JP4215270B2 - マッチさせた音響インピーダンスを有する装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に音響源および超音波トランスデューサに関し、特に、最適にマッチさせた音響インピーダンスを有する超音波トランスデューサと、このような装置用に最適な音響インピーダンスマッチングをもたらす方法とに関するものである。

音響源が信号を標的材料内に伝達する際、そのエネルギーは、音響源と標的との間に音響的なミスマッチがあると、大部分が失われてしまう。例えば超音波医学では、トランスデューサなどの典型的な圧電超音波源は、約３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓの音響インピーダンスを有し、この場合の標的である人体は水に近い音響インピーダンス、すなわち１．５×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有する。当該技術分野で知られているように、エネルギー反射率は、２つのインピーダンスの差をその２つのインピーダンスの和で割り、それを２乗して与えられる。このような音響ミスマッチは、組織とトランスデューサ間のインターフェースにおいて約８４％のエネルギー反射を生じる。上記の例では、エネルギー反射率は約０．８４であり、これは約８４％もの入射エネルギーが反射されてしまうことを意味する。この深刻な問題は、「１／４波長マッチング層（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｌａｙｅｒ）」として知られているものを、組織とトランスデューサとの間に配置することにより、克服される。このような層は、圧電結晶の表面に搭載され、音響源のインピーダンスと標的組織のインピーダンスとの相乗平均である音響インピーダンスを有し、マッチング層内における音波の１／４波長の倍数に等しい厚さを有する。記号的には、Ｚ_０で圧電結晶の音響インピーダンスを表し、Ｚ_２で標的組織の音響インピーダンスを表し、マッチング層のインピーダンスＺ_１は、次式で与えられる。

マッチング層の厚さＬ_１は、次式で与えられる。

ここで、λ_１は媒体１内での音の波長で、ｎは整数である。

１／４波長マッチング層の理論的基礎は当該技術分野でよく知られており、１つの媒体から異なる別の媒体へ中間層を通って平面波が移動するという、音響学における古典的な境界値問題の解を示した音響学関連、超音波工学関連、および医学画像関連の文献で詳しく説明されている。この境界値価値の解は、式１および式２の条件を中間層が満たすと、第１の媒体中を伝播するエネルギーが１００％第２の媒体へ伝達されるというものである。この分析結果は、単一周波数に対してのみ厳密に有効であるが、当該分野で報告された実験結果によると、広い周波数スペクトルを伴う広帯域装置においてでさえ、このようなマッチング層の使用が有益であることがわかっている。

この１／４波長マッチング層は、インピーダンスのミスマッチが大きすぎなければ、実現可能な解決策をもたらす。例えば、前記の超音波医学の例では、式［１］から約７×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓのマッチング層インピーダンスが得られる。このインピーダンスが数種類のゴム材料およびプラスチック材料のインピーダンス範囲内であり、これらがマッチング層として使用可能であることは、当業者に知られている。このような単一マッチング層は、今日、医療および産業向け超音波用途で広く使われている。

一方、２材料間のインピーダンスのミスマッチが大きい場合、１／４波長マッチング層は実用的な解決策にはなりえない。例えば、３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓのインピーダンスを有する典型的な圧電トランスデューサを４１５Ｋｇ／ｍ^２・ｓのインピーダンスを有する空気とマッチさせることが望ましい場合は、式［１］により表わされる関係を使うと、インピーダンス０．１２×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓの単一マッチング層が必要になる。残念なことに、この必要なインピーダンスを有する適切な材料は、当該技術分野では知られていないので、別のアプローチが要求される。

