JPS5851477B2 - 超音波送受波器アレイ - Google Patents
超音波送受波器アレイInfo
- Publication number
- JPS5851477B2 JPS5851477B2 JP1922280A JP1922280A JPS5851477B2 JP S5851477 B2 JPS5851477 B2 JP S5851477B2 JP 1922280 A JP1922280 A JP 1922280A JP 1922280 A JP1922280 A JP 1922280A JP S5851477 B2 JPS5851477 B2 JP S5851477B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- array
- ultrasonic transducer
- baffle
- sound
- array element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/08—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction
- B06B1/085—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction using multiple elements, e.g. arrays
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は感度のばらつきが小さくかつ単一指向性（モノ
ボール）を示す超音波送受波器エレメントの配列構造に
関するものである。
ボール）を示す超音波送受波器エレメントの配列構造に
関するものである。
媒質内における超音波情報を送受する場合に用いられる
超音波振動子の多数個配列である超音波送受波器アレイ
においては、アレイそのものの物理的な存在が音波の擾
乱要素となることが知られている。
超音波振動子の多数個配列である超音波送受波器アレイ
においては、アレイそのものの物理的な存在が音波の擾
乱要素となることが知られている。
従来においては金属の様な剛体に超音波振動子をうめこ
んだ構造のアレイが一般的であったが、このような構造
においては、はぼ完全反射体である剛体がバッフルとし
ての効果を示すものの、その剛体が有限の大きさである
ために音波の回折現象をおこす。
んだ構造のアレイが一般的であったが、このような構造
においては、はぼ完全反射体である剛体がバッフルとし
ての効果を示すものの、その剛体が有限の大きさである
ために音波の回折現象をおこす。
回折現象とはその剛体の存在そのものによる音波の擾乱
現象であり、超音波振動子の配列されている面における
音圧分布が不均一となる現象を示す。
現象であり、超音波振動子の配列されている面における
音圧分布が不均一となる現象を示す。
したがってほぼ剛体とみなせる圧電振動子などで形成さ
れる超音波振動子すなわちアレイエレメントに加わる音
圧も、個々のアレイエレメントのバッフルに対する存在
位置によって異なるものとなり、それらのアレイエレメ
ントによって音響電気変換された個別信号は媒質内の超
音波情報をひずみなく代表するものとはいいがたいとい
う欠点があった。
れる超音波振動子すなわちアレイエレメントに加わる音
圧も、個々のアレイエレメントのバッフルに対する存在
位置によって異なるものとなり、それらのアレイエレメ
ントによって音響電気変換された個別信号は媒質内の超
音波情報をひずみなく代表するものとはいいがたいとい
う欠点があった。
このことは、個々のアレイエレメントの指向性にも影響
を与え、単一指向性を示すことがなく、アレイエレメン
トの配列面に直角な方位±９０″の範囲内において急峻
な指向性のおちこみ現象を示すものとなっている。
を与え、単一指向性を示すことがなく、アレイエレメン
トの配列面に直角な方位±９０″の範囲内において急峻
な指向性のおちこみ現象を示すものとなっている。
以上のことをさらに詳しく説明してみよう。
今、水中音響における受波器としての動作について説明
する。
する。
アレイエレメントである超音波振動子はほぼ完全剛体と
みなしてもよい。
みなしてもよい。
（例えば圧電振動子は水の２０倍の音響インピーダンス
を有する。
を有する。
）完全剛体の無限大バッフル中のアレイエレメントが１
個ある場合に加わる音圧Ｐ、は正面方向から音波が入射
した場合入射音圧Ｐ。
個ある場合に加わる音圧Ｐ、は正面方向から音波が入射
した場合入射音圧Ｐ。
を用いて次のように表わせる。
ここでＺｗは水の音響インピーダンス、Ｚｌはアレイエ
レメントの自己放射音響インピーダンスである。
レメントの自己放射音響インピーダンスである。
アレイエレメントが多数個ある場合にｍ番目に加わる音
圧Ｐｍは、ｍ番目のエレメントとｎ番目のエレメントの
間の相互放射音響インピーダンスＺｍ−ｎの影響により なる音圧がｍ番目のアレイエレメントに加わる。
圧Ｐｍは、ｍ番目のエレメントとｎ番目のエレメントの
間の相互放射音響インピーダンスＺｍ−ｎの影響により なる音圧がｍ番目のアレイエレメントに加わる。
ここで、ｍ”ｎの場合は自己放射音響インピーダンスと
なる。
なる。
有限の音響インピーダンスを有する有限大のパンフル面
内にあるアレイエレメントの場合に加わる音圧は とあられされる。
内にあるアレイエレメントの場合に加わる音圧は とあられされる。
ここで、Ｐｏ′はバッフルの反射波であり、一般にパン
