KR101144013B1 - A sonar system and an impedance matching method - Google Patents

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Abstract

송신기; 트랜스듀서; 및 임피던스 정합 회로;를 포함하되, 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로는 상기 트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가 모델로부터 상기 트랜스듀서, 상기 임피던스 정합 회로 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합 회로를 포함한 상기 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 음파 및 초음파 대역에서 대역폭을 확장하고 역률값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 능동 소나(SONAR) 시스템 및 임피던스 정합 방법을 제시하여, 능동 소나 시스템에서 송신기와 트랜스듀서 간 넓은 대역폭에서 효율적인 구동이 가능하여, 능동 소나 시스템의 출력 성능 향상과 탐지 성능에 기여한다. transmitter; Transducers; And an impedance matching circuit, wherein the transducer and the impedance matching circuit are formed from an equivalent model corresponding to the measured impedance data of the transducer, the resonance frequency of each of the transducer, the impedance matching circuit, or the transducer and the The resonance frequency of the impedance matching circuit is matched to each other, and the position and interval of the frequency at which the reactance component of the transducer including the impedance matching circuit becomes zero are controlled to expand the bandwidth and increase the power factor value in the sound wave and ultrasonic bands. By presenting an active sonar system and impedance matching method, it is possible to drive efficiently in a wide bandwidth between a transmitter and a transducer in an active sonar system, contributing to the output performance and detection performance of the active sonar system. .

Description

능동 소나 시스템 및 임피던스 정합 방법{A SONAR SYSTEM AND AN IMPEDANCE MATCHING METHOD}Active sonar system and impedance matching method {A SONAR SYSTEM AND AN IMPEDANCE MATCHING METHOD}

본 발명은 능동 소나 시스템 및 임피던스 정합 방법에 관한 것으로서, 특히 능동 소나 시스템의 수중 음향 트랜스듀서의 광대역, 고효율 구동을 위한 임피던스 정합 회로를 갖는 능동 소나 시스템 및 임피던스 정합 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an active sonar system and an impedance matching method, and more particularly, to an active sonar system and an impedance matching method having an impedance matching circuit for wideband, high efficiency driving of an underwater acoustic transducer of an active sonar system.

육상이나 공중에서는 전자파를 이용하여 레이더, 레이저 또는 적외선으로 표적을 탐지하지만 수중에 있는 표적을 탐지할 때는 음파를 이용하는 소나(SONAR: Sound Navigation And Ranging)를 사용한다. 능동 소나는 선박이 안전한 항해를 하게 하고 위협이 되는 수중 물체를 찾아내는 역할을 하는 선박의 필수적인 음향 장비이다. 능동 소나의 작동 원리는 압전현상을 이용하는데, 압전현상을 나타내는 결정이나 세라믹에 흐르는 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시켜주면 이들이 진동하면서 같은 주파수의 음파를 발생한다. 반대로 외부에서 음파를 받으면 전기에너지를 발생시키므로 이 전기신호를 분석하면 음파의 성분을 찾아낼 수 있다. 이렇게 음파를 송신 또는 수신 할 수 있는 장비를 능동 소나라 한다.On land and in the air, electromagnetic waves are used to detect targets by radar, laser or infrared, but sonar (SONAR) is used to detect targets in the water. Active sonar is the ship's essential acoustic equipment, which helps the ship navigate safely and locate threatening underwater objects. The operating principle of an active sonar uses piezoelectric phenomena. When the intensity of the current flowing through a crystal or ceramic exhibiting piezoelectric phenomena changes to a constant frequency, they vibrate and generate sound waves of the same frequency. On the contrary, when the sound wave is received from the outside, electric energy is generated, so analyzing the electric signal can find the components of the sound wave. The equipment that can transmit or receive sound waves is called an active sonar.

능동 소나 시스템에서 송신기로부터 부하인 트랜스듀서(transducer)에 광대역에서 최대 전력을 효율적으로 공급하기 위해서는 송신기와 트랜스듀서간의 전기적 인터페이싱에 해당하는 임피던스 정합 기능이 필수적으로 요구된다. 그러나 임피던스 정합을 위한 대부분의 기존 방법들은 부하에 최대 전력을 전송하기 위하여 공액 임피던스 정합을 수행함으로써 최대 효율이 50%까지로 제한되는 문제점이 있다. 특히, 이러한 방법은 송신기의 출력 임피던스가 매우 작고 공급 전원이 제한된 범위에서 동작하는 능동 소나 시스템에 적용하기에는 유용하지 않다. In an active sonar system, the impedance matching function corresponding to the electrical interfacing between the transmitter and the transducer is indispensable to efficiently supply the maximum power in a wide band from the transmitter to the load, the transducer. However, most existing methods for impedance matching have a problem that the maximum efficiency is limited to 50% by performing conjugate impedance matching to transmit the maximum power to the load. In particular, this method is not useful for active sonar systems where the output impedance of the transmitter is very small and the supply power is limited.

따라서, 송신기로부터 고효율로 출력 전력을 인출할 수 있도록 부하인 트랜스듀서의 임피던스에 대한 허수 성분만을 상쇄시켜 불필요한 무효전력 성분을 최소화하는 임피던스 정합 방법을 고려할 수 있다. Therefore, an impedance matching method of minimizing unnecessary reactive power components by canceling only the imaginary component of the impedance of the load as a transducer so as to draw output power from the transmitter with high efficiency may be considered.

그러나 이러한 기법으로 정합된 트랜스듀서의 전기적 특성은 정합된 주파수 영역에서도 입력 임피던스와 인가되는 전력의 편차가 크며, 그 편차는 트랜스듀서 자체의 물리적 특성에 의해 좌우되므로 정합 기법에 의한 제어가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 트랜스듀서의 추정된 전기적 등가 모델에 필터 회로망 합성법을 적용하는 임피던스 정합 방법 등이 제안되었으나 물리적으로 고정된 트랜스듀서의 파라미터로 인하여 고효율 동작에 필요한 리액턴스 성분의 최소화를 위한 임피던스 정합 대역폭에 제약 조건이 발생한다는 단점이 있다. However, the electrical characteristics of the transducers matched by these techniques have a large variation in the input impedance and applied power even in the matched frequency domain, and the variation is dependent on the physical characteristics of the transducer itself, which makes it difficult to control the matching technique. have. In order to solve this problem, an impedance matching method that applies filter network synthesis method to the estimated electrical equivalent model of the transducer has been proposed, but impedance matching for minimizing the reactance components required for high efficiency operation due to the physically fixed transducer parameters. The disadvantage is that bandwidth constraints occur.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로,트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가모델로부터 임피던스 정합 회로를 구성하는데 있어, 대역폭을 확장하고 역률값을 증가시킨 임피던스 정합 회로를 포함한 능동 소나 시스템을 제공하는 것에 있다. The problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, in configuring an impedance matching circuit from the equivalent model corresponding to the measured impedance data of the transducer, an impedance matching circuit with an increased bandwidth and a power factor value In providing an active sonar system including.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대역폭 및 역률 특성 개선을 위하여 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 정합회로 구성 소자 값들을 구하는 것을 특징으로 하고 트랜스듀서 구동 전압 제어와 누설 전류 최소화 및 부품 크기의 소형화가 가능한 임피던스 정합 방법을 제공하는 것에 있다. Another problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, and to obtain matching circuit component values by controlling the position and interval of the frequency at which the reactance component of the transducer becomes 0 to improve the bandwidth and power factor characteristics The present invention provides an impedance matching method capable of controlling the transducer driving voltage, minimizing leakage current, and minimizing component size.

