JP4291501B2 - 広帯域送受波器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋での魚群探知や深度測定等の海洋での使用に好適な広帯域送受波器であって、特に圧電振動子を用いた電気音響変換素子を複数個、配列して構成される素子配列型の広帯域送受波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の海洋での送受波器では、音響測定精度の向上のため、使用周波数の高周波数化による水中音波の短波長化、あるいは信号応答性の改善を図るための広帯域化等の技術が提案されてきた。特に、広帯域化の技術に関しては、整合層の使用により、かなりの成果が得られていた。
【０００３】
一般に、送受波器の電気音響変換素子に使用される整合層は、整合層材料の音響インピーダンス密度に着目し、電気信号と音響信号の変換を行う圧電振動子と水中超音波送受波器における音波伝搬媒体である水の各々の音響インピーダンス密度の幾何平均値を目標として種々の材料から選択されていた。整合層の長さ寸法を圧電振動子の使用周波数における整合層中の音波伝搬波長λの１／４とし、圧電振動子の音響放射面に接着等の方法により、音波の伝搬方向と整合層の長さ方向が一致するように取り付けられていた。
【０００４】
上記の整合層による送受波器の広帯域化については、図６(ａ)に示すように、１個の圧電振動子１ａの音響放射面に整合層２ａを１層設けた電気音響変換素子を使用する構成が基本の形である。整合層２ａを１層設けて得られる帯域幅では充分でない場合には、図６(ｂ)のように、２層目の整合層２ｂあるいは３層目の整合層２ｃを設けて多重整合層の構成をとることで、より一層の広帯域化を図っていた。
【０００５】
図７(ａ)に示すような素子配列型の送受波器においても、圧電振動子１ｂに整合層２ｄを１層設けた電気音響変換素子を、複数個配列することで、充分な帯域幅が得られなければ、図６に示す送受波器の場合と同様に、図７(ｂ)のように、２層目の整合層２ｅあるいは３層目の整合層２ｆを設けて多重整合層化することにより対処するのが一般的であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７(ｂ)の送受波器のように、多重整合層を設けた電気音響変換素子を複数個、配列する構造とする場合、各電気音響変換素子は１個の圧電振動子に接着等の方法で２層以上の整合層を取り付けていくことで形成されるため、整合層の各層間のずれの防止や接着剤層の厚さの管理等が必要になるなど組立の煩雑化を招き、圧電振動子や整合層間の境界となる接着剤層の増加に伴い特性のばらつきが顕著化するなどの問題があった。
【０００７】
さらには、２層目、３層目の整合層として音響インピーダンス密度の異なる材料を使用するが、各整合層の音波伝搬方向の長さ寸法は、それぞれの材料における音波伝搬波長λの１／４とすることが通例で、整合層を１層だけ設けた構成の電気音響変換素子に対して長さ寸法が増大するために、結果として、送受波器の寸法も大きくせざるを得ないという問題もあった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、素子配列型の広帯域送受波器において、従来の１層の整合層を設けることで得られていた広帯域化の効果に対し、多重整合層という電気音響変換素子の構造の複雑化や長さ寸法の増加を必要とせずに、整合層を１層設けた基本的な構成の電気音響変換素子を組み合わせて使用することで、より広帯域化を達成する広帯域送受波器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の広帯域送受波器は、圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を、複数個配列して構成される素子配列型の水中超音波送受波器において、前記整合層として材料中を音波が伝搬する方向により音波伝搬速度が異なる速度異方性を有する材料から得た２種類以上の整合層を組み合わせて使用し、なおかつ、整合層の音波伝搬方向の長さを複数の整合層中で音波伝搬速度が中央値ないしは中央値より速い整合層の特性値により定めた長さで統一した広帯域送受波器である。
【００１０】
本発明の広帯域送受波器によれば、音波伝搬方向である長さ方向において、寸法が等しく音波伝搬速度が異なる複数種類の整合層を一つの仕様の圧電振動子に付与することで、共振特性のずれた複数の電気音響変換素子が得られ、それらを組み合わせて素子配列を構成することにより、感度特性のずれた電気音響変換素子群の特性を合成した感度特性を有する広帯域送受波器とすることができる。
【００１１】
即ち、本発明は、圧電振動子に１層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数個、配列し、樹脂モールド等の方法により水密性を持たせた素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層として材料中を音波が伝搬する方向により音波伝搬速度が異なる速度異方性を有する材料から得た２種類以上を組み合わせて使用し、かつ整合層の音波伝搬方向の長さを複数の整合層中で音波伝搬速度が中央値ないしは中央値より速い整合層の特性値により定めた長さで統一する広帯域送受波器である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の広帯域送受波器について、以下に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による素子配列型の広帯域送受波器であり、２種類の電気音響変換素子の配置を示す上面及び側面から見た断面図である。図１（ａ）は、広帯域送受波器での正面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）でのＡＡ断面図を示す。
