JP3890494B2

JP3890494B2 - 水中用送波器

Info

Publication number: JP3890494B2
Application number: JP2001209015A
Authority: JP
Inventors: 章好河守
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003023687A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広帯域化及び高出力化を実現することができる水中用送波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のランジュバン型送受波器の一例を示す構成図、図５はその作用説明図である。図において、１０はランジュバン型送受波器の外筐、１１はリアマス、１２は駆動素子、１３はフロントマスである（従来技術１）。
この従来技術１においては、図５に示すように、内部の駆動素子１２の単振動（ピストン振動）が単純にフロントマス１３に伝わり、フロントマス１３から水中に音響が放射される。その特性は、駆動素子１２の弾性と、フロントマス１３及び水の負荷マスとの間の共振周波数付近を最大とした音圧となり、共振周波数から離れた帯域では音圧が小さくなる。
【０００３】
近年、水中（海洋）の様々な解析において、解析信号のＳＮ比及び解析精度向上などのため、複雑な信号波形を再現できるように、周波数特性が広帯域である送波器の開発が進められている。しかしながら、音圧レベルが小さくては仕方がないため、一般的な送波器は、その共振周波数を中心とした帯域を用いて、音圧レベルを少しでも上げようとしてきた。ところが、共振周波数を中心とした場合、その前後の周波数で音圧が下がっていくので、広帯域化が困難である。また、広帯域化を優先すると、音圧レベルが下がってしまうため、高出力と広帯域化を同時に実現するのは難しいとされてきた。
【０００４】
図６は、屈曲振動板を音響放射面に設けたランジュバン型送受波器（蒲、山本、浜による海洋音響学会講演論文集の第３７頁〜４０頁に記載、１９９９年６月）の一例を示す構成図、図７はその作用説明図である。
この送受波器は、従来技術１を広帯域化するために、フロントマス１３の表面内側に隙間１４を設けることにより、水の負荷を合わせた機械的性質において、従来技術１の基本共振周波数に対し、やや高い周波数において屈曲共振が生じるようにしている（従来技術２）。
【０００５】
すなわち、屈曲共振周波数より低い周波数では、図７（ａ）に示すように、フロントマス１３は剛体としてマスとしてのみ働き、従来技術１の場合と同様の基本共振が生じる。そして、基本共振周波数を過ぎて、音圧が下がり始めると、今度は屈曲共振周波数に近付き、図７（ｂ）に示すように、再びフロントマス１３の中心部の変位が大きくなり、音圧レベルが上昇する。その結果、従来技術１に比べて、基本共振周波数より高い周波数帯域でも音圧が下がる現象が押さえられるため、広帯域化されたことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成した従来技術１においては、前述したように、単一共振の送波器であるため、広帯域化は難しい。
従来技術２においては、従来技術１よりも広帯域化はなされているものの、厳密には基本共振時のフロントマス中心部の変位部分と、屈曲共振時のフロントマスの変位部分とは、駆動素子１２の振動を基準にとると逆位相となっている。つまり、基本共振と屈曲共振で音圧低下帯域のレベルを補っているようであって、実際は、お互いの共振時のレベルをつぶし合って、結果として広帯域になっているに過ぎない。このため広帯域化は成されているが、音圧レベルを高出力化するには不利である。
また、ランジュバン型送受波器そのものも、フロントマス１３の面積で放射面が限定されるため、高出力化には不向きである。
【０００７】
本発明は上記のランジュバン送受波器の高出力化と広帯域化に関する課題と、文献のランジュバン型音源の広帯域化による高出力化に対する課題を解決するためになされたもので、ピストン型送波器２個の間にあらかじめ曲率を持たせた屈曲部を設け、ピストン型送波器そのものの基本共振と、屈曲部が屈曲する屈曲共振を近づけて広帯域化し、ピストン型送波器の変位と屈曲部の変位が同相となり送波面積も大きくできるようにして、高出力化も可能となる新しい送波器構造の水中送波器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る水中用送波器は、駆動素子、フロントマス及びリアマスを有し、筐体内に収容されて前記駆動素子とフロントマスとの間で基本共振周波数を生じる一対のピストン型送波器と、両側の固定部に前記ピストン型送波器のリアマスがそれぞれ固定され、該固定部の両端部に結合されて外側に湾曲した屈曲部が設けられ、前記ピストン型送波器との間で屈曲モードで共振する屈曲共振周波数を生じるシエルとを備え、
前記ピストン型送波器の共振帯域では前記屈曲部の機械インピーダンスが大きく、２個のピストン型送波器が片側固定条件に近い状態で振動し、前記屈曲部を含めた屈曲共振帯域に近づくと該屈曲部のインピーダンスが減少していき、ピストン型送波器のリアマス側が振動して片側固定条件ではなくなるようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態］
