JP3635568B2 - 船首ドーム・ソナー及び水中物体の検出方法 - Google Patents
船首ドーム・ソナー及び水中物体の検出方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜水艦および他の水中障害物を水中で検出するためのソナー・センサに関する。より詳細には、高出力密度を有するフレックステンショナル・トランスデューサまたはその他の小型トランスデューサと、個別受信センサとを利用する船または潜水艦の船首で使用するための小型モジュラ・ソナーに関し、従来の長範囲ソナー・システムに比べて性能が良く、コストが安く、サイズおよび重量が小さいものに関する。
【0002】
【従来の技術】
当技術分野でよく知られているように、ソナー搭載船および潜水艦は、潜水艦および他の水中障害物の検出に有用である。そのようなソナーの1つの特定のタイプは、船または潜水艦の船首ドーム内に取り付けられる。一般に、船首ドーム・ソナー・アレイは、船または潜水艦の船体に取り付けられ、音響的に透過性の窓または楕円体ドームによって保護されたソナー・センサである。例えば、船の船体に水中で取り付けられたソナー・システムを一般的に記述する米国特許第5400300号を参照のこと。また、水中ドーム形ソナー・アセンブリを一般的に記述する米国特許第5719824号も参照のこと。
【0003】
船首ドーム・ソナー・アセンブリの音響窓内部に、音波投射および受信トランスデューサがある。ソナーの分野では、投射トランスデューサは通常、入力電気信号に応答して水域中に音響出力信号を投射するために使用される。受信トランスデューサは通常、ソナー・アセンブリに反射し返された音響波を受信し、反射された音響エネルギーに応答して出力信号を生成するために使用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術である船首ドーム・ソナーの能力は、各種あるが長範囲(30〜40海里)ソナー・アセンブリに関しては、アセンブリのサイズおよび重量の問題がある。
【0005】
即ち、水上船用の典型的な長範囲ソナー・アセンブリのサイズは、それらを収容するのに必要な船体設計に影響を及ぼすほど大きい。これは、船のレンジおよびその動作速度を低減する。また、従来のソナー・アセンブリは非常に重く(例えば30〜40トン)これらソナー・アセンブリは、水域中でそれらを牽引するのに多大なエネルギーを必要とし、船の燃料効率および動作速度を低下させる。このアセンブリの大きなサイズおよび重い重量が、船の流体力学に悪影響を及ぼし、抗力の増大および燃料効率の低下をもたらす。
【0006】
そこで、本発明は、従来技術で知られているものよりもはるかに小さいパッケージで軽量化が可能であり、且つ、従来設計と同様の高い性能を有する船首ドーム・ソナー・アセンブリを提供することである。尚、本発明の文脈では、船とは潜水艦を含むものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者等によれば、上述した従来の船首ドーム・ソナーは、送信機能と受信機能の両方を有する単一トランスデューサ・アレイを使用するものである。このようなデュアル機能トランスデューサを用いる設計では、送信機能から受信機能へのトランスデューサの移行を要し、そのための複雑な交換網を必要とする。その結果、ソナーのコストおよび重量が増大するのである。
【0008】
本発明者等は、従来技術のデュアル機能トランスデューサに替えて、投射機能と受信機能を行うためのトランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの配置を適当とした船首ドーム・ソナー・アセンブリとすることで上記課題を解決することできるとした。
【0009】
即ち、本発明は、
a)駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
b)前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
c)前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
d)信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
e)フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリである。
【0010】
個別に送信および受信アレイを有するこの設計は、従来技術よりも細く小型の船首ドーム設計となる。この設計はまた、複雑な交換網を必要とせず、キャビネットを受け取り、埋込型牽引アレイ遠隔測定の使用を可能にする。これは、個別トランスデューサが、送信および受信機能で使用されるからである。また、本発明に係るソナー・アセンブリは、典型的なソナー船首ドーム設計に比べ、より細く、より背の高い形状であり、これは流体力学的に望ましいとされるバルバス・バウ設計に良く適合する。
【0011】
本発明はさらに、このソナー・アセンブリを用いた水中物体を検出するための方法を提供する。即ち、
a)(i)駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
(ii)前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
