KR100517061B1 - Underwater-use electroacoustic transducer - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전면추, 중앙추 및 후면추가 카운터 질량체로서, 이 전면추, 중앙추 및 후면추의 사이에 압전소자와 자왜소자가 트랜스듀서 본체의 축방향을 따라 배열된 인장볼트를 매개로 일체로 가압 체결된 수중 음향 트랜스듀서에 관한 것으로서, 상기 중앙추와 후면추의 외주부에는 트랜스듀서의 진동계가 축방향으로는 자유롭게 진동하고, 반경방향으로는 견고하게 지지할 수 있도록, 저강성의 마운팅부재가 결합되도록 구성되어, 음의 방사가 효율적으로 일어나게 하도록 하기 위해 진동계의 공진 주파수가 가진하는 구동신호의 주파수와 같아지도록, 진동계가 축방향으로 적은 손실을 가지고 자유롭게 진동할 수 있도록 하면서도 진동계를 반경방향으로 지지할 수 있는 구조를, 중앙추와 후면추 둘레에 강성이 작은 마운팅부재를 접착하여 구현함으로써, 트랜스듀서의 효율을 증강할 수 있도록 하였다.The present invention is a front weight, a center weight, and a back weight counter mass, wherein a piezoelectric element and a magnetostrictive element are integrated between the front weight, the center weight, and the back weight by means of tension bolts arranged along the axial direction of the transducer body. An underwater acoustic transducer which is pressure-fastened to the outer periphery of the central weight and the back weight, the vibration system of the transducer vibrates freely in the axial direction, and can be firmly supported in the radial direction, the low rigid mounting member Is configured to be coupled so that the vibration system can vibrate freely with little loss in the axial direction so that the resonance frequency of the vibration system is equal to the frequency of the drive signal possessed so that the negative radiation can occur efficiently. The structure that can be supported by the material is realized by attaching a small rigid mounting member around the central weight and the rear weight As was to enhance the efficiency of the transducer.
Description
본 발명은 저주파에서 효과적으로 고출력의 음향 에너지를 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 방사할 수 있도록 구성된 광대역 수중 음향 MPT(Magnetostrictive Piezoelectric Tonpilz) 하이브리드 트랜스듀서에 관한 것이다.The present invention relates to a wideband underwater acoustic magnetostrictive piezoelectric tonpilz (MPT) hybrid transducer configured to radiate high power acoustic energy over a wide frequency range at low frequencies.
종래의 개발된 톤필즈-형식(Tonpilz type)의 트랜스듀서는 설계가 간단하고 전기적 에너지와 음향 에너지 사이의 변환 효율이 높다는 장점이 있지만, 저주파 유닛에 적용이 어렵고, 사용 가능한 주파수 대역(bandwidth)에 한계가 있다는 단점이 있다.Conventional developed Tonpilz type transducers have the advantages of simple design and high conversion efficiency between electrical and acoustic energy, but are difficult to apply to low frequency units, and can be used in a usable frequency bandwidth. The disadvantage is that there is a limit.
이러한 단점을 극복하기 위하여 1984년에 톤필즈-형의 하이브리드(Hybrid) 메커니즘이 미국 특허 제 4,443,731호로 개시되어 있으며, 현재에도 활발한 연구단계에 있으며, 이러한 하이브리드 개념의 트랜스듀서를 헐 마운트 소나(Hull Mount Sonar) 등과 같은 어레이(Array)에 실질적인 적용이 가능하도록 트랜스듀서의 구조를 구현하기 위한 다양한 방안을 강구 중에 있다. To overcome these shortcomings, a tonfields-type hybrid mechanism was disclosed in US Patent No. 4,443,731 in 1984, and is still in active research stage. Various measures are being taken to implement the structure of the transducer so that it can be practically applied to an array such as Sonar.
이와 같이, 진동계가 축방향으로는 자유롭게 진동할 수 있어야 하고 반경방향으로는 진동계를 지지할 수 있는 필요조건을 충족하기 위해 가진 작동체 즉, 중앙추 및 후면추의 외주부를 고무 몰딩이나 O-링 등으로 둘러싸는 구조를 채용했으나, 몰딩은 작업이 복잡하고 O-링은 에너지 손실이 크게 나타나는 등의 단점이 있는 것으로 실험결과 드러났다.As such, the vibrating system must be able to vibrate freely in the axial direction and support the requirements of the vibrating system in the radial direction, ie rubber molding or O-rings on the outer circumference of the central and rear weights. Although the structure is enclosed by the back, the experiments show that the molding is complicated and the O-ring has a large energy loss.
