JP3459876B2

JP3459876B2 - 電気音響変換器

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Publication number: JP3459876B2
Application number: JP14245798A
Authority: JP
Inventors: 芳典浜
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2018-05-25
Also published as: JPH11341597A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気音響変換器に
関し、特に水中に音波を放射する送波器に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、低周波数の音波を水中に放射する
ためには、送波器を構成する振動体の屈曲振動を有効に
利用することが必要である。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、pp
1046-1052(1980.10)に記載されている例をもとに従来例
を以下に示す。

【０００３】つまり、図７に示す様に、従来より、振動
体としては楕円形の断面を有する筒状の楕円シェル１を
用い、楕円シェル１内部の長軸方向に圧電振動子等を積
層した駆動体２を配設し、駆動体２により楕円シェル１
を長軸方向に伸縮させる構造のものが良く使用されてい
る。長軸方向の伸縮振動は、楕円シェルの直交する方
向、すなわち短軸方向にたわむ屈曲振動に変換される。

【０００４】従って、係る楕円シェルを用いることによ
り、長軸の伸縮変位と比較して短軸の屈曲変位を大きく
することができ、低周波の音波を水中に放射するために
必要な大きな媒質（一般的には水）の排除体積を得るこ
とができる。また、屈曲振動は一般的に縦振動と比較し
て同一寸法でも大幅に共振周波数を下げることができ
る。

【０００５】なお、楕円シェルの内部は空気室とし、楕
円シェルの両端面は、楕円シェル１の内部に媒質が流入
しないように側板３を設け、例えば、Ｏ−リング９等を
使用して水密構造とする。ここで側板３と楕円シェル１
の接合面は、楕円シェルの端面全周に渡って溶接してし
まうか、図７に示すように、Ｏリング９または、ゴムパ
ッキン等をはさみ、両者をボルト等４２で強固に結合し
て水密構造とする。

【０００６】または、図８に示すように、楕円シェル１
の内部または外部に側板３を支える支柱１０を設け、水
圧により側板３に加わる応力を受け、楕円シェル１に応
力が加わらない構造とするものも知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、上記した
従来技術に於ける送波器では、第１に、水密構造とする
ために楕円シェルの両端面に側板を設ける必要があり、
楕円シェルと側板は溶接等により一体化するか、接合面
にＯリングまたはゴムパッキン等を挟み、端面全周に渡
って両者を強固に結合して水密構造とする必要があっ
た。

【０００８】ここで、楕円シェルは長軸方向と短軸方向
の径が交互に伸縮するような屈曲振動を行なう。しかし
て、効率良く音響放射を行うためには、この楕円シェル
の屈曲振動を有効に利用する必要がある。ところが側板
は、前述したように、水密を確保するために、楕円シェ
ルの端面全体に渡って強固に結合する必要があり、これ
は楕円シェルの屈曲振動を妨げ、音響放射の効率を低減
させてしまうことになる。

【０００９】第２に、深度が増加するにつれて、水圧に
より側板が楕円シェルに押しつけられる力が増加し、こ
れにより屈曲振動がさらに妨げられることになり、音響
放射効率が深度により大幅に低下するような水圧特性を
持つこととなる。第３に、楕円シェルの内部または外部
に側板を支える支柱を設ける場合には、側板に加わる水
圧により発生する応力を支えるために、座屈しないよう
な太い支柱が必要であり、特に楕円シェル内部に支柱を
設ける場合は、支柱を設けるために駆動体の体積を減す
る必要があり、結果として音響性能の低下を生ずる。

