JP5504276B2 - 改善された指向性を有する音波変換器及びソナーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ソナーアンテナ用電気音響変換器に関する。電気音響変換器は音圧波の送信及び／又は受信に使用される。送信モードでは、音響変換器は電位差を音圧波に変換する（受信モードではその逆）。

種々の型の電気音響変換器が存在する。以下においては、特に、トンピルズ及びヤヌス・ヘルムホルツ型の圧電音響変換器について言及する。それらの変換器は一般的に圧電セラミックと電極の積層体で構成された圧電モータを備え、そのような圧電モータは一方はカウンタウェイトに、他方はホーンに接続される。圧電モータ、カウンタウェイト及びホーンのアセンブリはプレストレスロッドに接続され、共振器を形成し、その共振周波数は詳細にはホーン、モータ及びカウンタウェイトの寸法に依存する。

圧電音響共振器は一般的に密封された保護筐体に入れられる。ホーンの外面は浸漬媒質に直接接触し、あるいは音響透過膜の背後に置かれる。筐体の内部キャビティは空気、あるいはインピーダンス損失や不連続性のない良好な音響インピーダンスを与えるように選択された流体で満たされる。使用される流体は一般的にオイルである。キャビティが空気で満たされるときは、変換器と浸漬媒質間の音響結合はホーンの外面により行われる。キャビティがオイルで満たされるときは、変換器と浸漬媒質間の音響結合はオイルと筐体を介してホーンにより行われる。浸漬された変換器は共振器の振動波を、浸漬媒質を介して伝播する音圧波に変換する。

電気音響変換器は音響エコーを測探することができる。変換器の具体的な応答は周波数、帯域幅及び変換器の送受信軸に対するエコーの方向に依存する。水深測量用途では、変換器は海底から来るエコーを測探するために垂直に置かれる。そのとき、正確な方向の音波を測探することが肝要である。実際、２次エコー源はノイズを発生させ、装置感度を低下させる。

指向性図は、音響強度を測定方向（角度で示される）の関数として表わす。変換器の音響軸に対する方向の関数としての、トンピルズ型変換器の応答を示す指向性図が図２に示されている。この指向性図１２は変換器の音響軸７（軸０−１８０°）に関して対称であるので、指向性図の半分のみが示されている。この指向性図の曲線は音響強度水準の曲線である。図２の指向性図では、変換器の音響軸７に中心を置き、ホーン正面に向かうX方向に向いたメインローブ１３が観察できる。図２の指向性図は、音響軸上の、メインローブ１３と反対の方向Ｘ’に向いたバックローブ１４も示している。図２では、音響軸に対して４０°と１４０°の間の方向の寄生サイドローブ１５、１５’、１５”も観察できる。サイドローブの存在は、ホーン正面に向かう変換器軸のＸ方向とは異なる方向の音響エネルギーを受信及び／又は送信する変換器の指向性を阻害する。

トンピルズ型変換器は１ｋＨｚないし８００ｋＨｚの周波数で動作する。サイドローブの問題は、送信面の特性寸法が作動波長のオーダであるか、あるいはそれより大きいときに現れる。波長λは関係λ＝ｃ／ｆにより周波数ｆに関連付けられて定義される（ただし、ｃは浸漬媒質中の音波の速度である（海水中の音速は約１５００ｍ／ｓである））。サイドローブの問題は従って高周波＞５０ｋＨｚにおいてより容易に現れる（波長がセンチメートルのオーダになるので）。
サイドローブは、通常、圧電モータと筺体の分断が完全でないためであるので、筺体ローブと呼ばれている。更に、深浸漬による圧力が変形を生み、モータと筺体の分断を許さなくすることが知られている。

