JPS61133883A - 低周波水中超音波送波器 - 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】 （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ｔこ使用さ
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峻して
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ｌこ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ユ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
型のトランスジユーサを得ることは極めて内錐である。

これに対し、圧電形トランスジー−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を磁器が用いられ
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ｌこ、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−こ従い単位放
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、低周波で効宅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スジ
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ユーサと
してボルト締めランジェバントランスジューサが３　ｋ
Ｈｚ〜数１０　ｋＨｚ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ユーサを３　ｋＨｚ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
シッン・オン・ウルトラソニクスエンジニアリング（Ｉ
Ｂ′ＢＥ　　Ｔｒａｎｓ、ｏｎ　　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　）、ｐｐ１１６−１２４
（１９ｆ５３．１１）ｌこ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・オン・アコースティック・ソ
サエティ・オン・アメリカ（Ｊ、　Ａｃｏｕｓｔ、８ｏ
ｃ、　Ａｍ、　）。

Ｔｏｌ、６８，４４．ｐｐ、１０４６−１０５２（１９
８０゜１０）ｔこ記載されているような第２図に示す楕
円形シェルを用いた屈曲伸びトランスジユーサが知られ
ている。

（従来技術の問題点） 第５図−こ示した円形平板を用いた屈曲トランスジー−
サは、周知のように円形バイモルフ撮動子を送波器に用
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４辰動
子を構成し、バイモルフ撮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に接着することをこよ
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、病造上
バイモルフ撮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ユーサは圧電磁器柱
状体２０が長軸方向に伸び変位をしたときに、シェル２
１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ユ
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）このトランスジー−サは楕円シェルを音響放
射体ｌこ用いているため、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ー−サよりハイパワー送波に優れ
たトランスジユ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。長径すに比べて短
径ａが小さい、換言すれば離心率の大きい扁平な楕円シ
ェルはど、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ｌこ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ｔこすることは不可能である。

従りて、圧電磁器柱状体２０の変位に対して、楕円シェ
ルの最大］こ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、このトランスジー−サは短軸部分と長袖部分の変
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） 本発明は圧電磁器を用いたアクティブ柱状体と、該アク
ティブ柱状体ｌこ沿って配置される非アクティブ柱状体
と、該２種の柱状体の両端部と接続するヒンジとレバー
とからなる変位拡大機構と、該変位拡大機構と連結棒を
介して連結する音響放射体とを備えたことを特徴とする
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つの非アクティブ柱状体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の剛体回転を良好
に行うため、非アクティブ柱状体３２は縦変位に［１月
シて１ｉ；：Ｊ性が大きくなるようｌこ設計される。

ヒンジ３３は、縦変位ｌこ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吹であるよう
１こ設計される。またレバー３４はＵ＜位ｌこ対しても
撓み変位に対しても完全剛体ζこ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３
４はてこの原理に基電、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。変位拡大率は周卸の如
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、幾可学的形状
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で音響放射
体３６に伝達され効率の良い音響放射ができる。

本発明の送波器は、アクティブ柱状体の微小変位が、変
位弘犬４溝を通して音禅放射端に３いて大きな変位が出
力され、高効率の音響放射つ５可能であるという長所を
胃しているわけであるか、この他にもレバー３４、音）
ｉ放射体３６の質量をアクティブ柱状体４ｐＨに侠諷す
ると、その等（：ｆｆｉ　’ｔｘ−ｔ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、等価質量を宿願させる場合、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根周波数が上昇するといり
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ｊ、４合は、共振周＃：数が低下する反面、
音響放射（こ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−１ングを示しており、ピスト
ン放射体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を経由して音響放射体３４
に連結されている。この場合、連結棒３５と３２．３］
、３４とは機械的接触のないようｌこ３２．３１．３４
の位置を避けるか非アクティブ柱状体３２及びレバーラ
ミックスは張力に対して燭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ζこ圧力が働くよ
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ｌこおいて、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３
４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３１４こは張力が働く。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
状体にポルｈａ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ｌこ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と音響放射体３６とが直交
して配ｒ４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１こ示す。第３図に示した送波器は第１
図に示した送波器、第４１図１こ示した送波器は第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ｆ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１こ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（こ含まれる
。

（実施例） 本発明の一実ｑ例として、第１図１こ示した水中超音波
送波器について説明する。電気機械結合係数に３Ｍが０
．６１、比誘電率ε１．／ε。が１０８０のジルコンチ
タン酸鉛系圧電セラミックスと内部′ｖｔ、ｑ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３
２、レバー３４、連結棒３５ｉこは高張力鋼、音響放射
体３６にはアルミ合金を用いた。音響放射体は直径５０
ＣＩｒＬ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、　ト３８はＦＲＰｇで、送波器全体の
重量は４３Ｋｆ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ろ音響放射面から
１　ｍ　堆れたところで音圧を測定したところ容易に１
８０　ｄＢ　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３５０１Ｔｚ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５００　Ｋ９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−構成例を示
す図、第５図は従来の屈曲トランスジーーサを示す図、
第６図は従来の屈曲伸びトランスジー−サを示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電磁器を用いたアクティブ柱状体と、該アクティブ柱
   状体に沿って配置される非アクティブ柱状体と、該２種
   の柱状体の両端部と接続するヒンジとレバーとからなる
   変位拡大機構と、該変位拡大機構と連結棒を介して連結
   する音響放射体とを備えたことを特徴とする低周波水中
   超音波送波器。