JP2002044787A - 広帯域送受波器 - Google Patents
広帯域送受波器Info
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Abstract
の増加を必要としない、整合層を1層設けた基本的な構
成の電気音響変換素子を組み合わせてた広帯域送受波器
を得る。 【解決手段】 圧電振動子21に1層の整合層22a、
22bを付与した電気音響変換素子を複数個、配列して
構成した素子配列型の広帯域送受波器において、前記整
合層22a、22bとして音波伝搬方向の長さが各整合
層中の音波伝搬波長λに対して異なる比率である、2種
類以上の整合層を使用し、各整合層22a、22bの長
さは、送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とに
より定まる音波伝搬波長λの1/10以上から4/10
以下の範囲の間の長さとする広帯域送受波器とする。
Description
や深度の海洋探知での使用に好適な広帯域送受波器であ
って、特に、圧電振動子を用いた電気音響変換素子を複
数個、配列して構成される素子配列型の広帯域送受波器
に関するものである。
知での分野での、送受波器については、音響測定精度の
向上のため、使用周波数の高周波数化による水中音波の
短波長化、あるいは信号応答性の改善を図るための広帯
域化等の技術が提案されてきた。特に、送受波器の広帯
域化の技術に関しては、整合層の使用により、かなりの
成果が上がっていた。
用される整合層は、整合層材料の音響インピーダンス密
度に着目し、電気信号と音響信号の変換を行う圧電振動
子と水中超音波送受波器における音波伝搬媒体である水
の各々の音響インピーダンス密度の幾何平均値を目標と
して種々の材料から選択される。
周波数における整合層中の音波伝搬波長λの1/4と
し、圧電振動子の音響放射面に接着等の方法により、音
波の伝搬方向と整合層の長さ方向が一致するように取り
付けられる。
を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の上
面及び側面から見た断面図である。図5(a)は、送受波
器の正面図であり、図5(b)は、図5(a)でのBB断面
図である。
器の広帯域化においては、図5(a)に示すように、1個
の圧電振動子1aの音響放射面に整合層2aを1層設け
た電気音響変換素子を使用する構成が基本の形である。
整合層2aを1層設けて得られる帯域幅では充分でない
場合には、図6に示すように、2層目の整合層2bある
いは3層目の整合層2cを、新たに設けて、多重整合層
の構成をとることで、より一層の広帯域化を図ってい
た。
波器において、圧電振動子1bに整合層2dを1層設け
た電気音響変換素子を複数個、配列することで充分な帯
域幅が得られなければ、図7に示す送受波器の場合と同
様に、図8に示すように、2層目の整合層2eあるいは
3層目の整合層2fを設けて多重整合層化することによ
り対処するのが一般的であった。
器は、図9に示すような音響放射面形状の電気音響変換
素子1個で構成する送受波器を、細分化した電気音響変
換素子を16個配列して音響放射面の形状や外径寸法が
等しくなるように構成し直したものである。
々同一の特性を持つものであるから、素子配列した送受
波器の共振特性は、図9の電気音響変換素子1個の送受
波器と同様に、圧電振動子の使用周波数における単一共
振が整合層1個の付与により1次及び2次の2つの共振
点を持つ2重共振特性へと変化したものであり、電気音
響変換素子を複数個、配列しても共振点がさらに増える
ことはない。
ては、以下の問題点があった。即ち、図7のように、多
重整合層を設けた電気音響変換素子を複数個配列する構
造の送受波器とする場合、各電気音響変換素子は1個の
圧電振動子に接着等の方法で2層以上の整合層を取り付
けていくことで形成されるため、整合層の各層間のずれ
の防止や接着剤層の厚さの管理等が必要になる等、組立
の煩雑化を招き、圧電振動子や整合層間の境界となる接
着剤層の増加に伴い特性のばらつきが顕著化する等の問
題があった。
音響インピーダンス密度の異なる材料を使用するが、各
整合層の音波伝搬方向の長さ寸法は、それぞれの材料に
おける音波伝搬波長λの1/4とすることが通例で、整
合層を1層だけ設けた構成の電気音響変換 素子に対し
て長さ寸法が増大するために、結果として、送受波器の
寸法も大きくせざるを得ないという問題もあった。
中超音波送受波器において、従来、1層の整合層を設け
ることで得られていた広帯域化の効果に対し、多重整合
層という電気音響変換素子の構造の複雑化や長さ寸法の
増加を必要とせずに、整合層を1層設けた基本的な構成
の電気音響変換素子を組み合わせて使用することで、よ
り広帯域化を達成した広帯域送受波器を提供することで
ある。
1層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個、配列
して構成される素子配列型の水中超音波送受波器におい
て、前記整合層として音波伝搬方向の長さが各整合層中
の音波伝搬波長λに対して異なる比率である2種類以上
の整合層を使用し、各整合層の長さを送受波器の使用周
波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる整合層中の音
波伝搬波長λの1/10から4/10の間の値とするこ
とを特徴とする。
方向の寸法が異なる複数種類の整合層を一つの仕様の圧
