JP2666730B2 - 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、特に遠距離ソーナー，海洋資源探査などの、低周波
帯，大深度で使用可能な高出力の低周波水中送波器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】水中において、低周波帯の超音波は高周
波帯のそれ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、遠距離ソーナー，海洋資
源探査，海流の調査などの分野でこの低周波帯の超音波
を利用することは数々の長所がある。従来から、水中に
おいて強力超音波を放射する送波器としては、動電形送
波器と圧電形送波器とが知られている。動電形送波器は
大きな変位がとりうる反面、発生力が小さいことにより
低周波で小型のトランスジューサを得ることは極めて困
難である。また、圧電形送波器は、電気機械エネルギー
変換材料としてジルコンチタン酸鉛系の圧電磁器が用い
られている。この圧電機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。低周波になるに従い単位放射面積当たりの音響
放射インピーダンスが極めて小さくなることを考慮する
と、低周波で効率の良い音響放射を行うためには、圧電
磁器の変位をより一層拡大させて音響放射を行う必要が
ある。

【０００３】このような低周波帯でハイパワー送波の可
能な小型波器として、筆者らは特願平４−０２２５６０
にて出願中の屈曲円板型送波器を提案している。

【０００４】この屈曲円板型送波器は、図４に示すよう
に、表面及び裏面それぞれに電極１１を備えて円板状の
圧電磁器で形成され電極１１に印加される信号に応答し
て所定の振動を発生する２枚のアクティブ板円体１と、
表面側の中心部を中心とする凹部を備えこの凹部に２枚
のアクティブ円板体１の一方及び他方それぞれをはめ込
んで接着固定する２枚の金属ディスクｘと、これら金属
ディスク２ｘより低いヤング率の材料により外周輪郭が
これら金属ディスク２ｘと等しくかつ所定の厚さ及び幅
を持つように形成され両面を２枚の金属ディスク２ｘそ
れぞれの裏面側の周縁部に外周輪郭が一致するように接
着固定するリング３ｘと、２枚の金属ディスク２ｘとリ
ング３ｘとを貫通しこれらを互いに所定の強度で連結す
る複数のボルト５と、２枚の金属ディスク２ｘのアクテ
ィブ円板体１の表面を含む全表面を覆う２枚の保護板７
と、２枚のアクティブ円板体１，２枚の金属ディスク２
ｘ，リング３ｘ，複数のボルト５，及び２枚の保護板７
全体を覆うウレタン樹脂による水密保持，内部保護のた
めの外装樹脂８とを有する構成となっている。

【０００５】この屈曲円板型送波器は、アクティブ円板
体１を凹部にはめ込んだ金属ディスク２ｘから成る２枚
の円板状振動体の屈曲振動により音波の放射を行うもの
で、アクティブ円板体１の変位に対して、この円板状振
動体の屈曲変位は周縁部の支持により拡大されることに
なる。また、屈曲振動の支持端となる周縁部にヤング率
の低い材料のリング３ｘを配することで、さらに屈曲変
位の拡大を図っている。

【０００６】この屈曲円板型送波器は、有限要素法によ
る応力解析により、アクティブ円板体１の直径を送波器
全体の直径の６０〜７０％程度に決定することで、静水
圧下でアクティブ円板体１に対し、圧縮応力のみがかか
るようすることができる。しかし、このような構造では
使用深度において限界があり、せいぜい５００ｍ程度と
なっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この従来の低周波水中
送波器（屈曲円板型送波器）は、アクティブ円板体１を
表面側の凹部にはめ込んだ２枚の金属ディスク２ｘの裏
面側の周縁部を、ヤング率の低い材料のリング３ｘで支
持する構造となっているので、大出力が得られるもの
の、使用深度限界はせいぜい５００ｍ程度であり、大深
度（１０００ｍ以上）で使用可能な小型周波数送波器の
ニーズが高っている現在では、そのニーズに耐えないと
いう問題点がある。

【０００８】また、大深度使用においては、送波器に対
し出力補償を施す必要がある。図４に示された屈曲円板
型の低周波水中送波器の圧力補償の方法としては、その
内部に圧縮ガスを充満させ、内外圧のバランスをとる方
法が容易に考えられる。しかし、このような構造の場
合、その圧縮ガスにより送波器の放射面変位が抑制され
てしまい、共振周波数が高くなってしまうことや、変位
拡大率が不足し、ハイパワー送波ができない上、小型化
が困難であるという欠点がある。

