JPS6318798A - 無指向性水中超音波トランスジユ−サ - 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、広帯域で無指向性を有するハイパワー水中超
音波トランスジューサに関するものである。

（従来の技術） 従来、無指向性を有するトランスジューサとして、周知
の如（第６図に示すような径拡がり振動モード（ラジア
ルエクステンショナルモード）で動作する円筒状圧電セ
ラミックトランスジューサが広く用いられている。この
トランスジューサは、内外表面に銀あるいは金焼き付は
電極６１．６２が形成され、この電極６１．６２間に直
流高電界を加えて矢印に示す如く、肉厚方向に放射状に
分極処理が施される。このトランスジューサは電気端子
６３．６４から交流電圧を印加することにより直径が一
様に伸縮する、所謂径拡がり振動モードで中心軸０−０
”に関して二重矢印で示すように円筒の外表面から無指
向性の音響放射が行われる。

（発明が解決しようとする問題点）″ 従来の円筒状圧電セラミックトランスジューサは、中心
軸に対して無指向性の音響放射を行うことができるが、
以下のような問題点がある。第６図から明らかな如く、
従来のトランスジューサはすべて圧電セラミックスから
できている。圧電セラミックスは密度が約８．ＯＸ１０
３ｋｇ／ｍ３で、径拡がりモードに関係する音速が３０
００〜３５００ｍ／ｓｅｅであるため、固有音響インピ
ーダンス（密度と音速の積で定義される）が２４Ｘ１０
６〜２８Ｘ１０６ＭＳＫｒａｙｌｓと媒質である水の固
有音響インピーダンスの２０倍近くあり極めて大きい。

このため水とトランスジューサとの間で音響インピーダ
ンスのミスマツチングが生じ、得られる帯域幅は１５パ
ーセントからせいぜい３０パーセントと制限されたもの
になる。従って、例えば従来のトランスジューサをソー
ナーシステムに用いた場合、狭帯域特性のためにパルス
の尾引きが長くなり距離分解能が劣化するといった欠点
ががあった。一般に、パルスの尾引きの小さなコンパク
トなパルス応答特性を得ようとすると広帯域のトランス
ジューサが必要不可欠なものとなる。円筒状圧電セラミ
ックトランスジューサにおいて広帯域のものを得る目的
で、水とのインピーダンス整合を改善するためにはトラ
ンスジューサの機械インピーダンスを小さくすること（
これは音響放射面積当たりのトランスジューサの質量を
小さくすることに相当する）が必要であり、従来の肉厚
を薄くすることしか手段がなかった。しかしながら、ト
ランスジューサの肉厚を薄くすると圧電セラミックスの
加工が難しくなること、及び機械的強度が著しく劣化す
ることにより、ハイパワー音響放射が不可能になるとい
った問題があった。

本発明の目的は、広帯域で高効率の音響放射特性を有し
、かつハイパワー送波が可能な無指向性トランスジュー
サを実現することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明に従ったトランスジューサの基本構成は径拡がり
振動モードで動作する円筒状圧電変換子と、同じく径拡
がり振動モードで動作する円筒状音響放射体を中心軸が
一致するように直列に配置し、該円筒状圧電変換子と該
円筒状音響放射体を結合させる撓み結合子とを備えてい
る。

本発明のトランスジューサは全体として二つの共振モー
ド、即ち共振周波数の低い同相モード（該円筒状圧電変
換子と該円筒状音響放射体とが同相となっている振動モ
ード）と共振周波数の高い逆相モード（該円筒状圧電変
換子と、該円筒状音響放射体とが逆相になっている振動
モード）が存在し、この二つのモードの周波数間で強勢
に音響放射を行うことができる、広帯域特性を有する無
指向性の超音波トランスジューサである。

（作用） 本発明に従った無指向性のハイパワー水中超音波トラン
スジューサの代表的な一例を第１図に示す。第１図に示
した斜視図において、１０は円筒状圧電変換子、１３は
円筒状音響放射体、１４は撓み結合子である。１０は円
筒状圧電変換子は、内側に圧電セラミック円筒振動子１
２と外側に金属もしくは繊維強化複合材料でできた円筒
１１でできており、１２と１１とは接着剤によって強固
に接着される。この圧電セラミック円筒振動子１２は、
たとえば上下面にそれぞれ電極を設けるか、あるいはえ
内外周面にそれぞれ電極を設け、これらの電極でもって
分極処理を行うことにより圧電性を付与することができ
、いずれも撲効果３１モード径拡がり振動を強勢に励振
することができる。また、縦効果３３モードで径拡がり
振動を強勢に励振する場合には、周知の如く、圧電セラ
ミック円筒を円周に直角な面で放射状に分割し、分割し
てできた円周に直角な面に電極を形成し、この電゛極で
もって分極処理を行い、然る後この電極で駆動すること
により容易に行うことができる。

