JP2024070453A - 送受波装置および送受波方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、可及的に軸対称に近似した指向特定の送受波装置を提供することを目的とする。【解決手段】この送受波装置は、一の軸線に沿って伸長、収縮を繰り返す複数の送受波素子１と、該複数の送受波素子１を囲んで設けられ、その中心軸に対して軸対称または回転対称性を有する形状をなす伸縮リング２とを備え、前記伸縮リング２は、空洞を有し、前記複数の駆動素子１の駆動によって、軸対称または回転対称な形状へ変形しながら振動する。【選択図】図１

Description

本発明は、送受波装置および送受波方法に関する。

水中探査に用いられるソーナーの探知能力向上のため、ソーナーの送受波器の広帯域化が求められている。また、ソーナーのディッピングや曳航を可能とするため、送受波器の小型軽量化が求められている。
本発明に関連する特許文献１には、水中での使用に好適で小型軽量な広帯域送受波素子として、フロントマスに屈曲振動構造を備えたランジュバン型振動子についての言及がある。この広帯域送受波素子の概要を図１０および１１に示す。この広帯域送受波素子は、図１０に示すように、音響媒質（例えば水）と接する振動板を有するフロントマス１３、圧電素子１１、該圧電素子１１を電源と接続する電極、リアマス１２、およびリアマス１２とフロントマス１３とを結合するボルト１４とナット１７とで構成される。このように構成された振動子によれば、縦振動モードと、フロントマス１３の屈曲振動構造の屈曲振動モードの重畳により広帯域の送受波を実現することができる。また、この振動に際し、縦振動の共振周波数よりも屈曲振動の共振周波数が高くなるよう設計されている。（なお上記の説明にあっては、便宜上、各部材に特許文献１と共通の符号を付した。）

この特許文献１に記載の広帯域送受波素子により送受される音波は、所定方向への指向性を持つため、ある軸に対して軸対称の指向性（無指向性）の広帯域送受波器を実現しようとすると、図１１に示すように、振動方向に沿う各軸（前記ボルト１４の軸線）を放射状に向けた送受波素子Ｐを円周上に複数個配置し、全周へ向けて送受波する必要がある。

特開２０００－２０９６９０号公報 米国特許第４１５１４３７号明細書 米国特許第７３７２７７６号明細書 米国特許第６７３４６０４号明細書

しかしながら、上記送受波素子における屈曲振動モードは、送受波面の中心が大きく振動するモードであるため、使用帯域の高周波側の屈曲振動の共振周波数において、屈曲構造がない場合と比べて送受波素子単体の指向性が低くなる。これにより、各送受波素子から送受される音波の干渉が起きやすくなり、高周波の音波を用いた場合において無指向性とすることが難しくなる。
この無指向性への要求に対し、送受波素子をより多く配置することで無指向性を実現することはできるが、多数の送受波素子が必要なことから、送受波器の小型軽量化が困難になるという解決すべき課題がある。

例えば、図１２は、ある周波数（４．５ｋＨｚ）で、幅Ｗ１＝２６０ｍｍの板が図１２（ａ）のように振幅Ｖで振動した場合の、図１２（ｂ）に示すような単体の指向性と、この単体の送受波素子を図１２（ｃ）に示すように、相互間隔をおいて円周上に１２個配置して、全体として幅Ｗ２＝１０００ｍｍの送受波装置を構成した場合（円周方向へ３０°の相互間隔をおいて配置した場合）の、図１２（ｄ）に示すような全体の指向性を示す。
また図１３は、幅Ｗ３＝１００ｍｍの板が振幅Ｖで振動した場合（図１３（ａ））の単体の指向性（図１３（ｂ））と、それを図１３（ｃ）のように幅Ｗ４＝１０００ｍｍ円周上に１２個（図１３（ｄ）のように相互間隔３０°）、図１３（ｅ）のように幅Ｗ５＝２０００ｍｍで２４個（図１３（ｆ）のように相互間隔１５°）、図１２（ｇ）のように幅Ｗ６＝３０００ｍｍで３６個（図１３（ｈ）のように相互間隔１０°）配置した場合の指向性を示す。

