JP6179365B2 - 音響透過性部材 - Google Patents
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Description
本発明は、音響透過性を有する音響透過性部材に関する。
従来、船舶用ソーナー装置等の音響透過領域として、音響透過性を有する音響透過性部材が用いられている。従来の音響透過性部材としては、鋼製が代表的であるが、これを改良した構造として、いわゆるラバードームまたはラバーウィンドウと呼ばれるゴム製の音響透過性部材が知られている。これら従来の音響透過性部材は、基本的に単層構造であり、数ｋＨｚ以下の低周波領域では良好な音響透過特性を得られるが、２０ｋＨｚ以上の高周波帯には適用が困難である。
また、下記特許文献１では、コア層の両面をスキン層で覆ったサンドイッチ構造を用いた音響透過性部材が提案されている。
図１３は、従来技術にかかる音響透過性部材の構造を示す説明図である。図１３に示す音響透過性部材１３０は、コア層１３０２に厚さ５ｍｍの天然ゴム、スキン層１３０４に厚さ２ｍｍのＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いている。
この構造によれば、従来の音響透過性部材において音響透過性を得られる低周波領域に加えて、下記式（５）および（６）を満足する周波数ｆを透過する音響透過性部材を形成することができる。下記式（５）および（６）において、ｄｃはコア層１３０２の厚さ、Ｃはコア層１３０２における音速、Ｃ０は外囲流体における音速である。
図１３は、従来技術にかかる音響透過性部材の構造を示す説明図である。図１３に示す音響透過性部材１３０は、コア層１３０２に厚さ５ｍｍの天然ゴム、スキン層１３０４に厚さ２ｍｍのＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いている。
この構造によれば、従来の音響透過性部材において音響透過性を得られる低周波領域に加えて、下記式（５）および（６）を満足する周波数ｆを透過する音響透過性部材を形成することができる。下記式（５）および（６）において、ｄｃはコア層１３０２の厚さ、Ｃはコア層１３０２における音速、Ｃ０は外囲流体における音速である。
図１３に示す従来構造のコア層には、ゴムやウレタンなどの粘弾性体が用いられる。このような粘弾性体は温度特性を有しており、温度の変化によって粘弾性体中の音速（上記式（５）におけるＣ）も変化する。また、外囲流体の音速（上記式（５）におけるＣ０）も温度によって変化する。このため、温度によって上記式（６）に示す周波数ｆにずれが生じ、システム性能に大きな影響を与えることになる。
図１４は、図１３に示す音響透過性部材の透過特性を示すグラフである。
図１４において、縦軸は透過損失ＩＬであり、横軸は周波数を示す。グラフ中、符号１４０２は図１３に示す音響透過性部材の水温２０℃の水中における音響透過特性を実測した実測値である。また、符号１４０４は符号１４０２に示す実測値から水温２０℃の水中における音響透過特性をモデル化した計算値、符号１４０６は符号１４０４に示す計算値に基づいて水温１６℃の水中における音響透過特性を計算した計算値である。
図１４において、縦軸は透過損失ＩＬであり、横軸は周波数を示す。グラフ中、符号１４０２は図１３に示す音響透過性部材の水温２０℃の水中における音響透過特性を実測した実測値である。また、符号１４０４は符号１４０２に示す実測値から水温２０℃の水中における音響透過特性をモデル化した計算値、符号１４０６は符号１４０４に示す計算値に基づいて水温１６℃の水中における音響透過特性を計算した計算値である。
２０℃から１６℃への４℃の温度変化で、音速は１５％変動することが予測され、この結果、符号１４０４および符号１４０６に示すように、高周波領域の窓領域が１５％ずれることが予測される。たとえば、図１４中の矢印で示す周波数１５０ｋＨｚでの透過損失は、水温２０℃では０．６ｄＢ（１ｄＢ以下）であったのに対して、水温１６℃では３．５ｄＢに増大している。
このように、上記従来技術によれば、音響透過性部材における透過帯域幅の拡大は可能であるものの、高周波領域において実用的に十分な帯域幅が得られないという課題がある。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高周波領域に広い音響透過帯域を得られる音響透過性部材を提供することを目的とする。
上述した問題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる音響透過性部材は、所定の音響周波数帯を透過周波数帯とする面状の音響透過性部材であって、２層のスキン層の間に、Ｎ＋１層のコア層と、Ｎ層の中間層とが交互に積層されており、前記スキン層と前記中間層とが、前記コア層よりも弾性率が高い素材で形成されており、前記コア層の厚さｄｃは、前記透過周波数帯の最大周波数ｆｍおよび前記最大周波数ｆｍにおける音波の波長λｍに対して、下記式（１）および（２）を満たす、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記中間層の厚さが、前記スキン層の厚さの０．２倍以上３倍以下であり、前記中間層および前記スキン層の厚さは０．