(57)【要約】  音響整合構造体を用いて、より高いインピーダンスを有する変換素子からより低い音響インピーダンスを有する周囲音響媒質中へ放射される電力を増加させる。音響整合構造体は、２つの端壁と側壁で境界付けられた、薄く、実質的に平面の空洞で構成される。空洞の端壁は、短い距離（動作周波数における周囲媒質中の音響波の波長の４分の１未満）で分離された変換素子壁および遮断板壁によって形成される。端壁と側壁は、周囲媒質中の音響波の波長の半分にほぼ等しい直径を有する空洞を境界付ける。動作中に、変換素子は、空洞における流体に音響振動を発生させる。変換素子は、空洞における流体内の音響振動を励起するために、空洞の平面に対して垂直な方向に、端壁の運動を生成するアクチュエータであってもよく、空洞形状および共振増幅は、結果として生じる圧力振動の振幅を増加させる。空洞の側壁または端壁は、空洞の中心から離れて配置された少なくとも１つの開口を含み、圧力波が周囲音響媒質中へ伝播することを可能にする。
2022501845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサのための音響整合構造体であって、該構造体は、
使用時に流体を含む空洞であって、実質的な平面形状を有する前記空洞と、
前記空洞の前記実質的な平面形状を境界付ける２つの端壁と、
前記空洞を境界付ける側壁であって、前記端壁に対して実質的に垂直である前記側壁と、
前記構造体は、前記端壁の間の前記空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を画定し、
前記空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2によって定義される有効側壁半径ｒ空洞を有し、
前記端壁および前記側壁の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの開口と、を含み、
ここで、前記空洞の高さｈ空洞は、前記端壁の平均間隔として定義され、
ｒ空洞とｈ空洞が、次の不等式、ｒ空洞がｈ空洞より大きいを満たし、
ここで、動作中に、前記空洞の前記端壁の１つに作用する変換素子は、前記空洞内の前記流体に音響振動を生成し、
それによって、使用時に、前記空洞内の前記流体における前記音響振動は、圧力波を周囲音響媒質の中へ伝播させることを特徴とする音響整合構造体。
【請求項２】
動作中に、前記空洞は、前記流体における前記音響振動の共振周波数をサポートし、前記共振周波数は、
2022501845.tif 000041
によって定義される波長を決定し、ここで、ｃは、前記流体における音速であり、ｈ空洞は、前記波長の実質的に半分未満であり、ｒ空洞は、前記波長の実質的に半分以上であり、
少なくとも１つの開口が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
少なくとも１つの音響変換素子が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
その結果、生じる音響空洞が前記空洞内の前記音響媒質を制限し、前記変換素子から前記開口の外側の前記媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項３】
前記トランスデューサは、前記端壁の平面に対して実質的に垂直な方向に、前記端壁のうちの少なくとも１つの振動運動を生じさせるアクチュエータを含む請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項４】
少なくとも１つの開口が、前記側壁からｒ空洞／２未満の距離内の端壁に配置される請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項５】
前記形状は、円形、楕円形、正方形、多角形のうちの１つであり、アスペクト比は２未満である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項６】
前記開口の面積の和、Ａ開口と、Ａ空洞とが、次の不等式、Ａ空洞／Ａ開口が２より大きいを満たす請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項７】
ｒ空洞／ｈ空洞が５より大きい請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項８】
前記空洞に含まれる前記流体は空気であり、音速は３００ｍ／ｓおよび４００ｍ／ｓの間である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項９】
ｈ空洞２／ｒ空洞が、１０−８メートルより大きい請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項１０】
使用時に、前記空洞における半径方向圧力振動の最低共振周波数は、２００Ｈｚ〜２ＭＨｚの範囲である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項１１】
１）トランスデューサのための音響整合構造体と、該構造体は、
使用時に流体を含む空洞であって、実質的な平面形状を有する前記空洞と、
前記空洞の前記実質的な平面形状を境界付ける２つの端壁と、
前記空洞を境界付ける側壁であって、前記端壁に対して実質的に垂直である前記側壁と、
前記構造体は、前記端壁の間の前記空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を画定し、
前記空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2によって定義される有効側壁半径ｒ空洞を有し、
前記端壁および前記側壁の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの開口と、を含み、
ここで、前記空洞の高さｈ空洞は、前記端壁の平均間隔として定義され、
ｒ空洞とｈ空洞が、次の不等式、ｒ空洞がｈ空洞より大きいを満たし、
ここで、動作中に、前記空洞の前記端壁の１つに作用する変換素子は、前記空洞内の前記流体に音響振動を生成し、
それによって、使用時に、前記空洞内の前記流体における前記音響振動は、圧力波を周囲音響媒質の中へ伝播させ、
２）アクチュエータと、を含み、使用時に、前記アクチュエータの振動運動の周波数が、前記空洞における半径方向音響振動の最低共振周波数の３０％以内であることを特徴とする音響トランスデューサ。
【請求項１２】
前記アクチュエータの端壁運動は、前記空洞における圧力振動に整合するモード形状である請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１３】
前記アクチュエータは、ベッセル関数に近似する変位プロファイルを有する端壁の運動を生じさせる請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１４】
使用時に、前記空洞における音響圧振動は、前記空洞の中心からｒ空洞／４の距離内に位置する圧力の腹を有する請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１５】
前記空洞壁における開口は、使用時に、内部空洞ボリュームを周囲音響媒質に接続する請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１６】
前記開口は、端壁に配置されており、該端壁は、その端部でサポートされ、前記側壁によって前記変換素子から分離された遮断板によって形成され、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置される請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１７】
前記アクチュエータは、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置され、前記開口は、前記アクチュエータの１つの面によって形成される端壁に配置される請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１８】
前記アクチュエータの変位は、作動時の曲げ形状に従う請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１９】
前記アクチュエータの端部の運動は、前記アクチュエータのサポート部によって制限される請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２０】
前記アクチュエータの中心部の運動は、制限されない請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２１】
前記変換素子は、圧電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、および熱音響変換素子のうちの１つである請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２２】
前記アクチュエータのサポート部の運動は、遮断板によって制限される請求項１１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２３】
前記変換素子と前記遮断板との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む請求項２２に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２４】
前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む請求項２２に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２５】
前記変換素子と前記遮断板との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む請求項２２に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２６】
前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む請求項２２に記載の音響トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、以下の２つの仮出願に対する利益を主張する。
【０００２】
１）２０１８年５月２日に出願された米国仮出願第６２／６６５，８６７号
【０００３】
２）２０１９年１月７日に出願された米国仮出願第６２／７８９，２６１号
【０００４】
本開示は、一般に、音響整合構造体（acoustic matching structures）を音響トランスデューサに組み込むことによって、音響伝達効率を改善することに関する。
【背景技術】
【０００５】
音響トランスデューサは、エネルギーの１つの形態、典型的には電気を音響（圧力）波に変換する。トランスデューサから周囲音響媒質（surrounding acoustic medium）中に放射されるエネルギーの割合は、トランスデューサに対する媒質の音響インピーダンスに依存する。効果的な伝達のためには、インピーダンスは、ほぼ等しくなければならない。多くの用途において、音響媒質は、空気または他の気体媒質であり、典型的には、変換素子の音響インピーダンスよりも数桁低い音響インピーダンスを有する。この大きなインピーダンス不整合は、音響媒質中へのエネルギーの伝達不良をもたらし、トランスデューサによって放射される音響エネルギーの量を制限する。伝達効率を改善する技術には、トランスデューサと音響媒質との間に、整合層または整合構造体を追加することが含まれる。
【０００６】
従来のインピーダンス整合層アプローチの多くは、伝達方向に平行な寸法が、音響波長のかなりの割合であることを必要とする。これは、非常に薄いまたはコンパクトな解決策を必要とする用途に対するそれらの有用性を制限する。従来のインピーダンス整合層のさらなる欠点は、使用される低音響インピーダンス材料が複雑な製造プロセスを必要とする場合があることである。
【発明の概要】
【０００７】
本出願は、トランスデューサの音響インピーダンスよりも大幅に低い音響インピーダンスを有する媒質中への放射の際、音響トランスデューサの伝達効率を増加させるために使用される音響整合構造体を説明する。
【０００８】
以下の用語は、トランスデューサの部分を識別する。トランスデューサは、音響整合構造体および変換素子（transducing element）で構成される。音響整合構造体は、受動的であり、変換素子から周囲音響媒質への音響伝達の効率を改善するように設計される。変換素子は、電気入力で駆動されると音響出力を生成する。変換メカニズムは、例えば、電気機械アクチュエータを使用する振動運動（oscillating motion）によるものであってもよく、または、例えば、電熱トランスデューサを使用する振動温度（oscillating temperature）によるものであってもよい。
【０００９】
具体的には、音響整合構造体は、より高いインピーダンスを有する変換素子からより低い音響インピーダンスを有する周囲音響媒質中へ放射される電力を増加させるために使用される。
