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JPH0134000B2 - - Google Patents
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JPH0134000B2 - - Google Patents

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JPH0134000B2
JPH0134000B2 JP56037188A JP3718881A JPH0134000B2 JP H0134000 B2 JPH0134000 B2 JP H0134000B2 JP 56037188 A JP56037188 A JP 56037188A JP 3718881 A JP3718881 A JP 3718881A JP H0134000 B2 JPH0134000 B2 JP H0134000B2
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acoustic
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transducer
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JP56037188A
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Panton Sutanrei
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Milltronics Ltd
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    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

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  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

A broadly tuned directional acoustic transducer system for transmitting and receiving airborne sound, which provides enhanced efficiency and reduced cost without undue narrowing of bandwidth, makes use of an acoustic transducer element (2) coupled to a vibratable member (10), e.g. a plate, having a higher order flexural mode resonance at approximately the desired frequency of operation, the vibratable member being coupled to the air through low-hysteresis acoustic propagation material having an acoustic impedance much less than that of the vibratable member and much greater than that of the air. The material is disposed so that in the desired direction of propagation there is no substantial reduction of sound intensity in the far field resulting from cancellation occasioned by interaction of sound radiated from adjacent antinodal zones. Preferably the thickness of the material is such that it acts as an efficient acoustic impedance matching transformer. Preferably, the transducer element is piezoelectric and coupled to the centre of a disc-shaped vibratable member (10) to which the coupling material is applied in rings (16, 18, 20).

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音響変換器に関し、特に変換器素子
と、音波を変換器へ伝搬しまたは変換器からの音
波を伝搬するための低インピーダンス媒体との結
合手段を改良した音響変換器に関するものであ
る。特に、本発明は高い結合効率および高い指向
性特性を持ち且つ比較的低いQを持つた変換器を
用いることが望ましいパルス音響測深に使用する
のに適した音響変換器に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to acoustic transducers, and more particularly to acoustic transducers having improved coupling means between a transducer element and a low impedance medium for propagating sound waves to or from the transducer. It concerns a converter. In particular, the present invention relates to an acoustic transducer suitable for use in pulsed acoustic sounding, where it is desirable to use a transducer with high coupling efficiency and high directivity characteristics, and with a relatively low Q.

この種類の変換器は、音響エネルギーと別の形
態のエネルギーとの相互間の変換、通常は電気エ
ネルギーと音響エネルギーとの間の相互の変換の
ために利用される。変換される電気エネルギーの
量は、比較的高い音響インピーダンスを有する機
械素子の振動の大きさに依存する。実際のシステ
ムにおいては、機械素子の振動が媒体に結合さ
れ、音響エネルギーがこの媒体との間で送受され
るようになつている。この媒体は代表的には音響
インピーダンスが非常に低い空気である。この結
合の程度により、エネルギー変換システムの効
率、周波数レスポンスおよび媒体中のエネルギー
の伝搬指向性が決定される。
This type of transducer is utilized for converting acoustic energy to and from another form of energy, usually electrical energy and acoustic energy and vice versa. The amount of electrical energy converted depends on the magnitude of the vibration of the mechanical element, which has a relatively high acoustic impedance. In practical systems, the vibrations of mechanical elements are coupled to a medium such that acoustic energy is transferred to and from the medium. This medium is typically air, which has a very low acoustic impedance. The degree of this coupling determines the efficiency, frequency response, and directionality of energy propagation through the medium of the energy conversion system.

広く使用されている音響変換器アセンブリーの
一つは、管体等に円筒形支持体の開放端内に圧電
結晶体が保持されるような形態の、軸方向に分解
可能な円筒形素子を用いている。素子の外端部表
面が電気的刺激等による素子の励振に応答して振
動すると、音波が管の端すなわち放射開口から放
射される。このような変換器アセンブリーは、一
般に気体媒質中における音の送信および受信に利
用される。通常、媒体中の音の波長が放射開口の
寸法より小さいような高周波の音波である。
One widely used acoustic transducer assembly uses an axially resolvable cylindrical element such that a piezoelectric crystal is held within the open end of a cylindrical support, such as in a tube. ing. When the outer end surface of the element vibrates in response to excitation of the element, such as by electrical stimulation, sound waves are emitted from the end or radiating aperture of the tube. Such transducer assemblies are commonly utilized for transmitting and receiving sound in gaseous media. Typically, it is a high frequency sound wave such that the wavelength of the sound in the medium is smaller than the dimensions of the emitting aperture.

このような変換器から発生する音の放射パター
ンは、無限バフル内で動作する平面円形ピストン
のパターンに近似している。このような変換器の
指向性が放射器の直径と伝搬媒体内の音の波長と
の比の関数であることはよく知られている。その
ため、同一波長の伝搬波が同じ媒体内に入つたと
き、直径の大きい放射器はそれより直径の小さい
放射器より高い指向性を示す。従つて、与えられ
た指向性に対しては、音の周波数が低いときには
変換器素子を大きくする必要がある。
The sound radiation pattern produced by such a transducer approximates that of a planar circular piston operating within an infinite baffle. It is well known that the directivity of such transducers is a function of the ratio of the diameter of the radiator and the wavelength of the sound in the propagation medium. Therefore, when propagating waves of the same wavelength enter the same medium, a radiator with a larger diameter exhibits higher directivity than a radiator with a smaller diameter. Therefore, for a given directivity, the transducer elements need to be larger when the frequency of the sound is low.

上述のような変換器から放射される音の音響出
力と帯域幅は特に重要である。音響インピーダン
スの低い気体媒質と上述のような高インピーダン
ス変換器アセンブリーとの間の音の伝達には、よ
く知られている大きな問題がある。その問題は、
音が変換器アセンブリーから媒体へ放射される
か、または媒体から変換器アセンブリーに受入さ
れるかには係わりなく存在する。これは、放射源
と媒体との間に伝達される音響エネルギーの結合
度と帯域幅が実質上減少するということである。
圧電結晶体と空気媒体との場合、インピーダンス
の差はきわめて大きく、10000:1もしくはそれ
以上の大きさである。
The acoustic power and bandwidth of the sound emitted from a transducer such as those described above are of particular importance. The transmission of sound between low acoustic impedance gaseous media and high impedance transducer assemblies such as those described above presents significant and well-known problems. The problem is
Sound is present regardless of whether the sound is radiated from the transducer assembly to the medium or received from the medium into the transducer assembly. This means that the coupling and bandwidth of the acoustic energy transmitted between the radiation source and the medium is substantially reduced.
In the case of a piezoelectric crystal and an air medium, the impedance difference is quite large, on the order of 10000:1 or more.

結合度の問題の本質は、低インピーダンスの気
体媒質が、高インピーダンスの圧電結晶体の運動
に対して非常にわずかの反作用しか与えないとい
うことであり、気体媒質に対して圧電結晶体から
ほとんど何の作用も与えられないことになる。
The essence of the degree of coupling problem is that the low-impedance gaseous medium has very little reaction to the motion of the high-impedance piezoelectric crystal, and there is almost no reaction from the piezoelectric crystal to the gaseous medium. This means that the effect of

圧電結晶体からより多くのエネルギーを気体媒
質へ伝達するためのよく知られた手段は、圧電結
晶体をその自然共振周波数の1つで励振させ、そ
れにより圧電結晶体の表面の運動が10倍または20
倍以上に大きくなるようにすることである。この
ようにすると、圧電結晶体表面と同じ面積の気体
媒質に対して作用力が動くが、このとき、圧電結
晶体表面はその運動の各サイクルを通して毎回は
るかに大きい距離を動く。従つて圧電結晶体表面
のより多くの運動が行なわれ、よく多くのエネル
ギーが気体媒質に伝達される。このような場合で
も、比較的わずかのエネルギーしか媒体に伝達さ
れず、圧電結晶体振動の減衰がわずかであるた
め、帯域幅は非常に狭く、その結果生じる圧電体
のリンギング効果により、シヤープに形成された
音エネルギーのパルスを、非常に短い立上り、立
下り時間を持たせて送信し受信するのが不可能と
なる。
A well-known means of transferring more energy from a piezoelectric crystal to a gaseous medium is to excite the piezoelectric crystal at one of its natural resonant frequencies, thereby increasing the motion of the surface of the piezoelectric crystal by a factor of ten. or 20
The goal is to make it more than double the size. In this way, the acting force moves against the same area of the gas medium as the piezoelectric crystal surface, but the piezoelectric crystal surface moves a much greater distance each time through each cycle of its motion. Therefore, more movement of the piezoelectric crystal surface takes place and more energy is transferred to the gaseous medium. Even in such cases, the bandwidth is very narrow because relatively little energy is transferred to the medium and the piezoelectric crystal vibrations are only slightly damped, and the resulting piezoelectric ringing effect causes the formation of a sharp It becomes impossible to transmit and receive pulses of sound energy with extremely short rise and fall times.

圧電結晶体により多くの動作をさせることがで
き、それによりより多くのエネルギーを気体媒質
へ伝達する別のよく知られた手段は、前面の寸法
が圧電結晶体の前面の寸法より大きい剛性のコー
ンまたはダイアフラム等の中間構造を圧電結晶体
と気体媒質との間に配置することである。周知の
原理に従つて適切に構成したこのような配置によ
り、(コーンまたはダイアフラムの前面の面積と
圧電結晶体の前面の面積との比に従つて)気体媒
質のより大きな面積が圧電結晶体の運動によつて
振動する。
Another well-known means of giving a piezoelectric crystal more motion and thereby transferring more energy to the gaseous medium is the use of a rigid cone whose front dimension is larger than that of the piezoelectric crystal. Alternatively, an intermediate structure such as a diaphragm may be placed between the piezoelectric crystal and the gas medium. With such an arrangement, suitably constructed according to well-known principles, a larger area of the gaseous medium is absorbed by the piezoelectric crystal (according to the ratio of the area of the front surface of the cone or diaphragm to the area of the front surface of the piezoelectric crystal). Vibrate due to movement.

従つて、気体媒質により与えられる同一の反作
用に対して、同じ距離を動く面積が広くなり、そ
の結果、圧電結晶体が中間構造を介さずに動作す
る場合より、より多くのエネルギーが気体媒質に
与えられる。コーンまたはダイアフラムの大きさ
と剛性に従つて、装置の性能は様々に影響を受け
る。高い指向性の出力が要求される場合には、コ
ヒーレントな波面を維持する必要があるためにダ
イアフラムの寸法が限定され、また総体的なイン
ピーダンス不整合が残るために、或る程度限定さ
れた出力改良だけが行なわれる。
Therefore, for the same reaction force exerted by the gaseous medium, there is a larger area moving over the same distance, and as a result, more energy is transferred to the gaseous medium than if the piezoelectric crystal were to operate without an intermediate structure. Given. Depending on the size and stiffness of the cone or diaphragm, the performance of the device will be affected differently. When highly directional output is required, the diaphragm dimensions are limited by the need to maintain a coherent wavefront, and the overall impedance mismatch remains, resulting in a somewhat limited output. Only improvements are made.

