超音波送受波装置
【課題】船体の振動における送受波周波数成分を超音波送受波器の超音波振動子で受信しないようにして、Ｓ／Ｎ比の優れる超音波送受波装置を実現する。
【解決手段】超音波送受波器１１０は超音波振動子１１とこれを覆うウレタン等の保護部材１１２とからなる。超音波送受波器１１０は船体タンク１０２を構成する壁部２０１に対して、取り付け板２１２、防音部材２１５、保持部材２１４からなる部材群により保持される。保持部材２１４は保護部材１１２と固有音響インピーダンスが異なる鉄を材質とし、取り付け板２１２も保持部材２１４と同じ材質からなる。防音部材２１５は保持部材２１４および取り付け部材２１２と異なる固有音響インピーダンスのクロロプレンゴムを材質とし所定の厚みｄからなる。このように互いに接する部材同士の固有音響インピーダンスが異なり、中間の部材の厚みが適宜設定されることにより、境界面で送受波周波数成分を反射する。
【解決手段】超音波送受波器１１０は超音波振動子１１とこれを覆うウレタン等の保護部材１１２とからなる。超音波送受波器１１０は船体タンク１０２を構成する壁部２０１に対して、取り付け板２１２、防音部材２１５、保持部材２１４からなる部材群により保持される。保持部材２１４は保護部材１１２と固有音響インピーダンスが異なる鉄を材質とし、取り付け板２１２も保持部材２１４と同じ材質からなる。防音部材２１５は保持部材２１４および取り付け部材２１２と異なる固有音響インピーダンスのクロロプレンゴムを材質とし所定の厚みｄからなる。このように互いに接する部材同士の固有音響インピーダンスが異なり、中間の部材の厚みが適宜設定されることにより、境界面で送受波周波数成分を反射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、魚群探知機やソナー装置等で用いる超音波送受波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶に装備される魚群探知機やソナー装置では、探知信号である超音波を海中の放射して、魚群等の物標や海底面からの反射波を受信することで探知を行う。このため、通常は超音波送受波器が船底に取り付けられており、当該超音波送受波器を用いて超音波の送信および反射波の受信を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
船底への超音波送受波器の取り付け手段としては、船底内部に超音波送受波器を取り付けるためのタンクを設置する方法と、船底の外側（下方）に超音波送受波器取り付け用の船底タンクを取り付ける方法とがあり、いずれの方法であっても、結果的に船底（船体）に対して超音波送受波器を何らかの形で機構的に固定することとなる。
【０００４】
図８は、従来の船底への超音波送受波器の取り付け構造を示す側面図である。本図では、船体１０１の船底の外側に船底タンク１０２を設置した場合を示す。
【０００５】
船底タンク１０２は、鉛直壁２０１Ａと底壁２０１Ｂとからなり、鉛直方向から見た形状が例えば楕円形状からなる円筒体の壁部２０１を有する。壁部２０１を構成する鉛直壁２０１Ａは、溶接等により船底へ接合されている。壁部２０１を構成する底壁２０１Ｂは、当該底壁面２０１Ｂを鉛直方向（船底の方向）から見た中央の領域が開口している。開口部には、取り付け板２０２が設置されている。取り付け板２０２は、外周形状が底壁２０１Ｂの開口形状と略同じ円板形状であり、この底壁２０１Ｂの開口端の部分でボルトとナット等の固定機構により底壁２０１Ｂへ固定されている。取り付け板２０２は、円板形状の中央に、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも若干狭い内径からなる開口部を有する。
【０００６】
超音波送受波器１１０は、ウレタン等の材質からなる保護部材１１２と、当該保護部材１１２内に設置された圧電素子からなる超音波振動子１１１とを備え、鉛直方向から見た形状が円形の円柱形状である。超音波送受波器１１０は、鉛直下方向を向く送受波面が、取り付け板２０２により鉛直下側から保持されることで、船体１０１の船底、船底タンク１０２、取り付け板２０２により形成されるタンク内空間２００内に設置される。
【０００７】
取り付け板２０２には、鉛直方向に延びる軸形状からなる複数のスペーサ２０３が取り付けられている。複数のスペーサ２０３の取り付け板２０２と反対側の端部には、押さえ板２０４が接続されている。押さえ板２０４は、超音波送受波器１１０の送受波面と対向する面と当接するように設置されている。この構成により、超音波送受波器１１０は、取り付け板２０２、押さえ板２０４、スペーサ２０３により、タンク内空間２００内の所定位置に固定される。この際、従来の超音波送受波器１１０の取り付け機構では、例えば、船体１０１、船底タンク１０２、取り付け板２０２の全てが剛性の高い鉄（Ｆｅ）を材質として形成されている。
【０００８】
ところで、このような超音波送受波装置が設置された船舶では、停止中のみではなく航行中にも探知を行う。航行中の場合、船体１０１を進行させるために、船体１０１内のエンジンを駆動させ、プロペラが回転すると、これらから発生する振動が船底タンク１０２、取り付け板２０２を介して超音波送受波器１１０に伝達する。このような機械的な振動が超音波送受波器１１０に伝達すると超音波振動子１１１に歪みが生じ、当該歪みの影響により受信信号中にノイズが現れる。このような課題を解決する技術として、特許文献２では、圧電素子を高剛性体で覆って固定する機構が用いられている。
【特許文献１】特開２０００−２４１５３０号公報
【特許文献２】特開平６−３３５０９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、船体壁の薄型化や船舶の航走速度の高速化等に伴い、上述のような船体に生じる振動が大きくなっている。このため、超音波送受波装置は、船体１０１で発生した振動の影響を受けやすくなってきている。現に、船体１０１で発生した機械的な振動を抑圧するため、船底タンク１０２、取り付け板２０２の間に緩衝材を設けたり、上述の特許文献２に開示された対策を設けるだけでは十分なノイズを抑制を行うことができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、船体１０１で発生した振動の影響を大幅に抑制し、Ｓ／Ｎ比の優れる超音波送受波装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述のように、従来の各種技術では超音波送受波器のＳ／Ｎ比が改善されないため、発明者は、実験等により、次に示す事実を見いだした。
【００１２】
すなわち、上述の機械的な振動は、人が体感できる程度の低周波数成分のみではなく、当該低周波から数十ｋＨｚオーダの高周波まで広い帯域に亘って分布している。そして、上述のような、所謂、振動の低周波数成分に対する対策により効果の生じない高周波数帯域に超音波送受波器の送受信する周波数帯域が存在することで、上述の振動による高周波成分を受信してしまう。また、上述の船体の高速化等とは別に、超音波送受波器の性能も近年向上しており、超音波送受波器で送受信可能な周波数が極狭い周波数帯域ではなく、数十ｋＨｚオーダの中心周波数に対して、４ｋＨｚ〜５ｋＨｚの帯域幅を有するようになっている。このため、このような高性能な超音波送受波器では、振動の高周波成分をより広帯域で受信してしまうので、さらにＳ／Ｎ比が悪くなってしまう。
【００１３】
したがって、このような新たに検知した事実に基づいて、本願発明は、以下に示す構成を用いて、前記課題の解決を行った。
【００１４】
この発明は、超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、この超音波送受波器が装着される被装着体に超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置に関するものである。この超音波送受波装置は、被装着体で発生した振動が装着媒介部を介して超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される複数の部分部材を有する。そして、この複数の部分部材の音響インピーダンスの差及び厚みを、超音波振動子が送受信する周波数帯域の高周波の振動が複数の部分部材の境界面で反射するように設定している。
【００１５】
この構成では、複数の部分部材は、被装着体で発生した振動が超音波振動子へ伝達される経路内に設置される。複数の部分部材は、異なる固有音響インピーダンスからなる部分部材が隣接しあう形で連接される構造であるとともに厚みが適宜設定されていることで、部分部材の境界面により、振動の高周波成分が反射される。したがって、船体から伝達される振動の高周波成分は、超音波送受波器の超音波振動子には殆ど伝達されない。
【００１６】
また、この発明の超音波送受波装置の複数の部分部材は、振動の伝達方向に対して順次連接する第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材からなる。そして、第１部分部材と前記第３部分部材とは、予め設定された固有音響インピーダンスを有する。第２部分部材は、高周波の波長と、第１部分部材および第３部分部材の固有音響インピーダンスと、第２部分部材の固有音響インピーダンスおよび厚みとから導かれる複数の部分部材での高周波の透過率を、予め設定した閾値以下になるように固有音響インピーダンスおよび厚みを設定する。
【００１７】
