海洋·水中音響：FDTD法を用いた水中音響レンズの集束音場解析

摘要

音響レンズを用いたイメージングソーナーシステムは、2次元ビームフォーミングのための大規模な送受波器アレーや信号処理装置が必要ないことから小型化·低コスト化が可能であり、ダイバー用のハンドヘルドタイプソーナー、および、小型無人探査艇の前方監視ソーナーなどへの応用が期待されている。これらのソーナーシステムの設計には、音響レンズによる集束場の解析が不可欠である。従来は、光学レンズと同様に音線理論を用いた解析が主であった。 しかし、音線理論では焦点位置は比較的容易に求められるが、ゲインやビームパターンなどの評価が困難であった。 そこで、レンズの出力端までは音線理論を用い、その後の集束場は波動理論で求めるというハイブリッド法が提案されている。 近年では、Kamakuraらによる波動理論による解析的な手法、および、AnadaらによるParabolic Equation (PE)法による数値解析手法が提案されている。 さらに、Nakamuraらは球面状の両凹面音響レンズにおける垂直入射音波の集束場に対して水槽実験によって計測を行い、波動理論による解析解とPE法による数値解析のそれぞれと比較した。 近年、Finite Difference Time Domain (FDTD)法が水中音響伝搬解析に用いられるようになり、任意の場所·時間での波形や瞬時音圧分布の計算が可能であることや、モデル化の容易さ等の特徴がある。この記事では、両凹面音響レンズへの垂直入射音波の集束特性について3次元FDTD解析を行い、Nakamuraらの行った水槽実験による測定結果と比較した結果を示す。 さらに、レンズ形状において、球面と非球面を比較し、それぞれの集束音場を2次元FDTD法によって解析した結果を紹介する。