１ｍｍ以上である、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記スキン層および前記中間層が、弾性率が１００ＭＰａ以上３５０ＧＰａ以下の素材で形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記スキン層および前記中間層が、繊維強化プラスチック、プラスチック、金属のいずか１つで形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層が、粘弾性体またはプラスチックで形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層が、前記粘弾性体または前記プラスチック内にガラスマイクロバルーンが注入され、密度および弾性率が所定の値に形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスと、前記音響透過性部材を外囲する流体の音響インピーダンスとの差が前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスの５０％以下である、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、２層の前記スキン層の前記コア層に積層される側と反対側の表面に、保護層が設けられている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記スキン層および前記中間層が、弾性率が１００ＭＰａ以上３５０ＧＰａ以下の素材で形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記スキン層および前記中間層が、繊維強化プラスチック、プラスチック、金属のいずか１つで形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層が、粘弾性体またはプラスチックで形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層が、前記粘弾性体または前記プラスチック内にガラスマイクロバルーンが注入され、密度および弾性率が所定の値に形成されている、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスと、前記音響透過性部材を外囲する流体の音響インピーダンスとの差が前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスの５０％以下である、ことを特徴とする。
本発明にかかる音響透過性部材は、２層の前記スキン層の前記コア層に積層される側と反対側の表面に、保護層が設けられている、ことを特徴とする。
請求項１の発明によれば、ダンピング層であるコア層が複数設けられているので、振動が励起されにくくなり、音響透過性部材が用いられる機器等の振動等による雑音を低減するとともに、外囲流体による雑音を抑制することができ、音響透過性部材が用いられる機器等の性能を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、高周波領域まで連続した音響透過領域（窓領域）を形成することができるので、個々の音響透過性部材における製造バラツキや温度等の影響による特性変化の影響を受けることなく、良好な音響透過特性を得ることができる。また、上記のように個々の音響透過性部材１０における製造バラツキを許容することができるため、製造時における歩留まりを向上させることができる。
請求項３の発明によれば、中間層およびスキン層の厚さを０．１ｍｍ以上とすることによって、音響透過性部材の強度を確保することができる。また、中間層およびスキン層の厚さの差を小さくする（たとえば等しくする）ことによって、音響透過性部材の性能を向上させることができる。
請求項４の発明によれば、スキン層および中間層を様々な素材で形成することができる。
請求項５の発明によれば、音響透過性部材の強度を確保しつつ、優れた音響透過特性を得ることができる。
請求項６の発明によれば、音響透過性部材の強度を確保しつつ、優れた音響透過特性を得ることができる。
請求項７の発明によれば、コア層を任意の密度および弾性率で形成することができる。
請求項８の発明によれば、境界面での反射を低減し、音響透過特性を向上させることができる。
請求項９の発明によれば、保護層により外囲流体からの圧力や海洋生物の影響を低減させ、音響透過性部材の強度を向上させることができる。
請求項２の発明によれば、高周波領域まで連続した音響透過領域（窓領域）を形成することができるので、個々の音響透過性部材における製造バラツキや温度等の影響による特性変化の影響を受けることなく、良好な音響透過特性を得ることができる。また、上記のように個々の音響透過性部材１０における製造バラツキを許容することができるため、製造時における歩留まりを向上させることができる。
請求項３の発明によれば、中間層およびスキン層の厚さを０．１ｍｍ以上とすることによって、音響透過性部材の強度を確保することができる。また、中間層およびスキン層の厚さの差を小さくする（たとえば等しくする）ことによって、音響透過性部材の性能を向上させることができる。
請求項４の発明によれば、スキン層および中間層を様々な素材で形成することができる。
請求項５の発明によれば、音響透過性部材の強度を確保しつつ、優れた音響透過特性を得ることができる。
請求項６の発明によれば、音響透過性部材の強度を確保しつつ、優れた音響透過特性を得ることができる。
請求項７の発明によれば、コア層を任意の密度および弾性率で形成することができる。
請求項８の発明によれば、境界面での反射を低減し、音響透過特性を向上させることができる。
請求項９の発明によれば、保護層により外囲流体からの圧力や海洋生物の影響を低減させ、音響透過性部材の強度を向上させることができる。
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる音響透過性部材の好適な実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、音響透過性部材を搭載した船舶用のソーナー装置２０の構成を示す説明図である。本発明にかかる音響透過性部材は、たとえばソーナー装置２０の音響透過領域αを形成するために用いられる。
ソーナー装置２０は、船舶の船体に設けられたソーナー装置支持台（図示なし）の前端に配置され、常時水中に位置している。
ソーナー装置２０は、送受波器２４と音響窓２６とを含んで構成されている。
送受波器２４は、音響窓２６の内部に支持されたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製のフレーム２８に搭載され、船舶の前方に向けて配置されている。
