JP7470701B2 - 音響送信アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、音響送受信アンテナ、特に低周波数及び中間周波数システムの分野における音響送信アンテナ並びにこのようなアンテナを校正する方法に関する。本発明は、限定しないが、特に可変深度ソナーに適用される。本発明は、例えば、固定アンテナソナー、保護ソナー又はポートソナーなどの他のタイプのソナーにも適用され得る。

海上プラットホームは、水中の物体を検出し、且つ／又は見出すために水面下ソナーアンテナを備える。ソナーアンテナは、支持体に取り付けられた、音響信号を送信するための積層トランスデューサの組を含む。この信号は、送信トランスデューサの組の構成に対して選択された構成に従って配置された水中聴音機などの受信器の組により受信される。

可変深度ソナー（「音響航法及び測距」）送信のための現在のアンテナは、様々なアーキテクチャに従って製造される。

基本トランスデューサのアレイで構成された平面アンテナが使用され得る。これらのアンテナは、ソナー信号の送信を行う。そのトランスデューサは、多くの場合、それらを嵩張り且つ重くするＴｏｎｐｉｌｚタイプのものである。具体的には、Ｔｏｎｐｉｌｚトランスデューサは、能動素子（すなわちアンテナの圧電、磁歪、電歪材料素子）が、後部、屋根及び密閉筐体に耐震質量などの嵩張った機械的部品を備えることを必要とする。加えて、これらのトランスデューサの水面下動作は、静水圧補償装置を設けることを伴い、これなしではトランスデューサの水面下性能が著しく劣化される。このアンテナアーキテクチャは、低質量曳航物設計に不適任であり、システムの他の素子を過剰に大きくすることを伴う。

コンパクト性且つ重量の観点において、コンパクトなフレックステンショナルトランスデューサの垂直方向アレイで構成されたアンテナなどの他のアーキテクチャが好ましい。しかし、このタイプのアンテナは、それらのトランスデューサが単一共振性であり、且つ本来的に高度に過剰ストレスを受ける機械的屈曲モードで動作するため、最近の広帯域ソナーに必要な周波数帯幅が取得されることを可能にしない。したがって、低周波数は、機械的屈曲を使用することにより実現される。このアンテナは、システムの嵩及び質量を低減するために十分にコンパクトであるが、活物質の容積を最小化する欠点を有し、これは、供給可能音響出力と、したがって音響レベルとにとって有害であり得る。これらのアンテナの帯域は、１オクターブよりはるかに小さいままであり、ここで、１オクターブは、［ｆ；２ｆ］形式の周波数範囲である。

「スロット付き円柱」タイプの変換器の垂直方向アレイから構成されるアンテナも小型且つ低質量のアンテナを実現するために使用される。このタイプのトランスデューサは、機械的屈曲システムにも基づいており、したがってフレックステンショナルトランスデューサに等しい周波数帯幅を必然的に有する。米国特許第９００１６２３号明細書は、曳航体へのその一体化を提案しており、米国特許第８７１７８４９号明細書は、その変形形態を提案している。このアーキテクチャは、コンパクト且つ軽量なアンテナが製造されることを可能にするが、周波数帯及び活物質の容積の観点で制限されたままである。これを克服するために、アンテナは、長手方向に伸張されるが、このとき、音響エネルギーは、低減された容積の流体内に集束され、これは、ソナーの検出性能を低減し得る。長手方向のアンテナの伸張も曳航体のナビゲーションの観点で不利である（特に高速度において）。加えて、曳航体上のその一体化は、複雑であり、曳航体の質量を増加し、結果的に運用の複雑性を増加させる。

送信周波数帯の幅を増加させるためにＦＦＲ（「無浸水リング」）タイプのコンパクト且つ広帯域なトランスデューサの垂直方向アレイで構成されたアンテナを使用することも可能である。このタイプのアンテナは、水上艦艇により曳航されるソナー上に存在し得る。仏国特許第２７７６１６１号明細書は、その一例を与えている。これらのトランスデューサの動作は、１オクターブ程度の帯域幅の取得を可能にする２つの共振モードの結合に基づく。加えて、活物質の比率は、全質量に対して非常に高く、したがって音響レベルに関して好ましい高出力送信を実現することが可能である。しかし、これらのアンテナは、複数のオクターブがカバーされることを可能にしない。

送信帯域及び音響レベルを最適化するために、少なくとも２つのトランスデューサのグループに分割された変換器の垂直方向アレイで構成されたアンテナを使用することも可能である（仏国特許第３０２６５６９号明細書）。しかし、上記と同様に、複数オクターブをカバーすることは可能でない。

有用帯域を増加させるために、異なるサイズの複数のＦＦＲトランスデューサを結合することが可能である（国際公開第２０１５／０１９１１６号パンフレット）が、これは、質量と、したがって出力要件との増加に繋がり、これは、システムを複雑にする。仏国特許第２７７６１６１号明細書のアンテナと比較して、質量及び出力要件は、２．５～３倍高い。加えて、この解決策は、様々なトランスデューサ間に音響相互作用があるため、音響レベルにおいて制限され、したがって小さいトランスデューサがより大きいトランスデューサによって音響的にマスクされる影響が観測される。

米国特許第９００１６２３号明細書 米国特許第８７１７８４９号明細書 仏国特許第２７７６１６１号明細書 仏国特許第３０２６５６９号明細書 国際公開第２０１５／０１９１１６号パンフレット 仏国特許第２７７６１６１号明細書

