JPH05183996A - 広帯域超音波探触子 - Google Patents
広帯域超音波探触子Info
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- JPH05183996A JPH05183996A JP34580891A JP34580891A JPH05183996A JP H05183996 A JPH05183996 A JP H05183996A JP 34580891 A JP34580891 A JP 34580891A JP 34580891 A JP34580891 A JP 34580891A JP H05183996 A JPH05183996 A JP H05183996A
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- ultrasonic probe
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】水を伝搬媒体として使用される広帯域超音波探
触子に関し、使用中心周波数となる基本周波数付近で十
分に高い感度を得ながら広帯域化することを目的とす
る。 【構成】一対の圧電振動子の両側に金属製の共振ブロッ
クを対称に設けたランジュバン振動子構造を備えた広帯
域超音波探触子について、ランジュバン振動子の一方の
音響放射面に、１／４波長の音響整合層を１又は複数設
ける。更に１／４波長の音響整合層を設けた反対側の音
響反射面に、水に比較して極めて音響インピーダンスが
低い材料からなるブロック部材を配設する。
触子に関し、使用中心周波数となる基本周波数付近で十
分に高い感度を得ながら広帯域化することを目的とす
る。 【構成】一対の圧電振動子の両側に金属製の共振ブロッ
クを対称に設けたランジュバン振動子構造を備えた広帯
域超音波探触子について、ランジュバン振動子の一方の
音響放射面に、１／４波長の音響整合層を１又は複数設
ける。更に１／４波長の音響整合層を設けた反対側の音
響反射面に、水に比較して極めて音響インピーダンスが
低い材料からなるブロック部材を配設する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水を伝搬媒体として使
用される広帯域超音波探触子に関する。
用される広帯域超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水浸型の超音波フローブに使用さ
れる超音波探触子としては、例えば図１４のものが使用
されている。図１４の超音波探触子において、１は例え
ばＰＺＴを用いた圧電振動子であり、背板２に固着さ
れ、反対側には伝搬媒体となる水の音響インピーダンス
に段階的に近づける２つのインピーダンス変換ブロック
３，４を設けている。
れる超音波探触子としては、例えば図１４のものが使用
されている。図１４の超音波探触子において、１は例え
ばＰＺＴを用いた圧電振動子であり、背板２に固着さ
れ、反対側には伝搬媒体となる水の音響インピーダンス
に段階的に近づける２つのインピーダンス変換ブロック
３，４を設けている。
【０００３】ここで圧電振動子１の厚さｌはｌ＝λ／２
に設定され、またインピーダンス変換ブロック３，４の
厚さはそれぞれλ／４に設定されている。しかし、この
ような従来の超音波探触子にあっては、使用中心周波数
ｆｏが高ければ問題ないが、水中での伝搬距離を長くす
るために使用中心周波数ｆｏを低くした場合、例えばｆ
ｏ＝３０ｋＨｚと低くした場合には、圧電振動子１の厚
さｌは、圧電振動子の音速Ｖが４０００［ｍ／ｓ］とす
ると、 ｌ＝λ／２＝Ｖ／（２ｆｏ）＝６７ｍｍ となってしまい、このような厚い圧電振動子の製造は不
可能であり、また厚すぎて分極が困難となり、低い周波
数で使用することができない。この問題を解決するため
図１５に示すランジュバン振動子が実用化されている。
に設定され、またインピーダンス変換ブロック３，４の
厚さはそれぞれλ／４に設定されている。しかし、この
ような従来の超音波探触子にあっては、使用中心周波数
ｆｏが高ければ問題ないが、水中での伝搬距離を長くす
るために使用中心周波数ｆｏを低くした場合、例えばｆ
ｏ＝３０ｋＨｚと低くした場合には、圧電振動子１の厚
さｌは、圧電振動子の音速Ｖが４０００［ｍ／ｓ］とす
ると、 ｌ＝λ／２＝Ｖ／（２ｆｏ）＝６７ｍｍ となってしまい、このような厚い圧電振動子の製造は不
可能であり、また厚すぎて分極が困難となり、低い周波
数で使用することができない。この問題を解決するため
図１５に示すランジュバン振動子が実用化されている。
【０００４】図１５のランジュバン振動子において、１
ａ，１ｂは所定の厚さをもった一対の圧電振動子であ
り、圧電振動子１ａ，１ｂの両側にジュラルミン（音響
インピーダンス１７×１０6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］）
で作られた共振ブロック５ａ，５ｂを一体に設けた対称
構造であり、振動子の全長はλ／２に設定されている。
尚、共振ブロック５ａ，５ｂにはアルミニウムその他の
金属を使用してもよい。
ａ，１ｂは所定の厚さをもった一対の圧電振動子であ
り、圧電振動子１ａ，１ｂの両側にジュラルミン（音響
インピーダンス１７×１０6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］）
