JPH0475720B2 - - Google Patents

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JPH0475720B2
JPH0475720B2 JP21663083A JP21663083A JPH0475720B2 JP H0475720 B2 JPH0475720 B2 JP H0475720B2 JP 21663083 A JP21663083 A JP 21663083A JP 21663083 A JP21663083 A JP 21663083A JP H0475720 B2 JPH0475720 B2 JP H0475720B2
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JP
Japan
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vibrator
bolt
mass
cross
piezoelectric ceramic
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Application number
JP21663083A
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Japanese (ja)
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JPS60109399A (en
Inventor
Takeshi Inoe
Tetsuo Myama
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
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Publication of JPS60109399A publication Critical patent/JPS60109399A/en
Publication of JPH0475720B2 publication Critical patent/JPH0475720B2/ja
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0618Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、水中超音波トランスジユーサに用い
られるボルト締めランジユバン振動子に係わり、
ボルト締めランジユバン振動子の軽量化と同時に
ハイパワー化をはかることを目的とするものであ
る。 従来、ボルト締めランジユバン振動子は第1図
に示したように、アルミ合金、チタン合金、鋼な
どの高鋼性材料からなるフロントマス11、フロ
ントマス11とリアマス13の間に配置されたリ
ング状圧電セラミツク12、フロントマスと同様
にステンレススチール等の高鋼性材料からなるリ
アマス13及びリング状圧電セラミツク12に圧
縮応力を加える機能を有するCr−Mo鋼などの高
張力合金からなるボルト14、ナツト15によつ
て構成されており、ハイパワー駆動が可能である
という大きな特徴を有している。ここで、リング
状圧電セラミツク12は横効果縦振動モード(31
モード)に比べてはるかに大きな電気機械結合係
数が得られる縦効果縦振動モード(33モード)が
用いられる。隣接するリング状圧電セラミツクど
うしは図中の矢印に示すように互いに反対方向に
分極処理が施され、電気的に並列に接続すること
により、パワーアンプとの整合がはかられてい
る。また、一般にセラミツクスは圧縮応力に比べ
て引つ張り応力に対して弱いため、ボルト14、
ナツト15であらかじめ静的なバイアス圧縮応力
が加えられており、ハイパワー時においても十分
使用し耐える構造となつている。尚、このような
構造のボルト締めランジユバン振動子において
は、周知の如く2分の1波長共振モードが用いら
れ、圧電セラミツク12部分に振動節点があり、
応力は圧電セラミツク12及びボルト14部分に
集中的に働くわけである。 上述した水中超音波トランスジユーサに用いら
れるボルト締めランジユバン振動子は、所望の指
向性を得るために通常多数個配列されて用いら
れ、このように多数個配列された振動子アレイは
必然的に大型でかつ極めて重いものになるため、
最近、ボルト締めランジユバン振動子の小型、軽
量化が強く要求されている。しかしながら従来、
小型軽量化と同時にハイパワー化に適合した振動
子形状は得られていない。 本発明は、ボルト締めランジユバン振動子の軽
量化と同時にハイパワー化を達成させるためにな
されたものであり、その目的は軽量化と同時にハ
イパワー化を両立させる最適な形状を有する振動
子を提供するものである。 すなわち本発明はフロントマス部、圧電セラミ
ツク部、リアマス部からなる2分の1波長共振ボ
ルト締めランジユバン振動子において、フロント
マス部の音響放射断面積をS1、圧電セラミツク部
分の断面積をS2、ボルト部の断面積をS3、リアマ
ス部の断面積をS4とし、またフロントマス部の長
さをl1、フロントマス部の音響放射端から振動節
点までの長さをl0としたときに、圧電セラミツク
部の断面積S2に対してボルト部分の断面積S3をか
なり小さく設定し、フロントマス部の音響放射端
から振動節点までの前半部分に関し、0.03S2
S10.1、0.1<l1/l00.3、振動節点からリアマ
ス端部までの後半分に関してS2/S4>0.2とした
ことを特徴とするボルト締めランジユバン振動子
である。 本発明の目的とする最適形状を有するボルト締
めランジユバン振動子を得るために、フロントマ
スから振動節点までの前半部の4分の1波長部分
と振動節点からリアマスまでの後半部分に分けて
考える。まず、等価複合伝送線路でボルト締めラ
ンジユバン振動子の機械系における考察を行い、
ここにおいて軽量化の目安となる規準化された振
動子質量と水中において動作させたときのボルト
及び圧電セラミツク部分に加わる応力との兼合い
から、軽量化と同時にハイパワー時の機械的強度
に優れた振動子形状を明らかにする。さらに電気
系を含めた解析を行い、電気機械変換能率に密接
に関係する容量比(容量比が小さいほどエネルギ
ー変換率が高い)と振動子形状の関係を求め、最
後に機械系と電気系を両方考慮し軽量化と同時に
ハイパワー化のはかれる最適な振動子形状を見い
出す。 軽量でかつハイパワー化のはかれる振動子を得
るために、まず始めに第2図に示すように音響放
射端から振動節点までの振動子半区間について理
論的検討を行う。第2図において11部はフロン
トマス部分、12部は圧電セラミツク部分、14
部はボルト部分、l1はフロントマスの長さl2は圧
電セラミツク部分の長さ(=ボルト部分の長さ、
l0(=l1+l2)は実効的な4分の1波長を示す。第
2図に示した半区間モデルの等価複合伝送線路を
第3図に示す。 第3図において、第i部分(i=1,2,3)
の密度をρi、縦波速度をci、断面積をSi、位相定
数をβi(=ω/ci、ω;角周波数、ω=2πf)、特性
インピーダンス密度をZpi(=ρici)、特性インピー
ダンスをZpi(=zpiSi)とし、またRaは音響放射イ
ンピーダンスで次式で表わされる。 Ra=ρ0c0S1 (1) ただし ρ0;水の密度 c0;水の音速 S1;放射断面積 ただし圧電セラミツク部分に関して実効的な縦波
速度をc2e(=√12 33 E、s33 E;電界一定時の弾
性コンブライアンス)とし実効的な位相定数、特
性インピーダンス密度、特性インピーダンスをそ
れぞれβ2e、Z02e、Z02eとする。第3図の等価複合
伝送線路の共振関係式は、1−1′から左右をみた
各伝送線路のインピーダンスの総和を零とおくこ
とにより得られる。(振動子自身の共振周波数で
あるからRa=0とした)即ち、 Z01tan(β1l1)−Z02ecot(β2el2
−Z03cotβ3l2=0(2) ここで特性インピーダンスの比として K12e=Z02e/Z01 (3) K13=Z03/Z01 (4) また、4分の1波長を規準として規準定数α1
α2を導入して、 β1l1=ωl1/C1=π/2α1 (5) β2el2=ωl2/C2e=π/2α2 (6) β3l3=ωl2/c3=π/2(c2e/c3)α2 (7) とおくと(2)式は次のようになる。 tanπ/2α1−K12ecotπ/2α2−K13cotπ
/2(c2e/c3)α2=0(8) 振動子各部の材料を定め、ついで断面積比S1
S1、S3/S1を与えてやると(8)式はα1,α2の2変数
からなる方程式となる。即ち、α1を与えてやると
α1に応じたα2が求まり、寸法比l1/l2と共振周波
数の関係が求められる。第2図に示した半区間の
振動子の全質量Mは M=ρ1l1S1+ρ2l2S2+ρ3l3S3 (9) で与えられる。共振周波数と長さと反比例の関係
にあるから、共振周波数で規準化した単位音響放
射面積当りの軽量化最適形状の目安はMfr/S1
与えられる。さらにこれを圧電セラミツク部分の
特性音響インピーダンス密度z02(ρ2c2e)で規準化
すると、基準化された振動子質量Moは Mo=Mfr/z02eS1=(Z01/z02e){α1/4
+K12eα2/4+K13(c2e/c3)α2/4}(10) で与えられる。 計算に先立ち、通常ボルト締めランジユバン振