本発明は、従来技術の前述の欠点及び制限を克服することを目的とする。具体的には、本発明は、質量、嵩及び出力の観点で従来技術と同様の寸法に従う一方、音響レベルに悪影響を与えることなく広周波数帯を有する音響アンテナを提供することを目的とする。

したがって、本発明の１つの主題は、ソナーを装備するように意図された音響アンテナであって、第１の長手軸の中心に置かれ、且つ少なくとも前記長手軸に沿って積まれた少なくとも１つのトランスデューサの第１の組及び少なくとも２つのトランスデューサの第２の組を含み、各トランスデューサは、少なくとも、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの空洞モードとを有する、音響アンテナにおいて、第１の組のトランスデューサは、少なくとも第１の組のトランスデューサの空洞周波数と放射周波数との間に広がる第１の連続周波数帯内の音波を送信するように構成され、及び第２の組のトランスデューサは、少なくとも第２の組のトランスデューサの空洞周波数と放射周波数との間に広がる第２の連続周波数帯内の音波を送信するように構成されること、第２の組のトランスデューサの空洞周波数は、第１の組のトランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０にほぼ等しく、ｆｒ１は、第１の組のトランスデューサの放射周波数であり、及びｆｃ１は、第１の組のトランスデューサの空洞周波数であることを特徴とする音響アンテナである。

本発明のいくつかの実施形態によると、
－ トランスデューサの第１の組は、少なくとも２つのトランスデューサを含み、及び第２の組のトランスデューサは、第１の組のトランスデューサ間に置かれ、
－ 第２の組のトランスデューサは、サブグループに分割され、各サブグループは、第２の組のトランスデューサの少なくとも２つのトランスデューサを含み、各サブグループ間の間隔は、同一のサブグループの２つのトランスデューサ間の間隔以上であり、及び各サブグループは、グループ空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードを有し、
－ 第２の組は、３つのサブグループに分割された７つのトランスデューサを含み、第１のサブグループは、２つのトランスデューサを含み、第２のグループは、３つのトランスデューサを含み、第３のサブグループは、２つのトランスデューサを含み、及び第２のサブグループは、第１のサブグループと第３のサブグループとの間に置かれ、
－ 少なくとも１つのサブグループのグループ空洞周波数は、第１の組のトランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０に等しく、及び少なくとも１つの他のサブグループのグループ空洞周波数は、第１の組のトランスデューサの空洞周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０に等しく、ｆｒ１は、第１の組のトランスデューサの放射周波数であり、及びｆｃ１は、第１の組のトランスデューサの空洞周波数であり、
－ アンテナは、第１の長手軸に沿って積まれた受動素子を含み、受動素子は、第２の組のトランスデューサを取り囲み、及び第２の組のトランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス０．１×ｆｒ２に等しく、有利には第２の組のトランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス０．０５×ｆｒ２に等しい（ここで、ｆｒ２は、第２の組のトランスデューサの放射周波数である）、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードを有し、且つ第１の周波数帯内における、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードも有し、
－ 受動素子は、材料であって、その材料のＥ／ρ比が、第２の組のトランスデューサを形成する材料のものより高いような材料で作られ、Ｅは、材料のヤング率であり、及びρは、材料の密度であり、
－ 受動素子は、第２の組のトランスデューサのものより大きい直径を有する円柱であり、
－ トランスデューサは、圧電セラミック、又は磁歪セラミック、又は電歪セラミックで作られたＦＦＲ（「無浸水リング」）トランスデューサであり、
－ 第１の組及び第２の組のトランスデューサは、円形、台形又は多角形断面を有し、
－ アンテナは、少なくとも第１の長手軸と平行なＫ個の長手軸に沿って積まれた少なくとも２つのトランスデューサの第３の組を含み、Ｋは、１より大きく、第３の組のトランスデューサは、少なくとも、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの放射モードと、第２の組のトランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ２－ｆｃ２）／１０に等しい、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの空洞モードとを有し、ｆｒ２は、第２の組のトランスデューサの放射周波数であり、及びｆｃ２は、第２の組のトランスデューサの空洞周波数であり、第３の組のトランスデューサは、少なくともそれらの空洞周波数とそれらの放射周波数との間に広がる第３の連続周波数帯内の音波を送信するように構成され、第３の周波数帯は、第１及び第２の周波数帯の周波数より高い少なくとも１つの周波数を有し、及び第１、第２及び第３の周波数帯の交わり部分は、連続周波数帯を形成し、
－ Ｋ個の長手軸は、第１の長手軸と一致し、
－ アンテナは、第１の組のトランスデューサの励起信号と、第２の組のトランスデューサの少なくともサブグループの励起信号との間に第１の位相シフトを導入するように配置された少なくとも第１の移相器を含み、
－ アンテナは、第２の組のトランスデューサの異なるサブグループの励磁信号間に第２の位相シフトを導入するように配置された少なくとも第２の移相器を追加的に含み、及び
－ アンテナは、同じタイプのトランスデューサのＮ＋１個のグループと、第１のグループのトランスデューサの励起信号と別のグループの励起信号との間に位相シフトを導入するように配置されたＮ個の移相器とを含み、Ｎは、１より大きい整数である。

