JP3262796B2 - 表面センサを備えた海中音響アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低周波数海中波受信用の音響アンテナに関す
る。

この種のアンテナは、海中の音響ノイズ源を検出し、
位置をつきとめることを目的とする。したがって同時に
検出と位置決定の良好な性能を得るためには、低周波ス
ペクトルについて研究し（「低周波」とは、2kHz以下、
一般的には1kHz以下の周波数を言う）、十分な信号対雑
音比を得るために大きな利得（多くの適用例で、20dBの
利得が必要）を有するアンテナを備える必要がある。

この２つの要件（低周波と高利得）から、寸法の大き
なアンテナが必然的に必要となる。

そのための第１の手段は、船舶（水上船または潜水
艦）の後に水中聴音管を牽引して、非常に長い直線状の
アンテナを形成することである。

このような形式のアンテナは、潜水艦よりもはるかに
長くすることができ、したがって低周波では非常に高性
能となりうるが、多くの実施上の不都合（巻上機システ
ムなど、及び潜水艦の抵抗の増加）があり、特に管が直
線構成であるために垂直平面における指向性が全くな
い。

第２の手段は、潜水艦の全長の大部分にわたって、点
センサ（適切な方法で互いに接続された小型の水中聴音
機）の集合で形成されるアンテナを取り付けることであ
る。こうして２次元アレイを得ることができ、これによ
って垂直平面における指向性が得られ、したがってこの
平面における音響源の方向をつきとめることができる。

しかしこの水中聴音アレイ・アンテナは、いくつかの
不都合を示す。すなわち − まず、潜水艦の船体と付属構造物の振動及び共鳴
（特に潜水艦の機械類に由来する振動及び共鳴）と、セ
ンサ上の流体力学的水流ノイズに対して、アンテナを構
成する様々な点センサを音響的に切り離すことが必要で
ある。このノイズは、この切り離しを行わないと、妨害
音圧を発生させて、一般に振幅が非常に小さい偶発的信
号を隠蔽することになる。

− また、各センサについて水密性と船体を貫く水密通
路を設けなければならない。

− 最後に、水中聴音機を支持するために使用される機
械的構造物は、潜水艦の船体に沿った細い水流を妨げて
かき乱すことが多い他に、それが被る流体力学的応力に
抗しえないことが多い。

積み重ねることによって船舶の船体に固定された誘電
ポリマ製の、大きな寸法の平形センサから形成される大
形の成形アンテナは、米国特許第4833659号によっても
周知である。

これらの様々な欠点を是正するために、本発明は請求
の範囲第１項に記載の音響アンテナを提案する。

本質的に表面性のセンサを使用することによって、統
合化の直接効果により、前述の寄生ノイズまたは水流ノ
イズの大部分を遮蔽することができ、またその前に、こ
れらのノイズを常に、点センサの集合から形成されるア
ンテナによって多少とも集めておくことができる。

また本発明のアンテナは、寸法が非常に大きいにもか
かわらず、潜水艦の流体力学的挙動をほとんど乱さず、
さらにまた流体力学的応力や衝撃に対するすぐれた抵抗
力をもたらす。

そのために、本発明によれば、この低周波数の海中波
受信用音響アンテナは、電極を形成する複数の導電層と
この導電層間に介在する圧電材料の誘電層とを積み重ね
て形成した、少なくとも１つの表面センサを備えてお
り、このセンサは柔軟な材料でできた被覆中に封入さ
れ、こうして構成されたアセンブリが船舶、特に潜水艦
の船体側壁に対して取り付けられた平面パネルを形成
し、このパネルは、船体の形状に順応できるようなたわ
み自由度を有する。

いくつかの有利な特徴によれば、 − センサは複数の基本センサとして機能し、基本セン
サの電極はそれぞれ並列に接続され、基本センサの集合
全体が共通の水密被覆中に置かれる。

− 基本センサの導電層は、機械加工した単一の帯鋼か
ら、隣接する基本プレート間に、様々な基本センサの電
極間の電気的結合を保証する物質のブリッジが少なくと
も１つ残るようにこの帯鋼を異なる基本プレートに分割
して形成される。

