JPH07231496A - 低周波水中送波器 - Google Patents
低周波水中送波器Info
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- JPH07231496A JPH07231496A JP2005094A JP2005094A JPH07231496A JP H07231496 A JPH07231496 A JP H07231496A JP 2005094 A JP2005094 A JP 2005094A JP 2005094 A JP2005094 A JP 2005094A JP H07231496 A JPH07231496 A JP H07231496A
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- piezoelectric ceramic
- ceramic ring
- wave transmitter
- vibration
- shell
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Links
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 遠距離ソーナー、海洋資源探査などに使用さ
れる小型軽量でハイパワー放射の可能な低周波水中送波
器を提供する。 【構成】 アクティブ体である圧電磁器リング１０に電
圧を印加すると圧電磁器リング１０は径ひろがり振動を
起こし、その変位により圧電磁器リングの上下両面には
りつけられた金属シェル１１が径方向に引っ張られ、金
属シェル１１が屈曲振動を起こす。金属シェル１１はそ
の形状が凹面状に形成され、耐水圧性の向上が図られて
いる。また、凹面形状とすることにより圧電磁器リング
１０の径ひろがり振動と金属シェル１１の屈曲振動の位
相が同相となるという利点がある。
れる小型軽量でハイパワー放射の可能な低周波水中送波
器を提供する。 【構成】 アクティブ体である圧電磁器リング１０に電
圧を印加すると圧電磁器リング１０は径ひろがり振動を
起こし、その変位により圧電磁器リングの上下両面には
りつけられた金属シェル１１が径方向に引っ張られ、金
属シェル１１が屈曲振動を起こす。金属シェル１１はそ
の形状が凹面状に形成され、耐水圧性の向上が図られて
いる。また、凹面形状とすることにより圧電磁器リング
１０の径ひろがり振動と金属シェル１１の屈曲振動の位
相が同相となるという利点がある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は遠距離ソーナー、海洋資
源探査などに使用される低周波帯でハイパワーの水中送
波器に関するものである。
源探査などに使用される低周波帯でハイパワーの水中送
波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水中において低周波の超音波は高周波の
それと比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達す
ることができるために、ソーナー、海洋資源探査、海流
の調査などの分野で低周波の超音波を利用することは数
々の長所がある。従来から水中において強力超音波を放
射する送波器として動電形送波器と圧電形送波器が知ら
れている。動電形送波器は大きな変位がとりうる反面、
発生力が小さいことにより低周波で小型のトランスジュ
ーサを得ることは極めて困難である。また、圧電形送波
器は、電気機械エネルギー変換材料としてジルコンチタ
ン酸鉛系圧電磁器が用いられている。圧電磁器それ自身
は水に比べて約２０倍以上も音響インピーダンスが大き
いために発生力は極めて大きいという利点があるものの
音響放射において媒質排除に必要な変位をとることがで
きないという欠点がある。低周波になるに従い単位放射
面積当たりの音響放射インピーダンスが極めて小さくな
ることを考慮すると、低周波で効率の良い音響放射を行
うためには、圧電磁器の変位をより一層拡大させて音響
放射を行う必要がある。
それと比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達す
ることができるために、ソーナー、海洋資源探査、海流
の調査などの分野で低周波の超音波を利用することは数
々の長所がある。従来から水中において強力超音波を放
射する送波器として動電形送波器と圧電形送波器が知ら
れている。動電形送波器は大きな変位がとりうる反面、
発生力が小さいことにより低周波で小型のトランスジュ
ーサを得ることは極めて困難である。また、圧電形送波
器は、電気機械エネルギー変換材料としてジルコンチタ
ン酸鉛系圧電磁器が用いられている。圧電磁器それ自身