本発明の別の主題は、本発明による音響アンテナを校正する方法において、
ａ．同じタイプのトランスデューサの第１のグループを励起し、且つ他のトランスデューサを短絡する工程、
ｂ．第１のグループのトランスデューサによって生成される圧力波の位相を遠距離場測定する工程、
ｃ．同じタイプのトランスデューサの第２のグループを励起し、且つ他のトランスデューサを短絡する工程、
ｄ．第２のグループのトランスデューサによって生成される圧力波の位相を遠距離場測定する工程、
ｅ．工程ｂにおいて取得された位相と、工程ｄにおいて取得された位相との間の位相差を計算する工程、
ｆ．移相器を、それが、工程ｅにおいて計算された位相差に等しい位相シフトを、第２のグループのトランスデューサに送信される励起信号に導入するように調整する工程
を含むことを特徴とする方法である。

本発明の他の特徴、詳細及び利点は、一例として与えられる添付図面を参照して提供される説明を読むことで明確になる。

第１の実施形態による音響アンテナを示す。 第２の実施形態による音響アンテナを示す。 第３、第４及び第５の実施形態のそれぞれによる音響アンテナを示す。 第３、第４及び第５の実施形態のそれぞれによる音響アンテナを示す。 第３、第４及び第５の実施形態のそれぞれによる音響アンテナを示す。 第６の実施形態による音響アンテナを示す。 本発明の一実施形態による較正方法を示す。 図６ｂに提示される本発明の一実施形態による音響アンテナによるシミュレーションの結果を示す。

本明細書を通して、用語「円柱」は、一般的な意味で使用されおり、且つその母線同士が平行である線織面（すなわち平行線で構成された空間内の表面）を指す。添付図面により示されるいくつかの実施形態において、トランスデューサ及び受動素子は、環状の形状（すなわち回転柱の形状）である。

図１は、第１の実施形態による音響アンテナＡＮＴを示す。アンテナＡＮＴは、第１の長手軸Ａ１を中心にして置かれ、且つ少なくとも２つの中空円柱状トランスデューサＴ１の第１の組及び少なくとも２つの中空円柱状トランスデューサＴ２の第２の組を含む。この第１の実施形態では、第１の組は、２つのトランスデューサＴ１を、第２の組は、７つのトランスデューサＴ２を含む。円柱状トランスデューサＴ１及びＴ２は、同じ長手軸Ａ１の周囲に形成される。トランスデューサＴ２は、トランスデューサＴ１及びＴ２間にいかなる物理的オーバーラップもなしにトランスデューサＴ１間に置かれる。これは、トランスデューサＴ１によるトランスデューサＴ２のマスキングなどの有害な音響相互作用を回避することを可能にする。各トランスデューサ（Ｔ１、Ｔ２）は、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードとを有する。第１の組のトランスデューサＴ１は、少なくともトランスデューサＴ１の空洞周波数と放射周波数との間に広がる第１の周波数帯内の音波を送信するように構成され、及び第２の組のトランスデューサＴ２は、少なくともトランスデューサＴ２の空洞周波数と放射周波数との間に広がる第２の連続周波数帯内の音波を送信するように構成される。トランスデューサＴ１及びＴ２は、異なる物理的寸法を有し、特に、トランスデューサＴ２は、第２の組のトランスデューサＴ２の空洞周波数ｆｃ２が第１の組のトランスデューサＴ１の放射周波数ｆｒ１に（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０以下の公差でほぼ等しくなる（すなわちｆｃ２＝ｆｒ１±（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０であり、ここで、ｆｃ１は、トランスデューサＴ１の空洞周波数である）ように、トランスデューサＴ１より小さい物理的寸法を有する。これは、第１及び第２の周波数帯の周波数を含む連続送信周波数帯を取得することを可能にする。

第２の組のトランスデューサＴ２は、少なくとも２つのトランスデューサを含むサブグループに分割され得る。この第１の実施形態では、トランスデューサＴ２は、３つのサブグループ（ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３）に分割される。第１のサブグループＳＧ１は、２つのトランスデューサＴ２を含み、第２のサブグループＳＧ２は、３つのトランスデューサＴ２を含み、及び第３のサブグループＳＧ３は、２つのトランスデューサＴ２を含む。サブグループＳＧ２は、サブグループＳＧ１及びＳＧ３間に置かれる。各サブグループ間（すなわちこの第１の実施形態のサブグループＳＧ１及びＳＧ２間並びにサブグループＳＧ２及びＳＧ３間）の間隔は、同一のサブグループのトランスデューサＴ２間の間隔以上である。これは、トランスデューサＴ２により多くの機能を行うことを可能にする。

各サブグループ（ＳＧ１、ＳＧ２、ＳＧ３）は、グループ空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードを有する。具体的には、２つの同一の環状トランスデューサが、それらの空洞モードの音響波長に対して短い距離で互いに上下に配置されると、これらのモードは、相互作用し、及びそれらの周波数は、低下する（放射モードの周波数は、影響を受けない）。したがって、トランスデューサＴ２は、等しい物理的寸法を有するため、サブグループのグループ空洞周波数を修正することを可能にするのは、同一のサブグループのトランスデューサＴ２間の間隔である。

