JPH07507427A - 表面センサを備えた海中音響アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 表面センサを備えた海中音響アンテナ 本発明は低周波数海中波受信用の音響アンテナに関する。

この種のアンテナは、海中の音響ノイズ源を検出し、位置をつきとめることを目 的とする。したがって同時に検出と位置決定の良好な性能を得るためには、低周 波スペクトルについて研究しく「低周波」とは、２　ｋ　＋Ｉ　ｚ以下、一般的 には１ｋＨｚ以下の周波数を言う）、十分な信号対雑音比を得るために大きな利 得（多くの適用例で、２０ｄＢの利得が必要）を有するアンテナを備える必要が ある。

この２つの要件（低周波と高利ｌ！りから、寸法の大きなアンテナが必然的に必 要となる。

そのための第１の手段は、船舶（水上船または潜水艦）の後に水中聴音管を牽引 して、非常に長い直線状のアンテナを形成することである。

このような形式のアンテナは、潜水艦よりもはるかに長くすることができ、した が７て低周波では非常に高性能となりうるが、多くの実施上の不都合（巻上機シ ステムなど、及び潜水艦の抵抗の増加）があり、特に管が直線構成であるために 垂直平面における指向性が全くない。

第２の手段は、潜水艦の全長の大部分にわたって、点センサ（適切な方法で互い に接続された小型の水中聴音機）の集合で形成されるアンテナを取り付けること である。こうして２次元アレイを得ることができ、これによって垂直平面におけ る指向性が得られ、したがってこの平面における音響源の方向をつきとめること ができる。

しかしこの水中聴音アレイ・アンテナは、いくつかの不都合を示す。すなわち −まず、潜水艦の船体と付属構造物の振動及び共鳴（特に潜水艦の機械類に由来 する振動及び共鳴）と、センサ上の流体力学的水流ノイズに対して、アンテナを 構成する様々な点センサを音響的に切り離すことが必要である。このノイズは、 この切り離しを行わないと、妨害音圧を発生させて、一般に振幅が非常に小さな 偶発的信号を隠蔽することになる。

−　また、各センサについて水密性と船体を貫く水密通路を設けなければならな い。

−最後に、水中聴音機を支持するために使用される機械的構造物は、潜水艦の船 体に沿った細い水流を妨げてかき乱すことが多い他に、それが被る流体力学的応 力に抗しえないことが多い。

これら種々の不都合を是正するために、本発明は、点センサの集合からではなく 、それぞれ捕捉面が通常は数十平方センチメートル角の本当の表面センサから形 成した、海中音響アンテナを提案する。

本質的に表面性のセンサを使用することによって、統合化の直接効果により、前 述の寄生ノイズまたは水流ノイズの大部分を遮蔽することができ、またその前に 、これらのノイズを常に、点センサの集合から形成されるアンテナによって多少 とも集めておくことができる。

また本発明のアンテナは、寸法が非常に大きいにもかかわらず、潜水艦の流体力 学的挙動をほとんど乱さず、さらにまた流体力学的応力や衝撃に対するすぐれた 抵抗力をもたらす。

そのために、本発明によれば、この低周波数の海中波受信用音響アンテナは、電 極を形成する複数の導電層とこの導電層間に介在する圧電材料の誘電層とを積み 重ねて形成した、少なくとも１つの表面センサを備えており、このセンサは柔軟 な材料でできた被覆中に封入され、こうして構成されたアセンブリが船舶、特に 潜水艦の船体側壁に対して取り付けられた平面パネルを形成し、このパネルは、 船体の形状に順応できるようなたわみ自由度を有する。

いくつかの有利な特徴によれば、 −センサは複数の基本センナとして機能し、基本センサの電極はそれぞれ並列に 接続され、基本センサの集合全体が共通の水密被覆中に置かれる。

−基本センサの導電層は、機械加工した単一の帯鋼から、隣接する基本プレート 間に、様々な基本センサの電極間の電気的結合を保証する物質のブリッジが少な くとも１つ残るようにこの帯鋼を異なる基本プレートに分割して形成される。