この構成では、具体的な複数の部分部材の構成として、部分部材が三つである場合を示している。そして、三つの部分部材が連接される構造では、第１部分部材および第３部分部材の固有音響インピーダンスに対するこれらに挟まれた第２部分部材の固有音響インピーダンスと当該第２部分部材の厚みとにより、複数の部分部材における高周波の透過率が決まる。したがって、当該透過率を低下させるように、各固有音響インピーダンスおよび厚みを設定することで、振動における高周波成分が超音波振動子へ殆ど伝達しない。
【００１８】
また、この発明は、超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、該超音波送受波器が装着される被装着体に超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置に関するものである。この超音波送受波装置は、被装着体で発生した振動が装着媒介部を介して超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材を少なくとも有する。そして、超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動に対する、第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材からなる三層媒質構造の透過率を０．１以下とする。
【００１９】
この構成では、複数の部分部材の具体例として三層媒質構造の場合を示す。そして、三層媒質構造において具体的に透過率が０．１以下となることで、振動における高周波成分が超音波振動子へ伝達しなくなる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、船体等の超音波送受波器が装着される被装着体の振動に含まれるノイズとなる高周波成分が超音波送受波器の超音波振動子で受信されない。これにより、超音波送受波器のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の超音波送受波装置を搭載した船舶の超音波探知システムの構成を示す構成図である。このような構成の超音波探知システムとしては、例えば魚群探知機が挙げられる。
【００２２】
船舶１００の船体１０１の甲板上には操舵室が設置されており、船体１０１内に探知信号送受信装置１２０が設置され、操舵室内に表示操作装置１３０が設置されている。船体１０１の船底には、船底タンク１０２が船体１０１に対して溶接等により固定設置されている。船底タンク１０２内には、超音波送受波器１１０が設置されている。
【００２３】
超音波送受波器１１０、探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０は、伝送ケーブル１５０で接続されている。探知を行う場合、オペレータが表示操作装置１３０で探知実行操作を行うと、探知信号送受信装置１２０は、所定周波数（例えば、３８ｋＨｚ）のパルスバースト信号のような探知信号を生成して、超音波送受波器１１０へ与える。超音波送受波器１１０は、この探知信号を音響変換して、海中へ送信する。このような送信された超音波は、海中の物標や海底で反射して、超音波送受波器１１０で受信され、超音波送受波器１１０は、受信した超音波を電気信号である探知受信信号に変換する。探知信号送受信装置１２０は、探知受信信号に対して所定の探知検出用処理を行い、処理後のデータを表示操作装置１３０へ与える。表示操作装置１３０は、処理後のデータに基づいて探知結果を表示する。
【００２４】
このような探知システムにおいて、超音波送受波器１１０は、次に示す構造により船底タンク１０２へ設置される。
【００２５】
図２は、本実施形態の超音波送受波器の設置構造を示す図であり、図２（Ａ）が設置構造を船底側から見た平面構成図であり、図２（Ｂ）が設置構造を側面視した側面断面構成図であり、図２（Ｃ）が当該設置構造の特徴部分を拡大した側面断面構成図である。なお、図２（Ｂ）と図２（Ｃ）はともに断面図であるが、構造的特徴を分かりやすくするために、それぞれ異なる断面で表している。
【００２６】
まず、船体１０１に対して設置される超音波送受波器１１０は、円形状の超音波振動子１１１と、該超音波振動子１１１の全面を被覆する円柱形状の保護部材１１２とを備える。超音波振動子１１１は、円板形状を構成する一方の円形面が送受波面となり、当該送受波面と対向する円形面側に伝送ケーブル１５０が接続されている。保護部材１１２は、円柱形状の円形面が超音波振動子１１１の円形面と平行になるように形成されている。この保護部材１１２において、円形面（送受波面）側から見た略中央で、且つ、円形面に平行な側面から見て略中央から一方の円形面側に偏る位置に、超音波振動子１１１が設置されている。保護部材１１２は、海水に対する耐性を有し、海水（水）に対して固有音響インピーダンスが略同じ（１．７〜１．８（ＭＰａ／（ｍ／ｓ））程度）で、且つ外部から超音波振動子１１１へ与えられる衝撃を緩和可能なウレタン等の材質により形成されている。
【００２７】
船体タンク１０２は、船体１０１の船底に対して略垂直な鉛直壁２０１Ａと、船底に対して略水平な底壁２０１Ｂとからなる壁部２０１を有する。壁部２０１は、船体１０１方向から見た形状が楕円形状となる円筒形である。壁部２０１は鉄（Ｆｅ）等の高剛性の金属で形成されており、壁部２０１の鉛直壁２０１Ａは、船体１０１に溶接等により接合されている。底壁２０１Ｂは、船体１０２方向から見た中央の領域が、超音波送受波器１１０の送受波面よりも大きい径で開口された円板形状である。底壁２０１Ｂは、開口部に沿って、取り付け板２１２を固定するための取付部が形成されている。取付部は、例えば、図２（Ａ）に示すように、開口部の外周から開口部の中央方向へ所定長さ延びる小片部である。なお、図２（Ａ）では、二箇所しか小片部を形成していないが、開口部の全周に亘り所定角度間隔（例えば３０°間隔）で複数の小片部を形成しても良い。さらに、このような小片部を形成することなく、底壁２０１Ｂの本体部分に取り付け用のスペースを設けても良い。
【００２８】
取り付け板２１２は、壁部２０１と同じ比較的固有音響インピーダンスの高い（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））材質である鉄（Ｆｅ）で形成されており、円板形状部２１２Ａと鉛直部２１２Ｂとが一体形成されてなる。円板形状部２１２Ａは、外周形状が底壁２０１Ｂの開口形状と略同じであり、その円板面の中央領域に開口部を有する。この開口部は、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも大きい径からなる。円板形状部２１２Ａの外周端付近には複数の固定用孔が形成されており、当該円板形状部２１２Ａの固定用孔と底壁２０１Ｂの取付部とを、ボルトとナットとの組み合わせにより締め合わせることで、取り付け板２１２は、壁部２０１へ固定される。鉛直部２１２Ｂは、円板形状部２１２Ａの開口部側端近傍に円筒形状で形成されている。鉛直部２１２Ｂの円板形状部２１２Ａとの接合側と反対の端部には、所定の角度間隔（図２の例であれば、３０°間隔）で雄ネジが形成されている。
【００２９】
保持板２１４は、船体１０１方向から見て中央に開口を有する円形状で、船体１０１方向に対して垂直な水平方向から見た断面が二段の水平に延びる部分とこれらを繋ぐ鉛直に延びる部分とで形成される構造を有する。この保持板２１４も、壁部２０１、取り付け板２１２と同様に、鉄（Ｆｅ）で形成されている。この保持板２１４の二段の水平に延びる部分における径の大きい方が第１水平部２１４Ａであり、径の小さい方が第２水平部２１４Ｃであり、鉛直に延びる部が鉛直部２１４Ｂである。第１水平部２１４Ａには、複数の取付用孔２１４Ｄが形成されており、これら複数の取付用孔２１４Ｄは、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジと対応する位置に形成されている。第２水平部２１４Ｃに形成された開口の径は、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも小さく設定されている。鉛直部２１４Ｂは、第１水平部２１４Ａと第２水平部２１４Ｃとを鉛直方向へ所定距離離間する形状であり、具体的には、第１水平部２１４Ａを取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂに設置した状態で、第２水平部２１４Ｃと取り付け板２１２の円板形状部２１２Ａとが鉛直方向の同位置となる形状で形成されている。このような形状の保持板２１４の開口部には、超音波送受波器１１０が設置される。この際、超音波送受波器１１０の送受波面における外周から内側へ向けた所定長さの円環領域が、保持板２１４により、船体１０１と反対側から当接して保持される。
【００３０】
防音部材２１５は、ボビン形状からなり、中央に開口を有する円板状の第１端面板２１５Ａ、第２端面板２１５Ｂと、これら第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂ間に設置された円筒形の円筒部２１５Ｃとからなる。防音部材２１５に形成された第１、２端面板２１５Ａ，２１５Ｂおよび円筒部２１５Ｃを貫く孔の径は、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジの外径以上で略同等であり、円筒部２１５Ｃの外径は、保持板２１４の第１水平部２１４Ａに形成された孔の径以下で略同等である。また、防音部材２１５は、第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂおよび円筒部２１５Ｃの厚みｄが一定になるように形成されている。防音部材２１５は、鉄と比較して固有音響インピーダンスが大幅に小さく（約２．３（ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、海水に対する耐性も高いクロロプレンゴムにより形成されている。なお、以上の取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５と、超音波送受波器１１０とを組み合わせた構成が、本発明の「超音波送受波装置」に相当し、取り付け板２１２と保持板２１４とが、本発明の「装着媒介部」に相当し、取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５とが、本発明の「複数の部分部材」に相当する。