図１は、音響透過性部材を搭載した船舶用のソーナー装置２０の構成を示す説明図である。本発明にかかる音響透過性部材は、たとえばソーナー装置２０の音響透過領域αを形成するために用いられる。
ソーナー装置２０は、船舶の船体に設けられたソーナー装置支持台（図示なし）の前端に配置され、常時水中に位置している。
ソーナー装置２０は、送受波器２４と音響窓２６とを含んで構成されている。
送受波器２４は、音響窓２６の内部に支持されたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製のフレーム２８に搭載され、船舶の前方に向けて配置されている。
音響窓２６は、送受波器２４を保護するものであり、送受波器２４を覆うように設けられ、音響窓２６の内部には水が充填されている。
音響窓２６は、円筒部２６Ａと、円筒部２６Ａの先部に前方に凸状の曲面で形成された曲面部２６Ｂとを有している。
送受波器２４が搭載されたフレーム２８は、円筒部２６Ａの内部で支持されている。
音響窓２６は、円筒部２６Ａと、円筒部２６Ａの先部に前方に凸状の曲面で形成された曲面部２６Ｂとを有している。
送受波器２４が搭載されたフレーム２８は、円筒部２６Ａの内部で支持されている。
音響窓２６は、音響の透過を可能とした音響透過領域αと、音響を遮音する遮音領域βとを有している。
音響透過領域αを構成する音響窓２６の曲面部２６Ｂは、本発明にかかる音響透過性部材で構成されている。
また、遮音領域βを構成する音響窓２６の円筒部２６Ａは、音響を遮音する（振動雑音の低減を含む）遮音材で構成されている。このような遮音材として、気泡（ガラスマイクロバルーン）を混在させたゴムやポリウレタンなどの粘弾性体（気泡分散型遮音材）や、あるいは、小孔が多数貫設された薄肉のゴム板の両面を薄肉のゴム板で挟んだもの（気孔型遮音材）など、従来公知の様々な材料が使用可能である。
本実施の形態では、音響透過領域αは、円筒部２６Ａ寄りの端部を除いた曲面部２６Ｂの全域となっており、図１に示す範囲θが、クジラや流木などのような前方の障害物を送受波器２４により探索する範囲となっている。
音響透過領域αを構成する音響窓２６の曲面部２６Ｂは、本発明にかかる音響透過性部材で構成されている。
また、遮音領域βを構成する音響窓２６の円筒部２６Ａは、音響を遮音する（振動雑音の低減を含む）遮音材で構成されている。このような遮音材として、気泡（ガラスマイクロバルーン）を混在させたゴムやポリウレタンなどの粘弾性体（気泡分散型遮音材）や、あるいは、小孔が多数貫設された薄肉のゴム板の両面を薄肉のゴム板で挟んだもの（気孔型遮音材）など、従来公知の様々な材料が使用可能である。
本実施の形態では、音響透過領域αは、円筒部２６Ａ寄りの端部を除いた曲面部２６Ｂの全域となっており、図１に示す範囲θが、クジラや流木などのような前方の障害物を送受波器２４により探索する範囲となっている。
つぎに、音響透過領域αを構成する音響透過性部材について説明する。
図２は、実施の形態１にかかる音響透過性部材１０の構成を示す説明図である。
以下の説明では、説明の便宜上、音響透過性部材１０を平面状に図示しているが、音響透過性部材１０は、用途に応じて成形可能である。
実施の形態１にかかる音響透過性部材１０は、音響透過性を有する面状の音響透過性部材である。音響透過性部材１０は、１００ｋＨｚ以下の低周波領域から限界周波数ｆｍまでの透過周波数帯を有する。限界周波数ｆｍとは、音響透過性部材１０の透過周波数帯の上限周波数である。
音響透過性部材１０は、２層のスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの間に、１層の中間層１０４と、２層のコア層１０６Ａ，１０６Ｂとが交互に積層されている（Ｎ＝１）。より詳細には、図２の上部側から順に、スキン層１０２Ａ、コア層１０６Ａ、中間層１０４、コア層１０６Ｂ、スキン層１０２Ｂが積層されている。
なお、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの表面、すなわち２層のスキン層１０２Ａ，１０２Ｂのコア層１０６Ａ，１０６Ｂに積層される側と反対側の表面に、さらに保護層が設けられていてもよい。この保護層は、たとえば外部からの荷重からソーナー装置２０を保護したり、海洋生物忌避のために設けられる。
図２は、実施の形態１にかかる音響透過性部材１０の構成を示す説明図である。
以下の説明では、説明の便宜上、音響透過性部材１０を平面状に図示しているが、音響透過性部材１０は、用途に応じて成形可能である。
実施の形態１にかかる音響透過性部材１０は、音響透過性を有する面状の音響透過性部材である。音響透過性部材１０は、１００ｋＨｚ以下の低周波領域から限界周波数ｆｍまでの透過周波数帯を有する。限界周波数ｆｍとは、音響透過性部材１０の透過周波数帯の上限周波数である。
音響透過性部材１０は、２層のスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの間に、１層の中間層１０４と、２層のコア層１０６Ａ，１０６Ｂとが交互に積層されている（Ｎ＝１）。より詳細には、図２の上部側から順に、スキン層１０２Ａ、コア層１０６Ａ、中間層１０４、コア層１０６Ｂ、スキン層１０２Ｂが積層されている。
なお、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの表面、すなわち２層のスキン層１０２Ａ，１０２Ｂのコア層１０６Ａ，１０６Ｂに積層される側と反対側の表面に、さらに保護層が設けられていてもよい。この保護層は、たとえば外部からの荷重からソーナー装置２０を保護したり、海洋生物忌避のために設けられる。
