JPH0311900A - 水中音響受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は水中音響受波器に関し、特に水中音の？ｉｇ
Ｉ定等に使用される水中音響受波器に関するものである
。

［従来の技術］ 従来、水中音測定等のために用いられる水中音響受波器
（以後有機圧電材受波器と称する）は、−例として下記
文献に開示されたものがある。

文献；ジャーナル　オブ　ザ　アコースティカル　ソサ
エティ　オブ　アメリカ、　　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
’Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡｍｅ
ｒｉｃａ、８０．　　［２］。

（Ａｕｇｕｓｔ　　１９８６）、　　　　（米）　　、
　　　Ｐ、３７５　〜３８１　二Ｍａｒｋ　　ＢＭｏｆ
ｆｅｔｔ　ｅｔ　ａｔ、　”Ａ　　ρｃ　ｈｙｄｒｏｐ
ｈｏｎｅ”　１上記文献に示されている有機圧電材受波
器は粘弾性と圧電性を有するそれぞれ別個の高分子材料
を組合せた平板状の水中音測定用の受波器である。

この有機圧電材受波器の特徴は、密度が水の密度に近く
、音速が水の音速に近い値を有していることである。こ
のことによって、それ以前のセラミックス製受波器の音
響インピーダンスよりもこの有機圧電材受波器の方が水
の音響インピーダンスに近い値を持つため、水中音波を
受波する場合に高周波領域まで音響透過性を有する音響
特性の良い受波器となっている。また例えば、具体的に
は筐体等に装着されない状態、つまり自由音場に置かれ
たこの有機圧電材受波器は粘弾性的性質を有する高分子
材料で形成されているので、上記のセラミックス製受波
器に較べて共振の尖鋭度が小さく、かつ共振近傍におい
ても平坦な受波感度特性が得られる優れた特性を有する
ものであった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の有機圧電材受波器で
は、有機材圧電子を粘弾性材料でモールドした一体の受
波器を形成して、例えば固有振動その他によって振動す
る筐体等に装着した場合、この振動筐体が屈曲振動すれ
ば、有機圧電材受波器は曲げ変形や延び変形を受ける。

又、振動筐体が並進振動すればこの振動に基づく並進振
動をする。この場合、有機材圧電子内には、曲げ変形や
、延び変形に基づく応力や、並進運動に基づいた応力（
加速度雑音と呼ぶ）が誘起され、受波器に到来する音波
信号に基づく応力に加えられ、所期する受波器の受波感
度特性が低下する。また、これらの変形の影響を受けな
い様にするため、モールド材として極めて柔らかい材料
を用いることも考えられるが、この場合は受波器の強度
が保持できないという問題があった。

この発明は、有機材圧電子をモールドした受波器におい
て、上述の曲げ変形や延び変形や並進運動に基づく応力
によって、受波感度が低下するといった欠点や、該応力
を除去するために柔らかいモールド材を用いた場合に受
波器の強度が保持できないといつ、た欠点を除去するた
めになされたもので、音波の受波感度特性の優れた水中
音響受波器を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る水中音響受波器は、水中で音響透過性を
有する長方形の薄い金属平板の両面に有機材圧電子を接
合し、その外側に電極を設けたサンドイツチ板構造の有
機圧電材受波器（以後これを複合圧電子板と称する）と
、この複合圧電子板を柔らかくかつ音響透過性のよい粘
弾性材料（例えば低硬度のウレタンゴム等）で薄肉の板
状にモールドした第１のモールド体と、この第１のモー
ルド体の対向する側面のうち一対の側面（例えば長方形
の長辺の側面）を残したまま上記第１のモールド体を硬
くかつ音響透過性のよい粘弾性材料（例えば高硬度のウ
レタンゴム等）で板状にモールドした第２のモールド体
とからなるものである。