変換器のもう一つの型はトンピルズ構造から派生し、それはヤヌス・ヘルムホルツ型変換器である。実際、ヤヌス・ヘルムホルツ変換器は、同じ軸に沿って整列して中央カウンタウェイトに固定された二つの圧電音響モータを備え、それぞれの圧電音響モータはプレストレスロッドによりホーンに接続されている。二つのホーンは従って装置の軸上の両端に位置し、軸に直角な平面に関して対称である。ヤヌス・ヘルムホルツ変換器はトンピルズ型変換器より低い周波数（１５０Ｈｚないし２０ｋＨｚ）で稼働することを可能にする。

非常に低い周波数（１５０Ｈｚないし２０ｋＨｚ）で動作するヤヌス・ヘルムホルツ型変換器の指向性図は一般的に非常に低い指向性をもつ。この指向性図は横方向対称平面に対して対称である。しかしながら、各ホーンの正面方向に変換器軸上の二つの出力最大値を有する。しかし、音響軸に直角な方向に送信又は受信される出力はやはり外乱を誘発する可能性がある。さらに、ヤヌス・ヘルムホルツ変換器が比較的高周波で使用されるときは、やはりサイドローブが現れる。

電気音響変換器の指向性を改善する既知の解決策は存在する。変換器のカウンタウェイトは振動ノードとして作用し、従って変換器指向性にとって重要である固定点である。従って、変換器指向性は金属プレート（アルミ、ステンレス鋼、鋼鉄・・・）によりカウンタウェイトを筐体に接続することにより改善される。

しかしながら、音響軸の法線近辺の位置にあるサイドローブはソナーアンテナに対する主な制約であり、これは使用される変換器の型が何であれそうである（図２参照）。実際、これらのサイドローブは表面エコーの存在を招き、システムの投影コントラストを著しく劣化させる。

ヤヌス・ヘルムホルツ型変換器の周波数応答をモデル化するツールは存在するが、それらのツールは変換器の挙動を完全にシミュレートすることはできない。

本発明の一つの目標はトンピルズ又はヤヌス・ヘルムホルツ型の電気音響変換器の指向性を改善することである。本発明のもう一つの目標は電気音響型変換器の筐体ローブを減らすことである。

本発明は少なくとも一つの電気音響モータと、内壁及び外壁を有するホーンと、カウンタウェイトと、内壁及び外壁と少なくとも一つの音響開口を有する中空筐体とを備える音波変換器に関する。前記電気音響モータは軸に沿って一方ではホーンに接続され、他方ではカウンタウェイトに接続され、前記電気音響モータは少なくとも一つの共鳴周波数ｆ近辺においてホーンを励起することができる。筐体はカウンタウェイトに接続され、モータとホーンを囲み、ホーンの外壁は筐体の音響開口に向かい合って置かれ、筐体の内壁とホーンの内壁の間隙は流体を容れるキャビティを形成する。本発明によれば、前記変換器は、送受信軸に直角な少なくとも一つの方向の周波数ｆの送信及び／又は受信音波を減衰するために、筐体の外壁と一体の音響減衰手段を備える。

第１の実施形態によれば、筐体は変換器軸に沿って縦方向に伸びる厚さＥの壁を有し、前記厚さＥは、軸に直角な少なくとも一つの方向の周波数ｆの音波の一部を吸収するために筐体内の周波数ｆに対応する音響波長λより大きい。

前記減衰手段はさらに、筐体の外壁に固定されて軸に直角な少なくとも一つの方向の周波数ｆの音波を吸収できる吸収性被覆を備えてもよい。

前記減衰手段はさらに、変換器の帯域幅の音波を回折することができる吸収性被覆を囲む回折格子と、回折格子と吸収性被覆の間を結合する音波を減衰できるサスペンション手段とを備えてもよい。

前記減衰手段はさらに、回折格子を囲む反射性被覆と、反射性被覆と吸収性被覆の間を結合する音波を減衰できるサスペンション手段とを備えてもよい。

特定の実施形態によれば、反射性被覆はアルミで出来ており、吸収性被覆はポリマ樹脂又はシンタクチックフォームで出来ており、サスペンション手段は粘弾性ポリマで出来ている。

