JPS62258598A - 水中超音波トランスジユ−サ - 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】 （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ュ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ューサの中で、特に広帯域
でかつ高効率特性を有するトランスジューサとして、第
７図に示すような圧電セラミック変換子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ューサが知られている（
アイ・イー・イー・プロシーデインダス（ＩＥＥＥ　Ｐ
ＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ、　Ｖｏｌ、１３１゜ＰａｒｔＦ
、　Ｎｏ、３．　Ｊｕｎｅ　１９８４））。この整合板
７２は圧電セラミッ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、３．２Ｘ１０６〜４．
５　ｘ　１０６ＭＫＳＲａｙｌｓ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ューサ
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ック振動子との
接着は専らエポキシ系接着剤にたよらざるを得す、この
ためハイパワー送波時に音響整合板がセラミック振動子
から剥離する恐れがあった。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、これが原因となって過渡波形の歪み及び音
響放射パワーの入力電力に対するリニアリティの劣化を
生ずるという問題があった。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った。従って、このようなトラン
スジュ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（例えばパラメトリックアレイ）には不向きな
ものであった。

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ューサを実現
することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明に従った水中超音波トランスジューサは、２分の
１波長共振ボルト締めランジュバン振動子と前記ボルト
締めランジュ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ュバン振動子と
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ューサである。

（作用） 本発明のハイパワー水中超音波トランスジューサの代表
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ック振動子、１２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ューサの場合、金属マス１
３部分にネジ溝が切ってあり、金属マス１２゜１３及び
ボルト１４、ナツト、１７でもって、圧電セラミック振
動子１１の部分に静的な応力バイアスを加えることがで
きるようなっている。周知の如く、圧電セラミックは張
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ュ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ュバン振動子は、２分の１波長共
振モードで動作する。また、１５はＡ１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、１６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、本トランスジューサは
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
ランスジュ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ューサの振
動モードを第１図（ｂ）に示す。本トランスジューサは
共振周波数がｆｌとｆ２という二つの共振モードが存在
する。共振周波数がｆｌからｆ２までの間・が本トラン
スジューサの動作領域となる。本トランスジューサの場
合、縦結合子１６を太くすることによりｆｌとｆ２の間
隔が広がり、それだけ広帯域化が達成できる。従ってト
ランスジュ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
っており、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ュ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
、Ａ１合金、ＣＦＲＰ（炭素４Ｊ＆維強化プラスチック
）あるいはＦＲＭ（ファイバー強化金属）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ュ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は縦効果のセラミック振動子を石いた場合
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はそれぞれランジュバン振動子の等
酒質量、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−棒であればｎ＝１、不拘−棒（例えばエクス
ボネルシャルホーン）であればｎ４１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。本トランスジューサにおいて、縦結合
子をはさんで左右の共振子の等価質量及び共振周波数の
等しいトランスジューサは勿論のこと非対称な動作パラ
メータ法あるいは変成器フィルタ理論を駆使して、ボル
ト締めランジュバン振動子と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
トランスジュ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ューサでは、構成
要素はすべて圧電セラミッ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
きトランスジュ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ュ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
ミッ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はネジ溝が切ってあり、ナツト１７
、ボルト１４とともに圧電セラミッ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Ａ１合金
製、１５ｂも同じ＜Ａ１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
帯域トランスジュ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。

１５ｃは音響放射面として動作し、丁度１５ｂ部の空洞
部分に蓋をした恰好となっている。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、音響放射面が撓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、１５ｂ、１５ｃ、１６ｂ及び１４部分はＡ
１合金製で一体化されている。尚、本実施例のトランス
ジュ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ューサはＡ１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２００ｄＢ　ｒｅｌｐＰａ以上のハイパワー送
波を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ューサの他の一実施例を第５
図に示す。ボルト締めランジュバン振動子の構成要素１
１，１２，１３．１７は実施例１のトランスジューサの
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部と同様に空洞が
形成されており、振動の腹に近い部分において、ボルト
１９によって１５ｄ部にしっかりと固定されている。

また１５ｆは１５ｃ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板で撓み振動の音響放射
面を形成している。本実施例２にお〜１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テハ
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のトランスジューサでは、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ューサが実
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ューサの他の一実施例を第６
図に示す。ボルト締めランジュ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Ａ１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ュ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ューサが構成
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ュー
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
ンスジュ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ューサの等価回路図、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ュ
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
ジューサを示す図。 図において、１１は圧電セラミック振動子、１２゜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、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１
５ｆ、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
ック振動子、７２は音響整合層を示す。 第３図 第４図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　２分の１波長共振ボルト締めランジュバン振動子とこ
   のボルト締めランジュ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
   超音波トランスジューサ。