動子各部分に用いられている材料の密度及び縦波
速度を第1表に示す。
The present invention relates to a bolted lunge transducer used in an underwater ultrasonic transducer,
The purpose is to reduce the weight of the bolt-tight lunge van oscillator and at the same time increase its power. Conventionally, a bolt-tight lunge resonator has a front mass 11 made of a high-steel material such as aluminum alloy, titanium alloy, or steel, and a ring-shaped resonator disposed between the front mass 11 and the rear mass 13, as shown in FIG. A piezoelectric ceramic 12, a rear mass 13 made of a high steel material such as stainless steel like the front mass, and a bolt 14 and a nut made of a high tensile strength alloy such as Cr-Mo steel that has the function of applying compressive stress to the ring-shaped piezoelectric ceramic 12. 15, and has the great feature of being capable of high power driving. Here, the ring-shaped piezoelectric ceramic 12 has a transverse effect longitudinal vibration mode (31
The longitudinal effect longitudinal vibration mode (33 modes) is used, which provides a much larger electromechanical coupling coefficient than the 33rd mode. Adjacent ring-shaped piezoelectric ceramics are polarized in opposite directions as shown by the arrows in the figure, and matched with the power amplifier by electrically connecting them in parallel. In addition, since ceramics are generally weaker against tensile stress than compressive stress, the bolt 14,
A static bias compressive stress is applied in advance by the nut 15, and the structure is strong enough to withstand use even at high power. As is well known, in the bolt-tight Languevan oscillator having such a structure, a half wavelength resonance mode is used, and there is a vibration node in the piezoelectric ceramic 12.
The stress acts concentratedly on the piezoelectric ceramic 12 and the bolt 14. The bolt-fastened lunge transducers used in the above-mentioned underwater ultrasonic transducer are usually arranged in large numbers in order to obtain the desired directivity, and such a large number of transducer arrays are inevitably Because it is large and extremely heavy,
Recently, there has been a strong demand for smaller and lighter bolt-tight lunge resonators. However, conventionally,
A resonator shape that is compatible with both size and weight reduction and high power generation has not yet been obtained. The present invention was made in order to reduce the weight of a bolt-tight lunge transducer and simultaneously increase its power.The purpose of the present invention is to provide a vibrator having an optimal shape that achieves both weight reduction and high power. It is something to do. That is, in the present invention, in a half-wavelength resonant bolt-tight Languevan vibrator consisting of a front mass part, a piezoelectric ceramic part, and a rear mass part, the acoustic radiation cross-sectional area of the front mass part is S1 , and the cross-sectional area of the piezoelectric ceramic part is S2. , the cross-sectional area of the bolt part is S 3 , the cross-sectional area of the rear mass part is S 4 , the length of the front mass part is l 1 , and the length from the acoustic radiation end of the front mass part to the vibration node is l 0 Sometimes, the cross-sectional area S3 of the bolt part is set considerably smaller than the cross-sectional area S2 of the piezoelectric ceramic part, and the first half from the acoustic radiation end of the front mass part to the vibration node is 0.03S2 /
This is a bolted lunge van oscillator characterized in that S 1 0.1, 0.1<l 1 /l 0 0.3, and S 2 /S 4 >0.2 in the rear half from the vibration node to the end of the rear mass. In order to obtain a bolt-fastened Lange-Van vibrator having an optimal shape, which is the object of the present invention, it is divided into a quarter-wavelength part, the first half from the front mass to the vibration node, and a second half, from the vibration node to the rear mass. First, we will consider the mechanical system of a bolt-tight Languevin oscillator using an equivalent composite transmission line.
