JPH09230032A

JPH09230032A - 音響センサ

Info

Publication number: JPH09230032A
Application number: JP3476596A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiko Nanri; 光彦南利; Masahiro Sueyoshi; 賢浩末吉; Akiji Nagayama; 暁司長山; Masahiko Komatsu; 正彦小松; Mamoru Suzuki; 衛鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan Steel Works Ltd; Technical Research and Development Institute of Japan Defence Agency
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Steel Works Ltd; Technical Research and Development Institute of Japan Defence Agency
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1997-09-05
Anticipated expiration: 2016-02-22
Also published as: JP2928861B2

Abstract

(57)【要約】【課題】壁面から音響センサに伝播する振動を効果的
に減衰させて、音響センサのＳ／Ｎ比を向上させる。【解決手段】質量系１１，２１とバネ及びダンパーの
役目を担うバネ・ダンパー体１２，２２とを有して構成
される振動系１０，２０を２つ備え、これらは、壁面６
に対して直列的に連結されている。圧電振動子１５は、
壁面６から遠い方の第１の振動系１０の質量系１１に取
付けられている。各振動系１０，２０の固有振動数は、
音響センサ１が対象物の方向等を把握するのに利用する
音域の周波数よりも小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音(超音波)を感知
する圧電振動子を有している音響センサに係り、特に、
振動の大きい壁面等への圧電振動子の取付け構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子は、一般に音のみでなく振動
をも感知してしまうため、圧電振動子を取付ける壁面等
が振動していると、圧電振動子に入る信号(音)と雑音
(振動)との比、すなわち、Ｓ／Ｎ比が悪化する。特に、
水中で使用される音響センサにおいては、船体や水中航
走体に装着される場合が多いため、船や水中航走体の動
力源であるエンジンや制御弁等の振動発生源から、圧電
振動子を支持する壁面等を介して到来する個体伝搬振動
が圧電振動子で感知され、著しくＳ／Ｎ比が悪化してし
まう。

【０００３】従来の水中音響センサにおける防振構造と
して、特開平2-304385号に記載されている構造がある。
これは、質量体と弾性体を組み合わせた振動系（圧電振
動子と共振周波数が同じ）を圧電振動子を支持する壁面
に取付けて、船体や水中航走体から伝播してくる振動を
吸収するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術において、圧
電振動子と共振周波数が同じ振動系を、圧電振動子を支
持する壁面に取付けることにより、船体や水中航走体か
ら伝播し、圧電振動子を支持する壁面を介して到来する
振動を吸収するという原理は、詳細には不明である。し
かし、より広い範囲の周波数の振動をより効果的に減衰
させて、音響センサのＳ／Ｎ比を向上させることは、従
来より、強く望まれている。

【０００５】そこで、本発明は、広い範囲の周波数の振
動を効果的に減衰させて、Ｓ／Ｎ比を向上させることが
できる音響センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の音響センサは、壁面等に取付けられ、対象物からの音
を感知する圧電振動子を有し、該圧電振動子が感知した
音のうち一定周波数領域の音を利用して、該対象物の方
向と該対象物までの距離とのうち少なくとも一方を把握
する音響センサにおいて、少なくとも一定方向に前記壁
面に対して相対的に振動可能な質量系と、該質量系の振
動に対して弾性力を加えるバネ手段と、該質量系の振動
に対して抵抗となるダンパー手段とを有して構成され、
前記一定周波数領域の周波数よりも小さい固有振動数の
振動系を複数備え、複数の前記振動系は、前記壁面に対
して前記一定方向に直列的に連結され、複数の前記振動
系のうち、前記一定方向において、前記壁面から最も遠
い振動系の前記質量系に、前記圧電振動子が取付けられ
ていることを特徴とするものである。

【０００７】ここで、前記音響センサは、水中で使用さ
れる場合には、前記バネ手段に対して、使用環境下にお
ける圧力に相当する力を前記質量系の振動方向に予めか
けておくプレストレス手段を備えていることが好まし
い。また、前記音響センサにおいて、前記壁面と前記圧
電振動子との間に、該壁面の音響インピーダンスと異な
る音響インピーダンスの音響反射材が介在していること
が好ましい。

