JP2830964B2 - 広帯域ランダム周波数超音波発生装置 - Google Patents
広帯域ランダム周波数超音波発生装置Info
- Publication number
- JP2830964B2 JP2830964B2 JP4198015A JP19801592A JP2830964B2 JP 2830964 B2 JP2830964 B2 JP 2830964B2 JP 4198015 A JP4198015 A JP 4198015A JP 19801592 A JP19801592 A JP 19801592A JP 2830964 B2 JP2830964 B2 JP 2830964B2
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- Japan
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- ultrasonic
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広帯域ランダム周波数
の超音波を発生する装置に係わり、特に、装置の小型化
と低消費電力化に好適な広帯域ランダム周波数超音波発
生装置に関する。
の超音波を発生する装置に係わり、特に、装置の小型化
と低消費電力化に好適な広帯域ランダム周波数超音波発
生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】パルス超音波を水中に放射し、標的（水
底、魚群など）からの反射音波を受信して標的の有無、
距離、方向などを検出する水中超音波応用装置がある。
通常、これらの装置に使用される超音波は、装置ごとに
異なる特有の単一周波数のものが用いられるが、このほ
か単一周波数だけではなく、２周波数とか３周波数など
複数の周波数の超音波を用いる装置も利用されており、
また、周波数変調を行う場合もある。
底、魚群など）からの反射音波を受信して標的の有無、
距離、方向などを検出する水中超音波応用装置がある。
通常、これらの装置に使用される超音波は、装置ごとに
異なる特有の単一周波数のものが用いられるが、このほ
か単一周波数だけではなく、２周波数とか３周波数など
複数の周波数の超音波を用いる装置も利用されており、
また、周波数変調を行う場合もある。
【０００３】一方、以上に述べた特有周波数を取り扱う
装置だけでなく、広帯域周波数の超音波を発生させる装
置も利用されている。この場合、規定された周波数帯域
にわたって単一周波数のスペクトラムを時間的に均一化
したものとなるようランダム周波数の超音波を発生させ
る。これらの装置は、広帯域雑音発生を目的に利用され
たり、また、受信周波数の異なる多数の受信装置への同
時情報伝達のために利用される。
装置だけでなく、広帯域周波数の超音波を発生させる装
置も利用されている。この場合、規定された周波数帯域
にわたって単一周波数のスペクトラムを時間的に均一化
したものとなるようランダム周波数の超音波を発生させ
る。これらの装置は、広帯域雑音発生を目的に利用され
たり、また、受信周波数の異なる多数の受信装置への同
時情報伝達のために利用される。
【０００４】超音波を発生する方法については、例えば
文献「やさしい超音波工学（川端昭著、工業調査会発
行）」などに詳しく述べられているが、以下に簡単に説
明する。なお、振動子材料としては、チタン酸バリウ
ム、ジルコン酸・チタン酸鉛などの圧電セラミック材料
が多用されている。図４に示すように、圧電セラミック
を使用した圧電振動子９の電気的等価回路は、容量１０
０（Ｃd）、容量１０２（Ｃ1）、インダクタンス１０１
（Ｌ1）及び抵抗１０３（Ｒ1）により表すことができ
る。圧電振動子９の２端子間アドミッタンス特性は、詳
しくは前述の文献等に述べられているが、例えば図５に
示すようになる。すなわち、圧電振動子９の２端子間ア
ドミッタンスが最大及び最小となる周波数（それぞれ共
振周波数、反共振周波数と呼ぶ）が存在し、図において
ｆrが共振周波数、ｆaが反共振周波数である。これらに
対応した角周波数をωr，ωaとすると、ωr，ωaは次式
により求められる。
文献「やさしい超音波工学（川端昭著、工業調査会発
行）」などに詳しく述べられているが、以下に簡単に説
明する。なお、振動子材料としては、チタン酸バリウ
ム、ジルコン酸・チタン酸鉛などの圧電セラミック材料
が多用されている。図４に示すように、圧電セラミック
を使用した圧電振動子９の電気的等価回路は、容量１０
０（Ｃd）、容量１０２（Ｃ1）、インダクタンス１０１
（Ｌ1）及び抵抗１０３（Ｒ1）により表すことができ
る。圧電振動子９の２端子間アドミッタンス特性は、詳
しくは前述の文献等に述べられているが、例えば図５に
示すようになる。すなわち、圧電振動子９の２端子間ア
ドミッタンスが最大及び最小となる周波数（それぞれ共
振周波数、反共振周波数と呼ぶ）が存在し、図において
ｆrが共振周波数、ｆaが反共振周波数である。これらに
