JPH0690498A - Ultrasonic transducer - Google Patents
Ultrasonic transducerInfo
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- JPH0690498A JPH0690498A JP26408292A JP26408292A JPH0690498A JP H0690498 A JPH0690498 A JP H0690498A JP 26408292 A JP26408292 A JP 26408292A JP 26408292 A JP26408292 A JP 26408292A JP H0690498 A JPH0690498 A JP H0690498A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、ケースに振動子、マ
ッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケーブル
の一端を接続した構成の超音波トランスデューサに関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer having a case in which a vibrator, a matching layer and a backing layer are arranged and one end of a cable is connected to the vibrator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】超音波トランスデューサは、医療用診断
装置や非破壊検査用金属探傷装置などの探触子として用
いられる。超音波トランスデューサは超音波プローブ、
超音波プローブヘッド、超音波探触子などと呼ばれるこ
ともある。2. Description of the Related Art Ultrasonic transducers are used as probes for medical diagnostic equipment and metal flaw detectors for nondestructive inspection. The ultrasonic transducer is an ultrasonic probe,
It is also called an ultrasonic probe head or an ultrasonic probe.
【０００３】超音波トランスデューサは、その形態によ
って分類するとシングルプローブ、アレイプローブに分
けることができる。アレイプローブはさらにリニアアレ
イ、アニュテアレイ、２次元アレイに細分することがで
きる。また、主に医療分野に使われる特殊なものとし
て、シングルプローブを機械的に走査させるメカニカル
プローブ（通常メカセクプローブと呼ばれる）や、内視
鏡などに組み込んで体腔内に挿入可能なカテーテル用プ
ローブがあるが、これらは現在製品化される段階にあ
る。Ultrasonic transducers can be classified into a single probe and an array probe according to their form. The array probe can be further subdivided into a linear array, an anute array, and a two-dimensional array. Also, as a special one mainly used in the medical field, a mechanical probe that mechanically scans a single probe (usually called a mechsec probe) or a probe for a catheter that can be inserted into a body cavity by incorporating it into an endoscope or the like. However, these are currently in the stage of commercialization.
【０００４】超音波トランスデューサは、装置本体から
送られてくる電気パルスを超音波パルスに変換して被検
体に向けて放射し、被検体から反射してくる超音波パル
スを検出して電気信号に変換する構成になっている。The ultrasonic transducer converts an electric pulse sent from the apparatus main body into an ultrasonic pulse and radiates it toward a subject, detects an ultrasonic pulse reflected from the subject and converts it into an electric signal. It is configured to convert.
【０００５】超音波トランスデューサの基本構成を簡単
に説明する。超音波トランスデューサはケースを有し、
ケースに振動子、バッキング材、マッチング層などが設
けられる。振動子は電気信号を超音波に、又は超音波を
電気信号に変換する素子であり、通常は送受信兼用で用
いられる。振動子の両面には電極が形成されており、電
極はリード線及びケーブルを経由して装置本体に接続さ
れている。振動子の背面にはバッキング材（背面制動
材）が接合され、反対側の放射面には音響マッチング層
（整合層）が配置される。音響マッチング層には超音波
を集束させるために音響レンズが取り付けられる場合も
ある。振動子材料としては、一般にセラミック圧電材料
（圧電体）が用いられるが、ＰＶＤＦのような高分子圧
電材料（圧電体）あるいは両者を複合した複合圧電材料
（圧電体）も用いられる。The basic configuration of the ultrasonic transducer will be briefly described. The ultrasonic transducer has a case,
The case is provided with a vibrator, a backing material, a matching layer, and the like. The vibrator is an element that converts an electric signal into an ultrasonic wave or an ultrasonic wave into an electric signal, and is usually used for both transmission and reception. Electrodes are formed on both sides of the vibrator, and the electrodes are connected to the main body of the device via lead wires and cables. A backing material (backside damping material) is bonded to the back surface of the vibrator, and an acoustic matching layer (matching layer) is arranged on the opposite radiation surface. An acoustic lens may be attached to the acoustic matching layer to focus ultrasonic waves. As the oscillator material, a ceramic piezoelectric material (piezoelectric body) is generally used, but a polymer piezoelectric material (piezoelectric body) such as PVDF or a composite piezoelectric material (piezoelectric body) in which both are combined is also used.