円筒状圧電変換子１０は、圧電セラミック円筒振動子１
２と円筒１１が一体となって径拡がり振動を行うことが
必要不可欠であり、またハイパワー動作を保証するため
に、圧電セラミック振動子１２部分に圧縮バイアス応力
を常時加えた状態にしておくことが望ましい。なぜなら
、圧電セラミツ°クスは張力に対して脆うく、張力に対
する強度は圧力に対する強度の数分の１であるため、径
拡がり振動モードにおいて、１２部が一様に拡がった場
合、破壊を防ぐことができるからである。このため、本
発明に基づくトランスジューサの圧電変換子１０部分に
おいて以下のような対策が講じられている。

即ち、金属あるいは繊維強化複合材料でできた円筒は、
圧電セラミック円筒振動子１２に比べて一桁以上熱膨張
係数が大きく、これを利用して６０６Ｃ〜２００°Ｃの
温度下において、円筒１１の内側接着面に接着剤を塗布
して振動子１２に接着する。これにより、通常の動作温
度では常に圧電セラミック円筒振動子１２部分に圧縮バ
イアス応力が加わった状態となり、従来の円筒状圧電セ
ラミック振動子に比べてはるかに大振幅駆動を行うこと
ができるわけである。

また、円筒状音響放射体１３は、水との広帯域整合を容
易にするために軽量であること、さらには−様な径拡が
り振動を実現するため撓み変形に対して剛性の大きな繊
維強化複合材料またはＡＩ、　Ｍｇを主体とした合金あ
るいはこれらの材料を複数層に複合したものなどが望ま
しい。

撓み結合子１４は高強度の金属材料たとえばＡ１合金、
Ｍｇ合金、Ｔｉ今金、スチール合金あるいは繊維強化複
合材料が望ましい。また、１１．１４．１３部は一体も
ので構成することも可能であることは言うまでもない。

次に、本発明のトランスジューサの動作原理について説
明する。前述の如く、本発明に基づくトランスジューサ
は、二つの振動モード、即ち、同相モードと逆相モード
が存在する。同相モードは、変換子１０が実線の二重矢
印で示した如く径方向に拡がったときに、音響放射体１
３が同じく実線の二重矢印で示したように径方向に拡が
る振動モードであり、このとき撓み結合子１４には殆ん
ど変形が生じない。逆相モードは、変換子１０が実線の
二重矢印で示した如く径方向に一様に拡がったとき音響
放射体１３が点線の二重矢印で示した如く径方向に一様
に収縮する振動モードであり、音響放射体１３との接合
部及び変換子１０との接合部とがともにロール端である
ような第２図に示すような撓み変形を行う。同相モード
と比べて逆相モードは結合子１３に撓み変形が生じ、結
合子１３の撓みスチフネスの分だけ共振周波数が高くな
る。即ち、共振周波数の互いに異なる同相モードと逆相
モードが存在する。尚、円筒状圧電振動子１０が径方向
に一様に縮んだとき、音響放射体１３における振動変位
の方向は第１図の二重矢印の向きと逆向きになることは
言うまでもない。

本発明に基づくトランスジューサの等価回路は、第３図
に示す集中定数近似等価回路で表わすことができる。第
３図から明らかな如く、本発明に基づくトランスジュー
サは従来の単一共振形トランスジューサと全く異り、水
と音響負荷とする帯域通過形フィルタとなっていること
がわかる。第３図において、ｃｄは制動容量、−Ｃｄは
縦効果のセラミック振動子を用いたときに現れてくるも
ので、横効果の振動子では一〇ｄは表れてこない。Ａは
力係数、ｍ、ｃ、はそれぞれ円筒状圧電振動子１０の等
価質量、等価コンプライアンス、ｍ２．　Ｃ２はそれぞ
れ円筒状音響放射体１３の等価質量、等価コンプライア
ンス、Ｃｃは撓み結合子の撓みコンプライアンス、また
Ｓａは音響放射断面積、ｚａは音響系における水の音響
放射インピーダンスである。

本トランスジューサにおいて、撓み結合子１４をはさん
で円筒状圧電振動子１０と音響放射体１３の等価質量と
共振周波数がそれぞれ等しいトランスジューサ（Ｉｎ１
＝　ｍ２．　（１＝　０２）は勿論のこと非対称動作パ
ラメータ法あるいは変成器フィルタ理論を駆使して、等
価質量と共振周波数を異ならしめた非対称な水中超音波
トランスジューサ（ｍｌ＝ｍ２゜ＣＩ　＝　０２）が構
成できることは言うまでもない。

また本発明に基づくトランスジューサの他の構成例を第
４図に示す。これは円筒状音響放射体１３の両端部にお
いて、撓み結合子１４を介して、二個の円筒状圧電振動
子１０を配置し、同相で二つの振動子１０を駆動するこ
とにより、広帯域でかつ無指向性のハイパワートランス
ジューサを得ることが可能である。

