JPH0446518B2 - - Google Patents

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JPH0446518B2
JPH0446518B2 JP13851384A JP13851384A JPH0446518B2 JP H0446518 B2 JPH0446518 B2 JP H0446518B2 JP 13851384 A JP13851384 A JP 13851384A JP 13851384 A JP13851384 A JP 13851384A JP H0446518 B2 JPH0446518 B2 JP H0446518B2
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JP
Japan
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head mass
ring
mass
head
vibrator
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JP13851384A
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English (en)
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JPS6118299A (ja
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Takeshi Inoe
Takashi Sasaki
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0618Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、水中超音波トランスジユーサに用い
られるボルト締めランジユバン振動子に係わり、
特にアクテイブソーナーに利用されるトランスジ
ユーサに関するものである。
(従来技術) ボルト締めランジユバン振動子は第1図に示す
ように、アルミ合金、チタン合金などの高剛性材
料からなり音響放射を行うヘツドマス11、ヘツ
ドマス11とリアマス13の間に配置されたリン
グ状圧電セラミツク12、フロントマスと同様に
ステンレススチール等の高剛性材料からなるリア
マス13、及びリング状圧電セラミツク12に圧
縮応力を加える機能を有する高張力鋼からなるボ
ルト14、ナツト15によつて構成されている。
この振動子は、あらかじめ大きな圧縮応力が加え
られる構造となつているため、圧電セラミツク固
有の張力強度の数倍の強度が得られるため、ハイ
パワー駆動が可能であるという大きな特徴を有し
ている。隣接するリング状圧電セラミツク12ど
うしは第1図の矢印に示すように長手方向に互い
に反対方向に分極処理が施され、横効果縦振動モ
ード(31モード)に比べてはるかに大きな電気機
械結合係数が得られる縦効果縦振動モード(33モ
ード)が用いられる。これらのリング状圧電セラ
ミツク12は、パワーアンプによつて駆動されや
すいように電気的に並列に接続される。尚、この
ような構造のボルト締めランジユバン振動子にお
いては、周知の如く2分の1波長共振モードが用
いられ、リング状圧電セラミツクス12部分に振
動節点が存在する。第1図においてヘツドマス1
1の音響放射端から振動節点までの距離l0及び振
動節点からリアマス端面までの距離l′0はそれぞれ
実効的な4分の1波長である。
(従来技術の問題点) 上述した水中超音波トランスジユーサに用いら
れるボルト締めランジユバン振動子は、所望の指
向性を得るために通常多数個配列されて用いら
れ、このように多数個配列された振動子アレイは
必然的に大型でかつ極めて重いものになるため、
最近ボルト締めランジユバン振動子の小型、軽量
化が強く要求されている。ボルト締めランジユバ
ン振動子の小型、軽量化をはかる最も有効な手段
として、井上等により、日本電子通信学会超音波
研究会US83−58,pp17−24「水中超音波トラン
スジユーサの小型軽量化のための検討」と題され
た論文によりヘツドマスの厚さl1を小さくするこ
とがもつぱらなされている。しかしながら、ヘツ
ドマスの厚さl1を薄くして行くと、確かに小型軽
量化がはかられるが、ヘツドマス11が第1図の
点線で示したように屈曲振動を行うようになる。
ヘツドマス自身が屈曲振動を行うと、ヘツドマス
中心部と周辺部で振動変位が異り、はなはだしく
は中心部と周辺部で位相が異り、もはやピストン
放射面とはみなされなくなり、音響放射効率が著
しく劣化するといつた致命的な問題がある。従つ
て、従来ヘツドマスの厚さをむやみに薄くするこ
とはできず、ボルト締めランジユバン振動子の小
型軽量化をはかる場合、このヘツドマスの屈曲振
動が最大の障害となつていた。
(発明の目的) 本発明はボルト締めランジユバン振動子の小型
軽量化とともにハイパワー化を達成させるために
なされたものである。
(発明の構成) 本発明はリング状圧電セラミツクと、この前後
にそれぞれ配置されるヘツドマス及びリアマス