振動素子に、より多くの動作をさせ、それによ
りより多くのエネルギーを気体媒質に伝達する第
3の周知の手段は、1つ又はそれ以上のインピー
ダンス変換伝送ラインを圧電結晶体と気体媒質と
の間に配置することである。このようなインピー
ダンス整合法は、1972年7月4日に発行されたハ
ンズの米国特許第3674945号の、「音響整合システ
ム」に十分に説明されている。この後者の方法の
動作は、高インピーダンスの圧電結晶体と低イン
ピーダンスの気体媒質との間に配置されるインピ
ーダンス整合部の音響特性、および圧電結晶体と
気体媒質自体の音響特性に左右される。このタイ
プの適切に製造された整合構造によつて、この整
合構造と気体媒質との間の界面における運動を、
整合構造と圧電結晶体表面との間の界面における
運動より大きくすることができる。従つて、圧電
結晶体表面における、整合構造の高インピーダン
ス端での短い強力なストロークが、気体媒質との
界面である、整合構造の低インピーダンス端で
は、長いストロークで小さいエネルギーの動きに
変換される。
A third known means of making the vibrating element perform more motion and thereby transfer more energy to the gaseous medium is to connect one or more impedance-transforming transmission lines between the piezoelectric crystal and the gaseous medium. It is to be placed in between. Such impedance matching methods are fully described in Hands, US Pat. No. 3,674,945, issued July 4, 1972, entitled "Acoustic Matching System." The operation of this latter method depends on the acoustic properties of the impedance matching section placed between the high impedance piezoelectric crystal and the low impedance gaseous medium, and on the acoustic properties of the piezoelectric crystal and the gaseous medium themselves. A suitably manufactured matching structure of this type allows the motion at the interface between this matching structure and the gaseous medium to be
The motion at the interface between the matched structure and the piezoelectric crystal surface can be greater than the motion at the interface. Therefore, a short strong stroke at the high impedance end of the matching structure at the piezoelectric crystal surface is converted into a long stroke and small energy movement at the low impedance end of the matching structure at the interface with the gaseous medium. .

圧電結晶体と空気等の媒体との間のインピーダ
ンス不整合がいかに大きいかは、容易に証明でき
る。たとえば、整合構造なしに音の出力を空気へ
伝達するために圧電結晶体が用いられる場合、圧
電結晶体が破砕しそうなほど大きい脈動振幅で駆
動しなければならないが、なんらかの形の整合構
造を圧電結晶体と気体媒質との間に挿入すると、
圧電結晶体の破砕をひき起こさないかなり低い脈
動振幅で駆動することにより、同じ音の出力を空
気中に伝達することができる。
It is easy to demonstrate how large the impedance mismatch between a piezoelectric crystal and a medium such as air is. For example, if a piezoelectric crystal is used to transmit sound output into the air without a matching structure, it must be driven with a pulsating amplitude so large that the piezoelectric crystal is likely to fracture, but some form of matching structure cannot be When inserted between the crystal and the gaseous medium,
The same sound output can be transmitted into the air by driving at a much lower pulsation amplitude that does not cause fracture of the piezoelectric crystal.

高インピーダンスの圧電結晶体と低インピーダ
ンスの空気媒質との間で、インピーダンス整合を
行なうように選択された音響伝達ラインの部分を
構成する。前述のような構造を使用すると、この
ような整合構造がない場合に比べて音の伝達性が
改良されるが、それにもかかわらず、このような
構造の効率はきわめて低い。また媒質への結合度
は、圧電結晶体の振動をかなり減衰させるほどに
は十分に高くはないため、帯域幅を広げる必要が
ある場合には、他の手段によつて圧電結晶体の振
動を減衰させなければならないということに注意
すべきである。
A portion of the acoustic transmission line is configured to provide an impedance match between a high impedance piezoelectric crystal and a low impedance air medium. Although the use of structures such as those described above improves sound transmission compared to the absence of such matching structures, the efficiency of such structures is nevertheless very low. Also, the degree of coupling to the medium is not high enough to significantly attenuate the vibrations of the piezoelectric crystal, so if bandwidth needs to be increased, the vibrations of the piezoelectric crystal may be damped by other means. It should be noted that it must be attenuated.

振動板または円板を用いた中間構造を使用する
ことにより、圧電結晶体等の高インピーダンス振
動源のインピーダンスを、空気等のより低いイン
ピーダンスの媒体に整合させるための種々の提案
がなされてきたが、これまでは指向性および帯域
幅のいずれかを犠性にせずにこのようなインピー
ダンス整合を達成することは不可能であつた。
Various proposals have been made to match the impedance of a high impedance vibration source, such as a piezoelectric crystal, to a lower impedance medium, such as air, by using intermediate structures using diaphragms or discs. Until now, it has not been possible to achieve such impedance matching without sacrificing either directivity or bandwidth.

このような提案の一つの例は、1975年6月24日
発行のスカーパの米国特許、第3891869号により
提供されている。この特許では、円板状の質量の
大きい裏当て素子が圧電結晶体の一方の面に固着
され、音響変換器が他方の面に固着された構造の
圧電振動子を具備する振動素子を含む音響変換器
アセンブリーが開示されている。この音響変換器
素子は軸方向に断面積が変化し、発生器面を放射
面が最大寸法である複数の円板を具備している。
その明細書の第2コラム、48行目次降には、円板
を含む変換器は高速で小さな円弧形の振動を行な
いながら運動する放射表面における接触面積を増
大させることによりインピーダンスを減少させる
ように機能すると述べられている。
One example of such a proposal is provided by Scarpa US Pat. No. 3,891,869, issued June 24, 1975. This patent discloses an acoustic device including a vibrating element comprising a piezoelectric vibrator having a structure in which a disk-shaped, high-mass backing element is fixed to one side of a piezoelectric crystal, and an acoustic transducer is fixed to the other side of the piezoelectric crystal. A transducer assembly is disclosed. The acoustic transducer element comprises a plurality of disks of varying axial cross-sectional area, the generator surface being the largest dimension of the emitting surface.
The specification, column 2, line 48, states that a transducer containing a disk is designed to reduce impedance by increasing the contact area on a moving radiating surface while performing small arc-shaped oscillations at high speed. It is said that it works.

スカーパの特許に記載されている装置において
は、発生音が高い指向性を有することは要求され
ていない。この装置の主な特徴は、振動円板の両
側の位相の差により放射の中心ローブが抑制さ
れ、且つ放射されたエネルギーの主要な部分が、
サイドローブとして、装置の主軸に対して約45度
の角度で放射される点にある。
In the device described in the Scarpa patent, it is not required that the generated sound be highly directional. The main feature of this device is that the central lobe of radiation is suppressed by the phase difference on both sides of the vibrating disk, and the main part of the radiated energy is
It is located at a point where it is radiated as a sidelobe at an angle of approximately 45 degrees to the main axis of the device.

別の先行技術の提案が、超音波の1978年11月号
に発表されたJ.A.ガリエゴーフアレス、G.ロドリ
ゲス−コラルおよびL.ゲイテーギヤレトンによる
論文に記載されている。
Another prior art proposal is described in an article by JA Galliego-Juarez, G. Rodríguez-Corral, and L. Gaetegearreton published in the November 1978 issue of Ultrasonics.

この論文には、段階状に形成された振動板を利
用した変換器が述べられている。ここでは超音波
振動源と気体媒質との間にインピーダンスの整合
を生じさせ、且つ高い指向性の放射を提供するよ
うな変換器が説明されている。この装置により有
効なインピーダンス整合が得られるが、その帯域
幅は狭く、代表的には、約2000のQに対応して、
約20000ヘルツで動作する装置に対して約10ヘル
ツの帯域幅である。このようにQの高い装置は一
定周波数での連続音の発生には適しているが、変
換器が、少なくとも共振周波数の5ないし10パー
セントの帯域幅を持つ、はるかに低いQを示すこ
とが必要である、パルス音響測深に使用するには
適していない。
This paper describes a transducer that utilizes a stepped diaphragm. A transducer is described herein that creates an impedance match between an ultrasonic vibration source and a gaseous medium and provides highly directional radiation. Although this device provides effective impedance matching, its bandwidth is narrow and typically corresponds to a Q of about 2000.
A bandwidth of about 10 Hz for devices operating at about 20,000 Hz. Although these high-Q devices are suitable for continuous sound generation at a constant frequency, it is necessary that the transducer exhibit a much lower Q with a bandwidth of at least 5 to 10 percent of the resonant frequency. Therefore, it is not suitable for use in pulse acoustic sounding.

従来、気体媒質中のパルス音響測深に応用する
のに適した変換器システムは、米国特許第
3674945号に開示されている。このタイプのもの
は、振動素子の振動を減衰させるための機械的ま
たは電気的手段と共に用いられる、より簡単な効
率の悪い結合方法が使用されていた。このような
システムに伴なう他の問題が、長い測定距離が要
求されるような用途において生じる。気体媒質に
よる音エネルギーの吸収は周波数が高くなるにつ
れて増大するので、測定距離を長くするには出力
エネルギーを大きくするだけでなく、周波数を低
くする必要がある。これは、必要な指向性と出力
とを得るためにはより大きい変換器素子を使用し
なければならないことを意味する。このような素
子に広く使用されている圧電材料は高価且つ質量
が大きい。米国特許第3674945号に従つて10kHz
で申し分なく動作する変換器システムを製造する
ことは可能であるが、このようなシステムの質量
とコストは通常の商用用途としては大きすぎるも
のとなるであろう。
Conventionally, transducer systems suitable for application in pulsed acoustic sounding in gaseous media have been described in U.S. Pat.
It is disclosed in No. 3674945. This type used simpler and less efficient coupling methods used with mechanical or electrical means to damp the vibrations of the vibrating element. Other problems with such systems arise in applications where long measurement distances are required. The absorption of sound energy by a gas medium increases as the frequency increases, so in order to increase the measurement distance, it is necessary not only to increase the output energy but also to lower the frequency. This means that larger transducer elements must be used to obtain the required directivity and power. The piezoelectric materials widely used in such devices are expensive and heavy. 10kHz according to US Pat. No. 3,674,945
Although it is possible to manufacture transducer systems that work satisfactorily, the mass and cost of such systems would be too great for typical commercial use.