【００１０】
音響整合構造体は、音響変換素子と遮断板とによって境界付けられた共振音響空洞（resonant acoustic cavity）で構成される。共振音響空洞は、変換素子によって生成された圧力振動を増幅し、遮断板は、圧力振動が共振音響空洞から周囲音響媒質中に伝播することを可能にする１つまたは複数の開口を含む。
【００１１】
音響整合構造体の好ましい実施形態は、２つの端壁と側壁とによって境界付けられた、薄く、実質的に平面の空洞で構成される。空洞の端壁は、トランスデューサの動作周波数での周囲音響媒質における音響波の波長の４分の１未満の短い距離で分離された変換素子壁（transducing element wall）および遮断板壁（blocking plate wall）によって形成される。端壁と側壁は、周囲音響媒質における音響波の波長の半分にほぼ等しい直径の空洞を境界付ける。動作中に、変換素子は、空洞内の流体に音響振動を発生させる。変換素子は、空洞の平面に対して垂直な方向に端壁の運動を生成して、空洞内の流体に音響振動を励起するアクチュエータであってもよく、空洞は、結果として生じる圧力振動の共振増幅を引き起こす。空洞の側壁または端壁は、空洞の中心から離れて配置された少なくとも１つの開口を含み、圧力波が周囲音響媒質中に伝播することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面は、同様の参照番号が、別々の図面を通して同一または機能的に同様の要素を指し、以下の詳細な説明とともに本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成し、特許請求の範囲の発明を含む概念の実施形態をさらに例示し、それらの実施形態の様々な原理および利点を説明するのに役立つ。
【００１３】
【図１】図１は、単純な４分の１波長の音響整合層を有するトランスデューサの簡略化された概略図である。
【００１４】
【図２】図２は、板から構築された音響整合構造体の計算された音響インピーダンスを示すグラフである。
【００１５】
【図３】図３は、薄膜整合層の計算された音響インピーダンスを示すグラフである。
【図４】図４は、薄膜整合層の計算された音響インピーダンスを示すグラフである。
【図５】図５は、薄膜整合層の計算された音響インピーダンスを示すグラフである。
【００１６】
【図６】図６は、ヘルムホルツ共振器を備えるトランスデューサの断面図である。
【００１７】
【図７】図７は、本発明の例示的な実施形態である遮断板を備える音響整合構造体に結合された変換素子である。
【００１８】
【図８】図８は、所望の音響共振モードを生成し、環状開口を有する遮断板を備える音響整合構造体に結合された変換素子である。
【００１９】
【図９】図９は、非環状開口を有する遮断板を備え、所望の共振モードを生成する音響整合構造体に結合された変換素子である。
【００２０】
【図１０】図１０は、半径方向分布（radial distribution）の開口を有する遮断板を備え、所望の共振モードを生成する音響整合構造体に結合された変換素子である。
【００２１】
【図１１】図１１は、音響整合構造体の有無による軸上圧力測定（on-axis pressure measurements）を示すグラフである。
【００２２】
【図１２】図１２は、音響整合構造体の有無によるシミュレーションを用いて計算された放射電力（radiated power）を示すグラフである。
【００２３】
【図１３】図１３は、トランスデューサの軸対称シミュレーションにおける半径方向モード圧力分布（radial mode pressure distribution）を示すグラフであって、トレンスデューサは、このトランスデューサ構造体に適切な音響整合構造体を備える。
【００２４】
【図１４Ａ】図１４Ａは、圧電曲げモードアクチュエータ（piezoelectric bending-mode actuator）を備えるトランスデューサの断面図であって、圧電曲げモードアクチュエータは、このアクチュエータに適切な音響整合構造体に結合される。
【００２５】
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、共振音響空洞内の圧力振動の半径方向依存性を示す。
【００２６】
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、曲げモードアクチュエータ速度の半径方向依存性を示す。
【００２７】
【図１５】図１５は、実施形態において開口のパラメータに対する依存性を詳述するシミュレーションにおける放射電力を示すグラフである。
【００２８】
【図１６】図１６は、本実施形態において空洞の高さｈ空洞を変化させた時の周波数応答を伴うシミュレーションにおける放射電力を示すグラフである。
【００２９】
【図１７Ａ】図１７Ａは、円筒形の側壁を有する管状の空洞を備えるトランスデューサの断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、円筒形の側壁を有する管状の空洞を備えるトランスデューサの断面図である。
【００３０】
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、空洞内の圧力振動の振幅が長手方向軸に沿ってどのように変化するかを示す。
【００３１】
【図１８Ａ】図１８Ａは、高次の音響共振モードで駆動される音響空洞を備えるトランスデューサの断面図である。
【００３２】
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、圧力振動の位相が、３つの平行軸に沿ってどのように変化するかを示すグラフである。
【００３３】
【図１８Ｃ】圧力振動の位相を示す。
【００３４】
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、アクチュエータの速度プロファイルを示す。
【００３５】
【図１９Ａ】図１９Ａは、薄膜整合層と組み合わされた共振音響空洞および遮断板を有するトランスデューサの断面を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、薄膜整合層と組み合わされた共振音響空洞および遮断板を有するトランスデューサの断面を示す。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、薄膜整合層と組み合わされた共振音響空洞および遮断板を有するトランスデューサの断面を示す。
【００３６】
【図２０Ａ】図２０Ａは、孔のアレイを有する板と組み合わされた音響空洞および遮断板を備えるトランスデューサの断面を示す。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、孔のアレイを有する板と組み合わされた音響空洞および遮断板を備えるトランスデューサの断面を示す。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、孔のアレイを有する板と組み合わされた音響空洞および遮断板を備えるトランスデューサの断面を示す。
【００３７】
【図２１】孔整合層構造体を有し、薄膜および板の両方と組み合わされた複数のトランスデューサを示す。
【００３８】
当業者であれば、図中の要素は、単純化および明確化のために示されており、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことを理解するであろう。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を向上させるのを助けるために、他の要素に対して誇張されている場合がある。
【００３９】
装置および方法の構成要素は、図中の慣例記号によって、必要に応じて表され、本明細書の説明の利益を受ける当業者には容易に明白な詳細により本開示を不明瞭にしないために、本発明の実施形態を理解することに関係する特定の詳細のみを示す。
【詳細な説明】
【００４０】
Ｉ．音響整合層
【００４１】
本明細書では、変換素子とは、エネルギーを音響エネルギーに変換する構造体の部分を直接指す。アクチュエータとは、媒質へ伝達する前の運動エネルギーを含む固体構造体の部分を指す。
【００４２】
気体または材料の特定の音響インピーダンスは、音響圧と、その圧力に関連する粒子速度との比として、すなわち以下の式で定義される。
2022501845.tif 000003
【００４３】
これは任意の音響場に当てはまる。この議論を単純化するために、上記の平面波解を検討することが最も有用である。これにより、粒子速度と同じ方向に伝播する波について、方程式が以下のスカラー量になる。
2022501845.tif 000004
ここで、ρは密度であり、ｃは媒質の音速である。音響インピーダンスの異なる２つの音響媒質間のインターフェースからの伝達と反射を考える時、この量の重要性が強調される。特定の音響インピーダンスｚ１〜ｚ２を有する材料から伝わり、媒質境界に平面波が入射する場合、正規化された反射強度（Ｒ）と伝達強度（Ｔ）は、以下の通りである。
2022501845.tif 000005
【００４４】
これは、２つの媒質のインピーダンスが実質的に異なる値を有する場合、反射強度が伝達強度よりもはるかに大きいことを示している。これは、ほとんどの気体結合音響アクチュエータについての場合である。ここで、アクチュエータは、
2022501845.tif 000006
のオーダーの音響インピーダンスを有するバルク、固体材料と、例えば、
2022501845.tif 000007
である２０°Ｃかつ海抜ゼロの空気とで構成される。その結果、効率および出力が低下する。
【００４５】
４０ｋＨｚアクチュエータ（Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, 2002年7月）の共振圧電曲げアクチュエータの音響インピーダンスを分析したところ、
2022501845.tif 000008
であった。この共振曲げアクチュエータは、それを構成するバルク材料（ＰＺＴおよびアルミニウム）よりはるかに低い音響インピーダンスを有するが、アクチュエータインピーダンスと空気インピーダンスとの間には実質的な差が残り、効率および音響出力が低下する。
【００４６】
この課題の解決策は、より高インピーダンスのアクチュエータとより低インピーダンスのバルク気相媒質との間の媒介として役立つインピーダンスＺ２を有する音響整合層を追加することである。
【００４７】
音響整合層または他の音響整合構造体は、アクチュエータから媒質への音響エネルギー伝達の経路に挿入される必要があり、最適な整合構造体インピーダンス、すなわち、ソースの音響インピーダンスおよびデスティネーションの音響インピーダンスの幾何平均に可能な限り近い音響インピーダンスを有するように設計される。いくつかの実施形態では、ソースおよびデスティネーションは、高インピーダンスのアクチュエータ、および低インピーダンスバルクの空気もしくは他の音響媒質である。中間インピーダンス整合層の効果は、より高いインピーダンス領域から整合層へ、次いで整合層からより低いインピーダンス領域へのエネルギー伝達が、より高いインピーダンス領域からより低いインピーダンス領域へのより直接的なエネルギー伝達よりも効率的であることである。
【００４８】
また、複数の整合層が存在してもよい。複数の整合層は、各整合層および端点の音響インピーダンスの対数がチェーンを形成する（その値が漸進的かつ実質的に等間隔である）場合に、最も効率的であるチェーンを形成する（There may also be a plurality of matching layers that form a chain which is at its most efficient when the logarithms of the acoustic impedances of the endpoints and each matching layer form a chain whose values are progressive and substantially equally spaced.）。
【００４９】
変換素子の表面に追加された単一材料整合層の場合、選択され、バランスをとらなければならない２つの重要な特性がある。
【００５０】
１．層の音響インピーダンスＺ２は、いくつかの実施形態において圧電ソース要素（Ｚ１）および媒質のインピーダンス（Ｚ３）から構成され得る、音響ソース領域のインピーダンスの幾何平均にほぼ等しくなければならない。
【００５１】
２．バルク材料の層の厚さは、動作周波数（圧力振動の周波数）での整合層材料内の長手方向圧力波の４分の１波長にほぼ等しくなければならない。
【００５２】
任意の所与の材料の層の厚さも音響インピーダンスに影響を及ぼすので、これらの２つの特性は、調整され、整合されなければならない。適切な材料の限定された選択しかなく、周波数のいくつかの範囲については、この限定された選択は少ないことが分かる。
【００５３】
図１は、従来の整合層を備えるトランスデューサの概略１００を示す。（中間音響インピーダンスを有する）中間層１３０は、アクチュエータ１４０と音響媒質１１０（空気等）との間に追加される整合層として機能する。中間層１３０の厚さ１２０は、整合層がバルク材料とみなされる場合、動作周波数での整合層内の長手方向圧力波の４分の１波長にほぼ等しい。