상기 본 발명의 목적은, 입력 전원과 입력 임피던스로 모델링되는 송신기; 상기 송신기의 전기적 신호를 음파로 변환하거나 음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서(transducer); 및 상기 송신기와 상기 트랜스듀서 사이에서 상기 송신기의 전력량을 높은 효율로 상기 트랜스듀서에 전송하기 위한 임피던스 정합 회로;를 포함하되, 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로는, 상기 트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가 모델로부터 상기 트랜스듀서, 상기 임피던스 정합 회로 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합회로를 포함한 상기 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 음파 및 초음파 대역에서 대역폭을 확장하고 역률값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 능동 소나(SONAR) 시스템을 제공함으로써 달성될 수 있다. An object of the present invention, the transmitter modeled by the input power source and the input impedance; A transducer for converting the electrical signal of the transmitter into sound waves or converting sound waves into electrical signals; And an impedance matching circuit for transmitting the amount of power of the transmitter to the transducer between the transmitter and the transducer with high efficiency, wherein the transducer and the impedance matching circuit are measured impedance data of the transducer. From the equivalent model corresponding to the resonance frequency of each of the transducer, the impedance matching circuit or the resonance frequency of the transducer and the impedance matching circuit to each other, the reactance component of the transducer including the impedance matching circuit is It can be achieved by providing an active sonar system that controls the location and spacing of frequencies to be zero, thereby extending the bandwidth and increasing the power factor in the sound and ultrasonic bands.

또한 입력 전원과 입력 임피던스로 모델링되는 송신기 및 상기 송신기의 전기적 신호를 음파로 변환하거나 음파로부터 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서 (transducer)를 포함하는 능동 소나(SONAR) 시스템의 임피던스 정합 방법에 있어서, 상기 송신기와 상기 트랜스듀서 사이에서 상기 송신기의 전력량을 높은 효율로 상기 트랜스듀서에 전송하기 위해 상기 트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가 모델로부터 상기 트랜스듀서, 상기 임피던스 정합 회로 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합 회로를 포함한 상기 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 음파 및 초음파 대역에서 대역폭 및 역률 특성을 개선하는 것을 특징으로 한 임피던스 정합 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다. In the impedance matching method of an active sonar system comprising a transmitter modeled by the input power and the input impedance and a transducer for converting the electrical signal of the transmitter into a sound wave or a sound wave to an electrical signal, The resonant frequency of each of the transducer, the impedance matching circuit, or the equivalent model, corresponding to the measured impedance data of the transducer to transmit the amount of power of the transmitter to the transducer between the transmitter and the transducer with high efficiency Bandwidth and power factor characteristics in the sound wave and ultrasonic bands by matching the resonance frequency of the transducer and the impedance matching circuit to each other and controlling the position and interval of the frequency where the reactance component of the transducer including the impedance matching circuit becomes zero. Dog It characterized in that it can be achieved by providing the impedance matching method.

상기 트랜스듀서는 상기 트랜스듀서의 전기적 특성을 나타내는 커패시터와 상기 트랜스듀서의 기계, 음향적 특성을 나타내는 N개의 단(stage)를 갖는 임피던스부가 상호 병렬 연결되는 등가 모델로 모델링될 수 있다. The transducer may be modeled as an equivalent model in which a capacitor representing electrical characteristics of the transducer and an impedance unit having N stages representing mechanical and acoustic characteristics of the transducer are connected in parallel with each other.

상기 트랜스듀서는 상기 트랜스듀서의 정보가 다중 모드를 갖는 경우 정합하고자 하는 주파수 구간내에서 단일 모드의 공진 모드에 대한 등가 모델로 근사화될 수 있다. The transducer may be approximated as an equivalent model for the resonant mode of a single mode in a frequency section to be matched when the information of the transducer has multiple modes.

상기 임피던스 정합회로는 제 1차측 단자와 제 2차측 단자를 가지고 제 1차측 전압에 대해 제 2차측 전압을 상승시키거나 하강시키는 변압기(transformer)가 포함된 LC 공진회로일 수 있다. The impedance matching circuit may be an LC resonant circuit including a transformer having a primary terminal and a secondary terminal and including a transformer that raises or lowers the secondary voltage with respect to the primary voltage.

상기 임피던스 정합회로는 상기 변압기의 제 2차측의 인덕터와 상기 제 2차측의 인덕터에 병렬로 연결된 상기 트랜스듀서의 커패시터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 2 공진부; 및 상기 변압기의 제 1차측에 직렬로 연결된 커패시터와 인덕터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 3 공진부;를 더 포함할 수 있다.The impedance matching circuit may include a second resonator having a resonant frequency caused by a capacitor of the transducer connected in parallel with an inductor of a secondary side of the transformer and an inductor of the secondary side; And a third resonator having a resonant frequency caused by a capacitor and an inductor connected in series with the first primary side of the transformer.

상기 공진 주파수는 상기 트랜스듀서의 기계적인 특성을 모델링하기 위하여 상기 근사화된 단일 모드에서의 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 제 1 공진부의 직렬 공진 주파수; 상기 제 2 공진부에 의한 병렬 공진 주파수; 및 상기 제 3 공진부에 의한 직렬 공진 주파수; 일 수 있다. The resonant frequency may be a series resonant frequency of a first resonator in which an inductor and a capacitor are connected in series in the approximated single mode to model mechanical characteristics of the transducer; A parallel resonance frequency caused by the second resonator; And a series resonance frequency by the third resonator; Can be.

상기 트랜스듀서는 음파 및 초음파 대역에서 임피던스 정합 시 구성 소자 값에 대한 제약 조건을 도출하고, 대역폭 및 역률 특성이 개선되도록 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격 제어가 가능한 적합도 함수를 구성함으로써, 정합회로 구성 소자 값들을 구하도록 구성될 수 있다. The transducer derives constraints on component values during impedance matching in sound and ultrasonic bands, and has a goodness-of-fit function capable of controlling the position and spacing of frequencies where the reactance component of the transducer becomes zero to improve bandwidth and power factor characteristics. By configuring, it can be configured to obtain matching circuit component values.

상기 임피던스 정합 방법은 음파 및 초음파 대역에서 임피던스 정합 시 상기 트랜스듀서의 구성 소자 값에 대한 제약 조건을 도출하는 제약 조건 도출단계; 및 대역폭을 확장하고 역률값이 증가하도록 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 산출하여 적합도 함수와 정합회로 구성 소자 값들을 구하는 정합회로 설계단계;를 포함할 수 있다. The impedance matching method may include: a constraint derivation step of deriving a constraint on a component value of the transducer during impedance matching in a sound wave and an ultrasonic band; And a matching circuit design step of calculating a fitness function and matching circuit component values by calculating positions and intervals of frequencies at which the reactance component of the transducer becomes zero so as to expand the bandwidth and increase the power factor value.

