JP2546488B2 - 低周波水中送波器 - Google Patents
低周波水中送波器Info
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- JP2546488B2 JP2546488B2 JP5096246A JP9624693A JP2546488B2 JP 2546488 B2 JP2546488 B2 JP 2546488B2 JP 5096246 A JP5096246 A JP 5096246A JP 9624693 A JP9624693 A JP 9624693A JP 2546488 B2 JP2546488 B2 JP 2546488B2
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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。
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。
【０００２】
【従来の技術】水中において低周波の音波は、高周波の
音波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音波を利用することは、数
々の長所がある。また長距離伝搬には、その音源を大深
度（１０００ｍ程度）に配置することも有効である。
音波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音波を利用することは、数
々の長所がある。また長距離伝搬には、その音源を大深
度（１０００ｍ程度）に配置することも有効である。
【０００３】従来、そのような低周波送波器としては、
ジルコンチタン酸鉛系圧電磁器を用いた圧電形送波器が
利用されている。圧電磁器は、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。しかし一方で、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
点もある。そこで従来より、低周波で効率の良い音響放
射を行うために圧電磁器の変位をより一層拡大させる工
夫が施されてきた。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．，ｖｏ１．６８，
Ｎｏ．４，ｐｐ１０４６−１０５２（１９８０．１
０））に記載されているように、図６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。
ジルコンチタン酸鉛系圧電磁器を用いた圧電形送波器が
利用されている。圧電磁器は、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。しかし一方で、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
点もある。そこで従来より、低周波で効率の良い音響放
射を行うために圧電磁器の変位をより一層拡大させる工
夫が施されてきた。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．，ｖｏ１．６８，
Ｎｏ．４，ｐｐ１０４６−１０５２（１９８０．１
０））に記載されているように、図６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６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７に示
す。楕円シェル２１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２１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７に示
す。楕円シェル２１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２１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図るメリッ
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図るメリッ
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】すなわち、図６に示すような屈曲伸び送波
器では、大深度使用でハイパワー特性をもち、しかも小
型であるような送波器の実現は困難であった。
器では、大深度使用でハイパワー特性をもち、しかも小