対応した角周波数をωr，ωaとすると、ωr，ωaは次式
により求められる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
【数２】
【０００７】この圧電振動子９を駆動する方法として
は、図４の電気的等価回路に示した容量１００（Ｃｄ）
と共振する共振型駆動回路方式が多用されている。この
とき、その共振周波数は当然ｆａとするのが駆動回路と
しては効率的である。これにより、単一周波数の超音波
が発生する。
は、図４の電気的等価回路に示した容量１００（Ｃｄ）
と共振する共振型駆動回路方式が多用されている。この
とき、その共振周波数は当然ｆａとするのが駆動回路と
しては効率的である。これにより、単一周波数の超音波
が発生する。
【０００８】しかしながら、本発明が係わる広帯域な周
波数の超音波を発生させる方法としては、上記した図５
に示される共振特性は障害となる。すなわち、対象とす
る周波数帯域内にｆr，ｆaが存在すると、発生する超音
波の音圧レベルの周波数に対する変動が大きくなるとい
う問題が生じる。また、対象とする周波数帯域外にｆ
r，ｆaがくるようにすると、共振周波数帯域より遠くは
ずれる帯域における音圧レベルが小さくなり、特に、発
生する周波数が広帯域の場合には、これが顕著になると
いう問題がある。この問題の解決策の一つとして、振動
子の構成方法を工夫して広帯域化する方法が考えられて
いる（例えば、「音響整合板を有する広帯域ハイパワー
水中超音波トランスジューサ」、海洋音響研究会論文
集、昭和６３年５月）。ただし、この方法による広帯域
化には限界があり、使用周波数範囲が限られる。
波数の超音波を発生させる方法としては、上記した図５
に示される共振特性は障害となる。すなわち、対象とす
る周波数帯域内にｆr，ｆaが存在すると、発生する超音
波の音圧レベルの周波数に対する変動が大きくなるとい
う問題が生じる。また、対象とする周波数帯域外にｆ
r，ｆaがくるようにすると、共振周波数帯域より遠くは
ずれる帯域における音圧レベルが小さくなり、特に、発
生する周波数が広帯域の場合には、これが顕著になると
いう問題がある。この問題の解決策の一つとして、振動
子の構成方法を工夫して広帯域化する方法が考えられて
いる（例えば、「音響整合板を有する広帯域ハイパワー
水中超音波トランスジューサ」、海洋音響研究会論文
集、昭和６３年５月）。ただし、この方法による広帯域
化には限界があり、使用周波数範囲が限られる。
【０００９】また別の解決策の一つとして、広帯域周波
数超音波発生装置をそれぞれ共振周波数の異なる複数個
の振動子を用いて構成し、これらの振動子を同時に駆動
するという公知の技術がある。この技術を具体化した装
置の例を図６に示す。図６において、ランダム周波数信
号発生器１０４にて広帯域な周波数成分をもつ信号を発
生させ、この信号をバンドパスフィルタ１１１〜１１４
により周波数帯域分割して、対応する帯域の駆動回路１
２１〜１２４に加え、振動子１３１〜１３４より広帯域
な超音波を発生させる。
数超音波発生装置をそれぞれ共振周波数の異なる複数個
の振動子を用いて構成し、これらの振動子を同時に駆動
するという公知の技術がある。この技術を具体化した装
置の例を図６に示す。図６において、ランダム周波数信
号発生器１０４にて広帯域な周波数成分をもつ信号を発
生させ、この信号をバンドパスフィルタ１１１〜１１４
により周波数帯域分割して、対応する帯域の駆動回路１
２１〜１２４に加え、振動子１３１〜１３４より広帯域
な超音波を発生させる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のうち、
音響整合板による広帯域化は、例えば２０ｋＨzから６
０ｋＨzと高域と低域の帯域幅比が３程度を限界とす
る。従って、この比が３以上を必要とする場合には、こ
の技術では対応ができない。
音響整合板による広帯域化は、例えば２０ｋＨzから６
０ｋＨzと高域と低域の帯域幅比が３程度を限界とす
る。従って、この比が３以上を必要とする場合には、こ
の技術では対応ができない。
【００１１】一方、従来の複数個の振動子を備えて構成
した超音波発生装置においては、複数の駆動回路を同時
に動作させるため、必要とする電力が大きくなるという
問題がある。すなわち、周波数帯域が広がると、それに
比例して駆動回路数が増え、それに伴って必要とする電
力及び電力消費量が増えることになる。このことは、装
置の小型化と低消費電力化を進めるに際し障害となるの
で、この障害を取り除くことが大きな課題となる。
した超音波発生装置においては、複数の駆動回路を同時
に動作させるため、必要とする電力が大きくなるという
問題がある。すなわち、周波数帯域が広がると、それに
比例して駆動回路数が増え、それに伴って必要とする電
力及び電力消費量が増えることになる。このことは、装
置の小型化と低消費電力化を進めるに際し障害となるの
で、この障害を取り除くことが大きな課題となる。
【００１２】本発明の目的は、上記課題を解決し、装置
