JPH09178544A - 高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円筒型光ファイバ音響センサを圧力バランス
構造とすることにより、高耐水圧の円筒型光ファイバ音
響センサを得る。 【解決手段】 内円筒２及び外円筒１の２つの円筒体を
同心状に組合わせた２重円筒型構造で構成され、内・外
２つの円筒体が形成する間隙部６をその両端においてそ
れぞれ閉じる蓋３を有し、かつ各円筒体の側面に沿って
巻回された光ファイバ５，５ａを備え、蓋３の内の１方
の側の蓋に形成され、間隙部内とその外周部との静水圧
を等しくするオリフィス７を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は円筒型光ファイバ音
響センサに関し、特に音圧を光の位相変化に変換して水
中音波を検出する高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的な円筒型光ファイバ音響センサに
ついては、Ｇ．Ｆ．Ｍｃｄｅａｒｍｏｎによる「呼吸振
動型の光ファイバ水中聴音機の理論的解析：Ｔｈｅｏｒ
ｅｔｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｐｕｓｈ
−Ｐｕｌｌ Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｈｙｄｒｏｐｈ
ｏｎ」と題する下記の文献によって開示されている。 文献名：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，［ｖｏｌ．Ｌｔ・５］，Ｎｏ．
５，ｐｐ６４７〜６５２，Ｍａｙ１９８７（米）

【０００３】上記の文献に開示されている円筒型光ファ
イバ音響センサは、２つの円筒の呼吸振動を利用したも
ので、図５にこのセンサの模式断面図を示す。図におい
て、センサは所定の長さを持つ外円筒１及び内円筒２の
２つの円筒を同心円状に配置し、円筒の両端に蓋３を取
り付け、各円筒の間を等間隔な空間による空気室４とし
て形成している。外円筒１の内側面及び内円筒２の外側
面には、光ファイバ５，５ａがそれぞれコイル状に巻回
状態で設置されている構造となっている。

【０００４】ここで、センサに音圧が加わると、円筒の
内外に圧力差が生じるため、両円筒は振動方向が互いに
逆方向の呼吸振動をする。この時、両円筒に巻き付けた
光ファイバ５，５ａも互いに逆方向に伸び縮みするた
め、光ファイバ５，５ａ内を伝搬しているレーザ光の位
相が変化する。そこで、この音圧に比例するレーザ光の
位相変化量を光の干渉を利用した周知の方法により、音
圧を高感度で検出するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の円
筒型光ファイバ音響センサは、内・外円筒の間の空間を
蓋で閉じ、かつ密閉して空気室を構成しているため、圧
力バランス構造の円筒型光ファイバ音響センサとはなっ
ていない。従って、これを水中において使用する時は一
般に耐水圧が低くなり、例えば現在要望されるような深
々度の水中では利用できないという問題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高耐水圧円
筒型光ファイバ音響センサは、内・外２つの円筒体を同
心状に組合わせた２重円筒型構造で構成され、内・外２
つの円筒体が形成する間隙部をその両端においてそれぞ
れ閉じる蓋を有し、かつ各円筒体の側面に沿って巻回さ
れた光ファイバを備えてなる円筒型光ファイバ音響セン
サであって、蓋の内の１方の側の蓋に形成され、間隙部
内とその外周部との静水圧を等しくする開口部を有する
ものである。ここで、前記の開口部の径は、この開口部
と空洞部に相当する間隙部とによって構成されるヘルム
ホルツ共鳴器におけるヘルムホルツ共振周波数以上の周
波数の音波は通過しない大きさの径であることが必要で
ある。

【０００７】本発明においては、２つの円筒間の間隙部
を円筒の両端部で密閉するように使用された蓋の内の１
方の側の蓋にオリフィス状の開口部を設けているから、
このセンサを水中に接地乃至浮游させた場合、開口部を
介して間隙部内とその外周部とが通じて、間隙部内とそ
の外周部とは静水圧を等しくするようになるので、圧力
バランス型の光ファイバ音響センサが構成される。この
場合、開口部と間隙部とは、音響機器（楽器等）の穴と
空洞との関係に擬似し、この構造は音波（音響）に対し
て一種のヘルムホルツの共鳴器を構成している。従っ
て、開口部の径で決まるヘルムホルツ共振周波数以下の
周波数の音波はこの開口部を通過するが、ヘルムホルツ
共振周波数以上の周波数の音波は開口部を通過しない。
そこで、この構成において、ヘルムホルツ共振周波数以
上の周波数の音波をセンサのプローブとして使用する
と、センサの外側には「静水圧＋この音波の音圧」が印
加されるが、間隙部には静水圧のみしか加わらない。従
って、円筒の内側と外側に圧力不平衡が生じ、内・外筒
はこの音波の音圧で呼吸振動をするようになる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