따라서, 본 발명은 상기한 여러 실험을 토대로 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 음의 방사가 효율적으로 일어나게 하도록 하기 위해 진동계의 공진 주파수가 가진하는 구동신호의 주파수와 같아지도록, 진동계가 축방향으로 적은 손실을 가지고 자유롭게 진동할 수 있도록 하면서도 진동계를 반경방향으로 지지할 수 있는 구조를 중앙추와 후면추 둘레에 강성이 작은 마운팅부재를 접착하여 구현함으로써, 트랜스듀서의 효율을 증강하는 데 있다.Accordingly, the present invention is based on the above-described experiments, and an object of the present invention is to provide an oscillation system in the axial direction so that the resonance frequency of the vibration system is equal to the frequency of the drive signal possessed by the oscillation system in order to cause sound emission to occur efficiently. It is to enhance the efficiency of the transducer by implementing a structure that can support the vibration system in a radial direction while having a small loss freely, by attaching a small rigid mounting member around the center weight and the back weight.
이를 실현하기 위해 본 발명은,In order to realize this, the present invention,
전면추, 중앙추 및 후면추가 카운터 질량체로서, 이 전면추, 중앙추 및 후면추의 사이에 압전소자와 자왜소자가 트랜스듀서 본체의 축방향을 따라 배열된 인장볼트를 매개로 일체로 가압 체결된 수중 음향 트랜스듀서에 있어서,The front weight, center weight and back weight are counter masses. Piezoelectric elements and magnetostrictive elements are integrally pressurized between the front weight, the center weight and the rear weight by means of tension bolts arranged along the axial direction of the transducer body. In the underwater acoustic transducer,
상기 중앙추와 후면추의 외주부는 트랜스듀서의 진동계가 축방향으로는 자유롭게 진동하고, 반경방향으로는 견고하게 지지할 수 있도록, 저강성의 마운팅부재에 의해 감싸여진 것을 특징으로 한다.The outer periphery of the central weight and the back weight is characterized in that the vibration system of the transducer is freely vibrated in the axial direction, it is wrapped by a low rigid mounting member so as to be firmly supported in the radial direction.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 수중 음향 트랜스듀서의 내부 구조로 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 수중 음향 트랜스듀서의 진동계를 모델링하여 나타낸 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 진동계에서 저주파 및 고주파 구동신호로 가진하여 각각의 진동특성을 나타낸 등가회로도이고, 도 4는 본 발명의 중앙추와 후면추의 외주부에 결합되는 마운팅부재를 도시한 사시도이며, 도 5는 도 4의 선 A-A에 따라 부분 절취하여 도시한 반단면도이다.1 is a longitudinal sectional view showing the internal structure of the underwater acoustic transducer of the present invention, Figure 2 is a view showing a model of the vibration system of the underwater acoustic transducer of the present invention, Figures 3a and 3b is a low frequency in the vibration system of Figure 2 And an equivalent circuit diagram showing each vibration characteristic by the high frequency driving signal, FIG. 4 is a perspective view illustrating a mounting member coupled to an outer circumferential portion of a central weight and a back weight of the present invention, and FIG. 5 is a line AA of FIG. 4. It is a half cross-sectional view partially cut away.
먼저, 본 발명에 따른 트랜스듀서의 주요 구성으로서, 전면추(1), 중앙추(2) 및 후면추(3)가 카운터 질량체로서 작용하도록 하우징(26)에 그 길이방향으로 따라 순차 내장되어 있다.First, as the main configuration of the transducer according to the present invention, the front weight (1), the center weight (2) and the back weight (3) are sequentially embedded along the longitudinal direction in the housing 26 to act as a counter mass. .
