ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法
【課題】ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減すること。
【解決手段】ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、カバーを複数のファセットで分割して表現する手順と、トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、音線の進行方向を設定する手順と、音線の進行方向と、ファセットの座標とに基づいて、音線とファセットとの交点を求める手順と、音線の進行方向と、ファセットを表現する情報とに基づいて、交点でのファセットに対する音線の入射角度を求める手順と、音線の入射角度と音線の透過率との関係を示す透過情報と、ファセットに交わる音線の入射角度とから音線の透過損失を求める手順とを含むことを特徴とする。
【解決手段】ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、カバーを複数のファセットで分割して表現する手順と、トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、音線の進行方向を設定する手順と、音線の進行方向と、ファセットの座標とに基づいて、音線とファセットとの交点を求める手順と、音線の進行方向と、ファセットを表現する情報とに基づいて、交点でのファセットに対する音線の入射角度を求める手順と、音線の入射角度と音線の透過率との関係を示す透過情報と、ファセットに交わる音線の入射角度とから音線の透過損失を求める手順とを含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーナー装置用カバーの音響特性をシミュレーションによって試験する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船に設けられるソーナー装置は、音波を送受するトランスデューサと、トランスデューサを覆うカバーとが含まれる。音波はカバーを透過する際に、カバーの表面で反射して減衰することがある。よって、カバーは、実際に搭載される前に、あらかじめ自身の音響特性を試験されている必要がある。ここでいう音響特性とは、音波がカバーを透過する前後での音響損失や、カバーを音波が透過した後の音場を合成して得られるビームパターンのことをいう。
【０００３】
一般的にソーナー装置は大型であるため、カバーも大型となる。よって、カバーの音響特性を実寸大の試作品で試験するとなると、試験に要する手間、費用が増大する。そこで、例えば、非特許文献１には、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いて、トランスデューサの音響特性を解析するためのシミュレーション手法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】著者:Jaehwan Kim and Heung Soo Kim 題名:Finite element analysis of piezoelectric underwater transducers for acoustic characteristics 出典:Journal of Mechanical Science and Technology, Volume 23, Number 2 / 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＦＥＭを用いたシミュレーションによってカバーの音響特性を試験する場合、カバーは、１つのファセット（要素）の大きさが、音波の波長の１／１０程度の大きさになるように要素分割される必要がある。上述のように、一般的にカバーは大型である。よって、ＦＥＭを用いたシミュレーションによってカバーの音響特性を試験する場合、ファセットの数が多いために、シミュレーションに膨大な時間を要することがある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、前記カバーを複数のファセットで分割して表現する第１手順と、前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、前記音線の前記進行方向と、前記ファセットの座標とに基づいて、前記音線と前記ファセットとの交点を求める第３手順と、前記音線の前記進行方向と、前記ファセットを表現する情報とに基づいて、前記交点での前記ファセットに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ＦＥＭを用いた音響特性シミュレーション方法よりも、カバーを表現するファセットの数を低減できるため、シミュレーションに要する計算量を低減できる。よって、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、前記カバーを関数で表現する第１手順と、前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて前記音線と前記カバーとの交点を求める第３手順と、前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて、前記交点での前記カバーに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、カバーを関数で表現するため、カバーを複数のファセットで表現する場合よりも、シミュレーションに要する計算量を低減できる。よって、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【００１１】
本発明の好ましい態様としては、前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記音線は、前記複数の素子からそれぞれ少なくとも１つ射出されるものとして取り扱い、前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線の透過損失をそれぞれ求め、前記第５手順の後に、複数の前記透過損失を合計することで総合透過損失を算出する第６手順をさらに含むことが望ましい。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、前記第６手順では、さらに、前記音線が前記カバーを透過した後の音場を合成してビームパターンを計算することが望ましい。
【００１３】
本発明の好ましい態様としては、前記音線の進行方向に前記素子を投影したときの投影面積が大きい前記素子ほど、前記音線のレベルを補正するための重み付け係数を大きく設定し、前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線のレベルに、前記素子別に設定された前記重み付け係数を乗算して前記透過損失をそれぞれ求めることが望ましい。
【００１４】
本発明の好ましい態様としては、前記重み付け係数には、前記トランスデューサから射出される前記音波のビームパターンのうち、サイドローブを低減するための係数が含まれることが望ましい。
【００１５】
本発明の好ましい態様としては、前記音線には、前記カバーで反射した反射音線も含まれることが望ましい。
【００１６】
本発明の好ましい態様としては、前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記素子は、それぞれ複数の音線を射出するものとして取り扱い、前記第５手順では、前記透過率に基づいて、１つの素子から射出された前記複数の音線を、前記カバーを完全に透過する透過音線と、前記カバーで完全に反射する反射音線とに分類して前記透過損失を求めることが望ましい。
【００１７】
本発明の好ましい態様としては、前記カバーは、前記トランスデューサが射出する前記音波の波長の５倍以上の寸法となる部分を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、ソーナー装置を示す斜視図である。
【図２】図２は、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施形態１のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。
【図４】図４は、ワイヤーフレームで表現されたノーズコーンを示す斜視図である。
【図５】図５は、ファセット化されたノーズコーンの三次元モデルを示す斜視図である。
【図６】図６は、トランスデューサの三次元モデルを示す斜視図である。
【図７】図７は、走査角度を示す説明図である。
【図８】図８は、放射ビームパターンを示す説明図である。
【図９】図９は、送受波素子から射出された音線がファセットと交わる様子を示す説明図である。
【図１０】図１０は、透過損失実測方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、近傍界での音線を示す説明図である。
【図１３】図１３は、ファセットで音線が反射する様子を示す説明図である。
【図１４】図１４は、ファセットで音線ＢＭが反射する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、ソーナー装置を示す斜視図である。図１に示す本実施形態のソーナー装置１は、船に設けられて水中で使用される。ソーナー装置１は、トランスデューサ１０と、ノーズコーン２０とを備える。トランスデューサ１０は、音波を発生する。また、トランスデューサ１０は、音波を受ける。本実施形態のトランスデューサ１０は、音波を発生する時期と、音波を受ける時期とで２つの機能をタイムシェアする。トランスデューサ１０の形状は限定されないが、本実施形態では例えば、円筒の中心線ＣＬを含む仮想平面、または前記中心線ＣＬに平行な仮想平面で円柱を切った形状である。
【００２２】
トランスデューサ１０は、曲面部分が送受波部１１として機能する。トランスデューサ１０は、送受波部１１が振動することで送受波部１１から音波を発生する。また、トランスデューサ１０は、送受波部１１が音波を受けると、音波によって送受波部１１が振動させられる。トランスデューサ１０は、この送受波部１１の振動を電気信号に変換する。なお、トランスデューサ１０は、ソーナーや、センサーや、送受波器と呼ばれることもある。
【００２３】
ノーズコーン２０は、トランスデューサ１０を覆うカバーである。ノーズコーン２０の材料は、例えば、ゴムや、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ；Glass Fiber Reinforced Plastics）である。トランスデューサ１０を覆うカバーは、ノーズコーン２０に限定されず、半球形状のカバーでもよい。このようなカバーは、ドームと呼ばれる。また、トランスデューサ１０が船底に埋め込まれることもある。この場合、船底のうちトランスデューサ１０と対向する部分にカバーが設けられる。このようなカバーは、ウインドウと呼ばれる。本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０や、ドーム、ウインドウなど、形状に関わらずにカバーの音響特性を試験できる。次に、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を説明する。
【００２４】
図２は、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。図３は、実施形態１のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。図２に示す各手順は、図３に示すシミュレーション装置４０によって実行される。シミュレーション装置４０は、コンピュータである。シミュレーション装置４０は、１つの装置が図３に示す各機能を実現してもよいし、図３に示す各機能をそれぞれ別個に実現する複数の装置が電気的に接続されることで各機能を実現してもよい。なお、計算量によっては手動により以下の各手順を実行してもよいが、各手順に含まれる計算量は膨大になる傾向がある。よって、以下に説明する各手順は、コンピュータであるシミュレーション装置４０によって処理されると、ソーナー装置用カバーの音響特性をより迅速に試験できる。