つぎに、各層の素材について説明する。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂと中間層１０４とは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂよりも弾性率が高い素材で形成されている。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂおよび中間層１０４は、たとえば弾性率が１００ＭＰａ以上３５０ＧＰａ以下の素材で形成されている。これは、弾性率が１００ＭＰａ未満の素材では構造体として維持するのが困難となり、弾性率３５０ＧＰａを超える素材では音響インピーダンスが高くなりすぎるためである。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂおよび中間層１０４は、具体的には、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、具体的にはＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）など）、プラスチック、金属（銅、チタンなど）のいずかで形成することができる。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂと中間層１０４とは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂよりも弾性率が高い素材で形成されている。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂおよび中間層１０４は、たとえば弾性率が１００ＭＰａ以上３５０ＧＰａ以下の素材で形成されている。これは、弾性率が１００ＭＰａ未満の素材では構造体として維持するのが困難となり、弾性率３５０ＧＰａを超える素材では音響インピーダンスが高くなりすぎるためである。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂおよび中間層１０４は、具体的には、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、具体的にはＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）など）、プラスチック、金属（銅、チタンなど）のいずかで形成することができる。
また、コア層１０６Ａ，１０６Ｂは、たとえばゴムやポリウレタンなどの粘弾性体またはプラスチックで形成されている。
なお、コア層１０６Ａ，１０６Ｂは、上記粘弾性体またはプラスチック内にガラスマイクロバルーンが注入され、密度および弾性率が所定の値に形成されていてもよい。
また、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスと、音響透過性部材１０を外囲する流体（本実施の形態では水または海水）の音響インピーダンスとの差は、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスの５０％以下とすることが望ましい。
ここで、音響インピーダンスは、物質の密度ρと縦波音速ｃの積ρｃで与えられる。すなわち、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の密度ρ１と、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材中の縦波音速ｃ１との積ρ１ｃ１とで与えられる。また、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスは、音響透過性部材１０を外囲する流体の密度ρ２と、同流体中の縦波音速ｃ２の積ρ２ｃ２とで与えられる。
そして、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスρ１ｃ１と、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスρ２ｃ２との差が、音響インピーダンスρ１ｃ１の５０％以下となるように、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの密度および弾性率を調整することが望ましい。
これは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスρ１ｃ１と、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスρ２ｃ２との差が大きいと、境界面での反射が大きくなり、音響透過性が低下するためである。
なお、コア層１０６Ａ，１０６Ｂは、上記粘弾性体またはプラスチック内にガラスマイクロバルーンが注入され、密度および弾性率が所定の値に形成されていてもよい。
また、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスと、音響透過性部材１０を外囲する流体（本実施の形態では水または海水）の音響インピーダンスとの差は、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスの５０％以下とすることが望ましい。
ここで、音響インピーダンスは、物質の密度ρと縦波音速ｃの積ρｃで与えられる。すなわち、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の密度ρ１と、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材中の縦波音速ｃ１との積ρ１ｃ１とで与えられる。また、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスは、音響透過性部材１０を外囲する流体の密度ρ２と、同流体中の縦波音速ｃ２の積ρ２ｃ２とで与えられる。
そして、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスρ１ｃ１と、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスρ２ｃ２との差が、音響インピーダンスρ１ｃ１の５０％以下となるように、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの密度および弾性率を調整することが望ましい。
