JPH11239397A - 音響レンズ付き指向性送波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、送波器に音響レンズを組合わせる
ことにより、コンパクトな構造で十分な指向性を保有で
きるようにした音響レンズ付き指向性送波器を提供する
ことを課題とする。 【解決手段】 反射板１の焦点位置に音波発生部３を有
する音波発生装置４が設けられ、反射板１には音響レン
ズ２が付設されている。なお、音波発生部３には、流体
音発生機構を用いることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中探査用ソナー
等に適用される音源装置としての指向性送波器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の水中探査用ソナーにおける指向性
送波器としては図３に示すようなものがあり、複数の送
波器（音源）７を直線上に任意の間隔で設置し、各送波
器７に供給する電力の位相量を制御器８で制御して指向
性をもたせることが行なわれている。

【０００３】また、従来の水中音源装置として図６に示
すようなものがあり、圧電素子11に交流電源12から電力
を供給することによって、圧電素子11につけられた振動
板13が振動し音波を発生するようになっている。そし
て、大出力を発生させるために、振動周波数と音響管14
の共鳴周波数とを一致させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
ような従来の指向性送波器では、指向性を鋭くしようと
すると送波器７の個数の増大が必要となり、装置全体が
大型にならざるを得ず、コストも高くなる。また、単一
の送波器においても、指向性をもたせるためには、送波
器を大きくする必要がある。特に狭指向幅の場合は、送
波器の大きさは指向幅に反比例して大きくなり、重量も
大きさの２乗に比例して増加する。

【０００５】さらに、図６に示すような従来のもので
は、圧電素子等を用いた共振型で構成されているために
周波数帯域が狭く、センシング精度や通信容量の高度化
の妨げとなっている。そして、広帯域化を行なうため
に、ダンピングを付加した場合、送波感度，受波感度の
低下が問題となる。また、多周波成分を大出力で連続的
に発生させるためには、複数の共振型音源が必要とな
り、装置が大型になる。

【０００６】そこで本発明は、送波器に音響レンズを組
合わせることにより、コンパクトな構造で十分な指向性
を保有できるようにした音響レンズ付き指向性送波器を
提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明の音響レンズ付き指向性送波器は、指向性送
波器において、焦点を有する反射板と、同反射板の焦点
に音波発生部を有する音波発生装置とをそなえ、上記反
射板に音響レンズが付設されたことを特徴としている。

【０００８】上述の本発明の音響レンズ付き指向性送波
器では、音源はパルス波および連続波をともに用いるこ
とができ、指向性の特性を有するもののみならず、無指
向性の特性を有するものも使用可能である。そして、反
射板と音響レンズとを組み合わせることにより、反射板
の端で回折する音波も集中させることができるため、従
来の単一の狭指向性送波器に比べ指向特性が改善され
る。また、指向性をもたせるために複数の送波器を用い
たアレイ（集合体）を構成する必要がなく、これにより
コンパクトで軽量な送波器の設計が可能となる。

【０００９】上記音響レンズが凸レンズの場合は同凸レ
ンズの構成材における音速が周囲媒質における音速より
も遅くなるように設定され、また上記音響レンズが凹レ
ンズの場合は同凹レンズの構成材における音速が周囲媒
質における音速よりも速くなるように設定されて、これ
により十分な指向性を保有しながら、コンパクトな構造
にすることができる。

【００１０】さらに、本発明の音響レンズ付き指向性送
波器は、上記音響レンズが複数のレンズ層をそなえて構
成され、互いに隣接する上記レンズ層が、互いに異なる
音速を有していることを特徴としている。

【００１１】このように、複数のレンズ層で音響レンズ
が構成されると、音波は各レンズ層で屈折するので、音
響レンズ全体としての形状が一定のままでも複数の収束
パターンの実現が可能になる。また音響レンズ全体とし
ての形状や、各レンズ層の形状および材質は、使用目的
に合わせ任意に設定することができる。

