JP2007329868A - 水中送波器及び水中送波方法 - Google Patents

水中送波器及び水中送波方法 Download PDF

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Abstract

【課題】屈曲振動する複数の円板状振動体を用いて水中に音波を放射する水中送波器において、圧力補償機構を設けることなく、深深度水圧下での使用を可能にする。
【解決手段】圧電磁器により形成されるアクティブ円板2と、このアクティブ円板2が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスク3とからなる円板状振動体1を複数備え、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器10であって、水の流入が許容される空間Sを介して、複数の円板状振動体1が中心軸方向に連接される。
【選択図】図6

Description

本発明は、水中に音波を放射する水中送波器及び水中送波方法に関し、特に、圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数用い、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器及び水中送波方法に関する。
水中における低周波の音波は、高周波の音波に比べて伝播損失が少なく、到達距離が長いため、音源ブイ、ソナーなどで利用されている。水中に低周波の音波を放射可能な水中送波器としては、円筒状振動体の内部における媒質(水柱)の共振を利用する水柱共振方式の水中送波器(例えば、特許文献1参照)や、円板状振動体の屈曲振動を利用する屈曲振動方式の水中送波器(例えば、特許文献2参照)が知られている。
特許文献1に示すような水柱共振方式を用いた低周波送波器は、深深度水圧下での使用に耐えるという利点があるものの、送信周波数をより低周波数化する場合、大きな収納容積(非使用時の最小容積)が必要になるという問題がある。
その理由は、円筒状振動体の内部における水柱の共振を利用して音波を放射する場合、その音響共振周波数は、
音響共振周波数F=α1・C/(L+α2・R)
(ここで、C:円筒内媒質の音速、L:円筒長さ、R:円筒半径、α1、α2:円筒形状の補正係数)
で表される寸法関数となり、より低周波数化するためには、円筒長さを長くするか、円筒半径を大きくする必要があるためである。
また、水柱共振方式の水中送波器では、使用する水深により送信周波数が変化してしまうという問題もある。
その理由は、円筒内媒質の音速が水深により変化するからであり、前段で示した音響共振周波数の式からも明らかである。
このような問題は、媒質圧力の増減に応じて伸縮する圧力補償器を設けることにより解消可能であるが、圧力補償器を設けると軸長が伸びるので、より大きな収納容積が必要になるという新たな問題が生じてしまう。
一方、特許文献2に示すような屈曲振動方式を用いた水中送波器は、振幅が大きい円板状振動体の屈曲振動を利用するので、小型でありながら低周波数化を実現でき、しかも、使用する水深に拘わらず送信周波数をほぼ一定に保つことができる。
以下、特許文献2に示される水中送波器について、図10及び図11を参照して説明する。
図11は、従来例に係る水中送波器の断面斜視図、図12は、従来例に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図である。
これらの図に示される水中送波器100は、屈曲振動方式を用いたものであり、圧電磁器により形成されるアクティブ円板101と、このアクティブ円板101が片面に取り付けられる屈曲自在なディスク102とからなる円板状振動体103を二つ備えている。二つの円板状振動体103は、アクティブ円板101が外側、ディスク102が内側となるように、Oリング104を介して向かい合わせに配置されるとともに、全体がモールド105により水密的に覆われている。
このように構成された水中送波器100によれば、二つの円板状振動体を同一周波数の駆動電圧により励起し、互に逆位相で屈曲振動させることにより、小型であっても、低周波の音波を高い音圧レベルで放射することが可能である。
特開平10−126877号 特許第2985509号
しかしながら、この特許文献2に示された水中送波器は、小型で低周波を実現できるものの、一定以上の深深度水圧下で使用することができないという問題がある。
その理由は、水中送波器の内部に空気層を有するため、使用できる水圧は円板状振動体の応力限界内となり、一定以上の水圧を超えると円板状振動体の応力破壊が生じるためである。
このような問題は、内部に圧力補償機構を設けることにより解消可能であるが、圧力補償機構を設けると、水中送波器自体が大型化するので、大きな収納容積が必要になるという新たな問題が生じてしまう。
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、屈曲振動する複数の円板状振動体を用いて水中に音波を放射するものでありながら、圧力補償機構を設けることなく、深深度水圧下での使用が可能な水中送波器及び水中送波方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため本発明の水中送波器は、圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数備え、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器であって、水の流入が許容される空間を介して、複数の前記円板状振動体が中心軸方向に連接される構成としてある。