電振動子に付与することで、共振特性のずれた複数の電
気音響変換素子が得られ、それらを組み合わせて素子配
列を構成することにより感度特性のずれた電気音響変換
素子群の特性を合成した感度特性を有する送受波器を得
ることができる。
層を付与した電気音響変換素子を複数個、配列して構成
した素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層
の音波伝搬方向の長さが、各整合層中の音波伝搬波長λ
に対して、異なる比率である2種類以上の整合層を使用
し、各整合層の長さは、送受波器の使用周波数と材料の
音波伝搬速度とにより定まる音波伝搬波長λの1/10
以上から4/10以下の範囲の間の長さとする広帯域送
受波器である。
て、以下に説明する。
を示す。図1(a)は、正面図を示し、図1(b)は、
図1(a)でのAA断面図を示す。
型の送受波器で圧電振動子に1層の整合層を設けた電気
音響変換素子を複数個、配列する場合は、1種類の材料
から同一の寸法に作られた整合層を各圧電振動子に接着
等で付与するため、各々の電気音響変換素子は、同一の
特性を持つものであった。
ように、圧電振動子1個で電気音響変換素子を構成する
送受波器に対して、指向性の操作や振動子の外径寸法比
に起因する結合振動の発生回避を達成するために、音響
放射面を細分化した形状の電気音響変換素子を複数個、
配列する形で置き換えることを当初の目的として構成さ
れたためである。
図9に示すような音響放射面形状の電気音響変換素子1
個で構成する送受波器を、細分化した電気音響変換素子
を16個配列して音響放射面の形状や外径寸法が等しく
なるように構成し直したものと言える。
々同一特性を持つものであるから、素子配列した送受波
器の共振特性は、図9の電気音響変換素子1個の送受波
器と同様に、圧電振動子の使用周波数における単一共振
が整合層1個の付与により1次及び2次の2つの共振点
を持つ2重共振特性へと変化したものであり、電気音響
変換素子を複数個配列しても共振点がさらに増えること
はない。
は、長さの異なる複数の整合層を使用することで、2重
共振特性の共振点がずれた電気音響変換素子が複数得ら
れ、これらを組み合わせることで3個以上の共振点を持
つ広帯域送受波器を構成している。
の材料について特性が評価されているが、主に材料の音
響インピーダンス密度特性に着目して圧電振動子と広帯
域送受波器における音波伝搬媒体である水の各々の音響
インピーダンス密度の幾何平均値に近い特性値を持つ材
料が整合層材料として優先的に選択されている。これ
は、圧電振動子と音波伝搬媒体である水との間のインピ
ーダンスマッチングを考慮しているためである。
伝搬方向の長さ寸法を定める必要があるが、選択した材
料の使用周波数における音波伝搬波長λに対し、整合層
としての音波伝搬方向の長さ寸法LをL=λ/4となる
ように設定するのが通例であった。本発明では、整合層
の音波伝搬方向の長さ寸法を使用周波数における整合層
中の音波伝搬波長λの1/4として一様な整合層を使用
する従来の方法に対して、意識的に長さ寸法の異なる整
合層を複数使用するものである。
動子に1層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数
個、配列して構成した素子配列型の広帯域送受波器にお
いて、前記整合層として音波伝搬方向の長さが各整合層
中の音波伝搬波長λに対して異なる比率である、2種類
以上の整合層を使用し、各整合層の長さは、送受波器の
使用周波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる音波伝
搬波長λの1/10以上から4/10以下の範囲の間の
長さとする広帯域送受波器である。
の1/10未満であると、整合層での超音波の透過率が
極端に低下し、また寸法上も、厚みが薄くなり、送受波
器の性能が著しく低下する。また、整合層の長さが、音
波伝搬波長λの4/10を超えると、超音波の透過率が
極端に低下し、送受波器の性能が著しく低下する。従っ
て、整合層の長さを、音波伝搬波長λの1/10以上か
ら4/10以下の範囲とするものである。
て、以下に説明する。
料として、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板を使用して
いる。図3は、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板におけ
る音波伝搬方向と、同樹脂板から得る整合層の音波伝搬
方向と長さ方向の関係を示した図である。ここで、ガラ
ス布基材エポキシ樹脂積層板22は、積層構造となって
いる。
種類で、いずれもガラス布基材エポキシ樹脂積層板22
から加工したものであり、同一の素材から長さ方向寸法
のみ異なる整合層を加工して組合せた場合について説明
している。
板22の繊維に沿った方向を整合層の音波伝搬方向とし
て、1種類は整合層中の音波伝搬波長λの1/5の長さ
とし、もう1種類は波長λの3/10の長さとして2種
類の整合層を加工した。この整合層を長さ方向に周波数
70kHzで共振する圧電振動子21に接着により付与
して、1層の整合層を有する電気音響変換素子23a、
23bの2種類を得ている。
料特性としては、密度ρ=1.9×103(kg/cm
3)、繊維に沿った方向の音波伝搬速度C=3150
(m/sec)あることから、角柱状の圧電振動子21
の使用周波数70kHzに対して整合層の音波伝搬方向
の長さ寸法は、音波伝搬波長λの1/5で約La=9.