これは、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを形成する素材の音響インピーダンスρ１ｃ１と、音響透過性部材１０を外囲する流体の音響インピーダンスρ２ｃ２との差が大きいと、境界面での反射が大きくなり、音響透過性が低下するためである。
つぎに、各層の厚さについて説明する。
中間層１０４の厚さは、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さの０．２倍以上３倍以下であり、中間層１０４およびスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上とすることが望ましい。これは、後述するように中間層１０４およびスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さの差を小さくする（たとえば等しくする）ことによって、音響透過性部材１０の性能を向上させることができるためである。
また、コア層の厚さｄｃは、音響透過性部材１０の透過周波数帯の最大周波数である限界周波数ｆｍおよび限界周波数ｆｍにおける音波の波長λｍに対して、下記式（３）および（４）を満たすようにする。
中間層１０４の厚さは、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さの０．２倍以上３倍以下であり、中間層１０４およびスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上とすることが望ましい。これは、後述するように中間層１０４およびスキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さの差を小さくする（たとえば等しくする）ことによって、音響透過性部材１０の性能を向上させることができるためである。
また、コア層の厚さｄｃは、音響透過性部材１０の透過周波数帯の最大周波数である限界周波数ｆｍおよび限界周波数ｆｍにおける音波の波長λｍに対して、下記式（３）および（４）を満たすようにする。
図３は、図２の音響透過性部材１０の音響透過特性を示すグラフである。
図３には、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さを１．０ｍｍ、中間層１０４の厚さを２．０ｍｍとして、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの厚さを１０．５ｍｍ、９．０ｍｍ、７．０ｍｍ、５．０ｍｍ、３．０ｍｍ、１．０ｍｍにそれぞれ変更した場合の音響透過特性がプロットされている。
図３のグラフにおいて、縦軸は透過損失（ｄＢ）であり、横軸は周波数（ｋＨｚ）である。すなわち、それぞれの音響透過性部材１０は、透過損失が小さい周波数帯の音響を透過させ、透過損失が大きい周波数帯の音響を遮断する性質を有する。
図３に示すように、それぞれの音響透過性部材１０は、低周波領域で透過損失が小さく、高周波領域では透過損失の値が周期的に変化している。ここで、透過損失がほぼ０の低周波領域から連続して透過損失が３ｄＢ以下である帯域の上限周波数を「限界周波数ｆｍ」とすると、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの厚さが薄いほど限界周波数ｆｍが上昇し、透過損失が小さい領域が拡大している。
図３には、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂの厚さを１．０ｍｍ、中間層１０４の厚さを２．０ｍｍとして、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの厚さを１０．５ｍｍ、９．０ｍｍ、７．０ｍｍ、５．０ｍｍ、３．０ｍｍ、１．０ｍｍにそれぞれ変更した場合の音響透過特性がプロットされている。
図３のグラフにおいて、縦軸は透過損失（ｄＢ）であり、横軸は周波数（ｋＨｚ）である。すなわち、それぞれの音響透過性部材１０は、透過損失が小さい周波数帯の音響を透過させ、透過損失が大きい周波数帯の音響を遮断する性質を有する。
図３に示すように、それぞれの音響透過性部材１０は、低周波領域で透過損失が小さく、高周波領域では透過損失の値が周期的に変化している。ここで、透過損失がほぼ０の低周波領域から連続して透過損失が３ｄＢ以下である帯域の上限周波数を「限界周波数ｆｍ」とすると、コア層１０６Ａ，１０６Ｂの厚さが薄いほど限界周波数ｆｍが上昇し、透過損失が小さい領域が拡大している。
図４は、コア層の厚さｄｃと限界周波数ｆｍにおける音波の波長λｍの比と限界周波数ｆｍとの関係を示すグラフである。
図４のグラフから、下記式（３）および（４）が導かれる。
図４のグラフから、下記式（３）および（４）が導かれる。
なお、スキン層１０２Ａ，１０２Ｂと中間層１０４との厚さを等しく（たとえば１．０ｍｍ）した場合の音響透過特性およびコア層の厚さｄｃと限界周波数ｆｍとの関係を図５および図６に示す。図５および図６のグラフの見方は、図３および図４と同様である。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂと中間層１０４との厚さを等しくした場合には、上記式（３）および（４）における係数が変わり、下記式（１）および（２）のようになる。
スキン層１０２Ａ，１０２Ｂと中間層１０４との厚さを等しくした場合には、上記式（３）および（４）における係数が変わり、下記式（１）および（２）のようになる。
図７は、音響透過性部材１０と他の構成の部材との音響透過特性を比較するグラフである。
図７Ａのグラフは、図７Ｂに示す各部材の音響透過特性を示している。図７Ｂの（１）に示すサンドイッチ構造は、ゴムで形成されたコア層の両面を、ＣＦＲＰで形成されたスキン層ではさんでおり、スキン層の厚さは１．５ｍｍ、コア層の厚さは１１ｍｍである。
