JP5370010B2 - 水中音響送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、主として水中（海水中）等の音響伝搬媒質中で使用され、圧電振動子を備えた電気音響変換器であって、低周波でハイパワーかつ広帯域に音波放射する水中音響送受波器に関する。

従来のこの種の水中音響送受波器に関する周知技術としては、例えば、図７に示すような付加質量としてのフロントマスやリアマスとを用いて複数の圧電振動子を挟み込んでボルトにより固定して成るボルト締めランジュバン型送受波器（別名：トンピルズトランスジューサ（Ｔｏｎｐｉｌｚ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ））が広く普及している。また、さらにはこのようなボルト締めランジュバン型送受波器の水中性能の広帯域化を図った技術として、例えば、図８に示すようなフロントマス前方の音響放射面に屈曲振動板を設けた構造の水中音響送受波器構造が特許文献１、特許文献２に開示されている。

図８は特許文献１に開示されているボルト締めランジュバン型送受波器の正面図および側断面図を示しており、１１は圧電セラミック積層体、１２はリアマス、１３はフロントマス、１４はボルト、１７はナットである。フロントマス１３の前方主面部には凹部が設けられ、その凹部の底部が空隙１６となるようにその前方に屈曲振動板１５が設けられている。

特許文献２に開示されている送受波器は、基本的な構造は図８と同様であるが、高水圧下における耐水圧性、低周波広帯域特性の維持・向上を図るために、空隙部に円環状圧電振動子を挿入し、同円環状圧電振動子の厚さや内外径差、印加電圧を変えることにより電気音響変換効率の大幅な向上を図ったものである。

これらの特許文献で開示されている送受波器は、いずれも通常のボルト締めランジュバン型送受波器の縦並進振動による音響放射面の並進変位モードと、音響放射面内設けた屈曲振動板の屈曲変位モードという２つの振動モードで動作し、これら２つの振動モードを多重モードフィルタ理論に基づいて重畳させることにより、広帯域特性を実現したものである。

特許第３００５６１１号公報 特許第３８４９５１３号公報

近年、音波を水中に放射する送受波器には探知能力向上のための低周波化および広帯域化が大きな課題である。音響送受波器の低周波化には音源サイズが密接な関係にあり、低周波化するためにはサイズが大きくなる傾向となるのは周知のことである。また広帯域化においても、音波を伝搬する音響媒体を負荷として受けとめる音響放射面の大きさが大きいほど広帯域となる傾向にある。そこで、実用上のボルト締めランジュバン型送受波器では、見かけ上の音響負荷を受ける面を大きくするために、同じ周波数で駆動する複数の同送受波器を一定間隔に配列して運用されている。このように、配列化すれば個々の送受波器の動作に対して、音波は配列状態全体の面積で音響放射されているのと同等となり広帯域化が成される。

特許文献１および特許文献２記載の発明の図面上では、音響放射面は円形で描かれているが、上記、広帯域化のための放射面積の最大限利用と配列運用の配列しやすさの観点から、音響放射面は矩形（正方形）で形成した方がよい。円形の放射面では配列時にデットスペース（隣接し合う送受波器の隙間面積）が多くなり効率が悪いためである。例えば、図９に音響放射面を矩形とした場合の特許文献１記載の屈曲振動板付きボルト締めランジュバン型送受波器の上方平面図及び中央断面図を示す。音響放射面の矩形および円形の選定については、特許文献１の本文にも書かれているように、原理効果についてはいずれも同じ結果を得ることが可能である。

しかしながら、図９に示した音響放射面を矩形とした場合の特許文献１記載の屈曲振動板付きボルト締めランジュバン型送受波器の変形モード図を図１０（ａ)に、同変形モードの振幅が最大となる瞬間の音響放射面の変位分布の上面平面図を図１０（ｂ）に示すが、そのフロントマス前面の音響放射面の振動変位は、中央部の屈曲振動の変形とともに矩形放射面の４つの角部（４隅）においても同位相で、かつ、かなりの大きさの振幅で変形振動する。このため、この４隅の振動が特定の周波数においては音響放射の妨げとなり、図１１に示すように、その送波電圧感度特性は帯域内で特性の落ち込みをもたらす場合があった。このような特性落ち込みは、結果的に送受波器の帯域特性を狭めてしまっているという課題があった。