で作られた共振ブロック５ａ，５ｂを一体に設けた対称
構造であり、振動子の全長はλ／２に設定されている。
尚、共振ブロック５ａ，５ｂにはアルミニウムその他の
金属を使用してもよい。
【０００５】このようなランジュバン振動子によれば、
圧電振動子を厚くすることなく使用中心周波数ｆｏを例
えばｆｏ＝３０ｋＨｚというように下げることができ、
超音波の水中伝搬距離を長くすることができる。しかし
ながら、このような従来のランジュバン振動子にあって
は、使用中心周波数に対する伝達関数の尖鋭度を示すＱ
が非常に大きいために、水中を伝搬する超音波振動の周
波数帯域幅が狭帯域となり、その結果、超音波振動の受
信パルス幅が長くなって距離分解能が悪いという問題が
あった。
圧電振動子を厚くすることなく使用中心周波数ｆｏを例
えばｆｏ＝３０ｋＨｚというように下げることができ、
超音波の水中伝搬距離を長くすることができる。しかし
ながら、このような従来のランジュバン振動子にあって
は、使用中心周波数に対する伝達関数の尖鋭度を示すＱ
が非常に大きいために、水中を伝搬する超音波振動の周
波数帯域幅が狭帯域となり、その結果、超音波振動の受
信パルス幅が長くなって距離分解能が悪いという問題が
あった。
【０００６】図１６は従来のランジュバン振動子を用い
て水中に超音波を発射して受信した時の受信電圧の時間
変化を示したもので、２７ｋＨｚの正弦波１周期分を含
んだトーン・バースト波状の電気パルスを印加した場
合、感度として示す受信電圧はτ時間後に受信電圧ピー
ク値の−２０ｄＢラインを下回り、この−２０ｄＢライ
ンを下回るまでの時間τがパルス幅τとして定義され
る。
て水中に超音波を発射して受信した時の受信電圧の時間
変化を示したもので、２７ｋＨｚの正弦波１周期分を含
んだトーン・バースト波状の電気パルスを印加した場
合、感度として示す受信電圧はτ時間後に受信電圧ピー
ク値の−２０ｄＢラインを下回り、この−２０ｄＢライ
ンを下回るまでの時間τがパルス幅τとして定義され
る。
【０００７】従来のランジュバン振動子の場合、パルス
幅τは例えば τ＝３３７［μｓｅｃ］ と広がっており、このため水中における距離分解能ｄ
res は、 ｄres ＝０．２５［ｍ］ と低い。
幅τは例えば τ＝３３７［μｓｅｃ］ と広がっており、このため水中における距離分解能ｄ
res は、 ｄres ＝０．２５［ｍ］ と低い。
【０００８】図１７は従来のランジュバン振動子の周波
数に対する伝達関数の関係を示したもので、使用中心周
波数ｆｏ＝２６．６ｋＨｚとした場合、図示の周波数に
対する伝達関数の関係が得られる。この特性からピーク
振幅の−６ｄＢラインで決まる周波数ｆ１，ｆ２は、 ｆ１＝２５．４ｋＨｚ Ｆ２＝２７．８ｋＨｚ となり、従って、帯域幅Δｆは、 Δｆ＝２．４ｋＨｚ となる。そこで比帯域（Δｆ／ｆｏ）を求めると、 Δｆ／ｆｏ＝０．０９ となり、さらに、尖鋭度Ｑは、 Ｑ＝ｆｏ／Δｆ＝１１．１ と非常に高い値を示す狭帯域特性となり、パルス幅が広
がって距離分解能が低くなる。
数に対する伝達関数の関係を示したもので、使用中心周
波数ｆｏ＝２６．６ｋＨｚとした場合、図示の周波数に
対する伝達関数の関係が得られる。この特性からピーク
振幅の−６ｄＢラインで決まる周波数ｆ１，ｆ２は、 ｆ１＝２５．４ｋＨｚ Ｆ２＝２７．８ｋＨｚ となり、従って、帯域幅Δｆは、 Δｆ＝２．４ｋＨｚ となる。そこで比帯域（Δｆ／ｆｏ）を求めると、 Δｆ／ｆｏ＝０．０９ となり、さらに、尖鋭度Ｑは、 Ｑ＝ｆｏ／Δｆ＝１１．１ と非常に高い値を示す狭帯域特性となり、パルス幅が広
がって距離分解能が低くなる。
【０００９】このような従来のランジュバン振動子にお
ける水中を伝搬する超音波振動の周波数帯域幅が狭帯域
となり、超音波振動の受信パルス幅が長くなって距離分
解能が悪いという問題を解決するため、本願発明者等は
図１８のように、一対の圧電振動子１ａ，１ｂの両側に
共振ブロック１０ａ，１０ｂを対称に設けたランジュバ
ン構造の広帯域超音波探触子において、ランジュバン振
動子の水を伝搬媒体とした送受信系の伝達関数Ｔ（ｆ）
から求めた所定の使用中心周波数ｆｏでの比帯域Δｆ／
ｆｏの値が０．２以上となるように、共振ブロック１０
ａ，１０ｂの音響インピーダンスＺB を定めたことを特
徴とする広帯域超音波探触子を提案している（特願平３
−１８６７４５号）。
ける水中を伝搬する超音波振動の周波数帯域幅が狭帯域
となり、超音波振動の受信パルス幅が長くなって距離分
解能が悪いという問題を解決するため、本願発明者等は
図１８のように、一対の圧電振動子１ａ，１ｂの両側に
共振ブロック１０ａ，１０ｂを対称に設けたランジュバ
ン構造の広帯域超音波探触子において、ランジュバン振
動子の水を伝搬媒体とした送受信系の伝達関数Ｔ（ｆ）
から求めた所定の使用中心周波数ｆｏでの比帯域Δｆ／
ｆｏの値が０．２以上となるように、共振ブロック１０
ａ，１０ｂの音響インピーダンスＺB を定めたことを特
徴とする広帯域超音波探触子を提案している（特願平３
−１８６７４５号）。
【００１０】ここで比帯域Δｆ／ｆｏの値を０．２以上
とする広帯域特性をもたらす共振ブロック１０ａ，１０
ｂとしては、例えば音響インピーダンスＺB が４．２×
１０ 6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］となるエポキシ・コンパ
ウンド材料を用いたプラスチックで構成すればよい。
尚、一対の圧電振動子１ａ，ｌｂを単一の圧電振動子１