본 발명에 따르면, 트랜스듀서에 의한 리액턴스 성분을 상쇄하고 역률값을 증가시킨 임피던스 정합회로에 의해 능동 소나 시스템에서 송신기와 트랜스듀서 사이에 광대역에서 효율적인 구동이 가능하므로, 능동 소나 시스템의 출력 성능 향상과 탐지 성능에 크게 기여하는 효과가 있다. According to the present invention, an impedance matching circuit that cancels the reactance component of the transducer and increases the power factor value enables efficient driving in a wide band between the transmitter and the transducer in the active sonar system, thereby improving output performance of the active sonar system. There is an effect that greatly contributes to the detection performance.

본 발명에 따르면, 전기적 구동부의 구동특성, 방열, 전기적 용량 및 송신음압 등 설계 요소 측면에서 능동 소나 장비 제작시, 불필요한 실제 모델 제작을 최소화하고 비용절감과 시간 단축의 효과를 기대할 수 있고, 트랜스듀서 구동 전압 제어와 누설 전류 최소화가 가능하며, 변압기의 권선비를 이용하여 부품 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, in the production of active sonar equipment in terms of design characteristics such as driving characteristics, heat dissipation, electrical capacity, and transmission sound pressure of the electric drive unit, it is possible to minimize the unnecessary production of actual models, and to reduce the cost and time. It is possible to control the driving voltage and minimize the leakage current, and to reduce the component size by using the turns ratio of the transformer.

도 1은 본 발명에 따른 단일 모드(mode) 트랜스듀서의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 도이고,
도 2는 본 발명에 따른 단일 모드 트랜스듀서의 임피던스 특성을 전기적인 집중 소자(lumped element)를 사용하여 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이고,
도 3은 본 발명에 따른 다중 모드(mode) 트랜스듀서의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 도이고,
도 4는 본 발명에 따른 다중 모드 트랜스듀서의 임피던스 특성을 전기적인 집중 소자(lumped element)를 사용하여 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이고,
도 5는 본 발명에 따른 상기 단일 모드 트랜스듀서를 포함한 능동 소나 시스템 송신부를 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이고,
도 6은 본 발명에 따른 상기 다중 모드 트랜스듀서를 포함한 능동 소나 시스템 송신부를 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이고,
도 7은 본 발명에 따른 트랜스듀서의 전기적 등가 모델로부터 광대역, 고효율 구동을 위한 임피던스 정합 방법의 수행도이다.
1 is a diagram showing the impedance characteristics according to the frequency of a single mode transducer according to the present invention,
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of an impedance characteristic of a single mode transducer according to the present invention using an electrical lumped element.
3 is a diagram showing the impedance characteristics according to the frequency of the multi-mode transducer according to the present invention,
4 is a circuit diagram showing an electrical equivalent model of an impedance characteristic of a multi-mode transducer according to the present invention using an electrically lumped element,
5 is a circuit diagram showing an electrical equivalent model of an active sonar system transmitter including the single mode transducer according to the present invention;
6 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of an active sonar system transmitter including the multi-mode transducer according to the present invention.
7 is a diagram illustrating an impedance matching method for driving broadband and high efficiency from an electrical equivalent model of a transducer according to the present invention.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소나 시스템 및 임피던스 정합 방법에 대해 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 단일 모드(mode) 트랜스듀서(130)의 음파 및 초음파 대역의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 도이다. 도 1a는 주파수에 따른 임피던스의 크기(magnitude)값을 나타낸 것이며, 도 1b는 주파수에 따른 임피던스의 위상(phase)값을 나타낸 것이다. 도 1의 (b)의 임피던스 위상 첨두치 부근의 주파수에서 공진이 발생함을 알 수 있고, 상기 공진점의 개수가 모드의 개수에 대응하며, 단일 모드이므로 하나의 공진점만 존재함을 알 수 있다. Hereinafter, an active sonar system and an impedance matching method according to an embodiment of the present invention will be described in detail. 1 is a view showing the impedance characteristics according to the frequency of the sound wave and the ultrasonic band of the single mode (mode) transducer 130 according to the present invention. FIG. 1A illustrates a magnitude value of impedance according to frequency, and FIG. 1B illustrates a phase value of impedance according to frequency. It can be seen that resonance occurs at a frequency near the peak of the impedance phase of FIG. 1 (b), and since the number of resonance points corresponds to the number of modes and is a single mode, only one resonance point exists.

도 2는 본 발명에 따른 상기 단일 모드 트랜스듀서(120)의 임피던스 특성을 전기적인 집중 소자(lumped element)를 사용하여 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이다. 2 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of an impedance characteristic of the single mode transducer 120 according to the present invention using an electrical lumped element.

상기 단일 모드 트랜스듀서(120)는 단일 모드 특성을 모델링하는 과정에서 트랜스듀서의 기계적인 특성을 나타내는 제 1 커패시터(121a), 제 1 인덕터(121b)와 유효 전력을 전달받는 제 1 저항(121c)이 직렬로 연결된 제 1 공진 회로(121)와 상기 트랜스듀서(120)의 전기적인 특성을 나타내는 전기 커패시터(123)를 갖는다. In the process of modeling the single mode characteristic, the single mode transducer 120 includes the first capacitor 121a, the first inductor 121b, and the first resistor 121c that receive the effective power. The first resonant circuit 121 and the electric capacitor 123 representing electrical characteristics of the transducer 120 are connected in series.

도 3은 본 발명에 따른 다중 모드(mode) 트랜스듀서(220)의 음파 및 초음파 대역의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 도이다. 도 3의 (a)는 주파수에 따른 임피던스의 크기(magnitude)값을 나타낸 것이며, (b)는 주파수에 따른 임피던스의 위상(phase)값을 나타낸 것이다. 도 3(b)의 임피던스 위상 첨두치 부근의 주파수에서 공진이 발생함을 알 수 있고, 상기 공진점의 개수가 모드의 개수에 대응한다. 3 is a diagram illustrating impedance characteristics according to frequencies of sound waves and ultrasonic bands of the multi-mode transducer 220 according to the present invention. Figure 3 (a) shows the magnitude (magnitude) value of the impedance according to the frequency, (b) shows the phase (phase) value of the impedance according to the frequency. It can be seen that resonance occurs at a frequency near the impedance phase peak value of FIG. 3 (b), and the number of resonance points corresponds to the number of modes.

도 4는 본 발명에 따른 상기 다중 모드 트랜스듀서(220)의 임피던스 특성을 전기적인 집중 소자(lumped element)를 사용하여 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이다. 상기 모드의 개수는 도 3의 상기 공진점의 개수에 대응하며, 이는 상기 등가모델의 단(stage)의 개수에도 대응한다. 4 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of an impedance characteristic of the multi-mode transducer 220 according to the present invention using an electrical lumped element. The number of modes corresponds to the number of resonance points in FIG. 3, which also corresponds to the number of stages of the equivalent model.

