JP3975816B2

JP3975816B2 - 水槽用水中音響放射装置

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Publication number: JP3975816B2
Application number: JP2002118260A
Authority: JP
Inventors: 隆行渡辺; 伸二岸永
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: US20030053375A1; CA2393109C; US7289038B2; JP2003092794A; CA2393109A1; EP1276347A3; EP1276347B1; EP1276347A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中において音響を放射する水槽用水中音響放射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シンクロナイズド・スイミングや水中バレーの練習等に使用されるプール等においては、水中にＢＧＭ（Back Ground Music）を流したり水中で演技等を行う選手に種々の指示を与えるべく、水中スピーカが利用されている。
図３２及び図３３は、該プール等における水中スピーカの設置状態を例示した図である。
図３２及び図３３に示すプールのコーナ２箇所に配設された水中スピーカに、例えばＢＧＭ用の楽音信号を与えると、水中スピーカから該楽音信号に対応する音が出力され、水を媒体として選手の耳に伝播する。水の中では選手の外耳は水に遮られるため、鼓膜による聴力はなくなるが、音が頭蓋骨を介して内耳に直接導かれる、いわゆる骨伝導により聴力を得ることができる。すなわち、水中で演技等を行う選手は、かかる骨伝導により水中スピーカから出力される音を聞き取ることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の水中スピーカにおいては、広帯域（特に、低周波帯域）の音の再生が極めて困難であり（詳細は後述）、また、各水中スピーカから出力される音の周波数特性ばらつきが大きいという問題（詳細は後述）があった。
また、水中スピーカを該プールに設置する場合には、例えば図３３に示すように該水中スピーカを吊り下げるための設備を設けるか（練習プールが仮設備の場合等）、若しくは該水中スピーカを所定箇所に設置するための図示せぬ専用ボックス及び保護部材等を設ける必要があり（練習プールが固定設備の場合等）、さらには、当該水中スピーカの指向特性を考慮して設置位置を決めなければならいという問題があった。
また、このような水中スピーカは、仕様の特殊性から種類が限定され、コストも高いという問題があった。
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、水中において広帯域の音の再生が可能な水槽用水中音響放射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の側壁面を有する水槽（プール）に設けられ、当該水槽（プール）の水中に音響を放射する装置であって、水との境界面を形成し、軽量かつ剛性を保つ材料からなる薄板により構成された振動可能な同一側壁面のほぼ全面に設けられ、入力される電気信号を機械的振動信号に変換する複数の振動手段と、前記水中に放射すべき音響に対応した電気信号を、前記側壁面が振動するように前記各振動手段に同期して供給する振動制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、水槽（プール）を構成する複数の壁面のうちの少なくともいずれかの壁面に設けられた複数の振動手段は、水中に放射すべき音響に対応した電気信号を受け取ると、該壁面を振動させ、水中に音響を放射する。一般に、スピーカにおける振動面積を大きくすることで、波長の長い低周波帯域の音を良好に再生できることが知られているが（詳細は後述）、本発明においては、水槽（プール）の壁面自体を振動させるため、振動面積は水中スピーカ等と比較して大きくなる。このため、水中において広帯域（特に、低周波帯域）の音の再生が可能となる。また、振動可能な水槽（プール）の壁面に振動手段を設けるようにしたので、壁面自体は一体となって振動することになり、当該水槽（プール）の壁面で位相反転した音響反射が生ずることもない。この結果、水中において、特に低周波帯域の音を打ち消さずに明瞭に再生することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに理解しやすくするため、シンクロナイズド・スイミング等に利用されるプールに本発明を適用した実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、本発明の技術的思想の範囲で任意に変更可能である。
【００１１】
Ａ．本実施形態
＜プール１の構成＞
図１は、本実施形態に係るプール１の分解斜視図であり、図２は、側壁ユニット２と床ユニット３との結合部分を示す斜視図、図３は、図２におけるI−I線視断面図である。
プール１は、例えば水泳選手権大会開催時等に設置される仮設プールであり、ＦＲＰ（Fiberglass Reinforced Plastic；繊維強化プラスチック）によって形成した側壁ユニット２、床ユニット３、ガータユニット４等により構成されている。本実施形態においては、水との境界面を形成するプールの壁面部材を水中に放射する音響の振動板として機能させるため、できるだけ軽く、また剛性を保つ材料から構成することが望ましい。かかる材料には、上記ＦＲＰのほか、ステンレス、アルミニウム、銅等があり、これらの材料により構成された壁面は、振動する際に壁面自体が薄板として振動することになる。
【００１２】
