JP6007508B2 - カルマン渦を利用した音響発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、カルマン渦を利用した音響発生装置に関する。

水中に向けて音波を発生させることが必要になることがある。このような場合には、外部圧力とスピーカ内部圧力とを考慮して形成された水中動作可能なスピーカが用いられてきた。

例えば、特許文献１においては、外周面の一部としてマグネチック型スピーカの振動板が液密に取付けられ且つマグネチック型スピーカの駆動部が液密に収納された筐体と、振動板の筐体内部空間と気密に連通され且つ外部圧力によって内部容積が可変なチャンバーとを備えた音波発信器が開示されている。

特開２０１０−５７０４０号公報

しかしながら、特許文献１にかかる音波発信器においては、スピーカを鳴動させるためには、駆動回路や電源が必要になる問題があった。

そこで、本発明の主目的は、駆動回路や電源を必要としないカルマン渦を用いた音響発生装置を提供することである。

上記課題を解決するため、曳航体に曳航されて音波を放射する音響発生装置は、カルマン渦を発生する渦発生部と、カルマン渦による振動に共振して、音波を放射する共振部と、渦発生部を曳航体に固着する連結部と、を備えることを特徴とする。

曳航された際に発生するカルマン渦を振動源とするので、駆動回路や電源を用いることなく音波を水中に放射できるようになる。

本発明の第１の実施形態にかかる曳航体に連結された音響発生装置の上面図である。 音響発生装置の側面図である カルマン渦を模式的に示した音響発生装置の上面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる共振部の斜視図である。 第２の実施形態にかかる他の構成の共振部の斜視図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を、図を参照して説明する。図１は水上を走行する船舶等の曳航体３に連結された本実施形態にかかる音響発生装置２の上面図であり、図２は側面図である。この音響発生装置２は、渦発生部１１、共振部１２、曳航体３と連結するための連結部１３を備える。そして、曳航体３が音響発生装置２を曳航することにより、渦発生部１１の後方向にカルマン渦が発生する。このカルマン渦により共振部１２が共振して、音波が水中に放射される。

なお、本明細書においては、曳航体３の進行方向Ｄを前方向、進行方向と反対の方向を後方向と記載する。また、渦発生部１１から見た水の速度を相対流速と記載する。以下、詳細に説明する。

連結部１３は、渦発生部１１と曳航体３とを連結する。このとき、渦発生部１１が進行方向に対して垂直方向に動くことができると、カルマン渦は発生し難くなる。そこで、連結部１３は曳航体３に対する渦発生部１１の相対位置が変化しないように、固着状態で渦発生部１１と曳航体３とを連結する。即ち、渦発生部１１は曳航体３と一体に動く。

渦発生部１１は、中空円柱体又は中空楕円柱体である。中空に形成する理由は、渦発生部１１の大部分が水中に没するが完全に水没しないようにするためである。また、円柱体又は楕円体に形成する理由は、例えば角柱体等の場合には、角部において乱流が起し易く、この乱流によりカルマン渦の発生が抑制されるためである。即ち、効率良くカルマン渦の発生させるために円柱体又は楕円体に形成している。そして、渦発生部１１を楕円体により形成した場合には、その長軸又は短軸が、渦発生部１１と曳航体３とを結ぶ連結線に一致させる。このことは、渦発生部１１は、進行方向に対して対称形状を持つように設置されることを意味している。

また、渦発生部１１が非対称形状の場合には、進行方向に直交する力が共振部１２を挟んで非対称になり、渦発生部１１と連結部１３との連結領域に捻れが発生して、当該渦発生部１１と連結部１３との連結領域が損傷を受けることを抑制するためである。

渦発生部１１の大きさ（例えば、円柱体の場合には直径）、水の密度、相対流速等によりレイノルズ数は変化する。そして、レイノルズ数が約５０以上の場合には、カルマン渦が発生する。なお、レイノルズ数が約５０以下のときは双子渦が発生し、約１５００を超えると乱流が発生する。また、相対流速は概ね曳航体３の速度と見なせる。