インピーダンスが本質的に異なる２つの材料の音響的マッチングにおいて、従来の技術水準を実用的に改善するアプローチはいくつか提案されているが、これらはすべて特定の問題にしか対応できず、エネルギー伝達も非効率的である。従来の技術では、厚さ約１０μｍと薄型で張力を与えたプラスチックフィルムが含まれ、それは１００ｋＨｚトランスデューサの乾燥した平坦な表面を覆うため空気膜を内部に取り込む。このアプローチでは、応答の帯域幅を犠牲にすることなく、１０−ｄＢの増加（ゲイン）が報告されている。別のアプローチでは、微視的なバルーンをエポキシに加えることにより、トランスデューサ正面用に低インピーダンスのマッチング材料を生成する。この事例では、最高１ＭＨｚの周波数で改善がもたらされたことが報告されている。従来技術のアプローチには、１／４波長層中へ加工するとトランスデューサから空気へのミスマッチを一部克服する特殊なゴム材料と、第１の層が最適でない場合に最良の第２の層を挿入する２層のマッチング層とが典型的に含まれる。典型的に、第１の層は、直径５０μｍの気泡を含むゴム（ＧＥ ＲＴＶ６１５など）から構成される。このようなアプローチの１つは、インピーダンスが音響源から標的へと単調に変化する２層式マッチング層用に最適化基準を有する。この方法は、未だ最適マッチではないが、先行アプローチより広い帯域幅での性能をもたらすものと考えられる。さらに異なる他の提案は、狭帯域マッチングにのみ役立つ非単調な多層式マッチング層を含む。さらに異なる他のアプローチでは、インピーダンスが漸次増加または減少する多数の薄層が集合的にマッチング層を形成する。このアプローチでは、厚さ１／３０波長の薄い複数の層が集合的にマッチング層を形成する。１つのアプローチでは、容易に利用できる材料からなる複数の層を使用し、ステンレス鋼の非接触および非破壊試験において、４５０ｋＨｚのトランスデューサを空気とほぼマッチさせている。最後に、Ｍａｈｅｓｈ Ｂｈａｒｄｗａｊに２００１年１１月６日付けで発行された米国特許第６，３１１，５７３号では、標準的圧電トランスデューサがほぼ空気にマッチする、数層で構成されたマッチング層を説明している。典型的な例では、圧電チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）部材が、アルミニウムと硬質エポキシとでコーティングされ、最終的にクレーコート紙でコーティングされる。上記Ｂｈａｒｄｗａｊの技術を従来技術水準の代表とすると、Ｂｈａｒｄｗａｊの技術では、特定の問題にのみ対応できるＰＺＴなどの圧電材料と空気とのマッチング例が、いくつか提供されている。Ｂｈａｒｄｗａｊの例１では、次の説明がなされている（カラム４、第３８〜５７行）。

「１ＭＨｚトランスデューサは、次のように構成できる。
圧電材料：ＰＺＴ。Ｚ_１＝３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ。第１の伝達層：アルミニウム。Ｖ＝６３２５ｍ／ｓ。Ｚ_２＝１７×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ。１ＭＨｚにおけるＰ／８＝１０００／８＝１２５ｎｓ。ここで、１０００ｎｓはＭＨｚ周波数での１周期、Ｐ。したがって、この層の厚さは１２５×１０−９×６，３２５，０００＝０．７９ｍｍである。
第２の伝達層：硬質エポキシ。Ｖ＝２６００ｍ／ｓ。Ｚ_３＝３×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ。１ＭＨｚでのＰ／１６＝１０００／１６＝６２．５ｎｓ。したがって、この層の厚さは６２．５×１０−９×２，６００，０００＝０．１６ｍｍである。表面層：クレーコート紙。Ｖ＝５００ｍ／ｓ。Ｚ_４＝０．６×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ。１ＭＨｚでのＰ／１６＝１０００／１６＝６２．５ｎｓ。したがって、この層の厚さは６２．５×１０−９×５００，０００＝０．０３ｍｍである。」

この特定の例では、ＰＺＴと空気とをマッチさせるため、３つのマッチング層が使われている。次の表Ｉは、２０％未満のエネルギーがＰＺＴから空気へ伝達されるこの方法でのインピーダンスをまとめたものである。

Ｂｈａｒｄｗａｊの例２（カラム５、第１〜１６行）は、以下を有する。

「複数部分からなる伝達層を伴った本発明に係るトランスデューサは、以下の層から構成し得る：
圧電層（ＰＺＴ） ３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ
アルミニウム層 １７×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ
アルミニウム複合層 ７×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ
エポキシ層 ３×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ
紙表面層 ０．３×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ」

ここでは、ＰＺＴと空気とをマッチさせるため、４層が使用されている。次の表ＩＩは、伝達されるエネルギーが２０％未満であるＢｈａｒｄｗａｊの例２のインピーダンスをまとめたものである。

上記の方法は、一時的な方法で、基本的な根拠も分析的な枠組みもなく、すべて実験的に導出されたものである。音響源インピーダンスと標的インピーダンスとのマッチングに一貫して最適な解決策を提供するトランスデューサおよび他の音響源を製造する必要性は、依然として存在している。