の小型化と低消費電力化が可能な広帯域ランダム周波数
超音波発生装置を提供することにある。
の小型化と低消費電力化が可能な広帯域ランダム周波数
超音波発生装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、複数個の振動子を備えた広帯域ランダム周
波数の超音波を発生する装置において、該複数個の振動
子を時分割にて駆動するようにしたものである。
成するため、複数個の振動子を備えた広帯域ランダム周
波数の超音波を発生する装置において、該複数個の振動
子を時分割にて駆動するようにしたものである。
【００１４】
【作用】上記構成により、時分割によって分割された時
間内においてランダム周波数帯域を狭くすることが可能
となり、超音波発振のエネルギーは周波数帯域が狭くな
った分だけ小さくなるため、駆動回路の消費電力は小さ
くなる。以下に、その理由を説明する。説明を簡単にす
るため、帯域全域でスペクトラムレベルが同一と考え、
このスペクトラムレベルをＳＰＬ（dＢ）とすると、周
波数帯域幅Ｗ（Ｈz）の帯域レベルＢＬ（dＢ）は次式で
表される。
間内においてランダム周波数帯域を狭くすることが可能
となり、超音波発振のエネルギーは周波数帯域が狭くな
った分だけ小さくなるため、駆動回路の消費電力は小さ
くなる。以下に、その理由を説明する。説明を簡単にす
るため、帯域全域でスペクトラムレベルが同一と考え、
このスペクトラムレベルをＳＰＬ（dＢ）とすると、周
波数帯域幅Ｗ（Ｈz）の帯域レベルＢＬ（dＢ）は次式で
表される。
【００１５】
【数３】
【００１６】ただし、音圧レベルの０dＢは１μＰaを基
準とする。式（３）から、周波数帯域幅Ｗを小さくする
と、音圧（レベル）パワーがそれに伴って減少すること
は明らかである。
準とする。式（３）から、周波数帯域幅Ｗを小さくする
と、音圧（レベル）パワーがそれに伴って減少すること
は明らかである。
【００１７】一方、分割された時間単位では、周波数帯
域の狭い超音波が発生することになるが、このことは、
この分割時間間隔が狭ければ、実用上なんら障害とはな
らない。その理由は、一般的に、超音波を受信するシス
テムにおいては、ある時間間隔に受信した超音波エネル
ギーを積分して、その有無を弁別する方式をとっている
ためである。すなわち、この受信システムの受信時間長
よりも短い時間内においてすべての帯域の超音波が発生
するように分割時間を設定しておけば、実用上の問題は
発生しない。一般的に、この受信時間は１００ミリ秒〜
１秒であるので、上記の設定は通常の技術で十分実現可
能である。
域の狭い超音波が発生することになるが、このことは、
この分割時間間隔が狭ければ、実用上なんら障害とはな
らない。その理由は、一般的に、超音波を受信するシス
テムにおいては、ある時間間隔に受信した超音波エネル
ギーを積分して、その有無を弁別する方式をとっている
ためである。すなわち、この受信システムの受信時間長
よりも短い時間内においてすべての帯域の超音波が発生
するように分割時間を設定しておけば、実用上の問題は
発生しない。一般的に、この受信時間は１００ミリ秒〜
１秒であるので、上記の設定は通常の技術で十分実現可
能である。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。図１は該実施例の広帯域ランダム周波数超音波発
生装置の構成を示すブロック図である。図において、ラ
ンダム周波数信号発生器１から広帯域な周波数成分をも
つ信号を発生させ、この信号をバンドパスフィルタ２１
〜２４により周波数帯域を分割する。そして、バンドパ
スフィルタ２１〜２４の後段にそれぞれスイッチ３１〜
３４を設け、このスイッチ３１〜３４を時分割にて開閉
させて、帯域ごとの信号を順次対応する駆動回路４１〜
４４に加え、振動子５１〜５４によりランダム周波数の
超音波を発生させる。なお、図中、６はスイッチの選択
開閉制御を行うタイミング制御回路である。
する。図１は該実施例の広帯域ランダム周波数超音波発
生装置の構成を示すブロック図である。図において、ラ
ンダム周波数信号発生器１から広帯域な周波数成分をも
つ信号を発生させ、この信号をバンドパスフィルタ２１
〜２４により周波数帯域を分割する。そして、バンドパ
スフィルタ２１〜２４の後段にそれぞれスイッチ３１〜
３４を設け、このスイッチ３１〜３４を時分割にて開閉
させて、帯域ごとの信号を順次対応する駆動回路４１〜
４４に加え、振動子５１〜５４によりランダム周波数の
超音波を発生させる。なお、図中、６はスイッチの選択
開閉制御を行うタイミング制御回路である。
【００１９】図２に、上記スイッチの開閉のタイミング
の一例を示す。まず、スイッチ３１（Ｓｗ（１））が閉
じることにより、振動子５１がｆ11〜ｆ12の帯域のラン
ダム周波数の超音波を発生する。次いで、スイッチ３１
が開放すると同時にスイッチ３２（Ｓｗ（２））が閉
じ、振動子５２がｆ21〜ｆ22の帯域のランダム周波数の
