JPS58500107A - 音響振動の発生方法およびこれを実現するための音響振動源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 音響振動の発生方法およびこれを 実現するための音響振動源 技術分野 本発明は、超音波工学に関し、特に、音響振動の発生方法およびこれを実現する ための音響振動源に関する。

背景技術 本技術分野においては、１９５０年公告の英国特許第６４６，８８２号に開示さ れた磁気ひずみトランスジューサのショック励振に基づく音響振動パルスの発生 方法が公知である。この音響振動の発生方法は、充電されたキャパシタをトラン スジューサの巻線を通じて放電させることから成る。

また、そのほかに、磁気ひずみトランスジューサの固有周波数の１／６ないし１ ／１０の範囲の整数分の１　（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　）であるパルス繰返数を有し 、音響振動周期の１７２未満のパルス持続時間を有する電流パルスを磁気ひずみ トランスジューサの巻線に供給することによって該トランスジューサを励振し、 それによって音響振動を発生させる方法も公知である（１９６８年７月１日付ソ ヴイエト社会主義共和国連邦発明者証第２５１．２８７号参照）。上述の両方法 の実施例において用いられる励振信号のスペクトル組成は、トランスジューサに 組込まれている材料の磁気ひずみ性を十分に利用しうるようになっていないので 、これら従来技術の方法によって発生せしめられる音響振動の振幅および出力は 、諸工程の主要部を遂行するのには不十分なものとなる。

熱発生装置におけるスケール形成防止のための音響振動パルス源も公知である（ １９５０年公告の英国特許第６４６，８８２号参照）。このパルス源は、磁気ひ ずみトランスジューサと、機械的スイッチング素子と、蓄電用キャパシタと、電 源装置と、パルス繰返し周波数制御装置と、を備えている。

従来技術における振動源は上述の音響振動発生方法を用いたものであって、充電 された蓄電用キャパシタが磁気ひずみトランスジューサの巻線を通じて放電せし められるようになっており、上述の方法の全ての欠点をもっている。さらにその 振動源は、振動源回路に機械的スイッチング素子を用いているために応答性が劣 り、制限された出力しか生じえない。

本技術分野において公知の他の音響振動源は、電源と、この電源に入力を接続さ れたパルス繰返し周波数制御装置と、蓄電用キャパシタと、を備えている。この キャパシタの両極板には、（サイリスタを用いた）スイッチング素子の電力回路 を経て磁気ひずみトランスジューサの界磁巻線が接続されている（１９７７年１ ０月５日付ソヴイエト社会主義共和国連邦発明者証第５７５，１４４号参照）。

従来技術における振動源は、磁気ひずみトランスジューサの励振が不十分なため に、効率が低い。上述の振動源における磁気ひずみトランスジューサの振動振幅 は静的磁気ひずみ値に制限され、２０　ＫＨ２の振動周波数において１ないし１ ．４μｍを超えることはない。従って、トランスジューサを励振するための電気 的パルス信号の振幅を増大させても、超音波振動の振幅を、与えられた材料の飽 和によって定まる一定レベルを超えて増大させることはできない。

発明の開示 本発明の目的は、トランスジューサのコアラ作っている材料の磁気ひずみ性を最 大限に利用することができ、それによって音響振動の振幅および出力を増大させ ることができる音響振動の発生方法を提供すること、および、この方法を実現す るための、簡単な設計および高効率を特徴とする音響振動源を提供することであ る。

この目的は、電気的パルス信号による磁気ひずみトランスジューサのショック励 振に基づく本発明の音響振動発生方法により達成されるのであるが、この方法に おいては、励振パルス信号は余弦波電圧の一方向の半サイクルの形式で発生せし められ、その持続時間は負荷を有するトランスジューサの音響振動の半サイクル の１ないし２倍になっており、その繰返し周波数は音響振動周波数に等しいか、 またはその整数分の１になっている。

この目的達成のために、ここに提案される音響振動源は、電源装置と、パルス繰 返し周波数制御装置と、蓄電用キャパシタと、を備えており、該キャパシタの両 極板はスイッチング素子の電力回路を経て磁気ひずみトランスジューサの界磁巻 線に接続されており、前記振動源は、本発明においては、磁気ひずみトランスジ ューサ上に配置された補助界磁巻線であって補助接続方法によって前記主界磁巻 線に接続されている該補助界磁巻線と、補助スイッチング素子と、スイッチング 素子制御装置と、を備えており、補助界磁巻線は補助スイッチング素子の電力回 路と電源装置とを直列に経て蓄電用キャパシタの両極板に接続されており、パル ス繰返し周波数制御装置の出力はスイッチング素子制御装置の入力に接続され、 スイッチング素子制御装置の出力は主スイツチング素子および補助スイッチング 素子のそれぞれの制御回路に接続されている。