【０００６】近年、超音波トランスデューサを生体内や
水中で使用するケースが増えてきている。しかし、従来
の超音波トランスデューサは、特に防水性を重視して設
計されることはなかった。ただ、日常的な防水のため
に、防水性コーティング材を音響整合層の表面に形成
し、その後でコーティング材を波長／４の厚みに加工す
る場合があった。In recent years, the number of cases where the ultrasonic transducer is used in a living body or in water is increasing. However, conventional ultrasonic transducers have not been designed with special emphasis on waterproofness. However, for everyday waterproofing, a waterproof coating material may be formed on the surface of the acoustic matching layer, and then the coating material may be processed to a thickness of wavelength / 4.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかし、防水を施して
いない従来の超音波トランスデューサを水中または生体
内で長時間使用した場合には、各部材の境界面や音響整
合層表面から次第に水が内部に侵入し、様々な問題が生
じていた。すなわち、音響整合層がはがれたり、膨潤に
よって特性が劣化したり、電極間で電気的リークが起き
る等の不都合が生じていたのである。However, when the conventional non-waterproof ultrasonic transducer is used in water or in a living body for a long time, water is gradually absorbed from the boundary surface of each member or the surface of the acoustic matching layer. Had invaded and had various problems. That is, the acoustic matching layer was peeled off, the characteristics were deteriorated due to swelling, and electrical leaks between electrodes occurred.
【０００８】一方、前述のように防水性コーティング材
を音響整合層の表面に形成した従来の超音波トランスデ
ューサの場合には、コーティング層を形成した後でコー
ティング層の厚さを波長／４の厚さに調整しなければな
らず、時間と手間を必要としコスト高になっていた。ま
た、音響整合層と他の部材の境界から水が侵入すること
があり、防水効果は充分ではなかった。On the other hand, in the case of the conventional ultrasonic transducer in which the waterproof coating material is formed on the surface of the acoustic matching layer as described above, after the coating layer is formed, the thickness of the coating layer is the wavelength / 4 thickness. It had to be adjusted, and it was time consuming, laborious and costly. In addition, water may enter from the boundary between the acoustic matching layer and other members, and the waterproof effect was not sufficient.
【０００９】これらの問題は、超音波トランスデューサ
が小形化・高周波化され、水中や生体内での使用頻度が
高まるに従って大きな問題となり、防水性を重視した超
音波トランスデューサの提供が強く望まれていた。These problems become more serious as the size and frequency of the ultrasonic transducer are increased and the frequency of use in water or in the living body increases, and it has been strongly desired to provide an ultrasonic transducer with an emphasis on waterproofness. .
【００１０】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消し、水中で利用しても長寿命を有し、信頼性の高い
高性能の超音波トランスデューサを提供することを目的
としている。It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a highly reliable ultrasonic transducer having a long life even when used in water.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、ケースに振動
子、マッチング層、バッキング層を配置し、振動子にケ
ーブルの一端を接続した構成の超音波トランスデューサ
において、音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０
6 kg/m2 ・sec の防水性コーティング材で超音波トラン
スデューサの表面全体をコーティングしたことを特徴と
する超音波トランスデューサを要旨としている。The present invention is an ultrasonic transducer having a structure in which a vibrator, a matching layer and a backing layer are arranged in a case, and one end of a cable is connected to the vibrator, and the acoustic impedance is 1.3 to 10. 1.7 x 10
The gist of the ultrasonic transducer is that the entire surface of the ultrasonic transducer is coated with a waterproof coating material of 6 kg / m 2 · sec.
