KR100654239B1 - 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 호수, 항만 및 연안과 같이 그 규모가 큰 수역에 적용 가능한 초음파 플랑크톤 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 부유생물의 밀도 측정을 위한 초음파를 부유생물에 출력하는 단계; 상기 부유생물에서 반사되는 반사음향 신호 강도를 초음파 수신센서로 수신하는 단계; 상기 수신된 반사음향 신호에 따라 초음파 진동자를 구동하여 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력하는 단계;를 포함하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 부유생물의 밀도와 관련된 반사음향을 수신하여 최적 주파수를 찾고, 이 주파수로 초음파 진동자를 구동하는 것이다. 2대 이상의 장치를 설치할 경우 위상을 제어하여 합성되는 강한 초음파 출력을 얻을 수 있어서 광역적으로 플랑크톤을 제거를 할 수 있는 장치의 제작이 가능하다. 또한, 부유생물의 밀도에 따라 초음파 출력 시간을 가감하므로써 소비전력을 줄이고, 플랑크톤의 밀도를 일정하게 유지시킬 수 있는 것이다.

플랑크톤, 조류, 초음파,

Description

초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법 및 그 장치{Method and apparatus for reducing agal production using ultrasonic radiation}

도 1은 일반적인 식물세포의 액포와 액포막 모식도(nucleolus:세포핵, vacuole:액포, vacuole membrane:액포막, chloroplast:엽록체, cell membrane:세포막, cell wall:세포벽)이고,

도 2는 종래의 초음파 출력장치 1 대로 조류를 제거할 수 있는 유효범위를 나타낸 예시도이고,

도 3은 종래의 초음파 출력장치 시스템을 나타내는 블록도이고,

도 4는 본 발명에 따라 수중 부유물에 의해 반사된 음향신호의 예시도이고,

도 5는 본 발명에 의한 초음파 출력장치 시스템을 나타내는 블록도이고,

도 6은 본 발명에 따라 주파수 및 위상이 동기화된 초음파 출력장치 2 대에 의해 형성되는 최대 유효범위를 나타낸 예시도이고,

도 7은 종래기술에 따라 주파수 및 위상이 동기화 되지 않은 초음파 출력장치 2 대로 형성되는 최대 유효범위를 나타내는 예시도이고,

도 8은 본 발명에 따라 각 초음파 진동자의 출력이 한 곳에 촛점을 이루는 형태를 나타낸 모식도이고,

도 9는 본 발명에 따라 각 초음파 진동자의 출력 위상이 중첩되어 형성된 촛점을 이동시켜 수체 전체 공간을 주사(scan)하는 예시도이다.

본 발명은 호수, 항만 및 연안과 같이 그 규모가 큰 수역에 적용 가능한 초음파 플랑크톤 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 부유생물의 밀도와 관련된 반사음향을 수신하여 최적 주파수를 찾고, 이 주파수로 초음파 진동자를 구동하는 것이다. 2대 이상의 초음파 진동자에 의하는 경우 위상을 제어하여 합성되는 강한 초음파 출력을 얻을 수 있어서 광역적으로 플랑크톤을 제거할 수 있는 장치의 제작이 가능한 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법 및 그 장치이다.

수중에 서식하는 녹조류, 청녹조류, 갈조류, 와편모조류 등 식물플랑크톤들은 수생 생태계의 일차생산자로서 광합성을 통해 유기물을 생성하여 생태계를 유지하는 중요한 역할을 담당한다. 그러나 수질오염으로 수중에 질소, 인 등 영양성분이 증가하여 과영양상태가 되면, 식물플랑크톤이 대량 번성하여 녹조, 적조 등을 유발하여 수질을 악화시키거나, 독성물질을 분비하거나 사멸후 무산소상태를 유발하여 어폐류의 폐사를 유발한다.