側壁ユニット２は、図１及び図２に示すように、上下方向に延びる縦壁５と、この縦壁５の下端からプール内側へ略水平に延びる底壁６と、前記縦壁５の上端からプール外側へ延びるコーピング７とが一体に形成されている。図１に示すように、前記縦壁５とコーピング７にはプール外側へ延びる多数のフランジ８が一体に形成され、また、図１及び図３に示すように縦壁５の水平方向の両端部には結合用のフランジ８ａが設けられている。
【００１３】
前記床ユニット３は、図１に示すように、平面視長方形の板状に形成され、枠状に組立てた側壁ユニット２の内側に敷き詰めるように多数配設されている。ガータユニット４は、プール１内の水を図示せぬ排水装置に導くためのもので、図１に示すように、上方に向けて開口する断面コ字状に形成したガータ４ａと、このガータ４ａの開口部に取付けたスリット付きカバー４ｂとにより構成されている。
【００１４】
本実施形態に係るプール１は、ＦＲＰによって形成した各ユニット２〜４をリベットやボルト等の締結部材によって互いに締結して組み立てたものである。かかるプール１の構成等については本願発明の趣旨とは直接関係がないため、これ以上の説明は省略する。なお、ＦＲＰによって形成した複数のユニットを締結して組み立てたプール（以下、適宜ＦＲＰプールという）の構成等については、例えば特開２００１−９８７８１号公報に詳記されている。
【００１５】
＜水中音響放射装置１００の構成＞
図４は、側壁ユニット２をプール外側（図２参照）から見た本実施形態に係る水中音響放射装置１００を説明するための模式図であり、図５は、図４における側壁ユニット２のII−II線視断面図である。
図４に示すように、水中音響放射装置１００は、プール１の側壁ユニット２の裏面（プール外側の面）に直接取り付けた振動源たる複数のアクチュエータ２００、発生すべき音響に対応した電気信号を該アクチュエータ２００に供給する振動制御装置３００等により構成されている。
【００１６】
各アクチュエータ２００は、側壁ユニット２の裏面に一定間隔毎に設けられたフランジ８と該フランジ８と直交する方向に延びる板状部材９によって形成された幅５００（ｍｍ）、高さ１５００（ｍｍ）の裏面ユニット１０のほぼ中心位置に設けられている。図５に示すように、ＦＲＰ及びアクリル発泡材等により形成された裏面ユニット１０のほぼ中心位置には、該アクリル発泡材等を切り欠いて形成したアクチュエータ取り付け用の切り欠き部１１が設けられており、該切り欠き部１１にはアクチュエータ２００が接着剤等によって直接固定（密着固定）されている（図５参照）。
【００１７】
＜アクチュエータ２００の構成＞
図６は、アクチュエータ２００を図５に示す矢印方向から見た図であり、図７は図６におけるアクチュエータ２００のIII−III線視断面図である。
アクチュエータ２００は、円筒状のカバー２１０と、該カバー２１０とネジ等により固着された振動伝達可能なフレーム２２０とにより閉容器を構成している。図６に示すように、このアクチュエータ２００は、フレーム２２０の裏面に塗布された接着剤等により、裏面ユニット１０の切り欠き部１１に直接固定されている。フレーム２２０は、アルミニウム、ステンレスなど振動伝達可能な種々の材質によって形成されており、図７に示すように該フレーム２２０のほぼ中央内側には、一端が固定され、他端側外周にボイスコイル２３０が巻かれた円筒形状の管部材が設けられている。
【００１８】
また、カバー２１０の内側ほぼ中央には、ドーナツ板状のプレート（第１の極片）２４０と、該プレート２４０に一端が固定された永久磁石２５０と、該永久磁石２５０の他端に一端が固定され、中心からフレーム２２０側に延びた円柱部を有するボトム（第２の極片）２６０と、一端が該ボトム２６０の他端と固定され、他端がカバー２１０の上面内側に固定されたダンパー２７０が設けられている。
【００１９】
ここで、永久磁石２５０から発生する磁束は、上記第１の極片２４０と上記第２の極片２６０とを介してボイスコイル２３０に交差するように閉磁路を形成している。このボイスコイル２３０に振動制御装置３００からケーブル２８０を介して水中に伝播すべき音響に対応した電気信号が供給されると、該電気信号は上記第１の極片２４０、第２の極片２６０、ボイスコイル２３０により機械的振動信号に変換され、振動伝達可能なフレーム２２０を振動させる。前述したように、フレーム２２０は、接着剤等により裏面ユニット１０の切り欠き部１１と直接固定されているため、該フレーム２２０において発生した振動は、フランジ８で囲まれた裏面ユニット１０全体、すなわち薄板に伝達され、プール内側の水中に音響として放射されることとなる（図５参照）。
【００２０】
図８は、プール１に対するアクチュエータ２００の配置例を模式的に示した図である。
図８に示す長さ５０（ｍ）、幅２５（ｍ）、深さ３（ｍ）のプール１には、９６個のアクチュエータ２００が飛び込み側の側壁面の裏面（プール外側）に設けられている。詳述すると、飛び込み側の側壁面を形成する複数の側壁ユニット２の裏面には、センターラインから左方向（約１２（ｍ））の上段に２４個のアクチュエータ２００が一定間隔で設置され、同数（すなわち、２４個）のアクチュエータ２００が同間隔で下段に設置されている。
【００２１】
センターラインから右方向（約１２（ｍ））についても同様に、上段には２４個のアクチュエータ２００が一定間隔で設置され、同数のアクチュエータ２００が同間隔で下段に設置されている。ここで、側壁ユニット２の裏面には、幅５００（ｍｍ）、高さ１５００（ｍｍ）の裏面ユニット１０が多数形成されている（図４参照）。アクチュエータ２００を取り付ける際には、該裏面ユニット１０のほぼ中心位置を定め、該中心位置にアクチュエータ２００を取り付けることで、側壁面の裏面に一定間隔で複数のアクチュエータ２００を設置することが可能となる。このように、飛び込み側の側壁面を形成する複数の側壁ユニット２の裏面に設けられた複数のアクチュエータ２００は、ケーブル２８０を介して振動制御装置３００に接続されている。
【００２２】
＜振動制御装置３００の構成＞
図９は、振動制御装置３００の構成を示す図である。