この指向特性によれば、単体の指向性を比べると、幅Ｗ３＝１００ｍｍの方が指向性が低くなることがわかる。また、円周上に配置した場合、図１３（ｃ）（ｄ）に示すように、送受波器の直径（幅Ｗ４）１０００ｍｍの場合、送受波素子１２個では、図１２（ｃ）のような、単体の送受波素子の幅Ｗ１＝２６０ｍｍでは無指向性になるが、図１３（ｃ）に示すように、単体の像受波素子の幅Ｗ３＝１００ｍｍと小さくした場合には、図１３（ｄ）に示すように、１２個程度では各方向での凹凸が大きく、無指向性にならないことが確認できる。このような、各方向での凹凸を緩和しようとすると、図１３（ｇ）（ｈ）に示すように、相互間隔を１０°と小さくして、３６個もの多数の送受波素子を用いることが必要になり、送受波装置の小型化の要請に応えることができない。
すなわち、従来の屈曲板によって発生する屈曲振動モードは、送受波面中央が大きく振動するモードであるため、この幅Ｗ３＝１００ｍｍの送受波素子を用いた場合に近い指向性になるものと推定される。

また特許文献２、３には、複数の振動子を放射状に配置して指向性を改善する技術が開示されているが、前述の各方向への凹凸を減少させるための格別な配慮がなされてはいない。
また特許文献４には、リング状の外周電極と内側の複数の円弧状の内周電極との間に設けた圧電素子により、外周電極を周方向へ伸長あるいは収縮させる構成が開示されているが、本願に関連するランジュバン型振動子の指向特性を改善するものではない。

本発明は上記課題を解決すべく提案されたもので、可及的に軸対称に近似した指向特性の送受波装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の送受波装置は、一の軸線に沿って伸長、収縮を繰り返す複数の送受波素子と、該複数の送受波素子を囲んで設けられ、その中心軸に対して軸対称または回転対称性を有する形状をなす伸縮リングとを備え、前記伸縮リングは、空洞を有し、前記複数の駆動素子の駆動によって、軸対称または回転対称な形状へ変形しながら振動することを特徴とする。

また、本発明の送受波方法は、それぞれ電気信号により振動する複数の変換素子によって、これらの外周に配置された、空洞を有する伸縮リングを振動させることにより、該伸縮リングを軸対称または回転対称な形状に繰り返し変形させることを特徴とする。

本発明によれば、放射状に配置された複数の送受波素子の振動によって前記伸縮リングを軸対称に近似した指向性の少ない方向へ振動させることができる。

本発明の最小構成例にかかる送受波装置の平面図である。 本発明の第１実施形態にかかる送受波装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 図２に示す送受波装置を複数個備えた探査装置の断面図である。 図２に示す送受波装置の伸長状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 図２に示す送受波装置の収縮状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 第１実施形態にかかる送受波装置の出力周波数と音圧レベルとの特性を示す図表である。 本発明の第２実施形態にかかる送受波装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 本発明の第３実施形態にかかる送受波装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 本発明の第３実施形態にかかる送受波装置の駆動素子の他の例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 本発明の第４実施形態にかかる送受波装置の平面図である。 一従来例にかかる受波素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図である。 図１０の送受波素子の配置例を示す平面図である。 図１０の送受波素子を複数用いた送受波装置の指向特性の説明図である。 図１０の送受波素子を複数用いた送受波装置の比較例の送受波装置の単体、１２基、２４基、３６基設けた場合に指向特性の説明図である。

本発明の最小構成にかかる送受波装置の構成について図１を参照して説明する。
この送受波装置は、一の軸線に沿って伸長、収縮を繰り返す複数の送受波素子１と、該複数の送受波素子１を囲んで設けられ、その中心軸に対して軸対称または回転対称性を有する形状をなす伸縮リング２とを備え、前記伸縮リング２は、空洞を有し、前記複数の駆動素子１の駆動によって、軸対称または回転対称な形状へ変形しながら振動する。

上記構成によれば、前記送受波素子１の変位によって外周の空洞を有する伸縮リング２を軸対称または回転対称な形状となる各方向へ変形させることができる。すなわち、複数の送受波素子１によって伸縮リング２を振動させることにより、該伸縮リング２内の空洞が変形し、この変形に伴い、伸縮リング４を軸対称または回転対称に変形させることができる。

