JPS6318799A - 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
の如く第４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４１．４２が形成され、この電極４１．４２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４
３．４４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４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．ＯＸ　１
０３ｋｇ／ｍ　３で、径拡がりモードに関係する音速が
３０００〜３５００ｍ　／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２４
Ｘ１０６〜２８Ｘ　１０’ＭＫＳｒａｙｌｓ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％からせいぜい３０％と制限されたものになる。

従って例えばこれ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０円筒状圧電セラミックトランスジューサにおいて、
広帯域化を達成するためには、単一共振型であるために
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、従来ト
ランスジューサ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かしくなるばかりか、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小口径の円筒状圧電変換子を、
註円筒状圧電振動子の径拡がり振動で駆動され、同じく
径拡がり振動モードで動作する外表面が音響放射面とな
っている大口径の円筒状放射体の中に、中心軸が一致す
るように収納し、かつ該小口径円筒状圧電変換子と該大
口径円筒状音響放射体を結合させる結合子からなる。

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（該小口径円筒状
圧電変換子と該大口径円筒状音響放射体とが同相となっ
ているモード）と共振周波数の高い逆相モード（該小口
径円筒状圧電変換子と該大口径円筒状音響放射体とが逆
相となっている振動モード）が存在し、この二つの共振
モードの周波数間で、水中において強勢に音響放射が可
能な広帯域特性を有する無指向性超音波トランスジュー
サである。

（作用） 本発明に従って無指向性のハイパワー水中超音波トラン
スジューサの基本的な構成例を第１図に示す。第１図に
示した斜視図において、１０は小口径の円筒状圧電変換
子、１３は大口径の円筒状音響放射体、１４は結合子で
ある。１０の圧電変換子は内側に圧電セラミック円筒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
横効果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、円筒１２と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、圧電セラミックは張力に対し
て脆く、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、円筒１２
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
電振動子１０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に比べて１桁以上熱膨張係数が
大きく、これを利用して６０℃〜２００℃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、圧電
セラミック円筒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１２に圧縮バイアス
応力の加わった状態となり、従来の圧電セラミックトラ
ンスジューサに比べて遥かに大振幅駆動を行うことがで
きる。

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、さらには変換子１０と
同程度の共振周波数で一様な径拡がり振動を行い、かつ
大口径円筒として実現させるため、剛性の大きな繊維強
化複合材料、または１合金、Ｍｇ合金等の軽金属合金あ
るいは軽金属合金の上に繊維強化複合材料を複合化した
ものなどが望ましい。＾Ｑ合金やれ合金では径振動モー
ドに関する音速が約５０００ｍ　／ｓｅｅあり、圧電セ
ラミックスの音速の約１．６倍あるため、単純に同一周
波数の円筒で比較して、ＡＱ金合金Ｍ［合金製円筒の直
径は圧電セラミックス円筒の直径の約１．６倍となる。

円周方向に繊維の配されたグラスファイバー強化複合材
料（Ｇ−Ｆｌ？Ｐ）はへ駐合金の１．５倍〜２倍程度の
径振動モードに関する音速が得られることから、これら
の材料が放射体１３に好適であると言える。一方、圧電
変換子１０において、変換子１０の質量の大部分は密度
の大きな圧電セラミックス１２が占有しているため、円
筒１１に１合金のような高い音速を有する材料を配した
としても、圧電セラミックスの音速が支配的となる。以
上述べたように、軽量で高剛性を有する材料で放射体１
３を実現した場合には、変換子１０と音響放射体１３の
大きな音速差により、結合子１４が両回筒内に入る余地
が生まれてくるわけである。

結合子１４は、高強度の金属材料たとえばＡＱ会金、口
合金、Ｔｉ合金、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１１が径方向に拡がっ
たときに、音響放射体１３が同じく径方向に拡がる振動
モードあるいは、変換子１１が径方向に一様に縮んだと
き、音響放射体１３も同じく径方向に一様に縮む振動モ
ードでありこのとき結合子１４は並進変位するだけで、
はとんど変形が生じない。逆相モードは、変換子１０が
径方向に一様に拡がったとき、音響放射体１３が逆に径
方向に一様に縮む振動モードであり、このとき結合子１
４は圧縮され、また変換子１０が径方向に一様に収縮し
たとき音響放射体１３が逆に一様に拡がる振動モードで
あり、このとき結合子１４は引張される。同相モードに
比べて逆相モードは結合子１４に変形が生じ、結合子１
３のスチフネスの分だけ共振周波数が高くなる。即ち、
本発明のトランスジューサでは、共振周波数の互いに異
なる独立な二つの共振モード、同相モードと逆相モード
が存在する。