本発明は、そのいくつかの実施形態において、インピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法であって、音響源インピーダンスＺ_０を有する圧電素子を提供する工程と、標的インピーダンスＺ_{（Ｎ＋１）}を有する標的媒体を選択する工程と、１より大きい整数である、マッチング層の数Ｎを定義する工程と、各マッチング層Ｊであって、Ｊが１から、定義された前記マッチング層の数Ｎまで漸増し、各マッチング層Ｊについて、Ｎ層の境界値問題の解に従って必要なインピーダンスを決定する工程と、決定された前記必要なインピーダンスＺ_Ｊを実質的に有するマッチング層Ｊ用の前記材料であって、音速と、前記音速に付随する波長λ_Ｊとを有するマッチング層Ｊ用の材料、を選択する工程と、正の整数値ｎ_Ｊと、選択された前記マッチング層Ｊ用の材料の厚さＬ_Ｊとを決定する工程と、厚さＬ_Ｊの前記マッチング層Ｊを前記トランスデューサに適用する工程とを含む方法である。

前記インピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法は、音響インピーダンスを有する第１の媒体内で、音響源により音圧を生成する工程と、受信トランスデューサによって、前記第１の媒体内で前記音響源により生成された音圧を測定する工程と、音響インピーダンスを有する第２の媒体内で、前記音響源により音圧を生成する工程と、前記受信トランスデューサによって、前記第２の媒体内で前記音響源により生成された音圧を測定する工程と、前記第１の媒体の音響インピーダンスと、前記第２の媒体の音響インピーダンスと、前記受信トランスデューサにより測定された記第１の媒体内の音圧と、前記受信トランスデューサにより測定された前記第２の媒体内の音圧とに基づき、前記導出された有効音響源インピーダンスを決定する工程とを含む。

本発明は、そのいくつかの実施形態において、インピーダンスを最適にマッチさせたマッチング層を有するトランスデューサと、その最適なマッチをもたらす方法とを含む。以下の各例は、単一層からなる挿入媒体を説明する場合も、複数層からなる挿入媒体を説明する場合も、トランスデューサ音響源と標的媒体との間の最適なインピーダンスマッチを有する挿入媒体を説明している。実際には、選択される層の数は、特定の実施形態用に望ましいインピーダンスの範囲および値に依存する。最適な複数マッチング層を確立するための好適な方法では、単一層の場合に典型的に使われる元の境界値問題の式に依存し、アプローチを拡張する。以下に開示する前記方法およびそれにより得られる結果は、境界値問題の解が２つ以上の挿入層用に最適な解を提供するマッチング層用のものであり、この方法はＮ層まで拡張可能である。層ごとに生成されたインピーダンス値は最適な値であり、材料選択時に考慮することにより、トランスデューサ音響源からの最大エネルギー伝達をもたらす。

事例１では、インピーダンスＺ_０を有する音響源層と、インピーダンスＺ_２を有する標的媒体との間に単一層が挿入される。マッチさせる層に必要なインピーダンスＺ_１は、インピーダンスＺ_０の平方根と、標的媒体のインピーダンスＺ_２の平方根との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

事例２では、インピーダンスＺ_０を有する音響源層と、インピーダンスＺ_３を有する標的媒体との間に２つの層が挿入される。マッチさせる第１の層に必要なインピーダンスＺ_１は、音響源のインピーダンスＺ_０の立方根の２乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_２の立方根との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

同様に、マッチさせる第２の層に必要なインピーダンスＺ_２は、音響源のインピーダンスＺ_０の立方根と、標的媒体のインピーダンスＺ_３の立方根の２乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

事例３では、インピーダンスＺ_０を有する音響源層と、インピーダンスＺ_４を有する標的媒体との間に３つの層が挿入される。マッチさせる第１の層に必要なインピーダンスＺ_１は、音響源のインピーダンスＺ_０の３／４乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_４の１／４乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

同様に、マッチさせる第２の層に必要なインピーダンスＺ_２は、音響源のインピーダンスＺ_０の平方根と、標的媒体のインピーダンスＺ_４の平方根との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

同様に、マッチさせる第３層に必要なインピーダンスＺ_３は、音響源のインピーダンスＺ_０の１／４乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_４の３／４乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

事例４では、インピーダンスＺ_０を有する音響源層と、インピーダンスＺ_５を有する標的媒体との間に４つの層が挿入される。マッチさせる第１の層に必要なインピーダンスＺ_１は、音響源のインピーダンスＺ_０の４／５乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_５の１／５乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

同様に、マッチさせる第２の層に必要なインピーダンスＺ_２は、音響源のインピーダンスＺ_０の３／５乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_５の２／５乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