【００１２】また、本発明の音響レンズ付き指向性送波
器は、指向性送波器において、焦点を有する反射板と、
同反射板の焦点に音波発生部を有する音波発生装置とを
そなえるとともに、上記反射板に音響レンズが付設さ
れ、上記音波発生装置が、流体音発生機構をそなえて構
成されたことを特徴としている。

【００１３】上述の本発明の音響レンズ付き指向性送波
器では、上記音波発生装置が流体音発生機構をそなえて
構成されているので、上記焦点における衝撃音や振動音
などの発生を簡素な手段で的確に実現することができ、
このようにして発生した音波は上記反射板で反射してか
ら音響レンズを介し十分な指向性をもって送波されるよ
うになる。

【００１４】さらに、本発明の音響レンズ付き指向性送
波器は、指向性送波器において、焦点を有する反射板
と、同反射板の焦点に音波発生部を有する音波発生装置
とをそなえるとともに、上記反射板に音響レンズが付設
され、上記音波発生装置が流体音発生機構をそなえて構
成されて、同機構が上記焦点における音波発生部として
の共鳴空洞と、同共鳴空洞を経由する高速流体の流体駆
動回路とにより構成されたことを特徴としている。

【００１５】上述の本発明の音響レンズ付き指向性送波
器では、反射板の焦点における音波発生部としての共鳴
空洞と、同共鳴空洞を経由する高速流体の流体駆動回路
とで構成された流体音発生機構により、上記焦点で効率
よく音波の発生が行なわれ、同音波は上記反射板で反射
してから音響レンズを介し十分な指向性をもって送波さ
れるようになる。そして、上記共鳴空洞の形状を適宜調
整するとともに、上記の焦点を有する反射板および音響
レンズと組み合わせることにより、コンパクトな構成で
共鳴周波数の音波を連続的に大出力で発生できるように
なる。

【００１６】また、本発明の音響レンズ付き指向性送波
器は、指向性送波器において、焦点を有する反射板と、
同反射板の焦点に音波発生部を有する音波発生装置とを
そなえるとともに、上記反射板に音響レンズが付設さ
れ、上記音波発生装置が流体音発生機構をそなえて構成
されて、同機構が上記焦点における音波発生部としてノ
ズルと同ノズルからの噴流を受けるエッジとをそなえる
とともに、上記のノズルおよびエッジを経由する流体駆
動回路をそなえて構成されたことを特徴としている。

【００１７】上述の本発明の音響レンズ付き指向性送波
器では、反射板の焦点における音波発生部として、ノズ
ルと同ノズルからの噴流を受けるエッジとをそなえてい
るので、上記焦点で効率よく音波の発生が行なわれ、同
音波は上記反射板で反射してから音響レンズを介し十分
な指向性をもって送波されるようになる。

【００１８】そして、上記のノズルとエッジとの間の距
離に反比例する周波数の音波が発生するようになり、周
波数ジャンプを発生させ基本周波数に対する倍音を発生
させることができる。したがって、上記のノズルとエッ
ジとの間の距離を変化させることにより、共鳴周波数を
離散的に変化させることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施形
態について説明すると、図１は本発明の第１実施形態と
しての音響レンズ付き指向性送波器を模式的に示す縦断
面図、図２は本発明の第２実施形態としての音響レンズ
付き指向性送波器を模式的に示す縦断面図であり、図４
は本発明の第３実施形態としての音響レンズ付き指向性
送波器を模式的に示す縦断面図、図５は本発明の第４実
施形態としての音響レンズ付き指向性送波器を模式的に
示す縦断面図である。

【００２０】まず本発明の第１実施形態について説明す
ると、図１に示すように、指向性送波器において、焦点
を有する反射板１と、同反射板１の焦点に音波発生部３
を有する音波発生装置４とが設けられ、反射板１の前側
には音響レンズ２が装着されている。なお本実施形態で
は反射板１として抛物面を有するものが用いられてい
る。

