KR101294292B1 - Apparatus and method for focusing and directing sound wave through ultrasound modulation - Google Patents

Apparatus and method for focusing and directing sound wave through ultrasound modulation Download PDF

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Abstract

초음파 변조를 이용하여 음파 집속 및 방향성을 부여하는 장치, 방법 및 컴퓨터 판독가능 매체가 개시된다. 음파 집속 및 방향성 부여 장치는, 음파 신호를 발생시키는 음파 신호 발생부, 초음파 신호를 발생시키는 초음파 신호 발생부, 이 음파 신호 및 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 결정하는 신호 제어부, 이 음파 신호 및 초음파 신호를 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 변조부, 변조된 전기적 신호를 증폭시키는 증폭부, 및 증폭부에 의해 증폭된 신호를 변조된 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환자를 포함한다. 이러한 초음파 변조를 이용하여 음파 집속 및 방향성을 부여하는 기술은 음파의 집속 및 방향성이 필요한 다양한 응용 분야들, 예를 들어, 세포 분화 및 성장, 자동차 경적, 또는 스피커 등에 응용될 수 있다.Apparatus, methods, and computer readable media for providing sonic focusing and directivity using ultrasonic modulation are disclosed. The sound wave focusing and directing device includes a sound wave signal generator for generating a sound wave signal, an ultrasonic signal generator for generating an ultrasonic signal, a signal controller for determining the magnitude and frequency of each of the sound wave signal and the ultrasonic signal, the sound wave signal, and an ultrasonic wave. A modulator for modulating the signal into a predetermined modulated electrical signal, an amplifier for amplifying the modulated electrical signal, and an ultrasonic transducer for converting the signal amplified by the amplifier into a modulated ultrasonic signal. A technique for converging and directing sound waves using such ultrasonic modulation may be applied to various application fields, such as cell differentiation and growth, car horn, or a speaker, which require sound wave focusing and directivity.

Description

초음파 변조를 통한 음파 집속 및 방향성 부여 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FOCUSING AND DIRECTING SOUND WAVE THROUGH ULTRASOUND MODULATION}Apparatus and method for focusing and directing sound waves through ultrasonic modulation {APPARATUS AND METHOD FOR FOCUSING AND DIRECTING SOUND WAVE THROUGH ULTRASOUND MODULATION}

본 발명은 초음파 변조를 통해 음파를 집속시키고 방향성을 부여함으로써 이를 음향 분야, 자동차 분야, 그리고 바이오 분야 등에 적용할 수 있는 기술이다.
The present invention is a technology that can be applied to the acoustic field, automobile field, and bio field by focusing and directing sound waves through ultrasonic modulation.

변조 기술은 낮은 주파수의 신호를 높은 주파수의 반송파 신호에 실어서 먼 곳으로 송신하는 방법으로서, 진폭 변조, 주파수 변조, 위상 변조 등의 다양한 기술들이 채용된다. 높은 주파수의 반송파 신호는 집속 및 방향성을 부여할 수 있기 때문에 음파의 목적 지점 송신 및 방향성 부여를 위해서는 필수적으로 사용되는 신호이다.The modulation technique is a method of transmitting a low frequency signal to a high frequency carrier signal and transmitting it far away. Various techniques such as amplitude modulation, frequency modulation, and phase modulation are employed. Since the carrier signal of high frequency can give focusing and directionality, it is an essential signal for the purpose point transmission and directionality of sound waves.

그러나, 일반적으로 음파는 파장이 매우 길기 때문에 집속하거나 방향성을 부여하기가 상당히 어렵고, 따라서, 당해 기술 분야에는 낮은 주파수의 음파를 집속하거나 방향성을 부여하기 위한 해결책이 절실히 요구된다.
However, in general, sound waves have a very long wavelength, which makes it difficult to focus or direct the sound, and therefore, there is an urgent need in the art for a solution for focusing or directing low frequency sound waves.

본 발명의 목적은 음파를 집속하고 방향성을 부여하기 위해 초음파 변조를 이용하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus and method using ultrasonic modulation to focus and direct sound waves.

본 발명의 다른 목적은, 특정 음파 신호를 원하는 방향으로 송신함으로써 주변의 영향을 최소화하는 것이다.Another object of the present invention is to minimize the influence of the surroundings by transmitting a specific sound wave signal in a desired direction.