(iii)前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
(iv)信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
(v)フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリを設け、
b)前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を伝送し、
c)反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信し、
d)前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングし、
e)サンプリング手段によりサンプリングされたアナログ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法である。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1に、本実施形態に係る船首ドーム・ソナー・アセンブリ1の斜視図を示す。図示するように、アセンブリ1は、閉鎖形の、好ましくは円筒形の圧力ハウジング4を備え、その圧力ハウジング4内部に閉じ込められ、細長いアレイ3を構成する送信トランスデューサ要素2が順次積層されている。この図ではハウジング4が切り取って示されている。各送信トランスデューサは図示せぬ駆動回路に独立して接続されており、これによりそれらの音響投射を個別に制御することができる。圧力ハウジング4の両端は、船の船首5に取付け可能なフレーム17の内側から取り付けられている。そして、複数のステーブ6が、各ステーブがフレームの上部16とフレームの底部18との間に延在するようにフレーム17の周縁部の周りに順次に位置決めされる。更に、一連の音響受信ハイドロフォン8が各ステーブ6に沿って位置決めされており、各ハイドロフォン8は図示せぬ信号検出回路に独立して接続される。そして、音響的に透過性のハウジング12がフレームを封じ込めている。
【0013】
当技術分野では様々なタイプの送信トランスデューサが知られており、フレックステンショナル・トランスデューサ、曲げディスク・トランスデューサ、スロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バイアス・トランスデューサ等が含まれ、いずれも本発明へ使用可能である。本発明で使用するのに最も適したトランスデューサは、高出力密度変換材料を使用するものである。「高出力密度」は、変換材料と振動ユニットの組合せが高い音響強度を生み出すことを意味し、この音響強度とは、トランスデューサ放射面に垂直な単位領域を介するエネルギーの平均流量である。その単位としては、例えばジュール毎秒毎平方メートルまたはワット毎平方メートルが用いられる。本発明で使用される送信トランスデューサは、好ましくは、1200ワット/m2以上の音響強度を有するものである。
【0014】
このようなトランスデューサとしては、スロット付き円筒形トランスデューサ、スプリット・バイアス・トランスデューサ、フレックステンショナル・トランスデューサがある(これらトランスデューサの詳細については、米国特許第4709361号、米国特許出願第09/276030号、米国特許第5497357号および米国特許第5239518号参照。)。本発明において最も好ましいトランスデューサは、フレックステンショナル・トランスデューサである。
【0015】
図2は、本発明で有用なフレックステンショナル・トランスデューサ2の斜視図を示す。フレックステンショナル・トランスデューサ要素は、凹状または凸状の側壁を有する中空シェル24を備える。そして、中空シェル24内にはその両端に渡ってセラミック・スタック26が延在する。この高出力密度セラミック・スタック26は、スタックに結合された電極を介して十分な駆動電圧を受けたときに、両端部に力を及ぼし、凹状または凸状側壁を歪曲させるようになっている。図3は、一対のトランスデューサ要素を、分解したものである。それぞれが高出力密度セラミック・スタック26を含む2つの開いた中空シェル24が示されている。ここで、各シェルはエンドキャップ28によってカバーされる。キャップを介して延在する電極20は、セラミック・スタックに電気的に接続される(電極20は防水コネクタ内部に収容されている)。図4は、2つのフレックステンショナル・トランスデューサを合流させてなる送信トランスデューサ要素を示すが、この送信トランスデューサ要素2は2つのフレックステンショナル・トランスデューサがエラストマー・シール30によって接合されている。シール30は、各トランスデューサ要素の開いた側面に取り付けられる。尚、2つフレックステンショナル・トランスデューサの接合にはエラストマー・シールの他、金属スペーサを用いても良く、この場合スペーサおよびシェルを、封止カバーまたはブートによって取り囲むようにしても良い。また、対合するトランスデューサ要素2の両端の開口部、エンドキャップ28によって閉じられ、それにより中空長円形容器を形成している。
【0016】
