JPS5846711B2 - ドプラソナ−ナドニオケル ソウジユシンソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水中超音波のドプラ効果を利用した対地対水、
または対物速度計の構成要素である電気から音響に、ま
た音響から電気に変換を行なう圧電素子等の振動子を有
する送受信装置に関するもので、船舶等に装備するため
の犠装を簡単にできるようにすると共に、海水温度、塩
分、流体変動等によって生ずる音速の影響を自動的に修
正し、且つ自動音速補正の原理に近付けることのできる
実際の装置を提供すべくなしたもので、送信音波と受信
音波との間に生ずるドプラ効果に基づいて速度を測定す
る送受波器において、接水側面が平面形状を有して且つ
反接水側面が同一方向に同一角度で傾斜する複数の傾斜
面を有する音波透過材を設け、該音波透過材の前記各傾
斜面に、背面材料を取付けてなり且つドプラスペクトル
の基となる海底に考えられる双曲線に沿って両翼方向に
広い範囲をカバーし得る指向性領域をもつ如くスウエプ
トウイフグ状の振動子を進行方向の長さが幅よりも長く
なるように複数個配置した振動子ユニットを備えたこと
を特徴とするドプラソナー等における送受信装置、に係
るものである。

従来の送受信装置を第１図について説明すると、１は船
底、２は送受波振動子、３は水温計測用ピックアップ、
４は空気抜配管であって、この従来の送受信装置には凹
所ａがあるため船底を伝わる気泡が凹所ａにたまって超
音波の妨害となり、音速補正のために水温計測を必要と
し、塩分補正を必要とする欠点があった。

この装置の凹所ａのために生ずる欠点を除去するため、
第２図に示すような音響透過材５を凹所ａに装着して音
波の送受波面が船底１と同一平面となるようにし、空気
溜りができて超音波の妨害となることを防ぐことも行な
われているが、音速補正が自動的に行なわれないので依
然として水温計測用ピックアップを必要としていた。

さらに空気溜りによる妨害、音速補正、塩分補正の問題
が生じないようにするため、振動子を外から見て平らな
ポケットの中に油浸して等温に保つようにしたものもあ
るが、加熱、等温保持機構を具えなければならない欠点
があった。

従来の振動子ユニットは一素子型で配列振動子を構成し
ないものであったため音速の自動補正ができず、空気溜
りが発生するため船底を伝わる気泡の影響が大きく、振
動子の貼り付は耐圧性能を十分に得ることが困難であり
、また圧電振動子は円板、正方形、長方形などであった
が、これらは受波スペクトルの形状を広帯域にするとい
う性質があり、そのために検出誤差が生じる問題があっ
た。

本発明はこのような欠点を除去したもので、まず自動音
速補正の原理を第３図について説明すると、速度υで走
行中の船６が水面７に対して角度θで前と後に送波周波
数ｆｔで海底８に向けて送波し、前と後の方向における
受波信号の周波数をそれぞれｆｒｌ、ｆｒ２とすると、 の関係がある。

ここでＣは水中の音速である。第４図は圧電振動子９の
断面図で厚さ方向である矢印方向に振動するもので従来
用いられていた１個のものと同じであるが、このような
振動子を複数個用い、第５図に示すように前方向に角度
θで送受波する振動子ｉｏ、１ｉ、後方向に角度θで送
受波する振動子１２．１３として配列することにより、 とすることができるものである。

ここにαは定数である。

式（２）の特徴は、船の速度υがｆｒｔｆｒ２だけに依
存し、他のものには依存しないことである。

次にその原理を第６図によって説明する。

振動子の距離をＤとすると、θ方向の水中超音波の波長
がＤ ｃｏｓθの整数倍となるとき、θ方向の超音波は
強め合い、 の関係ができる。

ここにｎは整数、λは水中超音波波長である。

である。

ここでり、ｎは次のようにしてきまる。振動子の大きさ
が決まり、送受波方向からθがきまり、水中の波長（平
均的なもの）λが与えられる。

次に式（３）よりｎ（１，２，３，・・・・・・・・・
）に対応したＤが表として求まる。

先にきめた振動子の大きさから、実際の配置に合うｎと
Ｄを選んできめる。

さらに詳述すると、水中の音速Ｃが温度、塩分等によっ
て変化すると水中超音波波長が変り、それに応じて式（
３）の条件にあう角度θが変るが、式（４）の定数αは
水中の音速Ｃに依存していないため式（４）は変らず、
したがって定数αは不変である。