− 船体上へのパネルの取付けは、パネルと船体との間
に挟まれた水の層を残して実施され、この水層の厚さ
は、船体側壁をセンサの中央平面から分離する距離が、
センサの機能帯域の最大周波数の波長の四分の一波長以
下になるような値である。

− 柔軟な材料の被覆は、粘弾性ライニング材料で充填
した柔軟な材料の包装材を備え、この粘弾性ライニング
材料は水と類似の挙動を示すポリウレタン材料であるこ
とが好ましい。

− センサの誘電層の圧電材料はポリフッ化ビニリデン
被膜であり、導電層と誘電層の積重ねは、隣接する導電
層の上にポリフッ化ビニリデン膜を接着して行うことが
好ましい。

− 導電層の材料は銅ベリリウム合金である。

本発明の他の特徴は、下記の詳細な説明を添付の図面
を参照しながら読めば明らかになろう。添付の図面にお
いて、 − 第１図は、複数の検出パネルから形成される、本発
明によるアンテナの全体斜視図である。

− 第2a図と第2b図は、潜水艦の船体に対して、対応す
る取付け手段によって取り付けられたパネルの１つを示
す図である。

− 第３図は、１つのパネルの断面図である。

− 第４図は、第３図のパネル中に封入されたいわゆる
センサの断面図である。

− 第５図は、第４図に示すセンサの１つの電極の平面
図である。

− 第６図は、第５図のVI−VI線に沿って切断した第５
図の詳細図である。

− 第７図は、第４図のセンサの接続方式を示す図であ
る。

− 第８図は、一変形例によるセンサの電気接続の平面
配線図である。

第１図は、参照番号１で示す本発明のアンテナを概略
的に示したものである。このアンテナは、それぞれが比
較的薄い柔軟な板の形で外側にある一連のパネル２によ
って形成され、この板は船舶の船体側壁（潜水艦の船
体、または水上船の船体の浸水部分）に対して、側壁に
はまり合うように貼り付けられている。

アンテナ１はまた、数十個の、例えば一実施例では64
個のパネルで構成することができ、したがって、これは
潜水艦の側壁の大部分を占める。

各パネルの寸法は決定的な要素ではなく、例えば高さ
を1m程度、幅（水流方向の寸法）を0.5m程度にすること
もできる。

厚さに関しては、センサの性能を損なわずにその厚さ
を困難なく非常に薄く、一般には10cm以下にすることが
できるように、パネルの内部構造が特別の構造になって
いる。

第2a図には、潜水艦の船体５の壁に取り付けたパネル
２が示されており、この取付けは保持部品５またはフラ
ンジと協働する２本のレール３、４を用いて行われてい
る。

側面では、パネルはＴ形鋼によって固定されている。
第2b図に示すようにパネルは、レール上の四隅に取り付
けられた４個のフランジで締付け保持されている。パネ
ルの上部には、その中央に複製成型されたコネクタがあ
り、その先にケーブルを形成する接続線が続く。

この取付けは、パネルと船体との間を機械的に切り離
す水層６を間に残して行われる。

薄い船体と各パネルは、流体力学的乱れが最小になる
ように連結される。

さらに、各パネル２の電気ケーブルは上部レール上の
薄い船体の下を延びており、これらのパネル２によって
検出された信号の伝送を可能にする。

パネルの寸法が大きいにもかかわらず、その重量は比
較的小さいので、後で示すようにそれが、低密度の材料
から成り、潜水艦の船体形状に順応するように簡単に湾
曲することを考慮すると、潜水艦の船体側面へのパネル
の取付けは容易である。

垂直平面では、パネルの大きさ寸法（先に示したよう
に1m程度）は、帯域の最高周波数に対して高い指向性利
得を提供する。

さらに、大きな捕捉表面による統合化により、局所的
乱れに対する応答感度が低下し、位相制御の向上と経路
形成の向上をもたらす。

信号対雑音比の改良という点からは、水流騒音の相関
の長さに対して各パネルの大きな寸法が注目され、これ
によって、水流騒音に対するアンテナ感度を低下させる
統合化の効果を得ることができる。