【００２５】
図３に示すように、シミュレーション装置４０は、処理部４１と、記憶部４７とを備える。記憶部４７は、処理部４１が実行する手順を示すプログラムや、処理部４１によって生成された情報や、シミュレーション装置４０の入出力部（Ｉ／Ｏ：Input/Output）に電気的に接続される入力装置で入力された情報などを記憶する。処理部４１は、記憶部４７から必要な情報を取得したり、記憶部４７に情報を記憶させたりする。また、処理部４１は、三次元モデルを作成したり、ファセットを作成したり、必要な演算を行ったり、各種値を設定したり、次に実行する手順を判定したりする。
【００２６】
具体的には、処理部４１は、三次元モデル作成部４２と、ファセット作成部４３と、演算部４４と、各種値設定部４５と、判定部４６とを含む。三次元モデル作成部４２は、トランスデューサ１０や、ノーズコーン２０の三次元モデルを作成する。ファセット作成部４３は、三次元モデル作成部４２が作成した三次元モデルを複数のファセットで表現する。演算部４４は、記憶部４７に記憶されている式に値を代入することで演算を行う。各種値設定部４５は、シミュレーションに必要なパラメータ値を決定したり変更したりする。判定部４６は、シミュレーション装置４０が次にどの手順を実行するかを判定する。以下、シミュレーション装置４０が実行する一連の手順を説明する。
【００２７】
図４は、ワイヤーフレームで表現されたノーズコーンを示す斜視図である。図５は、ファセット化されたノーズコーンの三次元モデルを示す斜視図である。図２に示すステップＳＴ１０１で、図３に示す三次元モデル作成部４２は、図４に示すようなノーズコーン２０の三次元モデル２１を作成する。ここで、例えば、シミュレーション装置４０の記憶部４７には、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ：Computer Aided Design）を実現するためのプログラムがインストールされている。三次元モデル作成部４２は、このプログラム（ＣＡＤ）を記憶部４７から取得して図４に示す三次元モデル２１を作成する。
【００２８】
次に、ステップＳＴ１０２で、図２に示すファセット作成部４３は、図４に示す三次元モデル２１を図５に示すように、複数のファセット２２で分割して表現する。ファセット２２は、三角形または四角形の要素である。本実施形態では、ファセット２２は、三角形である。ここで、例えば、シミュレーション装置４０の記憶部４７には、ＦＥＭプリポストプロセッサを実現するためのプログラムがインストールされている。三次元モデル作成部４２は、このプログラム（ＦＥＭプリポストプロセッサ）を記憶部４７から取得して、ノーズコーン２０を図５に示すように複数のファセット２２で分割して表現する。
【００２９】
図６は、トランスデューサの三次元モデルを示す斜視図である。ここで、本実施形態では、トランスデューサ１０が円柱形状であると仮定した場合のトランスデューサ１０の中心線ＣＬに平行な軸をＹ軸とし、Ｙ軸と直交すると共に送受波部１１の周方向の中央と中心線ＣＬとを結ぶ軸をＺ軸とし、Ｙ軸とＺ軸とに直交する軸をＸ軸とする。図２に示すステップＳＴ１０３で、図３に示す演算部４４は、図６に示すように、トランスデューサ１０の送受波点１３の座標を決定する。ここで、トランスデューサ１０は、複数の送受波素子１２によって送受波部１１が構成される。本実施形態では、トランスデューサ１０は、Ｙ方向にｎ個、曲面部分の周方向に沿ってｍ個の送受波素子１２が配列されて送受波部１１が形成される。
【００３０】
送受波点１３は、例えば、各送受波素子１２の図心である。送受波点１３は、各送受波素子１２中の１点であればよく、送受波素子１２の図心に限定されない。本実施形態では、トランスデューサ１０は、複数の送受波点１３から、それぞれ１本ずつ音線を射出するものとして取り扱われる。送受波点１３の座標を決定するためには、例えば、まず、三次元モデル作成部４２は、トランスデューサ１０の三次元モデルを作成する。次に、演算部４４は、作成した三次元モデルに基づいて、各送受波点１３のＸ、Ｙ、Ｚそれぞれの座標を算出する。なお、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法で必要な情報は各送受波点１３の座標である。三次元で表現されたトランスデューサ１０のモデルは、シミュレーションによる試験には用いられない。よって、トランスデューサ１０の形状が複雑でないのであれば、手動の計算によって各送受波点１３のＸ、Ｙ、Ｚそれぞれの座標を算出して決定してもよい。
【００３１】
図７は、走査角度を示す説明図である。次に、図２に示すステップＳＴ１０４で、各種値設定部４５は、走査角度を設定する。ここで、走査角度について説明する。図７に示すように、トランスデューサ１０の送受波部１１は、円弧状である。よって、各送受波点１３から同じタイミングで音波が射出されると、中心線ＣＬを中心に走査線が広がることになる。しかしながら実際には、所望の方向をより精度よく探査するために、トランスデューサ１０は、前記所望の方向に向かう音波が、他の方向に向かう音波よりも強くなるように工夫される。以下、前記所望の方向を走査方向ＤＤという。この走査方向ＤＤは、音線ＢＭの進行方向と一致する。トランスデューサ１０は、図６に示す各送受波点１３から音波を射出するタイミングがそれぞれ調節されることにより、走査方向ＤＤが調節される。すなわち、トランスデューサ１０は、図７に示す走査角度が調節される。
【００３２】
走査角度は、図６に示すように、ＹＺ走査角度θと、ＸＺ走査角度φとが含まれる。例えば、図７に示すように、Ｘ軸方向の一方側Ａに配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、他方側Ｂに配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、他方側Ｂから一方側Ａに傾いた方向に向かって音波を発生させることになる。このとき、音波が進む方向とＺ軸との成す狭角がＸＺ走査角度φである。また、送受波部１１のＸ軸方向の中央部に配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、一方側Ａ及び他方側Ｂの両端側に配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、Ｚ軸方向、つまりトランスデューサ１０の正面方向に向かって音波を発生させることになる。トランスデューサ１０の真正面に向かってトランスデューサ１０が音波を発生する場合、ＸＺ走査角度φは０度である。
【００３３】
また、図６に示す複数の送受波点１３のうち、Ｙ軸方向の一方側Ｃに配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、他方側Ｄに配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、他方側Ｄから一方側Ｃに傾いた方向に向かって音波を発生させることになる。このとき、音波が進む方向とＺ軸との成す狭角がＹＺ走査角度θである。また、送受波部１１のＹ軸方に配列される各送受波点１３から同じタイミングで音波を射出すると、トランスデューサ１０は、Ｚ軸方向、つまりトランスデューサ１０の正面方向に向かって音波を発生させることになる。トランスデューサ１０の真正面に向かってトランスデューサ１０が音波を発生する場合、ＹＺ走査角度θは０度である。
【００３４】
次に、図２に示すステップＳＴ１０５で、各種値設定部４５は、図６に示す各送受波点１３の重み付け係数ＷＦを設定する。重み付け係数ＷＦは、送受波素子１２を走査方向ＤＤに投影したときの送受波素子１２の投影面積に基づいて設定される。例えば、各送受波素子１２の面積が同じでも、図７に示すＸＺ走査角度φが０度の時、送受波部１１の中央部に配置される送受波素子１２の投影面積は、送受波部１１の両端側に配置される送受波素子１２の投影面積よりも大きくなる。投影面積が大きくなればなるほど、走査方向ＤＤに向かう音波の強さも大きくなる。よって、例えば、ＸＺ走査角度φが０度の場合は、送受波部１１の中央部に配置される送受波点１３の重み付け係数ＷＦは、送受波部１１の両端側に配置される送受波点１３の重み付け係数ＷＦよりも大きく設定される。
【００３５】
図８は、放射ビームパターンを示す説明図である。重み付け係数ＷＦは、図８に示すサイドローブＢＰｓを低減するための係数が考慮されてもよい。サイドローブＢＰｓとは、放射ビームパターンのうち、メインローブＢＰｍ以外のローブである。メインローブＢＰｍとサイドローブＢＰｓとの差が大きくなるほど、ソーナー装置１は、走査方向ＤＤの探査をより精度よく行える。ソーナー装置１が実際に使用される際は、図６に示す複数の送受波素子１２で送受する音波のレベルを、各送受波素子１２で異ならせることでサイドローブＢＰｓの低減を図っている。ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、各送受波点１３の重み付け係数ＷＦを調節することで、サイドローブＢＰｓの低減を模擬する。重み付け係数ＷＦをサイドローブＢＰｓの低減を考慮した値とすることで、ソーナー装置１の実際の使用状況に近い設定でシミュレーションによる試験ができる。この場合、重み付け係数ＷＦは、例えば、各送受波素子１２の投影面積に応じた係数と、サイドローブＢＰｓの低減を目的とする係数とを乗算した値である。
【００３６】
図９は、送受波素子から射出された音線がファセットと交わる様子を示す説明図である。図２に示すステップＳＴ１０６で、図３に示す演算部４４は、図９に示すように、トランスデューサ１０の複数の送受波素子１２のうちの１つから射出された音線ＢＭがノーズコーン２０と交わる交点を算出する。すなわち、複数のファセット２２のうち音線ＢＭと交わるファセット２２を特定する。音線ＢＭは、複数の送受波素子１２のうちの１つから、ステップＳＴ１０４で設定された走査方向ＤＤに向かって直進するものとして取り扱われる。音線ＢＭがノーズコーン２０と交わる交点は、音線ＢＭが射出された送受波点１３の座標と、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φと、複数のファセット２２の位置情報とに基づいて算出される。ここでいう位置情報とは、各ファセット２２の位置を示す情報であって、例えば、三角形である各ファセット２２の頂点の座標である。
【００３７】
次に、図２に示すステップＳＴ１０７で、図３に示す演算部４４は、図９に示すように音線ＢＭとノーズコーン２０との交点での、ノーズコーン２０に対する音線ＢＭの入射角度αを算出する。入射角度αは、音線ＢＭとノーズコーン２０との交点での法線Ｖ１と、音線ＢＭとが成す狭角である。ここで、ノーズコーン２０は、曲面ではなく平面であるファセット２２によって表現されている。よって、入射角度αは、音線ＢＭが交わるファセット２２に直交する仮想線（Ｖ１）と、音線ＢＭとが成す狭角となる。入射角度αは、音線ＢＭが交わるファセット２２の傾きと、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φとに基づいて算出される。
【００３８】
次に、図２に示すステップＳＴ１０８で、図３に示す演算部４４は、音線ＢＭが交わるファセット２２での、音線ＢＭの透過損失ＩＬを算出する。透過損失ＩＬとは、音線ＢＭがノーズコーン２０を透過する際に損失するレベルの割合を示す値である。本実施形態では、透過率Ｔは音圧で捉えられる。透過率Ｔが音圧で捉えられる場合、透過損失ＩＬは、ノーズコーン２０を透過する前の音線ＢＭのレベルに、透過率Ｔを乗算することで求められる。一方、透過率Ｔがパワーで捉えられる場合、透過損失ＩＬは、ノーズコーン２０を透過する前の音線ＢＭのレベルに、透過率Ｔの二乗を乗算することで求められる。透過率Ｔは、ノーズコーン２０の材料と、図９に示す入射角度αとに基づいて変化する。透過率Ｔは、各種材料の特性を記載した文献に記載の理論値でもよいが、実測値であるとより好ましい。これは、ノーズコーン２０は、複数の材料で構成されることがあるためである。複数の材料で構成される材料の場合、透過率Ｔの理論値は、透過率Ｔの実測値と異なる傾向がある。次に、透過率Ｔの実測値を計測する方法を説明する。