【００３１】
このような構成の取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５の接続部は、図２（Ｃ）に示すような構造となる。すなわち、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジの外周面には、防音部材２１５の貫通孔の内周面が当接する。この防音部材２１５の円筒部２１５Ｃの外周面には、保持板２１４の第１水平部２１４Ａの孔の内面が当接する。さらに、保持板２１４の第１水平部２１４Ａの二つの主面（水平方向に拡がる面）は、防音部材２１５の第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂのそれぞれにより挟持されている。また、防音部材２１５の第１端面板２１５の鉛直下側の面は、鉛直部２１２Ｂの雄ネジの元部に当接している。また、この構造の元、取り付け板２１２と保持板２１４とは、直接接触しないように配置されている。このように、取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５が取り付けられた状態で、防音部材２１５の第２端面板の鉛直上側の面にワッシャＷが配置され、さらに、ナットＮが雄ネジに螺号されている。このような構成とすることで、取り付け板２１２と保持板２１４とが、防音部材２１５を介して固定設置される。
【００３２】
スペーサ２１３は、円柱形状からなり、所定角度間隔で複数本設置されている。この際、各スペーサ２１３は、保持板２１４における、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジ形成位置と異なる位置に固定設置されている。これら全てのスペーサ２１３は、保持板２１４と同じ鉄（Ｆｅ）で形成されている。
【００３３】
押さえ板２０４は、鉄（Ｆｅ）を材質として形成されており、複数の長尺板から構成されたり、一枚の円板から形成されている。押さえ板２０４は、超音波送受波器１１０の送受波面と反対の船体１０１側の面に当接した状態で、各スペーサ２１３に対して固定される。
【００３４】
以上のような構造を用いることで、超音波送受波器１１０は、タンク内空間２００内において、船底タンク１０２に対して固定設置される。
【００３５】
この構造において、船体１０１の航走中の振動が発生すると、当該振動が船体１０１、船底タンク１０２の壁部２０１を介して取り付け板２１２へ伝達する。船体１０１、船底タンク１０２および取り付け板２１２は同材質（鉄）で形成されているので、振動は殆ど減衰されることなく伝達する。取り付け板２１２まで伝達した振動は、次に、当該取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４からなる所謂本発明の「複数の部分部材」に向かう。
【００３６】
ここで、複数の部分部材は、上述のように振動の伝達方向に対して、当該取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４の順に配列されており、固有音響インピーダンスでいえば、固有音響インピーダンスの高い鉄（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、固有音響インピーダンスの低いクロロプレンゴム（２．３ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、再度固有音響インピーダンスの高い鉄（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））の順に並ぶこととなる。さらに、固有音響インピーダンスの低いクロロプレンゴムからなる防音部材２１５の厚みｄは、三層媒質構造の透過率の計算式である次式に基づいて設定される。
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、Ｔｐは透過率であり、λは振動における除去したい周波数に対応する波長である。また、Ｚ１は取り付け板２１２の固有音響インピーダンス（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、Ｚ２は防音部材２１５の固有音響インピーダンス（２．３ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、Ｚ３は保持板２１４の固有音響インピーダンス（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））である。
【００３９】
このような固有音響インピーダンスの設定を行った場合、厚みｄにより、透過率Ｔｐは変化する。図３は、本実施形態の構成を用いた場合の超音波振動子１１１の送受波周波数である３８ｋＨｚの周波数波の透過率Ｔｐの厚みｄへの依存性を示す特性図である。この図３に示すように、透過率Ｔｐは、厚みｄを変化させることにより、約「１」から約「０」の間で変化する。そして、厚みｄを決定する透過率閾値を例えば、「０．１」や、さらに「０」に近い「０．０１」に設定し、当該透過率閾値以下となるように防音部材２１５の厚みｄを決定する。この際、超音波送受波装置の大きさを加味して、出来る限り厚みｄを薄く設定すると良い。例えば、上述の結果に基づいて、５ｍｍ程度にすると良い。また、超音波振動子１１１で送受信を行う周波数帯域に一定の帯がある場合（例えば、３８ｋＨｚ±２ｋＨｚ）には、この周波数帯域における透過率が所定の閾値以下になるようにすればよい。
【００４０】
このように、除去したい高周波成分、すなわち超音波送受波器１１０の超音波振動子１１１が送受信する周波数（送受波周波数成分と称する）に対して、取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４の固有音響インピーダンスを決定するとともに、防音部材２１５の厚みｄを決定することで、振動における送受波周波数成分が反射される。これにより、振動における送受波周波数成分が超音波送受波器１１０に伝達されない。
【００４１】
この結果、超音波振動子１１１は、自身が送波して物標や海底から反射された超音波のみを受信して、振動における送受波周波数成分の影響を受けないので、Ｓ／Ｎ比の高い受信信号を得ることができる。
【００４２】
図４は、本実施形態の構成を用いた場合と、用いない場合とでの探知結果を示した表示画面図であり、（Ａ）が本実施形態の場合を示し、（Ｂ）が本実施形態の構成を用いなかった場合（図８参照）を示す。図４に示すように、本実施形態の構成を用いることで、用いない場合と比較して、ノイズレベルが低下し、目的とする物標や海底を、より鮮明に表示することができる。
【００４３】
ところで、振動の伝達経路としては、取り付け板２１２からスペーサ２１３、押さえ板２０４を介して伝送する経路も考えられるが、スペーサ２１３が保持板２１４に接合しているので、スペーサ２１３にも振動の送受波周波数成分は伝達されない。したがって、振動の送受波周波数成分が押さえ板２１４を介して超音波送受波器１１０へ伝達することも防止できる。
【００４４】
なお、当該送受波周波数成分とは異なる、所謂、人が体感可能な低周波数成分については、図示していないが既知の各種構造により減衰させることができる。
【００４５】
次に、第２の実施形態に係る超音波送受波装置について、図５を参照して説明する。
【００４６】
図５は、第２の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【００４７】
本実施形態では、超音波送受波器１１０’の保護部材１１２内に防音部材２２０を挿入した構造を有し、超音波送受波器１１０’の保持構造は図８に示したものと同じである。
【００４８】
防音部材２２０は、鉛直方向に沿って内径が一定の円筒形状の側壁と、当該側壁の鉛直方向の一方端に形成された円板形状の天面板とからなる構造を有する。そして、天面板が超音波振動子１１１の伝送ケーブル１１５側になるとともに、超音波振動子１１１に対して離間するように、保護部材１１２内に配置されている。側壁および天面板は、三層構造からなる。保護部材１１２に接する表層２２１，２２３は鉄等からなり、保護部材１１２に対して固有音響インピーダンスが異なる材質により形成されている。中間層２２２はクロロプレンゴム等からなり表層２２１，２２３に対して固有音響インピーダンスが異なる材質により形成される。この際、中間層２２２の厚みも、上述の第１の実施形態と同様の方法で決定される。
【００４９】
防音部材２２０の側壁の天面板と反対側の端部は、超音波送受波器１１０’の送受波面に達するように側壁の形状が形成されており、これにより、保護部材１１２と中間層２２２とは直接接触しない。このような構成により、船体１０１から保護部材１１２まで伝達した振動の送受波周波数成分の超音波振動子１１１への伝達経路は、保護部材１１２、表層２２１、中間層２２２、表層２２３、保護部材１１２の順となる。しかしながら、上述のように、固有音響インピーダンスの異なる三層（表層２２１、中間層２２２、表層２２３）が伝送経路に直列に介在されて、中間層２２２の厚みが透過率に基づいて設定されているので、船体１０１から保護部材１１２に伝達された振動の送受波周波数成分は、この表層２２１、２２３、中間層２２２からなる防音部材２２０で反射、減衰されて超音波振動子１１へは伝達されない。
