JP2019008068A - 広角再帰音波反射体 - Google Patents

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【課題】直交した３面の平面反射板により構成された、公知のコーナーリフレクターによると、再帰反射を実現する入射角の範囲が限定され、辺縁方向からの入射波動に対しては再帰反射動作は実現されない。【解決手段】本発明は、直交した３面の平面反射板により構成される、コーナーリフレクターにおける各反射板を三角形とし、３面の反射板により形成される三角錐空間を形成し、該三角錐空間内を、対象空間における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する媒体により充填する構成とする。【選択図】図６

Description

本発明は、広い方向からの入射音波を、音波の入射方向に帰還させる、音響用コーナーリフレクターに関する。
波動により対象物を観測する場合において、検出効率を向上させるために、対象物に反射強度を増強するための標識を付加している。
このような、反射強度を増強するための標識として、直交した３面の平面反射板により構成された、入射波動を、波動の入射方向に逆行させる、コーナーリフレクターが知られている（非特許文献１参照）。
このような、入射波動の進行を、反転させ、波動の入射方向に逆行させる動作は、再帰反射あるいはレトロリフレクション(retroreflection)と呼ばれている。
また、３面の平面反射板を直角２等辺三角形とするコーナーリフレクターも、光学の分野において知られている（非特許文献２参照）。
「海洋音響用語事典」, 海洋音響学会編 p.69, May 1999 「光コーナーリフレクターの解析」, 生産研究, pp.611-616, Dec. 1969
直交した３面の平面反射板により構成された、公知のコーナーリフレクターによると、再帰反射を実現する入射角の範囲が限定され、辺縁方向からの入射波動に対しては再帰反射動作は実現されない。
そこで、通常はこの対策のために、種々の方向を向かせた複数のコーナーリフレクターを併設し、広い空間に対応することとなるが、広い範囲からの入射波に対応するためには多数のコーナーリフレクターを必要とする。
そこで本発明は、直交した３面の平面反射板により構成される、コーナーリフレクターにおける各反射板を三角形とし、３面の反射板により形成される三角錐空間を形成し、該三角錐空間内を、対象空間における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する媒体により充填する構成とする。
公知のコーナーリフレクターは、図１に示すように３面の直角２等辺三角形反射板α、β、γにより形成される三角錐構造CR0であり、CR0の開口部である三角形開口面SP0を経由して、波動が入射あるいは再帰反射する。
このような公知のコーナーリフレクターに入射した波動SAは、図２に示すように３面の反射板全ての反射を経由することにより、三次元空間内の任意の方向からの入射波動は、該波動の入射方向へ反射波SCとして逆行することから、再帰反射が実現される。
従って、図３に示す三次元対象空間１に対する再帰反射の実現は、入射波動が３反射面の全てを経由する必要条件と、三角錐構造CR0の幾何形状とにより、図３に示す再帰反射実現範囲内に制限さる。
この、再帰反射実現範囲は、三角錐構造CR0の中心軸である直線oG方向に対してほぼ＋５５度と−３５度の範囲となる。
公知構成CR0において、直線oG方向からの入射角度に対する再帰反射強度の変化を、三角形開口面SP0の前面に展開する半空間につき数値計算し、等高線表示すると図４となる。
図４の結果から、公知構成においては、開口面SP0の正面方向（oG方向）に対して約５５度（方向によっては約３５度）の範囲内にのみ再帰反射は実現され、三角錐構造CR0のx,y,z軸方向である図４における点x,y,zが再帰反射の限界角度となる。
そこで本発明においては、３面の反射板により形成される三角錐空間内を、対象空間における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する低音速媒体により充填する構成とする。
このように本発明は、低音速媒体により充填する構成とし、対象空間と充填財との音速差による、両者の境界面における音波の屈折を利用することにより、広い入射角に対して再帰反射を実現可能とする。
本発明は、３面の直角三角形反射板により形成される三角錐空間内を、対象空間における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する低音速媒体により充填する構成とすることにより、最良の形態が実現される。
本発明は、図５のＣＲに示すように、３面の直角２等辺三角形反射板α、β、γにより形成される三角錐空間内に、対象空間における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する低音速媒体を充填することにより構成された反射体であり、充填媒体の表面である平面開口面SPを経由して音波が入射あるいは再帰反射する。
本発明による構成である、図６の２に示す低音速媒体を充填する構成においては、図６の入射角（θin）と出射角（θout）として示すように、対象空間と充填財との音速差による、開口面における屈折により音波伝搬方向が偏向される。
図６において、C0>C1とすると、波動の屈折条件から、入射角（θin）と出力角（θout）との関係は、sin θin /sin θout =C0/C1となり、θin >５５度となる。
従って、図７に示す、対象空間１を水中とし（音速C0：１５００m/s）、低音速媒体２をシリコンゴムと想定(音速C1：９００m/s)する数値計算結果に見られるように、再帰反射を実現する入射角度範囲は低音速媒体２の充填により大幅に拡大される。
このように、本発明により、開口面SPの正面方向に対してほぼ９０度方向まで再帰反射領域は広角化され、SPの前面ほぼ全ての方向からの入射音波を再帰反射可能となる。
本発明による他の構成は、充填する低音速媒体２を、対象空間１における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する固体材料とする。
対象空間１を水中（音速：1500m/s）とすると、低い音波伝搬速度を有する固体材料としては、シリコンゴム（音速：900m/s）等がある。
このように、低音速媒体２を固体材料とすることにより、再帰音波反射体の機械的強度が向上する。
本発明による他の構成は、充填する低音速媒体２を、対象空間１における音波伝搬速度よりも低い音波伝搬速度を有する液体材料とする。
対象空間１を水中とすると、低い音波伝搬速度を有する液体材料としては、シリコンオイル（音速：760m/s）あるいは四塩化炭素（音速：930m/s）等がある。
このように、充填する低音速媒体２を液体材料とする構成においては、開口面に音響透過率の高い薄膜を配置し、低音速媒体２を対象空間１から分離して保持する。
このように、低音速媒体２を液体材料とすることにより、その低音速性により、開口面における屈折角を更に大きくし、再帰音波反射体の更なる広角化が可能となる。
本発明による他の構成は、充填する低音速媒体２よりも音響インピーダンスが大幅に高い材料により平面反射体α、β、γを、構成する。
低音速媒体２を樹脂あるいは液体材料とすると、平面反射体を構成する高音響インピーダンス材料ととしては、鉄（音響インピーダンス：45x106kg/m2/s）あるいはアルミニューム（音響インピーダンス：17x106kg/m2/s）等の金属材料が有効に選択される。
本発明による他の構成は、充填する低音速媒体２よりも音響インピーダンスが大幅に低い材料により平面反射体を、構成する。
低音速媒体２を樹脂あるいは液体材料とすると、平面反射体を構成する低音響インピーダンス材料ととしては、空気等の気相平界面あるいは、独立気泡スポンジ等の含気複合材料が有効に選択される。
本発明による他の構成は、図８に示す、本発明による再帰音波反射体ＣＲを要素とし、該要素の４要素を、各要素における直交３平面の１交差軸を共通軸として接合させることにより形成される、４要素による再帰音波反射体３である。
このような構成によると、図９に示すように、１８０度を超える、さらに広い再帰反射領域が実現される。
一方、低音速媒体を充填しない、公知構成CR0を要素とする構成４の場合には、図１０に示す方位特性となり、図８に示す４要素による形状を採用しても、正面方向（a方向）への再帰反射強度が低下することとなり、広域への対応が不可能となる。
本発明による他の構成は、図１１に示す、３枚の平板反射体Ａ，Ｂ，Ｃを組み合わせることにより図８に示す４要素による再帰音波反射体を構成する。
このような構成法によると、少ない部材数により、４要素による複合再帰音波反射体を簡単に構成することが可能となる。
本発明による他の構成は、図１２に示すように、４要素による再帰音波反射体を、表裏両面に配置することによる８要素による再帰音波反射体５である。
このような構成によると、三次元の全周囲空間に適応する、再帰音波反射体が実現される。
本発明による他の構成は、図１３に示す、４枚の平板反射体Ａ’，Ｂ’，Ｃ’、Ｄ’を組み合わせることにより図１２に示す８要素による複合再帰音波反射体を構成する。
このような構成によると、少ない部材数により、８要素による複合再帰音波反射体を簡単に構成することが可能となる。
本発明による再帰音波反射体を利用することにより、再帰反射の広角化を実現し、水中土木工事等における超音波による観測において、対象物の位置あるいは形状を遠方において明瞭に把握可能となる。
公知技術における再帰音波反射体の構成を示した説明図である。 公知技術における再帰音波反射体の再帰反射原理を示した説明図である。 公知技術における再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した説明図である。 公知技術における再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した数値計算結果である。 本発明における広角再帰音波反射体の構成を示した説明図である。 本発明における広角再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した説明図である。 本発明における広角再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した数値計算結果である。 本発明における４要素による広角再帰音波反射体の構成を示した説明図である。 本発明における４要素による広角再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した説明図である。 均一音速の４要素による再帰音波反射体の再帰反射実現範囲を示した説明図である。 本発明における４要素による広角再帰音波反射体の作成手法を示した説明図である。 本発明における８要素による広角再帰音波反射体の構成を示した説明図である。 本発明における８要素による広角再帰音波反射体の作成手法を示した説明図である。
１ 対象空間
２ 低音速媒体
３ ４要素による広角再帰音波反射体
４ ４要素による再帰音波反射体（低音速充填材なし）
５ ８要素による広角再帰音波反射体

