JP3237051B2 - 高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ - Google Patents
高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサInfo
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Description
響センサに関し、特に深々度の水中において音圧を光の
位相変化に変換して音波を検出する高耐水圧円筒型光フ
ァイバ音響センサに関するものである。
ついては、G.F.Mcdearmonによる「呼吸振
動型の光ファイバハイドロホンの理論的解析:Theo
retical Analysis of a Pus
h−Pull Fiber−Optic Hydrop
hon」と題する下記の文献によって開示されている。 文献名:Journal of Lightwave
Technology,[vol.Lt・5],No.
5,pp647〜652,May1987(米)
イバ音響センサは、2つの円筒の呼吸振動を利用したも
ので、図5にこのセンサの模式断面図を示す。図5にお
いて、センサは所定の長さを持つ外円筒21及び内円筒
22の2つの円筒を同心円状に配置した二重円筒型の構
成で、円筒の両端に蓋23を取り付け、各円筒の間に形
成される等間隔な間隙部26の空胴(空洞とも書き、キ
ャビティともいう)部を空気室24として形成してい
る。外円筒21の内側面及び内円筒22の外側面には、
光ファイバ25,25aがそれぞれコイル状に巻回状態
で設置されている構造となっている。
内外に圧力差が生じるため、両円筒は振動方向が互いに
逆方向の呼吸振動をする。この時、両円筒に巻き付けた
光ファイバ25,25aも互いに逆方向に伸び縮みする
ため、光ファイバ25,25a内を伝搬しているレーザ
光の位相が変化する。そこで、この音圧に比例するレー
ザ光の位相変化量を光の干渉を利用した周知の干渉計の
原理により、音圧を高感度で検出するようになってい
る。
筒型光ファイバ音響センサは、内・外円筒の間の空胴部
を蓋で閉じ、かつ密閉して空気室を構成しているため、
圧力バランス構造の円筒型光ファイバ音響センサとはな
っていない。従って、これを水中において使用する時は
一般に耐水圧が低くなり、例えば現在要望されるような
深々度の水中では利用できないという問題がある。
筒型光ファイバ音響センサは、いずれも内・外2つの円
筒体を同心状に組み合わせてなる第1、第2の二重円筒
体を隔壁板を介して直列接続して一体的に形成した縦続
型二重円筒体の両端にそれぞれ蓋を有し、かつ縦続型二
重円筒体の各内円筒に光ファイバを巻回してなる円筒型
光ファイバ音響センサであって、第1の二重円筒体及び
第2の二重円筒体の各内外空洞部に面する各蓋に、各内
外空胴部と縦続型二重円筒体の外周部との静水圧を等し
くする開口部をそれぞれ設けたものである。
の内空胴部及び第2の二重円筒体の外空胴部に面する各
蓋にはヘルムホルツ共振の低域遮断周波数fL を、第1
の二重円筒体の外空胴部及び第2の二重円筒体の内空胴
部に面する各蓋にはヘルムホルツ共振の高域遮断周波数
fH をそれぞれ設定する径であることが望ましい。
内円筒の外周部又は内周部に巻回されていることが必要
である。さらに、前記光ファイバは二重円筒体の各内円
筒の外周部及び内周部に巻回されているものであっても
よい。そして、第1、第2の二重円筒体は互いに同一形
状のものであることが好ましい。
成がよく知られているように、本発明における蓋及び円
筒(二重円筒)を剛体とした時の共振回路を構成する音
響回路であり、次のような記述によって定量的な説明が
なされている。この場合、液体の粘性等が音響抵抗rA
(電気回路の抵抗Rに相当)、開口部(オリフィス)を
満たしている液体の質量mAは音響回路ではイナータン
ス(音響慣性:電気回路のインダクタンスLに相当)、
円筒の容量CAは音響コンプライアンス(電気回路のキ
ャパシタンスCに相当)として作用する。従って、圧力
バランスのような構造では、「オリフィス−円筒間の容
量」により「R−L−C」の共振回路が構成されたこと
により、このような音響回路をヘルムホルツ共振器と呼
んでいる。そして、mA、CA及びヘルムホルツ共振周
波数fは、次式のような式で表されている。 mA=Lρ/S CA=W/ρc2 f=1/{2π(mA×CA)1/2} ここで、L:オリフィスの長さ、ρ:液体の密度、S:
オリフィスの面積、W:円筒の容積、c:音速である。
つまり、開口部と空胴部とは、音響機器(弦楽器等)の
胴体に設けられた穴と空胴との関係に擬似し、この構造
は音波(音響)に対して一種のヘルムホルツの共鳴器
(共振器ともいう)を構成している。
接続した縦続型二重円筒の形成する4つの内外空胴部を
円筒の両端部で密閉するように使用された蓋の内の両方
の側の蓋に上記の4つの内外空胴部に対応して4つのオ
リフィス状の開口部を設けているから、このセンサを水
中に設置乃至浮游させた場合、各開口部を介して各空胴
部内とその外周部とが通じて、各空胴部内と縦続型二重
円筒体の外周部とは静水圧が等しくなり、圧力バランス
構造の光ファイバ音響センサが構成される。この場合、
上記のような圧力バランス型の光ファイバ音響センサは
各空胴部とこれに接する開孔部によって、4個の前述の
ようなヘルムホルツの共振器として働く構成となり、本
発明による音響センサはこれを利用したものに相当し、
その周波数特性は次のように説明される。
器(弦楽器等)の穴と空胴との関係に擬似し、この構造
は前述のように音波(音響)に対して一種のヘルムホル
ツの共鳴器を構成している。従って、空胴部の容積と開
口部の径で決まるヘルムホルツ共振周波数以下の周波数
の音波はこの開口部を通過するが、ヘルムホルツ共振周
波数以上の周波数の音波は開口部を通過しない。そこ
で、この構成において、ヘルムホルツ共振周波数以上の
周波数の音波をセンサのプローブとして使用すると、セ
ンサの外側には「静水圧+この音波の音圧」が印加され
るが、空胴部には静水圧のみしか加わらない。従って、
円筒の内側と外側に圧力不平衡が生じ、内・外筒はこの
音波の音圧で呼吸振動をするようになる。
ヘルムホルツの共振周波数以下の周波数の音波(静水圧
を含む)はオリフィスを通過する。そのため、単円筒型
光ファイバ音響センサは、ヘルムホルツ共振周波数以下
の周波数では円筒内側の圧力と音響センサ周囲の外側圧
力が平衡して円筒は呼吸振動は生じない。従って、それ
を取り巻く光ファイバは長さの変化は起きない。一方、
ヘルムホルツ共振周波数以上の周波数の音波はオリフィ
スを通過できないので、円筒に呼吸振動が起き、光ファ
イバにも長さの変化がおきる。つまり、圧力バランス型
の光ファイバ音響センサの場合の受波感度の周波数特性
は、図6に示すように、遮断周波数(ヘルムホルツ共振
による)を持つ特性になる。
光ファイバ音響センサ(以下センサという)の第1の実
施形態を示す模式断面図である。図1において、円筒1
は内円筒1aと外円筒1bとが同心状に形成された第1
の二重円筒であり、円筒2は内円筒2aと外円筒2bと
が同心状に形成された第2の二重円筒である。なお、一
般的には、円筒1と円筒2は相互に同一サイズ・同一形
状のものが好ましく、本実施形態の場合も相互に同一サ
イズ・同一形状としている。円筒1と円筒2とは隔壁板
3を介して直列接続された格好で一体的に形成され、縦
続二重円筒型音響センサ10の本体部を構成している。
(この本体部は、図1に示したように、外円筒1bと外
円筒2bとを一つの長い大円筒と見做してこれを筐体と
考え、この筐体内に内円筒1aと内円筒2aとの2個の
同サイズの小円筒を隔壁板3を挾んで同心的に組み込ん
で縦続二重円筒型構造としたものとみてもよい。) そして、内円筒1a及び内円筒2aの外側側面にそれぞ
れ光ファイバ4及び光ファイバ4aを巻回して取り付
け、干渉計を構成する光路を形成している。
円筒体の開放されている両端面にはそれぞれ2個所の所
定位置にそれぞれ開口部(オリフィスという)を有する
蓋5及び蓋5aを取り付けたものとし、第1の実施形態
による二重円筒型光ファイバ音響センサが形成されてい
る。すなわち、蓋5,5aに設けた開口部により、筐体
及び内円筒内部を音響センサ10の周囲の媒体(例えば
海水)と同じ液体で満たすようになるので、内円筒1
a,2aで仕切られた各筐体内部と縦続型二重円筒体の
外周部との静水圧を等しくすることができるようになっ
ている。開口部については、後程詳細に説明する。
間の空間、内円筒の内側の空間に、各2個の外空胴部及
び内空胴部が形成されるが、これらの空胴部とそれに対
応して設けられた複数の前記オリフィスとにより、後述
するような4個のヘルムホルツ共振器が構成される。本
実施形態の場合、円筒1の内円筒1aの内側空間を第1
内空胴1L、外円筒1bと内円筒1aとの間に形成され