【００５０】
このように、本実施形態のような構成を用いても、超音波振動子１１１は、振動の送受波周波数成分を受信せず、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００５１】
次に、第３の実施形態に係る超音波送受波装置について図６を参照して説明する。
【００５２】
図６は第３の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【００５３】
本実施形態では、図８に示した保持構造を維持しながら、押さえ板２０４と保護部材１１２との間、および取り付け板２０２と保護部材１１２との間に、それぞれ、防音部材２３０Ａ、２３０Ｂをそれぞれ設置したものである。
【００５４】
防音部材２３０Ａは、固有音響インピーダンスが押さえ板２０４と異なるクロロプレンゴム等の第１層２３１Ａと、クロロプレンゴムおよび保護部材１１２を構成するウレタンと異なる固有音響インピーダンスを有する第２層２３２Ａとが層構造化された平板体からなる。一方、防音部材２３０Ｂは、固有音響インピーダンスが取り付け板２０２と異なるクロロプレンゴム等の第１層２３１Ｂと、クロロプレンゴムおよび保護部材１１２を構成するウレタンと異なる固有音響インピーダンスを有する第２層２３２Ｂとが層構造化された平板体からなる。ここで、防音部材２３０Ａの第１層２３１Ａと、防音部材２３０Ｂの第１層２３１Ｂとの厚みｄは、上述の第１の実施形態の場合と同様に、送受波周波数成分の透過率に基づいて決定される。
【００５５】
このような構成であっても、押さえ板２０４、防音部材２０３Ａの第１層２３１Ａ、第２層２３２Ａにより、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。また、取り付け板２０２、防音部材２０３Ｂの第１層２３１Ｂ、第２層２３２Ｂにより、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。これにより、上述の第１の実施形態と同様に、船体１０１の振動の送受波周波数成分が反射されて、保護部材１１２へは伝達されない。この結果、超音波振動子１１１は、振動の送受波周波数成分を受信せず、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００５６】
次に、第４の実施形態に係る超音波送受波装置について図７を参照して説明する。なお、本実施形態の超音波送受波装置は、ソナー装置に用いられる構成を示す。
【００５７】
図７は、第４の実施形態に係る超音波送受波装置およびソナー装置の構成を示す図であり、（Ａ）がソナー装置のシステム構成図であり、（Ｂ）が超音波送受波器３１０の取り付け構造を示し、（Ｃ）が（Ｂ）のより詳細な拡大図である。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態のソナー装置では、超音波送受波器３１０を船体１０１内に格納したり、船底から突出させたりできる構造を有する。このため、船体１０１には、超音波送受波器３１０を移動させる移動機構部３２０と、該移動機構部３２０と超音波送受波器３１０とを連結する軸３１１とが設置されている。なお、探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０は、表示仕様、操作仕様、探知信号送受信仕様が異なるものの、基本的な概念としては第１の実施形態に示した探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０と同じである。
【００５９】
移動機構部３２０は、鉄等の高剛性の材質で形成されており、同じく鉄を材質とする円筒形状の取り付け部材３３１により船体１０１に固定される。移動機構部３２０と取り付け部材３３１との接続部には、移動機構部３２０および取り付け部材３３１と固有音響インピーダンスが異なるクロロプレンゴム等からなる防音部材３３０が設置されている。この防音部材３３０も上述の第１の実施形態と同様に振動の送受波周波数成分の透過率に基づいて厚みが設定されている。この防音部材３３０により移動機構部３２０と取り付け部材３３１とは直接接触しない。また、移動機構部３２０と取り付け部材３３１とは、ボルトＢとナットＮとによる締め付けにより固定されているが、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、これらボルトＢ及びナットＮが、移動機構部３２０および取り付け部材３３１に直接接触しないように、防音部材３３０が設置されている。
【００６０】
このような構造であっても、取り付け部材３３１、防音部材３３０、移動機構部３２０により、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。これにより、上述の第１の実施形態と同様に、船体１０１の振動における送受波周波数成分が反射されて、移動機構部３２０および超音波送受波器３１０へは伝達されない。
【００６１】
なお、上述の各実施形態では、固有音響インピーダンスの高い材質として鉄を利用し、固有音響インピーダンスの低い材質としてクロロプレンゴムを利用した例を示したが、これらの組み合わせに限ることなく、固有音響インピーダンスの異なる材質同士を組み合わせればよい。そして、これら複数の部分部材を構成する各部材の固有音響インピーダンスと、送受波周波数成分の透過率とに基づいて、複数の部分部材の中間の部分部材の厚みを適宜設定すればよい。この際、組み合わせる材質同士の固有音響インピーダンスの差は、少なくとも桁が異なる程度に大きければよい。また、本超音波送受波器が船舶用であるので、海水に対する耐性が高いもの同士を用いるとよい。
【００６２】
また、上述の各実施形態は、本願の作用効果を奏する例であり、本質的には、船体で発生した振動における送受波周波数成分が超音波振動子に伝達する経路内に、接触し合う層同士の固有音響インピーダンスが異なる複数層からなり、中間の層の厚みが上述のように決定されている部材を挿入すればよい。したがって、このような構成を有する機構であれば、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施形態の超音波送受波装置を搭載した船舶の超音波探知システムの構成を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態の超音波送受波器の設置構造を示す図である。
【図３】第１の実施形態の構成を用いた場合の送受波周波数における透過率Ｔｐの厚みｄへの依存性を示す特性図である。
【図４】第１の実施形態の構成を用いた場合と、用いない場合とでの探知結果を示した表示画面図である。
【図５】第２の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【図７】第４の実施形態に係る超音波送受波装置およびソナー装置の構成を示す図である。
【図８】従来の船底への超音波送受波器の取り付け構造を示す側面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００−船舶、１０１−船体、１０２−船底タンク、１１０−超音波送受波器、１１１−超音波振動子、１１２−低周波振動抑制体、１２０−探知信号送受信装置、１３０−表示操作装置、１５０−伝送ケーブル、２００−タンク内空間、２０１−壁部、２０１Ａ−鉛直壁、２０１Ｂ−底壁、２０２、２１２−取り付け板、２１２Ａ−円板形状部、２１２Ｂ−鉛直部、２０３−スペーサ、２０４−押さえ板、２１４−保持部材、２１４Ａ−第１水平部、２１４Ｂ−鉛直部、２１４Ｃ−第２水平部、２１５−防音部材、２１５Ａ−第１端面板、２１５Ｂ−第２端面板、２２０−防音部材、２２１，２２３−表層、２２２−中間層、２３０Ａ、２３０Ｂ−防音部材、３１０−超音波送受波器、３１１−軸、３２０−移動機構部、３３０−防音部材、３３１−取り付け部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、魚群探知機やソナー装置等で用いる超音波送受波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶に装備される魚群探知機やソナー装置では、探知信号である超音波を海中の放射して、魚群等の物標や海底面からの反射波を受信することで探知を行う。このため、通常は超音波送受波器が船底に取り付けられており、当該超音波送受波器を用いて超音波の送信および反射波の受信を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
船底への超音波送受波器の取り付け手段としては、船底内部に超音波送受波器を取り付けるためのタンクを設置する方法と、船底の外側（下方）に超音波送受波器取り付け用の船底タンクを取り付ける方法とがあり、いずれの方法であっても、結果的に船底（船体）に対して超音波送受波器を何らかの形で機構的に固定することとなる。
【０００４】
図８は、従来の船底への超音波送受波器の取り付け構造を示す側面図である。本図では、船体１０１の船底の外側に船底タンク１０２を設置した場合を示す。
【０００５】