［第１の実施形態］図１は本発明による高耐水圧円筒型
光ファイバ音響センサ（以下センサという）の第１の実
施形態を示す模式断面図である。図１において、所定の
長さを持つ外円筒１及び内円筒２の２つの円筒を同心円
状に配置し、円筒の両端に蓋３を取り付け、各円筒の間
を等間隔なギャップ空間による間隙部６となるように形
成している。

【０００９】また、外円筒１の外側面及び内円筒２の外
側面には、光ファイバ５，５ａがそれぞれコイル状に巻
回されて、干渉計を構成する構造となっている。そし
て、本実施形態の場合、上下に２つある蓋３の内、いず
れか一方の蓋に間隙部６に通ずるオリフィス７が開口部
として設けられたセンサ構造となっている。この構造に
より、このセンサを例えば水中に設置乃至浮游させた場
合、間隙部６にオリフィス７を介して水が充満するの
で、センサ周囲の媒体と同じ媒体で、かつ同じ静水圧で
間隙部６を満たすことができるようになっている。

【００１０】次に動作について説明する。片側の蓋３に
オリフィス７を設けておき、このセンサを例えば水中に
設置乃至浮游させた場合、間隙部６に外周部と同じ液体
を満たす構造となっているため、オリフィス７の径で決
まるヘルムホルツ共振周波数以下の周波数の音波はこの
オリフィス７を通過する。従って、間隙部６には「静水
圧＋この音波の音圧」が加わるが、センサの外側の液体
（水）も同じ「静水圧＋この音波の音圧」が印加される
ので、円筒の内側と外側の圧力が平衡し、内・外筒はこ
の音波では呼吸振動しない。しかし、この構成では、静
水圧で潰れることのない圧力バランス構造が得られる。

【００１１】そこで、この構成において、ヘルムホルツ
共振周波数以上の周波数の音波をセンサのプローブとし
て使用すると、この音波はオリフィス７を通過しなくな
るので、センサの外側には「静水圧＋この音波の音圧」
が印加されるが、間隙部６には静水圧のみしか加わらな
い。従って、円筒の内側と外側に圧力不平衡が生じ、内
・外筒はこの音波の音圧で呼吸振動をするようになる。
従って、従来の技術で説明したと同様に音響センサとし
て機能するようになる。換言すれば、ヘルムホルツ共振
周波数以上の周波数の音波を通さない大きさの径を有す
るオリフィス７を蓋３に設けておけばよい。このように
して、蓋３にオリフィス７を有し、内・外筒の間の間隙
部６に液体が満たされる構造を有する圧力バランス構造
の２重円筒型の光ファイバ音響センサは耐水圧が高く、
深々度の水中でも適用できるようになる。

【００１２】以上のように第１の実施形態によれば、円
筒型光ファイバ音響センサの２重円筒間の間隙部を密閉
する蓋にオリフィスで形成される開口部を設け、前述の
間隙部に液体を満たすことができるような圧力バランス
構造とすることにより、間隙部の静水圧とセンサ外部の
静水圧を一致させることができて、高耐水圧の円筒型光
ファイバ音響センサ（ハイドロホン）を得ることができ
る。

【００１３】［第２の実施形態］図２はこの発明による
高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサの第２の実施形態
を示す模式断面図である。図２において、所定の長さを
持つ外円筒１及び内円筒２の２つの円筒を同心円状に配
置し、円筒の両端に蓋３を取り付け、各円筒の間を等間
隔なギャップ空間による間隙部６となるように形成して
いる。また、本実施形態では外円筒１及び内円筒２のそ
れぞれ内側面に、光ファイバ５，５ａがそれぞれコイル
状に巻回されて、干渉計を構成する構造となっている。
そして、蓋３にはオリフィス７が設けられているが、
その構成・構造は第１の実施例で説明したものと同様で
ある。

【００１４】そして、本実施形態では、光ファイバ５，
５ａが外円筒１及び内円筒２のいずれも内側面にコイル
状に巻回されて、干渉計を構成する構造となっているこ
とを特徴としているが、その他の構成、作用動作及び効
果乃至利点は、前述の第１の実施形態の場合と同様であ
るので、詳細な説明は省略する。

