KR100386837B1 - 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 트랜스듀서는, 진동자의 후면에 물이 출입하도록 하여 진동자의 전면과 후면에 걸리는 압력이 서로 동일하도록 하는 물 출입층, 물 출입층의 상부에 위치하여 진동자에서 발사된 음향을 반사하는 반사면, 및 반사면에서 반사된 음향을 진동자의 전면에서 발사되는 직진 음향과 동일 위상으로 합성하는 위상합성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 본 발명에 따른 수중음향 트랜스듀서는 자신이 장착되는 몸체와 분리될 수 있도록 하면, 물 출입층의 두께를 변화시킬 수 있으므로, 반사면에서 반사되는 반사 음향의 위상을 조정할 수 있게되어 더욱 바람직하게 실시할 수 있다.

본 발명에 따르면, 수중 압력이 수중음향 트랜스듀서의 진동자에 미치는 영향이 거의 없으므로, 고신뢰도의 심해용 수중음향 트랜스듀서를 경제적으로 제작하는 것이 가능하다. 또한, 천해용으로 사용할 경우에도 사용 시간에 따르는 변형이 일어나지 않는다.

Description

평형 압력의 수중음향 트랜스듀서{ Pressure-balanced underwater acoustic transducer }

본 발명은 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서에 관한 것으로서, 특히 진동부의 양측에 걸리는 수압이 서로 평형되게 하여, 고강도 플라스틱 재료를 사용하지 않고 상용되는 폴리우레탄만으로 압전 세라믹 진동자를 몰딩하여도 심해의 수압에 견딜수 있도록 한 수중음향 트랜스듀서(transducer)에 관한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 단일방향의 지향성을 갖는 종래의 수중음향 트랜스듀서는 진동자(13)의 전면에 음향전달이 잘 되는 음향전달층(14)을 구비하고 있다. 진동자(13)는 전극에 인가되는 전기신호에 의해 진동하며, 진동자(13)에서 발생한 음파는 수중으로 발사된다.

진동자(13)로는 압전 세라믹 진동자가 일반적으로 사용되고 있으며, 음향전달층(14)으로는 폴리우레탄층 또는 플라스틱층을 사용한다. 또한, 압전 세라믹 진동자(13)의 후면에는 음향을 흡수하는 역할을 하는 흡음재층(12)을 구비하고 있다. 이러한 수중음향 트랜스듀서는 하우징(11)내에 구성되며, 해양의 표층에서 가장 많이 사용되고 있다.

위에서 설명한 바와 같은 종래의 트랜스듀서에서는 압력이 한 방향, 즉 압전 세라믹 진동자(13)의 전면에서만 가해지므로 흡음재층(12)이 견딜수 있는 압력에 따라 사용수심과 사용시간이 제한된다.

또한, 수천 미터의 심해에서 견딜 수 있는 흡음재가 없으므로, 종래의 심해용 트랜스듀서는 흡음재를 사용하지 않고, 흡음재층(12)의 부분에 고강도 특수 플라스틱층을 사용하고 있다.

고강도 특수 플라스틱층은 오히려 음향전달이 잘되므로 진동자(13)의 후면으로 발사된 음향은 이 플라스틱층을 통과하여 금속 하우징(11)에서 반사되어 되돌아 나오는데, 이 반사 음향은 진동자(13)의 전면으로 발사되는 음향과 합성되어 수중으로 진행하게 된다. 이 때, 두 음파의 합성시에는 위상이 문제가 되므로, 위상이 동일해야 하는데 이렇게 하려면 진동자(13)의 후면에 위치하는 고강도 특수 플라스틱층의 두께 조절이 필요하다.

그러나, 고압력에 견디는 특수 플라스틱층의 형성은 매우 어려울뿐 아니라 두께의 조절도 어렵기 때문에 심해용 트랜스듀서의 제작이 용이하지 않으며, 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다. 또한, 압력이 진동자의 한 방향으로 인가되므로 수심에 따라 트랜스듀서의 음향학적 특성이 변하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 진동자에 작용하는 압력이 문제가 되지 않고, 사용 수심에도 영향을 덜 받는 수중음향 트랜스듀스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서는, 상기 진동자의 후면에 물이 출입하도록 하여 상기 진동자의 전면과 후면에 걸리는 압력이 서로 동일하도록 하는 물 출입층; 상기 물 출입층의 상부에 위치하여 상기 진동자에서 발사된 음향을 반사하는 반사면; 및 상기 반사면에서 반사된 음향과 상기 진동자의 전면에서 발사되는 직진 음향을 동일 위상으로 합성하는 위상합성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 물 출입층은 상기 수중음향 트랜스듀서와 상기 수중음향 트랜스듀서가 장착되는 몸체의 내부면 사이에 형성되는 공간으로서 구성하되, 상기 수중음향 트랜스듀서와 몸체는 서로 분리될 수 있도록 하여 상기 물 출입층의 두께를 변화시킬 수 있도록 하면, 상기 반사면에서 반사되는 반사 음향의 위상을 조정할 수 있으므로 더욱 바람직하게 실시할 수 있다.

도 1은 종래의 수중음향 트랜스듀서의 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 진동부에 가해지는 압력방향의 개요도,

도 3은 본 발명에 따른 트랜스듀서의 바람직한 실시예에 관한 구성도,

도 4는 출력음향의 파형도,

도 5는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 일 실시예에 관한 외형도,

도 6은 전극의 연결에 관한 개요를 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 트랜스듀서 하우징 12 : 흡음층

13 : 진동자 14 : 음향전달층

31 : 음향 반사면 32 : 물 출입층

33: 위상합성부 51 : 트랜스듀서 전극단자

52 : 조립용 나사구멍 53 : 트랜스듀서

61 : 에폭시 절연체 62 : 외부 연결 단자

63 : 압전세라믹 전극 64 : 트랜스듀서측 단자

65 : 트랜스듀서 몸체 66 : 고무링

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 진동부에 가해지는 압력방향의 개요도로서, 종래의 트랜스듀서와는 달리 진동자(13)의 전후면에는 동일한 압력이 작용하므로 진동자(13)에 인가되는 압력 차이에 의한 변위가 발생하지 않는다.

