JP4466236B2 - 送受波器 - Google Patents
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Description
ランジュバン型送受波器とは、振動発生手段としてボルト締めランジュバン型振動体を備えるもので、フロントマスとリアマスの間に挟持された圧電セラミック積層体にボルト締めにより圧縮応力が加えられて、所定周波数帯域の音波が放射されるものである。
そして、このようなランジュバン型の送受波器では、ランジュバン型振動体のフロントマスの音響放射面側に、さらに屈曲振動構造を設け、ランジュバン型振動体の縦振動モードに屈曲振動モードを重畳することで、ランジュバン型の振動体の大きさを変更することなく送受波器の広帯域化が図られるようになっている(特許文献1−2参照)。
ランジュバン型の送受波器100は、図11に示すように、フロントマス6とリアマス7の間に、筒状に形成された圧電セラミック積層体等からなるアクティブ振動体9が挟持されてなるランジュバン型振動体3を備えており、図12に示すように、フロントマス6とリアマス7を結合するボルト8が締め付けられることでアクティブ振動体9に圧縮応力が加わり、所定周波数の振動が発生するようになっている。
また、ランジュバン型振動体3の円筒型アクティブ振動体9及び屈曲振動体2の円盤形アクティブ振動体4には、リード30を介して移相シフト器10が接続されており、ランジュバン型振動体3の縦振動モードに対して、屈曲振動体2の屈曲振動モードが逆位相となるように位相制御される。
また、ランジュバン型振動体3の縦振動モードに屈曲振動体2の屈曲振動モードを重畳することにより送受波器の帯域幅を広げて広帯域化することが可能となる。
このような送受波器によれば、扇形状に分割された複数の屈曲振動体は、それぞれが異なる共振周波数を持つように設定され、この複数の屈曲振動体により発生する屈曲振動モードの重畳によって、送受波器の更なる広帯域化が図れるようになっている。
屈曲振動体を備えたランジュバン型送受波器においては、屈曲振動モードと縦振動モードによる二つの共振周波数間(中間域)における振動モードでは、屈曲振動体の屈曲振動モードとランジュバン型振動体の縦振動モードが同時に発生し、二つの振動モードが重畳した形となる。
このため、屈曲振動体2は、重畳した振動モードでは、屈曲振動を行っているものの、図13(b)に示すように、屈曲振動モードの支点が基準位置▽から、マイナス方向の▼に移動する。従って、屈曲振動体2の振動面は、音響放射の中性面を境にして正方向に振幅している部分と負方向に振幅している部分とが存在し(同図の斜線部参照)、結果として、音響放射圧力が正負打消し合い、送波レベルが著しく低下することになった(後述する図3の“f4”参照)。
このため、屈曲振動体の屈曲振動モードによる共振周波数と、送受波器の縦振動モードによる共振周波数間の周波数帯(中間域)における音圧レベルが著しく低下してしまい、一定以上の音圧レベルを得られるように周波数帯域を広帯域化することができなかった。
しかしながら、この送受波器では、共振モードの発生する順番は縦モードから屈曲モードの順となっていたので、低周波側への広帯域化を図るには送受波器を大型化する必要が生じた。
また、このスリットは、筒状の振動体が連接されるフロントマス下部側に形成された構成とすることが好ましい。
具体的には、本発明の送受波器に備えられる屈曲振動体は、フロントマスの音響放射面部に配設される振動板と、この振動板に固定される板状の振動体とからなる構成とすることができる。
また、この屈曲振動体は、フロントマスの音響放射面部に端点支持構造を介して固定される構成とすることができる。
そして、スリットは、屈曲振動体とフロントマスのスリットを境とした音響放射面部側の共振周波数がほぼ一致する位置に形成することが好ましい。
具体的には、フロントマス付勢手段は、スリット内で環状に連接された複数の振動体及び楔形状体とを有する複合リングからなり、複合リングが振動体の収縮により円周方向に収縮,伸展して、楔形状体がスリット内を円周方向に摺動することにより、フロントマスの音響放射面部を前方に付勢する構成とすることができる。
特に、複合リングは、ランジュバン型振動体の収縮,伸展に同期して収縮,伸展する構成とすることが好ましい。
徐々に励振信号の周波数を増加させていくと、ランジュバン型振動体と屈曲振動体で構成される送受波器全体の縦振動モードが励起される。縦振動モードによる共振周波数は送受波器全長により決定される。
