JP3152222B2 - 水中送波器及び水中音響送受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、送波器に係り、
特に水中に音響信号を発信する際の垂直指向性を制御可
能な水中送波器、及びこのような水中送波器を使用した
水中音響送受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ブイによって水中に吊り下げられた送波
器から水中に音響信号を発射し、目標物からの反射信号
を受信することによって、目標物までの距離を測定する
水中距離測定装置（例えばソノブイ）は、通常、航空機
から投下して使用されることが多く、従って、航空機に
搭載する際の大きさと重量の制限から、極力、小型化を
図る必要があるため、多くの場合、送波器として、単一
周波数のみの送信が可能な装置が使用されている。この
ような単一周波数の装置では、受信信号に対して残響
（海面及び海底の反射波）の影響を受けやすい。すなわ
ち、一般に残響は減衰時間が長いため、残響が大きい海
域では、目標物からの反射信号が残響に埋もれてしまっ
て、所望の反射信号の検出が困難になる。そこで、従来
は、送波器の吊下深度を何段階かに変更できるようにし
て残響の影響を少なくするか、又は、送波器をアレイ化
することによって、送波器からの送信信号に対する垂直
指向性を鋭くすることによって、残響の影響を少なくす
る方法がとられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、広域で
の使用を目的とする装置では、海域によって残響発生の
程度が異なるため、従来の方法では、残響の影響を除去
することが難しい場合があるという問題があった。すな
わち、特に浅海域の場合は、海面及び海底の反射がとも
に大きいため、送波器の吊下深度を可変にしても、残響
の影響を少なくすることが難しい場合があった。また送
波器をアレイ化することには、送波器の価格の上昇を招
くという問題があった。また、送波器の吊下深度を変更
する方法では、装置が大型化するため、航空機から投下
する装置の場合は採用が困難であり、一方、装置の大型
化を抑えると、変更可能な深度の数に制限を受けること
になるという問題があった。

【０００４】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
ものであって、水中に音響信号を発信するための水中送
波器において、使用目的に応じて垂直指向特性を最適に
変更できるようにすることによって、残響の影響を除去
することが可能な、水中送波器及び水中音響送受信装置
を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、一定の固有周波数を有する
リング状共振素子を積層して中空筒状に形成してなる水
柱共振型送波器を２個同一軸上に配置して上記周波数の
信号で励振することによって、該両送波器の間隔に応じ
て変化する共振周波数の水中音響を放射する水中送波器
に係り、上記両送波器の間隔を可変にすることによっ
て、上記共振周波数と水中音響の垂直指向性とを任意に
変化させるように構成されていることを特徴としてい
る。

【０００６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の水
中送波器に係り、上記水中音響に基づく受信信号を検出
する受信手段と、上記両送波器の間隔を変化させる間隔
制御手段と、上記受信結果に基づく受信波と残響とのレ
ベル差に応じて該間隔制御手段を制御して上記水中送波
器の共振周波数と垂直指向性とを変化させることによっ
て該両送波器からの水中音響に基づく受信波と残響との
レベル差が小さくなるように制御する制御手段とを備え
たことを特徴としている。

【０００７】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の水中送波器に係り、上記間隔制御手段が、上記制御
手段からの駆動信号に応じて駆動されるモータ部と、該
モータ部の回転を伝達する回転伝達手段と、該伝達され
た回転に応じて上記両送波器の一方または双方を軸方向
に移動させる移動制御手段とからなることを特徴として
いる。

【０００８】請求項４記載の発明は、請求項３記載の水
中送波器に係り、上記移動制御手段が、一方または双方
の上記送波器の一端に設けられたネジ穴に嵌合し上記回
転伝達手段によって回転して該送波器をその軸方向に移
動させるネジ棒からなる回転シャフトと、上記送波器の
他端に設けられた貫通穴に嵌合して該送波器を軸方向に
滑動させる棒状の支持シャフトとからなることを特徴と
している。

【０００９】請求項５記載の発明は、請求項１乃至４記
載の水中送波器に係り、上記両送波器のうち、いずれか
一方のみを単独で励振して使用可能なように構成されて
いることを特徴としている。

【００１０】請求項６記載の発明は、水中音響送受信装
置に係り、一定の振動周波数を有すリるング状共振素子
を積層して中空筒状に形成した２個の水柱共振型送波器
からなる２個の送波器と、該両送波器を同一軸上に吊り
下げて保持して上記周波数の励振信号によって励振する
とともに、回転制御信号に応じて回転するモータ部から
の回転を伝達して上記２個の送波器の配列間隔を変化さ
せるように制御し、該両送波器からの送信水中音響に基
づく反射波と残響とのレベル差を検出して、該レベル差
が所与の条件のもとに最良となるように前記回転制御信
号を発生する制御を行う水中部とを備えてなることを特
徴としている。

