JP7201084B2 - 音波感受用光ファイバケーブル - Google Patents

Description

本発明は、音波感受用途を考慮した光ファイバケーブルの構造に関する。

近年、ＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensing）と呼称される光ファイバを用いて音及び振動をモニタリングする方法が開発されている。光が通過している光ファイバに音波を当てると、当該部分を通過する光が変調する。したがって、光ファイバ内の反射光及び透過光の変調を観測することによって、光ファイバの周囲における音波をモニタリングすることができる。

光ファイバの長手方向に略平行に進む音波は、当該長手方向に略垂直に進む音波に比較して、光ファイバ内を通過する光を変調させやすい。そのため、ＤＡＳを行う際には、光ファイバの長手方向に略垂直に進む音波は、長手方向に沿って進む音波に比較して、観測しにくいという指向性に留意する必要がある。

例えば特許文献１には、光ファイバを、所定の巻き径の芯材に、所定の角度で巻き付けることによって、指向性を平滑化したＤＡＳ用センシングの技術が開示されている。検出方法は異なるがセンシング用光ファイバを棒状の支持体にヘリカル状に巻く構成自体は特許文献２（国内関連文献 特開昭５８－０２８６３６号公報）にあるように光ファイバセンサの研究初期から用いられている。特許文献３（国内関連文献 特許第３５１７６９９号公報）には、光ファイバの一部を湾曲させた湾曲部において振動を検出する技術が開示されている。特許文献４には、歪みセンサとなる光ファイバをヘリカル巻きにする技術が開示されている。

国際公開第２０１３／０９０５４４号 米国特許第４５２４４３６号明細書 国際公開第２００３／００２９５６号 米国特許第７８９６０６９号明細書

発明者らは、音波感受用光ファイバケーブルに関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示されているように光ファイバがヘリカル巻きされた光ファイバケーブルを使用することによって、光ファイバケーブルの指向性を均すことができる。しかしながら、光ファイバのヘリカル巻きには特殊な製造工程,機械が必要となる。また光ファイバがケーブルの中心軸ではなく外縁部にあるため、ケーブルの曲げに対して光ファイバが伸ばされて破断しないような考慮などが必要となる。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、直線状の光ファイバを使用すると共に指向性が抑制可能である音波感受用光ファイバケーブルを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る音波感受用光ファイバケーブルは、
直線状のケーブルコアを被覆可能であると共に、前記ケーブルコアの長手方向に対して略垂直に入射した音波を屈折させて、前記ケーブルコアに前記音波を前記長手方向に対して斜めに入射させる音波屈折部、を有する被覆部を備える。

本発明によれば、直線状の光ファイバを使用すると共に指向性が抑制可能である音波感受用光ファイバケーブルを提供することができる。

第１の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。 第１の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。 入射角θｉと出射角θｏとの関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。 第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。 傾斜角θｔとケーブル入射角との関係を示すグラフである。 第３の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。 第４の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。 第５の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式図である。 第５の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。 第６の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。 第６の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。 第７の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルが備える被覆部斜視図である。 第７の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの被覆部取付作業の模式図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
一般的に光ファイバケーブルは、光ファイバ心線と、張力を支えるテンションメンバ、側圧を受け止めるパイプなどを束ねたものを、被覆材で覆う構成となっている。
本技術は被覆材部分に適用するのが代表的な実施例となるため、以下の説明においては、被覆材の内側にあるケーブル構造は説明を省略し、その部分をまとめて“ケーブルコア”と称する。

図１～３を参照して本発明の第１の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明を行う。図１は、第１の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。図２は、第１の実施形態に係る光ファイバケーブル音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図３は、入射角θｉと出射角θｏとの関係を示すグラフである。図１に示すように、音波感受用光ファイバケーブル１は、ケーブルコア１１、及びケーブルコア１１を覆う被覆部１０を備える。被覆部１０は、音波屈折部１２、及び隙間埋め部１３を備える。音波屈折部１２には、傾斜面１２ａが形成されている。なお、図１及び図２には、音波感受用光ファイバケーブル１に加えて、媒質Ｃを図示している。

ケーブルコア１１は、光ファイバ心線、テンションメンバ、及び耐側圧パイプ等を束ねたものである。光ファイバ心線は、強い張力や側圧が加わると、光の損失が増加し、場合によっては破損する虞がある。これに対してケーブルコア１１が備えるテンションメンバにより、光ファイバ心線に加わる張力が低減されている。また、ケーブルコア１１が備える耐側圧パイプにより、光ファイバ心線に加わる側圧が低減されている。