本発明による幅広く同調した高指向性音響変換
器システムは、放射表面および実質的にシステム
の動作周波数において高い曲げモード共振を有す
る板と、板の放射表面より小さい実効面積を有し
且つ板の放射表面に接続されて励振するかまたは
前記高い曲げモード共振に応答する変換器素子と
を具備し、板の放射面の少なくとも1つおきの波
腹ゾーンが、板より低い音響インピーダンスの低
損失音響伝搬材料から形成され、且つ隣接する波
腹ゾーンからの放射の相対位相と相対振幅の少な
くとも1つを差分して板の隣接する波腹ゾーンか
ら気体媒質内へ放射される音の、遠い場における
所望の放射方向への実質的に相互の相殺を十分に
減少させるように選択した厚さで少なくとも板の
放射表面の前記1つおきの波腹ゾーンに付けられ
た手段により気体媒質に結合される。板は軸対称
的に共振するのが好ましく、本発明の現在好まし
い形態では、円板形の板が変換器素子に軸方向に
結合されて使用されている。板および円板の軸は
またシステムからの音の指向性を示す軸ともなつ
ている。円板形の板の場合、被覆材料は隣接する
波腹ゾーンを被覆する同心のリングとして配置さ
れ、隣接するリングの厚さは、軸方向の遠い場所
でコヒーレントな放射を生じさせるように異なつ
ている。本発明の1実施例においては、1つおき
の波腹ゾーンを被覆する材料の厚さはゼロであ
る。すなわち、1つおきの波腹ゾーンは被覆され
ていない。従つて、被覆されたゾーンから気体媒
質中へのインピーダンス整合は、被覆されていな
いゾーンからの整合よりはるかに良好であるの
で、軸方向の遠い場において実質的に位相の相殺
が起こらないようにするか、または被覆されたゾ
ーンから放射される音に十分な移相が生じるため
に実質的に相殺を減少するかのいずれかとするこ
とができる。または、板の放射表面全体を1つお
きの波腹ゾーンからの放射の移相および板と伝搬
媒質、通常は空気との間の音響インピーダンスの
整合の双方があるような厚さの材料で被覆しても
良い。被覆材料は均一である必要はなく、隣接す
るゾーンを異なる材料で被覆するか、または所望
の位相および/または振幅の変調が達成されると
すれば材料が材質の異なる層から構成されるかま
たは段階的な特性を有するようにすることもでき
よう。システムの媒体への結合度を改良すること
によりシステムが減衰してそのQが減少すると、
外部減衰なしに音響測深技術に使用できるように
なる。
A broadly tuned highly directional acoustic transducer system according to the present invention comprises a plate having a high bending mode resonance at the radiating surface and substantially at the operating frequency of the system; a transducer element connected to the surface to excite or respond to said high bending mode resonance, wherein at least every other antinode zone of the radiating surface of the plate has a lower acoustic impedance than the plate for low-loss acoustic propagation. desired in the far field of sound formed from the material and radiated into the gaseous medium from adjacent antinode zones of the plate with a difference in at least one of the relative phase and relative amplitude of the radiation from the adjacent antinode zones; are coupled to the gaseous medium by means applied to at least every other antinode zone of the radiating surface of the plate with a thickness selected to sufficiently reduce substantially mutual cancellation in the radial direction of the radiating surfaces of the plates. Preferably, the plates are axially symmetrically resonant, and in a presently preferred form of the invention, a disk-shaped plate is used axially coupled to the transducer element. The axes of the plates and discs are also the axes that indicate the directionality of sound from the system. For disc-shaped plates, the coating material is arranged as concentric rings covering adjacent antinode zones, with the thickness of adjacent rings being different to produce coherent radiation at far axial locations. There is. In one embodiment of the invention, the thickness of the material covering every other antinode zone is zero. That is, every other antinode zone is uncovered. Therefore, the impedance matching from the coated zone into the gaseous medium is much better than from the uncoated zone, so that virtually no phase cancellation occurs in the axial far field. Either the sound emitted from the covered zone may undergo a sufficient phase shift to substantially reduce cancellation. Alternatively, the entire radiating surface of the plate is coated with a material of such thickness that there is both a phase shift of the radiation from every other antinode zone and a matching of the acoustic impedance between the plate and the propagation medium, usually air. You may do so. The coating material need not be uniform; adjacent zones may be coated with different materials, or the material may consist of different layers of material if the desired phase and/or amplitude modulation is achieved. It could also have a graded character. As the system damps and its Q decreases by improving the coupling of the system to the medium,
It can be used in acoustic sounding techniques without external attenuation.

添付の図面を参照しながら本発明をさらに説明
する。
The invention will be further described with reference to the accompanying drawings.

まず第1図を参照すると、所定の周波数で音の
パルスを送信且つ受信するのに適した指向性変換
器システムは、軸方向圧縮モードで連続して機械
的に動作する一対の圧電結晶素子2を具備し、素
子の端部との電気接触は導電性黄銅座金4の耳に
より行なわれる。素子はチタン酸ジルコン酸鉛ま
たはその他の適切な圧電材料で作ることができ、
また適切な電気整合変換器(第3図参照)6の巻
線に接続されている。この変換器6を介して電気
信号が音響変換器へ伝達されたり、変換器から伝
達されたりする。
Referring first to FIG. 1, a directional transducer system suitable for transmitting and receiving pulses of sound at a predetermined frequency consists of a pair of piezoelectric crystal elements 2 mechanically operated in an axial compression mode. The electrical contact with the end of the element is made by a lug of a conductive brass washer 4. The element can be made of lead zirconate titanate or other suitable piezoelectric material,
It is also connected to the windings of a suitable electrical matching transformer (see FIG. 3) 6. Via this transducer 6, electrical signals are transmitted to and from the acoustic transducer.

素子2およびその接続座金4は、取り付けブロ
ツク8と円錐を逆さにしたような形で中央部が厚
くなつている円板形の板10との間にはさまれて
おり、この構体全体が通しボルト12とナツト1
4により一緒に保持されている。板10の直径は
素子2の直径よりはるかに大きく、板の材料と寸
法は、所望の動作周波数にごく近い周波数におい
て、単一の波節の円を示すようなより高い曲げモ
ード共振を示すように選択されている。この共振
モードにおいては波節円の内側および外側の板の
波腹ゾーンが互いに逆位相で運動する。
The element 2 and its connecting washer 4 are sandwiched between a mounting block 8 and a disk-shaped plate 10 shaped like an upside-down cone and thickened in the center, so that the entire structure is bolt 12 and nut 1
4 are held together. The diameter of the plate 10 is much larger than the diameter of the element 2, and the material and dimensions of the plate are such that it exhibits a higher bending mode resonance exhibiting a single nodal circle at frequencies very close to the desired operating frequency. has been selected. In this resonance mode, the antinode zones of the inner and outer plates of the nodal circle move in opposite phases to each other.

波節円の外側の板の上部表面の波腹ゾーンには
密度の低い弾性材料、例えば独立気泡ポリスチレ
ンまたはその他の合成プラスチツクまたは気泡ゴ
ム、またはポリウレタン等の気泡のない弾性合成
プラスチツクでできたリング16が取付けられて
いる。材料は低損失で音波を伝搬させることがで
きるようなものとするべきである。すなわち、音
響伝搬媒質として低ヒステリシスを示すものとす
べきである。このリングの厚さについては以下で
さらに論じるが、板からリングに伝達される音波
が、同様の厚さの空気を通過する音波に比べて逆
の位相をとるような厚さである。(システムが空
気中で動作するのが便利であると思われ、また通
常はそうであるが、本発明を他の気体媒質中で動
作するシステムにも適用できることは理解される
であろう。) 好ましい配置においては、リング16の材料と
同じでも良く、また違つていても差しつかえない
低密度、低ヒステリシスの音響伝搬材料から成る
別のリング18,20がリング16の上方の板上
における節円の内部に付けられている。これらの
リングは、板と隣接する空気との間で音響インピ
ーダンス変換を行なうようにリングの材料中にお
ける動作周波数での音の四分の一波長の奇数倍で
ある等しい厚さを有している。
In the antinode zone of the upper surface of the plate outside the nodal circle there is a ring 16 made of a less dense elastic material, for example closed cell polystyrene or other synthetic plastic or cellular rubber, or a cell-free elastic synthetic plastic such as polyurethane. is installed. The material should be such that it allows sound waves to propagate with low loss. That is, it should exhibit low hysteresis as an acoustic propagation medium. The thickness of this ring, discussed further below, is such that the sound waves transmitted from the plate to the ring are in opposite phase compared to sound waves passing through air of a similar thickness. (While it may be convenient, and usually is, for the system to operate in air, it will be appreciated that the invention may also be applied to systems operating in other gaseous media.) In a preferred arrangement, another ring 18, 20 of a low density, low hysteresis acoustically transmitting material, which may be the same or different from the material of ring 16, is located at a node on the plate above ring 16. attached inside the circle. These rings have an equal thickness that is an odd multiple of a quarter wavelength of sound at the operating frequency in the material of the ring so as to provide an acoustic impedance transformation between the plate and the adjacent air. .

第2図および第3図に示されている実施例にお
いては、機能の点で第1図の部品と対応する部品
には同じ参照番号がふつてある。板10は均一の
厚さであるが、これは製造が簡単で且つその共振
特性を予測するのに大いに役立つている。板は一
層高い共振曲げモードにおいて3つの節円が形成
されるように動作されるため、リング16,1
8,20の数はこれに相応して増やしてある。追
加の取り付け・駆動ブロツク22が変換器素子を
板10に結合するために設けられている。変換器
素子2は4個であるように図示されているが、こ
の数は必要な動作周波数、利用される圧電材料、
およびシステムの寸法により異なる。システムは
板10の放射表面を除いてハウジング24内に封
入されており、このハウジング内でシステムは周
囲ポリウレタンシール26およびフエルトシール
28により密封されている。板の下方の空間30
は気泡ゴムの吸音体で充填され、変換器および駆
動ブロツクはコルク32で包まれ且つコンパウン
ド詰め物34で取囲まれている。当業者には、シ
ステムの適切な機能が実質的に妨害されないとす
れば、様々な必要条件と環境に適合するようにこ
のシステム包装を広範囲に変えることができるこ
とがわかるであろう。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, parts that correspond in function to parts of FIG. 1 have the same reference numerals. Plate 10 is of uniform thickness, which is easy to manufacture and greatly helps in predicting its resonant properties. The plate is operated in such a way that three nodal circles are formed in the higher resonant bending mode, so that the rings 16,1
The numbers 8 and 20 have been increased accordingly. Additional mounting and drive blocks 22 are provided for coupling the transducer elements to plate 10. Although four transducer elements 2 are shown, this number depends on the required operating frequency, the piezoelectric material utilized,
and system dimensions. The system, except for the radiating surface of plate 10, is enclosed within a housing 24 within which the system is sealed by a peripheral polyurethane seal 26 and a felt seal 28. Space 30 below the board
is filled with a foam rubber sound absorber, the transducer and drive block are wrapped in cork 32 and surrounded by compound padding 34. Those skilled in the art will appreciate that the system packaging can be varied widely to suit various requirements and environments, provided that the proper functioning of the system is not substantially interfered with.

これまで説明した実施例の動作は、発明者が行
なつた実験を参照することによりより良く理解さ
れよう。これらの実験のすべてにおいて、変換器
は800ボルトのピークを有する方形波電圧源によ
り約2ミリ秒の継続時間のバーストにおいてピー
ク振幅まで駆動された音圧レベルは、適切に校正
されたBruelとKjaerのコンデンサマイクロフオ
ン、タイプ4133を使用して変換器から8フイート
(2.4メートル)の位置でマイクロバール・ピーク
−ピーク値で測定した。
The operation of the embodiments described thus far will be better understood by reference to experiments conducted by the inventor. In all of these experiments, the transducer was driven to peak amplitude in bursts of approximately 2 ms duration by a square wave voltage source with a peak of 800 volts. Measurements were made in microbar peak-to-peak at 8 feet (2.4 meters) from the transducer using a condenser microphone, type 4133.

