JP4856096B2 - 音響反射器 - Google Patents

Description

本発明は、音響反射器に関し、詳細には、航法装置としてならびにロケーションおよびリロケーションのために使用される水中反射ターゲットに関する。

水中反射ターゲットは通常、音響反射器であり、この音響反射器は一般に、例えば水中構造物をタグ付けするためなどにソナーシステムで使用される。リロケーション装置は、例えばパイプライン、ケーブル、および鉱坑を識別するために、また網に音響的にしるしをつけるために漁業において使用される。

効果的であるためには、音響反射器は背景フィーチャおよび周囲のクラッタから容易に区別できることを必要とし、したがってこの種の反射ターゲットは、（ａ）背景フィーチャおよび周囲のクラッタから反射された音波の強度に比例して強い反射音響の出力応答（すなわち、高い目標強度）を生成できること、および（ｂ）他の（偽の）ターゲットから識別されることを可能にする音響特性を有することが望ましい。

ターゲットからの音波の反射を強化することは、現在、球状シェルの側面に入射する入力音波を屈折させることによって達成され、これにより音波は対向側面上に入力経路に沿って集束され、そこから出力反射応答として反射され放射される。あるいは、入力音波は出力反射波として放射される前に対向側面から２回以上反射され得る。

知られている水中反射ターゲットは流体充填球状シェルを含む。この種の流体充填球状シェルターゲットは、選択された流体が約８４０ｍｓ^−１の音速を有する場合に高い目標強度を有する。これは現在、シェルの内側の流体としてクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）を使用することによって達成される。この種の液体は、一般に、毒性化学薬品およびオゾン枯渇性化学薬品である望ましくない有機溶剤である。したがって流体充填球状シェル反射ターゲットは、上記流体が周囲環境へ漏れてこれを汚染する恐れがある結果、その環境を害する可能性によりこの種の物質の使用が制限されるので不利である。さらに、流体充填シェル反射ターゲットは製造するのが比較的困難で高価である。

他の知られている音響反射器は三葉機反射器であり、この三葉機反射器は通常、共通の原点で交差する３つの直交する反射面を含む。しかし、この種の反射器は、特定の周波数で音響的に反射させるために、および海洋環境で使用するためにコーティングを必要とする場合があり、高い目標強度が可能であるが、コーティング材料の反射特性は水中の深さによる圧力のために変化する傾向がある。さらに三葉機反射器は、その反射力がその方位に依存し制限され、目標強度に関して６ｄＢより大きい変化が異なった角度で起り得る点で不利である。

この点については、調査の目的で例えばアザラシ、イルカ、およびクジラなどの海洋哺乳動物に付け、その所在を突き止め、追跡し、監視するのに適した音響反射器タグであることがまた望ましい。この種のタグは、いかなる方法にしてもその動物を抑制しないように軽量でサイズが小さいことが望ましい。

しかし、上述の知られている反射器はこのような用途に適していない。上述のように流体充填球状反射器は、毒性材料を利用しており、したがってそれが付けられる動物、およびその動物が生存する周囲環境に対して潜在的に有害であると考えられる。三葉機反射器は全方向性ではなくて、その代わりに望ましくないその方位に依存し制限される。

したがってこの点については、耐久性があり、非毒性で、サイズが小さく、そして製造するのが比較的容易で安価である音響反射器であることが望ましい。

本発明によれば、音響反射器がコアを取り囲むように配置された壁を有するシェルを含み、前記シェルが反射器から反射音響信号出力をもたらすように集束され入射の面域に対向して配置されたシェルの面域から反射されるシェルに入射する音波を、コアの中に伝達することができる音響反射器であって、コアは、球または真直ぐな円柱の形であり、８４０ｍｓ^−１から１５００ｍｓ^−１までの波速度を有する固体材料の１つまたは複数の同心層から形成され、シェルは、シェルに入射する音波の一部がシェル壁の中に結合されシェルの外周の内部および周りに案内され次いで強化された反射音響信号出力をもたらすように再放射されて、前記反射音響信号出力と構築的に結合するようにコアに対して寸法決めされることを特徴とする音響反射器が提供される。

反射器は、球、または発生器と直交する円形断面を有する円柱の形であってもよい。後者の場合、反射器は、長い連続システムすなわちロープの形をとることになり、高いソナーの出力は音響信号の進行方向と垂直に配置されたロープの部分からの鏡のような輝きによって生じるであろう。

コアは、８４０ｍｓ^−１と１３００ｍｓ^−１との間の波速度を有する単一の固体材料から形成されることが好ましい。あるいは、コアは異なる材料の２つ以上の層を含むことができ、音波が特別に選択された周波数の場合、これらは全体的により強い出力信号になるように、入ってくる波のより効果的な集束および／または材料内部でのより小さい減衰を可能にするであろう。しかし当然のこととして、層からなるコアの場合、製造の複雑さおよびコストがより大きいと考えられるであろう。コアが異なる材料の２つ以上の層から形成される場合、材料の一方または両方は１５００ｍｓ^−１までの波速度を有することができる。

