JPH0693021B2 - 低周波水中超音波送波器 - 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
る低周波でハイパワーの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、ソーナー、海洋資源探査、海流の調査等の分野で
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
動電形トランスジューサと圧電形トランスジューサが知
られている。動電形トランスジューサは、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
のトランスジューサを得ることは極めて困難である。こ
れに対し圧電形トランスジューサでは、電気機械変換材
料としてジルコンチタン酸鉛系圧電磁器が用いられてお
り、圧電磁器は水に比べて約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が音響放射
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。以下、従来の圧電形トランジューサにつ
いて説明する。

水中に於いて強力超音波を送波するトランスジューサと
してボルト締めランジュバントランスジューサが3kHz〜
数10kHzの周波数帯において積極的に用いられているこ
とは周知の通りである。しかしながらこのトランスジュ
ーサを3kHz以下の低周波帯で動作させようとする場合、
変位拡大機構を持たないために、重量、寸法があまりに
も大きくなりすぎ実用に供しなくなるといった欠点を有
している。

そこで低周波数帯において小型化のはかれるトランスジ
ューサとして、例えばアイ・イー・イー・トランザクシ
ョン・オン・ウルトラソニクスエンジニアリング（IEEE
Trans.on Ultrasonics Engineering）、pp116-124（19
63.11）に記載されているような第５図に示す円板の屈
曲振動を利用した屈曲形トランスジューサ、あるいはジ
ャーナル・オブ・アコースティック・ソサエティ・オブ
・アメリカ（J.Acoust.Soc.Am.）.Vol.68.No4.pp.1046-
1052（1980.10）に記載されているような第６図に示す
楕円形シェルを用いた屈曲伸びトランスジューサが知ら
れている。

（従来技術の問題点） 第５図に示した円形平板を用いた屈曲トランスジューサ
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５図において10はジルコンチタン酸鉛
系圧電磁器板、11はニッケル、ステンレススチールなど
の金属板であり、10,11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
はキャビティ、13はハウジングケースである。しかしな
がら、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ってバイモルフ
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
が十分ではなく、ハイパワー送波には適していない。ま
た、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。

第６図に示した屈曲伸びトランスジューサは圧電磁器柱
状体20が長軸方向に伸び変位をしたときに、シェル21が
図中の二重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トランスジューサで
ある。（楕円シェルの４分の１部分だけ変位を矢印で示
す）このトランスジューサは楕円シェルを音響放射体に
用いているため、構造的にバイモルフ円板より大きな剛
性が得られることから、第５図のバイモルフ円板を用い
たトランスジューサよりハイパワー送波に優れたトラン
スジューサであるとされている。しかしながら、第６図
に示した屈曲伸びトランスジューサの性能には楕円シェ
ルの強い形状依存性がある。長径ｂに比べて短径ａが小
さい、換言すれば離心率の大きい扁平な楕円シェルほ
ど、理論的には変位拡大率が増加し、音響放射効率も良
くなる。

ところが不幸にして、以下に示す理由により、この楕円
シェルは任意の形状をとることができない。まず第１
に、形状が扁平になるほどますます応力がシェルの曲率
が大きな部分近辺に集中すること。第２に圧電磁器や電
子機器の収納スペースをとらなければならないことによ
る。このようなことから、実用上長径に対する短径の比
a/bを0.3以下にすることは不可能である。従って、圧電
磁器柱状体20の変位に対して、楕円シェルの最大に変位
する部分は短軸の部分であるが、a/bを0.3以上としなけ
ればならないことにより、この部分はせいぜい５〜７倍
の変位が発生するにすぎない。また、このトランスジュ
ーサ短軸部分と長軸部分の変位の方向が全く逆であるた
め、媒質排除に関してそれだけ無駄な動きが大きいわけ
である。即ち、短軸部分の変位の割には媒質排除が小さ
く、楕円シェルの表面積で平均すると音響放射に有効な
平均変位は最大変位より相当小さくなるという欠点があ
る。