【００１１】請求項７記載の発明は、請求項６記載の水
中音響送受信装置に係り、上記水中部が吊索によって水
上部から水中に吊り下げられているとともに、通信手段
を備えて、上記水中部において反射波と残響とのレベル
差が最良の状態になったことをケーブルを介して上記水
上部に通知できるように構成されていることを特徴とし
ている。

【００１２】請求項８記載の発明は、請求項７記載の水
中音響送受信装置に係り、上記水上部が、無線通信手段
を有し、上記反射波と残響とのレベル差が最良の状態に
なったことを無線信号によって外部に通知できるように
構成されていることを特徴としている。

【００１３】

【作用】この発明の構成では、一定の固有周波数を有す
るリング状共振素子を積層して中空筒状に形成してなる
水柱共振型送波器を２個同一軸上に配置して上記周波数
の信号で励振することによって、該両送波器の間隔に応
じて変化する共振周波数の水中音響を放射する水中送波
器において、両送波器の間隔を可変にすることによっ
て、共振周波数と水中音響の垂直指向性とを任意に変化
させるようにしたので、目標物と使用環境とに応じて、
最良の水中音響周波数と指向特性とによって、水中音響
の送受信を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の一実施例であ
る水中送波器を適用した水中音響送受信装置の電気的構
成を示すブロック図、図２は、同水中音響送受信装置の
機械的構成を示す図、図３は、この例の水中部の機械的
構成を示す図、図４は、この例の水中送波器の構成を示
す図、図５は、同水中送波器の配列間隔を説明するため
の図、図６は、同水中送波器の配列間隔と送信周波数と
を説明する図、また、図７は、同水中送波器の指向特性
を説明する図である。この例の水中送波器を適用した水
中音響送受信装置は、図１に示すように、制御回路１，
回転制御部２，モータ部３，送信回路４，信号検知用受
波部５，受信回路６からなる駆動部７及び送波器８，送
波器９からなる水中部１０と、ケーブル１１と、ＲＦ送
受信器１２，信号解析部１３及びアンテナ１４からなる
水上部１５と、航空機１７に搭載された機上処理部１６
とから概略構成されている。

【００１５】上記制御回路１は、水中部１０の全体の動
作を制御するとともに、ケーブル１１を介して、水上部
１５との間で、送受信信号と制御用信号の送受を行う。
回転制御部２は、制御回路１からの指示に応じて、モー
タ部３に対する回転の制御を行う。モータ部３は内蔵す
るモータを回転することによって、送波器８と送波器９
との間隔を変更する制御を行う。送信回路４は、一定周
波数の送信信号を発生して、送波器８，送波器９を励振
する。信号検知用受信部５は、目標物からの反射信号を
検出する。受信回路６は、音響信号からなる反射信号
を、電気信号に変換して、制御回路１に送出する。送波
器８，送波器９は、送信回路４からの送信信号に応じ
て、水中に音響信号を送出する。ケーブル１１は、水中
部１０と水上部１５との間で、送受信信号と制御用信号
とを伝送する。ＲＦ送受信器１２は、水上部１５と航空
機１７との間における送受信信号と制御用信号とを無線
信号によって送受信する。信号解析部１３は、水中部１
０における残響の解析結果を制御用信号に変換してＲＦ
送受信器１２に送出する。アンテナ１４は、水上部１５
の上部に設けられていて、航空機１７との間の無線信号
の伝送を行う。機上処理部１６は、水中部１０に対する
送受信の制御と、送受信信号に基づく距離の測定の処理
を行う。

【００１６】この例の水中音響送受信装置は、図２に示
すように、水中部１０と、吊索１８と、水上部１５とか
らなる機械的構成を有している。水中部１０は、駆動部
７と、送波器８と、送波器９とからなっている。駆動部
７は、図１に示された電気的構成を有し、送波器８，送
波器９を電気的に駆動して水中音響の送受信を行わせる
とともに、送波器８，送波器９を機械的に支持する。吊
索１８は、水上部１５の浮力によって、水中部１０を吊
り下げて水中に保持するとともに、ケーブル１１を包含
して、水中部１０と水上部１５とを電気的に連絡する。
水上部１５は、図１に示されたＲＦ送受信器１２と、信
号解析部１３とを含み、上部にアンテナ１４を取りつけ
られている。