본 발명의 또 다른 목적은, 초음파 변조를 이용하여 음파를 집속하고 방향성을 부여하는 장치 및 방법을 제공함으로써 자동차, 음향 또는 바이오 분야 등의 다양한 응용 분야에 적용하고자 하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide an apparatus and method for focusing and directing sound waves using ultrasonic modulation to be applied to various applications such as automobiles, acoustics, or biotechnology.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 음파 집속 및 방향성 부여 장치는, 음파 신호를 발생시키는 음파 신호 발생부, 초음파 신호를 발생시키는 초음파 신호 발생부, 상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 결정하는 신호 제어부, 상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호를 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 변조부, 상기 변조된 전기적 신호를 증폭시키는 증폭부, 및 상기 증폭부에 의해 증폭된 신호를 변조된 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환자를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a sound wave converging and directing device, comprising: a sound wave signal generator for generating a sound wave signal, an ultrasonic signal generator for generating an ultrasonic signal, and the sound wave signal and the ultrasonic signal, respectively. A signal controller for determining magnitude and frequency, a modulator for modulating the sound wave signal and the ultrasonic signal into a predetermined modulated electrical signal, an amplifier for amplifying the modulated electrical signal, and a signal amplified by the amplifier. And an ultrasonic transducer for converting the modulated ultrasonic signal.

바람직하게는, 상기 초음파 변환자는 단일소자 초음파 변환자일 수 있다.Preferably, the ultrasonic transducer may be a single element ultrasonic transducer.

바람직하게는, 상기 초음파 변환자는 배열형 초음파 변환자일 수 있고, 상기 음파 집속 및 방향성 부여 장치는 상기 배열형 초음파 변환자의 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치를 변화시키기 위한 시간 지연 제어부를 더 포함할 수 있다.Preferably, the ultrasonic transducer may be an array ultrasonic transducer, and the sound wave focusing and directing device may include a time delay controller for changing the positions of the axial ultrasonic focusing point and the lateral ultrasonic focusing point of the arrayed ultrasonic transducer. It may further include.

바람직하게는, 상기 초음파 변환자는 환형(annular), 선형(linear) 및, 위상(phased) 배열형 중 어느 하나일 수 있다.Preferably, the ultrasonic transducer may be any one of annular, linear, and phased arrangement.

본 발명의 일 양상에 따른 음파 집속 및 방향성 부여 방법은, 음파 신호를 발생시키는 단계, 초음파 신호를 발생시키는 단계, 상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 결정하는 단계, 상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호를 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 단계, 상기 변조된 전기적 신호를 증폭시키는 단계, 및 상기 증폭된 신호를 변조된 초음파 신호로 변환하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a sound wave focusing and directing method, comprising: generating a sound wave signal, generating an ultrasonic signal, determining a magnitude and a frequency of each of the sound wave signal and the ultrasonic signal, the sound wave signal and Modulating the ultrasonic signal into a predetermined modulated electrical signal, amplifying the modulated electrical signal, and converting the amplified signal into a modulated ultrasonic signal.

바람직하게는, 상기 초음파 신호로 변환하는 단계에서 초음파 신호로의 변환은 배열형 초음파 변환자에 의해 수행되고, 상기 배열형 초음파 변환자의 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치는 시간 지연을 통해 수행될 수 있다.Preferably, the step of converting the ultrasonic signal into the ultrasonic signal in the step of converting into the ultrasonic signal is performed by the array ultrasonic transducer, the position of the axial ultrasonic focusing point and the lateral ultrasonic focusing point of the array ultrasonic transducer is time delay It can be performed through.

본 발명의 일 양상에 따른 음파 집속 및 방향성 부여를 위한 컴퓨터 판독가능 매체는, 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드를 포함하되, 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드는 컴퓨터 상에서 실행될 때, 상기 컴퓨터가 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 방법의 각 단계를 수행하도록 한다.
A computer readable medium for sonic focusing and directing according to one aspect of the present invention includes computer readable program code, the computer readable program code being executed on a computer, wherein the computer is Each step of the described method is carried out.