第1図に図示されたシステムは直径12.5cmのア
ルミニウム製の板10を使用して構成されてい
る。まずシステムを3つの異なる共振周波数で、
リング16,18および円板20を省略して試験
した。試験した最も低い周波数である7.09kHzで、
板は本質的にピストンのように動作し、指向性パ
ターンはかなり良い指向性特性を有しているよう
に観察され、軸方向ローブは約20゜の3dBビーム
幅を有し、サイドローブはすべて12dBダウン以
上であつたが、空気中への結合は乏しかつた。測
定最大音圧レベルは変換器の軸上で発生し、測定
値はピーク・ピークで120マイクロバールであつ
た。システムのQは、パルス音響測深に応用する
には許容できないほど高かつた。次に15.56kHzに
おける板の共振においては、板は本質的に曲げモ
ードで放射し、指向性パターンは単にサイドロー
ブがはるかに大きく、小さな中心ローブを示した
だけであつたが、このようなパターンは多くの音
響測深技術には不適切である。軸上での音圧レベ
ルは87マイクロバールにすぎず、第1サイドロー
ブの音圧レベルは250マイクロバールであつた。
砲どすべてのエネルギーは第1および第2サイド
ローブに集中していた。33.5kHzの周波数におい
ては、曲げモードの程度がより高くなつたのに対
応して指向性パターンはさらに一層劣化し、第1
および第2サイドローブの音圧は各各140マイク
ロバールと125マイクロバールであつた。
The system illustrated in Figure 1 is constructed using an aluminum plate 10 having a diameter of 12.5 cm. First, the system is set at three different resonant frequencies.
The test was conducted with the rings 16, 18 and the disc 20 omitted. At the lowest frequency tested, 7.09kHz,
The plate essentially behaves like a piston and the directional pattern is observed to have fairly good directional properties, with the axial lobe having a 3dB beamwidth of about 20° and the side lobes all It was more than 12dB down, but the coupling into the air was poor. The maximum sound pressure level measured occurred on the axis of the transducer and the measured value was 120 microbar peak to peak. The Q of the system was unacceptably high for pulsed acoustic sounding applications. Next, at resonance of the plate at 15.56kHz, the plate radiated essentially in a bending mode, and the directional pattern simply showed much larger side lobes and a smaller central lobe; is inappropriate for many sounding techniques. The on-axis sound pressure level was only 87 microbars, and the first sidelobe sound pressure level was 250 microbars.
All the energy of the gun was concentrated in the first and second side lobes. At a frequency of 33.5 kHz, the directivity pattern deteriorates even further, corresponding to a higher degree of bending mode, and the first
The sound pressures of the second side lobe were 140 microbar and 125 microbar, respectively.

絶縁性のポリウレタンフオーム製で厚さが14.3
mm、幅19mmのリング16を付けた結果として、前
述の2つの共振周波数のうち2番目の周波数がわ
ずかに変化して16.7kHzとなつたが、指向性パタ
ーンに著しい変化が見られ、指向性パターンは
3dBのビーム幅が10゜、すべてのサイドローブが
12dBダウン以上であるすぐれたものとなつた。
最大音圧レベルは再び変換器の軸上にあり、550
マイクロバールに増加した。リング16は、以下
で論じるように、円板の節円の外側の部分から放
射される音の位相が180度逆転するように計算さ
れており、その位置は従来の手段により目で見て
決定した。
Made of insulating polyurethane foam with a thickness of 14.3 mm
As a result of attaching the ring 16 with a width of 19 mm and a width of 19 mm, the second of the two resonance frequencies mentioned above changed slightly to 16.7 kHz, but a significant change in the directivity pattern was observed, and the directivity pattern The pattern is
3dB beamwidth is 10°, all sidelobes are
It turned out to be an excellent result, with a reduction of more than 12dB.
The maximum sound pressure level is again on the axis of the transducer and is 550
increased to microbars. The ring 16 is calculated to cause a 180 degree phase reversal of the sound radiated from the outer part of the nodal circle of the disc, the position of which can be visually determined by conventional means, as discussed below. did.

円板18および20が追加されると、これらは
(共振周波数における四分の一波長に相応して)
厚さが6.7mmの低密度のポリウレタンフオーム製
であるがシステムの性能がさらにかなり改良され
たことがわかつた。共振周波数はわずかに変化し
て15.83kHzとなり、3dBビーム幅はわずかに広が
つて12.5゜となつたが、サイドローブはすべて
18dBダウン以上であり、最大音圧レベルは1700
マイクロバールに増加した。媒質への結合は、減
衰がパルス音響測深技術に適した大きさ以上の点
まで改良された。反響試験において、様様な距離
においてハードターゲツトから返つて来る反響を
受信することにより生じる、変換器システムから
の電気信号出力の振幅は次の通りであつた。すな
わち1.5メートルからは2.5ボルト・ピーク・ピー
ク、2.5メートルからは1.60ボルト・ピーク・ピ
ーク、3メートルからは1.15ボルト・ピーク・ピ
ークであつた。システムは、同一周波数で動作し
且つ同じビーム幅を提供するがハンズの米国特許
第3674945号の教示に従つて構成されたシステム
よりはるかに軽く且つ圧電材料の使用量もはるか
に少なかつた。
When disks 18 and 20 are added, they (corresponding to a quarter wavelength at the resonant frequency)
Made of low-density polyurethane foam with a thickness of 6.7 mm, the performance of the system was found to be significantly improved. The resonant frequency changed slightly to 15.83kHz, and the 3dB beamwidth widened slightly to 12.5°, but the sidelobes were all
More than 18dB down, maximum sound pressure level is 1700
increased to microbars. The coupling to the medium has been improved to the point where the attenuation is more than adequate for pulsed acoustic sounding techniques. In the echo tests, the amplitude of the electrical signal output from the transducer system resulting from receiving the echoes returned from the hard target at various distances was: That is, from 1.5 meters it was 2.5 volts peak to peak, from 2.5 meters it was 1.60 volts peak to peak, and from 3 meters it was 1.15 volts peak to peak. The system operated at the same frequency and provided the same beamwidth, but was much lighter and used much less piezoelectric material than a system constructed according to the teachings of Hands US Pat. No. 3,674,945.

上記の実験の成功をふまえて、さらに第3図に
示したような均一の厚さを有する板10を使用し
て試験を行なつたが、試験であるためハウジング
24およびそれに関連する部品は利用しなかつ
た。いくつかの試験において、外部コルク制動リ
ングによりシール26に類似する効果を得た。シ
ール26の実際の効果はこれに続く試験により決
定され、またいくぶん効率の損失が見られたが、
これは不当に過度に重大なものではなかつた。こ
の小さな問題は必要に応じて円板の裏側の節円に
シールを係合させることにより和らげることがで
きる。均一な厚さの板10を使用することによ
り、共振周波数および様々の曲げ振動モードの節
円を一般に公知である公式を使用してかなりの程
度の精度で計算できるようになることがわかつ
た。この公式に従つて、試験調節により最適のパ
ラメータを容易に決定することができた。また、
様々なリングを固着するために使用される接着剤
の性質は、それが構造の音響特性に過度の不連続
性をもたらさないとすれば重要ではないというこ
ともわかつた。
Based on the success of the above experiment, a further test was conducted using a plate 10 having a uniform thickness as shown in FIG. I didn't. In some tests, an effect similar to seal 26 was obtained with an external cork damping ring. The actual effectiveness of seal 26 was determined by subsequent testing, and some loss of efficiency was observed;
This was not unreasonably overly serious. This minor problem can be alleviated if necessary by engaging a seal in the nodal circle on the back side of the disc. It has been found that the use of a plate 10 of uniform thickness allows the resonant frequencies and nodal circles of the various bending vibration modes to be calculated with a fair degree of accuracy using commonly known formulas. According to this formula, the optimal parameters could be easily determined by test adjustment. Also,
It has also been found that the nature of the adhesive used to secure the various rings is not important as long as it does not introduce undue discontinuity in the acoustic properties of the structure.

この発明の目的の一つは、米国特許第3674945
号等の公知の工業技術により経済的に実行可能で
ある周波数より低い周波数で狭いビーム幅とかな
り大きい音響出力を提供するような、パルス音響
測深に応用するための変換器システムを提供する
ことである。そこで、すでに述べたようにハウジ
ングを除いて第3図に示したシステム構成におい
て直径27.3cm、厚さ7.6mmのアルミニウム板10
を使用して実験を行なつた。板を除く圧電素子と
取り付けブロツクの組立体は、まずおよそ所望の
共振周波数(最初の実験では11.8kHzに設定した)
で共振するように調節されたが、最も外側のリン
グ20を省略し、板10の周囲は制動しなかつ
た。位相補正リング16は厚さ20.6mmのポリスチ
レンフオーム製で、インピーダンス整合円板18
およびリング20は8.5mm厚のポリエチレンフオ
ーム製であつて、これらの部品はその縁が節円と
一致するように配置された。リングを最適の状態
とした後のシステムからの指向性パターンは、
7.5゜の3dB帯域幅、830マイクロバールの軸方向音
圧レベルおよび20dBダウン以上のサイドローブ
を示すことがわかつた。パルス音響測深システム
において動作されると、2.15メートルの距離にあ
るハードターゲツトから1.9ボルト・ピーク・ピ
ークの変換器出力が得られた。
One of the objects of this invention is U.S. Patent No. 3,674,945
By providing a transducer system for applications in pulsed acoustic sounding that provides a narrow beamwidth and a significantly higher acoustic power at frequencies lower than are economically viable by known industrial techniques such as be. Therefore, as already mentioned, in the system configuration shown in Figure 3 excluding the housing, the aluminum plate 10 with a diameter of 27.3 cm and a thickness of 7.6 mm is used.
The experiment was conducted using The piezoelectric element and mounting block assembly, excluding the plate, was first tuned to approximately the desired resonant frequency (initial experiments were set at 11.8kHz).
The outermost ring 20 was omitted, leaving the circumference of the plate 10 undamped. The phase correction ring 16 is made of 20.6 mm thick polystyrene foam and has an impedance matching disk 18.
and ring 20 were made of 8.5 mm thick polyethylene foam, and these parts were positioned so that their edges coincided with the nodal circles. The directivity pattern from the system after optimizing the ring is:
It was found to exhibit a 3dB bandwidth of 7.5°, an axial sound pressure level of 830 microbar and sidelobes down more than 20dB. When operated in a pulsed acoustic sounding system, a transducer output of 1.9 volts peak to peak was obtained from a hard target at a distance of 2.15 meters.

板10を取付けた場合と取付けない場合の変換
器システムの電気インピーダンスを共振周波数を
含む周波数範囲にわたつて測定したが、双方の場
合共、無効分と抵抗分を記録した。2組の数字の
差は板によるインピーダンスを表わしており、イ
ンピーダンスは共振周波数においてはかなり大き
く本質的に抵抗性の性質であり、システム全体と
しての各々1150オームと−1600オームの抵抗分と
無効分に比べ約850オームに達し、これは媒質へ
の実質的な結合と低いシステムQを示している。
The electrical impedance of the transducer system with and without plate 10 was measured over a frequency range including the resonant frequency, with reactive and resistive components recorded in both cases. The difference between the two sets of numbers represents the impedance through the plate, which is quite large at the resonant frequency and is essentially resistive in nature, with resistive and reactive components of 1150 ohms and -1600 ohms, respectively, of the overall system. approximately 850 ohms, indicating substantial coupling to the medium and low system Q.