【０００９】本発明の目的は、小型軽量でハイパワー特
性および耐水圧性に優れた低周波水中送波器を提供する
ことにある。

【００１０】

【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、表面及び裏面それぞれに電極を備えて円板状の圧
電磁器で形成され前記電極に印加される信号に応答して
所定の振動を発生する２枚のアクティブ円板体と、表面
側の中心部を中心とする凹部を備えこの凹部に前記２枚
のアクティブ円板体のうちの一方及び他方それぞれをは
め込んで接着固定する２枚の金属ディスクと、低音響イ
ンピーダンス・高強度材料により外周輪郭が前記２枚の
金属ディスクと等しくかつ所定の厚さ及び幅を持つよう
に形成され一方の面を前記２枚の金属ディスクそれぞれ
の裏面側の周縁部に外周輪郭が一致するように接着固定
する２枚の第１のリングと、高ヤング率材料により外周
輪郭が前記２枚の第１のリングと等しくかつ所定の厚さ
及び前記２枚の第１のリングより広い幅を持つように形
成され両面を前記２枚の第１のリングそれぞれの他方の
面に外周輪郭が一致するように接着固定する第２のリン
グと、前記２枚の金属ディスクの周縁部と前記２枚の第
１のリングと前記第２のリングとを貫通しこれらを互い
に所定の強度で連結する複数のボルトと、前記２枚の金
属ディスクと前記２枚の第１のリングと前記第２のリン
グとにより囲まれた空洞部に所定の圧力で封入された圧
縮ガスとを有している。

【００１１】また、２枚の金属ディスクの外径に対する
これら２枚の金属ディスクの裏面間の寸法の比をほぼ
０．０６５となるようにし、また、低音響インピーダン
ス・高強度材料を、オニオンスキンペーパーの積層形成
部材として構成される。

【００１２】

【作用】本発明においては、屈曲振動の支持部となる２
枚の金属ディスクの周縁部の間に、ヤング率の高い材料
で幅広く形成され、十分剛性の高い第２のリングと、こ
の第２のリングと２枚の金属ディスクとの間それぞれ
に、音響インピーダンスが低くかつ高強度な材料で形成
された２枚の第２のリングとを備えた構造となっている
ので、第２のリングが言わばつっかえ棒のような役割り
をはたし、かつその両面に配置された第１のリングは、
密度と弾性率の積で表わされる音響インピーダンスが低
いため、２枚の金属ディスクの屈曲振動は、より大きく
その変位が拡大されることになり、ハイパワー送波（高
出力）が可能となる。

【００１３】また、内部の空洞部には圧縮ガスを封入
し、圧力補償法を適用して大深度化のニーズに耐えるよ
うにすると共に、寸法の最適化をはかり、小型化と低周
波化，ハイパワー化とを両立させるようにしている。す
なわち、金属ディスクの直径をＤ．２枚の金属ディスク
間の寸法をｈとし、圧縮ガスの圧力を一定としたとき、
ｈ／Ｄを小さくして行くと、ある点から、水中の共振周
波数は急激に高くなり、また、送波パワーは急激に小さ
くなる傾向にある。そこで、共振周波数が急激に高くな
る手前、送振パワーが急激に小さくなる手前でかつ極力
小型化できるｈ／Ｄを選定し、寸法の最適化をはかって
いる。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明の一実施例を示す部分断面斜
視図である。

【００１６】この実施例は、表面及び裏面それぞれに電
極１１を備えて円板状の圧電磁器で形成され電極１１に
印加される信号に応答して所定の振動を発生する２枚の
アクティブ円板体１と、表面側の中心部を中心とする凹
部を備えこの凹部に２枚のアクティブ円板体１のうちの
一方及び他方それぞれをはめ込んで強力接着剤で接着固
定する２枚の金属ディスクと、低音響インピーダンス・
高強度材料により外周輪郭が２枚の金属ディスク１と等
しくかつ所定の厚さ及び幅を持つように形成され一方の
面を２枚の金属ディスク１それぞれの裏面側の周縁部に
外周輪郭が一致するように強力接着剤で接着固定する２
枚の第１のリング３と、高ヤング率材料により外周輪郭
が２枚の第１のリング３と等しくかつ所定の厚さ及び２
枚の第１のリング３より広い幅を持つように形成され両
面を２枚の第１のリング３それぞれの他方の面に外周輪
郭が一致するように強力接着剤で接着固定する第２のリ
ング４と、２枚の金属ディスク２の周縁部と２枚の第１
のリング３と第２のリング４とを貫通しこれらを互いに
所定の強度で連結する複数のボルト５と、２枚の金属デ
ィスク２と２枚の第１のリング３と第２のリング４とに
より囲まれた空洞部に所定の圧力で封入された圧縮ガス
６とを有し、２枚の金属ディスク２の外径（Ｄ）に対す
るこれら２枚の金属ディスク２の裏面間の寸法（ｈ）の
比（ｈ／Ｄ）をほぼ０．０６５となるようにした構成と
なっている。