このようにすると、屈曲振動する複数の円板状振動体を用いて水中に音波を放射するものでありながら、圧力補償機構を設けることなく、深深度水圧下での使用が可能になる。
その理由は、複数の円板状振動体が、水の流入が許容される空間を介して連接されており、内部に空気層を必要としないからである。これにより、圧力補償機構を設けなくても、水圧による円板状振動体の応力破壊が防止され、深深度水圧下での使用が可能になる。
また、本発明の水中送波器は、複数の前記円板状振動体を、中央の空間を介して二組に分けられるとともに、各組に含まれる複数の前記円板状振動体が、同一周波数の駆動電圧により励起され、互に逆位相で屈曲振動する構成とすることができる。
このようにすると、二つの円板状振動体を用いて水中に音波を放射する場合に比べ、放射される音波の音圧レベルを高め、その到達距離をより長くすることができる。特に、円板状振動体の屈曲振動による内部媒質の排除圧力が、回折効果により中心軸直交方向に集中するので、中心軸直交方向の音圧レベルが高められる。
また、本発明の水中送波器は、複数の前記円板状振動体を、前記ディスクの片面に前記アクティブ円板を取り付けたユニモルフ振動体からなり、前記アクティブ円板が外側、前記ディスクが内側となるように配置される構成とすることができる。
このようにすると、ディスクの両面にアクティブ円板が取り付けられたバイモルフ振動体を用いる場合に比べてコストダウンが図れ、また、駆動電圧の位相を反転させなくても、向かい合う円板状振動体を逆位相で屈曲振動させることができる。
また、本発明の水中送波器は、複数の前記円板状振動体を、それぞれ水密的にモールドで覆われる構成とすることができる。
このようにすると、円板状振動体を水や海水から保護し、絶縁不良や腐食による送信性能の低下を防止できる。
また、本発明の水中送波器は、複数の前記円板状振動体を、その外周部を固定支持する固定部材と、固定部材同士を繋ぐ可撓性の連接索とを介して連接される構成とすることができる。
このようにすると、非使用時においては、複数の円板状振動体を重ね合わせ状に収納することが可能になるので、必要な収納容積を小さくし、収納効率を高めることができる。
また、本発明の水中送波方法は、圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数用い、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波方法であって、水の流入が許容される空間を介して、複数の前記円板状振動体を中心軸方向に連接し、連接した複数の前記円板状振動体を、同一周波数の駆動電圧により励起し、屈曲振動させる方法としてある。
このようにすると、屈曲振動する複数の円板状振動体を用いて水中に音波を放射するものでありながら、複数の円板状振動体を、水の流入が許容される空間を介して連接したので、内部の空気層が不要になる。その結果、圧力補償機構を設けなくても、水圧による円板状振動体の応力破壊が防止され、深深度水圧下での使用が可能になる。
また、本発明の水中送波方法は、複数の前記円板状振動体を、中央の空間を介して二組に分けるとともに、各組に含まれる複数の前記円板状振動体を、同一周波数の駆動電圧により励起し、互に逆位相で屈曲振動させることができる。
このようにすると、二つの円板状振動体を用いて水中に音波を放射する場合に比べ、放射される音波の音圧レベルを高め、その到達距離をより長くすることができる。特に、円板状振動体の屈曲振動による内部媒質の排除圧力が、回折効果により中心軸直交方向に集中するので、中心軸直交方向の音圧レベルが高められる。
また、本発明の水中送波方法は、複数の前記円板状振動体を、前記ディスクの片面に前記アクティブ円板を取り付けたユニモルフ振動体とし、前記アクティブ円板が外側、前記ディスクが内側となるように配置することができる。
このようにすると、ディスクの両面にアクティブ円板が取り付けられたバイモルフ振動体を用いる場合に比べてコストダウンが図れ、また、駆動電圧の位相を反転させなくても、向かい合う円板状振動体を逆位相で屈曲振動させることができる。
また、本発明の水中送波方法は、複数の前記円板状振動体を、それぞれ水密的にモールドで覆うことができる。
このようにすると、円板状振動体を水や海水から保護し、絶縁不良や腐食による送信性能の低下を防止できる。
また、本発明の水中送波方法は、複数の前記円板状振動体を、その外周部を固定支持する固定部材と、固定部材同士を繋ぐ可撓性の連接索とを介して連接することができる。
このようにすると、非使用時においては、複数の円板状振動体を重ね合わせ状に収納することが可能になるので、必要な収納容積を小さくし、収納効率を高めることができる。
以上のように、本発明によれば、屈曲振動する複数の円板状振動体を用いて水中に音波を放射するものでありながら、複数の円板状振動体を、水の流入が許容される空間を介して連接したので、内部の空気層が不要になる。その結果、圧力補償機構を設けなくても、水圧による円板状振動体の応力破壊が防止され、深深度水圧下での使用が可能になる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
