KR101173937B1 - 수중 음향 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광대역의 주파수를 송수신할 수 있는 수중 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
본 발명은 전압 인가 시 진동하여 음파를 발생시키고 음파를 수신 시 전기적인 신호로 변환하는 압전소자를 포함하여 수중에서 음파를 송수신하는 수중 음향 트랜스듀서로서, 전면추; 상기 전면추에 접하고 제1 공진주파수를 가지는 제1 압전소자; 상기 제1 압전소자의 후면에 접하는 제1 후면추; 제1 공진주파수와 서로 다른 공진 주파수를 가지고, 상기 제1 압전소자의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치되며, 상기 전면추에 접하는 제2 압전소자; 상기 제2 압전소자의 후면에 접하는 제2 후면추; 를 포함하며, 상기 제1 압전소자는 상기 전면추와 상기 제1 후면추 사이에서 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되고, 상기 제2 압전소자는 상기 전면추와 상기 제2 후면추 사이에서 상기 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되며, 상기 제1 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호와 상기 제2 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호는 서로 병렬로 연결된다.

Description

수중 음향 트랜스듀서{Underwater-use electroacoustic transducer}
본 발명은 수중 음향 트랜스듀서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광대역의 주파수를 송수신할 수 있는 수중 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
수중에서 음파를 송수신하는 수중 음향 트랜스듀서는 1차 세계대전 당시 잠수함 탐지를 위해 개발된 이래 2차 세계대전 전후에 급속히 발달하여 오늘날에는 매우 정밀한 트랜스듀서가 사용되고 있다. 수중에서 사용하는 음향 트랜스듀서는 반력을 받쳐주는 플랫폼(Platform)의 표면에 설치되어 주로 수중 음파의 송수신기로 작동하는 톤필즈(Tonpilz)형과, 트랜스듀서가 잠긴 상태에서 독자적으로 작동하는 플렉스텐셔널(flextensional)형의 두 가지로 크게 나눌 수 있다. 톤필즈 트랜스듀서는 두께방향의 진동을 이용하기 때문에 제작이 용이하고, 배열형에 적용하기 쉬우며 수십 kHz 대역에서 고출력 수중 음향 트랜스듀서로 주로 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 톤필즈 트랜스듀서를 도시한 종단면도이고, 도 2는 일반적인 톤필즈 트랜스듀서의 주파수에 따른 송신 감도를 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 톤필즈 트랜스듀서는 음향 방사체 역할을 하는 전면추(Head mass; 10)와, 구동자 역할을 하는 압전소자(30)와, 압전소자(30)에서 발생한 변위를 반사시켜 전면추(10)의 변위를 증폭시키는 후면추(Tail mass; 20)와, 이들을 결합시키고 일정한 압력으로 조이는 클램프 볼트(Bolt; 40)로 구성되어 있다.
압전소자(30)의 두께방향 진동을 이용하는 톤필즈 트랜스듀서는 설계가 간단하고 정확성이 높으며 전기적 에너지와 음향 에너지 사이의 변환 효율이 높다는 장점이 있다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 톤필즈형의 수중 음향 트랜스듀서는 압전소자의 공진 주파수(f2) 근처에서만 송신 및 수신 감도가 높고, 공진 주파수 이외의 주파수 영역에서는 송신 및 수신 감도가 떨어지는 단점이 있다. 또한, 종래의 수중 음향 트랜스듀서는 송수신 가능한 주파수 대역, 즉 대역폭(bandwidth)이 좁다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 운용 주파수의 대역 전체에 걸쳐 높은 송신감도 특성을 가지고, 광대역의 대역폭을 가지는 수중 음향 트랜스듀서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 전압 인가 시 진동하여 음파를 발생시키고 음파를 수신 시 전기적인 신호로 변환하는 압전소자를 포함하여 수중에서 음파를 송수신하는 수중 음향 트랜스듀서로서, 전면추; 상기 전면추에 접하고 제1 공진주파수를 가지는 제1 압전소자; 상기 제1 압전소자의 후면에 접하는 제1 후면추; 제1 공진주파수와 서로 다른 공진 주파수를 가지고, 상기 제1 압전소자의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치되며, 상기 전면추에 접하는 제2 압전소자; 상기 제2 압전소자의 후면에 접하는 제2 후면추;를 포함하며, 상기 제1 압전소자는 상기 전면추와 상기 제1 후면추 사이에서 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되고, 상기 제2 압전소자는 상기 전면추와 상기 제2 후면추 사이에서 상기 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되며, 상기 제1 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호와 상기 제2 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호는 서로 병렬로 연결되는 수중 음향 트랜스듀서를 제공한다.