と、これらを結合するボルトを備えたボルト締め
ランジユバン振動子において、ヘツドマス中央部
に孔部が形成され、該孔部に前記ボルトと結合し
たサブヘツドマスが設置されており、ヘツドマス
とサブヘツドマスは少なくとも当該振動子の中心
軸と直角又は直角以外の所定の角度(当該所定の
角度は中心軸と平行方向は除く)をなす面で接し
ており、当該ヘツドマスとサブヘツドマスが接す
る面を該振動子の中心軸方向から見たときのリン
グ状又は正多角形環状の形状のリング厚みの中心
点が形成する形状の面積をS1とし、前記リング状
圧電セラミツクの厚みの中心部が形成する円の面
積をS2とするとき、 1/2S2S1S2 とすることを特徴とするボルト締めランジユバン
振動子である。
(本発明の作用原理) 水中超音波トランスジユーサ用ボルト締めラン
ジユバン振動子の小型軽量化をはかるためには、
材料面ではヘツドマス材料はAl合金のように軽
量でかつ剛性の大きな材料でなければならない
が、形状面ではヘツドマスを従来のものより相当
薄くする必要がある。しかしながら第1図に示し
た従来のボルト締めランジユバン振動子では、ヘ
ツドマスに加わる撓みモーメントのため、ヘツド
マス自身が屈曲振動を行い、中心部と周辺部分で
は大幅に振動振幅が異り、はなはだしくは位相が
互いに180゜異なるといつた悪影響がある。
第2図に、ヘツドマスに働く撓みモーメントを
解明するための第1図に示した振動子前半部の物
理モデルを示す。第2図において、Fはヘツドマ
ス11に働く剪断力、R2は圧電セラミツクリン
グ12の平均半径、Y−Y′は解析のために設け
た音響放射面に平行な直線、矢印は剪断力の方
向、P,Qはヘツドマス11と圧電セラミツクリ
ング12の力の作用点、P′(=Q′)はヘツドマス
11とボルト14の力の作用点を示す。第2図に
示した物理モデルについて、ヘツドマスの屈曲振
動の原因となる撓みモーメントついて考察する。
圧電セラミツク部分が電圧を印加され保電逆効果
によつて伸びた場合、ボルト部分は圧電性をもた
ないわけであるから、ヘツドマスを介して強制的
に伸ばされる。このとき第2図に示した方向に力
Fが働き、ヘツドマスには合計2R2Fなる撓みモ
ーメントが発生する。圧電セラミツクスが圧電逆
効果により縮んだ場合は、第2図に全く逆向きの
剪断力が働き全く逆向きの撓みモーメントが発生
する。この剪断力を小さくするためには、当然の
ことながら剛性の小さなボルトを用いれば良いわ
けであるが、リング状圧電セラミツク部分に必要
かつ十分な圧縮応力を供給しなければならないた
め、ボルトの剛性を小さくするためには一定の限
界がある。
本発明のヘツドマスの屈曲振動を抑圧する原理
は、剪断力Fを十分小さくすることが困難である
が、モーメントの腕の長さを小さくすることによ
り、撓みモーメントを小さくすることにある。従
来の第1図に示すような従来の振動子ではモーメ
ントの腕の長さは相当大きなものになつており、
撓みモーメントもモーメント腕の長さに比例して
大きくなつている。
即ち、モーメント腕の長さを十分小さくできる
ような振動子の形状が与えられれば、ヘツドマス
の屈曲振動変位は小さくなるわけである。次に、
撓みモーメントを小さくした本発明のボルト締め
ランジユバン振動子のヘツドマス周辺部分の構造
の例を第3図a,b,cに示す。
第3図b,cにおいて、11はヘツドマス、3
2はヘツドマス11に接しているサブヘツドマス
31の突起部32である。該突起部32がヘツド
マス11と接する面(振動子中心軸と平行な面は
除く)を振動子中心軸方向から見たときに見える
リング形状(この場合はサブヘツドマス断面は円
形とする)のリングの厚みの中心点を結ぶとこの
場合半径R1の円(面積をS1とする)が形成され
る。また圧電セラミツクリングの厚みの中心部分
は半径R2の円(面積S2とする)を形成する。本
発明の構造では(R2−R1)がモーメント腕の長
さとなるが、R2−R1を十分小さくすることがで
きるため、ヘツドマスの屈曲振動を抑圧すること
ができるわけである。尚、第3図においてサブヘ
ツドマスがヘツドマスと接する小突起部分が形成
するング状図形を円であるとしたが、正方形、正
五角形、正六角形などの正多角形であつても同じ
効果が得られることは言うまでもない。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を参照して詳
細に説明する。第4図に本発明の一実施例を示す
断面図で、第4図においてl0は音響放射端から振
動節点までの実効的4分の1波長、l1はヘツドマ
スクの厚さを示す。ここではl1/l0=0.2とした。
第4図の振動子は共振周波数12kHzヘツドマス音
響放射断面積が36cm2、圧電セラミツクの実効半径
R2が形成する円の面積S2は6.16cm2(=πR2 2)であ
る。また、第4図においてサブヘツドマス31の
小突起が形成する面積S1(πR2 1)を種々変えてい
つたとき、ヘツドマスの音響放射面の共振周波数
12kHzにおける変位分布を外縁部を1と規準化し
て第5図に実線で示す。また第4図と外見は全く
同じ形状を有する第1図に示すような従来の振動
子のヘツドマスの変位分布を第5図に点線で示
す。第5図においてyは中心軸からの距離、εは
