KR100811862B1 - 압전배열막을 이용한 음향센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 유체를 통해 전파되는 음파와 고체 매질을 통해 전파되는 탄성파를 측정하는 음향센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파관에 분리막을 설치하여 상부 도파관과 하부 도파관으로 분리하고, 상기 도파관을 분리하는 분리막에 압전센서를 다양한 형태로 배열함으로써 넓은 대역의 주파수를 검출하거나 특정주파수의 신호를 증폭할 수 있는 압전배열막을 이용한 음향센서에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 분리막에 배열되는 압전센서를 같은 형태로 배열하여 특정주파수의 신호를 중첩시킴으로써 감도를 향상시키는 공진형 음향센서 또는 압전센서를 서로 다른 형태로 배열하여 넓은 대역의 주파수를 검출하는 광대역형 음향센서로 사용할 수 있는 것이다.

이러한 본 발명의 음향파를 측정하는 센서는 음향파가 유입되는 진동막과 방출되는 방출막이 형성되고, 상기 진동막으로 유입된 음향파를 전달하도록 전파매질이 채워진 도파관과;

상기 도파관을 상부 도파관과 하부 도파관으로 분리하도록 형성된 분리막과;

상기 도파관의 단부에 진동막으로 유입된 음향파를 흡수하도록 형성된 무향종말처리부와;

상기 분리막에 음향파를 검출하는 다수개의 압전센서로 이루어진다.

음향센서, 압전재료, 압전 폴리머, 공진형 음향센서, 광대역형 음향센서

Description

압전배열막을 이용한 음향센서{Acoustic sensor use of piezo-arrangement film}

도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 음향센서의 사시도

도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 음향센서의 종단면도

도 3은 도 2의 A-A선 단면도

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도 2의 A-A선 단면도

도 5는 본 발명의 실시예를 나타낸 도파관의 여러 종단면모양을 나타낸 개략도

도 6a는 본 발명의 실시예를 나타낸 도파관의 평면도

도 6b는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도파관의 평면도

도 6c는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 도파관의 평면도

도 7a는 본 발명의 실시예를 나타낸 압전센서의 단면도

도 7b는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 압전센서의 단면도

도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 공진형 음향센서로 이용되는 압전센서의 배열도

도 8b는 본 발명의 실시예에 따라 광대역형 음향센서로 이용되는 압전센서의 배열도

도 8c는 본 발명의 실시예에 따라 광대역형 음향센서로 이용되는 압전센서의 다른 배열도

도 8d는 본 발명의 실시예에 따라 광대역형 음향센서로 이용되는 압전센서의 또 다른 배열도

도 8e는 본 발명의 실시예에 따라 광대역형 음향센서로 이용되는 압전센서의 또 다른 배열도

[도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 도파관

11 : 상부도파관 12 : 하부도파관

13: 진동막 14 : 방출막

20 : 분리막

30 : 압전센서

50 : 무향종말처리부

본 발명은 공기와 같은 기체 또는 물과 같은 유체를 통해 전파되는 음파와 고체 매질을 통해 전파되는 탄성파를 측정하는 음향센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파관에 분리막을 설치하여 상부 도파관과 하부 도파관으로 분리하고, 상기 도파관을 분리하는 분리막에 압전센서를 다양한 형태로 배열함으로써 넓은 대역의 주파수를 검출하거나 특정주파수의 신호를 증폭할 수 있는 압전배열막을 이용한 음향센서에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 분리막에 배열되는 압전센서를 같은 형태로 배열하여 특정주파수의 신호를 증폭시키는 공진형 음향센서 또는 압전센서를 서로 다른 형태로 배열하여 넓은 대역의 주파수를 검출하는 광대역형 음향센서로 사용할 수 있는 것이다.

이하, 기체와 유체를 통해 전파되는 음파와 고체매질을 통하여 전파되는 탄성파를 '음향파'라 칭한다.