ａのみとしてもよい。
とする広帯域特性をもたらす共振ブロック１０ａ，１０
ｂとしては、例えば音響インピーダンスＺB が４．２×
１０ 6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］となるエポキシ・コンパ
ウンド材料を用いたプラスチックで構成すればよい。
尚、一対の圧電振動子１ａ，ｌｂを単一の圧電振動子１
ａのみとしてもよい。
【００１１】このような構成を備えた図１８の広帯域超
音波探触子によれば、ランジュバン振動子の電気音響的
な等価回路を４端子回路で特定することによって例えば
水を伝搬媒体としたランジュバン振動子の送受信系の伝
達関数Ｔ（ｆ）を求め、この伝達関数Ｔ（ｆ）から比帯
域（Δｆ／ｆｏ）が算出できる。そこで共振ブロックの
音響インピーダンスＺB と比帯域の関係をプロットし、
尖鋭度Ｑを十分に小さくできる比帯域（Δｆ／ｆｏ）の
最小値０．２に対応する共振ブロックの音響インピーダ
ンスＺB の最大値が求まり、この最大値以下の音響イン
ピーダンスＺB となる材料を使用して共振ブロックを構
成すればよい。
音波探触子によれば、ランジュバン振動子の電気音響的
な等価回路を４端子回路で特定することによって例えば
水を伝搬媒体としたランジュバン振動子の送受信系の伝
達関数Ｔ（ｆ）を求め、この伝達関数Ｔ（ｆ）から比帯
域（Δｆ／ｆｏ）が算出できる。そこで共振ブロックの
音響インピーダンスＺB と比帯域の関係をプロットし、
尖鋭度Ｑを十分に小さくできる比帯域（Δｆ／ｆｏ）の
最小値０．２に対応する共振ブロックの音響インピーダ
ンスＺB の最大値が求まり、この最大値以下の音響イン
ピーダンスＺB となる材料を使用して共振ブロックを構
成すればよい。
【００１２】この比帯域を０．２以上とする共振ブロッ
クの音響インピーダンスＺM の最大値は例えば使用中心
周波数ｆｏ＝３１．７ｋＨｚの場合、９×１０6 ［ｋｇ
／ｍ 2 ／ｓｅｃ］であり、これ以下の値とすればよい。
この条件を満足する材料として例えば音響インピーダン
スＺM が４．２×１０ 6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］となる
エポキシ・コンパウンド材料を使用して共振ブロックを
作ることで、図１８に示すパルス幅τ＝１１７［μｓｅ
ｃ］と約３分の１に短縮でき、また図１９の伝達関数に
示すように比帯域Δｆ／ｆ＝０．４８で尖鋭度Ｑ＝２．
０９の広帯域特性が得られ、結果として水中における距
離分解能を３倍近くも高めることができる。
クの音響インピーダンスＺM の最大値は例えば使用中心
周波数ｆｏ＝３１．７ｋＨｚの場合、９×１０6 ［ｋｇ
／ｍ 2 ／ｓｅｃ］であり、これ以下の値とすればよい。
この条件を満足する材料として例えば音響インピーダン
スＺM が４．２×１０ 6 ［ｋｇ／ｍ2 ／ｓｅｃ］となる
エポキシ・コンパウンド材料を使用して共振ブロックを
作ることで、図１８に示すパルス幅τ＝１１７［μｓｅ
ｃ］と約３分の１に短縮でき、また図１９の伝達関数に
示すように比帯域Δｆ／ｆ＝０．４８で尖鋭度Ｑ＝２．
０９の広帯域特性が得られ、結果として水中における距
離分解能を３倍近くも高めることができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】しかしながら、図１８に
示した低周波用の広帯域超音波探触子にあっては、図２
１の高次までの伝達関数の絶対値に示すように、３０Ｋ
Ｈｚ付近にある振動モードの中心周波数（基本周波数）
ｆO の感度が、４００ＫＨｚ付近にある圧電体の共振周
波数ｆT の感度に比べて低すぎるという問題があった。
示した低周波用の広帯域超音波探触子にあっては、図２
１の高次までの伝達関数の絶対値に示すように、３０Ｋ
Ｈｚ付近にある振動モードの中心周波数（基本周波数）
ｆO の感度が、４００ＫＨｚ付近にある圧電体の共振周
波数ｆT の感度に比べて低すぎるという問題があった。
【００１４】これらの問題は図１５に示した共振ブロッ
ク５ａ，５ｂをジュラルミンとしたランジュバン振動子
では存在せず、水中における伝達関数の絶対値（計算
値）は図２２に示すようになる。図２２の伝達関数の周
波数特性をみると、基本周波数ｆO 付近においても十分
高感度である。しかし、前述したように尖鋭度Ｑが高く
狭帯域なため、基本周波数の感度を下げることなく広帯
域化しなければならせないという問題が残されている。
ク５ａ，５ｂをジュラルミンとしたランジュバン振動子
では存在せず、水中における伝達関数の絶対値（計算
値）は図２２に示すようになる。図２２の伝達関数の周
波数特性をみると、基本周波数ｆO 付近においても十分
高感度である。しかし、前述したように尖鋭度Ｑが高く
狭帯域なため、基本周波数の感度を下げることなく広帯
域化しなければならせないという問題が残されている。
【００１５】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、使用中心周波数となる基本周波数付
近で十分に高い感度を得ながら広帯域化できるようにし
た広帯域超音波探触子を提供することを目的とする。
てなされたもので、使用中心周波数となる基本周波数付
近で十分に高い感度を得ながら広帯域化できるようにし
た広帯域超音波探触子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は図１のように構成する。尚、実施例図面中の符