그러나, 종래의 트랜스듀서와 같이 음향은 양방향으로 발사되기 때문에 단일방향의 지향성을 갖도록 하기 위해서는 한 방향으로만 음향을 발사하고 다른 방향으로는 음향을 흡수하거나 반사하도록 해야 한다. 음향을 흡수하게 할 경우에는 흡음층(12)을 위한 충분한 공간이 필요하여 트랜스듀서가 길어지므로, 음향의 반사를 이용하는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 트랜스듀서의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 트랜스듀서는 물 출입층(32), 반사면(31), 및 위상합성부 (33)를 구비하고 있으며, 진동자(13)는 음향전달층(14)으로 감싸져 있는데 음향전달층(14)은 폴리우레탄층으로 구성하여 바람직하게 실시할 수 있다.

진동자(13)의 후면에 위치한 음향전달층(14)과 반사면(31)의 사이에는 물이 출입할 수 있는 물 출입층(32)이 구비되며, 물 출입층(32)은 진동자(13)의 전면과 후면에 동일한 압력이 전달되도록 하는 역할을 한다.

이 물 출입층(32)의 두께(d)는 진동자(13)로부터 반사면(31) 사이의 길이가 트랜스듀서 음향의 반파장(λ/2)이 되게하는 두께인 것이 가장 바람직하다. 그러므로, 본 발명에 따른 수중음향 트랜스듀서는 진동자(13)에서 발사되는 직진 음향과 반사 음향의 위상을 측정하여 물 출입층(32)의 두께(d)를 두 음향파의 위상이 일치하는 두께로 조정한다.

그리고, 반사면(31)에서 반사된 음향과 진동자(13)의 전면에서 발사되는 직진 음향은 위상합성부(33)에서 동일 위상으로 합성된다. 위상합성부(33)는 트랜스듀서 전방으로 음향이 전달되는 매질 그 자체에 해당한다.

도 4는 직진 음향과 반사 음향의 위상, 그리고 두 음향의 위상이 일치할 경우의 이론적인 파형을 나타낸 것이다. 실제로는 진동자(13)의 여진이 한동안 계속되지만 위상이 일치하면 파형의 진폭이 최대가 된다.

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예에 관한 외형도로써, 트랜스듀서(53)는 도 6에 도시한 예와 같이 자신을 수납하는 몸체(65)에 장착되어 사용되는데, 결합은 조립용 나사구멍(52)을 통해 이루어질 수 있다.

이 때, 몸체(65)와의 결합면이 음향 반사면(31)으로 작용하도록 구성하고, 트랜스듀서(53)가 반사면(31)과 분리될 수 있게 하면, 물 출입층의 두께를 조절할 수 있으므로 더욱 바람직하다. 즉, 트랜스듀서의 제작 후에도 물 출입층의 두께 d를 조절할 수 있어 반사 음향의 위상을 직진 음향의 위상에 일치시킬 수 있다.

이제 도 6을 참조하여, 트랜스듀서(53)의 전극(51)을 몸체(65)와 연결하는 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

진동자(13)의 전극(63)에 납땜으로 접합된 전선은 트랜스듀서측 단자(64)에 연결되고, 이 단자는 고무링(66)을 통하여 몸체(65)의 외부연결단자(62)에 접촉된다. 이 단자들은 고강도 에폭시(61)로 몰드된다. 고무링(66)은 단자를 해수로부터 절연시키기 위한 것으로 진공 그리스를 충분히 발라서 사용하는 것이 바람직하다.

그러면, 고무링(66)에는 사방에서 균일하게 압력이 가해지고, 압력이 높을수록 양단자쪽으로 고무가 밀리게 되므로 절연이 잘 유지된다.

본 발명에 따르면, 수중 압력이 수중음향 트랜스듀서의 진동자에 미치는 영향이 거의 없으므로, 고신뢰도의 심해용 수중음향 트랜스듀서를 경제적으로 제작하는 것이 가능하다. 또한, 천해용으로 사용할 경우에도 사용 시간에 따르는 변형이 일어나지 않는다.

Claims (3)

1. 전극에 인가되는 전기신호에 의해 진동자를 진동시키고, 진동자에서 발생한 음파를 수중으로 발사하는 지향성 수중음향 트랜스듀서에 있어서,

   상기 진동자의 후면에 위치하여 물이 출입하도록 함으로서 상기 진동자의 전,후면에 걸리는 압력이 서로 동일하도록 하는 물 출입층;

   상기 물 출입층의 상부에 위치하여 상기 진동자에서 발사된 음향을 반사하는 반사면; 및

   상기 반사면에서 반사된 음향과 상기 진동자의 전면에서 발사되는 직진 음향을 동일 위상으로 합성하는 위상합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 물 출입층은 상기 수중음향 트랜스듀서와 상기 수중음향 트랜스듀서가 장착되는 몸체의 내부면 사이에 형성되는 공간으로서 구성하되,

   상기 수중음향 트랜스듀서와 몸체는 서로 분리될 수 있도록 하여 상기 물 출입층의 두께를 변화시킬 수 있도록 함으로서, 상기 반사면에서 반사되는 반사 음향의 위상을 조정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수중음향 트랜스듀서와 상기 몸체의 전극은 고무링에 의하여 해수와 절연된 상태로 서로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 평형 압력의 수중음향 트랜스듀서.