型であるような送波器の実現は困難であった。
【０００９】そこでこのような従来のトランスジューサ
の欠点を克服した小型な送波器として図８に示すような
構造を考えることは容易である。図８に示した送波器で
は、主面を窪ませた金属ディスク４１に圧電磁器からな
るアクティブ円板体４０をはめ込んだ円板状振動体を２
枚用意し、それらをアクティブ円板体４０が互いに外表
面側になるようにボルト締め４２ではり合わせた構造と
なっている。この送波器の駆動原理としては、アクティ
ブ円板体４０が径方向に変位する径ひろがり振動を利用
し、その振動をアクティブ円板体４０とそれをはめ込ん
だ金属ディスク４１からなる円板状振動体の屈曲振動に
変換することで変位の拡大を図る方式をとる。この送波
器構造では、耐水圧特性を劣化させることなく薄型軽量
化が容易に可能であるという利点をもつ。しかし、その
耐水圧にも限界があり、また金属ディスクの周辺が固定
されているため、ハイパワー化にも限界がある。そのた
め、大深度使用及びハイパワー化のためには改良が必要
である。
の欠点を克服した小型な送波器として図８に示すような
構造を考えることは容易である。図８に示した送波器で
は、主面を窪ませた金属ディスク４１に圧電磁器からな
るアクティブ円板体４０をはめ込んだ円板状振動体を２
枚用意し、それらをアクティブ円板体４０が互いに外表
面側になるようにボルト締め４２ではり合わせた構造と
なっている。この送波器の駆動原理としては、アクティ
ブ円板体４０が径方向に変位する径ひろがり振動を利用
し、その振動をアクティブ円板体４０とそれをはめ込ん
だ金属ディスク４１からなる円板状振動体の屈曲振動に
変換することで変位の拡大を図る方式をとる。この送波
器構造では、耐水圧特性を劣化させることなく薄型軽量
化が容易に可能であるという利点をもつ。しかし、その
耐水圧にも限界があり、また金属ディスクの周辺が固定
されているため、ハイパワー化にも限界がある。そのた
め、大深度使用及びハイパワー化のためには改良が必要
である。
【００１０】本発明は小型軽量で、しかも大深度使用に
おいてハイパワー特性に優れた低周波送波器を提供する
ことにある。
おいてハイパワー特性に優れた低周波送波器を提供する
ことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る低周波水中送波器は、ヘルムホルツ型
共振器と、屈曲円板型共振器とを組合せて互いに共振周
波数を一致させることにより、大振幅の音波を出力する
低周波水中送波器であって、ヘルムホルツ型共振器は、
円筒状空洞と、円筒状空洞の側面に形成されたスリット
とを有し、スリットをマスとし、かつ円筒状空洞をコン
プライアンスとして共振する共振器であり、屈曲円板型
共振器は、ディスクとアクティブ円板体とを有し、屈曲
振動するものであり、ディスクは、ヘルムホルツ型共振
器の円筒状空洞の両端開口を閉塞して取付けられ、アク
ティブ円板体は、円形の圧電磁器からなり、ディスクに
嵌合して装着されたものである。
め、本発明に係る低周波水中送波器は、ヘルムホルツ型
共振器と、屈曲円板型共振器とを組合せて互いに共振周
波数を一致させることにより、大振幅の音波を出力する
低周波水中送波器であって、ヘルムホルツ型共振器は、
円筒状空洞と、円筒状空洞の側面に形成されたスリット
とを有し、スリットをマスとし、かつ円筒状空洞をコン
プライアンスとして共振する共振器であり、屈曲円板型
共振器は、ディスクとアクティブ円板体とを有し、屈曲
振動するものであり、ディスクは、ヘルムホルツ型共振
器の円筒状空洞の両端開口を閉塞して取付けられ、アク
ティブ円板体は、円形の圧電磁器からなり、ディスクに
嵌合して装着されたものである。
【００１２】また、前記ヘルムホルツ型共振器の円筒状
空洞には、油が充填され、外圧に対する圧力補償が施さ
れているものである。
空洞には、油が充填され、外圧に対する圧力補償が施さ
れているものである。
【００１３】また前記アクティブ円板体は、複数の圧電
磁器セグメントを組み合わせて多角形状に形成されたも
のである。
磁器セグメントを組み合わせて多角形状に形成されたも
のである。
【００１４】また前記多角形状に組合された圧電磁器セ
グメント群は、機械的出力エネルギーが最大となるよう
に、前記ディスクの中心部分を除いた部分に設けられた
ものであり、圧電磁器セグメント群の最も外側部分にあ
る幅Ｗ n に対し、最も内側にある圧電磁器セグメントの
幅Ｗ 0 とするとＷ 0 ／Ｗ n の値を０．３〜０．４としたも
のである。
グメント群は、機械的出力エネルギーが最大となるよう