サブグループの少なくとも１つは、第１の組のトランスデューサＴ１の放射周波数に（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０以下の公差でほぼ等しいグループ空洞周波数（すなわちｆｃｇ＝ｆｒ１±（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０）を有し、ここで、ｆｃｇは、グループ空洞周波数であり、ｆｒ１は、トランスデューサＴ１の放射周波数であり、及びｆｃ１は、トランスデューサＴ１の空洞周波数である。サブグループの少なくとも１つの他のものは、第１の組のトランスデューサＴ１の空洞周波数にほぼ等しいグループ空洞周波数を有し、すなわち、グループ空洞周波数は、トランスデューサＴ１の空洞周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０に等しい。例えば、この第１の実施形態では、第１の組のトランスデューサＴ１の放射周波数にほぼ等しいグループ空洞周波数を有するのは、第１のサブグループＳＧ１及び第３のサブグループＳＧ３のトランスデューサＴ２であり、第１の組のトランスデューサＴ１の空洞周波数にほぼ等しいグループ空洞周波数を有するのは、第２のサブグループＳＧ２のトランスデューサＴ２である。したがって、この実施形態では、第２のサブグループＳＧ２内のトランスデューサＴ２間の間隔は、サブグループＳＧ１及びＳＧ３内のトランスデューサＴ２間の間隔より小さい。トランスデューサＴ２の放射周波数は、サブグループ内のトランスデューサＴ２の間隔により影響を受けない。その容積モードの周波数を調整するためのトランスデューサ間の可変軸方向間隔の使用は、上に引用された仏国特許第３０２６５６９号明細書から知られている。

サブグループＳＧ２は、トランスデューサＴ１の空洞周波数の近傍のトランスデューサＴ１の音響レベルを増加させること（すなわち第１の周波数帯の最低周波数における送信を増強すること）を可能にする一方、サブグループＳＧ１及びＳＧ３のトランスデューサＴは、トランスデューサＴ１の放射周波数にほぼ等しい同一空洞周波数を有することにより、第２の周波数帯における送信を増強することを可能にする。

図２は、本発明の第２の実施形態による音響アンテナＡＮＴを提示する。音響アンテナＡＮＴは、長手軸Ａ１を中心に置かれ、且つ長手軸Ａ１に沿って積まれたトランスデューサ（Ｔ１、Ｔ２）の２つの組を含む。トランスデューサＴ２は、図１に示すように、トランスデューサＴ１及びＴ２間にいかなる物理的オーバーラップもなしにトランスデューサＴ１間に置かれ、且つ３つのサブグループＳＧ１、ＳＧ２及びＳＧ３に分割される。サブグループＳＧ１及びＳＧ３のグループ空洞周波数は、トランスデューサＴ１の放射周波数にほぼ等しく、サブグループＳＧ２のグループ空洞周波数は、トランスデューサＴ１の空洞周波数にほぼ等しい。トランスデューサＴ１の空洞周波数帯における（すなわち第１の周波数帯の下側境界における）音響レベルを増強するために、受動素子Ｐ１がアンテナＡＮＴに追加される。これらの受動素子Ｐ１は、長手軸Ａ１に沿って積まれ、第２の組のトランスデューサＴ２を囲み、且つ第１の組のトランスデューサＴ１間に置かれる。これらの受動素子Ｐ１は、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードとを有する。受動素子Ｐ１は、円柱、特にリングである。

トランスデューサＴ２の放射モードと干渉しないために、受動素子Ｐ１は、材料であって、その材料のＥ／ρ比が、第２の組のトランスデューサＴ２を形成する材料のものより高いような材料で作られ、Ｅは、材料のヤング率であり、及びρは、材料の密度である。これは、同じ周波数において共振する放射モードを有する（すなわち受動素子Ｐ１の放射周波数がトランスデューサＴ２の放射周波数にほぼ等しい）一方、トランスデューサＴ２のものより大きい直径を有する受動素子Ｐ１を取得することも可能にする。素子Ｐ１の放射周波数は、トランスデューサＴ２の放射周波数プラス又はマイナストランスデューサＴ２の放射周波数の１０％に等しく、すなわちｆｒｐ１＝ｆｒ２±０．１×ｆｒ２であり、ここで、ｆｒｐ１は、受動素子Ｐ１の放射周波数であり、及びｆｒ２は、トランスデューサＴ２の放射周波数である。好適には、ｆｒｐ１＝ｆｒ２±０．０５×ｆｒ２である。

加えて、受動素子Ｐ１の送信がトランスデューサＴ２の送信をマスクすることを妨げるために、受動素子Ｐ１の放射周波数は、第２の組ＳＧ２のトランスデューサＴ２の放射周波数にほぼ等しく、受動素子Ｐ１の空洞周波数は、第１の周波数帯内にある。

受動素子Ｐ１の励起は、トランスデューサＴ１及び中央トランスデューサＴ２（すなわちこの実施形態ではサブグループＳＧ２のトランスデューサＴ２）により生成される音場に由来する。

別の実施形態によると、受動素子Ｐ１の空洞周波数は、第１の組のトランスデューサＴ１の空洞周波数にほぼ等しい。これは、受動素子Ｐ１の空洞周波数がトランスデューサＴ１の空洞周波数プラス又はマイナス（ｌｃｐ１＋ｌｃ１）／２に等しいことを意味し、ここで、ｌｃｐ１は、受動素子Ｐ１の空洞モードの半値全幅であり、及びｌｃ１は、トランスデューサＴ１の空洞モードの半値全幅である。これは、第１の周波数帯における音響レベルがより効果的に増強されることを可能にする。