本発明に係る水中用送波器は、２個のピストン型送波器を、送波器中心部から見て外側に曲率を持たせた屈曲部を有するシェルで結合したものである。
【００１１】
上記のように構成した水中用送波器によれば、ピストン型送波器の共振帯域では、屈曲部の機械インピーダンスが大きく、２個のピストン型送波器が片端固定条件に近い状態で振動し、ピストン型送波器のフロントマスから音響出力される。そして、屈曲部を含めた屈曲共振に近づくと、屈曲部の機械インピーダンスが減少していき、ピストン型送波器部分において屈曲部結合側が振動し、片端固定条件ではなくなる。そして、屈曲共振付近ではピストン型送波器のフロントマスと、屈曲部の変位によりエネルギーが分割され、両方から音響出力される。ここで、低周波から屈曲共振帯域までは、ピストン型送波器のフロントマスと屈曲部の中心部変位とが同相であるため、ピストン型送波器の基本共振と、屈曲共振の設定により広帯域化されると同時に、音響損失の少ない、高出力な送波器となる。
【００１２】
図１は本発明の一実施の形態の構成図である。図において、１は対向配置された一対のピストン型送波器で、駆動素子２、フロントマス３、リアマス４及びこれらが収容された筐体５からなっている。６は両ピストン型送波器１の間に介装されたシェルで、送波器中心部から外側に湾曲した屈曲部７と、屈曲部７の両端部に設けられた固定部８とからなり、この固定部８にピストン型送波器１のリアマス４が一体に固定されている。
【００１３】
ここで駆動素子２の全長のバネ定数と、フロントマス３及びフロントマス３の外側の水の負荷マスとの間で生じる基本共振周波数をｆ１、シェル６とシェル６の外側の水の負荷マスと、ピストン型送波器１全体がシェル６の屈曲モードでのバネ定数との間で共振する周波数とをｆ２とし、ｆ１＜ｆ２に設定する。
【００１４】
上記のように構成した本発明において、いま、音の周波数をｆとすると、ｆ＜ｆ１では、駆動素子が伸びた場合、図２（ａ）に示すように、シェル６の機械インピーダンスが大きいため、ほぼフロントマス３のみが振動し、フロントマス３から音響出力される（音響放射面の変位を斜線で示す。以下同じ）。
ｆ＝ｆ１では、図２（ｂ）に示すように、シェル６の機械インピーダンスは徐々に減少しているが、駆動素子２とフロントマス部（ピストン型送波器部）の機械インピーダンスが共振により最小となるため、同様にフロントマス３から大きな音響出力が得られる。このとき、シェル６も振動するが、その振動も屈曲部７ではフロントマス３と同位相であり、音響損失はない。
【００１５】
ｆ１＜ｆ＜ｆ２では、図２（ｃ）に示すように、ピストン型送波器部の機械インピーダンスが増加し、シェル６の機械インピーダンスが更に減少していくので、ピストン音源とシェル６との結合面の変位が徐々に大きくなっていき、シェル６の屈曲振動モードが顕著となってくる。しかしこの領域でも、フロントマス３側は振動しており、ピストン型送波器部は両側に変位するモードで振動する。この場合、シェル６の屈曲振動による屈曲部７の変位と、フロントマス３の変位が送波器から外側にたいして同位相であるため、音響放射における損失は少ない。
【００１６】
ｆ＝ｆ２では、図２（ｄ）に示すように、シェル６の屈曲モードが最大となり、フロントマス３と屈曲部６の両方から同相の音響出力が得られる。
ｆ＞ｆ２では、シェル６の屈曲モードが高次モードへと変わっていき、ピストン型送波器も高次共振へと移り、音圧レベルは低下していく。
音圧レベルと周波数ｆとの関係を、図３に示す。図において、横軸は音の周波数ｆ、縦軸は音圧レベルを示している。
【００１７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ピストン型送波器部の共振とシェルまで含めた屈曲モードの共振とを適当に設定することで音響出力の広帯域化ができ、また、その帯域において、互いの音響放射面が独立し、かつ同位相で振動しているため、放射面が大きくとれることと、音響損失がないことにより、高出力化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成図である。
【図２】図１の駆動素子が伸びた場合及び縮んだ場合の作用説明図である。
【図３】周波数と音圧レベルの関係を示す線図である。
【図４】従来のランジュバン型送受波器の一例を示す構成図である。
【図５】図４の作用説明図である。
【図６】従来の屈曲振動板を音響放射面に設けたランジュバン型送受波器の他の一例を示す構成図である。
【図７】図６の作用説明図である。

Claims

駆動素子、フロントマス及びリアマスを有し、筐体内に収容されて前記駆動素子とフロントマスとの間で基本共振周波数を生じる一対のピストン型送波器と、両側の固定部に前記ピストン型送波器のリアマスがそれぞれ固定され、該固定部の両端部に結合されて外側に湾曲した屈曲部が設けられ、前記ピストン型送波器との間で屈曲モードで共振する屈曲共振周波数を生じるシエルとを備え、
前記ピストン型送波器の共振帯域では前記屈曲部の機械インピーダンスが大きく、２個のピストン型送波器が片側固定条件に近い状態で振動し、前記屈曲部を含めた屈曲共振帯域に近づくと該屈曲部のインピーダンスが減少していき、ピストン型送波器のリアマス側が振動して片側固定条件ではなくなるようにしたことを特徴とする水中用送波器。