【００１２】[0012]
【作用】超音波トランスデューサの表面全体を防水性コ
ーティング材によってコーティングしているため、音響
整合層表面及び音響整合層とケースの境界面から水が直
接侵入することはない。従って、超音波トランスデュー
サの寿命及び信頼性は大幅に向上する。Since the entire surface of the ultrasonic transducer is coated with the waterproof coating material, water does not directly enter from the surface of the acoustic matching layer and the boundary surface between the acoustic matching layer and the case. Therefore, the life and reliability of the ultrasonic transducer are significantly improved.
【００１３】また、コーティング材の音響インピーダン
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。The acoustic impedance of the coating material is 1.3 to 1.7 × 10 6 kg / m 2 · sec, which is close to the acoustic impedance of water of 1.5 × 10 6 kg / m 2 · sec. Because of the value, the interface between the coating layer and the water can be substantially ignored, and it is not necessary to adjust the thickness of the coating layer after it is formed.
【００１４】[0014]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を説明する。図１は、本発明による超音波トランスデュ
ーサ１０を概念的に示す断面図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view conceptually showing an ultrasonic transducer 10 according to the present invention.
【００１５】超音波トランスデューサ１０はケース１
１、振動子１２、マッチング層１５、バッキング層１
６、ケーブル１７で構成されている。ケース１１は、全
体的に円筒形状をしているが、多角柱形状に形成するこ
ともできる。ケース１１の頂部には振動子を保持するた
めの凸所１１ａが設けてあり、そこに振動子１２が固定
されている。ケース１１の寸法は例えば外径１２ｍｍ、
内径９ｍｍ、長さ１０ｍｍに設定でき、凸所１１ａは直
径１０ｍｍ、深さ０．２ｍｍに形成できる。The ultrasonic transducer 10 is a case 1
1, vibrator 12, matching layer 15, backing layer 1
6 and a cable 17. The case 11 has a cylindrical shape as a whole, but may be formed in a polygonal prism shape. A convex portion 11a for holding the vibrator is provided on the top of the case 11, and the vibrator 12 is fixed thereto. The size of the case 11 is, for example, an outer diameter of 12 mm,
The inner diameter can be set to 9 mm and the length can be set to 10 mm, and the protrusion 11a can be formed to have a diameter of 10 mm and a depth of 0.2 mm.
【００１６】振動子１２は圧電材料、例えば比誘電率ε
／ε0 ＝２０００、結合係数Ｋt ＝５０％のＰＺＴ系圧
電材料で形成する。また、この振動子１２は５ＭＨｚ用
であり、寸法形状は外径１０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍであ
る。The vibrator 12 is a piezoelectric material, for example, a relative permittivity ε.
/ Ε 0 = 2000 and a coupling coefficient K t = 50% of PZT-based piezoelectric material. The vibrator 12 is for 5 MHz, and has a dimension and shape of 10 mm in outer diameter and 0.4 mm in thickness.
【００１７】振動子１２の音波放射面側及び背面側には
それぞれ電極１３，１４が形成され、さらに放射面側か
ら背面側にかけては回し込み電極１３ａが形成されてい
る。電極１３，１４，１３ａは振動子２に銀ペーストを
塗布して焼き付けたもので、厚さは例えば１０μｍに設
定してある。また放射面側電極の外径は１０ｍｍ、背面
側電極の外径は８ｍｍに設定してあるが、背面側電極の
一部は切り欠かれそこに回し込み電極１３ａが形成され
ている。また、振動子１２は、超音波放射面側がグラン
ド側になるように分極処理されている。Electrodes 13 and 14 are formed on the sound wave emitting surface side and the back surface side of the vibrator 12, respectively, and a wrap-around electrode 13a is further formed from the emitting surface side to the back surface side. The electrodes 13, 14 and 13a are obtained by applying a silver paste to the vibrator 2 and baking the vibrator 2, and the thickness thereof is set to, for example, 10 μm. The outer diameter of the radiation surface side electrode is set to 10 mm, and the outer diameter of the back surface side electrode is set to 8 mm, but a part of the back surface side electrode is cut out and the winding electrode 13a is formed therein. Further, the vibrator 12 is polarized so that the ultrasonic wave emitting surface side is on the ground side.