本発明の音響振動発生方法によれば、トランスジューサコア材料の磁気ひずみ性 を最大限に利用することができ、それによって高い効率で音響振動を発生させる ことができる。

本発明の音響振動源は、回路設計が簡単で、現在の電気工学において広く用いら れている鎖素子を使用しているが、高い効率、高い信頼性、高い動作安定性をも って高出力を発生することができる。

図面の簡単な説明 本発明は、特定の実施例について添付図面を参照しつつ行なわれる以下の説明に より、さらによく理解することができる。添付図面において、 第１図は、トランスジューサコアにおける磁歪力Ｐと磁化Ｍとの関係を示す。

第２図は、音響振動源のブロック図である。

第３ａ図、第３ｂ図、第６Ｃ図、第６ｄ図、および第６ｅ図は、音響振動源の回 路のさまざまな点における電気的および機械的信号の波形を表わす（Ｘ軸は時間 軸である）。

発明の最良の実施態様 音響振動発生方法の正確な特徴は次の通りである。

磁気ひずみトランスジューサの巻線には、余弦波電圧の一方向の半サイクルの形 式の電気的励振パルス信号が供給される。この巻線内に生じる電流パルスが磁界 を形成し、その磁界がコア材料を磁化する結果、磁歪力が発生してコアの長さを 変化させる。コアの長さの時間的変化は、トランスジューサの機械的振動の固有 周波数および音響負荷インピーダンスに依存し、振動性をもっている。

トランスジューサの機械的振動の振幅を増大させるためには、磁歪力Ｐを飽和状 態ＰｍａＸ（第１図）に近いレベルまで増大させればよい。

トランスジューサコアの磁化なＭとし、１から２までの範囲内のある値をαとす ると、多くの磁気ひずみ材料に対し飽和状態になるまで、磁歪力Ｐと磁化Ｍとの 間にＰ　：　ｆ（Ｍａ）で表わされる関係が成立するので、余弦波電圧の各半サ イクルの持続時間は、負荷を有するトランスジューサにより発生せしめられる音 響振動の半サイクルのα倍に等しくとられる。

磁歪力が磁化に直線的に依存する場合には、余弦波電圧の半サイクルの持続時間 は、負荷を有するトランスジューサにより発生せしめられる音響振動の半サイク ルに等しくとられる。

２次的な関係ｐ　＝　ｆ（、ｍ２）の場合には、余弦波電圧の半サイクルの持続 時間は、負荷を有するトランスジューサにより発生せしめられる音響信号の半サ イクルの２倍に等しくとられる。

励振用の余弦波電圧パルスの持続時間が上述のように調節されれば、磁気ひずみ トランスジューサの固有周波数と磁歪カスにクトルの最大レベルとは同時に起こ る。

電気的パルスが終了すると、外部磁界および本来の磁歪力Ｐは消失し、トランス ジューサから成る振動系は内部に蓄えられたエネルギによって大きさの変化を継 続する。コア材料は、残留磁歪力Ｐ０（第１図）に対応する残留磁化レベルまで 減磁される。余弦波励振電圧のその後の一方向性パルスが印加されると、磁歪力 はＰ。からＰｍ２Ｌｘまでの範囲内で変化する。磁気ひずみ曲線の、磁気ひずみ が小さいＰ。からＰ０′までの部分は利用されない。

励振用電気パルスの周波数は、負荷トランスジューサにより発生せしめられる音 響振動の周波数に等しいか、またはその整数分の１になるようにとられ、その結 果磁歪力はトランスジューサの振動と歩調を合わせて作用することになる。この ような動作が可能なのは、余弦波電圧の次のパルスのそれぞれがトランスジュー サ巻線に対して、負荷と共に振動するトランスジューサが負領域から正領域への 移行状態にある瞬間に印加されるからである（第６θ図）。コアの振動振副（す なわち音響振動の振幅）は次第に増加する。この振幅は相次ぐパルスにおいてト ランスジューサに付加されるエネルギが、同じ期間中に生じるトランスジューサ からのエネルギの放射および損失に等しくなるまで増大する。

