JPH0511717B2

JPH0511717B2 -

Info

Publication number: JPH0511717B2
Application number: JP10242286A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Konno; Takeshi Inoe
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1993-02-16
Also published as: JPS62258598A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、広帯域でかつ高効率特性を有するハ
イパワー水中超音波トランスジユーサに関するも
のである。

（従来の技術）従来、水中超音波トランスジユーサの中で、特
に広帯域でかつ高効率特性を有するトランスジユ
ーサとして、第７図に示すような圧電セラミツク
変換子７１の音響側に、変換子７１の共振周波数
に対して４分の１波長の音響整合板７２を設けた
トランスジユーサが知られている（アイ・イー・
イー・プロシーデイングス（IEEE
PROCEEDIHGS，Vol.131，PartF，No.３，
June1984））。この整合板７２は圧電セラミツク
変換子と負荷媒質である水との中間のインピーダ
ンスが用いられ、3.2×10⁶〜4.5×10⁶MKS Rayls
程度の音響インピーダンス密度（音速と密度の積
で定義される）で丁度水とのインピーダンス整合
が達成される。このような音響インピーダンス密
度を有する整合層材料は、通常、エポキシ樹脂に
ガラスなどの無機微粒子を均一に分散させた複合
材料が用いられ、無機微粒子の配合度を調節する
ことにより、所望の音響インピーダンス密度を得
ることができる。

（発明が解決しようとする問題点）従来の音響整合板の付いた水中超音波トランス
ジユーサは、広帯域から高効率であるという優れ
た特徴を有しているにもかかわらず音響整合板と
セラミツク振動子との接着は専らエポキシ系接着
剤にたよらざるを得ず、このためハイパワー送波
時に音響整合板がセラミツク振動子から剥離する
恐れがあつた。また、このような材質からなる音
響整合層自身、ハイパワー送波時に容易に非線形
領域に達し、これが原因となつて送波波形の歪み
及び音響放射パワーの入力電力に対するリニアリ
テイの劣化を生ずるという問題があつた。また単
に音響整合板を高強度の材質に変えても機能せ
ず、また音響整合層を多重化しても設計が非常に
困難になり、ハイパワーで高帯域化を図ることは
できなかつた。従つて、このようなトランスジユ
ーサの用途は小又は中勢力送波に限られ、ハイパ
ワー送波（例えばパラメトリツクアレイ）には不
向きなものであつた。

本発明の目的は、広帯域で高効率の音響放射特
性を有し、かつハイパワー送波が可能なトランス
ジユーサを実現することである。

（問題点を解決するための手段）本発明に従つた水中超音波トランスジユーサ
は、２分の１波長共振ボルト締めランジユバン振
動子と前記ボルト締めランジユバン振動子の音場
側に２分の１波長共振子を設け、さらに、前記ボ
ルト締めランジユバン振動子と前記２分の１波長
共振子を縦結合子で強固に結合させたことを特徴
とする水中超音波トランスジユーサである。

（作用）本発明のハイパワー水中超音波トランスジユー
サの代表的な一例を第１図ａに示す。第１図ａに
おいて、１１は中空の圧電セラミツク振動子、１
２及び１３は金属マス、１４はボルト、１５は２
分の１波長共振子、１６は縦結合子である。また
１７はナツトであり、第１図ａに示したトランス
ジユーサの場合、金属マス１３部分にネジ溝が切
つてあり、金属マス１２，１３及びボルト１４、
ナツト１７でもつて、圧電セラミツク振動子１１
の部分に静的な応力バイアスを加えることができ
るようになつている。周知の如く、圧電セラミツ
クは張力に対する強度が圧力に対する強度の数分
の１しかないため、このような静的圧縮応力を印
加する手段を有するボルト締めランジユバン振動
子はハイパワーで強勢に励振を行う場合特に優れ
たものである。この第１図に示したような構成要
素１１，１２，１３，１４，１７からなるボルト
締めランジユバン振動子は、２分の１波長共振モ
ードで動作する。また、１５はAl合金、Ti合金
あるいはMg合金などの軽量でかつ高強度特性を
有する金属材料でできた２分の１波長共振子、１
６は高強度金属材料（例えばCr−Mo鋼）からな
る縦結合子である。

