JP2581466B2 - 低周波水中送波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低周波水中送波器に関
し、特に海洋開発調査等に使用されるハイパワー放射の
可能な低周波水中送波器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水中において大音圧放射の可
能な送波器として圧電型送波器が知られているが、その
一例として、図５に示すような円筒状圧電磁器による送
波器がある。

【０００３】この送波器は、圧電磁器円筒の内外表面に
銀あるいは金焼きつけした電極７ａ，７ｂが形成され、
この電極７ａ，７ｂ間に直流高電界を加えて破線矢印に
示す如く、肉厚方向に放射状に分極処理が施された構成
となっている。そしてこの送波器は、電極７ａ，７ｂと
接続する端子８ａ，８ｂから交流電圧を印加することに
より、直径が一様に伸縮する径ひろがり振動モードで振
動し、中心軸に関して破線二重矢印で示すように、圧電
磁器円筒６の外表面から無指向性の音響放射が行われ
る。

【０００４】このような圧電型の送波器では、電気機械
エネルギー変換材料としての圧電磁器円筒にジルコンチ
タン酸鉛系の圧電磁器が用いられている。この圧電磁器
それ自身は、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
あるものの、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がある。圧電型の送波器
において低周波化を図る場合には、単位放射面積当たり
の音響放射インピーダンスが低周波化に伴い極めて小さ
くなるため、圧電磁器の変位をより一層拡大させ、媒質
排除量を大きくして音響放射を行う必要がある。

【０００５】圧電磁器の変位を拡大させた送波器として
は、例えばジャーナル・オブ・ジ・アコースティカル・
ソサイアティー・オブ・アメリカ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏ
ｆ Ａｍｅｒｉｃａ），第６８巻第４号，１０４６〜１
０５２頁（１９８０．１０）に記載されているように、
図６に示すような、楕円形のシェルを用いた屈曲伸び送
波器が知られている。この屈曲伸び型の低周波水中送波
器は、圧電磁器柱状体９が長軸方向に伸び変位をしたと
きに、楕円シェル１０が図６中の矢印で示すように、圧
電磁器柱状体９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り、ハイパワー送波に優れた送
波器とされている（図６には、矢印が楕円シェル１０の
周囲の４分の１部分だけ示されている）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示された屈曲伸び型の従来の低周波水中送波器の性能に
は、楕円シェル１０に対する強い形状異存性がある。す
なわち、長径ｂに比べて短径ａが小さい、換言すれば離
心率の大きな偏平な楕円シェル１０ほど、論理的には音
響整合性も良く、音響放射効率も良くなるわけではある
が、以下の理由により、この楕円シェル１０は任意の形
状をとることができない。まず第１に、形状が偏平にな
るほど応力が曲率の大きな部分近辺に集中すること、第
２に、圧電磁器柱状体９や電子機器の収納スペースをと
らなければならないことからである。このようなことか
ら、実用上、長径に対する短径の比ａ／ｂを０．３以下
にすることは不可能である。従って、圧電磁器柱状体９
の変位に対して楕円シェル１０の最大に変位する部分は
短軸の部分であり、この部分はせいぜい５〜７倍の変位
が発生するにすきない。また、大深度での使用が多いこ
とから、耐水耐性に優れたものであることが要求され
る。

【０００７】本発明の目的は、圧電磁器の変位を大幅に
拡大できる変位拡大機能を有しハイパワー特性および耐
水耐性に優れた低周波水中送波器を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の低周波水中送波
器は、電極に供給された信号に従って所定のモードで振
動する短円筒状の少なくとも１つの電圧磁器リングと、
内側面を前記圧電磁器リングの外側面に接着固定し、こ
の圧電磁器リングの振動に従って所定の振動を行う金属
円筒と、この金属円筒の両端部の外側面それぞれに両端
部の内側面それぞれを接着固定し両端部からの中間点近
傍で外側にふくらむコンベックス状に形成されて所定の
剛性をもつ円筒シェルとを有している。

【０００９】また、円筒シェルに代えて、金属円筒の両
端部の開口部それぞれに内側の面の周縁部をそれぞれ接
着固定し中央部近傍で内側にへこむコンケーブ状に形成
されて所定の剛性をもつ２枚の円板シェルを設けて構成
され、更に、円筒シェル及び２つの円板シェルを備えて
構成される。