ここで、従来の送受波器(図12参照)では、フロントマスと振動板が結合部で一体に結合しているため、ランジュバン型振動体の縦振動モードの振幅に結合する形で屈曲振動体全体が縦方向に振幅し、屈曲振動体は屈曲振動を行っているものの、屈曲振動体の振動面は音響放射の中性面を境に正方向と負方向に振幅することになり、音響放射圧力が正負打消し合い、送波レベルが著しく低下してしまう。
従って、屈曲振動体の屈曲振動モードがランジュバン型振動体の縦振動モードと独立して振動した形となり、屈曲振動体の音響放射面は音響放射の中性面から全体的に正方向に振幅することができる。
このようにして、本発明の送受波器では、従来は音圧レベルが著しく低下していた中間域の振動モードを改善して、中間域の音圧レベルを上昇させることが可能となり、送受波器の外形寸法を変更することなく低周波数からの広帯域化が可能となる。
これにより、送受波器の寸法を大型化することなく、屈曲振動体の屈曲振動モードと送受波器全体の縦振動モードを利用した低周波の音波放射ができるランジュバン型送受波器において、これら二つの振動モードによる共振周波数間の周波数帯域(中間域)における音圧レベルを上昇させ広帯域化でき、低周波数領域から高い音圧レベルを確保する広帯域化が可能となる。
[第一実施形態]
まず、図1〜図3を参照しつつ、本発明に係る送受波器の第一実施形態について説明する。
図1は、本発明の第一実施形態に係る送受波器の概略断面図である。
同図に示すように、本発明はランジュバン型の送受波器であって、送受波器1aは、ランジュバン型振動体3を備え、さらに、ランジュバン型振動体3の前面部、すなわち、音響放射面部に屈曲振動体2を備える送受波器となっている。
この送受波器1aの外観は、上述した図11で示した送受波器と同様のものである。
円筒型アクティブ振動体9は、フロントマス6とリアマス7の間に挟持され、図1に示すように、フロントマス6とリアマス7を結合するボルト8が締め付けられることでアクティブ振動体9に圧縮応力が加わり、所定周波数の振動が発生されるようになっている。
このように、ランジュバン型振動体3は、フロントマス6とリアマス7とボルト8によって円筒型アクティブ振動体9の部分に静的な応力バイアスを加えることができるようになっている。アクティブ振動体9を構成する圧電セラミックスは張力に対する強度が圧力に対する強度の数分の一しかないため、このような静的圧縮応力を印加する手段を有するボルト締めランジュバン振動子はハイパワーで強制的に励振する場合に特に優れたものである。
なお、ランジュバン型振動体3のフロントマスの音響放射面の外径R,送受波器の全長L(図1参照)は、所望の共振周波数が得られるように所定の長さに設定される。
スリット50は、図1に示すように、フロントマス6の外周側面から軸中心側に連通するように形成されており、本実施形態では、円筒型アクティブ振動体9が連接されるフロントマス6の下部側に、フロントマス6の軸中心の円周上に形成してある。
このスリット50を備えることにより、ランジュバン型振動体3の縦振動モードと屈曲振動体2の屈曲振動モードが分離されるようになる。
屈曲振動体2は、屈曲振動可能な振動板5と、振動板5の前面側(フロントマス6の反対側)に固定された、径拡がり振動モードを励起する円板型アクティブ振動体4を備えている。
振動板5が固定されるフロントマス6の前面部は、中央部分が凹状に形成され、凹部外周に立設するフロントマス6の縁部に振動板5が接着剤等の手段により固着されるようになっている(結合部60)。これによって、振動板5とフロントマス6の間には振動板5が屈曲可能となるように空隙6aが形成される。
また、円板型アクティブ振動体4は、振動板5の前面側の凹部に嵌め込まれて固着されるようになっている。
そして、駆動電圧が印加されることにより、アクティブ振動体4が振動して振動板5が屈曲振動するようになる。
また、本実施形態では、屈曲振動体2の共振周波数とスリット50を境としたフロントマス6の音響放射面部側(屈曲振動体2側)部分の共振周波数がほぼ一致するように、屈曲振動体2の厚みとスリット50を境としたフロントマス6の前面側の厚みT(図1参照)が所定の値となるようにスリット50の形成位置を設定してある。
具体的には、本実施形態では、屈曲振動体2の重量と、スリット50を境としたフロントマス6の前面側の重量が、ほぼ同じとなるようにスリット50を形成するようにしてある。