同様に、マッチさせる第３層に必要なインピーダンスＺ_３は、音響源のインピーダンスＺ_０の２／５乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_５の３／５乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

最後に、マッチさせる第４層に必要なインピーダンスＺ_４は、音響源のインピーダンスＺ_０の１／５乗と、標的媒体のインピーダンスＺ_５の４／５乗との積を計算して決定される。すなわち、次のようになる。

一般に、インピーダンスＺ_０を有する音響源層と、インピーダンスＺ_Ｎ＋１を有する標的媒体との間に挿入されるＮ個の層（Ｎは正の整数）用にインピーダンスを計算する方法において、順次挿入される各層Ｊ（Ｊは１からＮまでの整数）に必要なインピーダンスは、次のように算出される。

単一マッチング層の場合と類似した別個の手順では、マッチング層全体にわたるエネルギー伝達の最大化を確実にするための、マッチング層の最適な厚さを決定する。マッチング層Ｊの厚さがＬ_Ｊで与えられ、λ_Ｊが層Ｊ内での音の波長であるとすると、次式のようになる。

ここで、ｎ_Ｊは正の整数であり、構造要件と材料の寄生効果との間のバランスにおいて、１、２、または３と選択されることが好ましい。単一マッチング層の解は、式２で説明した単一マッチング層の事例と一致したものになる。上記手順を組み合わせたものを、インピーダンスを最適にマッチさせた層を有する音響トランスデューサまたは音響共振源を作成する方法を例１００として、図１に例示した。予備的な選択および判定１１５は、インピーダンスＺ（０）と共振周波数ｆ（０）とを有するトランスデューサ音響共振源材料を選択する時点で行う。標的媒体が決定され、それと共にそのインピーダンスＺ_{（Ｎ＋１）}が決定される。またマッチング層の数Ｎが決定される。反復１２５を行うため、音響源材料は層Ｊ＝０と定義できる（１２０）。各マッチング層について、マッチング層のインピーダンスが次式により決定される（１３５）。

次の工程は、決定されたインピーダンスＺ（Ｊ）と波長λ_Ｊとを有する材料の選択であり、この波長は、前記材料の音速と、動作時の圧電共振周波数ｆ（０）とから決定できる（１４０）。選択された材料とその構造および製造品質とがわかると、厚さ整数ｎ（Ｊ）が決定される（１４５）。次に、特定層Ｊの厚さが決定される（１５０）。次に層Ｊの材料が後続層１５５に適用され、ここで、前記の圧電媒体は層０として扱われる。ここで説明する方法例は、超音波トランスデューサのほか音響源にも適用可能である。これらの応用において、有効音響源インピーダンスは、以下に開示する工程に従って決定され、その結果得られる有効音響源インピーダンスで、既知のトランスデューサインピーダンスＺ（０）（１１５）が置き換えられる（１９０）。

以下の例は、上記で開示した方法の応用を、最適にマッチさせた音響インピーダンスを有する超音波トランスデューサを製造するいくつかの実施形態を例示したものであり、その結果得られるトランスデューサを図２に示した。トランスデューサ２００は、好適な実施形態２１０においてＰＺＴ音響源層からなり、ここで第１の層２１５、第２の層２２０、および必要に応じＮ番目までの後続層２２５は、音響源２１０で生成される音響エネルギーが最適にマッチさせたインピーダンスを有する挿入層により標的媒体２３０へ効率的に伝達されるように、本発明の説明に基づいて適用される。

まず、ＰＺＴなどの典型的な圧電材料を空気にマッチさせる一般事例への応用において、この圧電材料は例としてインピーダンス３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有し、この例での標的媒体である空気はインピーダンス４１５Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有する。式１を使った単一のマッチング層を伴うトランスデューサの製造において、マッチング層は、非実用的なインピーダンス０．１２×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを必要とする。また、２つのマッチング層を伴うトランスデューサの製造時は、開示された好適な方法の説明を使用して、第１のマッチング層が０．７８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ、第２のマッチング層が０．０１８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓとなるよう計算する。これらの仕様を満たすマッチング層材料を選択することにより、確実に、構成が最適化され、標的への伝達エネルギーが最大化される。

上記の例から、当業者であれば、マッチング層の数を増加させると、最適なトランスデューサの構築に使用できる材料の範囲が広がることが理解されるであろう。例えば、単一のマッチング層を使ってＰＺＴを空気にマッチさせるには、インピーダンス０．１２×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓのマッチング層が必要になる。残念なことに、適切な音響インピーダンスを有する材料は非常に吸収性の高いコルクであるため、実用的な用途には不向きである。しかしながら、２つのマッチング層を伴うトランスデューサを製造する際は、例えば低い減衰係数を有する材料である各種形態のゴムなど、インピーダンス０．７８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓおよび０．０１８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓの材料を選択でき、このような材料がＰＺＴから空気へのマッチングの実用的手段をもたらす。