상기 다중 모드 트랜스듀서(220)는 트랜스듀서의 전기적인 특성을 나타내는 커패시터(225)와 다중 모드 특성을 모델링하는 과정에서 트랜스듀서의 기계, 음향적인 특성을 나타내는 N개의 모드에 대응하는 N개의 단(stage)를 갖는 임피던스부가 상호 병렬 연결되는 N개의 공진 회로를 갖는다. The multi-mode transducer 220 includes a capacitor 225 representing electrical characteristics of the transducer and N stages corresponding to N modes representing mechanical and acoustic characteristics of the transducer in the process of modeling the multi-mode characteristics. Impedance parts having stages) have N resonance circuits connected in parallel with each other.

N개의 공진 회로는 첫 번째 공진 모드에 대한 제 1 모드 커패시터(C1;221a), 제 1 모드 인덕터(L1;221b)와 유효 전력을 전달받는 제 1 모드 저항(R1;221c)이 직렬로 연결된 제 1 모드 공진 회로(221); k 번째 공진 모드에 대한 제 k 모드 커패시터(Ck;222a), 제 k 모드 인덕터(Lk;222b)와 유효 전력을 전달받는 제 k 모드 저항(Rk;222c)이 직렬로 연결된 제 k 모드 공진 회로(222); 및 N 번째 공진 모드에 대한 제 N 모드 커패시터(CN;223a), 제 N 모드 인덕터(LN;223b)와 유효 전력을 전달받는 제 N 모드 저항(RN;223c)이 직렬로 연결된 제 N 모드 공진 회로(223);를 갖는다. The N resonant circuits include a first mode capacitor C 1 221a for the first resonant mode, a first mode inductor L 1 221b, and a first mode resistor R 1 221c receiving active power in series. A first mode resonant circuit 221 connected to each other; k-th mode capacitor C k ; 222a for the k-th resonant mode, k-th mode inductor L k ; 222b, and k-th mode resistor R k ; 222c receiving active power in series Resonant circuit 222; And an N-th mode capacitor C N 223a for the N-th resonant mode, an N-th mode inductor L N 223b, and an N-th mode resistor R N 223c connected in series with active power; And a mode resonant circuit 223.

도 5는 본 발명에 따른 상기 단일 모드 트랜스듀서(120)를 포함한 능동 소나(SONAR) 시스템(100)의 송신부를 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이다. 상기 능동 소나 시스템(100)의 송신부는 송신기(transmitter;110), 트랜스듀서(transducer; 120), 임피던스 정합회로(impedance matching circuit;130)를 포함한다. 5 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of a transmitter of an active sonar system 100 including the single mode transducer 120 according to the present invention. The transmitter of the active sonar system 100 includes a transmitter 110, a transducer 120, and an impedance matching circuit 130.

상기 송신기(110)는 전원을 공급하는 입력 전원(111)과 상기 입력 전원의 내부 저항에 해당하는 입력 임피던스(112)로 모델링 된다. The transmitter 110 is modeled as an input power source 111 for supplying power and an input impedance 112 corresponding to an internal resistance of the input power source.

상기 트랜스듀서(120)는 상기 임피던스 정합회로(130)를 통해 인가되는 상기 송신기(110)의 전기적 신호를 음파로 변환하거나 외부로부터 수신한 음파를 전기적 신호로 변환한다. The transducer 120 converts an electrical signal of the transmitter 110 applied through the impedance matching circuit 130 into a sound wave or converts a sound wave received from the outside into an electrical signal.

상기 트랜스듀서(120)는 트랜스듀서의 전기적인 특성을 나타내는 커패시터(123)와 단일 모드 특성을 모델링하는 과정에서 트랜스듀서의 기계적인 특성을 나타내는 제 1 커패시터(121a), 인덕터(121b)로 구성된 제 1 공진부(122)와 유효 전력을 전달받는 저항(121c)이 직렬로 연결된 공진 회로(121)를 갖는다. The transducer 120 includes a capacitor 123 representing the electrical characteristics of the transducer and a first capacitor 121a and the inductor 121b representing the mechanical characteristics of the transducer in the process of modeling the single mode characteristic. The first resonator 122 and the resistor 121c receiving the effective power have a resonant circuit 121 connected in series.

상기 임피던스 정합회로(130)는 상기 송신기(110)와 상기 트랜스듀서(120) 사이에서 상기 송신기(110)로부터 전력량을 높은 효율로 상기 트랜스듀서(120)에 전송하기 위한 회로이다. The impedance matching circuit 130 is a circuit for transmitting the amount of power from the transmitter 110 to the transducer 120 between the transmitter 110 and the transducer 120 with high efficiency.

상기 임피던스 정합회로(130)는 제 1차측 단자와 제 2차측 단자를 가지고 제 1차측 전압에 대해 제 2차측 전압을 상승시키거나 하강시키는 변압기(transformer; 131); 및 상기 변압기(131)의 제 2차측 인덕터(LT2; 131b)와 상기 제 2차측 인덕터(LT2; 131b)에 병렬로 연결된 상기 전기 커패시터(123)에 의한 공진 주파수를 갖는 제 2 공진부(132); 및 상기 변압기(131)의 제 1차측에 직렬로 연결된 인덕터(Ls;133a)와 커패시터(Cs;133b)에 의한 공진 주파수를 갖는 제 3 공진부(133); 를 포함한다. The impedance matching circuit 130 includes a transformer having a primary terminal and a secondary terminal and increasing or decreasing a secondary voltage with respect to the primary voltage; Part second resonator having a resonance frequency by said electric capacitor 123 connected in parallel; (131b L T2) (; and a second winding of the transformer (131) (L T2 131b) and the second primary winding 132); And a third resonator 133 having a resonant frequency caused by the inductor Ls 133a and the capacitor Cs 133b connected in series to the first side of the transformer 131. It includes.

상기 임피던스 정합회로(130)는 상기 변압기(131)를 구비하여 상기 트랜스듀서(120) 구동 전압 제어와 누설 전류의 최소화가 가능하며, 제 1차측 인덕터(131a)와 제 2차측 인덕터(131b)의 권선비를 이용하여 부품 크기의 소형화가 가능하다. The impedance matching circuit 130 includes the transformer 131 to control the driving voltage of the transducer 120 and to minimize leakage current, and to prevent the primary side inductor 131a and the secondary side inductor 131b. It is possible to reduce the size of components by using the turns ratio.

상기 트랜스듀서(120)에 의한 공진주파수는 상기 트랜스듀서의 기계적인 특성을 모델링하기 위하여 커패시터(121a)와 인덕터(121b)가 직렬된 연결된 제 1 공진부(122)의 공진 주파수에 해당한다. 상기 트랜스듀서(120) 및 상기 임피던스 정합회로(130)에 의한 공진주파수는 상기 제 2 공진부(132)에 의한 병렬 공진 주파수에 해당한다. 상기 임피던스 정합회로(130)에 의한 공진주파수는 상기 제 3 공진부(133)에 의한 직렬 공진 주파수에 해당한다. The resonant frequency of the transducer 120 corresponds to the resonant frequency of the first resonator 122 in which the capacitor 121a and the inductor 121b are connected in series to model the mechanical characteristics of the transducer. The resonance frequency of the transducer 120 and the impedance matching circuit 130 corresponds to the parallel resonance frequency of the second resonator 132. The resonance frequency of the impedance matching circuit 130 corresponds to the series resonance frequency of the third resonator 133.