は水に比べて約２０倍以上も音響インピーダンスが大き
いために発生力は極めて大きいという利点があるものの
音響放射において媒質排除に必要な変位をとることがで
きないという欠点がある。低周波になるに従い単位放射
面積当たりの音響放射インピーダンスが極めて小さくな
ることを考慮すると、低周波で効率の良い音響放射を行
うためには、圧電磁器の変位をより一層拡大させて音響
放射を行う必要がある。
【０００３】従来、低周波数帯（３ｋＨｚ以下）におけ
るハイパワー送波器として、例えばジャーナル・オブ・
アコースティカル・ソサイアティー・オブ・アメリカ
（Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、ｖｏｌ．６８、
Ｎｏ．４、ｐｐ１０４６−１０５２（１９８０．１
０））に記載されているように、図４に示す楕円形シェ
ルを用いた屈曲伸び送波器が知られている。
るハイパワー送波器として、例えばジャーナル・オブ・
アコースティカル・ソサイアティー・オブ・アメリカ
（Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、ｖｏｌ．６８、
Ｎｏ．４、ｐｐ１０４６−１０５２（１９８０．１
０））に記載されているように、図４に示す楕円形シェ
ルを用いた屈曲伸び送波器が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図４に示した屈曲伸び
送波器は圧電磁器からなるアクティブ柱状体２０が長軸
方向に伸び変位をしたときに、楕円シェル２１が図中の
矢印で示すように柱状体２０の数倍の変位で収縮する一
種の変位拡大機構を有する送波器である（楕円シェルの
４分の１部分だけ矢印で示す）。
送波器は圧電磁器からなるアクティブ柱状体２０が長軸
方向に伸び変位をしたときに、楕円シェル２１が図中の
矢印で示すように柱状体２０の数倍の変位で収縮する一
種の変位拡大機構を有する送波器である（楕円シェルの
４分の１部分だけ矢印で示す）。
【０００５】このような屈曲伸び送波器の共振周波数
は、アクティブ柱状体２０のスチフネスがシェルのそれ
に比べて相当大きいために、楕円シェル２１自身の共振
周波数の２倍かそれ以上の値となる。即ち、一定寸法を
有する楕円シェル２１自身の屈曲伸びモードに関する共
振周波数を相当低下させることなしには、屈曲伸び送波
器の低周波小型化は達成されないわけであり、屈曲伸び
送波器においてシェル自身の共振周波数の一層の低下が
望まれている。しかしながら以下に述べる理由により、
この楕円シェル自身の低周波小型化は極めて困難であ
る。
は、アクティブ柱状体２０のスチフネスがシェルのそれ
に比べて相当大きいために、楕円シェル２１自身の共振
周波数の２倍かそれ以上の値となる。即ち、一定寸法を
有する楕円シェル２１自身の屈曲伸びモードに関する共
振周波数を相当低下させることなしには、屈曲伸び送波
器の低周波小型化は達成されないわけであり、屈曲伸び
送波器においてシェル自身の共振周波数の一層の低下が
望まれている。しかしながら以下に述べる理由により、
この楕円シェル自身の低周波小型化は極めて困難であ
る。
【０００６】この楕円シェルの動作を説明するために、
楕円シェルの長軸をｘ軸、短軸をｙ軸に、奥行方向をｚ
軸に対応させて、楕円シェルの４分の１部分を図５に示
す。楕円シェルの肉厚の中心とｘ軸とが交わる点を
（ａ，０）、またｙ軸と交わる点を（０，ｂ）とする。
即ち楕円シェルの長径をａ、短径をｂとする。いま、ア
クティブ柱状体２０が伸びてＰ点を＋ｘ方向にξだけ変
位させたとき、楕円シェル自身のもつ変位拡大機構によ
り、Ｑ点において−ｙ方向にξの数倍の変位が現れるわ
けで、シェル全体として媒質を引き込むことになる。こ
れに対して、アクティブ柱状体が収縮したときシェル全
体としては媒質を排除する方向に働くわけである。この
場合、楕円シェルをｘ軸で切った断面はｘ軸に平行に、
あたかもローラーをはいたかのように、並進変位するだ
けでｚ軸廻りの回転変位は零である。したがって、ｚ軸
廻りの回転を許さない分だけ、シェルの動きに関する拘
束が大きくなり、シェルの共振周波数が高くなる。屈曲
伸び送波器は、楕円シェル自身の共振周波数が、以上の
ような理由により低下しにくいために低周波小型化は極
めて困難であった。
楕円シェルの長軸をｘ軸、短軸をｙ軸に、奥行方向をｚ
軸に対応させて、楕円シェルの４分の１部分を図５に示
す。楕円シェルの肉厚の中心とｘ軸とが交わる点を
（ａ，０）、またｙ軸と交わる点を（０，ｂ）とする。
即ち楕円シェルの長径をａ、短径をｂとする。いま、ア
クティブ柱状体２０が伸びてＰ点を＋ｘ方向にξだけ変
位させたとき、楕円シェル自身のもつ変位拡大機構によ
り、Ｑ点において−ｙ方向にξの数倍の変位が現れるわ
