JPH04367200A - 高分解能の計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中探査を行うための
計測装置に関し、特に高分解能で計測可能とする装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に理想的な高分解能の魚群探知機で
検出した映像を示しており、一方、図２は、従来の魚群
探知機で検出した映像を示している。図１においてＡは
海底Ｂ近傍の底付魚であるが図２においては、底付魚Ａ
’は海底Ｂに接しており、又、図１における中層魚Ｃは
２群として検出されているが図２では分離されずに一群
としてしか検出されない。そして、図１の上層魚Ｄの周
囲にプランクトンＥが識別されるが、図２では、上層魚
Ｄ’とプランクトンＥ’との識別困難となっている。更
には図１の送信線Ｆの尾引きに対して図２の送信線Ｆ’
の尾引きが長くなっている。

【０００３】この尾引きを比較してもわかるように、高
分解能を得るためには超音波振動子より発振する超音波
は、図４に示されるように波数の少ないバースト波でな
ければならない（理想的にはパルス状）。出力期間ｔの
短いパルス状のものでなければならない。そのためには
、超音波振動子に対して、図４に示すようにパルス幅ｔ
が使用周波数の半周期の短い超音波電気信号を印加すれ
ばよい。

【０００４】ところで、図４に示すような信号は、よく
知られているように、中心周波数前後の極めて広い周波
数成分の信号から成り立っており、従ってこのような超
音波信号を放射するには、広帯域の超音波振動子でなけ
ればならない。

【０００５】しかしながら、超音波振動子は、それの寸
法形状等で決まる固有の単一周波数で共振するものであ
るために発振できる超音波の帯域は狭く、そのためにこ
のような超音波振動子に図４に示した電気信号を印加し
ても、その信号波形に忠実に追従して振動できず、その
振動の様子は図５に示したように鈍った波形となる。こ
のように従来の単一の共振モードを持つ超音波振動子で
は、パルス状の超音波を放射できず、それ故、かかる超
音波振動子を用いた魚群探知機や種々の水中の計測装置
では高分解能を得ることはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、超音波振動子
に対して従来なされていた広帯域化の手法について述べ
る。図６では、円盤形状の超音波振動子６１の裏面には
後方に音を放射しないようにバッキング層６２が貼り合
わされ、そして超音波振動子６１の放射面には整合層６
２なるものが貼り合わされており、整合層６３およびバ
ッキング層６２の層の密度、厚み、音速がパラメータと
なって、超音波振動子６１の放射特性が広帯域化する。

【０００７】しかし、この構成では、放射面に整合層６
３を設けるために超音波の放射および受波の効率が低下
する。又、層６２，６３の接着具合によって超音波振動
子６１の広帯域化にばらつきが生じるだけでなく、これ
らの層６２，６３は超音波振動子６１に固定的に接着さ
れるので、一度作製されたものは帯域を変更できず、実
用上、多くの問題、制限があった。

【０００８】図７は、超音波振動子６１の駆動回路にＬ
、Ｃで構成される広帯域整合電気回路６４を挿入してお
り、このような回路６４を付加することにより、狭帯域
特性の超音波振動子６２が広帯域化することが知られて
いる。しかしこの構成においても以下に記すような課題
があった。

【０００９】図８に、図７の超音波振動子６１のインピ
ーダンス特性を示している。インピーダンスが極小とな
る共振点の周波数ｆ１、ｆ２は、超音波振動子６１の厚
さＬ１および径Ｌ２に基づくものであり、この超音波振
動子６１では、厚さＬ１に基づく周波数ｆ１の共振モー
ドを用いるが、径Ｌ２による周波数ｆ２の共振モードが
派生する。図示したような偏平形状の超音波振動子６１
では、Ｌ２＞Ｌ１となるために、この厚さＬ１に基づく
周波数ｆ１での共振モードには、周波数ｆ２の共振が高
調波（Ｗにて示す）として重畳されることになり、単一
の共振モードが得られない。かかる超音波振動子６１を
広帯域整合電気回路６４で広帯域化しても図３のような
矩形をなす超音波信号は得られず、よって高分解能の計
測装置を実現できなかった。本発明は、上述した課題を
解決するためになされたものであり、新規な構成による
広帯域の超音波振動子を適用することにより、高分解能
を達成した計測装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高分解能の計測
装置は、超音波放射面の寸法が高さより短い柱状超音波
振動子片を、一平面上に複数個配置してなる超音波振動
子と、前記超音波振動子を広帯域化するために接続され
る広帯域整合部と、送波時に短パルスの超音波信号を超
音波振動子に供給する短パルス送信部と、前記超音波振
動子で受波した信号を増幅して所定の信号に処理する広
帯域の受信部と、前記受信部で処理された信号に基づき
探査結果を映像として表示する表示部とを備えたことを
特徴とする。