［作用］ この発明においては、まず有機材圧電板を水中でのき響
透過性のよい金属板に張りつけた重い構造の複合圧電ｆ
板を柔かい粘弾性材料でモールドしたので、圧電子板の
質量とこのモールド材（第１のモールド体）のステイフ
ネスから決まる並進振動の共振周波数を対象周波数以下
に低下させる。

さらにこの場合、金属板に接合した有機材圧電子板にと
りつけた電極も音響透過性のよい範囲で厚みをもたせか
つ剛な金属板で形成した複合圧電子板は曲げ変形に関す
る断面二次モーメントが大きくなるので圧電子板の屈曲
振動や延び振動を対象周波数以上に上げる。

また、複合圧電子板をモールドする第１のモールド体を
柔かい粘弾性材料を用いてそのステイフネスを小さくし
たので、このモールド材を介して複合圧電子板に振動変
位が伝達されるとき、対象周波数範囲で複合圧電子板の
振動筐体の屈曲振動にもとづく屈折振動や延び振動や振
動に体の並進振動にもとづく加速度雑音を低減させ上記
の振動変位による応力が除去される。

さらに、複合圧電子板をモールドした第１のモールド体
をこのモールド板の対向する一対の側面を残したままで
、硬い粘弾性材料でモールドして第２のモールド体を形
成する２段のモールド法を採用して第１のモールド体の
ステイフネスを低くしたので、このモールド材の肉厚方
向の変形が側面方向に自由に伝えられ、肉厚方向に対し
て体積弾性率より小さな値の縦弾性率が適用できる柔か
いモールド材の構成が実現できる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す水中音響受波器を構
成する有機圧電材受波器の構造模式図である。図におい
て、第１図の（ａ）は平面図、第１図の（ｂ）は（ａ）
に示したＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図において、６は有機圧電材受波器の音響センサを構成
する複合圧電子板であり、金属板４の上下面に板状の有
機材圧電子板３を接合し、さらにこの有機材圧電子板３
の両面に電極２を張り付けて形成されている。７は複合
圧電子板６をモールドした第１モールド体であり、粘弾
性を有する柔らかいモールド材例えば低硬度のウレタン
ゴムのモールド＋；ｌ’　Ｉ　１を用いて複合圧電子板
６を平板状にモールドし第１のモールド体を構成したも
のである。さらに、この第１モールド体７を粘弾性を有
する硬いモールド材例えば高硬度のウレタンゴムのモー
ルド材■５を用いてモールドして第２モールド体を形成
し第２のモールド体を構成している。この場合、第１モ
ールド体７の側面９を残したままの状態すなわち側面９
だけはモールド材■５で覆われない状態で第２モールド
体８を形成して、この発明による有機圧電材受波器を構
成するものである。

そして、この受波器を水中音響受波器として実装する場
合、第２モールド体８の下面１０は一般に固有振動によ
って振動する筐体等に接着される。

また、この受波器を実用する場合は第２モールド体８の
下面ｊＯＯ４０表面は流杯（水）におおわれている。ま
た、第１モールド体７の側面９はモールド材口５でモー
ルドされ′Ｃいないから同様に流体に接するようになっ
ている。

次に、動作について説明する。流体を介して遠方から例
えば水中音の音波信号が上記の水中音響受波器（以下受
波器という）に到来すると到来音波はモールド材■１、
モールド材■５、有機材圧電子板３がそれぞれ流体の音
響インビーダ〉スに近い直をもち、電極２、金属板４は
いずれも肉厚が薄いので、対象周波数範囲内で反射する
ことなく、モールド材■５、モールド材１１、電極２、
有機材圧電子板３、金属板４−１と入射する。そして、
有機材圧電子板３は到来音波の圧力（音圧）こ応じて電
極２間に電圧を誘起して音波が受信される。一方、第２
モールド体の下面ｌＯは電子機器等の入っている筐体等
に装着されているため振動しているのでこの振動変位が
第１モ・−ルド体７へと伝達さする。そして第１モール
ド体７から複合圧電子板６に振動変位が伝達される。