フルの音響インピーダンスと形状ならびにバッフル面の
位置によって大きく変化する成分であり、完全剛体の有
限バッフルの場合−Ｐｏ〜＋Ｐｏの間で変化する。
フルの音響インピーダンスと形状ならびにバッフル面の
位置によって大きく変化する成分であり、完全剛体の有
限バッフルの場合−Ｐｏ〜＋Ｐｏの間で変化する。
したがってアレイエレメントに加わる音圧Ｐは
２Ｐｍ〜２Ｐ。
の間で変化する。
無限大のパンフルであればアレイエレメントに加わる音
圧は２Ｐｏであり、一定となるが、無限大とみなせるバ
ッフルは実際上ありえない。
圧は２Ｐｏであり、一定となるが、無限大とみなせるバ
ッフルは実際上ありえない。
本発明の目的はこれらの欠点を除去するために、バッフ
ルを軟構造とするとともにアレイニレメントの半径を音
場媒質同音波の波長の約−以下すな０ わち、 Ｋａ≦０．６（ｋは波数、ａは半径） に限定したものである。
ルを軟構造とするとともにアレイニレメントの半径を音
場媒質同音波の波長の約−以下すな０ わち、 Ｋａ≦０．６（ｋは波数、ａは半径） に限定したものである。
その目的はアレイエレメントの指向性を単一指向性とす
るとともに、個々のアレイエレメントの感度のばらつき
を軽減し、媒質内の超音波情報をひずみなく送受しよう
とするものであり、以下詳細に説明する。
るとともに、個々のアレイエレメントの感度のばらつき
を軽減し、媒質内の超音波情報をひずみなく送受しよう
とするものであり、以下詳細に説明する。
第１図は本発明の実施例であって、１は半径が水中音波
の波長の約す以下の超音波振動子、２はキルクゴム板、
３は筐体、４は防水モールド、５は附属電子回路、６は
伝送ケーブル、１はり−ド線。
の波長の約す以下の超音波振動子、２はキルクゴム板、
３は筐体、４は防水モールド、５は附属電子回路、６は
伝送ケーブル、１はり−ド線。
有限の音響インピーダンスを有するバッフルの場合は、
その音響インピーダンスで決まる反射率ｒによってアレ
イエレメントに加わる音圧ＰはＰ二（１＋ ｒ ） Ｐ
ｏ 十（１ｒ ） Ｐｆ’ｒｌ （４）とあられさ
れる。
その音響インピーダンスで決まる反射率ｒによってアレ
イエレメントに加わる音圧ＰはＰ二（１＋ ｒ ） Ｐ
ｏ 十（１ｒ ） Ｐｆ’ｒｌ （４）とあられさ
れる。
完全軟バッフルの場合はｒ−−１であるからＰ−２Ｐｒ
１１（５） とあられされる。
１１（５） とあられされる。
第１図は、（５）式をほぼ満足するような構造を示す。
入射した音波はキルクゴム板２によって反射されキルク
ゴム板面上の音圧はほぼ零に近くなる。
ゴム板面上の音圧はほぼ零に近くなる。
超音波振動子１に加わる音圧は振動子がほぼ完全剛体の
ため２倍となる。
ため２倍となる。
超音波振動子１に加わった音圧は音響電気変換され附属
電子回路５で増幅処理され伝送ケーブル６で陸上に伝送
される。
電子回路５で増幅処理され伝送ケーブル６で陸上に伝送
される。
完全な軟構造は実際上困難であるが、パンフルを音場媒
質の固有音響インピーダンスより小なる値の材質たとえ
ばキルクゴム板のように音響インピーダンスが音場媒質
である水に比して百程度のものでも十分であることを実
験的に確認しである。
質の固有音響インピーダンスより小なる値の材質たとえ
ばキルクゴム板のように音響インピーダンスが音場媒質
である水に比して百程度のものでも十分であることを実
験的に確認しである。
キルクコム板をバッフルとして用いた場合には±９０°
方向つまりアレイの配列面と平行な方向からきた音波に
対してはキルクゴム板が音圧をうちけす効果を示すので
アレイエレメントの指向性は±９０°方向で感度の小さ
い指向性つまり単一指向性を示すことになる。
方向つまりアレイの配列面と平行な方向からきた音波に
対してはキルクゴム板が音圧をうちけす効果を示すので
アレイエレメントの指向性は±９０°方向で感度の小さ
い指向性つまり単一指向性を示すことになる。
キルクゴム板による有限大のバッフルの場合は前述の音
圧うちけしの効果がアレイエレメントの位置によって異
なるもののその変動はあまり大きくなく実際上有限大で
あることの影響は小さい。
圧うちけしの効果がアレイエレメントの位置によって異
なるもののその変動はあまり大きくなく実際上有限大で
あることの影響は小さい。
キルクゴム板をパンフルにすることによって単一指向性
の送受波器アレイは実現できるものの、そのアレイエレ
メントの感度はアレイエレメントの周囲にある他のアレ
イエレメントの影響をうけることが（５）式と（２）式
によって理解できよう。
の送受波器アレイは実現できるものの、そのアレイエレ
メントの感度はアレイエレメントの周囲にある他のアレ
イエレメントの影響をうけることが（５）式と（２）式
によって理解できよう。
例えば第２図に示すような４×４の平面アレイを考えて
みる。
みる。
ここで第２図は第１図の構造例の音波の入射面における
アレイエレメントの配置図である。
アレイエレメントの配置図である。
１はアレイエレメントである。他のアレイエレメントの
影響すなわち相互放射音響インピーダンスの影響は隣接
エレメントが支配的であるから、これらのアレイエレメ
ントを相互放射音響インピーダンスの値に応じて第２図
のようにＡ。
影響すなわち相互放射音響インピーダンスの影響は隣接
エレメントが支配的であるから、これらのアレイエレメ
ントを相互放射音響インピーダンスの値に応じて第２図
のようにＡ。
Ｂ、Ｃの３種に区分することができる。
１、
キルクゴム板のバッフルに配列間隔７波長テナらべられ
