JPH0582798B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は遠距離ソーナー、海洋資源探査などに
使用される低周波帯で使用されるハイパワー水中
超音波送波器に関するものである。

（従来技術） 水中において低周波の超音波は高周波のそれと
比較して伝搬損失が少なく、より遠方まで到達す
ることができるために、ソーナー、海洋資源探
査、海流の調査などの分野で低周波の超音波を利
用することは種々の長所がある。従来から水中に
おいて強力超音波を放射する送波器として動電形
送波器と圧電形送波器が知られている。動電形送
波器は大きな変位がとりうる反面、発生力が小さ
いことにより低周波で小型のトランスジユーサを
得ることは極めて困難である。また、圧電形送波
器は、電気機械エネルギー変換材料としてジルコ
ンチタン酸鉛系圧電磁器が用いられている。圧電
磁器それ自身は水に比べて約20倍以上も音響イン
ピーダンスが大きいために発生力は極めて大きい
という利点はあるものの音響放射において媒質排
除に必要な変位をとることができないという欠点
がある。低周波になるに従い単位放射面積当りの
音響放射インピーダンスが極めて小さくなること
を考慮すると、低周波で効率の良い音響放射を行
うためには、圧電磁器の変位をより一層拡大させ
て音響放射を行う必要がある。

従来、低周波数帯（3KHz以下）におけるハイ
パワー送波器として、例えばＲ、Ｓ、Woollet、
“Trend and problem in Sonar Transducer
Design”、IEEE Trans on UItaonics
Engineering、pp116−124（1963・11）に記載さ
れているように、第４図に示す円板の屈曲振動を
利用した屈曲形送波器、あるいはＧ・Brigham
and Ｂ・Grass、“Present Status in
Flextensional Transducer Technology”、Ｊ、
Acoust・Soc、Am、vol、68No.４、pp1046−
1052（1980、10）に記載されているように、第５
図に示す楕円形シエルを用いた屈曲伸び送波器が
知られている。

（従来技術の問題点） 第４図に示した円形平板を用いた屈曲形送波器
は、周知のように円形バイモルフ振動子を送波器
に用いたものである。

第４図において１０はジルコンチタン酸鉛系圧
電磁器板、１１はニツケル、ステンレススチール
などの金属板であり、これらでバイモルフ振動子
を構成し、バイモルフ振動子自身を音響放射体と
している。また、１２はキヤビテイ、１３はハウ
ジングケースである。しかしながら、第４図に示
した送波器は、１０の圧電磁器板として大面積の
圧電磁器板を得ることができないことから、多数
のセグメント磁器板をモザイク式に金属板１１に
接着することによつてバイモルフ振動子が得られ
ているのが現状である。即ち、大面積の磁器板が
使えないために、送波器としての媒質排除能力が
十分とは言えず、ハイパワー送波には不適当であ
る。また、たとえ大面積の圧電磁器板が得られた
としても、構造上バイモルフ振動子は撓みコンプ
ライアンスがかなり大きくそれほど大きな媒質排
除能力は望むべくもない。

次に第５図に示した屈曲伸び送波器は圧電磁器
からなるアクテイブ柱状体２０が長軸方向に伸び
変位をしたときに、楕円シエル２１が図中の矢印
で示すように柱状体２０の数倍の変位で収縮する
一種の変位拡大機構を有する送波器である。（楕
円シエルの４分の１部分だけ矢印で示す。）この
送波器は楕円シエルを音響放射体に用いているた
め、構造的にバイモルフ円板より遥かに大きな剛
性が得られることから、第４図のバイモルフ円板
を用いた送波器よりハイパワー送波に優れた送波
器であるとされている。

