして、Ｓ／Ｎの低下を回避する
ことがなされている。この場合、上記ベースはワッシャ
及び金属棒からなるシャフトを介してブーツ内に機械的
に支持されなければならず、そのために金属棒からなる
支持棒などが装備されている。

【００１２】これに対し、本発明の円筒形ＰＶＤＦハイ
ドロホンの受波センサに適用している高分子圧電材を上
記従来の圧電磁器と比較すると、主たる特徴としては、
次のようになる。（１）可撓性を有するので、他の物体に沿わせたり接着
することが容易（２）衝撃に強く、落としても割れない（３）ｇ（電圧出力）定数が大きいので、受波感度が高
い（４）密度は約１．９ｇ／ｃｍ³であり、比較的軽量の
ため加速度波感度が低いなお、ハイドロホンを作る場合
には、高分子圧電材をそのまま使うことは出来ないの
で、水圧等に耐えうる何らかの補強材が必要であり、本
発明の例では軽量で硬質のポリ塩化ビニル円筒を用いて
いる。

【００１３】すなわち、受波センサは、２個の円筒受感
部をそなえ、円筒受感部をその対向する一端で環状ベー
スに取りつけ質量中心点で支持する。また、軽量である
高分子圧電材の加速度出力はかなり小さいが、さらに、
各受感部の振動によって発生する信号で相殺するように
してＳ／Ｎの低下を回避するとともに、それらを包囲す
る籠形のケースで構成し、器体等からの伝達振動の影響
を回避するため、他の固体と直接触れないように該ケー
スを発砲体でブーツ内に保持し、該ケース及びブーツ内
に充填した液体を音響媒体として、上記ブーツ外からの
音波を上記高分子圧電材に伝達するよう構成するもので
ある。

【００１４】このように、本発明は、ハイドロホンの受
波センサにおいて、軽量で硬質のポリ塩化ビニル円筒基
盤を補強材とし、その内周面と外周面上に電気音響変換
素子として、軽量で可撓性を有するシート状の高分子圧
電材を装着し、加速度感度の低減及び受波感度を向上さ
せ、それによってＳ／Ｎを向上させるものである。

【００１５】受波感度の向上のためには、各圧電子が同
等の受波感度で４個の圧電子の場合、これを直列接続す
る事によって受波感度を４倍とさせるものである。すな
わち、受波感度（Ｍ₀）はＭ₀＝Ｍ₀₁＋Ｍ₀₂＋Ｍ₀₃＋Ｍ₀₄ となり、４倍の受波感度が得られる。高分子圧電材の加
速度出力電圧はかなり小さいが、さらに、加速度感度の
低減のために、受波センサには２個の円筒受感部をそな
え、円筒受感部をその対向する一端で環状ベースに取り
つけ質量中心点で支持する。機械的振動によって各受感
部に発生する信号で相殺するような電気的回路接続にし
て加速度出力電圧を抑制させて、Ｓ／Ｎの低下を回避す
るとともに、さらに、受感部を包囲する籠形ケースと共
に振動を減衰させる効果もある発砲体内に埋納保持して
受感部に伝わる加速度をさらに低減させる。従って、加
速度出力は受感部の加速度出力電圧の相殺効果と発砲体
による振動減衰効果により、加速度出力抑制効果は従来
の受波器よりも大幅に改善される。水中用受波器として
の特性を悪化させるのは、器体等からの振動の影響を受
けるためであり、本発明の構造によれば、水中音の受感
部は発砲体及び油内に浮いている状態にさせて、他の固
体と直接触れることの無いようにしてある。受感部には
器体の振動に基づく雑音出力が生じないので、広範囲に
渡って平坦特性を有する広帯域の受波感度周波数特性に
なる。

