JPH0418520B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0418520B2 JPH0418520B2 JP58138935A JP13893583A JPH0418520B2 JP H0418520 B2 JPH0418520 B2 JP H0418520B2 JP 58138935 A JP58138935 A JP 58138935A JP 13893583 A JP13893583 A JP 13893583A JP H0418520 B2 JPH0418520 B2 JP H0418520B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- matching layer
- acoustic matching
- acoustic
- thickness
- acoustic impedance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は、超音波を利用した測定装置、例え
ば、超音波流量計や超音波診断装置や非破壊検査
装置等の各種超音波測定装置に用いられて有効な
超音波送受波器の改良に関するものである。
ば、超音波流量計や超音波診断装置や非破壊検査
装置等の各種超音波測定装置に用いられて有効な
超音波送受波器の改良に関するものである。
＜従来の技術＞
以下従来の技術を図面を用いて説明する。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図であ
る。
る。
第１図において、超音波送受波器は、図示しな
い外部の発信回路から発信信号を受けて超音波を
発生する振動子１と、超音波を伝播させる例えば
アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の材質から成る伝
播要素（以下「シユー」と省略する）２と、一層
又は多層のλ・（１／４）（但しλは波長）厚の媒
質から成る音響整合層３から成る。
い外部の発信回路から発信信号を受けて超音波を
発生する振動子１と、超音波を伝播させる例えば
アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の材質から成る伝
播要素（以下「シユー」と省略する）２と、一層
又は多層のλ・（１／４）（但しλは波長）厚の媒
質から成る音響整合層３から成る。
この時、音響整合層３の理想的な音響インピー
ダンスZ0は、振動子１の音響インピーダンスを
Z1、シユー２の音響インピーダンスをZ2とした
時、 Z0＝√1・2 ……(1) から求めることができる。今、例えば、振動子１
を鉛PbとジルコニウムZrとチタンTiの酸化物粉
末を緻密に焼結した多結晶体“PZT”で構成し
てZ1≒30×106Kg／m2・Ｓとし、又、Z2≒３×106
Kg／m2・Ｓとし、音響整合層３を一層とした場
合、理想的な音響インピーダンスZ0は、(1)式か
ら、 Z0≒9.5×106Kg／m2・Ｓ ……(2) 程度となる。ところが、現実的な問題として、こ
の値を有し且つ実用に絶える物質は単体では存在
しない。そこで、実際には、タングステン粉末等
の金属粉末をエポキシ樹脂等の母材樹脂に添加し
て平板状に固化して得ることとなる。
ダンスZ0は、振動子１の音響インピーダンスを
Z1、シユー２の音響インピーダンスをZ2とした
時、 Z0＝√1・2 ……(1) から求めることができる。今、例えば、振動子１
を鉛PbとジルコニウムZrとチタンTiの酸化物粉
末を緻密に焼結した多結晶体“PZT”で構成し
てZ1≒30×106Kg／m2・Ｓとし、又、Z2≒３×106
Kg／m2・Ｓとし、音響整合層３を一層とした場
合、理想的な音響インピーダンスZ0は、(1)式か
ら、 Z0≒9.5×106Kg／m2・Ｓ ……(2) 程度となる。ところが、現実的な問題として、こ
の値を有し且つ実用に絶える物質は単体では存在
しない。そこで、実際には、タングステン粉末等
の金属粉末をエポキシ樹脂等の母材樹脂に添加し
て平板状に固化して得ることとなる。
＜発明が解決しようとする課題＞
しかしながら、このようにして得ることのでき
る理想的な音響インピーダンスZ0を持つ音響整合
層には、以下の問題点を有する。
る理想的な音響インピーダンスZ0を持つ音響整合
層には、以下の問題点を有する。
：製作価格が高い。
：金属粉末を添加したことにより、品質の均一
化が困難となる。
化が困難となる。
：音速が母材よりも小さくなるため、ＭHz単位
の高周波においては音響整合層３の厚さが極め
て薄くなり、強度的に不十分となり、しかも取
扱も難しい。
の高周波においては音響整合層３の厚さが極め
て薄くなり、強度的に不十分となり、しかも取
扱も難しい。
：熱膨脹率が振動子１と大きく異なるため、接
着後温度が大きく変化すると剥離が生ずる。
着後温度が大きく変化すると剥離が生ずる。
：温度変化により音速が大きく変化するので、