号を併せて示す。まず本発明は、一対の圧電振動子１
ａ，１ｂの両側に金属製の共振ブロック５ａ，５ｂを設
けたランジュバン振動子構造を備えた広帯域超音波探触
子を対象とする。
本発明は図１のように構成する。尚、実施例図面中の符
号を併せて示す。まず本発明は、一対の圧電振動子１
ａ，１ｂの両側に金属製の共振ブロック５ａ，５ｂを設
けたランジュバン振動子構造を備えた広帯域超音波探触
子を対象とする。
【００１７】このような広帯域超音波探触子として本発
明にあっては、ランジュバン振動子の一方の音響放射面
に、１／４波長の音響整合層６を１又は複数設けたこと
を特徴とする。更に、図７に示すように１／４波長の音
響整合層６を設けた反対側の音響放射面に、水に比較し
て極めて音響インピーダンスの低い材料からなるブロッ
ク部材７を配設したことを特徴とする。このブロック部
材７としては、独立気泡スポンジ又は発泡スチロールを
用いる。
明にあっては、ランジュバン振動子の一方の音響放射面
に、１／４波長の音響整合層６を１又は複数設けたこと
を特徴とする。更に、図７に示すように１／４波長の音
響整合層６を設けた反対側の音響放射面に、水に比較し
て極めて音響インピーダンスの低い材料からなるブロッ
ク部材７を配設したことを特徴とする。このブロック部
材７としては、独立気泡スポンジ又は発泡スチロールを
用いる。
【００１８】
【作用】このような本発明の広帯域超音波探触子によれ
ば、ランジュバン振動子の音響放射面に、水に比べて音
響インピーダンスが十分に低い、例えばプラスチック音
響整合層を設けるだけで、低周波の基本周波数での広帯
域化と高感度化の両立を図ることができる。
ば、ランジュバン振動子の音響放射面に、水に比べて音
響インピーダンスが十分に低い、例えばプラスチック音
響整合層を設けるだけで、低周波の基本周波数での広帯
域化と高感度化の両立を図ることができる。
【００１９】またランジュバン振動子の反対側に水に比
べて音響インピーダンスが極めて低い独立気泡スポンジ
等のブロック部材を設けることで、背面反射を大きくし
て受信感度を向上できる。
べて音響インピーダンスが極めて低い独立気泡スポンジ
等のブロック部材を設けることで、背面反射を大きくし
て受信感度を向上できる。
【００２０】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示した実施例構成
図である。図１において、１０は低周波用のランジュバ
ン振動子であり、一対の圧電振動子１ａ，１ｂの両側に
ジュラルミン等の金属製の共振ブロック５ａ，５ｂを設
けている。圧電振動子１ａと１ｂは中央のホット側電極
８を介して密着され、反対面にそれぞれグランド側電極
９ａ，９ｂを設けており、グランド側電極９ａ，９ｂの
外側に共振ブロック５ａ，５ｂを設けている。また、ラ
ンジュバン振動子１０の長さは使用波長λの半分とな
る。
図である。図１において、１０は低周波用のランジュバ
ン振動子であり、一対の圧電振動子１ａ，１ｂの両側に
ジュラルミン等の金属製の共振ブロック５ａ，５ｂを設
けている。圧電振動子１ａと１ｂは中央のホット側電極
８を介して密着され、反対面にそれぞれグランド側電極
９ａ，９ｂを設けており、グランド側電極９ａ，９ｂの
外側に共振ブロック５ａ，５ｂを設けている。また、ラ
ンジュバン振動子１０の長さは使用波長λの半分とな
る。
【００２１】このような低周波用のランジュバン振動子
１０に加えて本発明にあっては、ランジュバン振動子１
０の一方の音響放射面１１ａにｎ層の１／４波長の音響
整合層６を装着したことを特徴とする。音響整合層６の
層数は１層，２層，３層等、必要に応じて適宜に層数を
定めることができる。このような構造をもつ本発明の広
帯域超音波探触子は水を介して３０ｋＨｚ前後の低周波
の超音波の送受信を行う。このような本発明の広帯域超
音波探触子における水を媒体とした低周波の超音波伝播
の特性を評価するため、図２に示すような構成を考え
る。
１０に加えて本発明にあっては、ランジュバン振動子１
０の一方の音響放射面１１ａにｎ層の１／４波長の音響
整合層６を装着したことを特徴とする。音響整合層６の
層数は１層，２層，３層等、必要に応じて適宜に層数を
定めることができる。このような構造をもつ本発明の広
帯域超音波探触子は水を介して３０ｋＨｚ前後の低周波
の超音波の送受信を行う。このような本発明の広帯域超
音波探触子における水を媒体とした低周波の超音波伝播
の特性を評価するため、図２に示すような構成を考え
る。
【００２２】図２において、１２は送信回路であり、使
用中心周波数ｆｏの送信電圧Ｖｓを発生する信号電圧源
１４と内部インピーダンスＺｓを用いて表現でき、図１
に示したようにランジュバン振動子１０と整合層６を用
いた送信振動子１５を駆動している。ここで、送信振動
子１５における整合層６を設けたと反対側の音響放射面
には独立気泡スポンジ７を設けることで空気で終端し、
独立気泡スポンジ７による終端で背面での反射を大きく
して受信感度を増大させるようにしている。尚、独立気
泡スポンジ７としては伝播媒体としての水に比べ十分に
音響インピーダンスが小さければよいことから、例えば
発泡スチロール等を用いてもよい。
用中心周波数ｆｏの送信電圧Ｖｓを発生する信号電圧源
１４と内部インピーダンスＺｓを用いて表現でき、図１
に示したようにランジュバン振動子１０と整合層６を用
いた送信振動子１５を駆動している。ここで、送信振動
子１５における整合層６を設けたと反対側の音響放射面