図７Ｂの（２）に示す二重サンドイッチ構造は、図２に示す本実施の形態にかかる音響透過性部材１０と同様の構造であり、ＣＦＲＰで形成されたスキン層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成された中間層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成されたスキン層の順に積層されている。スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは１０．５ｍｍ、中間層の厚さは２．０ｍｍである。
図７Ｂの（３）は、（２）に示す二重サンドイッチ構造の各層の厚さを変更したものであり、スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは２ｍｍ、中間層の厚さは１．０ｍｍである。
図７Ｂの（４）は、ＣＦＲＰ単体の板であり、（３）に示す二重サンドイッチ構造のスキン層および中間層（ＣＦＲＰで形成された部分）の厚さの総和と同一の厚さ（３ｍｍ）を有する。
図７Ａのグラフは、図７Ｂに示す各部材の音響透過特性を示している。図７Ｂの（１）に示すサンドイッチ構造は、ゴムで形成されたコア層の両面を、ＣＦＲＰで形成されたスキン層ではさんでおり、スキン層の厚さは１．５ｍｍ、コア層の厚さは１１ｍｍである。
図７Ｂの（２）に示す二重サンドイッチ構造は、図２に示す本実施の形態にかかる音響透過性部材１０と同様の構造であり、ＣＦＲＰで形成されたスキン層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成された中間層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成されたスキン層の順に積層されている。スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは１０．５ｍｍ、中間層の厚さは２．０ｍｍである。
図７Ｂの（３）は、（２）に示す二重サンドイッチ構造の各層の厚さを変更したものであり、スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは２ｍｍ、中間層の厚さは１．０ｍｍである。
図７Ｂの（４）は、ＣＦＲＰ単体の板であり、（３）に示す二重サンドイッチ構造のスキン層および中間層（ＣＦＲＰで形成された部分）の厚さの総和と同一の厚さ（３ｍｍ）を有する。
（１）に示すサンドイッチ構造と、（２）に示す二重サンドイッチ構造とを比較すると、高周波領域における透過損失の極大値は（２）の方が大きくなっているが、透過損失の極小値近傍における帯域幅は（１）よりも（２）の方が拡大している。より詳細には、たとえば透過損失が極小になる値から＋０．５ｄＢまでの範囲を良好な音響透過特性が得られる帯域として評価すると、１００ｋＨｚ付近の帯域では（１）の方が帯域幅が広くなっているが、それ以上の周波数帯（１６０ｋＨｚ、２３０ｋＨｚ、３００ｋＨｚ）では（２）の方が帯域幅が広くなっており、高周波領域においても良好な音響透過特性が得られることがわかる。
また、（３）に示すコア層を薄くした二重サンドイッチ構造と他の構造とを比較すると、（３）は限界周波数ｆｍが２００ｋＨｚを超えており、他の構造と比較して良好な音響透過特性が得られる帯域が広くなっている。
以上説明したように、実施の形態１にかかる音響透過性部材１０によれば、ダンピング層であるコア層１０６Ａ，１０６Ｂが２層設けられているので、振動が励起されにくくなる。このため、自船の振動等による雑音を低減するとともに、外囲流体による雑音を抑制することができ、ソーナー装置２０による探索の精度を向上させることができる。
また、音響透過性部材１０は、高周波領域まで連続した音響透過領域（窓領域）を形成することができるので、個々の音響透過性部材１０における製造バラツキや温度等の影響による特性変化の影響を受けることなく、良好な音響透過特性を得ることができる。
また、上記のように個々の音響透過性部材１０における製造バラツキを許容することができるため、製造時における歩留まりを向上させることができる。
また、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを薄く形成することにより、音響透過性部材１０の軽量化を図ることができるとともに、製造コストを低減することができる。
また、上記のように個々の音響透過性部材１０における製造バラツキを許容することができるため、製造時における歩留まりを向上させることができる。
また、コア層１０６Ａ，１０６Ｂを薄く形成することにより、音響透過性部材１０の軽量化を図ることができるとともに、製造コストを低減することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１では、２層のスキン層の間に、１層の中間層と、２層のコア層とが交互に積層するようにした（Ｎ＝１）。
実施の形態２では、中間層とコア層の積層層数を増加させ、２層のスキン層の間に、Ｎ層の中間層と、Ｎ＋１層のコア層とを交互に積層することとする（Ｎ≧２）。
図８は、実施の形態２にかかる音響透過性部材３０，４０の構成を示す説明図である。
図８Ａに示す音響透過性部材３０は、２層のスキン層３０２Ａ，３０２Ｂの間に、２層の中間層３０４Ａ，３０４Ｂと、３層のコア層３０６Ａ，３０６Ｂ，３０６Ｃとが交互に積層されている（Ｎ＝２）。より詳細には、図８Ａの上部側から順に、スキン層３０２Ａ、コア層３０６Ａ、中間層３０４Ａ、コア層３０６Ｂ、中間層３０４Ｂ、コア層３０６Ｃ、スキン層３０２Ｂが積層されている。
また、図８Ｂに示す音響透過性部材４０は、２層のスキン層４０２Ａ，４０２Ｂの間に、３層の中間層４０４Ａ，４０４Ｂ，４０４Ｃと、４層のコア層４０６Ａ，４０６Ｂ，４０６Ｃ，４０６Ｄとが交互に積層されている（Ｎ＝３）。より詳細には、図８Ｂの上部側から順に、スキン層４０２Ａ、コア層４０６Ａ、中間層４０４Ａ、コア層４０６Ｂ、中間層４０４Ｂ、コア層４０６Ｃ、中間層４０４Ｃ、コア層４０６Ｄ、スキン層４０２Ｂが積層されている。