第１図ａから明らかな如く、本トランスジユー
サは要所がすべて高強度の金属材料もしくは繊維
強化材料で構成されており、しかも機構部品間の
接続は有機接着剤にたよる必要がないわけである
から、従来の整合板付トランスジユーサの数倍の
機械的強度を容易に実現することができる。

第１図ａに示した複合機械系トランスジユーサ
の振動モードを第１図ｂに示す。本トランスジユ
ーサは共振周波数が₁と₂という二つの共振モー
ドが存在する。共振周波数が₁から₂までの間が
本トランスジユーサの動作領域となる。本トラン
スジユーサの場合、縦結合子１６を太くすること
により₁とf₂の間隔が広がり、それだけますます
広帯域化が達成できる。従つてトランスジユーサ
の広帯域化をはかれば、それだけますます縦結合
子が太くなるわけであるから機械的強度が増大す
ることになる。

２分の１波長共振子１５は片端面１８が音響放
射端になつており、負荷である水とのインピーダ
ンス整合に重要な役割を果たす。

本発明に基づくトランスジユーサでは広帯域化
を達成する場合に、２分の１波長共振子１５の材
料として音響インピーダンス密度の小さな材料を
用いた方が水に対するインピーダンス整合が有利
となり、このため、Ti合金、Al合金、CFRP（炭
素繊維強化プラスチツク）あるいはFRM（フアイ
バー強化金属）のような軽量でかつ高強度の材料
が望ましい。

本発明に基づくトランスジユーサの動作は集中
定数近似等価回路を用いて把握することができ
る。集中定数近似等価回路を第２図に示す。第２
図において、Cdは制動容量、−Cdは縦効果のセラ
ミツク振動子を用いた場合に現われているもの
で、横効果の振動子では−Cdは現われてこない。
Ａは力係数、ｍ，ｃはそれぞれランジユバン振動
子の等価質量、m₂，c₂はそれぞれ縦結合子側か
らみた２分の１波長共振子の等価質量、等価コン
プライアンス、ｎは２分の１波長共振子の非対称
性の度合を表す機械変成比で、均一棒であればｎ
＝１、不均一棒（例えばエクスポネルシヤルホー
ン）であればｎ≠１となる。Saは放射断面積で
あり、Zaは音響系における水の放射インピーダ
ンスである。本トランスジユーサにおいては、縦
結合子をはさんで左右の共振小の等価質量及び共
振周波数の等しいトランスジユーサは勿論のこと
非対称な動作パタメータ法あるいは変成器フイル
タ理論を駆使して、ボルト締めランジユバン振動
子と２分の１波長共振子の共振周波数及び等価質
量を異ならしめた非対称な水中超音波トランスジ
ユーサが構成できることは言うまでもない。

さらに、本発明に基づいたトランスジユーサで
は、構成要素はすべて圧電セラミツクスと金属材
料あるいは繊維強化材料からのみなるわけである
から、従来の整合層付きトランスジユーサに比べ
て安定したハイパワー送波が達成できる。

（実施例１）本発明のトランスジユーサの一実施例を第３図
に示す。第３図において、１１は長手方向に分極
された圧電セラミツクスでできたリングで、隣接
するリングは分極方向が互いに逆向きになるよう
に配列され、各リングは電気的には並列に駆動さ
れる。１２及び１３はステンレススチール製の金
属マスで、このうち金属マス１３はネジ溝が切つ
てあり、ナツト１７、ボルト１４とともに圧電セ
ラミツクス静的な圧力バイアスを加える機能を有
する。１５ａ，１５ｂ，１５ｃは２分１波長共振
子を形成し、１５ａはAl合金製、１５ｂも同じ
くAl合金製であるが、第４図にその断面図を示
す如く、内部に空胴が設けられている。この空胴
は１５ｂ部分の特性機械インピーダンス（密度×
音速×断面積で定義される）を小さくすることに
より、広帯域トランスジユーサとして水とのイン
ピーダンス整合を向上させるのに有効である。１
５ｃは音響放射面として動作し、丁度１５ｂ部の
空胴部分に蓋をした恰好となつている。この場合
１５ｃ部は付加質量効果ができるだけ小さくなる
ように水中において、音響放射面が橈み振動を生
じない程度に厚みが決定される。１６は縦結合子
を示しているが、本実施例において１５ａ，１５
ｂ，１５ｃ，１６ｂ及び１４部分はAl合金製で
一体化されている。尚、本実施例のトランスジユ
ーサは深海で使用する場合には１５ｂの空胴部分
に耐水圧性を向上させるために油などの液体を入
れば良い。

