KR101227712B1 - 굴곡탄성 피스톤 음파변화기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 저주파 음파발생기에 관한 것으로 굴곡탄성 음파변환기(flextensional transducer)에 방사피스톤을 부착하여 음파발생기의 일차 공진 주파수를 낮추며, 유효 사용 가능 대역을 넓게 하며, 또한 음원의 세기를 기존의 굴곡 탄성 음파변환기에 비하여 증대시킬 수 있는 굴곡탄성 피스톤 음파변환기(FPT: flextensional piston transducer)에 관한 것이다.

저주파, 음파발생기, 트랜스듀서, flextensional, 굽힘파, 음파 방사면

Description

굴곡탄성 피스톤 음파변화기{FPT: flextensional piston transducer}

도 1은 본 발명에 따른 정육면체형 굴곡탄성 피스톤 음파변환기(FPT: flextensional piston transducer)의 모습을 나타낸 입체도;

도 2는 상기 도1의 정육면체형 FPT의 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 원통형 FPT의 외부형상 입체도;

도 4는 상기 원통형 FPT의 상부도;

도 5는 상기 원통형 FPT의 단면도;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 압전 세라믹 소자( piezoelectric ceramic element ),

200: 압전 세라믹 적층( piezoelectric ceramic stack ),

300: 전면추( head mass ),

400: 후면추( tail mass ),

500: 스트레스 볼트( stress bolt ),

600: 탄성굴곡판( flextensional plate ),

700: 방사피스톤( radiation piston ),

800: 피스톤 결합 볼트( piston coupling bolt ),

900: 케이블 구멍( cable hole ).

저주파 대역에 공진주파수를 갖는 대표적인 형태의 저주파 음원으로 여러 가지 형태의 굴곡탄성 음파변환기(flextensional transducer)가 연구 개발되어 왔으나 모든 굴곡탄성 음파변환기는 그 외형에 타원면, 오목면, 혹은 볼록면 형태의 방사판이 있어서 그 방사판에 굽힘파(flexual wave) 운동을 유기시키는 기법을 사용하고 있다. 볼록면 형태의 방사판을 갖는 굴곡탄성 음파변환기로는 미국 특허들 US 4,384,351(1983, 5. 17), US 4,964,106(1990, 10. 16), US 4,862,429(1989, 8, 29), US 6,614,143 B2(2003, 9, 2), US 5,497,357(1996, 3, 5), US 5,926,439(1999, 6, 20), US 4,845,687(1989, 7, 4)에 명기된 다양한 형태들이 있으며, 중배 부른 통형 굴곡탄성 음파변환기 즉 barrel stave projector로는 US 4,922,470(1990, 5, 1), US 5,875,154(1999, 2, 23), US 5,136,556(1992, 8, 4), US 6,535,459 B1(2003, 3, 18)의 여러가지 형태들이 연구 개발되었다.

본 발명은 수중 혹은 유체 중 사용하는 음파 발생 장치의 음파변환기(acoustic transducer)에 관한 것으로 응용분야는 해양, 호수, 하천 등의 물이나 유체상의 물질의 공업용 저장 시설 내부나, 혹은 음향 파동을 이용하는 산업용 혹은 가정용 초 음파 발생 기기의 음파변환기에 관한 것이다.

수중 음파를 송수신하기 위한 음파변환기 개발에 있어서 주어진 공간 조건하에서 가능한 낮은 공진 주파수를 갖도록 설계하는 기술은 핵심적인 중요 기술 분야이다. 수중에서 낮은 주파수 대역의 음파는 수중에서 상대적으로 적은 감쇠 영향을 받기 때문에 원거리까지 전달될 수 있으므로 최근 낮은 대역의 음파를 많이 사용하는 추세에 있다. 일반적으로 잘 알려진 톤필츠(Tonpilz)형의 음향진동체로는 낮은 공진 주파수를 갖는 음원을 구현하기가 어렵기 때문에 굽힘파를 이용하는 기법들이 활발히 연구 개발되고 있다.

저주파 대역에 공진주파수를 갖는 대표적인 형태의 저주파 음원으로 여러 가지 형태의 굴곡탄성 음파변환기(flextensional transducer)가 연구 개발되어 왔으나 모든 굴곡탄성 음파변환기는 그 외형에 타원면, 오목면, 혹은 볼록면 형태의 방사판이 있어서 그 방사판에 굽힘파(flexual wave) 운동을 유기시키는 기법을 사용하고 있다.

