JPS6030298A - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、超音波を利用した測定装置、例えば超音波
流量計、超音波診断装置や非破壊検査装置等に用いられ
る超音波送受波器の改良に関する。

〈発明の背景〉 この発明の背景を、超音波流量計について、以下図面を
用いて説明する。第１図は、超音波送受波器の構造図で
、１は外部の発信回路（図示せず）よシ発信信号を受け
て超音波を発生する振動子、２は超音波を伝播させろ材
質（例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂等の有機固体）
よシ成る伝播要素（以下「シニー」という）、３は一層
または多層の１／４波長厚の媒質よシ成る音響整合層で
ある。

第２図は、第１図に示した超音波送受器を、被測定流体
５が流れる管路４に取付けた状態を示したものである。

超音波流量ｉｔは、一般に図示するように、管路４に一
対の超音波送受波器を対向して設置し、これ等一対の超
音波送受波器間で往復する超音波の到達時間差を測定す
ることにより被測定流体５の流量を測定する。

ところで、管路４の肉厚が超音波送受波器から発信され
る超音波の波長と同程度又は波長の数倍程度である場合
には、特定の肉厚を有する管路４において板波（薄い板
状の固体を伝播する波）が生じる。今所定入射角度・所
定周波数の超音波が、管路４に入射した場合を考える。

板波が生じる管路４の肉厚をそれぞれａ□ｌ　ａ２１　
ａ３とし、このａｌ。

ａ２．ａ３のｉ間付近の管路４の肉厚をす、、　ｂ２．
　ｂ３とすると、第３図に示すような超音波透過特性と
なる。図から明らかなように、板波が生じるａ□、ａ２
゜ａ３の肉厚では、透過音（受信波）電圧は大きく、ｂ
工、ｂ２．ｂ３の肉厚では透過音（受信波）電圧は小さ
くなる。図の破線は、管路４の肉厚が増大することによ
り透過音（受信波）電圧が小さくなることを表わしたも
のである。

即ち、板波の励起がうまく行なわれない肉厚を有する管
路４においては、超音波送受波器から発信された超音波
は被測定流体５まで伝達しにくい。

つまシこのような肉厚を有する管路４においては、超音
波は管路４の管壁通過の際に急激に減衰し、最悪の場合
には流量測定が不可能となる。しかし実験の結果、管路
４の肉厚に左右されることのない超音波送受波器は、音
響整合層３として理想的な音響インピーダンス（ρＣ：
ρ＝密度、Ｃ＝音速）を有する物質を使用し広帯域化を
図ることによシ実現できることが判明した。即ち周波数
帯域を広くすることによシ各周波数において離散的に生
じる板波を連続的に発生させ、第３図ｂ□、ｂ２．ｂ３
に示すような望ましくない状態の発生を防ぐことができ
る。

ここに理想的な音響インピーダンスは、振動子１の音響
インピーダンスを２１とし、シ３．−２の音響インピー
ダンスを２２とすれば、音響整合層３の最適音響インピ
ーダンス２゜は ｚ。−５Ｔ可　（１） よ請求めることができ、その結果厚さは１／４波長厚と
なることが知られている。

しかし現実には期待通シの音響インピーダンスを有する
物質を見い出すことは容易ではない。例えば音響整合層
を一層とし、超音波振動子材質をｐＺＴ　（Ｐ　＝鉛（
Ｐｂ）＋ｚ＝ジルコニウム（Ｚｒ　）　＋Ｔ＝チタン（
Ｔ１）の酸化物粉末をち密に焼結した多結晶体〕とする
と音響整合層の理想的な音響インピーダンスの値ρＣは
最適音響インピーダンスの計算式よシ４〜９　ｘ　１０
”　ｋｇ／ｍ？　Ｓ程度となる。しかしながらこのよう
な値を有し、かつ実用に耐える物質は単体では存在し彦
い。

そこで一般的にはタングステン粉末等の金属粉末をエポ
キシ樹脂等の母材樹脂に添加して平板状に固化して使用
するが、このようにして製作した音響整合層３は、任意
の音響インピーダンスｚｏを得ることが出来るものの、
次のような問題点がある。

■製作価格が高い。

■金属粉末を添加した事による品質の均一化が困難であ
る。

■音速が母材よりも小さくなるために、ＭＨｚ単位の高
周波においては、音響整合層３の厚さが極めて薄くなシ
、強度的に不十分となり取扱いも難しくなる。

■熱膨張率が振動子と大きく異なるため、接着後温度が
大きく変化すると剥離が生ずる。

■温度変化によシ音速が大きく変化するので、結果的に
厚さが１７４波長厚からずれることになシ、感度や送受
信波形も変化する。

等である。

く本発明の目的〉 この発明の目的は、上述の問題点を解決するためＫなさ
れたものであり、安価に製造することが出来、しかも管
路４の肉厚に影響されることのない超音波送受波器を提
供することにある。

