JPS63120269A - 音響トランスジューサ - 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】 本発明は一般に電気音響トランスジューサ、特に水中に
投入してトランスジューサの寸法よりも十分に大きい波
長の音波を聴取るトランスジューサに関するものである
。更に、本発明番ごよるトランスジューサは、暉ｆｆｌ
へルムホルッ型共振キャビィティに可撓性ピエゾ電気的
ディスクを用いている。

水中聴音器や水中音波受信器は水中投射器や音波伝達装
置と共に水中開発、深さ測定及び航海技術と共にレジャ
のフィｓノシング、能動及び受動ソナー及び無線浮標シ
ステム等の分野における広い用途を有している。水中を
伝播する音波の波長は比較的長いため、水中環境下では
例えばトランスジューサの寸法が使用波長よりも一層大
きい運営のオーディオ　ラウド　スピーカの設計では発
生しないような、ユニークな問題が発生ずる。このよう
なシステムで用いられるトランスジューサは選沢的な方
向放射や応答パターンを有する場合もあり、或は無方向
性であったりシステムの設計や要件に依存する全方向性
の場合もある。このようなトランスジューサは典型的に
相反的であり、電気的に励起すれば特定の音波を発生し
、一方特定の音習振動を受ければ対応する電気的信号を
発生する。本発明のトランスジューサはこのような相反
性を発揮するものである。実際に電気−機械的変換を行
なうトランスジューサ素子はトランスジューサとして種
々の形態をとることができる。同様にトランスジューサ
も関連するトランスジューサ素子に応じて種々の形態を
とることができる。

本発明に好適なトランスジューサ素子の既知の型式のも
のとして可撓性ディスクトランスジューサ素子がある。

可撓性ディスクのトランスジューサは水中音波用の低周
波数の音源として用いられていた。この可撓性ディスク
はピエゾ電気的セラミンクとこれにはり合された金属薄
板との二重構造又は三重構造によって作られている。こ
の合成ディスクはその端部で支持され、このディスクが
、昔のオイル注入管の底部を押してオイルを注入する際
のこのオイル注入管の底部の運動に１領するたわみモー
ドで振動するようになっている。

このディスクが端部で支持され励起されると、その両側
から方向性放射パターンを発生する音波を放出し、この
放射パターンはディスク面の法線から測定した角度のコ
サインに比例し、すなわちグイボール型すなわちフィギ
ャーエイトパターンとなる。この装置の効率は、ディス
クの直径に匹敵する長さの波長に対して全く低くなって
しまう。

全方向に指向するパターンが必要な場合、閉成されるキ
ャビィティ内に充填される空気又は他のガスでディスク
の一方の側を封止してこのディスクの一方の側を不作動
にすると共に、２枚のディスクがキャビィティ内に充填
されている共通の空気を共用しこれらのディスクを背面
が互いに対向する形態で使用している。水中での深さが
適当な深さを超える場合水と接触するディスク表面に作
用する水力学的圧力が極めて大きくなるので、キャビィ
ティ内に導入される付加的な空気に対する圧力補償が必
要になる。勿論、圧搾空気による圧力補償システムは高
価でかさばると共にトランスジューサの作業性を劣化さ
せてしまう。各ディスクの一方の側からだけ音波が放射
されれば、この型式のトランスジューサの効率は両側か
ら音波を放射する単一ディスクの型式のトランスジュー
サより一層良好になる。

この背面空気形ディスク装置（トランスジューサ）内の
空気圧はディスク表面の水力学的圧力に対して補償され
てトランスジューサの作動を適切に維持する必要があり
、従ってトランスジューサの水中での深さの変化に対し
て変化させる必要がある。温度変化によっても別の問題
が発生してしまう、この背面空気形トランスジューサは
封入ガスの剛性が変化せず且つトランスジューサ（ディ
スク）の共振周波数が変化しない深さ域で作動すること
ができる。上記問題及び圧搾空気補償によるコスト増加
の問題に加えて、この背面空気形トランスジューサは比
較的狭い帯域及び限定された周波数域で作動する。この
ため電気的同調技術を用いて作動帯域を拡大しているが
、一般的に相関等他罪や補償装置が必要となり、従って
コストが増大し構成が複雑化すると共に全体の効率も低
下してしまう。

