KR100804513B1 - 압전 외팔보를 이용한 음향센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기, 물과 같은 유체를 통해 전파되는 음파와 고체 매질을 통해 전파되는 탄성파를 측정하는 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전재료로 된 다중 외팔보의 공진주파수를 이용하여 음파 및 탄성파의 신호를 측정하는 센서로, 파가 전파되도록 액체상 및 기체상으로 밀봉되어 있는 도파관 속에 다양한 공진주파수를 가지는 여러 개의 압전 외팔보를 배열하여, 상기 압전 외팔보가 파에 의하여 변형됨으로써 발생하는 전기적 신호를 중첩하여 음파 및 탄성파를 측정하도록 한 것이다.

본 발명에서 외팔보의 형상 및 치수에 따라 다양한 주파수 대역의 음파 및 탄성파의 측정에 적용할 수 있으며, 동일한 외팔보를 여러 개 배열함으로써 특정 주파수의 신호를 증폭시켜 공진형 센서로 사용할 수 있고, 서로 다른 고유주파수를 가지는 압전 외팔보를 배열하여 광대역 센서로 사용할 수 있으며, 같은 크기의 외팔보와 서로 다른 고유주파수를 가지는 압전 외팔보를 복합적으로 배열하여 공진형 센서와 광대역 센서의 기능을 동시에 가지는 센서로도 사용할 수 있는 것이다.

음향센서, 공진형 센서, 광대역 센서, 압전 외팔보

Description

압전 외팔보를 이용한 음향센서{Acoustic sensor using piezoelectric cantilever beams}

도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 다중 압전 외팔보 음향센서의 구성도

도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 압전 외팔보의 공진주파수 계산 설명을 위한 구조도

도 3은 본 발명의 실시예를 나타낸 단일 압전 외팔보가 가지는 주파수응답 특성 그래프

도 4는 본 발명의 실시예를 나타낸 압전 외팔보 배열이 가지는 주파수응답 특성 그래프

도 5a는 본 발명의 실시예를 나타낸 압전물질로 구성된 압전 외팔보의 상세 구성도

도 5b은 본 발명의 실시예를 나타낸 탄성체에 압전박막으로 구성된 압전 외팔보의 상세 구성도

도 6a는 본 발명의 실시예를 나타낸 일정한 에너지 밀도를 유지하기 위한 도파관의 구성도

도 6b는 본 발명의 실시예를 나타낸 음향파의 원활한 방출을 위한 도파관의 구성도

도 6c는 본 발명의 실시예를 나타낸 진동막과 방출막의 방향이 동일한 도파관의 구성도

[도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명]

100 : 도파관 200 : 압전 외팔보

300 : 전파 매질 400 : 진동막

500 : 방출막 600 : 하부 기판

본 발명은 공기, 물과 같은 유체를 통해 전파되는 음파와 고체 매질을 통해 전파되는 탄성파(이하 '음향파'라 칭함)를 측정하는 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전재료로 된 다중 외팔보의 고유진동수를 이용하여 음파 및 탄성파의 신호를 측정하는 센서로, 파가 전파되도록 액체상 및 기체상으로 밀봉되어 있는 도파관 속에 다양한 공진주파수를 가지는 여러 개의 압전 외팔보를 배열하고, 상기 압전 외팔보가 파에 의하여 진동함으로써 발생하는 탄성 변형을 계측하여 음향파 신호를 측정하는 것이다.

음향센서는 측정하고자하는 주파수 대역과 매질 및 측정 대상에 따라 음파 또는 초음파를 받아서 그 진동에 따른 전기신호를 발생하는 마이크로폰, 수중의 음향을 청취하여 표적을 찾아내는 하이드로폰(수중청음기), 초음파센서, 음향방출센서 등이 있다.

일반적으로 음향센서는 측정 가능한 주파수 대역 폭에 따라 공진형과 광대역형으로 분류할 수 있다.