상기 제1 압전소자는 적어도 둘의 링 형상의 제1 단위 압전소자가 축 방향으로 적층되어 이루어지며, 상기 제2 압전소자는 상기 제1 단위 압전소자의 외경보다 큰 내경을 가지는 적어도 둘의 링 형상의 제2 단위 압전소자가 축 방향으로 적층되어 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제1 압전소자 및 상기 제2 압전소자는 동축 상에 놓이는 것이 바람직하다.
상기 전면추는, 베이스부; 상기 베이스부의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 중심에는 내주면에 나사산이 형성된 결합홀이 형성되는 제1 안착부; 및 상기 베이스부의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 상기 제1 안착부의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치되는 제2 안착부를 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제1 안착부 및 상기 제2 안착부의 횡단면 형상은 원형이며, 상기 제1 안착부 및 상기 제2 안착부는 동축상에 놓이는 것이 바람직하다.
상기 제1 단위 압전소자의 동일 극성들은 서로 직렬로 연결되고, 상기 제2 단위 압전소자의 동일 극성들은 서로 직렬로 연결되며, 상기 제1 단위 압전소자와 상기 제2 단위 압전소자의 극성은 서로 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.
상기 클램프 볼트는 상기 수중 음향 트랜스듀서의 길이 방향으로 연장되고, 전단부에는 상기 전면추에 결합되는 제1 나사부가 형성되며, 중단부 및 후단부에는 각각 클램프 너트가 결합되는 제2 나사부 및 제3 나사부가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 서로 다른 공진 주파수를 가지는 제1 압전소자 및 제2 압전소자가 서로 병렬로 배치되어 각 압전소자에 의한 송신감도가 중첩됨으로써 수중 음향 트랜스듀서의 대역폭이 넓어지는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 톤필즈 트랜스듀서를 도시한 종단면도이다.
도 2는 일반적인 톤필즈 트랜스듀서의 주파수에 따른 송신 감도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 분해된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 조립된 상태를 도시하는 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 주파수에 따른 송신 감도를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하의 설명에서는 전면추가 배치되는 쪽을 '전방'이라고 하고 후면추가 배치되는 쪽을 '후방'이라고 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 분해된 상태를 도시하는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 조립된 상태를 도시하는 종단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 주파수에 따른 송신 감도를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 전면추(10)와, 제1 압전소자(20)와, 제2 압전소자(30)와, 제1 후면추(40)와, 제2 후면추(50)와, 클램프 볼트(60)와, 클램프 너트(70)를 포함한다. 제1 압전소자(20)는 전면추(10)와 제1 후면추(40) 사이에 배치되며, 클램프 볼트(60)를 매개로 전면추(10) 및 제1 후면추(40)에 일체로 가압 체결된다. 그리고, 제2 압전소자(30)는 전면추(10)와 제2 후면추(50) 사이에 배치되되, 제1 압전소자(20)의 반경 방향 외측에 이격하여 놓인다. 제2 압전소자(30)는 클램프 볼트(60)를 매개로 전면추(10) 및 제2 후면추(50)에 일체로 가압 체결된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 가장 큰 특징은 두 개의 진동 시스템이 하나의 수중 음향 트랜스듀서에 병렬적으로 배치되어 독립적으로 음향을 송수신하며, 송수신 신호는 중첩되도록 처리된다는 점에 있다. 다시 말해, 전면추(10)와 제1 후면추(40) 및 그 사이에 배치되는 제1 압전소자(20)가 하나의 진동 시스템을 형성하며, 전면추(10)와 제2 후면추(50) 및 그 사이에 배치되는 제2 압전소자(30)가 다른 하나의 진동 시스템을 형성한다. 이 두 개의 진동 시스템은 서로 다른 공진주파수를 가지며 서로 독립적으로 음향을 송수신한다. 두 개의 진동 시스템이 병렬적으로 배치됨으로써 각 진동 시스템의 송신감도가 중첩된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 수중 음향 트랜스듀서의 송신감도 특성이 운용 주파수의 전대역에 걸쳐 높게 나타나며, 수중 음향 트랜스듀서의 대역폭이 넓어지는 효과가 있다.
