JP6954866B2 - Acoustic matching device and acoustic probe system using it - Google Patents

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Description

本発明は、様々な比音響インピーダンスを持つ広範囲な異種材料間で広帯域な音響的整合特性を得ることを可能とする音響整合デバイスおよびそれを用いた音響プローブシステムに関する。 The present invention relates to an acoustic matching device capable of obtaining wide-band acoustic matching characteristics between a wide range of dissimilar materials having various specific acoustic impedances, and an acoustic probe system using the same.

人間の可聴域を越えた周波数(約20,000Hz以上)の超音波を送受信するための手段として、超音波トランスデューサが利用されている。例えば医療用超音波装置、非破壊検査、海洋ソーナーにおいては、この超音波トランスデューサと、超音波を伝える様々な材料(水、人体、半導体ウエハ、金属、セラミック、コンクリート、プラスチックなど)とを接触させて超音波の入出力を行っている。 An ultrasonic transducer is used as a means for transmitting and receiving ultrasonic waves having a frequency (about 20,000 Hz or more) beyond the human audible range. For example, in medical ultrasonic equipment, non-destructive inspection, and marine sonar, this ultrasonic transducer is brought into contact with various materials that transmit ultrasonic waves (water, human body, semiconductor wafer, metal, ceramic, concrete, plastic, etc.). Ultrasonic waves are input and output.

音波の効率的な伝搬を阻害する原因として、材料の物性の一つである音響インピーダンスが重要となる。音響インピーダンスが異なる材料間では、音の反射が起こるために音が効率的に伝搬しない。これを解消するために、超音波トランスデューサと、超音波を伝播させたい材料との間に音響整合層を挿入することが一般的である。 Acoustic impedance, which is one of the physical characteristics of materials, is important as a cause of hindering the efficient propagation of sound waves. Sound does not propagate efficiently between materials with different acoustic impedances due to sound reflection. In order to solve this, it is common to insert an acoustic matching layer between the ultrasonic transducer and the material in which the ultrasonic waves are to be propagated.

音響整合層とは、音源から目的の媒質中へ音波を効率的に伝搬させたり、互いに異なる媒質から媒質へ音波を効率的に伝搬したり、或る媒質を伝搬する音波を効率的に受信したりするための構造体である。 The acoustic matching layer efficiently propagates sound waves from a sound source into a target medium, efficiently propagates sound waves from different media to a medium, and efficiently receives sound waves propagating through a certain medium. It is a structure for squeezing.

上記音響整合層の音響インピーダンスは、音波を伝搬させたい二つの媒質それぞれの音響インピーダンスの中間的な値を取り、通常は、音響整合層の厚さを伝搬させたい周波数の1/4波長の厚さとする。より効率的に音波を伝搬させるために、音響整合層を1層ではなく2層以上の多層で構成する場合もある(非特許文献1)。 The acoustic impedance of the acoustic matching layer takes an intermediate value of the acoustic impedance of each of the two media in which the sound wave is desired to be propagated, and is usually a thickness of 1/4 wavelength of the frequency in which the thickness of the acoustic matching layer is desired to be propagated. Let's say. In order to propagate sound waves more efficiently, the acoustic matching layer may be composed of two or more layers instead of one layer (Non-Patent Document 1).

また、より広帯域な音響整合を行う方式として、音響インピーダンスが徐々に変化するように、振動子に近い比音響インピーダンスを持つ材料によって断面積が徐々に変化する先細柱状の構造体を作り、生体などの音響放射面側の材料に近い比音響インピーダンスを有する材料で上記先細柱状の構造体の隙間を充填した板状の音響整合器が知られている(特許文献1)。 In addition, as a method for performing acoustic matching over a wider band, a tapered columnar structure whose cross-sectional area gradually changes with a material having a specific acoustic impedance close to that of a vibrator is created so that the acoustic impedance gradually changes. There is known a plate-shaped acoustic matcher that fills the gaps of the tapered columnar structure with a material having a specific acoustic impedance close to that of the material on the acoustic radiation surface side of the above (Patent Document 1).

特許第3964508号公報Japanese Patent No. 3964508

Transaction on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-13, No.1 (March, 1996)Transaction on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-13, No.1 (March, 1996)

上記従来技術のうち、1/4波長の厚さの音響整合層を作製する方式(非特許文献1)の場合、原理的に或る周波数とその周囲の限られた周波数範囲でしか効率的に音波を伝搬させることができないという課題がある。 Among the above-mentioned prior arts, in the case of the method of producing an acoustic matching layer having a thickness of 1/4 wavelength (Non-Patent Document 1), in principle, it is efficient only in a certain frequency and a limited frequency range around it. There is a problem that sound waves cannot be propagated.

もう一方の従来技術である先細柱状の構造体を別の材料で充填する方式(特許文献1)の場合、十分な音波伝搬効率を得るためには、先細柱状の構造体の比音響インピーダンスが振動子の比音響インピーダンスに近いことと、充填材料の比音響インピーダンスが音響放射面の材料の比音響インピーダンスに近い必要がある、という制約がある。従って、様々な比音響インピーダンスを持つ材料に適用するためには、先細柱状の構造体や充填材料として最適な材料を選択もしくは開発する必要があり、幅広い分野への適用が難しいという課題がある。 In the case of the other conventional method of filling the tapered columnar structure with another material (Patent Document 1), the specific acoustic impedance of the tapered columnar structure vibrates in order to obtain sufficient sound wave propagation efficiency. There are restrictions that it is close to the specific acoustic impedance of the child and that the specific acoustic impedance of the filling material must be close to the specific acoustic impedance of the material on the acoustic radiation surface. Therefore, in order to apply it to a material having various specific acoustic impedances, it is necessary to select or develop an optimum material as a tapered columnar structure or a filling material, and there is a problem that it is difficult to apply it to a wide range of fields.

従って、材料に限定されずに、かつ音波が反射しないような形で音波の伝搬断面積を変えることが可能となれば、より幅広い分野において効率的な音波の伝搬が可能となる。 Therefore, if it is possible to change the propagation cross-sectional area of a sound wave without being limited to the material and in such a way that the sound wave is not reflected, efficient sound wave propagation will be possible in a wider range of fields.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief overview of typical embodiments disclosed in the present application is as follows.

代表的な実施の形態による音響整合デバイスは、第1の膜構造部と第2の膜構造部とそれらを支持する壁構造部とで構成されており、第1の膜構造部は、第1の音響媒質と接合され、第2の膜構造部は、上記第1の音響媒質とは比音響インピーダンスが異なる第2の音響媒質と接合されている。各膜構造部と壁構造部との接触面積は、音響整合デバイスを構成する材料の比音響インピーダンスと、各膜構造部と壁構造部との接触面積の比を取ったものが各音響媒質の比音響インピーダンスと一致するように調整されている。 The acoustic matching device according to a typical embodiment is composed of a first membrane structure portion, a second membrane structure portion, and a wall structure portion that supports them, and the first membrane structure portion is a first film structure portion. The second membrane structure portion is joined to the second acoustic medium having a specific acoustic impedance different from that of the first acoustic medium. The contact area between each film structure and the wall structure is the ratio of the specific acoustic impedance of the material constituting the acoustic matching device to the contact area between each film structure and the wall structure of each acoustic medium. It is adjusted to match the specific acoustic impedance.

