JPH0134000B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音響変換器に関し、特に変換器素子
と、音波を変換器へ伝搬しまたは変換器からの音
波を伝搬するための低インピーダンス媒体との結
合手段を改良した音響変換器に関するものであ
る。特に、本発明は高い結合効率および高い指向
性特性を持ち且つ比較的低いＱを持つた変換器を
用いることが望ましいパルス音響測深に使用する
のに適した音響変換器に関する。

この種類の変換器は、音響エネルギーと別の形
態のエネルギーとの相互間の変換、通常は電気エ
ネルギーと音響エネルギーとの間の相互の変換の
ために利用される。変換される電気エネルギーの
量は、比較的高い音響インピーダンスを有する機
械素子の振動の大きさに依存する。実際のシステ
ムにおいては、機械素子の振動が媒体に結合さ
れ、音響エネルギーがこの媒体との間で送受され
るようになつている。この媒体は代表的には音響
インピーダンスが非常に低い空気である。この結
合の程度により、エネルギー変換システムの効
率、周波数レスポンスおよび媒体中のエネルギー
の伝搬指向性が決定される。

広く使用されている音響変換器アセンブリーの
一つは、管体等に円筒形支持体の開放端内に圧電
結晶体が保持されるような形態の、軸方向に分解
可能な円筒形素子を用いている。素子の外端部表
面が電気的刺激等による素子の励振に応答して振
動すると、音波が管の端すなわち放射開口から放
射される。このような変換器アセンブリーは、一
般に気体媒質中における音の送信および受信に利
用される。通常、媒体中の音の波長が放射開口の
寸法より小さいような高周波の音波である。

このような変換器から発生する音の放射パター
ンは、無限バフル内で動作する平面円形ピストン
のパターンに近似している。このような変換器の
指向性が放射器の直径と伝搬媒体内の音の波長と
の比の関数であることはよく知られている。その
ため、同一波長の伝搬波が同じ媒体内に入つたと
き、直径の大きい放射器はそれより直径の小さい
放射器より高い指向性を示す。従つて、与えられ
た指向性に対しては、音の周波数が低いときには
変換器素子を大きくする必要がある。

上述のような変換器から放射される音の音響出
力と帯域幅は特に重要である。音響インピーダン
スの低い気体媒質と上述のような高インピーダン
ス変換器アセンブリーとの間の音の伝達には、よ
く知られている大きな問題がある。その問題は、
音が変換器アセンブリーから媒体へ放射される
か、または媒体から変換器アセンブリーに受入さ
れるかには係わりなく存在する。これは、放射源
と媒体との間に伝達される音響エネルギーの結合
度と帯域幅が実質上減少するということである。
圧電結晶体と空気媒体との場合、インピーダンス
の差はきわめて大きく、10000：１もしくはそれ
以上の大きさである。

結合度の問題の本質は、低インピーダンスの気
体媒質が、高インピーダンスの圧電結晶体の運動
に対して非常にわずかの反作用しか与えないとい
うことであり、気体媒質に対して圧電結晶体から
ほとんど何の作用も与えられないことになる。

圧電結晶体からより多くのエネルギーを気体媒
質へ伝達するためのよく知られた手段は、圧電結
晶体をその自然共振周波数の１つで励振させ、そ
れにより圧電結晶体の表面の運動が10倍または20
倍以上に大きくなるようにすることである。この
ようにすると、圧電結晶体表面と同じ面積の気体
媒質に対して作用力が動くが、このとき、圧電結
晶体表面はその運動の各サイクルを通して毎回は
るかに大きい距離を動く。従つて圧電結晶体表面
のより多くの運動が行なわれ、よく多くのエネル
ギーが気体媒質に伝達される。このような場合で
も、比較的わずかのエネルギーしか媒体に伝達さ
れず、圧電結晶体振動の減衰がわずかであるた
め、帯域幅は非常に狭く、その結果生じる圧電体
のリンギング効果により、シヤープに形成された
音エネルギーのパルスを、非常に短い立上り、立
下り時間を持たせて送信し受信するのが不可能と
なる。

圧電結晶体により多くの動作をさせることがで
き、それによりより多くのエネルギーを気体媒質
へ伝達する別のよく知られた手段は、前面の寸法
が圧電結晶体の前面の寸法より大きい剛性のコー
ンまたはダイアフラム等の中間構造を圧電結晶体
と気体媒質との間に配置することである。周知の
原理に従つて適切に構成したこのような配置によ
り、（コーンまたはダイアフラムの前面の面積と
圧電結晶体の前面の面積との比に従つて）気体媒
質のより大きな面積が圧電結晶体の運動によつて
振動する。

従つて、気体媒質により与えられる同一の反作
用に対して、同じ距離を動く面積が広くなり、そ
の結果、圧電結晶体が中間構造を介さずに動作す
る場合より、より多くのエネルギーが気体媒質に
与えられる。コーンまたはダイアフラムの大きさ
と剛性に従つて、装置の性能は様々に影響を受け
る。高い指向性の出力が要求される場合には、コ
ヒーレントな波面を維持する必要があるためにダ
イアフラムの寸法が限定され、また総体的なイン
ピーダンス不整合が残るために、或る程度限定さ
れた出力改良だけが行なわれる。

振動素子に、より多くの動作をさせ、それによ
りより多くのエネルギーを気体媒質に伝達する第
３の周知の手段は、１つ又はそれ以上のインピー
ダンス変換伝送ラインを圧電結晶体と気体媒質と
の間に配置することである。このようなインピー
ダンス整合法は、1972年７月４日に発行されたハ
ンズの米国特許第3674945号の、「音響整合システ
ム」に十分に説明されている。この後者の方法の
動作は、高インピーダンスの圧電結晶体と低イン
ピーダンスの気体媒質との間に配置されるインピ
ーダンス整合部の音響特性、および圧電結晶体と
気体媒質自体の音響特性に左右される。このタイ
プの適切に製造された整合構造によつて、この整
合構造と気体媒質との間の界面における運動を、
整合構造と圧電結晶体表面との間の界面における
運動より大きくすることができる。従つて、圧電
結晶体表面における、整合構造の高インピーダン
ス端での短い強力なストロークが、気体媒質との
界面である、整合構造の低インピーダンス端で
は、長いストロークで小さいエネルギーの動きに
変換される。