【００１０】また、楕円シェル内部または外部のいずれ
に支柱を設ける場合でも、支柱を設けるために重量が大
幅に増加するという問題があった。従って、本発明の目
的は、上記した従来技術の欠点を改良し、楕円シェルを
有する電気音響変換器において、音響放射効率を高め、
特に、深度が変化したときの水圧による音響放射性能の
変化が少ない、小型軽量な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】本発明は上記した目的を
達成する為、以下に示す様な基本的な技術構成を採用す
るものである。即ち、本発明は、楕円形の断面を有する
筒状の楕円シェルの屈曲振動を利用して、楕円シェルの
外表面から水中に音波を放射する電気音響変換器におい
て、当該楕円シェル内部に媒質が流入する事を防止する
為に、当該楕円シェルの両端面に、当該楕円シェルの両
端面を閉塞する側板が設けられていると共に、当該側板
と当該楕円シェルとの接合部を当該楕円シェルの屈曲振
動時に於ける節点部若しくはその近傍部に設ける様に構
成すると共に、当該楕円シェルの当該節点部若しくはそ
の近傍部に対応する外壁面部若しくはその内壁面部の少
なくとも一方に、当該楕円シェルの外壁面若しくは内壁
面から外方向若しくは内方向に突出した補助部分を形成
し、当該補助部分の端面上に、当該接合部を形成した事
を特徴とする電気音響変換器である。

【００１２】つまり、本発明に係る電気音響変換器に於
いては、楕円シェルを有する電気音響変換器において、
楕円シェルの端面に設ける側板と楕円シェルの機械的な
接合面を、楕円シェルの屈曲振動の節点部若しくはその
近傍部のみとし、他の側板と楕円シェルとの接合面には
間隙を設けることにより、楕円シェルの屈曲振動を妨げ
ることなく、深度が変化した時の水圧による音響放射性
能の変化が少ない構造としたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】即ち、本発明に係る当該電気音響
変換器は、上記した様な技術構成を採用しているので、
当該楕円シェルは長軸方向と短軸方向の径が交互に伸縮
するような屈曲振動を行なう構造に於て、従来の構造で
は、楕円シェルの端面全周に渡って、水密構造とするた
めに溶接して密閉するか、Ｏリングゴムパッキン等をは
さみ、両者をボルト等で強固に結合して密着させる必要
があり、これが前記屈曲振動を妨げていたのに対し、本
発明によれば、水圧等により楕円シェルの端面に加わる
力を楕円シェルの屈曲振動の節点部或いは、その節点の
近傍部のみとすることにより、楕円シェルの屈曲振動を
妨げることがない。

【００１４】また、支柱等側板を支える構造物を設ける
必要がない。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係る電気音響変換器の一具
体例の構成を図面を参照しながら詳細に説明する。図１
は、本発明に係る電気音響変換器の一具体例に於ける構
成の概略を説明する断面図であり、図中、楕円形の断面
を有する筒状の楕円シェル１の屈曲振動を利用して、楕
円シェルの外表面から水中に音波を放射する電気音響変
換器２０において、当該楕円シェル１の両端面１５を防
水のために閉塞する側板３が設けられていると共に、当
該側板３と当該楕円シェル１との接合部４０を当該楕円
シェル１の屈曲振動時に於ける節点部若しくはその近傍
部７に設けた電気音響変換器２０が示されている。

【００１６】従って、当該電気音響変換器２０に於いて
は、当該接合部以外に於ける当該楕円シェル１と当該側
板３との当接部分４０に於いては、当該楕円シェル１及
び当該側板３は互いに相対的に移動可能な状態に構成さ
れている事が望ましい。当該楕円シェル１及び当該側板
３との接合部４０以外の当接部分には、防水手段４５を
設け、更に、本発明に於いては、当該楕円シェル１の屈
曲振動の節点部７若しくはその近傍部に凸部４が設けら
れており、当該凸部４を介して当該楕円シェル１及び当
該側板３が互いに接合している事も望ましい。

【００１７】又、本発明に於ける他の具体例に於いて
は、当該凸部４以外の部分に於ては、当該楕円シェル１
と当該側板３との間に間隙１６が存在している事も望ま
しい。更に、本発明に於いては、当該楕円シェル１の当
該節点部７、若しくはその近傍部に対応する外壁面部５
０若しくはその内壁面部６０の少なくとも一方に、当該
楕円シェル１の外壁面５０若しくは内壁面６０から外方
向若しくは内方向に突出した補助部分７０を形成し、当
該補助部分７０の端面上に、当該接合部４０を形成する
事も望ましい。