이러한 종래의 굴곡탄성음파변한기의 문제점 및 단점으로;

1). 현재까지 발명된 모든 굴곡탄성 음파변환기는 모두 외부 표면 진동판이 타원면, 오목면, 볼록면, 중배 부른 통형(예, barrel stave projector)으로 구성되어 있으므로 음향 장치의 설치나 탑재 시 기하학적 어려움을 야기하고:

2). 굴곡탄성 음파발생장치를 탑재한 음향송수신장치는 움직일 때 표면의 굴곡에 의해 유체의 난류 유동을 야기하므로 자체 소음을 증대시켜 결과적으로 음향송수신장치의 성능을 저하 시키므로 음파발생장치 외부에 이를 방지하기 위한 별도의 하 우징을 만들어야하는 문제점을 보유하여 왔으며

3). 외부 곡면에 의해 야기되는 또 다른 문제로 곡면 표면에 대한 폴리우레탄이나 고무 몰딩을 위한 금형 제작 시 평판이나 원통형 구조에 비해 더 많은 비용이 소요되어 결과적으로 총 개발 비용을 높이는 요소가 되고 있다.

저주파 음파변환기 설계 시 설계자들이 일반적으로 추구하는 목표는 상기한 종래의 굴곡탄성 음파변환기의 단점과 문제점을 개선하는 것 이외에도 1) 수중에서 작은 크기의 음원으로 가능한 낮은 공진 주파수를 갖는 것, 2) 음파변환기의 사용 가능한 주파수 대역이 넓을 것, 3) 유효 사용 주파수 대역에서 높은 세기의 음파를 발생할 수 있을 것을 추구하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 굴곡탄성 음파변환기들의 공통된 단점과 문제점을 해결할 뿐만 아니라 1) 수중에서 작은 크기의 음원으로 가능한 낮은 공진 주파수를 갖고, 2) 음파변환기의 사용 가능한 주파수 대역이 넓고, 또한 3) 유효 사용 주파수 대역에서 높은 세기의 음파를 발생할 수 있는 음원을 만들기 위하여 안출된 것이다.

본 발명은 외부형상을 원통형, 정육면체형, 혹은 정다각형 형으로 만들어서 1) 음원의 탑재성을 양호하도록 하며 2) 탑재 시 표면 굴곡에 의한 유체 소음 발생을 줄 일 수 있으며, 또한 3) 음원의 외부 형상이 단순한 선형적 형상을 가짐으로 비선형 다중 곡면을 갖는 종래의 굴곡탄성 음파변환기에 비하여 몰딩을 위한 금형 제작에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 저주파 음원을 제작하기 위한 것이다.

본 발명은 탄성굴곡판 외부에 방사피스톤을 부착하여 음파변환기의 유효 주파수 대역을 넓히고 공진 주파수를 저주파 대역으로 낮추기 위한 주 목적이외에도 음파변환기의 외부 형상을 직선형으로 설계함으로써 곡면 방사면을 갖는 음파변환기 설치 시 발생하는 기하학적 어려움을 제거하고 유체 유동과 소음 측면에서 이득을 얻기 위한 목적을 갖고 있다.

본 발명의 이와 같은 목적은, 음파변화기의 유효 주파수 대역을 넓히고 또한 음파변환기의 공간적 제한 조건하에서 공진 주파수를 최대한 저주파 대역으로 낮추기 위한 음파변환기에 있어서:

압전 세라믹 소자들(100)을 적층하고 소자들 중간에 전극을 적절히 배치하고 구조적으로 단단하게 접착하여 제조한 압전 세라믹 적층(200), 즉 압전 세라믹 소자들(100)과 전극들이 서로 접착하여 결합된 압전 세라믹 적층(200);

분리형으로 제작된 전면추(300), 후면추(400), 압전 세라믹 적층(200)의 수직 방향 진동 변위를 최대 약 7배까지 증폭된 크기의 수평 방향 진동 변위를 갖도록 설계된 탄성굴곡판(600)을 포함하는 몸체나 혹은 일체형으로 제작된 전면추(300), 후면추(400), 및 탄성굴곡판(600)을 포함하는 몸체;

압전 세라믹 적층(200)과 상기 몸체를 결합하여 탄성 진동을 갖도록 적정한 스트레스를 미리 부가할 수 있는 스트레스 볼트(500);

탄성굴곡판의 최대 변위를 갖는 중앙부에 부착된 방사피스톤(700);

을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡탄성 피스톤 음파변화기(flextensional piston transducer)에 의해 달성된다.