る空間を第1外空胴1Hとし、円筒2の内円筒2aの内
側空間を第2内空胴2H、外円筒2bと内円筒2aとの
間に形成される空間を第2外空胴2Lとする。そして、
円筒1の蓋5の第1内空胴1Lに対応する位置に第1内
オリフィス11L、第1外空胴1Hに対応して第1外オ
リフィス11Hがそれぞれ設けられている。また、円筒
2の蓋5aの第2内空胴2Hに対応する位置に第2内オ
リフィス12L、第2外空胴2Lに対応して第2外オリ
フィス12Lがそれぞれ設けられている。なお、図1に
おいて、第1内空胴1L及び第2外空胴2Lの領域は微
暗色(白地に若干の暗色を施したもの)で、さらに第1
外空胴1H及び第2内空胴2Hの領域は斜線でそれぞれ
示したが、例えば微暗色部と斜線部との領域によって、
異なる周波数特性を有する2つのヘルムホルツ共振器が
互いに交錯した状態で構成されている。また、上記の部
品記号中、Lは低周波用を表すLowのLを示し、Hは
高周波用を表すHighのHを示すものとして使用して
いる。
微暗色領域(:第1内空胴1L及び第2外空胴2L)の
2つのヘルムホルツ共振器の共振周波数を等しくする第
1内オリフィス11Lと第2外オリフィス12Lのサイ
ズをそれぞれ個別に選定して、この共振周波数で低域遮
断周波数fL を設定する。また、第1外空胴1H及び第
2内空胴2Hの斜線領域(:第1外空胴1H及び第2内
空胴2H)の2つのヘルムホルツ共振器の共振周波数を
等しくする第1内オリフィス11Hと第2内オリフィス
12Hのサイズをそれぞれ個別に選定して、この共振周
波数で高域遮断周波数fH (>fL )を設定する。この
ようにすると、静水圧を含むヘルムホルツ共振のfL 以
下の周波数の音波は各オリフィスの全部を通過するた
め、音響センサを構成する円筒の内側と外側の圧力が平
衡し、円筒は音波による呼吸振動をしないが、音響セン
サは静水圧で潰れることのない圧力バランス構造とな
る。
至浮游させた場合、fL <f<fHの周波数fの音波は
第1内オリフィス11L及び第2外オリフィス12Lは
通過しないが、第1外オリフィス11H及び第2内オリ
フィス12Hは通過するので、音圧は第1外空胴1H及
び第2内空胴2Hの図の斜線部領域のみに加わって円筒
の内外に圧力不平衡が生じるため、円筒1,2は振動方
向が互いに逆方向の呼吸振動をする。それにつれて各内
円筒に巻き付けられた光ファイバ4,4aは伸び縮みす
る。従って、光ファイバ4及び光ファイバ4aを干渉計
の素子として光を入射させると、光ファイバ4及び光フ
ァイバ4aの中を伝搬する光の間に位相差が生ずるよう
になる。従って、従来の技術で説明した動作と同様に、
音響センサとして機能するようになる。
は全てのオリフィスを通過できないので、この帯域の音
波は検出しなくなる。従って、本実施形態(以下第2,
第3の実施形態も同様)のような縦続二重円筒型構造と
したものは音波の測定帯域を制限できる構成となってい
る。すなわち、縦続二重円筒型構造の光ファイバ音響セ
ンサは測定帯域の制限機構を備えていることとなる。こ
の測定帯域の制限機構は、このような円筒型音響センサ
(ハイドロホン)を時間分割の多重化システムに適用し
た場合に特に効果的である。すなわち、円筒型音響セン
サは数kHz(円筒の呼吸振動の共振周波数による)ま
でフラットな特性が得られると考えられるが、この円筒
型音響センサを時間分割の多重化システムにそのまま適
用すると、高周波の音波から折り返し雑音(“サンプリ
ング定理”による)が発生するので、この折り返し雑音
を防ぐために測定周波数に合わせて音響センサの高周波
側の帯域を制限する必要がある。この要請に対して、本
発明による縦続二重円筒型構造の光ファイバ音響センサ
は、前述のようにヘルムホルツ共振器により周波数がf
H 以上の音波は全てのキャビティ内に伝わらないので、
fH 以上の音波を検出できないようになっている。従っ
て、縦続二重円筒型構造の光ファイバ音響センサはヘル
ムホルツ共振器という音響フィルタによりfH 以上の音
波を検出しない帯域制限機構を有する利点を併せ持つこ
ととなる。
リフィスの径が、円筒1の第1内空胴部1L及び円筒2
の第2外空胴部2Lに面する各蓋5,5aにヘルムホル
ツ共振の低域遮断周波数fL を、円筒1の第1外空胴部
1H及び円筒2の第2内空胴部2Hに面する上記のの蓋
にはヘルムホルツ共振の高域遮断周波数fH をそれぞれ
設定する径が設定されたオリフィスを有し、各空胴部1