船底タンク１０２は、鉛直壁２０１Ａと底壁２０１Ｂとからなり、鉛直方向から見た形状が例えば楕円形状からなる円筒体の壁部２０１を有する。壁部２０１を構成する鉛直壁２０１Ａは、溶接等により船底へ接合されている。壁部２０１を構成する底壁２０１Ｂは、当該底壁面２０１Ｂを鉛直方向（船底の方向）から見た中央の領域が開口している。開口部には、取り付け板２０２が設置されている。取り付け板２０２は、外周形状が底壁２０１Ｂの開口形状と略同じ円板形状であり、この底壁２０１Ｂの開口端の部分でボルトとナット等の固定機構により底壁２０１Ｂへ固定されている。取り付け板２０２は、円板形状の中央に、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも若干狭い内径からなる開口部を有する。
【０００６】
超音波送受波器１１０は、ウレタン等の材質からなる保護部材１１２と、当該保護部材１１２内に設置された圧電素子からなる超音波振動子１１１とを備え、鉛直方向から見た形状が円形の円柱形状である。超音波送受波器１１０は、鉛直下方向を向く送受波面が、取り付け板２０２により鉛直下側から保持されることで、船体１０１の船底、船底タンク１０２、取り付け板２０２により形成されるタンク内空間２００内に設置される。
【０００７】
取り付け板２０２には、鉛直方向に延びる軸形状からなる複数のスペーサ２０３が取り付けられている。複数のスペーサ２０３の取り付け板２０２と反対側の端部には、押さえ板２０４が接続されている。押さえ板２０４は、超音波送受波器１１０の送受波面と対向する面と当接するように設置されている。この構成により、超音波送受波器１１０は、取り付け板２０２、押さえ板２０４、スペーサ２０３により、タンク内空間２００内の所定位置に固定される。この際、従来の超音波送受波器１１０の取り付け機構では、例えば、船体１０１、船底タンク１０２、取り付け板２０２の全てが剛性の高い鉄（Ｆｅ）を材質として形成されている。
【０００８】
ところで、このような超音波送受波装置が設置された船舶では、停止中のみではなく航行中にも探知を行う。航行中の場合、船体１０１を進行させるために、船体１０１内のエンジンを駆動させ、プロペラが回転すると、これらから発生する振動が船底タンク１０２、取り付け板２０２を介して超音波送受波器１１０に伝達する。このような機械的な振動が超音波送受波器１１０に伝達すると超音波振動子１１１に歪みが生じ、当該歪みの影響により受信信号中にノイズが現れる。このような課題を解決する技術として、特許文献２では、圧電素子を高剛性体で覆って固定する機構が用いられている。
【特許文献１】特開２０００−２４１５３０号公報
【特許文献２】特開平６−３３５０９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、船体壁の薄型化や船舶の航走速度の高速化等に伴い、上述のような船体に生じる振動が大きくなっている。このため、超音波送受波装置は、船体１０１で発生した振動の影響を受けやすくなってきている。現に、船体１０１で発生した機械的な振動を抑圧するため、船底タンク１０２、取り付け板２０２の間に緩衝材を設けたり、上述の特許文献２に開示された対策を設けるだけでは十分なノイズを抑制を行うことができなかった。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、船体１０１で発生した振動の影響を大幅に抑制し、Ｓ／Ｎ比の優れる超音波送受波装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述のように、従来の各種技術では超音波送受波器のＳ／Ｎ比が改善されないため、発明者は、実験等により、次に示す事実を見いだした。
【００１２】
すなわち、上述の機械的な振動は、人が体感できる程度の低周波数成分のみではなく、当該低周波から数十ｋＨｚオーダの高周波まで広い帯域に亘って分布している。そして、上述のような、所謂、振動の低周波数成分に対する対策により効果の生じない高周波数帯域に超音波送受波器の送受信する周波数帯域が存在することで、上述の振動による高周波成分を受信してしまう。また、上述の船体の高速化等とは別に、超音波送受波器の性能も近年向上しており、超音波送受波器で送受信可能な周波数が極狭い周波数帯域ではなく、数十ｋＨｚオーダの中心周波数に対して、４ｋＨｚ〜５ｋＨｚの帯域幅を有するようになっている。このため、このような高性能な超音波送受波器では、振動の高周波成分をより広帯域で受信してしまうので、さらにＳ／Ｎ比が悪くなってしまう。
【００１３】
したがって、このような新たに検知した事実に基づいて、本願発明は、以下に示す構成を用いて、前記課題の解決を行った。
【００１４】
この発明は、超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、この超音波送受波器が装着される被装着体に超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置に関するものである。この超音波送受波装置は、被装着体で発生した振動が装着媒介部を介して超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される複数の部分部材を有する。そして、この複数の部分部材の音響インピーダンスの差及び厚みを、超音波振動子が送受信する周波数帯域の高周波の振動が複数の部分部材の境界面で反射するように設定している。
【００１５】
この構成では、複数の部分部材は、被装着体で発生した振動が超音波振動子へ伝達される経路内に設置される。複数の部分部材は、異なる固有音響インピーダンスからなる部分部材が隣接しあう形で連接される構造であるとともに厚みが適宜設定されていることで、部分部材の境界面により、振動の高周波成分が反射される。したがって、船体から伝達される振動の高周波成分は、超音波送受波器の超音波振動子には殆ど伝達されない。
【００１６】
また、この発明の超音波送受波装置の複数の部分部材は、振動の伝達方向に対して順次連接する第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材からなる。そして、第１部分部材と前記第３部分部材とは、予め設定された固有音響インピーダンスを有する。第２部分部材は、高周波の波長と、第１部分部材および第３部分部材の固有音響インピーダンスと、第２部分部材の固有音響インピーダンスおよび厚みとから導かれる複数の部分部材での高周波の透過率を、予め設定した閾値以下になるように固有音響インピーダンスおよび厚みを設定する。
【００１７】
この構成では、具体的な複数の部分部材の構成として、部分部材が三つである場合を示している。そして、三つの部分部材が連接される構造では、第１部分部材および第３部分部材の固有音響インピーダンスに対するこれらに挟まれた第２部分部材の固有音響インピーダンスと当該第２部分部材の厚みとにより、複数の部分部材における高周波の透過率が決まる。したがって、当該透過率を低下させるように、各固有音響インピーダンスおよび厚みを設定することで、振動における高周波成分が超音波振動子へ殆ど伝達しない。
【００１８】
また、この発明は、超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、該超音波送受波器が装着される被装着体に超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置に関するものである。この超音波送受波装置は、被装着体で発生した振動が装着媒介部を介して超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材を少なくとも有する。そして、超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動に対する、第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材からなる三層媒質構造の透過率を０．１以下とする。
【００１９】
この構成では、複数の部分部材の具体例として三層媒質構造の場合を示す。そして、三層媒質構造において具体的に透過率が０．１以下となることで、振動における高周波成分が超音波振動子へ伝達しなくなる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、船体等の超音波送受波器が装着される被装着体の振動に含まれるノイズとなる高周波成分が超音波送受波器の超音波振動子で受信されない。これにより、超音波送受波器のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係る超音波送受波装置について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の超音波送受波装置を搭載した船舶の超音波探知システムの構成を示す構成図である。このような構成の超音波探知システムとしては、例えば魚群探知機が挙げられる。
【００２２】
船舶１００の船体１０１の甲板上には操舵室が設置されており、船体１０１内に探知信号送受信装置１２０が設置され、操舵室内に表示操作装置１３０が設置されている。船体１０１の船底には、船底タンク１０２が船体１０１に対して溶接等により固定設置されている。船底タンク１０２内には、超音波送受波器１１０が設置されている。
【００２３】
超音波送受波器１１０、探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０は、伝送ケーブル１５０で接続されている。探知を行う場合、オペレータが表示操作装置１３０で探知実行操作を行うと、探知信号送受信装置１２０は、所定周波数（例えば、３８ｋＨｚ）のパルスバースト信号のような探知信号を生成して、超音波送受波器１１０へ与える。超音波送受波器１１０は、この探知信号を音響変換して、海中へ送信する。このような送信された超音波は、海中の物標や海底で反射して、超音波送受波器１１０で受信され、超音波送受波器１１０は、受信した超音波を電気信号である探知受信信号に変換する。探知信号送受信装置１２０は、探知受信信号に対して所定の探知検出用処理を行い、処理後のデータを表示操作装置１３０へ与える。表示操作装置１３０は、処理後のデータに基づいて探知結果を表示する。
