JP5672801B2

JP5672801B2 - 水中用遮音装置

Info

Publication number: JP5672801B2
Application number: JP2010152099A
Authority: JP
Inventors: 直樹高垣; 秀樹里和; 隆太四ツ倉
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2012014061A

Description

本発明は水中用遮音装置に関する。

水中を伝播する音波を遮音する水中用遮音装置がある。
水中遮音装置は、例えば、船体に設けられたソナーの後方にバッフルとして設置され、水中において後方からソナーに向かって伝播する不要な音波を遮音するといった目的で使用されている。
この種の水中用遮音装置として、粘弾性材で覆った中空球を集積し、中空球の間に空気を封入し、その周囲をモールドゴムで封止したものが提案されている（特許文献１参照）。
また、ゴム層の内部に複数の空洞を配設し、各空洞に空気通路を介して柔軟性容器を接続し、柔軟性容器に加わる外圧と等しい空気圧を各空洞に供給するものが提案されている（特許文献２参照）。

特公平７−１０１３５３号公報特公平５−１３５１９号公報

しかしながら、前者の水中用遮音装置では、外圧が高くなっていくと、モールドゴムが圧縮変形しやがて中空球同士が粘弾性材を介して剛接合されると、遮音効果が低下する不利がある。
また、後者の水中遮音装置では、ゴム層の内部に複数の空洞を配設することから、水中遮音装置の全体に占める空洞全体の体積の比率を高くするには限度があるため、遮音効果を確保しつつ水中遮音装置の小型化を図る上で十分とはいえない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外圧の大小に拘わらず遮音性を確保でき、小型化を図る上で有利な水中用遮音装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、粘弾性材料からなり内部に空気が充填されることで膨張する複数の空気袋と、前記複数の空気袋を、それら空気袋が膨張することで隣り合う空気袋の周面同士が隙間なく密着するように平面上にあるいは曲面上に沿って並べて支持する支持部材と、前記各空気袋に連通する空気通路と、前記空気通路を介して前記各空気袋に空気を充填すると共に、前記各空気袋に充填された空気の圧力である内圧を調整する空気圧調整手段とを備え、前記各空気袋は、上端が上方に凸状を呈するドーム状の壁部で閉塞され、下端が前記支持部材に支持され、前記周面を形成する円筒状を呈する袋本体を含んで構成され、前記空気圧調整手段による前記内圧の調整は、前記空気袋に加わる水圧を外圧とし、前記空気袋内の空気圧を内圧としたとき、前記外圧と前記内圧と差圧が目標差圧範囲内となるようになされ、前記目標差圧範囲は、前記空気袋が膨張することで隣り合う空気袋の前記周面同士が隙間なく密着した状態を維持するに足る前記差圧の範囲であることを特徴とする水中用遮音装置である。

外圧の増減に応じて内圧を調整して空気袋の周面同士が隙間なく密着する状態を維持することができるため、外圧の大小に拘わらず遮音性を確保する上で有利となる。
また、複数の空気袋を支持部材で支持する構成としたので、各空気袋によって形成される空気層の厚さを確保することで遮音性を確保しつつ小型化を図る上で有利となる。

水中用遮音装置１０の構成を示す斜視図である。空気袋１２および支持部材１４の断面図である。支持部材１４の斜視図である。水中用遮音装置１０の制御系の構成を示すブロック図である。水中用遮音装置１０の動作フローチャートである。水中用遮音装置１０における音響透過損失ＴＬの実験結果を示す図である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１、図２に示すように、水中用遮音装置１０は、遮音ユニット１５と、空気通路１６と、空気圧調整手段１８とを含んで構成され、水中構造物、例えば、船体に搭載されている。

遮音ユニット１５は、複数の空気袋１２と、支持部材１４とで構成されている。
空気袋１２は、粘弾性材料からなり内部に空気が充填されることで膨張するものである。
粘弾性材料として、可撓性を有する軟質のゴム、可撓性を有する合成樹脂など従来公知のさまざまな材料が使用可能である。
本実施の形態では、空気袋１２は、袋本体１２Ａと、開口１２Ｂと、凸部１２Ｃとを備えている。
袋本体１２Ａは、上端が上方に凸状を呈するドーム状の壁部で閉塞された円筒状を呈し袋本体１２Ａは、外径よりも大きな寸法の高さＨを有している。
開口１２Ｂは、袋本体１２Ａの下端に形成されている。
凸部１２Ｃは、開口１２Ｂの内周から半径方向内側に環状に膨出形成されている。