L,2L,1H,2Hにセンサの外周の音響媒体と同じ
液体が満たされる構造を有する圧力バランス構造の二重
円筒型の光ファイバ音響センサ(ハイドロホン)が得ら
れる。そのため、この実施形態の音響センサは耐水圧が
高く、深々度の海中のような水中でも適用できるように
なると共に、ヘルムホルツ共振器という音響フィルタに
よりfH 以上の音波を検出しない帯域制限機構を有する
利点を有する効果が得られる。
耐水圧円筒型光ファイバ音響センサの第2の実施形態を
示す模式断面図である。本実施例では図2にみられるよ
うに、光ファイバの設置場所以外は、図1の第1の実施
形態の構成と同じである。従って、光ファイバ4,4a
以外の構成部材とその部品番号は図1のそれと同一であ
るので、その説明は省略する。本実施形態では、光ファ
イバ4b及びは光ファイバ4cはいずれもそれぞれ円筒
1の内円筒1a及び円筒2の内円筒2aの内側面に、コ
イル状に巻回されて、第1の実施形態と同様な本実施形
態の干渉計を構成する構造となっている。
イバ4b,4cが内円筒1a及び内円筒2aの内側面に
コイル状に巻回された構成によって、本実施形態の干渉
計を構成する構造となっていることを特徴としている
が、その他の構成、作用動作及び効果乃至利点は、前述
の第1の実施形態の場合と同様であるので、詳細な説明
は省略する。
耐水圧円筒型光ファイバ音響センサの第3の実施形態を
示す模式断面図である。また、図4は図3の第3の実施
形態における干渉計構成を説明する模式図である。本実
施例では図にみられるように、光ファイバの設置場所以
外は、図1の第1の実施形態の構成と同じである。従っ
て光ファイバ4,4a,4b,4c以外の構成部材とそ
の部品番号は図1のそれと同一であるので、その説明は
省略する。図3によって明らかなように、本実施形態で
は、光ファイバの設置において、図1の設置構成と図2
の設置構成とを合成した構造となっている。すなわち、
光ファイバ4及び光ファイバ4aはいずれもそれぞれ円
筒1の内円筒1a及び円筒2の内円筒2aの外側面に、
光ファイバ4b及び光ファイバ4cはいずれもそれぞれ
円筒1の内円筒1a及び円筒2の内円筒2aの内側面に
それぞれコイル状に巻回されている。そして、第3の実
施形態による図4に示すような4素子の干渉計を構成す
る構造となっている。
円筒1の内円筒1aの外側側面及び内側側面に設けたそ
れぞれ光ファイバ4及び光ファイバ4bと、円筒2の内
円筒2aの外側側面及び内側側面に設けたそれぞれ光フ
ァイバ4a及び光ファイバ4cとをいずれも個別に接続
して2つの光路を形成し、それらの光路の両端部をカプ
ラ8及びカプラ8aに接続した干渉計の構成となってい
る。なお、例えば、カプラ8は図示しないレーザダイオ
ード(LD)から1本の光ファイバを介して入射するレ
ーザ光を分岐して光ファイバ4及び光ファイバ4aに入
射させる光カプラであり、カプラ8aは光ファイバ4b
及び光ファイバ4cから出力される各レーザ光を合成し
て1本の光ファイバを介して図示しない光電気変換器
(O/E)等に送信するための光カプラである。
到来して2つの円筒1,2が呼吸振動をすると、それに
つれて4個の光ファイバ4,4a,4b,4cも振動す
るから、上述の2つの光路のレーザ光の波面がずれるの
で、カプラ8aから出るレーザ光に干渉波が観測される
ことを利用したものである。なお、前述の第1、第2の
実施形態の場合は、図示説明を省略したが、図4の干渉
計よりも素子数の少ない2素子の干渉計を形成したもの
となっている。
ファイバ4,4a,4b,4cが円筒1,2のいずれも
内・外面にコイル状に巻回されて設けられ、4素子によ
る干渉計を構成する構造となっているので、干渉計によ
る音波の測定感度を前述の第1、第2の実施形態の場合
よりも高められていることを利点としている。ただし、
その他の構成、作用動作及び効果は第1、第2の実施形
態の場合と同様であるので、その詳細な説明は割愛す
る。
内・外2つの円筒体を同心状に組み合わせてなる第1、
第2の二重円筒体を隔壁板を介して直列接続して一体的
に形成した縦続型二重円筒体の両端にそれぞれ蓋を有
し、かつ縦続型二重円筒体の各内円筒に光ファイバを巻
回してなる円筒型光ファイバ音響センサであって、第1
の二重円筒体及び第2の二重円筒体の各内外空洞部に面
する各蓋に、各内外空胴部と縦続型二重円筒体の外周部
との静水圧を等しくする開口部をそれぞれ設けたもので
あるから、各空胴部にセンサの外周の音響媒体と同じ液