本発明によれば、広範囲な音響伝搬材料を対象とした広帯域な音響整合特性を備えた音響整合デバイスを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize an acoustic matching device having a wide band acoustic matching characteristic for a wide range of acoustic propagation materials.

本発明の基本となる考え方を説明する図である。It is a figure explaining the idea which is the basis of this invention. 本発明の音響整合デバイスの基本原理を説明する図である。It is a figure explaining the basic principle of the acoustic matching device of this invention. 本発明の音響整合デバイスの基本構造を説明する図である。It is a figure explaining the basic structure of the acoustic matching device of this invention. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. (a)〜(e)は、本発明の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状を示す平面図である。(A) to (e) are plan views showing the shape of the contact surface between the film structure portion and the wall structure portion in the acoustic matching device of the present invention. 本発明の音響整合デバイスの音響整合性能を従来技術と比較して示すグラフである。It is a graph which shows the acoustic matching performance of the acoustic matching device of this invention in comparison with the prior art. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. (a)、(b)は、図9の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。(A) and (b) are plan views which show the shape example of the contact surface of the film structure part and the wall structure part in the acoustic matching device of FIG. (a)、(b)は、図9の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。(A) and (b) are plan views which show the shape example of the contact surface of the film structure part and the wall structure part in the acoustic matching device of FIG. 図9の音響整合デバイスにおける膜構造部と壁構造部の接触面の形状例を示す平面図である。It is a top view which shows the shape example of the contact surface of the film structure part and the wall structure part in the acoustic matching device of FIG. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. 本発明の音響整合デバイスの別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the acoustic matching device of this invention. 本発明の膜構造型音響整合デバイスを適用した音響プローブシステムの斜視図である。It is a perspective view of the acoustic probe system to which the membrane structure type acoustic matching device of this invention is applied. 本発明の膜構造型音響整合デバイスを適用した音響プローブシステムの別例の斜視図である。It is a perspective view of another example of the acoustic probe system to which the membrane structure type acoustic matching device of this invention is applied.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合や、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiment, the members having the same function are designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. Further, in the drawings for explaining the embodiment, in order to make the configuration easy to understand, hatching may be added even in the plan view, or hatching may be omitted even in the cross-sectional view.

(実施の形態1)
まず、本発明の基本となる考え方を図1を用いて説明する。弾性体を伝搬する音波は、通常、異なる材料の境界面で反射する。これは、異なる材料間の音響インピーダンスが異なるからに他ならない。材料固有の比音響インピーダンスzは、音波の伝搬速度(音速)cと密度ρの積で表され、音響インピーダンスZは、これに音波が伝播する断面積Aを掛け合わせたものになる。従って、音波が伝搬する断面積が一定であるときには、比音響インピーダンスzの差がそのまま音響インピーダンスZの差となる。
(Embodiment 1)
First, the basic idea of the present invention will be described with reference to FIG. Sound waves propagating through an elastic body are usually reflected at the interface between different materials. This is because the acoustic impedance between different materials is different. The material-specific specific acoustic impedance z is represented by the product of the sound wave propagation velocity (sound velocity) c and the density ρ, and the acoustic impedance Z is obtained by multiplying this by the cross-sectional area A through which the sound wave propagates. Therefore, when the cross-sectional area through which the sound wave propagates is constant, the difference in the specific acoustic impedance z becomes the difference in the acoustic impedance Z as it is.

従来、音響インピーダンスの整合を取る方式の一つとして、超音波トランスデューサと超音波を伝播させたい材料との間に音響整合層と呼ばれるシート状の構造体を挿入したものがある(非特許文献1)。しかし、この音響整合層は、或る特定の周波数とその近傍の周波数範囲でのみ有効であるため、広帯域な音響整合は不可能であった。 Conventionally, as one of the methods for matching acoustic impedance, there is a method in which a sheet-like structure called an acoustic matching layer is inserted between an ultrasonic transducer and a material for propagating ultrasonic waves (Non-Patent Document 1). ). However, since this acoustic matching layer is effective only in a specific frequency and a frequency range in the vicinity thereof, wideband acoustic matching is impossible.

また、音響インピーダンスの整合を取る別の方式として、異なる材料間における音波の伝搬断面積を調整することで材料間の音響インピーダンスを一致させる方法が考えられる。しかし、弾性体においては、通常、音波が伝搬する断面積を音波の波長よりも短い区間で急激に変えることは、音波から見れば急激な音響インピーダンスの変化となる。従って、このときに互いに異なる材料の境界では大きな反射波が発生するため、音波を効率的に伝搬させることができない。 Further, as another method for matching the acoustic impedance, a method of matching the acoustic impedance between the materials by adjusting the propagation cross-sectional area of the sound wave between different materials can be considered. However, in an elastic body, a sudden change in the cross-sectional area through which a sound wave propagates in a section shorter than the wavelength of the sound wave usually results in a sudden change in acoustic impedance when viewed from the sound wave. Therefore, at this time, a large reflected wave is generated at the boundary between different materials, so that the sound wave cannot be propagated efficiently.

その対策として、特許文献1のように、音波の伝搬方向に沿った材料の断面積を徐々に変えることによって、この課題を解決する方法もある。しかし、特許文献1の方法は、音響整合が可能な材料が限定的という課題がある。 As a countermeasure, there is also a method of solving this problem by gradually changing the cross-sectional area of the material along the propagation direction of the sound wave as in Patent Document 1. However, the method of Patent Document 1 has a problem that the materials capable of acoustic matching are limited.

次に、図2(a)および(b)を用いて本発明の原理について説明する。図2は、比音響インピーダンスzを有する第1の音響媒質5と第1の膜構造部2とが接合され、第1の膜構造部2の左右の端部にそれぞれ比音響インピーダンスzを有する材料で作製された壁構造部3が接触した膜構造体である。実際の構造体は3次元構造を有するが、ここでは説明の便宜上、2次元平面で考える。 Next, the principle of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). In FIG. 2, the first acoustic medium 5 having the specific acoustic impedance z 1 and the first film structure portion 2 are joined, and the specific acoustic impedance z 0 is applied to the left and right ends of the first film structure portion 2, respectively. It is a film structure in which the wall structure 3 made of the material to be provided is in contact with each other. Although the actual structure has a three-dimensional structure, it is considered here in a two-dimensional plane for convenience of explanation.