には独立気泡スポンジ７を設けることで空気で終端し、
独立気泡スポンジ７による終端で背面での反射を大きく
して受信感度を増大させるようにしている。尚、独立気
泡スポンジ７としては伝播媒体としての水に比べ十分に
音響インピーダンスが小さければよいことから、例えば
発泡スチロール等を用いてもよい。
【００２３】送信振動子１５は伝播媒体としての水１６
の中に入られており、送信振動子１５に対向した水１６
の中には受信振動子１７が配置されている。受信振動子
１７も図１に示したようにランジュバン振動子１０と整
合層６が使用され、受信振動子１７には受信インピーダ
ンスＺL を備えた受信回路１８が接続され、受信インピ
ーダンスＺL の両端に受信電圧ＶL を得るようにしてい
る。
の中に入られており、送信振動子１５に対向した水１６
の中には受信振動子１７が配置されている。受信振動子
１７も図１に示したようにランジュバン振動子１０と整
合層６が使用され、受信振動子１７には受信インピーダ
ンスＺL を備えた受信回路１８が接続され、受信インピ
ーダンスＺL の両端に受信電圧ＶL を得るようにしてい
る。
【００２４】更に、受信振動子１７についても送信振動
子１５と同様、整合層６を設けたと反対側の音響放射面
に独立気泡スポンジ７を設けて空気で終端し、背面反射
を大きくして受信感度を高めている。図２の送信振動子
１５及び受信振動子１７に使用する図１に示した本発明
の広帯域超音波探触子の圧電振動子１ａ，１ｂ、ジュラ
ルミンを用いた共振ブロック５ａ，５ｂ、更に図２の構
成におけるケーブル信号源インピーダンス，受信インピ
ーダンス、及び振動子駆動波形は次のとおりとする。 ［圧電振動子１ａ，１ｂ］ 密度 ＰT ＝７．４［ｇ／ｃｍ2 ］ 音速 ＶT ＝２９５２．０［ｍ／ｓｅｃ］ 音響インピーダンス ＺT ＝２１．８［１０6 ｋｇ／ｍ
2 ／ｓｅｃ］ 電気機械結合係数 Ｋ33＝０．６３ 比誘電率 ε33 T ＝１４００ 厚さ ＬT ＝５．０［ｍｍ］ 直径 Ｄ＝２０．０［ｍｍ］ ［共振ブロック５ａ，５ｂ（ジュラルミン）］ 密度 ＰB ＝２．７９［ｇ／ｃｍ2 ］ 音速 ＶB ＝６１３５．０［ｍ／ｓｅｃ］ 音響インピーダンス ＺB ＝１７．１［１０6 ｋｇ／ｍ
2 ／ｓｅｃ］ 長さ ＬB ＝４１．０［ｍｍ］ ［ケーブル］ インピーダンス ＺC ＝５０．０［Ω］ 信号伝播速度 ＶC ＝２．０＊１０8 ［ｍ／ｓｅｃ］ 長さ ＬC＝２．０［ｍ］ ［信号源インピーダンス］ ＺS ＝５０．０［Ω］ ［受信インピーダンス］ ＺL ＝１０．０＊１０3
［Ω］ ［振動子駆動波形（トーン・バースト波）］ 搬送周波数 Ｆreq ＝３０．０［ｋＨｚ］1 振幅 Ａmp＝１００．０［Ｖ］ 波数 Nburst＝１ 更に、送信振動子１５及び受信振動子１７の整合層６と
して単一整合層，二重整合層，三重整合層を例にとる
と、これらの整合層における密度及び音響インピーダン
スは図３に示すようにした。
子１５と同様、整合層６を設けたと反対側の音響放射面
に独立気泡スポンジ７を設けて空気で終端し、背面反射
を大きくして受信感度を高めている。図２の送信振動子
１５及び受信振動子１７に使用する図１に示した本発明
の広帯域超音波探触子の圧電振動子１ａ，１ｂ、ジュラ
ルミンを用いた共振ブロック５ａ，５ｂ、更に図２の構
成におけるケーブル信号源インピーダンス，受信インピ
ーダンス、及び振動子駆動波形は次のとおりとする。 ［圧電振動子１ａ，１ｂ］ 密度 ＰT ＝７．４［ｇ／ｃｍ2 ］ 音速 ＶT ＝２９５２．０［ｍ／ｓｅｃ］ 音響インピーダンス ＺT ＝２１．８［１０6 ｋｇ／ｍ
2 ／ｓｅｃ］ 電気機械結合係数 Ｋ33＝０．６３ 比誘電率 ε33 T ＝１４００ 厚さ ＬT ＝５．０［ｍｍ］ 直径 Ｄ＝２０．０［ｍｍ］ ［共振ブロック５ａ，５ｂ（ジュラルミン）］ 密度 ＰB ＝２．７９［ｇ／ｃｍ2 ］ 音速 ＶB ＝６１３５．０［ｍ／ｓｅｃ］ 音響インピーダンス ＺB ＝１７．１［１０6 ｋｇ／ｍ
2 ／ｓｅｃ］ 長さ ＬB ＝４１．０［ｍｍ］ ［ケーブル］ インピーダンス ＺC ＝５０．０［Ω］ 信号伝播速度 ＶC ＝２．０＊１０8 ［ｍ／ｓｅｃ］ 長さ ＬC＝２．０［ｍ］ ［信号源インピーダンス］ ＺS ＝５０．０［Ω］ ［受信インピーダンス］ ＺL ＝１０．０＊１０3
［Ω］ ［振動子駆動波形（トーン・バースト波）］ 搬送周波数 Ｆreq ＝３０．０［ｋＨｚ］1 振幅 Ａmp＝１００．０［Ｖ］ 波数 Nburst＝１ 更に、送信振動子１５及び受信振動子１７の整合層６と
して単一整合層，二重整合層，三重整合層を例にとる
と、これらの整合層における密度及び音響インピーダン
スは図３に示すようにした。
【００２５】このような条件による図２の構成で得られ
た伝達関数と受信波形を図４乃至図１０に示す。まず図
４は整合層６をもたない場合と、整合層６として単一整
合層，二重整合層，三重整合層の伝達数を高次モードま
で示している。この図４から明らかなように、整合層な
しの場合に比べ本発明の整合層（単一整合層，二重整合
層及び三重整合層）を設けた広帯域超音波探触子にあっ
ては、基本振動は勿論のこと、基本振動の３倍，５倍の
共振周波数においても−３〜−６ｄＢ程度感度が下がる
だけで済み、比帯域については３〜６倍程度広帯域化で
きている。
た伝達関数と受信波形を図４乃至図１０に示す。まず図
４は整合層６をもたない場合と、整合層６として単一整
合層，二重整合層，三重整合層の伝達数を高次モードま