또, 상기 전면추(1), 압전소자(7), 중앙추(2), 자왜소자(14), 및 후면추(3)가 트랜스듀서 본체의 축방향을 따라 상기 전면추(1)과 중앙추(2) 사이에 체결되고, 또 중앙추(2)와 후면추(3) 사이에 체결된 인장볼트(6, 15)를 매개로 일체로 가압 체결되어 있다. 여기에서, 상기 전면추(1)와 중앙추(2) 사이의 압전소자(7)는 다수개의 링형상으로 이루어져 있다.In addition, the front weight (1), the piezoelectric element (7), the center weight (2), magnetostrictive element (14), and the back weight (3) are centered with the front weight (1) along the axial direction of the transducer body It is fastened between the weights 2 and is integrally pressure-tightened via the tensioning bolts 6 and 15 fastened between the center weight 2 and the back weight 3. Here, the piezoelectric element 7 between the front weight 1 and the center weight 2 is composed of a plurality of ring shapes.
또한, 상기 중앙추(2)와 후면추(3)의 외주부는 트랜스듀서의 진동계가 축방향으로는 자유롭게 진동하고, 반경방향으로는 견고하게 지지할 수 있도록, 저강성의 마운팅부재(10)가 결합되어 있다.In addition, the outer periphery of the center weight (2) and the back weight (3) is a low rigid mounting member 10, so that the vibration system of the transducer vibrating freely in the axial direction, and firmly supported in the radial direction Are combined.
또, 상기 마운팅부재(10)는 양쪽 외측단부가 각각 곡면 형성되어 있다(도 4 및 도 5 참조).In addition, the mounting member 10 has a curved surface formed at both outer end portions thereof (see FIGS. 4 and 5).
또한, 상기 마운팅부재(10)의 외주부에는 단면상에서 볼 때, 초승달형태의 돌기(10a)가 다수개로 전외주에 대하여 일체로 돌출 형성되어 있다.In addition, a plurality of crescent shaped projections 10a protrude integrally with respect to the outer circumference of the mounting member 10 when viewed in cross section.
다시 말해서, 본 발명에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 기본 구조를 살펴보면 도 1 과 같은 구조를 가지고 있다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본원 트랜스듀서는, 전면추(1), 중앙추(2) 및, 후면추(3)가 하우징(26) 내에 순서적으로 배열된 3개의 질량체를 이루고 있으며, 상기 전면추(1)과 중앙추(2)의 사이에 압전소자(7)와, 상기 중앙추(2)와 후면추(3) 사이의 자왜소자(14)가 강성을 이루는 3자유도 진동계로 표현될 수 있다. 이러한 진동계가 상기 압전소자(7)와 자왜소자(14)의 전기장과 자기장에 의한 물리적인 크기 변화에 의해 가진 되면서 결과적으로 전면추(1)를 통해 수중으로 음을 방사하는 메커니즘을 구현하게 된다.In other words, looking at the basic structure of the underwater acoustic transducer according to the present invention has a structure as shown in FIG. As can be seen in FIG. 1, the transducer of the present application comprises three masses in which the front weight 1, the center weight 2, and the back weight 3 are sequentially arranged in the housing 26. The piezoelectric element 7 between the front weight 1 and the central weight 2 and the magnetostrictive element 14 between the center weight 2 and the rear weight 3 are rigidity-free vibration systems. Can be expressed. The vibration system is excited by the physical size change by the electric and magnetic fields of the piezoelectric element 7 and the magnetostrictive element 14, and as a result, implements a mechanism for radiating sound underwater through the front weight 1.