圧電結晶体と空気等の媒体との間のインピーダ
ンス不整合がいかに大きいかは、容易に証明でき
る。たとえば、整合構造なしに音の出力を空気へ
伝達するために圧電結晶体が用いられる場合、圧
電結晶体が破砕しそうなほど大きい脈動振幅で駆
動しなければならないが、なんらかの形の整合構
造を圧電結晶体と気体媒質との間に挿入すると、
圧電結晶体の破砕をひき起こさないかなり低い脈
動振幅で駆動することにより、同じ音の出力を空
気中に伝達することができる。

高インピーダンスの圧電結晶体と低インピーダ
ンスの空気媒質との間で、インピーダンス整合を
行なうように選択された音響伝達ラインの部分を
構成する。前述のような構造を使用すると、この
ような整合構造がない場合に比べて音の伝達性が
改良されるが、それにもかかわらず、このような
構造の効率はきわめて低い。また媒質への結合度
は、圧電結晶体の振動をかなり減衰させるほどに
は十分に高くはないため、帯域幅を広げる必要が
ある場合には、他の手段によつて圧電結晶体の振
動を減衰させなければならないということに注意
すべきである。

振動板または円板を用いた中間構造を使用する
ことにより、圧電結晶体等の高インピーダンス振
動源のインピーダンスを、空気等のより低いイン
ピーダンスの媒体に整合させるための種々の提案
がなされてきたが、これまでは指向性および帯域
幅のいずれかを犠性にせずにこのようなインピー
ダンス整合を達成することは不可能であつた。

このような提案の一つの例は、1975年６月24日
発行のスカーパの米国特許、第3891869号により
提供されている。この特許では、円板状の質量の
大きい裏当て素子が圧電結晶体の一方の面に固着
され、音響変換器が他方の面に固着された構造の
圧電振動子を具備する振動素子を含む音響変換器
アセンブリーが開示されている。この音響変換器
素子は軸方向に断面積が変化し、発生器面を放射
面が最大寸法である複数の円板を具備している。
その明細書の第２コラム、48行目次降には、円板
を含む変換器は高速で小さな円弧形の振動を行な
いながら運動する放射表面における接触面積を増
大させることによりインピーダンスを減少させる
ように機能すると述べられている。

スカーパの特許に記載されている装置において
は、発生音が高い指向性を有することは要求され
ていない。この装置の主な特徴は、振動円板の両
側の位相の差により放射の中心ローブが抑制さ
れ、且つ放射されたエネルギーの主要な部分が、
サイドローブとして、装置の主軸に対して約45度
の角度で放射される点にある。

別の先行技術の提案が、超音波の1978年11月号
に発表されたJ.A.ガリエゴーフアレス、G.ロドリ
ゲス−コラルおよびL.ゲイテーギヤレトンによる
論文に記載されている。

この論文には、段階状に形成された振動板を利
用した変換器が述べられている。ここでは超音波
振動源と気体媒質との間にインピーダンスの整合
を生じさせ、且つ高い指向性の放射を提供するよ
うな変換器が説明されている。この装置により有
効なインピーダンス整合が得られるが、その帯域
幅は狭く、代表的には、約2000のＱに対応して、
約20000ヘルツで動作する装置に対して約10ヘル
ツの帯域幅である。このようにＱの高い装置は一
定周波数での連続音の発生には適しているが、変
換器が、少なくとも共振周波数の５ないし10パー
セントの帯域幅を持つ、はるかに低いＱを示すこ
とが必要である、パルス音響測深に使用するには
適していない。

従来、気体媒質中のパルス音響測深に応用する
のに適した変換器システムは、米国特許第
3674945号に開示されている。このタイプのもの
は、振動素子の振動を減衰させるための機械的ま
たは電気的手段と共に用いられる、より簡単な効
率の悪い結合方法が使用されていた。このような
システムに伴なう他の問題が、長い測定距離が要
求されるような用途において生じる。気体媒質に
よる音エネルギーの吸収は周波数が高くなるにつ
れて増大するので、測定距離を長くするには出力
エネルギーを大きくするだけでなく、周波数を低
くする必要がある。これは、必要な指向性と出力
とを得るためにはより大きい変換器素子を使用し
なければならないことを意味する。このような素
子に広く使用されている圧電材料は高価且つ質量
が大きい。米国特許第3674945号に従つて10kHz
で申し分なく動作する変換器システムを製造する
ことは可能であるが、このようなシステムの質量
とコストは通常の商用用途としては大きすぎるも
のとなるであろう。

本発明による幅広く同調した高指向性音響変換
器システムは、放射表面および実質的にシステム
の動作周波数において高い曲げモード共振を有す
る板と、板の放射表面より小さい実効面積を有し
且つ板の放射表面に接続されて励振するかまたは
前記高い曲げモード共振に応答する変換器素子と
を具備し、板の放射面の少なくとも１つおきの波
腹ゾーンが、板より低い音響インピーダンスの低
損失音響伝搬材料から形成され、且つ隣接する波
腹ゾーンからの放射の相対位相と相対振幅の少な
くとも１つを差分して板の隣接する波腹ゾーンか
ら気体媒質内へ放射される音の、遠い場における
所望の放射方向への実質的に相互の相殺を十分に
減少させるように選択した厚さで少なくとも板の
放射表面の前記１つおきの波腹ゾーンに付けられ
た手段により気体媒質に結合される。板は軸対称
的に共振するのが好ましく、本発明の現在好まし
い形態では、円板形の板が変換器素子に軸方向に
結合されて使用されている。板および円板の軸は
またシステムからの音の指向性を示す軸ともなつ
ている。円板形の板の場合、被覆材料は隣接する
波腹ゾーンを被覆する同心のリングとして配置さ
れ、隣接するリングの厚さは、軸方向の遠い場所
でコヒーレントな放射を生じさせるように異なつ
ている。本発明の１実施例においては、１つおき
の波腹ゾーンを被覆する材料の厚さはゼロであ
る。すなわち、１つおきの波腹ゾーンは被覆され
ていない。従つて、被覆されたゾーンから気体媒
質中へのインピーダンス整合は、被覆されていな
いゾーンからの整合よりはるかに良好であるの
で、軸方向の遠い場において実質的に位相の相殺
が起こらないようにするか、または被覆されたゾ
ーンから放射される音に十分な移相が生じるため
に実質的に相殺を減少するかのいずれかとするこ
とができる。または、板の放射表面全体を１つお
きの波腹ゾーンからの放射の移相および板と伝搬
媒質、通常は空気との間の音響インピーダンスの
整合の双方があるような厚さの材料で被覆しても
良い。被覆材料は均一である必要はなく、隣接す
るゾーンを異なる材料で被覆するか、または所望
の位相および／または振幅の変調が達成されると
すれば材料が材質の異なる層から構成されるかま
たは段階的な特性を有するようにすることもでき
よう。システムの媒体への結合度を改良すること
によりシステムが減衰してそのＱが減少すると、
外部減衰なしに音響測深技術に使用できるように
なる。