で示している。この図４から明らかなように、整合層な
しの場合に比べ本発明の整合層（単一整合層，二重整合
層及び三重整合層）を設けた広帯域超音波探触子にあっ
ては、基本振動は勿論のこと、基本振動の３倍，５倍の
共振周波数においても−３〜−６ｄＢ程度感度が下がる
だけで済み、比帯域については３〜６倍程度広帯域化で
きている。
【００２６】以下、単一整合層，二重整合層及び三重整
合層のそれぞれについて詳細に説明すると次のようにな
る。図５は単一整合層を備えた本発明の広帯域超音波探
触子の伝達関数の絶対値を基本周波数ｆｏ＝３０．３ｋ
Ｈｚについて示しており、−３ｄＢラインの帯域幅Δｆ
１はΔｆ１＝７．４ｋＨｚとなっている。
合層のそれぞれについて詳細に説明すると次のようにな
る。図５は単一整合層を備えた本発明の広帯域超音波探
触子の伝達関数の絶対値を基本周波数ｆｏ＝３０．３ｋ
Ｈｚについて示しており、−３ｄＢラインの帯域幅Δｆ
１はΔｆ１＝７．４ｋＨｚとなっている。
【００２７】図６は単一整合層の広帯域超音波探触子に
おける受信電圧の時間変化を示したもので、受信波形が
−２０ｄＢラインを越えて再び戻るまでの時間τ、即ち
パルス幅τがτ＝１５１［μｓｅｃ］となっている。図
７は二重整合層の場合の伝達関数の絶対値を基本周波数
ｆｏ＝３１．５ｋＨｚについて示したもので、この場合
の−３ｄＢラインの帯域幅Δｆ２はΔｆ２＝１１．８ｋ
Ｈｚと単一整合層に比べ広がっている。図８は二重整合
層の場合の受信電圧の時間変化を示したもので、−２０
ｄＢラインで決まるパルス幅τはτ＝１１２［μｓ］と
図６の単一整合層に比べ短くなっている。
おける受信電圧の時間変化を示したもので、受信波形が
−２０ｄＢラインを越えて再び戻るまでの時間τ、即ち
パルス幅τがτ＝１５１［μｓｅｃ］となっている。図
７は二重整合層の場合の伝達関数の絶対値を基本周波数
ｆｏ＝３１．５ｋＨｚについて示したもので、この場合
の−３ｄＢラインの帯域幅Δｆ２はΔｆ２＝１１．８ｋ
Ｈｚと単一整合層に比べ広がっている。図８は二重整合
層の場合の受信電圧の時間変化を示したもので、−２０
ｄＢラインで決まるパルス幅τはτ＝１１２［μｓ］と
図６の単一整合層に比べ短くなっている。
【００２８】更に図９は三重整合層の場合の伝達関数の
絶対値を基本周波数ｆｏ＝３２．８ｋＨｚについて示し
たもので、−３ｄＢラインで与えられる帯域幅Δｆ３は
Δｆ３＝１５．２ｋＨｚと更に広がっている。図１０は
三重整合層の場合の受信電圧の時間変化を示したもの
で、−２０ｄＢラインで決まるパルス幅τはτ＝８７
［μｓｅｃ］と更に短くなっている。
絶対値を基本周波数ｆｏ＝３２．８ｋＨｚについて示し
たもので、−３ｄＢラインで与えられる帯域幅Δｆ３は
Δｆ３＝１５．２ｋＨｚと更に広がっている。図１０は
三重整合層の場合の受信電圧の時間変化を示したもの
で、−２０ｄＢラインで決まるパルス幅τはτ＝８７
［μｓｅｃ］と更に短くなっている。
【００２９】このような図６乃至図１０に示した単一整
合層，二重整合層，三重整合層の各々の伝達関数の絶対
値及び受信電圧の時間変化から求めた本発明による広帯
域超音波探触子の性能をまとめると図１１に示すように
なる。尚、図１１にあっては、図１５の整合層をもたな
いもの、また共振ブロックに金属を使用していない図１
８のものを併せて示している。
合層，二重整合層，三重整合層の各々の伝達関数の絶対
値及び受信電圧の時間変化から求めた本発明による広帯
域超音波探触子の性能をまとめると図１１に示すように
なる。尚、図１１にあっては、図１５の整合層をもたな
いもの、また共振ブロックに金属を使用していない図１
８のものを併せて示している。
【００３０】図１１から明らかなように、伝達関数の特
性としては整合層の層数が増加するほど比帯域Δｆ／ｆ
ｏは増えて広帯域化し、一方、感度は低下する関係にあ
る。また、受信波形の特性としては、整合層の層数が増
加するほどパルス幅が短くなり、その結果、距離分解能
ｄres が向上している。また、本発明を図１５の整合層
をもたないものと比較してみると、比帯域が３〜６倍に
広帯域化しており、この広帯域化に対し感度は０．６〜
０．４倍程度の減少で済んでおり、本発明による整合層
を備えた広帯域超音波探触子の有効性が確認できた。
性としては整合層の層数が増加するほど比帯域Δｆ／ｆ
ｏは増えて広帯域化し、一方、感度は低下する関係にあ
る。また、受信波形の特性としては、整合層の層数が増
加するほどパルス幅が短くなり、その結果、距離分解能
ｄres が向上している。また、本発明を図１５の整合層
をもたないものと比較してみると、比帯域が３〜６倍に
広帯域化しており、この広帯域化に対し感度は０．６〜
０．４倍程度の減少で済んでおり、本発明による整合層
を備えた広帯域超音波探触子の有効性が確認できた。
【００３１】また、図１８の共振ブロックに金属を使用
しなかった場合に比べると比帯域については同程度であ
るが、感度は２５〜１６倍と大幅に改善されている。更
に、受信波形の特性についても図１５の整合層のないも
のに比べパルス幅が約３分の１以下となって充分な距離
分解能が実現されており、図１８の共振ブロックを金属
としない場合に比べても二重整合層の場合には略同等な
距離分解能が実現できている。
しなかった場合に比べると比帯域については同程度であ
るが、感度は２５〜１６倍と大幅に改善されている。更
に、受信波形の特性についても図１５の整合層のないも
のに比べパルス幅が約３分の１以下となって充分な距離