＜第１実施形態＞
図２～５を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
符号３０は、ランジュバン型の送受波素子を示し、この送受波素子３０は、例えばアルミニウム合金により構成されたフロントマス３１と、該フロントマス３１に一端が連結された駆動素子３２と、該駆動素子３２の他端に連結され、例えば鋼等のアルミニウム合金より密度の高い材料により構成されたリアマス３３とを基本構成とする。前記駆動素子３２は、前記フロントマス３１を貫通する、鋼等で構成されたボルト３４をリアマス３３側の、鋼等で構成されたナット３５で締め付けることによって、前記フロントマス３１、リアマス３３と一体に連結されている。前記駆動素子３２は、両端に電極３２ａを備えた駆動素子本体（例えばＰＺＴ……チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電素子）を直列に配置し、中央に形成された貫通孔に前記ボルト３４を通してナット３５を締め付けることによって電気的、機械的に一体化した構成を有し、図示しない駆動回路から電源の供給を受けて振動する。なお前記フロントマス３１は、一般に、単体のランジュバン型送受波装置において振動板が設けられる部材である。

前記送受波素子３０は、前記駆動素子３２の振動方向を半径方向に向けて、伸縮リング４０の内側に配置されている。第１実施例にあっては、周方向へ３０°の相互間隔をおいて１２個配置され、全体として回転対称をなしている。なお実施形態において回転対称の形状とは、一周である３６０°の１／ｎ（ｎは自然数）に相当する角度だけ回転させた場合に重なることができる対称性を有する形状をいうものとする。
前記伸縮リング４０は、前記駆動素子３２の振動によって軸対称に屈曲振動するもので、その内部には、空洞４１を有する。前記伸縮リング４０の内周には、前記送受波素子３０のフロントマス３１が一体に固着されている。前記伸縮リング４０は、前記フロントマス３１を前記駆動素子３２によって振動させることにより、前記空洞４１の外側の外周面４２が、その直径が伸長、収縮を繰り返すように変形する。前記外周面４２は、例えば水等の伝達媒質に接触していて、前記振動を伝達する。
前記伸縮リング４０は、例えば、前記空洞４１に相当する溝を外周に備えた環状の部材の外周を前記外周面４２に相当する板状の部材で覆って溶接、接着、ボルト締め等の手段により一体に固着し、あるいは、３Ｄプリンタを利用した成型により製造することができる。なお第１実施形態における前記空洞４１は、同一の横断面形状かつ伸縮リング４０の全周にわたって連続的に形成されている。
また前記フロントマス３１は、前記伸縮リング４０の内周に溶接、接着、ボルト締め等の手段により固着されている。なお、前記伸縮リング４０の直径や空洞４１の位置（実施形態では、空洞４１を外側に配置することにより、外周面４２を有する部分が所望の変形を生じ得る肉厚の分布となるような断面形状に形成されている）の調整により、軸対称の屈曲振動が使用帯域の高周波側で送受波面に生じるように設定することができる。
なお、駆動素子として用いるランジュバン型振動子の数は、前記１２個に限られず、前記伸縮リング４０に屈曲振動モードを励振することが可能な範囲で任意な数を選択することができる。

前記送受波素子３０を用いたソナー等の探査装置は、図３に示すような構成を有する。すなわち探査装置は、前記伸縮リング４０の外周の輪郭とほぼ一致する平面形状を有する支持部材５０、５１の間に、複数の前記送受波素子３０を上下に重ねて配置し、前記送受波素子３０の中心に相当する位置に配置された支持部材５２によって上下の支持部材５０、５１を連結してこれらの間に前記送受波素子３０を支持して構成し、さらに、前記支持部材５０、５１によって一体に支持された複数の前記送受波素子３０の全体を密閉容器５３に格納して構成される。前記密閉容器５３は、全体がゴムや樹脂等の音響媒質（例えば水）にできるだけ近い固有音響インピ－ダンスを有する弾性変形可能な材料により構成されている。