【００１４】
従来の構成では、図７のように、素子配列型の送受波器で圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個、配列する場合は、１種類の材料から同一の寸法に作られた整合層を各圧電振動子に接着等で付与するため、各々の電気音響変換素子は同一の特性を持つものであった。
【００１５】
これは、素子配列型の送受波器が、図６のように、圧電振動子１個で電気音響変換素子を構成する送受波器に対して、指向性の操作や振動子の外径寸法比に起因する結合振動の発生回避を達成するために、音響放射面を細分化した形状の電気音響変換素子を複数個、配列する形で置き換えることを当初の目的として構成されたためである。
【００１６】
即ち、図７に示す従来構成の送受波器は、図９に示すような音響放射面形状の電気音響変換素子１個で構成する送受波器を、細分化した電気音響変換素子を１６個配列して音響放射面の形状や外径寸法が等しくなるように構成し直したものと言える。
【００１７】
ここで、１６個の電気音響変換素子は、各々同一特性を持つものであるから、素子配列した送受波器の共振特性は、図９の電気音響変換素子１個の送受波器と同様に、圧電振動子の使用周波数における単一共振が整合層１個の付与により、１次及び２次の２つの共振点を持つ２重共振特性へと変化したものであり、電気音響変換素子を複数個、配列しても共振点がさらに増えることはない。
【００１８】
これに対して、本発明の広帯域送受波器では、寸法が等しく音波伝搬速度の異なる複数の整合層を使用することで、２重共振特性の共振点がずれた電気音響変換素子が複数得られ、これらを組み合わせることで、３個以上の共振点を持つ広帯域送受波器を構成している。
【００１９】
【実施例】
本発明の実施例による広帯域送受波器について、以下に説明する。
【００２０】
本発明の広帯域送受波器では、１種の材料から２種類の特性の異なる整合層を得ている。整合層材料として使用する音波伝搬速度の異方性を有する材料は、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２である。この材料は、基材となるガラス布繊維に沿った方向と、繊維に直交する方向の音波伝搬速度が異なる。
【００２１】
従来、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板を整合層材料として使用する場合は、ガラス布繊維に沿った方向か或いは繊維に直交する方向のいずれかを整合層としての音波伝搬方向として統一していたが、本実施例では繊維に沿った方向を整合層の音波伝搬方向である長さ方向とした第１の整合層２２ａを使用し、また、繊維に直交する方向を整合層の音波伝搬方向である長さ方向とした第２の整合層２２ｂを使用している。
【００２２】
あるいは、上記の第１の整合層２２ａと、または第２の整合層２２ｂに替えて、繊維に沿った方向に対して斜めの方向を整合層の音波伝搬向として使用した第３の整合層（図示せず）を加工して使用することも可能である。
【００２３】
ガラス布基材エポキシ樹脂積層板では、図３のように、ガラス布繊維に沿ったＸ、Ｙ方向の音波伝搬速度は、ガラス布繊維に直交するＺ方向の音波伝搬速度に対して３０％以上、大きい値を示すことから、密度が等しく音波伝搬速度の異なる２種類の整合層が得られることになる。音波伝搬速度の速いガラス布繊維に沿ったＸあるいはＹ方向の特性値で整合層２２ａの長さ方向寸法Ｌを決定し、ガラス布繊維に直交するＺ方向を音波伝搬方向として用いる整合層２２ｂについても、長さ方向寸法をＬとして加工する。
【００２４】
これにより、繊維に沿った方向を音波伝搬方向とする整合層２２ａを、従来と同様に、使用周波数における整合層中の音波伝搬波長λａの１／４の長さとすると、繊維に直交する方向を音波伝搬方向とする整合層２２ｂは、使用周波数において整合層中の音波伝搬波長λｂの１／４に対して実質的に３０％以上、長い寸法ということになる。
【００２５】
実施例では、長さ方向に周波数７０ｋＨｚで共振する角柱状振動子２１に、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２から製作した２種類の整合層２２ａ、２２ｂを接着により付与して、１層の整合層を有する電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを得ている。
【００２６】
ガラス布基材エポキシ樹脂積層板の材料特性としては、密度ρ＝１.９×10^３（ｋｇ／ｃｍ^３）、繊維に沿った方向の音波伝搬速度Ｃａ＝３１５０（ｍ／ｓｅｃ）、繊維に直交する方向の音波伝搬速度Ｃｂ＝２３４０（ｍ／ｓｅｃ）であることから、使用周波数７０ｋＨｚに対して繊維に沿った方向を音波伝搬方向とする整合層２２ａの長さを波長λの１／４と設定すると、長さ寸法は約Ｌ＝１１.３（ｍｍ）と得られ、繊維に直交する方向を音波伝搬方向とする整合層２２ｂについても、この長さで整合層を作製する。