【００３９】
図１０は、透過損失実測方法を示すフローチャートである。図１０に示すように、まず、ステップＳＴ２０１で、ノーズコーン２０と同じ材料で平板を作成する。次に、ステップＳＴ２０２で、平板の一方側に設けられた音波発生装置の平板に対する角度βを調節する。角度βは、入射角度αに相当する。次に、ステップＳＴ２０３で、音波発生装置から音波を発生させ、平板の他方側、すなわち音波発生装置とは反対側に設けられた受波器で平板を透過した音波のレベルを計測する。次に、ステップＳＴ２０４で、受波器で受けた音波のレベル、すなわち平板を透過した後の音波のレベルを、平板を透過する前の音波のレベルで除算する。これにより、角度βでの透過率Ｔを算出する。
【００４０】
次に、ステップＳＴ２０５で、すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了したか否かで次に実行するステップを決定する。すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了していない場合（ステップＳＴ２０５、Ｎｏ）、ステップＳＴ２０２で前回とは異なるように角度βを調節し、ステップＳＴ２０３以降の手順を実行する。すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了している場合（ステップＳＴ２０５、Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２０６で、演算部４４は、各角度βでの透過率Ｔの各値の間の値を補間する。各角度βでの透過率Ｔの各値の間は、直線で補間されてもよいし、スプラインによって補間されてもよい。次に、ステップＳＴ２０７で、各角度βのときの透過率Ｔを示す透過率情報を作成する。透過率情報は、角度βと、透過率Ｔとの関係を示す関数式でもよいし、角度βと、透過率Ｔとを対応づけたマップでもよい。以上により、一連の手順を終了する。
【００４１】
ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法の説明に戻る。図２にステップＳＴ１０８を実行すると、次に、ステップＳＴ１０９で、図３に示す判定部４６は、すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了したか否かで次に実行するステップを決定する。すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了していない場合（ステップＳＴ１０９、Ｎｏ）、ステップＳＴ１０６に戻り、ステップＳＴ１０６以降の各手順を実行する。つまり、複数の送受波点１３から射出されるすべての音線ＢＭに対して透過損失ＩＬを算出する。すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了している場合（ステップＳＴ１０９、Ｙｅｓ）、図３に示す演算部４４は、ステップＳＴ１１０を実行する。
【００４２】
ステップＳＴ１１０で、演算部４４は、総合透過損失ＩＬtotalを算出する。総合透過損失ＩＬtotalは、下記の式（１）で算出される。式（１）のＷＦｉは、複数の送受波点１３のうちのｉ番目の送受波点１３に設定された重み付け係数ＷＦである。ＩＬｉは、複数の送受波点１３のうちのｉ番目の送受波点１３から射出された音線ＢＭの透過損失ＩＬである。なお、式（１）の分母は、重み付け係数の総和であり、総合透過損失ＩＬtotalを正規化するためのものである。
【００４３】
【数１】
【００４４】
また、ステップＳＴ１１０で、演算部４４は、図８に示すようなビームパターンＥｔを形成する。ビームパターンＥｔは、下記の式（２）で算出される。式（２）のｊは、虚数単位である。ｋは、２π／λである。λは音線ＢＭの波長である。Ｘｉは、音線ＢＭを射出した送受波点１３のＸ座標、Ｙｉは、音線ＢＭを射出した送受波点１３のＹ座標である。θ及びφは、図６に示すように、走査方向ＤＤを示す角度である。θは、走査方向ＤＤをＹＺ平面に投影した際、ＹＺ平面上で走査方向ＤＤとＺ軸とが成す狭角である。φは、走査方向ＤＤをＹＸＺ平面に投影した際、ＸＺ平面上で走査方向ＤＤとＺ軸とが成す狭角である。なお、総合透過損失ＩＬtotalのみが必要な場合は、演算部４４は、ステップＳＴ１１０でビームパターンＥｔを形成する必要はない。本実施形態では、演算部４４は、総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成との両方を実行するものとして説明する。
【００４５】
【数２】
【００４６】
次に、ステップＳＴ１１１で、判定部４６は、すべての走査角度で、総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了したか否かで次のステップを決定する。本実施形態では、ＹＺ走査角度θが９０°〜±３０°の値の場合と、ＸＺ走査角度φが０°〜±３０°の値の場合とを試験するものとする。すべての走査角度で総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了していない場合（ステップＳＴ１１１、Ｎｏ）、シミュレーション装置４０は、ステップＳＴ１０４に戻り、ステップＳＴ１０４以降の各手順を実行する。すべての走査角度で総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了していない場合（ステップＳＴ１１１、Ｙｅｓ）、シミュレーション装置４０は、一連の手順の実行を終了する。
【００４７】
以上の一連の手順を実行することにより、シミュレーション装置４０は、総合透過損失ＩＬtotalを算出できると共に、ビームパターンＥｔを形成できる。ノーズコーン２０の開発者は、この手法で算出された総合透過損失ＩＬtotalと、この手法で形成されたビームパターンＥｔとに基づいて、ノーズコーン２０の音響特性を評価できる。そして、それぞれ設計が異なる複数のノーズコーン２０に対して、上述の一連の手順を実行することにより、ノーズコーン２０の開発者は、複数のノーズコーン２０の中から音響特性が良好なものを選定できる。
【００４８】
ここで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、ＦＥＭを用いたシミュレーション方法よりも１つのファセット２２の大きさを大きくしても実用に足る精度を実現できる。例えば、ＦＥＭを用いたシミュレーション方法の場合、１つのファセットの１辺の大きさは、音波の波長の１／１０以下が妥当である。しかしながら、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、１つのファセット２２の１辺の大きさが音波の波長以上の大きさであっても、音線ＢＭのノーズコーン２０に対する入射角を必要十分な精度で再現できる程度にノーズコーン２０の形状を再現できていれば、必要十分な精度での試験を実現できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０を表現するために要するファセット２２の数を低減できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【００４９】
ここで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、本来波である音波を線として取り扱う。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、試験対象であるノーズコーン２０の大きさが大きいほど、より精度よくノーズコーン２０の音響特性を試験できる。これは、試験対象が小さくなればなるほど、音波の粒子性よりも波動性が試験結果に影響を及ぼすためである。実用に足る精度を確保するためには、ノーズコーン２０は、波長の５倍以上の寸法となる部分を有する程度の大きさであると好ましい。なお、水中での音速はおよそ１５００ｍ／ｓである。よって、音波の波長を５０ｋｈｚとすると、一波長はおおよそ３０ｍｍとなる。
【００５０】
（実施形態２）
図１１は、実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。図１２は、実施形態２のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。以下、上述の実施形態とは異なる点について説明する。カバーの形状が図４に示すように複雑な場合は、図５に示すように複数のファセット２２でカバーを分割して表現する。しかしながら、例えば、カバーが半球型のドームの場合や、一定の曲率を有する曲面で構成される場合のように、カバーの形状を関数で表現できる場合がある。このような場合は、図１１に示す実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いると好ましい。
【００５１】
本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、図２に示すステップＳＴ１０１が省略され、ステップＳＴ１０２に代えてステップＳＴ３０１を含む。図１１に示すステップＳＴ３０２からステップＳＴ３１０の各手順は、図２に示すステップＳＴ１０３からステップＳＴ１１１の各手順と同様である。図１２に示す本実施形態のシミュレーション装置５０は、図３に示すファセット作成部４３に代えて、関数作成部５３を有する。関数作成部５３は、カバーの形状を表現する関数を作成する。
【００５２】
まず、ステップＳＴ３０１で、図１２に示す関数作成部５３は、カバーの形状を表現する関数を作成する。そして、ステップＳＴ３０５では、演算部４４は、前記関数と、音線ＢＭが射出された送受波点１３の座標と、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φとに基づいて、トランスデューサ１０の複数の送受波素子１２のうちの１つから射出された音線ＢＭがカバーと交わる交点を算出する。
【００５３】
本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、カバーを複数のファセット２２に分割して表現する必要がないため、必要な計算量をさらに低減できる。例えば、レイトレーシングにより交点を有するファセットを総当りで探索する場合、Ｍの射出点と、Ｎのファセットがあり、１つの交点あたりに要する探索単位時間をΔｔとすると、探索時間は、Ｍ×Ｎ×Δｔ／２前後が期待される。一方、関数で形状を表現できる場合、探査時間は、Ｍ×Δｔ以内が期待できる。結果として、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間をさらに低減できる。なお、カバーの形状にもよるが、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いた場合、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法よりもさらに、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を１／ファセット数〜１／０．１×ファセット数、程度に低減できる。
【００５４】
（実施形態３）
図１３は、近傍界での音線を示す説明図である。図１３に示す仮想送受波部（仮想開口）３１は、トランスデューサ１０と観測点３２とを結ぶ方向にトランスデューサ１０を投影したときの投影図である。観測点３２にはハイドロフォン（水中マイクロフォン）が設置されているものとする。図１３では、仮想送受波部３１が観測点３２に向けて音線ＢＭを射出するものとして取り扱う。仮想送受波部３１は、平板であると仮定する。ここで、ソーナー装置による探査の観測点までの距離によっては、トランスデューサから射出される複数の音線がそれぞれ観測点に到着するまでに、音線ごとに位相差が発生することがある。図１３に示すように、仮想送受波部３１と観測点３２との距離をＲとする。観測点３２から半径Ｒの円弧を描くと、円弧と仮想送受波部３１との間に隙間が生じる。この隙間が各音線ＢＭの位相差に相当する。
【００５５】