磁気ひずみトランスジューサの巻線に供給される余弦波電圧パルスが遮断された 後は、トランスジューサの振動は次第に収束する。

本発明の音響振動発生方法を実現するための音響振動源は、磁気ひずみトランス ジューサ１（第２図）と、このトランスジューサのコア４上に配置され補助接続 方法によって接続された主巻線２および補助巻線３とを備えている。主巻線２は 、主スイツチング素子５の電力回路を経て、蓄電用キャパシタ６０両極板に接続 されている。この振動源はまた、補助スイッチング素子８の電力回路および補助 巻線３を経てキャパシタ６の両極板に接続された、電源装置７をも備えている。

スイッチング素子５および８０制御回路には、これらのスイッチング素子を制御 するための制御装置９の出力が接続されており、この制御装置の１人力にはパル ス繰返し周波数装置１０の出力が接続され、低入力には位相反転回路１１を経て 帰還送信器１２が接続されている。帰還送信器１２は、コア４に機械的に結合せ しめられた圧電または電磁トランスジューサの形式のものとすることができる。

スイッチング素子５および８はデート式サイリスクの形式のものであればよい。

パルス繰返し周波数制御装置１０は、自励式発振器または外部トリガ式ワンショ ット・マルチバイブレータなどであればよい。

スイッチング素子制御装置９は、帰還送信器１２から供給される信号に同期せし められる対称ワンショット・マルチバイブレータなどであればよい。

磁気ひずみトランスジューサ１の振動中に、帰還送信器１２はトランスジューサ １の機械的振動に対応した電気信号を供給する。

もし、スイッチング素子制御装置９から供給される制御パルスの周波数が負荷を 有するトランスジューサ１の固有周波数と一致していれば、位相反転回路１１９ の出力から供給される同期信号は制御パルスの繰返し周波数に影響を与えない。

もし、制御パルスの繰返し周波数が負荷を有するトランスジューサーの固有振動 周波数から離れると、位相反転回路１１の出力から発生する信号は制御パルスの 繰返し周波数を適宜に変化させ、磁気ひずみトランスジューサーが共振周波数で 動作して最大の音響エネルギを放射するようにする。

この音響振動源は次のように動作する。パルス繰返し周波数制御装置１０は、ス イッチング素子制御装置９をトリガするためのパルスを発生する。装置９は制御 パルスＵ□（第６ａ図）を発生し、このパルスは補助スイッチング素子８（第２ 図）をトリガして、蓄電用キャパシタ６を補助巻線３を経て電源装置７の出力に 接続する。蓄電用キャパシタ６は、電源装置７（第２図）から補助スイッチング 素子８およびトランスジューサーの巻線３を経て供給される電流工（第６Ｃ図） によって充電される。充電は振動的に行なわれ、トランスジューサ１の巻線２お よび３の両端間の電圧Ｕ２の変動（第６ｄ図）はほぼ余弦波的になる。この結果 、磁気ひずみ材料のコア４内に生じる力Ｐは、トランスジューサーから成る振動 系を振動状態にする。最も強い振動は、トランスジューサ１の等価質量、弾性、 および負荷インピーダンスに依存する固有周波数に近い周波数において起こる。

音響振動の振幅を増加させるためには、磁気ひずみの非直嶽的特性およびトラン ス１積昭５８−５００１０７（４） ジューサの機械的部分が過渡過程において電気的部分に及ぼす影響を考慮して、 蓄電用キャパシタ６のキャパシタンスおよび１巻線２または３（第２図）のイン ダクタンスに依存する電気的励振パルスの持続時間を、負荷を有するトランスジ ューサの共振周波数の半サイクルの１ないし２倍の範囲内に選択する（第３Ｃ図 、第６ｄ図）。電流１（第６ｃ図）がゼロに減少した瞬間においてスイッチング 素子８（第２図）は短絡状態になり、トランスジューサ１は自由振動を開始する 。

この間に、逆磁気ひずみ効果により、巻線２および３には電圧Ｕ２　（第６ｄ図 ）が誘起される。トランスジューサ１によって発生せしめられた振動が負領域か ら正領域へ向かう方向にゼロレベルを通過するとき（第５ｅ図）、制御装置９（ 第２図）はトリガパルスＵ３（第６ｂ図）を発生してスイッチング素子５（第２ 図）を起動させ、それによって蓄電用キャパシタ６をトランスジューサ１の主巻 線２を経て放電せしめる。キャパシタ６の充電および放電は共に振動的に行なわ れ、キャパシタ６の充電時間（第３Ｃ図）に近い時間間隔で続行される。両巻線 ２および３（第２図）は補助接続を用いて挿入されているので、キャパシタ６の 放電電流工によってコア４内に発生せしめられる磁界の向きは、キャパシタ６の 充電中に発生せしめらｒる磁界の向きと同じになる。従って、トランスジューサ １は、自身の振動と歩調を合わせ℃付勢され、その結果振動は増大せしめられて 一方向の余弦波電圧パルスがトランスジューサ１の巻線２および３内に誘起され る。