수중의 식물플랑크톤을 제거하는 방법에는 침전법, 여과법, 부상분리법, 생리활성물질 살포법, 전기분해법, 영양염 흡수법, 천적생물 살포법 등 다양한 방법들이 개발되었다. 현장에서는 황토나 화학응집제를 이용하여 식물플랑크톤을 침강시키는 방법이 많이 사용되어 왔는데, 신속하게 처리하는 효과가 있으나, 투입하는 물질로 인해 2차적인 생태계 피해가 발생할 수 있다. 식물플랑크톤을 필터 등으로 여과하여 제거하거나, 미세기포를 수중에 주입하여 식물플랑크톤을 흡착, 부상시켜 제거하는 방법 등은 연못과 같은 소량의 물을 처리할 수 있으나, 수체가 커치면 처리가 어렵다. 전기분해법은 해수를 전기분해하여 살균제를 생성시키는 방법이나 에너지 소모가 많고 넓은 해역에서 적용하기 어려우며, 식물플랑크톤 이외의 다른 생물에 영향을 줄 수 있다. 적조 제거를 위해 소포로리피드와 같은 생리활성물질을 투입하는 방법이 제안되었으나, 현장에서 넓은 해역에 살포하기는 어렵다. 천적생물을 배양후 살포하여 적조를 억제하는 생물학적 방법도 연구되고 있으나, 현장에 적용하여 효과를 거두지는 못하고 있다.

종래 기술들은 대부분 식물플랑크톤의 대번성이 발생한 후 처리를 위해 사용할 수 있는 방법들이며, 황토살포를 제외하면, 처리용량이 적기 때문에 저수지나 호수, 항만 및 연안과 같이 그 규모가 큰 수역에 적용하기 어려운 문제가 있다. 그리고, 황토나 화학물질 등을 투입할 경우, 환경에 악영향을 미칠수 있으므로 친환경적이지 못하다. 그러나, 본 발명은 초음파를 이용한 조류의 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로서 물질을 투여하는 것이 아니라, 수중에 음파를 발사하여 식물플랑크 톤을 사멸시키거나, 성장을 억제하므로 매우 친환경인 특징이 있다.

초음파로 플랑크톤을 제거하는 방법이 연구되었으나, 공동화(cavitation) 현상을 이용해 세포벽을 파열시키기 위해서는 강력한 초음파를 사용해야 하므로 현장에서 사용하는데 한계가 있었다. 근래에는 매우 약한 초음파를 수중에 조사하여 식물플랑크톤 세포내의 액포를 파괴하거나 세포 소기관에 스트레스를 줌으로써 천천히 사멸하게 하는 방법을 제안되었다. 이 방법은 거리가 약 100m 이내의 수체에 적용할 수 있으나, 플랑크톤이 사멸되는 시간이 3-4 주 이상 걸리므로 수중의 질소, 인 등 영양염류의 농도가 높아서 식물플랑크톤이 성장하는 속도가 사멸 속도를 초과할 경우에는 가시적인 제거 효과를 기대하기 어렵다.

초음파로 단세포 식물플랑크톤인 녹조생물을 제거하는 방법을 전형적인 식물세포(도 1)의 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 액포는 식물세포 중앙 공간의 대부분을 차지하는, 함수량(含水量)이 높은 부분으로, 두께 7nm 정도인 막(액포막)으로 둘러싸여 있다. 이 액포막은 세포벽으로 보호되는 세포막 보다 초음파 진동에 의하여 파열되기 쉬운 부분이며, 초음파 녹조류 제거법은 이 액포막을 파열시키는 것이다. 초음파법의 경우 액포막의 파열은 진동 주파수와 강도에 영향을 받는다. 강도가 세면 셀수록 액포막은 쉽게 파열되지만 주파수에 따라 액포막을 파열할 수 있는 최소 강도가 다르다. 또한 강도가 약하면 액포막 파열에 많은 시간이 걸리며, 강도가 세면 그 파열시간이 단축된다. 가장 센 강도는 초음파 세척기의 경우로서 세척기속의 식물세포는 거의 순간적으로 세포벽까지 파열된다. 반면에 진동이 최소 강도 보다 약하면 아무리 오랫동안 초음파를 가해도 액포막은 파열되지 않는다.