【００１７】さらに、この例の水中部１０は、図３に示
すように、駆動部７と、回転シャフト２０と、支持シャ
フト２１と、回転シャフト２０及び支持シャフト２１と
によって駆動部７に支持された送波器８，送波器９とか
らなる機械的構成を有している。駆動部７は、水密構造
の中空円筒状をなし、図１に示された制御回路１，回転
制御部２，モータ部３，送信回路６，信号検知用受波部
５，受信回路６を内蔵する以外に、内部に回転伝達機構
１９を有し、さらに下部に回転伝達機構１９に連結され
た回転シャフト２０を水密軸受を介して支持していると
ともに、支持シャフト２１を固定されている。回転シャ
フト２０は、ネジを切った丸棒からなり、ネジを介して
送波器８の一方の端部を上下移動可能に支持するととも
に、下端を送波器９の一方の端部に回転自在に支持され
ている。支持シャフト２１は、丸棒からなり、送波器８
の他方の端部を上下滑動可能に支持するとともに、下端
を送波器９の他方の端部に固定されている。

【００１８】また、この例の水中送波器８，９は、図４
に示す水柱共振型送波器２２からなっている。水柱共振
型送波器２２は、図４（ａ）に示すように、同一の共振
周波数を有するリング型圧電共振子２３を、複数個、同
軸に積層して形成した円筒状をなし、外側と空洞状の内
部がともに水中に浸された状態で使用される。水柱共振
型送波器２２を構成する各圧電共振子２３を同一の固有
振動周波数で励振すると、内部の水柱部に、図４（ｂ）
に示すように、上下の開放端２４，２５を腹とし、中央
部を節とする水柱の共振が生じて、上下方向に音波２６
が送出され、このときの共振周波数は、励振周波数に等
しくなる。

【００１９】次に、図１乃至図７を参照して、この例の
水中送波器及び水中音響送受信装置の動作を説明する。
水中音響送受信装置の水中部１０と水上部１５とは、通
常、航空機から投下されて、図２に示す状態で、水上部
１５が水面に浮いてアンテナ１４を空中に展張するとと
もに、吊索１８によって、水中部１０を水中の一定深度
に吊り下げた状態で設置される。設置時、航空機１７か
ら機上処理部１６を介して無線信号によって水中音響送
出の指令を送ることによって、水上部１５では、アンテ
ナ１４を経て無線信号を受信し、ＲＦ送受信部１６で受
信した無線信号を電気信号に変換し、信号解析部１７で
受信信号を解析して、受信した指示をケーブル１１を介
して水中部１０の制御回路１に伝達する。これによっ
て、制御回路１は送信回路４を動作させ、これによっ
て、送信回路４は一定周波数の励振信号を発生して、送
波器８，送波器９に送る。これによって、送波器８，送
波器９から水中音波を送出する。送信音波に基づく海面
と海底からの反射信号（残響）を信号検知用受信部５で
受信し、受信回路６で電気信号に変換して、制御回路１
へ送る。

【００２０】制御回路１では、受信回路６からの電気信
号における残響のレベルを検出して、残響レベルが大き
いと判断したとき、回転制御部２に制御信号を送出し、
回転制御部２は、この制御信号に応じて、モータ部３を
駆動する。これによって、モータ部３では回転伝達機構
１９を介して回転シャフト２０を回転させて、送波器８
の上下方向の位置を変化させることによって、送波器８
と送波器９の間隔を変化させる。

【００２１】送波器８と送波器９の間隔が変化すると、
送波器８，９によって送出される水中音波の周波数が変
化するとともに、送波器８，９に基づく水中音波の指向
特性が変化する。この際における送波器８，９の配列間
隔と共振周波数との関係は、図５及び図６に示されるよ
うになる。図５は、送波器８，９の配列間隔を示し、
（ａ）の場合は、両送波器が密接して配置されていて配
列間隔が０であるが、（ｂ）の場合は配列間隔が広くな
ってＬになったことが示されている。図６は、この場合
における共振周波数の変化を示し、配列間隔Ｌが広くな
るのに従って、共振周波数ｆが高くなることが示されて
いる。

【００２２】なお、送波器８又は送波器９のいずれか１
個のみを単独に使用したときは、両送波器を密接して配
列したときと比較して、共振周波数が約２倍になる。こ
れは、送波器の水中における共振周波数は、その軸方向
の長さに依存し、送波器の径が同一の場合、共振周波数
が送波器の長さに反比例する特性を有するが、送波器１
個のみを使用したことによって、両送波器を密接して配
列した場合と比較して、その高さ（軸方向の長さ）が１
／２になるためである。