図３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれ第３、第４及び第５の実施形態による音響アンテナＡＮＴを示す。これらの３つの実施形態では、音響アンテナＡＮＴは、第１の長手軸Ａ１を中心に置かれ、且つトランスデューサＴ１、Ｔ２及びＴ３の３つの組を含む。トランスデューサＴ１及びＴ２は、第１の長手軸Ａ１に沿って積まれ、トランスデューサＴ３は、軸Ａ１と平行な第２の長手軸Ａ２に沿って積まれる。受動素子Ｐ１、トランスデューサＴ２及びＴ１は、図２と同様に配置され、寸法決めされる。具体的には、トランスデューサＴ２の空洞周波数は、第１の組のトランスデューサＴ１の放射周波数にほぼ等しく、トランスデューサＴ２は、３つのサブグループＳＧ１、ＳＧ２及びＳＧ３に分割される。サブグループＳＧ１及びＳＧ３のグループ空洞周波数は、第１の組のトランスデューサＴ１の放射周波数にほぼ等しく、サブグループＳＧ２のグループ空洞周波数は、トランスデューサＴ１の空洞周波数にほぼ等しい。加えて、受動素子Ｐ１の放射周波数は、トランスデューサＴ２の放射周波数プラス又はマイナス０．１×ｆｒ２、好適にはプラス又はマイナス０．０５×ｆｒ２に等しく、ここで、ｆｒ２は、トランスデューサＴ２の放射周波数であり、及び受動素子Ｐ１の空洞周波数は、第１の周波数帯内にある。

第３の組のトランスデューサＴ３は、第１及び第２の周波数帯と異なる第３の連続周波数帯内の音波を送信するように寸法決めされる。トランスデューサＴ３は、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードとを有する。第３の周波数帯は、少なくとも第３の組のトランスデューサＴ３の空洞周波数と放射周波数との間に広がる。加えて、第３の組のトランスデューサＴ３の空洞周波数は、第２の組のトランスデューサＴ２の放射周波数にほぼ等しい。したがって、トランスデューサＴ３の空洞周波数は、トランスデューサＴ２の放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ２－ｆｃ２）／１０に等しく、ここで、ｆｒ２は、トランスデューサＴ２の放射周波数であり、及びｆｃ２は、トランスデューサＴ２の空洞周波数である。したがって、第１、第２及び第３の周波数帯の組み合わせは、３オクターブをカバーする連続周波数帯を取得することを可能にする。この第３の周波数帯は、トランスデューサＴ１及びＴ２より小さい物理的寸法を有する第３の組のトランスデューサＴ３の寸法決めのために取得される。

図３ａに示す実施形態では、長手軸Ａ２は、軸Ａ１と異なり、したがってトランスデューサＴ３は、トランスデューサＴ１及びＴ２を含む構造の隣に置かれる。この実施形態は、トランスデューサＴ１及びＴ２より小さいトランスデューサＴ３が他のトランスデューサを著しくマスクしなくなるために可能である。

図３ｂに示す実施形態では、アンテナＡＮＴは、軸Ａ１と平行であり、且つ軸Ａ１と異なる２つの長手軸Ａ２及びＡ３に沿って積まれた複数のトランスデューサＴ３を含む。これは、長手軸Ａ１に沿ったよりコンパクトなアンテナを取得することと、軸Ａ２及びＡ３に沿って積まれたトランスデューサＴ３が他のトランスデューサと交互に動作する場合に全方向音響送信を生じるために、又はトランスデューサのすべてが同時に送信する場合に方向付け可能な指向性音響送信を生じるために、トランスデューサＴ１及びＴ２によるトランスデューサＴ３のマスキングの影響を克服することも可能にする。

より一般的には、アンテナＡＮＴは、軸Ａ１に平行なＫ個の長手軸に沿って積まれた複数のトランスデューサＴ３を含み得、ここで、Ｋは、１より大きい整数である。再びより一般的には、アンテナＡＮＴは、それぞれが少なくとも１つのトランスデューサを含む複数組のトランスデューサＴ２、Ｔ３、．．．、ＴＮを含み得、各組のトランスデューサは、軸Ａ１に平行なＫ個の長手軸に沿って積まれ、その上にトランスデューサＴ１が積まれ、Ｎは、２より大きい整数である。

図３ｃに示す実施形態では、長手軸Ａ２は、軸Ａ１と一致する。トランスデューサＴ３は、トランスデューサＴ２間（特にサブグループＳＧ１及びＳＧ３間）に置かれ、サブグループＳＧ２は、トランスデューサＴ３で置換される。第３の組のトランスデューサＴ３間の間隔は、上に示したトランスデューサＴ１に対するトランスデューサＴ２と類似の方法で定義される。例えば、図では、トランスデューサＴ３とサブグループＳＧ１又はＳＧ３のトランスデューサとの間の間隔は、トランスデューサＴ３間の間隔より大きく、且つまた同一のサブグループのトランスデューサＴ２間の間隔より大きい。

より一般的には、トランスデューサＴ３の組の径方向嵩がトランスデューサＴ１の外径プラス又はマイナス１０％程度の径方向嵩となるように、これらのＫ個の軸が位置決めされる場合、曳航体上の設置に好適なコンパクトなアンテナが取得される。これは、同時に活性状態であるトランスデューサＴ１、Ｔ２及びＴ３による全方向且つ方向付け可能な指向性音響送信を実現することを可能にする。別の実施形態では、軸Ａ１と一致するＫ個の長手軸を有することが可能である。この構成は、例えば、固定設置のために使用され得る。