直径20cm、厚さ2mmの板を使用し、再び第3図
に示したものに類似する構成により、さらに高い
曲げモードに適合するように11.5mm厚の3つのリ
ング16を付けて別の実験を行なつた。22.2kHz
の動作周波数において、3dBビーム幅は7.5゜、サ
イドローブは少なくとも13.7dBダウン、音圧レ
ベルは1500マイクロバールであつた。2.15mの距
離にあるハードターゲツトから返つて来る音響出
力は3.3ボルト・ピーク・ピークであつた。
Another experiment was carried out using a plate 20 cm in diameter and 2 mm thick, again with a configuration similar to that shown in Figure 3, with three rings 16 11.5 mm thick to accommodate even higher bending modes. I did it. 22.2kHz
At the operating frequency, the 3dB beamwidth was 7.5°, the sidelobes were down at least 13.7dB, and the sound pressure level was 1500 microbar. The acoustic power returned from the hard target at a distance of 2.15 m was 3.3 volts peak to peak.

比較のために、直径19cmの放射面を有し且つ
21kHzで動作するハンズの米国特許第3674945号
の教示に従つて構成した変換器を同一の条件で試
験した。この変換器は9゜の3dBビーム幅を示し、
サイドローブは12dBダウンであつた。この変換
器の音響出力はより多く、2250マイクロバール、
ピーク・ピークであつた。しかしながら反響出力
はかなり低く、2.15mの距離にあるハードターゲ
ツトから返つて来る反響についてはわずか1.9ボ
ルト・ピーク・ピークしか測定されなかつた。さ
らにこのような変換器は8.4Kgの圧電材料を使う
が、試験用変換器では70gの圧電材料しか使用さ
れていなかつた。
For comparison, it has a radiation surface of 19 cm in diameter and
A transducer constructed according to the teachings of Hands US Pat. No. 3,674,945 operating at 21 kHz was tested under identical conditions. This transducer exhibits a 3dB beamwidth of 9°,
The side lobes were down 12dB. The acoustic output of this transducer is more than 2250 microbar,
It was peak peak. However, the echo power was quite low, with only 1.9 volts peak-to-peak being measured for the echoes coming back from the hard target at a distance of 2.15 meters. Furthermore, such transducers use 8.4 kg of piezoelectric material, whereas the test transducer used only 70 g of piezoelectric material.

別の試験においては、直径14cm、厚さ4.9mmの
板を有し且つ第3図に示したものより小さい構成
で21.5kHzで動作する変換器は、8゜の3dBビーム幅
を有しサイドローブは14dBダウン、音圧出力は
1600マイクロバール・ピーク・ピークであつた。
In another test, a transducer operating at 21.5 kHz with a plate 14 cm in diameter and 4.9 mm thick and in a configuration smaller than that shown in Figure 3 had a 3 dB beamwidth of 8° and a sidelobe. is down by 14dB, and the sound pressure output is
It was 1600 microbar peak to peak.

すでに説明した実施例により得られる結合効率
の非常に大きな増加およびリング16のみを付け
た第1図の実施例により得られる良好な結果を考
慮して、さらにリング18および20を省略した
変換器を用いて実験を行なつた。空中線指向性図
における望ましくないサイドローブを減少させる
ために、節円の数を増やすためにさらに程度の高
い共振モードを厳密に試験した。このようなモー
ドで動作するとより薄い円板を使用することがで
き、任意の寸法の円板で所望の周波数の共振が得
られる。このように変形した変換器が第4図に軸
方向横断面で示されているが、この場合第3図で
使用されている数字と同じ参照番号が同様の部分
を指示するために使われている。相違する点のみ
を詳細に説明する。
In view of the very large increase in coupling efficiency obtained with the embodiments already described and the good results obtained with the embodiment of FIG. We conducted an experiment using In order to reduce undesirable sidelobes in the antenna pattern, more resonant modes were rigorously tested to increase the number of nodal circles. Operating in such a mode allows the use of thinner disks and provides resonance at the desired frequency with disks of any size. The transducer thus modified is shown in axial cross section in FIG. 4, in which case the same reference numerals used in FIG. 3 are used to designate similar parts. There is. Only the differences will be explained in detail.

板10は第3図に示されているものよりかなり
薄く、第3図のポリウレタンシール26およびフ
エルトシール28は省略してある。リング18お
よび20も同様に省略され、リング16が板の1
つおきの波腹ゾーンに付けられている。図示され
た実施例においては(中心から数えて)偶数番目
の波腹ゾーンがリング16で被覆されるように示
されているが、これと逆の配置も使用されてい
た。しかしながら、板の被覆面積と被覆されてい
ない面積との比を確実に合理的に実現しうる最高
の値とするためには最も外側の波腹ゾーン全体が
被覆されるのが好ましい。図示されている実施例
においては、10個の波腹ゾーンと5つのリング1
6があるが、必要とされるどのような程度のサイ
ドローブ抑制でも得られるとするならば、この数
を変えても良い。リング16の材料に対するリン
グの厚さは、他の所で論じたように、板の放射表
面の、この表面が放射する対象である気体媒質、
通常は空気に対する最適の整合を提供するように
選択されている。
The plate 10 is considerably thinner than that shown in FIG. 3, and the polyurethane seal 26 and felt seal 28 of FIG. 3 have been omitted. Rings 18 and 20 are similarly omitted, with ring 16 being one of the plates.
It is attached to the antinode zone of Tsuoki. Although in the illustrated embodiment the even numbered antinode zones (counted from the center) are shown covered by rings 16, the opposite arrangement could also have been used. However, it is preferred that the entire outermost antinode zone be coated in order to ensure that the ratio of covered to uncoated area of the plate is the highest reasonably achievable. In the illustrated embodiment, there are 10 antinode zones and 5 rings 1
6, but this number may vary provided that whatever degree of sidelobe suppression is desired is achieved. The thickness of the ring relative to the material of the ring 16 depends on the radiating surface of the plate and the gaseous medium from which this surface radiates, as discussed elsewhere.
Usually chosen to provide the best match for air.

第4図の実施例においては、変換器素子2と板
10との間にいくぶん異なる結合手段が採用され
ている。取り付けブロツク22が柱23を介して
板に結合されている。切りくずにして、または元
通りの状態で形成された発泡材の充填物25がハ
ウジングの空洞内での反射を防ぐために使用され
且つその場で鋳造されたポリウレタン製シール膜
27によりコンパウンド詰め物34から分離され
ている。
In the embodiment of FIG. 4, somewhat different coupling means are employed between the transducer element 2 and the plate 10. A mounting block 22 is connected to the plate via posts 23. A foam fill 25, formed in chips or in situ, is used to prevent reflections within the housing cavity and is separated from the compound fill 34 by a polyurethane sealing membrane 27 cast in situ. Separated.

第4図の実施例に従つて構成された変換器を第
1図から第3図の実施例に関して先に述べたのと
同じ条件で試験した。
A transducer constructed according to the embodiment of FIG. 4 was tested under the same conditions as described above with respect to the embodiment of FIGS. 1-3.

変換器は、第4図に従つて直径24cm、厚さ1.3
mmの6061−T6級アルミニウム製の板10を使用
して構成した。リング16は密度が0.025gm/
c.c.の低密度独立気泡ポリエチレンフオーム製で、
変換器の動作周波数である21kHzにおける材料中
の音の四分の一波長である5.3mmの厚さであつた。
変換器素子の駆動構体、すなわち取り付けブロツ
クと柱はこの周波数で共振するように調節され
た。リング16の配置を最適にした後、21.0kHz
の試験周波数におけるシステムの指向性パターン
は4.9゜の3dB帯域幅、8.3゜の12dB帯域幅、3000マ
イクロバールの軸方向音圧レベル、そして少なく
とも18dBダウンのサイドローブを示すことがわ
かつた。パルス音響測深システムにおいて作動さ
れると、2.25メートルの距離にあるハードターゲ
ツトから5.5ボルト・ピーク・ピークの変換器出
力が得られた。音響測深システムの3dB帯域幅は
11.2のシステムQに対応して1.9kHzであつた。円
板の共振周波数を駆動構体の共振周波数からオフ
セツトすることにより、さらに広い帯域幅が得ら
れることがわかつた。円板の共振周波数を1.2kHz
だけオフセツトすると、これに対応する帯域幅の
増加が得られる。
The transducer has a diameter of 24 cm and a thickness of 1.3 cm according to Figure 4.
It was constructed using a plate 10 made of 6061-T6 grade aluminum with a diameter of 6061 mm. Ring 16 has a density of 0.025gm/
Made of CC low density closed cell polyethylene foam.
It was 5.3 mm thick, which is the quarter wavelength of sound in the material at 21 kHz, the operating frequency of the transducer.
The drive structure of the transducer element, ie the mounting block and column, was tuned to resonate at this frequency. 21.0kHz after optimizing the arrangement of ring 16
The system's directivity pattern at the test frequency was found to exhibit a 3 dB bandwidth of 4.9°, a 12 dB bandwidth of 8.3°, an axial sound pressure level of 3000 microbar, and sidelobes down at least 18 dB. When operated in a pulsed acoustic sounding system, a transducer output of 5.5 volts peak to peak was obtained from a hard target at a distance of 2.25 meters. The 3dB bandwidth of the acoustic sounding system is
It was 1.9kHz, corresponding to System Q of 11.2. It has been found that even wider bandwidths can be obtained by offsetting the resonant frequency of the disk from that of the drive assembly. Set the resonance frequency of the disc to 1.2kHz
Offset by 0.05 kHz will result in a corresponding increase in bandwidth.

13kHzの動作周波数に対して、板の直径を33cm
に増加させ且つリング16の厚さを四分の一波長
整合を提供するために7.6mmに増やした別の変換
器を構成した。この場合、板は11の波腹ゾーン
を有し、中心から数えて奇数番目の波腹ゾーンが
リング16により被覆された。13.03kHzの試験周
波数において、システムの空中線指向性図は4.9゜
の3dBビーム幅、9.1゜の12dBビーム幅、少なくと
も15dBダウンのサイドローブ、および5600マイ
クロバールの軸方向音圧レベルを示した。パルス
音響測深システムにおいて作動されると、2.25m
の距離にあるハードターゲツトから14.6ボルト・
ピーク・ピークの変換器出力が得られた。音響測
深システムの3dB帯域幅は約13のシステムQに対
応して1kHzであつた。
For an operating frequency of 13kHz, the plate diameter is 33cm.
Another transducer was constructed in which the thickness of ring 16 was increased to 7.6 mm to provide quarter-wavelength matching. In this case, the plate had 11 antinode zones, and the odd antinode zones counted from the center were covered by rings 16. At the test frequency of 13.03 kHz, the system's antenna pattern showed a 3 dB beamwidth at 4.9°, a 12 dB beamwidth at 9.1°, sidelobes down at least 15 dB, and an axial sound pressure level of 5600 microbar. 2.25 m when activated in a pulsed sounding system
14.6 volts from a hard target at a distance of
A peak-to-peak converter output was obtained. The 3 dB bandwidth of the acoustic sounding system was 1 kHz, corresponding to a system Q of approximately 13.