超音波を発生する。以下同様に、スイッチ３３（Ｓｗ
（３））、スイッチ３４（Ｓｗ（ｎ））が順次閉じてい
く。この様子を時間軸で表したのが図２である。
の一例を示す。まず、スイッチ３１（Ｓｗ（１））が閉
じることにより、振動子５１がｆ11〜ｆ12の帯域のラン
ダム周波数の超音波を発生する。次いで、スイッチ３１
が開放すると同時にスイッチ３２（Ｓｗ（２））が閉
じ、振動子５２がｆ21〜ｆ22の帯域のランダム周波数の
超音波を発生する。以下同様に、スイッチ３３（Ｓｗ
（３））、スイッチ３４（Ｓｗ（ｎ））が順次閉じてい
く。この様子を時間軸で表したのが図２である。
【００２０】上記の関係を周波数領域で示すと、例えば
図３のようになる。図３は、広帯域超音波の周波数の下
限をｆ11、上限をｆn2とし、ｆ11〜ｆn2の間をｎ分割し
た例である。例えば、図２の例で示すＳｗ（１）の閉じ
ている間に、１／ｎ帯域幅、すなわち図３に示すｆ11〜
ｆ12の超音波を発生させ、以下順次、ｆ21〜ｆ22，ｆ31
〜ｆ32，……，ｆn1〜ｆn2の超音波を時分割で発生させ
ることにより、ｆ11〜ｆn2の帯域の超音波を実用上問題
のない時間内で発生させることができる。なお、上記の
例えばｆ11〜ｆ12の帯域幅は、必要な全体帯域幅ｆ11〜
ｆn2のちょうどｎ等分の１でなくてもよく、実用範囲内
で、例えばｆ11〜ｆ12とｆ21〜ｆ22，……，ｆn1〜ｆn2
を異なる帯域幅とすることもできる。
図３のようになる。図３は、広帯域超音波の周波数の下
限をｆ11、上限をｆn2とし、ｆ11〜ｆn2の間をｎ分割し
た例である。例えば、図２の例で示すＳｗ（１）の閉じ
ている間に、１／ｎ帯域幅、すなわち図３に示すｆ11〜
ｆ12の超音波を発生させ、以下順次、ｆ21〜ｆ22，ｆ31
〜ｆ32，……，ｆn1〜ｆn2の超音波を時分割で発生させ
ることにより、ｆ11〜ｆn2の帯域の超音波を実用上問題
のない時間内で発生させることができる。なお、上記の
例えばｆ11〜ｆ12の帯域幅は、必要な全体帯域幅ｆ11〜
ｆn2のちょうどｎ等分の１でなくてもよく、実用範囲内
で、例えばｆ11〜ｆ12とｆ21〜ｆ22，……，ｆn1〜ｆn2
を異なる帯域幅とすることもできる。
【００２１】前述の図１に示した構成は、本発明の一つ
の実施例を示したものであり、これ以外の構成もいろい
ろと考えられる。例えば、スイッチ３１〜３４を置く位
置については、図１に示す位置のほか、バンドパスフィ
ルタ２１〜２４の前段に置くことや、駆動回路４１〜４
４の後段に置くことも可能であり、いずれの場合も全く
同じ機能が得られる。
の実施例を示したものであり、これ以外の構成もいろい
ろと考えられる。例えば、スイッチ３１〜３４を置く位
置については、図１に示す位置のほか、バンドパスフィ
ルタ２１〜２４の前段に置くことや、駆動回路４１〜４
４の後段に置くことも可能であり、いずれの場合も全く
同じ機能が得られる。
【００２２】また、図１において、各スイッチ３１〜３
４はタイミング制御回路６により決められた切換えタイ
ミングで開閉するが、そのタイミングは図２に示す順番
どおりのもののみに限定されるものではなく、このタイ
ミング順序もランダムとすることができる。さらに、同
一時刻において開閉するスイッチを一つだけに限定する
必要はなく、同時に二つあるいは三つなど複数のスイッ
チの開閉を行うことも可能である。
４はタイミング制御回路６により決められた切換えタイ
ミングで開閉するが、そのタイミングは図２に示す順番
どおりのもののみに限定されるものではなく、このタイ
ミング順序もランダムとすることができる。さらに、同
一時刻において開閉するスイッチを一つだけに限定する
必要はなく、同時に二つあるいは三つなど複数のスイッ
チの開閉を行うことも可能である。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、ランダム周波数帯域を
複数に分割し、複数個の振動子を用いて超音波を発生さ
せることによって、従来の単一振動子の広帯域化だけで
は達成できない広帯域なランダム周波数の超音波を発生
できるとともに、ランダム周波数帯域を時分割化して超
音波を発生させることにより、装置の小型化と消費電力
の低減に顕著な効果が得られる。
複数に分割し、複数個の振動子を用いて超音波を発生さ
せることによって、従来の単一振動子の広帯域化だけで
は達成できない広帯域なランダム周波数の超音波を発生
できるとともに、ランダム周波数帯域を時分割化して超
音波を発生させることにより、装置の小型化と消費電力
の低減に顕著な効果が得られる。
【図１】本発明による広帯域ランダム周波数超音波発生
装置の一実施例の構成を示すブロック図である。
装置の一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すスイッチ３１〜３４の開閉のタイミ
ングの一例を示す図である。
ングの一例を示す図である。
【図３】該実施例における広帯域超音波の音圧レベル・
周波数特性の一例を示す図である。
周波数特性の一例を示す図である。