본 발명은 초음파 변조를 이용하여 음파 집속 및 방향성 부여를 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 판독가능 매체를 제공함으로써, 원하는 음파 신호를 원하는 방향으로 송신함으로써 주변의 영향을 최소화할 수 있고, 나아가 자동차, 음향 또는 바이오 분야 등의 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.
The present invention provides an apparatus, method and computer readable medium for sound wave focusing and directionality using ultrasonic modulation, thereby minimizing the influence of the surroundings by transmitting a desired sound wave signal in a desired direction, and furthermore, It can be applied to various applications such as the bio field.

도 1은 단일소자 초음파 변환자를 사용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치의 개략도이다.
도 2는 배열형 초음파 변환자를 사용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a sound wave focusing and directing device using a single element ultrasonic transducer.
2 is a schematic diagram of a sonic focusing and directing device using an arrayed ultrasonic transducer.

이하에서는 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하고자 한다. 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들에 관한 상세한 설명은 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니고, 단지 발명에 대한 현재로서의 바람직한 실시예를 예시하는 것일 뿐이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The detailed description of the embodiments of the invention shown in the drawings is not intended to limit the scope of the invention, but merely to exemplify presently preferred embodiments of the invention.

도 1은 단일 소자 초음파 변환자를 이용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치의 개략도이다. 단일 소자 초음파 변환자를 이용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치(100)는, 음파 신호 발생부(110), 초음파 신호 발생부(120), 신호 제어부(130), 변조부(140), 증폭부(150), 송신부(160) 및 단일소자 초음파 변환자(170)를 포함한다.1 is a schematic diagram of a sound wave focusing and directing device using a single element ultrasonic transducer. The sound wave focusing and directing device 100 using the single element ultrasonic transducer includes a sound wave signal generator 110, an ultrasonic signal generator 120, a signal controller 130, a modulator 140, and an amplifier 150. , A transmitter 160, and a single element ultrasonic transducer 170.

구체적으로 살펴보면, 음파 신호 발생부(110)에 의해 음파 신호가 발생되고, 초음파 신호 발생부(120)에 의해 초음파 신호가 발생되며, 이 신호들 각각의 크기 및 주파수는 신호 제어부에 의해 결정된다. 이들 음파 신호 및 초음파 신호는 변조부(140)에 의해 소정의 변조된 전기적 신호로 변조되며, 이 변조된 전기적 신호는 증폭부(150)에 의해 증폭된다. 증폭부(150)에서 증폭된 신호는 송신부(160)로 송신되고, 송신부(160)는 이를 초음파 변환자(도 1의 예에서는 단일소자 초음파 변환자)(170)로 보낸다. 초음파 변환자(170)에 의해 변조된 초음파 신호로 변조되어 매질로 전달된다. 단일소자 초음파 변환자의 경우, 변환자의 종류에 따라서 축방향 초음파 집속점의 위치를 변화시킬 수 있다.In detail, a sound wave signal is generated by the sound wave signal generator 110 and an ultrasonic signal is generated by the ultrasonic signal generator 120, and the magnitude and frequency of each of these signals is determined by the signal controller. These sound wave signals and ultrasonic signals are modulated into a predetermined modulated electrical signal by the modulator 140, and the modulated electrical signal is amplified by the amplifier 150. The signal amplified by the amplifier 150 is transmitted to the transmitter 160, and the transmitter 160 sends it to the ultrasonic transducer (single element ultrasonic transducer in the example of FIG. 1) 170. The ultrasound signal is modulated by the ultrasound transducer 170 and transmitted to the medium. In the case of a single element ultrasonic transducer, the position of the axial ultrasonic focusing point may be changed according to the type of transducer.

다음으로, 도 2를 참조하면, 도 2는 배열형 초음파 변환자를 이용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치의 개략도이다. 배열형 초음파 변환자를 이용하는 음파 집속 및 방향성 부여 장치(200)는, 도 1의 예와 비교해 볼 때, 배열형 초음파 변환자(270)를 이용하고, 시간 지연 제어부(280)를 더 구비하고 있다는 점을 제외하고는 나머지는 도 1의 경우와 동일하다.Next, referring to FIG. 2, FIG. 2 is a schematic diagram of a sound wave focusing and directing device using an arrayed ultrasonic transducer. In comparison with the example of FIG. 1, the sound wave focusing and directing device 200 using the arrayed ultrasonic transducer uses the arrayed ultrasonic transducer 270 and further includes a time delay control unit 280. Except for the rest is the same as the case of FIG.