【０００８】ここで、以上で述べた音響センサの作用に
ついて説明する。

【０００９】質量系、バネ手段及びダンパー手段を有す
る振動系を壁面に設けた場合、壁面からの振動うち、振
動系の固有振動数（共振周波数）よりも大きい振動数の
振動は、この振動系により減衰される。ところで、この
ような振動系を直列に複数連結すると、この減衰効果は
乗算的に増大する。減衰効果が乗算的に増大する理由に
ついては、以下に述べる実施形態において、モデルを用
いて説明する。

【００１０】従って、本発明では、壁面に対して複数の
振動系を直列的に連結し、壁面からの振動を効果的に減
衰させている。なお、本発明では、圧電振動子が感知し
た周波数領域のうち、対象物の方向や距離の特定のため
に利用する一定周波数領域（以下、使用周波数領域とす
る。）の振動を減衰させる必要があるため、各振動系の
固有振動数は、使用領域の周波数よりも小さい。

【００１１】音響センサは、水中で使用されるような場
合、水圧により、バネ手段は圧縮されて、目的の弾性係
数を得られなくなり、しいては、減衰させたい周波数の
振動も減衰させることができなくなる。そこで、本発明
では、予めバネ手段に対して、使用環境下における圧力
に相当する力を掛けておき、この状態において目的の弾
性係数を得ることができるように調整しておくことによ
り、減衰させたい周波数の振動を確実に減衰させてい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る音響センサの
各種実施形態について、図面を用いて説明する。まず、
本発明に係る音響センサの第１の実施形態について、図
１〜図５を用いて説明する。

【００１３】図２に示すように、第１の実施形態におけ
る音響センサ１は、水中航走体本体５の前部に取付けら
れているものである。この音響センサ１は、図１に示す
ように、複数の圧電振動子１５，１５，…と、圧電振動
子１５，１５，…が取付けられている複数の第１の振動
系１０，１０，…と、複数の第１の振動系１０，１０，
…に対して直列的に連結されている第２の振動系２０
と、これらが納められる貫通孔３１が形成されているケ
ーシング３０とを有している。各振動系１０，２０は、
それぞれ、質量系１１，２１と、バネ及びダンパーの役
目を担うバネ・ダンパー体１２，２２を有している。各
振動系１０，２０のバネ・ダンパー体１２，２２として
は、実際には、複数の不織布を重ね、不織布相互間に空
気を介在させたものを用いている。

【００１４】ケーシング３０には、ボルト３３，３３に
より、水中航走体本体５の前面壁６が取付けられてい
る。このケーシング３０の貫通孔３１から臨まれる前面
壁６には、水中航走体の前方向（以下、水中航走体の前
方向を単に前方向とし、水中航走体の後方向を単に後方
向とする。）へ順に、第２の振動系２０のバネ・ダンパ
ー体２２、第２の音響反射材２４、第２の振動系２０の
質量系２１、第１の音響反射材１４、第１の振動系１
０，１０，…のバネ・ダンパー体１２，１２，…、第１
の振動系１０，１０，…の質量系１１，１１，…、圧電
振動子１５，１５，…、音響窓材３２が配されている。

【００１５】第１の音響反射材１４に対して、複数の第
１の振動系１０，１０，…は、互いに並列的に設けられ
ている。具体的には、第１の音響反射材１４の前方向側
の面に、複数の第１の振動系１０，１０，…の各バネ・
ダンパー体１２，１２，…が設けられ、さらに、それぞ
れの前方向に各質量系１１，１１，…が設けられてい
る。第１の振動系１０，１０，…の各質量系１１，１
１，…の前方には、それぞれ、圧電振動子１５，１５，
…が設けられている。この圧電振動子１５は、ピエゾ効
果を利用して、音を電気信号に変換し、電気信号を音に
変換するものである。なお、この実施形態において、音
響センサ１は、圧電振動子１５が感知した周波数領域の
うち、目標対象物の方向等を把握するために利用される
一定周波数領域（以下、使用周波数領域とする。）、具
体的には数十ｋＨｚの周波数の音を利用して、目標対象
物の方向や、目標対象物までの距離を測定するものであ
る。また、各振動系１０，２０は、それぞれの固有振動
数（共振周波数）が使用周波数領域の周波数よりも遥か
に小さい数ｋＨｚに成るよう構成されている。