第５図に示した屈曲伸び送波器の共振周波数は
アクテイブ柱状体２０のスチフネスがシエルのそ
れに比べて相当大きいために、楕円シエル２１自
身の共振周波数の２倍がそれ以上の値となる。即
ち、一定寸法を有する楕円シエル２１自身の屈曲
伸びモードに関する共振周波数を相当低下させる
ことなしには、屈曲伸び送波器の低周波小型化は
達成されないわけであり、屈曲伸び送波器におい
てシエル自身の共振周波数の一層の低下が望まれ
ている。しかしながら以下に述べる理由により、
この楕円シエル自身の低周波小型化は極めて困難
である。

この楕円シエルの動作を説明するために、楕円
シエルの長軸をｘ軸、短軸をｙ軸に、奥行方向を
ｚ軸に対応させて、楕円シエルの４分の１部分を
第６図に示す。楕円シエルの肉厚の中心とｘ軸と
が交わる点を（ａ、ｏ）、またｙ軸と交わる点を
（ｏ、ｂ）とする。即ち楕円シエルの長径をａ、
短径をｂとする。いま、アクテイブ柱状体２０が
伸びてｐ点を＋ｘ方向にξだけ変位させたとき、
楕円シエル自身のもつ変位拡大機構により、Ｑ点
において−ｙ方向にξの数倍の変位が現われるわ
けで、シエル全体として媒質を引き込むことにな
る。これに対して、アクテイブ柱状体が収縮した
ときシエル全体としては媒質を排除する方向に働
く。この場合、楕円シエルをｘ軸で切つた断面は
ｘ軸に平行に、あたかもローラーをはいたかのよ
うに、並進変位するだけでｚ軸廻りの回転変位は
零である。従つて、ｚ軸廻りの回転を許さない分
だけ、シエルの動きに関する拘束が大きくなりシ
エルの共振周波数が高くなるわけである。

屈曲伸び送波器は、楕円シエル自身の共振周波
数が、以上のような理由により低下しにくいため
に低周波小型化は極めて困難となつている。

一方、楕円シエルの形状、肉厚を変えて低周波
小型化を図ろうとする試みも当然考えられること
である。

まず楕円シエルの形状を変えた場合、ｂ／ａを
大きくしていつて円に近ずけて行くほど確かにシ
エルの共振周波数は低下する。しかしこの場合、
ｂ／ａを大きくするほど周波数低下に比べて変位
拡大率が大幅に減少してしまうために形状を変え
て小型化をはかるメリツトはなくなる。また、シ
エルの肉厚を小さくした場合にも、共振周波数が
低下することが認められる。しかし、この場合、
シエルの媒質排除能力が低下するばかりか、耐水
圧特性も著しく劣化するという欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の送波器の欠点を除
去せしめて、低周波帯において小型でハイパワー
特性に優れた送波器を提供することを目的とす
る。

（発明の構成） 本発明は、コンベツクス状の二つのシエルをこ
の結合子で結合させ、前記結合子の間にはアクテ
イブ柱状体が設置されていることを特徴とする低
周波水中超音波送波器である。

（構成の詳細な説明） 本発明に基ずく送波器は、シエル自身の共振周
波数を低下させることのできる構成により従来技
術の問題点を改善している。以下、図面に従つて
説明する。

第２図は本発明の送波器の一部を構成するシエ
ル部分の動作を説明するために、片方のシエルの
２分の１部分と結合子（コ字形、Ｕ字形などが考
えられる）の２分の１区間を示したものである。
第２図に示すように圧電セラミツクスが収縮し
て、結合子３２に−ｘ方向にξなる変位を与える
と、コンベツクスシエル３１の中心部分、即ちｙ
軸との接点においてξの数倍の変位が現われる。
この場合、結合子は、ｘ軸方向の縦変位に関して
剛性が大いほどアクテイブ柱状体から出力される
機械的振動エネルギーをシエルに効率良く伝達す
ることができる。またｚ軸廻りの回転に関して柔
軟なほどシエルの共振周波数を低下させることが
できる。即ち本発明に従つた送波器では、従来の
屈曲伸び送波器の楕円シエル構造とは異りシエル
の長軸との交点においてｚ軸廻りの回転を許す構
造となつているため、それだけシエルの動きに対
する拘束が緩くなつているわけであり、このよう
な理由によりシエル自身の共振周波数の著しい低
下が達成されるわけである。