−船体上へのパネルの取付けは、パネルと船体との間に挟まれた水の層を残して 実施され、この水層の厚さは、船体側壁をセンサの中央平面から分離する距離が 、センサの機能帯域の最大周波数の波長の四分の一波長以下になるような値であ る。

−柔軟な材料の被覆は、粘弾性ライニング材料で充填した柔軟な材料の包装材を 備え、この粘弾性ライニング材料は水と類似の挙動を示すポリウレタン材料であ ることが好ましい。

−　センサの誘電層の圧電材料はポリフッ化ビニリデン被膜であり、導電層と誘 電層の積重ねは、隣接する導電層の上にポリフッ化ビニリデン嗅を接着して行う ことが好ましい。

−導電層の材料は銅ベリリウム合金である。

本発明の他の特徴は、下記の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば明ら かになろう。添付の図面において、−第１図は、複数の検出パネルから形成され る、本発明によるアンテナの全体斜視図である。

−第２ａ図と第２ｂ図は、潜水艦の船体に対して、該当する取付は手段によって 取り付けられたパネルの１つを示す図である。

−第３図は、１つのパネルの断面図である。

−第４図は、第３図のパネル中に封入されたいわゆるセンサの断面図である。

−第５図は、第４図に示すセンサの１つの電極の平面図である。

−第６図は、第５図のＶｌ−Ｖｌ線に沿って切断した第５図の詳細図である。

−第７図は、第４図のセンサの接続方式を示す図である。

−第８図は、−変形例によるセンサの電気接続の平面配線図である。

第１図は、参照番号１で示す本発明のアンテナを概略的に示したものである。こ のアンテナは、それぞれが比較的薄い柔軟な板の形で外側にある一連のパネル２ によって形成され、この板は船舶の船体側！！（ｍ水層の船体、または水上船の 船体の浸水部分）に対して、側壁にはまり合うように貼り付けられている。

アンテナ１はまた、数十個の、例えば一実施例では６４個のパネルで構成するこ とができ、したがって、これは潜水艦の側壁の大部分を占める。

各パネルの寸法は決定的な要素ではなく、例えば高さを１ｍ程度、幅（水流方向 の寸法）を０．５ｍ程変にすることもできる。

厚さに関しては、センサの性能を損なわずにその厚さを困難なく非常に薄く、一 般には１０ｃｍ以下にすることができるように、パネルの内部構造が特別の構造 になっている。

第２ａ図には、潜水艦の船体５の壁に取り付けたペネル２が示されており、この 取付けは保持部品５またはフランジと協働する２本のレール３．４を用いて行わ れている。

側面では、パネルはＴ形鋼によって固定されている。第２ｂ図に示すようにパネ ルは、レール上の四隅に取り付けられた４個のフランジで締付は保持されている 。パネルの上部には、その中央に複製成型されたコネクタがあり、その先にケー ブルを形成する接続線が続く。

この取付けは、パネルと船体との間を機械的に切り離す水層６を間に残して行わ れる。

薄い船体と各パネルは、流体力学的乱れが最小になるように連結される。

さらに、各パネル２の電気ケーブルは上部レール上の薄い船体の下を延びており 、これらのパネル２によって検出された信号の伝送を可能にする。

パネルの寸法が大きいにもかかわらず、その重量は比較的小さいので、後で示す ようにそれが、低密度の材料から成り、潜水艦の船体形状に順応するように簡単 に湾曲することを考慮すると、潜水艦の船体側面へのパネルの取付けは容易であ る。

垂直平面では、パネルの大きな寸法（先に示したように１ｍ程度）は、帯域の最 高周波数に対して高い指向性利得を提供する。

さらに、大きな捕捉表面による統合化により、局所的乱れに対する応答感度が低 下し、位相制御の向」二と経路形成の向上をもたらす。

信号対雑音比の改良という点からは、水流騒音の相関の長さに対して各パネルの 大きな寸法が注目され、これによって、水流騒音に対するアンテナ感度を低下さ せる統合化の効果を得ることができる。