図4で示すように、本実施形態では2つのトランスデューサ要素を並列に固定させてトランスデューサ・モジュールとしている。このトランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタック(図4では合計4個になる)の配置としては、まずトランスデューサ要素の長手方向の2つのセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/4波長の距離で離隔されているのが好ましい。また、トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックの水平方向の配置としては、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/4波長の距離で隔離しているのが好ましい。このようにトランスデューサ内のセラミック・スタックの距離を規定するのは、流体媒体中への音響信号伝送時の位相遅延と水平方向ステアリングとを考慮するためである。
【0017】
トランスデューサは、静水負荷または動的駆動状態によって誘発される引張応力を補償するのに十分なセラミックに対する圧縮負荷を供給するように構成されることが好ましい。トランスデューサにはシェル形状が異なる多くのタイプのフレックステンショナル・トランスデューサが知られているが、対称低周波トランスデューサが好ましい。通常はトランスデューサを大きくするより大きな、かつ/またはより厚い壁を有するシェルを使用することによって、より低い共鳴周波数が達成される。低周波数トランスデューサは、海水中の音響信号の低い減衰を示し、トランスデューサがより高い出力を有する必要があるときに使用される。送信トランスデューサが、1000HZ〜10000Hzの範囲内の共鳴周波数を有することが好ましい。フレックステンショナル・トランスデューサは、同等のサイズおよび重量を有する他のタイプのトランスデューサに比べ、より広い帯域幅を有し、より低い動作周波数、およびより高い出力処理能力で小型であるため好ましい。1つの好ましいフレックステンショナル・トランスデューサ(「Class IV フレックステンショナル・トランスデューサ」)は、楕円形状シェル内部に、シェルの主軸に沿って取り付けられた円筒形または長方形セラミック駆動装置を含むものである。
【0018】
各高出力密度セラミック・スタック26は、金属電極を挟持するセラミック・プレートが積層されてなり、電極が並列に接続されている。各スタック要素は、トランスデューサ動作状態中にその接着力を失わないエポキシなどの適切な接着剤によって次のスタック要素ならびに端部に取り付けられている。スタックの各要素は、平坦であり、好ましくは長方形または円形であり、長さおよび幅が約0.5インチ〜約6インチ(約1.27cm〜約15.24cm)の範囲内であり、厚さが約0.005インチ〜約0.5インチ(約0.0127cm〜約1.27cm)の範囲内である場合がある。セラミック・スタック全体は、シェル24内に嵌まる長さを有する。スタックは、室温で、室温よりも低い温度で、または室温よりも高い温度で動作することができる。連続的な動作にわたって高出力を達成するための好ましい動作温度は、10℃〜130℃、より好ましくは20℃〜100℃、最も好ましくは20℃〜90℃の範囲内である。スタックは、スタック要素またはシェルに直接取り付けられたロッド加熱器またはブランケット加熱器によって加熱することができる。
【0019】
セラミック・スタックを構成するセラミックは、電歪、圧電、または磁歪材料など任意の適切なセラミック結晶材料よりなる。セラミック結晶は、製造プロセス中に高い直流電圧を受ける場合、永久的に分極され、圧電領域内で動作する。次いで、電気信号がセラミック・スタックに印加されて、機械的振動を発生させる。代替方法として、結晶の分極をもたらすために、動作中にセラミック・スタックに直流電圧を一時的に印加することができる。これらの条件下では、投射器の動作が電歪領域内にある。直流電圧の印加が停止された後は、セラミック・スタックはもはや分極されない。上記2つのうち、圧電セラミック・スタックの方がより一般的に使用される。
【0020】
好ましい電歪材料には、ニオブ酸鉛マグネシウム(PMN)、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛(PMN−PT)、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛−チタン酸バリウム(PMN−PT−BA)、ジルコン酸ニオブ酸鉛(PZN)、ジルコン酸ニオブ酸鉛−チタン酸バリウム(PZN−BA)、Pb1−x 2+Lax 3+(ZryTiz)1−x/4O3(PLZT)が含まれる。好ましい圧電材料には、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BT)、およびNbLiO3が含まれる。当技術分野でよく知られているように、ニオブ酸鉛マグネシウム(PMN)、好ましくはニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛(PMN−PT)が好ましい。好ましくは、ニオブ酸鉛マグネシウムは、電気音響トランスデューサの動作温度にほぼ等しいキュリー温度Tmを有する。高出力投射器適用例では、従来のPZTと比べて最大11dBの有利な改良値を与えるのでPMN−PT材料が特に魅力的である。この増大を使用して、システムのサイズ/重量に大きな影響を与えることなくより高いピーク源レベルを生成することができる、または増大を使用して、より小さく、より軽量のアレイ内で同等のシステム性能を達成することができる。