添付の図面を参照しながら本発明をさらに説明
する。

まず第１図を参照すると、所定の周波数で音の
パルスを送信且つ受信するのに適した指向性変換
器システムは、軸方向圧縮モードで連続して機械
的に動作する一対の圧電結晶素子２を具備し、素
子の端部との電気接触は導電性黄銅座金４の耳に
より行なわれる。素子はチタン酸ジルコン酸鉛ま
たはその他の適切な圧電材料で作ることができ、
また適切な電気整合変換器（第３図参照）６の巻
線に接続されている。この変換器６を介して電気
信号が音響変換器へ伝達されたり、変換器から伝
達されたりする。

素子２およびその接続座金４は、取り付けブロ
ツク８と円錐を逆さにしたような形で中央部が厚
くなつている円板形の板１０との間にはさまれて
おり、この構体全体が通しボルト１２とナツト１
４により一緒に保持されている。板１０の直径は
素子２の直径よりはるかに大きく、板の材料と寸
法は、所望の動作周波数にごく近い周波数におい
て、単一の波節の円を示すようなより高い曲げモ
ード共振を示すように選択されている。この共振
モードにおいては波節円の内側および外側の板の
波腹ゾーンが互いに逆位相で運動する。

波節円の外側の板の上部表面の波腹ゾーンには
密度の低い弾性材料、例えば独立気泡ポリスチレ
ンまたはその他の合成プラスチツクまたは気泡ゴ
ム、またはポリウレタン等の気泡のない弾性合成
プラスチツクでできたリング１６が取付けられて
いる。材料は低損失で音波を伝搬させることがで
きるようなものとするべきである。すなわち、音
響伝搬媒質として低ヒステリシスを示すものとす
べきである。このリングの厚さについては以下で
さらに論じるが、板からリングに伝達される音波
が、同様の厚さの空気を通過する音波に比べて逆
の位相をとるような厚さである。（システムが空
気中で動作するのが便利であると思われ、また通
常はそうであるが、本発明を他の気体媒質中で動
作するシステムにも適用できることは理解される
であろう。） 好ましい配置においては、リング１６の材料と
同じでも良く、また違つていても差しつかえない
低密度、低ヒステリシスの音響伝搬材料から成る
別のリング１８，２０がリング１６の上方の板上
における節円の内部に付けられている。これらの
リングは、板と隣接する空気との間で音響インピ
ーダンス変換を行なうようにリングの材料中にお
ける動作周波数での音の四分の一波長の奇数倍で
ある等しい厚さを有している。

第２図および第３図に示されている実施例にお
いては、機能の点で第１図の部品と対応する部品
には同じ参照番号がふつてある。板１０は均一の
厚さであるが、これは製造が簡単で且つその共振
特性を予測するのに大いに役立つている。板は一
層高い共振曲げモードにおいて３つの節円が形成
されるように動作されるため、リング１６，１
８，２０の数はこれに相応して増やしてある。追
加の取り付け・駆動ブロツク２２が変換器素子を
板１０に結合するために設けられている。変換器
素子２は４個であるように図示されているが、こ
の数は必要な動作周波数、利用される圧電材料、
およびシステムの寸法により異なる。システムは
板１０の放射表面を除いてハウジング２４内に封
入されており、このハウジング内でシステムは周
囲ポリウレタンシール２６およびフエルトシール
２８により密封されている。板の下方の空間３０
は気泡ゴムの吸音体で充填され、変換器および駆
動ブロツクはコルク３２で包まれ且つコンパウン
ド詰め物３４で取囲まれている。当業者には、シ
ステムの適切な機能が実質的に妨害されないとす
れば、様々な必要条件と環境に適合するようにこ
のシステム包装を広範囲に変えることができるこ
とがわかるであろう。

これまで説明した実施例の動作は、発明者が行
なつた実験を参照することによりより良く理解さ
れよう。これらの実験のすべてにおいて、変換器
は800ボルトのピークを有する方形波電圧源によ
り約２ミリ秒の継続時間のバーストにおいてピー
ク振幅まで駆動された音圧レベルは、適切に校正
されたBruelとKjaerのコンデンサマイクロフオ
ン、タイプ4133を使用して変換器から８フイート
（2.4メートル）の位置でマイクロバール・ピーク
−ピーク値で測定した。