キャビィティ内に周囲の液体媒体を流入させることによ
って空気圧補償の必要性を除去することができ、これに
よりディスクの背面側に作用する圧力が等化される。キ
ャビィティ内の液体媒体はひまし油や種々のシリコンオ
イルとすることもできる。オイルを用いる場合トランス
ジューサを０リング、封止部材、又はゴムやプラスチッ
クの保護部材で密封する。キャビィティ開口は、キャビ
ィティ内のオイルを外部の水媒体から分離する手段を構
成するゴム様弾性メンプランや弾性保護部材を有するこ
とができる。このような構成では典型的にはキャビィテ
ィ開口に１又はそれ以上のチューブやネックを有するヘ
ルムホルツ型共振キャビィティを用いることになる。ナ
バル　アンダウォータ　システムズ　センタ（Ｎａｖａ
ｌ　ＩＪｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｙｓｔｅｍｓ　Ｃｅｎｔ
、ｅｒ）から１９７７年に報告された文献［アンダウォ
ータ　へルムホルツ　リゾネータトランスジューサズ：
ジェネラル　デザイン　プリンシブルズｒｌＪｎｄｅｒ
ｗａｔｅｒ　Ｈｅｌｍｈｏｌｔｇ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒ
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　　：　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｄｅ
ｓｉｇｎ　Ｐｒ１ｎｅｉｐｌｅｓ４ラルフ　ニス、ウー
レット（Ｒａｌｐｈ　Ｓ、　Ｗｏｏｌｌｅｔｔ）著のへ
ルムホルツ共振器トランスジエーサは有用である。この
文献の第１に重要なことは、周波数域が１００Ｈ２以下
であることである。本明細書が検討しているトランスジ
ューサから比較的広い範囲に亘るフラットな周波数応答
を達成しようとするには駆動レベルを高周波数域でロー
ルオフする必要があり且つキャビィティ周囲部材の音響
電気周波数を考慮する必要があったが、概して満足され
ていなかった。

以下図面に基き本発明の詳細な説明する。第１図及び第
２図に示すように、音響トランスジューサはほぼ同筒形
のキャビィティを画成す側壁１１とこの側壁１１の両端
に配置されたほぼ円形の端部壁１３及び１５を具え、こ
れらによってほぼ円筒形のキャビィティ１７を形成する
。電気機械トランスジューサ素子１９を端部壁１３の中
央に配置すると共に側壁開口２１を形成し、液体をキャ
ビィティ１７に収容してキャビィティ内の液体と周囲の
液体媒体との間で音響伝達させる。可撓性中間層（内部
壁）２３をキャビィティ内の液体媒体とキャビィティ１
７を画成する側壁及び端部壁の少なくとも一部分との間
に存在させる。典型的にはこの中間層２３ば、トランス
ジューサ素子１９及び他方の端部壁１５の中央に位置す
る第２の電気機械トランスジューサ素子２４の部分を除
いたキャビィティ全体に亘って存在する。第２のトラン
スジューサ素子２５はトランスジューサ素子１９に類似
しており、この電気機械トランスジューサに電気的に相
互接続され、電気的に励起された場合このトランスジュ
ーサと反対に駆動する。

トランスジューサ素子の各外側表面２７及び２つばカプ
セルＪｌｉ５９を介して外部液体媒体に音響学的に直接
結合され、内側表面３１及び３３ば（層６１を経て）キ
ャビィティ１７中の液体に同様に結合される。表面３１
及び３３は内壁部材２３で覆われていないキャビィティ
内周面と対面する。開口２１及び径方向で対向する側壁
開口３５によってキャビィティ１７内の液体と周囲のす
なわち外部の液体媒体との間で音響伝達を行なう。この
トランスジューサは典型的に開口２１及び３５が水平方
向に整列しているので、トランスジューサが水中に沈め
られた場合キャビィティ１７内に水が即座に充填される
。