Here, due to the balance between the standardized vibrator mass, which is a guideline for weight reduction, and the stress applied to the bolts and piezoelectric ceramic parts when operated underwater, it is lightweight and has excellent mechanical strength at high power. The shape of the resonator is clarified. Furthermore, we performed an analysis that included the electrical system, and determined the relationship between the capacitance ratio (the smaller the capacitance ratio, the higher the energy conversion rate) and the resonator shape, which are closely related to the electromechanical conversion efficiency.Finally, we analyzed the mechanical and electrical systems. Taking both into consideration, we found the optimal transducer shape that reduces weight and increases power at the same time. In order to obtain a lightweight and high-power vibrator, we first conduct a theoretical study on the half section of the vibrator from the acoustic radiation end to the vibration node, as shown in Figure 2. In Fig. 2, part 11 is the front mass part, part 12 is the piezoelectric ceramic part, and part 14 is the front mass part.
is the bolt part, l 1 is the length of the front mass, l 2 is the length of the piezoelectric ceramic part (= length of the bolt part,
l 0 (=l 1 +l 2 ) indicates an effective quarter wavelength. FIG. 3 shows an equivalent composite transmission line for the half-section model shown in FIG. 2. In FIG. 3, the i-th part (i=1, 2, 3)
The density of is ρ i , the longitudinal wave velocity is c i , the cross-sectional area is S i , the phase constant is β i (=ω/c i , ω; angular frequency, ω=2πf), and the characteristic impedance density is Z pi (= ρ i c i ), the characteristic impedance is Z pi (=z pi S i ), and R a is the acoustic radiation impedance, which is expressed by the following equation. R a = ρ 0 c 0 S 1 (1) where ρ 0 ; density of water c 0 ; sound speed of water S 1 ; radiation cross section However, the effective longitudinal wave velocity for the piezoelectric ceramic part is c 2e (=√1 2 33 E , s 33 E ; elastic conformance when electric field is constant), and the effective phase constant, characteristic impedance density, and characteristic impedance are respectively β 2e , Z 02e , and Z 02e . The resonance equation of the equivalent composite transmission line shown in FIG. 3 can be obtained by setting the sum of the impedances of the respective transmission lines as seen from 1-1' to the left and right to zero. (R a = 0 since it is the resonant frequency of the vibrator itself) That is, Z 01 tan (β 1 l 1 ) − Z 02e cot (β 2e l 2 )
−Z 03 cotβ 3 l 2 = 0(2) Here, as the ratio of characteristic impedance, K 12e = Z 02e /Z 01 (3) K 13 = Z 03 /Z 01 (4) Also, the quarter wavelength is used as the standard. As the normative constant α 1 ,
Introducing α 2 , β 1 l 1 =ωl 1 /C 1 =π/2α 1 (5) β 2e l 2 =ωl 2 /C 2e =π/2α 2 (6) β 3 l 3 =ωl 2 /c 3 =π/2(c 2e /c 3 ) α 2 (7) Then, equation (2) becomes as follows. tanπ/2α 1 −K 12e cotπ/2α 2 −K 13 cotπ
/2(c 2e /c 32 =0(8) Determine the material of each part of the vibrator, and then calculate the cross-sectional area ratio S 1 /
When S 1 and S 3 /S 1 are given, equation (8) becomes an equation consisting of two variables α 1 and α 2 . That is, when α 1 is given, α 2 corresponding to α 1 is found, and the relationship between the size ratio l 1 /l 2 and the resonant frequency is found. The total mass M of the half-section oscillator shown in FIG . 2 is given by M=ρ 1 l 1 S 12 l 2 S 23 l 3 S 3 (9). Since the resonant frequency is inversely proportional to the length, the optimum shape for weight reduction per unit acoustic radiation area normalized by the resonant frequency is given by Mfr/S 1 . Further, when this is normalized by the characteristic acoustic impedance density z 022 c 2e ) of the piezoelectric ceramic part, the normalized resonator mass M o is M o = Mf r /z 02e S 1 = (Z 01 /z 02e ) {α 1 /4