同様に、船体によって伝播される、波長がパネル寸法より短いたわみ波が統合化 されて、これらの波に対するアンテナ感度が低下する。

最後に、アンテナのコンパクトな構造は本質的に非共振性である。

第３図から第５図に、パネル２の構造をさらに詳しく示す。

本質的に各パネル２は、外被１０．１１中に封入された被覆９中に埋め込まれた 、いわゆる表面センサ８から構成される（第３図）。

表面センサ８は、その構造を第４図にさらに詳しく示すが導電層１２と圧電誘電 層１３とを交互に積み重ねて形成される。

中心電極はセンサの極の１つを構成し、一方、並列に接続された２つの外部電極 は１８で示すセンサの他の極を構成する。

この構造によって電気的遮蔽効果が得られる。

金属層は例えば銅とベリリウムの合金で作られ、金属電極の厚さは例えば５ｍｍ 〜１００程度である。その結果生ずるＰＶＤＦ層の遮蔽効果によって、５０℃よ り上の温度でその消極を回避することができる。

誘電層の圧電材料は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や含フツ素ポリマなど 、その圧電特性がよく知られているポリマであることが好ましく、ＰＶＤＦ層の 厚さは例えば０．５〜１．５１程度である。

ＰＶＤＦは、その圧電特性の他に、含フツ素熱可塑性物質の大部分に特有の化学 的及び機械的耐性、老化しにくいなどの、すぐれた特性を有するという利点を有 する。

−変形実施例によれば、誘電層の圧電材料は、例えばＰＶＤＦ７０％とＰＴｒＦ ｅ　（ポリトリフルオロエチレン）３０％からなる共重合体である。

ＰＶＤＦ被膜は、フランス特許Ａ−２４９０８７７号に開示された技法によって 形成すると有利である。この技法の詳細については上記特許を参照されたい。

簡潔に言うと、この技法は、分子の双極子モーメントを配向させ、したがって材 料を分極させてこれに圧電特性を与えることができる強い電界を同時に印加しな がら、ＰＶＤＦの薄板を連続的に圧延し機械的に引き抜くものである。

適切な寸法に切断したこのＰＶＤＦ被膜を、金属電極の上に接着して、スタック を形成する。

こうして形成されたセンサを次にネオプレン・ゴムの包装材１０中に置く。この 包装材を型（包装材の底と側面）にすると好都合である。この包装材の底には製 造時に作られたセンサを載せる接点１４が備わっており、センサはその上に置か れる。

被覆材料９には、本発明によれば「軟質」ポリウレタンを使用する。「軟質」ポ リウレタンとは、硬度が一般に５０シツア以下の材料である。そのポアソン比は 約０．５で、水のそれに近い。さらに、その密度と音響伝播速度との積は、水の それとほぼ等しく、センサに対して音響的に中立である。その粘ちょう度は粘性 液体のそれと同じである。

包装材１０は例えば、前述のように、その中で材料９が成型される型を構成する ことができる容器１０から成る。次にこの容器を、硬変が一般に８０シヨアであ る「硬質」ポリウレタンで塞ぐ。

外部包装材１０は、例えば３０ａｍ厚のネオブレン製である。

唯一の制限は、この材料は（連結場所に加えられた応力が潜水艦の船体に伝達し ないように）あまり剛性ではなく、またいわゆるセンサより弾性的であることで ある。

−変形例として、被覆材料を包含する外部包装材によって形成された複合構造の 代わりに、必要な水密性を示す適切な材料（「軟質」ポリウレタン）の均質な項 中にセンサ８を埋め込んだ、均質構造を設けることもできる。

センサの被覆９（すなわち水密外部包装材と弾性被覆のアセンブリ、またはセン サを埋め込んだ材料の均質な塊）の厚さは、下記のことが可能な値を示すように 選ぶ必要がある。すなわち、−内部側面（船体の側面）では、船体たわみ波のセ ンサへの伝達を制限するために、センサ８を船体から十分に離すことができる。