또, 트랜스듀서의 제어부에서 구동신호가 수밀 컨넥터(21)를 통해 입력되면, 이 구동신호는 트랜스포머(18)에 의해서 압전소자(7)와 자왜소자(14)를 구동하기에 알맞은 전압으로 변환된다. 변환된 구동신호는 트랜스포머(18)의 단자에서 병렬로 압전소자(7)와 자왜소자(14)에 가해지게 된다. 물론, 트랜스포머(18)가 트랜스듀서 내에 장착되지 않는 경우에도 마찬가지이다. 압전소자(7)의 전극판(8)을 통해, 코일(13)의 단자(11)를 통해 구동신호가 연결된다. 압전소자(7)는 링(ring)이 여러 개 적층된 형태를 가지고 있으며 LZT(Lead zirconate titanate) Type I 이나 PMN-PT 등이 이용될 수 있고 여러 개의 링 사이 사이에 전극판(8)이 에폭시 접착제로 접착된 구조를 가지고 있다. 압전소자(7) 들은 부착된 전극판(8)에 의해 전기적으로 병렬로 연결되며 기계적으로는 직렬로 연결되어 진동계를 구성한다. 전극판들(8)을 통해 압전소자(7)에 전기장이 걸리게 되면 가해지는 전기장의 크기에 따라서 압전소자(7)의 물리적인 크기가 변하게 되므로, 가해주는 구동신호의 주파수에 따라 축방향으로 압축/팽창하면서 진동계를 가진 하게 된다.In addition, when a drive signal is input through the watertight connector 21 at the control unit of the transducer, the drive signal is converted into a voltage suitable for driving the piezoelectric element 7 and the magnetostrictive element 14 by the transformer 18. . The converted driving signal is applied to the piezoelectric element 7 and the magnetostrictive element 14 in parallel at the terminals of the transformer 18. Of course, the same is true when the transformer 18 is not mounted in the transducer. The drive signal is connected via the electrode plate 8 of the piezoelectric element 7 through the terminal 11 of the coil 13. The piezoelectric element 7 has a form in which a plurality of rings are stacked, and lead zirconate titanate (LZT) Type I or PMN-PT may be used, and the electrode plate 8 may be epoxy between the rings. It has a structure bonded with adhesive. The piezoelectric elements 7 are electrically connected in parallel by the attached electrode plate 8 and mechanically connected in series to constitute a vibrometer. When the electric field is applied to the piezoelectric element 7 through the electrode plates 8, the physical size of the piezoelectric element 7 is changed according to the magnitude of the electric field applied, so that the piezoelectric element 7 is compressed in the axial direction according to the frequency of the driving signal. As you expand / expand with a vibrometer.
또한, 전극(11)을 통해 코일(13)에 전류가 흐르게 되면, 자왜소자(14)에 자기장이 생성되게 되고 이러한 자기장의 세기에 따라 자왜소자(14)의 물리적 크기가 변하게 되므로 역시 구동신호의 주파수에 따라 축방향으로 진동계를 가진하게 된다. 자왜소자로는 보통 Terfenol-D와 같은 재료가 좋은 특성을 보이며 와전류(eddy current)로 인한 손실을 줄이기 위하여 얇게 라미네이트(laminate)된 구조를 갖도록 한다. 압전소자(7)와 자왜소자(14)에 구동신호가 동시에 들어오게 되면, 압전소자의 응력 변형(strain)은 구동전압의 미분치에 비례하고 자왜소자의 응력 변형은 구동전압에 비례하므로 두 재료의 물리적 진동이 90도의 위상차이를 가지고 일어나게 되는데 이러한 특성은하이브리드 트랜스듀서의 대역(bandwidth)을 크게 할 수 있는 요인이 된다.In addition, when a current flows in the coil 13 through the electrode 11, a magnetic field is generated in the magnetostrictive element 14, and the physical size of the magnetostrictive element 14 is changed according to the strength of the magnetic field. Depending on the frequency it will have a vibrometer in the axial direction. As magnetostrictive devices, materials such as Terfenol-D usually have good properties and have a thin laminated structure to reduce losses due to eddy currents. When driving signals are simultaneously applied to the piezoelectric element 7 and the magnetostrictive element 14, the stress of the piezoelectric element is proportional to the derivative of the driving voltage and the stress deformation of the magnetostrictive element is proportional to the driving voltage. The physical oscillation of is caused by the phase difference of 90 degrees, which is a factor that can increase the bandwidth of the hybrid transducer.
또한, 압전소자부와 자왜소자부의 길이를 각각 1/4파장 길이로 설정해주면 전면추(1)와 후면추(3) 각각에 90도의 부가적인 위상차가 생기므로 음을 방사하는 전면추(1)의 진폭은 증가하고 후면추(3)의 진폭은 감소하게 된다. 이러한 특성으로 인해 트랜스듀서의 방사 음향에너지를 크게 할 수 있고, 압축 해제(pressure release) 혹은 진동절연을 좀더 손쉽게 수행 할 수 있게 된다.In addition, if the length of the piezoelectric element portion and the magnetostrictive element portion is set to 1/4 wavelength, respectively, an additional phase difference of 90 degrees occurs in the front weight 1 and the back weight 3, respectively, so that the front weight 1 radiates sound. ), The amplitude of the back weight (3) decreases. This makes it possible to increase the radiated acoustic energy of the transducer and make it easier to perform pressure release or vibration isolation.