+K 12e α 2 /4 + K 13 (c 2e /c 3 ) α 2 /4}(10). Prior to the calculation, Table 1 shows the density and longitudinal wave velocity of the materials normally used for each part of the bolt-tight LangueVan transducer.

【表】 第1表に示した材料を用い、例として音響放射
面積に対するボルト断面積の比S3/S1=0.006一
定として、音響放射面積に対する圧電セラミツク
断面積S2/S1をパラメータにしたとき、実効的な
4分の1波長に対するフロントマスの長さの比
l1/l0と振動子前半部の規準化された質量Moの関
係を第4図に示す。第4図から、l1/l0が0〜0.4
の範囲のときにはl1/l0の増加とともにMoは緩や
かに増加しているが、l1/l0が0.3より大きくなる
とMoは急激に増加しており、振動子の軽量化の
ためにはS2/S1、l1/l0を小さくする方向にもつ
て行けば良いことがわかる。尚、ボルトの断面積
S3は通常第4図に示したように圧電セラミツク部
分の断面積S2に比べてかなり小さく設計される。
これはS3がS2に近ずくにつれ電気機械変換効率が
低下する悪影響をもたらすことによる。S3がS2
りかなり小さい範囲では、MoはS3/S1にほとん
ど影響をうけない。このとき、音響放射面積S1
比べて圧電セラミツク部分及びボルト部分の断面
積S2,S3を小さく設定すればそれだけ軽量化が可
能となるが、ボルト部分及び圧電セラミツク部分
に応力が集中することになり、単純に断面積S2
S3を小さくしただけではハイパワーを考慮した軽
量化は困難であることが推察される。 次にボルト締めランジユバン振動子の圧電セラ
ミツク部分及びボルト部分に加わる振動応力につ
いて理論的検討を行う。通常水中で送波を行う場
合、振動子内部に働く応力は空中での振動状態と
は異り、音響放射端面において水の音響放射イン
ピーダンスによる反作用がさらに加わる。ここで
は、水負荷時において音響放射面を単位速度
(1m/sec)で共振させた場合、圧電セラミツク
部分及びボルト部分に加わる応力を第3図に示し
た等価回路から求め、それら応力の振動子形状依
存性を算出する。圧電セラミツク部分の応力に関
し、最大の応力を受ける部分は第3図2−2′に
ある振動節点であり、ここにおける応力をTpn
する。第4図と同様にS3/S1=0.006一定とした
ときにS2/S1をパラメータとしたときの寸法比
l1/l0に対する|Tpnの関係を第5図に示す。
S2/S1が小さいほどl1/l0が大きいほど|Tpn
が増大していることがわかる。次に、全く同様に
してボルト部分に働く応力と振動子形状の関係を
求める。フロントマスとの接合部分におけるボル
トに働く振動応力をTbc、振動節点におけるボル
トに働く振動応力をTbnとする。|Tbc|、|Tbn
振動子形状との関係を第5図と同様にして第6図
に示す。第6図において実線は|Tbc|、点線は
|Tbn|の特性を示す。l1/l0>0.2では|Tbc|と
|Tbn|の差はそれほどないが、|Tbc|<|Tbn
|となりl1/l0が増大するにつれて|Tbc|、|
Tbn|も増大し、同時に|Tbc|と|Tbn|は接近
する。しかし、l1/l0<0.1ではl1/l0が減少、即
ちフロントマスの長さが短くなるほど、逆に|
Tbc|、|Tbn|が増大するといつたふるまいを行
う。これは、水の音響放射インピーダンスの反作
用のため、フロントマスが極めて薄くなると、ボ
ルトとフロントマスの接合部に応力が集中するた
めである。 ボルト締めランジユバン振動子において最も機
械的強度の弱い部分は、フロントマスとボルトと
の接合部分及びセラミツク中央部分である。振動
子の軽量化と同時にハイパワー化をはかるために
は、音響放射端における一定の振動速度に対して
機械的強度の弱い部分に応力が集中しないような
振動子形状が望ましい。そこで振動子の質量に関
するFigure of Meritとして FMMn=1/M2|Tbc|・|Tpn| (11) を与える。これは振動子の単位質量当りとり出し
得る最大音響パワーと密接な関係があり、
FMMnが大きいほど振動子の形状が優れている
わけである。 次に、電気機械変換効率の目安となる容量比γ
は、第3図に示した圧電セラミツク部分の等価伝
送線路をMartinの等価回路(G.E.Maytin:
“Vibrations of Caaxially Segmented、
Longitudinally Polarized Feroelectric
Tubes”、Journal of Acoust.Soc.Am.Vol.36、
No.8、pp.1496−1506、(1964))で表わすことに
より、共振反共振周波数の関係から容易に求めら
れる。γが小さいほど電気機械変化効率が優れて
いるわけであるから、音響放射端からう4分の1
波長部分の振動子の電気系を含めた軽量化のため
のFigure of Merit FMnは次式で表わされる。 FMn=FFMn/γ (12) 振動子各部の材料として第1表に示した材料を
用い、圧電セラミツクの電気機械結合係数k33
0.50としたときのFMn特性を第7図に示す。ここ
で、フロントマスが薄くなりl1/l0が0.1以下にな
ると、フロントマス自身が屈曲振動を行い、もは
や純粋なピストン運動ができなくなるため音響放
射効率が低下することは周知の通りである。そこ
で第7図においてl1/l0>0.1の範囲が実用に値す
る。S2/S1が極めて小さく0.03より小さくなる
と、それほどFMMnが増大しない割には容量比
γが大きくなり、その結果FMnが低下する。ま
た、フロントマスの音響放射端から振動節点まで
の前半分の1/4波長部分に関して、断面積比
S2/S1が0.03より小さくなると、ボルトを締めた
ときの静的応力に対して圧電セラミツクリングの
径方向の強度が十分大きくとれないので実用上好
ましくない。 第7図において、k33=0.50の圧電セラミツク
ス及びフロントマスにAl合金を用いた場合、従
来の振動子形状ではFMnの値は望ましい値の1.5
×10-7m2/Nが達成されていない。 また、S2/S1が0.12程度以上あるいはl1/l0
0.3より大きい場合はFMnが1.5×10-7m2/Nを超
えることは困難となる。 即ち、FMnを大きくする振動子形状、換言す
ると軽量かつハイパワー化のはかれる振動子形状
は、断面積に関し0.03≦S2/S1≦0.1、長さに関
し0.1l1/l00.30であることが見い出される。
次にフロントマス材料としてAl合金と同程度も
しくはそれ以上の剛性を有し、かつAl合金より
密度の小さい炭素繊維強化樹脂(C−FRP)を
用いたときのFMn特性を第8図に示す。第8図
から、第7図に示したAl合金をフロントマスに
用いた場合のFMn値より全般に大きくなつてい
るが、FMnを大きくする振動子形状の傾向は、
フロントマス材料が異つているにもかかわらず全
く同じであることが明らかである。 次に振動節点からリアマスまでの後半部の4分
の1波長部分に関して、軽量化と同時にハイパワ
ー化のはかれる振動子形状についてのべる。第1
図に示したボルト締めランジユバン振動子の振動
節点からリアマス端部までの振動子区間の物理モ
デルを第9図に示す。第9図において12′,1
4′はそれぞれ圧電セラミツク部分及びボルト部
分、13はリアマス部分である。l0′は実効的な
4分の1波長、l2′は圧電セラミツク部分(=ボ
ルト部分)の長さ、l4はリアマス部分の長さであ
る。12′,14′は機械的に第2図に示したフロ
ントマスから振動節点までの圧電セラミツク部分
及びボルト部分14と連続したもので、12と1
2′の材料、14と14′の材料はともに同一であ
り、また12と12′部分の断面積は等しいもの
とする。ここでは最適な振動子の形状を見い出す
ために、振動子を前半分と後半分の2つに分けて
考察しているが、実際には12と12′、14と
14′は一体化されたものであり、フロントマス
の音響放射端がある速度で振動した場合、トラン
スジユーサの前半分と後半分における振動接点は
共通であり、ここに働く応力は当然のことである
が共に等しい。この振動接点において、フロント
マスの長さが極端に短くならない限り最大応力が
発生するわけである。この部分における振動応力
Tpn,Tbnについては既に求められている。 リアマス部の密度をρ4、音速をc4、断面積をS4
とする。部の特性音響インピーダンスZ04、位
相定数β4は Z04=ρ4c4S4=z04S4 (13) β4l4=ωl4/c4=(π/2)α4 (14) となる。第9図に示す後半部の振動子の全質量
M′とする。後半分の振動子の質量に関して、共
通周波数と長さは反比例の関係にあり、また圧電
セラミツク部分の断面形状が前半分と後半分とで
等しいことから、圧電セラミツク部分の特性音響
インピーダンスZ02eで規準化することができる。
基準化された質量をM′oとするとM′oは M′o=M′fr/Z02e=1/K42e{α4