しかしこの距離は、入射信号と船体で反射された信号の間の破壊的干渉をすべて 排除しようと望むならば、使用する周波数帯域の最高周波の四分の一波長の僅か 手前にしておかなければならない。

したがって、最高周波数が２ｋ　ｌＩ　ｚの場合には四分の一波長は１８．７５ ｃｍに相当するので、センサ８の中央平面と船体との閣の全距離、すなわちセン サの下の被覆９、外部包装材１０、及び第２図に示す水層６の厚さの合計が、こ の値よりはっきり小さくなければならず、実際には５ｃｍの距離が適当と思われ る。

−外部側面（水流の側面）では、入射信号レベルを考慮して許容レベルまで捕捉 される水流ノイズを低下させ、それによってセンサ出口から送出される信号の純 度を向上させるために、水流が生じる表面、すなわち水密外部包装材のカバー１ １の外表面から、センサ８を船体から十分に離すことができる。

第５図に金属電極１２の有利な特定の一実施例を示す。

この実施例によれば、各電極１２は薄いブリッジ材１６によって結合された複数 の正方プレート１５で形成されている。この構造は例えば、金属条片の打出し、 または加圧水ジェット切断による従来の方法で実施される。

ブリッジ１６は、様々なプレート１５の間の電気的接続を保証する他に、第６図 に示すその突出した形によって外部包装材１０の底に電極１２を位置決めする要 素として役立ち、これによって集合体を、被覆９を流し込む前に固定接点１４の 上の外部包装材１０の底に静止させることができ、プレート１５をこの外部包装 材の底から適切な距離に保つことができる。

このプレート集合体１５の終端の１つに、電極接続を可能にする出力端子１７を 備える。

プレートの長さしは、 −実施方法が知られているＰＶＤＦ被膜（一般に長さ約１０Ｃ＋１の連続テープ ）の幅と両立できるように、また−　センサ・アセンブリが、潜水艦の船体の（ 可変の）直径にぴったり合うある柔軟性を保つように、選定される。

実際に、電極１２を１つの単調なプレートで形成するならば、その剛性の結果と して、パネル２を潜水艦の船体形状に合わせることが困難になるが、一方、多く のプレート１５に分割することによって、金属材料特有の剛性を中和することが できる。

最後に、モノブロック電極で形成されるセンサは、捕捉される周波数の波長と同 じ大きさをもつそのセンサの最大寸法に対する固有共振が生じやすく、一方、パ ネルをもつと小さな寸法のセルに分割すると、偶発的な固有共振が、常に考慮さ れる周波数帯域の上限よりはるか上の周波数で発生する恐れがある。

第７図に電気結線概略図を示すが、この図では、各プレート１５がヒンジ１６に よって並列に接続され、このアセンブリは単一電極１２と電気的に等価である。

上の電極と下の電極は、センサの極の１つを形成する接続線１７によって互いに 結合され、また中央電極の接続線１７°はセンサの反対極性の端子を構成してい る。

機能的には、このアセンブリは複数の基本セル１９から形成されるセンサ列に相 当する。これらの各セルは並列に取り付けられているので、それらの電気信号は 合計される。

例えば、各パネルのセンサ８は辺長１０５■のプレート２１個から形成され、７ ×３に配列され、１２８ｍｍだけ離間している。

この実施例は限定的なものではない。実際に、１つのアンテナで、イメージ・ロ ーブ（ｌｏｌ＋ｔ＋　ｉ＠１（ｅｓ）の悪影響を受けることなく、帯域の平均周 波数の半波長に等しい「センサ」間隔を設けるのが好都合であることが知られて いる。

前記の例で、各センサは１つのパネルで構成される。ただしこのことは必須では ない。「物理的」パネルと「電気的」パネルとの間には区別がある。

こうして、列間でブリッジ１６を切り、これらを３つの出力部に接続し、パネル 当り７プレートが３列ある３つのセンサ列を得た。これとは逆に、いろいろなパ ネル幅で離間されたセンサを形成するために、隣接パネルを並列に接続すること ができる。