ここで、半径Ｒが大きいほど、円弧と仮想送受波部３１との間の隙間は小さくなる。つまり、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が大きくなるほど、各音線ＢＭの位相差が小さくなる。これにより、試験の精度は上昇する。一方で、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が小さくなるほど、各音線ＢＭの位相差が大きくなる。よって、試験の精度は低下する。具体的には、半径Ｒが、仮想送受波部３１のＸ方向の大きさである寸法Ｅの二乗を音波の波長λで除算した値以上であれば、各音線ＢＭの位相差が最大でも１／８波長以内となる。よって、上述の実施形態１及び実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法でも実用に足る精度を実現できる。半径Ｒが、寸法Ｅの二乗を波長λで除算した値よりも小さくなる場合は、実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いると好ましい。
【００５６】
実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法が含む各手順は、図２や図１１に示す各手順と同様であるが、図２に示すステップＳＴ１１０及び図１１に示すステップＳＴ３０９で用いる式が異なる。実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、下記の式（３）を用いてビームパターンＥｔを形成する。式（３）のＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚは、それぞれ観測点３２のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標である。Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉはそれぞれ、音線ＢＭを発射した送受波点１３のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標である。
【００５７】
【数３】
【００５８】
上記の式（３）を用いることにより、本実施形態のシミュレーション装置は、各送受波点１３から観測点３２までの距離の差を考慮してビームパターンＥｔを形成できる。よって、実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が近傍である場合、すなわち半径Ｒが、寸法Ｅの二乗を波長λで除算した値よりも小さくなる場合であっても、実用に足る精度でカバーの音響特性をシミュレーションによって試験できる。
【００５９】
（実施形態４）
図１４は、ファセットで音線ＢＭが反射する様子を示す説明図である。音波は、ノーズコーン２０に当たると、その一部がトランスデューサ１０側に向かって反射することがある。このノーズコーン２０で反射した音波を反射音波とする。上述のように、トランスデューサ１０は、音波を射出する時期と、音波を受ける時期とが別である。よって、音波を射出してから、音波を受ける機能に切り替わるまでの時間が、反射音波が減衰するのに要する時間よりも長く設定されていれば、反射音波に起因する探査精度の低下を抑制することはできる。しかしながら、より厳密にノーズコーン２０の音響特性を試験するのであれば、反射音波を考慮したシミュレーション方法で試験すると好ましい。以下、反射音波を考慮したシミュレーション方法の一例を説明する。
【００６０】
ここで、ノーズコーン２０で音線ＢＭが反射する場合、実際には、音線ＢＭは、ノーズコーン２０を透過する透過音線と、ノーズコーン２０で反射する反射音線とに分割されることになる。透過音線のレベルと、反射音線のレベルとの比は、音線ＢＭがノーズコーン２０に衝突した入射角度αによって変化する。この現象をシミュレーションによる試験に取り込む。この場合、音線ＢＭがノーズコーン２０に最初に衝突した際に、音線ＢＭは、透過音線と透過音線とに分割される。そして、反射音線が再度ノーズコーン２０に衝突した際、反射音線はさらに透過音線と反射音線とに分割される。
【００６１】
しかしながら、この場合、反射音線がノーズコーン２０に衝突を繰り返すたびに音線が増加することになる。そこで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、モンテカルロ法が用いられる。具体的には、本実施形態では、音線ＢＭは、送受波点１３から複数射出されるものとして取り扱う。そして、送受波点１３から射出された複数の音線ＢＭは、図１４に示すように、ノーズコーン２０を完全に透過する透過音線ＢＭ２と、ノーズコーン２０で完全に反射される反射音線ＢＭ１とに分類される。
【００６２】
反射音線ＢＭ１と、透過音線ＢＭ２との比は、透過率Ｔに応じた値とする。つまり、例えば、透過率Ｔの二乗の絶対値である透過係数が６０％であるならば、送受波点１３から射出された複数の音線ＢＭのうちのおよそ６０％が透過音線ＢＭ２となり、およそ４０％が反射音線ＢＭ１となる。なお、図１４では、説明の便宜上、送受波素子１２の異なる点から音線ＢＭが射出されているが、実際は、音線ＢＭは、送受波点１３の一点から複数射出されるものとして取り扱われる。
【００６３】
下記の式（４）は、複素透過係数を示す式である。下記の式（４）に示す複素透過係数のうち、ｅｘｐ（ｊα）が位相項となる。本実施形態のシミュレーション装置は、透過音線ＢＭ２に当該位相項を適用し、レイトレーシングを継続する。つまり、本実施形態のシミュレーション装置は、ノーズコーン２０を透過後の透過音線ＢＭ２の軌跡を再現する。また、本実施形態のシミュレーション装置は、反射音線ＢＭ１に反射位相項であるｅｘｐ（ｊπ）を適用してレイトレーシングを継続する。本実施形態では、透過率Ｔが音圧で捉えられるため、位相項は、透過率Ｔに乗算される。なお、透過率Ｔがパワーで捉えられる場合、位相項は、透過率Ｔの二乗に乗算される。
【００６４】
【数４】
【００６５】
これら反射音線ＢＭ１及び透過音線ＢＭ２のすべてに対して、図２や、図１１に示す一連の手順を実行することにより、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０で音波が反射する現象を考慮した総合透過損失ＩＬtotalを算出し、ビームパターンＥｔを形成できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、より現実に近い現象を再現して、より好適にノーズコーン２０の音響特性を試験できる。
【００６６】
ここで、上記の各実施形態では、シミュレーション装置単体がすべての手順を実行するものとして説明したが、複数の装置で別々に各手順を実行してもよい。例えば、総合透過損失ＩＬtotalを算出しビームパターンＥｔを形成する演算ソフトウェアがインストールされたコンピュータに、ＣＡＤやＦＥＭプリポストプロセッサがインストールされたコンピュータで作成されたデータを受け渡してもよい。また、一台のコンピュータに、前記演算ソフトウェアと、ＣＡＤと、ＦＥＭプリポストプロセッサとが別個にインストールされ、これらのソフトウェア間でデータを受け渡すことで各手順を実行してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性の試験に有用であり、特に、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減することに適している。
【符号の説明】
【００６８】
１ ソーナー装置
１０ トランスデューサ
１１ 送受波部
１２ 送受波素子
１３ 送受波点
２０ ノーズコーン
２１ 三次元モデル
２２ ファセット
３１ 仮想送受波部
３２ 観測点
４０ シミュレーション装置
４１ 処理部
４２ 三次元モデル作成部
４３ ファセット作成部
４４ 演算部
４５ 種値設定部
４６ 判定部
４７ 記憶部
５０ シミュレーション装置
５３ 関数作成部
ＢＭ 音線
ＢＭ１ 反射音線
ＢＭ２ 透過音線
ＢＰｍ メインローブ
ＢＰｓ サイドローブ
ＣＬ 中心線
ＤＤ 走査方向
Ｅｔ ビームパターン
ＩＬ 透過損失
ＩＬtotal 総合透過損失
Ｔ 透過率
ＷＦ 重み付け係数
α 入射角度
β 角度
θ ＹＺ走査角度
λ 波長
φ ＸＺ走査角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーナー装置用カバーの音響特性をシミュレーションによって試験する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船に設けられるソーナー装置は、音波を送受するトランスデューサと、トランスデューサを覆うカバーとが含まれる。音波はカバーを透過する際に、カバーの表面で反射して減衰することがある。よって、カバーは、実際に搭載される前に、あらかじめ自身の音響特性を試験されている必要がある。ここでいう音響特性とは、音波がカバーを透過する前後での音響損失や、カバーを音波が透過した後の音場を合成して得られるビームパターンのことをいう。
【０００３】
一般的にソーナー装置は大型であるため、カバーも大型となる。よって、カバーの音響特性を実寸大の試作品で試験するとなると、試験に要する手間、費用が増大する。そこで、例えば、非特許文献１には、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いて、トランスデューサの音響特性を解析するためのシミュレーション手法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】著者:Jaehwan Kim and Heung Soo Kim 題名:Finite element analysis of piezoelectric underwater transducers for acoustic characteristics 出典:Journal of Mechanical Science and Technology, Volume 23, Number 2 / 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＦＥＭを用いたシミュレーションによってカバーの音響特性を試験する場合、カバーは、１つのファセット（要素）の大きさが、音波の波長の１／１０程度の大きさになるように要素分割される必要がある。上述のように、一般的にカバーは大型である。よって、ＦＥＭを用いたシミュレーションによってカバーの音響特性を試験する場合、ファセットの数が多いために、シミュレーションに膨大な時間を要することがある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、前記カバーを複数のファセットで分割して表現する第１手順と、前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、前記音線の前記進行方向と、前記ファセットの座標とに基づいて、前記音線と前記ファセットとの交点を求める第３手順と、前記音線の前記進行方向と、前記ファセットを表現する情報とに基づいて、前記交点での前記ファセットに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ＦＥＭを用いた音響特性シミュレーション方法よりも、カバーを表現するファセットの数を低減できるため、シミュレーションに要する計算量を低減できる。よって、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、前記カバーを関数で表現する第１手順と、前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて前記音線と前記カバーとの交点を求める第３手順と、前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて、前記交点での前記カバーに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、カバーを関数で表現するため、カバーを複数のファセットで表現する場合よりも、シミュレーションに要する計算量を低減できる。よって、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【００１１】