本発明の反射器装置での使用に適するためには、コア材料は、音響エネルギーの高い吸収を受けることなく必要な範囲の波速度を示すようなものでなければならない。このコアは、例えばシリコーン、特にＢａｙｅｒ社からのＲＴＶ１２もしくはＲＴＶ６５５シリコーンゴム、またはＡｌｓｉｌ １４４０１過酸化物硬化シリコーンゴムなどのエラストマー材料から形成されることができる。

シェルは、例えば、ガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）材料、特に５０％ガラス入りナイロン（Ｎｙｌｏｎ）６６もしくは４０％ガラス入り半芳香族ポリアミドなどのガラス入りナイロン、または鋼のような剛性材料から形成されることができ、その厚さはコアの半径の約１／１０であるように寸法決めされることができる。しかし、コアおよびシェルに使用される材料の特性に関するこれらのパラメータ間の適切な関係の由来は、熟練者には容易に理解されよう。

反射器のシェルを介して伝達される波を内側に集束された波と結合するという概念は、装置からの反射音響信号出力を強化する場合に高度に認識できる１つのフィーチャまたは複数のフィーチャになるように装置の設計の中で利用され得る。例えばこの信号出力は、特徴のあるタイムシグネチャまたはスペクトル内容をもつように配列されることができるであろう。

次いで、出力に特徴のあるフィーチャを認識するように音響信号出力を検出するために使用されているソナーを適切に構成することによって、本発明の反射器からの信号と使用されているソナー検出器の視界内にある他の（偽の）ターゲットからの背景のクラッタおよび出力との間で、より容易に識別することが可能になる。
次いで、本発明が添付の図面に対して例示として説明されるであろう。

図１を参照すると、音響反射器１０は、壁１４を有する球状シェル１２を含む。壁１４はコア１６を取り囲む。

シェル１２はガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）材料、または鋼のなどの剛性材料から形成される。コア１６はエラストマーなどの固体材料から形成される。音響反射器が適用できる周波数または周波数範囲は、シェルおよびコアを形成するのに使用される材料の所定の組合せ、ならびにそれの相対的な寸法に依存する。

しかし、読者によって理解されるであろうが、シェルおよびコアが使用される材料の波伝播特性に従って互いに対して寸法決めされるという条件で、材料に関して他の組合せが使用され得る。

音響源（図示せず）から伝達される入射音波１８はシェル１２に入射する。入射角が大きい場合、音波１８の大部分がシェル壁１４を通ってコア１６の中へ伝達される。この音波１８がコア１６を通って進行するにつれてこれらは屈折され、それによってシェルの対向側面２０の上に集束され、そこから音波１８は反射音響信号出力２２として同一の経路に沿って元のところへ反射される。しかし、入射角がより小さい場合、シェルの結合領域２４ですなわちシェルに対して十分に浅い角度で、入射波１８の一部が壁１４の中に結合されてシェル波２６になり、このシェル波２６はシェル１２の外周の周りで壁１４内部に案内される。

シェル１２およびコア１６を形成する材料、ならびにシェルおよびコアの相対的な寸法は、シェル波２６の通過時間が内部の幾何学的に集束された戻り波（すなわち反射音響信号出力２２）の通過時間と同じであるように前もって定められる。したがって、流体の中に再放射されるシェル波の寄与分と反射音響信号出力とは互いに位相が同じであり、したがって重要な周波数において構築的に結合して強化された反射音響信号出力（すなわち、高い目標強度）になる。すなわち球状音響反射器の場合、シェルの外周は、その経路長さでありしたがってシェルおよびコアのそれぞれの伝達速度特性に従って寸法決めされなければならず、これにより共振定在波がシェル内に形成され、この共振定在波は反射音響信号出力と位相が同じであってそれと共に構築的に結合する。

図２は、数値モデリングによって得られたデータを示し、シリコーンコア（半径１００ｍｍ）／ＧＲＰシェル（厚さ１１．７ｍｍのシェル）を有する本発明による球状音響反射器の目標強度（ＴＳ）に対してプロットされた入射音波の周波数（Ｆ）を含む（グラフ上にプロットされたダイヤモンド形で示す）。

シリコーンコア（半径１００ｍｍ）／鋼シェル（厚さ１．７ｍｍのシェル）を有する本発明による球状音響反射器について同様に得られたデータが、同じグラフ上にプロットされた円で示されている。

これらの結果は、液体クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）コア／鋼シェル（厚さ１．３ｍｍのシェル）の知られている組合せを有する球状音響反射器（この組合せは上記グラフ上にプロットされたアスタリスクで示される）、および空気コア／鋼シェルの基準の組合せ（この組合せは上記グラフ上にプロットされた十字形で示される）についてやはり数値モデリングによって得られたデータと共に、図２のグラフ上で比較され得る。