상기 공진형은 신호의 수신 감도가 좋고, 신호대잡음비(SNR)이 높은 장점이 있으나, 측정할 수 있는 주파수 대역이 좁은 단점을 가지고 있으며, 상기 광대역형은 측정 주파수 대역은 상대적으로 넓지만, 수신 감도가 낮고 신호대잡음비가 낮은 단점을 가지고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같이 종래의 음향센서의 단점을 보완한 것으로서, 파가 전파되도록 비압축성 액체가 밀봉되어 있는 도파관 속에 다양한 공진주파수를 가지는 여러 개의 압전 외팔보로 구성되는 새로운 형태의 음향센서를 제공하여 공진형 센서와 같이 특정 주파수에 대해 신호대잡음비가 높으면서도 광대역형 센서와 같이 넓은 주파수 대역에서 우수한 감도를 가지며, 초소형으로 제작 가능한 새로운 형태의 음향센서를 제공하는데 목적이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따르는 음향센서의 구성도로서, 상기 음향센서는 액체상 및 기체상으로(예. 오일, 공기)인 전파매질(300)로 내부가 채워진 도파관(100)과, 상기 도파관(100) 하측의 하부기판(600) 상에 세로로 임의의 m개와 가로로 임의의 n개가 위치하도록 설치된 압전 외팔보(200)와, 상기 도파관(100)의 한쪽 끝은 도파관(100) 내로 음향파를 전달하도록 형성된 진동막(400)과, 상기 진동막(400)의 반 대편에는 음향파를 외부로 배출하도록 형성된 방출막(500)으로 구성된다.

상기 압전 외팔보(200)는 하부 기판상(600)에 하나 이상의 2차원 배열로 설치되며, 상기 하부기판(600)에 설치되는 압전 외팔보(200)는 음향파의 진행방향에 수직인 방향으로는 동일한 고유진동수를 가지는 동일한 크기의 압전 외팔보(200)를 배열하되, 음향파의 진행방향으로는 앞쪽에는 고유진동수가 높은 압전 외팔보(200)를 위치시키고, 뒤쪽으로는 고유진동수가 낮은 압전 외팔보(200)를 설치한다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 음향파가 진동막(400)을 통하여 도파관(100)내로 전달되고, 도파관(100)내부로 전달된 음향파가 진행하는 경로 상에 위치한 압전 외팔보는 상기 음향파에 의하여 기계적 변형이 발생하고, 상기 기계적 변형에 따라 외팔보에 부착된 압전재료에서 전하의 흐름이 발생하게 된다. 이와 같은 작용에 의하여 다수개로 설치된 각각의 압전 외팔보(200)는 기하학적 구조에 따라 서로 다른 고유진동수 특성을 가지게 된다.

상기 압전 외팔보(200)는 기하학적 구조는 음향파의 특성에 따라 적당하도록 직육면체, 원기둥, 직사면체, 원추형, 역원추형 등의 형상으로 형성된다.

도 5 에서와 같이 상기 압전 외팔보(200)는 압전 단결정이나 압전 세라믹 등의 압전 재료를 이용할 수 있으며, 또는 일반적인 금속과 같은 탄성체로 외팔보를 구성하고, 외팔보의 한쪽 면에 전극면이 형성된 압전 폴리머나 압전 박막을 부착하여 형성된다.

도 5a 와 같이 압전 외팔보(200)는 압전 세라믹과 같은 압전재료로 된 압전 외팔보에 대한 상세도로서, 압전 외팔보(200)는 압전 단결정이나 압전 세라믹 등으 로 형성된 압전재료(210) 양면에 전극면(220)을 부착하고, 그 외부에 전기적 절연을 위하여 절연물질(230)을 도포한 구조를 가지며, 각 전극면(220)은 연결도선(240)으로 하부 기판(600)을 통하여 연결된 구조이다.

도 5b 와 같이 압전 외팔보(200)는 금속과 같은 탄성체로 압전재료(210)의 한쪽 면에 양쪽으로 전극면이 형성된 박막(250)을 부착하고, 그 외부를 전기적 절연을 위해 절연물질(230)이 도포되며, 상기 박막(250)에는 연결도선(240)이 하부 기판(600)을 통하여 설치되어 있다.

상기의 연결도선(240)은 도시되지 않은 신호처리수단에 연결되고, 상기 신호처리수단은 압전 외팔보(200)에서 발생하는 전기신호를 중첩시켜 처리하는 장치이다.

상기 압전 외팔보(200)는 도 2는 압전 외팔보의 고유진동수 계산 설명을 위한 구조도에서 보는 바와 같이, 한쪽 단이 하부기판(600)에 고정되어 있고, 음향파에 의하여 음압과 같은 외력이 가해지면 변형 또는 처짐(δ(x))이 발생하며, 특정 주파수에서 공진이 발생하게 된다.