【００１８】又、本発明に係る電気音響変換器２０に於
いては、当該楕円シェル１に設けられている当該凸部４
に対向する凹部４１が当該側板３に設けられており、且
つ当該凸部４の表面の曲率を当該凹部４１の曲率よりも
小さくなる様に形成する事も好ましい。以下に、本発明
に係る電気音響変換器の更に詳細な具体例の構成を図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００１９】即ち、本発明による送波器２０は、図２に
示す様に、楕円形の断面を有する筒状の楕円シェル１
と、楕円シェル１内部の長軸方向に圧電振動子を積層し
た駆動体を配設し、楕円シェルを長軸方向８８に伸縮さ
せる。また、楕円シェル１の端面には、水密構造とする
ための側板３を配設する。ここで楕円シェル１と側板３
の接合部分４０は楕円シェルの屈曲振動の節近傍のみと
し、ここを溶接またはボルト締め等で接合する。

【００２０】さらに、本発明に係る当該電気音響変換器
２０に於いては、当該電気音響変換器２０全体を樹脂モ
ールド６等により被覆して防水構造とする。図１は本発
明の実施例を示す斜視図（一部断面図）である。楕円形
の断面を有する筒状の楕円シェル１と、楕円シェル内部
の長軸方向８８に圧電振動子等を積層した駆動体２を配
設し、楕円シェルの両端面には、水密構造とするための
側板３を設ける。

【００２１】一方、本発明に於て使用される当該楕円シ
ェル１は、アルミニウム合金、ステンレス、鉄等の金属
材料または、ガラスまたは炭素繊維で強化した合成樹
脂、いわゆる繊維強化プラスチック等で作る。一方、本
発明に於て使用される当該圧電振動子２としては、ジル
コン酸チタン酸鉛等を用い、これをエポキシ系接着剤で
積層接着し駆動体２とする。

【００２２】より駆動レベルが大きい場合には、圧電振
動子が振動により破損しないように駆動体に貫通して穴
を設け、駆動体全体をボルト締めすることにより事前に
圧縮応力を加えておき、圧電振動子に引張り応力が加わ
らない構造とする。また、駆動体２として、圧電振動子
の他に磁歪材料等を使用することもできる。側板３は、
耐水圧性を保持できれば良いので、前記楕円シェル１と
同様の材料の他に、アルミニウム、あるいは繊維強化プ
ラスチックのハニカム構造体等も使用することができ
る。

【００２３】本発明に係る当該電気音響変換器２０に於
いては、楕円シェル１の屈曲振動の節となる点７の近傍
に、側板３または楕円シェル１の端面に凸部４を設け
る。当該凸部４の位置は、楕円シェル１の端面上の節点
部の位置とするが楕円シェル１の長径、短径比、あるい
は厚さの設定によっては楕円シェルの端面上に節が無い
場合もあり得る。

【００２４】この場合は、図４（Ａ）に示すように、楕
円シェル１端面近くの節点近傍部７に、楕円シェル１の
内側もしくは外側に楕円シェル１の厚さを増した部分４
６を設け、節点部７を当該楕円シェル１の厚さが厚くな
った部分４６の端面にくるようにする。或いは、図４
（Ｂ）に示すように、当該楕円シェル１の当該節点部７
若しくはその近傍部に対応する外壁面部５０若しくはそ
の内壁面部６０の少なくとも一方に、当該楕円シェル１
の外壁面５０若しくは内壁面６０から外方向若しくは内
方向に突出した補助部分７０を形成し、当該補助部分７
０の端面上に、当該接合部４０を形成する事も出来る。

【００２５】又、本発明に於ける当該凸部４は側板３に
加わる水圧により発生する応力に耐える面積とする事が
望ましい。即ち、楕円シェル１や側板３に使用する材料
の耐力が、側板３の面積と水圧に比例して生ずる応力に
耐える面積とする。これ以上広い面積の凸部４を設ける
ことは、楕円シェル１の振動を妨げる要因となり、好ま
しくない。