【００２７】
図４には、２種類の整合層２２ａ、２２ｂを熱硬化型のエポキシ樹脂接着剤により圧電振動子２１に接着して構成した電気音響変換素子２３ａ、２３ｂの外観図を示す。両素子とも寸法は同一になる。グラフには、それぞれのインピーダンス特性を示し、電気音響変換素子２３ａの特性はインピーダンス周波数特性２４ａ、電気音響変換素子２３ｂの特性はインピーダンス周波数特性２４ｂに示すようになる。
【００２８】
ここで、繊維に直交する方向を音波伝搬方向とする整合層２２ｂを接着した電気音響変換素子２３ｂは、繊維に沿った方向を音波伝搬方向とする整合層２２ａを接着した電気音響変換素子２３ａに対して１次の共振点が約８ｋＨｚ低周波側へシフトする。これらの電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを組み合わせれば共振特性中に４つの共振点を持つ送受波器が得られる。
【００２９】
これに対して、整合層が１種類である従来の送受波器構成では、共振点は２つである。本発明の実施例による広帯域送受波器では、この２種類の電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを各々８個使用して４列×４列の素子配列を構成し、素子間及び素子配列の周囲にコルク２５を接着して素子の位置決めと周囲からの遮音を行い、信号ケーブル２６と接続後にポリウレタンゴムモールド２７により全体をモールドして水密性を持たせ、図２(ａ)に示す従来例の送受波器と同様の寸法の広帯域送受波器を製作した。
【００３０】
図１に、本実施例の広帯域送受波器の説明図を示す。この広帯域送受波器における電気音響変換素子２３ａ、２３ｂの配置は、図１に示すように、それぞれが交互に配置されるようにしてある。このようにして得た広帯域送受波器の感度特性は、図２の送波感度周波数特性２８、受波感度周波数特性３０のようになる。図２には、従来例として、図８に示す送受波器に本実施例で使用した繊維に沿った方向を音波伝搬方向とする整合層２２ａだけを使用した場合の送波感度周波数特性２９、受波感度周波数特性３１を併せて示した。
【００３１】
従来の構成で得られる送受波器の感度特性に対して、本発明の実施例による広帯域送受波器では、帯域が広がっていることが判る。これは、整合層２２ａを設けた電気音響変換素子２３ａの共振特性に対して整合層２２ｂを設けた電気音響変換素子２３ｂの共振特性が低周波側へずれ、これらを混在させて素子配列を行い、２つの素子群の帯域のずれた感度特性を重畳させることで、低周波側へ帯域が拡がるとともに、帯域内の感度変化を抑制する効果が得られることによる。
【００３２】
従来の送受波器での多重整合層化は、整合層を多層設けることで圧電振動子を多重共振させ、共振周波数近傍での感度特性の持ち上がりを連続的に繋げ、なおかつ、帯域内の感度変化を抑制することで、広帯域化を達成する方法であったが、本発明の広帯域送受波器では、複数の電気変換音響素子をいくつかの群に分けて、それぞれの素子群に共振特性のずれを与え、これらを組み合わせて素子配列を形成したときに１つの送受波器が複数の共振周波数を持つことを可能にし、多重整合層による圧電振動子の多重共振化の場合と同様の効果を近似的に得られるようにしたものである。
【００３３】
本発明の広帯域送受波器によれば、圧電振動子に多重整合層を付与した時のような複雑な特性推定計算は不要であり、１層の整合層を付与した時の特性推定を複数行い、これらの特性の組合せから素子配列を行った後の送受波器としての感度特性が比較的容易に推定できる。
【００３４】
また、１つの材料から整合層を複数得られるため、多くの整合層材料を調査し、選択・組合せを行う必要がない。
【００３５】
さらに、１つの材料から２種類以上の整合層を得ることには、他の利点もある。例えば、今回の実施例で使用したガラス布基材エポキシ樹脂積層板から得た整合層２２ａ、２２ｂと等しい音波伝搬速度を有する樹脂材料を探した場合、一般の樹脂材料では、音波伝搬速度の速いものほど密度が大きくなる傾向にあるため、整合層２２ａ相当の音波伝搬速度を有する整合層材料の密度が整合層２２ｂ相当の音波伝搬速度を有する整合層材料の密度に較べて大きくなるのが普通である。
【００３６】
この場合、２種類の電気音響変換素子間の共振のずれは、計算上でも密度が同一の場合に較べて、ずれが小さくなる。また、前記の傾向より、異なる樹脂材料で密度が等しく音波伝搬速度が大きく異なる材料を探し出すことは、非常な困難が伴う。従って、特性の面でも整合層材料の入手の面でも１つの材料から複数の整合層が得られることの利点は大きい。
【００３７】
上記の実施例でガラス布基材エポキシ樹脂積層板を整合層として使用し、音波伝搬速度の異方性を有する材料から２種類の整合層を得て組み合わせて使用することで、同一の整合層１種類のみ使用する場合に対して広帯域化の効果が大きく得られることを示したが、本発明は、整合層の材料としてガラス布基材エポキシ樹脂積層板のみ規定するものではなく、速度異方性を有する他の材料であっても、同様の効果が得られる。ただし、その効果の大小は、それぞれ使用する材料の特性に依存するもので、異方性を有する材料であれば、本実施例と全く同じ程度の効果が得られることを保証するものではない。