に、前記ディスクの中心部分を除いた部分に設けられた
ものであり、圧電磁器セグメント群の最も外側部分にあ
る幅Ｗ n に対し、最も内側にある圧電磁器セグメントの
幅Ｗ 0 とするとＷ 0 ／Ｗ n の値を０．３〜０．４としたも
のである。
【００１５】
【作用】本発明の送波器は上記構造とすることにより従
来技術の問題点を改善している。図１は本発明の送波器
の一例を示したものである。図１において、３０は円形
の圧電磁器を用いたアクティブ円板体である。このアク
ティブ円板体３０は厚み方向に分極されており、その分
極方向に沿って圧電を入力することにより径ひろがり振
動が励振されるものである。さらにアクティブ円板体３
０は強力接着剤により、高張力鋼などの機械的強度の大
きな材料からできた金属ディスク３１の窪み内部に接着
されている。これらのアクティブ円板体３０と金属ディ
スク３１の構成で屈曲円板型共振器が形成される。この
屈曲円板型共振器は、その外周部を固定し、かつ中間部
をフリーな状態とすることにより、アクティブ円板体３
０に電圧を印加すると、図２に示すような屈曲振動を起
こすものである。なお、図２において実線は屈曲時の振
動モードを、破線は定常時の形状を示している。
来技術の問題点を改善している。図１は本発明の送波器
の一例を示したものである。図１において、３０は円形
の圧電磁器を用いたアクティブ円板体である。このアク
ティブ円板体３０は厚み方向に分極されており、その分
極方向に沿って圧電を入力することにより径ひろがり振
動が励振されるものである。さらにアクティブ円板体３
０は強力接着剤により、高張力鋼などの機械的強度の大
きな材料からできた金属ディスク３１の窪み内部に接着
されている。これらのアクティブ円板体３０と金属ディ
スク３１の構成で屈曲円板型共振器が形成される。この
屈曲円板型共振器は、その外周部を固定し、かつ中間部
をフリーな状態とすることにより、アクティブ円板体３
０に電圧を印加すると、図２に示すような屈曲振動を起
こすものである。なお、図２において実線は屈曲時の振
動モードを、破線は定常時の形状を示している。
【００１６】本発明の送波器は、このようなアクティブ
円板体がはめ込まれた金属ディスクで構成される屈曲円
板型共振器を２枚用意し、これらを円筒形のヘルムホル
ツ型共振器３３の両端部にボルト３２及び強力接着剤に
て接合することで構成されている。ヘルムホルツ型共振
器は図３に示すように、側面に構成されたスリット３４
がマスに、円筒内部の空洞がコンプライアンスとなって
共振する共振器である。
円板体がはめ込まれた金属ディスクで構成される屈曲円
板型共振器を２枚用意し、これらを円筒形のヘルムホル
ツ型共振器３３の両端部にボルト３２及び強力接着剤に
て接合することで構成されている。ヘルムホルツ型共振
器は図３に示すように、側面に構成されたスリット３４
がマスに、円筒内部の空洞がコンプライアンスとなって
共振する共振器である。
【００１７】本発明の送波器の動作原理は、屈曲円板型
共振器の共振周波数にヘルムホルツ型共振器の共振周波
数を一致させることで、音響放射面の振幅を増大させ、
すなわち媒質排除量を拡大し、ハイパワー放射を可能に
したものである。ヘルムホルツ型共振器の共振周波数
は、円筒側面部に形成しているスリット３４を適当な寸
法に調整することで変動が可能である。またヘルムホル
ツ型共振器の空洞内部には、大深度使用にも耐え得るよ
うにシリコン油３５を充填し、圧力バランスを図ってい
る。一般に、送波器内部に油を充填し圧力補償を行う
と、音響放射面の変位がかなり抑制されるが、本発明送
波器は屈曲円板型共振器の屈曲振動とヘルムホルツ型共
振器の呼吸振動の相乗効果を利用しているので、油によ
る変位抑制もそれほど受けずにすむという特徴をもつ。
本発明送波器は上記圧力バランス機構により、水深１０
００ｍ以上での動作が可能である。なお、図１には示し
ていないが本発明送波器の外形廻りは水密保持のためウ
レタン樹脂でモールドを施している。
共振器の共振周波数にヘルムホルツ型共振器の共振周波
数を一致させることで、音響放射面の振幅を増大させ、
すなわち媒質排除量を拡大し、ハイパワー放射を可能に
したものである。ヘルムホルツ型共振器の共振周波数
は、円筒側面部に形成しているスリット３４を適当な寸
法に調整することで変動が可能である。またヘルムホル
ツ型共振器の空洞内部には、大深度使用にも耐え得るよ
うにシリコン油３５を充填し、圧力バランスを図ってい
る。一般に、送波器内部に油を充填し圧力補償を行う
と、音響放射面の変位がかなり抑制されるが、本発明送
波器は屈曲円板型共振器の屈曲振動とヘルムホルツ型共
