JP5219154B2 - 屈曲−径振動合成型送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、水中で使用されるソナー等の、電気音響変換器を利用した音響波の送受波器に関し、特に低周波域で小型・広帯域化が可能な屈曲−径振動合成型送受波器に関する。

ソナーや海洋資源探査などに利用される電気音響変換器を利用した音響波の送受波器では、低周波の音響波が使用される。低周波の音響波は、水中における伝搬損失が小さいためである。

従来、このような低周波の音響波の送受波器としては、特許文献１に開示されるような屈曲型円板状振動体で構成した送波器が使用されている。

図５は、従来の屈曲振動型送波器の三面図である。図５において、送波器は、圧電磁器を用いたアクティブ円板体２１を、円板状の金属ディスク２２の外表面の中央部に設けられた凹部へはめ込み、接着することで形成された２枚の円板状振動体２３からなる。ここで、金属ディスク２２の直径は、アクティブ円板体２１の直径よりも大きい。この２枚の円板状振動体２３を、アクティブ円板体２１が接着されていない面を互いに対向させて配置し、周縁部の接合部２４においてボルト２５により結合させて、屈曲振動型送波器をなす。

アクティブ円板体２１の両面に形成された電極間へ交流駆動電圧を印加すると、アクティブ円板体２１は径方向に伸縮変位する。その伸縮変位は接合部２４を支持端とした円板状振動体２３で全体屈曲振動変位に拡大される。

円板状振動体２３は、低周波の音響波を発生させるために、円板状振動体の最外周縁部で固定、結合される。この結合点は、円板状振動体の屈曲振動の支点であり、円板状振動体の共振周波数は、この結合点の間隔によって決定される。すなわち、高出力の送波音圧を得ることが出来るのは、屈曲振動の支点の位置によって決定される、特定の共振数端数の周辺のみである。

すなわち、屈曲振動型送波器には、小型で軽量な低周波送波器を実現できるという利点を有している反面、広帯域化が困難であるという問題がある。

一方で、広帯域化が可能な低周波の音響波の送受波器として、特許文献２に記載されているようなボルト締めランジュバン型送受波器が存在する。図６は、従来のボルト締めランジュバン型送受波器の一般的な構造を示す側断面図である。図６に示すように、フロントマス３２とリアマス３３間に、長手方向の縦振動を基本モードとする振動体３１を積層し、これらをボルト３４で締め付けることにより圧縮応力を加える。フロントマス３２には軽量で剛性の高い金属材料を使用し、リアマス３３には重い金属材料が使用される。

ボルト締めランジュバン型送受波器は、高効率の音響放射特性とハイパワー送波が可能である反面、低周波域で広帯域化させるためには、送受波器を大型化させる必要がある。そのため、広帯域のボルト締めランジュバン型送受波器は体積が大きくなり、設置可能な空間が制限されるという問題がある。

特開平９−２００８８８号公報 特開２０００−２０９６９０号公報

つまり、従来の音響波の送受波器は、小型化と広帯域化を同時に実現させることが困難であった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、小型化と広帯域化を同時に実現可能な水中音響波の屈曲−径振動合成型送受波器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、少なくとも径方向に振動するアクティブ円筒体と、該アクティブ円筒体を保持する金属円筒体と、屈曲振動するアクティブ円板体を金属ディスクへ接着した二枚の円板状振動体と、前記二枚の円板状振動体を結合するダンパーマスからなり、前記二枚の円板状振動体は前記金属円筒体の上下面に対向して配置され、前記ダンパーマスは、円筒または円柱である中心質量部分の両端に、中心が同じで半径が大きい円板状の鍔部を備えた糸巻状の形状で、前記ダンパーマスと前記円板状振動体の接着部分に凹部が形成されており、前記円板状振動体の屈曲振動と、前記アクティブ円筒体の径振動とを重ね合わせることを特徴とした屈曲−径振動合成型送受波器が得られる。

また、前記アクティブ円板体の屈曲振動と、前記アクティブ円筒体の径振動は、逆位相で駆動されることを特徴とした屈曲−径振動合成型送受波器が得られる。

また、前記アクティブ円板体および前記アクティブ円筒体は、圧電磁器により構成されることを特徴とした屈曲−径振動合成型送受波器が得られる。

また、前記アクティブ円筒体と前記金属円筒体、および前記円板状振動体と前記アクティブ円筒体の少なくともいずれか一方は、それぞれの結合部で弾性体によって互いに結合されることを特徴とした屈曲−径振動合成型送受波器が得られる。

