KR101383781B1 - 음파 집음기 및 이를 포함하는 음파 발전 장치 - Google Patents

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엄정호
이호영
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 집음성을 개선하고 집음된 음파들을 평행하게 입사시킬 수 있는 음파 집음기를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 음파 집음기는, 입사되는 음파를 집음하는 음파 집음기로, 상기 음파가 입사되는 입사구를 갖는 집음 몸체; 상기 집음 몸체의 내면을 이루는 포물선 형상의 오목 반사판; 및 상기 집음 몸체 중 상기 입사구의 중심에 구비되며 상기 오목 반사판에서 반사된 음파를 집음하여 어느 한 방향으로 반사시키는 포물선 형상의 볼록 반사판을 포함한다.

Description

음파 집음기 및 이를 포함하는 음파 발전 장치{Sound collecting apparatus and sound wave generator of including the same}
본 발명은 음파 집음기 및 이를 포함하는 음파 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기를 생산하는 방법으로는 대규모 발전 설비를 갖춘 화력 발전, 원자력 발전, 수력 발전, 태양력 발전, 풍력 발전, 파력/조력 발전 등 다양한 에너지원으로부터 전기를 얻어내는 기술들이 개발되어 왔으며, 현재에도 많이 이용되고 있다.
최근 들어 무공해 에너지에 대한 관심이 높아지면서 태양광, 풍력, 조력, 파력 등의 에너지원으로부터 전기를 얻는 기술들이 더욱 관심이 높아지고 있으며, 에너지 생산이라는 측면에서 다양한 방법 등이 연구되고 있다.
특히, 친환경 에너지의 하나인 음파에 대한 연구가 시작 단계에 있다. 음파는 건물 안의 환풍기 또는 소음이 발생되는 장소(기차역, 전철역, 비행장, 고속도로 등) 등 모든 생활 공간에서 발생하기 때문에 어디서든 얻을 수 있는 에너지원이다. 따라서, 음파로부터 전기 에너지를 생산할 수 있는 기술이 필요하며, 한국등록특허 제10-0880240호는 음파로부터 전기 에너지를 생산할 수 있는 음파 공명 발전기에 대한 기술을 개시하고 있다.
구체적으로, 한국등록특허 제10-0880240호에 개시된 음파 공명 발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 직선 형태의 평평한 단면과 후방으로 갈수록 점점 폭이 작아지는 형상을 갖는 집음관(10)과, 집음된 소리를 공명시키는 공명통(20)과, 공진기(30)와 엑추에이터(40)와 스테이터(50) 등을 갖는 전자기 유도 방식의 발전부를 포함한다.
하지만, 이러한 종래의 음파 공명 발전기는 집음관이 직선 형태의 평평한 단면과 후방으로 갈수록 점점 폭이 작아지는 형상을 가지므로 음파가 공면통으로 집음되지 못하고 집음관에 반사되어 도로 외측으로 나가버리는 문제가 있다.
또한, 전자기 유도 방식으로 발전이 이루어지므로 그 기계적 구성이 복잡하고, 그 복잡한 기계적 구성으로 인해 음파의 미세 파동을 감지하는데 한계가 있어 전기 에너지의 생산 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 복잡한 기계적 구성으로 제품 단가가 상승하며 소형화에 한계가 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 집음성을 개선하고 집음된 음파들을 평행하게 입사시킬 수 있는 음파 집음기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 집음성을 개선할 뿐만 아니라 전기 에너지의 생산 효율을 개선할 수 있는 음파 발전 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 음파 집음기는, 입사되는 음파를 집음하는 음파 집음기로, 상기 음파가 입사되는 입사구를 갖는 집음 몸체; 상기 집음 몸체의 내면을 이루는 포물선 형상의 오목 반사판; 및 상기 집음 몸체 중 상기 입사구의 중심에 구비되며 상기 오목 반사판에서 반사된 음파를 집음하여 어느 한 방향으로 반사시키는 포물선 형상의 볼록 반사판을 포함한다.
상기 볼록 반사판의 초점은 상기 오목 반사판의 초점과 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 음파 집음기는 상기 입사되는 음파 중 상기 볼록 반사판에 가로 막혀 사각지대에 놓이는 음파를 집음하는 사각지대 집음부를 더 포함할 수 있다.