以上の構成において、モールド材Ｉ］を介して複合圧電
子板６に振動変位が伝達されるとき、振動変位による応
力を取り除くため、すなわち、対象周波数範囲において
、振動筐体の屈曲振動に基づく複合圧電子板６の屈曲振
動や延び振動や、振動筐体の並進振動に基づく並進振動
を低減するため、第１モールド体のモールド材１１のス
テイフネスが小さくなるようにしている。このステイフ
ネスの低減に関する具体策の説明は項を改めて後述する
。

また、有機材圧電子！２３の板を音響透過性を有する範
囲で適当な厚さ（第１表参照）を持つ金属板４に張りつ
けて重い複合圧電子板６としたことにより、有機材圧電
子板３の質量と前述のモールド材１１のステイフネスか
ら決まる並進振動の共振周波数を対象周波数以下に下げ
るようになっている。

さらに、この金属板４に張りつけた有機材圧電子板３の
電極２を上下両方共音響透過性を有する範囲で辻当な厚
さ（第１表参照）をもちかつ剛体の金属−１１を用いて
複合圧電子板６を形成することにより、曲げ変形に関す
る断面二次モーメントを大きくして、有機ｔオ圧電子板
３の屈曲振動や延び振動を対象周波数以上に上げるよう
にした。

ここで、前述のモールド材１１のステイフネスを小さく
するために、この発明において工夫した具体策とその効
果について説明する。

第１モールド体７全体を硬いモールド材■５でモールド
しないで、第１モールド体７の板の対向する側面のうち
一対の側面９を残したままでモールド材■５でモールド
することによりモールド材１１のステイフネスを低くす
る様にした。すなわち、例えば第１モールド体７全体を
硬いモールド材■５でモールドした場合は第１モールド
体７における体積弾性率は大きな値を示すものとなるが
、上述のように第１モールド体７の板の対向する一対の
側面を残してモールド材■５でモールドした場合（つま
り側面９はモールド材■５では覆われない）はモールド
材１１の肉厚方向の変形が側面９方向に自由に伝えられ
るので、肉厚方向に対して体積弾性率より小さな値の縦
弾性率が適用できる柔らかいモールド祠が実現できるの
である。

なお、この構造では第１モールド体の側面９は流体と接
しているから、流体を押しのけようとする変形が側面に
発生するときは流体から負荷を受ける。この負荷は側面
９の寸法と流体の波数を関数とする放射インピーダンス
（音波が有効に伝わりにくくなる抵抗）によって決まる
が、この発明においＣは第１モールド体７の側面形状が
非常に細長い矩形（第１表の梁の長さΩ参照）とし、さ
らに面積を小さく選ぶことによって放射インピーダンス
を無視できる程度に極めて小さくしている。

このようなディメンションの採用によってモールド材１
１は第１モールド体７の側面９の方向に自由に延びるこ
とが可能となるのである。

したがって、上記の構造からなるこの発明の受波器は全
体が第２モールド体８で外側を形成した強い構造である
にかかわらず、複合圧電子板６の外側は柔らかいモール
ド材１１でモールドされるので有機材圧電子板３の表面
に不用な剪断力を受けない優れた特性を有する水中音響
受波器が得られる。

次に、上記のようなこの発明の有機圧電材受波器の構成
をもとに具体的な数値に基づいて得た実施例を計算結果
を用いて説明する。なお、以下に示す数値は一例であっ
てこの発明を限定するものではない。

第２図はこの発明による有機圧電材受波器の実施例の説
明に用いる振動系モデルを示す模式図である。第２図の
（ａ）は受波器の平面図、第２図の（ｂ）は断面図、第
２図の（ｄ）は側面図、第２図の（Ｃ）は（ｄ）に示し
たＢの部分の拡大図である。なお、１〜ｌＯは第１図の
実施例の説明に用いた部分符号に相当する部分に用いた
同一符号である。