用語PMN−PTは、電歪性質が様々に異なるセラミックの属を記述するために使用する。チタン酸鉛(PT)(および他の材料)とPMNの比が、材料性能(誘電正接、カップリングなど)、およびこれらの特性が最大になる温度(Tm)に影響を及ぼす。トランスデューサではTm=85℃のPMN材料が好ましい。この材料は優れた電歪性質を有し、しかしまた、材料を他のPMNセラミックよりも使用可能なものとする他の機械的または電気的特性も示す。PMN−PT組成物は、トランスデューサを駆動するために使用するとき、PZTセラミックスよりも著しく高いひずみ速度、したがってより高い音響源レベルを与える。他の有用なセラミック材料には、排他的にではなく、PMNRT(Tm=25℃)、PMN−10/3(Tm=85℃)、PMNHT(Tm=85℃)、およびPZT8(Tm=25℃)が含まれる。磁歪材料には、ニッケル合金および希土類鉄合金が含まれる。好ましい磁歪材料は、登録商標Terfenolとして知られているテルビウムジスプロシウム鉄合金である。
【0021】
送信トランスデューサまたは投射器は通常、ピストン、シェル、またはシリンダなどの機械的被動部材と、駆動装置とを含む。駆動装置は、電気エネルギーに応答し、そのようなエネルギーを機械的エネルギーに変換して機械的被動部材を駆動する。被動部材は、機械的エネルギーを音響波に変換し、それが水域中を伝播する。ほとんどの音響トランスデューサが、磁歪または圧電性質を有する材料を使用する駆動装置要素を有する。磁歪材料は、印加磁場が存在する時に寸法が変化し、圧電材料は、電場が存在する時に機械的変形を受ける。一般的な圧電駆動装置は、転極を伴って積層された個別セラミック要素からなるセラミック・スタック駆動装置である。このスタック構成では、セラミック・スタックが長手方向に分極されている。電気駆動信号がセラミック・スタックの要素に印加され、それに応答して、各要素が長手方向に伸長および収縮する。個々の要素の変位が累積されて、スタックの総変位を与える。シェルをその短い軸に沿って圧縮することによってプレストレスがスタックに印加され、それにより主軸寸法を延ばし、わずかに過大なセラミック・スタック駆動装置を主軸に沿って配置することができるようにする。楕円形シェルに加えられる圧縮力を解放することで、スタックが圧縮状態で配置される。この構成では、楕円形シェルが、駆動要素と、トランスデューサが配置されている水域などの媒体との間で機械インピーダンス・トランスフォーマとして働く。いくつかのフレックステンショナル構成では、セラミック・スタックが2つの部品として形成され、セラミック駆動装置の対が支持構造を用いて分離され、楕円形シェルの短軸にわたって配置されてシェルの各端部で端板に対する取付け表面を与えるためのI字形ビーム・フレームを有する。
【0022】
エンドプレート28は、トランスデューサ・スタックを封止し、内部構成要素を外部媒体から保護する。この様式で使用されるとき、スタック支持構造は、セラミック・スタック駆動装置内で発生した熱を放散するための熱経路を与える。この熱シンク機能は、高出力適用例では非常に重要になる場合がある。セラミック・スタック駆動装置の動的励振により、スタックが伸長および収縮する。セラミック・スタックの端部に与えられた小さな速度が、楕円形シェルの主面でのはるかに大きな速度に変換され、トランスデューサが配置されている媒体内部に音響場を発生させる。一般に、シェルの駆動点への接触がセラミック・スタック・アセンブリのみによってなされる良好な電気音響効率が望まれる。支持構造と端板は一般に、シェルから物理的に離隔されている。この構成では、フレックステンショナル・トランスデューサは、「空気バック」されていると言われる、すなわちシェルと支持構造との接点に空気が配置される。
【0023】
トランスデューサ・シェルは、鋼、アルミニウム、ファイバグラス、または適切なポリマー材料など任意の適切な材料からなる。壁の厚さは、0.25インチ〜3インチ(約0.635cm〜約7.62cm)の範囲内の壁厚が有用である。各シェルは、高さ約7インチ〜約4フィート(約17.78cm〜約1.219m)、幅約1.5インチ〜約2フィート(約3.81cm〜約60.96cm)など、任意の好都合な長さおよび幅を有することができる。
【0024】
高出力密度電歪セラミックを有するトランスデューサ・アセンブリは、好ましくは、セラミック・スタックを分極するために第1の電気信号を供給するバイアス手段を有する。各トランスデューサに交流駆動信号を印加する手段も設けられる。これは、各トランスデューサから音響的に同相の出力信号を発生させる。交流駆動信号は、各トランスデューサにわたって個別に印加される。トランスデューサは、駆動電圧と同様の電気インピーダンスを呈示するように設計されている。2つのトランスデューサのインピーダンスは、同じであっても、異なっていてもよく、ただし30%程度のばらつきが許容可能である。好ましいトランスデューサ・アセンブリでは、トランスデューサ対が、好ましくは同じ共鳴周波数を有する。
【0025】
アレイ3は、上記トランスデューサ・モジュールを積層させたものであり、略円筒形の音響的に透過性の圧力ハウジング4内部に支持され閉じ込められている。この圧力ハウジングは、ソナー・アセンブリの動作中のキャビテーションを防止する。ハウジング4は、対向する端部でU字形フレーム17の上部16および底部18に内部から取り付けられている。このフレームは、図示されるように船の船体5に取り付け可能である。図5は圧力ハウジング4の断面図を示し、圧力ハウジング4が封じ込めるトランスデューサのアレイ3を示す。トランスデューサのアレイ3は、支持体9によって取り付けられている。