4+K42eα′2/4+K43c2e/c3α′2}(15) ただし、 π/2α′2=β2el′2 (16) K42e=Z02e/Z04 (17) K43=Z03/Z04 (18) となる。振動子の前半部分で振動接点における応
力が決定されてしまうわけであるから、振動子の
後半部分に関して、基準化された質量M′oが小さ
く振動子後半部の容量比γ′も小さいほどFigure
of Meritが優れているわけである。後半部の
Figure of Merit FM′mは次式で与えられる。 FM′m=1/M′oγ′ (19) リアマスとして、Al合金及びステンレススチ
ール(ρ=7.91Kg/m3、c=5.00m/sec)を用い
たときのFM′nに関する振動子形状依存特性をそ
れぞれ第10図及び第11図に示す。いずれも
S2/S4が大きくなるにしたがいFM′nも大きくな
り、0.20以上になると飽和する傾向を示す。 振動接点からリアマス端部までの後半分の1/
4波長部分に関して、軽量でかつ所要音圧を得る
ためにFM′nの値が0.8以上が要求されている。こ
れを達成するためには第11図から明らかな如く
S2/S4が0.15程度であればFM′nの値を0.8以上と
することは極めて困難でありS2/S4が0.20は必要
である。また、S2/S4の増加とともにFM′mも増
加する傾向にあるが、S3/S4が0.70以上になると
第1図に示すようなボルト14、ナツト15を保
持することが難かしくなり実用性がなくなる。 以上、理論的に考察したFigure of Merit
FMn,FM′nに関しFMnが大きいほど電気音響変
換効率に優れ、圧電セラミツク及びボルト部分に
加わる振動を応力が同一であれば振動子質量当り
の音響放射端面の振動速度uを大きくすることが
できる。振動速度uは音響放射エネルギーPaの
平方根に比例する。また、FM′nが大きいほど電
気音響変換効率に優れ、軽量の振動子を実現する
ことができる。即ち、音響放射断面積S1、共振周
波数frが同一であれば、FMn,FM′nが大きいほ
ど、Figure of Merit FM=√Pa/Mt(√/Kg) (20) ただし Mt;振動子全質量の値を大きくする
ことができるわけである。 近年、ソーナー用振動子の測深距離が伸びてお
り、それと同時に軽量化、ハイパワー化が要求さ
れている。10KHz帯の振動子に関して、Kg当りの
音響出力の平方根つまり(20)式のFM′nの値が100
√/Kg以上が要求されている。 次に本発明の一実施例として10KHz帯に共振周
波数を有し、また同一放射面積を有し、第2表に
示すような形状の異るA,B,C,D4種類の水
中超音波送波器用ボルト締めランジユバン振動子
を試作し、Figure of Meritについて評価を行つ
た。尚、振動子A,B,C,Dはいずれも圧電セ
ラミツクスとしてk33=0.50を有するジルコン・
チタン酸鉛系セラミクス、フロントマス材料とし
てAl合金、リアマス材料としてステンレススチ
ール、ボルト、ナツト材料としてCr−Mo鋼を使
用している。
[Table] Using the materials shown in Table 1 and assuming that the ratio of the bolt cross-sectional area to the acoustic radiation area is constant S 3 /S 1 = 0.006, the piezoelectric ceramic cross-sectional area to the acoustic radiation area S 2 /S 1 is set as a parameter. Then, the ratio of the front mass length to the effective quarter wavelength
FIG. 4 shows the relationship between l 1 /l 0 and the normalized mass M o of the first half of the vibrator. From Figure 4, l 1 /l 0 is 0 to 0.4
In the range of , M o increases slowly as l 1 /l 0 increases, but when l 1 /l 0 becomes larger than 0.3, M o increases rapidly, which is due to the weight reduction of the resonator. It can be seen that it is better to proceed in the direction of decreasing S 2 /S 1 and l 1 /l 0 . In addition, the cross-sectional area of the bolt
S3 is usually designed to be much smaller than the cross-sectional area S2 of the piezoelectric ceramic portion, as shown in FIG.
This is due to the negative effect that electromechanical conversion efficiency decreases as S 3 approaches S 2 . In the range where S 3 is much smaller than S 2 , M o is hardly affected by S 3 /S 1 . At this time, if the cross-sectional areas S 2 and S 3 of the piezoelectric ceramic part and the bolt part are set smaller than the acoustic radiation area S 1 , the weight can be reduced accordingly, but stress will be concentrated on the bolt part and the piezoelectric ceramic part. Therefore, simply the cross-sectional area S 2 ,
It can be inferred that it would be difficult to reduce weight while taking high power into consideration just by making the S 3 smaller. Next, we will theoretically examine the vibration stress applied to the piezoelectric ceramic part and the bolt part of the bolted lunge van oscillator. Normally, when transmitting waves underwater, the stress acting inside the vibrator is different from the state of vibration in the air, and a reaction due to the acoustic radiation impedance of the water is further added to the acoustic radiation end face. Here, when the acoustic radiation surface resonates at a unit speed (1 m/sec) under water load, the stress applied to the piezoelectric ceramic part and the bolt part is determined from the equivalent circuit shown in Figure 3, and the oscillator of these stresses is calculated. Calculate shape dependence. Regarding the stress in the piezoelectric ceramic part, the part receiving the maximum stress is the vibration node shown in FIG. 3-2-2', and the stress there is T pn . Dimensional ratio when S 2 /S 1 is used as a parameter when S 3 /S 1 = 0.006 constant as in Figure 4
The relationship of |T pn to l 1 /l 0 is shown in Figure 5.