도 1의 상기 단일 모드 트랜스듀서(120)의 실측된 임피던스 데이터로부터 도 2의 등가모델을 얻고 상기 등가모델로부터 상기 트랜스듀서(120), 상기 임피던스 정합회로(130) 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서(120) 및 상기 임피던스 정합회로(130)에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합회로(130)를 포함한 상기 트랜스듀서(120)의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여, 음파 및 초음파 대역에서 대역폭을 확장하고 역률값을 크게 할 수 있다. 상기 트랜스듀서(120) 구동 시 출력되는 전압과 전류의 위상차에 의한 코사인 성분으로 규정되는 역률(power facator)값은 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.The equivalent model of FIG. 2 is obtained from the measured impedance data of the single mode transducer 120 of FIG. 1, and the resonance frequency of each of the transducer 120 and the impedance matching circuit 130 is obtained from the equivalent model, or the transducer. The resonance frequency of the 120 and the impedance matching circuit 130 are matched to each other, and the position and interval of the frequency at which the reactance component of the transducer 120 including the impedance matching circuit 130 becomes zero are controlled. Thus, the bandwidth and power factor in the sound and ultrasonic bands can be increased. A power facator value defined as a cosine component by a phase difference between a voltage and a current output when the transducer 120 is driven is expressed by Equation 1 below.

Figure 112010059457241-pat00001
Figure 112010059457241-pat00001

여기서 |V|와 |I|는 전압과 전류의 크기를 나타내고, P는 유효 전력량으로 전압 크기, 전류 크기, 그리고 전압과 전류의 위상차에 대한 코사인 곱으로 나타낼 수 있으며, 전압과 전류의 위상차 θ는 -90°에서 90°의 값을 가진다. 따라서, 역률(cosθ)은 유효 전력량에 대한 전압과 전류의 크기 곱의 비로 표현되어질 수 있다.Where | V | and | I | represents the magnitude of voltage and current, P is the amount of effective power, and can be expressed as the cosine product of voltage magnitude, current magnitude, and phase difference between voltage and current, and phase difference θ of voltage and current is -90 ° to 90 ° Has the value Therefore, the power factor cos θ may be expressed as the ratio of the magnitude product of the voltage and the current to the effective power amount.

상기 임피던스 정합회로(130)는 상기 트랜스듀서(120)의 전압과 전류 위상차가 작아지도록 리액턴스 성분을 최소화하여 역률 특성이 개선되도록 설계되어, 능동 소나 시스템(100)의 송신부(100)의 출력 성능 향상과 탐지 성능을 개선시킨다. 즉, 전기적 구동부의 구동특성, 방열특성, 전기적 용량 및 송신 음압 등 설계 요소 측면에서 능동 소나 장비 제작 시 불필요한 실제 모델 제작을 최소화하고 비용 절감과 시간 단축이 가능하다. The impedance matching circuit 130 is designed to improve the power factor characteristic by minimizing the reactance component such that the voltage and current phase difference of the transducer 120 is reduced, thereby improving the output performance of the transmitter 100 of the active sonar system 100. And improve detection performance. That is, in terms of design elements such as driving characteristics, heat dissipation characteristics, electrical capacity, and transmission sound pressure of the electric drive unit, it is possible to minimize the production of unnecessary real models when manufacturing active sonar equipment and to reduce costs and time.

도 6은 본 발명에 따른 상기 다중 모드 트랜스듀서(220)를 포함한 능동 소나(SONAR) 시스템 송신부(200)를 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도이다. 상기 능동 소나 시스템 송신부(200)는 송신기(Transmitter; 110), 트랜스듀서(transducer; 220), 임피던스 정합회로(impedance matching circuit; 230)를 포함한다. FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an electrical equivalent model of an active sonar system transmitter 200 including the multi-mode transducer 220 according to the present invention. The active sonar system transmitter 200 includes a transmitter 110, a transducer 220, and an impedance matching circuit 230.

상기 송신기(110)와 상기 임피던스 정합회로(230)는 도 5의 단일 모드 트랜스듀서(120)를 포함한 능동 소나 시스템 송신부(100)에서의 송신기(110)와 임피던스 정합회로(130)와 구성이 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 다중 모드 트랜듀서(220)를 포함한 능동 소나 시스템 송신부(200)의 임피던스 정합회로(230) 소자의 값은 트랜스듀서의 구성이 달라지므로 단일 모드 트랜스듀서(120)를 포함한 능동 소나 시스템 송신부(100)의 임피던스 정합회로(130) 소자의 값과 다르다.The transmitter 110 and the impedance matching circuit 230 have the same configuration as the transmitter 110 and the impedance matching circuit 130 in the active sonar system transmitter 100 including the single mode transducer 120 of FIG. 5. Therefore, detailed description is omitted. However, since the value of the impedance matching circuit 230 of the active sonar system transmitter 200 including the multi-mode transducer 220 varies in the configuration of the transducer, the active sonar system transmitter includes the single mode transducer 120. It is different from the value of the impedance matching circuit 130 element of (100).

상기 트랜스듀서(220)는 도 4의 다중 모드 트랜스듀서(220)의 임피던스 특성을 전기적인 집중 소자(lumped element)를 사용하여 전기적인 등가모델로 나타낸 회로도와 동일하므로 자세한 설명은 역시 생략한다. The transducer 220 is the same as the circuit diagram represented by the electrical equivalent model of the impedance characteristics of the multi-mode transducer 220 of FIG. 4 using an electrically concentrated element (lumped element), detailed description thereof will also be omitted.

도 6의 다중 모드 트랜스듀서(220) 등가 모델과 임피던스 정합회로(230)는 도 5와 같이 단일 모드 트랜스듀서(120)의 등가 모델에 대한 임피던스 정합 회로(130)로 변환하여 나타낼 수 있다.  The equivalent model and impedance matching circuit 230 of FIG. 6 may be converted into an impedance matching circuit 130 for the equivalent model of the single mode transducer 120 as shown in FIG. 5.