이러한 방식으로 압전소자와 자왜소자에 의해서 발생한 가진력이 진동계를 가진하고 결과적으로 수밀 고무 몰딩(4)을 통해 물에 닿아있는 전면추(1)를 축방향으로 진동시켜 음향 에너지를 방사하게 된다. 위와같이 압전소자(7)와 자왜소자(14)를 동시에 이용하여 진동계를 가진할 경우 기존의 톤필즈-형의 트랜스듀서 보다 훨씬 전면추(1)의 진폭을 크게 할 수 있으므로 저주파에서 강한 음파를 방사할 수 있게 된다.In this way, the excitation force generated by the piezoelectric element and the magnetostrictive element has a vibrometer and consequently vibrates the front weight 1 that is in contact with water through the watertight rubber molding 4 to axially radiate acoustic energy. When using the piezoelectric element (7) and magnetostrictive element (14) at the same time as having a vibrometer, it is possible to increase the amplitude of the front weight (1) much more than the conventional tonefield-type transducer, so that strong sound waves at low frequencies You can radiate.
이러한 진동계를 모델링 해보면, 도 2와 같이 표현할 수 있다. 도 2의 윗쪽은 트랜스듀서를 기계적으로 모델링한 3자유도 진동계이고, 아랫쪽은 이와 같은 물리적 의미를 갖는 등가의 전기회로이다. m1, m2, m3는 각각 전면추(1), 중앙추(2) 및, 후면추(3)를 의미하고, F1은 압전소자(7)에 의한 힘, F2는 자왜소자(14)에 의한 힘을 나타낸다. R1, R2는 각각 물로 방사되는 방사 임피던스와 시스템의 내부 손실을 의미한다. 이러한 시스템을 저주파 구동신호로 가진하면, 도 3a에서 보는 바와 같이, 강성(k1)이 비교적 큰 압전소자는 저주파에서 임피던스가 커지므로 k1이 붙어있는 라인이 오픈되는 결과를 가져오고, 이때, k2와 m3, m1+m2가 시스템의 진동 특성을 결정하게 된다. 즉, 자왜소자(14) 부분이 시스템의 진동 특성을 주로 결정한다는 의미이다.Modeling such a vibration system, it can be expressed as shown in FIG. The upper part of FIG. 2 is a three degree of freedom vibration system mechanically modeling the transducer, and the lower part is an equivalent electric circuit having such a physical meaning. m1, m2, and m3 denote front weights (1), center weights (2), and back weights (3), respectively, F1 means force by the piezoelectric element (7), and F2 means force by the magnetostrictive element (14). Indicates. R1 and R2 represent the radiation impedance radiated into the water and the internal losses of the system, respectively. When such a system has a low frequency driving signal, as shown in FIG. 3A, a piezoelectric element having a relatively high stiffness k1 has a large impedance at low frequencies, resulting in the opening of the line to which k1 is attached. m3, m1 + m2 will determine the vibration characteristics of the system. In other words, the magnetostrictive element portion 14 mainly determines the vibration characteristics of the system.
이와 반대로 고주파 구동신호로 가진하면, 강성이(k1)이 작은 자왜소자(14) 부분의 임피던스가 작아지게 되므로 아래의 등가 전기회로에서 쇼트되는 것과 같은 효과를 갖게 된다. 따라서 진동계의 특성은 압전소자(14)의 강성(k1)과 m1, m2가 주로 결정을 하게 된다. 즉, 압전소자(7) 부분이 시스템의 고주파 진동 특성을 주로 결정하게 되는 것이다.On the contrary, when the excitation is a high frequency driving signal, the impedance of the portion of the magnetostrictive element 14 having a small stiffness k1 becomes small, so that it has the same effect as the short circuit in the following equivalent electric circuit. Therefore, the characteristics of the vibrometer are mainly determined by the stiffness k1 of the piezoelectric element 14 and m1 and m2. That is, the portion of the piezoelectric element 7 mainly determines the high frequency vibration characteristics of the system.