【００１６】本発明のハイドロホンには、水圧によって
変化するような遮音材等の空気を含む部材を用いていな
いこと、また、支持部材は無垢、受感部の内外面等全周
に渡って水圧が均等に加わるので、従来品に比べて水圧
による特性の変化は極めて小さい。本発明のハイドロホ
ンの軽量化を図るために、各部材は合成ゴムまたは合成
樹脂製であり、センサは比重約２．５の高分子圧電材で
あって、従来の圧電磁器振動子の比重約７．５に比して
２．５と小さい上、非金属材料を用いて製作できるので
極めて軽量である。このため、受波センサを長尺のホー
ス等に市販品の絶縁油等と共に収納するだけで、水中浮
遊ハイドロホンや中性浮力のハイドロホンが容易に実現
できる。ハイドロホンの受波センサが衝撃によるひび割
れや破損の発生が起こりにくい高分子圧電材であるか
ら、軽量で作業の煩雑性の解消及びハイドロホンの破損
や損傷の対策のための代替品の用意等も不必要である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
図２に基づいて説明する。２個の円筒受感部をそなえる
ため、軽量で硬質のポリ塩化ビニル円筒基盤１７ａの内
周面に高分子圧電材（ＰＶＤＦ）１８ｂ，外周面に１８
ａを装着、また、同様に１７ｂの内周面に１８ｄ、１８
ｃをそれぞれ装着して円筒受感部とし、それらの円筒受
感部をその対向する一端で軽金属製の環状ベース２０に
装着し、それらを包囲する籠形のケース２１に挿入し
て、同ケース２１と環状ベース２０と円筒受感部を含め
た質量中心点をネジ２３ａ，２３ｂで締結させてある。
該ケース２１を音響透過の良好なる発砲体１９でブーツ
１０内に保持し、該ケース２１及びブーツ１０内に充填
した充填液１１を音響媒体として、上記ブーツ１０外か
らの音波を上記高分子圧電材１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，
１８ｄに伝達する。音波によって生じた機械的ひずみが
電気的出力に変換され、ケーブル１３を介して送出され
る。

【００１８】

【発明の効果】このように、本発明は、ハイドロホンの
受波センサにおいて、軽量で硬質のポリ塩化ビニル円筒
基盤を補強材とし、その内周面と外周面上に電気音響変
換素子として、軽量で可撓性を有するシート状の高分子
圧電材を装着し、加速度感度の低減及び受波感度を向上
させ、それによってＳ／Ｎを向上させることができるも
ので、下記の優れた効果が得られる。１．受波感度水圧特性の改善本発明のハイドロホンには、従来品に比べて遮音材等の
空気を含む部材がないこと、支持部材がむくで有るこ
と、及び受波センサの高分子圧電材には均等な水圧が加
わるので従来品に比べて水圧による特性の変化は極めて
小さく、水圧に対し安定な特性が得られ、計測精度の向
上が図れると共に計測深度毎の感度補正の手間が省け
る。２．堅牢型水中用受波器の実現ハイドロホンの受波センサが高分子圧電材により、衝撃
によるひび割れや破損の発生が起こりにくく、特に、船
上から水中に吊下・揚収の際に動揺で舷側にぶち当てた
り、甲板に落下させたりした場合においても破損の心配
も無く、従来のように計測時間に食い込んでのチェック
の必要も無く、作業の煩雑性の解消及びハイドロホンの
破損や損傷の対策のための予備品用意等も不必要とな
る。