[円板状振動体]
図1は、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の部分断面斜視図、図2は、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の2次元軸対称振動モードを示す断面図、図3は、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の製造手順を示す概略斜視図、図4は、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の部分斜視図、図5は、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の他例を示す断面図である。
これらの図に示すように、本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体1は、圧電磁器により形成されるアクティブ円板2と、このアクティブ円板2が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスク3と、アクティブ円板2に接続されるケーブル4と、外周囲を覆うモールド5とからなり、このモールド5で内部が水密保護され、絶縁が確保される。
本実施形態の円板状振動体1は、ディスク3の片面にアクティブ円板2を取り付けたユニモルフ振動体であり、その寸法は、例えば、外径0.23λ、厚み0.03λとすることができる。
このように構成された円板状振動体1において、ケーブル4を介してアクティブ円板2に所定周波数の駆動電圧を印加すると、アクティブ円板2の径拡がり振動が発生する。ここで、アクティブ円板2と一体的に積層されるディスク3は、能動的には振動せず、アクティブ円板2の径拡がり振動に応じて、受動的に屈曲する。これにより、円板状振動体1においては、図2に示すような屈曲振動モードが励起される。このとき、円板状振動体1からは、中心軸方向へ音圧が放射されるが、円板状振動体1の表裏における音圧は正負逆向きであるため、一つの円板状振動体1だけでは、中心軸直交方向へ高いレベルの音圧は放射されない。
上記のような円板状振動体1は、図3及び図4に示す手順で製造することができ、始めに、アクティブ円板2とディスク3をエポキシ系接着剤などにより積層状に接着する。つぎに、アクティブ円板2の電極に対してケーブル4のリード4a、4bを半田付けにより取り付ける。このとき、アクティブ円板2の表面側を+極(リード4a)、裏面側(接着面側)を−極(リード4b)とする。−極はアクティブ円板2の側面に電極を一部引き出しておいてもよいし、ディスク3に一部切欠きを設けて露出させてもよい。その後、アクティブ円板2及びディスク3の外周囲にモールド5を施すと、ユニモルフ振動体からなる本実施形態の円板状振動体1が得られる。
なお、本実施形態の円板状振動体1は、ディスク3の片面にアクティブ円板2を取り付けたユニモルフ振動体であるが、図5に示すように、ディスク3の両面にアクティブ円板2を取り付けたバイモルフ振動体(円板状振動体1B)としてもよい。この場合においては、ほぼ同様の手順で円板状振動体1Bを製造することができる。
[水中送波器(水中送波方法)]
図6の(a)は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の断面図、(b)は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図、図7は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の音圧分布図、図8は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の音圧周波数特性図である。
これらの図に示すように、本発明の第一実施形態に係る水中送波器10は、上記の円板状振動体1を複数備え、その屈曲振動により水中に音波を放射するにあたり、複数の円板状振動体1を、水の流入が許容される空間Sを介して、中心軸方向に連接して構成されている。
このようにすると、屈曲振動する複数の円板状振動体1を用いて水中に音波を放射するものであっても、圧力補償機構を設けることなく、深深度水圧下での使用が可能になる。つまり、複数の円板状振動体1が、水の流入が許容される空間Sを介して連接されることにより、内部の空気層が不要になるので、圧力補償機構を設けなくても、水圧による円板状振動体1の応力破壊が防止され、深深度水圧下での使用が可能になる。
また、本実施形態の水中送波器10は、複数の円板状振動体1が、中央の空間Sを介して二組に分けられるとともに、各組に含まれる複数の円板状振動体1が、同一周波数の駆動電圧により励起され、互に逆位相で屈曲振動するように構成されている(図6の(b)に示される振動モード参照)。具体的には、λの間隔からなる中央の空間Sを介して対向する二つの内側円板状振動体1と、各内側円板状振動体1の外側に、0.5λの間隔からなる空間Sを介して並列する二つの外側円板状振動体1とを備えて構成されている。
このようにすると、二つの円板状振動体1を用いて水中に音波を放射する場合に比べ、放射される音波の音圧レベルを高め、その到達距離をより長くすることができる。特に、円板状振動体1の屈曲振動による内部媒質の排除圧力が、回折効果により中心軸直交方向に集中するので、中心軸直交方向の音圧レベルが高められる。これは、図7に示す2次元軸対称系の音圧分布図からも明らかである。