압전 외팔보(200)에 발생하는 공진 현상은 압전 외팔보의 형상에 따라 다르며, 이러한 현상에 따라 다양한 공진 주파수를 가지게 된다.

도 2 와 같이 압전 외팔보의 길이를 l, 폭을 b, 두께를 t라고 할 때, 상기 압전 외팔보의 종방향 굽힘모드의 공진 주파수 f는 다음과 같이 주어진다.

여기서,

는 고유진동수(natural frequency),

는 재료의 탄성계수(Young's modulus of material),

는 재료의 밀도(density of material),

는 보의 두께(thickness of beam),

은 보의 길이(length of beam)를 나타낸다.

이와 같이 동일한 재료의 압전 외팔보(200)는 그 두께와 길이에 따라서 서로 다른 다양한 고유진동수 특성을 가지게 된다.

즉, 한 개의 압전 외팔보(200)가 가지는 주파수 응답 특성은 도 3 에 도시한 바와 같이 특정 주파수 대역에서만 응답성이 높게 나타나지만, 압전 외팔보(200)의 길이를 조금씩 다르게 한 복수의 압전 외팔보(200)에서 각각의 주파수 응답을 중첩시키면 도 4 에 도시한 바와 같이, 광대역 주파수 특성을 가지게 된다.

음향파는 매질을 통해 전파되면서 자연히 감쇠하게 되는데, 그 감쇠 정도는 주파수가 높을수록 빨리 감쇠하고, 주파수가 낮을수록 멀리 전파된다.

따라서, 도 1 에서 도시한 압전 외팔보(200) 배열과 같이, 상기 음향센서는 음향파가 유입되는 진동막 쪽에 높은 주파수를 감지할 수 있도록 고유진동수가 높은 압전 외팔보를 설치하고, 그 뒤쪽으로 갈수록 낮은 고유진동수를 가지는 외팔보 를 설치하도록 한다.

또한, 감쇠로 인해 도파관을 통해 전달되는 음향파의 에너지 밀도는 감소하게 됨으로 도 6a 에 도시한 바와 같이, 진동막(400)에서 방출막(500)으로 갈수록 점점 단면적이 줄어들게 도파관(110)을 형성하여 일정한 에너지 밀도를 가지게 할 수 있으며, 또는 도시되어 있지 않으나 진동막(400)과 방출막(500)이 같은 방향에 있도록 점점 단면적이 줄어들게 형성된 도파관(110)을 'U'자 형태로 형성하는 것도 가능하다.

도 6b 에 도시한 바와 같이 방출막(500)에서 음향파가 반사되어 되돌아 오는 것을 방지하고, 방출막(500)을 통한 음향파의 방출이 용이하도록 하기 위하여 방출막(600) 쪽으로 갈수록 음향파의 에너질 밀도가 감소하도록 점점 단면적이 증가하도록 도파관(120)을 형성하여 점점 단면적이 줄어들게 형성된 도파관(110)에 도파관(120)을 설치할 수 있다.

도 6c 에 도시한 바와 같이, 진동막(400)과 방출막(500)이 같은 방향에 있도록 점점 단면적이 줄어들게 형성된 도파관(110)과 점점 단면적이 증가하도록 형성된 도파관(120)을 U자 형태로 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 상기 도파관(100)의 형상은 그 활용 방법에 따라 자유롭게 그 형상의 변형이 가능한 것이다.

이러한 본 발명은 동일한 고유진동수를 가지는 다수개의 압전 외팔보(200)를 설치하여 특정 고유진동수를 가지는 공진형 음향센서로 사용할 수 있으며, 서로 다른 고유진동수를 가지는 압전 외팔보(200)를 다수개로 설치하여 광대역 센서로 사 용할 수 있고, 동일한 고유진동수를 가지는 다수개의 압전 외팔보(200)를 설치하는 동시에 서로 다른 고유진동수를 가지는 압전 외팔보(200)를 다수 개를 설치하여 공진형 음향센서와 광대역 센서의 두 가지 센서 기능을 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제안된 음향센서는 배열된 압전 외팔보의 형상 및 치수에 따라 광범위한 주파수 대역의 음향센서에 적용할 수 있는 것으로서, 같은 고유진동수를 가지는 압전 외팔보를 다수개로 배열하여 특정 주파수의 신호를 증폭시킴으로써 기존의 공진형 센서와 같은 기능을 할 수 있고, 서로 다른 고유진동수를 가지는 외팔보를 다수개로 배열하여 광대역 센서와 같은 기능을 할 수 있어 공진형 센서와 같이 신호대잡음비가 높으면서도 광대역형 센서와 같이 넓은 주파수 대역에서 우수한 감도를 가지는 장점을 동시에 구현할 수 있는 것이다.