음향센서에는 측정하고자하는 주파수 대역과 매질 및 측정 대상에 따라 음파 또는 초음파를 받아서 그 진동에 따른 전기신호를 발생하는 마이크로폰, 수중 음향용 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)가 높은 장점이 있으나, 측정할 수 있는 주파수 대역이 좁은 단점을 가지고 있으며, 상기 광대역형은 측정 주파수 대역은 상대적으로 넓지만, 수신 감도가 낮고 신호대 잡음비가 낮은 단점을 가지고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같이 종래의 음향센서의 단점을 보완하고자 음향센서에 압전재료를 이용한 것으로서, 도파관을 상부도파관과 하부도파관으로 분리하도록 분리막을 설치하고, 상기 분리막에 특정주파수의 신호를 증폭할 수 있도록 하거나 다양한 주파수를 검출할 수 있도록 압전센서를 다양하게 배치하여 공진형 음향센서 또는 광대역형 음향센서를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자 음향파가 유입되는 진동막과 방출되는 방출막이 형성되고, 상기 진동막으로 유입된 음향파를 전달하도록 전파매질이 채워진 도파관과; 상기 도파관을 상부 도파관과 하부 도파관으로 분리하도록 형성된 분리막과; 상기 도파관의 단부에 진동막으로 유입된 음향파를 흡수하도록 형성된 무향종말처리부와; 상기 분리막에 음향파를 검출하는 다수개의 압전센서 이루어진 음향센서를 제공하는데 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하고자 본 발명의 압전배열막을 이용한 음향센서는

음향파가 유입되는 진동막과 방출되는 방출막이 형성되고, 상기 진동막으로 유입된 음향파를 전달하도록 내부에 전파매질이 채워진 도파관과;

상기 도파관을 상부 도파관과 하부 도파관으로 분리하도록 형성된 분리막과;

상기 도파관의 단부에 진동막으로 유입된 음향파를 흡수하도록 형성된 무향종말처리부와;

상기 분리막에 음향파를 검출하는 다수개의 압전센서를 포함하도록 구성된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 음향센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예를 나타낸 음향센서의 종단면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도 2의 A-A선 단면도이다.

도 1 내지 도 4에서와 같이 음향파를 측정하는 센서인 본 발명은,

일측으로 음향파가 유입되는 진동막(13)이 형성되고, 타측으로 상기 진동막(13)으로 유입된 음향파가 방출되는 방출막(14)이 형성되며, 상기 진동막(13)으로 유입된 음향파를 전달하도록 내부에 전파매질이 채워진 도파관(10)과;

상기 도파관(10)을 상부 도파관(11)과 하부 도파관(12)으로 분리하도록 형성된 분리막(20)과;

상기 도파관(10)의 단부(15)에 진동막(13)으로 유입된 음향파를 흡수하도록 형성된 무향종말처리부(50)와;

상기 분리막(20)에 음향파를 검출하는 다수개의 압전센서(30)를 포함하도록 구성된다.

도 3과 같이 도파관(10)의 일측 단부에 음향파가 유입되는 진동막(13)을 설치하고, 타단부에 진동막(13)으로부터 유입된 음향파를 배출하는 방출막(14)을 설치하고, 진동막(13)부터 방출막(14)까지의 양단부에 분리막(20)을 형성할 수 있으며, 또는 도 4와 같이 도파관(10)의 일측 단부에 음향파가 유입되는 진동막(13)과 상기 진동막(13)으로부터 유입된 음향파를 배출하는 방출막(14)을 설치하고, 타단부에는 연결통로가 형성되도록 분리막(20)을 형성할 수 있는 것이다.

도 3의 경우는 구조가 간단하여 제작의 편의성이 있는 장점이 있으며, 도 4의 경우는 음향파의 경로를 길게 하여 반사파의 영향을 감소시켜 음향센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있는 것이다.

상기 도파관(10)의 진동막(13)과 대향되는 부분의 단부(15)에는 음향파를 흡수하는 무향종말처리부(50)가 설치될 수 있는 것이다.

상기 무향종말처리부(50)는 음향파를 흡수하는 장치로 여러 주지적인 기술이 제시되어 것으로, 무향종말처리부(50)에 의하여 반사파의 발생을 억제시킴으로써 음향센서의 감도를 높일 수 있는 것이다.

상기 상부 도파관(11)과 하부 도파관(12)로 분리된 도파관(10)의 내부에는 진동막(13)으로 유입된 음향파를 방출막(14)으로 전달하도록 전파매질이 채워져 있으며, 상기 전파매질은 보통 유체인 것을 사용하나 고체를 사용할 수도 있다.