【００２１】音響レンズ２は、凸型の形状を有してい
て、周囲媒質５とは異なる音速をもつ材質で構成されて
いる。なお、音響レンズ２の内部では音速は一定とさ
れ、また周囲媒質５においても音速は一定とされる。

【００２２】音波発生装置４で音波発生部３に発生させ
た音波は、反射板１で反射され、前方（送波方向）に送
波される。そして、反射板１により反射された音波を音
響レンズ２を用いて集中させ、前方に送波させる作用が
行なわれる。

【００２３】反射板１の形状や材質等は、使用目的に合
わせ任意に設定される。また、音響レンズ２は、内部の
音速分布を変化させて任意の方向へ音波を集中させるこ
とを可能にするものであり、反射板１の端で回折し拡散
していく音波も集中させることができる。図１に示すよ
うな凸レンズを使用する場合、音波を収束させるために
は、レンズ内の音速を周囲媒質５よりも遅くする必要が
ある。例えば四塩化炭素の液体がレンズ構成材の材質と
して用いられ、同液体は金属の薄膜からなるレンズ型の
容器に入れて用いられる。また音響レンズ２として凹レ
ンズを用いる場合には、周囲媒質より音速を速く設定す
る必要がある。なお、音響レンズ２の材質および形状
は、使用目的に合わせて任意に設定される。

【００２４】上述の本実施形態の音響レンズ付き指向性
送波器では、音源はパルス波および連続波をともに用い
ることができ、指向性の特性を有するもののみならず、
無指向性の特性を有するものも使用可能である。そし
て、反射板１と音響レンズ２とを組み合わせることによ
り、反射板１の端で回折する音波も集中させることがで
きるため、従来の単一の狭指向性送波器に比べ指向特性
が改善される。また、指向性をもたせるために複数の送
波器を用いたアレイ（集合体）を構成する必要がなく、
これによりコンパクトで軽量な送波器の設計が可能とな
る。

【００２５】次に本発明の第２実施形態としての音響レ
ンズ付き指向性送波器について説明すると、図２に示す
ように、本実施形態の場合も、指向性送波器において、
焦点を有する反射板１と、同反射板１の焦点に音波発生
部３を有する音波発生装置４とが設けられ、反射板１の
前側には音響レンズ２が装着されている。

【００２６】この第２実施形態では、特に音響レンズ２
が複数のレンズ層２ａ〜２ｄをそなえて構成されてお
り、音響レンズ２の全体形状は前述の第１実施形態の場
合と同様に形成されている。

【００２７】そして、各レンズ層２ａ〜２ｄは、隣接す
る層ごとに音速を変えられている。このように、複数の
レンズ層２ａ〜２ｄで音響レンズ２が構成されると、音
波は各レンズ層２ａ〜２ｄで屈折するので、音響レンズ
全体としての形状が一定のままでも複数の収束パターン
の実現が可能になる。また音響レンズ２の全体としての
形状や、各レンズ層２ａ〜２ｄの形状および材質（高分
子材料など）は、使用目的に合わせ任意に設定すること
ができる。

【００２８】次に本発明の第３実施形態としての音響レ
ンズ付き指向性送波器について説明すると、図４に示す
ように、本実施形態の場合は、指向性送波器において、
音波発生装置４が次のような流体音発生機構をそなえて
いる。すなわち、焦点を有する反射板１の焦点に、音波
発生部としての共鳴空洞３ａをそなえており、この共鳴
空洞３ａと同空洞を経由する流体駆動回路３ｂとで流体
音波発生機構が構成されている。そして流体駆動回路３
ｂにはコンプレッサー３ｃが介装されている。