同様に、船体によって伝播される、波長がパネル寸法
より短いたわみ波が統合化されて、これらの波に対する
アンテナ感度が低下する。

最後に、アンテナのコンパクトな構造は本質的に非共
振性である。

第３図から第５図に、パネル２の構造をさらに詳しく
示す。

本質的に各パネル２は、外被10、11中に封入された被
覆９中に埋め込まれた、いわゆる表面センサ８から構成
される（第３図）。

表面センサ８は、その構造を第４図にさらに詳しく示
すが導電層12と圧電誘電層13とを交互に積み重ねて形成
される。

中心電極はセンサの極の１つを構成し、一方、並列に
接続された２つの外部電極は18で示すセンサの他の極を
構成する。この構造によって電気的遮蔽効果が得られ
る。

金属層は例えば銅とベリリウムの合金で作られ、金属
電極の厚さは例えば5mm〜10mm程度である。その結果生
ずるPVDF層の遮蔽効果によって、50℃より上の温度でそ
の消極を回避することができる。

誘電層の圧電材料は、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）
や含フッ素ポリマなど、その圧電特性がよく知られてい
るポリマであることが好ましく、PVDF層の厚さは例えば
0.5〜1.5mm程度である。

PVDFは、その圧電特性の他に、含フッ素熱可塑性物質
の大部分に特有の化学的及び機械的耐性、老化しにくい
などの、すぐれた特性を有するという利点を有する。

一変形実施例によれば、誘電層の圧電材料は、例えば
PVDF70％とPTrFe（ポリトリフルオロエチレン）30％か
らなる共重合体である。

PVDF被膜は、フランス特許Ａ−2490877号に開示され
た技法によって形成すると有利である。この技法の詳細
については上記特許を参照されたい。

簡潔に言うと、この技法は、分子の双極子モーメント
を配向させ、したがって材料を分極させてこれに圧電特
性を与えることができる強い電界を同時に印加しなが
ら、PVDFの薄板を連続的に圧延し機械的に引き抜くもの
である。

適切な寸法に切断したこのPVDF被膜を、金属電極の上
に接着して、スタックを形成する。

こうして形成されたセンサを次にネオプレン・ゴムの
包装材10中に置く。この包装材を型（包装材の底と側
面）にすると好都合である。この包装材の底には製造時
に作られたセンサを載せる接点14が備わっており、セン
サはその上に置かれる。

被覆材料９には、本発明によれば「軟質」ポリウレタ
ンを使用する。「軟質」ポリウレタンとは、硬度が一般
に50ショア以下の材料である。そのポアソン比は約0.5
で、水のそれに近い。さらに、その密度と音響伝播速度
との積は、水のそれとほぼ等しく、センサに対して音響
的に中立である。その粘ちょう度は粘性液体のそれと同
じである。

包装材10は例えば、前述のように、その中で材料９が
成型される型を構成することができる容器10から成る。
次にこの容器を、硬度が一般に80ショアである「硬質」
ポリウレタンで塞ぐ。

外部包装材10は、例えば30mm厚のネオプレン製であ
る。

唯一の制限は、この材料は（連結場所に加えられた応
力が潜水艦の船体に伝達しないように）あまり剛性では
なく、またいわゆるセンサより弾性的であることであ
る。

一変形例として、被覆材料を包含する外部包装材によ
って形成された複合構造の代わりに、必要な水密性を示
す適切な材料（「軟質」ポリウレタン）の均質な塊中に
センサ８を埋め込んだ、均質構造を設けることもでき
る。

センサの被覆９（すなわち水密外部包装材と弾性被覆
のアセンブリ、またはセンサを埋め込んだ材料の均質な
塊）の厚さは、下記のことが可能な値を示すように選ぶ
必要がある。すなわち、 − 内部側面（船体の側面）では、船体たわみ波のセン
サへの伝達を制限するために、センサ８を船体から十分
に離すことができる。