The smaller S 2 /S 1 , the larger l 1 /l 0 |T pn |
It can be seen that is increasing. Next, in exactly the same manner, the relationship between the stress acting on the bolt portion and the shape of the vibrator is determined. The vibration stress acting on the bolt at the joint with the front mass is T bc , and the vibration stress acting on the bolt at the vibration node is T bn . The relationship between |T bc |, |T bn and the vibrator shape is shown in FIG. 6 in the same manner as in FIG. 5. In FIG. 6, the solid line indicates the characteristic of |T bc |, and the dotted line indicates the characteristic of |T bn |. When l 1 /l 0 > 0.2, there is not much difference between |T bc | and |T bn |, but |T bc | < |T bn
|and as l 1 /l 0 increases, |T bc |, |
T bn | also increases, and at the same time, |T bc | and |T bn | approach each other. However, when l 1 /l 0 <0.1, l 1 /l 0 decreases, that is, the shorter the front mass length, the more |
When T bc | and |T bn | increase, the following behavior occurs. This is because when the front mass becomes extremely thin, stress is concentrated at the joint between the bolt and the front mass due to the reaction of the acoustic radiation impedance of water. The parts with the weakest mechanical strength in a bolted lunge resonator are the joint between the front mass and the bolt and the ceramic center part. In order to reduce the weight of the vibrator and increase its power at the same time, it is desirable to have a vibrator shape that prevents stress from concentrating on a portion with weak mechanical strength for a constant vibration velocity at the acoustic radiation end. Therefore, we give FMM n = 1/M 2 |T bc |・|T pn | (11) as a figure of merit regarding the mass of the oscillator. This is closely related to the maximum acoustic power that can be extracted per unit mass of the vibrator.
The larger the FMM n, the better the shape of the resonator. Next, the capacity ratio γ, which is a guideline for electromechanical conversion efficiency, is
The equivalent transmission line of the piezoelectric ceramic part shown in Fig. 3 is transformed into Martin's equivalent circuit (GEMaytin:
“Vibrations of Caaxially Segmented,
Longitudinally Polarized Ferroelectric
Tubes”, Journal of Acoust.Soc.Am.Vol.36,
No. 8, pp. 1496-1506, (1964)), it can be easily obtained from the relationship between resonance and anti-resonance frequencies. The smaller γ is, the better the electromechanical change efficiency is.
The figure of merit FM n for weight reduction including the electrical system of the resonator in the wavelength section is expressed by the following equation. FM n = FFM n / γ (12) Using the materials shown in Table 1 as the materials for each part of the vibrator, the electromechanical coupling coefficient of piezoelectric ceramic k 33 =
Figure 7 shows the FM n characteristics when set to 0.50. It is well known that when the front mass becomes thinner and l 1 /l 0 becomes less than 0.1, the front mass itself undergoes bending vibration and is no longer able to perform pure piston motion, resulting in a decrease in sound radiation efficiency. . Therefore, in FIG. 7, the range of l 1 /l 0 >0.1 is of practical use. When S 2 /S 1 is extremely small and becomes less than 0.03, the capacity ratio γ increases even though FMM n does not increase much, and as a result, FM n decreases. In addition, the cross-sectional area ratio of the front half wavelength part from the acoustic radiation end of the front mass to the vibration node is
If S 2 /S 1 is smaller than 0.03, the piezoelectric ceramic ring will not have sufficient radial strength against the static stress when the bolt is tightened, which is not preferred in practice. In Fig. 7, when piezoelectric ceramics with k 33 = 0.50 and Al alloy are used for the front mass, the value of FM n is the desired value of 1.5 in the conventional vibrator shape.
×10 -7 m 2 /N has not been achieved. Also, if S 2 /S 1 is about 0.12 or more or l 1 /l 0 is
If it is larger than 0.3, it becomes difficult for FM n to exceed 1.5×10 −7 m 2 /N. That is, the shape of a vibrator that increases FM n , in other words, the shape of a vibrator that is lightweight and has high power, has a cross-sectional area of 0.03≦S 2 /S 1 ≦0.1 and a length of 0.1l 1 /l 0 0.30. It is discovered that
Next, Figure 8 shows the FM n characteristics when using carbon fiber reinforced resin (C-FRP), which has the same or higher rigidity as the Al alloy and has a lower density than the Al alloy, as the front mass material. . From Fig. 8, the FM n value is generally larger than that when the Al alloy shown in Fig. 7 is used for the front mass, but the tendency of the vibrator shape to increase the FM n is as follows.
It is clear that although the front mass materials are different, they are exactly the same. Next, we will discuss the shape of the oscillator that can reduce weight and increase power at the same time regarding the quarter-wavelength portion in the latter half from the vibration node to the rear mass. 1st
FIG. 9 shows a physical model of the vibrator section from the vibration node to the rear mass end of the bolted lunge van vibrator shown in the figure. In Figure 9, 12', 1
4' is a piezoelectric ceramic part and a bolt part, respectively, and 13 is a rear mass part. l 0 ' is the effective quarter wavelength, l 2 ' is the length of the piezoelectric ceramic part (= bolt part), and l 4 is the length of the rear mass part. 12' and 14' are mechanically continuous with the piezoelectric ceramic part and bolt part 14 from the front mass to the vibration node shown in FIG.