本発明の好ましい態様としては、前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記音線は、前記複数の素子からそれぞれ少なくとも１つ射出されるものとして取り扱い、前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線の透過損失をそれぞれ求め、前記第５手順の後に、複数の前記透過損失を合計することで総合透過損失を算出する第６手順をさらに含むことが望ましい。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、前記第６手順では、さらに、前記音線が前記カバーを透過した後の音場を合成してビームパターンを計算することが望ましい。
【００１３】
本発明の好ましい態様としては、前記音線の進行方向に前記素子を投影したときの投影面積が大きい前記素子ほど、前記音線のレベルを補正するための重み付け係数を大きく設定し、前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線のレベルに、前記素子別に設定された前記重み付け係数を乗算して前記透過損失をそれぞれ求めることが望ましい。
【００１４】
本発明の好ましい態様としては、前記重み付け係数には、前記トランスデューサから射出される前記音波のビームパターンのうち、サイドローブを低減するための係数が含まれることが望ましい。
【００１５】
本発明の好ましい態様としては、前記音線には、前記カバーで反射した反射音線も含まれることが望ましい。
【００１６】
本発明の好ましい態様としては、前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記素子は、それぞれ複数の音線を射出するものとして取り扱い、前記第５手順では、前記透過率に基づいて、１つの素子から射出された前記複数の音線を、前記カバーを完全に透過する透過音線と、前記カバーで完全に反射する反射音線とに分類して前記透過損失を求めることが望ましい。
【００１７】
本発明の好ましい態様としては、前記カバーは、前記トランスデューサが射出する前記音波の波長の５倍以上の寸法となる部分を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、ソーナー装置を示す斜視図である。
【図２】図２は、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施形態１のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。
【図４】図４は、ワイヤーフレームで表現されたノーズコーンを示す斜視図である。
【図５】図５は、ファセット化されたノーズコーンの三次元モデルを示す斜視図である。
【図６】図６は、トランスデューサの三次元モデルを示す斜視図である。
【図７】図７は、走査角度を示す説明図である。
【図８】図８は、放射ビームパターンを示す説明図である。
【図９】図９は、送受波素子から射出された音線がファセットと交わる様子を示す説明図である。
【図１０】図１０は、透過損失実測方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、近傍界での音線を示す説明図である。
【図１３】図１３は、ファセットで音線が反射する様子を示す説明図である。
【図１４】図１４は、ファセットで音線ＢＭが反射する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、ソーナー装置を示す斜視図である。図１に示す本実施形態のソーナー装置１は、船に設けられて水中で使用される。ソーナー装置１は、トランスデューサ１０と、ノーズコーン２０とを備える。トランスデューサ１０は、音波を発生する。また、トランスデューサ１０は、音波を受ける。本実施形態のトランスデューサ１０は、音波を発生する時期と、音波を受ける時期とで２つの機能をタイムシェアする。トランスデューサ１０の形状は限定されないが、本実施形態では例えば、円筒の中心線ＣＬを含む仮想平面、または前記中心線ＣＬに平行な仮想平面で円柱を切った形状である。
【００２２】
トランスデューサ１０は、曲面部分が送受波部１１として機能する。トランスデューサ１０は、送受波部１１が振動することで送受波部１１から音波を発生する。また、トランスデューサ１０は、送受波部１１が音波を受けると、音波によって送受波部１１が振動させられる。トランスデューサ１０は、この送受波部１１の振動を電気信号に変換する。なお、トランスデューサ１０は、ソーナーや、センサーや、送受波器と呼ばれることもある。
【００２３】
ノーズコーン２０は、トランスデューサ１０を覆うカバーである。ノーズコーン２０の材料は、例えば、ゴムや、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ；Glass Fiber Reinforced Plastics）である。トランスデューサ１０を覆うカバーは、ノーズコーン２０に限定されず、半球形状のカバーでもよい。このようなカバーは、ドームと呼ばれる。また、トランスデューサ１０が船底に埋め込まれることもある。この場合、船底のうちトランスデューサ１０と対向する部分にカバーが設けられる。このようなカバーは、ウインドウと呼ばれる。本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０や、ドーム、ウインドウなど、形状に関わらずにカバーの音響特性を試験できる。次に、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を説明する。
【００２４】
図２は、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。図３は、実施形態１のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。図２に示す各手順は、図３に示すシミュレーション装置４０によって実行される。シミュレーション装置４０は、コンピュータである。シミュレーション装置４０は、１つの装置が図３に示す各機能を実現してもよいし、図３に示す各機能をそれぞれ別個に実現する複数の装置が電気的に接続されることで各機能を実現してもよい。なお、計算量によっては手動により以下の各手順を実行してもよいが、各手順に含まれる計算量は膨大になる傾向がある。よって、以下に説明する各手順は、コンピュータであるシミュレーション装置４０によって処理されると、ソーナー装置用カバーの音響特性をより迅速に試験できる。
【００２５】
図３に示すように、シミュレーション装置４０は、処理部４１と、記憶部４７とを備える。記憶部４７は、処理部４１が実行する手順を示すプログラムや、処理部４１によって生成された情報や、シミュレーション装置４０の入出力部（Ｉ／Ｏ：Input/Output）に電気的に接続される入力装置で入力された情報などを記憶する。処理部４１は、記憶部４７から必要な情報を取得したり、記憶部４７に情報を記憶させたりする。また、処理部４１は、三次元モデルを作成したり、ファセットを作成したり、必要な演算を行ったり、各種値を設定したり、次に実行する手順を判定したりする。
【００２６】
具体的には、処理部４１は、三次元モデル作成部４２と、ファセット作成部４３と、演算部４４と、各種値設定部４５と、判定部４６とを含む。三次元モデル作成部４２は、トランスデューサ１０や、ノーズコーン２０の三次元モデルを作成する。ファセット作成部４３は、三次元モデル作成部４２が作成した三次元モデルを複数のファセットで表現する。演算部４４は、記憶部４７に記憶されている式に値を代入することで演算を行う。各種値設定部４５は、シミュレーションに必要なパラメータ値を決定したり変更したりする。判定部４６は、シミュレーション装置４０が次にどの手順を実行するかを判定する。以下、シミュレーション装置４０が実行する一連の手順を説明する。
【００２７】
図４は、ワイヤーフレームで表現されたノーズコーンを示す斜視図である。図５は、ファセット化されたノーズコーンの三次元モデルを示す斜視図である。図２に示すステップＳＴ１０１で、図３に示す三次元モデル作成部４２は、図４に示すようなノーズコーン２０の三次元モデル２１を作成する。ここで、例えば、シミュレーション装置４０の記憶部４７には、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ：Computer Aided Design）を実現するためのプログラムがインストールされている。三次元モデル作成部４２は、このプログラム（ＣＡＤ）を記憶部４７から取得して図４に示す三次元モデル２１を作成する。
【００２８】
次に、ステップＳＴ１０２で、図２に示すファセット作成部４３は、図４に示す三次元モデル２１を図５に示すように、複数のファセット２２で分割して表現する。ファセット２２は、三角形または四角形の要素である。本実施形態では、ファセット２２は、三角形である。ここで、例えば、シミュレーション装置４０の記憶部４７には、ＦＥＭプリポストプロセッサを実現するためのプログラムがインストールされている。三次元モデル作成部４２は、このプログラム（ＦＥＭプリポストプロセッサ）を記憶部４７から取得して、ノーズコーン２０を図５に示すように複数のファセット２２で分割して表現する。
【００２９】
図６は、トランスデューサの三次元モデルを示す斜視図である。ここで、本実施形態では、トランスデューサ１０が円柱形状であると仮定した場合のトランスデューサ１０の中心線ＣＬに平行な軸をＹ軸とし、Ｙ軸と直交すると共に送受波部１１の周方向の中央と中心線ＣＬとを結ぶ軸をＺ軸とし、Ｙ軸とＺ軸とに直交する軸をＸ軸とする。図２に示すステップＳＴ１０３で、図３に示す演算部４４は、図６に示すように、トランスデューサ１０の送受波点１３の座標を決定する。ここで、トランスデューサ１０は、複数の送受波素子１２によって送受波部１１が構成される。本実施形態では、トランスデューサ１０は、Ｙ方向にｎ個、曲面部分の周方向に沿ってｍ個の送受波素子１２が配列されて送受波部１１が形成される。
【００３０】
送受波点１３は、例えば、各送受波素子１２の図心である。送受波点１３は、各送受波素子１２中の１点であればよく、送受波素子１２の図心に限定されない。本実施形態では、トランスデューサ１０は、複数の送受波点１３から、それぞれ１本ずつ音線を射出するものとして取り扱われる。送受波点１３の座標を決定するためには、例えば、まず、三次元モデル作成部４２は、トランスデューサ１０の三次元モデルを作成する。次に、演算部４４は、作成した三次元モデルに基づいて、各送受波点１３のＸ、Ｙ、Ｚそれぞれの座標を算出する。なお、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法で必要な情報は各送受波点１３の座標である。三次元で表現されたトランスデューサ１０のモデルは、シミュレーションによる試験には用いられない。よって、トランスデューサ１０の形状が複雑でないのであれば、手動の計算によって各送受波点１３のＸ、Ｙ、Ｚそれぞれの座標を算出して決定してもよい。
【００３１】
図７は、走査角度を示す説明図である。次に、図２に示すステップＳＴ１０４で、各種値設定部４５は、走査角度を設定する。ここで、走査角度について説明する。図７に示すように、トランスデューサ１０の送受波部１１は、円弧状である。よって、各送受波点１３から同じタイミングで音波が射出されると、中心線ＣＬを中心に走査線が広がることになる。しかしながら実際には、所望の方向をより精度よく探査するために、トランスデューサ１０は、前記所望の方向に向かう音波が、他の方向に向かう音波よりも強くなるように工夫される。以下、前記所望の方向を走査方向ＤＤという。この走査方向ＤＤは、音線ＢＭの進行方向と一致する。トランスデューサ１０は、図６に示す各送受波点１３から音波を射出するタイミングがそれぞれ調節されることにより、走査方向ＤＤが調節される。すなわち、トランスデューサ１０は、図７に示す走査角度が調節される。
【００３２】