第１図に図示されたシステムは直径12.5cmのア
ルミニウム製の板１０を使用して構成されてい
る。まずシステムを３つの異なる共振周波数で、
リング１６，１８および円板２０を省略して試験
した。試験した最も低い周波数である7.09kHzで、
板は本質的にピストンのように動作し、指向性パ
ターンはかなり良い指向性特性を有しているよう
に観察され、軸方向ローブは約20゜の3dBビーム
幅を有し、サイドローブはすべて12dBダウン以
上であつたが、空気中への結合は乏しかつた。測
定最大音圧レベルは変換器の軸上で発生し、測定
値はピーク・ピークで120マイクロバールであつ
た。システムのＱは、パルス音響測深に応用する
には許容できないほど高かつた。次に15.56kHzに
おける板の共振においては、板は本質的に曲げモ
ードで放射し、指向性パターンは単にサイドロー
ブがはるかに大きく、小さな中心ローブを示した
だけであつたが、このようなパターンは多くの音
響測深技術には不適切である。軸上での音圧レベ
ルは87マイクロバールにすぎず、第１サイドロー
ブの音圧レベルは250マイクロバールであつた。
砲どすべてのエネルギーは第１および第２サイド
ローブに集中していた。33.5kHzの周波数におい
ては、曲げモードの程度がより高くなつたのに対
応して指向性パターンはさらに一層劣化し、第１
および第２サイドローブの音圧は各各140マイク
ロバールと125マイクロバールであつた。

絶縁性のポリウレタンフオーム製で厚さが14.3
mm、幅19mmのリング１６を付けた結果として、前
述の２つの共振周波数のうち２番目の周波数がわ
ずかに変化して16.7kHzとなつたが、指向性パタ
ーンに著しい変化が見られ、指向性パターンは
3dBのビーム幅が10゜、すべてのサイドローブが
12dBダウン以上であるすぐれたものとなつた。
最大音圧レベルは再び変換器の軸上にあり、550
マイクロバールに増加した。リング１６は、以下
で論じるように、円板の節円の外側の部分から放
射される音の位相が180度逆転するように計算さ
れており、その位置は従来の手段により目で見て
決定した。

円板１８および２０が追加されると、これらは
（共振周波数における四分の一波長に相応して）
厚さが6.7mmの低密度のポリウレタンフオーム製
であるがシステムの性能がさらにかなり改良され
たことがわかつた。共振周波数はわずかに変化し
て15.83kHzとなり、3dBビーム幅はわずかに広が
つて12.5゜となつたが、サイドローブはすべて
18dBダウン以上であり、最大音圧レベルは1700
マイクロバールに増加した。媒質への結合は、減
衰がパルス音響測深技術に適した大きさ以上の点
まで改良された。反響試験において、様様な距離
においてハードターゲツトから返つて来る反響を
受信することにより生じる、変換器システムから
の電気信号出力の振幅は次の通りであつた。すな
わち1.5メートルからは2.5ボルト・ピーク・ピー
ク、2.5メートルからは1.60ボルト・ピーク・ピ
ーク、３メートルからは1.15ボルト・ピーク・ピ
ークであつた。システムは、同一周波数で動作し
且つ同じビーム幅を提供するがハンズの米国特許
第3674945号の教示に従つて構成されたシステム
よりはるかに軽く且つ圧電材料の使用量もはるか
に少なかつた。

上記の実験の成功をふまえて、さらに第３図に
示したような均一の厚さを有する板１０を使用し
て試験を行なつたが、試験であるためハウジング
２４およびそれに関連する部品は利用しなかつ
た。いくつかの試験において、外部コルク制動リ
ングによりシール２６に類似する効果を得た。シ
ール２６の実際の効果はこれに続く試験により決
定され、またいくぶん効率の損失が見られたが、
これは不当に過度に重大なものではなかつた。こ
の小さな問題は必要に応じて円板の裏側の節円に
シールを係合させることにより和らげることがで
きる。均一な厚さの板１０を使用することによ
り、共振周波数および様々の曲げ振動モードの節
円を一般に公知である公式を使用してかなりの程
度の精度で計算できるようになることがわかつ
た。この公式に従つて、試験調節により最適のパ
ラメータを容易に決定することができた。また、
様々なリングを固着するために使用される接着剤
の性質は、それが構造の音響特性に過度の不連続
性をもたらさないとすれば重要ではないというこ
ともわかつた。

この発明の目的の一つは、米国特許第3674945
号等の公知の工業技術により経済的に実行可能で
ある周波数より低い周波数で狭いビーム幅とかな
り大きい音響出力を提供するような、パルス音響
測深に応用するための変換器システムを提供する
ことである。そこで、すでに述べたようにハウジ
ングを除いて第３図に示したシステム構成におい
て直径27.3cm、厚さ7.6mmのアルミニウム板１０
を使用して実験を行なつた。板を除く圧電素子と
取り付けブロツクの組立体は、まずおよそ所望の
共振周波数（最初の実験では11.8kHzに設定した）
で共振するように調節されたが、最も外側のリン
グ２０を省略し、板１０の周囲は制動しなかつ
た。位相補正リング１６は厚さ20.6mmのポリスチ
レンフオーム製で、インピーダンス整合円板１８
およびリング２０は8.5mm厚のポリエチレンフオ
ーム製であつて、これらの部品はその縁が節円と
一致するように配置された。リングを最適の状態
とした後のシステムからの指向性パターンは、
7.5゜の3dB帯域幅、830マイクロバールの軸方向音
圧レベルおよび20dBダウン以上のサイドローブ
を示すことがわかつた。パルス音響測深システム
において動作されると、2.15メートルの距離にあ
るハードターゲツトから1.9ボルト・ピーク・ピ
ークの変換器出力が得られた。

板１０を取付けた場合と取付けない場合の変換
器システムの電気インピーダンスを共振周波数を
含む周波数範囲にわたつて測定したが、双方の場
合共、無効分と抵抗分を記録した。２組の数字の
差は板によるインピーダンスを表わしており、イ
ンピーダンスは共振周波数においてはかなり大き
く本質的に抵抗性の性質であり、システム全体と
しての各々1150オームと−1600オームの抵抗分と
無効分に比べ約850オームに達し、これは媒質へ
の実質的な結合と低いシステムＱを示している。

直径20cm、厚さ２mmの板を使用し、再び第３図
に示したものに類似する構成により、さらに高い
曲げモードに適合するように11.5mm厚の３つのリ
ング１６を付けて別の実験を行なつた。22.2kHz
の動作周波数において、3dBビーム幅は7.5゜、サ
イドローブは少なくとも13.7dBダウン、音圧レ
ベルは1500マイクロバールであつた。2.15ｍの距
離にあるハードターゲツトから返つて来る音響出
力は3.3ボルト・ピーク・ピークであつた。