振動制御装置３００は、ミキサー３１０と、コンプレッサー３２０−１、３２０−２と、アンプ３３０−１〜３３０−４とを具備している。なお、以下の説明において、２台のコンプレッサー３２０−１、３２０−２及び４台のアンプ３３０−１〜３３０−４を特に区別する必要がない場合には、単にコンプレッサー３２０及びアンプ３３０という。
【００２３】
ミキサー３１０は、マイク（図示略）等から入力される音声信号や、図示せぬ楽音生成／再生装置において生成若しくは再生されるＢＧＭ等の楽音信号等を入力し、ミキシング処理等を施した後、コンプレッサー３２０に出力する。このミキサー３１０は、イコライジング機能、レベル調整機能を備え、ミキシングした後の１チャンネル（ＣＨ）の信号を４ＣＨに分岐し、分岐後の各信号に対してイコライジング処理、レベル調整処理等を施し、コンプレッサー３２０に出力する。
【００２４】
コンプレッサー３２０は、２ＣＨ入力／２ＣＨ出力仕様となっており、アクチュエータ２００に入力される信号が過大にならないよう、ミキサー３１０からの入力信号を制御し、アンプ３３０に出力する。
アンプ３３０は、１ＣＨ入力／４ＣＨ出力仕様となっており、ミキサー３１０からコンプレッサー３２０を介して入力される１ＣＨの信号を増幅し、４ＣＨに分岐し、当該アンプ３３０に接続された複数のアクチュエータ２００に出力する。詳述すると、アンプ３３０−１、３３０−２、３３０−３、３３０−４の各々は、前掲図８に示す左側上段、左側下段、右側上段、右側下段の各々に設置された２４個のアクチュエータ２００にそれぞれ接続されている。
【００２５】
図１０は、アクチュエータ２００とアンプ３３０との接続例を示す図である。図１０に示す６個のアクチュエータ２００−１〜２００−６は、前掲図８に示すブロックＡに設けられたアクチュエータであり、アンプ３３０−１の１ＣＨ正端子にはアクチュエータ２００−２、２００−４、２００−６が接続され、アンプ３３０−１の１ＣＨ負端子にはアクチュエータ２００−１、２００−３、２００−５が接続され、アクチュエータ２００−２とアクチュエータ２００−１、アクチュエータ２００−４とアクチュエータ２００−３、アクチュエータ２００−６とアクチュエータ２００−５とがそれぞれ直列に接続されている。
【００２６】
このように、６個のアクチュエータ２００につきアンプ１ＣＨを使用することで、１台のアンプ３３０−１で左側上段に設置された２４個のアクチュエータ２００を駆動することが可能となる。なお、その他のアンプ３３０−２、３３０−３、３３０−４とアクチュエータ２００との接続については、同様に説明することができるため、説明を割愛する。
【００２７】
このような構成を有する振動制御装置３００は、前述した楽音生成／再生装置等からＢＧＭ等の楽音信号等を受け取ると、該楽音信号にイコライジング処理、レベル調整処理等を施し、増幅した後の電気信号をアクチュエータ２００に出力する。ここで、例えば側壁面の裏面に設けられた複数のアクチュエータ２００を同期して同相で駆動する場合には、ミキサー３１０において分岐された１ＣＨ〜４ＣＨの各信号に対して同様のイコライジング処理、レベル調整処理等を施す。
【００２８】
これにより、振動制御装置３００から該側壁面の裏面に設けられた複数のアクチュエータ２００に同一レベルの電気信号が供給され、この結果、各アクチュエータ２００は同期して同相で駆動され、プール内側の水中に音響として放射されることとなる。以下、従来技術の項において説明した水中スピーカを比較例とし、本実施形態に係る水中音響放射装置１００から得られる種々の効果について説明を行う。
【００２９】
＜第１の効果＞
図１１は、下記条件の下、水中スピーカを用いて周波数特性評価実験を行った場合の実験結果を示す図である。なお、図１１に示す横軸は、水中スピーカから出力される音響の周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は、測定器の精度を入力電圧１．０（Ｖ）＝０（ｄＢ）になるように設定し、その基準からの相対的な水中内の音圧レベル（ｄＢ）を示す。
ａ）実験条件
・ＦＲＰプールの側壁に水中スピーカ（寸法；直径２０（ｃｍ）×高さ６（ｃｍ））を設置し、該水中スピーカから３．５（ｍ）離間した地点に水中マイクを設置し、測定した。
【００３０】
図１１に示す実験結果から明らかなように、水中スピーカによって低周波帯域（特に、２５０（Ｈｚ）以下の帯域）の音が再生された場合に得られる音圧レベルは、中〜高周波帯域の音が再生された場合に得られる音圧レベルに比べ、非常に小さい。これは、水中（音速；約１４６０（ｍ／ｓ））における音の波長が空気中（空気中での音速；３４０（ｍ／ｓ））における波長よりも長く、この波長の長い低周波域の音を再生するのに十分なスピーカの振動面積を有していないことに起因する。換言すれば、この波長の長い低周波域の音を再生するには、スピーカの振動面積を十分に広くする必要がある。なお、音響分野においては、振動面積を広くすることで、音響放射効率が高められると共に、広い領域において均等な音圧分布が得られることが知られている（以下、周知事項という）。
【００３１】
図１２は、上記周知事項を裏付ける実験結果を示す図であり、図１３は、本実験において使用したスピーカアレイを説明するための図である。かかる実験では複数の平板スピーカ（寸法；縦１５０（ｍｍ）×横３３５（ｍｍ））により大、小、２種のスピーカアレイを形成し、各スピーカアレイを用いて周波数特性評価を行った。実験条件に関する詳細は次の通りである。
【００３２】
＜実験条件＞
ａ）小スピーカアレイＳＰ１・・・縦６００（ｍｍ）×横１００５（ｍｍ）
ｂ）大スピーカアレイＳＰ８・・・縦６００（ｍｍ）×横８０４０（ｍｍ）
なお、実験では小スピーカアレイＳＰ１を平板スピーカ１２枚（縦４枚×横３枚）により形成し、大スピーカアレイＳＰ８を平板スピーカ９６枚（縦４枚×横２４枚）により形成した（図１３参照）。
また、実験ではスピーカアレイＳＰ１、ＳＰ８から種々の周波数帯域の音を再生し、各スピーカアレイＳＰ１、ＳＰ８から１０（ｍ）、２０（ｍ）、３０（ｍ）離間した地点（測定点）において音圧レベルＳＰＦ１、ＳＰＦ８を測定した。