電流工（第３Ｃ図）のパルスが終了するとスイッチング素子５は遮断状態になり 、キャパシタ６は電源７に対して逆極性の電荷を得る。スイッチング素子８が繰 返してトリがされると、トランスジューサの巻線２および３内の電流パルスエお よび電圧Ｕ２は、キャパシタ６の前の充電サイクルにおけるよりも増大し、トラ ンスジューサ１（第２図）の振動振幅（第６ｅ図）も同時に増大する。

振動振幅は、同じ時間内における付加エネルギと消費エネルギとが等しくなるま で、トランスジューサ１の巻線２および３を通じてのキャパシタ６の充放電の繰 返しによって増大する。パルス繰返し周波数制御装置１０が動作を止め、スイッ チング素子制御装置９がパルスＵユおよびＵ２（第６ａ図、第６ｂ図）の発生を 止めた後、巻線２および３（第２図）およびスイッチング素子５または８を通る 電流工（第６Ｃ図）がゼロに減少した瞬間には、両スイッチング素子５および８ は非導通状態になり、トランスジューサ１の振動は次第に収束して行く（第６ｅ 図）。次の全音響振動パルスの発生においては、以上の過程が繰返される。

この振動源は、音響パルスまたは連続的音響振動の発生中に動作する両スイッチ ング素子が、音響振動の周波数より低い、その整数分の１である周波数で作動せ しめられる条件下で動作しうる。本発明の音響振動源を用いれば、磁気ひずみト ランスジューサの励振効率を、ショック励振パルスを用いる振動源の場合の６倍 に増大させることができる。

出力の大きさについては、本発明の音響振動源は、磁気ひずみトランスジューサ を直線的条件で励振する従来技術の音響振動源と類似している。

産業への応用 新しい音響振動発生方法を実現するために設計された本発明の音響振動源は、超 音波切断、熱交換器における超音波スケール除去、超音波溶接、医学上の応用、 等を含むさまざまな超音波工程に極めて有利に使用することができる。

ｎ７１１７．　ｚ 国際調査報告 ｍｌｅ＋＋ｗＵ嘆＋ｍｌ＾叩−””’ＰＣＴ／ＳＵ８１１０００１３第１頁の続 き ■出　願　人　マネンコフ・ユリイ・アレクセービツチソビエト国４２８００８ ジー・チェボクサリイ・ウル・イワナ・フラツフ・ディー１６ケイブイ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １４　電気的パルス信号による磁気ひずみトランスジューサのショック励振に基 づく音響振動発生方法であって、電気的励振パルス信号が負荷を有するトランス ジューサにより発生せしめられる音響振動の半サイクルの１ないし２倍の持続時 間をもった余弦波電圧の一方向の半サイクルの形式で音響振動の周波数の整数分 の１の繰返し周波数をもつように発生せしめられることを特徴とする音響振動発 生方法。 ２、電源装置と、パルス繰返し周波数制御装置と、蓄電用キャパシタと、を有し 該キャパシタの両極板がスイッチング素子の電力回路を経て磁気ひずみトランス ジューサの界磁巻線に接続されている音響振動源であって、磁気ひずみトランス ジューサ（１）上に配置され補助的接続方法によって主界磁巻線（２）に接続さ れた補助界磁巻線（３）と、補助スイッチング素子（８）と、スイッチング素子 制御装置（９）と、を備えており、前記補助界磁巻線（３）が前記補助スイッチ ング素子（８）の電力回路および前記電源装置（７）を直列に経て前記蓄電用キ ャパシタ（６）の両極板に接続されており、前記パルス繰返し周波数制御装置（ １０）の出力が前記スイッチング素子制御装置（９）の入力に接続されており、 該スイッチング素子制御装置１）の出力が主スイツチング素子（５）および補助 スイッチング素子（８）のそれぞれのｉ！１１１１ｉＫ１回路に接続されている ことを特徴とする音響振動源。