しかしこの距離は、入射信号と船体で反射された信号
の間の破壊的干渉をすべて排除しようと望むならば、使
用する周波数帯域の最高周波の四分の一波長の僅か手前
にしておかなければならない。

したがって、最高周波数が2kHzの場合には四分の一波
長は18.75cmに相当するので、センサ８の中央平面と船
体との間の全距離、すなわちセンサの下の被覆９、外部
包装材10、及び第２図に示す水層６の厚さの合計が、こ
の値よりはっきり小さくなければならず、実際には5cm
の距離が適当と思われる。

− 外部側面（水流の側面）では、入射信号レベルを考
慮して許容レベルまで捕捉される水流ノイズを低下さ
せ、それによってセンサ出口から送出される信号の純度
を向上させるために、水流が生じる表面、すなわち水密
外部包装材のカバー11の外表面から、センサ８を船体か
ら十分に離すことができる。

第５図に金属電極12の有利な特定の一実施例を示す。

この実施例によれば、各電極12は薄いブリッジ材16に
よって結合された複数の正方プレート15で形成されてい
る。この構造は例えば、金属条片の打出し、または加圧
水ジェット切断による従来の方法で実施される。

ブリッジ16は、様々なプレート15の間の電気的接続を
保証する他に、第６図に示すその突出した形によって外
部包装材10の底に電極12を位置決めする要素として役立
ち、これによって集合体を、被覆９を流し込む前に固定
接点14の上の外部包装材10の底に静止させることがで
き、プレート15をこの外部包装材の底から適切な距離に
保つことができる。

このプレート集合体15の終端の１つに、電極接続を可
能にする出力端子17を備える。

プレートの長さＬは、 − 実施方法が知られているPVDF被膜（一般に長さ約10
cmの連続テープ）の幅と両立できるように、また − センサ・アセンブリが、潜水艦の船体の（可変の）
直径にぴったり合うある柔軟性を保つために、 選定される。

実際に、電極12を１つの単調なプレートで形成するな
らば、その剛性の結果として、パネル２を潜水艦の船体
形状に合わせることが困難になるが、一方、多くのプレ
ート15に分割することによって、金属材料特有の剛性を
中和することができる。

最後に、モノブロック電極で形成されるセンサは、捕
捉される周波数の波長と同じ大きさをもつそのセンサの
最大寸法に対する固有共振が生じやすく、一方、パネル
をもっと小さな寸法のセルに分割すると、偶発的な固有
共振が、常に考慮される周波数帯域の上限よりはるか上
の周波数で発生する恐れがある。

第７図に電気結線概略図を示すが、この図では、各プ
レート15がヒンジ16によって並列に接続され、このアセ
ンブリは単一電極12と電気的に等価である。上の電極と
下の電極は、センサの極の１つを形成する接続線17によ
って互いに結合され、また中央電極の接続線17'はセン
サの反対極性の端子を構成している。

機能的には、このアセンブリは複数の基本セル19から
形成されるセンサ列に相当する。これらの各セルは並列
に取り付けられているので、それらの電気信号は合計さ
れる。

例えば、各パネルのセンサ８は辺長105mmのプレート2
1個から形成され、７×３に配列され、128mmだけ離間し
ている。

この実施例は限定的なものではない。実際に、１つの
アンテナで、イメージ・ローブ（lobes images）の悪影
響を受けることなく、帯域の平均周波数の半波長に等し
い「センサ」間隔を設けるのが好都合であることが知ら
れている。

前記の例で、各センサは１つのパネルで構成される。
ただしこのことは必須ではない。「物理的」パネルと
「電気的」パネルとの間には区別がある。

こうして、列間でブリッジ16を切り、これらを３つの
出力部に接続し、パネル当り７プレートが３列ある３つ
のセンサ列を得た。これとは逆に、いろいろなパネル幅
で離間されたセンサを形成するために、隣接パネルを並
列に接続することができる。