도 6의 상기 다중 모드 트랜스듀서(220)의 등가 모델으로부터 정합하고자 하는 해당모드에 대해 단일 모드 트랜스듀서(120)의 등가 모델로 근사화하기 위한 방법으로, 만일 정합하고자 하는 해당 모드가 제 1 모드 공진 회로(221)일 경우, 정합하고자 하는 해당모드 이외의 기계-음향적 직렬 공진 회로(222, 223)들을 해당 공진 주파수에 대한 리액턴스 성분으로 근사화한 뒤, 근사화된 유도성 및 용량성 리액턴스 성분(227, 228)은 상기 트랜스듀서(220)의 전기적 특성을 나타내는 전기 커패시터(225)에 포함시켜 최종적으로 도 5와 같은 단일모드 등가 모델 형태로 근사화된다. As a method for approximating the equivalent mode of the single mode transducer 120 to the equivalent mode to be matched from the equivalent model of the multi-mode transducer 220 of FIG. 6, if the corresponding mode to be matched is the first mode resonance In the case of the circuit 221, the mechanical-acoustic series resonant circuits 222 and 223 other than the corresponding mode to be matched are approximated with the reactance components for the corresponding resonant frequencies, and then the approximate inductive and capacitive reactance components 227. , 228 is included in the electric capacitor 225 representing the electrical characteristics of the transducer 220 and finally approximated in the form of a single mode equivalent model as shown in FIG. 5.

도 7은 본 발명에 따른 트랜스듀서의 전기적 등가 모델로부터 광대역, 고효율 구동을 위한 임피던스 정합 방법의 수행도를 나타낸 것이다. Figure 7 shows the performance of the impedance matching method for driving broadband, high efficiency from the electrical equivalent model of the transducer according to the present invention.

도시한 바와 같이, 먼저 정합하고자 하는 트랜스듀서의 임피던스 특성을 대표할 수 있는 전기적 등가 회로에 대한 파라미터 정보를 입력 데이터로 이용한다. 여기서, 트랜스듀서의 정보가 광대역 내에서 다중모드를 갖는 경우, 관심 주파수에 해당되는 공진 모드에 대해 단일모드 등가 모델(도 3)로 근사화 변환(S100)한다. 트랜스듀서 등가 모델과 정합회로 구성 소자값이 갖는 광대역 임피던스 정합에 대한 제약 조건을 도출(S200)하고 광대역 내에서 정합된 트랜스듀서의 리액턴스 성분을 최소화하여 역률 특성이 개선되도록 제안된 적합도 함수와 비선형 최적화 기법을 적용(S300)하여 정합 회로 구성 소자값들을 도출(S400)한다. As shown in the figure, first, parameter information of an electrical equivalent circuit that can represent impedance characteristics of a transducer to be matched is used as input data. In this case, when the information of the transducer has a multi-mode in a wide band, an approximate transform (S100) is performed in a single mode equivalent model (FIG. 3) for a resonance mode corresponding to a frequency of interest. Proposed fit function and nonlinear optimization to improve power factor characteristics by deriving constraints on broadband impedance matching of transducer equivalent model and matching circuit component values (S200) and minimizing reactance components of matched transducers in broadband The technique is applied (S300) to derive matching circuit component values (S400).

근사화된 트랜스듀서 등가 모델로부터 임피던스 정합회로(120)가 포함된 도 5의 회로가 광대역 내에서 전체 입력 임피던스의 허수 성분이 최소가 되는 조건은 허수 성분이 0이 되는 주파수들의 위치 및 간격과 밀접한 관계를 갖는다. 또한, 상기와 같이 도 5에서 각 공진부(122,132,133)의 인덕터와 커패시터간 공진 주파수가 서로 일치하도록 설정하게 된다. 이러한 특성으로부터 정합된 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수 성분들이 실근을 갖도록 하여 역률 특성이 최대가 되도록 임피던스 정합회로 구성 소자들 중 제 3 커패시터(133a)나 제 3 인덕터(133b) 소자에 대한 제약 조건을 도출(S200)하고 최적 소자값 추정(S400)을 위한 경계 조건으로 이용한다. In the circuit of FIG. 5 including the impedance matching circuit 120 from the approximated transducer equivalent model, the condition that the imaginary component of the total input impedance is minimum in a wide band is closely related to the position and spacing of frequencies where the imaginary component becomes zero. Has In addition, as shown in FIG. 5, the resonance frequencies between the inductors and the capacitors of the resonators 122, 132, and 133 are set to match each other. From these characteristics, the frequency component where the reactance component of the matched transducer becomes zero has a real root, so that the power factor characteristic is maximized, so that the third capacitor 133a or the third inductor 133b of the impedance matching circuit components is maximized. Constraints are derived (S200) and used as boundary conditions for optimal device value estimation (S400).

그 예로 변압기의 권선비(N)가 1인 경우, 제 3도의 트랜스듀서 임피던스가 정합된 경우, 허수 성분이 0이 되는 제 3 인덕터(133b) 소자에 대한 제약 조건을 도출하기 위한 표현식은 제 1 ~ 제 3 공진부의 공진주파수(ωs)에 관한 식으로 정리할 수 있으며, 하기의 수학식 2와 같다.For example, when the winding ratio N of the transformer is 1, when the transducer impedance of FIG. 3 is matched, an expression for deriving a constraint on the third inductor 133b element having an imaginary component of 0 may be represented by 1 to 1. The resonant frequency (ω s ) of the third resonator unit can be summarized by Equation 2 below.

Figure 112010059457241-pat00002
Figure 112010059457241-pat00002

여기서, here,

Figure 112010059457241-pat00003
Figure 112010059457241-pat00004
Figure 112010059457241-pat00005
Figure 112010059457241-pat00003
Figure 112010059457241-pat00004
Figure 112010059457241-pat00005

Figure 112010059457241-pat00006
Figure 112010059457241-pat00006

그리고 A,Bω S , L 3 , Q m , G m , C 0 와 관련된 함수이다. And A and B are functions related to ω S , L 3 , Q m , G m , and C 0 .

이로부터 정합된 상기 트랜스듀서(120)가 광대역에서 리액턴스 성분을 최소화하기 위한 임피던스 정합회로(130)의 제 3 인덕터(133b)소자에 대한 제약조건은 하기의 수학식 3과 같은 형태로 도출된다. Constraints on the third inductor 133b element of the impedance matching circuit 130 for minimizing the reactance component of the transducer 120 matched therefrom are derived as shown in Equation 3 below.

Figure 112010059457241-pat00007
Figure 112010059457241-pat00007

여기서 α,β는 G m , Q m , C 0 s 와 관련된 함수이다.Where α, β are G m , Q m , C 0 This function is related to , ω s .

소자값에 대한 상기 경계 조건과 함께, 주파수 범위는 상기의 전체 입력 임피던스의 허수 성분이 0이 되는 실근 주파수들의 최대값(ωmax)과 최소값(ωmin)으로 규정하며, 정합을 위한 대역내에서 역률이 1(위상이 0 또는 허수 성분 0)에 가깝도록 적합도 함수를 구성하고 최적화 방법을 적용(S300)하여 제 3 커패시터(C3; 133a)나 제 3 인덕터(L3; 133b) 소자에 대한 최적의 소자값을 도출(S400)한다.Along with the boundary conditions for the device values, the frequency range is defined by the maximum (ω max ) and minimum (ω min ) values of the real root frequencies where the imaginary component of the total input impedance becomes zero, and within the band for matching. Configure the fitness function so that the power factor is close to 1 (phase 0 or imaginary component 0) and apply an optimization method (S300) to the third capacitor (C 3 ; 133a) or the third inductor (L 3 ; 133b) element. An optimal device value is derived (S400).