【００１６】音響窓材３２は、ウレタン樹脂で形成さ
れ、複数の圧電振動子１５，１５，…及び複数の第１の
振動系１０，１０，…を覆い、これらが水と接するのと
防ぐと共に、水中を伝播してきた音を圧電振動子１５に
導く役目を担っている。

【００１７】複数の第１の振動系１０，１０，…の各質
量系１１，１１，…は、それぞれ、第１のプリストレス
ボルト１３，１３，…により、第２の振動系２０の質量
系２１と連結されている。また、第２の振動系２０の質
量系２１は、複数の第２のプリストレスボルト２３，２
３，…により、前面壁６に連結されている。各プリスト
レスボルト１３，２３のボルトヘッドの首部分には、そ
れぞれ、弾性ワッシャー１６，２６が取付けられてい
る。

【００１８】ところで、この実施形態の音響センサ１
は、水中で使用されるために、かなりの圧力がかかる。
このため、各振動系１０，２０のバネ・ダンパー体１
２，２２は、圧縮され、実際に使用する際に目的の弾性
係数を得られなくなってしまう。そこで、プリストレス
ボルト１３，２３により、バネ・ダンパー体１２，２２
に対して実際に使用される環境の圧力に相当する力を掛
けておき、なお且つ、この力が掛っている状態で目的の
弾性係数が得られるバネ・ダンパー体１２，２２を使用
している。具体的には、第１の振動系１０のバネ・ダン
パー体１２に対しては、第１の振動系１０の質量系１１
と第２の振動系２０の質量系２１との間隔を第１のプリ
ストレスボルト１３で狭めて、これらの相互間に位置す
る第１の振動系１０のバネ・ダンパー体１２に予め一定
の力を掛けている。また、第２の振動系２０のバネ・ダ
ンパー体２２に対しては、第２の振動系２０の質量系２
１と前面壁６との間隔を第２のプリストレスボルト２３
で狭めて、これらの相互間に位置する第２の振動系２０
のバネ・ダンパー体２２に予め一定の力を掛けている。
なお、弾性ワッシャー１６，２６は、音響センサ１が水
中に在って圧力を受け、プリストレスボルト１３，２３
が緩んだりガタついたりするのを防いでいる。

【００１９】第１の音響反射材１４及び第２の音響反射
材２４は、水中航走体本体５から圧電振動子１５，１
５，…に伝播しようとする音又は振動を反射するため、
前面壁６と音響インピーダンス的に異なるもので形成さ
れている。具体的に、本実施形態においては、水中航走
体本体５の前面壁６はステンレスで形成され、各音響反
射材１４，２４はシンタクティックホームで形成されて
いる。

【００２０】また、ケーシング３０の貫通孔３１の内壁
と、第２の振動系２０や、第１の音響反射材１４及び第
２の音響反射材２４との間には、ケーシング３０から圧
電振動子１５，１５，…に伝播しようとする音又は振動
を防ぐ遮音材３４が設けられている。

【００２１】次に、以上の実施形態における音響センサ
１の作用について説明する。まず、この実施形態におけ
る音響センサ１の作用を説明するために、図３に示す二
重共振系の振動モデル、及び図４に示す一重共振系の振
動モデルについて説明する。

【００２２】図３に示す二重共振系の振動モデルは、壁
面４９に対して、第１の振動系４１及び第２の振動系４
２が直列的に設けられているものである。各振動系４
１，４２は、それぞれ、質量系４３，４４と、バネ４
５，４６と、ダンパー４７，４８とを有して構成されて
いる。