0(mm)、音波伝搬波長λの3/10で約Lb=1
3.5(mm)となる。
振動子と前記2種類の整合層22a、22bを接着し
て、図4に示す電気音響変換素子23a、23bを得
る。併せて、図4には、電気音響変換素子23aのイン
ピーダンス周波数特性24a、電気音響変換素子23b
のインピーダンス周波数特性24bを示す。長さ寸法の
大きい整合層22aを設けた電気音響変換素子23aの
共振点は、長さ寸法の小さい整合層22bを設けた電気
音響変換素子23bの共振点に対して、約10kHz低
周波側へシフトする。
を組み合わせれば、インピーダンス特性に4つの共振点
を持つ送受波器が得られる。これに対して、整合層が1
種類である従来の送受波器構成では、例えば電気音響変
換素子23aだけを配列したものに等しいことから、イ
ンピーダンス周波数特性24aと同様に、2つの共振点
を持つ特性となる。
子23a、23bを各々8個使用して、4列×4列の配
列を構成し、素子間及び素子配列の周囲にコルク25を
接着して素子の位置決めと周囲からの遮音処置を行い、
信号ケーブル26と接続後にポリウレタンゴムモールド
27により全体をモールドして水密性を持たせ、図1に
示す素子配列型の水中超音波送受波器を製作した。
素子23a、23bの配置は、図1に示すように、それ
ぞれが交互に配置されるようにしてある。このようにし
て得た超音波送受波器の感度特性は、図2の本発明の送
受波器の周波数特性の送波感度周波数特性28、受波感
度周波数特性30に示すようになる。
波器に実施例で用いた整合層と同じ材質で、音波伝搬方
向の長さ寸法を音波伝搬波長λの1/4とした整合層だ
けを使用した場合の送波感度周波数特性29、受波感度
周波数特性31を併せて示した。従来の構成で得られる
送受波器の感度特性に対して、本発明の実施例では、低
周波側及び高周波側に帯域が広がった感度特性が得られ
ている。
変換素子23a、23bの感度特性が、従来の長さ寸法
を整合層中の音波伝搬波長λの1/4とした整合層を設
けた電気音響変換素子の感度特性に対して、それぞれ高
周波側、低周波側にシフトした特性を示しており、帯域
のずれた感度特性を重畳させることにより、低周波側・
高周波側へそれぞれ帯域を拡げ、また帯域内の感度変化
を抑制することで、送受波器としてより広帯域化の効果
が得られるものである。
を付与した場合に対して、さらに広帯域化を図るための
多重整合層化という手法は、整合層を多層設けること
で、圧電振動子を多重共振させ、共振周波数近傍での感
度特性の持ち上がりを連続的に繋げ、なおかつ、帯域内
の感度変化を抑制ることで広帯域化を達成する方法であ
った。
気変換音響素子をいくつかの群に分けてそれぞれの素子
群に共振特性のずれを与え、これらの素子群を組み合わ
せて素子配列を形成したときに、1つの送受波器として
複数の共振周波数を持つことを可能にし、多重整合層に
よる圧電振動子の多重共振化の場合と同様の効果を近似
的に得られるように構成したものである。
整合層を付与した時のような複雑な特性推定計算は不要
であり、1層の整合層を付与した時の特性推定を複数行
い、これらの特性の組合せから、素子配列を行った後の
送受波器としての感度特性が比較的容易に推定できる。
樹脂積層板を整合層として使用し、整合層の音波伝搬方
向の長さ寸法の異なる整合層を加工し、圧電振動子に付
与して特性の異なる2種類の電気音響変換素子を得るこ
とで、同一の整合層1種類のみ使用する場合に対して、
広帯域化の効果が大きく得られることを示したが、本発
明は、整合層の材料としてガラス布基材エポキシ樹脂積
層板のみ規定するものではなく、他の組成が均一である
一般の樹脂材料であっても、同様の効果が得られる。
する材料の特性と整合層の寸法設定に依存するもので、
本実施例と異なる材料を使用した場合でも、本実施例と
全く同じ程度の効果が得られることを保証するものでは
ない。
ら複数種類の整合層を得る方法であれば、複数の材料に
ついて特性を調査して材料同士の組合せを考える作業を
省略することができる。
の樹脂材料を組み合わせて使用することでも問題なく、
本発明のような効果を得ることができる。ただし、この
場合、各整合層の長さをそれぞれの樹脂材料中の音波伝
搬波長λに対して1/10から4/10の間で異なる比
率となるように設定しても、使用する各材料の音波伝搬
速度によって整合層の長さ寸法が等しくなる場合もあり
得るが、問題はない。
樹脂材料中の音波伝搬波長λの1/4から意識的にずら
しているが、整合層の長さ寸法として音波伝搬波長λの
1/4となる設定を組合せの中に含めることは何の問題
もない。