（発明の目的） 本発明は、このような従来のトランスジューサの欠点を
除去せしめて、低周波数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にある。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、本発明は、筒状のキャビネ
ットの両端面を放射面とし、該放射面に剛体ピストン振
動を行う２個のピストン音響放射体を有する水中音響送
波器において、該筒状のキャビネット内部に圧電磁器を
用いたアクティブ柱状体と、アクティブ柱状体を挟んで
左右対称の位置に２個の非アクティブ柱状体を配置し２
個の非アクティブ柱状体の両端部にそれぞれ１個のヒン
ジを有し、アクティブ柱状体の両端部にそれぞれ２個の
ヒンジを有し、それぞれアクティブ柱状体の端部に設け
られた１個のヒンジと非アクティブ柱状体の端部に設け
られた１個のヒンジを１組とし１つのレバーに接続し、
ヒンジとレバーとからなる合計４個の変位拡大機構と
し、各ピストン音響放射体は、出力端の変位方向が同一
である２個のレバーと連結棒を介して連結されている低
周波水中超音波送波器である。

（構成の詳細な説明） 本発明の送波器は変位拡大機構と音響放射体を有する構
成とすることにより、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。

第１図は本発明の送波器の一構成例を示したもので、第
１図の送波器の動作原理について詳細に説明する。図に
おいて31は圧電磁器を用いたアクティブ柱状体で、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。２つの非アクティプ柱状体32がアクティブ柱
状体に沿って配置される。この２種の柱状体の両端には
ヒンジ33が取付けられ、さらにヒンジ33にはレバー34が
接続している。レバー34の剛体回転を良く行うため、非
アクティブ柱状体32は縦変位に関して剛性が大きくなる
ように設計される。ヒンジ33は、縦変位に関しては比較
的剛性が大きく、（レバー34が回転したときヒンジ33は
撓み変位を行うことになるが）撓み変位に対しては柔軟
であるように設計される。またレバー34は縦変位に対し
ても撓み変位に対しても完全剛体に近いほど優れている
ことは言うまでもない。即ち、このヒンジ33とレバー34
はてこの原理に基き、アクティブ柱状体の縦変位を大き
なものに拡大する働きをする。変位拡大率は周知の如く
ほぼアクティブ柱状体31からでているヒンジと非アクテ
ィブ柱状体から出ているヒンジの間隔と非アクティブ柱
状体から出ているヒンジとレバーの出力点との距離の比
で決定される。従って変位拡大率は、幾何学的形状を変
えることにより、設計上任意に設定することができるわ
けである。さらにレバーの出力点における拡大された変
位は、レバー34に接続する連結棒35でピストン音響放射
体36に伝達され効率の良い音響放射ができる。なお、ピ
ストン音響放射体36がピストン振動するためには、本低
周波送波器の送波周波数よりピストン音響放射体36自身
の屈曲振動の固有周波数を十分高く設計することが不可
欠であり、この場合において、ピストン音響放射体36の
放射面の位相が揃ったピストン放射面とすることができ
る。

本発明の送波器は、アクティブ柱状体の微小変位が、変
位拡大機構を通して音響放射端において大きな変位が出
力され、高効率の音響放射が可能であるという長所を有
しているわけであるが、この他にもレバー34、ピストン
音響放射体36の質量をアクティブ柱状体側に換算する
と、その等価質量がほぼ変位拡大率の２乗倍としなるの
で、34,36の実際の質量が小さくとも、等価質量を大き
くすることができるため、著しい低周波化を図ることが
できる。また、本発明の送波器では、レバー34やピスト
ン音響放射体36の質量は変位拡大率と独立に任意に設定
することができるという長所を有しており、これは従来
の平板及びシェルを用いた変位拡大機構にはないもので
ある。なぜなら、平板やシェルを用いた送波器では、等
価質量を増加させる場合、平板やシェルの板厚を増す方
向にもって行かざるを得ないが、この場合剛性が増しか
えって共振周波数が上昇するといった結果を招くからで
ある。一方、従来の送波器では板厚を薄くした場合は、
共振周波数が低下する反面、音響放射に必要な剛性を保
持することができないなどといった欠点がある。

なお、第１図の37はO-リングを示しており、ピストン音
響放射体36のピストン運動を妨げることなく、またキャ
ビネット38と滑らかな接触を得るために適時設けられ
る。また第１図において連結棒35はレバー34の内側から
突き出ており、非アクティブ柱状体32、アクティブ柱状
体31、レバー34を経由してピストン音響放射体36に連結
されている。この場合、連結棒35と32,31,34とは機械的
接触のないように32,31,34の位置を避けるか非アクティ
ブ柱状体32及びレバー34に穴をあけてその穴を貫通する
ようにすべきである。アクティブ柱状体を構成している
圧電セラミックスは張力に対して弱いが圧力に対しては
極めて強靭であるが、これを勘案して第１図では送波器
が静水圧にさらされた場合、アクティブ柱状体に圧力が
働くような構造となっている。