【００１１】

【作用】上記構成によれば、超音波放射面の寸法が高さ
より短い複数個の柱状超音波振動子片からなる超音波振
動子は、後で詳しく述べるように、単一の共振モードで
振動するので、この超音波振動子を広帯域整合部に接続
することにより、その超音波振動子は理想的な広帯域特
性となる。従って、この超音波振動子より短パルスを送
波できるため高分解能の計測が可能となる。

【００１２】

【実施例】図１０は、本発明の装置の一実施例を示す制
御ブロック図である。１は、単一の共振モードを有する
超音波振動子であり、その詳細については後で詳しく述
べる。２は、狭帯域特性の超音波振動子１を広帯域化に
する広帯域整合部である。３は、送受を切り換えるため
の送受信切換部である。４は、図４に示したような短い
期間に超音波信号を出力する短パルス送信部であり、送
受信切換部３に送出される。５は、送受信切換部３より
供給される受信信号を増幅する広帯域受信部であり、帯
域の広い受信を処理できるよう、広帯域のものが用いら
れる。６は、当該装置を集中的に制御する制御部であり
、７は、水中の探査結果を表示する表示部である。

【００１３】次に単一共振モードの超音波振動子１の具
体的な構成について述べる。図１１にその平面図を示し
ている。１０は、偏平な円盤形状をなす遮音材であり、
この遮音材１０には、同心円状に複数個の貫通穴１０ａ
が形成されている。これらの貫通穴１０ａには、図１２
に示すような高さＬ１で径がＬ２（＜Ｌ１）の円柱状の
超音波振動子１１が挿入される。従って、貫通穴１０ａ
の径はほぼＬ２であり、遮音材１０の厚みはＬ１となる
。

【００１４】柱状超音波振動子１１を単体で励振させた
ときのインピーダンス特性を図９に示している。共振点
のｆ１、ｆ２（＞ｆ１）は、柱状超音波振動子１１の高
さＬ１および径Ｌ２に基づくものであり、この振動子１
１では、高さＬ１に基づく周波数ｆ１での共振モードを
用いるが、径Ｌ２に基づく共振モードの周波数ｆ２は前
記の周波数ｆ１よりも高いために、周波数ｆ１での共振
モードに、周波数ｆ２が重畳することはなく、従ってこ
の柱状超音波振動子１１は単一の共振モードで動作する
。

【００１５】尚、側方から放射される不要な超音波は、
前記の遮音材１０にて遮音されるために、柱方向に放射
される超音波に干渉を及ぼすことはない。従って、複数
個の柱状超音波振動子１１を同時に駆動させた場合、単
一の共振モードで動作し、単一の超音波振動子として機
能する。

【００１６】但し、このままの状態では柱状超音波振動
子１１が遮音材１０から抜け落ちる恐れがあるので何等
かの抜け落ち防止手段を施す必要がある。貫通穴１０ａ
の径をＬ２より小さ目にして柱状超音波振動子１１を貫
通穴１０ａに圧入して固定する方法が考えられるが、そ
の場合、柱状超音波振動子１１を次々と圧入していくと
、それらの貫通穴１０ａが拡張される結果、柱状超音波
振動子１１をまだ挿入していない貫通穴１０ａの径が狭
まり、柱状超音波振動子１１の挿入が困難となり、又、
遮音材の弾性が失われてくる。接着剤で固定する方法も
あるが弾性体との接着は困難である。

【００１７】そこで本発明では以下の方法を採用してい
る。貫通穴１０ａの径はほぼＬ２にしておき、貫通穴１
０ａの回りに捨て穴１２を設けておき、柱状超音波振動
子１１を貫通穴１０ａに挿入した後で、この捨て穴１２
にピン１３を圧入して、柱状超音波振動子１１を周囲の
遮音材１０で圧接させることにより、柱状超音波振動子
１１をその位置に固定する。この方法であれば柱状超音
波振動子１１を遮音材１０に確実に固定でき、又、ピン
１３を抜くことにより、柱状超音波振動子１１の取り外
しが容易である。

【００１８】図１２に示すように各柱状超音波振動子１
１は、柱方向の両端面に電極が形成され、これらの電極
よりのリード線Ｙが接続されるが、裏面電極よりのリー
ド線Ｙ２を近傍のピン１３の下端に接続することにより
、裏面電極よりのリード線Ｙ２は、図１１のＹ２’で示
されるように、ピン１３の上端から引き出すことができ
便利である。これらの複数個の柱状超音波振動子１１は
相互に並列接続され、広帯域整合部２に接続される。要
素Ｌ、Ｃで構成される広帯域整合部２で超音波振動子を
広帯域化できる理論およびＬ、Ｃの設計値については、
昭和５８年３月の「日本音響学会講演論文集」で木村正
雄氏により発表された「超音波振動子の広帯域整合」お
よび、Ｌ．Ｊ．Ａｕｇｕｓｔｉｎｅ　およびＪ．Ａｎｄ
ｅｒｓｅｎ著による「Ａｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏ
ｒｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｌｅｓ
ｓ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｅｑｕａｌｉｚｅｒｓ　ｏｆ
　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」（
１９７９年９月刊、Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅ
ｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａの６６巻（Ｎｏ．３））に
紹介されているのでここでは説明を省略する。