Claims (11)

  1. 対象空間からの入射音波を再帰反射させる、直交３平面反射体により形成される音響反射体において、該直交３平面反射体を界面とする内部空間を、対象空間における音速よりも低い音速を有する音響伝搬媒体により充填することを特徴とする再帰音波反射体。
  2. 第１項記載の直交３平面を直角三角形とすることを特徴とする再帰音波反射体。
  3. 第１項記載の直交３平面を直角２等辺三角形とすることを特徴とする再帰音波反射体。
  4. 第１項記載の低い音速を有する音響伝搬媒体を固体材料とする事を特徴とする再帰音波反射体。
  5. 第１項記載の低い音速を有する音響伝搬媒体を液体材料とする事を特徴とする再帰音波反射体。
  6. 第１項記載の平面反射体を、音響伝搬媒体よりも音響インピーダンスが高い材料とする事を特徴とする再帰音波反射体。
  7. 第１項記載の平面反射体を、音響伝搬媒体よりも音響インピーダンスが低いい材料とする事を特徴とする再帰音波反射体。
  8. 第１から６項記載の再帰音波反射体を要素とし、該要素における直交３平面の１交差軸を共有して、４要素を結合させる事を特徴とする４要素による再帰音波反射体。
  9. 第８項記載の再帰音波反射体を、平板反射体３枚の組み合わせにより構成する事を特徴とする４要素による再帰音波反射体。
  10. 第８項記載の再帰音波反射体を、表裏一体に結合する事を特徴とする８要素による再帰音波反射体。
  11. 第１０項記載の再帰音波反射体を、平板反射体４枚の組み合わせにより構成する事を特徴とする８要素による再帰音波反射体。
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