また、活動パネル間に、アンテナの流体力学的形状を
保持することができる「充てん」パネルを有する非隣接
パネルから構成されるアンテナを作ることもできる。

こうして出願人は、前記のような64のパネルから成
り、数十ノットの搬送速度で機能することのできる、ア
ンテナを実現した。

一変形実施例によれば、各基本センサ15は１つの電気
出力部を有する独立センサを形成する。この場合、各セ
ンサ15は出力ケーブルに電気的に接続されている。

柔軟な印刷回路により、リード線を有する電気的接続
を実現するのが好都合である。中央電極とPVDF層との間
の縁に第４図に示すように柔軟回路20を貼り付けると、
リード線はセンサまで達する。

位置決め用固定接点14はいくつかのセンサの下に置か
れ、柔軟回路も被覆材料９の中にあって、埋め込まれて
いる。

第８図は、この変形実施例による６個のセンサの接続
例を示す。断面は中央電極に沿ったもので、リード線は
テープ20上の線21に相当する。

いくつかの柔軟印刷回路のテープによる他の接続方式
も、本発明の枠を逸脱することなく可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｒ 17/02 Ｈ０４Ｒ 17/02 (56)参考文献 特開 昭49−105567（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−183572（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4766575（ＵＳ，Ａ) 米国特許4833360（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 13/08 B63B 35/00 B63B 49/00 B63G 8/39 G10K 11/26 H04R 17/02

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低周波数海中波を受信するための音響アン
   テナ（１）であって、電極を形成する導電層（12）とこ
   れらの導電層間に介在する誘電材料の誘電層（13）とを
   積み重ねて形成した少なくとも１つの表面センサを備
   え、このセンサが柔軟材料の被覆（９、10、11）中に封
   入され、こうして構成されたアセンブリが船舶、特に潜
   水艦の船体（５）の壁に対して取り付けられた平形パネ
   ル（２）を形成し、このパネルがこの船体の形状に従う
   ことができるような曲げ自由度を示し、かつ該パネルの
   船体上への取付けが、パネル（２）と船体（５）との間
   に水層（６）を残して行われ、この水層の厚さが、船体
   壁をセンサの中央平面から分離する距離がセンサ動作帯
   域の最大周波数の四分の一波長より小さくなるようなも
   のであることを特徴とする音響アンテナ。
2. 【請求項２】センサが複数の基本センサに細分され、一
   部の基本センサはそれぞれ電気的に並列に接続された電
   極を有し、基本センサの全体が共通の被覆中に置かれ
   る、請求の範囲第１項に記載のアンテナ。
3. 【請求項３】基本センサの導電層が、機械加工された単
   一の帯鋼から、それを別々の基本プレート（15）に分割
   し、隣接する基本プレートの間に、様々な基本センサの
   電極間に電気的結合をもたらす材料の、材料ブリッジ
   （16）を少なくとも１つ残して形成される、請求の範囲
   第２項に記載のアンテナ。
4. 【請求項４】船体上へのパネルの取付けが２本のレール
   （３、４）上に取り付けた４つのフランジを用いて行わ
   れる、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記
   載のアンテナ。
5. 【請求項５】柔軟材料の被覆が、粘弾性ライニング材料
   ９で充てんした柔軟材料の包装材（10、11）を備える、
   請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のア
   ンテナ。
6. 【請求項６】粘弾性ライニング材料（９）が軟らかい粘
   稠性を有するポリウレタン材であり、そのショア硬度が
   50以下で、その密度と速度の積及びポアソン比が水のそ
   れに近い、請求の範囲第５項に記載のアンテナ。
7. 【請求項７】センサの誘電層（13）の圧電材料がポリフ
   ッ化ビニリデン被膜である、請求の範囲第１項から第６
   項のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 【請求項８】導電層（12）と誘電層（13）のスタック
   が、ポリフッ化ビニリデン被膜を隣接する導電層に接着
   することによって作成される、請求の範囲第７項に記載
   のアンテナ。
9. 【請求項９】導電層（12）の材料が銅ベリリウム合金で
   ある、請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記
   載のアンテナ。
10. 【請求項１０】独立したセンサが１つの柔軟な回路によ
    って電気的に接続されている、請求の範囲第１項に記載
    のアンテナ。