本発明に３つのマッチング層を適用する例では、ＰＺＴを空気とマッチさせている。下の表ＩＩＩは、伝達されるエネルギーがほぼ１００％になる方法例の結果をまとめたものである。

以下の例では、ＰＺＴを空気にマッチさせるため、４層が使用されている。次の表は、ほぼ１００％のエネルギーが伝達される本発明の好適な方法の結果をまとめたものである。

上記の方法は、２つの材料間で音響インピーダンスをマッチさせ、それにより最適にマッチさせた音響インピーダンスを有する超音波トランスデューサを製造するための、効果的かつ効率的な手段を提供する。ここでの説明に従って製造する超音波トランスデューサは、音響源から標的媒体へのトランスデューサのエネルギー伝達を最大化する。本明細書で説明するこの方法は、そのいくつかの実施形態において、任意の２材料間で、指定された数の層に対して、音響インピーダンスの最適なマッチングをもたらすものであるが、上記の例で説明したようにＰＺＴなどの典型的な圧電材料から空気へのマッチングを考慮することは有益である。本明細書では、一般的な方法の具体的実施例を開示している。上記のように、ＰＺＴは音響インピーダンス３４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有し、空気はインピーダンス４１５Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有している。単一のマッチング層を使用する場合、この方法は式１および２で説明される周知の古典的結果へと単純化される。この場合、上記で示したように、マッチング層はインピーダンス０．１２×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを有する。上述したように、コルクはこのようなインピーダンスを伴う数少ない材料の１つである。ただし、この材料は高い吸収性を有するため、すなわち多大な音響エネルギーを損失するため、マッチング層の候補としては劣る。

前掲で示したように、マッチング層が２つの場合、それらのインピーダンスは０．７８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓおよび０．０１８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓとなる。製造後このようなインピーダンスを有する材料としては、種々の形態のゴムが知られている。例えば、硬質ゴムは、インピーダンス約０．７８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ、音速約２４００ｍ／ｓ、および１ＭＨｚにおける波長２．４ｍｍで構成できる。この材料から製造されるマッチング層は、波長の１／４、すなわちｎ_Ｊ＝１で厚さ０．６ｍｍまで薄くできる。軟質ゴムは、インピーダンス約０．０１８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓ、音速約１０５０ｍ／ｓ、および１ＭＨｚにおける波長約１ｍｍで構成できる。この材料から製造されるマッチング層は、波長の１／４、すなわち（ｎ_Ｊ＝１で）厚さ０．２５ｍｍまで薄くできる。

上記、表ＩＶで説明したように、マッチング層が４つの場合、以下の材料が使用できる。

第１の層には、例えば３．５×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを達成するために、各種形態のプレキシグラスおよびテフロン（登録商標）が応用可能であり、第２の層には軟質ゴムが０．３７×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを実現し、第３層には各種形態の軟質ゴムが０．０３８×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを実現し、第４層には紙および各種形態の軟質ゴムが０．００４×１０^６Ｋｇ／ｍ^２・ｓを実現する。

エネルギー伝達効率および製造可能性の改善といった利点を追求するために、各マッチング層の厚さは、式１４と、各層Ｊに選択されるマッチング層の厚さ整数ｎ_Ｊとにより決定される。

本発明のトランスデューサの例は、ピークまたは共振周波数を有するＰＺＴ装置であることが好ましく、この好適な実施形態は、１つ以上の軟質ゴム層、および／またはトランスデューサ表面または後続マッチング層上に塗布される１若しくはそれ以上の硬質ゴム層を有する。ゴムは、望ましい厚さである１／４波長になるまで継続して塗布され、ここで、この波長はゴム内での音速を圧電素子の共振周波数で割ったものとして定義される（式１４を参照）。硬質ゴムの塗布のほか、代替実施形態では、従来のエポキシ、セメント、粘着テープ、または他の高粘性エポキシ接着剤若しくはセメントと互いに結合したマッチング層を有する。