【００３３】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、スピーカアレイＦＰＳ１、ＦＰＳ８を用いて低周波帯域の音を再生した場合に各測定点において測定される音圧レベルは、小スピーカアレイＦＰＳ１を用いたときよりも大スピーカアレイＦＰＳ８を用いたときの方が高くなっている。このように、スピーカにおける振動面積（スピーカアレイの寸法に対応）を大きくすることで、波長の長い低周波帯域の音を良好に再生できることが実証された。なお、図１２に示す実験結果は空気中において実験を行った結果を示すものであるが、空気以外の媒質（水等）についても、スピーカにおける振動面積を大きくすることで、波長の長い低周波帯域の音を良好に再生できるといった効果が得られる。
【００３４】
ここで、再び図８を参照されたい。図８に示すように、側壁ユニット２の裏面には幅５００（ｍｍ）、高さ１５００（ｍｍ）の裏面ユニット１０が多数形成され、各裏面ユニット１０の中心位置には当該裏面ユニット１０を振動させるアクチュエータ２００が設けられている。本実施形態では、各裏面ユニット１０に設けたアクチュエータ２００を同期して同相で駆動するため、上述した振動面積は２４（ｍ）×３（ｍ）、すなわち該アクチュエータ２００が設けられた面積となる。この振動面積は、水中スピーカの振動面積（直径２０（ｃｍ）×高さ６（ｃｍ））に比して大きい。従って、本実施形態に係る水中音響放射装置１００を採用することにより、波長の長い低周波帯域の音を良好に再生できるといった効果を得ることができる。
【００３５】
また、水中音響放射装置１００及び水中スピーカの指向特性は、公知文献（電気音響振動学、電気通信学会編、コロナ社、ｐ５２〜ｐ５４）等に記載されている円形平面音源の理論より、振動面の直径と波長の比により決定される。ここで、該指向特性は振動面の直径が大きいほど鋭くなるため、振動面積が大きい水中音響放射装置１００の指向特性は、振動面積が小さい水中スピーカの指向特性より鋭くなる。一般に、低周波帯域の音は無指向性を示すのに対して中〜高周波帯域の音は鋭い指向性を示すため、プール内に水中スピーカを数個設置した場合には、場所によって周波数特性変化が大きく異なってしまう。これに対し、本実施形態に係るプールには１の側壁面の裏面ほぼ全面に複数のアクチュエータ２００が一定間隔で設置されているため、当該アクチュエータ２００の設置幅に対応したエリアにおいて遠方でも均一な音圧と周波数特性を実現することができる。
【００３６】
＜第２の効果＞
図１４は、水中スピーカから放射された音波が反射する場合を説明するための図であり、図１４（ａ）は壁面がコンクリートにより形成されたコンクリートプールにおいて水中スピーカから放射された音波が反射する場合を説明するための図、図１４（ｂ）は、本実施形態が対象とするＦＲＰプールにおいてスピーカから放射された音波が反射する場合を説明するための図である。
【００３７】
図１４（ａ）に示すように、コンクリートプールのコンクリート側壁面近傍に水中スピーカ（コンクリート側壁と水中スピーカとの間の距離；Ｌ１）が設置された状態において、該水中スピーカから音波が出力された場合、該音波はコンクリート側壁面で反射するが、コンクリート側壁の外側は、例えばコンクリートや土などによって固定されているため、コンクリート側壁は固定端としてふるまうこととなり、固定端反射した音波には反射による位相のずれ（位相の反転）は発生しない。詳述すると、図１４（ａ）に示す鏡像位置には、水中スピーカと同相の音波（すなわち、位相ずれが生じていない音波）を出力する音源（鏡像音源）が設置されていると仮想することができ、特に水中スピーカとコンクリート側壁との間の距離Ｌ１が該水中スピーカから放射される音波の波長に比して小さい場合には、該水中スピーカから放射される音波が鏡像音源から放射される音波（すなわち、固定端反射した音波）によって打ち消されることはほとんどない。
【００３８】
一方、図１４（ｂ）に示すように、ＦＲＰプールのＦＲＰ側壁面近傍（ＦＲＰ側壁と水中スピーカとの間の距離；Ｌ１）に水中スピーカが設置された状態において、水中スピーカらから音波が出力された場合、該音波はＦＲＰ側壁面で反射するが、コンクリート側壁と異なりＦＲＰ側壁は柔らかく、また、側壁面外側には自由な空間として空気層が存在しているため壁自体が自由に振動できる状態にある。従って、反射の際には該側壁面自体が振動し、自由端としてふるまうこととなり、自由端反射した音波には反射による位相のずれ（位相ずれ量はπ）が生じてしまう。詳述すると、図１４（ｂ）に示す鏡像位置には、位相がπずれた音波（位相反転した音波）を出力する鏡像音源が設置されていると仮想することができ、該水中スピーカから放射される音波は鏡像音源から放射される音波（すなわち、自由端反射した音波）により打ち消され、音が小さくなってしまうという不具合が生じる。特に、水中スピーカから波長の長い低周波帯域の音波が放射された場合には、上記不具合が顕著に現れる。以上説明したＦＲＰプールに特有の現象は、本願出願人が実験等により新たに得た知見である。
【００３９】
これに対し、本実施形態に係る水中音響放射装置１００は、プール１の側壁面の裏面ほぼ全面に設置したアクチュエータ２００により、側壁面そのものを振動させて水中に音響を放射する（図８参照）。このため、上述した問題、すなわち鏡像音源から出力される位相反転した音波の発生等は原理上もなく、周波数特性上位相反転した音波の発生により打ち消される音もないため、広帯域の音を明瞭に再生することができる。
【００４０】
＜第３の効果＞
また、本実施形態に係るアクチュエータ２００は、プール１の側壁面の裏面ほぼ全面に設置されている。すなわち、上述した水中スピーカと異なり水中に設置する必要がないため、プール１の内側に水中スピーカを設置するためのスペースや、該プール１の内側に水中スピーカを設置するための設備（具体的には、該水中スピーカを吊り下げるための設備や、専用ボックス及び保護部材等）を設ける必要がない。また、水中スピーカにおいては、設置可能な水深が規制（例えば、水深１０（ｍ）以下等）されているが、該アクチュエータ２００はプール１の側壁面の裏面に設置されるため、例えば水深１０（ｍ）以上の深いプール等にも設置することができる。