이 음파 집속 및 방향성 부여 장치(200)는 시간 지연 제어부(280)를 사용하여 배열형 초음파 변환자(270)의 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치를 자유롭게 변화시킬 수 있다.The sound wave focusing and directing device 200 may freely change the positions of the axial ultrasonic focusing point and the lateral ultrasonic focusing point of the arrayed ultrasonic transducer 270 using the time delay control unit 280.

본 발명의 실시예들에서, 초음파 변환자는 환형, 선형, 위상 배열형 중 어느 하나일 수 있고, 이를 통해 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치 및 음파의 강도를 자유롭게 변화시킬 수 있다.In embodiments of the present invention, the ultrasonic transducer may be any one of annular, linear, and phased arrangement, and may freely change the position of the axial and lateral ultrasonic focusing points and the intensity of sound waves. .

본 발명의 일 양상에 따른 음파 집속 및 방향성 부여 방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 기술하면 이하와 같다.A sound wave focusing and directing method according to an aspect of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

음파 신호 발생부(110)에서 음파 신호를 발생시키는 단계, 초음파 신호 발생부(120)에서 초음파 신호를 발생시키는 단계, 음파 신호 및 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 신호 제어부(130)에서 결정하는 단계, 음파 신호 및 초음파 신호를 변조부(140)에서 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 단계, 상기 변조된 전기적 신호를 증폭부(150)에서 증폭시키는 단계, 증폭부(150)에 의해 증폭된 신호를 초음파 변환자(170 또는 270)에 의해 소정의 변조된 초음파 신호로 변환하는 단계를 포함한다.Generating a sound wave signal in the sound wave signal generator 110, generating an ultrasonic signal in the ultrasonic signal generator 120, and determining the magnitude and frequency of each of the sound wave signal and the ultrasonic signal in the signal controller 130 Modulating the sound wave signal and the ultrasonic signal into a predetermined modulated electrical signal by the modulator 140, amplifying the modulated electrical signal by the amplifying unit 150, and amplified by the amplifying unit 150. Converting the signal into a predetermined modulated ultrasound signal by the ultrasound transducer 170 or 270.

앞서 기술한 바와 같이, 상기 초음파 변환자는 단일소자 초음파 변환자(170)일 수도 있고 배열형 초음파 변환자(270)일 수도 있다.As described above, the ultrasonic transducer may be a single element ultrasonic transducer 170 or may be an array ultrasonic transducer 270.

또한, 본 발명은 초음파 변조를 이용하여 음파 집속 및 방향성 부여를 위한 컴퓨터 판독가능 매체로 구현될 수 있다. 이 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드를 포함하며, 이 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드는 컴퓨터 상에서 실행될 때 컴퓨터가 위에서 기술한 방법의 각 단계들을 수행하도록 한다.In addition, the present invention can be implemented as a computer readable medium for sonic focusing and directing direction using ultrasonic modulation. The computer readable medium includes computer readable program code, which when executed on a computer causes the computer to perform the respective steps of the method described above.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 초음파 변조를 이용하여 음파 집속 및 방향성을 부여하는 장치, 방법, 및 컴퓨터 판독가능 매체를 제공한다. 그리하여, 음파의 집속 및 방향성이 필요한 다양한 응용 분야들, 예를 들어, 세포 분화 및 성장, 자동차 경적, 또는 스피커 등에 응용될 수 있을 것이다.
As described above, the present invention provides an apparatus, method, and computer readable medium for imparting sound wave focusing and directivity using ultrasonic modulation. Thus, the present invention may be applied to various applications in which sound wave focusing and directivity are required, for example, cell differentiation and growth, car horn, or a speaker.

