JPH06197400A - 低周波水中送波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型軽量でハイパワー放射の可能な低周波送
波器を提供する。 【構成】 ディスク１３の主面に形成した凹部１３ａに
圧電磁器セグメント群１０と円板形圧電磁器１１を設置
して板状振動体を構成し、２枚の板状振動体を高強度な
材料でできたＯリング１４を介してバネバンド１６によ
り結合した構成となっている。圧電磁器セグメント群１
０の各セグメントは、送波器の径方向に分極されてお
り、さらに隣合うセグメントの分極方向は逆向きとなっ
ている。また円板形圧電磁器１１は厚み方向に分極され
ている。それぞれの圧電磁器に対し、その分極方向に沿
って電圧を入力すると、前者では縦効果縦振動（３３モ
ード）が励振され、後者では径ひろがり振動（３１モー
ド）が励振される。本発明の送波器では、これら２つの
圧電磁器アクティブエレメントの相乗効果により、高い
振動エネルギーが実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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ハイパワーの水中
送波器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水中において低周波の超音波は、高周波
の超音波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、数々の長所がある。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、発生力が小さいため、低周波で小型のトラン
スジューサを得ることは、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
があるが、音響反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、単位放射面積当た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。

【０００３】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、例えばジャーナル・オブ・
アコースティカル・ソサイアティー・オブ・アメリカ
（Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，ｖｏｌ．６８，
Ｎｏ．４，ｐｐ１０４６−１０５２（１９８０．１０）
に記載されているように、図２に示す楕円形シェルを用
いた屈曲伸び送波器が知られている。

【０００４】図２に示した屈曲伸び送波器は、圧電磁器
からなるアクティブ柱状体２０が長軸方向に伸び変位を
したときに、楕円シェル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（楕円シェルの４分の１部分だけ
矢印で示す。）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２に示した屈曲伸び
送波器の共振周波数は、アクティブ柱状体２０のスチフ
ネスが楕円シェル２１のスチフネスに比べて相当大きい
ために、楕円シェル２１自身の共振周波数の２倍かそれ
以上の値となる。即ち、一定寸法を有する楕円シェル２
１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
楕円シェル２１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
楕円シェル自身の低周波小型化は、極めて困難である。

【０００６】この楕円シェルの動作を説明するために、
楕円シェルの長軸をｘ軸、短軸をｙ軸に、奥行方向をｚ
軸に対応させて、楕円シェルの４分の１部分を図３に示
す。

【０００７】楕円シェル２１の肉厚の中心とｘ軸とが交
わる点を（ａ，０）、またｙ軸と交わる点を（０，ｂ）
とする。即ち楕円シェル２１の長径をａ、短径をｂとす
る。いま、アクティブ柱状体２０が伸びてＰ点を＋ｘ方
向にζだけ変位させたとき、楕円シェル２１自身のもつ
変位拡大機構により、Ｑ点において−ｙ方向にζの数倍
の変位が現れるわけで、シェル２１全体として送波媒質
を引き込むことになる。

【０００８】これに対して、アクティブ柱状体２０が収
縮したときシェル２１全体としては、送波媒質を排除す
る方向に働くわけである。この場合、楕円シェル２１を
ｘ軸で切った断面は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。

【０００９】したがって、ｚ軸廻りの回転を許さない分
だけ、シェル２１の動きに関する拘束が大きくなり、シ
ェル２１の共振周波数が高くなる。屈曲伸び送波器は、
楕円シェル２１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
となっている。

【００１０】一方、楕円シェルの形状を変えた場合、ｂ
／ａを大きくしていって円に近づけて行くほど確かにシ
ェルの共振周波数は、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
はかるメリットは、なくなる。また、シェルの肉厚を小
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、シェルの送波媒質排除能力が
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。