【００３８】
本実施例では、音波伝搬速度の異方性を有する材料としてガラス布基材エポキシ樹脂積層板を使用したが、音波伝搬速度の異方性を有する材料としては布基材あるいは紙基材のエポキシ樹脂積層板やフェノール樹脂積層板等があり、またガラス繊維やカーボン繊維等を一定方向に配向させて成形した樹脂についても、音波伝搬速度の異方性が認められるものが多く、整合層材料として、このような材料を用いることも可能である。
【００３９】
本実施例では、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板の繊維方向の音波伝搬速度に対して整合層の長さが音波伝搬波長λの１／４となるように寸法を定めたが、これについては、必ずしも波長λの１／４である必要はない。
【００４０】
また、本実施例では、ガラス布基材の繊維に沿った方向と繊維に直交する方向を整合層中の音波伝搬方向として利用したが、これらの直交軸から傾いた方向を音波伝搬方向として整合層を加工すれば、さらに音波伝搬速度の異なる整合層を得ることも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、整合層を用いる構成としては、最も単純な形態である１層の整合層を設けた電気音響変換素子を配列する方式の送受波器で、材料特性の異なる整合層を使用し、しかも、その材料特性の異なる整合層を１つの材料から得るという簡単な方法で、より広帯域化された広帯域送受波器を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における素子配列型の広帯域送受波器を示す図、２種類の電気音響変換素子の配置を示す上面及び側面から見た断面図。図１（ａ）は、正面図、図１（ｂ）は、 図１（ａ）でのＡＡ断面図。
【図２】本発明による水中超音波送受波器と、従来の構成による水中超音波送受波器の感度特性を示すグラフ。図２（ａ）は、送波電力感度と周波数との関係を示し、図２（ｂ）は、受波電力感度と周波数との関係を示す図。
【図３】ガラス布基材エポキシ樹脂積層板における音波伝搬方向と、同樹脂板から得る整合層の音波伝搬方向と長さ方向の関係を示す図。
【図４】２種類の電気音響変換素子の整合層におけるガラス布基材エポキシ樹脂積層板の繊維方向との関係を示す図。図４（ａ）は、繊維に沿った方向と、音波伝搬方向をそろえた整合層を持つ電気音響変換素子を示す図、図４（ｂ）は、繊維に沿った方向が、音波伝搬方向と直角をなす整合層を持つ電気音響変換素子を示す図、図４（ｃ）は、それぞれの電気音響変換素子のインピーダンス特性を示す図。
【図５】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の上面及び側面から見た断面図。図５（ａ）は正面図、 図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＢＢ断面図。
【図６】２層の整合層を加えて多重整合層化した電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の側面から見た断面図。
【図７】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個配列した従来の素子配列型の送受波器の上面及び側面から見た断面図。図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）でのＣＣ断面図。
【図８】２層の整合層を加えて多重整合層化した電気音響変換素子を複数個、配列した従来の送受波器の側面から見た断面図。
【図９】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器を示す図。図８と音響放射面の形状寸法が等しい構成とした送受波器の上面及び側面から見た断面図。図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）でのＣＣ断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，２１ 圧電振動子
２ａ〜２ｆ 整合層
２２ ガラス布基材エポキシ樹脂積層板
２２ａ，２２ｂ 整合層
２３ａ，２３ｂ 電気音響変換素子
２４ａ，２４ｂ インピーダンス周波数特性
２５ コルク
２６ 信号ケーブル
２７ ポリウレタンゴムモールド
２８，２９ 送波感度周波数特性
３０，３１ 受波感度周波数特性

Claims (1)

1. 圧電振動子に１層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数個、配列し樹脂モールド等の方法により水密性を持たせた素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層として材料中を音波が伝搬する方向により音波伝搬速度が異なる速度異方性を有する材料から得た２種類以上を組み合わせて使用し、かつ整合層の音波伝搬方向の長さを複数の整合層中で音波伝搬速度が中央値ないしは中央値より速い整合層の特性値により定めた長さで統一したことを特徴とする広帯域送受波器。

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