〈本発明の実施例〉 以下この発明の具体的実施例を図面を用いて説明する。

シェー２の音響インピーダンスをＺ２　＃　３　ｘ　１
０６ｋｇ／ｍ　−８、振動子１の音響インピーダンスを
２１＃３０　ｘ　１０６ｋｇ／ｍ２・Ｓとすると、音響
整合層３の理想的な音響インピーダンス２゜は、 　２ Ｚｏ：（６，５−９，５）ｘｌＯｋｇ／ｍ　−３（２）
となる。しかしこのような音響インピーダンス２゜を有
する単体の音響整合層３は見出すことが出来ない。

よって、第２図に示す管路４の肉厚に影響されない特性
を有する送受波器を実現させる音響整合層３は、前述の
方法とは異なる方法でめる必要がある。

具体的にはこの発明における音響整合層３の音響インピ
ーダンス２゜の値を、振動子１の音響インピーダンスｚ
１とシＢ、−２の音響インピーダンスｚ２の幾何平均よ
シも大きな値を有するようにする。

即ち、 ｚｏ　＞　ｍ　（３） なる関係を有するようにする。この関係を満足するよう
な材質としては、ガラス等安価なものが多数存在子る。

又その厚さｄは、超音波の１波長をλで表わすと、実験
的Ｋ ｄ−λｘ（−！ｌ−±０．０７）　（４）とすれば良い
ことが判明した。

第４図は、振動子２の中心周波数ｆ。をＩ　Ｍｌｌｚと
し、音響整合層３の材質を例えば硼珪酸ガラス〔（ρ＝
　２，２３ｘｌＯ３：ｌ（ｇ／ｍ”　＃　ｃ　＝　５６
００　ｍ／ｓ　）　、　厚さ１＞λ／４　”＝　Ｌ４　
ｒｒｒｍ　）とした場合の、周波数ｆ／ｆｏに対する送
受波電圧レベルの関係を表わしたものである。

図におけるｆｌ、ｆ２の値が、第３図に示した特性にお
いて相補的な特性を示すよりにする。即ち周波数ｆｌｃ
よシ板波が励起される管路４の肉厚ａ□、ａ２゜ａ３の
中間の厚さｂ□、ｂ２．ｂ３付近で周波数ｆ２にょシ板
波が励起されるように、それぞれ翼車周波数ｆＩＩｆ２
の値を選定することで、第５図に示すように、大幅に超
音波透過特性を改善することができる。

即ち第３図に比べて透過曲線のうねりが大幅に減少し、
管路４の肉厚に影響されなくなる。これは送受波器の特
性が広く平坦な周波数特性でなくて、第５図に示すよう
な翼車特性であってもｆｌ”２の値を選定すればｆ成分
とｆ２成分が相補的に働き、超音波透過特性を改善する
ことが出来ることがわかる。即ち、（３）式の関係を有
し、厚さ會がほぼ１７４波長厚であるような音響整合層
５は、一般のガラス等によシ容易に作シ出すことができ
る。従って従来問題とされていた管路４の肉厚の影響を
この発明によシ解決でき、適用範囲の広い超音波送受波
器を安価に製作することができる。

ところで上記実施例では第３図に示すような管路４の肉
厚が問題となる場合について述べたが、非破壊検査等に
用いられる超音波探触子では、短かくて鋭いパルスの実
現が第１に望まれることが多い。この場合の音響整合層
の厚さについて以下に述べる。

前記（３）式の関係を有する音響整合層５を用い、この
音響整合層３の厚さを変化させると第６図に示す送受信
波形及び第７図と第８図に示すような特性となる。第６
図（振動子１の中心周波数は１ＭＨｚである）（イ）は
Ｊ／４厚（ｔ　＝　１．４ｍｍ／ＩＭＨｚ　）のガラス
を挿入した場合、同図（ロ）はλ／４厚以下（１＝０．
９　ｍｍ／Ｉ　ＭＨｚ　）のガラスを挿入した場合、同
図（ハ）はガラスを挿入しない場合の受信波形である。

これ等を比較すると、（ロ）の波形は（イ）と（→の波
形に比べてパルス幅が小さく受信波の振幅が大きいこと
がわかる。

第７図は、音響整合層３の音響インピーダンスを変化さ
せた場合、即ち厚さや媒質を変化させた場合の周波数応
答である。図において、特性８は送受信波形が上記第６
図ぐうの場合、即ち音響整合層５を挿入しない場合であ
シ、周波数帯域は非常に狭い。特性すは従来技術で述べ
た理想的音響インピーダンスを有する音響整合層３を挿
入した場合であゃ、周波数帯域はａに比べて広い。特性
Ｃは送受信波形が第６図０）の音響整合層３を挿入した
場合であり、周波数帯域はｂＫ比べてさらに広くはなっ
ているが平坦ではなく、その結果送受信波形は第６図０
）に示したように歪んだものとなっている。