特定の実施形態によれば、反射性被覆は軸に直角な方向に浸漬媒質から来る音波の一部を減衰するために丸みのある外形を有する。

好ましい実施形態によれば、変換器は細長い圧電モータを備えるトンピルズ型変換器であり、前記モータは圧電部品と電極の積層を備え、積層は対称軸に沿って一端を介してホーンに接続され、他端を介してカウンタウェイトに接続される。

もう一つの実施形態によれば、変換器は二つの細長い圧電モータを備えるヤヌス・ヘルムホルツ型変換器であり、その軸は互いに揃えられ、各モータは圧電部品と電極の積層を備え、積層は対称軸に沿って一端を介してホーンに接続され、他端を介して二つのモータに共通の中心カウンタウェイトに接続され、前記変換器は各モータ／ホーンサブアセンブリを囲む二つの筐体を備える。

本発明はまた複数の変換器を備えるソナーアンテナに関し、前記変換器は先行する実施形態の一つによる共通の筐体に入れられる。

本発明はまた、以下の説明により明らかにされる、単独で、あるいはその技術的に可能な何れかの組合せで考えられる特徴に関する。

そのような説明は非限定的例として与えられ、以下の添付図面を参照すれば、本発明がどのように実施されるかをもっと良く理解させるであろう。

その軸周りの回転対称性を有するトンピルズ型音響変換器の内部構成要素を模式的に示す（筺体のない半断面図）。 トンピルズ型音響アンテナの指向性図の例を示す。 その筐体を有するトンピルズ型音響変換器を模式的に示す。 筐体ローブを減衰する手段の断面図を模式的に示す。 本発明によるトンピルズ音響アンテナの代表的な指向性図を図解する。 ヤヌス・ヘルムホルツ型音響変換器の断面図を模式的に示す。 同じ筐体にいくつかの変換器を備えるソナーアンテナを示す。

図１はトンピルズ変換器の部分図を示し（筐体は図示せず）、変換器は音響軸７の周りの回転対称性を有する。変換器はプレストレスロッド６によりホーン４とカウンタウェイト５に接続された電気音響モータ１を備える。図示された例では、このモータは正弦電圧がかけられる電極３に接続された圧電セラミックを備える。圧電セラミックは従ってセラミックの分極方向に正弦的な機械変形を受ける。ホーン４はそのフリッカ固有モードにより変換器帯域幅を拡張し、セラミックと流体媒質間の音響インピーダンスを整合する二重の機能を保証する。カウンタウェイト５は全体を安定化し、振動の節面を変換器の裏面に向かってずらし、ホーン４の正面に向かう音響軸の所望の方向へのエネルギーの最大伝達を保証する。プレストレスロッド６はその圧縮動作のみを保証するために音響モータ／ホーン／カウンタウェイトアセンブリをプレストレスの下に保持する。

トンピルズ変換器は、変換器が中に浸漬される浸漬媒質により圧力平衡を保証するためにオイル１０で満たされた筐体８（図１には図示せず）内に組み込まれている。一般的に、カウンタウェイト５は筐体８内に強固に取付けられている。サイドローブ又は筐体ローブ（図２参照）は変換器、詳細にはトンピルズ型変換器において長年知られる欠陥である。

本発明者はそのような変換器の挙動を解析してきた。この解析によれば、「筐体ローブ」と呼ばれるこれらのサイドローブの発生は、変換器の要素（ホーンとカウンタウェイト）間の結合、中に共振器が浸漬される流体、及び筐体に起因する。この結合は、それぞれが反対方向に二つの横波を発生させる筐体８内の二つの音源１６及び１６’から来る四つの横波の発生として現れる。サイドローブの源は筐体内部に伝播する横波のモード変換に関連する結合である。第１の音響結合は流体９と筐体８間に生じる。この結合は筐体内のホーンにおいて模式的に示される横波の第１の音源１６を発生させる。意外にも、結合は流体媒質と筐体間の境界に生じるだけでなく、第２の機械結合がカウンタウェイトにある。用途と組立のタイプによって、カウンタウェイトは必ずしも完全な振動の静止ノードではなく、軸に直角な変位を受ける。これらの変位はカウンタウェイトに向かい合う筐体において図３に模式的に示される２次音源１６’からの横波を誘発する。二つの音源１６及び１６’から来る結合波の組合せはさらに干渉波を生じる。