も単純な形態である1層の整合層を設けた電気音響変換
素子を配列する方式の送受波器であって、音波伝搬波長
に対する整合層の長さ寸法の設定が異なる複数の整合層
を使用するという簡単な方法で、より広帯域化の成され
た広帯域送受波器を提供できる。
説明図。図1(a)は正面図、図1(b)は、図1
(a)でのAA断面図。
よる広帯域送受波器の感度特性を示すグラフ。図2
(a)は、送波電力感度と周波数との関係を示す図、図
2(b)は、受波電力感度と周波数との関係を示す図。
伝搬方向と、同樹脂板から得る整合層の音波伝搬方向と
長さ方向の関係を示す図。
響変換素子の外観図と特性の説明図。図4(a)は、整
合層の長さをLaとした場合の電気音響変換素子の外観
図、図4(b)は、整合層の長さをLbとした場合の電
気音響変換素子の外観図、図4(c)は、図4(a)と
図4(b)に示したそれぞれの電気音響変換素子のイン
ピーダンス特性を示す図。
音響変換素子を用いた従来の送受波器の上面及び側面か
ら見た断面図。図5(a)は、送受波器の正面図、図5
(b)は、図5(a)でのBB断面図。
響変換素子を用いた従来の送受波器の側面から見た断面
図。
音響変換素子を複数個配列した従来の素子配列型の送受
波器の上面及び側面から見た断面図。図7(a)は、送
受波器の正面図、図7(b)は、図7(a)でのCC断
面図。
て多重整合層化した電気音響変換素子を用いた従来の送
受波器の断面図。
音響変換素子を用いた従来の送受波器で、図8と音響放
射面の形状寸法が等しい構成とした送受波器の上面及び
側面から見た断面図。図9(a)は、送受波器の正面
図、図9(b)は、図9(a)でのDD断面図。
Claims (1)
- 【請求項1】 圧電振動子に1層の整合層を付与した電
気音響変換素子を複数個配列して構成した素子配列型の
広帯域送受波器において、前記整合層の音波伝搬方向の
長さが、各整合層中の音波伝搬波長λに対して、異なる
比率である2種類以上の整合層を使用し、各整合層の長
さは、送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とに
より定まる音波伝搬波長λの1/10以上から4/10
以下の範囲の間の長さとすることを特徴とする広帯域送
受波器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000225069A JP4291500B2 (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 広帯域送受波器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Family
ID=18718906
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000225069A Expired - Lifetime JP4291500B2 (ja) | 2000-07-26 | 2000-07-26 | 広帯域送受波器 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP4291500B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009175119A (ja) * | 2007-12-26 | 2009-08-06 | Denso Corp | 超音波センサ |
JP2018074462A (ja) * | 2016-11-01 | 2018-05-10 | 株式会社トーキン | 超音波トランスデューサ |
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---|---|---|---|---|
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-
2000
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009175119A (ja) * | 2007-12-26 | 2009-08-06 | Denso Corp | 超音波センサ |
JP4555361B2 (ja) * | 2007-12-26 | 2010-09-29 | 株式会社デンソー | 超音波センサ |
JP2018074462A (ja) * | 2016-11-01 | 2018-05-10 | 株式会社トーキン | 超音波トランスデューサ |
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