【００４１】
＜第４の効果＞
また、該プール１の内側に水中スピーカを設置する場合には、上述した水中スピーカの指向特性を考慮して設置位置を決定する必要があったが、本実施形態に係るアクチュエータ２００は、プール１の側壁面の裏面ほぼ全面に一定間隔で設置すれば良く、細かい調整等は不要である。
【００４２】
＜第５の効果＞
また、該プール１の内側に水中スピーカを設置する場合には、競泳、シンクロナイズド・スイミング等の競技別、用途別に水中スピーカを設置したり、撤去したりしなければならないが、本実施形態に係るアクチュエータ２００はプール１の外側に設置するため、当該アクチュエータ２００の電源をＯＮ／ＯＦＦすることのみにより対応することができる。これにより、常設することができ、競技別、用途別に設置、若しくは撤去するといった煩雑な操作を行う必要がなくなる。
【００４３】
＜第６の効果＞
また、水中スピーカは仕様の特殊性から種類が限定され、コストも高いという問題があったが、アクチュエータ２００やアンプ３３０等は、既存のアクチュエータやアンプ等を用いることができるため、低廉なコストで水中音響放射装置１００を構成することができる。
【００４４】
＜第７の効果＞
また、水中スピーカは、水中に設置されるため、水の侵入等を防止する防水構造や、該水中スピーカに内蔵されたアンプ等の漏電を検出し、自動遮断する安全回路等を備える必要があったが、本実施形態に係るアクチュエータ２００は、プール１の側壁面の裏面（すなわち、空気層側）に設置されるため、これらの設備は一切不要となり、コストを抑制することが可能となる。
【００４５】
Ｂ．変形例
以上この発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで例示であり、上記実施形態に対しては、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。変形例としては、例えば以下のようなものが考えられる。
【００４６】
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、ＦＲＰによって形成した複数のユニットを締結して組み立てたプール１を例に説明を行ったが、例えばステンレス板、アルミニウム板、銅板等によって構成されたプール１にも適用可能である。すなわち、本発明は、アクチュエータ２００による振動伝達が可能な物質にって構成されたあらゆるプール１に適用可能である。また、本実施形態では、仮設プールを例に説明を行ったが、固定設備のプールに適用することができるのは勿論である。
【００４７】
また、上述した本実施形態では、周囲が全てＦＲＰ等の薄板で構成されているプール（ＦＲＰプール）を例に説明したが、周囲が固定のコンクリート壁によって構成されているプール（コンクリートプール）に本発明を適用することも可能である。具体的には、該コンクリートプールにＦＲＰによって形成されたしきり板（ＦＲＰしきり板）を設け、該ＦＲＰしきり板にアクチュエータ２００を密着固定して音響放射を行う。該ＦＲＰしきり板の設置に関して詳述すると、長さ５０（ｍ）、幅２５（ｍ）、深さ３（ｍ）のコンクリートプールであれば、該コンクリートプールの適当な位置（長さ方向３（ｍ）地点等）に、例えば幅２５（ｍ）、深さ３（ｍ）のＦＲＰしきり板を設ける。このように、従来のコンクリートプールに本発明を適用することも可能である。
【００４８】
＜変形例２＞
上述した本実施形態では、アクチュエータ２００として、動電型のアクチュエータを例に説明を行ったが、水中音響放射装置１００の設計等に応じて圧電型、電磁型、静電型等の種々のアクチュエータを採用することができる。ただし、多数のアクチュエータ２００を使用することを鑑みれば、小型で高出力のものが望ましく、圧電型や動電型等のコンパクトなアクチュエータが望ましい。
【００４９】
＜変形例３＞
また、上述した本実施形態では、プール１の側壁面の裏面ほぼ全面に一定間隔でアクチュエータ２００を設置した場合について説明を行ったが、当該側壁面の所定エリア（例えば、図８に示すセンターラインから左右１０（ｍ）の範囲等）にのみアクチュエータ２００を設置しても良い。また、該アクチュエータ２００を設置する側壁面は１面に限らず、例えば該側壁面と隣接する側壁面、あるいは該側壁面と対向する側壁面等に該アクチュエータ２００を設ける等、複数の側壁面にアクチュエータ２００を設置するようにしても良い。また、本実施形態では、側壁面の裏面の上下２段にアクチュエータ２００を設置したが、上段のみに該アクチュエータ２００を設置しても良く、また水深の深いプール等においては側壁面の裏面を複数段（例えば、上、中、下段等）に分割し、各段毎にアクチュエータ２００を設置しても良い。
【００５０】
＜変形例４＞
図１５は、変形例４に係るプール１に対するアクチュエータ２００の配置例を模式的に示した図である。
図１５に示すように、変形例４に係るプール１の側壁面の裏面下段には４８個のアクチュエータ２００が一定間隔Ｌ１（本実施形態と同様の間隔）で設けられ、プール１の側壁面の裏面上段には２４個のアクチュエータ２００が一定間隔Ｌ２（＝２＊Ｌ１）で設けられている。このように、側壁面の裏面上段にアクチュエータ２００を設ける間隔と該側壁面の裏面下段にアクチュエータ２００を設ける間隔とを異ならせるようにしても良い。また、本実施形態において説明した種々の効果（周波数特性等）が得られるのであれば、該側壁面の裏面に一定間隔でアクチュエータ２００を設けることなく、ランダムな間隔でアクチュエータ２００を設けるようにしても良い。
【００５１】
ここで、図１６は、図１５に示すアクチュエータ２００の配置例とは異なる配置例を模式的に示した図である。
図１６に示すように、プール１の側壁面の裏面には、４８個のアクチュエータ２００が千鳥状に配置されている。詳述すると、プール１の側壁面の裏面上段及び下段には、それぞれ２４個のアクチュエータ２００が一定間隔Ｌ２で設けられ、各アクチュエータ２００が上段と下段との間において互い違いに配置されている。