【００１７】更に詳しくは、アクティブ円板体１は直径
１５０ｍｍ，厚さ５ｍｍ，金属ディスク２は直径２００
ｍｍ，厚み１０ｍｍで凹部の深さ５ｍｍ，リング４は外
径２００ｍｍ，内径１７０ｍｍ，厚さ８ｍｍ，リング３
は外径２００ｍｍ，内径１６０ｍｍ，厚さ３ｍｍとし、
ｈ／Ｄを０．０７としている。また、アクティブ円板体
１にはジルコンチタン酸鉛系の圧電磁器、金属ディスク
２には機械的強度が大きな材料の高張力鋼などのアルミ
ニウム合金Ａ７０７５−Ｔ６、リング４にはステンレス
鋼ＳＵＳ３０４、リング３にはオニオンスキンペーパー
を積層したものを適用している。オニオンスキンペーパ
ーは音響インピーダンスが０．８２Ｍｒａｙｌであり、
媒質である水（１．５Ｍｒａｙｌ）よりも低くコンプラ
イアンスが大きいという特徴を持つと共に、強度的にも
高水圧下における圧縮力に対しても耐えうるほどに強
く、非常に丈夫である。

【００１８】また、ボルト締めの際には多少のコンプラ
イアンスをもたせるため、ボルト５に対し皿バネを挿入
している。さらに、空洞部には、大深度使用にも耐え得
るように圧力１００気圧の圧縮ガス６を充満させてい
る。なお、図１には示されていないが、この低周波水中
送波器の外周には、水密を保つため、従来例と同様にウ
レタン樹脂をモールドした外装樹脂が設けられている。

【００１９】次に、この実施例の動作及び作用効果につ
いて説明する。

【００２０】アクティブ円板体１が径ひろがり振動によ
り径方向にξ₁ だけ変位すると、２枚の金属ディスク２
の接合部分、すなわちリング３の部分が支持端となっ
て、アクティブ円板体１と金属ディスク２との一体系の
円板状振動体は中心軸において、ξ₂ だけ変位する。こ
のとき、ξ₂ はξ₁ に比べ拡大されていてξ₂ ＞ξ₁ と
なる。これが繰り返され、円板状振動体は屈曲振動をす
ることになる。このときの変位拡大効果は、低周波水中
送波器の媒質排除量の拡大を招き、大音圧の放射を可能
にする仕組みとなっている。

【００２１】本実施例では円板状振動体の屈曲振動の支
持部にヤング率の高い材料のリング４を１枚と、音響イ
ンピーダンスの低い材料のリング３を２枚配置してい
る。このような構造とすることで、次のような効果を図
っている。リング４は、ヤング率の高い材料で形成さ
れ、非常に剛性の高いものを適用している。これに対
し、これらリング４と２枚の金属ディスクとの間に配置
された２枚のリング３は音響インピーダンスが非常に低
く、かつ高強度な材料でできている。これにより、前述
したように、リング４は言わばつっかえ棒のような働き
をし、その上下面に配置された金属ディスク２の屈曲振
動は、リング３により上下両面で図４の従来例の構造よ
りも、より大きく変位が拡大されることになる。図２に
本実施例の支持端部分の変位モード図を示す（実線が振
動モード、破線が原形を表す）。なお、リング４はでき
るだけ剛性を強く持たせるため、寸法もリング３より大
きくすることが有効である。