本発明の目的は、このような従来の水中音響送受波器の問題点を解消し、低周波で広帯域な特性を有する水中音響送受波器を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、音響放射面が矩形を成すフロントマスと、リアマスとの間に圧電振動子を含む水中音響送受波器であって、かつ前記フロントマスの前面には空隙と振動板により屈曲振動板を形成した水中音響送受波器において、フロントマスの音響放射面の４隅を切り欠いた構造を特徴とする水中音響送受波器が提供される。

そして、好ましくは、前記フロントマスの切り欠きは、矩形の音響放射面の４隅を等辺で切り落とし、その切り落とし辺比が音響放射面の一辺と比べて２０〜４０％とされる。また、好ましくは、前記フロントマスの切り欠きは、矩形の音響放射面の４隅を１／４円の円弧で切り落とし、その切り落とし辺比が音響放射面の一辺と比べて３０〜５０％とする。

本発明の水中音響送受波器によれば、音響放射面が矩形（正方形）で形成されたフロントマスとリアマスとの間に圧電振動子を含む、あるいは圧電セラミックの積層体を配したランジュバン型振動子で構成され、かつフロントマス前面内に屈曲振動板を有する水中音響送受波器において、同送受波器のフロントマスの４隅のサイズ・形状を適度に切り欠きすることで送波感度特性の広帯域化を図ることが可能になる。

本発明の水中音響送受波器の第１の実施例を示す上方平面図および断面図である。 本発明の水中音響送受波器の第１の実施例の際の送波電圧感度特性を示す図である。 （ａ）本発明の水中音響送受波器の第１の実施例の振動モード変形図（１／４モデル）、（ｂ）本発明の水中音響送受波器の第１の実施例の音響放射面上面から見た変位分布を示す図である。 本発明の水中音響送受波器の第２の実施例を示す上方平面図および断面図である。 本発明の水中音響送受波器の第２の実施例の際の送波電圧感度特性を示す図である。 （ａ）本発明の水中音響送受波器の第２の実施例の振動モード変形図（１／４モデル）、（ｂ）本発明の水中音響送受波器の第２の実施例の音響放射面上面から見た変位分布を示す図である。 従来の一般的なボルト締めランジュバン型送受波器の正面図および側断面図である。 従来の屈曲振動板付ボルト締めランジュバン型送受波器の上方平面図および断面図である。 従来の屈曲振動板付ボルト締めランジュバン型送受波器の音響放射面が正四角形の際の上方平面図および断面図である。 （ａ）従来の屈曲振動板付ボルト締めランジュバン型送受波器の振動モード変形図（１／４モデル）、（ｂ）本従来の屈曲振動板付ボルト締めランジュバン型送受波器の音響放射面上面から見た変位分布を示す図である。 従来の屈曲振動板付ボルト締めランジュバン型送受波器の音響放射面が正四角形の際の送波電圧感度特性を示す図である。 本発明の水中音響送受波器の第１の実施例における４隅切り欠きサイズを変更した際の送波電圧感度特性を示す図である。

以下、本発明の水中音響送受波器のいくつかの形態について説明する。なお、これら実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態である水中音響送受波器の上方平面図と断面図を示している。
圧電振動子１１の下部にはリアマス１２、上部にはフロントマス１３が配されており、これらをボルト１４、ナット１７により締め付け一体化されている。またフロントマス１３には空隙１６と屈曲振動板１５が設けられている。空隙１６と屈曲振動板１５の形成方法は、フロントマス１３の前面主面部に円形で窪みを形成し、その窪み底部に空隙１６が形成されるように、円板状の屈曲振動板１５がフロントマスの前面主面と面が合わせられて作られている。

このとき屈曲振動板１５は溶接、接着等でフロントマスと一体化される。また、あるいは図８で示した従来技術送波器のように、フロントマスの前面主面上に屈曲振動板１５を接着やボルト１８などで固定して形成することも可能である。なお圧電振動子１１は円筒形の圧電振動子でもよいし、あるいはリング状の複数の圧電セラミックの積層体で構成されていても良い。

このような水中音響送受波器構成において、第１の実施例では、図１で示すフロントマスの上方平面図による寸法構成のように、４隅を寸法ｂの等辺で切り欠いた構成としている。第１の実施例では、寸法比２ｂ／ａ＝３５％とした。

