(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子に１層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数個配列して構成した素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層の音波伝搬方向の長さが、各整合層中の音波伝搬波長λに対して、異なる比率である２種類以上の整合層を使用し、各整合層の長さは、送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる音波伝搬波長λの１／１０以上から４／１０以下の範囲の間の長さとすることを特徴とする広帯域送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋での魚群探知や深度の海洋探知での使用に好適な広帯域送受波器であって、特に、圧電振動子を用いた電気音響変換素子を複数個、配列して構成される素子配列型の広帯域送受波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海洋での魚群探知や深度の海洋探知での分野での、送受波器については、音響測定精度の向上のため、使用周波数の高周波数化による水中音波の短波長化、あるいは信号応答性の改善を図るための広帯域化等の技術が提案されてきた。特に、送受波器の広帯域化の技術に関しては、整合層の使用により、かなりの成果が上がっていた。
【０００３】
一般に、送受波器の電気音響変換素子に使用される整合層は、整合層材料の音響インピーダンス密度に着目し、電気信号と音響信号の変換を行う圧電振動子と水中超音波送受波器における音波伝搬媒体である水の各々の音響インピーダンス密度の幾何平均値を目標として種々の材料から選択される。
【０００４】
前記整合層の長さ寸法を圧電振動子の使用周波数における整合層中の音波伝搬波長λの１／４とし、圧電振動子の音響放射面に接着等の方法により、音波の伝搬方向と整合層の長さ方向が一致するように取り付けられる。
【０００５】
図５は、１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の上面及び側面から見た断面図である。図５(ａ)は、送受波器の正面図であり、図５(ｂ)は、図５(ａ)でのＢＢ断面図である。
【０００６】
前記送受波器の整合層の改善による送受波器の広帯域化においては、図５(ａ)に示すように、１個の圧電振動子１ａの音響放射面に整合層２ａを１層設けた電気音響変換素子を使用する構成が基本の形である。整合層２ａを１層設けて得られる帯域幅では充分でない場合には、図６に示すように、２層目の整合層２ｂあるいは３層目の整合層２ｃを、新たに設けて、多重整合層の構成をとることで、より一層の広帯域化を図っていた。
【０００７】
また、図７に示すような素子配列型の送受波器において、圧電振動子１ｂに整合層２ｄを１層設けた電気音響変換素子を複数個、配列することで充分な帯域幅が得られなければ、図７に示す送受波器の場合と同様に、図８に示すように、２層目の整合層２ｅあるいは３層目の整合層２ｆを設けて多重整合層化することにより対処するのが一般的であった。
【０００８】
即ち、図７、図８に示す従来構成の送受波器は、図９に示すような音響放射面形状の電気音響変換素子１個で構成する送受波器を、細分化した電気音響変換素子を１６個配列して音響放射面の形状や外径寸法が等しくなるように構成し直したものである。
【０００９】
ここで、１６個の電気音響変換素子は、各々同一の特性を持つものであるから、素子配列した送受波器の共振特性は、図９の電気音響変換素子１個の送受波器と同様に、圧電振動子の使用周波数における単一共振が整合層１個の付与により１次及び２次の２つの共振点を持つ２重共振特性へと変化したものであり、電気音響変換素子を複数個、配列しても共振点がさらに増えることはない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の送受波器においては、以下の問題点があった。即ち、図７のように、多重整合層を設けた電気音響変換素子を複数個配列する構造の送受波器とする場合、各電気音響変換素子は１個の圧電振動子に接着等の方法で２層以上の整合層を取り付けていくことで形成されるため、整合層の各層間のずれの防止や接着剤層の厚さの管理等が必要になる等、組立の煩雑化を招き、圧電振動子や整合層間の境界となる接着剤層の増加に伴い特性のばらつきが顕著化する等の問題があった。
【００１１】
さらには、２層目、３層目の整合層として音響インピーダンス密度の異なる材料を使用するが、各整合層の音波伝搬方向の長さ寸法は、それぞれの材料における音波伝搬波長λの１／４とすることが通例で、整合層を１層だけ設けた構成の電気音響変換  素子に対して長さ寸法が増大するために、結果として、送受波器の寸法も大きくせざるを得ないという問題もあった。
【００１２】