電気機械トランスジューサ素子１９及び２５の各々はた
わみ振動モードで作動するセラミックのピエゾ電気的電
気音響素子とすることができると共に金属板３７を一対
のセラミックのピエゾ電気平板３９及び４１ではさみ込
んだ三重構造で構成することもできる。これらピエゾ電
気平板は印加電圧に対して相互に接近離間する方向にた
わみ変形を生ずるように極性設定される。図示のように
電気的相互接続することにより上側平板３９は上側面が
正極となれば金属板３７と対向する面は負極性となり一
方下側平板４１は金属板３７と対向する面が正極性とな
ることになる。トランスジューサ素子２５の外側平板の
外側面すなわち底面２９が正極性になれば金属板２７と
対向する２個の平板面は反対極性となる。

第２図に線図的に示すように相互接続することにより、
端子６５の両端間に印加される信号によって励起される
と２個のトランスジューサ素子は共に互いに内方に向け
て湾曲し、或は互いに外方に向けて湾曲する。各トラン
スジューサに接続されている一対のリード線６９及び７
１は第１図に示すようにトランスジューサ素子から個別
に延在させてもよく、或は第２図に線図的に示すように
並列に接続して同時に励起させることもできる。

前述したように、１又はそれ以上の開口２１を有し液体
媒体が充満しているキャビィティ１７は、内壁部材２３
がキャビィティ内側面の剛性を小さくすることによって
キャビィティを離調させる効果を達成している部分を除
きヘルムホルツ共振器のように作動する。この内壁部材
２３は圧力解放材料のように作用し、側壁及び端部壁の
内周面に接着されている圧縮性材料から成るシート部材
４３．４５及び４７を具えている。圧縮性材料層は、キ
ャビィティ内の液体に対して露出している表面４９のよ
うな低表面張力面を有し気泡の付着を低減すると共に可
撓性界面と液体との間の面接触を良好なものとする。

実際には表面張力は液体媒体の特性である。表面４９を
形成する目的は、トランスジューサを水中に沈めたとき
キャビィティ内部を完全にぬらすためである。技術的に
説明すれば、液体とトランスジューサ表面との間の接触
角を小さくすることにほぼ匹敵する。これは、一般的に
トランスジューサの表面エネルギーをできるだけ高くし
水の表面エネルギーをできるだけ低くすることにより達
成される。気泡の形成及び付着に関する問題点をより完
全に検討するために、１９８５年８月に発行された゛ジ
ャーナル　オブ　ザ　アコースティ力ルソサイアティ　
オブ　アメリカ　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆｔｈｅ　Ａｅ
ｏｕｓｔｉｅａｌ　５ｏｃｉｏｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒ
ｉｃａ）に記載されている論文「アンダウォータ　トラ
ンスジューサ　ウェッティング　エイジェンツ（υｎｄ
ｅｒｗａ　ｔｅｒＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｗｅｔｔｉｎ
ｇ　Ａｇｅｎｔｓ）　」を参照することができ、この論
文ではトランスジューサの活性面をできるだけ清浄にし
且つオイルを除去する（高表面エネルギーにする）と共
にぬれ剖を被着する（周囲の水の表面エネルギーを低く
する）ことを示唆している。接触角を小さくして表面を
適切にぬらす考え方は、特定の液体媒体及び表面材料の
両方の作用に基いている。この特定の液体媒体に対する
考え方は、文献「ア　ロー　サーフェイステンション　
サーフェイス（Ａ　ｌｏｗ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｎ５
ｉｏｎＳｕｒｆａｃｅ）　Ｊ又は「ア　スモール　コン
タクトアングル　サーフェイス（Ａ　ｓｍａｌｌ　Ｃｏ
ｎｔａｃｔ　ＡｎｇｌｅＳｕｒｆａｃｅ）　Ｊに記載さ
れている。