１／４波長厚のマッチング層用材料の製造が非実践的な場合、あるいは構造要件のため１／４波長厚にまで材料を薄くした製造が望ましくない場合は、１より大きいマッチング層厚さ整数ｎを使わなければならない。ここで、例えばｎが２であると、マッチング層の厚さは波長の３／４になる。当然のことながら、当業者であれば、この開示により結果的に製造されるマッチング層の標的厚さの合計は、類似した、ただし必ずしも同一ではない材料の波長で近似して確立できることが理解される。すなわち、λ_１がλ_２にほぼ等しい場合は、２つの１／４波長マッチング層を組み合わせて、１／２波長の標的厚さをもたらすことができる。これにより、１／２波長、λ_１／２の合計の厚さがほぼ達成されうる。厚さに照準を合わせたこの方法は、より大きな標的厚さにも拡張される。例えば、第１の厚さが５λ_１／４で第２の厚さがλ_２／４であれば標的の厚さは３λ_２／２が望ましい可能性があり、これによりλ_１はλ_２にほぼ等しくなり、厚さの合計は３λ_１／２となる。

ＰＺＴ、すなわちチタン酸ジルコン酸鉛は、超音波トランスデューサまたは音響源に好適な材料であるが、この方法は、そのいくつかの実施形態において、いかなる圧電性物質にも音響源材料として適用可能である。代替材料には、水晶、チタン酸バリウム、硫酸リチウム、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、および他の適切な電子機械結合剤などがある。標的媒体については、空気および他のガス状媒質が最も一般的な標的として期待される。ただし、水および水に近い媒体を含む液体と、組織および組織に近い材料を含む固体とを標的にしてもよい。

上記の例は、ＭＨｚの周波数範囲で動作する圧電装置の代表的なものであるが、当業者であれば、この方法がいかなる周波数範囲で動作するいかなる圧電トランスデューサにも適用できることが理解できるであろう。これには、ｋＨｚの周波数範囲とさらに低周波数とで動作する圧電トランスデューサ、および半導体技術、成膜方法、および／またはナノ技術方法を使って製造され、メガヘルツ（ＭＨｚ）、ギガヘルツ（ＧＨｚ）、およびテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数範囲で動作する圧電トランスデューサが含まれる。

例により説明したこの方法は、圧電装置を対象とするが、当業者であれば、前記方法が、そのいくつかの実施形態において、以下で定義する有効音響インピーダンスＺ_ＥＦＦが対象とする音響源について測定され、且つ音響源の音響インピーダンスＺ_０にＺ_ＥＦＦが代入されるという前提で、音波を生成する技術とは関係なく、いかなる音響源または超音波トランスデューサにも適用可能であることが理解されるであろう。音響源について有効音響インピーダンスとして定義するものを測定することにより、例により上記で詳述した、例に挙げた圧電音響源に適用した方法は、任意の音響源、したがって興味の対象となる任意の媒体または標的に最適にマッチさせた任意の音響源に適用可能となる。特に、この方法はコンデンサ型装置および電磁気装置にも適用可能である。また、ラウドスピーカー、補聴器、サイレン、ホイッスル、楽器、すなわち、音波を生じるいかなる対象にも適用できる。

次に、任意の音響源について有効音響インピーダンスを決定するための、また本発明の方法に適用する一連の実験測定を図３とともに説明する。まず、興味の対照である音響源は、第１の媒体内または興味の対照である媒体内、すなわち標的媒体Ａ内、または標的媒体の音響特性に類似した音響特性を伴う媒体Ａ’内で動作する（３１０）ように構成される。例えば、音響源が動作する媒体の音響インピーダンスとしてＺＡを定義し、前記媒体ＡのインピーダンスＺＡは、独立に測定可能であり、音響源はまだこの標的とは最適にマッチされていないと仮定する。別個の受信トランスデューサを使い、興味の対照である音響源により生じた音圧を、インピーダンスＺＡを有する前記媒体Ａ内の任意の位置で測定する（３１５）。前記受信トランスデューサは、同一である必要も前記音響源に類似する必要もなく、非常に異なる音生成原理で動作してよい。当然のことながら、この受信トランスデューサは音響源に適切な周波数および振幅の範囲で動作する。この受信トランスデューサでは、圧力を相対測定すれば十分であるため、絶対圧力測定の補正が不要である。音響源に対する受信機の位置は、精確に定義する必要はないが、このような測定は、良好な音響測定手順に従い、当業者に既知の場付近におけるアーチファクト（人工産物）が測定の妨げとならぬよう十分な距離をおいて行う必要がある。