そのような結合は筐体内の四つの横波の発生に変換され、これらは図３に模式的に示される。モード変換、すなわち波Ｓの波Ｐへの変換により、また互いに干渉した後、これらの波は流体媒質内の圧縮波として伝播し、「筐体ローブ」と呼ばれるサイドローブを形成する。

本発明はサイドローブのエネルギーを閉じ込める種々の補足手段を提案する。図４は音波を減衰する異なる手段を備える筐体部分を断面図で模式的に示す。これらの手段は好都合には変換器の音響送受信軸７に対して縦方向に伸びる筐体の側面に配置されて音響軸７に実質的に直角な（９０±４０度）方向に伝播する音波を減衰する。減衰手段は、軸の周りの一つ又はいくつかの側面上に置かれても、音響軸の周りの筐体の周辺を囲む連続被覆を形成してもよい。

より正確には、第１の手段は筐体厚が筐体内の周波数ｆに対応する音響波長λより大きくなるように筐体厚を増加することにある。好ましくは、筐体の厚さは約２λ又は３λに等しい。そのような筐体厚は横波を圧縮波に変換することを可能にする。例えば、その周波数が１００ｋＨｚであるトンピルズ変換器に対し、２.５〜３ｃｍ厚の覆いが適切である。より低周波数のトンピルズに対し、適合する厚さは周波数に比例する。

好ましくは、筐体厚は軸に対して縦方向に伸びる筐体の全ての面にわたり均一である。好都合には、筐体の裏面もまたλより大きい厚さを有し、それにより、音響送受信のＸ方向と反対のＸ’方向のバックローブ１３を減衰する。

λより大きい、あるいは２λ又は３λより大きくさえある筐体厚はそのような厚さを有する筐体を直接製造することにより得てもよい。不十分な初期厚さ有する筐体をすでに有する装置に対し、その内側形状が初期の筐体の外径に適合する第２の筐体が、このように得られた筐体の全厚がλより大きくなるように配置されてもよい。

第２の手段は、圧縮波に変換された横波のエネルギーを吸収するように筐体８の周りに吸収性被覆１７を配置することにある。モード変換に対し、吸収性被覆は、例えばポリマ樹脂である筐体より柔らかい材料で作られねばならない。発泡体層が吸収性構造の上に置かれて構造に第２の経路を与え、減衰を倍化してもよい。

第３の手段は吸収性被覆の表面に回折格子１９を置くことにある。回折格子１９は２分の１波長のオーダのピッチと深さを有する１次元回折格子でもよい。回折格子１９は２次元であってもよい。

第４の手段は吸収性被覆と回折格子の周りに反射性被覆１８を置いて吸収性媒体内の圧縮波に変換された横波の進行を増加することにある。反射性被覆１８は、例えば吸収性被覆と対照的な高インピーダンスを有する材料で出来た反射性覆いを備えてもよい。強いインピーダンス遮断が反射性材料に必要であり、これは金属でもよい。この構造は、反射性材料を絶縁して望まない方向の振動結合による送信を避けるために最終的には反射性材料に対するサスペンション手段を必要とする。サスペンション材料は好都合には粘弾性ポリマを含む。

好ましくは、反射層１８の表面は音源１６と１６’から見て形状が凹である。

サイドローブを減衰する手段が変換器軸から筐体の外側に向かって組み立てられる順序は重要であり、好ましくは上に指示された順序である。

同様に、バックローブを減らすために、減衰手段は筐体の裏面に置かれてもよい。

実施される種々の技術手段は、変換器指向性を改善し、サイドローブを低下させる付加的効果を有する。図５は図２のものと同じであるが、上に述べられた手段、より正確には反射性被覆を除く互いに積み重ねられた全ての手段が設けられたトンピルズ変換器の指向性図のシミュレーションを示す。図５において、ほとんど消滅したサイドローブの強い低下が観察できる。バックローブ１４も低下している。変換器指向性はこのように著しく改善される。