音波屈折部１２は、ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波を、屈折させることができる。

屈折された音波は、ケーブルコア１１の長手方向に対して斜めに進み、ケーブルコア１１中の光ファイバ心線に入射する。音波が光ファイバ心線に入射すると、入射部分を通過する光は変調する。したがって、光ファイバ心線の反射光及び透過光をモニタリングすることによって、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲における音波を観測することができる。

音波屈折部１２の形状は、ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波を屈折させることができる形状であれば、特に限定されない。例えば図１に示す例では、音波屈折部１２に傾斜面１２ａを設けることによってケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波を屈折させている。以下、本実施形態では、音波屈折部１２に傾斜面１２ａを設ける場合について説明する。

音波屈折部１２は、複数の直円錐状部材を連ねたような形状である。具体的には、直円錐状部材の頂点が他の直円錐状部材の底面の中央に接するように、複数の直円錐状部材を連ねた形状である。ケーブルコア１１は、複数の直円錐状部材の中心軸を貫いている。ここで、複数の直円錐状部材の側面のそれぞれを、傾斜面１２ａとする。

隙間埋め部１３は、音波屈折部１２を被覆する。隙間埋め部１３は、具体的には、図２に示すように、音波屈折部１２を形成する複数の直円錐状部材同士の隙間を埋めるように音波屈折部１２を被覆する。隙間埋め部１３を用いて音波屈折部１２を被覆することによって、被覆部１０の表面を、隙間埋め部１３を形成しない場合に比較してなめらかにすることができる。被覆部１０の表面がなめらかであると、保管時や移動時に引っかかりが生じにくい。したがって、音波感受用光ファイバケーブル１は、取扱がより容易である。

音波感受用光ファイバケーブル１は、傾斜面１２ａがケーブルコア１１の長手方向に対して傾斜している状態で使用される。音波感受用光ファイバケーブル１の周囲には、音波を伝播可能な媒質Ｃが存在する。音波屈折部１２は、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃと異なる音速を有する材料を用いて形成される。

音波屈折部１２は、好ましくは、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃ及び光ファイバ心線と音速が大きく異なりすぎない材料を用いて形成される。音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃの音速と音波屈折部１２の音速とが大きく異なる場合、媒質Ｃ中を伝播してきた音波が、媒質Ｃと音波屈折部１２との境界において反射しやすい。音波屈折部１２の音速と光ファイバ心線の音速とが大きく異なる場合、音波屈折部１２に入射した音波が、音波屈折部１２と光ファイバ心線との境界において反射しやすい。したがって、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃ及び光ファイバ心線と音速が大きく異なりすぎない材料を用いて音波屈折部１２を形成すると、各境界における光の反射を抑制することができる。

音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃは、例えば、空気、水、又は土である。ケーブルコア１１中の光ファイバ心線は、例えば、石英ガラスを用いて形成される。空気、水、土、及び石英ガラスの典型的な音速を下記の表１に示す。表１に示すように、光ファイバ心線は、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃよりも音速が大きな材料を用いて形成される。

被覆部１０は、樹脂状の材料を用いて形成されることが好ましい。当該樹脂状の材料は、例えば、テフロン（登録商標）、天然ゴム、ブタジエンゴム、低密度ポリエチレン（ＪＤＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ナイロン、ポリイミド、及びアクリル等から選択される１種以上である。当該樹脂状の材料の典型的な音速を表２に示す。

音波屈折部１２は、好ましくは、下記の数式（１）を満たす材料を用いて形成される。下記の数式（１）を満たす材料を用いて音波屈折部１２を形成すると、音波屈折部１２の音速が媒質Ｃの音速及び光ファイバ心線の音速と大きく異なりすぎない。但し、下記の数式（１）において、Ｖ_ｆ、Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｃは、それぞれ、ケーブルコア１１の音速、音波屈折部１２の音速、及び媒体の音速である。下記の数式（１）を満たすような材料は、媒質Ｃが水であり、かつ、光ファイバ心線が石英ガラス製である場合、例えば高密度ポリエチレンである。高密度ポリエチレンの音速は、２４６０ｍ／ｓである。