【００５２】
ここで、図１７は、プール１の側壁面にアクチュエータ２００を千鳥状（図１６参照）に配置し、各アクチュエータ２００を駆動したときの側壁面の振動加速度レベルを実測した結果を示す図であり、図１８は、図１６に示すプール１の側壁面の部分拡大図である。なお、振動加速度レベルを実測する際には、振動を検知するための振動ピックアップをプール１の側壁面の表面（プール内側）の所定箇所（地点Ａ〜Ｄ；図１８参照）にそれぞれ取り付け、測定を行った。
【００５３】
図１７に示すように、１０〜６００（Ｈｚ）程度までの振動加速度レベルは、アクチュエータ２００−ｋの設置背後の地点Ｂと、その他の地点Ａ、Ｃ、Ｄとの間において大きな差は認められない。これに対し、６００（Ｈｚ）以上の周波数域においては、地点Ａ、Ｃ、Ｄにおける振動加速度レベルが、地点Ｂにおける振動加速度レベルよりも低くなる傾向が認められる。また、全周波数帯域において、Ａ地点における振動加速度レベルとＤ地点における振動加速度レベルとの間に大きな差は認められない。
【００５４】
以上説明した内容をまとめれば、次の通りである。まず、Ａ地点に取り付けられた振動ピックアップは、アクチュエータ２００−ｋによる振動を主に検出する。一方、Ｄ地点に取り付けられた振動ピックアップは、アクチュエータ２００−ｋによる振動及びアクチュエータ２００−ｌによる振動を主に検出する。そして、このＡ地点に取り付けられた振動ピックアップによって検出される振動加速度レベルとＤ地点に取り付けられた振動ピックアップによって検出される振動加速度レベルとの間に大きな差が認められていない。よって、アクチュエータ２００の配置は、図１６等に示すように一定間隔Ｌ２で千鳥状に配置することが必要十分な配置といえる。
【００５５】
このように、アクチュエータ２００をプール１の側壁面の裏面に一定間隔Ｌ２で千鳥状に配置することにより、振動特性の劣化を招くことなく、必要なアクチュエータ２００の数を減らすことができ、これにより水中音響放射装置１００の製造コストを低減することが可能となる。
【００５６】
＜変形例５＞
また、上述した本実施形態では、プール１の側壁面の裏面に複数のアクチュエータ２００を設置した場合について説明を行ったが、例えばプール１の側壁面の表面（水中側）に複数のアクチュエータ２００を設けるようにしても良い。この場合、該アクチュエータ２００には、水の侵入等を防止する防水機構や、該水中スピーカに内蔵されたアンプ等の漏電を検出し、自動遮断する安全回路等を適宜設ける必要はあるが、波長の長い低周波域の音を良好に再生でき、かつアクチュエータ２００の設置幅に対応したエリアにおいて遠方でも均一な音圧と周波数特性を実現することができるといった効果（第１の効果）や、広帯域の音を明瞭に再生することができるといった効果（第２の効果）等を得ることができる。従って、プール１の側壁面の裏面に該アクチュエータ２００を設置するスペースがない場合等においては、プール１の側壁面の表面（水中側）に該アクチュエータ２００を設置することも可能である。
【００５７】
＜変形例６＞
また、上述した本実施形態では、プール１の側壁面の裏面に設置した複数のアクチュエータ２００を同期して同相で駆動する場合について説明を行ったが、例えば該側壁面の裏面上段に設けたアクチュエータ２００を使用して中〜高周波帯域の音を再生する一方、該側壁面の裏面下段に設けたアクチュエータ２００を使用して低周波帯域の音を再生したり、該側壁面の裏面上段に設けたアクチュエータ２００を駆動するタイミングと該側壁面の裏面下段に設けたアクチュエータ２００を駆動するタイミングをずらすように制御しても良い。また、該側壁面を介して水中に放射される音響に種々の効果（リバーブ等）を付加すべく、本実施形態において説明した振動制御装置３００の代わりにエフェクト機能、音質調整機能等を備えた振動制御装置３００を設けるようにしても良い。
【００５８】
＜変形例７＞
また、上述した本実施形態では、前掲図１０に示すように１台のアンプ３３０（４ＣＨ出力）で２４個のアクチュエータ２００を駆動（アンプ１ＣＨで６個のアクチュエータを駆動）する構成であったが、アンプ１台で何個のアクチュエータ２００を駆動するか等については、振動制御装置３００の設計等に応じて適宜変更可能である。
【００５９】
＜変形例８＞
上述した本実施形態では、プール１に水中音響放射装置１００を設けた場合について説明を行ったが、例えば水中植物や観賞魚の育成等に使用する水槽、貯蔵タンク、浴槽、いけすや、酒、醤油、みそ等の醸造に使用する容器等の液状媒質を蓄えるものに水中音響放射装置１００を設け、水中植物等の育成を促すべく、該水槽等の内部にＢＧＭ等の音響を放射するようにしても良い。すなわち、特許請求の範囲に記載の水槽とは、上記液状媒質を蓄えることが可能なあらゆるものをいう。
【００６０】
＜変形例９＞
また、上述した本実施形態では、プール１の側壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付けた場合について説明したが、プール１の底壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付けるようにしてもよい。
図１９は、変形例９に係るプール１に対するアクチュエータ２００の配置例を模式的に示した図であり、図２０及び図２１はプール１を上から見た図である。
【００６１】
図１９に示すように、プール１の底壁面は、コンクリート等の剛性部材によって形成された複数の凸部５００によって支持されている。そして、プール１の底壁面における各凸部５００の間には、上述した本実施形態等と同様、複数のアクチュエータ２００が取り付けられられており、これにより底壁面から水面に向かって音響が放射される。なお、アクチュエータ２００の配置位置に関し、例えば図２０に示すように、底壁面の競技エリアに対応する底壁面に複数のアクチュエータ２００を所定間隔Ｌ３で配置しても良いが、例えば図２１に示すように該底壁面に複数のアクチュエータ２００を所定間隔Ｌ４で千鳥状に配置しても良い。