（実施例） 本発明に基づくトランスジューサの一実施例を第５図に
示す。第５図において、１２は厚み方向に分極された圧
電セラミック円筒で内外周面に各々鍋焼き付は電極が形
成されている。また、１１はＡ１合金でできた円筒で温
度１５０°Ｃにおいてエポキシ系接着剤を介して、前記
のような方法に従って強固に接着されている。従って常
温では、常に圧電セラミックスに圧縮バイアス応力が加
わった状態となる。１４は撓み結合子で、５１は音響放
射体１３部の内側円筒である。１１．１４．５１部は同
一のＡ１合金製で一体化されている。また、５２は繊維
が円筒状音響放射体１３における長手方向に配されたエ
ポキシ樹脂をマトリックスとする炭素繊維強化樹脂（Ｃ
−ＦＲＰ）で、一方向にのみ炭素繊維が配されたＣ−Ｆ
ＲＰシートをエポキシ系接着剤を介して、Ａ１合金製円
筒５１に巻きつけて外側円筒としたものである。さらに
円筒５２の外面部は円筒方向に沿ってガラス繊維で巻か
れ、常に円筒状音響放射体に圧縮バイアス応力を加え、
５１部と５２部の接着強度を高めている。この場合、ガ
ラス繊維以外にも、炭素繊維アラミド繊維などの強化繊
維であっでも、同じ機能を果たすことは言うまでもない
。これにより本音響放射体１３において、５１と５２部
とは一体となって径拡がり振動モードで振動し、５２の
外表面から強勢に音響放射を行うことができる。また、
本音響放射体１３において、Ｃ−ＦＲＰ円筒５２は繊維
方向が円筒の長子方向（０−０’方向）であるので、こ
の音響放射体１３は長手方向に対する撓み剛性が著しく
大きくなり、実際に使用する周波数体においては、はと
んど円筒の撓みが生ずることはない。一方円周方向に関
しては、円筒５２の外側に少々の強化繊維が巻かれてい
る以外、繊維が配されていないので、Ｃ−ＦＲＰ円筒５
２は音響放射体１３の共振周波数を下げる働きをする。

径振動モードに関して、Ａ１合金は圧電セラミックスよ
り４０部程度音速が大きい。Ｃ−ＦＲＰ円筒５２の径振
動モードに関する音速は、はとんどマトリックスとなっ
ているエポキシ樹脂の音速に等しく、この音速は圧電セ
ラミックスのそれより４０部程度小さい。従って、音響
放射体１３において、ＡＩ合金円筒５１部とＣ−ＦＲＰ
円筒５２部の厚みの比を変えることによって、音響放射
体１３の径振動モードの共振周波数を調節することがで
き、製造上、最適な設計値に合わせることが容易になし
得るという長所がある。

本トランスジューサは、円筒状振動子１０の外表面を音
響デカップリング材であるキルクゴムで被覆し、周知の
水密技術、即ち、本トランスジューサ長手方向の両端面
において、キルクゴムを介してＡＩ合金製円板で蓋をし
、さらにはネオプレンゴムでモールドすることにより水
密が保持されている。試作したトランスジューサの外形
は、高さ１５゜８ｃｍ、直径１０．５ｃｍである。

本実施例のトランスジューサでは、同相モードと逆相モ
ードとい゛う二つの共振モードが存在し、二つの共振が
利用できるため従来のトランスジューサに比べて著しい
広帯域化がはかれること、また、音響放−射体としてＡ
１合金、Ｃ−ＦＲＰといった軽量の材料を用いているこ
とにより広帯域音響整合が容易に達し得ること、さらに
は、Ａ１合金のような高強度の材料をベースとしている
こと等のため、本トランスジューサでは、比帯域６０％
以上、出力音圧１９０ｄＢ　ｒｅｌｐＰａ　ａｔ　１ｍ
以上の広帯域ハイパワー送波を極めて容易に行うことが
でき、水との音響整合性に優れているため高効率のトラ
ンスジューサが実現できる。なお円筒５２の形成は望ま
しい形態であり必須の要素ではない。また圧電セラミッ
ク円筒振動子１２に直接撓み結合子１４を形成すること
もできる。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明に従えば広帯域高効率でハイ
パワー特性に優れた無指向性の水中超音波トランスジュ
ーサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく無指向性水中超音波トランスジ
ューサの基本構成図、第２図は本発明のトランスジュー
サに用いる撓み結合子の動作を示す図、第３図は本発明
のトランスジューサの等価回路図、第４図は本発明に基
づくトランスジューサの他の構成例を示す図、第５図は
本発明に基づくトランスジューサの一実施例を示す図、
第６図は従来の無指向性水中超音波トランスジューサを
示す図。 図において、１０は円筒状圧電変換子、１１は金属もし
くは繊維強化複合材料でできた円筒、１２は圧電セラミ
ック円筒振動子、１３は円筒状音響放射体、１４は撓み
結合子、５１は音響放射体の内側円筒、５２は同じく外
側円筒、６１．６２はえ電極、６３．６４は電オ　１　
図 ７２　図 オ　４　図 オ　５　図 オ　６　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円筒状圧電変換子と円筒状音響放射体とがそれぞれの
   中心軸が一致するように直列に配置され、該円筒状圧電
   変換子と該円筒状音響放射体が撓み結合子により結合さ
   れていることを特徴とする無指向性水中超音波トランス
   ジューサ。