走査角度は、図６に示すように、ＹＺ走査角度θと、ＸＺ走査角度φとが含まれる。例えば、図７に示すように、Ｘ軸方向の一方側Ａに配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、他方側Ｂに配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、他方側Ｂから一方側Ａに傾いた方向に向かって音波を発生させることになる。このとき、音波が進む方向とＺ軸との成す狭角がＸＺ走査角度φである。また、送受波部１１のＸ軸方向の中央部に配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、一方側Ａ及び他方側Ｂの両端側に配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、Ｚ軸方向、つまりトランスデューサ１０の正面方向に向かって音波を発生させることになる。トランスデューサ１０の真正面に向かってトランスデューサ１０が音波を発生する場合、ＸＺ走査角度φは０度である。
【００３３】
また、図６に示す複数の送受波点１３のうち、Ｙ軸方向の一方側Ｃに配置される送受波点１３よりも早いタイミングで、他方側Ｄに配置される送受波点１３から音波を射出すると、トランスデューサ１０は、他方側Ｄから一方側Ｃに傾いた方向に向かって音波を発生させることになる。このとき、音波が進む方向とＺ軸との成す狭角がＹＺ走査角度θである。また、送受波部１１のＹ軸方に配列される各送受波点１３から同じタイミングで音波を射出すると、トランスデューサ１０は、Ｚ軸方向、つまりトランスデューサ１０の正面方向に向かって音波を発生させることになる。トランスデューサ１０の真正面に向かってトランスデューサ１０が音波を発生する場合、ＹＺ走査角度θは０度である。
【００３４】
次に、図２に示すステップＳＴ１０５で、各種値設定部４５は、図６に示す各送受波点１３の重み付け係数ＷＦを設定する。重み付け係数ＷＦは、送受波素子１２を走査方向ＤＤに投影したときの送受波素子１２の投影面積に基づいて設定される。例えば、各送受波素子１２の面積が同じでも、図７に示すＸＺ走査角度φが０度の時、送受波部１１の中央部に配置される送受波素子１２の投影面積は、送受波部１１の両端側に配置される送受波素子１２の投影面積よりも大きくなる。投影面積が大きくなればなるほど、走査方向ＤＤに向かう音波の強さも大きくなる。よって、例えば、ＸＺ走査角度φが０度の場合は、送受波部１１の中央部に配置される送受波点１３の重み付け係数ＷＦは、送受波部１１の両端側に配置される送受波点１３の重み付け係数ＷＦよりも大きく設定される。
【００３５】
図８は、放射ビームパターンを示す説明図である。重み付け係数ＷＦは、図８に示すサイドローブＢＰｓを低減するための係数が考慮されてもよい。サイドローブＢＰｓとは、放射ビームパターンのうち、メインローブＢＰｍ以外のローブである。メインローブＢＰｍとサイドローブＢＰｓとの差が大きくなるほど、ソーナー装置１は、走査方向ＤＤの探査をより精度よく行える。ソーナー装置１が実際に使用される際は、図６に示す複数の送受波素子１２で送受する音波のレベルを、各送受波素子１２で異ならせることでサイドローブＢＰｓの低減を図っている。ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、各送受波点１３の重み付け係数ＷＦを調節することで、サイドローブＢＰｓの低減を模擬する。重み付け係数ＷＦをサイドローブＢＰｓの低減を考慮した値とすることで、ソーナー装置１の実際の使用状況に近い設定でシミュレーションによる試験ができる。この場合、重み付け係数ＷＦは、例えば、各送受波素子１２の投影面積に応じた係数と、サイドローブＢＰｓの低減を目的とする係数とを乗算した値である。
【００３６】
図９は、送受波素子から射出された音線がファセットと交わる様子を示す説明図である。図２に示すステップＳＴ１０６で、図３に示す演算部４４は、図９に示すように、トランスデューサ１０の複数の送受波素子１２のうちの１つから射出された音線ＢＭがノーズコーン２０と交わる交点を算出する。すなわち、複数のファセット２２のうち音線ＢＭと交わるファセット２２を特定する。音線ＢＭは、複数の送受波素子１２のうちの１つから、ステップＳＴ１０４で設定された走査方向ＤＤに向かって直進するものとして取り扱われる。音線ＢＭがノーズコーン２０と交わる交点は、音線ＢＭが射出された送受波点１３の座標と、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φと、複数のファセット２２の位置情報とに基づいて算出される。ここでいう位置情報とは、各ファセット２２の位置を示す情報であって、例えば、三角形である各ファセット２２の頂点の座標である。
【００３７】
次に、図２に示すステップＳＴ１０７で、図３に示す演算部４４は、図９に示すように音線ＢＭとノーズコーン２０との交点での、ノーズコーン２０に対する音線ＢＭの入射角度αを算出する。入射角度αは、音線ＢＭとノーズコーン２０との交点での法線Ｖ１と、音線ＢＭとが成す狭角である。ここで、ノーズコーン２０は、曲面ではなく平面であるファセット２２によって表現されている。よって、入射角度αは、音線ＢＭが交わるファセット２２に直交する仮想線（Ｖ１）と、音線ＢＭとが成す狭角となる。入射角度αは、音線ＢＭが交わるファセット２２の傾きと、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φとに基づいて算出される。
【００３８】
次に、図２に示すステップＳＴ１０８で、図３に示す演算部４４は、音線ＢＭが交わるファセット２２での、音線ＢＭの透過損失ＩＬを算出する。透過損失ＩＬとは、音線ＢＭがノーズコーン２０を透過する際に損失するレベルの割合を示す値である。本実施形態では、透過率Ｔは音圧で捉えられる。透過率Ｔが音圧で捉えられる場合、透過損失ＩＬは、ノーズコーン２０を透過する前の音線ＢＭのレベルに、透過率Ｔを乗算することで求められる。一方、透過率Ｔがパワーで捉えられる場合、透過損失ＩＬは、ノーズコーン２０を透過する前の音線ＢＭのレベルに、透過率Ｔの二乗を乗算することで求められる。透過率Ｔは、ノーズコーン２０の材料と、図９に示す入射角度αとに基づいて変化する。透過率Ｔは、各種材料の特性を記載した文献に記載の理論値でもよいが、実測値であるとより好ましい。これは、ノーズコーン２０は、複数の材料で構成されることがあるためである。複数の材料で構成される材料の場合、透過率Ｔの理論値は、透過率Ｔの実測値と異なる傾向がある。次に、透過率Ｔの実測値を計測する方法を説明する。
【００３９】
図１０は、透過損失実測方法を示すフローチャートである。図１０に示すように、まず、ステップＳＴ２０１で、ノーズコーン２０と同じ材料で平板を作成する。次に、ステップＳＴ２０２で、平板の一方側に設けられた音波発生装置の平板に対する角度βを調節する。角度βは、入射角度αに相当する。次に、ステップＳＴ２０３で、音波発生装置から音波を発生させ、平板の他方側、すなわち音波発生装置とは反対側に設けられた受波器で平板を透過した音波のレベルを計測する。次に、ステップＳＴ２０４で、受波器で受けた音波のレベル、すなわち平板を透過した後の音波のレベルを、平板を透過する前の音波のレベルで除算する。これにより、角度βでの透過率Ｔを算出する。
【００４０】
次に、ステップＳＴ２０５で、すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了したか否かで次に実行するステップを決定する。すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了していない場合（ステップＳＴ２０５、Ｎｏ）、ステップＳＴ２０２で前回とは異なるように角度βを調節し、ステップＳＴ２０３以降の手順を実行する。すべての角度βでの透過率Ｔの算出が完了している場合（ステップＳＴ２０５、Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２０６で、演算部４４は、各角度βでの透過率Ｔの各値の間の値を補間する。各角度βでの透過率Ｔの各値の間は、直線で補間されてもよいし、スプラインによって補間されてもよい。次に、ステップＳＴ２０７で、各角度βのときの透過率Ｔを示す透過率情報を作成する。透過率情報は、角度βと、透過率Ｔとの関係を示す関数式でもよいし、角度βと、透過率Ｔとを対応づけたマップでもよい。以上により、一連の手順を終了する。
【００４１】
ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法の説明に戻る。図２にステップＳＴ１０８を実行すると、次に、ステップＳＴ１０９で、図３に示す判定部４６は、すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了したか否かで次に実行するステップを決定する。すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了していない場合（ステップＳＴ１０９、Ｎｏ）、ステップＳＴ１０６に戻り、ステップＳＴ１０６以降の各手順を実行する。つまり、複数の送受波点１３から射出されるすべての音線ＢＭに対して透過損失ＩＬを算出する。すべての音線ＢＭの透過損失ＩＬの算出が完了している場合（ステップＳＴ１０９、Ｙｅｓ）、図３に示す演算部４４は、ステップＳＴ１１０を実行する。
【００４２】
ステップＳＴ１１０で、演算部４４は、総合透過損失ＩＬtotalを算出する。総合透過損失ＩＬtotalは、下記の式（１）で算出される。式（１）のＷＦｉは、複数の送受波点１３のうちのｉ番目の送受波点１３に設定された重み付け係数ＷＦである。ＩＬｉは、複数の送受波点１３のうちのｉ番目の送受波点１３から射出された音線ＢＭの透過損失ＩＬである。なお、式（１）の分母は、重み付け係数の総和であり、総合透過損失ＩＬtotalを正規化するためのものである。
【００４３】
【数１】
【００４４】
また、ステップＳＴ１１０で、演算部４４は、図８に示すようなビームパターンＥｔを形成する。ビームパターンＥｔは、下記の式（２）で算出される。式（２）のｊは、虚数単位である。ｋは、２π／λである。λは音線ＢＭの波長である。Ｘｉは、音線ＢＭを射出した送受波点１３のＸ座標、Ｙｉは、音線ＢＭを射出した送受波点１３のＹ座標である。θ及びφは、図６に示すように、走査方向ＤＤを示す角度である。θは、走査方向ＤＤをＹＺ平面に投影した際、ＹＺ平面上で走査方向ＤＤとＺ軸とが成す狭角である。φは、走査方向ＤＤをＹＸＺ平面に投影した際、ＸＺ平面上で走査方向ＤＤとＺ軸とが成す狭角である。なお、総合透過損失ＩＬtotalのみが必要な場合は、演算部４４は、ステップＳＴ１１０でビームパターンＥｔを形成する必要はない。本実施形態では、演算部４４は、総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成との両方を実行するものとして説明する。
【００４５】
【数２】
【００４６】
次に、ステップＳＴ１１１で、判定部４６は、すべての走査角度で、総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了したか否かで次のステップを決定する。本実施形態では、ＹＺ走査角度θが９０°〜±３０°の値の場合と、ＸＺ走査角度φが０°〜±３０°の値の場合とを試験するものとする。すべての走査角度で総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了していない場合（ステップＳＴ１１１、Ｎｏ）、シミュレーション装置４０は、ステップＳＴ１０４に戻り、ステップＳＴ１０４以降の各手順を実行する。すべての走査角度で総合透過損失ＩＬtotalの算出と、ビームパターンＥｔの形成とが完了していない場合（ステップＳＴ１１１、Ｙｅｓ）、シミュレーション装置４０は、一連の手順の実行を終了する。
【００４７】
以上の一連の手順を実行することにより、シミュレーション装置４０は、総合透過損失ＩＬtotalを算出できると共に、ビームパターンＥｔを形成できる。ノーズコーン２０の開発者は、この手法で算出された総合透過損失ＩＬtotalと、この手法で形成されたビームパターンＥｔとに基づいて、ノーズコーン２０の音響特性を評価できる。そして、それぞれ設計が異なる複数のノーズコーン２０に対して、上述の一連の手順を実行することにより、ノーズコーン２０の開発者は、複数のノーズコーン２０の中から音響特性が良好なものを選定できる。
【００４８】