上記の構成からなる本発明の屈曲−径振動合成型送受波器によれば、励振周波数が低周波域の場合は、ダンパーマスにより共振周波数を調整されたアクティブ円板体が屈曲振動し、励振周波数が 高周波域の場合は、アクティブ円筒体が径振動する。これらの振動を重ね合わせることにより、広帯域の送受波器が得られる。また、屈曲振動と径振動の位相差が１８０度となるように調整して駆動することにより、屈曲・径振動の非共振周波数における音圧レベル低下を補うことができるので、送受波器の小型化を実現できる。

本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の実施の形態を示す三面図、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ’側断面図。 本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の振動モードを示す側断面図。 本発明による屈曲−径振動合成型送受波器と、従来の送波器と送受波器の周波数−送波電圧感度特性を比較した有限要素法 (ＦＥＭ)解析図。 本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の体積と、従来の送波器と送受波器の体積を比較した図。 従来の円板状振動体を組合せて構成された屈曲振動型送波器の三面図。 従来のボルト締めランジュバン型送受波器の側断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の三面図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ’側断面図である。

図１に示すように、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器は、アクティブ円板体１、アクティブ円筒体２、円板状の金属ディスク３、金属円筒体４、およびダンパーマス５によって構成される。アクティブ円板体１は、金属ディスク３と中心が一致するように重ねられて強固に接着され、円板状振動体を構成する。この円板状振動体は、金属円筒体４、およびダンパーマス５を上下面から挟むように設置される。

アクティブ円筒体２は、金属円筒体４の両端に設けられた保持部７によって保持される。この構造は、金属円筒体４を１／２高さで分割し、アクティブ円筒体２の上下から挿入して、分割面同士を強固に接着することで得られる。アクティブ円筒体２の振動を妨げないようにするため、アクティブ円筒体２と金属円筒体４の間に、空隙を設ける。この空隙により、アクティブ円筒体２と金属円筒体４が、互いに径方向で接触することはない。

ダンパーマス５は、円筒または円柱の両端に、中心が同じで半径が大きい円板状の鍔部を備えた糸巻状の形状である。この鍔部において、ダンパーマス５と円板状振動体とは、アクティブ円板体１が接着されない内側面で強固に接着される。ダンパーマス５と円板状振動体の接着部分には、アクティブ円板体１の振動を妨げないようにするため凹部が形成される。この凹部は、円板状振動体が金属ディスクに接着される際、アクティブ円板体１の真下に位置するよう形成される。ダンパーマス５の外径寸法、すなわち、ダンパーマスの円柱部の太さや、凹部の深さを調整することで、円板状振動体の共振周波数を調整することができる。

アクティブ円筒体２と保持部７の間には、弾性体６を備える。弾性体６には、円板状振動体の屈曲振動とアクティブ円筒体２の径振動による振動がお互いの振動を妨げないよう、コルク材やゴムなどの軽量で柔らかい弾性体材料を用いる。

アクティブ円板体１とアクティブ円筒体２は、ジルコンチタン酸鉛系圧電磁器を用い、金属ディスク３と金属円筒体４は、アルミニウム合金７０７５材等の、軽量で機械的強度のある材料で構成されることが望ましい。また、ダンパーマスは、アルミニウム合金７０７５材や、ステンレス材などの機械的強度が高い材料で構成されることが望ましい。

また、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の形状は、アクティブ円板体１の外径を数十〜数百ｍｍφ、金属ディスク３の厚さを１〜３０ｍｍ、円板状振動体の厚さを１〜１０ｍｍ、アクティブ円筒体２の厚みを２〜１０ｍｍ、アクティブ円筒体２の高さを１０〜５０ｍｍとすることができるが、送受波器全体の厚さは外径の５０％以下程度であることが望ましい。例えば、円板状振動体の外径を１１０ｍｍφ、金属ディスク２２の厚さを５ｍｍ、アクティブ円板体１の厚さを３ｍｍ、アクティブ円筒体２の厚みを５ｍｍ、アクティブ円筒体２の高さを３５ｍｍとすることができる。

次に、本実施の形態の送受波器の駆動原理について詳細に説明する。

図２は、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の円板状振動体ならびにアクティブ円筒体２による振動モードと、その支点の位置を示す側断面図である。

アクティブ円板体１とアクティブ円筒体２の表面および裏面の全面には電極が形成されている。両電極間に所定の周波数で励振信号を印加すると、図２に示すように、アクティブ円板体１では半径方向に伸縮変位する振動を生じ、金属ディスク３もアクティブ円板体１との接着界面において、半径方向へ伸縮変位を生じる。一方でアクティブ円筒体２では径方向に伸縮する振動を生じる。