加えて、トランスデューサＴ２の音響レベルを増強するために、受動素子Ｐ２も存在し得る。これらの受動素子Ｐ２は、長手軸Ａ１に沿って積まれ、且つ第３の組のトランスデューサＴ３を囲む。受動素子Ｐ１は、図３ｃに示すように、受動素子Ｐ２を囲み得る。受動素子Ｐ２は、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードとを有する。受動素子Ｐ２の放射周波数は、第３の組のトランスデューサＴ３の放射周波数にほぼ等しく、受動素子Ｐ２の空洞周波数は、第２の周波数帯内である。上と同様に、これは、受動素子Ｐ２の放射周波数がトランスデューサＴ３の放射周波数プラス又はマイナス０．１×ｆｒ３、好適にはプラス又はマイナス０．０５×ｆｒ３に等しいことを意味し、ｆｒ３は、トランスデューサＴ３の放射周波数である。加えて、受動素子Ｐ１と同様に、その周囲に位置決めされるトランスデューサＴ３の放射モードと干渉しないために、受動素子Ｐ２は、材料であって、その材料のＥ／ρ比が、トランスデューサＴ３を形成する材料のものより高いような材料で作られ、Ｅは、材料のヤング率であり、及びρは、材料の密度である。

別の実施形態によると、トランスデューサＴ１及びＴ２のように、第３の周波数帯の下側部分における音響レベルを増強するために、トランスデューサＴ３をサブグループに分割することも可能である。

より一般的には、再帰的構造を有する音響アンテナを生成することが可能である。トランスデューサは、組ｉ＋１のトランスデューサの低周波モード（すなわち空洞モード）が組ｉのトランスデューサの高周波モード（すなわち放射モード）に重畳されるように寸法決めされる。

トランスデューサがシングルモードであれば、同じ原理は、組ｉ＋１のトランスデューサの送信周波数帯の最低部を組ｉのトランスデューサの送信周波数帯の最上部に一致させることにより使用され得る。

トランスデューサがマルチモードであれば、デュアルモードトランスデューサ（すなわち空洞モード及び放射モードを有するトランスデューサ）と同じ原理を使用することと、組ｉのトランスデューサの最高共振周波数と組ｉ＋１のトランスデューサの最低共振周波数とを一致させることとが可能である。

加えて、トランスデューサは、高周波数で動作するトランスデューサが、低周波数で動作する少なくとも２つのトランスデューサ間に挿入されるように配置される。

より一般的には、受動素子Ｐ１及びＰ２の数は、Ｎに等しく、ここで、Ｎは、１より大きい自然数である。各組のサブグループは、１より大きい整数である数Ｍ個のトランスデューサを含み得る。したがって、音響アンテナは、それぞれが例えばトランスデューサＴ２及び／又はＴ３の組を取り囲む例えば３つのトランスデューサＴ１を含み得る。加えて、第１の組のトランスデューサＴ１は、トランスデューサＴ１より低い送信周波数帯を有する別の組のトランスデューサの２つのトランスデューサ間に置かれる可能性もある。アンテナは、少なくとも２つのトランスデューサのサブグループに分割された複数のトランスデューサＴ１も含み得る。

図４は、第６の実施形態による音響アンテナＡＮＴを示す。アンテナＡＮＴの物理的寸法及びアンテナＡＮＴに含まれるトランスデューサ（Ｔ１、Ｔ２）又は（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）のすべてによりカバーされる周波数帯の広がりは、この周波数帯のいくつかの周波数に破壊的干渉を出現させ得、アンテナの周波数帯内の「ギャップ」を生じる。これは、これらの様々な「副アンテナ」を形成するトランスデューサの励起信号（有利には単一発生器Ｇに由来する）を適切に位相シフトすることにより回避され得る。図４の実施形態では、第１の組のトランスデューサＴ１は、基準としての役割を果たし、且つ発生器Ｇに直接接続され、サブグループＳＧ１及びＳＧ３のトランスデューサＴ２は、位相差Δφ１を、これらのトランスデューサにより受信される励起信号に適用するように構成された第１の移相器Ｄ１を介して発生器Ｇに接続され、サブグループＳＧ２のトランスデューサＴ２は、位相差Δφ２を、これらのトランスデューサにより受信される励起信号に適用するように構成された第２の移相器Ｄ２を介して発生器Ｇに接続される。

別の実施形態によると、アンテナＡＮＴは、第１の組のトランスデューサＴ１に送信される励起信号に対して、第２の組のトランスデューサＴ２のすべてに送信される励起信号に位相差を適用するように構成された１つの移相器のみを含む。

同様に、アンテナＡＮＴは、第２の組のトランスデューサＴ２に送信される励起信号に対して、第３の組のトランスデューサＴ３に送信される励起信号に位相差を適用するように構成された第３の移相器を含み得る。

より一般的には、トランスデューサの任意の組又はサブグループを基準として取ることと、次に基準組のサブグループに対して他のトランスデューサを位相シフトするために移相器を追加することとが可能である。

別の実施形態によると、移相器は、調整可能である。

本発明の一実施形態によると、トランスデューサ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、「無浸水リング」（ＦＦＲ）トランスデューサである。具体的には、これらは、圧電セラミック、磁歪セラミック又は電歪セラミックで作られる。トランスデューサは、単結晶又はテクスチャ化セラミックなどの圧電磁器の混合物から導出される材料又は電気力学などの様々な原理に基づく材料によっても作られ得る。

別の実施形態によると、トランスデューサ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、円形、台形又は多角形断面を有する。トランスデューサの直径は、その断面内のセグメントの最長の長さにより定義される。

別の実施形態によると、より大きい送信出力及び指向送信を取得するために、本発明に従って製造された少なくとも２つのアンテナＡＮＴを互いに隣接して置くことが可能であり、指向性又は全方向性送信における音響レベルを特に増加させることを可能にする。