【００２３】ここで、各振動系４１，４２の質量系４
３，４４の質量をＭ₁,Ｍ₂、バネ４５，４６のバネ定数
をｋ₁,ｋ₂、ダンパー４７，４８の機械抵抗（減衰係
数）をｃ₁,ｃ₂とする。また、第１の振動系４１の質量
系４３の変位、第２の振動系の質量系４４の変位、壁面
４９の変位をそれぞれ、ｘ₁、ｘ₂、ｕとする。このよう
に、この二重共振系モデルの各値を設定すると、このモ
デルの運動方程式は、（数１）のように示される。

【００２４】

【数１】

【００２５】さらに、（数１）の運動方程式を解き、こ
のモデルの振動伝達率Ｔr1を（数２）で求める。

【００２６】

【数２】

【００２７】このモデルの振動伝達率特性Ｔr1は、図５
に示すように、一定周波数までは振動伝達率が０（振動
は減衰も増幅もしない。）で、ある周波数を超えると、
二つの正のピーク振動伝達率Ｔra，Ｔrbを示し、その
後、急激に振動伝達率が減少して負の値（振動が減衰す
る）を示すようになる。

【００２８】一方、図４に示す一重共振系の振動モデル
は、壁面４９に対して、一つの振動系４１が設けられて
いるものである。この振動系は、二重共振系の振動モデ
ルにおける第１の振動系４１と同じで、質量系４３とバ
ネ４５とダンパー４７とを有して構成されている。この
一重共振系の振動モデルに対しても、運動方程式をたて
て、振動伝達率Ｔr2を求めると、（数３）のように表さ
れる。

【００２９】

【数３】

【００３０】なお、（数３）中、ζ：減衰比率、ω/ω
n:角振動数比、ωn:n次共振角周波数である。このモデ
ルの振動伝達率特性Ｔr2は、図５に示すように、一定周
波数までは振動伝達率が０で、ある周波数を超えると、
一つの正のピーク振動伝達率Ｔrcを示し、その後、ゆっ
くりと振動伝達率が減少して負の値を示すようになる。

【００３１】従って、いずれもモデルおいても、振動伝
達率が負の値を示す周波数の振動であれば、減衰させる
ことができる。すなわち、各モデルの質量系４３，４３
の先に圧電振動子を設けた場合、壁面４９が振動して
も、その振動が圧電振動子に伝播するまでに、振動を減
衰させることができる。ここで、音響センサのＳ／Ｎ比
を向上させるべく、音響センサの使用周波数領域の振動
を減衰させるためには、各モデルの各振動系４１，４２
の固有振動数が使用領域の周波数よりも小さいことが重
要である。これは、いずれのモデルにおいても、ピーク
振動伝達率Ｔra,Ｔrb,Ｔrcを達した後に、つまり、各振
動系４１，４２の固有振動数に達した後に、負の振動伝
達率を示すようになるからである。なお、一重共振系の
振動モデルでは、ピーク振動伝達率Ｔrcを示す周波数が
このモデルの振動系の固有振動数で、二重共振系の振動
モデルでは、ピーク振動伝達率Ｔra,Ｔrbを示す二つの
周波数の近傍の周波数が各振動系４１，４２の固有振動
数である。

【００３２】以上のように、いずれもモデルおいても、
振動を減衰させることができるが、前述したように、一
重共振系の振動モデルでは、ピーク振動伝達率Ｔrcを示
した後は、周波数の増加に対してゆっくりと振動伝達率
が減少して行くのに対し、二重共振系の振動モデルで
は、ピーク振動伝達率Ｔra,Ｔrbを示した後は、周波数
の増加に対して急激に振動伝達率が減少して行く。

【００３３】このため、図５に示すように、一重共振系
の振動モデルでは、比較的高い周波数ｂの振動でなけれ
ば一定以上の振動減衰率（負の振動伝達率）Ｔｒ₀を得
ることができないのに対して、二重共振系の振動モデル
では、比較的低い周波数ａの振動に対しても一定以上の
振動減衰率Ｔｒ₀を得ることができる。さらに、一定以
上の振動減衰率（負の振動伝達率）Ｔｒを得ることがで
きる周波数において、ある特定の周波数ｃに関して考察
すると、二重共振系の振動モデルの方が一重共振系の振
動モデルよりも、格段に大きな振動減衰率を得ることが
できる。すなわち、二重共振系の振動モデルの方が、一
重共振系の振動モデルよりも、広い周波数領域の振動を
より効果的に減衰させることができる。