けで、シェル全体として媒質を引き込むことになる。こ
れに対して、アクティブ柱状体が収縮したときシェル全
体としては媒質を排除する方向に働くわけである。この
場合、楕円シェルをｘ軸で切った断面はｘ軸に平行に、
あたかもローラーをはいたかのように、並進変位するだ
けでｚ軸廻りの回転変位は零である。したがって、ｚ軸
廻りの回転を許さない分だけ、シェルの動きに関する拘
束が大きくなり、シェルの共振周波数が高くなる。屈曲
伸び送波器は、楕円シェル自身の共振周波数が、以上の
ような理由により低下しにくいために低周波小型化は極
めて困難であった。
【０００７】一方、楕円シェルの形状を変えた場合、ｂ
／ａを大きくしていって円に近づけて行くほど確かにシ
ェル共振周波数は低下する。しかしこの場合、ｂ／ａを
大きくするほど周波数低下に比べて変位拡大率が大幅に
減少してしまうために形状を変えて小型化をはかるメリ
ットはなくなる。また、シェルの肉厚を小さくした場合
にも、共振周波数が低下することが認められる。しか
し、この場合、シェルの媒質排除能力が低下するばかり
か、耐水圧特性も著しく劣化するという欠点があった。
／ａを大きくしていって円に近づけて行くほど確かにシ
ェル共振周波数は低下する。しかしこの場合、ｂ／ａを
大きくするほど周波数低下に比べて変位拡大率が大幅に
減少してしまうために形状を変えて小型化をはかるメリ
ットはなくなる。また、シェルの肉厚を小さくした場合
にも、共振周波数が低下することが認められる。しか
し、この場合、シェルの媒質排除能力が低下するばかり
か、耐水圧特性も著しく劣化するという欠点があった。
【０００８】本発明の目的は小型軽量でハイパワー特性
および耐水圧性に優れた低周波水中送波器を提供するこ
とにある。
および耐水圧性に優れた低周波水中送波器を提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の送波器は、アク
ティブ体である圧電磁器リングの上下両面に、凹面状の
金属シェルをはり合わせた構造を具備したものである。
前記アクティブ体は、複数の圧電磁器リングを積層した
り、もしくは複数の扇形形状の圧電磁器を結合して一つ
のリング状に構成することも可能である。
ティブ体である圧電磁器リングの上下両面に、凹面状の
金属シェルをはり合わせた構造を具備したものである。
前記アクティブ体は、複数の圧電磁器リングを積層した
り、もしくは複数の扇形形状の圧電磁器を結合して一つ
のリング状に構成することも可能である。
【００１０】
【作用】以下図面に従って本送波器の作用について説明
する。
する。
【００１１】図１は本発明の送波器の一例を示したもの
である。図１の送波器の構成及び動作原理について詳細
に説明する。図１において１０はリング状の圧電磁器を
用いたアクティブ体である。この圧電磁器リング１０は
厚み方向に分極されており、その分極方向に沿って電圧
を入力することにより径方向にひろがり振動が励振され
るものである。さらにその圧電磁器リング１０の上下面
には、絶縁リング１２を介して強力接着剤とボルト１３
により凹面状の金属シェル１１がはりつけられている。
なお図１には示していないが本送波器の外形廻りは水蜜
保持のためウレタン樹脂などでモールドを施している。
である。図１の送波器の構成及び動作原理について詳細
に説明する。図１において１０はリング状の圧電磁器を
用いたアクティブ体である。この圧電磁器リング１０は
厚み方向に分極されており、その分極方向に沿って電圧
を入力することにより径方向にひろがり振動が励振され
るものである。さらにその圧電磁器リング１０の上下面
には、絶縁リング１２を介して強力接着剤とボルト１３
により凹面状の金属シェル１１がはりつけられている。
なお図１には示していないが本送波器の外形廻りは水蜜
保持のためウレタン樹脂などでモールドを施している。
【００１２】圧電磁器リング１０が径ひろがり振動を行
うと、その径方向の変位により圧電磁器リングの上下両
面にはりつけられた金属シェル１１が径方向に引っ張ら
れ、金属シェル１１が屈曲振動を起こす。このとき、金
属シェル１１の屈曲振動の変位は、圧電磁器リング１０
の径方向変位より拡大されていて、つまり媒質排除量が
拡大され、大きな音圧を放射する効果がある。
うと、その径方向の変位により圧電磁器リングの上下両
面にはりつけられた金属シェル１１が径方向に引っ張ら
れ、金属シェル１１が屈曲振動を起こす。このとき、金
属シェル１１の屈曲振動の変位は、圧電磁器リング１０
の径方向変位より拡大されていて、つまり媒質排除量が
拡大され、大きな音圧を放射する効果がある。
【００１３】金属シェル１１はその形状を凹面状とする
ことで、以下のような効果を図っている。金属シェル１
１に対し、高水圧が加圧されても、形状が凹面状である