【００５４】
図２は、従来技術（Toda, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 49, No. 7, 2002年7月）に記載されているように、孔のアレイを含む厚さｔ２２０の板から構築された音響整合構造体の計算された音響インピーダンス２１０を示すグラフ２００である。３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ（２５０、２４０、２３０）の周波数に対して、空気中での板厚による音響インピーダンスの変化を計算したところ、板厚が空気の音響波長の１／４に等しい時、インピーダンスの最大値を示す。
【００５５】
図３、図４および図５は、前の段落で参照した従来技術に記載されているように、薄膜整合層の計算された音響インピーダンスを示すグラフ３００、４００、５００である。図３において、音響インピーダンス３１０は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ（３７０、３６０、３５０、３４０、３３０）の厚さを有する空隙（air gap）によって変換素子から分離された厚さ１５μｍのポリエチレンフィルムの場合の周波数３２０に対してプロットされている。図４において、音響インピーダンス４１０は、膜が変換素子から０．２ｍｍの空隙によって分離された５μｍ〜４５μｍ（４７０、４６０、４５０、４４０、４３０）の膜厚の値の範囲について、周波数４２０に対してプロットされている。図５では、音響インピーダンス５１０は、膜厚２５μｍの膜と変換素子５２０との間の分離に対してプロットされている。薄膜と薄い空隙の組合せは、ギャップが約２０〜２２μｍの時、高い音響インピーダンス５３０を生成する。
【００５６】
図６は、ヘルムホルツ共振器を備えるトランスデューサの断面図である。ヘルムホルツ共振器６００は、音響波長の実質的に１／４未満の寸法および空間的に均一な圧力を有する空洞６４０と、典型的には空洞６４０の中心に位置する開口６５０とを有する。空洞は、壁６１０ａ、６１０ｂ、６２０ａ、６２０ｂによって境界付けられている。
【００５７】
一例として、空気中で動作する厚さモード圧電アクチュエータについての整合層の音響インピーダンスを計算することができる。この状況で必要とされる音響インピーダンスは、約
2022501845.tif 000009
である。計算は、隣接する要素のインピーダンスのそれぞれの対数をとることによって進み、これは、予想される温度および圧力で、圧電変換素子（Ｚ１）に対しては約７．５であり、バルク空気（Ｚ３）に対しては約２．５であることが分かる。次いで、必要とされる各整合層について、隣接する領域のインピーダンスの対数の平均値を使用して、整合層に必要とされるインピーダンスの対数を決定することができる。表１は、空気およびＰＺＴ−５Ａ（圧電材料）の音響インピーダンス、ならびに空気中で動作する厚さモード圧電アクチュエータに対する整合層の理想的な音響インピーダンスを示す。理想的な音響インピーダンスは、インピーダンスのそれぞれの対数に沿って、（７．５＋２．５）／２＝５である。
【００５８】
表１：
2022501845.tif 000010
【００５９】
したがって、音響インピーダンスにおけるこの大きなギャップをブリッジするために理想的な整合層に必要な音響インピーダンスは、非常に低い音速かつ低い密度を有する固体材料で構築されなければならない。低い音速は、４分の１波長基準に適合する整合層を作るために必要な材料のサイズまたは体積を減少させるために好ましい。材料が整合層に適切な音響インピーダンスを有するためには、低密度が必要とされる。しかしながら、一般に、適切な材料は、自然に発生しない。それらは、整合層としての可変性能および可変音響特性をもたらし、複雑で制御が難しい傾向にある特別な製造プロセスで構成されなければならないことが多い。このように構築される適切な材料の例としては、ガラスおよび樹脂微粒子（glass and resin microspheres）を使用する整合層が米国特許第４，５２３，１２２号に記載されており、乾燥ゲル材料を使用する整合層が米国特許第６，９８９，６２５号に記載されている。典型的な共振圧電曲げアクチュエータのための理想的な整合層は、さらに低い音響インピーダンスを有し、構築することがより困難であろう。
【００６０】
適切な材料の低密度、低音速の整合層のさらなる問題は、４分の１波長要件によって課される厚さの制約である。変換素子の主動作周波数が低ければ低いほど、波長は長く、整合層は厚くなければならない。例えば、周囲圧力および周囲温度での空気中の４０ｋＨｚでの波長は、８．５８ｍｍである。したがって、材料が空気の音速と同様の音速を有すると仮定すると（それ自体の達成は困難である、なぜなら、高密度であるが低剛性の材料を必要とするからであり、これは、再び専門的なプロセスを必要とする可能性が高い）、理想的な整合層は、２．１４ｍｍに近い厚さを有することになる。厚さが制限された用途では、これは、大き過ぎて、商業的に、または関心のある特定の用途について実行可能ではない可能性がある。空気よりも高い音速を伴う材料で作られる整合層は、この２．１４ｍｍよりも厚くする必要がある。
【００６１】
本発明は、変換素子から音響媒質への音響エネルギー伝達の経路に遮断板を配置することによって形成されるベント型共振音響空洞（vented resonant acoustic cavity）の使用を提案し、中間音響インピーダンス、すなわち、変換素子の音響インピーダンスよりも低く、かつ周囲音響媒質よりも高い音響インピーダンスを達成する。中間音響インピーダンスは、変換素子から音響媒質への音響エネルギー伝達の効率を増大させ、変換素子から音響媒質への音響エネルギー伝達の経路における音響空洞内に制御された共振音響モードを生成することを通じて提供される。音響空洞は、変換素子によって励起され得る音響媒質内の共振音響モードを生じさせる方法で音響媒質を制限する。音響空洞の１つの面を形成する遮断板は、音響エネルギーが音響空洞から音響媒質中へ伝達されることを可能にする開口を含む。
【００６２】
音響整合構造体の有効音響インピーダンスは、音響インピーダンスの定義、すなわち粒子速度に対する音響圧の比であるＺ＝ｐ／ｕから決定することができる。動作中に、アクチュエータは、音響媒質に境界速度場（boundary velocity field）を作り出し、エネルギー伝達の経路に意図的に置かれた遮断板の片側に位置する。アクチュエータおよび遮断板は、アクチュエータおよび遮断板によって実質的に境界付けられる音響空洞を形成する。アクチュエータは、アクチュエータの表面から音響空洞内へ音響波を駆動する。アクチュエータが実質的に一定の変位振幅および周波数で振動し続けると、空洞内の共振音響振動（resonant acoustic oscillations）が励起され、振幅が増加する。実質的に一定のアクチュエータ振動速度振幅（actuator oscillation velocity amplitude）に起因する音響圧における共振増加は、Ｑ空洞の係数によって、バルク音響媒質に対する音響空洞の有効音響インピーダンスの増加を示す。Ｑ空洞は、空洞音響共振（cavity acoustic resonance）の品質係数である。
【００６３】
このような共振音響モードを生成するように設計された構造体では、流体を薄い層に閉じ込め、流体運動をアクチュエータの面に実質的に平行に制限することによって、遮断板およびアクチュエータの近い間隔が音響媒質の有効音響インピーダンスを増加させるように、寸法をアレンジおよびサイズ変更することもできる。平らな円筒形の空洞の場合、流体速度と圧力は次の係数によって増加する。ｆ幾何学＝ｒ空洞／（２ｈ空洞）。ここで、ｒ空洞は空洞の半径であり、ｈ空洞は空洞の高さ、すなわち、アクチュエータと遮断板との間隔である。媒質の有効音響インピーダンスは、同じ係数ｆ幾何学で増加する。好ましくは、ｆ幾何学＞２．５となるようにｒ空洞＞５ｈ空洞であり、より好ましくは、ｆ幾何学＞５となるようにｒ空洞＞１０ｈ空洞である。空洞内の流体の音響インピーダンスは、共振空洞品質係数（resonant cavity quality factor）と幾何学的増幅係数（geometric amplification factor）との積であるＱ空洞×ｆ幾何学の係数により、バルク音響媒質に対して増加する。このようにして、音響空洞は、バルク音響媒質よりも高く、かつアクチュエータよりも低い音響インピーダンスを有する音響整合層として作用する。
【００６４】
音響共振をサポートできる最小空洞高さを考慮することは有用である。過度の粘性損失のない空洞内の音響共振を確立するためには、ｈ空洞＞δとする必要がある。ここで、δは、粘性境界層厚さ（viscous boundary layer thickness）である。音速ｃの流体を含み、その周囲に圧力の節（pressure node）を有する半径ｒ空洞の円筒形の空洞の場合、第１の半径方向音響モードは、次式のベッセル関数に従う圧力分布を有する。
2022501845.tif 000011
そして、第１の半径方向音響共振の周波数ｆ０は、次式によって与えられる。
2022501845.tif 000012
【００６５】
これから、
2022501845.tif 000013
という条件を導き出すことができる。２０℃の空気中での動作の場合、
2022501845.tif 000014
となる。より低い動粘度で、より高い音速の気体では、この値が
2022501845.tif 000015
まで小さくなることがある。
【００６６】
しかしながら、アクチュエータと遮断板との間隔が狭くなると音響媒質が制限され、その結果、上述のように幾何学的増幅係数ｆ幾何学＝ｒ空洞／（２ｈ空洞）で、所与のアクチュエータ駆動速度に対して空洞内の音響媒質の半径方向速度が増加するので、小さな空洞高さは有益である。最適な空洞高さは、境界層における粘性損失を最小化することによって、空洞品質係数の最大化と、幾何学的増幅係数の最大化との間のトレードオフから生じる。
【００６７】
しかしながら、目標は、エネルギーを媒質中に伝達することであるので、構造体から音響波を逃がすための開口が必要である。適切な音響摂動（acoustic perturbation）の維持および保存の制約のバランスを取ることは有用である。ここで、新規な整合構造体におけるより小さな面積の開口は有益である。増大した摂動が音響媒質中の前方へ伝達されるという要件では、新規な整合構造体におけるより大きな面積の開口は有益である。トランスデューサによって生成される音響出力の一部が、すべてのサイクルでバルク媒質中へ逃げることができるように、１つまたは複数の個別セクションを備え得る少なくともいくつかの開口を追加しなければならない。
【００６８】
これらの実施形態では、「音響媒質」という用語は、音響波が通過する空洞内部の媒質を指す。「バルク媒質」は、空洞外部に存在する音響媒質を指す。媒質は、水等の液体、もしくは空気等の気体、または本発明の構成材料とは異なる任意の他の媒質とすることができる。音響波をサポートする任意の媒質は、この説明の目的に関し、「流体」ということができる。
【００６９】
音響媒質中に適切な共振モードを作る構造体を設計するプロセスは、単純化された境界値問題で説明できる。単純な構造体は、この例では側壁の周囲構造体によって制限されている音響媒質の体積で構成される音響空洞の形で上述の特性を具現化することができる。共振周波数モード構造体は、ヘルムホルツ方程式の解を見つけることにより決定できる。
2022501845.tif 000016
ここで、
2022501845.tif 000017
であり、適切な境界条件を伴う。これらの式において、Ｐ（ｘ）は、周囲圧力からのピーク圧力偏差（デカルト座標における変位ベクトルｘ＝［ｘ，ｙ，ｚ］の空間的に変化する関数、または空洞原点からの円筒座標における変位ベクトルｒ＝［ｒ，θ，ｚ］の関数）である。ｐは、複素数値の音響圧であり、ｃ０は、周囲媒質における音速であり、ρ１は、周囲密度からの１次密度偏差である（密度は、この偏差ρ１を周囲密度ρ０に加えたものであり、したがって、ρ＝ρ０＋ρ１である）。ωは、音響角周波数であり、ｔは時間であり、
2022501845.tif 000018
ｋは波数である。直ちに、音響圧ｐは、密度ρに関連し得ること、したがって、先に議論したような音響インピーダンスに関連し得ることを理解することができる。
【００７０】
円筒形の空洞に適した円筒座標を用いた例として、半径ａ空洞および高さｈ空洞を有する空洞を考えることができる。対象領域は、０≦ｒ≦ａ空洞、０≦q≦２π、０≦ｚ≦ｈ空洞によって記述される。変数分離は、次式の解析解を可能にする。
2022501845.tif 000019
ここで、Ｊ０は第１種のゼロ次ベッセル関数（zeroth order Bessel function of the first kind）であり、半径方向波数ｋｒｌは、ベッセル関数ゼロ点（Bessel function zeros）を空洞半径で割った値を有し、ｋθｍは整数値（ｋθｍ＝ｍ）を有し、ｋｚｎは、ｋｚｎ＝２πｎ／ｈ空洞で与えられる値を有する。ｋｒｌの最初の３つの値は、ｋｒ０＝２．４０４／ａ空洞、ｋｒ０＝５．２０１／ａ空洞およびｋｒ０＝８．６５３７／ａ空洞によって与えられる。この解析的記述では、ｒ＝ａ空洞でＰｌｍｎ＝０であり、これはゼロ圧力境界条件に対応していることに注意されたい。実際には、この解析的記述は完全には正確ではなく、ｒ＝ａ空洞付近の開口の存在に起因して、境界条件が混合される（圧力および変位はゼロではない）。しかしながら、Ｐｌｍｎは、図１３に示される数値シミュレーションの結果によって示されるように、ｒ＝ａ空洞において、ｒ＝０での値と比較して小さくなる。