【００１１】本発明は、このような従来のトランスジュ
ーサ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無指向性の送波器を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る低周波水中送波器は、板状振動体の対
を有する低周波水中送波器であって、板状振動体は、円
形ディスクと、円板形圧電磁器と、圧電磁器セグメント
群とを有し、円形ディスクは、主面に正多角形状の凹部
が形成され、円板形圧電磁器及び圧電磁器セグメント群
は、電圧印加により互いに異なる方向の振動が励振され
るものであり、円板形圧電磁器は、前記円形ディスクの
凹部中心位置に設置され、圧電磁器セグメント群は、前
記円板形圧電磁器を中心として径方向に放射状に設置さ
れ、板状振動体の対は、円板形圧電磁器を外側に向けて
背面間に円環状のスペーサが介装されて一体に結合され
たものである。

【００１３】また、前記圧電磁器セグメント群を円形デ
ィスクにボルトにより締結けて固定することにより、該
圧電磁器セグメント群に圧縮応力を加えたものである。

【００１４】また、前記圧電磁器セグメント群に楔を打
ち込み、該圧電磁器セグメント群に圧縮応力を加えたも
のである。

【００１５】

【作用】本発明の送波器は上記構造とすることにより従
来技術の問題点を改善している。以下、図面に従って説
明する。

【００１６】図１は、本発明の送波器の一例を示したも
のである。本発明の低周波水中送波器における板状振動
体は、金属製の円形ディスク１３の主面の凹部１３ａ内
の中心位置にアクティブ体となる円板形圧電磁器１１を
設置し、その廻りにアルミナ絶縁体１２を介して圧電磁
器セグメント群１０を中心から放射状に設け、相互間を
強力接着剤で接着してある。そして、対をなす板状振動
体は、円板形圧電磁器１１を外側に向けて背面間に高強
度な材料でできたＯリング１４（スペーサ）を介してバ
ネバンド１６により一体に結合した構成となっている。
バネバンド１６はボルト１５によりディスク１３に締結
されている。さらに、結合された板状振動体の外形廻り
は、保護板１７を介してウレタン樹脂１８等でモールド
されている。

【００１７】圧電磁器セグメント群１０の各セグメント
は、送波器の径方向に分極されており、さらに隣合うセ
グメントの分極方向は、逆向きとなっている。また円板
形圧電磁器１１は、厚み方向に分極されている。それぞ
れの圧電磁器に対し、その分極方向に沿って電圧を入力
すると、前者では縦効果縦振動（３３モード）が励振さ
れ、後者では径ひろがり振動（３１モード）が励振され
る。この際、圧電セグメント群１０と円板形圧電磁器１
１とは、アルミナ絶縁体１２により絶縁されている。

【００１８】本発明の送波器では、これら２つの圧電磁
器１１と圧電磁器セグメント群１０の相乗効果により、
高い振動エネルメギーが実現される。この振動エネルギ
ーを圧電磁器セグメント群１０及び円板形圧電磁器１１
と金属ディスク１３の一体の系において、送波器端部を
支持部とする屈曲振動に変換し、水中に音波を両面放射
するしくみとなっている。なお、入力電圧は、消費電力
および圧電磁器の電界強度の兼ね合いから、各セグメン
トの電極間距離を適当にすることで調整可能である。

【００１９】また本発明の送波器では、この屈曲振動を
できるだけｐｉｎ端支持に近い状態で励振させるため、
２枚の金属ディスク１３の接合部にＯリング１４を挿入
している。これにより、低周波化、振動モードの振幅の
増大すなわち体積速度の増大が図られている。

【００２０】本発明の送波器は、水深５００ｍなどの深
々度で使用した場合、水圧により圧電磁器セグメント群
１０の特に外周に近い部分に対し引張応力がかかるが、
この対策として、圧電磁器セグメント群１０に対し深々
度使用の場合においても、常に圧縮応力が加わるように
ボルト１９により圧電磁器セグメント群１０をディスク
１３に締付けてバイアスをかけていることが特徴として
あげられる。これにより本発明の送波器は、深々度で使
用した場合に、その水圧による圧電磁器セグメント群１
０への引張応力に対し補正を行っている。

【００２１】一方、これらバイアス応力印加ボルト１９
の代わりに各圧電磁器セグメント群１０に図４（本発明
の送波器の２分の１断面図である。）に示すように金属
製のくさび３０（電極としても利用可能）を打ち込むこ
とでボルト同様のバイアス応力印加という機能を得るこ
とも勿論可能である。なお、金属ディスク１３の主面部
の凹部１３は、正多角形であれば良い。