支持部材１４は、複数の空気袋１２を、それら空気袋１２が膨張することで隣り合う空気袋１２の周面（袋本体１２Ａの周面）同士が隙間なく密着するように平面上にあるいは曲面上に沿って並べて支持するものである。
本実施の形態では、図２、図３に示すように、支持部材１４は、ベース１４Ａと、取り付け部１４Ｂと、溝部１４Ｃと、凹状部１４Ｄと、ベース側空気通路１４Ｅとを含んで構成されている。

ベース１４Ａは、上面が平面をなす矩形板状を呈し、複数の空気袋１２を保持するに足る剛性を有する部材で形成されている。
このような部材として、空気袋１２よりも硬いゴム材料、あるいは、合成樹脂材料、あるいは、金属板が採用可能である。
取り付け部１４Ｂはベース１４Ａの上面に格子状に並べて複数設けられ、各取り付け部１４Ｂは、ベース１４Ａの上面から円筒状に突出して形成されている。
溝部１４Ｃは、取り付け部１４Ｂのベース１４Ａ寄りの箇所に環状に設けられている。
凹状部１４Ｄは、取り付け部１４Ｂの内側で上方に向かって凹状に形成されている。
ベース側空気通路１４Ｅは、隣接する取り付け部１４Ｂの凹状部１４Ｄ同士を連通するものである。
また、ベース側空気通路１４Ｅの端部は、ベース１４Ａの外部に設けられた外部側空気通路２０を介して空気圧調整手段１８に連通している。

支持部材１４による空気袋１２の支持は、空気袋１２の開口１２Ｂに取り付け部１４Ｂが挿入され、凸部１２Ｃが溝部１４Ｃに嵌合することでなされている。
また、図２において、符号１３は、リング状に巻回されたコイルスプリングからなるクランプである。このクランプ１３が凸部１２Ｃの外周に装着されることで凸部１２Ｃを溝部１４Ｃに押し付け、これにより凸部１２Ｃと溝部１４Ｃとを気密に密着させ、かつ、凸部１２Ｃの溝部１４Ｃからの脱落の防止が図られている。
支持部材１４によって各空気袋１２が支持されることにより、各空気袋１２の内部は、凹状部１４Ｄとベース側空気通路１４Ｅとを介して互いに連通し、したがって、各空気袋１２に充填された空気の圧力である内圧Ｐｉは各空気袋１２において同一となる。

空気通路１６は、各空気袋１２に連通するものであり、本実施の形態では、ベース側空気通路１４Ｅと外部側空気通路２０とで構成されている。

空気圧調整手段１８は、空気通路１６を介して各空気袋１２に空気を充填すると共に、各空気袋１２の内圧Ｐｉを調整するものである。
図４に示すように、空気圧調整手段１８は、外圧センサ２２と、内圧センサ２４と、ポンプ駆動回路２６と、ポンプ装置２８と、流入用電磁弁３０と、流出用電磁弁３２と、制御部３４とを含んで構成されている。
なお、空気圧調整手段１８のうち、外圧センサ２２および内圧センサ２４は、遮音ユニット１５と共に船体外側の水中に配置され、残りのポンプ駆動回路２６、ポンプ装置２８、流入用電磁弁３０、流出用電磁弁３２、制御部３４は、船体内側の空間に搭載されている。

外圧センサ２２は、水中において空気袋１２に加わる水圧である外圧Ｐｏを検出し、検出信号を制御部３４に供給するものである。外圧センサ２２は、例えば、支持部材１４が水中に露出する適宜箇所に取着されている。
内圧センサ２４は、空気袋１２の内圧Ｐｉを検出し、検出信号を制御部３４に供給するものである。内圧センサ２４は、例えば、支持部材１４の凹状部１４Ｄに取着されている。

ポンプ駆動回路２６は、制御部３４の制御に基づいてポンプ装置２８に駆動信号を供給することでポンプ装置２８を駆動するものである。
ポンプ装置２８は、ポンプ駆動回路２６から供給される駆動信号により駆動し、空気を圧縮して供給用空気通路３６を介して流入用電磁弁３０に供給するものである。
流入用電磁弁３０は、供給用空気通路３６に連通する吸気口３０Ａと、外部側空気通路２０に連通する排気口３０Ｂとを備え、制御部３４からの制御信号に基づいて開放、閉塞するものである。
言い換えると、流入用電磁弁３０は、ポンプ装置２８と空気通路１６との間に設けられ、ポンプ装置２８と空気通路１６との間を開閉するものである。
流出用電磁弁３２は、供給用空気通路３６に連通する吸気口３２Ａと、船体内側の空気が満たされた空間に開放された排気口３２Ｂとを備え、制御部３４からの制御信号に基づいて開放、閉塞するものである。
言い換えると、流出用電磁弁３２は、空気通路１６と水中以外の外部空間との間に設けられ、空気通路１６と前記の外部空間との間を開閉するものである。