압전 세라믹 적층을 가공하기 위한 기법은 톤필츠형 음향진동체에 사용되는 압전 세라믹적층의 구성과 상이하지 아니하므로 본 발명에서 언급을 생략한다. 탄성굴곡판(600)의 곡률에 따라 수직 방향 변위가 수평 방향 변위로 변환되면서 증폭되는 증폭비가 결정되므로 적절한 증폭비를 경험적 방법이나 수치 계산에 의해 적절하게 선정하는 것이 요구된다.

도 1과 도 4에서 세라믹 스택(200)의 수직 방향 진동은 탄성 굴곡판(600)의 수평 방향 진동으로 변환되며, 이 때 변환된 수평 방향 진동의 크기는 굴곡판 중앙에서 세라믹 스택의 수직 방향 진동의 크기에 비해 최대 약 7배까지 증폭된다. 여기서 수직방향은 세라믹 스택(200)의 종축 진동 방향으로 정의한다. 수평 방향 변위는 굴곡판 중앙에서 고정된 양단에 접근할수록 감소하여 고정된 양 단면에서는 수평 방향 변위는 존재하지 않는다. 여기서, 수직 대 수평의 증폭비는 탄성 굴곡판의 곡률의 함수로 결정된다. 탄성 굴곡판의 수평 방향 진동은 양단이 고정된 탄성 굴곡판의 여러 굽힘파 모드(Flexual wave mode)로 변환되어 수직방향 공진 주파수에 비하여 매우 낮은 공진 주파수를 갖는데 굴곡 탄성 음파변환기는 이와 같이 발생된 낮은 주파수의 굽힘파를 사용한다.

본 발명에 따른 굴곡탄성 피스톤 음파변화기(flextensional piston transducer)가 종래의 굴곡탄성 음파변환기에 비하여

1) 상대적으로 낮은 공진 주파수를 갖으며;

2) 사용할 수 있는 주파수 대역이 확장되고;

3) 유효 사용 주파수 대역에서 높은 세기의 음파를 발생하는 것;

에 대하여 원리를 설명하면 다음과 같다.

1) 공진주파수 저주파수화; 일반적으로 음향진동체를 스프링과 질점이 연결된 하나의 진동계로 모델링할 때 그 공진 주파수

는

로 표시되며 여기서

는 그 음향진동체의 유효 스프링 강성(Stiffness)이며 는 유효 질량 부하이다. 위 식에서 유효 스프링 강성은 압전 세라믹 적층(200)의 유효 탄성과 탄성굴곡판(600)의 스프링 강성에 의하여 결정되며, 유효 질량 부하

는 음향진동체의 전면추(head mass)와 후면추(tail mass)의 질량과 음파 방사면에서의 유효유체질량(effective fluid mass)의 크기에 의해서 결정된다. 음파변환기의 공진주파수를 낮추기 위하여 음파 방사면에서의 유효유체질량이 최대화되도록 설계되어야 하는데 기존의 굴곡 탄성음파변환기는 탄성 굴곡판(600)의 중앙에서 가장 큰 수평방향 변위가 있으나 고정된 양단에 접근할수록 변위가 발생하지 않기 때문에 탄성 굴곡판 중앙에 방사피스톤(700)을 부착한 형태의 굴곡 탄성 피스톤 음파 변환기에 비하여 상대적으로 유효유체질량이 작고 따라서 상대적으로 높은 공진 주파수를 갖게 됨을 알 수 있다.

2) 사용주파수 대역의 확장: 굴곡탄성 피스톤 음파변화기(flextensional piston transducer)의 진동 모드는 세라믹 적층(200)의 발진에 의한 두께 모드 진동과 탄 성굴곡판(600)의 굴곡 모드 진동(flexual mode vibration)에 추가하여 방사 피스톤(700)의 굴곡 모드 진동(flexual mode vibration)이 발생하게 된다. 종래의 굴곡탄성 음파변환기에 비하여 방사 피스톤의 굴곡 모드 진동이 추가됨에 따라 음향 진동체의 사용할 수 있는 주파수 대역이 넓어지는 광대역화 효과를 갖게 된다. 이와 같이 다중모드 진동(multi-mode vibration)을 갖도록 음원을 설계하는 접근 방법은 일반적으로 광대역 음원 설계를 위하여 사용되는 기법으로 톤필츠 형이나 탄성굴곡음파변환기에 적용되는 사례들이 연구 발표되고 있다.