上述の試験から、リングシステムを簡略化した
にもかかわらず、また実験用変換器内の変換器素
子の質量が第2図および第3図に従つて構成され
試験されたものに対してより一層減少していると
いう事実にもかかわらず、第4図に従つた変換器
からさらに高い出力を得ることができるというこ
とが明らかとなろう。第4図の実施例において
は、1つおきの波腹ゾーンから放射される音の位
相を逆転することにより遠い場における相殺を妨
げるように位相逆転という手段をとろうとする試
みがなされていない。その代わり、遠い場におけ
る相殺は、1つおきの波腹ゾーンから放射される
音の出力を干渉ゾーンから放射される音の出力と
比べて無視できる程度とすることにより妨げられ
る。板とリング16を担持していないゾーン内の
媒質との間の不整合が非常に大きいために、きわ
めてわずかのエネルギーしか放射されず、一方リ
ング16は有効な放射器である。従つて、変換器
の軸上でリングから放射されるエネルギーは実質
的に相殺されない。しかしながら、異なるリング
16からの放射の間の干渉により指向性パターン
におけるかなり大きなサイドローブの発生が妨げ
られる。板の実効放射面積はリング16により被
覆されていない面積に比例して減少するが、実例
により各々の振動サイクルにおいて媒質へ伝達さ
れる板のエネルギーの割合が実際に増大するよう
に板の寸法を大きくすることにより、この減少を
容易に補償することができる。
From the tests described above, it can be seen that, despite the simplification of the ring system, and the mass of the transducer elements in the experimental transducer is even more significant than that constructed and tested according to Figs. It will become clear that, despite the fact that it is reduced, even higher outputs can be obtained from a converter according to FIG. In the embodiment of FIG. 4, no attempt is made to use phase reversal to prevent cancellation in the far field by reversing the phase of the sound emitted from every other antinode zone. Instead, far-field cancellation is prevented by making the sound power radiated from every other antinode zone negligible compared to the sound power radiated from the interference zone. Because the mismatch between the plate and the medium in the zone not carrying ring 16 is so great, very little energy is radiated, while ring 16 is an effective radiator. Therefore, the energy radiated from the ring on the axis of the transducer is not substantially cancelled. However, interference between the radiation from different rings 16 prevents the generation of significant side lobes in the directional pattern. Although the effective radiating area of the plate decreases proportionally to the area not covered by the ring 16, the dimensions of the plate may be scaled in such a way that the proportion of the plate's energy transferred to the medium in each vibration cycle actually increases. This reduction can be easily compensated for by making it larger.

ハンズの米国特許第3674945号の変換器のよう
な先行技術の変換器の1つの欠点は、放射表面上
に水等の凝縮物またはその他の液体、または脂肪
性の物質が堆積することにより性能が激しく損な
われることがあるという点である。これは、堆積
した物質が整合材料に負荷を与えてその同調を変
化させ、それにより堆積した物質が蒸発するかま
たはその他の方法で取除かれるまで整合材料の有
効性を減少させるかまたは完全に消失させてしま
うためである。同様の不都合はまた、本発明の第
2図および第3図に従つて構成した変換器でも起
こる。しかしながら第4図の実施例の場合には不
具合の大きさははるかに少なく、且つたとえ放射
表面に水を噴霧したとしても、出力は下がつても
変換器は申し分なく動作するであろうということ
がわかつた。この驚くべき結果は、2組の波腹ゾ
ーンの相対機能が変化することによつて生じると
考えられている。水は整合リング16に負荷を与
えてリングを離調し、その整合機能を損なわせ
る。しかし、リングは被覆されていないゾーンか
ら放射される音に関してリングが被覆しているゾ
ーンから放射される音を移相するように動作し、
この被覆されたゾーンからの放射はリング16か
らの放射が減少するにつれて重要になる。移相
は、空気に対するリング材料内の音速の差と離調
された整合部分の無効特性とによるものである。
移相の結果、隣接するゾーンから放射される音が
逆相というよりむしろほぼ直角位相となるため、
相互相殺は大きく減少し、有効出力が維持され
る。この動作論理を、変換器の放射表面を徐々に
湿らせながら放射表面の出力を測定することによ
り試験した。湿気の付着が増大するにつれて出力
は低下したが、ゼロまたは最低出力は記録されな
かつた。リング16により提供される整合はなく
なるが、本発明により許容される変換器素子の実
効面積に対して放射表面が大きいために、媒質へ
の結合は尚も高められることが可能である。これ
自体がかなりの程度のインピーダンス変換を有効
に提供する。
One drawback of prior art transducers, such as that of Hands' U.S. Pat. The point is that it can be seriously damaged. This is because the deposited material loads the matching material and changes its tuning, thereby reducing the effectiveness of the matching material until the deposited material is evaporated or otherwise removed, or completely removed. This is because it will disappear. Similar disadvantages also occur with transducers constructed according to FIGS. 2 and 3 of the present invention. However, in the case of the embodiment of FIG. 4, the magnitude of the failure is much smaller, and even if the radiating surface is sprayed with water, the transducer will still function satisfactorily, albeit at a reduced output. I understood. This surprising result is thought to be caused by a change in the relative functions of the two sets of antinode zones. The water loads the alignment ring 16, detuning it and impairing its alignment function. However, the ring operates to phase shift the sound emitted from the zone covered by the ring with respect to the sound emitted from the uncovered zone;
The radiation from this covered zone becomes more important as the radiation from ring 16 decreases. The phase shift is due to the difference in the speed of sound in the ring material relative to the air and the null characteristics of the detuned matching section.
The result of the phase shift is that the sound radiated from adjacent zones is almost quadrature rather than out of phase.
Mutual cancellation is greatly reduced and effective output is maintained. This logic of operation was tested by measuring the output of the radiating surface while gradually wetting the radiating surface of the transducer. The power decreased as moisture build-up increased, but no zero or minimum power was recorded. Although the matching provided by the ring 16 is eliminated, the coupling to the medium can still be enhanced due to the large radiation surface relative to the effective area of the transducer element allowed by the invention. This in itself effectively provides a significant degree of impedance transformation.

湿気に対する感度を減少させた変換器は、湿
気、汚れまたはその他の表面負荷がリングにより
放射音またはその放射効率に与えられる移相を非
常に大きく変えないほど充分に整合リングを慎重
に離調することにより提供することができた。こ
のような配置は湿気の多い状態ではシステムの出
力を改良しないので通常は有利ではないであろ
う。試験されたもう1つの試みは、リングからの
放射が被覆されていない波腹ゾーンに比べてかな
り減少されるように損失の多い材料でリングを作
ることであつた。これにより再び、リングにより
提供しうる整合が犠性となるが、リングが板に加
わるエネルギーのかなり大きな部分を吸収してし
まうのでシステムの効率も下がる。このような配
置により満足な結果は認められなかつた。その理
由は効率が低いことと、厚みの少ない材料におい
て有効な吸音を行なわせるのが困難なことであつ
た。さらにもう1つの欠点は、有効な吸音が得ら
れる場合にはリングの表面は不動であり且つ本発
明による変換器では明白である音響自浄特性が失
なわれることである。同様の理由により、1つお
きの波腹ゾーンに低損失材料から成るリング16
が付けられるときには干渉ゾーンに吸音材料を付
けるのが特に有利であるとは考えられない。
Transducers with reduced sensitivity to moisture are carefully detuned from the matching ring sufficiently that moisture, dirt, or other surface loads do not significantly alter the phase shift imparted by the ring or its radiation efficiency. We were able to provide this by: Such an arrangement would not normally be advantageous since it would not improve the output of the system in humid conditions. Another approach tested was to make the ring of lossy material so that the radiation from the ring was significantly reduced compared to the uncoated antinode zone. This again sacrifices the alignment that could be provided by the ring, but also reduces the efficiency of the system since the ring absorbs a much larger portion of the energy applied to the plate. No satisfactory results were observed with this arrangement. The reasons for this are low efficiency and the difficulty of achieving effective sound absorption in thin materials. Yet another disadvantage is that when effective sound absorption is obtained, the surface of the ring remains immobile and the acoustic self-cleaning properties evident in the transducer according to the invention are lost. For similar reasons, rings 16 of low-loss material are placed in every other antinode zone.
It is not believed to be particularly advantageous to apply sound-absorbing material to the interference zone when the interference zone is applied.

第4図の実施例において1つおきの波腹ゾーン
に付けられる材料の厚さを最適のインピーダンス
整合を提供するようなものとする代わりに、また
はそのようにする他に、およそ180゜の移相を提供
することにより軸方向の遠い場における相殺を避
けるように厚さを選択しても良い。
Instead or in addition to making the thickness of material applied to every other antinode zone in the embodiment of FIG. The thickness may be chosen to provide a phase to avoid cancellation in the axial far field.

さらに多数の実験が行なわれたが、その中には
板10およびリング16,18,20のための合
成プラスチツク材料を含む異なる材料を使用して
いるものもある。材料がこれらのリングに適して
いるか否かは、ハンズの米国特許第3674945号の
システムに使用されているインピーダンス整合層
に関して詳細に論じられているのと同じ基準によ
り決定して良い。板10に用いる材料の必要条件
はインピーダンスが高く、振動中の機械的損失が
低く且つ弾性係数が高いことである。直径に比べ
て少ない均一の厚さの板10は振動駆動システム
に関する限り今説明したように、共振に際しては
有効に静止質量がゼロの物体として動作し、板と
変換器素子を独立して同調することができる。こ
の特徴はシステムを設計する際に助けとなると同
時に、変換器システム全体としての帯域幅をさら
に広げるように駆動システムと変換器素子をスタ
ガ同調できるという可能性を提供する。直径と厚
さの比が25:1ないし約500:1の板は良好な結
果が得られるとわかつているが、この範囲が限界
であると考えるべきではない。この比が大きい板
は、節円間の間隔が減少されて任意の板直径に対
してより等級の高い共振を使用することができる
ので通常は好ましい。節リングの数が多くなる
と、変換器のレスポンスにおける望ましくないサ
イドローブを容易に回避できるようになる。第2
図と第3図の実施例は3つの節リングを有してい
るが、これより多いのが望ましく、第4図の実施
例は10のリングを有する。得られた実験結果は、
同じ原理に従つて修正材料を付けるものとすれ
ば、この場合材料の様々なゾーンの境界が板上の
節がたどる線により決定されるためにこれらのゾ
ーンは必ずしもリング形でなくなるけれども対称
形または非対称形の曲げモードで動作する円形で
ない板を使用しても同様の結果が得られるであろ
うということを示している。板は本発明の利点を
実現するために変換器に比べて大きい放射表面を
有していなければならないが、本発明の原理で
は、板自体が伝搬媒質との接触面積を増大するこ
とによりインピーダンス変換器として動作するた
めに米国特許第3674945号の整合技術を利用しな
くても媒質への結合度を大いに改良できるような
程度まで板を拡大することが許されている。
A number of additional experiments have been conducted, some using different materials for plate 10 and rings 16, 18, 20, including synthetic plastic materials. The suitability of materials for these rings may be determined by the same criteria discussed in detail with respect to the impedance matching layer used in the system of Hands US Pat. No. 3,674,945. The requirements for the material used for plate 10 are high impedance, low mechanical losses during vibration and high elastic modulus. The uniform thickness of the plate 10, which is small compared to its diameter, effectively behaves as a zero rest mass object at resonance, as just described, as far as the vibration drive system is concerned, independently tuning the plate and the transducer elements. be able to. This feature aids in system design and offers the possibility of staggered tuning of the drive system and transducer elements to further increase the overall bandwidth of the transducer system. Plate diameter to thickness ratios of 25:1 to about 500:1 have been found to yield good results, but this range should not be considered limiting. Plates with a large ratio are usually preferred because the spacing between nodal circles is reduced and higher grade resonances can be used for a given plate diameter. A large number of nodal rings makes it easier to avoid unwanted sidelobes in the transducer response. Second
Although the embodiment of FIGS. and 3 has three nodal rings, more is preferred, and the embodiment of FIG. 4 has ten rings. The experimental results obtained are
If we apply the modified material according to the same principle, then these zones will not necessarily be ring-shaped, but symmetrical or It is shown that similar results would be obtained using non-circular plates operating in asymmetric bending modes. Although the plate must have a large radiating surface compared to the transducer to realize the advantages of the invention, the principle of the invention is that the plate itself transforms the impedance by increasing the area of contact with the propagation medium. It is permissible to enlarge the plate to such an extent that the degree of coupling to the medium can be greatly improved without utilizing the alignment techniques of US Pat. No. 3,674,945 to act as a vessel.