本実施例のトランスジユーサはAl合金のよう
な強度の大きな材料を用いており、さらに水との
音響整合を向上させるため１５ｂ部分に空胴を形
成し、音響放射端側からみて実効的な機械インピ
ーダンスを小さくしている。このため
200dBre1μPa以上のハイパワー送波は極めて容
易に行うことができ、また広帯域特性は勿論のこ
と、水との音響整合性に優れているため80％以上
の高効率送波が可能である。

本実施例では２分１波長共振子部分１５ｂにつ
いて空胴を設けた構造としたが、この部分をハニ
カム構造、あるいは多孔質構造としても何ら差し
つえない。

（実施例２）本発明に基づくトランスジユーサの他の一実施
例を第５図に示す。ボルト締めランジユバン振動
子の構成要素１１，１２，１３，１７は実施例１
のトランスジユーサのそれと同じである。ボルト
１４、縦結合子１６及び２分の１波長共振子の一
部１５ｄは、Cr−Mo鋼からなり一体化されてい
る。１５ｅは長さ方向にガラス繊維が配されてい
るGFRPで、第３図１５ｂ部と同様に空胴が形成
されており、振動の腹に近い部分において、ボル
ト１９によつて１５ｄ部にしつかりと固定されて
いる。

また１５ｆは１５ｅ部に強固に接着され、炭素
繊維が朱子織状に配されているGFRP板で橈み振
動の音響放射面を形成している。本実施例２にお
いて２分の１波長共振子１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ
は一体化されていないが、接続個所がいずれも振
動の膜に近い部分であるのでハイパワー動作時に
おいても振動応力が集中せず安定した音響パワー
を取り出すことができるわけである。さらに、本
実施例２のトランスジユーサでは、材料的に金属
材料に比べて小さな音響インピーダンス密度を有
する材料で、２分の１波長共振子の主要部分を構
成しているので、ゆうに50％を超える超広帯域ト
ランスジユーサが実現できる長所がある。

（実施例３）本発明に基づくトランスジユーサの他の一実施
例を第６図に示す。ボルト締めランジユバン振動
子部分及び縦結合子部分は実施例１、実施例２と
同様であるが、ホーン１５ｇ、及びハニカム構造
の音響放射体１５ｈ（いずれもAl合金製）で構成
された２分の１波長共振子を用いている。このよ
うな構造の共振子では、軽量かつ高剛性の音響放
射体が実現でき、ホーンの働きにより、駆動源で
あるボルト締めランジユバン振動子の先端変位の
数倍の変位が音響放射端において生じるため水と
の音響整合が完全でかつ広帯域ハイパワートラン
スジユーサが構成できる。

（発明の効果）以上詳述した如く、本発明に従えば、広帯域で
かつ高効率でハイパワー特性に優れた水中超音波
トランスジユーサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明に基づく水中超音波トラ
ンスジユーサの一例を示す図、第２図は本発明に
基づく水中超音波トランスジユーサの等価回路
図、第３図、第５図、第６図は本発明に基づく水
中超音波トランスジユーサの実施例を示す図、第
４図は２分の１波長共振子の断面図、第７図は従
来の整合板付き水中超音波トランスジユーサを示
す図。図において、１１は圧電セラミツク振動子、１
２，１３は金属マス、１４，１９はボルト、１５
は２分の１波長共振子で１５ａ，１５ｂ，１５
ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈは
その構成要素、１６は縦結合子、１７はナツト、
１８は音響放射面、７１は圧電セラミツク振動
子、７２は音響整合層を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

１２分の１波長共振ボルト締めランジユバン振
動子とこのボルト締めランジユバン振動子の音場
側に結合子を介して２分の１波長共振子を設けた
ことを特徴とする水中超音波トランスジユーサ。