このような円板型アクティブ振動体4は、振動板5の前面部に形成された凹部に嵌合して強力接着剤等で固着され、屈曲振動時には振動板5の屈曲振動モードが励振される。なお、円板型アクティブ振動体4の振動板5への嵌合構造や固着方法等については、本実施形態で示すものに限定されず、例えば、図12で示した振動板5の裏面側に円板型アクティブ振動体4が配設される構造であってもよく、また、固着手段としても接着剤に換えて電子ビーム溶着法等によって完全に一体化してしまうこともできる。
電気的には屈曲振動体2の円板型アクティブ振動体4に配線されたリードに、位相シフト器10を介してランジュバン型振動体3の円筒型アクティブ振動体9のリードが接続されるようにしてある。
図2は、本実施形態の送受波器の各振動モードにおける状態を模式的に示した説明図であり、同図(a)は屈曲振動モード,(b)は重畳振動モード,(c)は縦振動モードである。図3は、本実施形態と従来の送受波器における音圧レベルと周波数特性の関係を示すグラフである。
送受波器1aは、リード30に電気信号を与えて円板型アクティブ振動体4及び円筒型アクティブ振動体9を励振させ機械的振動を発生させる。
まず、与える電気信号を屈曲振動体2の屈曲振動モードで生じる機械的共振周波数と同じ周波数とすると、結合部60を支点とした屈曲振動体2の屈曲振動モードが発生する(図2(a)及び図3“f1”に示す状態)。このとき、屈曲振動体2の上方に音波放射が行われる。
位相シフト器10により、予め円板型アクティブ振動体4とランジュバン型振動体3が逆相に駆動するように調整しておき、ランジュバン型アクティブ振動体3が縦振動モードにより縮む方向に振動を行うと、屈曲型振動体2は伸びる方向、すなわち、駆動前の中立な音響面の位置から正の方向へ音響面が飛び出す方向へ屈曲モードによる振幅を行う(図2(b)及び図3“f3”に示す状態)。
このとき、スリット50を境とするフロントマス6の屈曲振動体2側の構造体は、屈曲振動体2の屈曲モードによる共振周波数に合うように寸法を調整してあるので、図2(b)に示すように、屈曲振動体2の屈曲振動モードの振幅と対向するように、また、ランジュバン型振動体3の振動方向とは逆方向に屈曲振動した形となる。
さらに、電気信号の周波数を送受波器1aの縦振動モードによる機械的共振周波数と同じ値に設定すると、屈曲振動体2及びランジュバン型振動体3を合わせた送受波器全体の伸縮による縦振動モードが発生する(図2(c)及び図3“f2”に示す状態)。
このとき、屈曲振動体2の上方に音波放射が行われる。
このため、従来の送受波器100では、音響放射圧力が正負打消し合ってしまい、送波レベルが著しく低下することになる(図3の“f4”に示す状態)。
これにより、屈曲振動体2の屈曲振動モードがランジュバン型振動体3の縦振動モードと独立して振動した形となり、屈曲振動体2の音響放射面は音響放射の中性面から全体的に正方向に振幅することができる。
このようにして、本実施形態の送受波器1aでは、従来の送受波器において音圧レベルが著しく低下していた中間域の振動モードを改善して、中間域の音圧レベルを上昇させることが可能となり、送受波器の外形寸法を変更することなく低周波数からの広帯域化ができるようになる。
次に、本発明に係る送受波器の第二実施形態について、図4〜図6を参照しつつ説明する。
図4は、本発明の第二実施形態に係る送受波器の概略断面図であり、図5は、図4に示す送受波器の振動モードの説明図である。また、図6は、図4に示す送受波器の振動時の端点支持部の状態を、一般的な送受波器の状態と比較して示した説明図である。
これらの図に示す本実施形態に係る送受波器1bは、上述した第一実施形態の変形実施形態であり、ランジュバン型振動体3のフロントマス6と屈曲振動体2の接続手段として、第一実施形態で示した結合部60に換えて端点支持部20を設けてものである。
従って、その他の構成部分は、第一実施形態と同様となっており、同様の構成部分については、図中で第一実施形態と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態では、屈曲振動体2の振動板5の下面側にフロントマス6の上面部に向かって突出する端点支持部20が複数形成してあり、この端点支持部20が平板状に形成されたフロントマス6の上面に当接して固定されるようになっている。端点支持部20とフロントマス6は、振動板5の上面側から挿通されて端点支持部20を貫通してフロントマス6に螺合する固定ネジ40によって固定されるようになっている。