上記グラフでおわかりのように、シリコーンコア／ＧＦＲＰシェルの音響反射器（ダイヤモンド形のプロット）は、およそ１２０ｋＨｚと１５０ｋＨｚとの間、およびおよそ１８５ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間の周波数において比較的高い目標強度のピークを有する。

シリコーンコア／鋼シェルの音響反射器（円のプロット）は、およそ１６０ｋＨｚと１８０ｋＨｚとの間、およびおよそ１８５ｋＨｚと２００ｋＨｚとの間の周波数において比較的高い目標強度のピークを有する。

また、知られている液体ＣＦＣコア／鋼シェルの音響反射器（アスタリスクのプロット）の目標強度は、重要なこれらの周波数において著しく小さく、周波数が大きくなるにつれて小さくなる傾向があることにも気づかれよう。

それが環境に有害であると考えられない許容できる材料から形成される点、および製造するのに比較的容易で安価である点で有利であることに加えて、本発明はさらに有利なことに、知られている音響反射器に対して、１００ｋＨｚまではそれに匹敵する目標強度をもたらし、１００ｋＨｚよりも高い周波数においては強化された目標強度をもたらす。

もし固体コア材料および剛性シェル材料の異なる組合せが反射音響信号出力と位相が同じでありこれによりそれと共に構築的に結合するシェル波がもたらされるように寸法取りされるとすれば、上記材料の異なる組合せは使用され得ることが読者によって理解されよう。

本発明による音響反射器の横断面を表す概略図である。 音響反射器のシェル材料およびコア材料の異なる組合せについての目標強度に対する周波数を示すグラフである。

Claims (12)

1. コア（１６）を取り囲むように配置された壁（１４）を有するシェル（１２）を含み、前記シェルが、反射器から反射音響信号出力（２２）をもたらすように集束され音波（１８）の入射の面域（２０）に対向して配置されたシェルの面域から反射されるシェルに入射する音波を、コアの中に伝達することができる音響反射器（１０）であって、
   コア（１６）は、球または真直ぐな円柱の形であり、８４０ｍｓ^−１から１５００ｍｓ^−１までの圧縮波速度を有する固体材料の１つまたは複数の同心層から形成され、シェル（１２）は、シェルに入射する音波（１８）の一部がシェル壁の中に結合されシェルの外周の内部および周りに案内され、次いで強化された反射音響信号出力（２２）をもたらすように再放射されて、前記反射音響信号出力と強めあうように結合するようにコアに対して寸法決めされることを特徴とする、音響反射器（１０）。
2. コア（１６）が、８５０ｍｓ^−１と１３００ｍｓ^−１との間の圧縮波速度を有する単一の固体材料から形成される、請求項１に記載の音響反射器。
3. コア（１６）がエラストマー材料から形成される、請求項１または２に記載の音響反射器。
4. エラストマー材料がシリコーンである、請求項３に記載の音響反射器。
5. シェル（１２）が剛性材料から形成される、請求項１から４のいずれかに記載の音響反射器。
6. 剛性材料がガラス強化プラスチック（ＧＲＰ）材料である、請求項５に記載の音響反射器。
7. 剛性材料が鋼である、請求項５に記載の音響反射器。
8. 剛性材料がガラス入りナイロンである、請求項６に記載の音響反射器。
9. コア（１６）が、コアの中に伝達される音波の集束を強化するように構成された１つまたは複数の更なる材料を含む、請求項２から８のいずれかに記載の音響反射器。
10. 強化された反射音響信号出力（２２）が、同一の音波について他の反射器から識別を行うのに十分に特徴的である、請求項１から９のいずれかに記載の音響反射器。
11. 信号出力がそのスペクトル内容によって特徴づけられる、請求項９に記載の音響反射器。
12. 囲壁を画定するシェル部材（１２）および前記囲壁を占有するコア部材（１６）を含み、前記シェル部材が、反射器から反射音響信号出力（２２）をもたらすように集束され音波（１８）の入射の面域（２０）に対向して配置されたシェルの面域から反射されるシェル部材に入射する音波を、コアの中に伝達するように構成された音響反射器（１０）であって、
    コア（１６）は、球または真直ぐな円柱の形であり、８４０ｍｓ^−１から１５００ｍｓ^−１までの圧縮波速度を有する固体材料の１つまたは複数の同心層から形成され、シェル部材（１２）は、シェル部材に入射する音波（１８）の一部がシェル部材の中に結合され、シェル部材の外周の周りを通過し、そして強化された反射音響信号出力（２２）をもたらすように再放射されて、前記反射音響信号出力と強めあうように結合するようにコアに対して寸法決めされることを特徴とする、音響反射器（１０）。

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