媒質Ｃ中をケーブルコア１１の長手方向に対して垂直に伝播する音波は、傾斜面１２ａに対して斜めに入射する。したがって、音波屈折部１２は、媒質Ｃ中をケーブルコア１１の長手方向に対して垂直に進む音波を屈折させることができる。屈折された音波は、ケーブルコア１１の長手方向に平行な成分を、屈折される前に比較して、多く含む。そのため、ケーブルコア１１中の光ファイバ心線を通過する光は、屈折された音波によって変調される。このようにして、音波感受用光ファイバケーブル１は、ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に媒質Ｃ中を伝播する音波を検知することができる。

なお、図１に示す例では、同じ形状の複数の直円錐状部材を用いて音波屈折部１２を形成する場合について説明した。しかしながら、複数の直円錐状部材の形状及び配置は、ばらつきがあってもよい。また、音波屈折部１２を形成する複数の直円錐状部材は、傾斜面１２ａに歪み等があってもよい。音波屈折部１２を形成する複数の直円錐状部材は、多少角が丸まっていてもよい。音波屈折部１２と隙間埋め部１３とは、多少混ざり合って形成されてもよい。音波屈折部１２と隙間埋め部１３とが混ざり合う場合、被覆部１０は分布レンズのように作用して音波を屈折させる。このように、被覆部１０は、製造時に高い精度を要求しない。そのため、音波感受用光ファイバケーブル１は、製造容易である。

第１の実施形態において、隙間埋め部１３は、音波屈折部１２に比較して音速が小さな材料を用いて形成されている。音波屈折部１２及び隙間埋め部１３は、好ましくは、媒質Ｃ、隙間埋め部１３、音波屈折部１２、光ファイバ心線、の順に音速が大きくなるような材料を用いて形成される。音波は、媒質Ｃ、隙間埋め部１３、音波屈折部１２、ケーブルコア１１の順で伝播される。したがって、媒質Ｃ、隙間埋め部１３、音波屈折部１２、光ファイバ心線、の順に音速が大きくなると、各境界における反射が抑制される。

被覆部１０は、媒質Ｃと隙間埋め部１３との境界において、媒質Ｃ中を伝播してきた音波を屈折させる必要がない。したがって、隙間埋め部１３は、好ましくは、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃと近い音速を有する材料を用いて形成される。つまり、隙間埋め部１３は、好ましくは、下記の数式（２）を満たす材料を用いて形成される。但し、下記の数式（２）において、Ｖ_Ｂは隙間埋め部１３の音速である。下記の数式（２）を満たすような材料は、媒質Ｃが水であり、光ファイバ心線が石英ガラス製であり、かつ、音波屈折部１２が高密度ポリエチレン製である場合、例えばブタジエンゴムである。ブタジエンゴムの音速は、１６１０ｍ／ｓである。媒質Ｃと近い音速を有する材料を用いて隙間埋め部１３を形成すると、媒質Ｃと隙間埋め部１３との境界における音波の反射を抑制することができる。

図２は、第１の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図２に示す矢印は、音波の進行方向を示す。入射角θｉは、傾斜面１２ａの法線と隙間埋め部１３における音波の進行方向とが成す角度である。出射角θｏは、傾斜面１２ａの法線と音波屈折部１２における音波の進行方向とが成す角度である。傾斜角θｔは、傾斜面１２ａとケーブルコア１１とが成す角度である。

第１の実施形態において、隙間埋め部１３は、音波屈折部１２に比較して音速が小さな材料を用いて形成されている。したがって、被覆部１０は、スネルの法則（Snell’s law）によって、出射角θｏが入射角θｉよりも常に大きくなる。そのため、入射角θｉが所定以上の場合、全反射が起こる。全反射が起こる入射角θｉの下限を臨界角θｃとする。臨界角θｃは、下記の数式（３）に示すように算出可能である。音波屈折部１２は、傾斜角θｔが臨界角θｃよりも小さくなるように設計される。傾斜角θｔが臨界角θｃよりも小さい場合、ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波は、隙間埋め部１３と音波屈折部１２との境界面において屈折可能である。