【００１９】３．受波感度の向上４個の圧電子を直列接続する事により受波感度（Ｍ₀）
はＭ₀＝Ｍ₀₁＋Ｍ₀₂＋Ｍ₀₃＋Ｍ₀₄ となり、各圧電子の受波感度が同じ場合には４倍の受波
感度が得られる。４．加速度感度の低減発泡体４には振動を減衰させる効果もあり、受感部に伝
わる加速度はかなり小さくなっているが、その加速度に
よる出力をさらに抑制をする。すなわち、受波器全体に
与えられた振動は、発泡体４によりかなり減衰される
が、ゼロにはならないので取付けネジ５を介して円筒形
ベース２に伝わり、受感部には振動に基づく雑音出力が
生じる。上下方向の振動の場合には、円筒形ベース２を
中心に各圧電子は自己の質量により互いに逆方向の歪み
を生ずる。従って、それぞれの出力は逆相になり、これ
を並列あるいは直列に接続する事により、互いに逆相の
出力電圧は、ほとんど現れなくなる。従って、加速度出
力は、発泡体による減衰効果と受感部の加速度出力電圧
の相殺により、加速度出力抑制効果は従来の受波器より
も大幅に改善される。本発明によって、加速度出力が抑
制され、かつ、受波感度が向上するので雑音出力電圧は
大幅に改善される。以上のごとく、精度のより高い計測
が可能になるほか、従来では計測が困難であった微弱音
の検出が可能となるほか、Ｓ／Ｎが向上した水中用受波
器が得られて、微弱な信号音が検出可能となる。５．受波感度周波特性の改善水中用受波器としての特性を悪化させるのは、器体等か
らの振動の影響を受けることであり、本発明の構造によ
れば、水中音の受感部は発泡体４及び油１１内に浮いた
状態になって、他の固体と直接触れることが無い。した
がって、各高分子圧電材には器体の振動に基づく雑音出
力が生じないので、平坦特性を有する広帯域の受波感度
周波数特性が得られる。

【００２０】本発明の実施の形態の効果は下記のとおり
である。６．軽量型水中用受波器の実現本発明のハイロドホン各部の材質は、合成ゴムまたは合
成樹脂製のブーツ、キャップであり、センサは比重２．
５の高分子圧電材であって、従来の圧電磁器振動子の比
重７．５に比して小さく、極めて軽量である。このた
め、受波センサを長尺のホース等に市販品の絶縁油等と
共に収納するだけで、水中浮遊ハイドロホンや中性浮力
のハイドロホンが容易に実現できる。

【００２１】以上のように、本発明によれば、軽量で堅
牢な受波感度周波数特性の良好な広帯域加速度抑制形と
する円筒形ＰＶＤＦハイドロホンを実現すると共に、経
済性に効果があるほか、軽量化による利便性のメリット
も大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来形の一実例を示す円筒形圧電磁器ハイドロ
ホンの断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態を示す円筒形ハイドロホ
ンの断面図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ円筒形圧電磁器振動子２金属板ベース３ａ，３ｂワッシャ４シャフト５ａ，５ｂ雄ネジ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ貫通端子７ａ，７ｂ支持棒８取付座９ａ，９ｂナット１０ブーツ１１充填液１２キャップ１３ケーブル１４リード線１５ａ，１５ｂ “０”リング１６充填剤１７ａ，１７ｂ円筒基盤１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ高分子圧電材（ＰＶ
ＤＦ）１９発砲体２０環状ベース２１籠形ケース２２蓋板２３ａ，２３ｂネジ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハイドロホンの円筒受感部として、軽量
で硬質な合成樹脂製の円筒基盤を補強材とし、その内周
面上及び外周面上に、水中音受波用の電気音響変換素子
である可撓性を有する高分子圧電材を装着した円筒形ハ
イドロホンにおいて、前記構造の２個の円筒受感部をそなえ、該２個の円筒受
感部をその対向する一端で環状ベースに取りつけ、該２
個の円筒受感部の内周面上及び外周面上に、それぞれ水
中音受波用の電気音響変換素子である可撓性を有するシ
ート状の高分子圧電材を装着し、この４個のシート状の
高分子圧電材を直列に接続するとともに、それらを包囲
する籠形のケースを設け、該ケースを音響通過の良好な
る発泡体でブーツ内に保持し、該ケース及びブーツ内に
充填した液体を音響媒体として、上記ブーツ外からの音
波を上記高分子圧電材に伝達させ、音波により生じた機
械的なひずみを電気的出力に変換して導出するよう構成
したことを特徴とする円筒形ハイドロホン。