【００２６】楕円シェル１と側板３は、凸部４で溶接ま
たはボルト締めにより接合する。当該楕円シェル１と側
板３の接合面４０の隙間１６には、水圧が低い場合には
何も入れる必要がないが、水圧が高い場合にはゴムや合
成樹脂性の防水材料５をはさむとともに、全体をクロロ
プレンゴムまたはポリウレタン樹脂等の合成樹脂等６で
防水モールドする。

【００２７】ここで、防水材料は、内部に防水モールド
材料が流入しなければ良いので、軟質の合成樹脂等を使
用することができる。送波器を使用する水深が深い場
合、即ち水圧が大きい場合には、凸部４の高さを低くし
て、楕円シェル１と側板３の間隔を狭くすることによ
り、耐水圧性を確保する。

【００２８】当該側板３は水圧によりたわんで楕円シェ
ル１と側板３の隙間１６が無くならない程度の厚さとす
る事が望ましい。要すれば、図５に示すように、防水材
料を内側の厚さが薄く、外側の厚さが厚い形状とし、楕
円シェル１の端面及び側板３の防水材料と接する面を、
防水材料の形状にあわせてテーパ状にすることによりセ
ルフシールの効果をもたせる。

【００２９】また、図６に示すように、楕円シェル１と
側板３との接合面である凸部４を、各節を中心として楕
円シェル１の変形が容易で回転可能な構造、例えば凸部
を曲率の小さな凸状とし、凸部と接する面を凸部より曲
率の大きな凹状とし、両者をはめ合い構造とすることに
より、楕円シェルの振動をさらに妨げにくい構造とする
こともできる。

【００３０】上記した本発明に係る電気音響変換器２０
の具体例に於いては、楕円シェル１は長軸方向と短軸方
向の径が交互に伸縮するような屈曲振動し、これを利用
して音響放射を行なう。係る振動では図２に示すように
長軸及び短軸上の４ヶ所に振動の腹が形成される。

【００３１】一方、楕円シェル１上には、長軸上の腹と
短軸上の腹の間に４ヶ所の節点部７が形成される。この
節点部７は、拘束されても楕円シェル１の屈曲振動には
ほとんど影響を与えない。すなわち、側板３を楕円シェ
ル１に固定する場合に、この節点部若しくはその近傍部
のみを溶接またはボルト締めすることにより、楕円シェ
ル１の振動を妨げることなく、接合することができ、か
つ、水圧等が加わり側板３が楕円シェル１に押しつけら
れても、楕円シェル１の屈曲振動を妨げることがないた
め、図３に示すように音響放射効率が深度により大幅に
低下することが無い。

【００３２】次に本発明に係る当該電気音響変換器２０
の具体例についてより詳細にその構成を説明する。図１
において楕円シェルとしてアルミニウム合金を使用す
る。当該電気音響変換器２０に於ける当該楕円シェル１
の短径と長径の比を１：２程度とし、使用周波数が2kHz
程度の場合は、長径の長さを200mm 程度とする。

【００３３】又、当該楕円シェル１の厚みは20mm程度と
する。当該楕円シェル１の内側の長径方向に厚さ5mm 程
度の圧電セラミック（例えばジルコン酸チタン酸鉛）２
を複数積層した駆動体を配設する。当該駆動体２は、楕
円シェル１の短軸方向に外から圧縮応力を加えて長軸方
向に伸ばした状態で楕円シェルにはめ込むか、楕円シェ
ルにボルト締めして取付ける。側板３は楕円シェル１と
同じアルミニウム合金とする。

【００３４】ここで使用水深を100mとすると10kg／cm²
（ = 9.8×10⁵Pa）の水圧が側板１に加わる。当該楕円
シェル１を構成する材料の耐力を20kg／mm²（ = 1.96
×10⁸Pa）とすると、側板１と凸部４の面積比は１／２
００以上でなければならない。即ち、側板１の面積を２
００ cm²とすると凸部４の面積を1cm²とすれば良い。