た平面アレイでは、アレイエレメントの感度の差はＡ、
Ｃ間が最大でｋａ＝０．６で１ｄＢ。
た平面アレイでは、アレイエレメントの感度の差はＡ、
Ｃ間が最大でｋａ＝０．６で１ｄＢ。
Ｋ＝１．５で４ｄＢとなる。
Ｋａ＜０．６では感度差は１ｄＢ以下となる。
以上詳細に説明したように、この実施例ではキルクゴム
板２がバッフルとして用いられ、しかもＫａく０．６つ
まり超音波振動子（アレイニレメント）１の半径が超音
波の波長の約乃以下であるから、アレイエレメントの指
向性が単一指向性であり、アレイエレメント相互の感度
のばらつきが小さいこととなる。
板２がバッフルとして用いられ、しかもＫａく０．６つ
まり超音波振動子（アレイニレメント）１の半径が超音
波の波長の約乃以下であるから、アレイエレメントの指
向性が単一指向性であり、アレイエレメント相互の感度
のばらつきが小さいこととなる。
したがって媒質内の超音波情報をひずみなく送受するこ
とができる利点を有する。
とができる利点を有する。
また、第１図の附属電子回路５が増幅器である場合につ
いて説明をしたが、もちろんＡＤ変換や信号処理機能を
も含む回路であってもさしつかえない。
いて説明をしたが、もちろんＡＤ変換や信号処理機能を
も含む回路であってもさしつかえない。
また、送波器アレイとしての動作を必要とする場合には
送信機能を附属電子回路１５にもたせればよく、可逆定
理により受波器アレイとしての動作と同様の効果を示す
。
送信機能を附属電子回路１５にもたせればよく、可逆定
理により受波器アレイとしての動作と同様の効果を示す
。
本発明はキルクゴムをバッフルとしているとともにアレ
イエレメントの音響放射面が波長の約す以下であるので
、有限バッフルの影響が小さく、相互放射インピーダン
スの影響も小さい。
イエレメントの音響放射面が波長の約す以下であるので
、有限バッフルの影響が小さく、相互放射インピーダン
スの影響も小さい。
したがって、アレイエレメントは単一指向性を示し、感
度のばらつきも小さいので媒質内に超音波情報をひずみ
なく送受できる超音波送受波器アレイである。
度のばらつきも小さいので媒質内に超音波情報をひずみ
なく送受できる超音波送受波器アレイである。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図におけるアレイエレメントの配置図である。 １・・・・・・超音波振動子、２・・・・・・キルクゴ
ム板、３・・・・・・筐体、４・・・・・・防水モール
ド、５・・・・・・附属電子回路。
図におけるアレイエレメントの配置図である。 １・・・・・・超音波振動子、２・・・・・・キルクゴ
ム板、３・・・・・・筐体、４・・・・・・防水モール
ド、５・・・・・・附属電子回路。
Claims (1)
- １ バッフルを有するアレイエレメントで構成された超
音波送受波器アレイにおいて、音場媒質の固有音響イン
ピーダンスより小なる値の材質で構成したバッフルと、
このバッフルと同一面上にあって音場媒質における音波
の波長の約７の間隔で配置するとともに音響放射面の半
径を音場媒質における音波の波長の約ω以下とした複数
のアレイエレメントを備えたことを特徴とする超音波送
受波器アレイ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1922280A JPS5851477B2 (ja) | 1980-02-20 | 1980-02-20 | 超音波送受波器アレイ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1922280A JPS5851477B2 (ja) | 1980-02-20 | 1980-02-20 | 超音波送受波器アレイ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56116392A JPS56116392A (en) | 1981-09-12 |
| JPS5851477B2 true JPS5851477B2 (ja) | 1983-11-16 |
Family
ID=11993333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1922280A Expired JPS5851477B2 (ja) | 1980-02-20 | 1980-02-20 | 超音波送受波器アレイ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5851477B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6210999A (ja) * | 1985-07-08 | 1987-01-19 | Oki Electric Ind Co Ltd | 超音波送受波器アレイ |
| JP6909988B2 (ja) * | 2015-08-31 | 2021-07-28 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 音源探査装置 |
-
1980
- 1980-02-20 JP JP1922280A patent/JPS5851477B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56116392A (en) | 1981-09-12 |
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