ここで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、ＦＥＭを用いたシミュレーション方法よりも１つのファセット２２の大きさを大きくしても実用に足る精度を実現できる。例えば、ＦＥＭを用いたシミュレーション方法の場合、１つのファセットの１辺の大きさは、音波の波長の１／１０以下が妥当である。しかしながら、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、１つのファセット２２の１辺の大きさが音波の波長以上の大きさであっても、音線ＢＭのノーズコーン２０に対する入射角を必要十分な精度で再現できる程度にノーズコーン２０の形状を再現できていれば、必要十分な精度での試験を実現できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０を表現するために要するファセット２２の数を低減できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減できる。
【００４９】
ここで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、本来波である音波を線として取り扱う。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、試験対象であるノーズコーン２０の大きさが大きいほど、より精度よくノーズコーン２０の音響特性を試験できる。これは、試験対象が小さくなればなるほど、音波の粒子性よりも波動性が試験結果に影響を及ぼすためである。実用に足る精度を確保するためには、ノーズコーン２０は、波長の５倍以上の寸法となる部分を有する程度の大きさであると好ましい。なお、水中での音速はおよそ１５００ｍ／ｓである。よって、音波の波長を５０ｋｈｚとすると、一波長はおおよそ３０ｍｍとなる。
【００５０】
（実施形態２）
図１１は、実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を示すフローチャートである。図１２は、実施形態２のシミュレーション装置が有する機能を示すブロック図である。以下、上述の実施形態とは異なる点について説明する。カバーの形状が図４に示すように複雑な場合は、図５に示すように複数のファセット２２でカバーを分割して表現する。しかしながら、例えば、カバーが半球型のドームの場合や、一定の曲率を有する曲面で構成される場合のように、カバーの形状を関数で表現できる場合がある。このような場合は、図１１に示す実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いると好ましい。
【００５１】
本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、図２に示すステップＳＴ１０１が省略され、ステップＳＴ１０２に代えてステップＳＴ３０１を含む。図１１に示すステップＳＴ３０２からステップＳＴ３１０の各手順は、図２に示すステップＳＴ１０３からステップＳＴ１１１の各手順と同様である。図１２に示す本実施形態のシミュレーション装置５０は、図３に示すファセット作成部４３に代えて、関数作成部５３を有する。関数作成部５３は、カバーの形状を表現する関数を作成する。
【００５２】
まず、ステップＳＴ３０１で、図１２に示す関数作成部５３は、カバーの形状を表現する関数を作成する。そして、ステップＳＴ３０５では、演算部４４は、前記関数と、音線ＢＭが射出された送受波点１３の座標と、ＹＺ走査角度θ及びＸＺ走査角度φとに基づいて、トランスデューサ１０の複数の送受波素子１２のうちの１つから射出された音線ＢＭがカバーと交わる交点を算出する。
【００５３】
本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、カバーを複数のファセット２２に分割して表現する必要がないため、必要な計算量をさらに低減できる。例えば、レイトレーシングにより交点を有するファセットを総当りで探索する場合、Ｍの射出点と、Ｎのファセットがあり、１つの交点あたりに要する探索単位時間をΔｔとすると、探索時間は、Ｍ×Ｎ×Δｔ／２前後が期待される。一方、関数で形状を表現できる場合、探査時間は、Ｍ×Δｔ以内が期待できる。結果として、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間をさらに低減できる。なお、カバーの形状にもよるが、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いた場合、実施形態１のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法よりもさらに、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を１／ファセット数〜１／０．１×ファセット数、程度に低減できる。
【００５４】
（実施形態３）
図１３は、近傍界での音線を示す説明図である。図１３に示す仮想送受波部（仮想開口）３１は、トランスデューサ１０と観測点３２とを結ぶ方向にトランスデューサ１０を投影したときの投影図である。観測点３２にはハイドロフォン（水中マイクロフォン）が設置されているものとする。図１３では、仮想送受波部３１が観測点３２に向けて音線ＢＭを射出するものとして取り扱う。仮想送受波部３１は、平板であると仮定する。ここで、ソーナー装置による探査の観測点までの距離によっては、トランスデューサから射出される複数の音線がそれぞれ観測点に到着するまでに、音線ごとに位相差が発生することがある。図１３に示すように、仮想送受波部３１と観測点３２との距離をＲとする。観測点３２から半径Ｒの円弧を描くと、円弧と仮想送受波部３１との間に隙間が生じる。この隙間が各音線ＢＭの位相差に相当する。
【００５５】
ここで、半径Ｒが大きいほど、円弧と仮想送受波部３１との間の隙間は小さくなる。つまり、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が大きくなるほど、各音線ＢＭの位相差が小さくなる。これにより、試験の精度は上昇する。一方で、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が小さくなるほど、各音線ＢＭの位相差が大きくなる。よって、試験の精度は低下する。具体的には、半径Ｒが、仮想送受波部３１のＸ方向の大きさである寸法Ｅの二乗を音波の波長λで除算した値以上であれば、各音線ＢＭの位相差が最大でも１／８波長以内となる。よって、上述の実施形態１及び実施形態２のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法でも実用に足る精度を実現できる。半径Ｒが、寸法Ｅの二乗を波長λで除算した値よりも小さくなる場合は、実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いると好ましい。
【００５６】
実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法が含む各手順は、図２や図１１に示す各手順と同様であるが、図２に示すステップＳＴ１１０及び図１１に示すステップＳＴ３０９で用いる式が異なる。実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、下記の式（３）を用いてビームパターンＥｔを形成する。式（３）のＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚは、それぞれ観測点３２のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標である。Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉはそれぞれ、音線ＢＭを発射した送受波点１３のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標である。
【００５７】
【数３】
【００５８】
上記の式（３）を用いることにより、本実施形態のシミュレーション装置は、各送受波点１３から観測点３２までの距離の差を考慮してビームパターンＥｔを形成できる。よって、実施形態３のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、仮想送受波部３１と観測点３２との距離が近傍である場合、すなわち半径Ｒが、寸法Ｅの二乗を波長λで除算した値よりも小さくなる場合であっても、実用に足る精度でカバーの音響特性をシミュレーションによって試験できる。
【００５９】
（実施形態４）
図１４は、ファセットで音線ＢＭが反射する様子を示す説明図である。音波は、ノーズコーン２０に当たると、その一部がトランスデューサ１０側に向かって反射することがある。このノーズコーン２０で反射した音波を反射音波とする。上述のように、トランスデューサ１０は、音波を射出する時期と、音波を受ける時期とが別である。よって、音波を射出してから、音波を受ける機能に切り替わるまでの時間が、反射音波が減衰するのに要する時間よりも長く設定されていれば、反射音波に起因する探査精度の低下を抑制することはできる。しかしながら、より厳密にノーズコーン２０の音響特性を試験するのであれば、反射音波を考慮したシミュレーション方法で試験すると好ましい。以下、反射音波を考慮したシミュレーション方法の一例を説明する。
【００６０】
ここで、ノーズコーン２０で音線ＢＭが反射する場合、実際には、音線ＢＭは、ノーズコーン２０を透過する透過音線と、ノーズコーン２０で反射する反射音線とに分割されることになる。透過音線のレベルと、反射音線のレベルとの比は、音線ＢＭがノーズコーン２０に衝突した入射角度αによって変化する。この現象をシミュレーションによる試験に取り込む。この場合、音線ＢＭがノーズコーン２０に最初に衝突した際に、音線ＢＭは、透過音線と透過音線とに分割される。そして、反射音線が再度ノーズコーン２０に衝突した際、反射音線はさらに透過音線と反射音線とに分割される。
【００６１】
しかしながら、この場合、反射音線がノーズコーン２０に衝突を繰り返すたびに音線が増加することになる。そこで、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法では、モンテカルロ法が用いられる。具体的には、本実施形態では、音線ＢＭは、送受波点１３から複数射出されるものとして取り扱う。そして、送受波点１３から射出された複数の音線ＢＭは、図１４に示すように、ノーズコーン２０を完全に透過する透過音線ＢＭ２と、ノーズコーン２０で完全に反射される反射音線ＢＭ１とに分類される。
【００６２】
反射音線ＢＭ１と、透過音線ＢＭ２との比は、透過率Ｔに応じた値とする。つまり、例えば、透過率Ｔの二乗の絶対値である透過係数が６０％であるならば、送受波点１３から射出された複数の音線ＢＭのうちのおよそ６０％が透過音線ＢＭ２となり、およそ４０％が反射音線ＢＭ１となる。なお、図１４では、説明の便宜上、送受波素子１２の異なる点から音線ＢＭが射出されているが、実際は、音線ＢＭは、送受波点１３の一点から複数射出されるものとして取り扱われる。
【００６３】
下記の式（４）は、複素透過係数を示す式である。下記の式（４）に示す複素透過係数のうち、ｅｘｐ（ｊα）が位相項となる。本実施形態のシミュレーション装置は、透過音線ＢＭ２に当該位相項を適用し、レイトレーシングを継続する。つまり、本実施形態のシミュレーション装置は、ノーズコーン２０を透過後の透過音線ＢＭ２の軌跡を再現する。また、本実施形態のシミュレーション装置は、反射音線ＢＭ１に反射位相項であるｅｘｐ（ｊπ）を適用してレイトレーシングを継続する。本実施形態では、透過率Ｔが音圧で捉えられるため、位相項は、透過率Ｔに乗算される。なお、透過率Ｔがパワーで捉えられる場合、位相項は、透過率Ｔの二乗に乗算される。
【００６４】
【数４】
【００６５】