低表面張力表面は圧縮性材料層の一方の側にコーティン
グされている金属フォイルを具え、この圧縮性材料層は
コルクやゴム状材料で構成することができる。厚さが１
７１６インチで“コーティング又は“クロロプレイン°
゛として知られているアームストロング（Ａｒｍｓ　ｔ
ｒｏｎｇ　）基層被覆材料に０．００２インチの厚さの
フォイルを接着して低表面張力表面を構成するのが適切
であることが見い出されている。別の可撓性内壁材料に
はポリウレタンやシリコンが含まれる。この内壁部材は
ハニカム表面又は多数の孔が形成されている表面を有す
る金属又はプラスチックで構成して離調効果を達成する
こともできる。

前述したプロトタイプのトランスジューサにおいては円
筒形側壁１１と端部壁１３及び１５をアルミニュームで
構成したが、円筒形の側壁を軽量で剛直なグラファイト
複合体で構成することにより作用効果を低下させること
な（全重量を低減できることを見い出した。このグラフ
ァイト複合体は堅く高い弾性率を有していると共にグラ
ファイトで置換した場合アルミニュームの密度の約１／
２の密度ですむ。中空同筒形態は、円筒形の心棒上に炭
素繊維を配置してエポキシ樹脂をコートすることにより
形成される。典型的には、場合に応じて樹脂をプリコー
トした繊維層を、ファイバグラスの旗竿や同様なファイ
バグラス管の製造に現在用いられている技術に類似する
技術によって心棒に装着する。樹脂が硬化したとき、中
空円筒体を心棒から取りはずし外周部及び端部を形成し
開口２１及び３５を形成して側壁１１が完成する。

高温高圧に対して安定な全方向音響トランスジューサ壱
作製するプロセスには、トランスジューサが第３図の横
軸に規定する図示の範囲で作動する所望の周波数範囲を
選択することが含まれる。

トランスジューサ素子１９を構成する三重構造の可撓性
ディスクを装着する。このディスクは、側壁１１と端部
プレート（端部壁）１３及び１５によって画成されるキ
ャビィティのようなホルムヘルツ共振器として所望の周
波数域において木質的な共振周波数を有しており、この
キャビィティも同様に所望の周波数域において本質的な
共振周波数を有している。このディスクをキャビィティ
で構成される共振器へ装着するには、金属板３７をナイ
フェツジ装着を行う一対の０リング５５及び５７の間で
保持してディスクを可撓的に保持し、金属板３７を端部
プレート１３の環状肩部５１と装着用肩部５３との間で
保持することにより達成される。最良の結果を達成する
ためには、金属板３７を端部プレート１３に接触させて
はならず、第２図に示すように僅かに内側に環状の隙間
を形成すべきである。ディスクの両側のポケット５９及
び６１を水と同様な音響特性を存する低いジュロメータ
ポリウレタンボッティング材料で充填してディスクを保
護し、ディスクを共振器の外部及び内部に音響的に結合
する。

共振器の内面の剛性を小さくすることによる共振器の離
調効果は、端部壁及び側壁に内壁材料から成るシート４
３．４５及び４７を装着することにより達成される。

このトランスジューサを組立てる場合、内壁部材４３及
び４７と対面するフォイルを各端部壁（端部プレート）
１３及び１５に接着し、内面４５と対面するフォイルを
側壁１１の環状内側面に接着し、その後端部プレート１
３に嵌入したネジによって端部プレートを側壁に装着し
ネジを端部プレート１５に螺合する。図示するようにネ
ジ６３はキャビィティ１７を貫通しているが、所望の場
合には各端部プレート１３及び１５を円筒形の側壁１１
にそれぞれ螺合してもよい。端部プレートと側壁との間
の圧縮ワッシャは、内面材料と共に不所望な機械的共振
の除去を補助することができる。