音波屈折部１２は、好ましくは、傾斜角θｔが臨界角θｃよりも１５°以上小さくなるように設計される。ケーブルコア１１の長手方向と成す角度が７５°以上の音波は、ケーブルコア１１の長手方向に平行な成分が少ない。傾斜角θｔが臨界角θｃよりも１５°以上小さくなるように音波屈折部１２を設計すると、ケーブルコア１１の長手方向と成す角度が７５°以上の音波を、音波屈折部１２において屈折させることができる。音波屈折部１２において屈折した音波は、ケーブルコア１１の長手方向に平行な成分が増えるため、光ファイバ心線を通過する光を変調させやすい。したがって、傾斜角θｔが臨界角θｃよりも１５°以上小さい音波屈折部１２を備える音波感受用光ファイバケーブル１を用いると、ケーブルコア１１の長手方向と成す角度が７５°以上の音波をモニタリングすることができる。

図３に、音波屈折部１２を高密度ポリエチレン製とし、かつ、隙間埋め部１３をブタジエンゴム製とした場合における入射角θｉと出射角θｏとの関係を示す。音波屈折部１２を高密度ポリエチレン製とし、かつ、隙間埋め部１３をブタジエンゴム製とすると、図３に示すように、臨界角θｃは、約４１°である。したがって、音波屈折部１２は、傾斜角θｔが４１°以下、好ましくは２６°以下となるように設計される。

第１の実施形態では、被覆部１０が隙間埋め部１３を備える場合について説明した。しかしながら、被覆部１０は、隙間埋め部１３を備えなくてもよい。被覆部１０が隙間埋め部１３を備えない場合、隙間埋め部１３に相当する部分に媒質Ｃが入り込む。被覆部１０が隙間埋め部１３を備えない場合、音波屈折部１２は、音波感受用光ファイバケーブル１の周囲に存在する媒質Ｃと異なる音速を有する材料を用いて形成される。

（第２の実施形態）
次に、図３～６を参照して、第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明する。図４は、第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。図５は、第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図６は、傾斜角θｔとケーブル入射角との関係を示すグラフである。図４に示すように、音波感受用光ファイバケーブル２は、図１に示す被覆部１０に代えて、被覆部２０を備える。被覆部２０は、音波屈折部２２、及び隙間埋め部２３を備える。その他の構成は、第１の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。なお、図４及び図５には、音波感受用光ファイバケーブル２に加えて、媒質Ｃを図示している。

音波屈折部２２は、図１に示す音波屈折部１２と同様に、複数の直円錐状部材を連ねた形状である。複数の直円錐状部材の側面のそれぞれを、傾斜面２２ａとする。ケーブルコア１１は、複数の直円錐状部材の中心軸を貫いている。隙間埋め部２３は、図１に示す隙間埋め部１３と同様に音波屈折部２２を被覆する。

第２の実施形態において、隙間埋め部２３は、音波屈折部２２に比較して音速が大きな材料を用いて形成されている。つまり、音波屈折部２２及び隙間埋め部２３は、下記の数式（４）を満たす材料を用いて形成されている。媒質Ｃが水であり、かつ、光ファイバ心線が石英ガラス製である場合、例えば、音波屈折部２２をブタジエンゴム製とし、かつ、隙間埋め部２３を高密度ポリエチレン製とすることによって、下記の数式（４）を満たすことができる。

図５は、第２の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図５に示す矢印は、音波の進行方向を示す。第２の実施形態において、隙間埋め部２３は、音波屈折部２２に比較して音速が大きな材料を用いて形成されている。したがって、被覆部２０は、スネルの法則によって、図５に示すように、出射角θｏが入射角θｉよりも常に小さくなる。したがって、隙間埋め部２３と音波屈折部２２との境界では、全反射が起こらない。そのため、音波屈折部２２は、傾斜角θｔに対して略平行な角度で入射した音波を屈折させることができる。また、音波屈折部２２において屈折された音波の進行方向は、入射角θｉが大きくなると、傾斜面２２ａの法線に略平行になるように集束する。

図３に、音波屈折部２２をブタジエンゴム製とし、かつ、隙間埋め部２３を高密度ポリエチレン製とした場合における入射角θｉと出射角θｏとの関係を示す。音波屈折部２２をブタジエンゴム製とし、かつ、隙間埋め部２３を高密度ポリエチレン製とすると、出射角θｏは、入射角θｉが４５°以上である場合に、２８°以上４１°以下に集束する。

ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波の音波屈折部２２における進行方向と、ケーブルコア１１の長手方向と、が成す角度を、音波傾斜角θｆとする。音波傾斜角θｆは、下記の数式（５）に示すように算出可能である。音波傾斜角θｆが小さい場合、ケーブルコア１１の長手方向に対して略垂直に入射した音波は、音波屈折部２２において屈折する際に、ケーブルコア１１の長手方向に対して平行な成分が多くなる。