【００６２】
このように、プール１の側壁面の裏面ではなく、底壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付けた理由は、次の通りである。すなわち、水中に放射された音響は、水面と水底面（底壁面）との間を繰り返し反射しながらある距離を伝搬（いわゆる“浅海”伝搬）していくが、この“浅海”伝搬においては、放射された音響（音）の周波数が低く、水深がこの音の波長と同程度になると、下記式（１）によって表される遮断周波数ｆ０以下の信号が伝搬されない現象が生ずるようになる（なお、遮断周波数に関する詳細は、I.Tolstoy and C.S.Clay,“OCEAN ACOUSTICS:Theory and Experiment in Underwater Sound”，1987等に詳記されている）。
【式１】

【００６３】
図２２は、この“浅海”における音源からの距離による周波数特性変化をシミュレーションしたときの条件等を示す説明図であり、図２３は、シミュレーション結果を示す図である。図２２に示すように、音源となる水中スピーカを水深２ｍ地点に配置すると共に、水深１ｍ地点であって、該水中スピーカから１ｍ、２ｍ、５ｍ、１０ｍ、１５ｍ離間した各地点ａ〜ｅに水中マイクを配置した場合を想定してシミュレーションを行った。
【００６４】
この結果、図２３に示すように、音源から近い地点においては、上記式（４）を利用して求めた遮断周波数ｆ０（＝１２８（Ｈｚ））以下の周波数の音の減衰は小さいものの、音源から遠い地点においては、距離が離れるほど、遮断周波数ｆ０以下の周波数の音の減衰は大きくなることが明らかになった。
【００６５】
ここで、図２４は、実際のプール１（ＦＲＰによって形成）を利用して上記周波数特性変化を実測したときの条件等を示す説明図であり、図２５は、実測結果を示す図である。
図２４に示すように、音源となる水中スピーカを水底（水深３ｍ地点）に配置すると共に、水深１．５ｍ地点であって、該水中スピーカから５ｍ、２０ｍ離間した各地点ａ’、ｂ’に水中マイクを配置して実験を行った。
【００６６】
この結果、音源から遠い地点ｂ’における遮断周波数ｆ０’以下の周波数の減衰は、音源から近い地点ａ’における遮断周波数ｆ０’以下の周波数の減衰よりも大きくなることが明らかになった。なお、かかる実測結果では、図２５に示すｂ’のカーブの６０Ｈｚ近傍においてピークが認められるが、これは同図に示すＢＧＮ（電源周波数によるハム）の影響によるものと考えられる。かかる周波数における特性を無視して減衰量（図２５に示す、ａ’とｂ’の差）に注目すれば、遮断周波数ｆ０’以下の周波数帯域で一様に減衰しており、これはシミュレーション結果を裏付けるものである。
【００６７】
以上説明したシミュレーション結果及び実測結果から明らかなように、音源から距離が離れると音の減衰は大きくなるため、例えば図８に示すようにプール１の側壁面の裏面にアクチュエータ２００を配置した場合には、該側壁面から離れた位置（水中）で演技等を行う競技者に遮断周波数ｆ０近傍の周波数の音が伝搬されない等の問題が生じてしまう。
【００６８】
そこで、本変形例では、プール１の底壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付け、底壁面から水面に向かって音響を放射することで、上記遮断周波数ｆ０近傍の周波数の音が競技者に伝搬されないといった問題を回避している。
【００６９】
すなわち、プール１の底壁面から水面までの距離（水深）は、１〜３ｍ程度であるため、底壁面に取り付けたアクチュエータ２００（音源）から競技者までの距離は、この水深程度の距離に収まる。このように、プール１の底壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付けることにより、音響を伝搬すべき距離は短くなり、この結果、音源から競技者までの距離が離れていたために遮断周波数ｆ０近傍の周波数の音が競技者に伝搬されないといった問題を回避することが可能となる。
【００７０】
なお、以上説明した本変形例では、プール１の側壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付ける代わりに、底壁面の裏面にアクチュエータ２００を取り付けた場合について説明したが、両者を併用してプール１の側壁面及び底壁面の裏面に、それぞれアクチュエータ２００を取り付けるようにしても良い。
【００７１】
この場合、例えば側壁面に取り付けたアクチュエータ２００については、音源からの距離によらず、減衰が小さい中・高周波帯域の音を水中に放射させ、一方底壁面に取り付けたアクチュエータ２００については、音源からの距離に応じて大きく減衰する低周波帯域の音を水中に放射させるように構成しても良い。
【００７２】
また、本変形例では、プール１の底壁面をコンクリート等の剛性部材によって形成された複数の凸部５００によって支持すると共に、各凸部５００の間に複数のアクチュエータ２００を取り付けた場合について説明したが、例えば図２６のＡ、Ｂ、Ｃに示すようにプール１の底壁面自体に複数の凸部６００を設け、各凸部６００にアクチュエータ２００を１つ（若しくは複数）取り付けるようにしても良い。
【００７３】
＜変形例１０＞
また、上述した本実施形態では、アクチュエータ２００を接着剤等によって側壁面に直接固定（図５参照）した場合について説明したが、側壁面とアクチュエータ２００とをさらに強固に固着させるべく、図２７に示すように、該側壁面にアクチュエータ２００密着用の梁Ｈを設けるようにしても良い。
【００７４】
＜変形例１１＞
また、上述した本実施形態では、プール１に水中音響放射装置１００を設けた場合について説明を行ったが、例えば大型、小型等の船舶や潜水艦等に上述した水中音響放射装置１００を設けることも可能である。
図２８は、本変形例に係る船舶４００の外観を示す図であり、図２９は図２８に示す船底部４１０のIV−IV線視断面図である。