制御部３４は、例えば、ＣＰＵ、制御プログラムなどを格納するＲＯＭ、ワーキングエリアを提供するＲＡＭ、周辺回路とのインタフェースをとるインタフェース部などがバスによって接続されたマイクロコンピュータによって構成されたものであり、前記ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより機能するものである。ここで、前記の周辺回路とは、外圧センサ２２、内圧センサ２４、ポンプ駆動回路２６、流入用電磁弁３０、流出用電磁弁３２に相当する。

本実施の形態では、制御部３４は、外圧センサ２２から得られる外圧Ｐｏと内圧センサ２４から得られる内圧Ｐｉとの差圧ΔＰ＝Ｐｏ−Ｐｉの値を算出し、この差圧ΔＰが予め定められた目標圧力範囲となるように、ポンプ装置２８と、流入用電磁弁３０と、流出用電磁弁３２とを制御する。
目標圧力範囲とは、空気袋１２が膨張することで隣り合う空気袋１２の周面同士が隙間なく密着した状態を維持するに足る差圧ΔＰの範囲である。
差圧ΔＰが目標圧力範囲内であると、空気袋１２の周面同士が隙間なく密着した状態を維持するため、水中において、各空気袋１２内の空気によって平面に沿って延在する空気層が形成されることなり、この空気層によって水中を伝播する音波が効果的に遮音され、遮音性が確保される。
差圧ΔＰが目標圧力範囲を下回ると、空気袋１２の膨張が不足して隣り合う空気袋１２の周面同士の間に隙間が形成されるため、遮音性を確保する上で不利となる。
差圧ΔＰが目標圧力範囲を上回ると、空気袋１２の膨張が過剰となり空気袋１２に無理な力が作用することで空気袋１２の劣化を招き耐久性を確保する上で不利となる。

次に、水中用遮音装置１０の動作について図５のフローチャートを参照して説明する。
予め、遮音ユニット１５が船体外側の水中に設置され、外圧センサ２２および内圧センサ２４を除く空気圧調整手段１８の部分が船体内側の空間に搭載されているものとする。
この場合、遮音ユニット１５は、各空気袋１２に充填された空気によって形成される空気層が、遮音すべき音波が到来する方向と直交あるいは交差する方向に延在するように配置される。
本実施の形態では、支持部材１４（ベース１４Ａ）が矩形板状を呈しているため、ベース１４Ａが、遮音すべき音波が到来する方向と直交あるいは交差する方向に延在するように遮音ユニット１５を配置すればよい。
なお、空気袋１２を遮音すべき音波が到来する方向に向けても、その反対方向に向けても遮音性は変わらないため、空気袋１２をどちらに向けるかは任意である。

まず、制御部３４は、外圧センサ２２からの検出信号に基づいて外圧Ｐｏを検出すると共に、内圧センサ２４からの検出信号に基づいて内圧Ｐｉを検出する（ステップＳ１０）。
制御部３４は、差圧ΔＰ＝Ｐｏ−Ｐｉが前記の目標圧力範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。
差圧ΔＰが目標圧力範囲内であれば（ステップＳ１２で肯定）、制御部３４は、流入用電磁弁３０および流出用電磁弁３２の双方を閉塞し、かつ、ポンプ装置２８の動作を停止し（ステップＳ１４）、ステップＳ１０に戻る。

差圧ΔＰが目標圧力範囲内で無ければ（ステップＳ１２で否定）、制御部３４は、差圧ΔＰが目標圧力範囲を下回ったか否かを判定する（ステップＳ１６）。
差圧ΔＰが目標圧力範囲を下回れば（ステップＳ１６で肯定）、制御部３４は、流入用電磁弁３０を開放すると共に、流出用電磁弁３２を閉塞し、かつ、ポンプ装置２８を動作させる（ステップＳ１８）。これにより、ポンプ装置２８で圧縮された空気が供給用空気通路３６、流入用電磁弁３０、空気通路１６を介して各空気袋１２に供給され、各空気袋１２が内圧に応じて膨張していく。そして、ステップＳ１０、Ｓ１２、Ｓ１６、Ｓ１８をステップＳ１２が肯定となるまで繰り返す。
この結果、図２に示すように、隣り合う空気袋１２の周面同士が隙間なく密着することで遮音性を発揮した状態となり、その状態が維持される。