本発明の装置は従って電気音響変換器の指向性と感度を改善することを可能にする。

本発明は、変換器の外側筺体の軽度の変形により何れの型のソナーにも適合できる。

本発明は、詳細には図６の断面図に模式的に示されるようにヤヌス・ヘルムホルツ型変換器に適用される。ヤヌス・ヘルムホルツ変換器は、二つの圧電モータ１及び２１を備え、これら二つの圧電モータ１及び２１はそれぞれ同じ軸７に沿って揃えられて中心カウンタウェイト５に固定されている。各圧電モータ１、２１はプレストレスロッドによりホーン４、２４に接続される。二つのホーン４、２４は従って装置の軸７上の両端に位置する。筐体８、２８は各モータ／ホーンサブアセンブリ１及び４、２１及び２４を囲む。カウンタウェイトは金属プレートにより一方では筐体８に固定され、他方で筐体２８に固定される。各筐体８、２８の内部キャビティは流体で満たされる。トンピルズ変換器と関連して上に述べられた本発明と同様に、筐体８及び２８は、それらが音響軸７に直角な方向の送信及び／又は受信された音波を減衰するように変形されてもよい。二つの同軸共振器のそれぞれの筐体に直角な方向の波を減衰する一つ又はいくつかの手段を適用してもよい。第１の手段はλより大きい、好ましくは２λ又は３λに等しい厚さの筐体８及び２８を使用することにある。第２の手段は軸７に沿って縦方向に伸びる筐体の壁に吸収性被覆を固定することにある。第３の手段は吸収性被覆の表面に回折格子を置くことにある。第４の手段は吸収性被覆と回折格子の周りに反射性被覆を置いて吸収性媒体内の圧縮波に変換された横波の進行を増加することにある。

音響軸７に直角な音波を減衰するそのような手段が設けられたヤヌス・ヘルムホルツ変換器は改善された指向性を有する。

本発明はソナーアンテナにおいて特に有利な用途があるであろう。図７はソナーアンテナの正面図を模式的に示す。アンテナは複数の変換器を備える。図７の例において、トンピルズ型変換器の四つのホーンは同じ筐体８内で整列している。図７はソナーの片側に配置された吸収性被覆を示す。吸収性被覆の部分は、変換器のホーン４の軸７に沿って縦方向に伸びている筐体の他の側に配置されてもよい。吸収性被覆は、サイドローブの一つの送信方向の筐体の一つの壁に置かれ、その厚さはλより大きい。拡大断面図でソナーの下に示されるように、吸収性被覆１７は好都合には反射性媒体１８、及び回折格子１８と協同する。

吸収手段は筐体の外側に分離された要素を備えても、音響軸に垂直な平面内の筐体の周辺に連続被覆を備えてもよい。

本発明は従って実質的に同じ音響軸を有する一組の変換器で形成されたソナーアンテナのサイドローブを除去することを可能にする。本発明はそのようなソナーアンテナの指向性を、その後方拒絶と同様に実質的に改善することを可能にする。

本発明はまた、医用超音波プローブ又は４分の１波長板に使用される、いわゆる「ＳＡＷ」技術の圧電変換器、又は接着されたセラミック型の圧電変換器に応用される（"Diagnostic Ultrasound Imaging" ed. Elsevier, Thomas L. Szabo）。

１ 電気音響モータ
３ 電極
４ ホーン
５ カウンタウェイト
６ プレストレスロッド
７ 音響軸
８ 筐体
９ キャビティ
１０ オイル
１３ メインローブ
１４ バックローブ
１５ サイドローブ
１６ 音源
１７ 吸収性被覆
１８ 反射性被覆
１９ 回折格子
２１ 電気音響モータ
２４ ホーン
２８ 筐体