本発明のトランスジューサは、前述したように適用波長
に比べて小型にされている。第３図に示す帯域を用いる
と共に音波は水中において空気中に比べて約５倍の速度
で伝播することを考慮すれば、約１３００〜２３００Ｋ
Ｈｚの帯域の波長域は４５〜２５インチに相当する。図
示の周波数データが得られたトランスジューサは径が４
フインチより若干小さく、高さが約２−ｉ−インチであ
り、３７４インチの一対の側壁開口を有しており、一方
符号１９で示すよって形成されている。従って、問題に
している波長域において、共振器の最大寸法は約５イン
チであり、この値はトンランスジューサが水媒体中で作
動する場合の選択周波数域における最小波長以下であり
、一方トンランスジューサ素子の最大寸法は最小波長の
約１７１０である。

第３図は図示の前述した形態のトンランスジューサの２
個の周波数共振曲線を示す。内壁部材４３゜４５及び４
７が装着されていない破線で示される周波数応答曲線は
極めて一様でなく約２．１３ＫＨｚの位置にピークが存
在する。このピークはトンランスジューサ素子の共振周
波数及びキャビィティの共振周波数に部分的に依存して
いる。しかしながら、これら２個の共振周波が分離して
いる場合や低い結合状態にある場合には２個のピークが
発生することになる。Ｍ調用内壁部材を形成すれば、実
線で示すように応答曲線は相当な範囲に亘って平滑にな
り相対的にフラットな応答曲線が得られる。

図示の出力すなわち縦軸はマイクロパスカル単位の音圧
をデシベルスケールで示す。このスケールは音源からの
距離Ｉｍ及びＩＶの励起に対して較正した数値であり、
これらによりいかなる間隔及び駆動電圧に対する実際の
音圧を容易に計算することかできる。内壁部材を付加す
ることにより応答特性が相対的に改善されることは明ら
かである。

トンランスジューサを電気的に同調することにより、例
えばトンランスジューサに直列にインダクタンス素子を
配置することによって別の帯域特性を達成することがで
きる。このような同調を行うことにより電力因子を低く
することもでき一層大きな電力伝達に対して電力増幅器
を一層良好に整合させることができる。

前述したように、キャビィティ内に内壁部材を用いるこ
とにより温度に対する安定度が一層高められる。流体力
学的な圧力安定性はキャビィティ内に液体媒体を自由に
流入させることによって達成される。伝送電圧応答（Ｔ
ＶＲ）に対する安定性、すなわち周波数に対する音響出
力は圧力解放材料として機能する内壁部材を用いること
により一層良好なものとされ所望の圧力範囲に亘って同
一の音響インピーダンスが維持されることになる。

要約すれば、本願は小型、軽量でしかも効率がよく且つ
適当な帯域を有する水中下の全方向音響分野の音源や聴
取装置を開示した。この装置は水力学的圧力（深さ）に
対して本来的に補償されており、この応答特性は温度に
対してほぼ影響をうけることはない。

以上説明したように、前記口約及び作用効果を達成する
新規な装置を開示していることは明らかである。本発明
は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による音響トンランスジューサの一例の
構成を示す斜視図、 第２図は第１図の２−２線で切った断面図、第３図は第
１図及び第２図に示すトンランスジューサの周波数応答
曲線を示すグラフである。 １１・・・側壁　　　　　　　１３．１５・・・端部壁
１７・・・キャビィティ １９．２５・・・トンランスジューサ素子２１．３５・
・・開口　　　　　２３．４３．４５．４７・・・内壁
部材３７・・・金属板 ３９゜４１・・・ピエゾ電気平板 ５５．５７・・・０リング