【００７１】
デカルト座標を使用した例として、堅い壁を有する矩形状の空洞内に含まれる媒質体積についてのモード構造体の決定を行うことができる。原点はボックスの１つの角に配置され、対象ドメインは、ｘ≧０、ｙ≧０およびｚ≧０によって記述されるように軸が方向付けられる。次に、変数分離により、次式の解析解が可能になる。
2022501845.tif 000020
波数ｋｘｌ、ｋｙｍおよびｋｚｎは、空洞の物理的寸法Ｌｘ、ＬｙおよびＬｚによって与えられ、それぞれ以下のようになる。
2022501845.tif 000021
ここで、ｌ、ｍおよびｎは、空洞の各共振モードを記述するために、整数の任意の固有の組合せに置き換えることができる。
【００７２】
次に、モードを生成する角周波数は、次式で与えられる。
2022501845.tif 000022
【００７３】
波の振幅（Ａｌｍｎ）は、入力にスケールするが、この解析ではモードの周波数には影響しない。
【００７４】
モードｌ＝２、ｍ＝２およびｎ＝０の具体的なケースについて検討する。ここで、Ｌｘ＝Ｌｙ＝Ｌである。角周波数は、式
2022501845.tif 000023
によって与えられる。空洞内の音響圧は、次式によって与えられる。
2022501845.tif 000024
ここで、ｚには依存しない。空洞（ｘ＝Ｌ／２、ｙ＝Ｌ／２）の底部中心は、音響圧力の腹（acoustic pressure antinode）であり、周囲圧力よりはるかに高い壁と同じピーク圧力を経験する。この位置に置かれたアクチュエータは、所与の変位に対してより高い圧力に対抗して作動するという利益を受ける。この例におけるｚの依存性の欠如は、たとえＬｚが非常に小さいとしても、この空洞がこのモードを達成することを意味する。
【００７５】
開口の存在は、混合境界条件を引き起こし、これは解決策を複雑にする。さらに、変換素子から外部音響媒質への損失およびエネルギー伝播は、音響波において進行波成分（travelling wave component）をもたらす。その結果、完全な節点位置（nodal locations）は存在しないが、最小の圧力振動振幅の位置が存在する。
【００７６】
音響エネルギーが空洞から周囲音響媒質に伝播することを可能にする開口は、より低い圧力振動振幅の領域に配置され、変換素子は、より高い圧力振動振幅の領域に配置される。
【００７７】
上述の説明は、閉じた堅いボックス内の音響モードの理想化された場合について説明している。実際には、圧力振動振幅は、圧力波が空洞から外部音響媒質へ伝播することを可能にする開口付近で、減少するであろう。
【００７８】
粘性侵入深さ（viscous penetration depth）
2022501845.tif 000025
に関連する最小の必要なＬｚがある。νは、媒質の動粘度である。この値よりもかなり小さいと、壁での熱粘性境界層効果（thermo-viscous boundary layer effects）を介してエネルギーが熱により失われることになる。典型的な整合層に対するこの解決策の明らかな利点は、
2022501845.tif 000026
の厚さ（λは波長である）よりもはるかに小さくできることである。なぜなら、音響エネルギーの伝達に影響を及ぼすように音響エネルギー伝達の経路と平行でないモードを利用するからである。
【００７９】
しかしながら、この例のようにｚを小さくする必要はない。必要に応じて、アクチュエータの近くで発生する高圧の腹を伴う、高く、細い空洞（tall, thin cavity）を設計することができる。これは、小さな表面積でより多数のトランスデューサをコンパクト化することが必要とされるが、代わりに厚さの制限が緩和される用途において有益であり得る。例えば、前と同様に、音響媒質のモード形状ｌ＝０、ｍ＝０およびｎ＝１をとる。この場合、Ｌｚ＝Ｌである。ここで、角周波数は、
2022501845.tif 000027
によって代わりに与えられ、音響圧は、
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によって与えられる。この例では、ｚに依存するのみである。開口から離れて延在し、ｚにおける反対の位置で最大変位で曲がるストリップ状の長いアクチュエータを使用することは、ここでは有利である。これは、この例では最も遠い地点ｚ＝Ｌで、高圧の腹、したがって最も適した瞬間音響インピーダンスが発生しなければならないからである。
【００８０】
特に、図１７および図１８に示すように、長さ制限要件を有さない少なくとも１つの寸法がある場合に、さらなる例を構成することができる。
【００８１】
さらに高い音響圧を達成するために、モード形状が、ｌ＝０、ｍ＝０およびｎ＝３によって画定される空洞を構成することが合理的である場合がある。この場合、音響空洞の長さに沿って２つの腹が存在する。上記の例とは異なり、これらの腹は、位相がずれており、空洞内に存在する進行波モードの半周期毎に交換される。各駆動πラジアンの位相ずれを伴ってエネルギーを伝達する２つのトランスデューサを用い、サイクル内のそれぞれの高圧点で両方の腹へ駆動することによって、より高い圧力、したがってさらに増加した音響インピーダンスが生成され得る。これは、音響媒質へのより効率的なエネルギー伝達をもたらすであろう。別の実施形態では、単一のアクチュエータは、その運動の一方の位相の間、構造体の一方の腹に変位を加え、反対位相の間、他方の腹で運動を励起するように配置されてもよい。これは、第２の腹の位置で可撓性表面への機械的結合を介して達成することができる。あるいは、気体の小さなポケットは、可撓性表面への結合を提供し得る。別の構成では、アクチュエータは、「Ｓ」形状モードで動作するように設計される。「Ｓ」形状モードでは、駆動の一方の極性の間に、半分が構造体内に移動し、半分が外に移動しており、他方の極性で反転する。そして、これは、最大変位の表面で位相のずれた腹を含む構造体に整合される。
【００８２】
前の２つの段落で記載された例示的な空洞は、１つの主寸法が他の２つよりも長く延在する本発明の管状の実施形態を説明する。この構成の利点は、空洞が変換素子に対して直接垂直に延在する必要がなく、必要に応じて湾曲することができることである。これは、効果的な整合層であるために必要なモード構造体を開発しながら、音響波を方向づけ誘導する導波管のように作用する。音響モードの維持を助ける効果的な空洞の断面は、空洞を介する音響波面に追従するであろう。空洞モードの経路の推定は、変換素子の中心から空洞を介する遮断板の中心まで仮想線を接続し、側壁に対して線上の任意の点で平均距離を最大化することによって行うことができる。この線を法線として断面積をとると、モード構造体を適切に推定できる。空洞断面を曲げたり、変更することにより、例えば、アレイ配置における有効間隔の縮小を可能にする。これは、所与のピッチでトランスデューサのアレイから整合する空洞のネットワークを配置し、空洞の反対側の遮断板側を低減かつ傾斜させて、ピッチが開口側でより狭くなるようにすることによって行うことができる。この実施形態はまた、例えば、直線状から六角形のパッキングへ有効アレイ配置を変更するために使用され得る。
【００８３】
トランスデューサがより広範囲の周波数変動を有することが要求される場合、このテーマに対するさらなるバリエーションが考慮されてもよい。２つの軸においてモード番号｛ｌ，ｍ，ｎ｝がゼロ以外である場合（第１の例のモードｌ＝２、ｍ＝２およびｎ＝０等）、各軸が別個の共振システムとみなされる時、各非ゼロ軸についてのωが効果的に摂動され、共振モードのピークを異なる周波数にシフトさせてもよい。このωの摂動の一実施形態は、幾何学的内部空洞を正方形プリズムから矩形状プリズムに修正することによって実現される。ここで、正方形プリズムからの偏差は、２つの共振ピークの分離を示す。これらのピークが互いに接近している場合、それらは事実上単一の（しかし、潜在的により広い）ピークと考えることができる。これらのωがずれると、出力の共振ピークを広げる効果を有し、使用される製造公差の低減が可能になり、または、駆動周波数が、出力を急激に失うことなく共振周波数から変化することが可能になる。このより広い応答は、ピーク周波数での低減された出力を犠牲にする。
【００８４】
同様の解析は、任意の形状の構造体または空洞に対して行うことができる。円筒形の空洞のように、前の例に似た方法で解析的に解くことができるものもあれば、適切な高圧の腹がいつどのように形成されるかを予測するために、有限要素解析（finite element analysis）のような数値シミュレーションの助けが必要になるものもある。設計目標は、所望の振動周波数で、音響トランスデューサ構造体に取り付けられたアクチュエータの変位を空間的に模倣する圧力分布を生じる音響モードを有することである。
【００８５】
囲まれた空洞（enclosed cavity）が、共振モードを所定の位置に保持し維持するように設計される場合、開口は、理想的には、共振空洞の表面に追加され、空洞内の音響場の一部が、サイクル毎にバルク媒質中へ逃げることを可能にすべきである。開口の正確な形状および配置は、それ自体、閉じた形態の解析には役立たない。一般に、そのサイズは、空洞モードを実質的に乱さないように、空洞内のモードのより大きな長さ寸法と比較して小さく保たれるべきである。大きすぎる開口は、空洞内の音響圧の著しい損失を引き起こし、所望のインピーダンス効果を弱めるであろう。しかしながら、小さすぎると、十分な音響圧がサイクル毎に逃げないため、整合層としての空洞の有効性が低下する。音響モード形状の等位相部分（equiphasic portion）に実質的に対応する開口形状も、モード形状の重大な乱れを防止するのに役立つであろう。開口のいくつかの例を図８、図９および図１０に示す。種々の開口形状に対するシミュレーション結果を以下に論じる。
【００８６】
ＩＩ．遮断板整合構造体
【００８７】
Ａ．遮断板構造体設計
【００８８】
図７は、本発明の一実施形態を示すのに役立つ、遮断板に結合されたトランスデューサの概略７００を断面図において示す。遮断板構造体は、側壁７８０および開口７９７を有する遮断板７７０を備える。これは、周囲構造体７９０を有する音響変換素子７８５から分離して配置される。遮断板は、変換素子前面から離れる伝播方向に距離ｈ空洞７３０を置いて配置される。ｈ空洞７３０は、動作周波数での周囲媒質における音響波の波長の４分の１未満である。遮断板７７０の下側表面（すなわち、変換素子側）は、薄い平坦な音響空洞の１つの表面を形成し、空洞の空間的広がりは、側壁７９０、遮断板７５５および変換素子７６５の伝播面によって形成される。変換素子の動作は、遮断板へ平行に進む空洞７９５における実質的に半径方向の音響共振を励起し、それは、その動作の圧縮フェーズ中に変換素子の前面が受ける圧力を増加させる。ここでのこの圧力は、共振モードに起因する最大圧力摂動と周囲圧力との実質的な和であるからである。本明細書において、半径方向は、伝播方向に垂直な方向として定義される。空洞７９５は、その中心線から離れて、バルク媒質に対向する外側表面上に配置された１つ以上の開口７９７を有し、音響圧力波が周囲媒質へ伝播することを可能にする。開口（aperture(s)）７９７は、遮断板７７０と側壁７８０との間の間隙（opening）によって形成される。図７に示されるトランスデューサの２０ｋＨｚ、６５ｋＨｚ、および２００ｋＨｚの実施形態に対する公称パラメータ値は、表２に記載される。
【００８９】
表２：
2022501845.tif 000029
【００９０】
遮断板構造体は、音響媒質中へ運動エネルギーを移動させるための１次伝達面（primary transfer surface）を表す音響変換素子アセンブリの作動面（actuating face）のすぐ隣に配置される空洞７９５を形成する。この実施形態における当該空洞の音響共振周波数は、実質的に半径方向モードに整合するように選択されて、トランスデューサによって伝播媒質中へ放射される電力を増加させる。これが可能であるのは、図７の変換素子と遮断前面板との間の小さな空洞７９５が、トランスデューサの動きによって空洞７９５内に生成される圧力振動の振幅を増大させるからである。これは、より高い音響インピーダンストランスデューサと構造体内に制限されたより低い音響インピーダンス媒質（典型的には伝播媒質と同じ）との間の結合（したがって、電力伝達の効率）を改善する。この音響電力は、１つまたは複数の開口７９７を介して周囲媒質へ伝播する。
【００９１】
開口の例を図８、図９および図１０に示す。
【００９２】
図８は、上面８２０が環状形の開口８３０を有する音響構造体に結合された変換素子８１０を有する概略８００を示す。
【００９３】
図９は、上面９２０が非環状形の開口９３０を有する音響構造体に結合された変換素子９１０を有する概略９００を示す。
【００９４】