振器の呼吸振動の相乗効果を利用しているので、油によ
る変位抑制もそれほど受けずにすむという特徴をもつ。
本発明送波器は上記圧力バランス機構により、水深１０
００ｍ以上での動作が可能である。なお、図１には示し
ていないが本発明送波器の外形廻りは水密保持のためウ
レタン樹脂でモールドを施している。
【００１８】本発明の送波器で用いているアクティブ円
板体は引張応力にはやや脆い傾向にあるが、本発明では
図１に示すようにアクティブ円板体３０を金属ディスク
３１の外表面にはめ込み、さらに有限要素法による応力
解析によりアクティブ円板体３０の直径を送波器全体の
直径の６０〜７５％程度に決定することで、静水圧下で
アクティブ円板体３０に対し、圧縮応力のみがかかるよ
うにすることができる。
板体は引張応力にはやや脆い傾向にあるが、本発明では
図１に示すようにアクティブ円板体３０を金属ディスク
３１の外表面にはめ込み、さらに有限要素法による応力
解析によりアクティブ円板体３０の直径を送波器全体の
直径の６０〜７５％程度に決定することで、静水圧下で
アクティブ円板体３０に対し、圧縮応力のみがかかるよ
うにすることができる。
【００１９】また、本発明においてアクティブ体の外形
は簡易性に優れる点では円板が望ましいが、これに限定
されない。例えば、圧電磁器の縦効果縦振動を積極的に
利用するため、図４（ａ），（ｂ）に示すように複数の
圧電磁器セグメント５０，５０，…を金属ディスク５１
の中心から放射状に配列した構造も有効である。５２は
ボルトである。図４では複数の圧電磁器セグメント５
０，５０，…が正八角形に配列されているが、これに限
らず正多角形の配列であればよい。
は簡易性に優れる点では円板が望ましいが、これに限定
されない。例えば、圧電磁器の縦効果縦振動を積極的に
利用するため、図４（ａ），（ｂ）に示すように複数の
圧電磁器セグメント５０，５０，…を金属ディスク５１
の中心から放射状に配列した構造も有効である。５２は
ボルトである。図４では複数の圧電磁器セグメント５
０，５０，…が正八角形に配列されているが、これに限
らず正多角形の配列であればよい。
【００２０】上記構造において金属ディスク５１の中心
部には圧電磁器セグメント５０が配置されていない。こ
れには次のような理由がある。圧電セラミックを中心部
まで埋めた場合、中心付近の圧電磁器セグメント５０は
その幅が小さいため、コンプライアンスが非常に大きく
なってしまう。これが圧電磁器セグメント群全体のコン
プライアンスに影響を及ぼし、金属ディスク５１の中心
部に圧電磁器を配置しない場合に比べコンプライアンス
を上げてしまうことになる。コンプライアンスが大きい
と、機械的出力エネルギーが低くなり効率が悪くなる。
そこで、数値解析により圧電磁器セグメント群の配置位
置をその機械的出力エネルギーが最大となるような位置
に最適化している。具体的には以下のようにである。
部には圧電磁器セグメント５０が配置されていない。こ
れには次のような理由がある。圧電セラミックを中心部
まで埋めた場合、中心付近の圧電磁器セグメント５０は
その幅が小さいため、コンプライアンスが非常に大きく
なってしまう。これが圧電磁器セグメント群全体のコン
プライアンスに影響を及ぼし、金属ディスク５１の中心
部に圧電磁器を配置しない場合に比べコンプライアンス
を上げてしまうことになる。コンプライアンスが大きい
と、機械的出力エネルギーが低くなり効率が悪くなる。
そこで、数値解析により圧電磁器セグメント群の配置位
置をその機械的出力エネルギーが最大となるような位置
に最適化している。具体的には以下のようにである。
【００２１】図５（ａ）に圧電磁器セグメント群の１つ
のブロック（扇状圧電磁器セグメント群）を抽出した図
を示す。このブロックが８個（配列八角形）、１ブロッ
クにおける圧電磁器セグメントを６個（ｎ＝６）、１ブ
ロックの長さＬn＝９０ｍｍとした場合において、Ｌ0を
変数とし、機械的出力エネルギーＷmのセグメントスタ
ート位置（Ｌ0）依存性の計算結果を図５（ｂ）に示
す。なお入力電界は３００Ｖ／ｍｍとして計算してい
る。これより圧電セラミックセグメントのスタート位置
を送波器の中心から３０ｍｍ〜４０ｍｍに設計すれば、
高い機械的出力エネルギーを得ることがわかり、これに
より最適化される。
のブロック（扇状圧電磁器セグメント群）を抽出した図
を示す。このブロックが８個（配列八角形）、１ブロッ
クにおける圧電磁器セグメントを６個（ｎ＝６）、１ブ
ロックの長さＬn＝９０ｍｍとした場合において、Ｌ0を
変数とし、機械的出力エネルギーＷmのセグメントスタ
ート位置（Ｌ0）依存性の計算結果を図５（ｂ）に示