종래의 초음파 출력장치는 1 대의 초음파 진동자를 이용하여 초음파를 수중에 출력하는 것으로써, 그 출력 강도에 따라서 일정한 범위의 녹조류를 제거할 수 있는 유효면적을 도 2와 같이 가진다. 도 3은 초음파 주파수의 교류전력을 공급하여 초음파 진동자를 공진시키기 위한 종래의 장치를 나타내는 그림이다. 이 장치는 주파수를 일정 범위(예를 들면 45kHz~50kHz)로 스위핑하는 것이 특징인데, 이것은 초음파 진동자의 제조시 공진 주파수의 편차가 존재하며, 사용 온도와 연결 케이블의 정전용량 등에 따라 공진 주파수가 변하기 때문이다. 주파수를 공진주파수 편차범위에서 스위핑을 하면 1 회의 스위핑시 초음파 출력 강도가 최대로 되는 기간이 반드시 존재하게 되며, 이 시점에 식물세포의 액포막 파열이 가능해진다. 도 2의 유효면적은 초음파출력이 최대일 때를 기준으로 설정된다.

종래의 주파수 스위핑법은 상업적으로 저렴하게 제품을 만들 수 있는 방법이지만, 초음파 진동자가 작동하는 기간 중에서 진동자의 공진점에 해당하는 기간 이외에는 입력 전력에 비하여 출력 효율이 현저하게 떨어지는 단점이 있다. 또한, 가까운 거리를 두고 2 대의 장치를 동시에 가동할 경우 각 장치에서 전파된 초음파의 위상이 동기화 되지 않으면, 두 장치로부터의 초음파가 서로 상쇄되어 합성된 출력이 오히려 줄어들기 때문에 서로의 유효면적이 겹쳐지지 않는 거리 이상으로 두 장치를 설치하여야 하는 단점이 있다. 이를 다시 말하면, 보다 강한 초음파진동을 얻을 목적으로 두 장치를 가까이 병렬로 설치하여도 원하는 강도를 얻을 수 없는 것이다. 따라서, 기존의 장치로는 액포막이 파열되는 최소 강도가 더 높거나, 성장율이 제거율 보다 높은 식물세포에 대해서는 그 효과를 기대하기 어렵다.

진동자를 공진시키는 다른 방법에는 초음파 출력장치 마다 주파수를 진동자에 맞도록 조절하여 초음파 진동자의 출력주파수를 고정하는 것도 있지만 인건비의 부담이 늘어서 상업적으로는 주파수 스위핑법보다 불리하다. 또한, 수온의 변화와 케이블의 정전용량 변화에 따르는 공진 주파수의 변화에는 대응할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 1) 설치환경에 상관없이 초음파 진동자를 공진점에서 작동시킴으로써, 최대의 효율을 얻을 수 있고, 2) 장치를 병렬로 설치하면 설치한 만큼 출력 강도가 높아져서, 먼 거리 까지 광역적인 유효면적을 얻을 수 있으며, 3) 상기한 방법을 이용하여 부유생물체가 적을 경우에는 초음파 출력 시간을 줄이므로써 불필요한 소비전력을 줄일 수 있는 초음파 녹조류 제거 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 호수, 항만 및 연안과 같이 그 규모가 큰 수역에 적용 가능한 초음파 플랑크톤 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 부유생물의 밀도 측정을 위한 초음파를 부유생물에 출력하는 단계; 상기 부유생물에서 반사되는 반사음향 신호 강도를 초음파 수신센서로 수신하는 단계; 상기 수신된 반사음향 신호에 따라 초음파 진동자를 구동하여 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력하는 단계;를 포함하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법이다.

이러한 본 발명은 초음파 진동자의 공진주파수 뿐만 아니라 수중 녹조류와 관련되는 반사음향 신호를 이용하는 것을 특징으로 하여, 본 발명에 있어서 상기 반사음향은 반사음향의 분산된 배경잡음이 최대가 되는 초음파 주파수 범위를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 본 발명에서 사용되는 초음파 진동자는 빔각이 45°보다 큰 것으로 2개 이상일 수 있고, 각 초음파 진동자는 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 하며, 상기 출력 위상이 변하는 것은 인접한 초음파 진동자의 위상차가 0도에서 180도로 연속적으로 변하는 것이 가능하다. 나아가, 상기 초음파 진동자는 빔각이 20°보다 작은 것으로 2개 이상이고, 각 초음파 진동자는 물 가장자리나 해안선을 따라서 간격을 두고 배열되며, 각 초음파 진동자의 출력은 출력 위상이 중첩되어 촛점을 형성하도록 위 상이 변하는 것을 특징으로 할 수도 있다.