【００１８】振動子１２の放射面側には、音響整合層１
５が配置されている。音響整合層１５は、例えばフィラ
ー材入りエポキシ樹脂で構成され、外径は１２ｍｍ、厚
さは０．２ｍｍに設定されている。振動子１２の背面側
にはフィラー材入り軟質エポキシ樹脂で構成されたバッ
キング層１６が形成されている。また、電極１４及び回
し込み電極１３ａにはケーブル１７からのリード線１
８，１９が接続されている。The acoustic matching layer 1 is provided on the radiation surface side of the vibrator 12.
5 are arranged. The acoustic matching layer 15 is made of, for example, an epoxy resin containing a filler material, and has an outer diameter of 12 mm and a thickness of 0.2 mm. A backing layer 16 made of a soft epoxy resin containing a filler material is formed on the back surface side of the vibrator 12. In addition, the lead wire 1 from the cable 17 is connected to the electrode 14 and the winding electrode 13a.
8 and 19 are connected.
【００１９】超音波トランスデューサ１０の外表面は、
フッ素ポリマー系の防湿コーティング材２０で被覆され
ている。コーティング材２０の音響インピーダンスは
１．５×１０6 kg/m2 ・sec 、絶縁破壊電圧は１００Ｋ
Ｖ／ｍｍである。コーティング材２０の厚さは、超音波
トランスデューサの電気的安全性を考慮して０．１ｍｍ
程度に設定してある。音響特性的にはコーティング材２
０の厚さは特に制限されない。従って、コーティング材
２０の被覆工程は非常に簡単である。すなわち、超音波
プローブをコーティング材の溶液に浸して取りだした
後、自然乾燥して硬化させるだけで良い。The outer surface of the ultrasonic transducer 10 is
It is covered with a moisture-proof coating material 20 of a fluoropolymer type. The acoustic impedance of the coating material 20 is 1.5 × 10 6 kg / m 2 · sec, and the dielectric breakdown voltage is 100K.
V / mm. The thickness of the coating material 20 is 0.1 mm considering the electrical safety of the ultrasonic transducer.
It is set to a degree. In terms of acoustic characteristics, coating material 2
The thickness of 0 is not particularly limited. Therefore, the coating process of the coating material 20 is very simple. That is, it is sufficient to immerse the ultrasonic probe in the coating material solution, take it out, and then naturally dry and cure it.
【００２０】図１に示した超音波トランスデューサと従
来の超音波トランスデューサを用いて環境性能試験を行
った。試験では、超音波トランスデューサを温水中に長
時間放置して、感度の劣化並びに故障の発生状況を調べ
た。Environmental performance tests were conducted using the ultrasonic transducer shown in FIG. 1 and a conventional ultrasonic transducer. In the test, the ultrasonic transducer was left in hot water for a long time, and the deterioration of sensitivity and the occurrence of failure were examined.
【００２１】感度劣化の様子を図２に示す。図２から明
らかなように、従来例では１００時間をすぎると感度が
大幅に低下したのに対し、実施例では１０，０００時間
経過後でも感度の劣化は小さかった。The state of sensitivity deterioration is shown in FIG. As is clear from FIG. 2, in the conventional example, the sensitivity was significantly lowered after 100 hours, whereas in the example, the sensitivity was not significantly deteriorated even after 10,000 hours.