このような構成により、第一実施形態の場合と同様、フロントマス6と振動板5の間には、振動板5が屈曲可能となるように空隙6aが形成される。
また、このように端点支持部20を設けた本実施形態の送受波器1bでは、第一実施形態の結合部60が面による支持,固定であるのに対し、屈曲振動体2の支持点がほぼ点の周辺固定となり、屈曲振動モードによる共振周波数(図3“f1”参照)を第一実施形態の場合よりも下げることができ、低周波方向へ屈曲振動モードの共振周波数を広帯域化することが可能となり
これにより、屈曲振動体2とフロントマス6とが面接触で接合,支持される構造(図6(b)参照)の場合と比較して、振動振幅を大きく取ることができ、より振動しやすくなって、屈曲振動モードによる振幅を阻害することなく変位量を大きくすることができ、送受波器の更なる広帯域化を図ることが可能となる。
さらに、図7〜図10を参照して、本発明に係る送受波器の第三実施形態について説明する。
図7は、本発明の第三実施形態に係る送受波器の概略断面図であり、図8は、図7に示す送受波器に備えられる複合リングの概略一部斜視図である。
また、図9は、図7に示す送受波器に備えられる複合リングの動作を模式的に示した説明図であり、図10は、同じく図7に示す送受波器の動作を模式的に示した説明図である。
複合リング70は、フロントマス6に形成されたスリット50のスリット幅を変動させることにより、フロントマス6の音響放射面部を前方(音響放射面方向)に付勢するフロントマス付勢手段を構成している。
具体的には、複合リング70は、スリット内で環状に連接された複数の矩形型アクティブ振動体71及び楔形状体72とを有している。
図8及び図9に示すように、矩形型アクティブ振動体71と楔形状体72とは、一つずつ交互に配設され、フロントマス6のスリット50に係合可能な環状に連接されている。
楔形状体72は、スリット50のスリット幅よりやや大きい幅を有する楔形状に形成された固体であり、楔形状体72がスリット50に対してフロントマス6の外周側から軸中心に向かって移動,嵌入されることにより、スリット50のスリット幅が広げられることになる。この楔形状体72は、例えば、Al,鉛等で形成することができる。
また、矩形型アクティブ振動体71と楔形状体72とは、例えば接着剤で連接され、図8及び図9に示すように、周囲をFRP繊維73とエポキシ樹脂74(フィラメントワインディング)によって固められて環状に形成,維持される。
具体的には、矩形型アクティブ振動体71と楔形状体72からなる複合リングの共振周波数を、第一実施形態で示した屈曲振動モードと縦振動モードの中間域の周波数(図3“f3”参照)と合わせるように設定する。
ここで、位相を同じにするとは、位相器を通さず、円筒型アクティブ振動体9と同じラインに配線することを意味する。
このようにすると、屈曲振動モードと縦振動モードの中間域の周波数(図3“f3”参照)のときに、複合リング70の径が小さくなり、図10に示すように、楔形状部72がスリット50のスリット幅を上下方向に押し広げるようにスリットの内径方向へ食い込んでいく。
このようにして、本実施形態の送受波器1cによれば、複合リング70を備えることにより、第一実施形態及び第二実施形態で示した、屈曲振動体2の屈曲振動モードの支点を基準位置(図2又は図5の▽で示す位置)に保つように、屈曲振動体全体を押し上げる方向に屈曲させる動作を、より確実かつ円滑に効率よく行うことができる。
なお、フロントマス6のスリット50のスリット幅を変動させることにより、フロントマス6の音響放射面部を前方(音響放射面方向)に付勢することができるフロントマス付勢手段としては、本実施形態で示した複合リング70以外の構成を採用することも可能である。
本発明の送受波器の実施例1では、図1に示した第一実施形態の送受波器1aとして、円板型アクティブ振動体4及び円筒型アクティブ振動体9にジルコン酸チタン酸鉛系圧電磁器を使用し、振動板5,フロントマス6及びリアマス7にはアルミニウム合金を使用し、ボルト8にはステンレス鋼を使用した。
各部の寸法配分は、設定規格化周波数f,音速C,λ=C/fとしたときに、音響放射面の外径R=0.15λ,送受波器の全長L=0.45λとし、屈曲振動体2の結合部60を支点とする屈曲振動モードによる機械的共振周波数f1が送受波器の縦振動モードによる機械的共振周波数f2の1/2になるように各部の寸法を配分した。
また、屈曲振動体2の共振周波数とスリット50を境としたフロントマス6の屈曲振動体2側の構造部分の共振周波数がほぼ合うように、スリット50を境としたフロントマス6の屈曲振動体2側の構造部分の厚みTを調整した。