여기에, 상기한 본 발명에서 사용되는 초음파 진동자는 3개 이상일 수 있으며, 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력하는 단계 이후에는, 상기 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간을 이동하면서 부유생물을 제거하는 단계를 더 포함하는 플랑크톤 제거방법도 가능하다. 이와 같은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법은 호수, 항만 및 연안과 같이 규모가 큰 수역에서 사용되는 것이 바람직하고, 본 발명에 따른 플랑크톤 제거방법을 이용하는 장치는 플랑크톤을 제거하기 위해 2개 이상의 초음파 진동자를 포함하며, 상기 각 초음파 진동자는 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거장치가 가능하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 발명은 호수, 항만 및 연안과 같이 그 규모가 큰 수역에 적용 가능한 초음파 플랑크톤 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 본 발명의 대상이 되는 플랑 크톤은 수중생물을 생태적으로 구분한 한 무리를 의미하는 것이며, 부유생물(浮游生物)이라고도 한다. 즉, 스스로의 운동능력이 전혀 없거나 또는 아주 약하고 수동적으로 행동하는 생물을 말한다. 독립영양인가 종속영양(從屬營養)인가에 따라 식물플랑크톤과 동물플랑크톤으로 크게 나뉜다. 또한, 서식수역에 따라 해양플랑크톤·호소(湖沼)플랑크톤·염수플랑크톤·기수(汽水)플랑크톤·담수플랑크톤 등으로 나뉘고, 크기에 따라 거대(巨大)·대형·소형·미소·극미(極微) 플랑크톤 등의 생태적·형태적 구분에 의한 많은 이름이 있으며, 본 발명의 대상이 되는 플랑크톤은 이러한 플랑크톤 전부를 포함할 수 있다.

초음파는 통상적으로 인간의 가청주파수(∼20㎑)보다 높은 영역의 음파를 말하며, 공업용으로는 수중소너, 탐상기, 두께측정기, 유속·유량계 등의 각종 센서용으로 혹은 강한 전력이 요구되는 가공기 및 세척기에 응용되고 있다. 이러한 초음파를 발생하게 하는 초음파 진동자는 외부에서 전계를 인가하면 그 변화에 따라 진동을 일으키는 압전 세라믹스의 역압전효과를 이용하여 특정 주파수 대역을 갖는 초음파의 발생이 가능하도록 만든 장치이다. 초음파 진동자는 공진점에서 출력임피던스가 최소가 되므로, 공진점은 주파수를 가변(스위핑)시키면서 작동 중인 진동자에 흐르는 전류를 측정하여 찾을 수 있다. 공진점은 진동자에 흐르는 전류가 최대로 되는 주파수에 해당한다.

공진주파수를 찾는 또 다른 방법은 발사된 초음파가 물체에 부딪혀서 돌아오는 반 사음향 신호가 최대가 되는 점을 감지하는 것이다. 이것은 공진점에서 출력이 최대가 되므로 반사음향도 최대로 되기 때문이다. 본 발명에서는 반사음향을 수신하여 수신되는 신호 강도가 최대로 되는 주파수를 Micro-controller가 자동으로 감지하여 초음파 출력효율을 최대화하는 방법을 이용한 것이다. 즉, 본 발명은 먼저 부유생물의 밀도 측정을 위한 초음파를 부유생물에 출력하고, 상기 부유생물에서 반사되는 반사음향 신호 강도를 초음파 수신센서로 수신한 이후에, 상기 수신된 반사음향 신호에 따라 초음파 진동자를 구동하여 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력함으로써 초음파를 이용하여 플랑크톤을 제거하는 것을 특징으로 한다. 이 방법의 장점은 진동자의 공진주파수의 감지뿐만 아니라, 수중 플랑크톤의 농도와 관련되는 반사음향신호를 추가적으로 이용할 수 있다는데 있다.