上記の数式（５）に示すように、音波傾斜角θｆは、傾斜角θｔを大きくすると、小さくなる。したがって、音波屈折部２２は、傾斜角θｔが大きくなるように設計されることが好ましい。音波屈折部２２をブタジエンゴム製とし、かつ、隙間埋め部２３を高密度ポリエチレン製とした場合における、傾斜角θｔと音波傾斜角θｆとの関係を図６に示す。図６に示すように、傾斜角θｔが６７°以上となるように音波屈折部２２を設計することによって、音波傾斜角θｆを６０°以下にすることができる。

（第３の実施形態）
次に、図７を参照して、第３の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明する。図７は、第３の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。図７に示すように、音波感受用光ファイバケーブル３は、図１に示す被覆部１０に代えて、被覆部３０を備える。被覆部３０は、音波屈折部３２、及び隙間埋め部３３を備える。その他の構成は、第１及び第２の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。なお、図７には、音波感受用光ファイバケーブル３に加えて、媒質Ｃを図示している。

音波屈折部３２は、コルゲート管のような形状の部材である。音波屈折部３２は、具体的には、外側面に凹凸が繰り返し形成されている。したがって、音波屈折部３２は、長手方向に切断した際に、外側面が波状になる。ケーブルコア１１は、音波屈折部３２の中心軸を貫通している。音波屈折部３２の外側面に形成された凸部は、それぞれ一対の斜面を有する。凸部が有する一対の斜面を傾斜面３２ａ、３２ｂとする。隙間埋め部３３は、図１に示す隙間埋め部１３と同様に音波屈折部３２を被覆する。

第３の実施形態において、隙間埋め部３３は、音波屈折部３２に比較して音速が小さな材料を用いて形成されている。したがって、音波屈折部３２は、図１に示す音波屈折部１２と同様に、傾斜面３２ａにおける傾斜角及び傾斜面３２ｂにおける傾斜角が臨界角θｃよりも小さくなるように設計される。音波屈折部３２は、図７に示すように、角部を有さない。一般に、部材に角部を形成する場合、部材に角部を形成しない場合に比較して、高い精度で製造を行う必要がある。したがって、音波屈折部３２は、図１に示す音波屈折部１２に比較して、さらに製造が容易である。

音波屈折部３２は、傾斜面３２ａの傾斜角と傾斜面３２ｂの傾斜角とが異なるように形成されることが好ましい。傾斜面３２ａ、３２ｂの傾斜角が異なる場合、ケーブルコア１１の長手方向に対して垂直に音波が入射すると、傾斜面３２ａにおいて屈折された音波の音波傾斜角θｆと傾斜面３２ｂにおいて屈折された音波の音波傾斜角θｆとが異なる。したがって、傾斜面３２ａにおいて屈折された音波と傾斜面３２ｂにおいて屈折された音波は、完全には打ち消し合わずにケーブルコア１１に伝播する。

第３の実施形態では、被覆部３０が隙間埋め部３３を備える場合について説明した。しかしながら、被覆部３０は、隙間埋め部３３を備えなくてもよい。被覆部３０が隙間埋め部３３を備えない場合、隙間埋め部１３に相当する部分に媒質Ｃが入り込む。被覆部３０が隙間埋め部３３を備えない場合、音波屈折部３２は、図１に示した音波屈折部１２と同様に、音波感受用光ファイバケーブル３の周囲に存在する媒質Ｃと異なる音速を有する材料を用いて形成される。

（第４の実施形態）
次に、図８を参照して、第４の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明する。図８は、第４の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。図８に示すように、音波感受用光ファイバケーブル４は、図７に示す被覆部３０に代えて、被覆部４０を備える。被覆部４０は、音波屈折部４２、及び隙間埋め部４３を備える。その他の構成は、第１～３の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。なお、図８には、音波感受用光ファイバケーブル４に加えて、媒質Ｃを図示している。

音波屈折部４２は、図８に示す音波屈折部３２と同様に、コルゲート管のような形状の部材である。隙間埋め部４３は、図８に示す隙間埋め部３３と同様に、音波屈折部４２を被覆する。第４の実施形態において、隙間埋め部４３は、音波屈折部４２に比較して音速が大きな材料を用いて形成されている。したがって、音波屈折部４２は、図４に示す音波屈折部２２と同様に、傾斜角θｔが大きくなるように設計されることが好ましい。