また、本実施形態の円板状振動体1によれば、図8の音圧周波数特性図に示すように、使用深度が変化しても、水柱共振方式の水中送波器のように送信周波数の変化は起こらず、一定の送信周波数で一定以上の音圧レベルを維持することができる。
また、本実施形態の水中送波器10では、複数の円板状振動体1を、ディスク3の片面にアクティブ円板2が取り付けられたユニモルフ振動体とし、アクティブ円板2が外側、ディスク3が内側となるように配置している。
このようにすると、ディスク3の両面にアクティブ円板2が取り付けられたバイモルフ振動体を用いる場合に比べてコストダウンが図れ、また、駆動電圧の位相を反転させなくても、向かい合う円板状振動体1を逆位相で屈曲振動させることができる。
上記のような水中送波器10を構成する場合は、複数の円板状振動体1を、その外周部を固定支持する固定部材11と、固定部材11同士を繋ぐ可撓性の連接索12とを介して連接することが好ましい。
このようにすると、非使用時においては、複数の円板状振動体1を重ね合わせ状に収納することが可能になるので、必要な収納容積を小さくし、収納効率を高めることができる。
例えば、水柱共振方式を用いて同等外径で同等周波数での音圧レベルを実現させる場合、高さ寸法は0.28λ必要となる。これに対して本実施形態では、0.03λと薄い円板状振動体1を4つ備えることで実現するため、収納時の高さ寸法は0.12λとなり、収納効率が約60%改善されることになる。
以上のように構成された第一実施形態によれば、圧電磁器により形成されるアクティブ円板2と、このアクティブ円板2が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスク3とからなる円板状振動体1を複数備え、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器10であって、水の流入が許容される空間Sを介して、複数の円板状振動体1が中心軸方向に連接されるので、屈曲振動方式でありながら、圧力補償機構を設けることなく、深深度水圧下での使用が可能になる。
また、第一実施形態の水中送波器10では、複数の円板状振動体1が、中央の空間Sを介して二組に分けられるとともに、各組に含まれる複数の円板状振動体1が、同一周波数の駆動電圧により励起され、互に逆位相で屈曲振動するように構成されているので、二つの円板状振動体1を用いて水中に音波を放射する場合に比べ、放射される音波の音圧レベルを高め、その到達距離をより長くすることができる。特に、円板状振動体1の屈曲振動による内部媒質の排除圧力が、回折効果により中心軸直交方向に集中するので、中心軸直交方向の音圧レベルが高められる。
また、第一実施形態の水中送波器10では、複数の円板状振動体1が、ディスク3の片面にアクティブ円板2を取り付けたユニモルフ振動体からなり、アクティブ円板2が外側、ディスク3が内側となるように配置されているので、ディスク3の両面にアクティブ円板2が取り付けられたバイモルフ振動体を用いる場合に比べてコストダウンが図れ、また、駆動電圧の位相を反転させなくても、向かい合う円板状振動体1を逆位相で屈曲振動させることができる。
また、第一実施形態の水中送波器10では、複数の円板状振動体1が、それぞれ水密的にモールド5で覆われているので、円板状振動体1を水や海水から保護し、絶縁不良や腐食による送信性能の低下を防止できる。
また、第一実施形態の水中送波器10では、複数の円板状振動体1が、その外周部を固定支持する固定部材11と、固定部材11同士を繋ぐ可撓性の連接索12とを介して連接されるので、非使用時においては、複数の円板状振動体1を重ね合わせ状に収納することが可能になり、その結果、必要な収納容積を小さくし、収納効率を高めることができる。
[第二実施形態]
つぎに、本発明の第二実施形態に係る水中送波器20について、図9及び図10を参照して説明する。
ただし、第一実施形態と共通の構成については、第一実施形態と同じ符号を付け、第一実施形態の説明を援用する。
図9の(a)は、本発明の第二実施形態に係る水中送波器の断面図、(b)は、本発明の第二実施形態に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図、図10は、本発明の第二実施形態に係る水中送波器の音圧分布図である。
これらの図に示すように、第二実施形態の水中送波器20は、二つの円板状振動体1を用いて構成される点が第一実施形態と相違している。
具体的には、ユニモルフ振動体からなる二つの円板状振動体1を、アクティブ円板2が外側、ディスク3が内側となるように、水の流入が許容される空間Sをを介して、中心軸方向に連接して構成されている。このとき、二つの円板状振動体1は、第一実施形態と同様、固定部材11及び連接索12により所定間隔(例えば、λの間隔)を介して並べられる。
上記のように構成された第二実施形態の水中送波器20では、二つの円板状振動体1に同一周波数の駆動電圧を印加すると、図9の(b)に示すように、向かい合う二つの円板状振動体1が逆位相で屈曲振動し、水中に音波を放射することになる。この屈曲振動により発生される音圧は、図10に示すように、中心軸方向に高い値を示すが、二つの円板状振動体1では、内部媒質の排除圧力を中心軸直交方向に集中させることができないため、中心軸直交方向の音圧は、第一実施形態に比べて低くなっていることがわかる。