図１０は、上面１０２０が円形ピッチ上に配置された円形の開口１０３０を有する音響構造体に結合された変換素子１０１０を有する概略１０００を示す。
【００９５】
図１１および図１２は、実験データおよび数値シミュレーションをそれぞれ用い、ある周波数範囲にわたって、この
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設計における放射音響出力および軸上音響圧の両方が、本発明を具現化する遮断板構造体の使用により、それが無い場合よりも大きいことを実証する。
【００９６】
図１１は、具現化された発明がある場合とない場合の測定された軸上音響圧のグラフ１１００を示す。ｘ−軸１１２０は、周波数（単位：Ｈｚ）である。ｙ−軸１１１０は、３０ｃｍでの軸上音響圧（単位：Ｐａ）である。プロットは、本発明を具現化する音響構造体を有するトランスデューサに関するもの１１３０と、この構造体を伴わないトランスデューサに関するもの１１４０であって、周波数の関数として、トランスデューサから３０ｃｍ離れて測定された軸上音響圧を示す。グラフ１１００は、５０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの間のほとんどすべての周波数について、３０ｃｍでの軸上音響圧は、本発明を具現化する遮断板を有するトランスデューサの方が、それを伴わない場合よりも高いことを示す。軸上音響圧は、本実施形態において、約６２ｋＨｚ〜約６６ｋＨｚの間で使用される遮断板構造体の場合、著しく高くなる。
【００９７】
図１２は、遮断板がある場合と無い場合でシミュレートされた軸上音響電力のグラフ１２００を示す。ｘ−軸１２２０は周波数（単位：Ｈｚ）である。ｙ−軸１２１０は、放射電力（単位：Ｗ）である。プロットは、遮断板を有するトランスデューサに関するもの１２３０と、遮断板を有さないトランスデューサに関するもの１２４０であって、周波数の関数としての放射電力を示す。グラフ１２００は、約６０ｋＨｚ〜約９０ｋＨｚの間の周波数について、遮断板がある場合の放射電力は、遮断板がない場合よりも、著しく高いことを示す。
【００９８】
さらに、空洞の音響共振周波数を調整することができ、これは、それ自体の動作周波数を有する変換素子に結合された場合に、音響出力の望ましい特性（例えば、広帯域、高い軸上圧力、高い放射音響電力）を提供し得る。変換素子の動作周波数は、音響共振周波数とは異なっていてもよい。空洞の共振周波数と変換素子の動作周波数とが密接に整合する時、放射される音響電力は最大となる。変換素子および音響空洞共振がモード形状整合されている場合、すなわち、変換素子振動の変位プロファイルが、媒質中で励起された音響共振の圧力モード形状に実質的に類似している場合、さらなる性能改善が実現され得る。
【００９９】
また、インピーダンス整合効果を活性化する周波数と、所望の出力を構成する１つまたは複数のさらなる周波数（複数の変換素子と組み合せてもよい）とを混合して使用することも有利である。インピーダンス整合効果のため、これは、個別の周波数成分のそれぞれと比較した場合に直線的に動作しないであろう。したがって、小さなスピーカーユニットの場合のように、高い超音波周波数が無視され得る一方で、設計の単純さ、小さなサイズおよび高い出力効率が重要である用途においては、これを使用して、より商業的に実行可能な設計を達成してもよい。
【０１００】
図１３は、軸対称シミュレーションにおいて、遮断板（本実施形態の構造体の一部）を有する場合と有さない場合のトランスデューサの伝播面での圧力振動の大きさのグラフ１３００を示す。この場合、遮断板と側壁は円対称である。ｘ−軸１３２０は、中心から始まるトランスデューサ面上の半径方向線の距離（単位：ｍｍ）である。ｙ−軸１３１０は、絶対音響圧（単位：Ｐａ）である。プロットは、遮断板を有するもの１３３０と、遮断板を有さないもの１３４０であって、トランスデューサの中心（ｒ＝０ｍｍ）と端部（ｒ＝２．５ｍｍ）との間の半径方向距離の関数として、トランスデューサの絶対音響圧を示す。グラフ１３００は、遮断板を有さない場合の絶対音響圧が、約７５０Ｐａで本質的に一定であることを示す。対照的に、遮断板を有する場合の絶対圧力は、ｒ＝０ｍｍでの約２１０００Ｐａの範囲から、ｒ＝２．５ｍｍで約２０００Ｐａまで徐々に低下する。示されたデータは、その他の点では同一の２つのピストンモードアクチュエータについての軸対称圧力音響有限要素モデル（axisymmetric pressure acoustics finite element model（ＣＯＭＳＯＬ））から取得される。
【０１０１】
これから、変位プロファイルをモード形状に整合させることは、遮断板および周囲構造体が効果的であるための絶対的な要件ではないことが分かる。図１２に示すように、単純なピストンモードアクチュエータ（例えば、厚みモードにおける圧電アクチュエータ）からの放射電力は、周囲構造体を有する遮断板の存在によって増加させることができるからである。
【０１０２】
Ｂ．曲げモード圧電アクチュエータに結合した遮断板
【０１０３】
図１４Ａは、曲げモード圧電アクチュエータに結合された場合の遮断板の断面実施形態の概略１４００を示す。遮断板構造体は、基板１４３０および圧電変換素子１４４０を含む音響アクチュエータから分離され、サポート構造体１４１０ａ、１４１０ｂを使用して取り付けられた、遮断板１４２０、側壁１４５０および開口１４９０を備える。
【０１０４】
図１４Ｂは、共振音響空洞内の圧力振動の半径方向依存性を示すグラフ１４９２である。図１４Ｃは、曲げモードアクチュエータ速度の半径方向依存性を示すグラフ１４９４である。
【０１０５】
この実施形態では、アクチュエータの変位プロファイルは、空洞内の半径方向モード音響圧力分布に良好に整合している。さらに、遮断板構造体を用いて、空洞の幾何形状とともにアクチュエータの運動を定義する。遮断板構造体は、構造体が実質的により硬くなる空洞の周辺で、アクチュエータの運動を大幅に制限する。これは、この領域内の材料の厚さがより大きいことに起因する。同様に、構造体は、空洞の中心、したがって高圧の腹が位置するアクチュエータの中心では運動を制限しない。これにより、作動時にアクチュエータの変位が所望の曲げ形状に追従することが可能になり、これは、図１３に示す音響圧力分布に非常に類似したプロファイルである。その結果、遮断板は、アクチュエータに対する機械的サポートの提供と、音響整合構造体の作成という二重の機能を果たす。これは、システム全体の高さをさらに減少させる。
【０１０６】
１．共振周波数の調整
【０１０７】
図７に戻って、空洞半径ｒ空洞７５０を変更することによって、空洞共振を調整することができる。これは、変換素子半径ｒトランスデューサ７４０とは異なっていてもよい。これは、空洞の共振周波数ｆ音響が
2022501845.tif 000031
として変化するので、変換素子が空洞とは別個に設計されることを可能にする。
【０１０８】
以下の表３は、空洞を３つの異なる動作周波数に調整するための寸法例を示す。
【０１０９】
必ずしも必要ではないが、変換素子の半径および空洞の半径は、典型的には、同じになるように選択される。表３は、ｒ空洞７５０が、サブ波長であっても、波長よりも大きくてもよい一方、遮断板を有さない変換素子を上回る放射音響電力を依然として増大させることを示す。
【０１１０】
表３：
2022501845.tif 000032
【０１１１】
表３は、所与の遮断板およびサポート構造体の厚さｈ遮断７２０および空洞の高さｈ空洞７３０（両方とも０．２ｍｍ）について、放射電力が、ターゲット波長よりも実質的に小さいまたは大きい半径を有する空洞によって増加され得ることを示す。データは、圧力音響有限要素モデル（ＣＯＭＳＯＬ）を用いて、トランスデューサの中心線に関する２次元軸対称シミュレーションから取得される。
【０１１２】
ｒ空洞に加えて、ｗ開口７６０の幅を使用して、空洞の共振周波数を調整することができる。図１５は、幅ｗ開口および周波数に対する放射電力依存性を示すグラフ１５００である。ｘ−軸１５２０は周波数（単位：Ｈｚ）である。ｙ−軸１５１０は、放射電力（単位：Ｗ）である。プロットは、ｗ開口＝０．０１ｍｍでの１５３０と、ｗ開口＝０．０５ｍｍでの１５３５と、ｗ開口＝０．１ｍｍでの１５４０と、ｗ開口＝０．５ｍｍでの１５４５と、ｗ開口＝１ｍｍでの１５５０と、ｗ開口＝１．５ｍｍでの１５５５と、ｗ開口＝２ｍｍでの１５６０であって、周波数の関数としてのトランスデューサの放射電力を示す。遮断板のないベースライン１５２５が比較のために示されている。グラフ１５００は、０．１ｍｍのｗ開口が、約５０ｋＨｚの周波数で０．０４０Ｗの最高の放射電力を生成することを示す。テストされたいずれの周波数においても、０．０２０Ｗを超える放射電力を生成する他のｗ開口はない。データは、変換素子が各周波数で予め設定された速度で移動する単純なピストンであると考えられる圧力音響有限要素モデル（ＣＯＭＳＯＬ）を用いて、トランスデューサの中心線に関する２次元軸対称シミュレーションから取得された。
【０１１３】
中央領域は、開口の幅がｗ開口＜０．９ｒ空洞となるように、遮断前面板によって依然として部分的に遮断されなければならない。さらに、ｗ開口＞２δとなるように、動作周波数ｆで、振動境界層の厚さ
2022501845.tif 000033
（νは媒質の動粘度である）に関連して、出口の幅に下限が存在する。この値を下回ると、かなりの割合の音響エネルギーが、出口での粘性散逸（viscous dissipation）を介して失われる。
【０１１４】
励起される半径方向音響モードの共振周波数は、図１６に示されるように、空洞の高さｈ空洞（７３０）に弱く依存するのみである。図１６は、遮断板構造体を介して媒質中へ放射される音響エネルギーの周波数応答に関する空洞高さの効果のグラフ１６００である。ｘ−軸１６２０は周波数（単位：Ｈｚ）である。ｙ−軸１６１０は、放射電力（単位：Ｗ）である。プロットは、ｈ空洞が５０μｍでの１６３０と、ｈ空洞が１００μｍでの１６４０と、ｈ空洞が１５０μｍでの１６５０と、ｈ空洞が２００μｍでの１６６０とであって、周波数の関数としてのトランスデューサの放射電力を示す。このグラフは、ｈ空洞１００μｍの１６４０と、ｈ空洞１５０μｍの１６５０と、ｈ空洞２００μｍの１６６０との関数が非常に類似していることを示している。図１６に関するデータは、遮断板と結合されたピストントランスデューサの圧力音響有限要素モデルを用いて、トランスデューサの中心線に関する２次元軸対称シミュレーションからモデル化されたスペクトルである。
【０１１５】
図１６からの例を見ると、空洞の高さｈ空洞を１００μｍから２００μｍに増加させた場合、シミュレートされた共振周波数は、５％だけ変化する。したがって、その共振周波数は、上述の以前に試みられた解決策とは異なり、整合構造体の総厚とは相対的に独立して調整することができる。さらに、表４に示すように、空洞の高さが固定された広い周波数範囲にわたって、伝達効率の改善を示すことができる。
【０１１６】
表４：
2022501845.tif 000034
【０１１７】
表４は、所与の遮断板厚さと空洞高さ（両方＝０．２ｍｍ）に対して、放射音響電力が、広範囲の周波数にわたって、遮断板により増大することを示している。開口幅は、各周波数についての放射電力を最大化するように調整される。データは、圧力音響有限要素モデル（ＣＯＭＳＯＬ）を用いて、トランスデューサの中心線に関する２次元軸対称シミュレーションから取られる。
【０１１８】
空洞の高さに関する同様の下限が、開口チャネル幅と同様に存在する。すなわち、粘性侵入深さは、以前と同一の推論のために、空洞サイズに関する大まかな下限、すなわちｈ空洞＞２δを設ける。主要な音響共振モードが、設計された半径方向モードであることを保証するために、空洞の高さの上限も必要である。これは
2022501845.tif 000035
を必要とする。λは、トランスデューサの動作周波数での音響波長である。
【０１１９】
空洞の高さｈ空洞に関するこれらの制限は、平面でなくてもよく、寸法の同じ構成を有しなくてもよく、または同様の意図された共振モードを有しなくてもよい、本発明の他の実施形態にも関連する。前述のように、粘性侵入深さは、利用可能な構造体の最薄寸法の薄さを制限し、構造体または空洞の内部寸法の最低限界として、粘性侵入深さに達するにつれて、熱としてより多くのエネルギーを散逸させる。また、生成される他の薄いモードは、意図される各モードが特定の寸法要件を有することになるので、構造体によって制限される正しいモードを達成するために、それらの最も薄い寸法が実質的に同様の制限を有することを必要とするであろう。これらの要件から離れすぎると、励起される共振モードにおいてジャンプを引き起こし、したがって、本明細書で前述したように、調整された構造体の追加から得られる効率に悪影響を与える可能性がある。
【０１２０】
図１７および図１８は、音響整合構造体の代替の長手方向の実施形態を使用するトランスデューサに関し、音響空洞の半径は、音響空洞の高さよりも小さい。図１７Ａは、トランスデューサの軸対称図を示す。アクチュエータ１７１０は、その周囲で、中空管１７５０の一端部に嵌合する。そして、遮断板１７２０が、管の反対側の端部と嵌合する。音響空洞１７４０は、アクチュエータ、管および遮断板の組合せによって形成される。遮断板には小さな開口１７３０があり、圧力波が周囲媒質中へ放射されることを可能にする。アクチュエータの長手方向振動運動（１７１５によって示される運動）は、空洞内に長手方向圧力波を生成する。これらの圧力振動の周波数は、長手方向音響共振が空洞内で励起され、それらの振幅が増大するように調整することができる。この共振周波数は、主に、空洞の高さに依存し、空洞の半径の影響は、より小さいであろう。