このとき、金属ディスク３の内側面には伸縮変位の力が直接作用しないので、円板状振動体は金属円筒体４との結合点を支点として、円板面に垂直な方向で屈曲運動をする。すなわち、低周波域では、この円板状振動体の円板面を基準とした屈曲運動により、周辺の媒質に圧力振動を与えて音波を放射し、高周波域では、アクティブ円筒体２の端点円周面を基準とした径方向運動により、周辺の媒質に圧力振動を与えて音波を放射する。

このように、共振周波数の異なる屈曲振動と径振動の特性を重ね合わせることにより、従来よりも広い周波数帯域で、音圧レベルが最大最小感度差−６ｄＢ以内である励振周波数―電圧感度特性が得られる。

本発明の実施例として、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器と、従来の屈曲型送波器、および従来のボルト締めランジュバン型送受波器の、水中における周波数‐送波電圧感度特性を有限要素法（ＦＥＭ）で解析し、その結果を比較した。この解析において、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器は、金属ディスク３および２１の外径を１１０ｍｍφ、厚さを５ｍｍとして、アクティブ円板体１および２１の厚さを３ｍｍとし、ダンパーマスの形状は、中心質量部分の外径を２５ｍｍφである。比較例として、円板状振動体の基本形状が同一、すなわち、金属ディスク３および２１の外径を１１０ｍｍφ、厚さを５ｍｍで、アクティブ円板体１および２１の厚さが３ｍｍの従来の屈曲型送波器の水中における周波数‐送波電圧感度特性を有限要素法（ＦＥＭ）で解析した。また、もう一つの比較例として平均外径１２０ｍｍφ、全長３００ｍｍのランジュバン型送受波器の水中における周波数‐送波電圧感度特性を有限要素法（ＦＥＭ）で解析した。

図３は、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器と、従来の屈曲型送波器、および従来のボルト締めランジュバン型送受波器の、水中における周波数‐送波電圧感度特性を、有限要素法（ＦＥＭ）解析した結果である。図３より、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器では、ダンパーマスで共振周波数が調整された円板状振動体の屈曲振動と、屈曲振動とは共振周波数が異なるアクティブ円筒体の径振動特性を重ね合わせることにより、広帯域な特性が得られる。図３においては、細線で示した従来の送波器に比べ、一定音圧レベル以上の周波数帯域幅で１５．３倍の帯域改善が得られた。

図４は、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の体積と、従来の屈曲型送波器、およびボルト締めランジュバン型送受波器の体積を比較した結果を示す図である。この図では、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の体積を１として正規化している。アクティブ円板振動体と金属ディスク３の厚み比、外径は同一条件である。図４より、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器の体積は、従来のランジュバン型送受波器の１／７以下であることが分かる。

以上から、本発明による屈曲−径振動合成型送受波器によれば、低周波で動作する、小型で、広帯域の屈曲−径振動合成型送受波器を得ることが出来る。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、各部の形状、材料は目的や要求性能に応じて設計変更可能である。

１、２１ アクティブ円板体
２ アクティブ円筒体
３、２２ 金属ディスク
４ 金属円筒体
５ ダンパーマス
６ 弾性体
７ 保持部
２３ 円板状振動体
２４ 接合部
２５ ボルト
３１ 振動体
３２ フロントマス
３３ リアマス
３４ ボルト
３５ ナット
３６ 空隙

Claims (4)

1. 径方向に振動するアクティブ円筒体と、該アクティブ円筒体を保持する金属円筒体と、円板状の金属ディスクに屈曲振動するアクティブ円板体を接着した２個の円板状振動体からなり、前記金属円筒体の両端面に前記円板状振動体を対向させて配置した送受波器であって、前記円板状振動体はダンパーマスにより結合されており、前記ダンパーマスは、円筒または円柱である中心質量部分の両端に、中心が同じで半径が大きい円板状の鍔部を備えた糸巻状の形状で、前記ダンパーマスと前記円板状振動体の接着部分に凹部が形成されており、前記円板状振動体の屈曲振動と、前記アクティブ円筒体の径振動とを重ね合わせることを特徴とする屈曲−径振動合成型送受波器。
2. 前記円板状振動体の屈曲振動と、前記アクティブ円筒体の径振動とを逆位相で駆動することを特徴とする、請求項１に記載の屈曲−径振動合成型送受波器。
3. 前記円板状振動体と前記金属円筒体、および前記金属円筒体と前記アクティブ円筒体の少なくとも一方は、それぞれの結合部において弾性体によって互いに結合されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の屈曲−径振動合成型送受波器。
4. 前記円板状振動体と前記アクティブ円筒体を圧電磁器で構成したことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の屈曲−径振動合成型送受波器。

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