【0026】
図5で示すように、本実施形態では、8つのモジュールが使用されているが、この数はそれより多くても、少なくてもよい。各個別トランスデューサ2は、搭載船信号発生器(図示せず)からトランスデューサへ必要な信号を供給するのに適した電極20によって、駆動回路に独立して接続することができる。高出力密度セラミック・スタックは、一方のトランスデューサ要素のスタックが、対向するトランスデューサ要素のスタックと並列になるように位置決めされている。
【0027】
ここで、トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックの積層方向の間隔は、各セラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/2波長の距離で離隔されている。これは、上記と同様、流体媒体中への音響信号伝送時の位相遅延と鉛直方向ステアリングとを考慮したものである。
【0028】
アセンブリ1のハウジング4、ならびに支持体9は、金属またはポリマー金属からなっている。さらにハウジング4は、海水や、本発明の範囲内の目的に適切な任意の他の流体など、流体を充填される。ソナー・デバイスの動作が、発生した音場によって生成される負圧によりキャビテーションを生じる可能性がある。この負圧は、水の圧力を蒸気圧未満に低下させ、それにより水の蒸発を可能にする。この問題を解決するために、圧力ハウジング4が2.75×10−3Pa(40psi)〜3.45×10−3Pa(50psi)の範囲内の圧力で維持されるのが好ましい。
【0029】
再び図1を参照すると、圧力ハウジング4の周りに、複数のステーブ6が順次に位置決めされている。ステーブ6は、金属、ポリマー、あるいはハイドロフォンおよびデュアル音響モジュールを支持するために使用される他の金属の長く細いストリップである。このステーブの数は、20〜80個、より好ましくは30〜50個とする。これらのステーブ6は、フレーム17の第1の上部16と第2の底部18の間に延在する。図6および図7で見ることができるように、各ステーブ6に沿って一連の音響受信ハイドロフォン8の対が位置決めされている。
【0030】
図6は、1のステーブ6の正面図を示す。典型的には、長さが6フィート〜8フィート(約1.829m〜約2.438m)であり、しかしそれよりも長い、またはそれよりも短くても良い。ハイドロフォン8は通常、ソナー・システム内で受信機として使用される。これらのハイドロフォン8はそれぞれ、信号検出回路に独立して接続され、ソナー・アセンブリに送り返される反射音響信号をインターセプトするために使用される。典型的には、ハイドロフォンは、広い周波数範囲にわたって動作するように設計され、一般に、意図される最大動作周波数の波長に関してサイズが小さくなっている。また、信頼可能な遠隔測定を容易にするために、ステーブ上にハイドロフォンまたはハイドロフォンの対からの受信アナログ信号をサンプリングするデュアル音響モジュール10を設置するの好ましい。
【0031】
図1に見られるように、音響的に透過性の窓またはドーム12がフレーム17を取り囲んでいる。この音響窓12は、フレームを送信および受信アレイと共に封じ込めて、閉鎖形の加圧チャンバを形成する。この加圧チャンバはさらに、システムの動作中にアセンブリ1をキャビテーションから保護する。音響窓12によって形成されるチャンバはまた、流体を充填されて、1.03×10−3Pa(15psi)〜1.72×10−3Pa(25psi)の範囲内にある圧力で維持される。適切な流体には、海水又は適切な任意の他の流体が含まれる。そのような音響的に透過性のドームは、楕円体や円形など任意の従来の形状を有することができる。別法として、ドームは、船の船体5の曲線部分に簡単に適合することができ、そのためビルディングまたは他の構造物の窓に似ている。そのような音響窓などによって取られる特定の物理的形態は、ドームの後方に、またはドームによって少なくとも部分的に画定されるエンクロージャ内部に位置決めされた音響送信機または受信機装置によって与えられる特定の音響波形送信/受信機能に応ずる。窓は、従来の構造的材料からなっていてよいが、強化型もしくは非強化型熱硬化性プラスチック、または強化型もしくは非強化型熱可塑材料等が適用される。この他、低密度、高モジュラス金属または金属合金、あるいは炭素組成物から形成することができる(これらの材料については米国特許第4997705号参照。)。
【0032】
次に、本実施形態に係るソナー・アセンブリの動作について説明する。船上の電源から、投射トランスデューサ要素2上の電極20へ交流が送られる。この電気信号の印加により、高出力密度セラミック要素が、各セラミック・スタックの長さに沿って伸長、収縮して振動する。この振動は、円筒形ハウジング4に伝達されて、シェルの短軸に沿った振動をもたらす。この振動が音響波を発生し、それがハウジング4および窓12を通って海水中に送られる。
【0033】