【００２４】
このような探知システムにおいて、超音波送受波器１１０は、次に示す構造により船底タンク１０２へ設置される。
【００２５】
図２は、本実施形態の超音波送受波器の設置構造を示す図であり、図２（Ａ）が設置構造を船底側から見た平面構成図であり、図２（Ｂ）が設置構造を側面視した側面断面構成図であり、図２（Ｃ）が当該設置構造の特徴部分を拡大した側面断面構成図である。なお、図２（Ｂ）と図２（Ｃ）はともに断面図であるが、構造的特徴を分かりやすくするために、それぞれ異なる断面で表している。
【００２６】
まず、船体１０１に対して設置される超音波送受波器１１０は、円形状の超音波振動子１１１と、該超音波振動子１１１の全面を被覆する円柱形状の保護部材１１２とを備える。超音波振動子１１１は、円板形状を構成する一方の円形面が送受波面となり、当該送受波面と対向する円形面側に伝送ケーブル１５０が接続されている。保護部材１１２は、円柱形状の円形面が超音波振動子１１１の円形面と平行になるように形成されている。この保護部材１１２において、円形面（送受波面）側から見た略中央で、且つ、円形面に平行な側面から見て略中央から一方の円形面側に偏る位置に、超音波振動子１１１が設置されている。保護部材１１２は、海水に対する耐性を有し、海水（水）に対して固有音響インピーダンスが略同じ（１．７〜１．８（ＭＰａ／（ｍ／ｓ））程度）で、且つ外部から超音波振動子１１１へ与えられる衝撃を緩和可能なウレタン等の材質により形成されている。
【００２７】
船体タンク１０２は、船体１０１の船底に対して略垂直な鉛直壁２０１Ａと、船底に対して略水平な底壁２０１Ｂとからなる壁部２０１を有する。壁部２０１は、船体１０１方向から見た形状が楕円形状となる円筒形である。壁部２０１は鉄（Ｆｅ）等の高剛性の金属で形成されており、壁部２０１の鉛直壁２０１Ａは、船体１０１に溶接等により接合されている。底壁２０１Ｂは、船体１０２方向から見た中央の領域が、超音波送受波器１１０の送受波面よりも大きい径で開口された円板形状である。底壁２０１Ｂは、開口部に沿って、取り付け板２１２を固定するための取付部が形成されている。取付部は、例えば、図２（Ａ）に示すように、開口部の外周から開口部の中央方向へ所定長さ延びる小片部である。なお、図２（Ａ）では、二箇所しか小片部を形成していないが、開口部の全周に亘り所定角度間隔（例えば３０°間隔）で複数の小片部を形成しても良い。さらに、このような小片部を形成することなく、底壁２０１Ｂの本体部分に取り付け用のスペースを設けても良い。
【００２８】
取り付け板２１２は、壁部２０１と同じ比較的固有音響インピーダンスの高い（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））材質である鉄（Ｆｅ）で形成されており、円板形状部２１２Ａと鉛直部２１２Ｂとが一体形成されてなる。円板形状部２１２Ａは、外周形状が底壁２０１Ｂの開口形状と略同じであり、その円板面の中央領域に開口部を有する。この開口部は、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも大きい径からなる。円板形状部２１２Ａの外周端付近には複数の固定用孔が形成されており、当該円板形状部２１２Ａの固定用孔と底壁２０１Ｂの取付部とを、ボルトとナットとの組み合わせにより締め合わせることで、取り付け板２１２は、壁部２０１へ固定される。鉛直部２１２Ｂは、円板形状部２１２Ａの開口部側端近傍に円筒形状で形成されている。鉛直部２１２Ｂの円板形状部２１２Ａとの接合側と反対の端部には、所定の角度間隔（図２の例であれば、３０°間隔）で雄ネジが形成されている。
【００２９】
保持板２１４は、船体１０１方向から見て中央に開口を有する円形状で、船体１０１方向に対して垂直な水平方向から見た断面が二段の水平に延びる部分とこれらを繋ぐ鉛直に延びる部分とで形成される構造を有する。この保持板２１４も、壁部２０１、取り付け板２１２と同様に、鉄（Ｆｅ）で形成されている。この保持板２１４の二段の水平に延びる部分における径の大きい方が第１水平部２１４Ａであり、径の小さい方が第２水平部２１４Ｃであり、鉛直に延びる部が鉛直部２１４Ｂである。第１水平部２１４Ａには、複数の取付用孔２１４Ｄが形成されており、これら複数の取付用孔２１４Ｄは、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジと対応する位置に形成されている。第２水平部２１４Ｃに形成された開口の径は、超音波送受波器１１０の送受波面の径よりも小さく設定されている。鉛直部２１４Ｂは、第１水平部２１４Ａと第２水平部２１４Ｃとを鉛直方向へ所定距離離間する形状であり、具体的には、第１水平部２１４Ａを取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂに設置した状態で、第２水平部２１４Ｃと取り付け板２１２の円板形状部２１２Ａとが鉛直方向の同位置となる形状で形成されている。このような形状の保持板２１４の開口部には、超音波送受波器１１０が設置される。この際、超音波送受波器１１０の送受波面における外周から内側へ向けた所定長さの円環領域が、保持板２１４により、船体１０１と反対側から当接して保持される。
【００３０】
防音部材２１５は、ボビン形状からなり、中央に開口を有する円板状の第１端面板２１５Ａ、第２端面板２１５Ｂと、これら第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂ間に設置された円筒形の円筒部２１５Ｃとからなる。防音部材２１５に形成された第１、２端面板２１５Ａ，２１５Ｂおよび円筒部２１５Ｃを貫く孔の径は、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジの外径以上で略同等であり、円筒部２１５Ｃの外径は、保持板２１４の第１水平部２１４Ａに形成された孔の径以下で略同等である。また、防音部材２１５は、第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂおよび円筒部２１５Ｃの厚みｄが一定になるように形成されている。防音部材２１５は、鉄と比較して固有音響インピーダンスが大幅に小さく（約２．３（ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、海水に対する耐性も高いクロロプレンゴムにより形成されている。なお、以上の取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５と、超音波送受波器１１０とを組み合わせた構成が、本発明の「超音波送受波装置」に相当し、取り付け板２１２と保持板２１４とが、本発明の「装着媒介部」に相当し、取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５とが、本発明の「複数の部分部材」に相当する。
【００３１】
このような構成の取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５の接続部は、図２（Ｃ）に示すような構造となる。すなわち、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジの外周面には、防音部材２１５の貫通孔の内周面が当接する。この防音部材２１５の円筒部２１５Ｃの外周面には、保持板２１４の第１水平部２１４Ａの孔の内面が当接する。さらに、保持板２１４の第１水平部２１４Ａの二つの主面（水平方向に拡がる面）は、防音部材２１５の第１、第２端面板２１５Ａ，２１５Ｂのそれぞれにより挟持されている。また、防音部材２１５の第１端面板２１５の鉛直下側の面は、鉛直部２１２Ｂの雄ネジの元部に当接している。また、この構造の元、取り付け板２１２と保持板２１４とは、直接接触しないように配置されている。このように、取り付け板２１２、保持板２１４、防音部材２１５が取り付けられた状態で、防音部材２１５の第２端面板の鉛直上側の面にワッシャＷが配置され、さらに、ナットＮが雄ネジに螺号されている。このような構成とすることで、取り付け板２１２と保持板２１４とが、防音部材２１５を介して固定設置される。
【００３２】
スペーサ２１３は、円柱形状からなり、所定角度間隔で複数本設置されている。この際、各スペーサ２１３は、保持板２１４における、取り付け板２１２の鉛直部２１２Ｂの雄ネジ形成位置と異なる位置に固定設置されている。これら全てのスペーサ２１３は、保持板２１４と同じ鉄（Ｆｅ）で形成されている。
【００３３】
押さえ板２０４は、鉄（Ｆｅ）を材質として形成されており、複数の長尺板から構成されたり、一枚の円板から形成されている。押さえ板２０４は、超音波送受波器１１０の送受波面と反対の船体１０１側の面に当接した状態で、各スペーサ２１３に対して固定される。
【００３４】
以上のような構造を用いることで、超音波送受波器１１０は、タンク内空間２００内において、船底タンク１０２に対して固定設置される。
【００３５】
この構造において、船体１０１の航走中の振動が発生すると、当該振動が船体１０１、船底タンク１０２の壁部２０１を介して取り付け板２１２へ伝達する。船体１０１、船底タンク１０２および取り付け板２１２は同材質（鉄）で形成されているので、振動は殆ど減衰されることなく伝達する。取り付け板２１２まで伝達した振動は、次に、当該取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４からなる所謂本発明の「複数の部分部材」に向かう。
【００３６】