（第５の実施形態）
次に、図９及び図１０を参照して、第５の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明を行う。図９は、第５の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式図である。図１０は、第５の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図９は、音波感受用光ファイバケーブル５の一部を欠き切った模式図である。図９に示すように、音波感受用光ファイバケーブル５は、図１に示す被覆部１０に代えて、被覆部５０を備える。

被覆部５０は、図１に示す音波屈折部１２に代えて、音波屈折部５２を備える。被覆部５０は、音波屈折部５２に加えて、補強部５４を備えていてもよいものとする。その他の構成については、第１～４の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。なお、図９及び図１０には、音波感受用光ファイバケーブル５に加えて、媒体Ｃを図示している。

音波屈折部５２は、紐状部材である。音波屈折部５２は、ケーブルコア１１の周囲に巻き付けられるように配置される。図９に示す例では、音波屈折部５２は、ケーブルコア１１の周囲にヘリカル巻きされている。音波屈折部５２は、紐状部材を丸めてリング状にしたものであってもよい。音波屈折部５２がリング状である場合、複数のリング状部材にケーブルコア１１を通すことによって、音波屈折部５２をケーブルコア１１の周囲に巻き付けるように配置する。

図９に示す音波屈折部５２は、横断面円形状の紐状部材である。したがって、図１０に示すように、音波屈折部５２は、媒質Ｃとの境界面が曲面である、そのため、ケーブルコア１１の長手方向に対して垂直に伝播してきた音波は、図１０に示すように、媒質Ｃと音波屈折部５２との境界面において屈折する。

図９及び図１０に示す例では、音波屈折部５２が横断面円形状の紐状部材である場合について説明した。しかしながら、音波屈折部５２は、媒質Ｃとの境界面が曲面又は傾斜面となっている紐状部材であれば、どのような形状の紐状部材であってもよい。音波屈折部５２は、例えば、横断面が半円状、台形状、及び三角形状等の紐状部材であってもよい。

図９に示す例では、被覆部５０が補強部５４を備えている。補強部５４は、中央に貫通孔が形成された管状部材である。ケーブルコア１１は、補強部５４に形成された貫通孔に挿入される。被覆部５０が補強部５４を備える場合、音波屈折部５２は、図９に示すように、補強部５４の周囲に巻き付けられる。被覆部５０が補強部５４を備える場合、被覆部５０が補強部５４を備えない場合に比較して、音波屈折部５２を巻き付ける際における音波屈折部５２の曲げ半径を大きくすることができる。

音波屈折部５２の曲げ半径が大きい場合、音波屈折部５２の曲げ外側が受ける引張力が、曲げ半径が小さい場合に比較して、小さい。そのため、音波屈折部４２の曲げ半径を大きくすることによって、音波屈折部５２の破損を抑制することができる。したがって、被覆部５０が補強部５４を備える場合、ケーブルコア１１の横断面積が小さい場合であっても、音波屈折部５２の破損を抑制することができる。

音波屈折部５２は、音波感受用光ファイバケーブル５の周囲に存在する媒質Ｃと異なる音速を有する材料を用いて形成される。音波屈折部５２は、音波感受用光ファイバケーブル５の周囲に存在する媒質Ｃ及びケーブルコア１１中の光ファイバ心線と音速が大きく異なりすぎない材料を用いて形成されることが好ましい。したがって、音波屈折部１２は、好ましくは、下記の数式（１）を満たす材料を用いて形成される。

被覆部５０が補強部５４を備える場合、補強部５４を形成する材料は、下記の数式（６）を満たすことが好ましい。下記の数式（６）を満たす材料を用いて補強部５４を形成すると、音波屈折部５２と補強部５４との境界、及び、補強部５４とケーブルコア１１との境界において、音波の反射が抑制される。但し、下記の数式（６）において、Ｖ_Ｄは、補強部５４の音速を示す。

被覆部５０は、図示しない隙間埋め部を備えていてもよい。図示しない隙間埋め部は、音波屈折部５２を被覆する。音波屈折部５２は、隙間埋め部によって被覆されると、巻き付けられた位置に固定される。また、被覆部５０が隙間埋め部を備えている場合、被覆部５０の表面の凹凸を抑制することができる。したがって、被覆部５０が隙間埋め部を備える音波感受用光ファイバケーブル５は、被覆部５０が隙間埋め部を備えない場合に比較して、取扱が容易である。