【００３４】ところで、この実施形態における音響セン
サ１は、水中航走体本体５の前面壁６に対して、二つの
振動系１０，２０が直列的に設けられているので、二重
共振系の振動モデルと基本的に同じ構造を成している。
また、音響センサ１の使用周波数領域が数十ｋＨｚであ
るのに対して、第１の振動系１０及び第２の振動系の固
有振動数は使用領域の周波数よりも遥かに小さい数ｋＨ
ｚである。従って、本実施形態の音響センサ１によれ
ば、水中航走体本体５からの振動を効果的に減衰させ、
音響センサ１のＳ／Ｎ比を高めることができる。さら
に、使用周波数領域が広い音響センサにも対応すること
ができる。

【００３５】さらに、この実施形態では、水中航走体本
体５の前面壁６と圧電振動子１５との間に、複数の音響
反射材１４，２４が設けられているので、水中航走体本
体５から圧電振動子１５に伝播しようとする振動を反射
させることができ、音響センサ１のＳ／Ｎ比をさらに高
めることができる。また、この実施形態では、プリスト
レスボルト１３，２３により、バネ・ダンパー体１２，
２２に対して実際に使用される環境の圧力に相当する力
を予め掛けているので、音響センサ１が実際に使用され
る際、つまり、音響センサ１が水中に在って圧力を受け
る際に、バネ・ダンパー体１２，２２は目的の弾性係数
を得ることができる。従って、水中航走体本体５からの
振動を確実に減衰させることができる。なお、プリスト
レスボルト１３，２３の締め付けトルクを変化させ、各
振動系１０，２０の固有振動数を変えることにより、振
動減衰効果を調整することができる。

【００３６】次に、本発明に係る音響センサの第２の実
施形態について、図６を用いて説明する。この実施形態
における音響センサは、ランジュバン型送受波器５０
と、これを船の船底壁６ａに取付けるための取付台座５
１とを有している。

【００３７】ランジュバン型送受波器５０は、円錐形状
を成し、その底面に該当する部分が下方向を向いてい
る。ランジュバン型送受波器５０は、下方向側から順
に、フロントマス１１ｘ、圧電振動子１５ａ、テールマ
ス１１ｙとを有して構成されている。テールマス１１ｙ
は、円錐形状のランジュバン型送受波器５０自体と同様
に、円錐形状を成し、その底面に該当する部分が側方に
張出し、フランジ部１１ｚを形成している。

【００３８】取付台座５１は、環状を成し、ランジュバ
ン型送受波器５０のテールマス１１ｙ部分が挿入されて
いる。取付台座５１は、下方向側から順に、第１のバネ
・ダンパー体１２ａ、第１の音響反射材１４ａ、第２の
質量系２１ａ、第２の音響反射材２４ａ、第２のバネ・
ダンパー体２２ａを有して構成されている。第２の質量
系２１ａは、ランジュバン型送受波器５０のフランジ部
１１ｚと、第１のプリストレスボルト１３ａにより連結
されている。さらに、第２の質量系２１ａは、第２のプ
リストレスボルト２３ａにより、船底壁６ａとも連結さ
れている。すなわち、ランジュバン型送受波器５０は、
第１のプリストレスボルト１３ａにより、取付台座５１
に取付けられ、取付台座５１は、第２のプリストレスボ
ルト２３ａにより、船底壁６ａに取付けられている。各
プリストレスボルト１３ａ，２３ａのボルトヘッドの首
部分には、それぞれ、弾性ワッシャー１６ａ，２６ａが
取付けられている。