これら反射音線ＢＭ１及び透過音線ＢＭ２のすべてに対して、図２や、図１１に示す一連の手順を実行することにより、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、ノーズコーン２０で音波が反射する現象を考慮した総合透過損失ＩＬtotalを算出し、ビームパターンＥｔを形成できる。よって、本実施形態のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法を用いれば、より現実に近い現象を再現して、より好適にノーズコーン２０の音響特性を試験できる。
【００６６】
ここで、上記の各実施形態では、シミュレーション装置単体がすべての手順を実行するものとして説明したが、複数の装置で別々に各手順を実行してもよい。例えば、総合透過損失ＩＬtotalを算出しビームパターンＥｔを形成する演算ソフトウェアがインストールされたコンピュータに、ＣＡＤやＦＥＭプリポストプロセッサがインストールされたコンピュータで作成されたデータを受け渡してもよい。また、一台のコンピュータに、前記演算ソフトウェアと、ＣＡＤと、ＦＥＭプリポストプロセッサとが別個にインストールされ、これらのソフトウェア間でデータを受け渡すことで各手順を実行してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明に係るソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法は、音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性の試験に有用であり、特に、ソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーションに要する時間を低減することに適している。
【符号の説明】
【００６８】
１ ソーナー装置
１０ トランスデューサ
１１ 送受波部
１２ 送受波素子
１３ 送受波点
２０ ノーズコーン
２１ 三次元モデル
２２ ファセット
３１ 仮想送受波部
３２ 観測点
４０ シミュレーション装置
４１ 処理部
４２ 三次元モデル作成部
４３ ファセット作成部
４４ 演算部
４５ 種値設定部
４６ 判定部
４７ 記憶部
５０ シミュレーション装置
５３ 関数作成部
ＢＭ 音線
ＢＭ１ 反射音線
ＢＭ２ 透過音線
ＢＰｍ メインローブ
ＢＰｓ サイドローブ
ＣＬ 中心線
ＤＤ 走査方向
Ｅｔ ビームパターン
ＩＬ 透過損失
ＩＬtotal 総合透過損失
Ｔ 透過率
ＷＦ 重み付け係数
α 入射角度
β 角度
θ ＹＺ走査角度
λ 波長
φ ＸＺ走査角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、
前記カバーを複数のファセットで分割して表現する第１手順と、
前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記ファセットの座標とに基づいて、前記音線と前記ファセットとの交点を求める第３手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記ファセットを表現する情報とに基づいて、前記交点での前記ファセットに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、
前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、
を含むことを特徴とするソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項２】
音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、
前記カバーを関数で表現する第１手順と、
前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて前記音線と前記カバーとの交点を求める第３手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて、前記交点での前記カバーに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、
前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、
を含むことを特徴とするソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項３】
前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記音線は、前記複数の素子からそれぞれ少なくとも１つ射出されるものとして取り扱い、
前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線の透過損失をそれぞれ求め、
前記第５手順の後に、複数の前記透過損失を合計することで総合透過損失を算出する第６手順をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項４】
前記第６手順では、さらに、前記音線が前記カバーを透過した後の音場を合成してビームパターンを計算することを特徴とする請求項３に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項５】
前記音線の進行方向に前記素子を投影したときの投影面積が大きい前記素子ほど、前記音線のレベルを補正するための重み付け係数を大きく設定し、
前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線のレベルに、前記素子別に設定された前記重み付け係数を乗算して前記透過損失をそれぞれ求めることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項６】
前記重み付け係数には、前記トランスデューサから射出される前記音波のビームパターンのうち、サイドローブを低減するための係数が含まれることを特徴とする請求項５に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項７】
前記音線には、前記カバーで反射した反射音線も含まれることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項８】
前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記素子は、それぞれ複数の音線を射出するものとして取り扱い、
前記第５手順では、前記透過率に基づいて、１つの素子から射出された前記複数の音線を、前記カバーを完全に透過する透過音線と、前記カバーで完全に反射する反射音線とに分類して前記透過損失を求めることを特徴とする請求項７に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項９】
前記カバーは、前記トランスデューサが射出する前記音波の波長の５倍以上の寸法となる部分を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項１】
音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、
前記カバーを複数のファセットで分割して表現する第１手順と、
前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記ファセットの座標とに基づいて、前記音線と前記ファセットとの交点を求める第３手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記ファセットを表現する情報とに基づいて、前記交点での前記ファセットに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、
前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、
を含むことを特徴とするソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項２】
音波を射出するトランスデューサを覆うカバーの音響特性を試験するシミュレーション方法であって、
前記カバーを関数で表現する第１手順と、
前記トランスデューサが射出した音波を音線として取り扱い、前記音線の進行方向を設定する第２手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて前記音線と前記カバーとの交点を求める第３手順と、
前記音線の前記進行方向と、前記カバーを表現する前記関数とに基づいて、前記交点での前記カバーに対する前記音線の入射角度を求める第４手順と、
前記音線の前記入射角度と前記音線の透過率との関係を示す透過情報と、前記入射角度とから前記音線の透過損失を求める第５手順と、
を含むことを特徴とするソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項３】
前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記音線は、前記複数の素子からそれぞれ少なくとも１つ射出されるものとして取り扱い、
前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線の透過損失をそれぞれ求め、
前記第５手順の後に、複数の前記透過損失を合計することで総合透過損失を算出する第６手順をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項４】
前記第６手順では、さらに、前記音線が前記カバーを透過した後の音場を合成してビームパターンを計算することを特徴とする請求項３に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項５】
前記音線の進行方向に前記素子を投影したときの投影面積が大きい前記素子ほど、前記音線のレベルを補正するための重み付け係数を大きく設定し、
前記第５手順では、前記複数の素子からそれぞれ射出される前記音線のレベルに、前記素子別に設定された前記重み付け係数を乗算して前記透過損失をそれぞれ求めることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項６】
前記重み付け係数には、前記トランスデューサから射出される前記音波のビームパターンのうち、サイドローブを低減するための係数が含まれることを特徴とする請求項５に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項７】
前記音線には、前記カバーで反射した反射音線も含まれることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項８】
前記第２手順では、前記トランスデューサを複数の素子に分割し、前記素子は、それぞれ複数の音線を射出するものとして取り扱い、
前記第５手順では、前記透過率に基づいて、１つの素子から射出された前記複数の音線を、前記カバーを完全に透過する透過音線と、前記カバーで完全に反射する反射音線とに分類して前記透過損失を求めることを特徴とする請求項７に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【請求項９】
前記カバーは、前記トランスデューサが射出する前記音波の波長の５倍以上の寸法となる部分を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のソーナー装置用カバーの音響特性シミュレーション方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１０６８３８（Ｐ２０１１−１０６８３８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５９３３５（Ｐ２００９−２５９３３５）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００００６７１４）横浜ゴム株式会社 (4,905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（０００００６７１４）横浜ゴム株式会社 (4,905)
【Ｆターム（参考）】
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