第1の音響媒質5と第1の膜構造部2との接合面積は、2次元平面では幅Lに相当する。また、第1の膜構造部2と壁構造部3との接触面積は、2次元平面では幅w/2に相当する。図2では、膜構造部2と壁構造部3との接触箇所が2か所存在するため、全体ではw/2の2倍が総接触面積となる。さらに、第1の膜構造部2の厚さdは、第1の膜構造部2を構成する材料の内部において、想定している周波数帯域の波長よりも十分に小さいものとする。 The bonding area between the first acoustic medium 5 and the first film structure portion 2 corresponds to the width L in the two-dimensional plane. Further, the contact area between the first film structure portion 2 and the wall structure portion 3 corresponds to the width w 1/2 in the two-dimensional plane. In FIG. 2, since there are two contact points between the film structure portion 2 and the wall structure portion 3, the total contact area is twice as large as w 1/2 as a whole. Further, the thickness d 1 of the first film structure portion 2 is made sufficiently smaller than the wavelength of the assumed frequency band inside the material constituting the first film structure portion 2.

このような第1の膜構造部2と壁構造部3とからなる膜構造体が音響媒質と接触しているとき、第1の音響媒質5中を音波(粗密波)がx方向に伝搬することを考える。音波の粗の状態が第1の膜構造部2の境界に到達したとき、図2(a)のように、第1の膜構造部2の中心部は瞬時にxの正方向(図の下方)に変形する。このとき、弾性体である第1の膜構造部2の両端には、第1の膜構造部2全体で受けた力が伝わり、曲げモーメントが発生する。この曲げモーメントにより第1の膜構造部2と壁構造部3との境界には、壁構造部3をxの正方向に押す力が発生する。一方、粗密波の密の状態が第1の膜構造部2の境界に到達したときには、図2(b)のように第1の膜構造部2の中心部が瞬時にxの負方向に変形する。このとき、図2(a)の場合とは逆に、第1の膜構造部2と壁構造部3との境界には、壁構造部3をxの負方向に引っ張る力が発生する。このように、音波から見れば、第1の膜構造部2による曲げの力を介して瞬時に音波が壁構造部3へと伝わる。 When the membrane structure including the first membrane structure portion 2 and the wall structure portion 3 is in contact with the acoustic medium, sound waves (coarse and dense waves) propagate in the first acoustic medium 5 in the x direction. Think about it. When the coarse state of the sound wave reaches the boundary of the first film structure portion 2, as shown in FIG. 2A, the central portion of the first film structure portion 2 instantly moves in the positive direction of x (lower part of the figure). ) Transforms. At this time, the force received by the entire first film structure portion 2 is transmitted to both ends of the first film structure portion 2 which is an elastic body, and a bending moment is generated. Due to this bending moment, a force that pushes the wall structure portion 3 in the positive direction of x is generated at the boundary between the first film structure portion 2 and the wall structure portion 3. On the other hand, when the dense state of the coarse wave reaches the boundary of the first film structure portion 2, the central portion of the first film structure portion 2 is instantly deformed in the negative direction of x as shown in FIG. 2 (b). do. At this time, contrary to the case of FIG. 2A, a force for pulling the wall structure portion 3 in the negative direction of x is generated at the boundary between the first film structure portion 2 and the wall structure portion 3. In this way, when viewed from the sound wave, the sound wave is instantly transmitted to the wall structure portion 3 through the bending force of the first film structure portion 2.

上記の原理を用いて、図1で説明したように、音響伝搬の理論に従い、以下のように、幅Lと幅wを音響インピーダンスが一致するように設計すれば、特定の周波数や材料に制限されることなく、第1の音響媒質5を音響的に整合させることが可能となる。すなわち、
L×z=(2×w/2)×z (1)
=L(z/z) (2)
となるようにwを設定すればよい。
Using the principles described above, as described in FIG. 1, in accordance with the theory of acoustic propagation, as follows, the width L and the width w 1 be designed such acoustic impedance matching, to a specific frequency and material It is possible to acoustically match the first acoustic medium 5 without limitation. That is,
L × z 1 = (2 × w 1/2) × z 0 (1)
w 1 = L (z 1 / z 0 ) (2)
W 1 may be set so as to be.

図3に本発明による音響整合デバイス1の一形態を示す。第1の音響媒質5、第2の音響媒質6は、それぞれ異なる比音響インピーダンスz、zを持つ弾性体であり、これらの間にあるのが比音響インピーダンスzを有する材料で構成された本発明の音響整合デバイス1である。 FIG. 3 shows a form of the acoustic matching device 1 according to the present invention. The first acoustic medium 5 and the second acoustic medium 6 are elastic bodies having different specific acoustic impedances z 1 and z 2 , respectively, and between them are composed of a material having a specific acoustic impedance z 0. This is the acoustic matching device 1 of the present invention.

音響整合デバイス1と第1の音響媒質5との境界には、或る幅Lおよび厚さdを持つ第1の膜構造部2があり、音響整合デバイス1と第2の音響媒質6との境界には、幅Lおよび或る厚さdを持つ第2の膜構造部4がある。第1の膜構造部2と第2の膜構造部4それぞれの左右の端部は、長さhを持つ壁構造部3を介して連結されている。 At the boundary between the acoustic matching device 1 and the first acoustic medium 5, there is a first film structure portion 2 having a certain width L and a thickness d 1 , and the acoustic matching device 1 and the second acoustic medium 6 At the boundary of, there is a second membrane structure 4 having a width L and a certain thickness d 2. The left and right ends of each of the first film structure portion 2 and the second film structure portion 4 are connected via a wall structure portion 3 having a length h.

また、図3の音響整合デバイス1は、奥行き方向に長さDを持ち、上面から見た場合、面積S=長さD×幅Lを持つ長方形構造をしている。ここで、音響整合を実現するために、本発明では以下のように各構造の寸法を規定する。 Further, the acoustic matching device 1 of FIG. 3 has a length D in the depth direction, and has a rectangular structure having an area S = length D × width L when viewed from above. Here, in order to realize acoustic matching, the dimensions of each structure are defined as follows in the present invention.

図3(a)および(b)に示すように、第1の膜構造部2と壁構造部3の2箇所の接合面は、それぞれ幅がw/2、接合面積はs/2とする。ここで、第1の音響媒質5と第1の膜構造部2とが接触する面積Sと接合面積s/2との関係を以下となるようにする。 As shown in FIG. 3 (a) and (b), the bonding surfaces of the two portions of the first film structure 2 and the wall structure 3 has a width each w 1/2, the junction area is the s 1/2 do. Here, the relationship between the area S where the first acoustic medium 5 and the first film structure portion 2 come into contact with each other and the bonding area s 1/2 is set to be as follows.