前記受信トランスデューサにより前記媒体Ａ内で測定される圧力振幅Ｐ_ＲＡは、次式で与えられる。

ここで、ｐ_０は音響源での圧力、τ０Ａは音響源および前記媒体Ａ間の伝達係数、およびＺ_ＥＦＦはこの音響源の有効音響インピーダンスである。

次に、前記媒体Ａを、第２の媒体Ｂであって、ＡまたはＡ’と異なる音響特性を有するが、前記音響源および前記受信トランスデューサの機能に対しては適切な第２の媒体Ｂと交換する（３２０）。音響源トランスデューサおよび受信トランスデューサ間の距離など、他のすべての可変量は、一定に保たれることが好ましく、次に前記受信トランスデューサにおいて圧力振幅Ｐ_ＲＢが測定される（３２５）。前記受信トランスデューサにより前記媒体Ｂ内で測定される圧力振幅は、次式で与えられる。

ここで、τ_０Ｂは、音響源および前記媒体Ｂ間の伝達係数である。配備された媒体がＡであってもＢであっても音響源が確実に同じ電源レベルで動作中であることを確認しつつ、上記２式の比率を計算する。

変数Ωに関する以下の定義を使い、

導出された関係に従ってＺ_ＥＦＦの値を生成する（３３０）。

上記の例では、材料Ａのインピーダンスおよび材料Ｂのインピーダンスは既知であり、可変量Ωは上記の工程を通じて経験的に得られる。最後に、有効音響インピーダンスが音響源の音響インピーダンスであると同定し、次式のとおりＺ_０にＺ_ＥＦＦを代入することにより、上記の方法を利用する（３３５）。

そして、上記で説明し、さらに図１に例示した方法を使って、任意の音響源を前記媒体または操作の標的にマッチする。

ここでは２つの例をとり、所与の音響源の有効音響インピーダンスを決定する際、この実験方法がいかに使用されるか、また音響源を標的材料に最適にマッチさせる際、本発明が、そのいくつかの実施形態において、いかに使用されるかを示す。

第１の例は、海中、特に海水中での操作用に設計されたコンデンサ型トランスデューサの事例である。同一のトランスデューサを、海水環境において類似周波数範囲で動作する受信機または圧電トランスデューサとして使い、音響源により生じる圧力振幅を測定する。次に、海水を例えば蒸留水と交換し、前記測定を繰り返す。これら２つの測定値を使って、既知の海水および蒸留水の音響特性により、前記コンデンサ型トランスデューサに関する有効音響インピーダンスを決定する。最後に、最適にマッチさせたトランスデューサの作成における適切なマッチング層の計算方法の例を使って、インピーダンスおよび厚さの観点から一連のコーティングを選択し、これを音響源に適用して前記トランスデューサと海との間に最適な音響マッチが提供される。以上説明したように、この最適マッチングは次に、コンデンサ型トランスデューサが最大効率で動作することを可能にする。

第２の例として、周波数範囲５〜１０ｋＨｚにわたり空気中で動作するように構成されたラウドスピーカーの場合は、適切なマイクを使って、このラウドスピーカーが空気中で動作することにより生じる圧力を測定する。次に、前記ラウドスピーカーが、窒素ガスなどを充填した実験チャンバー内で動作することにより生じる圧力を測定する。これらの実験の測定値を、以上の有効音響源インピーダンスを決定する工程と併せると、インピーダンスおよび厚さの観点から最適な音響マッチングに適切なコーティング、したがって最適で効率的な性能が得られるコーティングを選択することができる。

本発明の性質および目的についてさらに理解を深めるには、付属の詳細な説明を添付の図面とともに参照する必要があり、前記図面において同様な要素には同じまたは類似した参照番号が使われている。
図１は、本発明の好適な方法の実施形態を説明したフローチャート。 図２は、本発明に従った層状トランスデューサ装置の実施形態の例を示した図。 図３は、本発明の有効音響源インピーダンスを決定する好適な方法を説明したフローチャート。

Claims (8)

1. インピーダンスをマッチさせた３若しくはそれ以上の層を有するトランスデューサを作成する方法であって、
   音響源インピーダンスＺ_０を有する圧電素子を提供する工程と、
   標的インピーダンスＺ_{（Ｎ＋１）}を有する標的媒体を選択する工程と、
   ２より大きい整数である、マッチング層の数Ｎを定義する工程と、
   各マッチング層Ｊであって、Ｊは１から、定義された前記マッチング層の数Ｎまで漸増し、各マッチング層Ｊについて、
   次式に従って必要なインピーダンスを決定する工程と、
   

   