図２８に示す船舶４００の船底部４１０は、上述したＦＲＰ等によって形成され、該船底部４１０の内側平面部４１０ａ（図２９参照）には、複数のアクチュエータ２００が設けられ、各アクチュエータ２００はケーブル等を介して振動制御装置３００に接続されている。
【００７５】
船舶４００の航行を指揮し、船員を監督する船長等は、図示せぬマイク等を使用して、海中で海底調査等を行っているダイバーに指示等を与える。振動制御装置３００は、マイクを介して該指示内容に対応する音声信号等を受け取ると、該音声信号にイコライジング処理、レベル調整処理等を施し、増幅した後の電気信号を平面部４１０ａに一定間隔で設置された複数のアクチュエータ２００に出力する。アクチュエータ２００は、受け取った電気信号を機械的振動信号に変換して平面部４１０ａを振動させ、これにより該指示内容に対応した音声が放射される。海中で海底調査等を行っているダイバーは、船舶４００の平面部４１０ａから放射される音声を聴取すると、該音声の指示内容に基づき調査エリアの変更等を行う。
【００７６】
以上説明したように、船底部４１０の内側平面部４１０ａに複数のアクチュエータ２００を一定間隔で設置することも可能であるが、例えば図３０及び図３１に示すように、船底部４１０の内側曲面部４１０ｂや、船底部４１０の内側全面部４１０ｃに複数のアクチュエータ２００を一定間隔で設けることも可能である。このように、船底部４１０の内側全面部４１０ｃに複数のアクチュエータ２００を一定間隔で設けた場合には、該船舶４００を中心としてあらゆる方向にＢＧＭ、音声等の音響を放射することが可能となる。なお、本変形例に上述した各変形例を適用することができるのは勿論である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水中において広帯域の音の再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態におけるプールの分解斜視図である。
【図２】プールを構成する側壁ユニットと床ユニットとの結合部分を示す図である。
【図３】図２におけるI−I線視断面図である。
【図４】水中音響放射装置を説明するための模式図である。
【図５】図４におけるII−II線視断面図である。
【図６】アクチュエータの構成を示す図である。
【図７】図６におけるIII−III線視断面図である。
【図８】プールに対するアクチュエータの配置例を示す図である。
【図９】振動制御装置の構成を示す図である。
【図１０】アクチュエータとアンプとの接続例を示す図である。
【図１１】水中スピーカを用いて周波数特性評価実験を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１２】スピーカアレイを用いて周波数特性評価実験を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１３】スピーカアレイの構成を示す図である。
【図１４】水中スピーカから放射された音響の反射を説明するための図である。
【図１５】変形例４に係るプールに対するアクチュエータの配置例を示す図である。
【図１６】同変形例に係るプールに対するアクチュエータの配置例を示す図である。
【図１７】同変形例に係る振動加速度レベルの実測結果を示す図である。
【図１８】同変形例に係る側壁面の部分拡大図である。
【図１９】変形例９に係るプールに対するアクチュエータの配置例を示す図である。
【図２０】同変形例に係るプールを上から見た図である。
【図２１】同変形例に係るプールを上から見た図である。
【図２２】同変形例に係る周波数特性を変化をシミュレーションしたとき
の条件等を示す説明図である。
【図２３】同変形例に係るシミュレーション結果を示す図である。
【図２４】同変形例に係る周波数特性変化を実測したときの条件等を示す説明図である。
【図２５】同変形例に係る実測結果を示す図である。
【図２６】同変形例に係る底壁面に対するアクチュエータの取り付け方法を例示した図である。
【図２７】変形例１０に係るアクチュエータ密着用の梁を説明するための図である。
【図２８】変形例１１に係る船舶の外観を示す図である。
【図２９】図２８におけるIV−IV線視断面図である。
【図３０】図２８におけるIV−IV線視断面図である。
【図３１】図２８におけるIV−IV線視断面図である。
【図３２】従来のプール等における水中スピーカの設置状態を例示する図である。
【図３３】従来のプール等における水中スピーカの設置状態を例示する図である。
【符号の説明】
１・・・プール、２・・・側壁ユニット、１０・・・裏面ユニット、１００・・・水中音響放射装置、２００・・・アクチュエータ、３００・・・振動制御装置、３１０・・・ミキサー、３２０・・・コンプレッサー、３３０・・・アンプ、４００・・・船舶、４１０・・・船底部、４１０ａ・・・平面部、４１０ｂ・・・曲面部、４１０ｃ・・・全面部。

Claims

複数の側壁面を有する水槽に設けられ、当該水槽の水中に音響を放射する装置であって、
水との境界面を形成し、軽量かつ剛性を保つ材料からなる薄板により構成された振動可能な同一側壁面のほぼ全面に設けられ、入力される電気信号を機械的振動信号に変換する複数の振動手段と、
前記水中に放射すべき音響に対応した電気信号を、前記側壁面が振動するように前記各振動手段に同期して供給する振動制御手段と
を具備することを特徴とする水槽用水中音響放射装置。
前記水槽は、プールであることを特徴とする請求項１に記載の水槽用水中音響放射装置。
前記同一側壁面におけるプールの外側の面に、前記複数の振動手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の水槽用水中音響放射装置。
前記同一側壁面におけるプールの外側の面に、前記複数の振動手段を一定間隔毎に設けたことを特徴とする請求項２に記載の水槽用水中音響放射装置。
前記側壁面におけるプールの外側の面に、前記複数の振動手段を千鳥状に設けたことを特徴とする請求項４に記載の水槽用水中音響放射装置。