【００２２】また、故障に関しては、１００００時間経
過後の電極リード又はマッチング層の剥がれによる故障
発生件数を調べた。その結果、従来品では１０個のサン
プルのうち４個に故障が発生していたが、本発明の実施
例では１０個のサンプルのうち故障は見られなかった。As for failures, the number of failures caused by peeling of the electrode leads or the matching layer after 10,000 hours was examined. As a result, in the conventional product, a failure occurred in 4 out of 10 samples, but in the example of the present invention, no failure was found in the 10 samples.
【００２３】次に、コーティング層の音響インピーダン
スと特性劣化の関係を調べた。すなわち、音響整合層表
面に形成するコーティング層の音響インピーダンスを変
化させ、超音波トランスデューサの感度変化率を測定し
た。なお、コーティング層の厚さは調整しなかった。結
果を図３に示した。感度の変化率はコーティング層を設
けない場合の感度を基準にしており、縦軸では変化率０
が基準になっている。図３を見ると、コーティング材の
音響インピーダンスが１．３〜１．７×１０6kg/m2 ・s
ec の範囲では、コーティング層を設けない場合と同等
の感度特性が得られることが判る。従って、コーティン
グ層の厚さを調整する必要はない。一方、この範囲外で
は感度特性が低下するため、コーティング層の厚さ調整
が必要となり手間がかかると共にコスト高になる。Next, the relationship between the acoustic impedance of the coating layer and the characteristic deterioration was investigated. That is, the acoustic impedance of the coating layer formed on the surface of the acoustic matching layer was changed, and the rate of change in sensitivity of the ultrasonic transducer was measured. The thickness of the coating layer was not adjusted. The results are shown in Fig. 3. The rate of change in sensitivity is based on the sensitivity when no coating layer is provided, and the vertical axis indicates the rate of change of 0.
Is the standard. Looking at FIG. 3, the acoustic impedance of the coating material is 1.3 to 1.7 × 10 6 kg / m 2 · s.
It can be seen that in the range of ec, the sensitivity characteristic equivalent to the case where no coating layer is provided is obtained. Therefore, it is not necessary to adjust the thickness of the coating layer. On the other hand, if the thickness is out of this range, the sensitivity characteristic is deteriorated, so that it is necessary to adjust the thickness of the coating layer, which is troublesome and costly.
【００２４】このように本発明の超音波トランスデュー
サはシール性に優れ、温水中でも長寿命を有し、コーテ
ィング層の厚さ調整も不要であることが判明した。As described above, it was found that the ultrasonic transducer of the present invention has excellent sealing properties, has a long life even in hot water, and does not require adjustment of the thickness of the coating layer.
【００２５】[0025]
【発明の効果】本発明の超音波トランスデューサは、超
音波トランスデューサの表面全体を防水性コーティング
材によってコーティングしているため、音響整合層表面
及び音響整合層とケースとの境界面から水が直接侵入す
ることはない。また、仮にケーブルの引き出し部付近か
ら水が侵入したとしても、超音波の送受信に最も重要な
部材である音響整合層や振動子周辺まではかなりの距離
があるので、これらの部材の周辺まで水が侵入する恐れ
はほとんどない。従って、超音波トランスデューサの寿
命及び信頼性は大幅に向上する。In the ultrasonic transducer of the present invention, since the entire surface of the ultrasonic transducer is coated with the waterproof coating material, water directly enters from the acoustic matching layer surface and the boundary surface between the acoustic matching layer and the case. There is nothing to do. In addition, even if water enters near the cable pull-out part, there is a considerable distance to the acoustic matching layer and the periphery of the transducer, which are the most important members for transmitting and receiving ultrasonic waves. Is unlikely to enter. Therefore, the life and reliability of the ultrasonic transducer are significantly improved.