投射された音響波は、ターゲットに達すると、反射されてソナー・アセンブリに戻され、受信アレイによって受信される。受信アレイは、アセンブリが広い領域からの音響データをカージオイド鉛直および水平パターンで受信することを可能にするように構成され、船の船体および送信アレイからの波反射をなくし、それによりアセンブリがデータを受信する可能性があるノイズを最小限に抑える。
【0034】
ハイドロフォン8は、反射音響波をアナログ信号として受信する。その後、音響モジュール10が、各ハイドロフォンまたはハイドロフォンの対から受信されたアナログ信号をサンプリングし、そのアナログ信号からデジタル信号を生成する。サンプリングされたデータは、デジタル信号に変換され、船内部で光ファイバ・ケーブルを介して処理装置ユニットに伝送される。これにより、船乗組員が、船へ音を反射したターゲットを検出し、定位することが可能になる。記述した受信アレイは、受動モードで使用することもでき、その場合、能動アレイによって励振されないが、潜水艦または他のターゲットによって放出された音響信号を受信する。
【0035】
尚、本発明に係る水中物体の検出方法は、上述したソナー・アセンブリをまず設けること、次いで複数のトランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を送信すること、反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信すること、ハイドロフォンまたはハイドロフォンの対によって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングすること、およびアナログ信号からデジタル信号を生成するという工程を含むものである。そして、デジタル信号の表現が、陰極線管など任意の適切な表示手段によって表示される。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るソナー・アセンブリは、投射機能と受信機能を行うためのトランスデューサ・アレイを個別に設け、これらの配置を適当としたものであり、これにより従来技術で知られているものよりもはるかに小さいパッケージで軽量となる。これにより、船の燃料効率および動作速度を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】個別送信および受信アレイを有する船首ドーム・ソナー・アセンブリの斜視図である。
【図2】フレックステンショナル・トランスデューサ要素の斜視図である。
【図3】エンドキャップが除去された状態での2つの離隔された送信フレックステンショナル・トランスデューサ要素の斜視図である。
【図4】2つの隣接する送信トランスデューサ対を示す正面図である。
【図5】圧力ハウジング内の送信トランスデューサを示す図である。
【図6】ハイドロフォンおよびデュアル音響モジュールを有するステーブの一部分の正面図である。
【図7】1つのステーブの正面図である。
【符号の説明】
1 船首ドーム・ソナー・アセンブリ
2 送信トランスデューサ要素
3 アレイ
4 圧力ハウジング
5 船体
6 ステーブ
8 ハイドロフォン
9 支持体
10 音響モジュール
12 音響的に透過性のハウジング
17 フレーム
Claims (25)
- a)駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
b)前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
c)前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
d)信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
e)フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリ。 - 送信トランスデューサ要素が、1000HZ〜10000Hzの範囲内の共鳴周波数を有する請求項1に記載のソナー・アセンブリ。
- 送信トランスデューサ要素が、フレックステンショナル・トランスデューサ、曲げディスク・トランスデューサ、またはスロット付き円筒形トランスデューサを含む請求項1又は請求項2に記載のソナー・アセンブリ。
- 送信トランスデューサ要素が、高出力密度電歪セラミック材料のスタックを備える請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 送信トランスデューサ要素が、高出力密度磁歪材料のスタックを備える請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 送信トランスデューサ要素は、凹状または凸状側壁を有する中空楕円形シェルを備える一対の凹状または凸状フレックステンショナル・トランスデューサからなり、前記一対のフレックステンショナル・トランスデューサは対向する端部で合流するようになっており、
各フレックステンショナル・トランスデューサは、その内部に高出力密度電歪セラミック・スタックまたは磁歪スタックを、その内面の両端間に延在した状態で有し、
前記スタックは電極に結合されており、電極を介して十分な駆動電圧をスタックが受けるときに、対向する端部に力を及ぼし、凹状または凸状側壁を歪曲させるように適合されている請求項1に記載のソナー・アセンブリ。 - トランスデューサ要素を構成する一対のフレックステンショナル・トランスデューサは、エラストマー・シールを介して合流しており、