規準化された変位を示す。従来の振動子では、ヘ
ツドマス中心付近の変位が負になつているが、こ
れはヘツドマス周辺部の変位に対して位相が180゜
逆転していることを示すものである。本発明のよ
うな構造を有する振動子であつてもS1/S2>1で
あれば破線(S1/S2=1.1)で示すようにサブヘ
ツドマス自身の屈曲振動が励振されサブヘツドマ
ス中心部分とヘツドマス外周部分とは位相が180゜
異つてしまい、実用上の長所は半減する。また
S1/S2<0.5においてもヘツドマス自身の屈曲振
動を十分に抑圧することができない。
尚、以上の実施例においてヘツドマスはすべて
Al合金、圧電セラミツクとしてジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電セラミツクス、ボルトとして高張力
鋼、サブヘツドマスとしてAl合金を用いた。
ボルト締めランジユバン振動子の小型軽量化を
はかる場合、ヘツドマスを薄肉化する必要がある
が、従来の構造であればヘツドマス自身が屈曲
し、そのため音響放射端における媒質排除量が激
減し、良好な音響放射が下可能になるといつた欠
点を有していた。本発明に従つたボルト締めラン
ジユバン振動子では、ヘツドマスの屈曲振動を抑
圧して良好な音響放射が可能である。
また、サブヘツドマス31の外径がセラミツク
リングの実効直径2R2とほとんど等しい場合は本
発明の条件に従う限り第6図に示したように小突
起を設けなくとも良好な音響放射を行うことがで
きる。さらに、サブヘツドマスとボルトが一体化
されていても本発明の効果はいささかも阻害され
ることはないことは言うまでもない。
(発明の効果) 以上述べた如く、本発明に従つたボルト締めラ
ンジユバン振動子は小型、軽量化かつハイパワー
化に優れており、従来の振動子の性能を大幅に凌
駕するものであり工業的価値も甚大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のボルト締めランジユバン振動子
の概略図、第2図はボルト締めランジユバン振動
子の前半部物理モデルを示す図、第3図a,b,
cは本発明のボルト締めランジユバン振動子のヘ
ツドマス周辺部分を示す図、第4図は本発明の一
実施例を示す振動子の概略図、第5図は共振時に
おけるヘツドマス音響放射面の変位分布を示す
図、第6図は本発明の他の一実施例を示す図であ
る。 図において、11はヘツドマス、12は圧電セ
ラミツクス、13はリアマス、14はボルト、1
5はナツト、31はサブヘツドマス、32は小突
起。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 リング状圧電セラミツクと、この前後にそれ
    ぞれ配置されるヘツドマス及びリアマスと、これ
    らを結合するボルトとを備えたボルト締めランジ
    ユバン振動子において、ヘツドマス中央部に孔部
    が形成され、該孔部に前記ボルト結合したサブヘ
    ツドマスが設定されており、ヘツドマスとサブヘ
    ツドマスは少なくとも当該振動子の中心軸と直角
    又は直角以外の所定の角度(当該所定の角度は中
    心軸と平行方向は除く)をなす面で接しており、
    当該ヘツドマスとサブヘツドマスが接する面を該
    振動子の中心軸方向から見たときのリング状又は
    正多角形環状の形状のリング厚みの中心点が形成
    する形状の面積をS1とし、前記リング状圧電セラ
    ミツクの厚みの中心部分が形成する円の面積をS2
    とするとき、 1/2S2S1S2 とすることを特徴とするボルト締めランシユバン
    振動子。
JP13851384A 1984-07-04 1984-07-04 ボルト締めランジュバン振動子 Granted JPS6118299A (ja)

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JP13851384A JPS6118299A (ja) 1984-07-04 1984-07-04 ボルト締めランジュバン振動子

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JPS6118299A JPS6118299A (ja) 1986-01-27
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JPS62176397A (ja) * 1986-01-30 1987-08-03 Nec Corp 無指向性水中超音波トランスジユ−サ
FR2713429B1 (fr) * 1993-12-03 1996-02-09 France Etat Armement Procédé d'émission de forte puissance d'ondes acoustiques et pavillons de transducteurs correspondants.
JP6201489B2 (ja) * 2013-07-29 2017-09-27 日本電気株式会社 音波変換装置および音波変換方法

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