す。なお入力電界は３００Ｖ／ｍｍとして計算してい
る。これより圧電セラミックセグメントのスタート位置
を送波器の中心から３０ｍｍ〜４０ｍｍに設計すれば、
高い機械的出力エネルギーを得ることがわかり、これに
より最適化される。
【００２２】
【実施例】本発明の実施例を図を参照して説明する。
【００２３】（実施例１）図１において、アクティブ円
板体３０の直径を１０４ｍｍφ，厚さ７ｍｍ、金属ディ
スク３１の直径を１６０ｍｍφ，厚さを厚いところで１
４ｍｍ，薄いところで７ｍｍ、ヘルムホルツ型共振器３
３の外径を１６０ｍｍφ，内径を１３ｍｍ高さを１４０
ｍｍとして設計した。なお、ヘルムホルツ型共振器３３
は、ヘルムホルツ型共振器３３の内径方向に突出した軸
状の突部を４本有し、スリット３４は、各突部にヘルム
ホルツ型共振器の内外に貫通して４本設けられ、スリッ
ト３４の長さは屈曲円板型送波器の共振周波数に一致す
るように調整した。従って、モールド前の段階で送波器
全体の寸法は１６０ｍｍφ×１６８ｍｍφとなる。
板体３０の直径を１０４ｍｍφ，厚さ７ｍｍ、金属ディ
スク３１の直径を１６０ｍｍφ，厚さを厚いところで１
４ｍｍ，薄いところで７ｍｍ、ヘルムホルツ型共振器３
３の外径を１６０ｍｍφ，内径を１３ｍｍ高さを１４０
ｍｍとして設計した。なお、ヘルムホルツ型共振器３３
は、ヘルムホルツ型共振器３３の内径方向に突出した軸
状の突部を４本有し、スリット３４は、各突部にヘルム
ホルツ型共振器の内外に貫通して４本設けられ、スリッ
ト３４の長さは屈曲円板型送波器の共振周波数に一致す
るように調整した。従って、モールド前の段階で送波器
全体の寸法は１６０ｍｍφ×１６８ｍｍφとなる。
【００２４】次にアクティブ円板体３０にはジルコンチ
タン酸鉛系圧電磁器，金属ディスク３１及びヘルムホル
ツ型共振器３３にはアルミニウム合金Ａ７０６５−Ｔ６
を適用し試作した。またヘルムホルツ型共振器３３の空
洞内部にはシリコン油３５を充填し、送波器全体は水密
保持のためウレタン樹脂でモールドを施した。
タン酸鉛系圧電磁器，金属ディスク３１及びヘルムホル
ツ型共振器３３にはアルミニウム合金Ａ７０６５−Ｔ６
を適用し試作した。またヘルムホルツ型共振器３３の空
洞内部にはシリコン油３５を充填し、送波器全体は水密
保持のためウレタン樹脂でモールドを施した。
【００２５】試作した送波器の空気中での共振周波数は
３４３５Ｈｚである。次にこの送波器を水槽に入れてハ
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、２８８０Ｈｚにおいて２０３
ｄＢｒｅｌμＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も
４．５と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。耐水圧試験においても、５
００気圧まで耐え得る確証が得られた。
３４３５Ｈｚである。次にこの送波器を水槽に入れてハ
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、２８８０Ｈｚにおいて２０３
ｄＢｒｅｌμＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も
４．５と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。耐水圧試験においても、５
００気圧まで耐え得る確証が得られた。
【００２６】（実施例２）本発明の他の実施例を図１及
び図４を参照に説明する。図１において屈曲円板型送波
器を図４に示すような縦効果縦駆動を利用したものと置
き換えた。図４において圧電磁器セグメント５０の対角
線の長さを１８０ｍｍφ厚さ７ｍｍ、金属ディスク５１
の直径を１９５ｍｍφ，厚さを厚いところで１４ｍｍ，
薄いところで７ｍｍ、ヘルムホルツ型共振器３３の外径
を１９５ｍｍφ，内径を１５ｍｍ高さを１５０ｍｍとし
て設計した。なお、図４では圧電磁器セグメント５０の
外形を八角形で構成しているが、必ずしも八角形に限る
わけではなく、正多角形であればよい。また、ヘルムホ
ルツ型共振器３３のスリット３４は、その数を４本と
し、長さは屈曲円板型送波器の共振周波数に一致するよ
うに調整した。従って、モールド前の段階で送波器全体
の寸法は１９５ｍｍφ×１７８ｍｍφとなる。
び図４を参照に説明する。図１において屈曲円板型送波
器を図４に示すような縦効果縦駆動を利用したものと置
き換えた。図４において圧電磁器セグメント５０の対角
線の長さを１８０ｍｍφ厚さ７ｍｍ、金属ディスク５１