ことから応力は分散され、耐水圧性に優れたものとなっ
ている。また、圧電磁器リング１０の径ひろがり振動と
金属シェル１１の屈曲振動の位相が同相となり、つま
り、圧電磁器リング１１の振動が媒質を排除する方向に
変位しているときは、金属シェル１１の屈曲振動も媒質
を排除する方向に変位するため、音響放射の上で効率が
よいといった利点がある。なお、凹面形状の曲率は、耐
水圧性および変位拡大率を目安に、有限要素法などの数
値計算・構造解析により容易に最適化される。
ことで、以下のような効果を図っている。金属シェル１
１に対し、高水圧が加圧されても、形状が凹面状である
ことから応力は分散され、耐水圧性に優れたものとなっ
ている。また、圧電磁器リング１０の径ひろがり振動と
金属シェル１１の屈曲振動の位相が同相となり、つま
り、圧電磁器リング１１の振動が媒質を排除する方向に
変位しているときは、金属シェル１１の屈曲振動も媒質
を排除する方向に変位するため、音響放射の上で効率が
よいといった利点がある。なお、凹面形状の曲率は、耐
水圧性および変位拡大率を目安に、有限要素法などの数
値計算・構造解析により容易に最適化される。
【００１４】図１に示す送波器において、アクティブ体
である圧電磁器リング１０は１枚もので構成されている
が、インピーダンスの低下を図るために図２に示すよう
な偶数層積層させた圧電磁器リング３０を使用すること
も有効である。
である圧電磁器リング１０は１枚もので構成されている
が、インピーダンスの低下を図るために図２に示すよう
な偶数層積層させた圧電磁器リング３０を使用すること
も有効である。
【００１５】さらに、本発明送波器の低周波化を図るに
は圧電磁器リング径の大型化が不可欠である。しかし、
大型圧電磁器リングの作製にはひじょうに困難を要す
る。そこで、図３に示すような複数の扇形形状の圧電磁
器を結合して一つのリング状に構成したものをアクティ
ブ体とすることも可能である。
は圧電磁器リング径の大型化が不可欠である。しかし、
大型圧電磁器リングの作製にはひじょうに困難を要す
る。そこで、図３に示すような複数の扇形形状の圧電磁
器を結合して一つのリング状に構成したものをアクティ
ブ体とすることも可能である。
【００１６】
（実施例１）本発明の一実施例を図１に示す送波器構造
のうち、圧電磁器リングを図２の積層型圧電磁器リング
に置き換えたものを参照に説明する。試作送波器におい
て、アクティブ体圧電磁器リング１０の外径を１９０mm
φ、内径を１６８mmφ、厚さを積層時３２mm（４mm厚×
８層）、金属シェル１１の厚みを５mmと設計した。次に
圧電磁器リング１０にはジルコンチタン酸鉛系圧電磁
器、金属シェル１１にはアルミニウム合金Ａ７０７５−
Ｔ６を適用し試作した。試作した送波器の空気中での共
振周波数は２９３３Ｈｚである。圧電磁器リングの径方
向変位に対し、金属シェルの凹面部の中心部分すなわち
送波器の中心軸上では約３８倍の変位が得られる。
のうち、圧電磁器リングを図２の積層型圧電磁器リング
に置き換えたものを参照に説明する。試作送波器におい
て、アクティブ体圧電磁器リング１０の外径を１９０mm
φ、内径を１６８mmφ、厚さを積層時３２mm（４mm厚×
８層）、金属シェル１１の厚みを５mmと設計した。次に
圧電磁器リング１０にはジルコンチタン酸鉛系圧電磁
器、金属シェル１１にはアルミニウム合金Ａ７０７５−
Ｔ６を適用し試作した。試作した送波器の空気中での共
振周波数は２９３３Ｈｚである。圧電磁器リングの径方
向変位に対し、金属シェルの凹面部の中心部分すなわち
送波器の中心軸上では約３８倍の変位が得られる。
【００１７】次にこの送波器を水槽にいれてハイパワー
で駆動し、音響放射面から１m 離れた点における音圧を
測定したところ、１５８０Ｈｚにおいて１９７ｄＢｒｅ
１μＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も３．３６か
なり低い値が得られた。指向性については、ほとんど無
指向性であった。
で駆動し、音響放射面から１m 離れた点における音圧を
測定したところ、１５８０Ｈｚにおいて１９７ｄＢｒｅ
１μＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も３．３６か
なり低い値が得られた。指向性については、ほとんど無
指向性であった。
【００１８】（実施例２）本発明の他の実施例を図１に
示す送波器構造のうち、圧電磁器リングを図３の扇形形
状結合型圧電磁器リングに置き換えたものを参照に説明
する。試作送波器において、アクティブ体圧電磁器リン
グ１０の外径を５００mmφ、内径を４５０mmφ、厚さを
３０mm、金属シェル１１の厚みを１０mmと設計した。次
に圧電磁器リング１０にはジルコンチタン酸鉛系圧電磁