S/(2×s/2)=z/z (3)
すなわち、
=S(z/z) (4)
または、
/S=z/z (5)
となる。ここで、本実施の形態1においては、S=D×Lであり、またs=D×wであることから、これらを式(4)に代入すると、
=L(z/z) (6)
の関係が成り立つ。
S / (2 × s 1/ 2) = z 1 / z 0 (3)
That is,
s 1 = S (z 1 / z 0 ) (4)
or,
s 1 / S = z 1 / z 0 (5)
Will be. Here, in the first embodiment, since S = D × L and s 1 = D × w 1 , these can be substituted into the equation (4).
w 1 = L (z 1 / z 0 ) (6)
The relationship holds.

同様にして、図3(a)および(c)に示すように、第2の膜構造部4と壁構造部3の2箇所の接合面は、それぞれ幅がw/2、接合面積はs/2とする。ここで、第2の音響媒質6と第2の膜構造部4とが接触する面積Sと接合面積s/2との関係を以下となるようにする。 Similarly, as shown in FIG. 3 (a) and (c), the bonding surfaces of the two portions of the second film structure 4 and the wall structure 3, a width w 2/2, respectively, the junction area s 2/2 . Here, the relationship between the area S and the bonding area s 2/2 where the second acoustic medium 6 and the second film structure 4 is in contact so as to be less.

S/(2×s/2)=z/z (7)
すなわち、
=S(z/z) (8)
または、
/S=z/z (9)
となる。ここで、本実施の形態1においては、S=D×Lであり、またs=D×wであることから、これらを式(8)に代入すると、
=L(z/z) (10)
の関係が成り立つ。
S / (2 × s 2/ 2) = z 2 / z 0 (7)
That is,
s 2 = S (z 2 / z 0 ) (8)
or,
s 2 / S = z 2 / z 0 (9)
Will be. Here, in the first embodiment, since S = D × L and s 2 = D × w 2 , these can be substituted into the equation (8).
w 2 = L (z 2 / z 0 ) (10)
The relationship holds.

本発明の目的は、異なる比音響インピーダンスを持つ材料間の整合であることから、zおよびzは互いに異なる値となることを想定する。便宜的にz<zの関係となるとき、式(4)、(6)、(8)、(10)より、s<s、w<wの関係が成り立つ。 Since the object of the present invention is matching between materials having different specific acoustic impedances, it is assumed that z 1 and z 2 have different values from each other. For convenience, when the relationship of z 1 <z 2 is satisfied, the relationship of s 1 <s 2 and w 1 <w 2 is established from the equations (4), (6), (8), and (10).

また、より効率的な音響伝搬を実現するためには、構造体の寸法を以下のように設定するとよい。すなわち、厚さdおよびdは、音響整合デバイス1を構成する材料の内部において、所望の周波数帯域の波長よりも小さいことが望ましい。さらに、音響整合デバイス1の全体が同じヤング率を持つ均質な材料で構成される場合は、厚さdが幅w/2より小さいと、第1の膜構造部2の剛性が壁構造部3を変形させるための剛性よりも相対的に小さくなり、第1の膜構造部2のたわみが大きくなってしまう。 Further, in order to realize more efficient acoustic propagation, it is advisable to set the dimensions of the structure as follows. That is, it is desirable that the thicknesses d 1 and d 2 are smaller than the wavelength of the desired frequency band inside the material constituting the acoustic matching device 1. Furthermore, if the whole of the acoustic matching device 1 is composed of a homogeneous material with the same Young's modulus, and thickness d 1 is smaller than the width w 1/2, the stiffness of the first film structure 2 is wall structure The rigidity is relatively smaller than the rigidity for deforming the portion 3, and the deflection of the first film structure portion 2 becomes large.

この場合、第1の音響媒質5を伝搬してきた音波は、第1の膜構造部2がたわむためのエネルギーを多く消費してしまうので、壁構造部3へのエネルギー伝搬に対して損失となる。従って、d>w/2とする方がより効率的な音波伝搬を実現できる。同様の理由から、d>w/2とすることが望ましい。ただし、第1の膜構造部2や第2の膜構造部4の材料と壁構造部3の材料とが互いに異なり、それぞれ異なるヤング率を有する場合はその限りではない。 In this case, the sound wave propagating in the first acoustic medium 5 consumes a large amount of energy for the first film structure portion 2 to bend, which causes a loss for the energy propagation to the wall structure portion 3. .. Therefore, more efficient sound wave propagation can be realized by setting d 1 > w 1/2. For the same reason, it is desirable that the d 2> w 2/2. However, this does not apply when the materials of the first film structure portion 2 and the second film structure portion 4 and the material of the wall structure portion 3 are different from each other and have different Young's modulus.

またさらに、両端が支持された膜構造はある周波数において共振する。共振周波数では、その振動エネルギーが膜構造内部に閉じ込められ易く、エネルギーが壁構造部3に伝搬し難い性質を持つ。従って、構造体の共振周波数は、所望の周波数帯域外になるように幅Lや厚さd、dを設定することが望ましい。 Furthermore, the film structure supported at both ends resonates at a certain frequency. At the resonance frequency, the vibration energy is easily confined inside the film structure, and the energy is difficult to propagate to the wall structure portion 3. Therefore, it is desirable to set the width L, the thickness d 1 and d 2 so that the resonance frequency of the structure is out of the desired frequency band.

一方、壁構造部3の音響伝搬方向の長さhは、所望の周波数帯域の波長よりも大きいことが望ましい。壁構造部3はwからwへと滑らかに連続的に変化することが望ましいが、所望の周波数帯域の波長よりも小さいスケールであれば、図4に示すような階段状の構造となっていてもよい。あるいは、図5に示すように、壁構造部3の補強を行うために、壁構造部3同士を補強部材7で接合してもよい。このときの補強部材の厚さdは、所望の周波数帯域の波長よりも小さいことが望ましい。 On the other hand, it is desirable that the length h of the wall structure portion 3 in the acoustic propagation direction is larger than the wavelength of the desired frequency band. It is desirable that the wall structure portion 3 smoothly and continuously changes from w 1 to w 2 , but if the scale is smaller than the wavelength of the desired frequency band, the wall structure portion 3 has a stepped structure as shown in FIG. May be. Alternatively, as shown in FIG. 5, in order to reinforce the wall structure portion 3, the wall structure portions 3 may be joined to each other by the reinforcing member 7. It is desirable that the thickness d 3 of the reinforcing member at this time is smaller than the wavelength of the desired frequency band.