【００１０】また、露出表面全面を所定の樹脂で覆って
水密保持する樹脂外装を設けて構成される。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

【００１２】図１は本発明の第１の実施例を示す部分断
面斜視図である。

【００１３】圧電磁器リング１ａ，１ｂは、その上下の
面に電極が形成されかつ厚み方向に分極が施され、これ
ら電極に信号（電圧）が印加されると径方向のひろがり
振動を発生する（破線矢印）。

【００１４】金属円筒２は、その両端部の内側面の一方
に圧電磁器リング１ａ，他方に圧電磁器リング１ｂそれ
ぞれの外側面が強力接着剤により接着固定されている。
この金属円筒２の外側には、その両端部の外側面それぞ
れに両端部の内側面それぞれをボルト及び接着剤により
接着固定し、両端部からの中間点近傍で外側にふくらむ
コンベックス状に形成された円筒シェル３が設けられて
いる。

【００１５】この実施例においては、２つの圧電磁器リ
ング１ａ，１ｂに同時に同相の信号（電圧）を印加する
ことにより、径方向に同相のひろがり振動が励振され、
さらにその径ひろがり振動はポアソン比に応じて金属円
筒２の軸方向の伸縮振動を引き起こす。この伸縮振動に
より、コンベックス状の円筒シェル３もまた伸縮し、こ
の結果、座屈作用を起こす。２つの圧電磁器リング１
ａ，１ｂがその径ひろがり振動により図１の破線矢印で
示すように径方向外側に変位したとすると、金属円筒２
は図１の破線二重矢印で示す方向に収縮し、さらに円筒
シェル３は座屈作用により図１の太矢印で示すように変
位する。このとき太矢印の変位は、破線矢印で示す圧電
磁器リングの変位に比べ、大きく拡大されることにな
る。またさらに、径ひろがり振動と円筒シェル３の座屈
作用とは媒質排除の目的において同相に振動することに
なり、送波器として大音圧放射が可能となる。

【００１６】また、円筒シェル３の剛性，曲率及び厚み
等は、有限要素法により解析されて耐水圧性に優れ、か
つ座屈作用の起りやすい柔軟性をもつように設計されて
おり、従って耐水圧性の要求を満足することができる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施例を示す部分断
面斜視図である。

【００１８】この実施例では、第１の実施例の円筒シェ
ル３の代りに金属円筒２の両端部の開口部それぞれに内
側の面の周縁部をそれぞれ強力接着剤等により接着固定
し、中央部近傍で内側にへこむコンケーブ状に形成され
た２枚の円板シェル４ａ，４ｂが設けられている。

【００１９】この実施例においても、第１の実施例と同
様に、圧電磁器リング１ａ，１ｂと金属円筒２とは一体
で複合径ひろがり振動を引き起こす。この複合径ひろが
り振動により円板シェル４ａ，４ｂは径方向に伸縮し、
座屈作用を起こす。圧電磁器リング１ａ，１ｂ及び金属
円筒２の系が、その複合径ひろがり振動により図２の破
線矢印で示すように径方向外側に変位したとすると、円
板シェル４ａ，４ｂは座屈作用により図１の太矢印で示
すように変位する。このとき太矢印の変位は、破線矢印
で示す圧電磁器リング１ａ，１ｂの変位に比べ、大きく
拡大されることになる。円筒の径ひろがり振動と円板シ
ェル４ａ，４ｂの座屈作用とは媒質排除の目的におい
て、同相に振動することになり、送波器全体は呼吸球の
如く振動し、球面放射が可能となる。すなわち、単位放
射面積当たりの放射インピーダンスが大きくなるため、
従来の円筒状圧電磁器による送波器あるいは屈曲伸び型
の送波器に比べて、非常に広帯域でかつ、大音圧放射が
可能となる。

【００２０】また、円板シェル４ａ，４ｂの剛性，曲率
及び厚み等は、第１の実施例と同様に、有限要素法によ
り解析，設計され、同様の作用効果をもっている。

【００２１】図３は本発明の第３の実施例を示す部分断
面斜視図である。

【００２２】この実施例は、前述の第１及び第２の実施
例を組合せたものであり、これら実施例を同様の作用効
果をもち、より一層の球面放射が可能となり、非常に広
帯域かつ大音圧の放射が可能となる。