角度θの方向を向けて設ける振動子１０，１１゜１２．
１３を式（３）を満足するような距離りをおいて配置す
ることにより得られる振動子群を並列接続することによ
って、これをドプラソナーの送波および受波に使用すれ
ば、水中音速変化に依存しない送受信装置を構成するこ
とができる。

これが自動音速補正の原理である。

原理的には第５図のように一方向に対して２個の振動子
があればよいわけであるが、第７図Ａのように３個の振
動子を１群としたり、第７図Ｂのように４個の振動子を
１群とするように複数個の振動子を配置（ルてもよい。

このように水中音速に依存しないようなドプラソナーの
送受信装置は、式（３）を満足させるように配列し、そ
れら振動子を電気的に並列に接続して構成するもので、
振動子の配列としては第５図、第７図Ａ１第７図Ｂのよ
うな例がある。

なお上述の原理を利用することにより、気中超音波を用
いた乗物の速度計、または地面に設置して用いる鉄道車
両、自動車等の速度検出装置にも全く同様に適用するこ
とができる。

この場合、Ｃは空気中の音の伝播速度となるのみで、そ
の他は船の場合と全く同じである。

上記した原理は、発振源が点でありスペクトルも線であ
る場合における理論上の原理であるが、実際上発振源が
点のように指向性をもたない場合には原理的に戒り立た
ない。

このため、発振スペクトルに指向性をもたせるべく振動
子を面形状にすることが考えふれるが、単に面形状にし
てもスペクトル幅の広がりにより誤差を生じて前記原理
から遠ざかってしまう問題がある。

本発明はこのような問題を解決する具体的な構成を提供
するものであり、以下にそれを詳述する。

第８図は本発明における振動子ユニットを支持する送受
信装置ハウジングの構造を示すもので、１５は鋳物また
は樹脂で一体に作ったハウジングであって、これを船底
１に取り付けるにあたっては船底１に予め船底補強リン
グ１４を溶接によって取り付けておき、船底補強リング
１４の上面に防水アスベスト１６を介在させてハウジン
グ１５を植込みボルト２２とナツトで固定する。

ハウジング１５の下面には後述する第９図、第１０図に
示す振動子ユニットを取り付けるための振動子ユニット
取付孔２５，２５が形成されている。

２３は振動子ユニットのケーブルを通す電線穴であって
、電線穴２３を通したケーブルは電線貫通金物１７を通
って端子台１８へ接続され、端子台１８からはさらに別
の電線が電線貫通金物１９を通って外に出る。

端子台１８の取り付けられている空間は防水用アスベス
ト１６をはさんで上ぶた２０でふたをされ、通しボルト
、ナツト２１で固く締められている。

上ぶた２０の上面には上ぶた２０を手で持つための上ぶ
た吊金具２４が取り付けである。

次に前記振動子ユニット取付孔２５内に取り付ける本発
明の送受信装置における振動子ユニットを第９図、第１
０図について説明する。

接水側面（海水に接する面）が平面を成し１１反接水側
面（船側の面）が同一方向に同一角度で傾斜する複数の
傾斜面を有する音波透過材２８を設け、該音波透過材２
８の前記各傾斜面には面形状を有し且つドプラシフトス
ペクトル幅を小さくする如く形成した振動子２６．２７
を設ける。

該振動子２６．２７の背面には、コルク、バルサ材等の
背面材料２９．３０を取り付け、これら背面材料２９．
３０をコート材料３１．３２と共に前記音波透過材２８
に接着し、リード線６２を導出するようにしている。

前記振動子２６．２７の傾斜角度と距離は式（３）に従
って求めた値にする。

これらを鋳物または樹脂で作った小さいハウジング３４
の中に入れ、フランジ面を互に接着しておく。

ケーブル６４は電線貫通金物３５を通してハウジング３
４の外に出るが、リード線６２とケーブル６４との境は
油等非圧縮性流体による耐圧液３３の漏れを防ぐため、
接着固め６３を施しておく。

耐圧液３３はプラグ３６の入口から充填して栓をする。

ハウジング３４はケーブル６４を通すため、第１０図の
ように一個所に溝を設けておくと都合がよい。

こうして出来た振動子ユニットのハウジング３４を第８
図に示すハウジング１５の振動子ユニット取付孔２５に
下から入れ、押えリング３７（第９図参照）と共に周囲
の取付穴に押えボルト３８を螺合して取り付ける。