比較のために、直径19cmの放射面を有し且つ
21kHzで動作するハンズの米国特許第3674945号
の教示に従つて構成した変換器を同一の条件で試
験した。この変換器は9゜の3dBビーム幅を示し、
サイドローブは12dBダウンであつた。この変換
器の音響出力はより多く、2250マイクロバール、
ピーク・ピークであつた。しかしながら反響出力
はかなり低く、2.15ｍの距離にあるハードターゲ
ツトから返つて来る反響についてはわずか1.9ボ
ルト・ピーク・ピークしか測定されなかつた。さ
らにこのような変換器は8.4Kgの圧電材料を使う
が、試験用変換器では70ｇの圧電材料しか使用さ
れていなかつた。

別の試験においては、直径14cm、厚さ4.9mmの
板を有し且つ第３図に示したものより小さい構成
で21.5kHzで動作する変換器は、8゜の3dBビーム幅
を有しサイドローブは14dBダウン、音圧出力は
1600マイクロバール・ピーク・ピークであつた。

すでに説明した実施例により得られる結合効率
の非常に大きな増加およびリング１６のみを付け
た第１図の実施例により得られる良好な結果を考
慮して、さらにリング１８および２０を省略した
変換器を用いて実験を行なつた。空中線指向性図
における望ましくないサイドローブを減少させる
ために、節円の数を増やすためにさらに程度の高
い共振モードを厳密に試験した。このようなモー
ドで動作するとより薄い円板を使用することがで
き、任意の寸法の円板で所望の周波数の共振が得
られる。このように変形した変換器が第４図に軸
方向横断面で示されているが、この場合第３図で
使用されている数字と同じ参照番号が同様の部分
を指示するために使われている。相違する点のみ
を詳細に説明する。

板１０は第３図に示されているものよりかなり
薄く、第３図のポリウレタンシール２６およびフ
エルトシール２８は省略してある。リング１８お
よび２０も同様に省略され、リング１６が板の１
つおきの波腹ゾーンに付けられている。図示され
た実施例においては（中心から数えて）偶数番目
の波腹ゾーンがリング１６で被覆されるように示
されているが、これと逆の配置も使用されてい
た。しかしながら、板の被覆面積と被覆されてい
ない面積との比を確実に合理的に実現しうる最高
の値とするためには最も外側の波腹ゾーン全体が
被覆されるのが好ましい。図示されている実施例
においては、10個の波腹ゾーンと５つのリング１
６があるが、必要とされるどのような程度のサイ
ドローブ抑制でも得られるとするならば、この数
を変えても良い。リング１６の材料に対するリン
グの厚さは、他の所で論じたように、板の放射表
面の、この表面が放射する対象である気体媒質、
通常は空気に対する最適の整合を提供するように
選択されている。

第４図の実施例においては、変換器素子２と板
１０との間にいくぶん異なる結合手段が採用され
ている。取り付けブロツク２２が柱２３を介して
板に結合されている。切りくずにして、または元
通りの状態で形成された発泡材の充填物２５がハ
ウジングの空洞内での反射を防ぐために使用され
且つその場で鋳造されたポリウレタン製シール膜
２７によりコンパウンド詰め物３４から分離され
ている。

第４図の実施例に従つて構成された変換器を第
１図から第３図の実施例に関して先に述べたのと
同じ条件で試験した。

変換器は、第４図に従つて直径24cm、厚さ1.3
mmの6061−T6級アルミニウム製の板１０を使用
して構成した。リング１６は密度が0.025ｇｍ／
c.c.の低密度独立気泡ポリエチレンフオーム製で、
変換器の動作周波数である21kHzにおける材料中
の音の四分の一波長である5.3mmの厚さであつた。
変換器素子の駆動構体、すなわち取り付けブロツ
クと柱はこの周波数で共振するように調節され
た。リング１６の配置を最適にした後、21.0kHz
の試験周波数におけるシステムの指向性パターン
は4.9゜の3dB帯域幅、8.3゜の12dB帯域幅、3000マ
イクロバールの軸方向音圧レベル、そして少なく
とも18dBダウンのサイドローブを示すことがわ
かつた。パルス音響測深システムにおいて作動さ
れると、2.25メートルの距離にあるハードターゲ
ツトから5.5ボルト・ピーク・ピークの変換器出
力が得られた。音響測深システムの3dB帯域幅は
11.2のシステムＱに対応して1.9kHzであつた。円
板の共振周波数を駆動構体の共振周波数からオフ
セツトすることにより、さらに広い帯域幅が得ら
れることがわかつた。円板の共振周波数を1.2kHz
だけオフセツトすると、これに対応する帯域幅の
増加が得られる。

13kHzの動作周波数に対して、板の直径を33cm
に増加させ且つリング１６の厚さを四分の一波長
整合を提供するために7.6mmに増やした別の変換
器を構成した。この場合、板は１１の波腹ゾーン
を有し、中心から数えて奇数番目の波腹ゾーンが
リング１６により被覆された。13.03kHzの試験周
波数において、システムの空中線指向性図は4.9゜
の3dBビーム幅、9.1゜の12dBビーム幅、少なくと
も15dBダウンのサイドローブ、および5600マイ
クロバールの軸方向音圧レベルを示した。パルス
音響測深システムにおいて作動されると、2.25ｍ
の距離にあるハードターゲツトから14.6ボルト・
ピーク・ピークの変換器出力が得られた。音響測
深システムの3dB帯域幅は約13のシステムＱに対
応して1kHzであつた。