【００２２】本実施例では、大深度使用にも耐えられる
ように圧縮ガス６を空洞部に充満させた圧力補償法を適
用しているが、さらに小型化と低周波化，ハイパワー化
とを両立させるための寸法上の制約について解析し、寸
法の最適化を施している。図３（Ｂ）は本実施例による
低周波水中送波器の断面とその寸法を示したもので、Ｄ
は円板状振動体の直径、ｈは空洞部の高さを表してい
る。 圧縮ガスの圧力を一定にして、ｈ／Ｄを小さくし
ていくと水中の共振周波数は大きくなり、また送波パワ
ーも小さくなる傾向がある。これは内部の圧縮ガスのコ
ンプライアンスが小さくなるために起こるものである。
したがって、小型化と低周波，ハイパワー化とを両立さ
せるためにはｈの最適値が存在する。図３（Ａ）はｈ／
Ｄ値に対する水中共振周波数と送波電圧感度の変化を解
析した結果を示したものである。共振周波数及び送波電
圧感度の値は、送波器内部のガス圧を常圧（大気圧）と
した時のそれぞれの値で規格化して表示している。これ
らには急激に変化する点があり、ｈ／Ｄが０．０６５以
上ならば比較的，低周波，ハイパワーの両面が実現でき
ることになる。従って、小型化と低周波化，ハイパワー
化とを両立させるためには、ｈ／Ｄの値を０．０６５付
近になるようにすることが望ましい。

【００２３】本実施例では０．０７とし、小型化と低周
波化，ハイパワー化とを両立させている。

【００２４】本実施例による低周波水中送波器の空気中
での共振周波数は１３２０Ｈｚであり、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、１２０７Ｈｚにおいて
１９７ｄＢｒｅｌμＰａの音圧が得られた。また、耐水
圧試験においても少なくとも１２０気圧程度までは耐え
うることがわかった。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、アクティ
ブ円板体及び金属ディスクから成る２枚の円板状振動体
の支持端部分を、高ヤング率材料による第２のリング
と、この第２のリングの両面と２枚の円板状振動体との
間それぞれに配置された低音響インピーダンス・高強度
材料による２枚の第１のリングとを備えた構成としたの
で、円板状振動体の屈曲振動の変位が拡大され、２枚の
円板状振動体及び第１，第２のリングで形成される空洞
部に高圧ガスを封入すると共に円板状振動体の直径に対
する空洞部の高さ（２枚の円板状振動体の間隔）の比を
０．０６５付近となるようにして小型化と低周波化，ハ
イパワー化とに対する最適寸法としたので、小型軽量で
ハイパワー特性及び耐水圧性（大深度特性）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】本発明の一実施例を示す部分断面斜視図であ
る。

【図２】図１に示された実施例の動作及び作用効果を説
明するための２枚の円板状振動体の支持端部分の変位の
モード図である。

【図３】２枚の円板状振動体の直径対間隔比を変化させ
たときの送波電圧感度及び共振周波数の特性図及び２枚
の円板状振動体の直径，間隔を表示した低周波水中送波
器の断面図である。

【図４】従来の低周波水中送波器の一例を示す部分断面
斜視図である。

【符号の説明】

１ アクティブ円板体 ２，２ｘ 金属ディスク ３，３ｘ，４ リング ５ ボルト ６ 圧縮ガス ７ 保護板 ８ 外装樹脂 １１ 電極

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面及び裏面それぞれに電極を備えて円
   板状の圧電磁器で形成され前記電極に印加される信号に
   応答して所定の振動を発生する２枚のアクティブ円板体
   と、表面側の中心部を中心とする凹部を備えこの凹部に
   前記２枚のアクティブ円板体のうちの一方及び他方それ
   ぞれをはめ込んで接着固定する２枚の金属ディスクと、
   低音響インピーダンス・高強度材料により外周輪郭が前
   記２枚の金属ディスクと等しくかつ所定の厚さ及び幅を
   持つように形成され一方の面を前記２枚の金属ディスク
   それぞれの裏面側の周縁部に外周輪郭が一致するように
   接着固定する２枚の第１のリングと、高ヤング率材料に
   より外周輪郭が前記２枚の第１のリングと等しくかつ所
   定の厚さ及び前記２枚の第１のリングより広い幅を持つ
   ように形成され両面を前記２枚の第１のリングそれぞれ
   の他方の面に外周輪郭が一致するように接着固定する第
   ２のリングと、前記２枚の金属ディスクの周縁部と前記
   ２枚の第１のリングと前記第２のリングとを貫通しこれ
   らを互いに所定の強度で連結する複数のボルトと、前記
   ２枚の金属ディスクと前記２枚の第１のリングと前記第
   ２のリングとにより囲まれた空洞部に所定の圧力で封入
   された圧縮ガス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】 ２枚の金属ディスクの外径に対するこれ
   ら２枚の金属ディスクの裏面間の寸法の比をほぼ０．０
   ６５となるようにした請求項１記載の低周波水中送波
   器。
3. 【請求項３】 低音響インピーダンス・高強度材料を、
   オニオンスキンペーパーの積層形成部材とした請求項１
   記載の低周波水中送波器。