図５は、本発明の一実施形態による音響アンテナを校正する方法を提示する。第１の工程ａでは、同じタイプのトランスデューサの第１のグループが励起され、及び他のトランスデューサが短絡される。次の工程ｂでは、第１のグループのトランスデューサによって生成される圧力波の位相が遠距離場において測定される。次の工程ｃでは、同じタイプのトランスデューサの第２のグループが励起され、及び他のトランスデューサが短絡される。工程ｄでは、第２のグループのトランスデューサによって生成される圧力波の位相が遠距離場において測定される。工程ｅは、工程ｂ及び工程ｄからの測定結果間の位相差を計算することを含む。最後に、工程ｆでは、移相器は、それは、工程ｅにおいて計算された位相差に等しい位相シフトを、第２のグループのトランスデューサに送信される励起信号に導入するように調整される。

例えば、第１のグループのトランスデューサは、第１の組のトランスデューサＴ１であり、第２のグループのトランスデューサは、第２の組のトランスデューサＴ２である。したがって、これらの２つのグループにより計算された位相差に等しい位相シフトをトランスデューサに導入するために、図４に存在する移相器Ｄ１を使用することが可能であろう。

別の例では、第１のグループのトランスデューサは、第１の組のトランスデューサＴ１を含み、第２のグループのトランスデューサは、サブグループＳＧ２のトランスデューサＴ２を含む。したがって、図４に存在する移相器Ｄ２は、これらの２つのグループにより計算された位相差に等しい位相シフトを導入するために使用される可能性がある。

図６ａは、本発明の一実施形態による音響アンテナによるシミュレーションの結果（特に周波数に応じた送信音レベル）を提示する。図６ｂに提示されるこの実施形態では、音響アンテナＡＮＴは、第１の組に属する２つのトランスデューサＴ１と、第２の組に属する４つのトランスデューサＴ２とを含む。トランスデューサＴ２は、サブグループに分割されない。音響アンテナの多くの構成が研究された。第１の構成では、トランスデューサＴ１のみが活性状態であり、音波を送信する。第２の構成では、トランスデューサＴ２のみが活性状態であり、音波を送信し、第３の構成では、トランスデューサＴ１及びＴ２がすべて活性状態であり、音波を送信する。構成１～３は、移相器を使用せずに生成される。構成４では、トランスデューサＴ１及びＴ２は、すべて活性状態であり、移相器は、図５において説明した較正方法を適用するために使用される。

構成１は、灰色一点鎖線の曲線により、構成２は、灰色破線曲線により、構成３は、黒色破線曲線により、及び構成４は、べた黒色曲線により表される。最後に、べた灰色曲線は、所望の最大音響レベルを表す。第１の組及び第２の組のトランスデューサが同時に活性状態でなければ、２オクターブの連続周波数帯にわたって十分な（すなわち所望の音響レベルに対して－３ｄＢの）音響レベルを有する音響送信を取得することが可能でないことが明確に分かり得る。

トランスデューサの両方の組が同時に活性化される場合（構成３）、送信音レベルは、２オクターブにわたって増加されるが、いくつかの周波数において所望の音響レベルより３ｄＢ超低いため、依然として不十分である。構成４の較正方法による移相器の使用では、所望の最大レベルに対して－３ｄＢより大きいため、十分な音響レベルを有する少なくとも２オクターブの連続送信周波数帯を取得することが可能である。

この使用は、ここで、可変深度ソナー曳航体に含まれるように意図されているが、それにもかかわらず、本発明による音響アンテナは、ドームにより保護が設置される任意のキャリヤ上に設置され得る。固定局上の使用も可能であり、したがっていかなる特別な保護も必要としない。

Claims (17)