【００２３】なお、これら実施例において、圧電磁器リ
ング１ａ，１ｂにはジルコンチタン酸鉛系圧電磁器を、
金属円筒２，円筒シェル３及び円筒シェル４ａ，４ｂに
は軽量かつ高剛性のアルミニウム合金を適用した。ま
た、圧電磁器リング１ａ，１ｂは４層積層型とした。こ
こで、これら実施例において、送波器の駆動源として２
つの圧電磁器リング１ａ，１ｂで構成されているように
描いているが、圧電磁器リングは２つに限る必要がない
ことは言うまでもない。

【００２４】図４は本発明の第４の実施例を示す部分断
面斜視図である。

【００２５】この実施例は、第１の実施例に加え、露出
表面全面を肉厚約３ｍｍのウレタン樹脂でモールドして
水密保持するための樹脂外装を設けたものである。

【００２６】この実施例においては、外径２４０ｍｍ、
内径１６０ｍｍ、高さ１５０ｍｍとし、圧電磁器リング
１ａ，１ｂの積層厚を３６ｍｍとしている。また、円筒
シェル３は、有限要素法を用いて解析し、コンプライア
ンスと剛性とのバランスを考慮し、その厚さを５ｍｍと
している。

【００２７】そしてこの実施例では空気中での共振周波
数は２８４３Ｈｚであり、また圧電磁器リング１ａ，１
ｂの径方向変位に対し、円筒シェル３の中心部分で径方
向に約３４倍の変位が得られた。

【００２８】次にこれを水槽にい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、１３６２Ｈｚにおいて１９７ｄＢｒｅ１μＰ
ａの音圧が得られた。また水中でのＱ値も５．８３とか
なり低い値が得られ、指向性については、ほとんど無指
向性であった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、金属円筒
の内側面に接着固定する圧電磁器リングを設け、この金
属円筒の外側には両端部を接着固定するコンベックス状
の円筒シェルを設けるか、金属円筒の両端部開口面に接
着固定するコンケーブ状の円板シェルを設けるか、或は
これら円筒シェル，円板シェルの両方を設ける構造と
し、これら円筒シェル，円板シェルの曲率，肉厚，剛性
等を有限要素法により決定する構成とすることにより、
圧電磁器リングの変化が拡大されてハイパワー特性及び
耐水圧特性に優れた低周波水中送波器を得ることができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す部分断面斜視図で
ある。

【図２】本発明の第２の実施例を示す部分断面斜視図で
ある。

【図３】本発明の第３の実施例を示す部分断面斜視図で
ある。

【図４】本発明の第４の実施例を示す部分断面斜視図で
ある。

【図５】従来の円筒状圧電磁器による送波器を示す斜視
図である。

【図６】従来の屈曲伸び型の低周波水中送波器を示す断
面図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 圧電磁器リング ２ 金属円筒 ３ 円筒シェル ４ａ，４ｂ 円筒シェル ５ 樹脂外装 ６ 圧電磁器円筒 ７ａ，７ｂ 電極 ９ 圧電磁器柱状体 １０ 楕円シェル

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極に供給された信号に従って所定のモ
   ードで振動する短円筒状の少なくとも１つの電圧磁器リ
   ングと、内側面を前記圧電磁器リングの外側面に接着固
   定し、この圧電磁器リングの振動に従って所定の振動を
   行う金属円筒と、この金属円筒の両端部の外側面それぞ
   れに両端部の内側面それぞれを接着固定し両端部からの
   中間点近傍で外側にふくらむコンベックス状に形成され
   て所定の剛性をもつ円筒シェルとを有することを特徴と
   する低周波水中送波器。
2. 【請求項２】 円筒シェルに代えて、金属円筒の両端部
   の開口部それぞれに内側の面の周縁部をそれぞれ接着固
   定し中央部近傍で内側にへこむコンケーブ状に形成され
   て所定の剛性をもつ２枚の円板シェルを設けた請求項１
   記載の低周波水中送波器。
3. 【請求項３】 金属円筒の両端部の開口部それぞれに内
   側の面の周縁部をそれぞれ接着固定し中央部近傍で内側
   にへこむコンケーブ状に形成されて所定の剛性をもつ２
   枚の円板シェルを設けた請求項１記載の低周波水中送波
   器。
4. 【請求項４】 露出表面全面を所定の樹脂で覆って水密
   保持する樹脂外装を設けた請求項１又は請求項２又は請
   求項３記載の低周波水中送波器。