임피던스 정합을 위한 대역내에서 역률이 최대가 되기 위한 적합도 함수(F)의 수학적 표현과 제한 조건에 대한 예는 하기의 수학식 4와 같다. An example of the mathematical expression of the goodness-of-fit function (F) and the constraints for maximizing the power factor in the band for impedance matching is shown in Equation 4 below.

Figure 112010059457241-pat00008
Figure 112010059457241-pat00008

Figure 112010059457241-pat00009
Figure 112010059457241-pat00009

Figure 112010059457241-pat00010
Figure 112010059457241-pat00010

100: 단일 모드 능동 소나 시스템 송신부
200: 다중 모드 능동 소나 시스템 송신부
110: 송신기 111: 입력 전원
112: 입력임피던스
120: 단일 모드 트랜스듀서
121: 제 1 공진회로 121a: 제 1 커패시터
121b: 제 1 인덕터 121c: 제 1 저항
122: 제 1 공진부 123, 225: 전기 커패시터
130, 230: 임피던스 정합회로 131. 231: 변압기
131a, 231a: 제 1차측 인덕터 131b, 231b: 제 2차측 인덕터
132, 232: 제 2 공진부 133, 233: 제 3 공진부
133a, 233a: 제 3 커패시터 133b, 233b: 제 3 인덕터
220: 다중 모드 트랜스듀서 221: 제 1 모드 공진회로
221a: 제 1 모드 커패시터 221b: 제 1 모드 인덕터
221c: 제 1 모드 저항 222: 제 k 모드 공진회로
222a: 제 k 모드 커패시터 222b: 제 k 모드 인덕터
222c: 제 k 모드 저항 223: 제 N 모드 공진회로
223a: 제 N 모드 커패시터 223b: 제 N 모드 인덕터
223c: 제 N 모드 저항 226: 제 1 모드 공진부
227: 제 k 모드 공진부 228: 제 N 모드 공진부
229: N개 모드 공진부
100: single mode active sonar system transmitter
200: multi-mode active sonar system transmitter
110: transmitter 111: input power
112: input impedance
120: single mode transducer
121: first resonant circuit 121a: first capacitor
121b: first inductor 121c: first resistor
122: first resonator 123, 225: electric capacitor
130, 230: impedance matching circuit 131. 231: transformer
131a and 231a: primary side inductor 131b and 231b: secondary side inductor
132, 232: second resonator 133, 233: third resonator
133a and 233a: third capacitor 133b and 233b: third inductor
220: multi-mode transducer 221: first mode resonant circuit
221a: first mode capacitor 221b: first mode inductor
221c: first mode resistor 222: kth mode resonant circuit
222a: kth mode capacitor 222b: kth mode inductor
222c: kth mode resistor 223: Nth mode resonant circuit
223a: Nth mode capacitor 223b: Nth mode inductor
223c: Nth mode resistor 226: First mode resonator
227: kth mode resonator 228: Nth mode resonator
229: N mode resonator

Claims (14)