の直径を１９５ｍｍφ，厚さを厚いところで１４ｍｍ，
薄いところで７ｍｍ、ヘルムホルツ型共振器３３の外径
を１９５ｍｍφ，内径を１５ｍｍ高さを１５０ｍｍとし
て設計した。なお、図４では圧電磁器セグメント５０の
外形を八角形で構成しているが、必ずしも八角形に限る
わけではなく、正多角形であればよい。また、ヘルムホ
ルツ型共振器３３のスリット３４は、その数を４本と
し、長さは屈曲円板型送波器の共振周波数に一致するよ
うに調整した。従って、モールド前の段階で送波器全体
の寸法は１９５ｍｍφ×１７８ｍｍφとなる。
【００２７】次に圧電セグメント５０にはジルコンチタ
ン酸鉛系圧電磁器，金属ディスク５１及びヘルムホルツ
型共振器３３にはアルミニウム合金Ａ７０６５−Ｔ６を
適用し試作した。またヘルムホルツ型共振器３３の空洞
内部にはシリコン油３５を充填し、送波器全体は水密保
持のためウレタン樹脂でモールドを施した。
ン酸鉛系圧電磁器，金属ディスク５１及びヘルムホルツ
型共振器３３にはアルミニウム合金Ａ７０６５−Ｔ６を
適用し試作した。またヘルムホルツ型共振器３３の空洞
内部にはシリコン油３５を充填し、送波器全体は水密保
持のためウレタン樹脂でモールドを施した。
【００２８】試作した送波器の空気中での共振周波数は
２６５０Ｈｚである。次にこの送波器を水槽に入れてハ
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、２０４０Ｈｚにおいて２０５
ｄＢｒｅｌμＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も
５．２であった。指向性については無指向性であり、耐
水圧試験においても、５００気圧まで耐え得る確証が得
られた。
２６５０Ｈｚである。次にこの送波器を水槽に入れてハ
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、２０４０Ｈｚにおいて２０５
ｄＢｒｅｌμＰａの音圧が得られた。水中でのＱ値も
５．２であった。指向性については無指向性であり、耐
水圧試験においても、５００気圧まで耐え得る確証が得
られた。
【００２９】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、屈曲円板
型共振器とヘルムホルツ型共振器との共振周波数を一致
させることにより、ハイパワー放射の可能な低周波送波
器を得ることができ、さらに屈曲円板型共振器の屈曲振
動とヘルムホルツ型共振器の呼吸振動の相乗効果を利用
しているため、ヘルムホルツ型共振器の円筒状空洞内に
油を充填して圧力補償をしたとしても、油による変位抑
制を受けることがなく、大深度使用でのハイパワー放射
を行うことができる。しかも振動体として円板状或いは
多角形状のものを用いるため、従来のように楕円形シェ
ルを用いた場合に比較して送波器の外形寸法を小型化で
きる。
型共振器とヘルムホルツ型共振器との共振周波数を一致
させることにより、ハイパワー放射の可能な低周波送波
器を得ることができ、さらに屈曲円板型共振器の屈曲振
動とヘルムホルツ型共振器の呼吸振動の相乗効果を利用
しているため、ヘルムホルツ型共振器の円筒状空洞内に
油を充填して圧力補償をしたとしても、油による変位抑
制を受けることがなく、大深度使用でのハイパワー放射
を行うことができる。しかも振動体として円板状或いは
多角形状のものを用いるため、従来のように楕円形シェ
ルを用いた場合に比較して送波器の外形寸法を小型化で
きる。
【図１】本発明送波器の構造例を示す部分断面斜視図で
ある。
ある。
【図２】本発明送波器の一部である屈曲円板型共振器の
振動モードを示す図である。
振動モードを示す図である。
【図３】本発明送波器の一部であるヘルムホルツ型共振
器の部分断面斜視図である。
器の部分断面斜視図である。
【図４】（ａ）は、本発明送波器の一部である屈曲円板
型共振器の他の例を示す断面図、（ｂ）は同平面図であ
る。
型共振器の他の例を示す断面図、（ｂ）は同平面図であ
る。
【図５】（ａ）は、本発明送波器の一部である屈曲円板
型共振器の他の例を示す図、（ｂ）は数値解析結果を示
す図である。
型共振器の他の例を示す図、（ｂ）は数値解析結果を示
す図である。
【図６】従来の屈曲伸び送波器を示す断面図である。
【図７】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。
【図８】従来構造を改良した送波器の基本構造の部分断
面斜視図である。
面斜視図である。