【００３５】節点部４は、楕円シェル１の片方の端面に
４ヶ所あるので、各々の凸部の面積は０．２５cm²あれ
ば良いが、安全率を４倍にすれば1cm²必要であることか
ら、各々の凸部の半径を約６mmとする。当該楕円シェル
１と側板３との間は水圧が低い場合には、例えば10kg／
cm²程度までの場合には０．５ｍｍ程度の隙間を設け、
全体をウレタン樹脂等で防水モールドする。水圧がさら
に高い場合には、両者の隙間にクロロプレンゴム或いは
軟質の合成樹脂等の防水材料を挿入する。

【００３６】また、防水材料を、図５に示すように内側
の厚さが薄く（例えば0.5mm ）外側の厚さが厚い（例え
ば5mm ）形状とし、楕円シェルの端面と側板と防水材料
とが接する面を、防水材料の形状にあわせてテーパ状４
３にすることにより、耐水圧性を向上させることができ
る。水圧が上昇するにつれて防水材料が内側にくい込む
ことにより、セルフパッキン効果がえられ、高い耐水圧
性が得られる。

【００３７】全体モールドとしてはポリウレタン樹脂を
使用する。ここで駆動体２への給電はゴムシース等を施
したキャブタイヤケーブル等（図示せず）により行う。
上記構成に於て、当該駆動体２で発生した振動は、楕円
シェル１の長軸方向の伸縮振動として伝達され、さらに
楕円シェル１の形状により、短軸方向の屈曲振動に変換
される。

【００３８】ここで、楕円シェル１の長径２００ｍｍに
対して、凸部４の半径は、節点７の周辺６ｍｍ程度であ
るから、側板３は楕円シェル１の屈曲振動をほとんど妨
げない。また、水圧が加わっても側板と楕円シェルの接
合は、凸部のみであり、側板が当該楕円シェル１の屈曲
振動を妨げることが無いので、音響放射効率の水圧特性
は、ほとんど生じない。

【００３９】図３に示すように、横軸に水圧を取り、縦
軸に音響放射効率を取ると、従来は水圧が増加するにつ
れて、音響放射効率が大幅に低下していたのに対し、本
実施例によれば、ほとんど水圧による影響をほとんど受
けない。以下に、本発明に係る電気音響変換器２０の他
の具体例に付いて説明する。係る具体例に於いては、当
該電気音響変換器２０に於ける該楕円シェル１の凸部４
の位置は、節点近傍７に設ける事が必要であるが、楕円
シェル１の長径と短径の比や厚さにより、楕円シェル１
の端面上に無い場合も生ずる。

【００４０】たとえば、節点７が楕円シェル１の内側に
存在する場合には、図４（Ａ）に示すように、楕円シェ
ル１の端面の節点近傍７に、楕円シェル１の厚さが厚い
部分、つまり突起部、或いは張出部４６を設け、ここに
凸部４を設ける。楕円シェル１の厚さを厚くする範囲
は、節点７周囲の凸部４の所要寸法をカバーできる範囲
であれば良く、高さも側板により加わる水圧による応力
に耐える範囲とすれば良い。

【００４１】また、凸部４は僅かながらも楕円シェル１
の屈曲振動を妨げる。さらに音響放射効率を向上させる
ためには、節点７を中心として凸部の接合点が回転でき
る構造とすれば良い。たとえば、図６に示すように、楕
円シェル１の端面に半径６ｍｍの凸状の凸部４を設け
る。

【００４２】ここで凸部４の曲率を５０ｍｍとする。一
方側板３には半径７ｍｍの凹部４１を設け、凹部４１の
曲率は５５ｍｍとする。凸部４と凹部４１をはめ合い構
造とすることにより、両者の接合点の回転がよりスムー
ズに行える。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係る当該電気音響変換器２０
は、上記した様な構成を採用していることから、それに
よる第１の効果は、効率の良い音響放射ができることで
ある。その理由は、側板と楕円シェルの接合が凸部のみ
であるから、側板が楕円シェルの屈曲振動を妨げないた
めである。