（第６の実施形態）
次に、図１１及び図１２を参照して、第６の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明を行う。図１１は、第６の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの模式断面図である。図１２は、第６の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルにおける音波の屈折を示す模式図である。図１１に示すように、音波感受用光ファイバケーブル６は、図２に示す被覆部１０に代えて、被覆部６０を備える。被覆部６０は、音波屈折部６２、及び隙間埋め部６３を備える。その他の構成については、第１～５の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。なお、図１１及び図１２には、音波感受用光ファイバケーブル６に加えて、媒質Ｃを図示している。

音波屈折部６２は、複数のペレット状部材である。複数のペレット状部材の形状は、特に限定されない。複数のペレット状部材の形状は、例えば、略球形状である。複数のペレット状部材の形状は、楕円体状、及び不定形状等であってもよい。複数のペレット状部材の大きさは、同じであってもよいし、ばらつきがあってもよい。図１１に示すように、音波屈折部６２は、隙間埋め部６３中に散在している。音波屈折部６２は、図１１に示す例では、隙間埋め部６３中においてペレット同士が互いに接触しない程度の密度で散在している。しかしながら、音波屈折部６２は、ペレット同士の間に隙間埋め部６３が入り込める程度の間隙が存在していれば、隙間埋め部６３中において収支同士が接触する密度で散在していてもよい。

音波屈折部６２は、音波感受用光ファイバケーブル６の周囲に存在する媒質Ｃと異なる音速を有する材料を用いて形成される。音波屈折部６２は、音波感受用光ファイバケーブル６の周囲に存在する媒質Ｃ及び光ファイバ心線と音速が大きく異なりすぎない材料を用いて形成されることが好ましい。また、隙間埋め部６３は、音波感受用光ファイバケーブル６の周囲に存在する媒質Ｃと近い音速を有する材料を用いて形成されることが好ましい。つまり、音波屈折部６２、及び隙間埋め部６３は、以下の数式（２）を満たす材料を用いて形成されることが好ましい。

（第７の実施形態）
次に、図１３及び図１４を参照して、第７の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの構成について説明を行う。図１３は、第７の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルが備える被覆部の斜視図である。図１４は、第７の実施形態に係る音波感受用光ファイバケーブルの被覆部取付作業の模式図である。図１３に示すように、音波感受用光ファイバケーブル７は、図１に示す被覆部１０に代えて、被覆部７０を備える。被覆部７０には、ケーブルコア取付孔７０ａ、及びスリット７５が形成されている。図１４には、音波感受用光ファイバケーブル７に加えて、治具９０を図示している。その他の構成については、第１～６の実施形態において説明した構成と同じであるため、重複した説明を適宜省略する。

被覆部７０は、図示しない音波屈折部を備え、さらに図示しない隙間埋め部を備えていてもよいものとする。被覆部７０は、例えば、第１～７の実施形態において説明した被覆部と同様の構成である。被覆部７０は、ケーブルコア１１を被覆する前に、予め形成される。被覆部７０には、中央にケーブルコア取付孔７０ａが形成されている。被覆部７０には、長手方向にスリット７５が形成されている。したがって、ケーブルコア１１に、予め形成された被覆部８０を、スリット７５から設置現場において取り付けることができる。

被覆部７０及びケーブルコア１１は、好ましくは、別途に保管される。被覆部７０及びケーブルコア１１は、通常、ドラムに巻き付けられて保管される。ケーブルコア１１は、被覆部７０に比較して細いため、１つのドラムに巻くことができる長さが長い。被覆部７０及びケーブルコア１１を設置する際には、ケーブルコア１１に被覆部７０を被せて設置する。ケーブルコア１１に被覆部７０を被せる方法は、特に限定されないが、例えば、図１４に示すように、治具９０を用いてスリット７５を広げて被覆部７０をケーブルコア１１に被せる方法が挙げられる。

これまで説明してきた、音波を屈折させる役目を持つ被覆部は、音波感受用光ファイバケーブルを太くする傾向があり、設置前の巻き取り保管や、取回しが困難になるという難点がある。そこでケーブルコアと被覆部を分けて製造,保管し、設置時に被覆部をケーブルコアに被せられるようにするのが本実施例である。