또한, 초소형으로 제작 가능하며 제작비용을 절감시킬 수 있는 것이다.

Claims (11)

1. 음향파를 측정하는 센서에 있어서,

   밀봉된 액체상 및 기체상으로 채워진 도파관(100)과;

   상기 도파관(100) 내로 음향파가 전달되도록 도파관(100)과 일측에 형성된 진동막(400)과,

   상기 진동막(400) 반대편의 도파관(100)에 설치되어 도파관(100)을 통과한 음향파를 외부로 방출시키는 방출막(500)과,

   상기 도파관(100) 내에서 음향파의 진행 방향과 평행한 방향으로 형성된 하부기판(600)과,

   상기 하부기판(600)에 적어도 2개 이상의 압전 외팔보(200)가 설치되며,

   상기 도파관(100)이 음향파의 에너지 밀도의 감소를 방지하기 위해 진동막(400) 쪽에서 방출막(500) 쪽으로 갈수록 단면적이 감소하는 형태의 도파관(110)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
2. 음향파를 측정하는 센서에 있어서,

   밀봉된 액체상 및 기체상으로 채워진 도파관(100)과;

   상기 도파관(100) 내로 음향파가 전달되도록 도파관(100)과 일측에 형성된 진동막(400)과,

   상기 진동막(400) 반대편의 도파관(100)에 설치되어 도파관(100)을 통과한 음향파를 외부로 방출시키는 방출막(500)과,

   상기 도파관(100) 내에서 음향파의 진행 방향과 평행한 방향으로 형성된 하부기판(600)과,

   상기 하부기판(600)에 적어도 2개 이상의 압전 외팔보(200)가 설치되며,

   상기 도파관(100)이 음향파의 에너지 밀도의 감소를 방지하기 위해 진동막(400) 쪽에서 방출막(500) 쪽으로 갈수록 단면적이 점점 감소하는 형태의 도파관(110)과 단면적이 점점 증가하는 형태의 도파관(120)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   동일한 고유진동수를 가지는 다수개의 압전 외팔보(200)와,

   서로 다른 고유진동수를 가지는 다수개의 압전 외팔보(200)를 설치하여 공진형 음향센서와 광대역형 센서의 역할을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   압전 외팔보(200)는 하부 기판상(600)에 2차원 배열로 설치됨을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   압전 외팔보(200)를 하부 기판상(600)에 설치함에 있어, 음향파의 진행방향에 수직인 방향으로는 동일한 고유진동수를 가지는 동일한 크기의 압전 외팔보(200)를 배열하되, 음향파의 진행방향으로는 앞쪽에는 고유진동수가 높은 압전 외팔보(200)를 위치시키고, 뒤쪽으로는 고유진동수가 낮은 압전 외팔보(200)를 설치하는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   압전 외팔보(200)는 압전 세라믹으로 형성된 압전재료(210)의 양면에 전극면(220)을 부착하고 그 외부를 전기적 절연을 위해 절연물질(230)이 도포된 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   압전 외팔보(200)는 압전재료(210)를 금속과 같은 탄성체로 형성되며, 상기 압전재료(210)의 한쪽 면에 양쪽으로 전극면이 형성되어 있는 박막(250)을 부착하고 그 외부를 전기적 절연을 위해 절연물질(230)이 도포된 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   압전 외팔보(200)의 기하학적 형상이 직육면체, 원기둥, 직사면체, 원추형, 역원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   진동막(400)과 방출막(500)이 동일한 방향으로 형성되도록 도파관이 'U'자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

    압전 외팔보(200)의 고유진동수는

    

    

    와 같은 식에 의해 구해짐을 특징으로 하는 압전 외팔보를 이용한 음향센서.
11. 삭제

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