従って、本発明の目的は、素子配列型の水中超音波送受波器において、従来、１層の整合層を設けることで得られていた広帯域化の効果に対し、多重整合層という電気音響変換素子の構造の複雑化や長さ寸法の増加を必要とせずに、整合層を１層設けた基本的な構成の電気音響変換素子を組み合わせて使用することで、より広帯域化を達成した広帯域送受波器を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個、配列して構成される素子配列型の水中超音波送受波器において、前記整合層として音波伝搬方向の長さが各整合層中の音波伝搬波長λに対して異なる比率である２種類以上の整合層を使用し、各整合層の長さを送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる整合層中の音波伝搬波長λの１／１０から４／１０の間の値とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、音波伝搬方向である長さ方向の寸法が異なる複数種類の整合層を一つの仕様の圧電振動子に付与することで、共振特性のずれた複数の電気音響変換素子が得られ、それらを組み合わせて素子配列を構成することにより感度特性のずれた電気音響変換素子群の特性を合成した感度特性を有する送受波器を得ることができる。
【００１５】
即ち、本発明は、圧電振動子に１層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数個、配列して構成した素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層の音波伝搬方向の長さが、各整合層中の音波伝搬波長λに対して、異なる比率である２種類以上の整合層を使用し、各整合層の長さは、送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる音波伝搬波長λの１／１０以上から４／１０以下の範囲の間の長さとする広帯域送受波器である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の広帯域送受波器について、以下に説明する。
【００１７】
図１に、本発明の広帯域送受波器の説明図を示す。図１（ａ）は、正面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）でのＡＡ断面図を示す。
【００１８】
従来の構成では、図７のように、素子配列型の送受波器で圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個、配列する場合は、１種類の材料から同一の寸法に作られた整合層を各圧電振動子に接着等で付与するため、各々の電気音響変換素子は、同一の特性を持つものであった。
【００１９】
これは、素子配列型の送受波器が、図６のように、圧電振動子１個で電気音響変換素子を構成する送受波器に対して、指向性の操作や振動子の外径寸法比に起因する結合振動の発生回避を達成するために、音響放射面を細分化した形状の電気音響変換素子を複数個、配列する形で置き換えることを当初の目的として構成されたためである。
【００２０】
即ち、図７に示す従来構成の送受波器は、図９に示すような音響放射面形状の電気音響変換素子１個で構成する送受波器を、細分化した電気音響変換素子を１６個配列して音響放射面の形状や外径寸法が等しくなるように構成し直したものと言える。
【００２１】
ここで、１６個の電気音響変換素子は、各々同一特性を持つものであるから、素子配列した送受波器の共振特性は、図９の電気音響変換素子１個の送受波器と同様に、圧電振動子の使用周波数における単一共振が整合層１個の付与により１次及び２次の２つの共振点を持つ２重共振特性へと変化したものであり、電気音響変換素子を複数個配列しても共振点がさらに増えることはない。
【００２２】
これに対して、本発明の広帯域送受波器は、長さの異なる複数の整合層を使用することで、２重共振特性の共振点がずれた電気音響変換素子が複数得られ、これらを組み合わせることで３個以上の共振点を持つ広帯域送受波器を構成している。
【００２３】
ここで、整合層の材料選択のために、種々の材料について特性が評価されているが、主に材料の音響インピーダンス密度特性に着目して圧電振動子と広帯域送受波器における音波伝搬媒体である水の各々の音響インピーダンス密度の幾何平均値に近い特性値を持つ材料が整合層材料として優先的に選択されている。これは、圧電振動子と音波伝搬媒体である水との間のインピーダンスマッチングを考慮しているためである。
【００２４】
上記の整合層の寸法に関しては、特に音波伝搬方向の長さ寸法を定める必要があるが、選択した材料の使用周波数における音波伝搬波長λに対し、整合層としての音波伝搬方向の長さ寸法ＬをＬ＝λ／４となるように設定するのが通例であった。本発明では、整合層の音波伝搬方向の長さ寸法を使用周波数における整合層中の音波伝搬波長λの１／４として一様な整合層を使用する従来の方法に対して、意識的に長さ寸法の異なる整合層を複数使用するものである。
【００２５】
即ち、本発明の広帯域送受波器は、圧電振動子に１層の整合層を付与した電気音響変換素子を複数個、配列して構成した素子配列型の広帯域送受波器において、前記整合層として音波伝搬方向の長さが各整合層中の音波伝搬波長λに対して異なる比率である、２種類以上の整合層を使用し、各整合層の長さは、送受波器の使用周波数と材料の音波伝搬速度とにより定まる音波伝搬波長λの１／１０以上から４／１０以下の範囲の間の長さとする広帯域送受波器である。
【００２６】
ここで、整合層の長さが、音波伝搬波長λの１／１０未満であると、整合層での超音波の透過率が極端に低下し、また寸法上も、厚みが薄くなり、送受波器の性能が著しく低下する。また、整合層の長さが、音波伝搬波長λの４／１０を超えると、超音波の透過率が極端に低下し、送受波器の性能が著しく低下する。従って、整合層の長さを、音波伝搬波長λの１／１０以上から４／１０以下の範囲とするものである。
【００２７】
【実施例】
本発明の実施例による広帯域送受波器について、以下に説明する。
【００２８】