【００２９】空洞２は反射板１と音響レンズ２とに囲ま
れており、送波方向を基準として反射板１は空洞３ａの
後方に位置し、音響レンズ２は空洞３ａの前方に位置し
ている。反射板１はパラボラ型や回転楕円等の面形状で
あり、音響レンズ２は凸型（もしくは凹型）の形状であ
る。

【００３０】音響レンズ２は、内部の音速分布を変化さ
せて任意の方向へ音波を集中させるものであり、反射板
１の端で回折し拡散していく音波も集中させることがで
きる。図４に示す凸レンズの場合、音波を収束させるた
めにはレンズ内の音速を周囲媒質５より遅くする必要が
ある。また、凹レンズの場合には、周囲媒質５より音速
を速く設定する必要がある。なお、反射板１および音響
レンズ２は、海水等の周囲媒質５に囲まれている。

【００３１】上述の第３実施形態では、音波発生装置４
において、コンプレッサー３ｃを含む流体駆動回路３ｂ
を介し、空気等の流体が共鳴空洞３ａに送り込まれ、同
空洞３ａを通過することにより音波が発生する。

【００３２】発生周波数ｆとキャビテイ幅Ｂ、噴流速度
Ｕとの関係は、［数１］式となる。

【数１】ｆＢ／Ｕ＝Ｕ_c／Ｕ ここでＵ_cは渦の速度である。Ｕｃ／Ｕが一定値をとる
場合、周波数はキャビテイ幅Ｂに反比例し流速Ｕに比例
する。

【００３３】また、発生音の波長がキャビテイ代表寸法
（幅Ｂあるいは深さＤ）と同程度となる場合、定在波が
生じ共鳴が発生する。その際の波長とキャビテイの代表
寸法の関係は［数２］，［数３］式のようになる。

【数２】 Ｂ／Ｄ＞１の場合 Ｂ／λ＝ｆ_sＢ／ａ＝ｍ／４ （ｍ＝２，４，６，・・・）

【数３】 Ｂ／Ｄ＜１の場合 Ｂ／λ＝ｆ_sＤ／ａ＝ｍ／４ （ｍ＝１，３，５，・・・） ここで、ｆ_sは発生周波数、ａは音速である。

【００３４】この音波は連続波であり、キャビテイ形状
および流速を変化させることにより共鳴周波数および送
波音圧レベルを変化させることが可能である。また、共
鳴空洞３ａで発生した音波は、反射板１により送波方向
に集中させるとともに、音響レンズ２によって音波をさ
らに集中させる。この作用により指向性および送波音圧
レベルを向上させることができる。反射板１は面構造で
あり、音響レンズ２は周囲媒質５（海水等）と異なる音
速を有し音波を集中させる構造となっている。そして、
音響レンズ２は、流体の共鳴音を効率よく海水等の周囲
媒質に放射させる利点も有している。

【００３５】上述のように、この第３実施形態では、コ
ンプレッサー３ｃを含む高速流体回路３ｂにより連続的
に流体を供給し、共鳴空洞３ａの形状を調整し、かつ反
射板１と音響レンズ２とによる組み合わせにて、共鳴周
波数の音波を連続的に大出力で発生することが、コンパ
クトな装置で実現できるようになる。そして、共鳴空洞
３ａの形状を任意に変えることにより発生周波数を変更
できる利点がある。

【００３６】次に本発明の第４実施形態としての音響レ
ンズ付き指向性送波器について説明すると、図５に示す
ように、本実施形態の場合は、指向性送波器において、
音波発生装置６が次のような流体音発生機構をそなえて
いる。すなわち、焦点を有する反射板１の焦点に、音波
発生部としてのノズル６ａと同ノズル６ａからの噴流を
受けるエッジ６ｂとからなる音波発生部（共鳴機構）が
設けられており、これらのノズル６ａおよびエッジ６ｂ
を経由する流体駆動回路６ｃと共に、流体音発生機構が
構成されている。そして、流体駆動回路６ｃにはコンプ
レッサー６ｄが介装されている。