体が満たされる構造を有する圧力バランス構造の二重円
筒型の光ファイバ音響センサが得られる。このため、こ
の発明による音響センサは、耐水圧が高い深々度の海中
のような水中でも適用できると共に、ヘルムホルツ共振
器という音響フィルタにより特定周波数以上の音波を検
出しない帯域制限機構を有する利点を有する優れた効果
が得られる。
ンサの第1の実施形態を示す模式断面図である。
ンサの第2の実施形態を示す模式断面図である。
ンサの第3の実施形態を示す模式断面図である。
渉計の構成図である。
断面図である。
である。
Claims (5)
- 【請求項1】 いずれも内・外2つの円筒体を同心状に
組み合わせてなる第1、第2の二重円筒体を隔壁板を介
して直列接続して一体的に形成した縦続型二重円筒体
と、 この縦続型二重円筒体の両端面をそれぞれ塞ぐ蓋と、 前記縦続型二重円筒体の各内円筒にそれぞれ巻回される
光ファイバとからなり、前記第1の二重円筒体及び前記
第2の二重円筒体の各内外空洞部に面する前記各蓋に、
前記各内外空胴部と前記縦続型二重円筒体の外周部との
静水圧を等しくする開口部をそれぞれ設けたことを特徴
とする高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ。 - 【請求項2】 前記開口部の径は、前記第1の二重円筒
体の内空胴部及び前記第2の二重円筒体の外空胴部に面
する前記各蓋にはヘルムホルツ共振の低域遮断周波数f
L を、前記第1の二重円筒体の外空胴部及び前記第2の
二重円筒体の内空胴部に面する前記各蓋には前記ヘルム
ホルツ共振の高域遮断周波数fH をそれぞれ設定する前
記径であることを特徴とする請求項1記載の高耐水圧円
筒型光ファイバ音響センサ。 - 【請求項3】 前記光ファイバは前記二重円筒体の各前
記内円筒の外周部又は内周部に巻回されていることを特
徴とする請求項1又は請求項2記載の高耐水圧円筒型光
ファイバ音響センサ。 - 【請求項4】 前記光ファイバは前記二重円筒体の各前
記内円筒の外周部及び内周部に巻回されていることを特
徴とする請求項1、請求項2又は請求項3記載の高耐水
圧円筒型光ファイバ音響センサ。 - 【請求項5】 前記第1、第2の二重円筒体は互いに同
一形状のものであることを特徴とする請求項1、請求項
2、請求項3又は請求項4記載の高耐水圧円筒型光ファ
イバ音響センサ。
Priority Applications (1)
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JP00820196A JP3237051B2 (ja) | 1996-01-22 | 1996-01-22 | 高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH09196749A JPH09196749A (ja) | 1997-07-31 |
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JP (1) | JP3237051B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008175746A (ja) * | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Oki Electric Ind Co Ltd | 干渉型光ファイバセンサシステムおよびセンシング方法 |
JP2012068087A (ja) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 高耐水圧光ファイバハイドロホン |
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---|---|---|---|---|
JP5194418B2 (ja) * | 2006-10-04 | 2013-05-08 | 沖電気工業株式会社 | ハイドロホン |
-
1996
- 1996-01-22 JP JP00820196A patent/JP3237051B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH09196749A (ja) | 1997-07-31 |
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