【図４】圧電振動子及びその電気的等価回路を示す図で
ある。
ある。
【図５】圧電振動子のアドミッタンス・周波数特性を示
す図である。
す図である。
【図６】従来の広帯域ランダム周波数超音波発生装置の
構成を示すブロック図である。
構成を示すブロック図である。
１…ランダム周波数信号発生器 ２１〜２４…バンドパスフィルタ ３１〜３４…スイッチ ４１〜４４…駆動回路 ５１〜５４…振動子 ６…タイミング制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−113098（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−250390（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−107204（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−301783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−35571（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−308987（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−40582（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−238386（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/64 G01S 15/00 - 15/96
Claims (3)
- 【請求項１】広帯域ランダム周波数信号を発生する信号
発生器と、該信号発生器からの信号の周波数帯域を複数
に分割する手段と、分割された各周波数帯域ごとに設け
られた、その帯域に適した超音波発生振動子と、各超音
波発生振動子にそれぞれ接続された対応する駆動回路
と、前記超音波発生振動子を時分割にて駆動する手段と
で構成されたことを特徴とする広帯域ランダム周波数超
音波発生装置。 - 【請求項２】請求項１に記載の広帯域ランダム周波数超
音波発生装置において、超音波発生振動子を時分割にて
駆動する手段が、超音波発生振動子と対応する駆動回路
とを含む回路中にそれぞれ設けられた複数のスイッチ
と、該複数のスイッチを選択開閉制御する手段とからな
ることを特徴とする広帯域ランダム周波数超音波発生装
置。 - 【請求項３】請求項２に記載の広帯域ランダム周波数超
音波発生装置において、スイッチを選択開閉制御する手
段により、超音波の周波数帯域成分の組み合わせ及び発
生タイミングを選択制御することを特徴とする広帯域ラ
ンダム周波数超音波発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4198015A JP2830964B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 広帯域ランダム周波数超音波発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4198015A JP2830964B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 広帯域ランダム周波数超音波発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0643239A JPH0643239A (ja) | 1994-02-18 |
| JP2830964B2 true JP2830964B2 (ja) | 1998-12-02 |
Family
ID=16384098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4198015A Expired - Lifetime JP2830964B2 (ja) | 1992-07-24 | 1992-07-24 | 広帯域ランダム周波数超音波発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2830964B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100746477B1 (ko) * | 2006-03-07 | 2007-08-03 | 유수엽 | 초음파 진동자 구동 회로 |
-
1992
- 1992-07-24 JP JP4198015A patent/JP2830964B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0643239A (ja) | 1994-02-18 |
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