【００１９】尚、図示しないが、このように構成された
単一共振モードの超音波振動子１は裏面にバッキング層
が設けられた上で保護のためにモールド材にて被覆され
る。従ってバッキング層に導電ペイントを塗布しておく
ことで各柱状超音波振動子１１に対する共通の裏面電極
を得ることもできる。

【００２０】次に上記構成の装置の動作について述べる
。短パルス送信部４より出力された短パルスは、送受信
切換部３および広帯域整合部２を介して単一共振モード
の超音波振動子１に印加される。この振動子１は、広帯
域整合部２が付加されることにより広帯域の素子として
機能し、よってこの超音波振動子１からは、図４に示し
たような矩形状に変化する広帯域の超音波が放射される
。この送波に伴うエコーは、超音波振動子１で受波され
、広帯域整合部２を通過することにより、広帯域の受波
信号が出力される。この信号は、送受信切換部３を介し
て広帯域受信部５にて増幅され、制御部６の制御により
、表示部７に図１に示したような高分解能の水中探査の
像が表示される。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、柱状の
超音波振動子片を用いることにより、高調波が重畳しな
い単一の共振モードによる振動が可能となり、この柱状
超音波振動子を複数個用に対して広帯域整合部により広
帯域化を図ったので理想的な広帯域特性が得られ、この
超音波振動子を用いてパルス状の超音波の送波を可能と
したことにより高分解能で計測が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　理想的な高分解能の魚群探知機で測定した
水中探査像

【図２】　　従来の魚群探知機で測定した水中探査像

【
図３】　　高分解能で計測するのに必要な超音波の波形
図

【図４】　　図３の超音波を放射させるために超音波振
動子に印加される電気信号の図

【図５】　　図４の電気信号が印加されたとき、従来の
狭帯域の超音波振動子より放射される超音波の波形図

【
図６】　　超音波振動子を広帯域化するための一手法を
示した図

【図７】　　超音波振動子を広帯域化するための一手法
を示した図

【図８】　　図７の回路構成における超音波振動子のイ
ンピーダンス特性を示す図

【図９】　　本発明の装置に用いた広帯域の超音波振動
子におけるインピーダンス特性を示す図

【図１０】　　本発明の装置の一実施例を示す制御ブロ
ック図

【図１１】　　本発明の装置に用いた広帯域の超音波振
動子の構成を示す図

【図１２】　　図１１における柱状の超音波振動子を示
す斜視図

【符号の説明】

１　　単一共振モードの超音波振動子 ２　　広帯域整合部 ３　　送受信切換部 ４　　短パルス送信部 ５　　広帯域受信部 ６　　制御部 ７　　表示部 １０　　遮音材 １１　　柱状超音波振動子 １２　　捨て穴 １３　　ピン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超音波放射面の寸法が高さより短い柱
   状超音波振動子片を、一平面上に複数個配置してなる超
   音波振動子と、前記超音波振動子を広帯域化するために
   接続される広帯域整合部と、送波時に短パルスの超音波
   信号を超音波振動子に供給する短パルス送信部と、前記
   超音波振動子で受波した信号を増幅して所定の信号に処
   理する広帯域の受信部と、前記受信部で処理された信号
   に基づき探査結果を映像として表示する表示部とを備え
   たことを特徴とする高分解能の計測装置。
2. 【請求項２】　　請求項１の高分解能の計測装置に使用
   可能な広帯域の超音波振動子であって、超音波放射面の
   寸法が高さより短い柱状超音波振動子片を、遮音材に複
   数個埋め込み、前記超音波振動子片を並列接続して、Ｌ
   、Ｃよりなる広帯域整合部に接続してなることを特徴と
   する広帯域の超音波振動子。
3. 【請求項３】　　遮音材にくさび状のピンを圧入するこ
   とにより遮音材に埋め込んだ超音波振動子片を固定する
   請求項２記載の広帯域の超音波振動子。
4. 【請求項４】　　上記超音波振動子片の裏面電極よりの
   リード線を上記ピンの後端に接続して、該ピンの上端よ
   りリード線を引き出した請求項３記載の広帯域の超音波
   振動子。
5. 【請求項５】　　上記超音波振動子の裏面に貼り合わさ
   れるバッキング層に導電性部材を形成して、上記複数の
   超音波振動子片の共通の裏面電極とした請求項２または
   ３に記載の広帯域の超音波振動子。