このように４隅を切り欠いた送受波器の送波電圧感度特性を図２に示す。図１１で示したフロントマスの放射面形状が矩形（正方形）のままの従来構造の送波受波器の送波電圧感度特性に比べ、全体の感度レベルを落とすことなく特性の落ち込み部のみが改善され、最大ピーク点からの−６ｄＢ帯域幅では約２オクターブという広帯域な特性が実現できた。

この送波器の送波電圧感度レベルが最大となっている周波数における振動モード図および、その音響放射面の変位分布を図３の（ａ）、(ｂ）に示すが、４隅の切り欠き効果で４隅の振動変位がなくなり、音響放射面の変位分布が面内中心位置からのきれいな同心放射状となっていることがわかる。

（第二の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態である水中音響送受波器の上方平面図と断面図を示している。送波器の構成は第１の実施例とほぼ同様で、第２の実施例では、図４で示すフロントマスの上方平面図による寸法構成のように、４隅を半径がｂの１／４円の円弧で切り欠いた構成としている。この第２の実施形態においても、寸法比は２ｂ／ａ＝３５％とした。

このように１／４円の円弧で４隅を切り欠いた送受波器の送波電圧感度特性を図５に示す。図１１で示したフロントマスの放射面形状が矩形（正方形）のままの従来構造の送波受波器の送波電圧感度特性に比べ、全体の感度レベルを落とすことなく特性の落ち込み部のみが改善され、最大ピーク点からの−６ｄＢ帯域幅では約２オクターブという広帯域な特性が実現できた。

この送波器の送波電圧感度レベルが最大となっている周波数における振動モード図および、その音響放射面の変位分布を図６の（ａ）、(ｂ）に示すが、４隅の切り欠き効果で４隅の振動変位がなくなり、音響放射面の変位分布が面内中心位置からのきれいな同心放射状となっていることがわかる。

以上のように、本発明の水中音響送受波器によれば、音響放射面が一辺ａの寸法の矩形（正方形）で形成されたフロントマスとリアマスとの間に圧電振動子を含む、あるいは圧電セラミックの積層体を配し、かつ、フロントマス前面に屈曲振動板を設けたボルト締めランジュバン型送受波器において、フロントマスの４隅を切り欠いた構造とした水中音響送受波器であって、同４隅の切り欠きは、音響放射面の一辺の長さａに比べて、切り落とした辺の長さ２ｂとの比（＝２ｂ／ａ）が２０〜４０％で等辺で切り落とすことで、広帯域で効率の良い音響放射可能である。

図１２に切り欠きサイズを２０％、３５％、５６％とした際の送波電圧感度特性を示すが、その特性は切り欠きサイズにより感度特性は変化をする。図１２では、切り欠きサイズ５６％とした際の特性は、横軸２ｆ付近の感度レベルが、最大ピーク点の感度レベルよりも−６ｄＢを超え、帯域幅としては損なわれてしまっている。そこで、数値解析シミュレーションを実施した結果、感度特性として良好なのは２ｂ／ａ＝２０〜４０％とすればよい。また、同４隅の切り欠きは、１／４円の円弧で切り落とし、その切り落とし辺の長さ２ｂが放射面一辺の長さａと比べて３０〜５０％とすることも、同様の効果が得られ広帯域で効率のよい音響放射が可能である。

１１：圧電振動子、１２：リアマス、１３：フロントマス、１４：ボルト、１５：屈曲振動板、１６：空隙、１７：ナット、１８：ボルト。

Claims (3)

1. 音響放射面が矩形を成すフロントマスと、リアマスとの間に圧電振動子を含む水中音響送受波器であって、かつ前記フロントマスの前面には空隙と振動板により屈曲振動板を形成した水中音響送受波器において、フロントマスの音響放射面の４隅を切り欠いた構造を特徴とする水中音響送受波器。
2. 前記フロントマスの切り欠きは、矩形の前記音響放射面の４隅を等辺で切り落とし、その切り落とし辺比が前記音響放射面の一辺と比べて２０〜４０％としたことを特徴とする請求項１に記載の水中音響送受波器。
3. 前記フロントマスの切り欠きは、矩形の前記音響放射面の４隅を１／４円の円弧で切り落とし、その切り落とし辺比が前記音響放射面の一辺と比べて３０〜５０％としたことを特徴とする請求項１に記載の水中音響送受波器。