JP4993331B2 - 音響標的用送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、主に水中で使用するための送受波器に関し、特に音響標的用送受波器に関する。

従来より、水中の物体を捕らえるためのソナーの評価や、訓練用に実物の標的艦等を用いて行うのでは、多大の工数と費用がかかるために、替わりに、模擬的な音響を発生する音響標的が開発されている。例えば、水中で使用される音響標的としては、特許文献１のアクティブソナー用目標音響模擬システムや、特許文献２や特許文献３の音響標的等がある。

音響標的はソナーの音波を受信してそれに応じて模擬音響を発信する。このように送波器と受波器を持つ構成上、従来からハウリング（自己発振現象）の抑制が考慮されている。

従来、標的用の送波器及び受波器は、それぞれに円筒形圧電振動子を複数個積層配列して組み立て、送波器と受波器の各配列軸を一致させて垂直軸とし、かつ送受波器間に伝播減衰用の距離を設けて構成配置し、標的用送受波器としていた。

このような構成配置とすることで送受波器各々の水平方向無指向性により水平面全方位で標的機能を発揮し、又、送波器、受波器の各軸方向の垂直方向指向性による減衰と前記の距離伝播減衰とで送受波器間の音響クロストークを抑制し、音響標的の異常現象であるハウリングを抑制していた。

また、特許文献２には、ハウリングを防止するための送波器、受波器の一方が作動中に片方を非動作とさせる受送波重複防止回路が記載されている。

特開平０６−１０２３４５号公報 特開２００３−３０７５６５号公報 特開２００４−６９１１７号公報

しかしながら、音響標的の作動範囲、即ち俯仰角範囲は広いことが望まれ、このために送受波器の垂直指向性は広指向幅が求められるが、一方では音響クロストーク抑制のために９０度方向（即ち軸方向）指向係数を小さくする必要性から、垂直指向幅を適度に狭くする必要があり、標的の作動範囲を広くすることは出来なかった。

又、低周波の標的用送受波器では、適度の垂直指向性を持たせるのにあたって、長波長のために送受波器寸法は大きくなり、その実現自体が困難であった。

又、特許文献２記載の受送波重複防止回路のように、送受波器の一方のみ動作させるのでは、状況により、音響標的の模擬音響が実物の音響と乖離する場合があり、完全な解決にはなっていない。

本発明は、前記課題を解決し、作動範囲が広く、低周波用にも適した音響標的用送受波器を提供するものである。

即ち、到来音波を受波器で電気信号に変換し、前記信号を増幅回路で増幅し、前記増幅
信号を送波器から送波する音響標的用送受波器において、前記受波器として直交ダイポール指向性信号を出力する受波素子と、前記直交ダイポール指向性の第１軸のダイポール指向性信号Ｘと前記第１軸と直交する第２軸のダイポール指向性信号Ｙとの間に位相差９０度を与える移相回路と、前記９０度位相差を付与された２信号を加算する加算回路とから構成され、直交軸平面内においては無指向性であり、直交軸平面の垂直面内においてはダイポール指向性となるトロイダル指向性信号を出力するトロイダル指向性受波器と、前記送波器として内外面電極の円筒振動子による無指向性送波器で構成された音響標的用送受波器により指向幅が広くかつ９０度方向の減衰の大きい受波指向性を得るものである。

又、前記のアナログ方式に対するディジタル方式として、直交ダイポール指向性の第１軸のダイポール指向性信号Ｘと前記第１軸と直交する第２軸のダイポール指向性信号Ｙを各々デイジタル信号Ｘ’、デイジタル信号Ｙ’に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記デイジタル信号Ｘ’とデイジタル信号Ｙ’間に９０度の位相差を付与した後加算する演算回路と、前記演算回路の出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換回路とから構成されるトロイダル指向性受波器と、前記送波器として内外面電極の円筒振動子による無指向性送波器で構成された音響標的用送受波器によっても前記と同様の受波指向性を得ることが出来る。

到来音波を直交ダイポール指向性信号に変換する受波素子は、円筒形圧電振動子の内面電極を円周上に４分割した振動子を用い、前記４分割電極の対向電極から直交ダイポール指向性信号を引き出してトロイダル指向性信号を合成する。

更に到来音波を受波器で電気信号に変換し、前記信号を増幅回路で増幅し、前記増幅信号を送波器から送波する音響標的において、前記のトロイダル指向性受波器と、内外面電極の円筒振動子による無指向性送波器とで構成することにより、送受波器間の音響クロストークレベルが低い音響標的用送受波器とすることが出来る。

以上からなる本発明は、従来技術に比べて次のような利点を有する。第１は、トロイダル指向性受波器の６ｄＢ減指向幅が１２０度と従来技術による受波器の約２倍に広く出来る。第２は、９０度方向の指向係数を周波数特性なしに−２０ｄＢ以下に押さえることが出来るので、送受波器や音響標的用送受波器の構成時の音響クロストークを９０度指向係数の改善分低減することが出来る。第３は、低周波数でも非共振の小さな円筒形振動子をダイポール指向性変換素子とすることが出来、低周波用送波器と組み合わせることで相対的に小型で低周波の送受波器や音響標的用送受波器を構成することが出来る。