即ち、このような構造をとることにより、第１図の送波
器は浅深度において、キャビネット38の内外圧の圧力バ
ランスをとらなくとも全く支障なく動作することができ
る。

以上、第１図に示したレバー34の内側から連結棒35が出
ている構成の送波器について説明したが、レバー34の外
側から連結棒が出ている第２図に示すような構造の送波
器も勿論可能である。この場合、静水圧が音響放射体に
働いたとき、アクティブ柱状体31には張力が働く。しか
しながら、浅深度で動作させる場合においては、あらか
じめアクティブ柱状体31にボルト等で圧力を加える機構
を取り入れることによりこの問題を解決することができ
る。浅深度で動作させる場合、圧力バランス構造とする
必要があるが、これは第１図に示した送波器についても
同様に必要であることは言うまでもない。

一方、アクティブ柱状体31とピストン音響放射体36とが
直交して配置される構成の送波器も可能であり、それを
第３図及び第４図に示す。第３図に示した送波器は第１
図に示した送波器、第４図に示した送波器は第２図に示
した送波器と全く同様の動作を行うことは言うまでもな
い。なお前記の例は音響放射体が２つの例であるが音響
放射体が１つの構成、さらに変位拡大機構部が柱状体端
部に３以上形成される構成も本発明に含まれる。

（実施例） 本発明の一実施例として、第１図に示した水中超音波送
波器について説明する。電気機械結合係数k₃₃が0.61、
比誘電率εT₃₃/ε_０が1080のジルコンチタン酸鉛系圧電
セラミックスと内部電極とが交互に積層されたアクティ
ブ柱状体31を作製し、ヒンジ32、レバー34、連結棒35に
は高張力鋼、ピストン音響放射体36にはアルミ合金を用
いた。ピストン音響放射体36は直径50cmの円形をしてお
り、この送波器の変位拡大率は約６倍となっている。ま
た、キャビネット38はFRP製で、送波器全体の重量は43K
gである。次にこの送波器を水面下20mに沈めて共振周波
数を測定したところ350Hzを得た。また、ハイパワー駆
動を行ったとこを音響放射面から1m離れたところで音圧
を測定したところ容易に180dB re 1μPa以上の音圧を得
ることができた。

尚、従来のボルト締めランジュバン振動子を用いて共振
周波数が350Hzのハイパワー送波器を実現しようとする
と、理論的に質量は500Kg以上となり実用に供し得な
い。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明に従えば、小型軽量でかつ音
響放射効率の優れた低周波ハイパワー送波器を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図は本発明一構成例を示
す図、第５図は従来の屈曲トランスジューサを示す図、
第６図は従来の屈曲伸びトランスジューサを示す図。 図において、10は圧電磁器板、11は金属板、12はキャビ
ティ、13はケース、20は圧電磁器柱状体、21は楕円シェ
ル、31はアクティブ柱状体、32は非アクティブ柱状体、
33はヒンジ、34はレバー、35は連結棒、36はピストン音
響放射体、37はO-リング、38はキャビネット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状のキャビネットの両端面を放射面と
   し、該放射面に剛体ピストン振動を行う２個のピストン
   音響放射体を有する水中音響送波器において、該筒状の
   キャビネット内部に圧電磁器を用いたアクティブ柱状体
   と、アクティブ柱状体を挟んで左右対称の位置に２個の
   非アクティブ柱状体を配置し２個の非アクティブ柱状体
   の両端部にそれぞれ１個のヒンジを有し、アクティブ柱
   状体の両端部にそれぞれ２個のヒンジを有し、それぞれ
   アクティブ柱状体の端部に設けられた１個のヒンジと非
   アクティブ柱状体の端部に設けられた１個のヒンジを１
   組として１つのレバーに接続し、ヒンジとレバーとから
   なる合計４個の変位拡大機構とし、各ピストン音響放射
   体は、出力端の変位方向が同一である２個のレバーと連
   結棒を介して連結されていることを特徴とする低周波水
   中超音波送波器。