また、活動パネル間に、アンテナの流体力学的形状を保持することができる「充 てん」パネルを有する非隣接パネルから構成されるアンテナを作ることもできる 。

こうして出願人は、前記のような６４のパネルから成り、数十ノットの搬送速度 で機能することのできる、アンテナを実現した。

一変形実施例によれば、各基本センサ１５は１つの電気出力部を有する独立セン サを形成する。この場合、各センサ１５は出カケーブルに電気的に接続されてい る。

柔軟な印刷回路により、リード線を有する電気的接続を実現するのが好都合であ る。中央電極とＰＶＤＦ層との間の縁に第４図に示すように柔軟回路２０を貼り 付けると、リード線はセンサまで達する。

位置決め用固定接点１４はいくつかのセンサの下に置かれ、柔軟回路も被覆材料 ９の中にあって、埋め込まれている。

第８図は、この変形実施例による６個のセンサの接続例を示す。断面は中央電極 に沿ったもので、リード線はテープ２０上の線２１に相当する。

いくつかの柔軟印刷回路のテープによる他の接続方式も、本発明の枠を逸脱する ことなく可能である。

ＦＩＧ、７ 積み重ねることによって船舶の船体に固定された誘電ボＩＪマ製の、大きな寸法 の平形センサから形成される大型の成形アンテナは、米国特許第４８３３６５９ 号によっても周知である。

これらの様々な欠点を是正するために、本発明（よ請求の範囲第１項に記載の音 響アンテナを提案する。

本発明の他の特徴は、下記の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば明ら かになろう。添付の図面において、−第１図は、複数の検出パネルから形成され る、本発明によるアンテナの全体斜視図である。

−第２ａ図と第２ｂ図は、潜水艦の船体に対して、対応する取付は手段によって 取り付けられたパネルの１つを示す図である。

−第３図は、１つのパネルの断面図である。

−第４図は、第３図のパネル中に封入されたいわゆるセンサの断面図である。

−第５図は、第４図に示すセンサの１つの電極の平面図である。

−第６図は、第５図のＶｌ−Ｖｌ線に沿って切断した第５図の詳細図である。

−第７図は、第４図のセンサの接続方式を示す図である。

請求の範囲 Ｌ、低周波数海中波を受信するための音響アンテナ（１）であって、電極を形成 する導電層（１２）とこれらの導電層間に介在する誘電材料の誘電層（１３）と を積み重ねて形成した少なくとも１つの表面センサを備え、このセンサが柔軟材 料の被覆（９，１０，１１）中に封入され、こうして構成されたアセンブリが船 舶、特に潜水艦の船体（５）の壁に対して取り付けられた平形パネル（２）を形 成し、このパネルがこの船体の形状に従うことができるような曲げ自由度を示し 、かつ該パネルの船体上への取付けが、パネル（２）と船体（５）との間に水層 （６）を残して行われ、この水層の厚さが、船体壁をセンサの中央平面から分離 する距離がセンサ動作帯域の最大周波数の四分の−・波長より小さくなるような ものであることを特徴とする音響アンテナ。

２、センサが複数の基本センサに細分され、一部の基本センサはそれぞれ電気的 に並列に接続された電極を有し、基本センサの全体が共通の被覆中に置かれる、 請求の範囲第１項に記載のアンテナ。

３、基本センサの導電層が、機械加工された単一の帯鋼から、それを別々の基本 プレート（１５）に分割し、隣接する基本プレートの間に、様々な基本センサの 電極間に電気的結合をもたらす材料の、材料ブリッジ（１６）を少なくとも１つ 残して形成される、請求の範囲第２項に記載のアンテナ。

４、船体上へのパネルの取付けが２本のレール（３，４）上に取り付けた４つの フランジを用いて行われる、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載 のアンテナ。