【符号の説明】 ２０ アクティブ柱状体 ２１ 楕円シェル ３０ アクティブ円板体 ３１ 金属ディスク ３２ ボルト ３３ ヘルムホルツ型共振器 ３４ スリット ３５ シリコン油 ４０ アクティブ円板体 ４１ 金属ディスク ４２ ボルト ５０ 圧電磁器セグメント ５１ 金属ディスク ５２ ボルト
Claims (4)
- 【請求項１】 ヘルムホルツ型共振器と、屈曲円板型共
振器とを組合せて互いに共振周波数を一致させることに
より、大振幅の音波を出力する低周波水中送波器であっ
て、 ヘルムホルツ型共振器は、円筒状空洞と、円筒状空洞の
側面に形成されたスリットとを有し、スリットをマスと
し、かつ円筒状空洞をコンプライアンスとして共振する
共振器であり、 屈曲円板型共振器は、ディスクとアクティブ円板体とを
有し、屈曲振動するものであり、 ディスクは、ヘルムホルツ型共振器の円筒状空洞の両端
開口を閉塞して取付けられ、 アクティブ円板体は、円形の圧電磁器からなり、ディス
クに嵌合して装着されたものであることを特徴とする低
周波水中送波器。 - 【請求項２】 前記ヘルムホルツ型共振器の円筒状空洞
には、油が充填され、外圧に対する圧力補償が施されて
いることを特徴とする請求項１に記載の低周波水中送波
器。 - 【請求項３】 前記アクティブ円板体は、複数の圧電磁
器セグメントを組み合わせて多角形状に形成されたこと
を特徴とする請求項１、又は２に記載の低周波水中送波
器。 - 【請求項４】 前記多角形状に組合された圧電磁器セグ
メント群は、機械的出力エネルギーが最大となるよう
に、前記ディスクの中心部分を除いた部分に設けられた
ものであり、圧電磁器セグメント群の最も外側部分にあ
る幅Ｗ n に対し、最も内側にある圧電磁器セグメントの
幅Ｗ 0 とするとＷ 0 ／Ｗ n の値を０．３〜０．４としたこ
とを特徴とする請求項３に記載の低周波水中送波器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5096246A JP2546488B2 (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 低周波水中送波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5096246A JP2546488B2 (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 低周波水中送波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06311577A JPH06311577A (ja) | 1994-11-04 |
| JP2546488B2 true JP2546488B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=14159870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5096246A Expired - Lifetime JP2546488B2 (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 低周波水中送波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2546488B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6483778B1 (en) * | 1999-04-02 | 2002-11-19 | Raytheon Company | Systems and methods for passively compensating transducers |
| GB0000703D0 (en) * | 2000-01-14 | 2000-03-08 | Thomson Marconi Sonar Limited | Frequency tunable projector |
| JP5975178B2 (ja) * | 2013-07-26 | 2016-08-23 | 株式会社村田製作所 | 超音波発生素子、超音波発生装置及び超音波発生素子の製造方法 |
-
1993
- 1993-04-22 JP JP5096246A patent/JP2546488B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06311577A (ja) | 1994-11-04 |
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