差圧ΔＰが目標圧力範囲を下回らなければ（ステップＳ１６で否定）、すなわち、差圧ΔＰが目標圧力範囲を上回ったならば、制御部３４は、流入用電磁弁３０を閉塞すると共に、流出用電磁弁３２を開放し、かつ、ポンプ装置２８を停止させる（ステップＳ２０）。これにより、各空気袋１２内の空気が空気通路１６、流出用電磁弁３２を介して船体内の空間に流出され、各空気袋１２の内圧が低下していく。そして、ステップＳ１０、Ｓ１２、Ｓ１６，Ｓ２０をステップＳ１２が肯定となるまで繰り返す。
この結果、図２に示すように、隣り合う空気袋１２の周面同士が隙間なく密着することで遮音性を発揮した状態となり、その状態が維持される。

隣り合う空気袋１２の周面同士が隙間なく密着した状態になると、水中を伝播する音波は各空気袋１２に充填された空気によって形成される空気層によって反射され、また、水中を伝播する音波は空気袋１２を構成する粘弾性材料の作用によって減衰される。これにより、水中を伝播する音波は遮音ユニット１５によって遮音される。

以上説明したように本実施の形態の水中遮音装置１０によれば、複数の空気袋１２に空気を充填してそれら空気袋１２を膨張させることで隣り合う空気袋１２の周面同士が隙間なく密着するように平面上にあるいは曲面上に沿って並べて支持し、各空気袋１２の内圧Ｐｉを調整するようにした。
したがって、外圧Ｐｏの増減に応じて内圧Ｐｉを調整して空気袋１２の周面同士が隙間なく密着する状態を維持することができるため、外圧Ｐｏの大小に拘わらず遮音性を確保する上で有利となる。
また、支持部材を所望の２次元形状あるいは３次元形状に形成しておき、隣り合う空気袋１２の周面同士を隙間なく密着させることによって、各空気袋１２によって形成される空気層を支持部材の形状に沿わせて２次元的にあるいは３次元的に簡単、確実に形成できるので、音波の到来方向に応じて遮音性を的確に確保する上で有利となる。
また、複数の空気袋１２を支持部材１４で支持する構成としたので、各空気袋１２および支持部材１４の全体の体積に占める各空気袋１２内の空気の全体の体積の比率を高くすることができる。そのため、各空気袋１２によって形成される空気層の厚さを確保することで遮音性を確保しつつ水中遮音装置１０の小型化を図る上で有利となる。
さらに、複数の空気袋１２を支持部材１４で支持する構成としたので、複雑な加工が必要なく、部品点数が少なく、組み立て作業が容易であることから、製造コストの低減を図る上でも有利となる。

なお、遮音ユニット１５を深度が極めて大きな水中に設置する場合は、外圧Ｐｏが極めて高くなることから、ポンプ装置２８の能力によっては圧縮した空気を空気袋１２内に送り込むことが困難となる場合がある。
その場合には、遮音ユニット１５を水中に入れる前に、予め、空気袋１２内に圧縮空気を送り込んで空気袋１２の内圧Ｐｏを予測される外圧Ｐｏに対応した大きさに調整しておき、その状態で遮音ユニット１５を水中に設置するようにすればよい。
この場合は、ポンプ装置２８は、差圧ΔＰ分を調整するに足る圧縮空気を送り込む能力があればよく、ポンプ装置２８のコストダウンを図る上で有利となる。

また、遮音ユニット１５を比較的深度が小さい水中に設置する場合も上記と同様に、遮音ユニット１５を水中に入れる前に、空気袋１２内に圧縮空気を送り込んで空気袋１２の内圧Ｐｏを予測される外圧Ｐｏに対応した大きさに調整しておくとよい。
この場合は、外圧Ｐｏが比較的小さいことから、制御部３４による差圧ΔＰの調整動作を行わなくても、差圧ΔＰが目標差圧範囲内に収まる可能性が高く、したがって、消費電力の抑制を図る上で有利となる。
なお、本実施の形態では、空気圧調整手段１８が制御部３４により各空気袋１２の内圧Ｐｉを自動的に調整する場合について説明したが、以下のように各空気袋１２の内圧Ｐｉを手動で調整してもよい。
この場合、制御部３４に操作指令を与える手動操作可能なスイッチなどを含む操作部を設け、操作部の操作に基づいて制御部３４がポンプ駆動回路２６、ポンプ装置２８、流入用電磁弁３０、流出用電磁弁３２の動作を制御することにより各空気袋１２の内圧Ｐｉを調整すればよい。

