JPH0344268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は、一般的に、ソナー・システムに使用
される電気／音響変換器に関するもので、さらに
具体的には、多ソナー・ビーム適合可能な電気／
音響変換器に関するものである。

(2) 先行技術についての説明 ソナー・システムは、船舶からある所望の方向
に投射された音エネルギーの細いビームを利用
し、これらの方向から反射されるエネルギーを受
信するものであり、例えば、米国特許第3257638
号であつて、1966年、ジヤツク・クリツツ、およ
びセイマー・Ｄ・ラーナーによるドプラ航法方式
に開示されたようなものである。従来、これらの
ビームは、伝播した、あるいは受信しようとする
音波の波長に比較して大いなる径を有する振動圧
電板によつて発生される。多ビームを利用する場
合、変換器のアンセンブリは、多数の必要な素子
を適合させるよう拡大されねばならない。先行技
術の多ビーム変換器は、取り付け、特に小型船舶
への取り付けに困難を生じ、また、より大きなゲ
ート弁、および必要なより強い構造支持体による
取り付け費用の増大を生じさせる。従つて、取り
付けを容易にし、付随する費用を軽減する、比較
的にコンパクトな多ビーム変換器が必要とされ
る。

(3) 本発明の概要 本発明の原理に従つて、ある特定の方向から音
響レンズ上に入射する平面波は、該レンズの焦点
面上の焦点領域に向けられる。該焦点領域の一点
に芯づけされた球状殻セグメント上に構成される
電気／音響変換器は、該焦点領域に向けられた全
音響エネルギーを実質的に傍受するための大きな
面を備えている。この電気／音響変換器は、送信
中、該変換器の関連した焦点領域がその信号源で
あるかのごとく、球面波を輻射する。そのような
球面波は、そこから球面波が発生したと思われる
焦点領域に相当する方向で音響レンズによつて平
面波に変換される。

本発明のある良好な実施例では、前記レンズ
は、両面凹状の固体ポリスチレンであり、シリコ
ーン・ラバーの内媒体に接合されている。三つの
圧電水晶変換器が、それぞれ中心のレンズ軸から
15度離れて、ビームを受信、あるいは変換するよ
う置かれている。各水晶とシリコーン・ラバーの
内媒体との間をさえぎつて金属製窓があり、プラ
スチツク整合部に従属している。

(4) 良好な実施例についての説明 本発明は、波長比率に対して必要な開口を与え
る音響的レンズの型式で一つの開口を用いる多ビ
ーム変換器を構成する装置に関するものである。

音響レンズの集束作用を描いた線図が第１図に
示されている。水の媒体１１を伝播する入射平面
音波１０の平行線は、前記音響レンズ１２に当
る。入射平面波を集束するため、前記レンズは、
両面凹状に選定され、音速が、水および他の隣接
する媒体１３におけるより大きくなるある媒体で
構成されている。前記集束作用は、まず、前記ビ
ームが前記レンズに入射する際、該ビームは、常
態からより低い屈折率のレンズ面へと屈折し、次
いで、該ビームが前記レンズから放出する際、常
態へと屈折することから起る。従つて、入射平面
音波１０は、このように構成された前記レンズに
よつて焦点１４に集束される。逆に、前記レンズ
を音波で照射している１４の点源によつて平行線
１０で描かれた平面波が投射される。この態様で
構成されたレンズの特徴は、平面波の入射方向と
前記レンズの焦点面における関連した焦点との独
特な相応関係である。簡単に言えば、異なる方向
から入射する平面波は、異なる焦点を有している
ということである。例えば、方向１５から入射す
る平面波は、点１６で集束される。従つて、多数
のこのような焦点が焦点面にあり、その各々の焦
点は音波を受信、もしくは投射するための異なる
ビーム方向を定めることができる。次いで、異な
る焦点に置かれた多数の小型電気／音響変換器
は、音響ビームを送信、および受信するのに利用
することができ、前記ビームの巾は前記レンズの
直径によつて特徴づけられるようにしている。