リング16,18および20には広範囲にわた
る弾性材料を使用できることがわかつている。板
の材料の密度のわずか1.2%の密度を有するポリ
スチレンフオームからの板の材料の密度の43%の
密度を有する固体ポリウレタン・エラストマーに
いたる材料を用いて試験を行ない好結果を得た。
このポリウレタン・エラストマーを使用すると効
率はわずかに低くなり且つ全体的な質量が大きく
なるために板の共振周波数に与える影響が大きく
なる。他方、これを使用すると製造が容易になり
且つより大きな凹凸を与えることができる。ポリ
ウレタン・エラストマーはまた、これを通過する
音の伝搬速度を空中での伝搬速度と比較したとき
の差が試験した発泡性材料の場合より大きいので
厚さが全く少ないリングによつて位相の修正を行
なうことができるという利点をもつている。さら
に、関心周波数において非常に低いヒステリシス
を示す。ある材料がリング16,18および20
に使用するのに適しているか否かがシステムの動
作周波数における低損失音響伝搬媒質としての特
性と、その音響インピーダンスと、板および気体
媒質の音響インピーダンスの関係とにより左右さ
れることは当然認識されるであろう。理想的に
は、板の材料の音響インピーダンス対リングの音
響インピーダンスの比は、リングの材料の音響イ
ンピーダンス対気体媒質の音響インピーダンスの
比と同じであるべきだが、理想的な関係より小さ
くても、これはリング材料の他の特性によつて補
償しうる。従つて板がアルミニウムであり、気体
媒質が空気、リングの材料がポリスチレンフオー
ムであれば、上述のように定義された比は各々約
400と約85である。一方のリングの材料が固体ポ
リウレタン・エラストマーであるときは、比は
各々約8と約4000となる。動作周波数での音響波
の伝搬におけるかなり大きなヒステリシスは適切
な動作を妨げ且つ効率を下げるので、材料はこの
ようなヒステリシスを示すべきではない。小さな
独立気泡を有する材料が発泡性材料の中で最も良
い結果を提供するように思われる。
It has been found that a wide variety of elastic materials can be used for rings 16, 18 and 20. Materials ranging from polystyrene foam having a density of only 1.2% of the density of the board material to solid polyurethane elastomer having a density of 43% of the density of the board material have been tested with good results.
The use of this polyurethane elastomer results in slightly lower efficiency and greater overall mass, which has a greater effect on the resonant frequency of the plate. On the other hand, its use simplifies manufacturing and allows larger irregularities to be provided. Polyurethane elastomers also allow for phase modification by rings that are much less thick, since the difference in the speed of sound propagation through them compared to the speed of propagation in air is greater than for the foamed materials tested. It has the advantage that it can be done. Furthermore, it exhibits very low hysteresis at the frequencies of interest. Some material is used in rings 16, 18 and 20.
It is of course recognized that suitability for use in a system depends on its properties as a low-loss acoustic propagation medium at the operating frequency of the system, its acoustic impedance, and the relationship between the acoustic impedances of the plate and the gas medium. There will be. Ideally, the ratio of the acoustic impedance of the plate material to the acoustic impedance of the ring should be the same as the ratio of the acoustic impedance of the ring material to the acoustic impedance of the gaseous medium, but even if it is less than the ideal relationship, This can be compensated for by other properties of the ring material. Therefore, if the plate is aluminum, the gaseous medium is air, and the ring material is polystyrene foam, the ratios defined above are each approximately
400 and about 85. When the material of one ring is a solid polyurethane elastomer, the ratios are about 8 and about 4000, respectively. The material should not exhibit significant hysteresis in the propagation of acoustic waves at the operating frequency, since this will prevent proper operation and reduce efficiency. Materials with small closed cells appear to provide the best results among foamable materials.

リング16,18および20を形成する材料の
質量が板の質量と比べてかなりある場合には、板
の共振周波数が著しくずれ、もちろんこれに対し
ては適当なゆとりを設けなければならない。
If the mass of the material forming the rings 16, 18 and 20 is significant compared to the mass of the plates, the resonant frequencies of the plates will shift significantly and, of course, appropriate allowances must be made for this.

様々なリングが分離して形成されるように説明
してきたが、リングが隣接する波腹ゾーンに付け
られるとき、特にすべて同じ材料で形成されると
きにはリングを単一の一体成形物として作ること
ができるであろうということは明らかである。さ
らに、第1図から第3図に関して説明した実施例
においては板の隣接する波腹ゾーン全体に付けら
れる材料の全体的な厚さが交互に上下しているよ
うに示されているが、その厚さが以下で論じる必
要条件に従つているならば前記のようにする必要
はない。
Although the various rings have been described as being formed separately, when the rings are attached to adjacent antinode zones, it is possible to make the rings as a single integral molding, especially when they are all formed of the same material. It is clear that it can be done. Additionally, although in the embodiments described with respect to FIGS. 1-3 the overall thickness of material applied across adjacent antinode zones of the plate is shown alternating up and down; This need not be the case if the thickness complies with the requirements discussed below.

米国特許第3674945号において論じられている
ように、整合を目的として使用される材料は四分
の一波長の奇数倍の厚さとすべきである。隣接す
る波腹ゾーンが媒質に整合されるべき変換器の実
施例においては、波腹ゾーンは交互にさらに、同
じ厚さの空気(その他のあらゆる気体媒質も含ま
れる。)を通過する音を比べて約180゜の移相を提
供するような厚さに材料(同じ材料である必要は
ない)で被覆する必要がある。この厚さはn/2f
(1/C0−1/C1)と示すことができる。ここで
nは奇数整数、fは動作周波数、C0は空気中の
音速、そしてC1は使用される材料の中の音速で
ある。この厚さを整合条件に適合するように選択
できれば、それだけ良い。厚さを適度に小さく保
つには、C0とC1との間にかなりの差があるべき
であることは明らかである。特に発泡性材料中の
音速はとりわけ動作周波数関数および構成および
時には材料の向きの関数であるため、板に付ける
材料の厚さを最適にするためには通常は実験が必
要であるということを理解すべきである。
As discussed in US Pat. No. 3,674,945, the material used for matching purposes should be an odd number of quarter wavelengths thick. In transducer embodiments in which adjacent antinode zones are to be matched to the medium, the antinode zones are alternately further matched to the sound passing through the same thickness of air (including any other gaseous medium). It is necessary to coat the material (not necessarily the same material) to a thickness such that it provides a phase shift of approximately 180°. This thickness is n/2f
It can be expressed as (1/C 0 −1/C 1 ). where n is an odd integer, f is the operating frequency, C 0 is the speed of sound in air, and C 1 is the speed of sound in the material used. The more this thickness can be selected to meet matching conditions, the better. It is clear that there should be a significant difference between C 0 and C 1 to keep the thickness reasonably small. Understand that experimentation is usually required to optimize the thickness of material applied to the plate, especially since the speed of sound in foamed materials is a function of operating frequency and configuration and sometimes material orientation, among other things. Should.

位相修正および整合材料(説明されている実施
例中のリング16,18,20)は板より音響イ
ンピーダンスの低い低密度の材料であるので、通
常は板に質量または剛性を付加することは殆どな
く、従つて板の共振特性にも比較的わずかしか影
響しない。このことにより、円板の表面面積がそ
の体積、または円板中に蓄積されるエネルギーに
比べて非常に大きくなるように比較的薄い円板を
使用することが許される。板からこれを取囲む媒
質へのエネルギーの伝達速度は放射表面の面積に
比例するため、各サイクルの間に媒質へ伝達され
る板内に蓄積されたエネルギーの割合が増加し、
そのためシステムにQは減少する。さらに、板の
面積と変換器素子の実効面積との比は非常に大き
いので、任意のエネルギー伝達を達成するために
はるかに小さい変換器素子を使用することができ
る。このように、説明した様々な実施例で利用さ
れている変換器素子は典型的には約70〜150グラ
ムのチタン酸ジルコン酸鉛を含んでいるが、米国
特許第3674945号に従つて構成されたこれに匹敵
する性能の10kHzの変換器はおそらく高価な圧電
材料を50キログラム程度必要とし、しかも効率は
より低いであろう。
The phase modifying and matching material (rings 16, 18, 20 in the described embodiment) is a low density material with a lower acoustic impedance than the plate, so it typically adds little mass or stiffness to the plate. , and thus also has a relatively little influence on the resonance properties of the plate. This allows the use of relatively thin disks such that the surface area of the disk is very large compared to its volume or the energy stored in the disk. Since the rate of energy transfer from the plate to the surrounding medium is proportional to the area of the radiating surface, during each cycle the proportion of energy stored in the plate that is transferred to the medium increases;
Therefore, the Q of the system decreases. Furthermore, since the ratio between the area of the plate and the effective area of the transducer elements is very large, much smaller transducer elements can be used to achieve any desired energy transfer. Thus, the transducer elements utilized in the various embodiments described, which typically contain about 70 to 150 grams of lead zirconate titanate, were constructed in accordance with U.S. Pat. No. 3,674,945. A 10 kHz transducer with comparable performance would probably require 50 kilograms of expensive piezoelectric material and would be less efficient.

米国特許第3674945号によるもののような先行
技術の変換器においては、圧電材料としてチタン
酸バリウムを使うのが普通であつたが、これより
いくぶん性能のすぐれたチタン酸ジルコン酸鉛の
変換器素子を利用できるのが本発明の利点であ
る。チタン酸ジルコン酸鉛材料は、本発明におい
て使用するのに適した環状素子に容易に製造加工
することができるが、米国特許第3674945号の変
換器等の変換器に適した素子に加工するのは容易
ではない。
Although prior art transducers, such as those according to U.S. Pat. It is an advantage of the present invention that it can be used. Although the lead zirconate titanate material can be readily fabricated into annular elements suitable for use in the present invention, it is difficult to fabricate elements suitable for transducers such as the transducer of U.S. Pat. No. 3,674,945. is not easy.