【００２３】さらに、両送波器の配列間隔の変化に伴っ
て、水中音波の垂直指向性も変化する。この場合の指向
特性の変化は、両送波器の配列間隔が０の場合はブロー
ドであるが、配列間隔が広くなるに従ってシャープにな
り、配列間隔が約１／２波長のとき最もシャープになっ
て、配列間隔がさらに広くなると、指向特性は再びブロ
ードになる。この傾向は、配列間隔が無限大に相当す
る、送波器８又は送波器９のいずれかを単体で使用した
場合も同様である。

【００２４】図７は、このような指向特性の変化を概念
的に示したものであって、図７（ａ）は送波器として送
波器８または送波器９のいずれか１個だけを使用した場
合を示し、垂直ビームＡはブロードである。一方、図７
（ｂ）は送波器８と送波器９の配列間隔を約１／２波長
にした場合を示し、シャープな垂直ビームＢが得られる
ことが示されている。

【００２５】このように２個の送波器の配列間隔によっ
て、両送波器の共振周波数と指向特性が変化するのは、
両送波器の生成する音場が媒質（水）を介して結合し、
相互に干渉しているためであって、周知である。なお、
この際の指向特性の変化は垂直指向性に限り、水平指向
性は、送波器が円筒状の場合は一様であって、両送波器
の配列間隔に影響されない。

【００２６】制御回路１は、残響レベルを測定しながら
両送波器の配列間隔を変更する処理を繰り返し行って、
残響レベルが最小になったとき、その旨を示す電気信号
をケーブル１１を介して送信し、信号解析部１３ではこ
れによって特定の制御信号を生成して、ＲＦ送受信部１
２へ送る。ＲＦ送受信部１２ではこれを無線信号に変換
して機上処理部１６に送るので、機上処理部１６では、
これを検出することによって、水中送波器が最良の指向
特性に設定されたことを知ることができるので、以後、
通常の距離測定状態に移行する。

【００２７】通常の動作状態では、機上処理部１６から
の送信パルスを無線信号を介して水上部１５へ送り、水
上部１５からケーブル１１を介して水中部１０へ送るこ
とによって、送波器８，９から水中音響として送出す
る。そして、目標物からの反射パルスを受信したとき、
これを無線信号に変換して逆の経路で機上処理部１６に
送り返すことによって、機上処理部１６では、送受信パ
ルスの時間間隔によって、水中音響送受信装置から目標
物までの距離を算出する。

【００２８】このように、この例の水中送波器及び水中
音響送受信装置では、水中に設置された２個の送波器の
間隔を制御にすることによって、送受信する水中音響の
周波数と垂直指向性とを変化させることができる。目標
物からの反射波の強度は、水中音響の周波数によって変
化し、目標物の大きさや探知距離等によって最適の周波
数があるとともに、残響の周波数特性は海域や気象条件
等によって変化するので、水中音響の周波数を変化させ
ることによって、目標物探知時における、反射波強度と
残響強度とのＳ／Ｎを最良にすることができる。また、
目標物からの反射波の強度と残響の強度とは、水中音響
の指向特性によっても変化する。一般には、指向性をシ
ャープにした方が反射波強度と残響強度とのＳ／Ｎを向
上することができるが、指向性がシャープすぎると、目
標物の深度によっては、探知できなくなる場合が生じる
ので、適当な値に設定することが必要である。

【００２９】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られたもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、水中送波
器を構成する単位の共振素子は、圧電共振子に限らず、
他の形式のもの、例えば動電型共振子であってもよい。
また、両送波器８，９の間隔を変えるための機構として
は、回転シャフト２０と指示シャフト２１による装置に
限らず、他の方式の機械装置であってもよい。さらに、
制御回路１に、中央処理装置（ＣＰＵ）と、所要のデー
タベースを収容したメモリとを備え、使用海域や探知深
度，気象状態，目標物の大きさ，形状，反射特性等の条
件を機上処理部１６から指定することによって、送波器
８，９の配列間隔をこれらの条件に適合するように設定
して、最良の水中音響周波数と指向特性を得られるよう
に制御できる構成とすることが望ましい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の水中送
波器及び水中音響送受信装置によれば、水柱共振型送波
器からなる２個の水中送波器を備えて、その配列間隔を
制御できる構成としたので、送受信する水中音響の周波
数と垂直指向性とを変化させることができ、従って、目
標物と使用環境とに応じて、最良の水中音響周波数と指
向特性とによって、水中音響の送受信を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である水中送波器を適用し
た水中音響送受信装置の電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図２】同水中音響送受信装置の機械的構成を示す図で
ある。