実施の形態１では、２層のスキン層の間に、１層の中間層と、２層のコア層とが交互に積層するようにした（Ｎ＝１）。
実施の形態２では、中間層とコア層の積層層数を増加させ、２層のスキン層の間に、Ｎ層の中間層と、Ｎ＋１層のコア層とを交互に積層することとする（Ｎ≧２）。
図８は、実施の形態２にかかる音響透過性部材３０，４０の構成を示す説明図である。
図８Ａに示す音響透過性部材３０は、２層のスキン層３０２Ａ，３０２Ｂの間に、２層の中間層３０４Ａ，３０４Ｂと、３層のコア層３０６Ａ，３０６Ｂ，３０６Ｃとが交互に積層されている（Ｎ＝２）。より詳細には、図８Ａの上部側から順に、スキン層３０２Ａ、コア層３０６Ａ、中間層３０４Ａ、コア層３０６Ｂ、中間層３０４Ｂ、コア層３０６Ｃ、スキン層３０２Ｂが積層されている。
また、図８Ｂに示す音響透過性部材４０は、２層のスキン層４０２Ａ，４０２Ｂの間に、３層の中間層４０４Ａ，４０４Ｂ，４０４Ｃと、４層のコア層４０６Ａ，４０６Ｂ，４０６Ｃ，４０６Ｄとが交互に積層されている（Ｎ＝３）。より詳細には、図８Ｂの上部側から順に、スキン層４０２Ａ、コア層４０６Ａ、中間層４０４Ａ、コア層４０６Ｂ、中間層４０４Ｂ、コア層４０６Ｃ、中間層４０４Ｃ、コア層４０６Ｄ、スキン層４０２Ｂが積層されている。
各層を構成する素材は、実施の形態１と同様であり、スキン層３０２Ａ，３０２Ｂ，４０２Ａ，４０２Ｂと中間層３０４Ａ，３０４Ｂ，４０４Ａ〜４０４Ｃとは、コア層３０６Ａ〜３０６Ｃ，４０６Ａ〜４０６Ｄよりも弾性率が高い素材で形成されている。
以下では、スキン層３０２Ａ，３０２Ｂ，４０２Ａ，４０２Ｂおよび中間層３０４Ａ，３０４Ｂ，４０４Ａ〜４０４ＣはＣＦＲＰで、コア層３０６Ａ〜３０６Ｃ，４０６Ａ〜４０６Ｄはゴムで形成されているものとする。
以下では、スキン層３０２Ａ，３０２Ｂ，４０２Ａ，４０２Ｂおよび中間層３０４Ａ，３０４Ｂ，４０４Ａ〜４０４ＣはＣＦＲＰで、コア層３０６Ａ〜３０６Ｃ，４０６Ａ〜４０６Ｄはゴムで形成されているものとする。
図９〜図１１は、音響透過性部材３０，４０の音響透過特性を示すグラフである。
図９〜図１１は、音響透過性部材３０，４０の他に、図１２に示す他の部材の音響透過特性も比較のために示している。
図１２の（５）は音響透過性部材３０であり、図１２の（６）は音響透過性部材４０である。図９〜図１１に示す音響透過特性は、音響透過性部材３０，４０のスキン層、中間層、およびコア層の厚さを変更して計算をおこなったものである。図９〜図１１では、スキン層および中間層を同一の厚さｔｓとし、コア層の厚さをｔｃとしている。
また、図１２の（１）に示すサンドイッチ構造は、ゴムで形成されたコア層の両面を、ＣＦＲＰで形成されたスキン層ではさんでおり、スキン層の厚さは１．５ｍｍ、コア層の厚さは５ｍｍである。
図１２の（２）に示す二重サンドイッチ構造は、ＣＦＲＰで形成されたスキン層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成された中間層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成されたスキン層の順に積層されている。スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは５．０ｍｍ、中間層の厚さは２．０ｍｍである。
また、図１２の（３）は、図１２（１）に示すサンドイッチ構造の厚さを変更したものであり、スキン層の厚さをｔｓ、コア層の厚さをｔｃとする。
また、図１２の（４）は、図１２（２）に示す二重サンドイッチ構造の厚さを変更したものであり、スキン層および中間層の厚さをｔｓ、コア層の厚さをｔｃとする。
図９〜図１１は、音響透過性部材３０，４０の他に、図１２に示す他の部材の音響透過特性も比較のために示している。
図１２の（５）は音響透過性部材３０であり、図１２の（６）は音響透過性部材４０である。図９〜図１１に示す音響透過特性は、音響透過性部材３０，４０のスキン層、中間層、およびコア層の厚さを変更して計算をおこなったものである。図９〜図１１では、スキン層および中間層を同一の厚さｔｓとし、コア層の厚さをｔｃとしている。
また、図１２の（１）に示すサンドイッチ構造は、ゴムで形成されたコア層の両面を、ＣＦＲＰで形成されたスキン層ではさんでおり、スキン層の厚さは１．５ｍｍ、コア層の厚さは５ｍｍである。
図１２の（２）に示す二重サンドイッチ構造は、ＣＦＲＰで形成されたスキン層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成された中間層、ゴムで形成されたコア層、ＣＦＲＰで形成されたスキン層の順に積層されている。スキン層の厚さは１．０ｍｍ、コア層の厚さは５．０ｍｍ、中間層の厚さは２．０ｍｍである。
また、図１２の（３）は、図１２（１）に示すサンドイッチ構造の厚さを変更したものであり、スキン層の厚さをｔｓ、コア層の厚さをｔｃとする。
また、図１２の（４）は、図１２（２）に示す二重サンドイッチ構造の厚さを変更したものであり、スキン層および中間層の厚さをｔｓ、コア層の厚さをｔｃとする。
図９Ａ〜図９Ｃは、スキン層および中間層の厚さｔｓを１ｍｍに固定し、コア層の厚さｔｃを０．５ｍｍ（図９Ａ）、１．０ｍｍ（図９Ｂ）、２．０ｍｍ（図９Ｃ）に変更した結果をそれぞれ示す。また、図９Ｄは、各部材（３）〜（６）における限界周波数ｆｍ（低周波領域から連続して透過損失が３ｄＢ以下である帯域の上限周波数）である。
図９Ａ〜図９Ｃでは、コア層の厚さｔｃが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなる。また、中間層およびコア層の層数が増加するほど、限界周波数ｆｍより高周波領域における透過損失の極大値は大きくなる。一方、限界周波数ｆｍについては、中間層およびコア層の層数が変化しても大きな変化はない。