本発明の広帯域送受波器では、整合層の材料として、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板を使用している。図３は、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板における音波伝搬方向と、同樹脂板から得る整合層の音波伝搬方向と長さ方向の関係を示した図である。ここで、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２は、積層構造となっている。
【００２９】
図３より、ここで使用している整合層は２種類で、いずれもガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２から加工したものであり、同一の素材から長さ方向寸法のみ異なる整合層を加工して組合せた場合について説明している。
【００３０】
ここでは、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２の繊維に沿った方向を整合層の音波伝搬方向として、１種類は整合層中の音波伝搬波長λの１／５の長さとし、もう１種類は波長λの３／１０の長さとして２種類の整合層を加工した。この整合層を長さ方向に周波数７０ｋＨｚで共振する圧電振動子２１に接着により付与して、１層の整合層を有する電気音響変換素子２３ａ、２３ｂの２種類を得ている。
【００３１】
ガラス布基材エポキシ樹脂積層板２２の材料特性としては、密度ρ＝１.９×１０３（ｋｇ／ｃｍ３）、繊維に沿った方向の音波伝搬速度Ｃ＝３１５０（ｍ／ｓｅｃ）あることから、角柱状の圧電振動子２１の使用周波数７０ｋＨｚに対して整合層の音波伝搬方向の長さ寸法は、音波伝搬波長λの１／５で約Ｌａ＝９.０（ｍｍ）、音波伝搬波長λの３／１０で約Ｌｂ＝１３.５（ｍｍ）となる。
【００３２】
熱硬化型のエポキシ樹脂接着剤により圧電振動子と前記２種類の整合層２２ａ、２２ｂを接着して、図４に示す電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを得る。併せて、図４には、電気音響変換素子２３ａのインピーダンス周波数特性２４ａ、電気音響変換素子２３ｂのインピーダンス周波数特性２４ｂを示す。長さ寸法の大きい整合層２２ａを設けた電気音響変換素子２３ａの共振点は、長さ寸法の小さい整合層２２ｂを設けた電気音響変換素子２３ｂの共振点に対して、約１０ｋＨｚ低周波側へシフトする。
【００３３】
これらの電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを組み合わせれば、インピーダンス特性に４つの共振点を持つ送受波器が得られる。これに対して、整合層が１種類である従来の送受波器構成では、例えば電気音響変換素子２３ａだけを配列したものに等しいことから、インピーダンス周波数特性２４ａと同様に、２つの共振点を持つ特性となる。
【００３４】
実施例では、この２種類の電気音響変換素子２３ａ、２３ｂを各々８個使用して、４列×４列の配列を構成し、素子間及び素子配列の周囲にコルク２５を接着して素子の位置決めと周囲からの遮音処置を行い、信号ケーブル２６と接続後にポリウレタンゴムモールド２７により全体をモールドして水密性を持たせ、図１に示す素子配列型の水中超音波送受波器を製作した。
【００３５】
この超音波送受波器における電気音響変換素子２３ａ、２３ｂの配置は、図１に示すように、それぞれが交互に配置されるようにしてある。このようにして得た超音波送受波器の感度特性は、図２の本発明の送受波器の周波数特性の送波感度周波数特性２８、受波感度周波数特性３０に示すようになる。
【００３６】
図２には、従来例として、図７に示す送受波器に実施例で用いた整合層と同じ材質で、音波伝搬方向の長さ寸法を音波伝搬波長λの１／４とした整合層だけを使用した場合の送波感度周波数特性２９、受波感度周波数特性３１を併せて示した。従来の構成で得られる送受波器の感度特性に対して、本発明の実施例では、低周波側及び高周波側に帯域が広がった感度特性が得られている。
【００３７】
これは、本発明の実施例で用いた電気音響変換素子２３ａ、２３ｂの感度特性が、従来の長さ寸法を整合層中の音波伝搬波長λの１／４とした整合層を設けた電気音響変換素子の感度特性に対して、それぞれ高周波側、低周波側にシフトした特性を示しており、帯域のずれた感度特性を重畳させることにより、低周波側・高周波側へそれぞれ帯域を拡げ、また帯域内の感度変化を抑制することで、送受波器としてより広帯域化の効果が得られるものである。
【００３８】
従来の送受話器の構成では、１層の整合層を付与した場合に対して、さらに広帯域化を図るための多重整合層化という手法は、整合層を多層設けることで、圧電振動子を多重共振させ、共振周波数近傍での感度特性の持ち上がりを連続的に繋げ、なおかつ、帯域内の感度変化を抑制ることで広帯域化を達成する方法であった。
【００３９】
しかし、本発明の送受話器では、複数の電気変換音響素子をいくつかの群に分けてそれぞれの素子群に共振特性のずれを与え、これらの素子群を組み合わせて素子配列を形成したときに、１つの送受波器として複数の共振周波数を持つことを可能にし、多重整合層による圧電振動子の多重共振化の場合と同様の効果を近似的に得られるように構成したものである。
【００４０】
本発明の方法によれば、圧電振動子に多重整合層を付与した時のような複雑な特性推定計算は不要であり、１層の整合層を付与した時の特性推定を複数行い、これらの特性の組合せから、素子配列を行った後の送受波器としての感度特性が比較的容易に推定できる。
【００４１】