이하에서는 각 구성요소의 구조를 자세하게 설명한다.
전면추(10)는 베이스부(11)와, 제1 안착부(12)와, 제2 안착부(13)를 포함한다. 전면추(10)는 음향 에너지를 방사하고, 물체로부터 반사된 음파에 의한 진동을 압전소자로 전달한다.
베이스부(11)는 원형의 플레이트 형상이다. 베이스부(11)의 후면에는 제1 안착부(12) 및 제2 안착부(13)가 일체로 형성된다. 베이스부(11)는 수중 음향 트랜스듀서에 있어서 음파를 송신 및 수신하는 매개체 역할을 한다. 베이스부(11)의 전면은 물에 노출되므로 물, 특히 바닷물에 대한 부식에 강한 재질을 사용하거나 적절한 표면 처리가 되는 것이 바람직하다.
제1 안착부(12)는 베이스부(11)의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 대략 원기둥 형상으로 형성된다. 제1 안착부(12)의 후면에는 후술할 제1 압전소자(20)의 전면이 접한다. 제1 안착부(12)의 횡단면 형상은 제1 압전소자(20)의 횡단면 형상에 부합되는 형상을 가진다. 제1 안착부(12)의 중심에는 내주면에 나사산이 형성된 결합홀(14)이 형성되며, 결합홀(14)에는 클램프 볼트(60)의 전단부가 삽입되어 결합된다.
제2 안착부(13)는 베이스부(11)의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 대략 중공의 원기둥 형상으로 형성된다. 제2 안착부(13)의 내경은 제1 안착부(12)의 외경보다 크게 형성되며, 제2 안착부(13)와 제1 안착부(12)는 동축 상에 배치되되 제2 안착부(13)는 제1 안착부(12)의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치된다. 즉, 제1 안착부(12)는 제2 안착부(13)의 내주면에 수용되는 형태이다. 따라서, 제1 안착부(12) 및 제2 안착부(13)가 형성된 전면추(10)의 횡단면 형상은 동심원을 이룬다. 제1 안착부(12) 및 제2 안착부(13)가 이격하여 형성됨으로써 제1 압전소자(20)와 제2 압전소자(30)는 독립적인 진동 시스템을 이룰 수 있다.
제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 중공의 원기둥 형상이며, 제2 압전소자(30)의 내경은 제1 압전소자(20)의 외경보다 크다. 제1 압전소자(20)와 제2 압전소자(30)는 동축 상에 배치되되, 제2 압전소자(30)는 제1 압전소자(20)의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치된다. 제1 압전소자(20)는 제2 압전소자(30)의 내주면에 수용되는 형태이다.