1. ソナーを装備するように意図された音響アンテナ（ＡＮＴ）であって、第１の長手軸（Ａ１）の中心に置かれ、且つ少なくとも前記長手軸に沿って積まれた少なくとも１つのトランスデューサ（Ｔ１）の第１の組及び少なくとも２つのトランスデューサ（Ｔ２）の第２の組を含み、各トランスデューサは、少なくとも、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの放射モードと、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの空洞モードとを有する、音響アンテナ（ＡＮＴ）において、前記第１の組の前記トランスデューサは、少なくとも前記第１の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数と前記放射周波数との間に広がる第１の連続周波数帯内の音波を送信するように構成され、及び前記第２の組の前記トランスデューサは、少なくとも前記第２の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数と前記放射周波数との間に広がる第２の連続周波数帯内の音波を送信するように構成されること、前記第２の組のトランスデューサの前記空洞周波数は、前記第１の組のトランスデューサの前記放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０にほぼ等しく、ｆｒ１は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記放射周波数であり、及びｆｃ１は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数であることを特徴とし、且つ前記第２の組の前記トランスデューサは、前記第１の組の前記トランスデューサ間に置かれることと、前記第１の組のいかなるトランスデューサも前記第２の組の前記トランスデューサ間に置かれないこととを特徴とする音響アンテナ（ＡＮＴ）。
2. 前記トランスデューサの第１の組は、少なくとも２つのトランスデューサを含み、及び前記第２の組の前記トランスデューサは、前記第１の組の前記トランスデューサ間に置かれる、請求項１に記載の音響アンテナ。
3. 前記第２の組の前記トランスデューサは、サブグループに分割され、各サブグループは、前記第２の組の少なくとも２つのトランスデューサを含み、各サブグループ間の間隔は、同一のサブグループの２つのトランスデューサ間の間隔以上であり、及び各サブグループは、グループ空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードを有する、請求項１又は２に記載の音響アンテナ。
4. 前記第２の組は、３つのサブグループに分割された７つのトランスデューサを含み、第１のサブグループ（ＳＧ１）は、２つのトランスデューサを含み、第２のサブグループ（ＳＧ２）は、３つのトランスデューサを含み、第３のサブグループ（ＳＧ３）は、２つのトランスデューサを含み、及び前記第２のサブグループは、前記１のサブグループと前記第３のサブグループとの間に置かれる、請求項３に記載の音響アンテナ。
5. 少なくとも１つのサブグループの前記グループ空洞周波数は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０に等しく、及び少なくとも１つの他のサブグループの前記グループ空洞周波数は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数プラス又はマイナス（ｆｒ１－ｆｃ１）／１０に等しく、ｆｒ１は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記放射周波数であり、及びｆｃ１は、前記第１の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数である、請求項３又は４に記載の音響アンテナ。
6. 前記第１の長手軸に沿って積まれた受動素子（Ｐ１）を含み、前記受動素子（Ｐ１）は、前記第２の組の前記トランスデューサを取り囲み、及び前記第２の組の前記トランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス０．１×ｆｒ２に等しい（ここで、ｆｒ２は、前記第２の組の前記トランスデューサの前記放射周波数である）、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードを有し、且つ前記第１の連続周波数帯内における、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの空洞モードも有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
7. 前記受動素子は、材料であって、前記材料のＥ／ρ比が、前記第２の組の前記トランスデューサを形成する材料のものより高いような材料で作られ、Ｅは、前記材料のヤング率であり、及びρは、前記材料の密度である、請求項６に記載の音響アンテナ。
8. 前記受動素子は、前記第２の組の前記トランスデューサのものより大きい直径を有する円柱である、請求項７に記載の音響アンテナ。
9. 前記トランスデューサは、圧電セラミック、又は磁歪セラミック、又は電歪セラミックで作られたＦＦＲ（「無浸水リング」）トランスデューサである、請求項１～８のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
10. 前記第１の組及び前記第２の組の前記トランスデューサは、円形、台形又は多角形断面を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
11. 少なくとも前記第１の長手軸（Ａ１）と平行なＫ個の長手軸（Ａ２、Ａ３）に沿って積まれた少なくとも２つのトランスデューサ（Ｔ３）の第３の組を含み、Ｋは、１より大きく、前記第３の組の前記トランスデューサは、少なくとも、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの放射モードと、前記第２の組の前記トランスデューサの前記放射周波数プラス又はマイナス（ｆｒ２－ｆｃ２）／１０に等しい、空洞周波数と呼ばれる共振周波数を有する１つの空洞モードとを有し、ｆｒ２は、前記第２の組の前記トランスデューサの前記放射周波数であり、及びｆｃ２は、前記第２の組の前記トランスデューサの前記空洞周波数であり、前記第３の組の前記トランスデューサは、少なくともそれらの空洞周波数とそれらの放射周波数との間に広がる第３の連続周波数帯内の音波を送信するように構成され、前記第３の連続周波数帯は、前記第１及び第２の連続周波数帯の周波数より高い少なくとも１つの周波数を有し、及び前記第１、第２及び第３の連続周波数帯の交わり部分は、連続周波数帯を形成する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
12. 前記Ｋ個の長手軸は、前記第１の長手軸と一致する、請求項１１に記載の音響アンテナ。
13. 前記第１の組の前記トランスデューサの励起信号と、前記第２の組のトランスデューサの少なくともサブグループの励起信号との間に第１の位相シフト（Δφ１）を導入するように配置された少なくとも第１の移相器（Ｄ１）を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
14. 前記第２の組のトランスデューサの異なるサブグループの励磁信号間に第２の位相シフト（Δφ２）を導入するように配置された少なくとも第２の移相器（Ｄ２）を追加的に含む、請求項１３に記載の音響アンテナ。
15. 同じタイプのトランスデューサのＮ＋１個のグループと、前記第１のグループの前記トランスデューサの励起信号と別のグループの励起信号との間に位相シフトを導入するように配置されたＮ個の移相器とを含み、Ｎは、１より大きい整数である、請求項１～１４のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
16. 前記第１の長手軸に沿って積まれた受動素子（Ｐ１）を含み、前記受動素子（Ｐ１）は、前記第２の組の前記トランスデューサを取り囲み、前記第２の組の前記トランスデューサの放射周波数プラス又はマイナス０．０５×ｆｒ２に等しい、放射周波数と呼ばれる共振周波数を有する少なくとも１つの放射モードを有する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の音響アンテナ。
17. 請求項１３～１６のいずれか一項に記載の音響アンテナを校正する方法において、
    ａ．同じタイプのトランスデューサの第１のグループを励起し、且つ他のトランスデューサを短絡する工程、
    ｂ．前記第１のグループの前記トランスデューサによって生成される圧力波の位相を遠距離場測定する工程、
    ｃ．同じタイプのトランスデューサの第２のグループを励起し、且つ他のトランスデューサを短絡する工程、
    ｄ．前記第２のグループの前記トランスデューサによって生成される圧力波の位相を遠距離場測定する工程、
    ｅ．工程ｂにおいて取得された前記位相と、工程ｄにおいて取得された前記位相との間の位相差を計算する工程、
    ｆ．移相器を、それが、工程ｅにおいて計算された前記位相差に等しい位相シフトを、前記第２のグループの前記トランスデューサに送信される前記励起信号に導入するように調整する工程
    を含むことを特徴とする方法。

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