第２図において、簡単なモデルの一例として、第２モー
ルド体８の部分は剛体とし、下面１０が−様な振幅ｘ１
で正弦振動するものとする（但し、ωを振動数とする）
。また、層構造の複合圧電子板６は長さが長くて幅の短
かい梁（はり）と考える。さらに、第１モールド体７は
ωに無関係な構造減衰を有する粘弾性材で構成されるも
のとし、その複素縦弾性係数をＥ　”−Ｅｌ　　（１＋
ｊθ）とする。但しＥｌは貯蔵ヤング率、θは損失正接
、ｊは虚数単位である。第１モールド体７の粘弾性支持
厚を第２図の（ｂ）に示すようにｈｌとし、層構造を有
する上記梁の幅を第２図の（ｄ）に示すようにｂ　１第
２図の（Ｃ）に示すように電極２の厚■ さをｈ　１有機材圧電子板３の厚さをｈ　１金属４ 板４の厚さをｈ５とし、梁の長さをｇとする。さらに、
有機材圧電子数３の密度をρ　、ヤング率をＥ　とし、
電極２の密度ρ　、ヤング率をＥ１１ とし、金属板４の密度ρ　、ヤング率をＥ。とする。ま
た、梁の振幅をＸ１１と表わすものとする。

そして、ここでは対象周波数範囲をｆ。から１０ｆ　　
とする（但し、ｆｏは下限の周波数である）。

第１表は上記のモールド材１１及び上記の梁を構成する
部材の寸法及び物理定数である。なお、弾性係数（ヤン
グ率）は現実に存在するゴム等の弾性係数を参考にして
選択した。

第１表 第１表に示したように、第１−ｅ　−ＩｐＦ休の貯蔵１
０５０４種類のモデル試料をそれぞれＮＯ，１、Ｎｏ、
　２、Ｎα３、Ｎα４として設定した。

第３図は第１表のパラメークの条件で計算して求めた各
試料の梁の周波数応答特性を示す線図である。図におい
Ｃ１構輔は規格化した周波数である。また、縦軸は規格
化した振動変位伝達率（加速度ともいう）であり、第２
モールド体Ｊツの平面１０の振動ＸＩで規格化し７た梁
の振幅の最大値Ｘｎ□８で示したちのＣ゛ある。

第３図かられかる様に、試ネ〜゛（魔１の様な、硬い粘
弾性材料を用いた場合には、振動変位伝達率は。

対象周波数範囲において、］１以上であり、防振効果が
実現されない。また、試料Ｎα２及びＮａ、３は、ＮＣ
Ｌｌよりも柔らかい粘弾性材料を用いた場合であるが、
々・を象周波数範囲に、梁の並進振動共振が現われてお
り該共振点におい′Ｃ振幅が約２．３倍に拡大されてい
る。ところが、試料Ｎα４の様に柔かい粘弾性材料を用
いた場合には、梁の並進振動共振が０．４３　ｆ　　程
度に下かつており１ｊ１」記対象周波数範囲において、
振動伝達率か０．３り下に減哀しＣＸる。

以上第３図の検討結果について詳細に説明した様に、モ
ールド材１１の粘弾性ｌの弾性係数すなわち貯蔵ヤング
率Ｅ１を小さく選び、層状構造を有する複合圧電子板６
の質量を金属板４、本題２を採用して太き（選ぶことに
より、振動が減衰し、並進振動による加速度雑音が低減
され、音波受波感度特性が改善される。

第４図は試料Ｎｏ、　４のｆ　における梁の振動モード
を示す線図である。横軸は第２図の（ｂ）に示したＸ方
向の梁の位置座標であり、縦軸ｊ」梁の振幅である。図
にみられるように、梁の振幅は梁の位置座標に無関係で
一定とな、っているから、−次の屈曲振動モードは現わ
れて（・ない。また、ｆｏにおける振動モードは１以下
であるので変位が減衰していることがわかる。