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体媒体中に浸漬して使用する音響トランスジュー
   サであって、中空共振キャビィティと、このキャビィテ
   ィの内部と外部との間で音響的伝達を行なうトランスジ
   ューサ素子と、キャビィティの内部と外部とを音響的に
   結合するキャビィティ開口と、キャビィティの内周面の
   実質的な部分に亘って延在する可撓性内部壁とを具える
   ことを特徴とする音響トランスジューサ。 ２、中空状で剛直なキャビィティ周囲部材と、この周囲
   部材のキャビィティの外部と内部 とに音響的に結合されている電気機械トランスジューサ
   素子と、 前記周囲部材に形成され、周囲部の内部に 液体媒体を流入させると共にキャビィティ内に流入した
   液体媒体と周囲部材の周囲にある液体媒体とを音響的に
   結合する開口とを具えることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の音響トランスジューサ。 ３、最小波長がトランスジューサの最大寸法を超える音
   響波長域で作動でき、 キャビィティを画成する中空状のほぼ円筒 形の側壁と、 この側壁の両端に配置され側壁と共にほぼ 円筒形のキャビィティを形成する一対のほぼ円形の端部
   壁と、 一方の端部壁の中央に位置する電気機械ト ランスジューサ素子と、 液体をキャビィティ内に流入させると共に、キャビィテ
   ィ内の液体と周囲の液体媒体との間で音響伝達を行なう
   側壁開口と、 キャビィティ内の液体媒体と、キャビィテ ィを画成する側壁及び端部壁の少なくとも一部分との間
   に存在する可撓性内壁部材とを具えることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の音響トランス
   ジューサ。 ４、前記周囲部のキャビィティ外部とキャビィティ内部
   とに共に音響的に結合されると共に、前記電気機械トラ
   ンスジューサに電気的に相互接続され電気的に励起され
   た場合に前記トランスジューサに対して反対に作動する
   第２の電気機械トランスジューサ素子をさらに具えるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３
   項に記載の音響トランスジューサ。 ５、前記端部壁の他方の端部壁の中央に位置すると共に
   、前記電気機械トランスジューサに電気的に相互接続さ
   れて電気的に励起された場合前記トランスジューサと反
   対に作動する第２の電気機械トランスジューサ素子を具
   えることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の音
   響トランスジユーサ。 ６、前記可撓性内壁部材が、電気機械トランスジューサ
   素子及び前記開口以外のほぼキャビィティ全体に亘って
   延在することを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   ５項のいずれか１項に記載の音響トランスジューサ。 ７、前記可撓性内壁部材が、キャビィティの内周面に接
   着されている圧縮性材料層を有することを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載の音響トランスジューサ。 ８、前記圧縮性材料層が、キャビィティ内の液体媒体に
   対して露出する低表面張力表面を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第７項に記載の音響トランスジューサ
   。 ９、前記低表面張力表面が、前記圧縮性材料層の一方の
   側にコーティングされた金属フォイルを有することを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載の音響トランスジ
   ューサ。 １０、前記圧縮性材料層が、コルクとゴム様材料で構成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記
   載の音響トランスジューサ。 １１、前記電気機械トランスジューサ素子が、セラミッ
   クのピエゾ電気的な電気音響トランスジューサ素子とさ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   １０項のいずれか１項に記載の音響トランスジューサ。 １２、前記電気機械トランスジューサ素子が、金属プレ
   ートを一対のセラミックのピエゾ電気的平板で挟んだ三
   重構造体とされていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１１項に記載の音響トランスジューサ。 １３、前記ピエゾ電気的平板が、波状モードの印加電圧
   に応答する極性とされていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１２項に記載の音響トランスジューサ。 １４、前記側壁開口と径方向に対する第２の側壁開口を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   音響トランスジューサ。 １５、前記キャビィティを画成する側壁が、軽量で剛直
   なグラファイト複合材料で構成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項に記載の音響トランスジュー
   サ。 １６、最小波長がトランスジューサの最大寸法を超える
   音響波長域で作動でき、電気機械トランスジューサ素子
   の最大寸法が作動最小波長の１／１０程度とされている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の音響トランスジューサ。