【００２２】

【実施例】本発明の一実施例を図１を参照に説明する。
図１において、円板形圧電磁器１１の直径を７０ｍｍ
φ、厚さ７ｍｍ、アルミナ絶縁体１２の幅を５ｍｍ、圧
電磁器セグメント群１０の１ブロックにおけるセグメン
トの数を４個、各セグメントの送波器径方向の長さを１
２．５ｍｍ、厚さ７ｍｍ、金属製円形ディスク１３の直
径を１９５ｍｍφ、凹部１３以外の厚さを１４ｍｍ、凹
部１３部分での厚さを７ｍｍ、挿入Ｏリング１４の内径
を１８０ｍｍ、太さを８ｍｍ、２枚の板状振動体間のギ
ャップを４ｍｍ、ウレタン樹脂１８によるモールド厚を
２．５ｍｍに設定してある。

【００２３】従って、ウレタン樹脂１８によるモールド
を施すと、送波器全体の寸法は約２００ｍｍφ×３７ｍ
ｍとなる。尚、図１では、ディスク１３の凹部１３ａ内
の圧電磁器セグメント群１０の外形を八角形で構成して
いるが、必ずしも八角形に限るわけでなく、正多角形で
あれば良い。

【００２４】次に圧電磁器セグメント群１０および円板
形圧電磁器１１にはジルコンチタン酸鉛系圧電磁器、金
属ディスク１３にはアルミニウム合金Ａ７０７５−Ｔ
６、挿入Ｏリング１４にはマルエージ銅を適用し試作し
た。試作した送波器の空気中での共振周波数は２５４５
Ｈｚである。

【００２５】次に、この送波器を水中にいれて５０気圧
下でハイパワーに駆動し、音響放射面から１ｍ離れた点
における音圧を測定したところ、１９８５Ｈｚにおいて
２０６ｄＢｒｅｌ１μＰａの音圧が得られた。水中での
Ｑ値も５．４、指向性についてはほとんど無指向性であ
った。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の送波器は、
薄型・軽量化を容易に実現できる。さらに従来のものに
比べ、圧電磁器の占める容積が増大するため、ハイパワ
ー放射を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施例を示す縦断面図、
（ｂ）は同平面図である。

【図２】従来の屈曲伸び送波器を示す図である。

【図３】従来の屈曲伸び送波器に用いられる楕円シェル
を示す図である。

【図４】本発明の送波器において他のバイアス応力印加
機構を示す図である。

【符号の説明】

１０ 圧電磁器セグメント群 １１ 円板形圧電磁器 １２ アルミナ絶縁体 １３ 金属製円形ディスク １４ 高強度材料Ｏリング １５ ボルト １６ バネバンド １７ 保護板 １８ ウレタン樹脂 １９ 圧力補償用ボルト ２０ アクティブ柱状体 ２１ 楕円シェル ３０ 金属製くさび

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状振動体の対を有する低周波水中送波
   器であって、 板状振動体は、円形ディスクと、円板形圧電磁器と、圧
   電磁器セグメント群とを有し、 円形ディスクは、主面に正多角形状の凹部が形成され、 円板形圧電磁器及び圧電磁器セグメント群は、電圧印加
   により互いに異なる方向の振動が励振されるものであ
   り、 円板形圧電磁器は、前記円形ディスクの凹部中心位置に
   設置され、 圧電磁器セグメント群は、前記円板形圧電磁器を中心と
   して径方向に放射状に設置され、 板状振動体の対は、円板形圧電磁器を外側に向けて背面
   間に円環状のスペーサが介装されて一体に結合されたも
   のであることを特徴とする低周波水中送波器。
2. 【請求項２】 前記圧電磁器セグメント群を円形ディス
   クにボルトにより締結けて固定することにより、該圧電
   磁器セグメント群に圧縮応力を加えたものであることを
   特徴とする請求項１に記載の低周波水中送波器。
3. 【請求項３】 前記圧電磁器セグメント群に楔を打ち込
   み、該圧電磁器セグメント群に圧縮応力を加えたもので
   あることを特徴とする請求項１に記載の低周波水中送波
   器。