상기 도파관(10)의 단면은 첨부된 도 5과 같이 사용목적과 용도에 따라 원형, 타원형과 원형계통의 단면을 가질 수 있으며, 또는 삼각형, 사각형, 오각형과 같은 다각형태의 단면을 가질 수 있는 것이다.

상기 도파관(10)의 평면은 사용목적과 용도에 따라 첨부된 도 6a 내지 6c와 같이 형성될 수 있는 것이다.

더욱 상세하게는 도 6a와 같이 직사각형태로 형성되어 음향파가 유입되는 통로의 단면적이 동일하도록 형성될 수 있는 것으로 이는 제작의 편의성을 고려한 가장 간단한 형태이다. 실제 음향파는 진행하면서 전파매질에 의한 감소로 에너지 밀도가 점점 감소하므로 이를 위하여 도파관(10)은 도 6b와 같이 사다리꼴 형태로 형 성되어 점점 감소되도록 형성할 수 있으며, 또는 음향파의 에너지 밀도는 진행경로에 따라 지수함수적으로 감소하기 때문에 도 6c와 같이 도파관(10)을 지수함수적으로 점점 감소되도록 형성할 수 있는 것으로 상기와 같이 지수함수적으로 점점 감소되도록 형성하는 것이 가장 이상적이다.

상기와 같이 구성된 음향센서에 압전재료를 사용하기 위하여, 첨부된 도 7a와 같이 상기 도파관(10)을 상부 도파관(11)과 하부 도파관(12)으로 분리하는 분리막(20)을 압전 폴리머(PVDF)와 같은 압전재료로 형성하거나, 또는 첨부된 도 7b와 같이 보통의 분리막(20)에 압전재료로 이루어진 막(33)의 상하부면에 전극(31, 32)이 설치되어 형성된 압전센서(30)를 사용한다.

상기 전극(31, 32)에는 도선(34)이 연결되어 있으며, 상기 도선(34)은 도시되지 않은 신호처리수단에 연결되고, 상기 신호처리수단은 음향파에 의하여 압전센서에서 발생하는 전기신호를 처리한다.

음향센서에서 음향파에 의하여 발생되는 전기신호를 처리하는 신호처리수단은 이미 공지된 주지기술이다.

음향센서에 사용되는 상기 압전센서(30)는 분리막(20)이 압전재료로 이루어진 경우에는 압전재료로 형성된 분리막(20)의 상부면에 상부 전극(31)이 형성되고 상기 상부 전극(31)과 대응되는 하부면에 하부 전극(32)을 설치함으로써 형성되며, 분리막(20)이 압전재료로 이루어지지 않은 경우에는 압전재료로 이루어진 막(33)의 상하부면에 전극(31, 32)이 설치되어 형성된다.

상기 분리막(20)에 다수개가 설치되는 압전센서(30)의 형상 및 배열방법에 따라 특정주파수의 신호를 증폭시키는 공진형 음향센서와 넓은 대역의 주파수를 검출하는 광대역형 음향센서로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 나타낸 도 8를 참조하여 설명한다.

도 8a는 공진형 음향센서로 사용되기 위한 분리막의 형상과 압전센서의 배열를 나타낸 것으로, 분리막(20)은 직사각형 형태로 음향파가 진행하는 도파관(10) 내에 동일한 폭을 유지하고, 길이(l)과 폭(w)이 일정하게 형성된 다수개의 압전센서(30)를 압전센서(30)의 폭(w)과 동일한 간격(d)으로 배치한 것이다. 이는 각각의 압전센서(30)가 동일한 경계조건과 공진모드를 가지도록 하기 위함이다.

도 8b 내지 도 8e는 광대역형 음향센서로 사용되기 위한 분리막의 형상과 압전센서의 배열을 나타낸 것이다.