上記の実施例では、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板を整合層として使用し、整合層の音波伝搬方向の長さ寸法の異なる整合層を加工し、圧電振動子に付与して特性の異なる２種類の電気音響変換素子を得ることで、同一の整合層１種類のみ使用する場合に対して、広帯域化の効果が大きく得られることを示したが、本発明は、整合層の材料としてガラス布基材エポキシ樹脂積層板のみ規定するものではなく、他の組成が均一である一般の樹脂材料であっても、同様の効果が得られる。
【００４２】
ただし、その効果の大小は、それぞれ使用する材料の特性と整合層の寸法設定に依存するもので、本実施例と異なる材料を使用した場合でも、本実施例と全く同じ程度の効果が得られることを保証するものではない。
【００４３】
本実施例で述べたように、１種類の材料から複数種類の整合層を得る方法であれば、複数の材料について特性を調査して材料同士の組合せを考える作業を省略することができる。
【００４４】
また、整合層として材料特性の異なる複数の樹脂材料を組み合わせて使用することでも問題なく、本発明のような効果を得ることができる。ただし、この場合、各整合層の長さをそれぞれの樹脂材料中の音波伝搬波長λに対して１／１０から４／１０の間で異なる比率となるように設定しても、使用する各材料の音波伝搬速度によって整合層の長さ寸法が等しくなる場合もあり得るが、問題はない。
【００４５】
また、本実施例では、整合層の長さ寸法を樹脂材料中の音波伝搬波長λの１／４から意識的にずらしているが、整合層の長さ寸法として音波伝搬波長λの１／４となる設定を組合せの中に含めることは何の問題もない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、整合層付きとしては最も単純な形態である１層の整合層を設けた電気音響変換素子を配列する方式の送受波器であって、音波伝搬波長に対する整合層の長さ寸法の設定が異なる複数の整合層を使用するという簡単な方法で、より広帯域化の成された広帯域送受波器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における素子配列型の広帯域送受波器の説明図。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）でのＡＡ断面図。
【図２】本発明による広帯域送受波器と、従来の構成による広帯域送受波器の感度特性を示すグラフ。図２（ａ）は、送波電力感度と周波数との関係を示す図、図２（ｂ）は、受波電力感度と周波数との関係を示す図。
【図３】ガラス布基材エポキシ樹脂積層板における音波伝搬方向と、同樹脂板から得る整合層の音波伝搬方向と長さ方向の関係を示す図。
【図４】異なる長さの整合層を付与した２種類の電気音響変換素子の外観図と特性の説明図。図４（ａ）は、整合層の長さをＬａとした場合の電気音響変換素子の外観図、図４（ｂ）は、整合層の長さをＬｂとした場合の電気音響変換素子の外観図、図４（ｃ）は、図４（ａ）と図４（ｂ）に示したそれぞれの電気音響変換素子のインピーダンス特性を示す図。
【図５】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の上面及び側面から見た断面図。図５（ａ）は、送受波器の正面図、図５(ｂ)は、図５(ａ)でのＢＢ断面図。
【図６】２層の整合層を加えて多重整合層化した電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の側面から見た断面図。
【図７】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を複数個配列した従来の素子配列型の送受波器の上面及び側面から見た断面図。図７（ａ）は、送受波器の正面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）でのＣＣ断面図。
【図８】図７の送受波器に加えて、２層の整合層を加えて多重整合層化した電気音響変換素子を用いた従来の送受波器の断面図。
【図９】１個の圧電振動子に１層の整合層を設けた電気音響変換素子を用いた従来の送受波器で、図８と音響放射面の形状寸法が等しい構成とした送受波器の上面及び側面から見た断面図。図９（ａ）は、送受波器の正面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）でのＤＤ断面図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，２１    圧電振動子
２ａ〜２ｇ    整合層
２２    ガラス布基材エポキシ樹脂積層板
２２ａ，２２ｂ    整合層
２３ａ，２３ｂ    電気音響変換素子
２４ａ，２４ｂ    インピーダンス周波数特性
２５    コルク
２６    信号ケーブル
２７    ポリウレタンゴムモールド
２８，２９    送波感度周波数特性
３０，３１    受波感度周波数特性
【図１】
0004291500.tif 000002
【図２】
0004291500.tif 000003
【図３】
0004291500.tif 000004
【図４】
0004291500.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004291500.tif 000007
【図７】
0004291500.tif 000008
【図８】
0004291500.tif 000009
【図９】
0004291500.tif 000010