図1に示すリード30に電気信号を与えて、円板型アクティブ振動体4及び円筒型アクティブ振動体9を励振させ機械的振動を発生させた。
まず、与える電気信号を屈曲振動体2の屈曲振動モードで生じる機械的共振周波数f1と同じ周波数とすると、結合部60を支点とした屈曲振動体2の屈曲振動モードが発生した(図2(a)及び図3“f1”)。
このとき、屈曲振動体2の上方に音波放射が行われた。
位相シフト器10により、あらかじめ円板型アクティブ振動体4とランジュバン型振動体3が逆相に駆動するよう調整してあるので、ランジュバン型アクティブ振動体3が縦振動モードにより縮む方向に振動を行うと、屈曲型振動体2は伸びる方向、すなわち、駆動前の中立な音響面の位置から正の方向へ音響面が飛び出す方向へ屈曲モードによる振幅を行った(図2(b)及び図3“f3”)。
これにより、屈曲振動体2の屈曲振動モードの支点となる結合部60は、駆動前の位置とほぼ同じ位置関係が維持され(図2に示す“▼”)、屈曲振動体2の上方に音波放射が行われた。
このとき、屈曲振動体2の上方に音波放射が行われた。
以上のような本発明の送受波器の実施例1で得られた音圧レベルの周波数特性(図2の実線)を、従来の送受波器で得られる音圧レベルの周波数特性(図2の破線)と比較すると、その中間域における音圧レベルがf4からf3まで上昇しており、音圧レベルを維持しつつ送受波器の広帯域化が図られたことがわかる。
本発明の送受波器の実施例2として、実施例1(図1参照)で示した送受波器1aの結合部60を、図4に示した端点支持部20の構造とし、ステンレス鋼製の固定ネジ40により屈曲振動体2とフロントマス6を固定した送受波器1bを使用した。
この送受波器1bに、実施例1と同様にリード30に電気信号を与えていくと、実施例1での振動モード(図2)と同様の振動モードが励起される。
また、屈曲振動体2が屈曲振動モードによる振幅をした際に、端点支持部20は屈曲振動モードに合わせてロール運動して、より振動しやすくなった。
1b 本発明の他の実施例による送受波器
2 屈曲振動体
3 ランジュバン型振動体
4 円板型アクティブ振動体
5 振動板
6 フロントマス
7 リアマス
8 ボルト
9 円筒型アクティブ振動体
10 位相シフト器
20 端点支持部
30 リード
40 固定ネジ
50 スリット
60 結合部
70 複合リング
71 矩形型アクティブ振動体
72 楔形状体
Claims (9)
- フロントマスと、リアマスと、フロントマス及びリアマスの間に挟持される筒状の振動体と、を有するランジュバン型振動体を備えた送受波器であって、
前記ランジュバン型振動体のフロントマスに、外周側面から軸中心側に連通するスリットを設けるとともに、
前記ランジュバン型振動体のフロントマスの音響放射面部側に配設される屈曲振動体を備えたことを特徴とする送受波器。 - 前記スリットが、前記フロントマスの軸中心の円周上に形成された請求項1記載の送受波器。
- 前記スリットが、前記筒状の振動体が連接されるフロントマス下部側に形成された請求項1又は2記載の送受波器。
- 前記屈曲振動体が、前記フロントマスの音響放射面部に配設される振動板と、この振動板に固定される板状の振動体とからなる請求項1乃至3のいずれか一項記載の送受波器。
- 前記屈曲振動体が、前記フロントマスの音響放射面部に端点支持構造を介して固定される請求項1乃至4のいずれか一項記載の送受波器。
- 前記スリットが、前記屈曲振動体と前記フロントマスのスリットを境とした音響放射面部側の共振周波数がほぼ一致する位置に形成された請求項1乃至5のいずれか一項記載の送受波器。
- 前記スリットのスリット幅を変動させることにより、前記フロントマスの音響放射面部を前方に付勢するフロントマス付勢手段を備える請求項1乃至6のいずれか一項記載の送受波器。
- 前記フロントマス付勢手段が、前記スリット内で環状に連接された複数の振動体及び楔形状体とを有する複合リングからなり、
前記複合リングが前記振動体の収縮により円周方向に収縮,伸展して、前記楔形状体がスリット内を径方向に摺動することにより、前記フロントマスの音響放射面部を前方に付勢する請求項7記載の送受波器。 - 前記複合リングが、前記ランジュバン型振動体の収縮,伸展に同期して収縮,伸展する請求項8記載の送受波器。
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