本発明に基づくトランスジューサの等価回路は、第２図
に示す集中定数近似等価回路で表すことができる。第２
図から明らかな如く１本発明に基づくトランスジューサ
は従来の単一共振型ｌ・ランスジューサと全く異り、水
を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２図において、ｃｄは制動容量、−Ｃｄは
周知の如く縦効果のセラミック振動子を用いたときに現
われてくるもので、横効果の振動子では−Ｃｄは現われ
てこない、Ａは力係数、ｍ　ｌ＋ｃｌはそれぞれ円筒状
圧電変換子１０の等価質量、等価コンプライアンス、ｍ
２．ｃ２はそれぞれ音響放射体１３の等価質量、等価コ
ンプライアンス、Ｃ，は結合子のコンプライアンス、ま
たＳ、は音響放射断面積、Ｚ、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、結合子１４をはさんで圧
電変換子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（ｍｌ・ｍ　２ｔＣ
Ｉ・ｃ２）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
（ｍ　１≠ｍ２．ｃ１≠ｃ２）が構成可能なことは言う
までもない。

（実　方＆　０号　１　　） 本発明に基づくトランスジューサの一実施例を第１図に
示す。第１０において、１２は肉厚方向に放射状に分極
処理が施された圧電セラミック円筒で内外周面にそれぞ
れ銀焼き付は電極が形成されている。また１１はＡ２合
金でできた円筒で温度１５０℃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は結合子、１３は円筒
状音響放射体であり、１１．１４．１３部は同一のＡ２
合金製で一体化されている。

本実施例のトランスジューサは、圧電変換子１０と音響
放射体１３の等価質量及び共振周波は全く同一となるよ
うに設計された（　ｍ　ｌ＝ｍ　２．Ｃ１＝Ｃ２）。こ
のトランスジューサは、周知の水密技術、即ちトランス
ジューサ長手方向の両端面において、音響的デカップリ
ング材であるキルクゴムを介してＡＱ合金製円板で蓋を
し、さらにはネオブ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
形寸法は高さ６ＣＩｍ、直径１０．７ｃｍ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、この二つの共振
が利用できるため従来のトランスジューサに比べて著る
しい広帯域化がはかれること、Ａ２合金のような高強度
の材料を使用していること等のため、中心周波数２０ｋ
Ｈｚで比帯域幅６０％以上、出力音圧レベル１９０ｄＢ
ｒｅｌμＰａ　（ａＬ　１　ｍ　）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、また水との音
響整合性に優れているために効率の良いものとなってい
る。

（実施例２） 本発明に基づくトランスジューサの池の実施例を第３図
に示す。第３図において、圧電セラミック円筒１１、Ａ
Ｑ合金製円筒１２からなる変換子１０、結合子１４は実
施例１と同じである。音響放射体１３部分を構成する円
筒３１に、前記円筒１２、結合子１４と全く同じＡ２合
金を用い、１２．１４及び３１部分は完全に一体化され
ている。本実施例において、音響放射体１３を構成する
円筒３２に中心軸方向及び円周方向ともに炭素繊維が配
された炭素繊維強化プラスチックス（Ｃ−ＦＲＰ）でで
きている０円筒３２は朱子織のＣ−ＦＲＰシートを有機
接着剤を介して、ＡＱ合金製円筒３１に巻きつけること
により実現できる。さらにＡ２合金円筒３１とＣ−ＦＲ
Ｐ円筒との接着強度を増大させるため、音響放射体１３
部分の円周方向に沿って、炭素繊維、ガラス繊維などの
強化繊維で強く巻くことも可能である（図示せず〉。

これは、ハイパワー送波レベルを向上させるのに有効で
ある０本トランスジューサにおいても、実施例１と同様
に、広帯域、高効率かつハイパワー送波３容易に達成し
うろことが可能である。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明に従えば広帯域、高効率でバ
イパワ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
ューサの実施例を示す図、第２図は第１図に示したトラ
ンスジューサの等価回路図。第３図は本発明に基づくト
ランスジューサの他の実施例を示す図。第４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、１３は円筒状音
響放射体、１４は結合子、１１，３１．３２は非圧電性
円筒、１２は圧電セラミック円筒、４１．４２は電極、
４３．４４は電気端子。 オ　１　口 第３　口 オ　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円筒状圧電変換子が円筒状音響放射体の内部にそれぞ
   れの中心軸が一致するように収納されており、かつ該圧
   電変換子外周面から該音響放射体の内周面に達する結合
   子が径方向に放射状に配置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。