   決定された前記必要なインピーダンスＺ_Ｊを実質的に有するマッチング層Ｊ用の材料であって、音速と、前記音速に付随する波長λ_Ｊとを有するマッチング層Ｊ用の前記材料、を選択する工程と、
   正の整数値ｎ_Ｊと、選択された前記マッチング層Ｊ用の材料の厚さＬ_Ｊとを、次式に従って決定する工程と、
   

   

   厚さＬ_Ｊの前記マッチング層Ｊを前記トランスデューサに適用する工程と
   を有する、インピーダンスをマッチさせた３若しくはそれ以上の層を有するトランスデューサを作成する方法。
2. インピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法であって、
   導出された有効音響源インピーダンスＺ_ＥＦＦを有する音響源を提供する工程と、
   標的インピーダンスＺ_{（Ｎ＋１）}を有する標的媒体を選択する工程と、
   １より大きい整数である、マッチング層の数Ｎを定義する工程と、
   各マッチング層Ｊであって、Ｊは１から、定義された前記マッチング層の数Ｎまで漸増し、各マッチング層Ｊについて、
   次式に従って必要なインピーダンスを決定する工程と、
   

   

   決定された前記必要なインピーダンスＺ_Ｊを実質的に有するマッチング層Ｊ用の材料であって、音速と、前記音速に付随する波長λ_Ｊとを有するマッチング層Ｊ用の前記材料、を選択する工程と、
   正の整数値ｎ_Ｊと、選択された前記マッチング層Ｊ用の材料の厚さＬ_Ｊとを、次式に従って決定する工程と、
   

   

   厚さＬ_Ｊの前記マッチング層Ｊを前記トランスデューサに適用する工程と
   を有する、インピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法。
3. 請求項２のインピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法であって、この方法は、さらに、
   音響インピーダンスを有する第１の媒体内で、音響源により音圧を生成する工程と、
   受信トランスデューサによって、前記第１の媒体内で前記音響源により生成された音圧を測定する工程と、
   音響インピーダンスを有する第２の媒体内で、前記音響源により音圧を生成する工程と、
   前記受信トランスデューサによって、前記第２の媒体内で前記音響源により生成された音圧を測定する工程と、
   前記第１の媒体の音響インピーダンスと、前記第２の媒体の音響インピーダンスと、前記受信トランスデューサにより測定された前記第１の媒体内の音圧と、前記受信トランスデューサにより測定された前記第２の媒体内の音圧とに基づき、前記導出された有効音響源インピーダンスを決定する工程と
   を有するものである。
4. 請求項３のインピーダンスをマッチさせた複数の層を有するトランスデューサを作成する方法において、前記導出された有効音響源インピーダンスＺ_ＥＦＦを決定する工程は、前記第１の媒体の前記音響インピーダンスＺ_Ａと、前記第１の媒体の前記音響インピーダンスＺ_Ｂと、前記受信トランスデューサにより測定された前記第１の媒体内の音圧Ｐ_ＲＡと、前記受信トランスデューサにより測定された前記第２の媒体内の音圧Ｐ_ＲＢとに基づき、次式
   

   

   に係るものである。
5. 標的インピーダンスを有する標的媒体へ音響エネルギーを伝達する機器であって、
   音響源インピーダンスＺ_０および３若しくはそれ以上のマッチング層を有する圧電素子であって、
   前記３若しくはそれ以上のマッチング層は、それぞれ次式に係る必要なインピーダンスと、
   

   

   波長λ_Ｊとを有し、
   前記３若しくはそれ以上のマッチング層は、それぞれ次式に係る厚さを有し、
   

   

   ｎ_Ｊは正の整数であり、
   前記３若しくはそれ以上のマッチング層は、前記圧電素子に結合されている
   圧電素子を有する機器。
6. インピーダンスＺ_０を有する音響源から、標的インピーダンスＺ_{（Ｎ＋１）}を有する標的媒体への音響エネルギーをマッチングするための物品であって、
   ３若しくはそれ以上のマッチング層Ｎであって、前記３若しくはそれ以上のマッチング層Ｎの各マッチング層Ｊが次式に係る必要なインピーダンスＺ_Ｊを有する、３若しくはそれ以上のマッチング層Ｎと、
   

   

   波長λ_Ｊと
   を有する物品。
7. 請求項６の物品において、前記３若しくはそれ以上のマッチング層は、それぞれ次式に係る厚さを有し、
   

   

   ｎ_Ｊは正の整数である。
8. 請求項６の物品において、前記標的媒体は空気である。

Images