본 발명의 다른 특징으로 상기 반사음향은 배경잡음이 최대가 되는 초음파 주파수를 가지는 것을 특징으로 한다. 도 4는 수중 부유물에 의해 반사된 음향신호의 예이다. 초음파의 반사 강도는 대상물체의 반사면적에 비례하므로 수중 녹조류와 같이 미세한 부유물에 의한 반사신호는 약하여 분산된 배경잡음에 해당한다. 이 배경잡음은 미역이나 밧줄, 물고기 등에 의해 반사되는 강한 신호와 구별된다. 수중 특히 해양에서의 배경잡음은 거의 대부분 부유생물에 의한 것이므로, 부유생물의 밀도와 관련이 있다. 즉, 본 발명은 부유생물에서 반사되는 반사음향을 토대로 하여 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수를 출력함으로써 부유생물을 효과적으로 제거하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징으로 본 발명에서 초음파를 발생시키기 위해 사용되는 초음파 진동자는 2개 이상이 바람직하다. 도 5는 본 발명에 의한 초음파 녹조류 제어장치의 블록도이다. 본 도면에서 초음파 출력 채널 수는 1 개 또는 2 개 이상의 다수가 될 수 있으며, 초음파 진동자 및 초음파 수신센서는 수중에 설치된다. 나머지 부분은 육상에 설치되거나 방수된 형태로 수중에 설치될 수 있다. 도 5의 Micro-controller는 일정시간 간격으로 주파수를 가변시키면서 배경잡음에 해당하는 반사음향 신호의 강도를 측정하여 그 강도가 최대로 되는 주파수를 감지한다. 이렇게 감지된 최적 주파수의 초음파가 고전압드라이브를 통하여 수중에 설치된 초음파 진동자에 가해진다.

또한, 상기와 같이 본 발명에서 2개 이상 설치된 초음파 진동자는 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 할 수 있다. 초음파 출력 채널이 1 개일 경우에는 위상제어를 할 필요가 없지만, 채널이 2개 이상일 경우에는 각 채널의 초음파 진동자 사이에 간격을 두는 것이 유효범위를 넓히는데 도움이 된다. 2 대 이상의 진동자가 동일한 주파수로 초음파를 발사하면 수중 공간에서 파동들이 간섭하여 서로 상쇄되거나 합해져서 강도가 약해지는 공간과 강해지는 공간이 발생한다. 만일 파동들의 위상차를 발생시키지 않으면 파동들이 서로 상쇄되는 공간에서는 시간이 아무리 지나도 식물세포에 미치는 영향이 없게 된다. 모든 공간에서 강도가 최대가 되는 시점이 항상 존재하 도록 하려면 위상차를 0도에서 180도 까지 연속적으로 변하게 하는 것이다. 본 발명에 의한 장치인 도 5에서 채널이 2 개 이상일 경우에는 인접한 채널에 대하여 일정한 기간동안 마다 위상차가 0도에서 180도로 변하도록 프로그램된다. 예를 들면 0.1초 마다 2도씩 위상차를 증가시키면 0도에서 180도 변화하는데 9초가 걸리며, 이러한 과정을 9초 마다 반복되도록 하는 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 방법으로 초음파 출력 채널이 2 개일 경우에 2 채널의 초음파가 합성된 유효면적을 계산하여 나타낸 것이다. 도 7은 도 6과의 비교를 위하여 주파수와 위상이 동기되지 않았을 경우 초음파 출력장치 2 대로 형성되는 최대 유효범위를 나타낸 것이다. 만일 기존의 스위핑 방법으로 2개의 장치를 도 7과 같은 간격으로 설치하여 작동시킨다면 합성되는 파동은 서로의 주파수뿐만 아니라 위상까지 동일한 기간에만 강해지는데, 이 기간은 매우 짧을 것이므로, 인접한 공간에서 사용 대수를 늘일수록 오히려 비효율적이어서 광역적인 녹조류 제거 장치로 이용하기에는 부적합하다.

