JP2990238B2 - 連結円筒型送波器 - Google Patents

連結円筒型送波器

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JP2990238B2
JP2990238B2 JP9258051A JP25805197A JP2990238B2 JP 2990238 B2 JP2990238 B2 JP 2990238B2 JP 9258051 A JP9258051 A JP 9258051A JP 25805197 A JP25805197 A JP 25805197A JP 2990238 B2 JP2990238 B2 JP 2990238B2
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茂 吉川
博史 芝
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
NEC Corp
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
Nippon Electric Co Ltd
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【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水または海水など
の媒体中に音波を放射する電気音響変換器の一つであ
り、円筒内に充満する柱状の媒体による共振を利用して
円筒周囲の媒体中に音波を放射する円筒型送波器の複数
個を同一円筒軸上に直列に配し、複数のこれら円筒型送
波器の配列間隔を変化させることにより媒体柱の共振周
波数を可変設定する連結円筒型送波器に関し、特に、円
筒型送波器の配列間隔に従って変化する共振周波数の可
変幅を拡大できる連結円筒型送波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】まず、図２を参照して円筒状の圧電振動
子１の構造および動作について説明する。
【０００３】図２（Ａ）に示されるように、圧電振動子
１には、円筒状の圧電材１１の内周面１２および外周面
１３それぞれの電極にリード２が接続され、これら電極
間に電気信号を加えることにより機械的な共振が生じ、
周囲の媒体を介して音響出力を得ることができる。
【０００４】圧電振動子１で、高率の高い音響出力を得
るために内周面１２および外周面１３の電極に加える呼
吸モードによる機械的共振周波数ｆｒは、音速ｃおよび
円筒型圧電振動子１の平均直径ｄの場合、下記数式１に
より求められる。
【０００５】 ｆｒ＝ｃ／πｄ （１） 一方、水中に備えられる円筒型送波器の圧電振動子１で
は、防水のためシースにより全面が被覆されているが、
水中の円筒型送波器は、機械的共振周波数ｆｒの他に、
図２（Ｂ）に示されるように、円筒形状内部の水柱によ
る音響共振周波数Ｆｒを有する。音響共振周波数Ｆｒ
は、円筒内の中空部に流入する媒質の音速および弾性
率、並びに、圧電振動子１の内半径Ｒおよび弾性率によ
り決まる係数α1 、円筒形状端部の補正係数α2 ，
α3 ，α4 、また、圧電振動子１の軸方向の長さＬと
し、下記数式２および数式３により求められる。
【０００６】 Ｆｒ＝α1 ×（Ａ−Ａ2 −α2 ）／４π （２） Ａ＝α3 ×Ｌ／（２Ｒ）＋α4 （３） この音響共振周波数Ｆｒの電気信号により圧電振動子１
を駆動する場合には、円筒内部の媒体が共振し、円筒型
圧電振動子１の機械的共振と同様に効率の高い音響出力
を得ることができる。
【０００７】次に、図３および図４を併せ参照して、連
結された円筒型送波器の相互位置関係の変化による共振
周波数の変化について説明する。
【０００８】図３（Ａ）で示されるように、軸方向の長
さλを有する二つの円筒型送波器２１，２２を円筒軸方
向に十分な間隔ａをもって直列に配置し、水柱の共振周
波数ｆ1 を発生するように設定する。次いで、この状態
から、二つの円筒型送波器２１，２２の間隔ａを徐々に
近接させ、図３（Ｂ）に示されるように密着させる場
合、共振周波数ｆ1 は図４の曲線Ｃに示されるように徐
々に共振周波数ｆ2 まで減少する。
【０００９】ｎ個の円筒型圧電振動子１が密着した場合
には円筒形状の軸方向の長さλがｎ倍になるので、理論
値としての共振周波数には低い値の共振周波数ｆ1/ｎが
求められる。
【００１０】従来、この種の連結円筒型送波器では、図
５に示されるような単体の円筒型送波器１００が、円筒
型の圧電振動子１の内周面および外周面それぞれにリー
ド２を接続し、圧電振動子１の内周面、外周面および両
端面を合成樹脂などのシース１０３で被覆した防水構造
を有している。複数の円筒型送波器１００が連結設置さ
れた状態は図示されていないが、円筒型送波器１００そ
れぞれの中空部分に真水、海水などの媒体が流入できる
構造である。
【００１１】従って、密着した円筒型送波器１００の端
面接触部分では、水密保護のための合成樹脂などによる
モールド材が存在している。合成樹脂などによるモール
ド材は、音響的には水とほぼ同じと見做されるため、円
筒型送波器１００を密着させても圧電振動子１の間には
音響的な隙間が存在することは免れない。このため、図
４に示される曲線Ｃのように共振周波数ｆ1 から減少
し、密着した状態でも共振周波数ｆ2 しか得られず、理