上述の試験から、リングシステムを簡略化した
にもかかわらず、また実験用変換器内の変換器素
子の質量が第２図および第３図に従つて構成され
試験されたものに対してより一層減少していると
いう事実にもかかわらず、第４図に従つた変換器
からさらに高い出力を得ることができるというこ
とが明らかとなろう。第４図の実施例において
は、１つおきの波腹ゾーンから放射される音の位
相を逆転することにより遠い場における相殺を妨
げるように位相逆転という手段をとろうとする試
みがなされていない。その代わり、遠い場におけ
る相殺は、１つおきの波腹ゾーンから放射される
音の出力を干渉ゾーンから放射される音の出力と
比べて無視できる程度とすることにより妨げられ
る。板とリング１６を担持していないゾーン内の
媒質との間の不整合が非常に大きいために、きわ
めてわずかのエネルギーしか放射されず、一方リ
ング１６は有効な放射器である。従つて、変換器
の軸上でリングから放射されるエネルギーは実質
的に相殺されない。しかしながら、異なるリング
１６からの放射の間の干渉により指向性パターン
におけるかなり大きなサイドローブの発生が妨げ
られる。板の実効放射面積はリング１６により被
覆されていない面積に比例して減少するが、実例
により各々の振動サイクルにおいて媒質へ伝達さ
れる板のエネルギーの割合が実際に増大するよう
に板の寸法を大きくすることにより、この減少を
容易に補償することができる。

ハンズの米国特許第3674945号の変換器のよう
な先行技術の変換器の１つの欠点は、放射表面上
に水等の凝縮物またはその他の液体、または脂肪
性の物質が堆積することにより性能が激しく損な
われることがあるという点である。これは、堆積
した物質が整合材料に負荷を与えてその同調を変
化させ、それにより堆積した物質が蒸発するかま
たはその他の方法で取除かれるまで整合材料の有
効性を減少させるかまたは完全に消失させてしま
うためである。同様の不都合はまた、本発明の第
２図および第３図に従つて構成した変換器でも起
こる。しかしながら第４図の実施例の場合には不
具合の大きさははるかに少なく、且つたとえ放射
表面に水を噴霧したとしても、出力は下がつても
変換器は申し分なく動作するであろうということ
がわかつた。この驚くべき結果は、２組の波腹ゾ
ーンの相対機能が変化することによつて生じると
考えられている。水は整合リング１６に負荷を与
えてリングを離調し、その整合機能を損なわせ
る。しかし、リングは被覆されていないゾーンか
ら放射される音に関してリングが被覆しているゾ
ーンから放射される音を移相するように動作し、
この被覆されたゾーンからの放射はリング１６か
らの放射が減少するにつれて重要になる。移相
は、空気に対するリング材料内の音速の差と離調
された整合部分の無効特性とによるものである。
移相の結果、隣接するゾーンから放射される音が
逆相というよりむしろほぼ直角位相となるため、
相互相殺は大きく減少し、有効出力が維持され
る。この動作論理を、変換器の放射表面を徐々に
湿らせながら放射表面の出力を測定することによ
り試験した。湿気の付着が増大するにつれて出力
は低下したが、ゼロまたは最低出力は記録されな
かつた。リング１６により提供される整合はなく
なるが、本発明により許容される変換器素子の実
効面積に対して放射表面が大きいために、媒質へ
の結合は尚も高められることが可能である。これ
自体がかなりの程度のインピーダンス変換を有効
に提供する。

湿気に対する感度を減少させた変換器は、湿
気、汚れまたはその他の表面負荷がリングにより
放射音またはその放射効率に与えられる移相を非
常に大きく変えないほど充分に整合リングを慎重
に離調することにより提供することができた。こ
のような配置は湿気の多い状態ではシステムの出
力を改良しないので通常は有利ではないであろ
う。試験されたもう１つの試みは、リングからの
放射が被覆されていない波腹ゾーンに比べてかな
り減少されるように損失の多い材料でリングを作
ることであつた。これにより再び、リングにより
提供しうる整合が犠性となるが、リングが板に加
わるエネルギーのかなり大きな部分を吸収してし
まうのでシステムの効率も下がる。このような配
置により満足な結果は認められなかつた。その理
由は効率が低いことと、厚みの少ない材料におい
て有効な吸音を行なわせるのが困難なことであつ
た。さらにもう１つの欠点は、有効な吸音が得ら
れる場合にはリングの表面は不動であり且つ本発
明による変換器では明白である音響自浄特性が失
なわれることである。同様の理由により、１つお
きの波腹ゾーンに低損失材料から成るリング１６
が付けられるときには干渉ゾーンに吸音材料を付
けるのが特に有利であるとは考えられない。

第４図の実施例において１つおきの波腹ゾーン
に付けられる材料の厚さを最適のインピーダンス
整合を提供するようなものとする代わりに、また
はそのようにする他に、およそ180゜の移相を提供
することにより軸方向の遠い場における相殺を避
けるように厚さを選択しても良い。

さらに多数の実験が行なわれたが、その中には
板１０およびリング１６，１８，２０のための合
成プラスチツク材料を含む異なる材料を使用して
いるものもある。材料がこれらのリングに適して
いるか否かは、ハンズの米国特許第3674945号の
システムに使用されているインピーダンス整合層
に関して詳細に論じられているのと同じ基準によ
り決定して良い。板１０に用いる材料の必要条件
はインピーダンスが高く、振動中の機械的損失が
低く且つ弾性係数が高いことである。直径に比べ
て少ない均一の厚さの板１０は振動駆動システム
に関する限り今説明したように、共振に際しては
有効に静止質量がゼロの物体として動作し、板と
変換器素子を独立して同調することができる。こ
の特徴はシステムを設計する際に助けとなると同
時に、変換器システム全体としての帯域幅をさら
に広げるように駆動システムと変換器素子をスタ
ガ同調できるという可能性を提供する。直径と厚
さの比が25：１ないし約500：１の板は良好な結
果が得られるとわかつているが、この範囲が限界
であると考えるべきではない。この比が大きい板
は、節円間の間隔が減少されて任意の板直径に対
してより等級の高い共振を使用することができる
ので通常は好ましい。節リングの数が多くなる
と、変換器のレスポンスにおける望ましくないサ
イドローブを容易に回避できるようになる。第２
図と第３図の実施例は３つの節リングを有してい
るが、これより多いのが望ましく、第４図の実施
例は10のリングを有する。得られた実験結果は、
同じ原理に従つて修正材料を付けるものとすれ
ば、この場合材料の様々なゾーンの境界が板上の
節がたどる線により決定されるためにこれらのゾ
ーンは必ずしもリング形でなくなるけれども対称
形または非対称形の曲げモードで動作する円形で
ない板を使用しても同様の結果が得られるであろ
うということを示している。板は本発明の利点を
実現するために変換器に比べて大きい放射表面を
有していなければならないが、本発明の原理で
は、板自体が伝搬媒質との接触面積を増大するこ
とによりインピーダンス変換器として動作するた
めに米国特許第3674945号の整合技術を利用しな
くても媒質への結合度を大いに改良できるような
程度まで板を拡大することが許されている。