変換器素子と振動板との間の結合は様々な方法
で変形して良い。第4図に関してすでに説明した
ように、変換器素子が同様の取り付けブロツクの
間に取付けられ、且つこの構造が、一端が構体に
取付けられ他端が板に取付けられている短い柱に
より板に結合されているような配置の良い結果が
得られている。この注の代わりに、超音波の1978
年11月版、268ページでガリエゴ−フアレス他に
より説明されているような機械的増幅器を用いる
こともできるであろう。
The coupling between the transducer element and the diaphragm may be modified in various ways. As already explained with respect to FIG. 4, the transducer elements are mounted between similar mounting blocks, and this structure is connected to the plate by short posts that are attached to the structure at one end and to the plate at the other end. Good results have been obtained with the arrangement shown. 1978 of ultrasound instead of this note
Mechanical amplifiers could also be used, such as those described by Gariego-Juarez et al., November 2005, page 268.

特定的に説明した実施例はすべて板の縁が実質
的に拘束されていない配置に関するものであつた
が、もちろん周囲が締付けられていたり、または
他の方法で固定されている板を使用することは可
能であり、この場合、波節円は板の周囲と一致す
る。このような配置はある場合には、特に火災や
爆発の危険のある環境で使用するための耐火性シ
ステムを提供することが望まれる場合には有利で
あるといえよう。
Although all of the specifically described embodiments have involved arrangements in which the edges of the plates are substantially unconstrained, it is of course possible to use plates that are clamped or otherwise secured around the perimeter. is possible, in which case the nodal circle coincides with the circumference of the plate. Such an arrangement may be advantageous in some cases, particularly where it is desired to provide a fire-resistant system for use in environments with a risk of fire or explosion.

以上述べた如く、本願発明の音響変換器は、次
に述べるような機能を持つ低音響インピーダンス
材料を、板の放射表面の1つおきの波腹ゾーンを
おおうように設けた結果、高い変換効率と指向性
を持つようになつた。
As described above, the acoustic transducer of the present invention has high conversion efficiency as a result of providing a low acoustic impedance material having the following functions so as to cover every other antinode zone on the radiation surface of the plate. It has become directional.

1 各隣接の波腹ゾーンから互いに逆位相で放射
される音の相対位相を変えて、逆位相による相
殺を減少させること。
1. Changing the relative phase of sounds emitted from adjacent antinode zones in antiphase to reduce cancellation due to antiphase.

2 各隣接の波腹ゾーンの各々と伝搬媒質の空気
との間の結合度合を異ならせて、各逆位相放射
による相殺を減少させること。
2. Varying the degree of coupling between each adjacent antinode zone and the propagation medium air to reduce cancellation by each antiphase radiation.

3 放射表面を有する板のダンピング性能を高め
ること。即ち、低音響インピーダンス部材を1
つおきの波腹ゾーンに設けることによつて、音
の放射エネルギーの変換効率が良くなること、
および板中に残存するエネルギーが速やかに放
出されることにともなつて、板のダンピング性
能が高まり、特に高い周波数の音のパルスに対
し良好な応答特性を有する。
3. Improving the damping performance of a plate with a radiating surface. That is, one low acoustic impedance member
By installing it in the antinode zone of the tsuoki, the conversion efficiency of sound radiated energy will be improved.
As the energy remaining in the plate is quickly released, the damping performance of the plate increases, and the plate has particularly good response characteristics to high-frequency sound pulses.

一般に板にダンピング部材を設けることはでき
るが、この結果、放射振幅も低下してしまう。本
願発明では低音響インピーダンス部材を用いて伝
搬媒質との結合を高めることにより、変換効率を
低下させずにダンピング性能を高めることができ
た。
Generally, the plate can be provided with damping elements, but this also results in a reduction in the radiation amplitude. In the present invention, by increasing the coupling with the propagation medium using a low acoustic impedance member, damping performance can be improved without reducing conversion efficiency.

本明細書および添付の特許請求の範囲で使われ
ている「より等級の高い曲げモード共振」という
用語は、波節により分離される少なくとも2つの
波腹ゾーンを生じさせ且つ(変更のないところで
互いに逆位相の放射を生じる板のあらゆる形態の
曲げモード共振を含むものと解釈すべきものであ
る。
As used herein and in the appended claims, the term "higher-order bending mode resonance" means at least two antinode zones separated by a node and mutually exclusive (without modification). It is to be understood to include any form of bending mode resonance in the plate that produces out-of-phase radiation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は保護ハウジングを除いた本発明の第1
実施例の分解斜視図、第2図は保護ハウジング内
に支持された本発明の第2実施例の平面図、第3
図は第2図の実施例の軸方向断面図、第4図は本
発明の第3実施例の軸方向断面図である。 2……圧電結晶素子、4……導電性黄銅座金、
6……電気整合変圧器、8……装荷ブロツク、1
0……板、12……通しボルト、14……ナツ
ト、16,18,20……リング、22……装
荷・駆動ブロツク、23……柱、24……ハウジ
ング、25……充填材、26……周囲ポリウレタ
ンシール、27……ポリウレタンシール膜、28
……フエルトシール、30……空間、32……コ
ルク、34……コンパウンド詰め物。
Figure 1 shows the first part of the invention without the protective housing.
FIG. 2 is a plan view of a second embodiment of the invention supported within a protective housing; FIG.
The figure is an axial sectional view of the embodiment of FIG. 2, and FIG. 4 is an axial sectional view of the third embodiment of the present invention. 2... Piezoelectric crystal element, 4... Conductive brass washer,
6...Electrical matching transformer, 8...Loading block, 1
0...Plate, 12...Through bolt, 14...Nut, 16, 18, 20...Ring, 22...Loading/driving block, 23...Column, 24...Housing, 25...Filling material, 26 ... Surrounding polyurethane seal, 27 ... Polyurethane seal membrane, 28
...Felt seal, 30...Space, 32...Cork, 34...Compound filling.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 放射表面および実質的に音響変換器の動作周
波数において曲げモード共振を有する板と、板の
放射表面より小さい実効面積を有し且つ板に接続
されて励振しまたは前記曲げモード共振に応答す
る変換器素子とを具備し、板の放射表面の1つお
きの波腹ゾーンが、板より低い音響インピーダン
スを持ち且つ隣接する波腹ゾーンから気体媒質へ
の音の放射の相対位相と相対振幅の少なくとも1
つを差分して板の相隣接する波腹ゾーンから気体
媒質内へ放射される音の、板から遠い場および所
望の放射方向における相互の相殺を充分に減少さ
せ、更に前記板のダンピング作用を増すように選
択した厚さを有する部材によつて順次おおわれて
いることを特徴とする、音響変換器。 2 前記1つおきの波腹ゾーンに付けられる部材
は、低損失音響伝搬材料で成り、システムの動作
周波数における材料中の音の四分の一波長の奇数
倍の厚さを持ち、残りの波腹ゾーンにはこのよう
な部材が付けられていないことを特徴とする特許
請求の範囲第1項に記載の音響変換器。 3 前記1つおきの波腹ゾーンに付けられる各低
損失音響伝搬部材の厚さが、前記1つおきの波腹
ゾーンから遠い場へ達する音が残りの波腹ゾーン
から放射される音に比べて相殺を実質的に減少さ
せるに充分な移相を受けるような量だけ互いに異
なつて形成されたことを特徴とする特許請求の範
囲第1項に記載の音響変換器。 4 板が軸対称的に共振し且つ軸対称的に変換器
素子に結合されていることを特徴とする特許請求
の範囲第1項又は第2項又は第3項に記載の音響
変換器。 5 板が均一な厚さの円板であり且つ板と変換器
素子がシステムの動作周波数にごく近い共振周波
数に同調されていることを特徴とする特許請求の
範囲第1項又は第2項又は第3項に記載の音響変
換器。 6 板が均一な厚さの円板であり且つ板の直径と
厚さの比が25:1ないし500:1であることを特
徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項又は第
3項に記載の音響変換器。 7 板の各々の波腹ゾーンが、一つ隣りのゾーン
を被覆する材料とn/2f(1/C0−1/C1)だけ
異なる厚さに前記材料で被覆されており、ここで
nは奇数整数、fはシステムの動作周波数、C0
は気体媒質中の音速、C1が材料中の音速である
ことを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載の
音響変換器。 8 板の波腹ゾーンの少なくともいくつかが、低
損失音響インピーダンス整合部材中の音速におけ
る音の四分の一波長の奇数倍に等しい厚さに前記
整合部材で被覆されていることを特徴とする特許
請求の範囲第3項または第7項に記載の音響変換
器。 9 低損失音響伝搬部材が独立気泡を持つた発泡
性合成プラスチツクおよび非発泡性エラストマー
の中から選択されていることを特徴とする特許請
求の範囲第1項又は第2項又は第3項に記載の音
響変換器。 10 板が少なくとも3つの波節リングを有する
円板であることを特徴とする特許請求の範囲第1
項又は第2項又は第3項に記載の音響変換器。
[Claims] 1. A radiation surface and a plate having a bending mode resonance substantially at the operating frequency of the acoustic transducer, and a plate having an effective area smaller than the radiation surface of the plate and connected to the plate for exciting or said bending. a transducer element responsive to modal resonance, wherein every other antinode zone of the radiating surface of the plate has a lower acoustic impedance than the plate and a relative radiation of sound from an adjacent antinode zone to the gaseous medium. at least one of phase and relative amplitude
The mutual cancellation of the sound radiated into the gaseous medium from the adjacent antinode zones of the plate in the field far from the plate and in the desired radiation direction is sufficiently reduced, and the damping effect of the plate is further reduced. 1. An acoustic transducer, characterized in that it is successively covered by members having an increasing selected thickness. 2. The members attached to every other antinode zone shall be of a low-loss acoustic propagating material and have a thickness of an odd number of quarter-wavelengths of sound in the material at the operating frequency of the system, and shall be 2. The acoustic transducer according to claim 1, wherein no such member is attached to the antinode zone. 3. The thickness of each low-loss acoustic propagation member attached to every other antinode zone is such that the sound reaching a far field from the every other antinode zone is compared to the sound radiated from the remaining antinode zones. 2. The acoustic transducers of claim 1, wherein the acoustic transducers are formed to differ from one another by an amount such that they undergo a phase shift sufficient to substantially reduce cancellation. 4. Acoustic transducer according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the plate is axially symmetrically resonant and axially symmetrically coupled to the transducer element. 5. Claims 1 or 2, or 5, characterized in that the plate is a circular plate of uniform thickness and that the plate and the transducer element are tuned to a resonant frequency very close to the operating frequency of the system. The acoustic transducer according to item 3. 6. Claim 1 or 2 or 3, characterized in that the plate is a circular plate of uniform thickness, and the ratio of diameter to thickness of the plate is from 25:1 to 500:1. Acoustic transducer as described in section. 7. Each antinode zone of the plate is coated with said material to a thickness that differs from the material coating the next adjacent zone by n/2f (1/C 0 -1/C 1 ), where n is an odd integer, f is the operating frequency of the system, C 0
4. The acoustic transducer according to claim 3, wherein C1 is the speed of sound in a gaseous medium and C1 is the speed of sound in the material. 8. At least some of the antinode zones of the plate are covered with a low-loss acoustic impedance matching member to a thickness equal to an odd multiple of a quarter wavelength of sound at the speed of sound in the matching member. An acoustic transducer according to claim 3 or 7. 9. Claims 1, 2, or 3, characterized in that the low-loss acoustic propagation member is selected from foamable synthetic plastics with closed cells and non-foamed elastomers. acoustic transducer. 10 Claim 1, characterized in that the plate is a disk having at least three nodal rings.
The acoustic transducer according to item 1 or 2 or 3.
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