第１実施形態にかかる送受波装置の動作について説明する。
前記送受波素子３０の駆動素子３２へ両端の電極を介して駆動回路（図示略）から電源を供給すると、前記駆動素子３２が伸縮リング４０を半径方向へ変形する。
すなわち、図４Ａに示すように、前記伸縮リング４０が、空洞４１の外周側を囲む外周面４２を凸とする変形と、図４に示すように、外周面４２を凹とする変形とを繰り返し、この屈曲振動モードでは、送受波面の中央が大きく変位し、この変形は伸縮リング４０の中心軸に対して軸対称である。
この軸対称をなす屈曲振動により出力される音波は、周波数や送受波面の大きさによらず無指向性ないしは指向性が極めて小さくなるため、この屈曲振動モードを使用帯域の高周波側で生じるように設計することによって、高周波側においても無指向性ないしは指向性の少ない送受波を実現することができる。そして、この伸縮リング４０の形状、質量に依る固有の屈曲振動モードと、送受波素子３２自身を駆動することによる振動モードとが重畳することによって送受信周波数の広帯域化を実現することができる。

上記伸縮リング４０の軸対称の屈曲振動により出力される音波は、周波数や送受波面の大きさによらず無指向性となるため、この屈曲振動モードを使用帯域の高周波側で生じるように設計することで、高周波側においても無指向性を実現することができる。この伸縮リング４０の屈曲振動モードと、送受波素子の縦振動モードの重畳による送受波面の正面方向の音圧レベルの周波数特性の一例を図５に示す。同図に示す周波数ｆ１に生じる音圧ピークが前記フロントマス３１の振動による縦振動モード、周波数ｆ２に生じる音圧ピークが前記伸縮リング４０の屈曲振動モードによるものである。

また、前記伸縮リング４０の内側に前記駆動素子３２が配置されているため、この送受波装置を水中探査装置として水中で使用した際の水圧下において、前記支持部材５０～５１によって支持された前記伸縮リング４０が圧力を受け持つことで、前記駆動素子３２に掛かる圧力を小さくすることができるという効果もある。これにより、圧力による駆動素子３２の破損や、駆動素子３２が水圧等の外力を受けることによる特性変化等を抑制することができる。
なお、受波装置として動作する場合、伝達媒質内を伝播した振動を受けた外周面４２とともに空洞４１が変形すると、その反力によってフロントマス３１を介して駆動素子３２が変形し、この変形に応じた電気信号を出力する。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態にあっては、独立したランジュバン型振動子を放射状に複数配置したが、図６に示す第２実施形態のように、伸縮リング４０の中央に配置した一体のリアマス３３Ａに駆動素子３２の基端を接続し、該駆動素子３２の先端のフロントマス３１を伸縮リング４０に接続しても良い。
この第２実施形態にあっては、中央に配置された前記リアマス３３Ａによって駆動素子３２の反力を支持しながら、前記フロントマス３１によって前記伸縮リング４０を半径方向外方または内方へ変形させることにより、図４Ａ、４Ｂに示す第１実施形態の場合と同様、内側の空洞４１を変形させて、外周面４２から音波を出力することができる。

この第２実施形態にあっては、伸縮リング４０の内側に密接させて環状に連結されたリアマス３３Ａを設け、このリアマス３３Ａを複数の（例えば６個、１２個）駆動素子によって図中矢印Ａで示すように半径方向へ繰り返し伸縮させて振動させることにより、前記伸縮リング４０の空洞４１を変形させ、その外周面４２から出力する音波を可及的に無指向性に近い入出力特性とすることができる。

＜第３実施形態＞
さらに、図７に示す第３実施形態のように、前記伸縮リング４０の内周に呼吸振動（図７に示すような円形を維持しながら繰り返し径が拡張または収縮する振動）を行う駆動素子３２Ａを使用して、前記伸縮リング４０を変形させても良い。
呼吸振動を行う前記駆動素子３２Ａの一例として、図７に示すように呼吸振動をする駆動素子３２Ａを用いても良い。呼吸振動をする駆動素子としては、図７に示すような内周面と外周面とに分極した（矢印Ａ方向へ分極して振動する）円筒型の圧電素子がある。
また、図７の例に限らず、図８に矢印Ｂ、Ｃで示すように、円周方向に分極して振動する圧電素子等の駆動素子３２Ｂを伸縮リング４０の内周に沿って複数組み合わせて、周方向へ伸長と収縮とを繰り返す振動子を用いても呼吸運動を実現することができる。
すなわち図８にあっては、交互に伸縮方向を反対にして複数の（例えば８個）駆動素子３２Ｂを設けることにより、前記伸縮リング４０に周方向へ伸縮するよう変位させ、この変位によって伸縮リング４０内の空洞４１を変形させ、その外周面４２から送受信する音波を可及的に無指向性に近い入出力特性とすることができる。