本発明は、到来する音波を受波器で電気信号に変換し、この信号を増幅回路で増幅して、この増幅信号を送波器から送波するような送受波器に関するものであり、この受波器としてトロイダル指向性受波器を用いる。しかも、直交ダイポール指向性信号を出力する受波素子を用いて、直交ダイポール指向性の第１軸のダイポール指向性信号Ｘと前記第１軸と直交する第２軸のダイポール指向性信号Ｙとの間に移相回路で９０度の位相差を与え、加算回路で９０度の位相差を付与された２信号を加算することで、直交軸平面内においては無指向性であり、直交軸平面の垂直面内においてはダイポール指向性となるようなトロイダル指向性信号を出力するトロイダル指向性受波器を構成する。

直交ダイポール指向性信号を移相回路、加算回路でトロイダル指向性信号に変換するトロイダル指向性受波器として、送受波器および音響標的用送受波器の受波器に使用することで、音響クロストークの低い、レスポンダ作動の安定した音響標的とすることが出来、又、低周波用の音響標的についても実現可能とすることが出来る。

また、直交ダイポール指向性信号とトロイダル指向性信号の変換をデジタル変換して行っても良い。受波素子としては４分割電極の円筒振動子を用い、この受波素子で変換される直交ダイポール指向性信号を用いることができる。

以下、図面を用いて、本発明の音響標的用送受波器を詳細に説明する。図１は、直交ダイポール指向性の説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。図１（ａ）の平面図上でｘ軸方向のダイポール指向性１ａがＸ＝ＣＯＳθであり、ｙ軸方向のダイポール指向性１ｂがＹ＝ＳＩＮθであり、互いに直交していることを示している。又、図１（ｂ）の正面図では垂直軸（ｚ軸）方向にもダイポール指向性（Ｚ＝ＣＯＳφ）を有することを示している。

図２は、トロイダル指向性の説明図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。図２（ａ）の平面図上では無指向性であり、図２（ｂ）の正面図上ではダイポール指向性であることを示している。

図３は、直交ダイポール指向性信号の受波素子である円筒形圧電振動子の構造図である。本発明の受波素子は、円筒形圧電振動子３で円筒形の圧電セラミック４に基本的に４分割された内面電極５ａ〜５ｄと、外面電極６とを設けた構造である。本構造の受波素子は直交ダイポール指向性の信号を出力する。

図４は、アナログ回路によるトロイダル指向性受波器の回路ブロック図である。受波素子からの直交ダイポール指向性信号をトロイダル指向性信号に変換して出力する演算変換回路構成を示しており、円筒形圧電振動子３の４分割内面電極の対向して直交する２組の電極から２組のダイポール指向性信号１ａ，１ｂを引出し、一方のダイポール指向性信号１ａ（直交ダイポール指向性の第１軸ｘのダイポール指向性信号Ｘ）を＋４５度移相回路１１ａを通し他方のダイポール指向性信号１ｂ（直交する第２軸ｙのダイポール指向性信号Ｙ）を−４５度移相回路１１ｂを通して合計９０度の位相差を与えた後、加算回路１２で加算することでトロイダル指向性信号２に変換して出力させる。このときの指向性は、次式のように表現される。

ｘ−ｙ平面上のトロイダル指向性：｜Ｔｘｙ｜＝｜ＣＯＳθ＋ｊＳＩＮθ｜＝１

図５は、ディジタル回路によるトロイダル指向性受波器の回路ブロック図であり、図４の指向性信号の演算変換回路をアナログ回路からディジタル回路に置き直したものである。円筒形圧電振動子３の４分割内面電極の対向して直交する２組の電極から２組のアナログのダイポール指向性信号１ａ、１ｂを引出し、一方のダイポール指向性信号１ａ（第１軸ｘのダイポール指向性信号Ｘ）と他方のダイポール指向性信号１ｂ（直交する第２軸ｙのダイポール指向性信号Ｙ）をデイジタル信号Ｘ’、デイジタル信号Ｙ’に変換するＡ／Ｄ変換回路１３ｂと、デイジタル信号Ｘ’とデイジタル信号Ｙ’間に９０度の位相差を与えて加算を実行する演算回路１４とそのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換回路１５とで構成され、トロイダル指向性信号２に変換して出力させる。

このようなディジタル回路の場合は、直交ダイポール指向性の入力２信号間のレベルや位相の調整がソフトウエアで簡単に行えるという利点がある。

図６は、音響標的の系統構成図である。これは音響標的の一般的構成を示すものであり、到来音波２５を受波器２１で電気信号に変換し、前記受波器２１の出力を受けて増幅回路２２で信号増幅し、前記増幅回路２２の電気出力を伝送ケーブル２４で送波器２３に送り、送波器２３で変換して出力音波２６を送出する。