도 8b는 폭이 일정하게 형성된 분리막(20)에 길이(l)는 일정하고 폭(w)은 점점 증가되도록 다수개의 압전센서(30)를 배치하되, 상기 압전센서(30)의 배치 간격(d)을 동일하게 한 것이며,

도 8c는 단면적이 지수함수적으로 점점 작아지도록 형성된 도파관(10)과 폭이 점점 증가되도록 형성된 분리막(20)에 길이(l)는 일정하고 폭(w)은 점점 증가되도록 다수개의 압전센서(30)를 배치하되, 상기 압전센서(30)의 배치 간격(d)을 동일하게 한 것이며,

도 8d는 단면적이 점점 작아지도록 형성된 도파관(10)과 폭이 점점 증가되도록 형성된 분리막(20)에 압전센서(30)의 길이(l)와 폭(w)을 점점 증가되도록 형성하고, 배치 간격(d)을 일정하게 한 것이며,

도 8e에 나타낸 실시예와 같이 분리막(20)의 폭은 음향파의 진행 방향에 따라 증가하게 하고, 압전센서(30)의 길이(l)도 상기 분리막(20)의 폭에 따라 증가하며, 상기 압전센서(30)의 폭(w)과 간격(d)도 증가하도록 형성한 것으로, 이는 도파관(10)의 앞쪽에서는 고주파를 검출하고, 뒤쪽에서는 저주파를 검출할 수 있도록 각각의 압전센서(30)의 경계조건과 공진모드를 다르게 한 것이다.

상기에서 제시된 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일예로서 음향센서의 사용목적과 용도에 따라 압전센서(30)의 길이(l)와 폭(w)을 다양하게 형성할 수 있으며, 압전센서(30)의 배치 간격(d)을 다양하게 배치하여 사용할 수 있는 것이다.

이러한 본 발명은 평판 상에 압전센서를 이용하여 음향파를 검출하는 압전형 음향센서로, 압전센서의 크기 및 배열에 따라 다양하게 사용될 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제안된 음향센서는 배열된 전극의 형상 및 배열방법에 따라 공진형 음향센서 또는 광대역형 음향센서로 사용할 수 있으며, 또는 공진형 음향센서와는 광대역형 음향센서를 병합하여 사용할 수 있는 것이다.

또한, 압전재료를 이용함으로써 음향센서를 최소형으로 제작이 가능하며, 고주파수용 음향센서의 제작이 가능한 것이다.

Claims (14)

1. 음향파를 측정하는 음향센서에 있어서,

   음향파가 유입되는 진동막(13)과 방출되는 방출막(14)이 형성되고, 상기 진동막(13)으로 유입된 음향파를 전달하도록 내부에 전파매질이 채워진 도파관(10)과;

   상기 도파관(10)을 상부 도파관(11)과 하부 도파관(12)으로 분리하도록 형성된 분리막(20)과;

   상기 도파관(10)의 단부(15)에 진동막(13)으로 유입된 음향파를 흡수하도록 형성된 무향종말처리부(50)와;

   상기 분리막(20)에 음향파를 검출하는 다수개의 압전센서(30)를 포함하도록 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 분리막(20)은 압전재료로 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 분리막(20)은 상부 도파관(11)과 하부 도파관(12)이 단부(15)에서 연통되도록 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 압전센서(30)는 압전재료로 형성된 막(33)의 상부면과 하부면에 전극(31, 32)이 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 압전센서(30)는 압전재료로 형성된 분리막(20)의 상부면에 상부 전극(31)이 형성되고, 상기 상부 전극(31)과 대응되는 하부면에 하부 전극(32)이 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도파관(10)은 원형, 타원형, 사각형, 다각형 중 어느 한 단면모양 형태로 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도파관(10)은 진동막(13)으로부터 방출막(14)까지의 단면적이 동일하게 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도파관(10)의 평면모양은 점점 작아지도록 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도파관(10)의 평면모양은 지수함수적으로 점점 작아지도록 형성됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 분리막(20)은 특정주파수의 신호를 중첩시키도록 폭을 동일하게 형성함을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 분리막(20)은 넓은 대역의 주파수를 검출하도록 폭을 점점 증가되도록 형성함을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
12. 제4항 또는 제5항에 있어서,

    상기 압전센서(30)는 특정주파수의 신호를 중첩시키도록 길이(l)와 폭(w)이 일정한 다수개의 압전센서를 폭(w)과 동일한 간격(d)으로 배치됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
13. 제4항 또는 제5항에 있어서,

    상기 압전센서(30)는 넓은 대역의 주파수를 검출하도록 길이(l)가 점점 증가되도록 형성되어 배치됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.
14. 제4항 또는 제5항에 있어서,

    상기 압전센서(30)는 넓은 대역의 주파수를 검출하도록 폭(w)이 점점 증가되도록 형성되어 배치됨을 특징으로 하는 압전배열막을 이용한 음향센서.

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