リング１６，１８および２０には広範囲にわた
る弾性材料を使用できることがわかつている。板
の材料の密度のわずか1.2％の密度を有するポリ
スチレンフオームからの板の材料の密度の43％の
密度を有する固体ポリウレタン・エラストマーに
いたる材料を用いて試験を行ない好結果を得た。
このポリウレタン・エラストマーを使用すると効
率はわずかに低くなり且つ全体的な質量が大きく
なるために板の共振周波数に与える影響が大きく
なる。他方、これを使用すると製造が容易になり
且つより大きな凹凸を与えることができる。ポリ
ウレタン・エラストマーはまた、これを通過する
音の伝搬速度を空中での伝搬速度と比較したとき
の差が試験した発泡性材料の場合より大きいので
厚さが全く少ないリングによつて位相の修正を行
なうことができるという利点をもつている。さら
に、関心周波数において非常に低いヒステリシス
を示す。ある材料がリング１６，１８および２０
に使用するのに適しているか否かがシステムの動
作周波数における低損失音響伝搬媒質としての特
性と、その音響インピーダンスと、板および気体
媒質の音響インピーダンスの関係とにより左右さ
れることは当然認識されるであろう。理想的に
は、板の材料の音響インピーダンス対リングの音
響インピーダンスの比は、リングの材料の音響イ
ンピーダンス対気体媒質の音響インピーダンスの
比と同じであるべきだが、理想的な関係より小さ
くても、これはリング材料の他の特性によつて補
償しうる。従つて板がアルミニウムであり、気体
媒質が空気、リングの材料がポリスチレンフオー
ムであれば、上述のように定義された比は各々約
400と約85である。一方のリングの材料が固体ポ
リウレタン・エラストマーであるときは、比は
各々約８と約4000となる。動作周波数での音響波
の伝搬におけるかなり大きなヒステリシスは適切
な動作を妨げ且つ効率を下げるので、材料はこの
ようなヒステリシスを示すべきではない。小さな
独立気泡を有する材料が発泡性材料の中で最も良
い結果を提供するように思われる。

リング１６，１８および２０を形成する材料の
質量が板の質量と比べてかなりある場合には、板
の共振周波数が著しくずれ、もちろんこれに対し
ては適当なゆとりを設けなければならない。

様々なリングが分離して形成されるように説明
してきたが、リングが隣接する波腹ゾーンに付け
られるとき、特にすべて同じ材料で形成されると
きにはリングを単一の一体成形物として作ること
ができるであろうということは明らかである。さ
らに、第１図から第３図に関して説明した実施例
においては板の隣接する波腹ゾーン全体に付けら
れる材料の全体的な厚さが交互に上下しているよ
うに示されているが、その厚さが以下で論じる必
要条件に従つているならば前記のようにする必要
はない。

米国特許第3674945号において論じられている
ように、整合を目的として使用される材料は四分
の一波長の奇数倍の厚さとすべきである。隣接す
る波腹ゾーンが媒質に整合されるべき変換器の実
施例においては、波腹ゾーンは交互にさらに、同
じ厚さの空気（その他のあらゆる気体媒質も含ま
れる。）を通過する音を比べて約180゜の移相を提
供するような厚さに材料（同じ材料である必要は
ない）で被覆する必要がある。この厚さはｎ／2f
（１／C₀−１／C₁）と示すことができる。ここで
ｎは奇数整数、ｆは動作周波数、C₀は空気中の
音速、そしてC₁は使用される材料の中の音速で
ある。この厚さを整合条件に適合するように選択
できれば、それだけ良い。厚さを適度に小さく保
つには、C₀とC₁との間にかなりの差があるべき
であることは明らかである。特に発泡性材料中の
音速はとりわけ動作周波数関数および構成および
時には材料の向きの関数であるため、板に付ける
材料の厚さを最適にするためには通常は実験が必
要であるということを理解すべきである。

位相修正および整合材料（説明されている実施
例中のリング１６，１８，２０）は板より音響イ
ンピーダンスの低い低密度の材料であるので、通
常は板に質量または剛性を付加することは殆どな
く、従つて板の共振特性にも比較的わずかしか影
響しない。このことにより、円板の表面面積がそ
の体積、または円板中に蓄積されるエネルギーに
比べて非常に大きくなるように比較的薄い円板を
使用することが許される。板からこれを取囲む媒
質へのエネルギーの伝達速度は放射表面の面積に
比例するため、各サイクルの間に媒質へ伝達され
る板内に蓄積されたエネルギーの割合が増加し、
そのためシステムにＱは減少する。さらに、板の
面積と変換器素子の実効面積との比は非常に大き
いので、任意のエネルギー伝達を達成するために
はるかに小さい変換器素子を使用することができ
る。このように、説明した様々な実施例で利用さ
れている変換器素子は典型的には約70〜150グラ
ムのチタン酸ジルコン酸鉛を含んでいるが、米国
特許第3674945号に従つて構成されたこれに匹敵
する性能の10kHzの変換器はおそらく高価な圧電
材料を50キログラム程度必要とし、しかも効率は
より低いであろう。

米国特許第3674945号によるもののような先行
技術の変換器においては、圧電材料としてチタン
酸バリウムを使うのが普通であつたが、これより
いくぶん性能のすぐれたチタン酸ジルコン酸鉛の
変換器素子を利用できるのが本発明の利点であ
る。チタン酸ジルコン酸鉛材料は、本発明におい
て使用するのに適した環状素子に容易に製造加工
することができるが、米国特許第3674945号の変
換器等の変換器に適した素子に加工するのは容易
ではない。