이와 같이 압전소자(7)와 자왜소자(14)로 3자유도 진동 시스템을 구성하여 고주파 공진 주파수 부분을 압전소자로, 저주파 공진 주파수 부분을 자왜소자로 제어(control) 해줌으로서 기존의 톤필즈(Tonpilz) 트랜스듀서에 비해 훨씬 넓은 대역(bandwidth)를 얻을 수 있게 된다. 또한 압전소자부는 커패시턴스(capacitance)의 성격을 갖고 자왜소자부는 인덕턴스(inductance)의 성격을 갖기 때문에 커패시턴스와 인덕턴스가 병렬로 연결된 구조를 갖는다. 이러한 특성이 상호 튜닝(tuning)을 해주게 되므로, 이 또한 시스템에 큰 장점으로 작용한다.Thus, the piezoelectric element 7 and the magnetostrictive element 14 constitute a three degree of freedom vibration system to control the high frequency resonant frequency portion as the piezoelectric element and the low frequency resonant frequency portion as the magnetostrictive element. A much wider bandwidth can be obtained compared to Tonpilz transducers. In addition, since the piezoelectric element portion has the characteristics of capacitance and the magnetostrictive element portion has the characteristic of inductance, the piezoelectric element portion has a structure in which capacitance and inductance are connected in parallel. This feature is mutually tuned, which is also a big advantage for the system.
일반적으로, 진동계의 공진주파수로 시스템을 가진 할 때, 음의 방사가 가장 효율적으로 일어나게 되는, 진동계의 공진 주파수가 가진하는 구동신호의 주파수와 같아지도록, 물에 접하여 음을 직접 방사하는 면인 전면추(1)의 진폭이 가장 커지도록, 그리고 진동계의 대역(bandwidth)이 커지도록 질량의 값을 결정해야 한다. 이러한 특성을 고려할 때 보통 전면추(1), 중앙추(2) 및, 후면추(3)의 질량비는1 : 2 : 2.5 의 값을 갖는 것이 일반적이다. 각 추와 압전소자(7), 코일(13)의 사이에는 전기적인 절연을 위해 절연재(5),(9),(24)가 에폭시 접착제를 이용하여 접착된다. 절연재의 영률(Youngs Modulus)은 클수록 트랜스듀서의 효율을 높일 수 있고, 열팽창계수는 주위의 인접한 재료와 차이가 적어야 열팽창으로 인한 응력(stress)을 줄일 수 있다. 이러한 재료로는 동석(Steatite) 등이 널리 이용된다. In general, when the system has the resonant frequency of the vibration system, the front weight, which is a surface that directly radiates sound in contact with water, so that the sound emission is most efficiently generated, the same as the frequency of the driving signal of the vibration system. The value of mass should be determined so that the amplitude in (1) is the largest and the bandwidth of the vibrometer is large. In consideration of these characteristics, the mass ratio of the front weight (1), the central weight (2), and the back weight (3) is generally 1: 2: 2.5. Insulation materials 5, 9, and 24 are bonded between the respective weights, the piezoelectric elements 7, and the coils 13 by using an epoxy adhesive for electrical insulation. The larger the Young's Modulus of the insulation, the higher the efficiency of the transducer, and the smaller the thermal expansion coefficient of the insulation material to reduce the stress caused by thermal expansion. Such materials are widely used.
또한, 진동계가 축방향으로는 자유롭게 진동할 수 있어야 하고 반경방향으로는 진동계를 지지할 수 있어야 한다. 이러한 요구조건을 중앙추(2)와 후면추(3) 둘레에 강성이 작은 마운팅부재(10)를 접착하여 구현하였다. 기존에는 이러한 구조를 고무 몰딩이나 O-링 등을 이용하였지만, 몰딩은 작업이 복잡하고 O-링은 에너지 손실이 크게 나타났다.In addition, the vibrometer should be able to vibrate freely in the axial direction and be able to support the vibrometer in the radial direction. This requirement was achieved by bonding a small rigid mounting member 10 around the central weight 2 and the rear weight 3. In the past, such a structure was used for rubber molding or an O-ring, but molding is complicated and O-ring has a large energy loss.