論計算に基づく曲線Ｒの共振周波数ｆ0 と比較して共振
周波数の変化範囲がより狭い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の連結円
筒型送波器では、単体の円筒型送波器で、密着する端面
接触部分に存在する合成樹脂などによるモールド材を水
密保護のために除去できないので、円筒型送波器を密着
させても、音響的には水とほぼ同じと見做される合成樹
脂などによるモールド材の介在のため、圧電振動子の間
に音響的な隙間が存在することになり、水柱共振周波数
の変化範囲が大幅に狭まれるという問題点がある。
【００１３】本発明の課題は、この問題点を解決して、
円筒型送波器の配列間隔を変化させて水柱共振周波数を
可変とする際、円筒型送波器の水密を保護したうえ、水
柱共振周波数の変化範囲を理論計算値に近付けて広くと
ることができる連結円筒型送波器を提供することであ
る。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明による連結円筒型
送波器では、円筒内に充満する媒体柱の共振を利用して
前記円筒周囲の媒体中に音波を放射する円筒型送波器の
複数個を同一円筒軸上に直列に配し、前記円筒型送波器
の配列間隔を変化させることにより媒体柱の共振周波数
を可変設定する連結円筒型送波器において、前記円筒型
送波器が、円筒形状の圧電材の内周面および外周面を被
覆し少くとも前記媒体に対して絶縁機能を有するシース
と、前記媒体と比べて音響インピーダンスが十分に大き
くかつ円筒形状の前記シースおよび前記圧電材両者の少
くとも両端面を密着して被覆し前記圧電材が前記媒体と
接することを防止すると共に前記媒体に対して絶縁機能
を有する端面プレートとを備えている。
【００１５】また、更に、前記端面プレートが、前記シ
ースとの接触面で、シース材内部に突出し、前記媒体に
より前記シース材を押圧する方向と対抗する向きに先端
を有するＬ字型の鉤部を備えている。
【００１６】上記端面プレートに、媒体と比べて音響イ
ンピーダンスが十分に大きな、例えばアルミニウム等の
剛体を用いることにより、圧電振動子の密着度が上が
り、円筒型送波器が密着した際の共振周波数が理論計算
値に近付く。また、Ｌ字型の鉤部が、共振によるシース
の剥がれを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。連結円筒型送波器は、図示
を省略するが、単体の円筒型送波器を配列金具により円
筒軸を揃えかつ所望する共振周波数を発生する間隔をも
って配列した構造である。
【００１８】図１は本発明の単体の円筒型送波器におけ
る実施の一形態を示す断面斜視図である。図１に示され
た円筒型送波器１０では、円筒形の圧電振動子１に電源
供給用のリード２が接続され、内周面および外周面それ
ぞれの全面はシース３、またシース３および圧電振動子
１の両端面は端面プレート４、それぞれにより水など媒
体の侵入がないように接着されている。この構造によ
り、圧電振動子１は、全面をシース３および端面プレー
ト４により覆われている。
【００１９】シース３は合成樹脂などのモールドにより
形成され、また、端面プレート４は水などの媒体より音
響インピーダンスが十分に大きい材質、例えば、アルミ
ニウム等の剛体である。
【００２０】また、端面プレート４は円筒形の圧電振動
子１およびシース３の両端面を覆う大きさを有し、圧電
振動子１の内周面および外周面それぞれを覆うシース３
に密着する端面プレート４の面には、外圧と対向する方
向へ先端が向いたＬ字状の鉤部５がシース３に食い込ん
だ状態で設けられている。
【００２１】次に、図１に図２から図４までを併せ参照
して機能動作について説明する。
【００２２】図３（Ａ）に示されるように、二つの円筒
型送波器１０を十分に離れた位置に配列して圧電振動子
１に電圧を加えた場合、図２（Ｂ）に示されるように、
圧電振動子１は呼吸振動し、円筒内で円筒両端を振動の
腹とするような水柱共振が発生する。
【００２３】この際の共振周波数Ｆｒは、上記数式２に
より、積層接着された圧電振動子１と端面プレート４に
より形成される円筒の長さで決定される。二つの円筒型
送波器１０の配列間隔を、図３（Ａ）から密着する図３
（Ｂ）まで減少させる場合、二つの円筒型送波器１０の
間から漏れる音の量が減少し、構造的に一体化に近付く
ので共振周波数は低下する。
【００２４】二つの円筒型送波器１０の向かい合う端面
プレート４が密着して隙間がない場合、音響的にも隙間
がなくなり、図４に示される曲線Ｉのように、この状態
での発振周波数ｆ3 は、二つの円筒型送波器１０を重ね
合わせた全体の円筒長２Ｌにより決まる理論計算値の共
振周波数ｆ1 ／２＝ｆ0 に限りなく近付く。
【００２５】従って、連結円筒型送波器における水柱共
振周波数の可変範囲は、共振周波数ｆ1 からほぼ共振周
波数ｆ1 ／２まで広がる。
【００２６】また、水中の連結円筒型送波器に水圧が加
わった際、連結円筒型送波器を構成する複数の円筒型送
波器それぞれの水密を保護する合成樹脂などのモールド
材のシースは外圧を受けて圧縮されるが、シースに密着
する端面プレートの面には、外圧と対向する方向へ先端
が向いたＬ字状の鉤部がシースに食い込んだ状態で設け
られているので、圧縮されたシースは、この鉤部に引っ
掛かって剥がれない。従って、連結円筒型送波器の水密
を保つことができる。