【０１２１】
図１７Ｂは、トランスデューサの軸対称図を示す。中空の円筒形アクチュエータ１７６０は、一端部でベース１７７０に篏合する。そして、遮断板１７２０は、アクチュエータの反対側の端部と嵌合する。音響空洞１７４０は、アクチュエータ、ベースおよび遮断板の組合せによって形成される。遮断板には小さな開口１７３０があり、圧力波が周囲媒質中へ放射されることを可能にする。１７６５によって示されるアクチュエータの半径方向運動は、空洞内に長手方向圧力波を生成する。これらの圧力振動の周波数は、長手方向音響共振が空洞内で励起され、それらの振幅が増大するように調整することができる。この共振周波数は、空洞の高さに主に依存し、空洞の半径の影響は、より小さいであろう。この構成は、図１７Ａに示される構成よりも高い音響出力を可能にする、より大きな表面積をアクチュエータに提供する利点を有する。
【０１２２】
図１７Ｃは、２つの場合（（Ａ）遮断板が存在する場合の１７８６と、（Ｂ）遮断板が存在しない場合１７８８）について、空洞内の圧力振動１７８４の振幅が、アクチュエータから開口まで、長手方向軸１７８２に沿ってどのように変化するかを示す。いずれの場合も、圧力振動の振幅が、管の閉鎖端から開放端まで単調に減少する１次音響共振が励起される。しかしながら、振幅は、遮断板が存在する場合、特に圧力波が周囲媒質中へ放射される開口で、大幅に高くなる。アクチュエータは、厚みモード圧電アクチュエータであってもよく、ここで、一旦駆動されると、その運動は、ほぼ均一であり、その領域にわたって同相である。空洞内に長手方向の圧力波を発生させるのはこの運動である。
【０１２３】
図１８Ａは、トランスデューサの軸対称図を示す。アクチュエータ１８１０は、その周囲で、中空管１８５０の一端部に嵌合する。そして、遮断板１８２０が、管の反対側の端部と嵌合する。音響空洞１８４０は、アクチュエータ、管および遮断板の組合せによって形成される。遮断板には、２つの小さな開口１８３０および１８６０があり、圧力波が周囲媒質中へ放射されることを可能にする。この場合、図１７とは対照的に、アクチュエータの運動は、空洞において高次の音響共振を励起する。
【０１２４】
図１８Ｂは、圧力振動の位相が、３つの平行軸Ａ、ＢおよびＣに沿ってどのように変化するかを示すグラフ１８７０である。各軸に沿って、圧力は、アクチュエータに近いところで最も高くなるが、管の反対側の端部での圧力とは位相がずれている。この位置での開口から放射される圧力が、開口１８３０および１８６０から放射される圧力と位相がずれ、破壊的干渉（destructive interference）を引き起こし、トランスデューサの全圧力出力を下げることになるので、軸Ｂに沿って配置される開口は存在しない。
【０１２５】
圧力振動の位相は、長手方向および半径方向において変化する。半径方向において、所与のｚ高さで、空洞の中心での圧力は、図１８Ｃのグラフ１８８０に示されるように、管の内周に近い圧力と位相がずれる。
【０１２６】
図１８Ｄは、記載される音響共振に整合したモード形状であるアクチュエータの速度プロファイル１８９０を示す。ここで、アクチュエータの振動の位相は、その半径にわたって変化し、その中心で同相であり、その周辺の近くで位相ずれを示す。この場合、曲げモード圧電アクチュエータを使用して、そのような速度プロファイルを生成することができる。
【０１２７】
図１９Ａは、遮断板の整合構造体および薄膜の整合構造体の組合せである整合構造体と、アクチュエータとを含むトランスデューサを示す。薄膜１９５０は、アクチュエータ１９１０から短い距離で分離して、密閉された音響空洞１９４０を形成する。遮断板１９３０は、薄膜の反対側から短い距離で分離して、開口１９２０を有する別個の音響空洞１９６０を形成する。２つの整合構造体の組合せは、トランスデューサの音響伝達効率を改善し得る。
【０１２８】
同様に、図１９Ｂは、遮断板１９３０の整合構造体および薄膜１９５０の整合構造体の組合せである整合構造体と、アクチュエータとを含むトランスデューサを示す。しかしながら、この実施形態では、遮断板１９３０および薄膜１９５０の位置が逆であり、遮断板１９３０がアクチュエータに最も近く、薄膜１９５０が周囲媒質中へ直接圧力を放射するように構成される。薄膜は、スペーサ要素１９７０によって、遮断板１９３０から短い距離で分離して配置される。
【０１２９】
図１９Ｃは、２つの隣接するトランスデューサ１９９２、１９９４を示す。それぞれのトランスデューサは、図１９Ｂと同じ構成を有するが、２つのトランスデューサ間で共有される連続薄膜１９５０を有する。これは、薄膜１９５０が、さらなる処理を必要とすることなく、最終アセンブリとしてトランスデューサアレイに積層されるので、トランスデューサのアレイが製造されている場合に有利である。
【０１３０】
図２０Ａは、アクチュエータ２０１０と、遮断板の整合構造体とを含むトランスデューサを示す。遮断板２０２０は、音響媒質における圧力振動の波長の約４分の１である厚さを有する。例えば、この媒質は空気であってもよい。したがって、開口２０３０は、波長の４分の１に等しい長さを有する。アクチュエータおよび遮断板によって形成される空洞２０４０内で励起される半径方向共振に加えて、その開口内で長手方向音響共振が励起され得る。この追加の長手方向共振は、圧力出力をさらに増幅し得る。
【０１３１】
図２０Ｂは、２つのトランスデューサ２０６１、２０６２を示す。それぞれのトランスデューサは、アクチュエータと遮断板の整合構造体とを含み、別個の多孔板（perforated plate）２０６０が、両方のトランスデューサの前面に配置される。追加の多孔板は、追加の整合構造体として作用し、音響伝達の効率をさらに改善し得る。それはまた、例えば、トランスデューサへの偶発的な損傷、またはトランスデューサへの汚れの侵入に対する保護バリアとして作用することができる。
【０１３２】
図２０Ｃは、遮断板２０２０の整合構造体および多孔板２０６０の整合構造体の組合せである整合構造体と、アクチュエータとを含むトランスデューサを示す。多孔板２０６０は、アクチュエータ２０１０から短い距離で分離している。遮断板２０２０は、多孔板の反対側から短い距離で分離して、開口２０３０を有する空洞２０４０を形成する。２つの整合構造体の組合せは、トランスデューサの音響伝達効率を改善し得る。
【０１３３】
図２１は、互いに近接して配置される２つのアクチュエータ２１０９、２１１０を示す。それらの前方に連続薄膜２１５０が配置され、その前方に連続多孔板２１６０が配置される。２つの整合構造体の組合せは、トランスデューサの音響伝達効率を改善し得る。さらに、薄膜および多孔板の両方が複数のアクチュエータによって共有されるので、トランスデューサアレイ組立の容易さが改善され得る。
【０１３４】
２．遮断板の利点
【０１３５】
遮断板整合構造体の動作周波数は、面内寸法（ｒ空洞、ｗ開口）に大きく依存し、厚さ寸法（ｈ空洞、ｈ遮断）に対して相対的に不変である（なお、典型的な整合層／構造体の場合、重要なパラメータは厚さである）。これは、遮断板を有する整合構造体が、より低い厚さを有し、したがって、本実施形態では、広い周波数範囲にわたって、他の整合層よりも低いプロファイルを有することを可能にする。遮断板を有する整合構造体は、他のより従来の整合層／構造体とは対照的に、従来の製造技術および典型的な公差で製造することができる。変換素子の伝播領域の大部分が板自体によって遮断されることを考えると、遮断板を追加することによって音響出力を改善可能なことは、直感的ではない。
【０１３６】
上述の代替の整合構造体に関する遮断板を備える音響構造体の利点を、以下に説明する。
【０１３７】
１．従来の整合層は、典型的には、
2022501845.tif 000036
（λは音響トランスデューサに要求される一次波長を示す）厚さに近い。一方、本明細書に記載される遮断板を備える新規な音響構造体は、より薄い構造体で伝達効率を改善することができる。加えて、従来のインピーダンス整合層は、低音響インピーダンス材料を製造するために複雑な製造プロセスを必要とする。一方、本明細書に記載される新規な音響構造体は、従来のプロセス、例えば機械加工、射出成形、エッチングを用いて製造することができる。更に、低音響インピーダンス材料は、典型的には堅牢性を欠くが、本発明を実施するために必要な構造体は、アルミニウムのようなより高剛性の堅牢なエンジニアリング材料から製造することができる。
【０１３８】
２．遮断板は、特に低超音波周波数で、Ｔｏｄａに記載されるサブ波長孔の規則的アレイを有する板よりも薄い構造体で性能改善を達成することができる。
【０１３９】
３．Ｔｏｄａに記載される薄膜整合層の場合、性能は、伝播方向に平行な寸法に強く依存する。これは、変換素子からの薄膜の間隔が合理的に達成できない厳しい公差を必要とする、高周波数（≫８０ｋＨｚ）での制限になり得る。しかしながら、遮断板およびサポート構造体は、少なくとも機械加工およびエッチングにおいて典型的な工業公差で製造することができる。さらに、薄いポリマーフィルムは堅牢性を欠くが、遮断板およびそのサポート構造体は、アルミニウムのようなより高剛性の堅牢なエンジニアリング材料の単一片から製造することができる。
【０１４０】
４．記載された音響構造体は、特に低超音波周波数で、音響ホーンよりも、薄い構造体によって、同等以上の性能改善を達成することができる。
【０１４１】
５．ヘルムホルツ共振器は、共振器の寸法が、動作周波数での波長よりも実質的に小さくなければならないという要件によって制限される。これは、実質的にサブ波長の変換素子を必要とする。これにより、電力出力が制限され、この整合概念とともに使用され得る変換素子が制限される。この実施形態において空洞を形成する遮断板およびサポート構造体は、直径が実質的にサブ波長である必要はないので、より大きな変換素子を収容することができる。前述の設計とヘルムホルツ共振器との間の差異の１つは、この設計が、空間的に均一な圧力を有さない音響共振を駆動することであり（本発明の場合、半径方向の圧力変動によって実質的に不均一な音響圧を有する選択された音響モードを伴うことになり）、そして、遠端で間隙／パイプを有する。これは、不均一な圧力を有するどのような構造体（パイプ、球体、ホーン等）に対しても一般化できることが前のセクションで示されている。これは、モード構造体および間隙を有する任意の囲まれたボリュームを包含する。
【０１４２】
ＩＩＩ．本発明の実施形態の概要
【０１４３】
本発明の一実施形態は、使用時に流体を含む空洞を含む音響整合構造体であり、空洞は、実質的な平面形状を有する。空洞は、実質的な平面寸法を境界付ける２つの端壁と、空洞を境界付けるとともに端壁に実質的に垂直な側壁とによって画定される。空洞は、端壁間の空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を有する。空洞の側壁は、円形状であってもよいし、あるいは、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2として定義される有効側壁半径ｒ空洞のような別の形状を有してもよい。少なくとも１つの開口は、側壁および端壁の少なくとも１つに配置される。ここで、空洞の高さｈ空洞は、端壁の平均間隔として定義され、ｒ空洞とｈ空洞は、ｒ空洞がｈ空洞より大きいという不等式を満足する。動作中に、空洞端壁のうちの１つに作用する変換素子は、空洞内の流体において音響振動を生成し、使用時に、空洞内の流体における音響振動は、圧力波を周囲音響媒質中へ伝播させる。
【０１４４】
本発明のさらなる実施形態は、動作中に流体を含む空洞であって、実質的に平面寸法を境界付ける２つの端壁による実質的な平面形状と、端壁間の空洞の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞とを有する空洞を含む音響整合層である。端壁の一方は変換素子によって形成され、他方は遮断板によって形成されてもよい。空洞は有効側壁半径ｒ空洞を有し、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2と定義し、空洞高ｈ空洞を端壁の平均間隔と定義する。動作中に、空洞は、流体における音響振動の共振周波数をサポートする。ここで、周波数は、
2022501845.tif 000037
によって定義される波長を決定し、ｃは、流体内の音速であり、ｈ空洞は、実質的に波長の半分未満であり、ｒ空洞は、波長の半分以上である。少なくとも１つの開口は、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置され、少なくとも１つの音響変換素子は、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置される。結果として生じる音響空洞は、空洞内の音響媒質を制限して、変換素子から開口外側の媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす。
【０１４５】