そこで、曳航体３の標準的な速度を設定し、この速度を相対流速としてレイノルズ数が約５０以上になるように、渦発生部１１の大きさを決定する。なお、風や潮流により相対速度が変化した場合には、曳航体３の速度を調整することにより、カルマン渦を定常的に発生させる。

共振部１２は、板状部材により形成されて、渦発生部１１と連結して設けられている。このとき共振部１２は渦発生部１１に対して相対位置が変化する構成であっても良い。即ち、渦発生部１１と共振部１２とはリンク構造で連結されていてもよい。

このような共振部１２は、水中に発生したカルマン渦から受ける力により振動する。図３は、カルマン渦１４を模式的に示した音響発生装置２の上面図である。カルマン渦１４は、渦発生部１１の後方向に、進行方向に沿って（渦発生部１１の航跡に沿って）発生し、かつ、交互に発生する。そして、カルマン渦１４により共振部１２は振動する。共振部１２は、カルマン渦１４の振動に共振して、水中に音波が放射される。

放射される音波が大きな音圧を持つならば、深い推進まで音波が届く。このように推進の深いところまで音波を到達させたい場合には、共振部１２の重さが重いことが必要である。このような観点から、本実施形態における共振部１２は鉄やステンレス等の金属により形成している。しかし、金属は水より重いため、そのままでは沈んでしまうことがある。このような場合には、フロート等を装着する。

以上説明したように、曳航体により音響発生装置を曳航すると共振部が共振を起して、音波を水中に放射するので、駆動回路等を用いることなく簡単な構成で水中に音波を放射させることが可能になる。

なお、上記説明では、渦発生部や共振部はそれぞれ１個設けた場合を示しているが、これらを複数設けて直列又は並列に配置しても良い。このように複数の渦発生部や共振部を設けることにより、音圧を高くすることが可能になる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

第１の実施形態においては、共振部１２は板状部材であった。これに対して本実施形態は中空の矩形体にした。このとき、共振部１２の端面で大きな抵抗が発生すると、この抵抗により水流が乱されて、カルマン渦が発生しにくくなる場合がある。そこで、本実施形態にかかる共振部１２の端面は、流線型に形成している。

共振部１２を中空の矩形体にすることにより、その中空空間が共鳴箱の作用をなすため、大きな音圧の音波を放射することが可能になる。

このとき、例えば、図４に示すように、共振部１２の内部空間Ｓに、水Ｗ等を貯留し、かつ、その水位を変えることができるようにするならば、共振周波数を変えることができる。即ち、所望の周波数の音波を放射することができる。

また、図５に示すように、この内部空間を複数の空間に区画板により区画して、それぞれの空間に貯留した水の水位を変えても良い。この場合は、各区画空間で共振が起きるため、複数の周波数の音波を放射することが可能になる。

２ 音響発生装置
３ 曳航体
１１ 渦発生部
１２ 共振部
１３ 連結部
１４ カルマン渦

Claims (6)

1. 曳航体に曳航されて音波を放射する音響発生装置であって、
   カルマン渦を発生する渦発生部と、
   前記カルマン渦による振動に共振して、音波を放射する共振部と、
   前記渦発生部を前記曳航体に固着する連結部と、を備えることを特徴とする音響発生装置。
2. 請求項１に記載の音響発生装置であって、
   前記渦発生部と前記共振部との少なくとも一方が、複数設けられていることを特徴とする音響発生装置。
3. 請求項１又は２に記載の音響発生装置であって、
   前記共振部は、中空体であることを特徴とする音響発生装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音響発生装置であって、
   前記共振部に水が貯留でき、かつ、その水位が調整可能に設けられていることを特徴とする音響発生装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の音響発生装置であって、
   前記渦発生部が、円柱体又は楕円体の水平断面形状を持つことを特徴とする音響発生装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音響発生装置であって、
   前記共振部の先端が流線形に形成されていることを特徴とする音響発生装置。

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