なお、前記伸縮リング４０の空洞４１を図４Ａ、４Ｂに示すような屈曲振動モードで変形させることができる駆動素子であれば、その駆動方式は上記各実施形態の駆動素子に限定されるものではなく、例えば、磁歪振動子等、電気信号を機械振動に変換することができる駆動素子を採用しても良い。
また、前記伸縮リング４０の空洞４１は、文字通り空洞であっても、該伸縮リング４０を構成する金属に比して低い固有音響インピーダンスを有する材料を充填しても良い。例えば、外周面４２をアルミニウム合金により構成した場合、エポキシ樹脂などの合成樹脂を充填しても良い。

＜第４実施形態＞
前記伸縮リング４０の屈曲振動は、図９に示すように正多角形等の円に近似した形状に変形する振動であっても良い。この場合、屈曲振動モードによる音波を実用上無指向性と見なし得るためには、前記伸縮リング４０の外周長さをｌｍｍとした場合、ｌ／ｎ（ｎ角形の一辺）が、概ね屈曲振動の共振周波数における伝達媒質中の波長λｍｍ以下となるように所定以上の大きさのｎ（自然数）を選択することが望ましい。

なお、前記伸縮リングに設けられる空洞の形状、送受波素子の数、駆動素子の数、あるいはフロンマス、リアマスの形状が上記実施形態に限定されるものでない。
また、本発明の実施において採用されるより具体的な構成は、前記各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、探査装置に設けられる送受波装置および送受波方法に利用することができる。

１ 送受波素子
２ 伸縮リング
１１ 圧電素子
１２ リアマス
１３ フロントマス
１４ ボルト
１７ ナット
３０、３０Ａ 送受波素子
３１ フロントマス
３２、３２Ａ、３２Ｂ 駆動素子
３２ａ 電極
３３、３３Ａ リアマス
３４ ボルト
３５ ナット
４０ 伸縮リング
４１ 空洞
４２外周面
５０、５１、５２ 支持部材
５３ 密閉容器

Claims (10)

1. 一の軸線に沿って伸長、収縮を繰り返す複数の送受波素子と、
   該複数の送受波素子を囲んで設けられ、その中心軸に対して軸対称または回転対称性を有する形状をなす伸縮リングとを備え、
   前記伸縮リングは、空洞を有し、前記複数の送受波素子の駆動によって、軸対称または回転対称な形状へ変形しながら振動する、
   ことを特徴とする送受波装置。
2. 前記複数の送受波素子は、フロントマスと該フロントマスを前記軸線の方向へ駆動する駆動素子と備え、前記軸線を前記伸縮リングの半径方向へ向けて配置された、
   請求項１に記載の送受波装置。
3. 前記伸縮リングの外周面は、前記駆動素子による駆動によって前記伸縮リングの半径方向外方と内方とへ繰り返し変形する、
   請求項２に記載の送受波装置。
4. 前記伸縮リングは、前記空洞を外周寄りの位置に有する、
   請求項１に記載の送受波装置。
5. 前記送受波素子は、前記駆動素子の前記フロントマスと反対側にリアマスを有する、
   請求項２に記載の送受波装置。
6. 前記複数の送受波素子の前記リアマスが一体に構成された、
   請求項５に記載の送受波装置。
7. 前記複数の送受波素子は、前記伸縮リングの内側に同心円状に配置された外側電極と内側電極との間に設けられて電気信号により半径方向へ振動する変換素子である、
   請求項１に記載の送受波装置。
8. 前記複数の送受波素子は、前記伸縮リングの内周に沿って直列に並べて配置されて、前記伸縮リングと中心を同じくする円周方向へ振動する変換素子である、
   請求項１に記載の送受波装置。
9. 前記伸縮リングが正多角形状をなし、正多角形の一辺の長さが伸縮リングの共振周波数における伝達媒質中の音波の波長より短く設定された、
   請求項１に記載の送受波装置。
10. それぞれ電気信号により振動する複数の変換素子によって、これらの外周に配置された、空洞を有する伸縮リングを振動させることにより、該伸縮リングを軸対称または回転対称な形状に繰り返し変形させる、
    ことを特徴とする送受波方法。
    
    
    

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