本発明のさらなる実施形態は、動作中に、流体を含む空洞であって、実質的に管状形状を有する空洞と、管状寸法の端部を境界付ける２つの端壁とを含む音響整合層である。中心線は、その長さに沿った各点での端壁を除いた最も近い境界からのその距離を最大にするように、空洞を横断し、一方の端壁の幾何学的中心を他方の端壁の幾何学的中心に接続する空洞内の線として定義される。面積Ａ空洞は、端壁間の空洞の平均断面積によって与えられる。ここで、断面は、中心線に沿った法線でとられる。空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2として定義される有効側壁半径ｒ空洞を有する。空洞の高さｈ空洞は、中心線の長さとして定義される。動作中に、空洞は、流体内の音響振動の共振周波数をサポートする。周波数が
2022501845.tif 000038
よって定義される波長を決定する。ここで、ｃは流体内の音速であり、ｒ空洞が実質的に波長の半分未満であり、ｈ空洞が実質的に波長の半分以上である。少なくとも１つの開口は、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置され、少なくとも１つの音響変換素子が、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置される。結果として生じる音響空洞は、空洞内の音響媒質を制限して、変換素子から開口外側の媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす。
【０１４６】
本発明のさらなる実施形態は、バルク媒質内への音響エネルギー伝達の経路内に存在する遮断板を含む音響整合層である。動作中に、遮断板の存在が音響モードを励起する。少なくとも１つの軸は、空洞内の共振周波数での波長の実質的に半分未満の寸法を有する。また、少なくとも１つの軸は、空洞内の共振周波数での波長の実質的に半分以上の寸法を有する。
【０１４７】
上記実施形態のいずれにおいても、変換素子は、端壁の平面に実質的に垂直な方向において、一方または両方の端壁の振動運動を生じさせるアクチュエータであってもよい。
【０１４８】
以下の実施形態は、長手方向およびその他（非半径方向）の空洞モードに関係する。
【０１４９】
一実施形態は、動作中に、流体を含む空洞であって、実質的に管状形状を有する空洞と、管状寸法の端部を境界付ける２つの端壁とを含む音響整合構造体である。中心線は、その長さに沿った各点での端壁を除く最も近い境界からの距離を最大にするように、空洞を横断し、一方の端壁の幾何学的中心を他方の端壁の幾何学的中心に接続する空洞内の線として定義される。
【０１５０】
空洞面積Ａ空洞は、端壁間の空洞の平均断面積によって与えられる。ここで、断面は、中心線に沿った法線でとられる。空洞は、有効側壁半径ｒ空洞を有する。ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2として定義される。空洞の高さｈ空洞は、中心線の長さとして定義される。動作中に、空洞は、流体内の音響振動の共振周波数をサポートする。ここで、周波数は、
2022501845.tif 000039
によって定義される波長を決定する。ｃは、流体内の音速であり、ｒ空洞は、実質的に波長の半分未満であり、ｈ空洞は、実質的に波長の半分以上である。少なくとも１つの開口は、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置され、少なくとも１つの音響変換素子は、側壁および端壁のうちの少なくとも１つに配置される。結果として生じる音響空洞は、空洞内の音響媒質を制限し、変換素子から開口外側の媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす。
【０１５１】
さらなる実施形態は、バルク媒質への音響エネルギー伝達の経路内に存在する遮断板を含む音響整合構造体である。動作中に、遮断板の存在が音響モードを励起する。少なくとも１つの軸は、空洞内の共振周波数での波長の実質的に半分未満の寸法を有する。また、少なくとも１つの軸は、空洞内の共振周波数での波長の実質的に半分以上の寸法を有する。
【０１５２】
ＩＶ．追加の開示
（１）  トランスデューサのための音響整合構造体であって、該構造体は、
使用時に流体を含む空洞であって、実質的な平面形状を有する前記空洞と、
前記空洞の前記実質的な平面形状を境界付ける２つの端壁と、
前記空洞を境界付ける側壁であって、前記端壁に対して実質的に垂直である前記側壁と、
前記構造体は、前記端壁の間の前記空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を画定し、
前記空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2によって定義される有効側壁半径ｒ空洞を有し、
前記端壁および前記側壁の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの開口と、を含み、
ここで、前記空洞の高さｈ空洞は、前記端壁の平均間隔として定義され、
ｒ空洞とｈ空洞が、次の不等式、ｒ空洞がｈ空洞より大きいを満たし、
ここで、動作中に、前記空洞の前記端壁の１つに作用する変換素子は、前記空洞内の前記流体に音響振動を生成し、
それによって、使用時に、前記空洞内の前記流体における前記音響振動は、圧力波を周囲音響媒質の中へ伝播させることを特徴とする音響整合構造体。
（２）  動作中に、前記空洞は、前記流体における前記音響振動の共振周波数をサポートし、前記共振周波数は、
2022501845.tif 000040
によって定義される波長を決定し、ここで、ｃは、前記流体における音速であり、ｈ空洞は、前記波長の実質的に半分未満であり、ｒ空洞は、前記波長の実質的に半分以上であり、
少なくとも１つの開口が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
少なくとも１つの音響変換素子が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
その結果、生じる音響空洞が前記空洞内の前記音響媒質を制限し、前記変換素子から前記開口の外側の前記媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす項目（１）に記載の音響整合構造体。
（３）  前記トランスデューサは、前記端壁の平面に対して実質的に垂直な方向に、前記端壁のうちの少なくとも１つの振動運動を生じさせるアクチュエータを含む項目（１）または（２）に記載の音響整合構造体。
（４）  少なくとも１つの開口が、前記側壁からｒ空洞／２未満の距離内の端壁に配置される上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（５）  前記形状は、円形、楕円形、正方形、多角形のうちの１つであり、アスペクト比は２未満である上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（６）  前記開口の面積の和、Ａ開口と、Ａ空洞とが、次の不等式、Ａ空洞／Ａ開口が２より大きい、好ましくは、Ａ空洞／Ａ開口が５より大きいを満たす上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（７）  ｒ空洞／ｈ空洞が５より大きい上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（８）  前記空洞に含まれる前記流体は空気であり、音速は３００ｍ／ｓおよび４００ｍ／ｓの間である上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（９）  ｈ空洞２／ｒ空洞が、１０−８メートルより大きい上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（１０）  使用時に、前記空洞における半径方向圧力振動の最低共振周波数は、２００Ｈｚ〜２ＭＨｚの範囲であり、好ましくは、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲である上記項目のいずれかに記載の音響整合構造体。
（１１）  上記いずれかの項目に記載の音響整合構造体と、アクチュエータとを含む音響トランスデューサであって、使用時に、前記アクチュエータの振動運動の周波数が、前記空洞における半径方向音響振動の最低共振周波数の３０％以内であることを特徴とする音響トランスデューサ。
（１２）  前記アクチュエータの端壁運動は、前記空洞における圧力振動に整合するモード形状である項目１１に記載の音響トランスデューサ。
（１３）  前記アクチュエータは、ベッセル関数に近似する変位プロファイルを有する端壁の運動を生じさせる項目１１または１２に記載の音響トランスデューサ。
（１４）  使用時に、前記空洞における音響圧振動は、前記空洞の中心からｒ空洞／４の距離内に位置する圧力の腹を有する項目１１ないし１３のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（１５）  前記空洞壁における開口は、使用時に、内部空洞ボリュームを周囲音響媒質に接続する項目１１ないし１４のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（１６）  前記開口は、端壁に配置されており、該端壁は、その端部でサポートされ、前記側壁によって前記変換素子から分離された遮断板によって形成され、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置される項目１１ないし１５のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（１７）  前記アクチュエータは、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置され、前記開口は、前記アクチュエータの１つの面によって形成される端壁に配置される項目１１ないし１６のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（１８）  前記アクチュエータの変位は、作動時の曲げ形状に従う項目１１ないし１７のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（１９）  前記アクチュエータの端部の運動は、前記アクチュエータのサポート部によって制限される項目１１ないし１８のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（２０）  前記アクチュエータの中心部の運動は、制限されない項目１１ないし１９のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（２１）  前記変換素子は、圧電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、および熱音響変換素子のうちの１つである項目１１ないし２０のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（２２）  前記アクチュエータのサポート部の運動は、遮断板によって制限される項目１１ないし２１のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
（２３）  前記変換素子と前記遮断板との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む項目２２に記載の音響トランスデューサ。
（２４）  前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む項目２２または２３に記載の音響トランスデューサ。
（２５）  前記変換素子と前記遮断板との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む項目２２に記載の音響トランスデューサ。
（２６）  前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む項目２２に記載の音響トランスデューサ。
（２７）  前記項目のいずれかに記載の音響整合構造体またはトランスデューサのアレイ。
【０１５３】
Ｖ．結論
【０１５４】
前述の説明は特定の値を開示しているが、同様の結果を達成するために、任意の他の特定の値を使用することができる。さらに、前述の実施形態の様々な特徴は、改善された触覚システムの多数の変形を生成するように選択され、組み合わされてもよい。
【０１５５】
本明細書では、特定の実施形態が記載されている。しかしながら、当業者であれば、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱せずに種々の修正および変形が可能なことを理解するであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味としてみなされるべきであり、すべてのそのような修正は、本教示の範囲内に含まれることが意図される。
【０１５６】