【図３】この例の水中部の機械的構成を示す図である。

【図４】この例の水中送波器の構成を示す図である。

【図５】同水中送波器の配列間隔を説明するための図で
ある。

【図６】同水中送波器の配列間隔と送信周波数とを説明
するための図である。

【図７】同水中送波器の指向特性を説明する図である。

【符号の説明】

１ 制御回路（制御手段）（通信手段） ２ 回転制御部（間隔制御手段） ３ モータ部（間隔制御手段） ４ 送信回路 ５ 信号検知用受波部（受信手段） ６ 受信回路（受信手段） ７ 駆動部 ８ 送波器 ９ 送波器 １０ 水上部 １１ ケーブル １２ ＲＦ送受信器（通信手段） １３ 信号解析部 １４ アンテナ １５ 水上部 １６ 機上処理部 １７ 航空機 １８ 吊索 １９ 回転伝達機構（回転伝達手段） ２０ 回転シャフト（移動制御手段） ２１ 支持シャフト（移動制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−179033（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−57982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−75278（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−73898（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−103286（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−48686（ＪＰ，Ｕ) 特許2765548（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 H04R 1/44

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定の固有周波数を有するリング状共振
   素子を積層して中空筒状に形成してなる水柱共振型送波
   器を２個同一軸上に配置して前記周波数の信号で励振す
   ることによって、該両送波器の間隔に応じて変化する共
   振周波数の水中音響を放射する水中送波器において、 前記両送波器の間隔を可変にすることによって、前記共
   振周波数と水中音響の垂直指向性とを任意に変化させる
   ように構成されていることを特徴とする水中送波器。
2. 【請求項２】 前記水中音響に基づく受信信号を検出す
   る受信手段と、前記両送波器の間隔を変化させる間隔制
   御手段と、前記受信結果に基づく受信波と残響とのレベ
   ル差に応じて該間隔制御手段を制御して前記水中送波器
   の共振周波数と垂直指向性とを変化させることによって
   該両送波器からの水中音響に基づく受信波と残響とのレ
   ベル差が小さくなるように制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の水中送波器。
3. 【請求項３】 前記間隔制御手段が、前記制御手段から
   の駆動信号に応じて駆動されるモータ部と、該モータ部
   の回転を伝達する回転伝達手段と、該伝達された回転に
   応じて前記両送波器の一方または双方を軸方向に移動さ
   せる移動制御手段とからなることを特徴とする請求項２
   記載の水中送波器。
4. 【請求項４】 前記移動制御手段が、一方または双方の
   前記送波器の一端に設けられたネジ穴に嵌合し前記回転
   伝達手段によって回転して該送波器をその軸方向に移動
   させるネジ棒からなる回転シャフトと、前記送波器の他
   端に設けられた貫通穴に嵌合して該送波器を軸方向に滑
   動させる棒状の支持シャフトとからなることを特徴とす
   る請求項３記載の水中送波器。
5. 【請求項５】 前記両送波器のうち、いずれか一方のみ
   を単独で励振して使用可能なように構成されていること
   を特徴とする請求項１乃至４記載の水中送波器。
6. 【請求項６】 一定の振動周波数を有すリるング状共振
   素子を積層して中空筒状に形成した２個の水柱共振型送
   波器からなる２個の送波器と、該両送波器を同一軸上に
   吊り下げて保持して前記周波数の励振信号によって励振
   するとともに、回転制御信号に応じて回転するモータ部
   からの回転を伝達して前記２個の送波器の配列間隔を変
   化させるように制御し、該両送波器からの送信水中音響
   に基づく反射波と残響とのレベル差を検出して、該レベ
   ル差が所与の条件のもとに最良となるように前記回転制
   御信号を発生する制御を行う水中部とを備えてなること
   を特徴とする水中音響送受信装置。
7. 【請求項７】 前記水中部が吊索によって水上部から水
   中に吊り下げられているとともに、通信手段を備えて、
   前記水中部において反射波と残響とのレベル差が最良の
   状態になったことをケーブルを介して前記水上部に通知
   できるように構成されていることを特徴とする請求項６
   記載の水中音響送受信装置。
8. 【請求項８】 前記水上部が、無線通信手段を有し、前
   記反射波と残響とのレベル差が最良の状態になったこと
   を無線信号によって外部に通知できるように構成されて
   いることを特徴とする請求項７記載の水中音響送受信装
   置。