振動子ユニットを正しくはめ込むため、フラット振動子
ユニット取付マーク５０，５１，５２，５３がハウジン
グ１５に付けてあり、さらにハウジング１５を船底１に
正しく取り付けるための送受信装置取付マーク５４．５
５もハウジング１５に付けられている。

第９図において４９は水密を保つためにＯリングをはめ
込む０１Ｊング溝であって、ハウジング１５内の水密は
、０リング溝４９にはめ込んだＯリング、電線貫通金物
１７、１９、防水アスベスト１６によって保っている。

このようにして組み立てた送受信装置は従来のような空
気抜配管４（第１図参照）がなく、端子台１８の収納ス
ペースがフラット振動子ユニット組込用の取付孔２５と
共にハウジング１５に一体になっていてシステム構成ユ
ニットを少なくすることができ、従来のような台管溶接
をせず船底補強リング１４を溶接すれば後は組立だけで
よく、振動子交換作業が従来に比べて容易である等の特
長を有している。

また振動子ユニットは平らな表面から斜め方向に超音波
の送受波指向特性を有し、自動音速補正ができ、振動子
の接着はくりが防止でき、コンパクトで扱いやすく、高
い圧力に耐える特長がある。

次に振動子の形状について説明する。

第１１図、第１２図は受波ドプラシフトスペクトル巾を
小さく、即ちスペクトル幅に対してその振幅を大きくす
ることができるようにした振動子の形状を示すもので、
振動子は複数個の配列により、第１４図においてドプラ
シフトスペクトルの基となる海底に考えられる双曲線４
４．４５間に沿い両翼方向に広い指向性領域４８をもつ
ようなスウエプトウイング（ｓｗｅｐｔ ｗｉｎｇ ：
飛行機の翼）状に形成されている。

第１１図は振動子３９を音波透過材４０に貼り付けた斜
視図であり、これを配列した状態の平面図が第１２図で
あって４１．４２は振動子の輪郭である。

振動子を第１１図、第１２図に示すような形状にせずに
もし複数個に切断されて全体として円形状を有する振動
子を用いるとすれば、その円形振動子が海底に作ると考
えられる指向性楕円４７（第１３図）は、ドプラシフト
スペクトルの基となる海底に考えられる双曲線４４．４
５の間を幅方向にカバーする面積が小さく、そのために
第１３図における周波数と振幅の関係を示す曲線４３か
ら明らかなようにスペクトルの幅に対してその高さが低
いものとなり、結果的にドプラシフトスペクトル幅が広
くなってドプラシフト周波数のデジタルカウント誤差を
生じ易い問題を有することになる。

これに対し、前記第１１図に示すスウエ振動子を第７図
Ａ、Ｂ及び第１２図のように配列することにより、第１
４図に示す如く海底に考えられる双曲線４４．４５間を
両翼方向に広範囲にわたってカバーする指向性領域４８
とすることができる。

即ち、前記比較例として示した複数個に分割され全体と
して円形状の振動子とした場合に比較して、前記第１１
図に示すようなスウエプトウイング形状の振動子３９を
第７図Ａ、Ｂ及び第１２図の如く船の進行方向に複数個
配置することにより、全体として、進行方向には前記円
形の場合の直径よりも長く、幅方向にはその直径より短
かくなるように形成する。

すると、海底に想定される指向性領域は、第１３図及び
第１４図から明らかなように、円形状の振動子によって
海底に想定される指向性楕円４７に対して、進行方向に
は短かく、幅方向には長い指向性領域４８となる。

従って曲線４３′で示すようにスペクトル幅に対してそ
の高さを高くすることができるので、結果的にドプラシ
フトスペクトル幅が狭くなり、ドプラシフト周波数のデ
ジタルカウント誤差を少なくして前記自動音速補正の原
理に近付けることができる。

上記から明らかなよう（ｆ１同一幅（第１３．１４図に
おける中心線４６方向の幅）の指向性領域、或いは同一
の面積の指向性領域であるならば、第１３図に示す円形
振動子の場合より第１１．１２図に示すようなスウエプ
トウイング形状の振動子の方が著しくドプラシフトスペ
クトル幅を狭くできる。

尚、振動子の数は第１２図のように２個で配列を組んだ
ものに限らず、２個以上なら何個でもよい。

第１５図、第１６図は振動子だけに注目し、上から見た
配置、大きさが概念的にわかるように描いたもので、第
１５図は２個の振動子５６．５７を配置したものであり
、第１６図は４個の振動子５８．５９，６０．６１を配
置したものである。