結果的に厚さが１／４波長厚からずれることに
なり、感度や送受信波形も変化する。
結果的に厚さが１／４波長厚からずれることに
なり、感度や送受信波形も変化する。
本発明は、従来の技術の有するこのような問題
点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、安価に製造することができる音響整合
層を具備する超音波送受波器を提供するものであ
る。
点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、安価に製造することができる音響整合
層を具備する超音波送受波器を提供するものであ
る。
＜課題を解決するための手段＞
上記目的を達成するために、本発明は、外部信
号により超音波を発生する振動子の超音波振動を
音響整合層に介して伝播要素に印加する超音波送
受波器において、 前記音響整合層の理想的な音響インピーダンス
Z0は前記振動子の音響インピーダンスZ1と前記伝
播要素の音響インピーダンスZ2の幾何平均に等し
い値とし、音響整合層の厚さdaを、前記理想的
な音響インピーダンスを実際に使用する音響整合
層の材質密度ρで割りこの割算結果を用いて
“da＝Z0／4ρf0”（但し、f0は振動子の中心周波
数）から得るようにしたことを特徴とするもので
ある。
号により超音波を発生する振動子の超音波振動を
音響整合層に介して伝播要素に印加する超音波送
受波器において、 前記音響整合層の理想的な音響インピーダンス
Z0は前記振動子の音響インピーダンスZ1と前記伝
播要素の音響インピーダンスZ2の幾何平均に等し
い値とし、音響整合層の厚さdaを、前記理想的
な音響インピーダンスを実際に使用する音響整合
層の材質密度ρで割りこの割算結果を用いて
“da＝Z0／4ρf0”（但し、f0は振動子の中心周波
数）から得るようにしたことを特徴とするもので
ある。
＜実施例＞
以下、図面を参照して本発明を説明する。
尚、以下の図面において、第１図と重複する部
分は同一番号を付してその説明は省略する。
分は同一番号を付してその説明は省略する。
第２図乃至第５図は本発明の説明に供する図で
ある。
ある。
第２図は、振動子１の中心周波数f0を1MHzと
し、音響整合層３に例えば、厚さｄをλ／４（＝
1.4mm）とした硼珪酸ガラス［ρ＝2.23×103Kg／
m3、Ｃ＝5600ｍ／ｓ、∴Z0a＝12.5×106Kg／m2・
Ｓ］を用い、横軸に周波数ｆ／f0、縦軸に送受波
電圧レベルをとつた時の周波数特性図である。こ
の時、この第２図からも明らかなように、f1、f2
という双峯周波数値が現れる。
し、音響整合層３に例えば、厚さｄをλ／４（＝
1.4mm）とした硼珪酸ガラス［ρ＝2.23×103Kg／
m3、Ｃ＝5600ｍ／ｓ、∴Z0a＝12.5×106Kg／m2・
Ｓ］を用い、横軸に周波数ｆ／f0、縦軸に送受波
電圧レベルをとつた時の周波数特性図である。こ
の時、この第２図からも明らかなように、f1、f2
という双峯周波数値が現れる。
ところで、例えば非破壊検査等に用いられる超
音波送受波器（この場合は超音波探触子という）
においては、一般に短くて鋭いパルスの実現が第
１に望まれることが多い。
音波送受波器（この場合は超音波探触子という）
においては、一般に短くて鋭いパルスの実現が第
１に望まれることが多い。
そこで、本願出願人はこのようなパルスを得る
ために、音響整合層３の厚さｄを様々に変化させ
る実験を試みた。この実験結果を第３図乃至第５
図に示す。
ために、音響整合層３の厚さｄを様々に変化させ
る実験を試みた。この実験結果を第３図乃至第５
図に示す。
第３図は、f0＝1MHzとした時、
同図イは、ｄ＝λ／４厚（具体的には1.4mm／
1MHz）のガラスを挿入した場合、 同図ロは、ｄ＝λ／４厚以下（具体的には0.9
mm／1MHz）のガラスを挿入した場合、同図ハは、
のガラスを挿入しない場合、の各受信波形であ
る。これ等を比較すると、同図ロの波形はイとハ
の波形に比べてパルス幅が小さく受信波の振幅が
大きいことが分る。
1MHz）のガラスを挿入した場合、 同図ロは、ｄ＝λ／４厚以下（具体的には0.9
mm／1MHz）のガラスを挿入した場合、同図ハは、
のガラスを挿入しない場合、の各受信波形であ
る。これ等を比較すると、同図ロの波形はイとハ
の波形に比べてパルス幅が小さく受信波の振幅が
大きいことが分る。
第４図は、音響整合層３の音響インピーダンス
を変化させた場合、即ち、厚さや媒質を変化させ
た場合の周波数応答である。
を変化させた場合、即ち、厚さや媒質を変化させ
た場合の周波数応答である。
第４図において、特性ａは受信波形が第３図ハ
の場合で周波数帯域が非常に狭い。特性ｂは前記
従来の技術で述べた理想的な音響インピーダンス
を有する音響整合層３を用いた場合であり周波数
帯域はａに比べて広い。特性ｃは受信波形が第３
図イの音響整合層３を挿入した場合で、周波数帯
域はｂに比べて広くなる。但しこのｃにおいて
は、特性は平坦ではなく、又受信波形も歪んだも