【００３９】ランジュバン型送受波器５０と取付台座５
１とは、共にウレタン樹脂３２ａにより被覆されてい
る。

【００４０】ところで、この実施形態において、第１の
振動系は、ランジュバン型送受波器５０と取付台座５１
の第１のバネ・ダンパー体１２ａとを有して構成されて
いる。なお、第１の振動系の質量系は、フロントマス１
１ｘとテールマス１１ｙとで構成されている。また、第
２の振動系は、第２の質量系２１ａと第２のバネ・ダン
パー体２２ａとを有して構成されている。従って、この
実施形態においても、第１の振動系と第２の振動系とが
直列的に連結されているので、第１の実施形態と同様の
効果を得ることができる。

【００４１】なお、以上の実施形態は、いずれも、二つ
の振動系を直列に連結したものであるが、より振動減衰
効果を高めるために、三以上の振動系を直列に連結する
ようにしてもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、壁面等に対して、複数
の振動系を直列的に連結し、その先端に圧電振動子を設
けたので、壁面からの広い周波数域の振動を効果的に減
衰させることができる。従って、音響センサのＳ／Ｎ比
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施形態における音響セン
サの断面図である。

【図２】本発明に係る第１の実施形態における音響セン
サが取付けられている水中航走体の側面図である。

【図３】二重共振系の振動モデルを示す説明図である。

【図４】一重共振系の振動モデルを示す説明図である。

【図５】一重共振系の振動モデル及び二重共振系の振動
モデルの振動伝達率の周波数特性を示すグラフである。

【図６】本発明に係る第２の実施形態における音響セン
サの断面図である。

【符号の説明】

１…音響センサ、５…水中航走体本体、６…前面壁、６
ａ…船底壁、１０…第１の振動系、１１，１１ａ…（第
１の振動系の）質量系、１２，１２ａ…（第１の振動系
の）バネ・ダンパー体、１３，１３ａ…第１のプリスト
レスボルト、１４，１４ａ…第１の音響反射材、１５，
１５ａ…圧電振動子、１６，１６ａ，２６，２６ａ…弾
性ワッシャー、２０…第２の振動系、２１，２１ａ…
（第２の振動系の）質量系、２２，２２ａ…（第２の振
動系の）バネ・ダンパー体、２３，２３ａ…第２のプリ
ストレスボルト、２４，２４ａ…第２の音響反射材、５
０…ランジュバン型送受波器、５１…取付台座。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長山暁司東京都世田谷区池尻１丁目２番24号防衛庁技術研究本部内 (72)発明者小松正彦東京都世田谷区池尻１丁目２番24号防衛庁技術研究本部内 (72)発明者鈴木衛東京都世田谷区池尻１丁目２番24号防衛庁技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】壁面等に取付けられ、対象物からの音を感
知する圧電振動子を有し、該圧電振動子が感知した音の
うち一定周波数領域の音を利用して、該対象物の方向と
該対象物までの距離とのうち少なくとも一方を把握する
音響センサにおいて、少なくとも一定方向に前記壁面に対して相対的に振動可
能な質量系と、該質量系の振動に対して弾性力を加える
バネ手段と、該質量系の振動に対して抵抗となるダンパ
ー手段とを有して構成され、前記一定周波数領域の周波
数よりも小さい固有振動数の振動系を複数備え、複数の前記振動系は、前記壁面に対して前記一定方向に
直列的に連結され、複数の前記振動系のうち、前記一定方向において、前記
壁面から最も遠い振動系の前記質量系に、前記圧電振動
子が取付けられていることを特徴とする音響センサ。
【請求項２】前記バネ手段に対して、使用環境下におけ
る圧力に相当する力を前記質量系の振動方向に予めかけ
ておくプレストレス手段を備えていることを特徴とする
請求項１記載の音響センサ。
【請求項３】前記壁面と前記圧電振動子との間に、該壁
面の音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスの
音響反射材が介在していることを特徴とする請求項１又
は２記載の音響センサ。
【請求項４】前記バネ手段と前記ダンパー手段は、前記
質量系の振動方向に複数の不織布を重ね、該不織布相互
間に空気を介在させたものであることを特徴とする請求
項１、２又は３記載の音響センサ。
【請求項５】前記振動系を２つ備え、２つの該振動系は
前記壁面に対して前記一定方向に直列的に連結されてい
ることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の音響
センサ。