또한, 고무 등의 재료와는 달리 외부의 압력의 변화에 상관없이 일정한 마운팅 특성을 보여주는 강 스프링(Steel spring)을 이용한 구조를 채택하고자 했으나, 고비용의 문제로 채용 상 어려움이 있다.In addition, unlike a material such as rubber, it was intended to adopt a structure using a steel spring (Steel spring) showing a constant mounting characteristics regardless of the change in the external pressure, there is a difficulty in employment due to the problem of high cost.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 강성이 작은 재질로 된 돌기(10a)-붙이 마운팅부재(10)를 이용하여 조립과정을 용이하게 하고 저렴한 비용으로 원하는 특성을 얻을 수 있도록 하였다. 이에 적합한 재질로는 부틸고무 등이 있으며, 이러한 마운팅부재(10)가 조립과정에서 반경 방향으로 압축되어 진동계를 반경방향으로 견고히 지지할 수 있도록, 추에 접착된 마운팅부재(10)의 외경이 하우징(26)의 내경보다 크도록 하는 것이 필요하다. 마운팅부재(10)는 조립의 용이성과 진동으로 인한 마운팅부재의 모서리부의 파열을 방지하기 위하여, 도 4와 같은 곡면 형상을 갖도록 한다. 도 4와 같이 마운팅부재(10)의 바깥쪽 표면에 돌기(10a)를 형성하면 마운팅부재(10)를 단순한 링 모양으로 했을 때 보다 마운팅부재(10)가 받는 최대 응력(stress)이 감소하고 즉, 응력집중이 감소하고, 내부 조립체를 하우징(26)에 삽입할 때 작업을 용이하게 할 수 있다.Therefore, in order to solve this problem, using the protrusion (10a) -stick mounting member 10 made of a small rigid material to facilitate the assembly process and to obtain the desired characteristics at a low cost. Suitable materials include butyl rubber, and the like. The mounting member 10 is compressed in the radial direction during the assembly process so that the vibration system can be firmly supported in the radial direction. It is necessary to make it larger than the inner diameter of (26). The mounting member 10 has a curved shape as shown in FIG. 4 in order to prevent tearing of the corner portion of the mounting member due to ease of assembly and vibration. When the protrusion 10a is formed on the outer surface of the mounting member 10 as shown in FIG. 4, the maximum stress received by the mounting member 10 is reduced than when the mounting member 10 has a simple ring shape. As a result, stress concentration is reduced, and the work can be facilitated when inserting the inner assembly into the housing 26.
또한, 돌기(10a)의 크기나 고무띠의 너비를 조절하여 쉽게 댐핑이나 강성을 변화시켜 원하는 방향으로 시스템 특성을 바꿀 수 있다는 편의성도 제공한다. 전면추(1)는 수밀 고무 몰딩(4)을 이용하여 트랜스듀서내부로 물이 새지 않도록 되어 있고, 압전세라믹과 같은 압전소자와 자왜소자는 일반적으로 압축응력에는 강하지만 인장응력에 약하므로 트랜스듀서가 작동하는 중에 인장응력을 받지 않도록 인장볼트(6, 15)를 이용하여 예압을 가해주는 구조로 발명 되어있다.In addition, by adjusting the size of the protrusion (10a) or the width of the rubber band provides a convenience that can easily change the system characteristics in the desired direction by changing the damping or rigidity. The front weight (1) is made of watertight rubber molding (4) so that water does not leak into the transducer. Piezoelectric elements such as piezoelectric ceramics and magnetostrictive elements are generally strong in compressive stress but weak in tensile stress. It is invented as a structure that applies preload by using tension bolts (6, 15) so as not to receive tensile stress during operation.
한편, 본원의 제2 실시예에 의한 수중 음향 트랜스의 구조 중, 상기한 마운팅부재(10)는 돌기(10a)가 단면형상이 완만한 곡선 형태를 이루도록 형성되어 축방향의 진동 효율을 증대하고 반경방향으로는 견고하게 지지되는 효과를 도모하기 위해, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 단면형상이 반원 형태로 형성된 마운팅부재(10)를 형성해도 좋고, 여기에, 사방 곡선형 외주면을 갖는 돌기(10a)를 부가적으로 돌출 형성하여 본원의 효과를 도출할 수 있도록 구성해도 된다.On the other hand, in the structure of the underwater acoustic transformer according to the second embodiment of the present application, the mounting member 10 is formed so that the projection (10a) has a smooth cross-sectional shape to increase the vibration efficiency in the axial direction and radius In order to achieve the effect of being firmly supported in the direction, as shown in FIGS. 5A and 5B, a mounting member 10 having a cross-sectional shape in a semicircle may be formed, and here, You may comprise so that the protrusion 10a may protrude further and the effect of this application may be derived.