3) 유효 사용 주파수 대역에서 높은 세기의 음파 발생; 일반적으로 음원의 음파 방사 면적 A를 갖는 음향 진동체의 총 음파 방사력(total acoustic radiation power)

는

표시되며 여기서

는 유효 음파 방사면의 면적,

는 방사임피던스, 그리고

는 진동 입자속도이다. 방사피스톤(700)을 부착함으로써 위 식에서 유효 음파방사면의 크기가 증대되고, 또한 수평방향 진동의 입자 속도 는 종래의 굴곡탄성 음파변환기의 탄성굴곡판(600)의 중앙에서 최대가 되며 탄성굴곡판(600)의 상단과 하단은 전면추(300)와 후면추(400)에 고정되어 있기 때문에 수평방향 변위는 발생하지 않는 반면, 본 발명에 따른 굴곡탄성 피스톤 음파변화기(flextensional piston transducer)의 방사피스톤(700)에서의 수평방향 진동의 입자 속도

는 방사피스톤 전체 면적에 거의 균일하게 탄성 굴곡판(600)의 중앙에서의 입자 속도와 같은 수준으로 증대되므로 음파변환기의 총 방사력이 증대함을 쉽게 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 실시 예의 직육면체형과 원통형 굴곡탄성 피스톤 음파변화기에 국한하지 아니하고 본 발명의 기술적 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

종래의 굴곡탄성 음파변환기에서 탄성굴곡판(600)의 수평방향 변위의 크기가 중앙 부위에서 최대가 되며 탄성굴곡판(600)의 상단과 하단은 전면추(300)와 후면추(400)에 고정되어 있기 때문에 수평방향 변위는 발생하지 않는 반면, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 굴곡탄성 피스톤 음파변화기(flextensional piston transducer)는 도 1과 도 3에서 보는 바와 같이 탄성굴곡판(600)의 수평방향 최대 변위를 갖는 중앙부에 방사피스톤(700)을 부착하여 가장 큰 수평 방향 진동 변위가 전체 진동판에 균등하게 전달되어 종래의 굴곡탄성 음파변환기에 비하여 상대적으로 낮은 공진 주파수를 갖으며 사용할 수 있는 주파수 대역을 확장되고 또한 유효 사용 주파수 대역에서 높은 세기의 음파를 발생하는 것을 특징으로 하는 파동 발생 특성을 갖는다. 또한 본 발명은 외부형상을 원통형, 정육면체형, 혹은 정다각형 형으로 만들어서 1) 음원의 탑재성을 양호하도록 제작하기에 용이하며 2) 본 발명에 의한 음파 발생 장치를 탑재하여 운용 시 표면 굴곡에 의한 유체 소음 발생이 감소 하게 되며, 또한 3) 음원의 외부 형상이 단순한 선형적 형상을 가짐으로 비선형 다중 곡면을 갖는 종래의 굴곡탄성 음파변환기에 비하여 몰딩을 위한 금형 제작에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (2)

1. 압전 세라믹 소자들(100)을 적층하고 상기 압전 세라믹 소자들(100) 중간에 전극을 배치하고 상기 압전 세라믹 소자들(100)과 상기 전극이 접착하여 제조된 압전 세라믹 적층(200)과;

   일체형으로 제작된 전면추(300), 후면추(400), 및 탄성굴곡판(600)을 구비하는 몸체와;

   상기 압전 세라믹 적층(200)과 상기 몸체를 결합하여 탄성 스프링 역할을 할 수 있도록 스트레스를 미리 부가할 수 있는 스트레스 볼트(500)와;

   상기 탄성굴곡판(600)의 최대 변위를 갖는 부위에 부착된 방사피스톤(700);

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡탄성 피스톤 음파변화기.
2. 제 1항에 있어서

   상기 전면추(300), 상기 후면추(400), 상기 압전 세라믹 적층(200)의 수직 방향 진동 변위를 수평 방향 진동 변위로 변환되도록 설계된 상기 탄성굴곡판(600), 상기 탄성굴곡판에 부착된 상기 방사피스톤(700)이 각각 독립적으로 제작되거나 혹은 부분적으로 결합된 형태로 분리형으로 제작되어 결합된 형태의 상기 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡탄성 피스톤 음파변화기.

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