壁構造部3の隙間は、中空構造となっていてもよいが、壁構造部3や第1の膜構造部2および第2の膜構造部4の比音響インピーダンスと十分に異なる比音響インピーダンスを有する材料であれば、図6に示すように、壁構造部3の隙間に充填材8を充填してもよい。なぜならば、十分に異なる比音響インピーダンスを有する充填材8であれば、一旦壁構造部3や膜構造部2、4に伝わった音波からは充填材8の存在がほとんど無視できるからである。 The gap of the wall structure portion 3 may have a hollow structure, but has a specific acoustic impedance sufficiently different from the specific acoustic impedance of the wall structure portion 3, the first film structure portion 2 and the second film structure portion 4. As long as it is a material to have, as shown in FIG. 6, the filler 8 may be filled in the gap of the wall structure portion 3. This is because if the filler 8 has sufficiently different specific acoustic impedances, the presence of the filler 8 can be almost ignored from the sound waves once transmitted to the wall structure portion 3 and the membrane structure portions 2 and 4.

次に、本発明における膜構造部(第1の膜構造部2および第2の膜構造部4)と壁構造部3との接触面の形状について述べる。図3においては、矩形の構造体の両側に膜構造部と壁構造部との接触面を形成していた。しかし、この形状は一つの態様に過ぎず、様々な形状が考え得る。 Next, the shape of the contact surface between the film structure (first film structure 2 and the second film structure 4) and the wall structure 3 in the present invention will be described. In FIG. 3, contact surfaces between the film structure portion and the wall structure portion were formed on both sides of the rectangular structure. However, this shape is only one aspect, and various shapes can be considered.

図7は、第1の膜構造部2(または第2の膜構造部4)と壁構造部3との接触面の様々な形状を示す上面図である。図7(a)に示すように、矩形の膜構造部の周囲を覆うように接触面10を形成することも可能である。このとき、接触面積とsとが式(4)を満たしていさえすれば、本発明においてはなんら効果に違いはない。接触面10のその他の例としては、例えば図7(b)、(c)、(d)のように、三角形、円形、正六角形などでもよい。あるいは図7(e)のように、六角形の接触面10の内部に円形の接触面10を持つようにしてもよい。このように、本発明においては、膜構造部の形状や、膜構造部と壁構造部との接触面の形状は、円形や多角形やそれらの組み合わせなどあらゆる形状が可能であり、制限されるものではない。 FIG. 7 is a top view showing various shapes of the contact surface between the first film structure portion 2 (or the second film structure portion 4) and the wall structure portion 3. As shown in FIG. 7A, it is also possible to form the contact surface 10 so as to cover the periphery of the rectangular film structure portion. At this time, as long as the contact area and s 1 satisfy the equation (4), there is no difference in the effect in the present invention. Other examples of the contact surface 10 may be a triangle, a circle, a regular hexagon, or the like, as shown in FIGS. 7B, 7C, and 7D. Alternatively, as shown in FIG. 7 (e), the circular contact surface 10 may be provided inside the hexagonal contact surface 10. As described above, in the present invention, the shape of the film structure portion and the shape of the contact surface between the film structure portion and the wall structure portion can be any shape such as a circular shape, a polygonal shape, or a combination thereof, and are limited. It's not a thing.

次に、本発明の音響整合デバイス1の製造方法について述べる。本発明は、いかなる材料であっても上述した式(1)〜(10)に示した関係性を満たせばよいため、金属やプラスチックの鋳造、機械加工、3Dプリンターなどによって膜構造と壁構造とを一体成形してもよく、あるいは膜構造部と壁構造部とを別々に製作した上で溶接や接着もしくはボルトやネジによって両者を接合してもよい。超音波領域においては極めて微細なサイズが要求される場合もあるが、そのような場合は半導体プロセスを用いて膜構造を形成したり、中空構造をエッチングによって形成したりすることも可能である。壁構造のx方向の長さが大きく、一枚の半導体ウエハで作製が難しい場合には、複数の加工したウエハを張り合わせてもよい。本発明の構造体の材料については、木材、金属、樹脂、ガラス、半導体プロセスで用いられるシリコン(Si)およびシリコン系材料、金属、プラスチックなど、特に材料に制限されることはない。 Next, a method for manufacturing the acoustic matching device 1 of the present invention will be described. In the present invention, any material may satisfy the relationships shown in the above formulas (1) to (10). Therefore, the film structure and the wall structure can be obtained by casting metal or plastic, machining, 3D printer, or the like. May be integrally molded, or the film structure part and the wall structure part may be manufactured separately and then welded, bonded, or joined by bolts or screws. In the ultrasonic region, an extremely fine size may be required. In such a case, a film structure can be formed by using a semiconductor process, or a hollow structure can be formed by etching. When the length of the wall structure in the x direction is large and it is difficult to manufacture with one semiconductor wafer, a plurality of processed wafers may be bonded together. The material of the structure of the present invention is not particularly limited to materials such as wood, metal, resin, glass, silicon (Si) and silicon-based materials used in semiconductor processes, metals, and plastics.

上述のようにして実際に製造した膜構造部や壁構造部は、図3に示したような完全に平らであったり滑らかな形状ではなく、多少の凹凸や形状の違いが生じ得るが、本発明の効果を損なうものではない。 The film structure and wall structure actually manufactured as described above are not completely flat or smooth as shown in FIG. 3, and may have some irregularities or differences in shape. It does not impair the effect of the invention.

次に、本発明による音響整合デバイス1の具体的な設計における音響整合能力を計算し、その効果を示す。構造としては、図3の基本構造を想定する。第1の音響媒質5の材料として水を想定し、その比音響インピーダンスを1.5MRaylとする。膜構造型音響整合デバイス1の材料を半導体デバイスなどで用いられるシリコン(Si)とし、その比音響インピーダンスを20.2MRaylとする。第2の音響媒質6は、超音波トランスデューサとして広く用いられているPZTを想定し、その比音響インピーダンスを20MRaylとする。第1の音響媒質5と音響整合デバイス1は、比音響インピーダンスが大きく異なるため、wは幅Lに対して1.5/20.2=0.074となる。一方、第2の音響媒質6と膜構造型音響整合デバイス1は、互いに近い比音響インピーダンスを有するため、wは膜構造幅Lにかなり近い値となる。また、d>w、d>wとする。ここでは、所望の周波数帯域を10MHz付近と設定する。d、dは半導体製造プロセスで十分に製造可能な5μmとし、このときLを十分小さく(例えば10μm)設計すれば、共振周波数が100MHz程度となり、所望の周波数帯域から十分外すことが可能である。 Next, the acoustic matching ability in the specific design of the acoustic matching device 1 according to the present invention is calculated, and the effect is shown. As the structure, the basic structure of FIG. 3 is assumed. Water is assumed as the material of the first acoustic medium 5, and its specific acoustic impedance is 1.5M Rayl. The material of the membrane structure type acoustic matching device 1 is silicon (Si) used in a semiconductor device or the like, and its specific acoustic impedance is 20.2M Rayl. The second acoustic medium 6 is assumed to be PZT widely used as an ultrasonic transducer, and its specific acoustic impedance is set to 20M Rayl. Since the first acoustic medium 5 and the acoustic matching device 1 have significantly different specific acoustic impedances, w 1 is 1.5 / 20.2 = 0.074 with respect to the width L. On the other hand, since the second acoustic medium 6 and the film structure type acoustic matching device 1 have specific acoustic impedances close to each other, w 2 has a value considerably close to the film structure width L. Further, d 1 > w 1 and d 2 > w 2 . Here, the desired frequency band is set to around 10 MHz. If d 1 and d 2 are set to 5 μm, which can be sufficiently manufactured by the semiconductor manufacturing process, and L is designed to be sufficiently small (for example, 10 μm), the resonance frequency becomes about 100 MHz, which can be sufficiently deviated from the desired frequency band. be.