また、第５図は試料Ｎｏ、　４の１０ｆｏにおける梁の
振動モードを示す線図である。横軸と縦軸は第４図の場
合と同一である。第５図の１０ｆｏの場合においても、
第４図と同様に一次の屈曲振動モードは現われていない
ことと、さらに梁の振幅は第４図のｆｏの場合より２桁
程度小さくなっていて変位が大幅に減衰していることを
示している。これは実施例で説明したように、有機材圧
電子板に金属板をはりつけた構造としたことにより梁の
剛性が増大して、屈折振動の共振が１Ｏｆｏ以上（対象
周波数より大きな範囲）に上がったことによる効果を示
すものである。

〔発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、下記の各項目毎に示す
構成としたことにより、それぞれ以下のような効果が得
られる。

■）柔かい粘弾性材料でモールドされた複合圧電子板を
含む一体の受波器を更に、もっと硬い粘弾性材料でモー
ルドするので、全体の水中音響受波器は、強い構造を持
つ。

２）複合圧電子板のすぐ外側は、柔かいモールド材でモ
ールドされるので、有機材圧電子板表面に不用な剪断力
を受けない。

３）モールドするために用いられる粘弾性材料は、いづ
れも、水の音響インピーダンスとほぼ同じになるように
選定されるので、水中音波の透過性が良い。

４）モールド材の比重は、水の比重と大体同程度に選定
されるので、受波器の水中重量が軽い。

５）有機材圧電受波器は、有機材圧電子板と金属板の猜
層構造であり、曲げ剛性が大きいことから、屈曲振動モ
ードが対象周波数範囲において現われないから受波感度
のよい水中音響受波器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す水中音響受波器の構
造模式図、第１図の（ａ）はその平面図、第１図の（ｂ
）は（ａ）に示したＡ−Ａ断面図、第２図はこの発明に
よる水中音響受波器の実施例の説明に用いる振動系モデ
ル図、第２図の（ａ）は平面図、第２図の（ｂ）は断面
図、第２図の（ｅ）は（ｂ）のＢ部分の拡大図、第２図
の（ｄ）は側面図、第３図は第１表のパラメータ条件で
計算した各試料の梁の周波数応答特性を示す線図、第４
図は試料Ｎｃｉ。 ４のｆ。におｉｊる梁の振動モードを示す線図、第５図
は試料Ｎｏ、　４の１Ｏｆｏにおける梁の振動モードを
示す線図である。 図において、］はモールド＋４　Ｉ　、　２は電極、３
は有機材圧電子板、４は金属板、５はモールド材■、６
は複合圧電子板、７は第１モールド体、８は第２モール
ド体、９は側面、１０は下面である。 ９イ部１１でピ） （ （０） （ｂ） 、′ｌのイを８月じ−よゐ考Ａ翠唄万Ｌ９１１ダリ皮ぞ
トのオ脚よミ。 第１図 味の４１１座輝 （ｃｍ） 第４図 ０１丁。 ｏｆ０ づ１１四−符イヒ、し”７亡ｙ８ラブに一模ｒタミ朶の
檄唱の周叔靭舌 ｏｙ０ 梁の（ユｌ堅應 （Ｃｍ） ＦＩｚ％　Ｎｏ、４　ノＩｏ　ｆｏｌニア−ｉ＋７６　
采１７１ａｖ：Ｊｔ−Ｆヘケ　　ｃ＋ｒｉ月 １、事件の表示 特願平１−１４５０６５号 ２、発明の名称 水中音響受波器 ３、補正をする者 事件との関係 住所 名称 ４、代理人 住所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　長方形の金属板の両面に接合した有機圧電材に電極を
   有する有機圧電材受波器と、 前記有機圧電材受波器を粘弾性材料でモールドした長方
   形板状の第１のモールド体と、 前記第１のモールド体の外側に形成され前記第１のモー
   ルド体の対向する一対の側面を残したまま前記粘弾性材
   料より硬い粘弾性材料でモールドした第２のモールド体
   と からなることを特徴とする水中音響受波器。