ここで、複数の部分部材は、上述のように振動の伝達方向に対して、当該取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４の順に配列されており、固有音響インピーダンスでいえば、固有音響インピーダンスの高い鉄（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、固有音響インピーダンスの低いクロロプレンゴム（２．３ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、再度固有音響インピーダンスの高い鉄（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））の順に並ぶこととなる。さらに、固有音響インピーダンスの低いクロロプレンゴムからなる防音部材２１５の厚みｄは、三層媒質構造の透過率の計算式である次式に基づいて設定される。
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、Ｔｐは透過率であり、λは振動における除去したい周波数に対応する波長である。また、Ｚ１は取り付け板２１２の固有音響インピーダンス（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、Ｚ２は防音部材２１５の固有音響インピーダンス（２．３ＭＰａ／（ｍ／ｓ））、Ｚ３は保持板２１４の固有音響インピーダンス（４６．８ＭＰａ／（ｍ／ｓ））である。
【００３９】
このような固有音響インピーダンスの設定を行った場合、厚みｄにより、透過率Ｔｐは変化する。図３は、本実施形態の構成を用いた場合の超音波振動子１１１の送受波周波数である３８ｋＨｚの周波数波の透過率Ｔｐの厚みｄへの依存性を示す特性図である。この図３に示すように、透過率Ｔｐは、厚みｄを変化させることにより、約「１」から約「０」の間で変化する。そして、厚みｄを決定する透過率閾値を例えば、「０．１」や、さらに「０」に近い「０．０１」に設定し、当該透過率閾値以下となるように防音部材２１５の厚みｄを決定する。この際、超音波送受波装置の大きさを加味して、出来る限り厚みｄを薄く設定すると良い。例えば、上述の結果に基づいて、５ｍｍ程度にすると良い。また、超音波振動子１１１で送受信を行う周波数帯域に一定の帯がある場合（例えば、３８ｋＨｚ±２ｋＨｚ）には、この周波数帯域における透過率が所定の閾値以下になるようにすればよい。
【００４０】
このように、除去したい高周波成分、すなわち超音波送受波器１１０の超音波振動子１１１が送受信する周波数（送受波周波数成分と称する）に対して、取り付け部材２１２、防音部材２１５、保持板２１４の固有音響インピーダンスを決定するとともに、防音部材２１５の厚みｄを決定することで、振動における送受波周波数成分が反射される。これにより、振動における送受波周波数成分が超音波送受波器１１０に伝達されない。
【００４１】
この結果、超音波振動子１１１は、自身が送波して物標や海底から反射された超音波のみを受信して、振動における送受波周波数成分の影響を受けないので、Ｓ／Ｎ比の高い受信信号を得ることができる。
【００４２】
図４は、本実施形態の構成を用いた場合と、用いない場合とでの探知結果を示した表示画面図であり、（Ａ）が本実施形態の場合を示し、（Ｂ）が本実施形態の構成を用いなかった場合（図８参照）を示す。図４に示すように、本実施形態の構成を用いることで、用いない場合と比較して、ノイズレベルが低下し、目的とする物標や海底を、より鮮明に表示することができる。
【００４３】
ところで、振動の伝達経路としては、取り付け板２１２からスペーサ２１３、押さえ板２０４を介して伝送する経路も考えられるが、スペーサ２１３が保持板２１４に接合しているので、スペーサ２１３にも振動の送受波周波数成分は伝達されない。したがって、振動の送受波周波数成分が押さえ板２１４を介して超音波送受波器１１０へ伝達することも防止できる。
【００４４】
なお、当該送受波周波数成分とは異なる、所謂、人が体感可能な低周波数成分については、図示していないが既知の各種構造により減衰させることができる。
【００４５】
次に、第２の実施形態に係る超音波送受波装置について、図５を参照して説明する。
【００４６】
図５は、第２の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【００４７】
本実施形態では、超音波送受波器１１０’の保護部材１１２内に防音部材２２０を挿入した構造を有し、超音波送受波器１１０’の保持構造は図８に示したものと同じである。
【００４８】
防音部材２２０は、鉛直方向に沿って内径が一定の円筒形状の側壁と、当該側壁の鉛直方向の一方端に形成された円板形状の天面板とからなる構造を有する。そして、天面板が超音波振動子１１１の伝送ケーブル１１５側になるとともに、超音波振動子１１１に対して離間するように、保護部材１１２内に配置されている。側壁および天面板は、三層構造からなる。保護部材１１２に接する表層２２１，２２３は鉄等からなり、保護部材１１２に対して固有音響インピーダンスが異なる材質により形成されている。中間層２２２はクロロプレンゴム等からなり表層２２１，２２３に対して固有音響インピーダンスが異なる材質により形成される。この際、中間層２２２の厚みも、上述の第１の実施形態と同様の方法で決定される。
【００４９】
防音部材２２０の側壁の天面板と反対側の端部は、超音波送受波器１１０’の送受波面に達するように側壁の形状が形成されており、これにより、保護部材１１２と中間層２２２とは直接接触しない。このような構成により、船体１０１から保護部材１１２まで伝達した振動の送受波周波数成分の超音波振動子１１１への伝達経路は、保護部材１１２、表層２２１、中間層２２２、表層２２３、保護部材１１２の順となる。しかしながら、上述のように、固有音響インピーダンスの異なる三層（表層２２１、中間層２２２、表層２２３）が伝送経路に直列に介在されて、中間層２２２の厚みが透過率に基づいて設定されているので、船体１０１から保護部材１１２に伝達された振動の送受波周波数成分は、この表層２２１、２２３、中間層２２２からなる防音部材２２０で反射、減衰されて超音波振動子１１へは伝達されない。
【００５０】
このように、本実施形態のような構成を用いても、超音波振動子１１１は、振動の送受波周波数成分を受信せず、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００５１】
次に、第３の実施形態に係る超音波送受波装置について図６を参照して説明する。
【００５２】
図６は第３の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【００５３】
本実施形態では、図８に示した保持構造を維持しながら、押さえ板２０４と保護部材１１２との間、および取り付け板２０２と保護部材１１２との間に、それぞれ、防音部材２３０Ａ、２３０Ｂをそれぞれ設置したものである。
【００５４】
防音部材２３０Ａは、固有音響インピーダンスが押さえ板２０４と異なるクロロプレンゴム等の第１層２３１Ａと、クロロプレンゴムおよび保護部材１１２を構成するウレタンと異なる固有音響インピーダンスを有する第２層２３２Ａとが層構造化された平板体からなる。一方、防音部材２３０Ｂは、固有音響インピーダンスが取り付け板２０２と異なるクロロプレンゴム等の第１層２３１Ｂと、クロロプレンゴムおよび保護部材１１２を構成するウレタンと異なる固有音響インピーダンスを有する第２層２３２Ｂとが層構造化された平板体からなる。ここで、防音部材２３０Ａの第１層２３１Ａと、防音部材２３０Ｂの第１層２３１Ｂとの厚みｄは、上述の第１の実施形態の場合と同様に、送受波周波数成分の透過率に基づいて決定される。
【００５５】
このような構成であっても、押さえ板２０４、防音部材２０３Ａの第１層２３１Ａ、第２層２３２Ａにより、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。また、取り付け板２０２、防音部材２０３Ｂの第１層２３１Ｂ、第２層２３２Ｂにより、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。これにより、上述の第１の実施形態と同様に、船体１０１の振動の送受波周波数成分が反射されて、保護部材１１２へは伝達されない。この結果、超音波振動子１１１は、振動の送受波周波数成分を受信せず、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００５６】
次に、第４の実施形態に係る超音波送受波装置について図７を参照して説明する。なお、本実施形態の超音波送受波装置は、ソナー装置に用いられる構成を示す。
【００５７】
図７は、第４の実施形態に係る超音波送受波装置およびソナー装置の構成を示す図であり、（Ａ）がソナー装置のシステム構成図であり、（Ｂ）が超音波送受波器３１０の取り付け構造を示し、（Ｃ）が（Ｂ）のより詳細な拡大図である。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態のソナー装置では、超音波送受波器３１０を船体１０１内に格納したり、船底から突出させたりできる構造を有する。このため、船体１０１には、超音波送受波器３１０を移動させる移動機構部３２０と、該移動機構部３２０と超音波送受波器３１０とを連結する軸３１１とが設置されている。なお、探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０は、表示仕様、操作仕様、探知信号送受信仕様が異なるものの、基本的な概念としては第１の実施形態に示した探知信号送受信装置１２０、表示操作装置１３０と同じである。