It is assumed that the material of 2' and the material of 14 and 14' are the same, and the cross-sectional areas of the portions 12 and 12' are the same. Here, in order to find the optimal shape of the vibrator, the vibrator is divided into two halves, the front half and the back half, but in reality, 12 and 12', and 14 and 14' are integrated. When the acoustic radiating end of the front mass vibrates at a certain speed, the vibration contacts in the front and rear halves of the transducer are common, and the stress acting thereon is, of course, equal. At this vibrating contact point, the maximum stress occurs unless the length of the front mass becomes extremely short. Vibration stress in this part
T pn and T bn have already been determined. The density of the rear mass part is ρ 4 , the speed of sound is c 4 , and the cross-sectional area is S 4
shall be. The characteristic acoustic impedance Z 04 and phase constant β4 are Z 044 c 4 S 4 =z 04 S 4 ( 13 ) becomes. Total mass of the second half of the vibrator shown in Figure 9
Let it be M′. Regarding the mass of the second half of the vibrator, the common frequency and length are inversely proportional, and the cross-sectional shape of the piezoelectric ceramic part is the same in the front half and the rear half, so the characteristic acoustic impedance of the piezoelectric ceramic part is Z 02e . Can be standardized.
If the normalized mass is M′ o , then M′ o is M′ o = M′f r /Z 02e = 1/K 42e4 /
4+K 42e α' 2 /4+K 43 c 2e /c 3 α' 2 }(15) However, π/2α' 2 = β 2e l' 2 (16) K 42e =Z 02e /Z 04 (17) K 43 = Z 03 /Z 04 (18). Since the stress at the vibrating contact point is determined by the first half of the vibrator, the smaller the standardized mass M′ o and the smaller the capacitance ratio γ′ of the latter half of the vibrator, the smaller the
Of Merit is superior. in the second half
Figure of Merit FM′m is given by the following equation. FM′m=1/M′ o γ′ (19) Vibrator shape regarding FM′ n when using Al alloy and stainless steel (ρ=7.91Kg/m 3 , c=5.00m/sec) as the rear mass The dependent characteristics are shown in FIG. 10 and FIG. 11, respectively. both
As S 2 /S 4 increases, FM′ n also increases, and when it becomes 0.20 or more, it tends to become saturated. 1/2 of the rear half from the vibration contact to the rear mass end
Regarding the four-wavelength portion, the value of FM′ n is required to be 0.8 or more in order to be lightweight and obtain the required sound pressure. In order to achieve this, as shown in Figure 11,
If S 2 /S 4 is about 0.15, it is extremely difficult to make the value of FM′ n greater than 0.8, and S 2 /S 4 of 0.20 is necessary. Furthermore, FM'm tends to increase as S 2 /S 4 increases, but when S 3 /S 4 exceeds 0.70, it becomes difficult to hold the bolts 14 and nuts 15 as shown in Figure 1. It becomes impractical. Above is the theoretically considered Figure of Merit.
Regarding FM n and FM′ n , the larger FM n is, the better the electroacoustic conversion efficiency is, and if the vibration applied to the piezoelectric ceramic and the bolt part is the same, the vibration velocity u of the acoustic radiation end face per vibrator mass can be increased. I can do it. The vibration velocity u is proportional to the square root of the acoustic radiation energy Pa. Furthermore, the larger FM′ n is, the better the electroacoustic conversion efficiency is, and a lightweight vibrator can be realized. In other words, if the acoustic radiation cross section S 1 and the resonant frequency f r are the same, the larger FM n and FM' n are, the Figure of Merit FM=√Pa/M t (√/Kg) (20) where M t ;The value of the total mass of the vibrator can be increased. In recent years, the depth sensing distance of sonar transducers has increased, and at the same time, there has been a demand for lighter weight and higher power. For a 10KHz band vibrator, the square root of the acoustic output per kg, or the value of FM′ n in equation (20), is 100.
√/Kg or more is required. Next, as an embodiment of the present invention, four types of underwater ultrasonic waves A, B, C, and D having a resonant frequency in the 10 KHz band, the same radiation area, and different shapes as shown in Table 2 are used. We prototyped a bolt-tight lunge van oscillator for wave instruments and evaluated its figure of merit. The vibrators A, B, C, and D are all piezoelectric ceramics made of zircon with k 33 =0.50.
Lead titanate ceramics are used, Al alloy is used as the front mass material, stainless steel is used as the rear mass material, and Cr-Mo steel is used as the bolt and nut material.

【表】 第2表に示したA,B,C,D4つの形状を有
する振動子から計算したFMn, FM′nの値を第
7図及び第11図にプロツトする。Figure of
Meritの実験的評価に関し、振動子を電気的に駆
動し、電気入力パワーに対する音響出力パワーの
関係を求め、電気入力パワーに対する音響出力パ
ワーの直線性が急激に劣化したときの音響出力パ
ワーをPaとし、(20)式に従つてFMを算出した。
結果を第3表に示す。
[Table] The values of FM n and FM' n calculated from the vibrators having the four shapes A, B, C, and D shown in Table 2 are plotted in FIGS. 7 and 11. figure of
Regarding the experimental evaluation of Merit, we drove the vibrator electrically, found the relationship between the acoustic output power and the electrical input power, and calculated the acoustic output power (Pa) when the linearity of the acoustic output power with respect to the electrical input power suddenly deteriorated. FM was calculated according to equation (20).
The results are shown in Table 3.

【表】 振動子AはFM′n>0.8を満たしているがFMn
小さい、振動子BはFMn>1.5×10-7m2/Nを満
たしているがFM′nは小さい。また、振動子Cは
FMn,FM′nともに小さい。振動子DはFMn
FM′nがともに大きく設計されている。 第7図、11図に示したFMn,FM′nの値が大
きい振動子ほど、実際に軽量でかつ出力音圧の大
きな振動子であることが明らかである。とくに、
FMn及びFM′nの値がともに大きな振動子Dは、
軽量でかつハイパワー特性に優れていることがわ
かる。 以上詳述した如く、本発明に従えば軽量でかつ
ハイパワー特性に優れた水中超音波トランスジユ
ーサ用ボルト締めランジユバン振動子が得られ、
工業的価値も多大である。
[Table] Oscillator A satisfies FM' n >0.8, but FM n is small. Oscillator B satisfies FM n > 1.5×10 -7 m 2 /N, but FM' n is small. Also, the vibrator C is
Both FM n and FM′ n are small. The oscillator D is FM n ,
Both FM′ n are designed to be large. It is clear that the vibrator with larger values of FM n and FM′ n shown in FIGS. 7 and 11 is actually a vibrator that is lighter and has a larger output sound pressure. especially,
The oscillator D with large values of both FM n and FM′ n is
It can be seen that it is lightweight and has excellent high power characteristics. As detailed above, according to the present invention, a bolted lunge transducer for an underwater ultrasonic transducer that is lightweight and has excellent high power characteristics can be obtained.