【００３７】ノズル６ａおよびエッジ６ｂは反射板１と
音響レンズ２とに囲まれており、音響レンズ２は送波方
向を基準としてノズル６ａおよびエッジ６ｂよりも前方
に位置している。

【００３８】この第４実施形態の特徴は、倍音成分を発
生することであり、第３実施形態とは共鳴機構が異なる
が、発生周波数および送波音圧レベルの制御が可能であ
る。発生周波数ｆｅと、ノズル６ａからのエッジ６ｂま
での距離Ｌｘと、噴流速度Ｕｊとの間には［数４］式の
関係がある。

【数４】ｆｅＬｘ／Ｕｊ＝ｎ（Ｕｃ／Ｕｊ） ここで、Ｕｃは噴流の剪断層中の渦の移動速度、Ｕｃ／
Ｕｊはほぼ一定で０.５、ｎは１，２，３・・・をとる。

【００３９】したがって、発生周波数ｆｅはノズル６ａ
からエッジ６ｂまでの距離Ｌｘに反比例し、Ｕｊに比例
する。さらにｎはノズル６ａとエッジ６ｂとの間の距離
Ｌｘに依存しており、周波数ジャンプを発生させ基本周
波数（ｎ＝１）に対する倍音（ｎ＝２，３・・・）を発生
させることができる。したがって、ノズル６ａとエッジ
６ｂとの間の距離Ｌｘを変化させることにより、共鳴周
波数を離散的に変化させることができる。

【００４０】なお、本発明の第３実施形態および第４実
施形態では、流体音発生機構として共鳴空洞や、ノズル
噴流を受けるエッジが用いられているが、このほか振動
部材を用いる手段など適宜の流体音発生機構の採用も可
能である。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の音響レン
ズ付き指向性送波器によれば次のような効果が得られ
る。 (1) 音源はパルス波および連続波をともに用いることが
でき、指向性の特性を有するもののみならず、無指向性
の特性を有するものも使用可能である。そして、反射板
と音響レンズとを組み合わせることにより、反射板の端
で回折する音波も集中させることができるため、従来の
単一の狭指向性送波器に比べ指向特性が改善される。ま
た、指向性をもたせるために複数の送波器を用いたアレ
イ（集合体）を構成する必要がなく、これによりコンパ
クトで軽量な指向性送波器の設計が可能となる。 (2) 上記音響レンズが凸レンズの場合は同凸レンズの構
成材における音速が周囲媒質における音速よりも遅くな
るように設定され、また上記音響レンズが凹レンズの場
合は同凹レンズの構成材における音速が周囲媒質におけ
る音速よりも速くなるように設定されて、これにより十
分な指向性を保有しながら、コンパクトな構造にするこ
とができる。 (3) 互いに音速の異なる複数のレンズ層で音響レンズが
構成されると、音波は各レンズ層で屈折するので、音響
レンズ全体としての形状が一定のままでも複数の収束パ
ターンの実現が可能になる。また音響レンズ全体として
の形状や、各レンズ層の形状および材質は、使用目的に
合わせ任意に設定することができる。 (4) 音波発生装置が流体音発生機構をそなえて構成され
ていると、上記焦点における衝撃音や振動音などの発生
を簡素な手段で的確に実現することができ、このように
して発生した音波は上記反射板で反射してから音響レン
ズを介し十分な指向性をもって送波されるようになる。 (5) 反射板の焦点における音波発生部としての共鳴空洞
と、同共鳴空洞を経由する高速流体の流体駆動回路とに
より構成された流体音発生機構を含む音波発生装置によ
り、上記焦点で効率よく音波の発生が行なわれ、同音波
は上記反射板で反射してから音響レンズを介し十分な指
向性をもって送波されるようになる。そして、上記共鳴
空洞の形状を適宜調整するとともに、上記の焦点を有す
る反射板および音響レンズと組み合わせることにより、
コンパクトは構成で共鳴周波数の音波を連続的に大出力
で発生できるようになる。 (6) 反射板の焦点に音波発生部を有する流体音発生機構
として、ノズルと同ノズルからの噴流を受けるエッジと
をそなえていると、上記焦点で効率よく音波の発生が行
なわれて、同音波は上記反射板で反射してから音響レン
ズを介し十分な指向性をもって送波されるようになる。
そして、上記のノズルとエッジとの間の距離に反比例す
る周波数の音波が発生するようになり、周波数ジャンプ
を発生させ基本周波数に対する倍音を発せさせることが
できる。したがって、上記のノズルとエッジとの間の距
離を変化させることにより、共鳴周波数を離散的に変化
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態としての音響レンズ付き
指向性送波器を模式的に示す縦断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態としての音響レンズ付き
指向性送波器を模式的に示す縦断面図である。