第８図は、第７図の特性Ｃをさらに分析したものである
。即ち、音響整合層３の厚さを、λ／４厚前後前後化さ
せた場合の周波数応答特性である。

特性Ｗは音響整合層３の厚さをス／４厚以上とした場合
、特性Ｘはλ／４厚とした場合、特性Ｙはλ／４厚以下
とした場合である。この特性を見ると、音響整合層３の
厚さをλ／４厚以下とした場合に、単車特性が得られこ
の時に、第６図←）に示すような歪みのない良好なパル
ス応答特性が得られることがわかる。

ところで、この特性Ｙを得るための、音響整合層３の最
適な厚さｔは、次のようにしてめることができる。

今音響インピーダンスの値を、２□−３０ｘ　１０６２
　６　２ ｋｇ／ｍ−８、Ｚ２＝３ｘ１０　ｋｇ／ｍ、Ｓ　、Ｚｏ
−６，５−９，５ｘ　２ ：ＬＯｋｇ／ｍ−８とする。Ｚｏを音響整合層３の材質
密度ρで割り、この結果を音響整合層３の仮の音速Ｃと
みなし、その値よ、９ｔをめると、 ｔ＝λ／４−　Ｚｏ／４ρｆｏ（５） となる。但しｆ。は振動子１の中心周波数とする。

今、例えば音響整合層３の密度ρを２．２３　ｘ　１０
３ｋｇ／ｍ　とし、撮動子１の中心周波数ｆ。をＩ　Ｍ
Ｈｚ　とすれば、音響整合層３の最適厚さｔは、おおよ
そ０．７３〜１・０７　ｍｍ　となる。即ち音響整合層
３の音響インピーダンス２゜が理想値よシ大きな値であ
っても、厚さｔを（５）式によってめれば、即ちその厚
さをλ／４厚よシ薄くすれば良好な特性を有するパルス
を得ることができる。

尚この発明の実施例において伝播要素２を斜角形のシュ
ーである有機固体として説明してきたが、これに限定さ
れるものではなり０例えば第９図に示すような水浸探傷
用探触子では水２ａになる訳で、この場合でも上記した
結論はそのまま用いることができる。

〈本発明の効果〉 この発明によって、例えば超音波流量計等のように管路
の肉厚が影響してくる場合には、その影響を打消すよう
な特性の超音波を発生し、又例えば非破壊検査装置や超
音波診断装置等の短かいパルスを必要とするものにおい
ては帯域幅の広い特性の超音波を発生する超音波送受波
器を容易に実現することができる。その効果は、 ■安価で容易に入手可能な材質を音響整合層として使用
できるので製品の価格低減がはかれる。

■音響整合層の材質の選択範囲が広がるので、いろいろ
の目的や条件に対応することが可能となった。従って高
品質で高信頼性を有する製品を実現することができる。

ことにガラス、セラミックあるいはそれ等の合成物を使
用した場合は、広い温度範囲に渡って、音速が変化せず
特性も安定なため、一定した性能を有する製品を製作す
ることができる。

〈本発明の応用〉 上記した以外に、この発明は板波探傷（板波を用いて探
傷する方法）に用いる探触子にも応用できる。この場合
（特に第４図）、複数の板波の励起が可能となるので、
より効果的な結果を得ることができる。

以上説明したように広い範囲に渡ってこの発明の超音波
送受波器は利用できるので、工業上極めて有用な技術で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な超音波送受波器の構造図であシ、第２
図は第１図の超音波送受波器を管路Ｋｍ付けた図であシ
、第３図は管路の肉厚と透過音電圧との関係を示す図で
あり、第４図乃至第８図は本発明を説明するための特性
図であシ、第９図は第１図以外の超音波送受波器の構造
である。 １・・・振動子、２．２１・・・伝播要素（シー−１水
）、３・・・音響整合層、４・・・管路、５・・・被測
定体。 Ｍ１図 管路の肉、厚（ｍｍｌ 革４図 爪５図 管外の肉１ｍｍ１ Ｍ６図 （イ） −（１ −ゝゝさ２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 外部信号によシ超音波を発生する振動子の超音波振動を
   音響整合層を介して伝播要素に印加するようにした超音
   波送受波器において、 上記音響整合層を 囚厚さは、上記超音波のほぼ１／４波長厚又は１７４波
   長厚より薄いものとし、 ω）音響インピーダンス２゜は、上記振動子の音響イン
   ピーダンスを２□とし、上記伝播要素の音響インピーダ
   ンスをｚ２としたとき、 ｚｏ＞小「り なる関係を満足するようにした超音波送受波器。