제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 전압을 인가받아 전면추(10)를 진동시켜 음파를 발생시킨다. 또한, 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 외부 물체로부터 전면추(10)로 전달된 진동을 상호 독립적으로 전기적 신호로 변환시킨다. 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 압전 세라믹(piezoelectric ceramic)으로 제조된다. 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 각각 링 형상의 복수의 제1 단위 압전소자(21) 및 제2 단위 압전소자(31)가 축 방향으로 적층되어 이루어진다. 제1 단위 압전소자(21) 및 제2 단위 압전소자(31)는 일측 면에 양극이 인가되고 타측 면에 음극이 인가된다. 제1 단위 압전소자(21) 및 제2 단위 압전소자(31)는 각각 동일한 극성을 가지는 면끼리 서로 접하도록 극성이 서로 번갈아가며 적층된다. 단위 압전소자들(21, 31) 사이에는 단위 압전소자들(21, 31)에 전압을 인가하기 위한 전극(미도시)이 구비된다.
각각의 전극에는, 음향 에너지를 송신할 때 전기적인 신호를 공급해주고, 음향 신호를 수신할 때 외부 압력의 변화에 의해 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에서 발생되는 전압을 수신하기 위한 전선(80)이 부착된다. 제1 단위 압전소자(21)의 동일 극성들은 전선에 의하여 서로 직렬로 연결되며, 제2 단위 압전소자(31)의 동일 극성들은 전선에 의하여 서로 직렬로 연결된다. 반면, 제1 단위 압전소자(21)와 제2 단위 압전소자(31)는 전선에 의하여 전기적으로 병렬로 연결된다. 즉, 복수의 제1 단위 압전소자(21)가 전기적으로 직렬로 연결되는 제1 압전소자(20)와 복수의 제2 단위 압전소자(31)가 전기적으로 직렬로 연결되는 제2 압전소자(30)는 수중 음향 트랜스듀서의 송수신 회로(미도시)에 대해 병렬로 연결된다. 전선은 조립된 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)의 전극으로부터 수중 음향 트랜스듀서의 송수신 회로까지 연장된다.
제1 후면추(40)는 제1 압전소자(20)의 후면에 접한다. 제1 후면추(40)에는 전면으로부터 후면으로 관통하는 관통홀(41)이 형성된다. 관통홀(41)에는 클램프 볼트(60)가 삽입되어 관통한다. 클램프 볼트(60)의 전단에 형성되는 제1 나사부(61)가 전면추(10)에 결합되고 클램프 볼트(60)의 중단에 형성되는 제2 나사부(62)에 클램프 너트(70)가 체결됨으로써 전면추(10)와 제1 후면추(40)가 결합된다. 전면추(10)와 제1 후면추(40)가 결합됨으로써 제1 압전소자(20)는 전면추(10)와 제1 후면추(40) 사이에서 고정된다.
제2 후면추(50)는 제2 압전소자(30)의 후면에 접한다. 제2 후면추(50)에는 전면으로부터 후면으로 관통하며, 클램프 볼트(60)가 관통하는 관통홀(41)이 형성된다. 클램프 볼트(60)의 전단에 형성되는 제1 나사부(61)가 전면추(10)에 결합되고 클램프 볼트(60)의 후단에 형성되는 제3 나사부(63)에 클램프 너트(70)가 체결됨으로써 전면추(10)와 제2 후면추(50)가 결합된다. 전면추(10)와 제2 후면추(50)가 결합됨으로써 제2 압전소자(30)는 전면추(10)와 제2 후면추(50) 사이에서 고정된다.
클램프 볼트(60)는 수중 음향 트랜스듀서의 길이 방향, 즉 전후 방향으로 연장되며, 전단부, 중단부 및 후단부에는 각각 제1 나사부(61), 제2 나사부(62) 및 제3 나사부(63)가 형성된다. 제1 나사부(61)는 전면추(10)의 결합홀(14)에 결합되며, 제2 나사부(62) 및 제3 나사부(63)에는 각각 클램프 너트(70)가 결합된다. 클램프 볼트(60)는 전면추(10)와 제1 후면추(40) 및 제2 후면추(50)에 결합됨으로써 제1 후면추(40) 및 제2 후면추(50)를 전면추(10)에 결합시키며, 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에 압축 응력을 가한다. 클램프 볼트(60)가 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에 압축 응력을 가함으로써 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에는 예압이 걸리게 된다.