比較対象として、従来の1/4波長整合理論に基き、第1の音響媒質5と第2の音響媒質6との間に両者の中間の比音響インピーダンスと10MHzの1/4波長の厚さとを持つ部材を挿入した場合を想定した計算を行う。図8に従来技術と本発明による音響透過率を示す。縦軸が第1の音響媒質5から第2の音響媒質6まで到達した音波の割合(1が全透過)、横軸が周波数である。図8から分かるとおり、本発明は、従来技術と比較して非常に広帯域、かつ高効率の伝搬特性が可能となる。 For comparison, based on the conventional 1/4 wavelength matching theory, the specific acoustic impedance between the first acoustic medium 5 and the second acoustic medium 6 and the thickness of 1/4 wavelength of 10 MHz are obtained. The calculation is performed assuming that the member to be held is inserted. FIG. 8 shows the acoustic transmittance according to the prior art and the present invention. The vertical axis represents the ratio of sound waves reaching from the first acoustic medium 5 to the second acoustic medium 6 (1 is total transmission), and the horizontal axis is frequency. As can be seen from FIG. 8, the present invention enables a very wide band and highly efficient propagation characteristics as compared with the prior art.

なお、上記の説明においては、対象とする周波数を超音波領域としたが、本発明は超音波領域に制限されるものではなく、可聴域においても有効である。 In the above description, the target frequency is the ultrasonic region, but the present invention is not limited to the ultrasonic region and is also effective in the audible region.

(実施の形態2)
前記実施の形態1で示した本発明の音響整合デバイス1の基本構造は、様々な幅Lを取り得る。一方、用途を考慮した場合には、様々な幅Lや奥行きの長さDを持つ音響伝搬面を想定する必要がある。あるいは、加工上の問題であったり、所望の周波数帯域にて効率的な音響伝搬特性を得るために、図3に示したような構造の場合、実際上取り得る幅Lに制限が存在する。
(Embodiment 2)
The basic structure of the acoustic matching device 1 of the present invention shown in the first embodiment can have various widths L. On the other hand, when considering the application, it is necessary to assume an acoustic propagation surface having various width L and depth length D. Alternatively, in the case of a structure as shown in FIG. 3 in order to obtain a processing problem or an efficient acoustic propagation characteristic in a desired frequency band, there is a limitation in the width L that can be actually taken.

これに対し、図9に示すように、図3に示した基本構造をyz面にアレイ状に配列した複合構造によって、上記の課題を解決することが可能である。図9に示した複合構造は、図3に示した基本構造を単純に規則的に並べただけであるため、音響整合層としての特性に違いはない。加工性においても、実施の形態1で示したものと同様に、機械加工や半導体プロセスを用いた加工によって作製することが可能である。 On the other hand, as shown in FIG. 9, the above problem can be solved by a composite structure in which the basic structures shown in FIG. 3 are arranged in an array on the yz plane. Since the composite structure shown in FIG. 9 is simply a regular arrangement of the basic structures shown in FIG. 3, there is no difference in the characteristics as an acoustic matching layer. In terms of workability, it can be produced by machining or processing using a semiconductor process, as in the case of the first embodiment.

図10は〜図12は、実施の形態1の図7で示したものと同様に、第1の膜構造部2および第2の膜構造部4と壁構造部3との接触面の形状を示している。図10(a)は図9のyz面を示しており、図10(b)、図11(a)、(c)、図12は、それぞれ四角形、三角形、円形、六角形のアレイ構造を示している。図7の基本構造の場合と同様に、膜構造部の厚さに対する壁構造部の幅を一意に規定することは難しいが、本発明の本質は、音響媒質と接合する膜構造部の面積と、膜構造部と壁構造部との接触面積の比が式(4)や式(8)を満たすことであるため、必ずしも図3や図9のような幅で規定する必要はない。 10 to 12 show the shape of the contact surface between the first film structure portion 2 and the second film structure portion 4 and the wall structure portion 3 in the same manner as that shown in FIG. 7 of the first embodiment. Shown. 10 (a) shows the yz plane of FIG. 9, and FIGS. 10 (b), 11 (a), 11 (c), and 12 show an array structure of a quadrangle, a triangle, a circle, and a hexagon, respectively. ing. As in the case of the basic structure of FIG. 7, it is difficult to uniquely define the width of the wall structure with respect to the thickness of the film structure, but the essence of the present invention is the area of the film structure to be joined to the acoustic medium. Since the ratio of the contact area between the film structure portion and the wall structure portion satisfies the equations (4) and (8), it is not always necessary to specify the width as shown in FIGS. 3 and 9.

また、基本構造をアレイ状に配列した複合構造の場合には、特に円形構造のように、基本構造と基本構造との間に比較的大きな接触面積が形成される場合がある。あるいは、図示していないが、基本構造の形状やサイズがランダムなアレイもあり得る。このような場合、基本構造単位で膜構造部の面積や、膜構造部と壁構造部との接触面積を規定することは困難である。このような場合、本発明ではアレイの全体において、膜構造部が音響媒質(比音響インピーダンスz)と接合する領域の総面積Sallと、膜構造部と壁構造部(比音響インピーダンズz)とが接触する領域の総面積s1_allが以下の式を満たせばよい。 Further, in the case of a composite structure in which the basic structures are arranged in an array, a relatively large contact area may be formed between the basic structure and the basic structure, particularly like a circular structure. Alternatively, although not shown, there may be an array in which the shape and size of the basic structure are random. In such a case, it is difficult to specify the area of the membrane structure portion and the contact area between the membrane structure portion and the wall structure portion in the basic structural unit. In this case, the entire array in the present invention, the total area S all regions membrane structure portion is joined to the acoustic medium (specific acoustic impedance z 1), film structure and the wall structure (specific acoustic impedance lens z The total area s 1_all of the region in contact with 0 ) may satisfy the following equation.

1_all=sall(z/z) (11)
(実施の形態3)
前記実施の形態1および前記実施の形態2では、本発明の膜構造型音響整合デバイス1が或る特定の材料と材料との音響的な整合を可能とすることを示した。本実施の形態3では、第1の音響媒質5の比音響インピーダンスが変化した場合でも、同じ膜構造型音響整合デバイス1で対応できる形態を示す。
s 1_all = s all (z 1 / z 0 ) (11)
(Embodiment 3)
In the first embodiment and the second embodiment, it has been shown that the membrane structure type acoustic matching device 1 of the present invention enables acoustic matching between a specific material and the material. In the third embodiment, even if the specific acoustic impedance of the first acoustic medium 5 changes, the same film structure type acoustic matching device 1 can handle the change.