It also has great industrial value.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は水中超音波トランスジユーサに用いら
れるボルト締めランジユバン振動子の概略図、第
2図は音響放射端から振動節点までの振動子前半
区間のモデルを示す図、第3図は等価回路図、第
4図は振動子前半部の規準化された質量Moと振
動子形状との関係を示す図、第5図は圧電セラミ
ツク部の振動節点における応力Tpnと振動子形状
との関係を示す図、第6図はフロントマスとの接
合部分におけるボルトに働く応力Tbc、ボルト部
の振動節点に働く応力Tbnと振動子形状との関係
を示す図、第7図は振動子前半部の電気系を含め
た軽量化のためのFigure of Merit FMnと振動
子形状との関係を示す図、第8図はフロントマス
材料にC−FRPを用いたときのFMnと振動子形
状との関係を示す図、第9図はボルト締めランジ
ユバン振動子の振動節点からリアマス端部までの
振動子半区間の物理モデル図、第10図、第11
図はそれぞれリアマス材料としてAl、ステンレ
ススチールを用いたときの振動子後半部の
Figure of Merit FM′n特性図を示す。 図において、11はフロントマス、12,1
2′は圧電セラミツクリング、13はリアマス、
14,14′はボルト、15はナツト、l1はフロ
ントマスの長さ、l2,l2′は圧電セラミツク部分の
長さ、l4はリアマスの長さ、l0,l0′は実効的な4
分の1波長、S1はフロントマスの断面積、S2は圧
電セラミツクリングの断面積、S3はボルトの断面
積、S4はリアマスの断面積、K33は電気機械結合
係数、Raは音響放射インピーダンス、Z01,Z02e
Z03は特性音響インピーダンス、β1,β2e,β3は位
相定数。
Figure 1 is a schematic diagram of a bolted Languevan transducer used in underwater ultrasound transducers, Figure 2 is a model of the first half of the transducer from the acoustic radiation end to the vibration node, and Figure 3 is the equivalent circuit. Figure 4 shows the relationship between the normalized mass M o of the front half of the vibrator and the vibrator shape, and Figure 5 shows the relationship between the stress T pn at the vibration node of the piezoelectric ceramic part and the vibrator shape. Figure 6 shows the relationship between the stress T bc acting on the bolt at the joint with the front mass, the stress T bn acting on the vibration node of the bolt and the shape of the vibrator, and Figure 7 shows the relationship between the vibrator shape. Figure of Merit A diagram showing the relationship between FM n and the resonator shape for weight reduction including the electrical system of the part. Figure 8 shows the FM n and the resonator shape when C-FRP is used as the front mass material. Figure 9 is a physical model diagram of the half section of the vibrator from the vibration node to the rear mass end of the bolted lunge van oscillator, Figures 10 and 11
The figures show the rear half of the vibrator when Al and stainless steel are used as the rear mass materials, respectively.
Figure of Merit FM′ n characteristic diagram is shown. In the figure, 11 is the front mass, 12, 1
2' is a piezoelectric ceramic ring, 13 is a rear mass,
14 and 14' are bolts, 15 is a nut, l1 is the length of the front mass, l2 , l2 ' is the length of the piezoelectric ceramic part, l4 is the length of the rear mass, l0 , l0 ' are the effective 4
1/1 wavelength, S 1 is the cross-sectional area of the front mass, S 2 is the cross-sectional area of the piezoelectric ceramic ring, S 3 is the cross-sectional area of the bolt, S 4 is the cross-sectional area of the rear mass, K 33 is the electromechanical coupling coefficient, and Ra is Acoustic radiation impedance, Z 01 , Z 02e ,
Z 03 is the characteristic acoustic impedance, β 1 , β 2e , and β 3 are the phase constants.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 フロントマス部、圧電セラミツク部、リアマ
ス部からなる2分の1波長共振ボルト締めランジ
ユバン振動子において、フロントマス部の音響放
射断面積をS1、圧電セラミツク部分の断面積を
S2、ボルト部の断面積をS3、リアマス部の断面積
をS4とし、またフロントマス部の長さをl1、フロ
ントマス部の音響放射端から振動節点までの長さ
をl0としたときに、圧電セラミツク部の断面積S2
に対してボルト部分の断面積S3をかなり小さく設
定し、フロントマス部の音響放射端から振動節点
までの前半部分に関し、0.03S2/S10.1、0.1
<l1/l00.3、振動節点からリアマス端部までの
後半分に関してS2/S4>0.2としたことを特徴と
するボルト締めランジユバン振動子。
1. In a half-wavelength resonant bolt-tight Languevan vibrator consisting of a front mass part, a piezoelectric ceramic part, and a rear mass part, the acoustic radiation cross-sectional area of the front mass part is S 1 , and the cross-sectional area of the piezoelectric ceramic part is S 1 .
S 2 , the cross-sectional area of the bolt part is S 3 , the cross-sectional area of the rear mass part is S 4 , the length of the front mass part is l 1 , and the length from the acoustic radiation end of the front mass part to the vibration node is l 0 When, the cross-sectional area of the piezoelectric ceramic part S 2
The cross-sectional area S 3 of the bolt part is set quite small compared to that, and for the first half from the acoustic radiation end of the front mass part to the vibration node, 0.03S 2 /S 1 0.1, 0.1
A bolted lunge van oscillator characterized in that S 2 / S 4 > 0.2 in the rear half from the vibration node to the rear mass end.
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