この装置を実現する上の主な問題は、前記小型
変換器を顕著な電力レベルで動作できないことで
ある。変換器近辺における媒体１３での音の強度
（単位面積当りのワツト）は、該変換器の面が小
さいため非常に強く、媒体の空洞化、および破壊
を生じさせる。さらに、変換器の損失によつて生
ずる熱消散が前記小型変換器面に閉じ込められ、
顕著な電力が供給された場合、高温を発生させ
る。本発明においては、かなりな面を有する大型
変換器が用いられ、前記焦点の前方に置かれてい
る。電気／音響変換器１７は球状殻セグメントの
型式で成形されており、その半径は、所望の焦点
に位置している。面要素は全て、球状のため、前
記焦点から同じ距離にあるので、前記電気／音響
変換器１７に当る線は、前記面において全て同相
である。従つて、レンズ１２で受信する音響エネ
ルギーは、全て、前記変換器により電気エネルギ
ーへ変換可能である。逆に、送信機として動作さ
せる際に、該変換器は、前記焦点１４がその信号
源であるかのごとく、球面波を輻射する。この装
置によつて得られる別の利点は、焦点位置におけ
る小さな変化は、性能における急激な変化を生じ
させないことだが、その理由は、わずかな位相ず
れの干渉のみで全音響線が依然として前記交換器
によつて包含されているためである。小型変換器
の素子を直接焦点に置くことによつて、焦点位置
における小さな変化が捕捉されたエネルギーにお
ける大きな変化を生じさせることができる。さら
に別の利点は、前記レンズの後方にある媒体１３
における距離は前記焦点にまで達する必要がない
ため、前記変換器の奥行きを浅くすることで実現
される。