또한, 상기 제1 및 제2 실시예는 공통적으로, 상기 하우징(26)에 체결볼트(25)로 조립된 구획판(17)과 하우징(26)으로 이루어진 공간에는 충전(potting) 재료(19)로 몰딩 처리된다. 또 컨넥터(21)가 외부와 연결되는 부위의 수밀을 위해서도 O-링(22)을 이용한 수밀구조가 채용되어 있다.In addition, the first and second embodiments have a common potting material 19 in a space consisting of the partition plate 17 and the housing 26 assembled with the fastening bolts 25 in the housing 26. Molding process. In addition, the watertight structure using the O-ring 22 is employ | adopted for the watertightness of the site | part where the connector 21 is connected to the exterior.
위와 같은 광대역 수중음향 MPT 하이브리드 트랜스듀서는 저주파에서의 강한 음방사와 넓은 대역(bandwidth)를 갖기 때문에 구축함과 같은 대형함정의 차세대 능동 소나 시스템, 특히 선체부착형 능동소나에 효과적으로 이용될 수 있는 것이다.The above-mentioned wideband hydroacoustic MPT hybrid transducer has strong sound emission at low frequency and wide bandwidth, so it can be effectively used in the next generation active sonar system of large ship such as destroyer, especially the hull attached active sonar.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 음의 방사가 효율적으로 일어나게 하도록 하기 위해 진동계의 공진 주파수가 가진하는 구동신호의 주파수와 같아지도록, 진동계가 축방향으로 적은 손실을 가지고 자유롭게 진동할 수 있도록 하면서도 진동계를 반경방향으로 지지할 수 있는 구조를 중앙추와 후면추 둘레에 강성이 작은 마운팅부재를 접착하여 구현함으로써, 트랜스듀서의 효율을 증강할 수 있다는 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다. As described above, the present invention allows the vibration system to vibrate freely with little loss in the axial direction so that the resonance frequency of the vibration system is equal to the frequency of the drive signal possessed in order to cause the negative radiation to occur efficiently. By implementing a structure that can support the radial direction by attaching a small rigid mounting member around the center weight and the back weight, there is a very excellent effect that can enhance the efficiency of the transducer.
여기에서, 본 발명의 일 실시예와 관련하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 청구범위의 정신 및 영역을 벗어남이 없이 다양한 수정이 이뤄질 수 있다.Herein, while the invention has been illustrated and described in connection with one embodiment of the invention, various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the claims.
도 1은 본 발명의 수중 음향 트랜스듀서의 내부 구조로 나타낸 종단면도, 1 is a longitudinal sectional view showing the internal structure of the underwater acoustic transducer of the present invention;
도 2는 본 발명의 수중 음향 트랜스듀서의 진동계를 모델링하여 나타낸 도면,2 is a view showing a model of the vibration system of the underwater acoustic transducer of the present invention,
도 3a 및 도 3b는 도 2의 진동계에서 저주파 및 고주파 구동신호로 가진하여 각각의 진동특성을 나타낸 등가회로도,3A and 3B are equivalent circuit diagrams showing the vibration characteristics of each of the low frequency and high frequency driving signals in the vibration system of FIG. 2;
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 중앙추와 후면추의 외주부에 결합되는 마운팅부재를 도시한 사시도,4A is a perspective view illustrating a mounting member coupled to an outer circumference of a central weight and a back weight according to a first embodiment of the present invention;
도 4b는 도 4a의 선 A-A에 따라 부분 절취하여 도시한 반단면도,4B is a half cross-sectional view partially cut along the line A-A of FIG. 4A;
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 중앙추와 후면추의 외주부에 결합되는 마운팅부재를 도시한 사시도,5A is a perspective view illustrating a mounting member coupled to an outer circumferential portion of a central weight and a back weight according to the first embodiment of the present invention;
도 5b는 도 4a의 선 A-A에 따라 부분 절취하여 도시한 반단면도,5B is a half cross-sectional view partially cut along the line A-A of FIG. 4A;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 전면추 2: 중앙추 1: Front weight 2: Center weight
3 : 후면추 7 : 압전 소자 3: back weight 7: piezoelectric element
8 : 전극판 10 : 마운팅부재 8 electrode plate 10 mounting member
10a : 돌기 15, 6 : 인장볼트 10a: protrusion 15, 6: tension bolt
20 : 후면판 20: backplane
Claims (4)
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| KR10-2003-0060793A KR100517061B1 (en) | 2003-09-01 | 2003-09-01 | Underwater-use electroacoustic transducer |
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