図13(a)に示す膜構造型音響整合デバイス1は、図3の構造における第1の膜構造部2の上部に支柱(post)12で支えられた上部膜構造部13を有しており、第1の膜構造部2の内部と上部膜構造部13の内部には、それぞれ電極(electrode)14が設けられている。また、壁構造部3の間には、第1の膜構造部2と第2の膜構造4とを連結する部材としての中間壁構造部15が追加されている。 The membrane structure type acoustic matching device 1 shown in FIG. 13A has an upper membrane structure portion 13 supported by a post 12 above the first membrane structure portion 2 in the structure of FIG. , Electrodes 14 are provided inside the first film structure portion 2 and inside the upper film structure portion 13, respectively. Further, an intermediate wall structure portion 15 is added between the wall structure portions 3 as a member for connecting the first film structure portion 2 and the second film structure portion 4.

本構造において、第1の膜構造部2の電極14と上部膜構造部13の電極14との間に電圧を印加すると、二つの電極14間に静電気力が発生し、図13(b)に示すように、上部膜構造部13と第1の膜構造部2とが互いに引き合い、或る一定以上の電圧になると最終的には上部膜構造部13の一部が第1の膜構造部2に接触するようになる。このような状態にすることで第1の音響媒質5から伝搬した音波が上部膜構造部13に到達した際、その音波は従来の壁構造部3だけでなく中間壁構部15を伝搬する。すなわち、膜構造型音響整合デバイス1の音響伝搬面積が増えたことになり、音響インピーダンスが大きくなる。これにより、第1の音響媒質5の比音響インピーダンスを電圧印加の前後で変化させることが可能となる。 In this structure, when a voltage is applied between the electrode 14 of the first membrane structure portion 2 and the electrode 14 of the upper membrane structure portion 13, an electrostatic force is generated between the two electrodes 14, and FIG. 13 (b) shows. As shown, when the upper membrane structure portion 13 and the first membrane structure portion 2 attract each other and the voltage reaches a certain level or higher, a part of the upper membrane structure portion 13 finally becomes the first membrane structure portion 2. Come into contact with. In such a state, when the sound wave propagating from the first acoustic medium 5 reaches the upper film structure portion 13, the sound wave propagates not only in the conventional wall structure portion 3 but also in the intermediate wall structure portion 15. That is, the acoustic propagation area of the membrane structure type acoustic matching device 1 is increased, and the acoustic impedance is increased. This makes it possible to change the specific acoustic impedance of the first acoustic medium 5 before and after applying the voltage.

このように、図13に示す本実施の形態3の構造を採用することにより、特定の比音響インピーダンスではなく、可変型の音響整合デバイスを実現することが可能となる。変化させる音響インピーダンス量は、上部膜構造部13と第1の膜構造部2との接触面積で制御することが可能である。その具体的方法としては、電極14に印加する電圧を変えることで可能となる。電極14に印加する電圧を大きくするほど上部膜構造部13を第1の膜構造部2に強く接触させることが可能となるため、上部膜構造部13の中心だけでなく、周囲もが膜構造部2と広範囲に接触するようになる。 As described above, by adopting the structure of the third embodiment shown in FIG. 13, it is possible to realize a variable acoustic matching device instead of a specific specific acoustic impedance. The amount of acoustic impedance to be changed can be controlled by the contact area between the upper film structure portion 13 and the first film structure portion 2. As a specific method, it is possible by changing the voltage applied to the electrode 14. As the voltage applied to the electrode 14 is increased, the upper film structure portion 13 can be brought into strong contact with the first film structure portion 2, so that not only the center of the upper film structure portion 13 but also the periphery of the upper film structure portion 13 has a film structure. It comes into contact with the part 2 over a wide area.

図13に示す例では、第1の音響媒質5側に上部膜構造部13を設けたが、第2の音響媒質6側にも同様の構造を設けた場合には、整合させる比音響インピーダンスを両側の面で変化させることが可能となる。 In the example shown in FIG. 13, the upper film structure portion 13 is provided on the first acoustic medium 5 side, but when a similar structure is provided on the second acoustic medium 6 side, the specific acoustic impedance to be matched is set. It is possible to change on both sides.

中間壁構造部15の幅については、整合させたい音響媒質によって設計値が変わるため、特定の値にする必要はない。また、上部膜構造部13と支柱12との間の距離や上部膜構造部13の厚さについても、目的応じて自由に設計することができる。 The width of the intermediate wall structure portion 15 does not need to be a specific value because the design value changes depending on the acoustic medium to be matched. Further, the distance between the upper film structure portion 13 and the support column 12 and the thickness of the upper film structure portion 13 can be freely designed according to the purpose.

上記の膜構造型音響整合デバイス1には上部膜構造部13が存在したが、図14に示すように、中間壁構造部15の内部に電極14を埋め込むようにすれば、必ずしも上部膜構造部13は必要としない。 The upper film structure portion 13 was present in the above-mentioned film structure type acoustic matching device 1, but as shown in FIG. 14, if the electrode 14 is embedded inside the intermediate wall structure portion 15, the upper film structure portion is not necessarily present. 13 is not needed.

(実施の形態4)
図15に本発明の膜構造型音響整合デバイス1を音響プローブシステム20に用いた場合について示す。
(Embodiment 4)
FIG. 15 shows a case where the membrane structure type acoustic matching device 1 of the present invention is used for the acoustic probe system 20.

電気音響振動デバイス21に本発明の膜構造型音響整合デバイス1を接合して筐体に組み込むことにより、様々な用途において効率的な音波の送受信が可能となる。また、用途に応じて保護材22を組み合わせることも可能である。 By joining the membrane structure type acoustic matching device 1 of the present invention to the electroacoustic vibration device 21 and incorporating it into the housing, efficient sound wave transmission / reception is possible in various applications. It is also possible to combine the protective material 22 depending on the application.

例えば、音響プローブシステム20をケーブル23を介して送受信回路や表示機を含む本体制御装置24と組み合わせることにより、医療用超音波システム、非破壊検査装置、海洋ソーナー、音響カメラとして用いることができる。 For example, by combining the acoustic probe system 20 with a main body control device 24 including a transmission / reception circuit and a display via a cable 23, it can be used as a medical ultrasonic system, a non-destructive inspection device, a marine sonar, and an acoustic camera.