第９図に示す音波透過材２８が高圧に耐え、圧力によっ
て中心がへこむことがないようにするため、ハウジング
３４内下面および音波透過材２８の中心上面にそれぞれ
第１７図に示す音波の反射吸収材料６５、ピラー６６を
接着するとよい。

音波の反射吸収材料６５はコルク、バルサ材等で作り、
ハウジング３４からの音波の伝播を遮断してピラー６６
に直接雑音が乗ることを防ぐものである。

ピラー６６は金属、樹脂等で成形するのがよい。

第１８図は音波の反射吸収材料６５をハウジング３４の
内面に貼り付け、ハウジング３４から耐圧液３３を経て
振動子２６．２７（第９図参照）に雑音が伝播するのを
防ぐようにした状態を示す断面図である。

第１９図は第９図における振動子２７がその側面から雑
音をひろうことなく、音波透過材２８との接着面におけ
るはくりが起きないように音波の反射吸収材料６５を背
面材料３０と共にコート材料３２でおおった状態を示す
断面図であって、雑音に耐える振動子を作る場合には第
１８図の防音壁と合わせて用いることは特に大事である
。

第２０図は音波透過材２８とハウジング３４とが確実に
密着状態で接着され、内部から耐圧液３３（第９図参照
）が；嫡出しないようにしたもので、溝６７によって音
波透過材２８とハウジング３４とを確実に密着させて接
着し、取付穴３８に通すボルトにより、押えリング３７
と共に音波透過材２８とハウジング３４をタイトに一体
化する。

本発明は上述したように音波透過材における反振動子取
付面（接水側面）が平面形状を有していることにより空
気溜りが生ずることがなく、従って送受信装置取付に際
して空気抜配管が不要となるため従来よりも蟻装が簡単
になり、振動子の有効な配列により速度とドプラシフト
周波数との間に水温、塩分等音速に無関係な定数を作る
ことができるので、加熱、等温保持機を設けなくても自
動的に音速補正ができ、船底補強リングの溶接作業等据
付は作業が簡単であると共に、端子台が送受波器と一体
になっているためシステム構成ユニット数を少なくして
システムを簡単にすることが可能であり、水中の高圧力
に耐えると共に接着した振動子のはくりがおこりに＜＜
、更に受波ドプラシフトスペクトル巾を狭くできるよう
に振動子を形成していることにより、発振源を面形状と
して指向性をもたせた際の誤差を少なくして自動音速補
正の原理に近付けることができる優れた効果を有してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のドプラソナー用送受波器の縦断面図、第
２図は従来のドプラソナー用送受波器に装着した音響透
過材の断面図、第３図は自動音速補正の原理説明図、第
４図は圧電振動子の断面図、第５図は振動子の配置説明
図、第６図は配列振動子の原理説明図、第７図Ａは３個
の振動子による配列振動子の説明図、第７図Ｂは４個の
振動子による配列振動子の説明図、第８図は本発明によ
る送受信装置ハウジングの一実施例の縦断面ワ、第９図
は本発明による振動子ユニットの一実施例の縦断面図、
第１０図は第９図の平面図、第１１図は振動子の形状を
示す斜視図、第１２図は配列振動子の平面緊、第１３図
は円形面をもつ振動子による受波スペクトルの説明図、
第１４図は第１２図の配列振動子による受波スペクトル
の説明図、第１５図、第１６図は振動子の配置図、第１
７図はピラーの断面図、第１８図は防音壁の断面図、第
１９図は雑音を防ぐようにした振動子ユニットの要部断
面図、第２０図は振動子取付部分の要部断面図である。 １０．１１，１２，１３，２６，２７，３９゜５６．５
７，５８，５９，６０，６１・・・・・・振動子、Ｄ・
・・・・・振動子の距離、θ・・・・・・角度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 送信音波と受信音波との間に生ずるドプラ効果に基
   づいて速度を測定する送受波器において、接水側面が平
   面形状を有しはつ反接水側面が同一方向に同一角度で傾
   斜する複数の傾斜面を有する音波透過材を設け、該音波
   透過材の前記各傾斜面に、背面材料を取付けてなり且つ
   ドプラシフトスペクトルの基となる海底に考えられる双
   曲線に沿って両翼方向に広い範囲をカバーし得る指向性
   領域をもつ如くスウエプトウイフグ状の振動子を進行方
   向の長さが幅よりも長くなるように複数個配置した振動
   子ユニットを備えたことを特徴とするドプラソナー等に
   おける送受信装置。