이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 실시예에 따른 수중 음향 트랜스듀서의 작동과정을 설명한다.
음파의 송신 시에는, 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에 각각 전압이 인가되면 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)는 수중 음향 트랜스듀서의 축 방향으로 동시에 진동하고, 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)의 진동이 전면추(10)로 전달된다. 전면추(10)는 전달받은 진동에 의해 수중 공간으로 음파를 발생시킨다.
음파의 수신 시에는, 진행되는 음파가 물체에 부딪혀서 반사되면 진동이 전면추(10)를 거쳐 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에 도달한다. 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에 전달된 진동은 제1 압전소자(20) 및 제2 압전소자(30)에서 각각 독립적으로 전기적인 신호로 변환된다. 제1 압전소자(20)에 의해 변환된 전기적 신호와 제2 압전소자(30)에 의해 변환된 전기적 신호는 송수신 회로로 전달되어 처리된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10:전면추 20:제1 압전소자
30:제2 압전소자 40:제1 후면추
50:제2 후면추 60:클램프 볼트
70:클램프 너트 80:전선

Claims (7)

  1. 전압 인가 시 진동하여 음파를 발생시키고 음파를 수신 시 전기적인 신호로 변환하는 압전소자를 포함하여 수중에서 음파를 송수신하는 수중 음향 트랜스듀서로서,
    전면추;
    상기 전면추에 접하고 제1 공진주파수를 가지는 제1 압전소자;
    상기 제1 압전소자의 후면에 접하는 제1 후면추;
    제1 공진주파수와 서로 다른 공진 주파수를 가지고, 상기 제1 압전소자의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치되며, 상기 전면추에 접하는 제2 압전소자;
    상기 제2 압전소자의 후면에 접하는 제2 후면추;
    를 포함하며,
    상기 제1 압전소자는 상기 전면추와 상기 제1 후면추 사이에서 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되고, 상기 제2 압전소자는 상기 전면추와 상기 제2 후면추 사이에서 상기 클램프 볼트를 매개로 일체로 가압 체결되며,
    상기 제1 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호와 상기 제2 압전소자에 의해서 발생되는 전기 신호는 서로 병렬로 연결되고,
    상기 제1 단위 압전소자의 동일 극성들은 서로 직렬로 연결되고, 상기 제2 단위 압전소자의 동일 극성들은 서로 직렬로 연결되며, 상기 제1 압전소자와 상기 제2 압전소자는 전기적으로 병렬로 연결되는 수중 음향 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전소자는 적어도 둘의 링 형상의 제1 단위 압전소자가 축 방향으로 적층되어 이루어지며,
    상기 제2 압전소자는 상기 제1 단위 압전소자의 외경보다 큰 내경을 가지는 적어도 둘의 링 형상의 제2 단위 압전소자가 축 방향으로 적층되어 이루어지는 수중 음향 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 압전소자 및 상기 제2 압전소자는 동축 상에 놓이는 수중 음향 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전면추는,
    베이스부;
    상기 베이스부의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 중심에는 내주면에 나사산이 형성된 결합홀이 형성되는 제1 안착부; 및
    상기 베이스부의 후면으로부터 후방으로 돌출되며, 상기 제1 안착부의 반경 방향의 외측에 이격하여 배치되는 제2 안착부
    를 포함하는 수중 음향 트랜스듀서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 안착부 및 상기 제2 안착부의 횡단면 형상은 원형이며, 상기 제1 안착부 및 상기 제2 안착부는 동축상에 놓이는 수중 음향 트랜스듀서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 클램프 볼트는 상기 수중 음향 트랜스듀서의 길이 방향으로 연장되고, 전단부에는 상기 전면추에 결합되는 제1 나사부가 형성되며, 중단부 및 후단부에는 각각 클램프 너트가 결합되는 제2 나사부 및 제3 나사부가 형성되는 수중 음향 트랜스듀서.
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