のとなる。そこでこの特性ｃについて、更に分析
し（ｄをλ／４厚前後で変化させて周波数応答特
性をとる）、それを第５図として示す。
の場合で周波数帯域が非常に狭い。特性ｂは前記
従来の技術で述べた理想的な音響インピーダンス
を有する音響整合層３を用いた場合であり周波数
帯域はａに比べて広い。特性ｃは受信波形が第３
図イの音響整合層３を挿入した場合で、周波数帯
域はｂに比べて広くなる。但しこのｃにおいて
は、特性は平坦ではなく、又受信波形も歪んだも
のとなる。そこでこの特性ｃについて、更に分析
し（ｄをλ／４厚前後で変化させて周波数応答特
性をとる）、それを第５図として示す。
第５図において、特性Ｗはｄをλ／４厚以上と
した場合、特性Ｘはｄをλ／４厚とした場合、特
性Ｙはｄをλ／４厚以下とした場合である。この
特性を見ると、特性Ｙの時に単峯特性が得られ、
この時に第３図ロに示したような歪みのない良好
なパルス応答特性が得られることとなる。
した場合、特性Ｘはｄをλ／４厚とした場合、特
性Ｙはｄをλ／４厚以下とした場合である。この
特性を見ると、特性Ｙの時に単峯特性が得られ、
この時に第３図ロに示したような歪みのない良好
なパルス応答特性が得られることとなる。
ところで、この特性Ｙを得るための音響整合層
３の最適な厚さは、次のようにして求めることが
できる。
３の最適な厚さは、次のようにして求めることが
できる。
即ち、(1)式の理想的な音響インピーダンスZ0を
実際に使用する音響整合層３の材質密度ρで割
り、この割算結果を実際に用いる音響整合層３の
仮の音速c-を、 c-＝Z0／ρ ……(3) と見なし、この値を用いて実際に使用する音響整
合層の厚さdaを、 da＝Z0／4ρf0 ……(4) として求める。これが最適な整合層の厚さとな
る。
実際に使用する音響整合層３の材質密度ρで割
り、この割算結果を実際に用いる音響整合層３の
仮の音速c-を、 c-＝Z0／ρ ……(3) と見なし、この値を用いて実際に使用する音響整
合層の厚さdaを、 da＝Z0／4ρf0 ……(4) として求める。これが最適な整合層の厚さとな
る。
今、(2)式から求まるZ0＝9.5×106Kg／m2・Ｓを
用い、ρ＝2.23×103Kg／m3の材質を使用するこ
ととし、f0＝1MHzとすると、この時使用する音
響整合層３の最適な厚さdaは、 da≒1.07mm ……(5) となる。
用い、ρ＝2.23×103Kg／m3の材質を使用するこ
ととし、f0＝1MHzとすると、この時使用する音
響整合層３の最適な厚さdaは、 da≒1.07mm ……(5) となる。
このことから、実際に使用する音響整合層の音
響インピーダンスの値が理想値より大きな値であ
つても、(4)式からその厚さｄを求めれば、良好な
特性を有するパルスを得ることができるものであ
る。言替えれは、前記したように理想的な音響イ
ンピーダンスは問題があつて使用できないから、
理想値より大きな値を有する音響整合層として例
えば一般のガラス等を用い、この時の最適な厚さ
ｄを(4)式によつて得るようにすれば、良好な特性
を有するパルスを得ることができる。故に、製作
費用の点でも安価なものとなる。
響インピーダンスの値が理想値より大きな値であ
つても、(4)式からその厚さｄを求めれば、良好な
特性を有するパルスを得ることができるものであ
る。言替えれは、前記したように理想的な音響イ
ンピーダンスは問題があつて使用できないから、
理想値より大きな値を有する音響整合層として例
えば一般のガラス等を用い、この時の最適な厚さ
ｄを(4)式によつて得るようにすれば、良好な特性
を有するパルスを得ることができる。故に、製作
費用の点でも安価なものとなる。
尚、本発明においては、シユーは傾斜形に限定
されるものではない。例えば第６図のその他の実
施例を示す図のように、水浸探傷用探触子ではそ
れが水２ａになる訳で、この場合でも上記した結
論はそのまま用いることができる。
されるものではない。例えば第６図のその他の実
施例を示す図のように、水浸探傷用探触子ではそ
れが水２ａになる訳で、この場合でも上記した結
論はそのまま用いることができる。
＜発明の効果＞
本発明は、以上説明したように構成されている
ので、次に記載するような効果を奏する。
ので、次に記載するような効果を奏する。
：短いパルスを必要とする場合でもその帯域幅
の広い特性の超音波を発生する超音波送受波器
を容易に実現出来る。
の広い特性の超音波を発生する超音波送受波器
を容易に実現出来る。
：安価で容易に入手可能な材質を音響整合層と
して使用することができるので、製品の価格低
減がはかれる。
して使用することができるので、製品の価格低
減がはかれる。
：音響整合層の材質の選択範囲が広がるので、
色々の目的や条件に対応することが可能とな
る。
色々の目的や条件に対応することが可能とな
る。
：従つて高品質で高信頼性を有する製品を実現
出来る。ことにガラス、セラミツク或はそれ等
の合成物を使用した場合は、広い温度範囲に渡