次に、水中用遮音装置１０における音響透過損失の実験結果について説明する。
図６は実験結果を示すものであり、横軸は水中を伝播する音の周波数ｆ（ｋＨｚ）を示し、縦軸は音響透過損失ＴＬ（ｄＢ）を示す。
なお、音響透過損失ＴＬは、部材の遮音性能を示す数値であり、部材に入射した音の大きさと、部材を透過した音の大きさとの比率で示され、数値が大きいほど遮音性能が良好であることを示すものである。
袋本体１２Ａの高さＨを２０ｍｍ、４０ｍｍ、８０ｍｍとして実験を行った。
図６から明らかなように、１０ｋＨｚ乃至２０ｋＨｚの範囲では、高さＨの大きさによる音響透過損失ＴＬの違いは顕著ではないが、２０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの範囲では、高さＨが大きいほど音響透過損失ＴＬを大きく確保でき、遮音性に優れていることがわかった。
これは、袋本体１２Ａの高さＨに比例して複数の空気袋１２によって形成される空気層の厚さが大きくなるためであると考えられる。

１０……水中用遮音装置、１２……空気袋、１４……支持部材、１６……空気通路、１８……空気圧調整手段、２２……外圧センサ、２４……内圧センサ、２８……ポンプ装置、３４……制御部、Ｐｉ……内圧、Ｐｏ……外圧、ΔＰ……差圧。

Claims

粘弾性材料からなり内部に空気が充填されることで膨張する複数の空気袋と、
前記複数の空気袋を、それら空気袋が膨張することで隣り合う空気袋の周面同士が隙間なく密着するように平面上にあるいは曲面上に沿って並べて支持する支持部材と、
前記各空気袋に連通する空気通路と、
前記空気通路を介して前記各空気袋に空気を充填すると共に、前記各空気袋に充填された空気の圧力である内圧を調整する空気圧調整手段とを備え、
前記各空気袋は、上端が上方に凸状を呈するドーム状の壁部で閉塞され、下端が前記支持部材に支持され、前記周面を形成する円筒状を呈する袋本体を含んで構成され、
前記空気圧調整手段による前記内圧の調整は、前記空気袋に加わる水圧を外圧とし、前記空気袋内の空気圧を内圧としたとき、前記外圧と前記内圧と差圧が目標差圧範囲内となるようになされ、
前記目標差圧範囲は、前記空気袋が膨張することで隣り合う空気袋の前記周面同士が隙間なく密着した状態を維持するに足る前記差圧の範囲である、
ことを特徴とする水中用遮音装置。
前記空気圧調整手段は、
前記空気袋に加わる水圧を外圧として検出する外圧センサと、
前記空気袋内の空気圧を内圧として検出する内圧センサと、
前記空気通路に圧縮した空気を供給するポンプ装置と、
前記外圧と前記内圧との差圧を算出すると共に、前記差圧に基づいて前記ポンプ装置の動作を制御する制御部とを含んで構成され、
前記制御部による前記ポンプ装置の動作の制御は、前記差圧が前記目標差圧範囲内となるようになされる、
ことを特徴とする請求項１記載の水中用遮音装置。
前記空気圧調整手段は、
前記空気袋に加わる水圧を外圧として検出する外圧センサと、
前記空気袋内の空気圧を内圧として検出する内圧センサと、
前記空気通路に圧縮した空気を供給するポンプ装置と、
前記ポンプ装置と前記空気通路との間に設けられ、前記ポンプ装置と前記空気通路との間を開閉する流入用電磁弁と、
前記空気通路と水中以外の外部空間との間に設けられ、前記空気通路と外部空間との間を開閉する流出用電磁弁と、
前記外圧と前記内圧との差圧を算出すると共に、前記差圧に基づいて前記ポンプ装置の動作と前記流入用電磁弁と前記流出用電磁弁とを制御する制御部とを含んで構成され、
前記制御部による前記ポンプ装置の動作の制御は、前記差圧が前記目標差圧範囲内となるようになされる、
ことを特徴とする請求項１記載の水中用遮音装置。