【００５９】
移動機構部３２０は、鉄等の高剛性の材質で形成されており、同じく鉄を材質とする円筒形状の取り付け部材３３１により船体１０１に固定される。移動機構部３２０と取り付け部材３３１との接続部には、移動機構部３２０および取り付け部材３３１と固有音響インピーダンスが異なるクロロプレンゴム等からなる防音部材３３０が設置されている。この防音部材３３０も上述の第１の実施形態と同様に振動の送受波周波数成分の透過率に基づいて厚みが設定されている。この防音部材３３０により移動機構部３２０と取り付け部材３３１とは直接接触しない。また、移動機構部３２０と取り付け部材３３１とは、ボルトＢとナットＮとによる締め付けにより固定されているが、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、これらボルトＢ及びナットＮが、移動機構部３２０および取り付け部材３３１に直接接触しないように、防音部材３３０が設置されている。
【００６０】
このような構造であっても、取り付け部材３３１、防音部材３３０、移動機構部３２０により、固有音響インピーダンスが異なる三層構造を実現することができる。これにより、上述の第１の実施形態と同様に、船体１０１の振動における送受波周波数成分が反射されて、移動機構部３２０および超音波送受波器３１０へは伝達されない。
【００６１】
なお、上述の各実施形態では、固有音響インピーダンスの高い材質として鉄を利用し、固有音響インピーダンスの低い材質としてクロロプレンゴムを利用した例を示したが、これらの組み合わせに限ることなく、固有音響インピーダンスの異なる材質同士を組み合わせればよい。そして、これら複数の部分部材を構成する各部材の固有音響インピーダンスと、送受波周波数成分の透過率とに基づいて、複数の部分部材の中間の部分部材の厚みを適宜設定すればよい。この際、組み合わせる材質同士の固有音響インピーダンスの差は、少なくとも桁が異なる程度に大きければよい。また、本超音波送受波器が船舶用であるので、海水に対する耐性が高いもの同士を用いるとよい。
【００６２】
また、上述の各実施形態は、本願の作用効果を奏する例であり、本質的には、船体で発生した振動における送受波周波数成分が超音波振動子に伝達する経路内に、接触し合う層同士の固有音響インピーダンスが異なる複数層からなり、中間の層の厚みが上述のように決定されている部材を挿入すればよい。したがって、このような構成を有する機構であれば、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施形態の超音波送受波装置を搭載した船舶の超音波探知システムの構成を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態の超音波送受波器の設置構造を示す図である。
【図３】第１の実施形態の構成を用いた場合の送受波周波数における透過率Ｔｐの厚みｄへの依存性を示す特性図である。
【図４】第１の実施形態の構成を用いた場合と、用いない場合とでの探知結果を示した表示画面図である。
【図５】第２の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る超音波送受波装置の構成を示す図である。
【図７】第４の実施形態に係る超音波送受波装置およびソナー装置の構成を示す図である。
【図８】従来の船底への超音波送受波器の取り付け構造を示す側面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００−船舶、１０１−船体、１０２−船底タンク、１１０−超音波送受波器、１１１−超音波振動子、１１２−低周波振動抑制体、１２０−探知信号送受信装置、１３０−表示操作装置、１５０−伝送ケーブル、２００−タンク内空間、２０１−壁部、２０１Ａ−鉛直壁、２０１Ｂ−底壁、２０２、２１２−取り付け板、２１２Ａ−円板形状部、２１２Ｂ−鉛直部、２０３−スペーサ、２０４−押さえ板、２１４−保持部材、２１４Ａ−第１水平部、２１４Ｂ−鉛直部、２１４Ｃ−第２水平部、２１５−防音部材、２１５Ａ−第１端面板、２１５Ｂ−第２端面板、２２０−防音部材、２２１，２２３−表層、２２２−中間層、２３０Ａ、２３０Ｂ−防音部材、３１０−超音波送受波器、３１１−軸、３２０−移動機構部、３３０−防音部材、３３１−取り付け部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、
該超音波送受波器が装着される被装着体に前記超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置において、
前記被装着体で発生した振動が前記装着媒介部を介して前記超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される複数の部分部材を有し、
前記超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動が前記複数の部分部材の境界面で反射するように、前記複数の部分部材の固有音響インピーダンス及び厚みを設定したことを特徴とする超音波送受波装置。
【請求項２】
前記複数の部分部材は、前記振動の伝達方向に対して順次連接する第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材からなり、
前記第１部分部材と前記第３部分部材とは、予め設定された音響インピーダンスを有し、
前記第２部分部材は、前記高周波成分の波長と、前記第１部分部材および前記第３部分部材の音響インピーダンスと、前記第２部分部材の音響インピーダンスおよび厚みとから導かれる、前記複数の部分部材での前記高周波の透過率を、予め設定した閾値以下になるように音響インピーダンスおよび厚みを設定した、請求項１に記載の超音波送受波装置。
【請求項３】
超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、
該超音波送受波器が装着される被装着体に前記超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置において、
前記被装着体で発生した振動が前記装着媒介部を介して前記超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材を少なくとも有し、
前記超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動に対する、前記第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材からなる三層媒質構造の透過率が０．１以下である、超音波送受波装置。
【請求項１】
超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、
該超音波送受波器が装着される被装着体に前記超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置において、
前記被装着体で発生した振動が前記装着媒介部を介して前記超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される複数の部分部材を有し、
前記超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動が前記複数の部分部材の境界面で反射するように、前記複数の部分部材の固有音響インピーダンス及び厚みを設定したことを特徴とする超音波送受波装置。
【請求項２】
前記複数の部分部材は、前記振動の伝達方向に対して順次連接する第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材からなり、
前記第１部分部材と前記第３部分部材とは、予め設定された音響インピーダンスを有し、
前記第２部分部材は、前記高周波成分の波長と、前記第１部分部材および前記第３部分部材の音響インピーダンスと、前記第２部分部材の音響インピーダンスおよび厚みとから導かれる、前記複数の部分部材での前記高周波の透過率を、予め設定した閾値以下になるように音響インピーダンスおよび厚みを設定した、請求項１に記載の超音波送受波装置。
【請求項３】
超音波を発生する超音波振動子を備える超音波送受波器と、
該超音波送受波器が装着される被装着体に前記超音波送受波器を装着する装着媒介部と、を備える超音波送受波装置において、
前記被装着体で発生した振動が前記装着媒介部を介して前記超音波送受波器に伝達される伝達経路内に、該振動の伝達方向に対して順に連接される第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材の三つの部分部材を少なくとも有し、
前記超音波振動子が送受信する周波数帯域の振動に対する、前記第１部分部材、第２部分部材、および第３部分部材からなる三層媒質構造の透過率が０．１以下である、超音波送受波装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−３００２８２（Ｐ２００９−３００２８２Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５５７５９（Ｐ２００８−１５５７５９）
【出願日】平成２０年６月１３日（２００８．６．１３）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１３日（２００８．６．１３）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
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