반면에 본 발명에 의한 장치는 초음파 진동자가 진동되는 기간 내내 거의 공진점에 가까운 효율적인 초음파가 출력되고, 다수 채널의 초음파 영역이 겹쳐지더라도 위상가변에 의한 최대 강도의 시점이 항상 존재하므로 광역적인 설치 운용이 가능하다. 본 발명에 의한 도 5의 장치에서는 부유생물의 밀도에 비례하는 배경잡음 반사음향이 수신되므로, 이 음향의 강도로 부유생물의 밀도 모니터링이 가능해지며, 밀도가 클 경우에는 초음파 출력시간을 늘이고 약할 경우에는 초음파 출력시간을 줄이므로써, 소비전력 측면에서도 매우 효율적인 녹조류의 제거 또는 제어가 가능한 것이다.

본 발명의 또 다른 특징으로 상기 초음파 진동자가 3개 이상일 경우, 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력하는 단계 이후에는, 상기 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간을 이동하면서 부유생물을 제거하는 단계를 더 포함하는 플랑크톤 제거방법도 가능하다. 초음파 진동자가 3개 이상이면 각 초음파 진동자로부터 출력된 초음파는 서로 감쇄되거나 중첩될 수 있고, 주파수로 출력되는 위상의 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 시점은 일정범위로 한정되게 된다. 본 발명은 이러한 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수의 위상 중첩에 의해 형성되는 일정 범위를 부유생물이 존재하는 모든 대상 공간 전체로 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 3개 이상의 초음파 진동자의 위상 변이를 조절하여 각 초음파 진동자에서 출력되는 주파수의 위상을 제어할 수 있고, 이에 따라 3개 이상의 각 주파수 위상이 형성하는 최대 중첩 부위 위치를 변할 수 있게 하는 것이다.

이에 따라 도 8에서와 같이 일정한 범위로 특정된 대상 공간의 모든 영역으로 각 초음파에 의해 형성된 최대 중첩 부위 위치를 이동시킬 수 있고, 그럼으로써 본 발명에 의하는 경우 모든 대상 공간에서 빈틈없이 플랑크톤을 제거할 수 있는 효과가 있는 것이다. 이러한 본 발명의 더욱 우수한 점은 실제로 종래의 초음파 발생기에 의해 플랑크톤을 제거하려는 경우, 초음파 강도가 세거나 이렇게 강도가 센 초음파를 한곳에 지속적으로 조사하면 대상으로 하는 플랑크톤 뿐만 아니라 원하지 않는 다른 이로운 생물의 생리적 특성에도 영향을 미쳐 생존율을 떨어뜨리는 문제가 있었던바, 본 발명에 따라 각 초음파에 의해 형성된 최대 중첩 부위 위치를 이동시킴으로써 다른 생물에 영향을 미치지 않으면서도 대상으로 하는 플랑크톤만을 효과적이면서 선택적으로 제거할 수 있는 것이다.

한편, 종래의 초음파 제거장치에는 진동자 1개로 넓은 유효면적을 확보하기 위하여 빔각이 큰 진동자를 사용하였다. 빔각이 크면 출력 면적이 넓어지는 잇점이 있으나, 특정 지점에 초음파를 집중시키기가 어려운 단점이 있다. 그러나, 빔각이 작은 초음파 진동자 다수를 거리를 두고 배열하고, 각 초음파 빔들이 특정 지점에 촛점으로 모이게 하면 매우 강력한 초음파를 특정 지점에 집중시키는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명에 따라 각 초음파 진동자의 출력이 한 곳에 촛점을 이루는 형태를 나타낸 모식도이다. 본 발명에 따른 초음파 진동자는 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 하는바, 도 8에 도시된 바와 같이 빔각이 작은 초음파 진동자 4 대를 물 가장자리나 해안선을 따라서 일정한 간격을 두고 배치를 한후, 각 초음파 진동자의 출력 위상을 조절하였다. 그러면, 각 초음파 진동자에서 출력된 초음파는 어느 한 곳에서 위상이 중첩될 수 있고, 위상이 중첩된 곳에서는 초음파 출력이 배가 되어 하나의 촛점을 형성하게 된다. 본 발명은 이와 같이 물 가장자리나 해안선을 따라 간격을 두고 배열된 각 초음파 진동자에 의한 촛점에 의해 강력한 초음파를 집중시키는 것을 특징으로 하는바, 각 초음파 진동자의 출력 위상은 중첩되어 촛점을 형성하도록 위상이 변하는 것이 바람직하고, 상기 초음파 진동자는 2 개 이상으로 빔각은 20°보다 작은 것이 가장 바람직하다.