입력 전원과 입력 임피던스로 모델링되는 송신기;
상기 송신기의 전기적 신호를 음파로 변환하거나 음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서(transducer); 및
상기 송신기와 상기 트랜스듀서 사이에서 상기 송신기의 전력량을 상기 트랜스듀서에 전송하기 위한 임피던스 정합 회로;를 포함하되,
상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로는,
상기 트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가 모델로부터 상기 트랜스듀서, 상기 임피던스 정합 회로 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합 회로를 포함한 상기 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 음파 및 초음파 대역에서 대역폭을 확장하고 역률값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 능동 소나(SONAR) 시스템.
A transmitter modeled with input power and input impedance;
A transducer for converting the electrical signal of the transmitter into sound waves or converting sound waves into electrical signals; And
And an impedance matching circuit for transmitting the amount of power of the transmitter to the transducer between the transmitter and the transducer.
The transducer and the impedance matching circuit,
From the equivalent model corresponding to the measured impedance data of the transducer, the resonance frequency of each of the transducer and the impedance matching circuit or the resonance frequencies of the transducer and the impedance matching circuit are matched with each other, and the impedance matching circuit is An active sonar system (SONAR) system, characterized in that to extend the bandwidth and increase the power factor value in the sound wave and ultrasonic band by controlling the position and interval of the frequency that the reactance component of the transducer is zero.
제 1항에 있어서,
상기 트랜스듀서는
상기 트랜스듀서의 전기적 특성을 나타내는 커패시터와 상기 트랜스듀서의 기계, 음향적 특성을 나타내는 N개의 단(stage)를 갖는 임피던스부가 상호 병렬 연결되는 등가 모델로 모델링되는 것을 특징으로 하는 능동 소나 시스템.
The method of claim 1,
The transducer
And a capacitor representing the electrical characteristics of the transducer and an impedance portion having N stages representing the mechanical and acoustic characteristics of the transducer are modeled as an equivalent model.
제 1항에 있어서,
상기 트랜스듀서는
상기 트랜스듀서의 정보가 다중 모드를 갖는 경우 단일 모드의 공진 모드에 대한 등가 모델로 근사화하는 것을 특징으로 하는 능동 소나 시스템.
The method of claim 1,
The transducer
Active sonar system, characterized in that to approximate the equivalent model for the resonant mode of a single mode when the information of the transducer has multiple modes.
제 1항에 있어서,
상기 임피던스 정합회로는
제 1차측 단자와 제 2차측 단자를 가지고 제 1차측 전압에 대해 제 2차측 전압을 상승시키거나 하강시키는 변압기(transformer)가 포함된 LC 공진회로인 것을 특징으로 하는 능동 소나 시스템.
The method of claim 1,
The impedance matching circuit
An active sonar system having a primary terminal and a secondary terminal, the LC resonant circuit including a transformer for raising or lowering the secondary voltage with respect to the primary voltage.
제 4항에 있어서,
상기 임피던스 정합회로는
상기 변압기의 제 2차측 인덕터와 상기 제 2차측 인덕터에 병렬로 연결된 상기 트랜스듀서의 커패시터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 2 공진부; 및
상기 변압기의 제 1차측에 직렬로 연결된 커패시터와 인덕터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 3 공진부;를 더 포함하는 능동 소나 시스템.
The method of claim 4, wherein
The impedance matching circuit
A second resonator having a resonant frequency caused by a capacitor of the transducer connected in parallel with the secondary inductor of the transformer and the secondary inductor; And
And a third resonator having a resonant frequency caused by a capacitor and an inductor connected in series with the primary side of the transformer.
제 1항 또는 5항에 있어서,
상기 공진 주파수는
상기 트랜스듀서의 기계적인 특성을 모델링하기 위하여 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 제 1 공진부의 직렬 공진 주파수;
상기 제 2 공진부에 의한 병렬 공진 주파수; 및
상기 제 3 공진부에 의한 직렬 공진 주파수;인 것을 특징으로 하는 능동 소나 시스템.
The method according to claim 1 or 5,
The resonant frequency is
A series resonant frequency of a first resonator in which an inductor and a capacitor are connected in series to model mechanical characteristics of the transducer;
A parallel resonance frequency caused by the second resonator; And
And a series resonant frequency caused by the third resonator.
제 6항에 있어서,
상기 트랜스듀서는
음파 및 초음파 대역에서 임피던스 정합 시 구성 소자 값에 대한 제약 조건을 도출하고, 대역폭 및 역률 특성의 개선을 위하여 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격 제어가 가능하도록 적합도 함수를 구성하고 정합회로 구성 소자 값들을 구하도록 구성된 것을 특징으로 하는 능동 소나 시스템.
The method of claim 6,
The transducer
In order to derive constraints on component values when matching impedances in sound and ultrasonic bands, and to improve the bandwidth and power factor characteristics, construct a fitness function to control the position and spacing of frequencies where the reactance component of the transducer becomes zero. An active sonar system configured to obtain matching circuit component values.
입력 전원과 입력 임피던스로 모델링되는 송신기 및 상기 송신기의 전기적 신호를 음파로 변환하거나 음파로부터 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서 (transducer)를 포함하는 능동 소나(SONAR) 시스템의 임피던스 정합 방법에 있어서,
상기 송신기와 상기 트랜스듀서 사이에서 상기 송신기의 전력량을 상기 트랜스듀서에 전송하기 위해 상기 트랜스듀서의 실측된 임피던스 데이터에 해당하는 등가 모델로부터 상기 트랜스듀서, 상기 임피던스 정합 회로 각각의 공진 주파수 또는 상기 트랜스듀서 및 상기 임피던스 정합 회로에 의한 공진주파수를 상호 간에 일치시키고, 상기 임피던스 정합 회로를 포함한 상기 트랜스듀서의 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격을 제어하여 음파 및 초음파 대역에서 대역폭 및 역률 특성을 개선하는 것을 특징으로 한 임피던스 정합 방법.
An impedance matching method of an active sonar system comprising a transmitter modeled with an input power source and an input impedance, and a transducer for converting an electrical signal of the transmitter into a sound wave or a sound wave to an electrical signal,
The resonant frequency of each of the transducer, the impedance matching circuit or the transducer from an equivalent model corresponding to the measured impedance data of the transducer to transfer the amount of power of the transmitter to the transducer between the transmitter and the transducer And matching the resonance frequencies by the impedance matching circuit with each other, and controlling the position and interval of the frequency at which the reactance component of the transducer including the impedance matching circuit becomes zero to improve bandwidth and power factor characteristics in the sound wave and ultrasonic bands. Impedance matching method characterized in that.
제 8항에 있어서,
상기 트랜스듀서는
상기 트랜스듀서의 전기적 특성을 나타내는 커패시터와 상기 트랜스듀서의 기계, 음향적 특성을 나타내는 N개의 단(stage)를 갖는 임피던스부가 상호 병렬 연결되는 등가 모델로 모델링되는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8,
The transducer
Impedance matching method characterized in that it is modeled by an equivalent model in which a capacitor representing the electrical characteristics of the transducer and an impedance portion having N stages representing the mechanical and acoustic characteristics of the transducer are connected in parallel with each other.
제 8항에 있어서,
상기 트랜스듀서는
상기 트랜스듀서의 정보가 다중 모드를 갖는 경우 단일 모드의 공진 모드에 대한 등가 모델로 근사화하는 것을 특징으로 하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8,
The transducer
If the information of the transducer has a multi-mode impedance matching method characterized in that the approximation to an equivalent model for the resonant mode of a single mode.
제 8항에 있어서,
상기 임피던스 정합회로는
제 1차측 단자와 제 2차측 단자를 가지고 제 1차측 전압에 대해 제 2차측 전압을 상승시키거나 하강시키는 변압기(transformer)가 포함된 LC 공진회로인 것을 특징으로 하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8,
The impedance matching circuit
And an LC resonant circuit having a primary terminal and a secondary terminal and including a transformer for raising or lowering the secondary voltage with respect to the primary voltage.
제 8항에 있어서,
상기 임피던스 정합회로는
상기 변압기의 제 2차측의 인덕터와 상기 제 2차측의 인덕터에 병렬로 연결된 상기 트랜스듀서의 커패시터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 2 공진부; 및
상기 변압기의 제 1차측에 직렬로 연결된 커패시터와 인덕터에 의한 공진 주파수를 갖는 제 3 공진부;를 더 포함하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8,
The impedance matching circuit
A second resonator having a resonant frequency caused by a capacitor of the transducer connected in parallel with the inductor on the second side of the transformer and the inductor on the second side; And
And a third resonator having a resonant frequency caused by a capacitor and an inductor connected in series with the primary side of the transformer.
제 8항 또는 제 12항에 있어서,
상기 공진주파수는
상기 트랜스듀서의 기계적인 특성을 모델링하기 위하여 인덕터와 커패시터가 직렬로 연결된 제 1 공진부의 직렬 공진 주파수;
상기 제 2 공진부에 의한 병렬 공진 주파수; 및
상기 제 3 공진부에 의한 직렬 공진 주파수;인 것을 특징으로 하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8 or 12,
The resonant frequency is
A series resonant frequency of a first resonator in which an inductor and a capacitor are connected in series to model mechanical characteristics of the transducer;
A parallel resonance frequency caused by the second resonator; And
And a series resonant frequency caused by the third resonator.
제8항에 있어서,
상기 임피던스 정합방법은
음파 및 초음파 대역에서 임피던스 정합 시 상기 트랜스듀서의 구성 소자 값에 대한 제약 조건을 도출하는 제약 조건 도출단계; 및
대역폭을 확장하고 역률값 증가를 위하여 리액턴스 성분이 0이 되는 주파수의 위치와 간격 제어가 가능하도록 적합도 함수를 구성하고 정합회로 구성 소자 값들을 구하는 정합회로 설계단계;를 포함하는 임피던스 정합 방법.
The method of claim 8,
The impedance matching method
A constraint derivation step of deriving a constraint on a component value of the transducer during impedance matching in a sound wave and an ultrasonic band; And
And a matching circuit design step of constructing a fitness function and obtaining matching circuit component values to control the position and spacing of the frequency at which the reactance component becomes zero for extending the bandwidth and increasing the power factor value.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102021591B1 (en) * 2019-01-07 2019-09-16 엘아이지넥스원 주식회사 High-frequency sensor for digital signal output and the operation method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040005808A (en) * 2003-12-30 2004-01-16 피앤드에스주식회사 High frequency sensor of impedance matching box
KR200345099Y1 (en) 2003-12-30 2004-03-19 피앤드에스주식회사 High frequency sensor of impedance matching box

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040005808A (en) * 2003-12-30 2004-01-16 피앤드에스주식회사 High frequency sensor of impedance matching box
KR200345099Y1 (en) 2003-12-30 2004-03-19 피앤드에스주식회사 High frequency sensor of impedance matching box

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101176605B1 (en) 2012-03-28 2012-08-23 주식회사 이오브이울트라소닉스 Scanning sonar
KR102021591B1 (en) * 2019-01-07 2019-09-16 엘아이지넥스원 주식회사 High-frequency sensor for digital signal output and the operation method

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