図９Ａ〜図９Ｃでは、コア層の厚さｔｃが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなる。また、中間層およびコア層の層数が増加するほど、限界周波数ｆｍより高周波領域における透過損失の極大値は大きくなる。一方、限界周波数ｆｍについては、中間層およびコア層の層数が変化しても大きな変化はない。
図１０Ａ〜図１０Ｃは、コア層の厚さｔｃを１ｍｍに固定し、スキン層および中間層の厚さｔｓを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍに変更した結果をそれぞれ示す。また、図１０Ｄは、各部材（３）〜（６）における限界周波数ｆｍである。
図１０Ａ〜図１０Ｃにおいても、スキン層および中間層の厚さｔｓが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなる。また、中間層およびコア層の層数が増加するほど、限界周波数ｆｍより高周波領域における透過損失の極大値は大きくなる。一方、限界周波数ｆｍについては、中間層およびコア層の層数が変化しても大きな変化はない。
図１０Ａ〜図１０Ｃにおいても、スキン層および中間層の厚さｔｓが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなる。また、中間層およびコア層の層数が増加するほど、限界周波数ｆｍより高周波領域における透過損失の極大値は大きくなる。一方、限界周波数ｆｍについては、中間層およびコア層の層数が変化しても大きな変化はない。
図１１Ａ〜図１１Ｃは、スキン層および中間層の厚さｔｓとコア層の厚さｔｃとを等しく０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．０ｍｍに変更した結果をそれぞれ示す。また、図１１Ｄは、各部材（３）〜（６）における限界周波数ｆｍである。
図１１Ａ〜図１１Ｃにおいて、スキン層および中間層の厚さｔｓとコア層の厚さｔｃとが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなっている。
図１１Ａ〜図１１Ｃにおいて、スキン層および中間層の厚さｔｓとコア層の厚さｔｃとが薄いほど限界周波数ｆｍが高くなっている。
図９〜図１１から、低周波領域における透過損失が低い領域を拡大して限界周波数ｆｍを高くするためには、スキン層および中間層の厚さｔｓ、コア層の厚さｔｃをそれぞれ薄くすることが有効であることがわかる。
また、図９〜図１１から、限界周波数ｆｍの値は、中間層およびコア層の層数の違いによる変化は小さいことがわかる。よって、中間層およびコア層の積層層数は、音響透過性部材１０への強度要求に応じて任意に設定することが可能であるといえる。
また、図９〜図１１から、限界周波数ｆｍの値は、中間層およびコア層の層数の違いによる変化は小さいことがわかる。よって、中間層およびコア層の積層層数は、音響透過性部材１０への強度要求に応じて任意に設定することが可能であるといえる。
以上説明したように、実施の形態２にかかる音響透過性部材３０，４０によれば、スキン層、中間層およびコア層の厚さを音響透過性部材に要求される限界周波数を満たす程度に薄くした上で、中間層およびコア層の積層層数を音響透過性部材に要求される強度を満たすように調整することにより、任意の特性の音響透過性部材を得ることができる。
１０，３０，４０……音響透過性部材、１０２Ａ，１０２Ｂ，３０２Ａ，３０２Ｂ，４０２Ａ，４０２Ｂ……スキン層、１０４，３０４Ａ，３０４Ｂ，４０４Ａ，４０４Ｂ，４０４Ｃ……中間層、１０６Ａ，１０６Ｂ，３０６Ａ，３０６Ｂ，３０６Ｃ，４０６Ａ，４０６Ｂ，４０６Ｃ，４０６Ｄ……コア層。
Claims (8)
- 所定の音響周波数帯を透過周波数帯とする面状の音響透過性部材であって、
２層のスキン層の間に、Ｎ＋１層のコア層と、Ｎ層の中間層とが交互に積層されており、
前記スキン層と前記中間層とが、前記コア層よりも弾性率が高い素材で形成されており、
前記コア層の厚さｄｃは、前記透過周波数帯の最大周波数ｆｍおよび前記最大周波数ｆｍにおける音波の波長λｍに対して、下記式（１）および（２）を満たす、
ことを特徴とする音響透過性部材。
- 前記中間層の厚さは、前記スキン層の厚さの０．２倍以上３倍以下であり、
前記中間層および前記スキン層の厚さは０．１ｍｍ以上である、
ことを特徴とする請求項１記載の音響透過性部材。 - 前記スキン層および前記中間層は、弾性率が１００ＭＰａ以上３５０ＧＰａ以下の素材で形成されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の音響透過性部材。 - 前記スキン層および前記中間層は、繊維強化プラスチック、プラスチック、金属のいずれか１つで形成されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の音響透過性部材。 - 前記コア層は、粘弾性体またはプラスチックで形成されている、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の音響透過性部材。 - 前記コア層は、前記粘弾性体または前記プラスチック内にガラスマイクロバルーンが注入され、密度および弾性率が所定の値に形成されている、
ことを特徴とする請求項５記載の音響透過性部材。 - 前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスと、前記音響透過性部材を外囲する流体の音響インピーダンスとの差が前記コア層を形成する素材の音響インピーダンスの５０％以下である、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の音響透過性部材。 - ２層の前記スキン層の前記コア層に積層される側と反対側の表面に、保護層が設けられている、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の音響透過性部材。
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