分解能が実現されており、図１８の共振ブロックを金属
としない場合に比べても二重整合層の場合には略同等な
距離分解能が実現できている。
【００３２】図１２は図１５に示した整合層をもたない
超音波探触子の伝達関数の絶対値を基本周波数ｆｏ＝２
８．９ＫＨｚについて示したもので、−３ｄＢラインの
パルス幅Δｆ４はΔｆ４＝２．２と狭い。また、図１３
は同じく図１５の整合層をもたない場合についての受信
電圧の時間変化を基本周波数ｆｏ＝３３．４ＫＨｚにつ
いて示したもので、−２０ｄＢラインで与えられるパル
ス幅τはτ＝５０７［μｓｅｃ］と広がっており、図１
１に示したように距離分解能は極めて低い。
超音波探触子の伝達関数の絶対値を基本周波数ｆｏ＝２
８．９ＫＨｚについて示したもので、−３ｄＢラインの
パルス幅Δｆ４はΔｆ４＝２．２と狭い。また、図１３
は同じく図１５の整合層をもたない場合についての受信
電圧の時間変化を基本周波数ｆｏ＝３３．４ＫＨｚにつ
いて示したもので、−２０ｄＢラインで与えられるパル
ス幅τはτ＝５０７［μｓｅｃ］と広がっており、図１
１に示したように距離分解能は極めて低い。
【００３３】尚、上記の実施例にあっては共振ブロック
５ａ，５ｂとしてジュラルミンを例にとるものであった
が、伝播媒体としての水の音響インピーダンスに近いも
のであれば他の金属でよく、例えばアルミニウムを使用
してもよい。また、上記の実施例にあっては一対の圧電
振動子１ａ，１ｂを用いた場合を例にとるものであった
が、単一の圧電振動子１ａのみを用いた構造であっても
同様である。
５ａ，５ｂとしてジュラルミンを例にとるものであった
が、伝播媒体としての水の音響インピーダンスに近いも
のであれば他の金属でよく、例えばアルミニウムを使用
してもよい。また、上記の実施例にあっては一対の圧電
振動子１ａ，１ｂを用いた場合を例にとるものであった
が、単一の圧電振動子１ａのみを用いた構造であっても
同様である。
【００３４】更に上記の実施例にあっては整合層６を３
層まで設けた場合を例にとるものであったが、受信感度
を下げて更に広帯域化を図りたい場合には、３層を越え
た整合層の数とすればよく、受信感度と広帯域特性に応
じて適宜に整合層６の数を定めることができる。
層まで設けた場合を例にとるものであったが、受信感度
を下げて更に広帯域化を図りたい場合には、３層を越え
た整合層の数とすればよく、受信感度と広帯域特性に応
じて適宜に整合層６の数を定めることができる。
【００３５】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、ランジュバン振動子の音響放射面に例えばプラスチ
ック等の音響整合層を設け、音響整合層を設けたと反対
側の音響放射面に、水に比べて音響インピーダンスの十
分に低い例えば独立気泡スポンジのブロックを設けると
いう簡単な構成で低周波の使用中心周波数における広帯
域化と高感度化の両立を図ることができる。
ば、ランジュバン振動子の音響放射面に例えばプラスチ
ック等の音響整合層を設け、音響整合層を設けたと反対
側の音響放射面に、水に比べて音響インピーダンスの十
分に低い例えば独立気泡スポンジのブロックを設けると
いう簡単な構成で低周波の使用中心周波数における広帯
域化と高感度化の両立を図ることができる。
【図１】本発明の実施例構成図
【図２】本発明の探触子を用いて送受信系統の伝達関数
を得るための構成説明図
を得るための構成説明図
【図３】本発明で用いる整合層の条件をた説明図
【図４】整合層なし、単一整合層、二十整合層及び三重
整合層の各々の伝達関数の絶対値の周波数特性を高次ま
で示した説明図
整合層の各々の伝達関数の絶対値の周波数特性を高次ま
で示した説明図
【図５】単一整合層の場合の使用中心周波数ｆｏ付近の
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
【図６】単一整合層の場合の受信電圧の時間変化を示し
た説明図
た説明図
【図７】二重整合層の場合の使用中心周波数ｆｏ付近の
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
【図８】二重整合層の場合の受信電圧の時間変化を示し
た説明図
た説明図
【図９】三重整合層の場合の使用中心周波数ｆｏ付近の
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明図
【図１０】三重整合層の場合の受信電圧の時間変化を示
した説明図
した説明図
【図１１】本発明の伝達関数及び受信波形の特性を従来
例と対比して示した説明図
例と対比して示した説明図
【図１２】図１５の整合層なしの場合の使用中心周波数
ｆｏ付近の伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明
図
ｆｏ付近の伝達関数の絶対値の周波数特性を示した説明
図
【図１３】図１５の整合層なしの場合の受信電圧の時間
変化を示した説明図
変化を示した説明図
【図１４】従来の水浸型超音波探触子の説明図
【図１５】従来のランジュバン振動子の説明図
【図１６】従来のランジュバン振動子の受信波形を示し
た説明図
た説明図
【図１７】従来のランジュバン振動子の伝達関数の周波
数特性を示した説明図
数特性を示した説明図
【図１８】先願発明のランジュバン振動子の説明図
【図１９】先願のランジュバン振動子の受信波形を示し
た説明図
た説明図