本発明を具体化している代表的な構成が第２図
に示されている。架橋ポリスチレンから成る固体
レンズ１８は、直径3.375インチ（但し、１イン
チは約2.54センチ）、中心の厚さ0.187インチ、外
曲率半径13.3インチ、および内曲率半径3.74イン
チであり、その外面は水と接触しており、内面は
シリコーン・ゴムの媒体１９に接合されている。
図示の装置によつて、前記レンズの中心軸から
各々15度離れた三つの送信、および受信ビームを
与えている。この場合に、ラバー中の低い音速に
よつて、5.52インチという短かい焦点距離２０を
与えており、従つて、アセンブリの奥行きを、さ
らに浅くする。狭角２１は37度である。三つの球
状殻セグメント圧電水晶のうち、その一つは焦点
に芯づけされた水晶２２であり、もう一つは外曲
率半径1.587インチの焦点２３となつており、そ
れらが400キロ・ヘルツで共振するような厚さと
なつているが、前記水晶は、金属製支持体２４に
接合されている。各水晶と前記シリコーン・ラバ
ーの媒体とをさえぎつて、まず、プラスチツクの
整合部２６に従属する金属製窓２５がある。該金
属製窓は、半波長（この場合、0.311インチ）の
整数倍の厚さを有するアルミニウム球状殻セグメ
ントで、前記水晶に対して、構造的強度、および
熱伝達相方を与え、動作周波数で実質的に透過さ
せる。この場合、透過とは、すなわち、音波が２
つの境界を横切るための標準音波伝送係数から、
音波を送信する際の無視できる効果が生ずること
を言う。（例えば、1950年発刊のキンズラー、お
よびフレイ、ウイリー著“音響学の基礎”の149
頁から153頁を参照されたい。）前記整合部２６
は、やはり球状殻セグメントだが、1/4波長（本
実施例においては、0.065インチ）の奇数倍に等
しい厚さを有している。該整合部は、前記水晶の
電気端子で測定される際、前記ラバーの低音響イ
ンピーダンスを該水晶に与えるためのより高い値
に変換することによつて、良好な電気的特徴を与
える。本質的に、二つの目的が前記整合部によつ
てかなえられる。すなわち、帯域巾を広げ、前記
変換器の効率性を高めるのである。（1966年３月
発刊のジヨージ・コソフ著、「ソニツクス、およ
び超音波学に関するIEEE Transaction」SU−
13巻、第１号、“圧電磁器の性能に関するバツキ
ング、および整合の効果”を参照されたい。） 本発明は、その良好な実施例で説明されてきた
が、使用された用語は、説明のための用語であつ
て制限するものではなく、本発明の真の範囲およ
び精神から逸脱せずに、それより広い観点におい
て、添付の特許請求の範囲内で種々の変更がなさ
れうることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、両面凹状の音響レンズ、および関連
する球状殻セグメントの電気／音響変換器を前記
レンズの焦点作用を描く重量線図と共に示した概
要図であり、第２図は、本発明の良好な実施例の
横断面図である。 図中、１０は入射平面音波、１１は水の媒体、
１２は音響レンズ、１３は後方隣接媒体、１４は
入射平面音波の焦点、１５は１例としてのある入
射波、１６はその焦点、１７は電気／音響変換
器、１８は固体レンズ、１９はその隣接媒体であ
るシリコーン・ラバー、２０は焦点距離、２１は
狭角、２２は三つの球状殻セグメントのうちの１
つの水晶、２３は焦点の一つ、２４は金属製支持
体、２５は金属製窓、２６はプラスチツク整合部
を、夫々、示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平面状音波を送信および受信するための装置
   において、 焦点平面を有し、所定方向から入射する平面状
   音波を前記焦点平面内の焦点領域（この焦点領域
   は前記所定方向にそれぞれ対応する）へ収斂し、
   かつ前記焦点領域から放出される音波を前記所定
   方向に放射される平面状音波へ変換するためのレ
   ンズ手段１２，１８と、 各々が前記レンズ手段と前記焦点のそれぞれの
   一つとの間に配置され、前記焦点領域の前記それ
   ぞれの一つに中心を有する球状殻セグメントとし
   て形成された複数の電気−音響変換器とから成る
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置であつ
   て、前記レンズ装置は水の音響伝播速度よりも速
   い音響伝播速度を有する材料で構成された両面凹
   状音響レンズと、該レンズの材料を有する音響伝
   播速度より遅い音響伝播速度を有し、前記レンズ
   と前記複数音響変換器との間に位置決めされた音
   響伝播媒体とを備えていることを特徴とする上記
   装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、前記変換器と前記音響伝播媒体との間に位置
   決めされ、音響信号を伝播し、熱を伝達し、さら
   に構造的強度を与える窓装置と、該窓装置と前記
   音響伝播媒体との間に位置決めされ、該窓装置と
   該音響伝播媒体間に音響インピーダンス整合を与
   える整合装置とをさらに備えていることを特徴と
   する上記装置。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、前記両面凹状音響レンズはポリスチレンとな
   つていることを特徴とする上記装置。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載の装置におい
   て、前記音響伝播媒体はシリコーン・ラバーとな
   つていることを特徴とする上記装置。 ６ 特許請求の範囲第３項に記載の装置におい
   て、前記窓装置は入射音波の半波長を整数倍し厚
   さを有する球状殻セグメントとなつていること
   を、また、前記整合装置は前記入射音波の1/4波
   長を奇数倍した厚さを有する球状殻セグメントと
   なつていることを特徴とする上記装置。 ７ 特許請求の範囲第３項に記載の装置におい
   て、前記窓装置は金属となつていることを特徴と
   する上記装置。 ８ 特許請求の範囲第３項に記載の装置におい
   て、前記整合装置はプラスチツクとなつているこ
   とを特徴とする上記装置。 ９ 特許請求の範囲第７項に記載の装置におい
   て、前記金属はアルミニウムとなつていることを
   特徴とする上記装置。 １０ 特許請求の範囲第８項に記載の装置におい
   て、前記プラスチツクはエポキシとなつているこ
   とを特徴とする上記装置。 １１ 特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、
   第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９
   項、および第１０項に記載の装置において、前記
   変換器は、各々、圧電水晶となつていることを特
   徴とする上記装置。 １２ 特許請求の範囲第１１項に記載の装置にお
   いて、前記圧電水晶は３個あり、各々、前記レン
   ズ装置の前記中心軸から15度離れて位置決めされ
   ていることを特徴とする上記装置。