【００２６】また、コーティング材の音響インピーダン
スが１．３〜１．７×１０6 kg/m2・sec であって、水
の音響インピーダンスの１．５×１０6 kg/m2 ・sec に
近い値であるため、実質的にコーティング層と水の境界
面は無視することが可能になり、コーティング層を形成
した後でその厚さを調整する必要はない。従って、低コ
ストで超音波トランスデューサを製造できる。The acoustic impedance of the coating material is 1.3 to 1.7 × 10 6 kg / m 2 · sec, which is close to the acoustic impedance of water of 1.5 × 10 6 kg / m 2 · sec. Because of the value, the interface between the coating layer and the water can be substantially ignored, and it is not necessary to adjust the thickness of the coating layer after it is formed. Therefore, the ultrasonic transducer can be manufactured at low cost.
【００２７】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば水以外の液体中で使用できるように、コーテ
ィング材の音響インピーダンスをその液体の音響インピ
ーダンスに対応させて１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・
sec 以外の範囲に設定することもできる。また、ケーブ
ルの表面にもコーティング層を形成して良い。The present invention is not limited to the above embodiment. Corresponding to the acoustic impedance of the liquid, the acoustic impedance of the coating material is 1.3 to 1.7 × 10 6 kg / m 2 · so that it can be used in liquids other than water.
It can be set to a range other than sec. Also, a coating layer may be formed on the surface of the cable.
【図１】本発明による超音波トランスデューサの実施例
を概念的に示す断面図。FIG. 1 is a sectional view conceptually showing an embodiment of an ultrasonic transducer according to the present invention.
【図２】本発明の他の実施例を概念的に示す断面図。FIG. 2 is a sectional view conceptually showing another embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施例と従来例に関する環境性能試験
の結果を示すグラフ。FIG. 3 is a graph showing the results of environmental performance tests relating to an example of the present invention and a conventional example.
１０ 超音波トランスデューサ １１ ケース １２ 振動子 １３ 放射側電極 １３ａ 回し込み電極 １４ 背面側電極 １５ マッチング層 １６ バッキング層 １７ ケーブル １８ 信号側リード線 １９ グランド側リード線 ２０ コーティング層 ◆ 10 Ultrasonic Transducer 11 Case 12 Transducer 13 Radiating Side Electrode 13a Rotating Electrode 14 Back Side Electrode 15 Matching Layer 16 Backing Layer 17 Cable 18 Signal Side Lead Wire 19 Ground Side Lead Wire 20 Coating Layer ◆
Claims (1)
ング層を配置し、振動子にケーブルの一端を接続した構
成の超音波トランスデューサにおいて、音響インピーダ
ンスが１．３〜１．７×１０6 kg/m2 ・sec の防水性コ
ーティング材で超音波トランスデューサの表面全体をコ
ーティングしたことを特徴とする超音波トランスデュー
サ。1. An ultrasonic transducer having a structure in which a vibrator, a matching layer, and a backing layer are arranged in a case, and one end of a cable is connected to the vibrator, and the acoustic impedance is 1.3 to 1.7 × 10 6 kg / An ultrasonic transducer characterized by coating the entire surface of the ultrasonic transducer with a waterproof coating material of m 2 · sec.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26408292A JPH0690498A (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Ultrasonic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26408292A JPH0690498A (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Ultrasonic transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0690498A true JPH0690498A (en) | 1994-03-29 |
Family
ID=17398271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26408292A Pending JPH0690498A (en) | 1992-09-08 | 1992-09-08 | Ultrasonic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0690498A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006157771A (en) * | 2004-12-01 | 2006-06-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic transducer and flow measuring apparatus of fluid using it |
| JP2010508003A (en) * | 2007-12-04 | 2010-03-11 | ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− | Improvements to sonar baffles and backing |
-
1992
- 1992-09-08 JP JP26408292A patent/JPH0690498A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006157771A (en) * | 2004-12-01 | 2006-06-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic transducer and flow measuring apparatus of fluid using it |
| JP2010508003A (en) * | 2007-12-04 | 2010-03-11 | ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− | Improvements to sonar baffles and backing |
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