【図２０】先願のランジュバン振動子の伝達関数の周波
数特性を示した説明図
数特性を示した説明図
【図２１】先願のランジュバン振動子の伝達関数の周波
数特性を高次まで示した説明図
数特性を高次まで示した説明図
【図２２】図１５の従来のランジュバン振動子の伝達関
数の周波数特性を高次まで示した説明図
数の周波数特性を高次まで示した説明図
１ａ，１ｂ：圧電振動子 ５ａ，５ｂ：共振ブロック（金属製） ６：整合層（プラスチック層） ７：独立気泡スポンジ ８：ホット側電極 ９ａ，９ｂ：グランド側電極 １０：ランジュバン振動子 １１ａ，１１ｂ：音響放射面 １２：送信回路 １４：信号電圧源 １５：送信振動子 １６：水 １７：受信振動子 １８：受信回路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年１月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１８
に示した低周波用の広帯域超音波探触子にあっては、図
２１の高次までの伝達関数の絶対値に示すように、３０
ＫＨｚ付近にある振動モードの中心周波数（基本周波
数）ｆo の感度が、４００ＫＨｚ付近にある圧電体の共
振周波数ｆr の感度に比べて低すぎるという問題があっ
た。
に示した低周波用の広帯域超音波探触子にあっては、図
２１の高次までの伝達関数の絶対値に示すように、３０
ＫＨｚ付近にある振動モードの中心周波数（基本周波
数）ｆo の感度が、４００ＫＨｚ付近にある圧電体の共
振周波数ｆr の感度に比べて低すぎるという問題があっ
た。
Claims (3)
- 【請求項１】一対の圧電振動子の両側に金属製の共振ブ
ロックを対称に設けたランジュバン振動子構造を備えた
広帯域超音波探触子に於いて、 前記ランジュバン振動子の一方の音響放射面に、１／４
波長の音響整合層を１又は複数設けたことを特徴とする
広帯域超音波探触子探触子。 - 【請求項２】請求項１記載の広帯域超音波探触子に於い
て、更に、 前記１／４波長の音響整合層を設けた反対側の音響放射
面に、水に比較して極めて音響インピーダンス低い材料
からなるブロック部材を配設したことを特徴とする広帯
域超音波探触子。 - 【請求項３】請求項１記載の広帯域超音波探触子に於い
て、 前記１／４波長の音響整合層を設けた反対側の音響放射
面に設けるブロック部材として、独立気泡スポンジ又は
発泡スチロールを用いたことを特徴とする広帯域超音波
探触子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34580891A JPH05183996A (ja) | 1991-12-27 | 1991-12-27 | 広帯域超音波探触子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34580891A JPH05183996A (ja) | 1991-12-27 | 1991-12-27 | 広帯域超音波探触子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05183996A true JPH05183996A (ja) | 1993-07-23 |
Family
ID=18379128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34580891A Pending JPH05183996A (ja) | 1991-12-27 | 1991-12-27 | 広帯域超音波探触子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05183996A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007150878A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Nec Corp | 広帯域振動子 |
| JP4533551B2 (ja) * | 2001-03-16 | 2010-09-01 | パナソニック株式会社 | 超音波式車両感知器とその計測方法 |
| US11035954B2 (en) | 2017-10-19 | 2021-06-15 | Furuno Electric Company Limited | Transducer |
-
1991
- 1991-12-27 JP JP34580891A patent/JPH05183996A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4533551B2 (ja) * | 2001-03-16 | 2010-09-01 | パナソニック株式会社 | 超音波式車両感知器とその計測方法 |
| JP2007150878A (ja) * | 2005-11-29 | 2007-06-14 | Nec Corp | 広帯域振動子 |
| JP4635846B2 (ja) * | 2005-11-29 | 2011-02-23 | 日本電気株式会社 | 広帯域振動子 |
| US11035954B2 (en) | 2017-10-19 | 2021-06-15 | Furuno Electric Company Limited | Transducer |
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