つて音速が変化せず、特性も安定なため、一定
した性能を有する製品を製作することができ
る。
出来る。ことにガラス、セラミツク或はそれ等
の合成物を使用した場合は、広い温度範囲に渡
つて音速が変化せず、特性も安定なため、一定
した性能を有する製品を製作することができ
る。
第１図は従来の超音波送受波器の構造図、第２
図乃至第５図は本発明の説明に供する図、第６図
はその他の実施例を示す図である。 １……振動子、２……伝播要素（シユー）、３
……音響整合層。
図乃至第５図は本発明の説明に供する図、第６図
はその他の実施例を示す図である。 １……振動子、２……伝播要素（シユー）、３
……音響整合層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 外部信号により超音波を発生する振動子の超
音波振動を音響整合層を介して伝播要素に印加す
る超音波送受波器において、前記音響整合層の理
想的な音響インピーダンスZ0が前記振動子の音響
インピーダンスZ1と前記伝播要素の音響インピー
ダンスZ2の幾何平均に等しい値 “Z0＝√1・2” なる関係を用いて、前記音響整合層の厚さdaを、
前記理想的な音響インピーダンスを実際に使用す
る音響整合層の材質密度ρで割り、この割算結果
を用いて“da＝Z0／4ρf0”（但し、f0は振動子の
中心周波数）から得るようにしたことを特徴とす
る超音波送受波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58138935A JPS6030298A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 超音波送受波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58138935A JPS6030298A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 超音波送受波器 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1055713A Division JPH01280217A (ja) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | 超音波流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6030298A JPS6030298A (ja) | 1985-02-15 |
| JPH0418520B2 true JPH0418520B2 (ja) | 1992-03-27 |
Family
ID=15233579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58138935A Granted JPS6030298A (ja) | 1983-07-29 | 1983-07-29 | 超音波送受波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6030298A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2615958A1 (fr) * | 1987-05-29 | 1988-12-02 | Radarson | Procedes et dispositifs pour augmenter la portee d'un capteur de distance constitue par un transducteur electro-acoustique place dans un gaz |
| JP4857464B2 (ja) * | 2000-12-21 | 2012-01-18 | 株式会社村田製作所 | 超音波センサ |
| EP1615203A1 (en) * | 2004-07-07 | 2006-01-11 | Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek Tno | Ultrasonic transducer system |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS586461A (ja) * | 1981-07-04 | 1983-01-14 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 超音波探触子 |
-
1983
- 1983-07-29 JP JP58138935A patent/JPS6030298A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6030298A (ja) | 1985-02-15 |
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