Claims (8)

1. 少なくとも一つの電気音響モータ（１、２１）と、
   内壁及び外壁を有するホーン（４、２４）と、
   カウンタウェイト（５）と、
   内壁及び外壁と少なくとも一つの音響開口を有する中空筐体（８、２８）と
   を備え、
   前記モータ（１、２１）は軸（７）に沿って一方では前記ホーン（４、２４）に接続され、他方では前記カウンタウェイト（５）に接続され、前記モータ（１、２１）は少なくとも一つの音響共振周波数ｆ近辺において前記ホーン（４、２４）を励起でき、
   前記筐体（８、２８）は前記カウンタウェイト（５）に接続され、前記モータ（１、２１）と前記ホーン（４、２４）を囲み、前記ホーンの前記外壁は前記筐体（８、２８）の音響開口に面しており、前記筐体（８、２８）の前記内壁と前記ホーンの前記内壁の間隙は流体（１０）を容れるキャビティ（９）を形成する、
   帯域幅を有する音波変換器であって、
   前記変換器は、前記軸（７）に直角な少なくとも一つの方向の前記周波数ｆの送信及び／又は受信音波を減衰するために前記筐体（８、２８）の前記外壁と一体の音響減衰手段を備えており、前記音響減衰手段は、前記筐体（８、２８）の外壁に固定されて前記軸（７）に直角な少なくとも一つの方向の前記周波数ｆの音波を吸収できる吸収性被覆（１７）を備え、そして前記音響減衰手段はさらに、前記吸収性被覆（１７）の表面に形成された回折格子（１９）を備え、該回折格子（１９）は前記変換器の帯域幅の音波を回折することができる
   ことを特徴とする音波変換器。
2. 前記筐体は前記軸（７）に沿って縦方向に伸びる厚さＥの壁を有し、前記厚さＥは、前記軸（７）に直角な少なくとも一つの方向の周波数ｆの前記音波の一部を吸収するために前記筐体内の前記周波数ｆに対応する音響波長λより大きいことを特徴とする請求項１に記載の変換器。
3. 前記減衰手段はさらに、前記回折格子（１９）を囲む反射性被覆（１８）と、前記反射性被覆（１８）と前記吸収性被覆（１７）の間を結合する前記音波を減衰できるサスペンション手段とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。
4. 前記反射性被覆（１８）はアルミで出来ており、前記吸収性被覆（１７）はポリマ樹脂又はシンタクチックフォームで出来ており、前記サスペンション手段は粘弾性ポリマで出来ていることを特徴とする請求項３に記載の変換器。
5. 前記反射性被覆（１８）は前記軸（７）に直角な方向に送信及び／又は受信される前記音波の一部を減衰するために丸みのある外形を有することを特徴とする請求項３ないし４の一つに記載の変換器。
6. 前記変換器は細長い圧電モータ（１）を備えるトンピルズ型変換器であり、前記モータ（１）は圧電部品と電極（３）の積層を備え、前記積層は対称軸（７）に沿って一端を介して前記ホーン（４）に接続され、他端を介して前記カウンタウェイト（５）に接続されることを特徴とする請求項１ないし５の一つに記載の変換器。
7. 前記変換器は二つの細長い圧電モータ（１、２１）を備えるヤヌス・ヘルムホルツ型変換器であり、その軸は互いに揃えられ、各モータ（１、２１）は圧電部品と電極の積層を備え、前記積層は対称軸に沿って一端を介してホーン（４、２４）に接続され、他端を介して前記二つのモータ（１、２１）に共通の中心カウンタウェイト（５）に接続され、前記変換器は各モータ／ホーンサブアセンブリを囲む二つの筐体（８、２８）を備えることを特徴とする請求項１ないし５の一つに記載の変換器。
8. 請求項１ないし７の一つに記載の変換器を複数備えるソナーアンテナであって、前記変換器が共通の筐体（８）に入れられるソナーアンテナ。

Images