このとき、出力音波２６は、音響クロストーク２７によって、直接受波器２１に音波信号として伝えられ、この信号は更に増幅回路２２から送波器２３を経て循環するようになるが、循環を重ねることで信号レベルが増大するとハウリングという系の共振が発生し、標的の機能が無くなる。

本発明による音響標的は、受波器２１に図４又は図５で構成されるトロイダル指向性受波器を用いることによって音響クロストーク２７を抑制し、ハウリングの発生しにくい安定した作動を行う。

次に、本発明の送受波器と従来技術による送受波器による送受波器間のクロス特性の実測した例を示す。比較例としては、従来の通常の指向性を有する受波器と送波器を用い、実施例としては、受波器のみを本発明のトロイダル指向性受波器として、送受波器間のクロストークを周波数を変えて測定した。

図７は、音響標的用送受波器間クロストークレベル−周波数特性の実測比較例である。図中のドット連結線は、比較例（従来技術による通常の指向性を有する送波器と受波器との間）のクロストークを示し、連続線は実施例（受波器のみトロイダル指向性受波器としたとき）のクロストークを示す。

比較例では、送受波器の垂直指向性が周波数によって変化するため、９０度方向の指向係数は変動し、結果としてクロストークが変化する。９０度方向に指向性の切れ込みがくるときクロストークは極小となるが、その間のクロストークは高い。

一方、実施例は、受波器の指向性がトロイダル指向性で、９０度方向の指向係数は常に極小であるため、比較例によるようなクロストークの局部的な極小は無く広帯域に渡って低レベルである。

実測例からも明らかなように、本発明のトロイダル指向性受波器によれば、従来技術による音響標的より１０〜２０ｄＢのクロストーク改善が可能となる。

本発明によるトロイダル指向性受波器を用いた送受波器は、主に水中で使用する音響標的に利用するものであるが、水中音響による長距離通信用中継器の送受波器にも利用出来るものである。

直交ダイポール指向性の説明図、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図。 トロイダル指向性の説明図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図。 直交ダイポール指向性信号の受波素子である円筒形圧電振動子の構造図。 アナログ回路によるトロイダル指向性受波器の回路ブロック図。 ディジタル回路によるトロイダル指向性受波器の回路ブロック図。 音響標的の系統構成図。 クロストークレベル−周波数特性の実測比較例を示す図。

符号の説明

１ａ ダイポール指向性（信号）：Ｘ＝ＣＯＳθ
１ｂ ダイポール指向性（信号）：Ｙ＝ＳＩＮθ
２ トロイダル指向性（信号）
３ 円筒形圧電振動子
４ 圧電セラミック
５ａ〜５ｄ 内面電極
６ 外面電極
１１ａ （＋４５）度移相回路
１１ｂ （−４５）度移相回路
１２ 加算回路
１３ａ〜１３ｂ Ａ／Ｄ変換回路
１４ 演算回路
１５ Ｄ／Ａ変換回路
２１ 受波器
２２ 増幅回路
２３ 送波器
２４ 伝送ケーブル
２５ 到来音波
２６ 出力音波
２７ 音響クロストーク

Claims (3)

1. 到来音波を受波器で電気信号に変換し、前記信号を増幅回路で増幅し、前記増幅信号を送波器から送波する音響標的用送受波器において、前記受波器として直交ダイポール指向性信号を出力する受波素子と、前記直交ダイポール指向性の第１軸のダイポール指向性信号Ｘと前記第１軸と直交する第２軸のダイポール指向性信号Ｙとの間に位相差９０度を与える移相回路と、前記９０度位相差を付与された２信号を加算する加算回路とから構成され、直交軸平面内においては無指向性であり、直交軸平面の垂直面内においてはダイポール指向性となるトロイダル指向性信号を出力するトロイダル指向性受波器と、前記送波器として内外面電極の円筒振動子による無指向性送波器で構成されたことを特徴とする音響標的用送受波器。
2. 到来音波を受波器で電気信号に変換し、前記信号を増幅回路で増幅し、前記増幅信号を送波器から送波する音響標的用送受波器において、前記受波器として直交ダイポール指向信号を出力する受波素子と、前記直交ダイポール指向性の第１軸のダイポール指向性信号Ｘと前記第１軸と直交する第２軸のダイポール指向性信号Ｙを各々デイジタル信号Ｘ’、デイジタル信号Ｙ’に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記デイジタル信号Ｘ’とデイジタル信号Ｙ’間に９０度の位相差を付与した後加算する演算回路と、前記演算回路の出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換回路とから構成され、直交軸平面内においては無指向性であり、直交軸平面の垂直面内においてはダイポール指向性となるトロイダル指向性信号を出力するトロイダル指向性受波器と、前記送波器として内外面電極の円筒振動子による無指向性送波器で構成されたことを特徴とする音響標的用送受波器。
3. 前記受波素子に円筒型圧電振動子の内面電極を円周上に４分割した振動子を用い、前記４分割電極の対向電極から前記直交ダイポール指向性信号を引き出すことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の音響標的用送受波器。

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