一般にケーブルは、ドラムに巻いて収容し、保管や運搬を行う。ケーブルが太いと１つのドラムに巻ける長さが短くなってしまうため、必要な長さに満たない場合は設置場所にてケーブルの接続作業が必要になる。高張力・耐水圧などの特殊なケーブルの場合は特に、接続加工の難易度が高く、作業環境の整っていないケーブル設置現場に専門の技術者と工具の持ち込みが必要となり、また工期も伸びてしまう。このような経済性の観点から、１つのドラムに巻ける長さはなるべく長いことが望ましい。一方、被覆部は、信号を長手方向に伝える必要性がないため、接続する必要が無く、多少の継ぎ目があっても効果に支障はない。

そこで、ケーブルコア１１と被覆部７０とを分けて製造,保管,運搬し、ドラムから巻きほぐしたケーブルコア１１に、被覆部７０を被せながら設置すればよい。このような場合の被覆部７０には図１３に示すようなスリット７５(背割り)を入れるのが一般的である。スリット７５を入れても被覆部７０の音波屈折の効果は損なわれない。その一方で、ケーブルコア１１と被覆部７０との境界での音波のスムースな伝達に考慮が必要である。ケーブルコア１１と被覆部７０との間になるべく間隙を生じないように密着させることが望ましい。

＜その他の実施の形態＞
なお、上述した各実施形態の被覆部は、一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成されていてもよい。一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部は、乾燥した状態で保管される。一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部は、吸水すると吸水前に比較して体積が膨張する。したがって、吸水膨張材を用いて被覆部の一部又は全てを形成すると、保管に要するスペースを抑制することができる。但し、一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部を備える音波感受用光ファイバケーブルは、望ましくは水中等の乾燥しない場所に設置される。一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部を備える音波感受用光ファイバケーブルは、乾燥状態が長く続かない場所であれば陸上に設置されてもよい。

一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部は、図１３に示す被覆部７０と同様に、ケーブルコア１１と別途に製造，保管されてもよい。一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成された被覆部は、乾燥した状態であると、１つのドラムに巻き付け可能な長さが長い。したがって、保管に要するスペースを抑制することができる。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、直線状の光ファイバを使用すると共に指向性が抑制可能である音波感受用光ファイバケーブルを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

この出願は、２０１９年６月１２日に出願された日本出願特願２０１９－１０９４３７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１～７ 音波感受用光ファイバケーブル
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ 被覆部
７０ａ ケーブルコア取付孔
１１ ケーブルコア
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２ 音波屈折部
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、６２ａ、７２ａ 傾斜面
１３、２３、３３、４３、６３ 隙間埋め部
５４ 補強部
７５ スリット
９０ 治具

Claims (6)

1. 直線状のケーブルコアを被覆可能であると共に、前記ケーブルコアの長手方向に対して略垂直に入射した音波を屈折させて、前記ケーブルコアに前記音波を前記長手方向に対して斜めに入射させる音波屈折部、を有する被覆部を備え、
   前記音波屈折部は、前記長手方向に対して傾斜する傾斜面を有する、
   音波感受用光ファイバケーブル。
2. 前記被覆部は、前記音波屈折部を被覆する隙間埋め部を備える、
   請求項１に記載の音波感受用光ファイバケーブル。
3. 前記ケーブルコアの音速、前記音波屈折部の音速、及び前記被覆部の周囲において前記音波を伝播する媒質の音速を、それぞれ、Ｖ_ｆ、Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｃとして、下記の数式（１）を満たす、
   請求項１～２のいずれか一項に記載の音波感受用光ファイバケーブル。
   

   
4. 前記ケーブルコアの音速、前記音波屈折部の音速、前記隙間埋め部の音速、及び前記被覆部の周囲において前記音波を伝播する媒質の音速を、それぞれ、Ｖ_ｆ、Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃとして、下記の数式（２）を満たす、
   請求項２に記載の音波感受用光ファイバケーブル。
   

   
5. 前記被覆部は、前記ケーブルコアと別個に製造,保管でき、設置前に当該ケーブルコアに取り付けられる、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の音波感受用光ファイバケーブル。
6. 前記被覆部は、一部又は全てが吸水膨張材を用いて形成されており、吸水すると吸水前に比較して体積が膨張する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の音波感受用光ファイバケーブル。

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