【００２７】上記説明では、二つの円筒型送波器による
連結円筒型送波器を説明したが、二つを越える複数の場
合も、同様に、上記機能を発揮することができる。
【００２８】また、上記説明で、端面プレートは、シー
スおよび圧電振動子両者の両端面を丁度覆うように図示
されているが、内径をシースの内径より小さい、かつ外
径をシースの外径より大きい寸法としてもよい。
【００２９】上記説明では、リードが圧電振動子の内周
面および外周面それぞれに接続されるように図示されて
いるが、この接続構造は説明の便宜のためにに図示され
たもので、本発明を限定するものではない。このよう
に、上記説明では図面を参照して説明しているが、構造
は、上記機能を満たす限り自由であり、上記説明が本発
明を限定するものではない。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、極
めて簡単な構造により、複数の円筒型送波器を連結して
その間隔を変化させることにより共振周波数を可変設定
する可変範囲を理論計算値近くまで拡大できる連結円筒
型送波器が得られる。
【００３１】その理由は、配列した円筒型送波器が密着
する隙間を、水などの媒質より音響インピーダンスの十
分に大きな材質を有する端面プレートで埋めているから
である。
【００３２】また、この構造に対して、圧電振動子に対
する密閉度、すなわち端面プレートとシースとの間の密
着度を高めるため、およびシースが圧電振動子から剥が
れることを防止するために、外圧と対向する方向へ先端
が向いたＬ字状の鉤部がシースに食い込んだ状態で設け
られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単体円筒型送波器の実施の一形態を示
す断面斜視図である。
【図２】円筒型送波器の共振周波数を説明する圧電振動
子の一例を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）であ
る。
【図３】二つの円筒型送波器の位置関係の例を示す説明
図である。
【図４】複数の円筒型送波器の位置関係に対応する共振
周波数を曲線例示する出力特性図である。
【図５】従来の単体円筒型送波器の一例を示す断面斜視
図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子 ２ リード ３ シース ４ 端面プレート ５ 鉤部 １０ 円筒型送波器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04R 1/44 330 B06B 1/06 H04R 1/20 330 H04R 17/00 330

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 円筒内に充満する媒体柱の共振を利用し
    て前記円筒周囲の媒体中に音波を放射する円筒型送波器
    の複数個を同一円筒軸上に直列に配し、前記円筒型送波
    器の配列間隔を変化させることにより媒体柱の共振周波
    数を可変設定する連結円筒型送波器において、前記円筒
    型送波器は、前記媒体と比べて音響インピーダンスが十
    分に大きくかつ円筒形状の前記圧電材の少くとも両端面
    を密着して被覆すると共に前記圧電材が前記媒体と接す
    ることを防止し、かつ前記媒体に対して前記圧電材への
    浸透防止機能を有する端面プレートを備えることを特徴
    とする連結円筒型送波器。
  2. 【請求項２】 円筒内に充満する媒体柱の共振を利用し
    て前記円筒周囲の媒体中に音波を放射する円筒型送波器
    の複数個を同一円筒軸上に直列に配し、前記円筒型送波
    器の配列間隔を変化させることにより媒体柱の共振周波
    数を可変設定する連結円筒型送波器において、前記円筒
    型送波器は、円筒形状の圧電材の内周面および外周面を
    被覆し少くとも前記媒体に対して前記圧電材への浸透防
    止機能を有するシースと、前記媒体と比べて音響インピ
    ーダンスが十分に大きくかつ円筒形状の前記シースおよ
    び前記圧電材両者の少くとも両端面を密着して被覆し前
    記圧電材が前記媒体と接することを防止すると共に前記
    媒体に対して前記圧電材への浸透防止機能を有する端面
    プレートとを備えることを特徴とする連結円筒型送波
    器。
  3. 【請求項３】 請求項１において、前記端面プレート
    が、内径を前記シースの内径より小さい、かつ外径を前
    記シースの外径より大きい寸法とし、前記圧電材に対す
    る媒体の浸透を前記シースと共に防止することを特徴と
    する連結円筒型送波器。
  4. 【請求項４】 請求項１または請求項２において、前記
    端面プレートが、前記シースとの接触面で、シース材内
    部に突出し、前記媒体により前記シース材を押圧する方
    向と対抗する向きに先端を有するＬ字型の鉤部を備える
    ことを特徴とする連結円筒型送波器。
  5. 【請求項５】 請求項１、２または請求項３において、
    前記媒体が水および海水のいずれか一方であり、かつ、
    前記端面プレートがアルミニウムであることを特徴とす
    る連結円筒型送波器。
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