【００４４】第２の効果は、音響放射効率が、使用深度
即ち水圧の影響を受けにくいことである。その理由は、
水圧が加わっても、側板と楕円シェルの接合が凸部のみ
であり、接合状態が水圧によって変化せず、かつ側板が
楕円シェルに接触する事が無いため楕円シェルの振動を
妨げないからである。

【００４５】第３の効果は、小型軽量化がはかれる事で
ある。その理由は、楕円シェルの内部または外部に側板
を支え、水圧に耐える支柱を設ける必要が無いからであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例を示す斜視図である。

【図２】図２は、本発明に於ける電気音響変換器の楕円
シェル端面の振動状態の説明図である。

【図３】図３は、音響放射効率と水深の関係を示した説
明図である。

【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本発明に係る電
気音響変換器に於ける節点付近の構造の一例を示す図で
ある。

【図５】図５は、本発明に係る電気音響変換器に於て使
用される防水材料を使用した一具体例の構成を説明する
図である。

【図６】図６は、本発明に於ける電気音響変換器の一具
体例に於ける凸部と側板との接合状態の例を示す図であ
る。

【図７】図７は、従来の送波器の構成の一例を示す斜視
図である。

【図８】図８は、従来の送波器の他の構成例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１…楕円シェル２…駆動体３…側板４…凸部５…防水材料６…被覆材７…節点部若しくはその近傍部８…短軸８８…長軸９…Ｏリング１０…支柱１５…端面１６…間隙部２０…電気音響変換器４０…当接部分４１…凹部４２…ボルト、ネジ４３…テーパー部４５…防水手段４６…楕円シェルの厚み形成部５０…外壁面部６０…内壁面部７０…補助部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平10−285682（ＪＰ，Ａ) 特開平２−123900（ＪＰ，Ａ) 特開平９−322284（ＪＰ，Ａ) 実開平６−5296（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】楕円形の断面を有する筒状の楕円シェル
の屈曲振動を利用して、楕円シェルの外表面から水中に
音波を放射する電気音響変換器において、当該楕円シェ
ル内部に媒質が流入する事を防止する為に、当該楕円シ
ェルの両端面に、当該楕円シェルの両端面を閉塞する側
板が設けられていると共に、当該側板と当該楕円シェル
との接合部を当該楕円シェルの屈曲振動時に於ける節点
部若しくはその近傍部に設ける様に構成すると共に、当
該楕円シェルの当該節点部若しくはその近傍部に対応す
る外壁面部若しくはその内壁面部の少なくとも一方に、
当該楕円シェルの外壁面若しくは内壁面から外方向若し
くは内方向に突出した補助部分を形成し、当該補助部分
の端面上に、当該接合部を形成した事を特徴とする電気
音響変換器。
【請求項２】当該接合部以外に於ける当該楕円シェル
と当該側板との当接部分に於いては、当該楕円シェル及
び当該側板は互いに相対的に移動可能な状態に構成され
ている事を特徴とする請求項１記載の電気音響変換器。
【請求項３】当該楕円シェル及び当該側板との接合部
以外の当接部分には、当該媒質の流入防止手段が設けら
れている事を特徴とする請求項１又は２に記載の電気音
響変換器。
【請求項４】当該楕円シェルの屈曲振動の節点部若し
くはその近傍部に凸部が設けられており、当該凸部を介
して当該楕円シェル及び当該側板が互いに接合している
事を特徴とする請求項１又は２に記載の電気音響変換
器。
【請求項５】当該凸部と凸部との間に於ては、当該楕
円シェルと当該側板のと間に間隙が存在している事を特
徴とする請求項４記載の電気音響変換器。
【請求項６】当該間隙には媒質の流入を防止する媒質
流入防止手段が設けられている事を特徴とする請求項５
記載の電気音響変換器。
【請求項７】当該楕円シェルに設けられている当該凸
部に対向する凹部が当該側板に設けられており、且つ当
該凸部の表面の曲率を当該凹部の曲率よりも小さくなる
様に形成した事を特徴とする請求項４記載の電気音響変
換器。