【図３】従来の指向性送波器の一例を示す側面図であ
る。

【図４】本発明の第３実施形態としての音響レンズ付き
指向性送波器を模式的に示す縦断面図である。

【図５】本発明の第４実施形態としての音響レンズ付き
指向性送波器を模式的に示す縦断面図である。

【図６】従来の指向性送波器の他の例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 反射板 ２ 音響レンズ ２ａ〜２ｄ レンズ層 ３ 音波発生部 ３ａ 共鳴空洞 ３ｂ 流体駆動回路 ３ｃ コンプレッサー ４ 音波発生装置 ５ 周囲媒質 ６ 音波発生装置 ６ａ ノズル ６ｂ エッジ ６ｃ 流体駆動回路 ６ｄ コンプレッサー ７ 送波器 ８ 制御器 11 圧電素子 12 交流電源 13 振動板 14 音響管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 烏山 由紀飛人 長崎市深堀町五丁目717番１号 長菱エン ジニアリング株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指向性送波器において、焦点を有する反
   射板と、同反射板の焦点に音波発生部を有する音波発生
   装置とをそなえ、上記反射板に音響レンズが付設された
   ことを特徴とする、音響レンズ付き指向性送波器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の音響レンズ付き指向性
   送波器において、上記音響レンズが凸レンズとされ、同
   凸レンズの構成材における音速が周囲媒質における音速
   よりも遅くなるように設定されていることを特徴とす
   る、音響レンズ付き指向性送波器。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の音響レンズ付き指向性
   送波器において、上記音響レンズが凹レンズとされ、同
   凹レンズの構成材における音速が周囲媒質における音速
   よりも速くなるように設定されていることを特徴とす
   る、音響レンズ付き指向性送波器。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つに記載の音
   響レンズ付き指向性送波器において、上記音響レンズが
   複数のレンズ層をそなえて構成され、互いに隣接する上
   記レンズ層が、互いに異なる音速を有していることを特
   徴とする、音響レンズ付き指向性送波器。
5. 【請求項５】 指向性送波器において、焦点を有する反
   射板と、同反射板の焦点に音波発生部を有する音波発生
   装置とをそなえるとともに、上記反射板に音響レンズが
   付設され、上記音波発生装置が、流体音発生機構をそな
   えて構成されたことを特徴とする、音響レンズ付き指向
   性送波器。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の音響レンズ付き指向性
   送波器において、上記流体音発生機構が、上記焦点にお
   ける音波発生部としての共鳴空洞と、同共鳴空洞を経由
   する高速流体の流体駆動回路とにより構成されたことを
   特徴とする、音響レンズ付き指向性送波器。
7. 【請求項７】 請求項５に記載の音響レンズ付き指向性
   送波器において、上記流体音発生機構が、上記焦点にお
   ける音波発生部としてノズルと同ノズルからの噴流を受
   けるエッジとをそなえるとともに、上記のノズルおよび
   エッジを経由する流体駆動回路をそなえて構成されたこ
   とを特徴とする、音響レンズ付き指向性送波器。