さらに、本明細書では、第１および第２、上部および底部等の関係用語は、そのようなエンティティまたはアクション間の実際のそのような関係またはオーダーを必ずしも必要とせず、またはそれを意味することなく、あるエンティティまたはアクションを別のエンティティまたはアクションから区別するためにのみ使用することができる。用語「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「備える」、「備えている」、「含有する」、「含有している」、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含をカバーするように意図されている。その結果、要素のリストを含む、有する、備える、含有するプロセス、方法、物品または装置は、それらの要素のみを含まず、そのようなプロセス、方法、物品または装置に明示的に列挙されていない、または固有でない他の要素を含むことができる。「〜を含む」、「〜を有する」、「〜を備える」、「〜を含有する」が続く要素は、それ以上の制約なしに、その要素を含む、有する、備える、含有するプロセス、方法、物品または装置における追加の同一の要素の存在を排除しない。用語「ａ」および「ａｎ」は、本明細書で特に明記しない限り、１つまたは複数として定義される。用語「実質的に」、「本質的に」、「ほぼ」、「約」、またはそれらの任意の他のバージョンは、当業者の理解に近いものとして定義される。本明細書で使用される用語「結合された」は、必ずしも直接的ではなく、必ずしも機械的である必要はないが、接続されたものとして定義される。ある方法で「構成される」装置または構造体は、少なくともそのように構成されるが、列挙されていない方法で構成されてもよい。
【０１５７】
開示の要約は、読み手が技術的開示の性質を迅速に確認することを可能にするために提供される。要約書は、特許請求の範囲を解釈または限定するために使用されないことを理解されたい。さらに、前述の詳細な説明では、開示を合理化する目的で、様々な特徴が様々な実施形態において一緒にグループ化されることが分かる。この開示方法は、特許請求の範囲の実施形態が、各請求項に明示的に列挙されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、特許請求の範囲に示すように、特許性のある主題は、単一の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴にある。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、個別にクレームされる主題として独立している。
【図１】
2022501845.tif 000042
【図２】
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【図３】
2022501845.tif 000044
【図４】
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【図５】
2022501845.tif 000046
【図６】
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【図７】
2022501845.tif 000048
【図８】
2022501845.tif 000049
【図９】
2022501845.tif 000050
【図１０】
2022501845.tif 000051
【図１１】
2022501845.tif 000052
【図１２】
2022501845.tif 000053
【図１３】
2022501845.tif 000054
【図１４Ａ】
2022501845.tif 000055
【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
2022501845.tif 000060
【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
2022501845.tif 000068
【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月5日(2021.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスデューサのための音響整合構造体であって、該構造体は、
使用時に流体を含む空洞であって、実質的な平面形状を有する前記空洞と、
前記空洞の前記実質的な平面形状を境界付ける２つの端壁と、
前記空洞を境界付ける側壁であって、前記端壁に対して実質的に垂直である前記側壁と、
前記構造体は、前記端壁の間の前記空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を画定し、
前記空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2によって定義される有効側壁半径ｒ空洞を有し、
前記端壁および前記側壁の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの開口であって、前記側壁からｒ空洞／２未満の距離内の端壁に配置された前記少なくとも１つの開口と、を含み、
ここで、前記空洞の高さｈ空洞は、前記端壁の平均間隔として定義され、
ｒ空洞とｈ空洞が、次の不等式、ｒ空洞がｈ空洞より大きいを満たし、
ここで、動作中に、前記空洞の前記端壁の１つに作用する変換素子は、前記空洞内の前記流体に音響振動を生成し、
それによって、使用時に、前記空洞内の前記流体における前記音響振動は、圧力波を周囲音響媒質の中へ伝播させることを特徴とする音響整合構造体。
【請求項２】
動作中に、前記空洞は、前記流体における前記音響振動の共振周波数をサポートし、前記共振周波数は、
2022501845.tif 000074
によって定義される波長を決定し、ここで、ｃは、前記流体における音速であり、ｈ空洞は、前記波長の実質的に半分未満であり、ｒ空洞は、前記波長の実質的に半分以上であり、
少なくとも１つの開口が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
少なくとも１つの音響変換素子が、前記端壁および前記側壁のうちの少なくとも１つに配置され、
その結果、生じる音響空洞が前記空洞内の前記音響媒質を制限し、前記変換素子から前記開口の外側の前記媒質への音響エネルギーの伝達を実質的に改善する共振モードを引き起こす請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項３】
前記トランスデューサは、前記端壁の平面に対して実質的に垂直な方向に、前記端壁のうちの少なくとも１つの振動運動を生じさせるアクチュエータを含む請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項４】
前記形状は、円形、楕円形、正方形、多角形のうちの１つであり、アスペクト比は２未満である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項５】
前記開口の面積の和、Ａ開口と、Ａ空洞とが、次の不等式、Ａ空洞／Ａ開口が２より大きいを満たす請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項６】
ｒ空洞／ｈ空洞が５より大きい請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項７】
前記空洞に含まれる前記流体は空気であり、音速は３００ｍ／ｓおよび４００ｍ／ｓの間である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項８】
ｈ空洞２／ｒ空洞が、１０−８メートルより大きい請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項９】
使用時に、前記空洞における半径方向圧力振動の最低共振周波数は、２００Ｈｚ〜２ＭＨｚの範囲である請求項１に記載の音響整合構造体。
【請求項１０】
１）トランスデューサのための音響整合構造体と、該構造体は、
使用時に流体を含む空洞であって、実質的な平面形状を有する前記空洞と、
前記空洞の前記実質的な平面形状を境界付ける２つの端壁と、
前記空洞を境界付ける側壁であって、前記端壁に対して実質的に垂直である前記側壁と、
前記構造体は、前記端壁の間の前記空洞内の平面寸法における平均断面積によって与えられる面積Ａ空洞を画定し、
前記空洞は、ｒ空洞＝（Ａ空洞／π）1/2によって定義される有効側壁半径ｒ空洞を有し、
前記端壁および前記側壁の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの開口であって、前記側壁からｒ空洞／２未満の距離内の端壁に配置された前記少なくとも１つの開口と、を含み、
ここで、前記空洞の高さｈ空洞は、前記端壁の平均間隔として定義され、
ｒ空洞とｈ空洞が、次の不等式、ｒ空洞がｈ空洞より大きいを満たし、
ここで、動作中に、前記空洞の前記端壁の１つに作用する変換素子は、前記空洞内の前記流体に音響振動を生成し、
それによって、使用時に、前記空洞内の前記流体における前記音響振動は、圧力波を周囲音響媒質の中へ伝播させ、
２）アクチュエータと、を含み、使用時に、前記アクチュエータの振動運動の周波数が、前記空洞における半径方向音響振動の最低共振周波数の３０％以内であることを特徴とする音響トランスデューサ。
【請求項１１】
前記アクチュエータの端壁運動は、前記空洞における圧力振動に整合するモード形状である請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、ベッセル関数に近似する変位プロファイルを有する端壁の運動を生じさせる請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１３】
使用時に、前記空洞における音響圧振動は、前記空洞の中心からｒ空洞／４の距離内に位置する圧力の腹を有する請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１４】
前記空洞壁における開口は、使用時に、内部空洞ボリュームを周囲音響媒質に接続する請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１５】
前記開口は、端壁に配置されており、該端壁は、その端部でサポートされ、前記側壁によって前記変換素子から分離された遮断板によって形成され、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置される請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１６】
前記アクチュエータは、前記空洞と周囲音響媒質との間に配置され、前記開口は、前記アクチュエータの１つの面によって形成される端壁に配置される請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１７】
前記アクチュエータの変位は、作動時の曲げ形状に従う請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１８】
前記アクチュエータの端部の運動は、前記アクチュエータのサポート部によって制限される請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項１９】
前記アクチュエータの中心部の運動は、制限されない請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２０】
前記変換素子は、圧電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、および熱音響変換素子のうちの１つである請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２１】
前記アクチュエータのサポート部の運動は、遮断板によって制限される請求項１０に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２２】
前記変換素子と前記遮断板との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む請求項２１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２３】
前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置された薄膜整合構造体をさらに含む請求項２１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２４】
前記変換素子と前記遮断板との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む請求項２１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項２５】
前記遮断板と前記周囲音響媒質との間に配置され、約λ／４の高さの開口を含む多孔板整合構造体をさらに含む請求項２１に記載の音響トランスデューサ。
【国際調査報告】
2022501845.tif 000075
2022501845.tif 000076
2022501845.tif 000077