器、金属シェル１１にはアルミニウム合金Ａ７０７５−
Ｔ６を適用し試作した。試作した送波器の空気中での共
振周波数は４７２Ｈｚである。圧電磁器リングの径方向
変位に対し、金属シェルの凹面部の中心部分すなわち送
波器の中心軸上では約４３倍の変位が得られる。
示す送波器構造のうち、圧電磁器リングを図３の扇形形
状結合型圧電磁器リングに置き換えたものを参照に説明
する。試作送波器において、アクティブ体圧電磁器リン
グ１０の外径を５００mmφ、内径を４５０mmφ、厚さを
３０mm、金属シェル１１の厚みを１０mmと設計した。次
に圧電磁器リング１０にはジルコンチタン酸鉛系圧電磁
器、金属シェル１１にはアルミニウム合金Ａ７０７５−
Ｔ６を適用し試作した。試作した送波器の空気中での共
振周波数は４７２Ｈｚである。圧電磁器リングの径方向
変位に対し、金属シェルの凹面部の中心部分すなわち送
波器の中心軸上では約４３倍の変位が得られる。
【００１９】次にこの送波器を水槽にいれてハイパワー
で駆動し、音響放射面から１m 離れた点における音圧を
測定したところ、４０２Ｈｚにおいて１９１ｄＢｒｅ１
μＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も２．７１かな
り低い値が得られた。指向性については、ほとんど無指
向性であった。
で駆動し、音響放射面から１m 離れた点における音圧を
測定したところ、４０２Ｈｚにおいて１９１ｄＢｒｅ１
μＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も２．７１かな
り低い値が得られた。指向性については、ほとんど無指
向性であった。
【００２０】
【発明の効果】以上のように本発明の送波器はこのよう
な方式をとることにより薄型・軽量で耐水圧性の優れた
低周波送波器として有効である。
な方式をとることにより薄型・軽量で耐水圧性の優れた
低周波送波器として有効である。
【図１】本発明の送波器の構造例を示す部分断面斜視図
である。
である。
【図２】本発明送波器の一部である圧電磁器リングの他
の例を示す部分断面斜視図である。
の例を示す部分断面斜視図である。
【図３】本発明送波器の一部である圧電磁器リングの他
の例を示す部分断面斜視図である。
の例を示す部分断面斜視図である。
【図４】従来の屈曲伸び送波器を示す断面図である。
【図５】従来の屈曲伸び送波器に用いられる楕円シェル
を示す断面図である。
を示す断面図である。
１０ アクティブ体圧電磁器リング １１ 凹面状金属シェル １２ 絶縁リング １３ ボルト ２０ アクティブ柱状体 ２１ 楕円シェル ３０ 積層型圧電磁器リング ３１ 電極 ４０ 扇形形状結合型圧電磁器リング
Claims (3)
- 【請求項１】アクティブ体である圧電磁器リングの上下
両面に、凹面状の金属シェルをはり合わせた構造よりな
ることを特徴とする低周波水中送波器。 - 【請求項２】複数の圧電磁器リングを積層してアクティ
ブ体を構成することを特徴とする請求項１記載の低周波
水中送波器。 - 【請求項３】複数の扇形形状の圧電磁器を結合して一つ
のリング状にアクティブ体を構成することを特徴とする
請求項１もしくは２に記載の低周波水中送波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005094A JPH07231496A (ja) | 1994-02-17 | 1994-02-17 | 低周波水中送波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005094A JPH07231496A (ja) | 1994-02-17 | 1994-02-17 | 低周波水中送波器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07231496A true JPH07231496A (ja) | 1995-08-29 |
Family
ID=12016243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005094A Pending JPH07231496A (ja) | 1994-02-17 | 1994-02-17 | 低周波水中送波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07231496A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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1994
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