変換器素子と振動板との間の結合は様々な方法
で変形して良い。第４図に関してすでに説明した
ように、変換器素子が同様の取り付けブロツクの
間に取付けられ、且つこの構造が、一端が構体に
取付けられ他端が板に取付けられている短い柱に
より板に結合されているような配置の良い結果が
得られている。この注の代わりに、超音波の1978
年11月版、268ページでガリエゴ−フアレス他に
より説明されているような機械的増幅器を用いる
こともできるであろう。

特定的に説明した実施例はすべて板の縁が実質
的に拘束されていない配置に関するものであつた
が、もちろん周囲が締付けられていたり、または
他の方法で固定されている板を使用することは可
能であり、この場合、波節円は板の周囲と一致す
る。このような配置はある場合には、特に火災や
爆発の危険のある環境で使用するための耐火性シ
ステムを提供することが望まれる場合には有利で
あるといえよう。

以上述べた如く、本願発明の音響変換器は、次
に述べるような機能を持つ低音響インピーダンス
材料を、板の放射表面の１つおきの波腹ゾーンを
おおうように設けた結果、高い変換効率と指向性
を持つようになつた。

１ 各隣接の波腹ゾーンから互いに逆位相で放射
される音の相対位相を変えて、逆位相による相
殺を減少させること。

２ 各隣接の波腹ゾーンの各々と伝搬媒質の空気
との間の結合度合を異ならせて、各逆位相放射
による相殺を減少させること。

３ 放射表面を有する板のダンピング性能を高め
ること。即ち、低音響インピーダンス部材を１
つおきの波腹ゾーンに設けることによつて、音
の放射エネルギーの変換効率が良くなること、
および板中に残存するエネルギーが速やかに放
出されることにともなつて、板のダンピング性
能が高まり、特に高い周波数の音のパルスに対
し良好な応答特性を有する。

一般に板にダンピング部材を設けることはでき
るが、この結果、放射振幅も低下してしまう。本
願発明では低音響インピーダンス部材を用いて伝
搬媒質との結合を高めることにより、変換効率を
低下させずにダンピング性能を高めることができ
た。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使われ
ている「より等級の高い曲げモード共振」という
用語は、波節により分離される少なくとも２つの
波腹ゾーンを生じさせ且つ（変更のないところで
互いに逆位相の放射を生じる板のあらゆる形態の
曲げモード共振を含むものと解釈すべきものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は保護ハウジングを除いた本発明の第１
実施例の分解斜視図、第２図は保護ハウジング内
に支持された本発明の第２実施例の平面図、第３
図は第２図の実施例の軸方向断面図、第４図は本
発明の第３実施例の軸方向断面図である。 ２……圧電結晶素子、４……導電性黄銅座金、
６……電気整合変圧器、８……装荷ブロツク、１
０……板、１２……通しボルト、１４……ナツ
ト、１６，１８，２０……リング、２２……装
荷・駆動ブロツク、２３……柱、２４……ハウジ
ング、２５……充填材、２６……周囲ポリウレタ
ンシール、２７……ポリウレタンシール膜、２８
……フエルトシール、３０……空間、３２……コ
ルク、３４……コンパウンド詰め物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射表面および実質的に音響変換器の動作周
   波数において曲げモード共振を有する板と、板の
   放射表面より小さい実効面積を有し且つ板に接続
   されて励振しまたは前記曲げモード共振に応答す
   る変換器素子とを具備し、板の放射表面の１つお
   きの波腹ゾーンが、板より低い音響インピーダン
   スを持ち且つ隣接する波腹ゾーンから気体媒質へ
   の音の放射の相対位相と相対振幅の少なくとも１
   つを差分して板の相隣接する波腹ゾーンから気体
   媒質内へ放射される音の、板から遠い場および所
   望の放射方向における相互の相殺を充分に減少さ
   せ、更に前記板のダンピング作用を増すように選
   択した厚さを有する部材によつて順次おおわれて
   いることを特徴とする、音響変換器。 ２ 前記１つおきの波腹ゾーンに付けられる部材
   は、低損失音響伝搬材料で成り、システムの動作
   周波数における材料中の音の四分の一波長の奇数
   倍の厚さを持ち、残りの波腹ゾーンにはこのよう
   な部材が付けられていないことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の音響変換器。 ３ 前記１つおきの波腹ゾーンに付けられる各低
   損失音響伝搬部材の厚さが、前記１つおきの波腹
   ゾーンから遠い場へ達する音が残りの波腹ゾーン
   から放射される音に比べて相殺を実質的に減少さ
   せるに充分な移相を受けるような量だけ互いに異
   なつて形成されたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の音響変換器。 ４ 板が軸対称的に共振し且つ軸対称的に変換器
   素子に結合されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項又は第３項に記載の音響
   変換器。 ５ 板が均一な厚さの円板であり且つ板と変換器
   素子がシステムの動作周波数にごく近い共振周波
   数に同調されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は第２項又は第３項に記載の音響変
   換器。 ６ 板が均一な厚さの円板であり且つ板の直径と
   厚さの比が25：１ないし500：１であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項又は第
   ３項に記載の音響変換器。 ７ 板の各々の波腹ゾーンが、一つ隣りのゾーン
   を被覆する材料とｎ／2f（１／C₀−１／C₁）だけ
   異なる厚さに前記材料で被覆されており、ここで
   ｎは奇数整数、ｆはシステムの動作周波数、C₀
   は気体媒質中の音速、C₁が材料中の音速である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   音響変換器。 ８ 板の波腹ゾーンの少なくともいくつかが、低
   損失音響インピーダンス整合部材中の音速におけ
   る音の四分の一波長の奇数倍に等しい厚さに前記
   整合部材で被覆されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項または第７項に記載の音響変換
   器。 ９ 低損失音響伝搬部材が独立気泡を持つた発泡
   性合成プラスチツクおよび非発泡性エラストマー
   の中から選択されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項又は第３項に記載の音
   響変換器。 １０ 板が少なくとも３つの波節リングを有する
   円板であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項又は第３項に記載の音響変換器。