以下、実施例に基づいて詳細に説明する。

（実施例） 第１図は本発明の送波器の一実施例を示したも
ので、図において３１は圧電磁器からなるアクテ
イブ柱状体であり、周知の如く電圧を印加するこ
とにより縦振動を励振することができるものであ
る。３２はネツクであり、その機能の一つはアク
テイブ柱状体から出力される機械振動エネルギー
を忠実に結合子１３に伝達されるために設けられ
たものである。またもう一つの機能として、結合
子３３が縦変位に関する剛性を大きくさせ、前述
の如く回転変位に対しては柔軟であるようにネツ
ク３２の幅寸法は結合子３３の内側寸法より若干
小さ目となつている。また、３３，３４は各々第
２図に示した結合子、コンベツクスシエルであ
る。圧電セラミツクスは圧力に対しては極めて強
度が大きい反面、張力に対しては脆いためあらか
じめボルト、ナツトによつて圧力バイアスを加え
て使用することも勿論可能であり、またあらかじ
めシエルを図の矢印方向に変形させておき、シエ
ルの弾性を利用してアクテイブ柱状体３１に圧力
バイアスを加えることも勿論可能である。本実施
例の圧力バイアス印加方式として前者の方式が用
いられている。第１図に示す本発明に基ずく送波
器において、コンベツクスシエルの長軸の長さ２
ａは30cm、短軸の長さ２ｂは12cmである。またシ
エルの材料はスチール合金を用い板厚は10mmであ
る。このとき計算値で二つのシエルと二つのコ字
形結合子からなる系の屈曲伸び振動モードの共振
周波数は190Hzであつた。さらに、アクテイブ柱
状体１１、スチール合金からなるネツク部分を含
めた送波器全体の屈曲伸び振動モードの共振周波
数は670Hz、またこのときの変位拡大率は2.6倍で
ある。次に、本送波器の音響放射能力を評価する
ために、水面下20ｍに沈めて音響出力特性を測定
したところ、低周波でハイパワー特性が容易に得
られた。

一方、従来の第５図に示した同一形状を有する
屈曲伸び送波器の楕円シエル自身の共振周波数は
計算値で360Hzであり、アクテイブ柱状体を含め
た送波器全体の屈曲伸び振動モードの共振周波数
は1020Hzであつた。また、このときの変位拡大率
は2.8倍である。

本発明の送波器において、コ字形あるいはＵ字
形の結合子をつけたことによる変位拡大率の減少
は極めて小さく、媒質排除能力はほとんど低下す
ることはないことは明白である。

また、第３図に示すようにシエル３４の内側部
分に結合子３３を配置した場合においても低周波
帯において、小型で、ハイパワー特性に優れた送
波器を得ることができることは言うまでもない。
この場合は、特にネツク３２を要さずとも動作可
能である。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明に従えば小型軽量で
かつハイパワー特性に優れた低周波超音波送波器
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図は本発明の送波器の一実施例を
示す図、第２図は本発明に従う送波器のシエル動
作説明図、第４図は従来の屈曲形送波器を示す
図、第５図は従来の屈曲伸び送波器を示す図、第
６図は従来の屈曲伸び送波器に用いられる楕円シ
エルの４分の１部分を示す図。 図において、１０は圧電磁器板、１１は金属
板、１２はキヤビテイ、１３はケース、２０，３
１はアクテイブ柱状体、３２はネツク、３３は結
合子、３４はコンベツクスシエル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コンベツクス状の二つのシエルを二つの結合
   子にて結合させ、前記結合子の間にはアクテイブ
   柱状体が設置されていることを特徴とする低周波
   水中超音波送波器。