一方のフレックステンショナル・トランスデューサの電歪または磁歪スタックが他方のフレックステンショナル・トランスデューサの電歪または磁歪スタックに並列になるように位置決めされ、
トランスデューサ要素の両端の開口部がエンドキャップによって閉じられた請求項6に記載のソナー・アセンブリ。 - 2つのトランスデューサ要素を並列させてトランスデューサ・モジュールを形成し、前記トランスデューサ・モジュールを圧力ハウジングの両端にわたって複数積層させてなる請求項7に記載のソナー・アセンブリ。
- トランスデューサ・モジュールを8層積層させた請求項8に記載のソナー・アセンブリ。
- トランスデューサ要素内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/4波長の距離で離隔している請求項6〜請求項9のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/4波長の距離で隔離している請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- トランスデューサ・モジュール内のセラミック・スタックが、ソナー・アセンブリの動作周波数帯域の中心で略1/2波長の距離で、積層方向で離隔されて積層されている請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 高出力密度セラミック・スタックが、ニオブ酸鉛マグネシウム、またはニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛を含む請求項6〜請求項12のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 音響受信ハイドロフォンが、ステーブの両側面に沿って対向して配列されている請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号からデジタル信号を生成するための手段を備える請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- ステーブの両側面に沿って対向して配列されている音響受信ハイドロフォンの対からアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号の各対に対応してデジタル信号を生成するための手段を備える請求項14に記載のソナー・アセンブリ。
- 送信フレックステンショナル・トランスデューサが実質的に同一である請求項1〜請求項16のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 圧力ハウジングがシリンダである請求項1〜請求項17のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 圧力ハウジングが、2.75×10−3Pa(40psi)〜3.45×10−3Pa(50psi)で内部から加圧される請求項1〜請求項18のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 圧力ハウジングが流体を充填される請求項1〜請求項19のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 音響的に透過性のハウジングが、1.03×10−3Pa(15psi)〜1.72×10−3Pa(25psi)で内部から加圧される請求項1〜請求項20のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- フレームは船の船首に接続可能に形成されている請求項1〜請求項21のいずれか1項に記載のソナー・アセンブリ。
- 水中物体を検出するための方法であって、
a)(i)駆動回路に独立して接続される送信トランスデューサ要素と、前記送信トランスデューサ要素を順次並置した状態で積層させてなる細長いアレイと、前記アレイを閉じ込めて保持する圧力ハウジングと、
(ii)前記圧力ハウジングを両端から保持する船に取り付け可能なフレームと、
(iii)前記圧力ハウジングを取り囲むように前記フレームに順次に位置決めされた複数のステーブと、
(iv)信号検出回路に独立して接続され、前記複数のステーブ上にステーブに沿って位置決めされる一連の音響受信ハイドロフォンと、
(v)フレームを封じ込める音響的に透過性のハウジングと、
を備えるソナー・アセンブリを設け、
b)前記送信トランスデューサ要素から流体媒体中に音響信号を伝送し、
c)反射された音響信号を音響受信ハイドロフォンによって受信し、
d)前記音響受信ハイドロフォンによって受信されたアナログ信号をサンプリング手段によってサンプリングし、
e)サンプリング手段によりサンプリングされたアナログ信号からデジタル信号を生成する工程を含む方法。 - デジタル信号を表示装置によって表示することを含む請求項23に記載の方法。
- 音響受信ハイドロフォンをステーブの両側面に沿って対向して配列させ、対向するハイドロフォンの対から受信されたアナログ信号をサンプリングし、アナログ信号の各対に対応してデジタル信号が生成させる請求項23又は請求項24に記載の水中物体を検出するための方法。
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