以上、本発明について、二つの実施形態を例示して説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲から逸脱しない範囲で適宜変更できることは言うまでもない。
例えば、前記実施形態では、円板状振動体としてユニモルフ振動体を示したが、バイモルフ振動体であってもよい。また、ユニモルフ振動体を用いるにあたり、前記実施形態では、アクティブ円板が外側を向くように配置したが、アクティブ円板が内側を向くように配置しても実現可能となる。
本発明は、水中に音波を放射する音源ブイ、ソナーなどの水中送波器及び水中送波方法に適用でき、特に、圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数用い、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器及び水中送波方法において有用である。
本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の部分断面斜視図である。 本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の2次元軸対称振動モードを示す断面図である。 本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の製造手順を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の部分斜視図である。 本発明の実施形態に係る水中送波器に用いられる円板状振動体の他例を示す断面図である。 (a)は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の断面図、(b)は、本発明の第一実施形態に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る水中送波器の音圧分布図である。 本発明の第一実施形態に係る水中送波器の音圧周波数特性図である。 (a)は、本発明の第二実施形態に係る水中送波器の断面図、(b)は、本発明の第二実施形態に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る水中送波器の音圧分布図である。 従来例に係る水中送波器の断面斜視図である。 従来例に係る水中送波器の2次元軸対称振動モードを示す断面図である。
符号の説明
1 円板状振動体
2 アクティブ円板
3 ディスク
4 ケーブル
5 モールド
10 水中送波器
11 固定部材
12 連接索
20 水中送波器
S 空間

Claims (10)

  1. 圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数備え、この円板状振動体の屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波器であって、
    水の流入が許容される空間を介して、複数の前記円板状振動体が中心軸方向に連接されることを特徴とする水中送波器。
  2. 複数の前記円板状振動体が、中央の空間を介して二組に分けられるとともに、各組に含まれる複数の前記円板状振動体が、同一周波数の駆動電圧により励起され、互に逆位相で屈曲振動する請求項1記載の水中送波器。
  3. 複数の前記円板状振動体が、前記ディスクの片面に前記アクティブ円板を取り付けたユニモルフ振動体からなり、前記アクティブ円板が外側、前記ディスクが内側となるように配置される請求項1又は2記載の水中送波器。
  4. 複数の前記円板状振動体が、それぞれ水密的にモールドで覆われる請求項1〜3のいずれかに記載の水中送波器。
  5. 複数の前記円板状振動体が、その外周部を固定支持する固定部材と、固定部材同士を繋ぐ可撓性の連接索とを介して連接される請求項1〜4のいずれかに記載の水中送波器。
  6. 圧電磁器により形成されるアクティブ円板と、このアクティブ円板が片面又は両面に取り付けられる屈曲自在なディスクとからなる円板状振動体を複数用い、その屈曲振動により水中に音波を放射する水中送波方法であって、
    水の流入が許容される空間を介して、複数の前記円板状振動体を中心軸方向に連接し、
    連接した複数の前記円板状振動体を、同一周波数の駆動電圧により励起し、屈曲振動させる
    ことを特徴とする水中送波方法。
  7. 複数の前記円板状振動体を、中央の空間を介して二組に分けるとともに、各組に含まれる複数の前記円板状振動体を、同一周波数の駆動電圧により励起し、互に逆位相で屈曲振動させる請求項6記載の水中送波方法。
  8. 複数の前記円板状振動体を、前記ディスクの片面に前記アクティブ円板を取り付けたユニモルフ振動体とし、前記アクティブ円板が外側、前記ディスクが内側となるように配置する請求項6又は7記載の水中送波方法。
  9. 複数の前記円板状振動体を、それぞれ水密的にモールドで覆う請求項6〜8のいずれかに記載の水中送波方法。
  10. 複数の前記円板状振動体を、その外周部を固定支持する固定部材と、固定部材同士を繋ぐ可撓性の連接索とを介して連接する請求項6〜9のいずれかに記載の水中送波方法。
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