【００１５】［第３の実施形態］図３はこの発明による
高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサの第３の実施形態
を示す模式断面図である。図３において、所定の同じ長
さを持つ外円筒１及び内円筒２の２つの円筒を同心円状
に配置し、円筒の両端に蓋３を取り付け、各円筒の間を
等間隔なギャップ空間による間隙部６となるように形成
している。また、本実施形態では外円筒１及び内円筒２
のそれぞれの内・外側面に、光ファイバ５，５ｂ及び光
ファイバ５ａ，５ｃがそれぞれ内側側面に２個及び外側
側面に２個コイル状に巻回されて、図５に示すような干
渉計を構成する構造となっている。そして、蓋３にはオ
リフィス７が設けられているが、その構成・構造は第１
の実施形態で説明したものと同様である。

【００１６】ここで、今述べた図５の干渉計の構造につ
いて説明する。図５に一例として見られるように、外円
筒１の内側側面及び外側側面に設けたそれぞれ光ファイ
バ５及び５ｂと、内円筒２の内側側面及び外側側面に設
けたそれぞれ光ファイバ５ａ及び５ｃをいずれも個別に
繋いで２つの光路を形成し、それらの光路の両端部を２
つのカプラ８，８ａに接続した干渉計の構成となってい
る。この構成において、例えば図の左から１本の光ファ
イバで伝搬してきたレーザ光をカプラ８で２つの光路に
分岐し、カプラ８ａで１つの光路に合成して再び１本の
光ファイバで右方へ取り出すようになっている。この干
渉計の場合は、センサに音波が到来して２つの円筒が呼
吸振動をすると、４つの光ファイバ５〜５ｃも振動する
から、２つの光路のレーザ光の波面がずれるので、カプ
ラ８ａから出るレーザ光に干渉波が観測されることを利
用したものとなっている。なお、第１，第２の実施形態
の場合は図示説明を省略したが、図５の干渉計より素子
数の少ない２素子の干渉計を形成したものとなってい
る。

【００１７】そして、本実施形態では、光ファイバ５，
５ａ，５ｂ，５ｃが外円筒１及び内円筒２のいずれも内
・外側面に任意的にコイル状に巻回されて、４素子によ
る干渉計を構成する構造となっていて、干渉計による測
定感度を前述の第１，第２の実施形態の場合よりも高め
たことを特徴としている。ただしその他の構成、作用動
作及び効果乃至利点は、第１，第２の実施形態の場合と
同様であるので、その詳細な説明は省略する。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、内・外２
つの円筒体を同心状に組合わせた２重円筒型構造で構成
され、内・外２つの円筒体が形成する間隙部をその両端
においてそれぞれ閉じる蓋を備え、さらに各円筒体の側
面に沿って巻回された光ファイバを有してなる円筒型光
ファイバ音響センサの蓋の内の１方の側の蓋に、間隙部
内とその外周部との静水圧を等しくする開口部を設けた
ものとしたから、間隙部の静水圧とセンサ外部の静水圧
を一致させることができるので、高感度で、かつ高耐水
圧の円筒型光ファイバ音響センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高耐水圧円筒型光ファイバ音響セ
ンサの第１の実施形態を示す模式断面図である。

【図２】本発明による高耐水圧円筒型光ファイバ音響セ
ンサの第２の実施形態を示す模式断面図である。

【図３】本発明による高耐水圧円筒型光ファイバ音響セ
ンサの第３の実施形態を示す模式断面図である。

【図４】図３の実施形態の干渉計構成を示す模式説明図
である。

【図５】従来の円筒型光ファイバ音響センサを示す模式
断面図である。

【符号の説明】

１ 外円筒 ２ 内円筒 ３ 蓋４ ４ 空気室 ５，５ａ，５ｂ，５ｃ 光ファイバ ６ 間隙部 ７ オリフィス ８，８ａ カプラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新藤 雄吾 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (72)発明者 佐藤 陵沢 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (72)発明者 土橋 孝治 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内 (72)発明者 鎌田 弘志 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内・外２つの円筒体を同心状に組合わせ
   た２重円筒型構造で構成され、前記内・外２つの円筒体
   が形成する間隙部をその両端においてそれぞれ閉じる蓋
   を有し、かつ前記各円筒体の側面に沿って巻回された光
   ファイバを備えてなる円筒型光ファイバ音響センサであ
   って、 前記蓋の内の１方の側の蓋に形成され、前記間隙部内と
   その外周部との静水圧を等しくする開口部を有すること
   を特徴とする高耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ。
2. 【請求項２】 前記開口部の径は、この開口部と前記間
   隙部とによって構成されるヘルムホルツ共鳴体における
   ヘルムホルツ共振周波数以上の周波数の音波は通過しな
   い大きさの径であることを特徴とする請求項１記載の高
   耐水圧円筒型光ファイバ音響センサ。