５、柔軟材料の被覆が、粘弾性ライニング材料９で充てんした柔軟材料の包装材 （１０，１１）を備える、請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の アンテナ。

６、粘弾性ライニング材料（９）が軟らかい粘稠性を有するポリウレタン材であ り、そのシリア硬度が５０以下で、その密度と速度の積及びポアソン比が水のそ れに近い、請求の範囲第５項に記載のアンテナ。

７、センサの誘電ＩＩ（１３）の圧電材料がポリフッ化ビニリデン被膜である、 請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載のアンテナ。

８、導電層（１２）と誘電層（１３）のスタックが、ポリフッ化ビニリデン被膜 を隣接する導電層に接着することによって作成される、請求の範囲第７項に記載 のアンテナ。

９、導電層（１２）の材料が銅ベリリウム合金である、請求の範囲第１項から第 ８項のいずれか一項に記載のアンテナ。

１０、独立したセンサが１つの柔軟な回路によって電気的に接続されている、請 求の範囲第１項に記載のアンテナ。

国際調査報告 、−一、−ＰＣＴ／ＦＲ９３１００４４４国際調査報告 国際調査報告 フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，６識別記号　庁内整理番号ＨＯ４Ｒ１７１０２７３ １５−５Ｈ Ｉ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．低周波数の海中波を受信するための音響アンテナ（１）であって、電極を形 成する導電層（１２）とこれらの導電層間に介在する誘電材料の誘電層（１３） とを積み重ねて形成した少なくとも１つの表面センサを備え、該センサが柔軟材 料でできた被覆（９、１０、１１）中に封入され、こうして構成されたアセンブ リが船舶、特に潜水艦の船体（５）の壁に対して取り付けられた平形パネル（２ ）を形成し、該パネルが船体の形状とぴったり合うような曲げ自山度を示すこと を特徴とする音響アンテナ。
2. ２．センサが複数の基本センサに細分され、一部の基本センサはそれぞれ電気的 に並列に接続された電極を有し、基本センサの全体が共通の被覆中に置かれる、 請求の範囲第１項に記載のアンテナ。
3. ３．基本センサの導電層が、機械加工された単一の帯鋼から、それを別々の基本 プレート（１５）に分割し、隣接する基本プレートの間に、様々な基本センサの 電極間に電気的結合をもたらす材料の、材料ブリッジ（１６）を少なくとも１つ 残して形成される、請求の範囲第２項に記載のアンテナ。
4. ４．船体上へのパネルの取付けが２本のレール（３、４）上に取り付けた４つの フランジを用いて行われる、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載 のアンテナ。
5. ５．パネルの船体上への取付けが、パネル（２）と船体（５）との間に水層（６ ）を残して行われ、該水層の厚さが、センサの中央平面と船体壁との離間距離が センサ動作帯域の最大周波数の四分の一波長より小さくなるようなものである、 請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のアンテナ。
6. ６．柔軟材料の被覆が、粘弾性ライニング材料（９）で充てんした柔軟材料の包 装材（１０、１１）を備える、請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記 載のアンテナ。
7. ７．粘弾性ライニング材料（９）が軟らかい粘稠性を有するポリウレタン材であ り、そのショア硬度が５０以下で、その密度と速度の積及びポアソン比が水のそ れに近い、請求の範囲第６項に記載のアンテナ。
8. ８．センサの誘電層（１３）の圧電材料がポリフッ化ビニリデン被膜である、請 求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載のアンテナ。
9. ９．導電層（１２）と誘電層（１３）のスタックが、ポリフッ化ビニリデン被膜 を隣接の導電層に接着することによって作成される、請求の範囲第８項に記載の アンテナ。
10. １０．導電層（１２）の材料が銅とベリリウムの合金である、請求の範囲第１項 から第９項のいずれか一項に記載のアンテナ。
11. １１．独立したセンサが１つの柔軟な回路によって電気的に接続されている、請 求の範囲第１項に記載のアンテナ。