나아가, 본 발명은 각 초음파 진동자들의 방향을 제어하는 장치를 추가하는 것도 포함한다. 각 초음파 진동자들의 출력 방향을 각각 동시에 제어하면 촛점을 전후좌우로 이동시킬 수 있는 것이다. 도 9는 상기 각 초음파 진동자의 출력 위상이 중첩되어 형성된 촛점을 이동시켜 수체 전체 공간을 주사(scan)하는 예시도(점선원: 최대 중첩부의 중심을 표시)를 나타낸 것이다. 즉, 본 발명에 따라 초음파에 의해 형성된 최대 중첩 부위를 모든 대상 공간을 이동하면서 부유생물을 제거하는 방법을 보여주고 있다. 이러한 초음파 집중점 또는 촛점을 넓은 면적에 걸쳐서 주사(scan)하는 방법으로, 빔각이 작은 진동자들을 해안선이나 물 가장자리를 따라서 다수 설치하면 광역적인 플랑크톤의 제거장치를 구성하는 것이 가능하다. 본 발명에서 실험한 바로는 플랑크톤 제거장치는 영양염류의 농도가 낮을 경우에는 빔각이 큰 진동자, 바람직하게는 빔각이 45°보다 큰 것을 2개 이상 이용하여 초음파 출력 위상을 제어하는 방법이 가능하다. 또한, 영양염류의 농도가 높을 경우에는 빔각이 작은 진동자, 바람직하게는 빔각이 20°보다 작은 것을 2개 이상 이용함으로써 초음파 진동자의 출력방향을 제어하여 촛점을 이루는 강력한 출력을 얻는 방법으로 활용하는 것이 바람직하다. 이러한 초음파 진동자는 해안선이나 물 가장자리를 따 라서 간격을 두고 배열되고, 초음파 출력이 촛점을 이루도록 출력 방향이 변하는 것이며, 상기 초음파 진동자의 출력 촛점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 수중의 부유생물에서 반사되는 배경음향의 강도를 측정하여 최적 초음파 주파수를 자동으로 결정하며, 2 대 이상의 장치를 동시에 인접한 간격으로 설치하여 녹조류 제거 유효면적을 늘일 수 있으며, 부유생물의 밀도에 따라서 소비전력을 절감할 수 있는 광역 녹조류 제거 장치의 제작이 가능하다.

Claims (5)

1. 부유생물의 밀도 측정을 위한 초음파를 부유생물에 출력하는 단계;

   상기 부유생물에서 반사되는 반사음향 신호 강도를 초음파 수신센서로 수신하는 단계;

   상기 수신된 반사음향 신호에 따라 초음파 진동자를 구동하여 상기 반사음향 신호 강도가 최대로 되는 주파수로 초음파를 출력하는 단계;를 포함하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사음향은 배경잡음이 최대가 되는 초음파 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동자는 빔각이 45°보다 큰 것으로 2개 이상이고, 각 초음파 진동자는 반사음향 신호의 최대 강도 시점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 출력 위상이 변하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 초음파 진동자는 빔각이 20°보다 작은 것으로 2개 이상이고, 각 초음파 진동자는 물 가장자리나 해안선을 따라서 간격을 두고 배열되며, 각 초음파 진동자의 출력은 출력 위상이 중첩되어 촛점을 형성하도록 위상이 변하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 초음파 출력으로 형성되는 촛점이 모든 대상 공간에 존재할 수 있도록 각 초음파 진동자의 출력 방향이 변하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 플랑크톤 제거방법.

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