可聴域においては、音響マイクやスピーカシステムに組み込んだり、図16のように、音波減衰材料25と本発明の音響整合デバイス1とを接合することにより、高い吸音効果を得ることができる。 In the audible range, a high sound absorption effect can be obtained by incorporating it into an acoustic microphone or a speaker system, or by joining the sound wave attenuation material 25 and the acoustic matching device 1 of the present invention as shown in FIG.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment thereof, the present invention is not limited to the embodiment and various modifications can be made without departing from the gist thereof. Is.

1 膜構造型音響整合デバイス
2 第1の膜構造部
3 壁構造部
4 第2の膜構造部
5 第1の音響媒質
6 第2の音響媒質
7 補強部材
8 充填材
10 第1の膜構造部と壁構造部との接合断面
11 第2の膜構造部と壁構造部との接合断面
12 支柱
13 上部膜構造部
14 電極
15 中間壁構造部
20 音響プローブシステム
21 電気音響振動デバイス
22 保護材
23 ケーブル
24 本体制御装置
25 音波減衰材
1 Membrane structure type acoustic matching device 2 1st film structure 3 Wall structure 4 2nd film structure 5 1st acoustic medium 6 2nd acoustic medium 7 Reinforcing member 8 Filling material 10 1st film structure Joint cross section between the wall structure and the wall structure 11 Joint cross section between the second membrane structure and the wall structure 12 Strut 13 Upper membrane structure 14 Electrode 15 Intermediate wall structure 20 Acoustic probe system 21 Electroacoustic vibration device 22 Protective material 23 Cable 24 Main body control device 25 Sound damping material

Claims (12)

互いに異なる比音響インピーダンスを持つ第1の媒質および第2の媒質にそれぞれ接合して音波を伝搬する音響整合デバイスであって、
前記第1の媒質と接合する第1の膜構造部と、前記第2の媒質と接合する第2の膜構造部と、前記第1の膜構造部および前記第2の膜構造部にそれぞれ接触する壁構造部と、を有し、
下記の式1および式2を満たす、音響整合デバイス。
/S=z/z …式1
/S=z/z …式2
(式中、zは前記第1の媒質の比音響インピーダンス、zは前記第2の媒質の比音響インピーダンス、zは前記音響整合デバイスを構成する材料の比音響インピーダンス、Sは前記第1の媒質と前記第1の膜構造部または前記第2の媒質と前記第2の膜構造部とが接合する領域の面積、sは前記第1の媒質と前記壁構造部とが接合する領域の面積、sは前記第2の媒質と前記壁構造部とが接合する領域の面積をそれぞれ表す)
An acoustic matching device that propagates sound waves by joining to a first medium and a second medium having different specific acoustic impedances.
Contact with the first membrane structure portion to be bonded to the first medium, the second membrane structure portion to be bonded to the second medium, the first membrane structure portion and the second membrane structure portion, respectively. With a wall structure
An acoustic matching device that satisfies the following equations 1 and 2.
s 1 / S = z 1 / z 0 ... Equation 1
s 2 / S = z 2 / z 0 ... Equation 2
(In the equation, z 1 is the specific acoustic impedance of the first medium, z 2 is the specific acoustic impedance of the second medium, z 0 is the specific acoustic impedance of the material constituting the acoustic matching device, and S is the first. The area of the region where the medium 1 and the first film structure or the second medium and the second film structure are joined, and s 1 is the area where the first medium and the wall structure are joined. The area of the region, s 2 represents the area of the region where the second medium and the wall structure are joined).
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第1の膜構造部の厚さおよび前記第2の膜構造部の厚さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも薄い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
An acoustic matching device in which the thickness of the first film structure portion and the thickness of the second film structure portion are thinner than the wavelength of the sound wave to be matched in the acoustic matching device.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第1の膜構造部の厚さは、前記第1の膜構造部と接触する前記壁構造部の幅よりも厚く、
前記第2の膜構造部の厚さは、前記第2の膜構造と接触する前記壁構造の幅よりも厚い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
The thickness of the first film structure portion is thicker than the width of the wall structure portion in contact with the first film structure portion.
An acoustic matching device in which the thickness of the second membrane structure portion is thicker than the width of the wall structure in contact with the second membrane structure.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第1の膜構造部の共振周波数および前記第2の膜構造部の共振周波数は、整合対象とする音波の周波数よりも高い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
An acoustic matching device in which the resonance frequency of the first membrane structure portion and the resonance frequency of the second membrane structure portion are higher than the frequency of the sound wave to be matched.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記第1の膜構造部と接触する前記壁構造の長さおよび前記第2の膜構造部と接触する前記壁構造の長さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも長い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
The length of the wall structure in contact with the first membrane structure and the length of the wall structure in contact with the second membrane structure are wavelengths in the acoustic matching device of the frequency of the sound wave to be matched. Longer, acoustic matching device.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部同士を接合する補強部材をさらに有し、
前記補強部材の厚さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも薄い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
Further having a reinforcing member for joining the wall structural parts to each other,
An acoustic matching device in which the thickness of the reinforcing member is thinner than the wavelength in the acoustic matching device of the frequency of the sound wave to be matched.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部の幅は、前記第1の膜構造部および前記第2の膜構造部の一方から他方に向かって階段状に変化し、
前記階段の高さは、整合対象とする音波の周波数の前記音響整合デバイス内における波長よりも低い、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
The width of the wall structure portion changes stepwise from one of the first membrane structure portion and the second membrane structure portion toward the other.
An acoustic matching device in which the height of the staircase is lower than the wavelength in the acoustic matching device of the frequency of the sound wave to be matched.
請求項1記載の音響整合デバイスにおいて、
前記壁構造部の隙間に充填材が充填されている、音響整合デバイス。
In the acoustic matching device according to claim 1,
An acoustic matching device in which a filler is filled in the gap of the wall structure portion.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の音響整合デバイスを複数個アレイ状に配置した、複合音響整合デバイス。 A composite acoustic matching device in which a plurality of acoustic matching devices according to any one of claims 1 to 8 are arranged in an array. 請求項9記載の複合音響整合デバイスにおいて、
前記アレイの全体において、前記膜構造部が前記第1および第2媒質と接合する領域の総面積Sallと、前記膜構造部と前記壁構造部(比音響インピーダンズz)とが接触する領域の総面積s1_allが以下の式3
1_all=sall(z/z) …式3
を満たす、複合音響整合デバイス。
In the composite acoustic matching device according to claim 9.
Throughout the array, the total area S all of the region where the film structure is bonded to the first and second medium, wherein the film structure and the wall structure (specific acoustic impedance lens z 0) and is in contact The total area s 1_all of the region is the following equation 3
s 1_all = s all (z 1 / z 0 ) ... Equation 3
A composite acoustic matching device that meets the requirements.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の音響整合デバイスを用いた、音響プローブシステム。 An acoustic probe system using the acoustic matching device according to any one of claims 1 to 8. 請求項9記載の複合音響整合デバイスを用いた、音響プローブシステム。 An acoustic probe system using the composite acoustic matching device according to claim 9.
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