110, 210 : 음파 신호 발생부 120, 220 : 초음파 신호 발생부
130, 230 : 신호 제어부 140, 240 : 변조부
150, 250 : 증폭부 160, 260 : 송신부
170 : 단일소자 초음파 변환자
270 : 배열형 초음파 변환자
280 : 시간 지연 제어부110, 210: sound wave signal generator 120, 220: ultrasonic signal generator
130, 230: signal controller 140, 240: modulator
150, 250: amplifier 160, 260: transmitter
170: single element ultrasonic transducer
270 array ultrasonic transducer
280: time delay control unit

Claims (8)

음파 신호를 발생시키는 음파 신호 발생부;
초음파 신호를 발생시키는 초음파 신호 발생부;
상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 결정하는 신호 제어부;
상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호를 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 변조부;
상기 변조된 전기적 신호를 증폭시키는 증폭부; 및
상기 증폭부에 의해 증폭된 신호를 변조된 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환자를 포함하는, 음파 집속 및 방향성 부여 장치.A sound wave signal generator for generating a sound wave signal;
An ultrasonic signal generator for generating an ultrasonic signal;
A signal controller configured to determine a magnitude and a frequency of each of the sound wave signal and the ultrasonic signal;
A modulator for modulating the sound wave signal and the ultrasonic signal into a predetermined modulated electrical signal;
An amplifier for amplifying the modulated electrical signal; And
And an ultrasonic transducer for converting the signal amplified by the amplifier into a modulated ultrasonic signal. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환자는 단일소자 초음파 변환자인, 음파 집속 및 방향성 부여 장치.The apparatus of claim 1, wherein the ultrasonic transducer is a single element ultrasonic transducer. 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환자는 배열형 초음파 변환자인, 음파 집속 및 방향성 부여 장치.The device of claim 1, wherein the ultrasonic transducer is an array ultrasonic transducer. 청구항 3에 있어서, 상기 음파 집속 및 방향성 부여 장치는 상기 배열형 초음파 변환자의 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치를 변화시키기 위한 시간 지연 제어부를 더 포함하는, 음파 집속 및 방향성 부여 장치.The sound wave focusing and directing device of claim 3, wherein the sound wave focusing and directing device further includes a time delay control unit for changing positions of the axial ultrasonic focusing point and the lateral ultrasonic focusing point of the arrayed ultrasonic transducer. . 청구항 1에 있어서, 상기 초음파 변환자는 환형(annular), 선형(linear) 및, 위상(phased) 배열형 중 어느 하나인, 음파 집속 및 방향성 부여 장치.The device of claim 1, wherein the ultrasonic transducer is any one of annular, linear, and phased arrangement. 음파 신호를 발생시키는 단계;
초음파 신호를 발생시키는 단계;
상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호 각각의 크기 및 주파수를 결정하는 단계;
상기 음파 신호 및 상기 초음파 신호를 소정의 변조된 전기적 신호로 변조시키는 단계;
상기 변조된 전기적 신호를 증폭시키는 단계; 및
상기 증폭된 신호를 변조된 초음파 신호로 변환하는 단계를 포함하는, 음파 집속 및 방향성 부여 방법.Generating an acoustic signal;
Generating an ultrasonic signal;
Determining a magnitude and a frequency of each of the sound wave signal and the ultrasonic signal;
Modulating the sound wave signal and the ultrasonic signal into a predetermined modulated electrical signal;
Amplifying the modulated electrical signal; And
And converting the amplified signal into a modulated ultrasonic signal. 청구항 6에 있어서, 상기 초음파 신호로 변환하는 단계에서 초음파 신호로의 변환은 배열형 초음파 변환자에 의해 수행되고, 상기 배열형 초음파 변환자의 축방향 초음파 집속점 및 측방향 초음파 집속점의 위치는 시간 지연을 통해 수행되는, 음파 집속 및 방향성 부여 방법.The method of claim 6, wherein the conversion to the ultrasonic signal in the step of converting the ultrasonic signal is performed by the array ultrasonic transducer, the position of the axial ultrasonic focusing point and the lateral ultrasonic focusing point of the array ultrasonic transducer is time A method of focusing and directing sound waves, which is performed through delay. 음파 집속 및 방향성 부여를 위한 컴퓨터 판독가능 매체로서, 상기 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드를 포함하되, 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드는 컴퓨터 상에서 실행될 때, 상기 컴퓨터가 청구항 6 또는 청구항 7에 기재된 방법의 각 단계를 수행하도록 하는, 컴퓨터 판독가능 매체.A computer readable medium for sonic focusing and directionalization, the computer readable medium comprising computer readable program code, the computer readable program code being executed on a computer, wherein the computer is And each step of the method.
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