상기 사각지대 집음부는, 상기 볼록 반사판 중 상기 음파의 입사 방향을 기준으로 전단에 구비되며 상기 볼록 반사판으로 갈수록 접점 폭이 커지는 형상을 갖는 제1 평면 반사판; 및 상기 오목 반사판 중 상기 입사 방향을 기준으로 전단에 구비되어 상기 오목 반사판과 함께 상기 집음 몸체의 내면을 이루며 상기 제1 평면 반사판에서 반사된 음파를 집음하여 상기 오목 반사판으로 반사시키는 제2 평면 반사판을 포함할 수 있다.
상기 제2 평면 반사판은 상기 오목 반사판으로 갈수록 점점 그 두께가 얇아지는 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 평면 반사판과 상기 오목 반사판은 단차 없이 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 평면 반사판은 서로 평행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 음파 발전 장치는, 상술한 발명의 실시예에 따른 음파 집음기; 상기 음파 집음기 중 상기 음파의 입사 방향을 기준으로 후단에 구비되어 상기 음파 집음기에 의해 집음된 음파를 증폭시키는 공명기; 및 상기 공명기의 내부에 구비되어 상기 공명기에 의해 증폭된 음파를 전기 에너지로 변환시키는 압전기를 포함할 수 있다.
상기 공명기는 헬름홀츠 공명기일 수 있다.
상기 압전기는 지지 부재에 의해 캔틸레버 형태로 상기 공명기의 내부에 구비될 수 있다.
상기 압전기는, 상기 음파의 입사 방향을 향해 대향면을 가지며 상기 대향면의 반대면 중심에 상기 지지 부재가 구비되는 원판 형상의 기판; 및 상기 대향면에 적층되되 상기 대향면의 중심을 기준으로 복수개가 방사상으로 길게 적층되는 압전 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전 물질은 폴리불화비닐리덴(PVDF)일 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 음파 집음기 및 이를 포함하는 음파 발전 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 오목 반사판과 볼록 반사판을 포함한 음파 집음기가 제공되므로 집음성을 개선하고 볼록 반사판으로 집음된 음파들을 어느 한 방향으로 평행하게 반사시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 상술한 음파 집음기, 집음된 음파를 증폭하는 공명기, 및 캔틸레버 형태의 압전기를 포함한 음파 발전 장치가 제공되므로 집음성을 개선할 뿐만 아니라 전기 에너지의 생산 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 기존의 음파 공명 발전기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기의 구성 및 이를 포함한 음파 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다
도 3은 도 2의 음파 발전 장치에서 음파가 집음되는 과정 및 압전기가 진동되는 과정을 화살표 등을 이용하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 음파 발전 장치 중 압전기가 진동에 의해 인장 및 압축되는 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 2의 음파 발전 장치의 압전기에서 기판에 적층되는 압전 물질의 배열 형태를 나타낸 도면이다.
도 6은 오목 반사판으로 평행하게 입사되는 음파가 동일 초점을 갖는 오목 반사판과 볼록 반사판을 통해 평행하게 반사되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기의 구성 및 이를 포함한 음파 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 그리고 도 3은 도 2의 음파 발전 장치에서 음파가 집음되는 과정 및 압전기가 진동되는 과정을 화살표 등을 이용하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 입사되는 음파를 집음하는 음파 집음기(100)로, 집음 몸체(110)와, 오목 반사판(120)과, 그리고 볼록 반사판(130)을 포함한다.
집음 몸체(110)는 음파가 입사되는 입사구(111)를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기(100)가 후술할 음파 발전 장치에 적용될 경우, 집음 몸체(110)는 집음된 음파를 다음 장치인 공명기(200)로 안내하는 출사구(112)를 더 가질 수 있다.
오목 반사판(120)은 집음 몸체(110)의 내면을 이루며 포물선 형상을 가질 수 있다. 이러한 오목 반사판(120)은 입사구(111)의 중심부와 가장자리 사이로 입사되는 음파를 볼록 반사판(130)으로 반사시킨다.
볼록 반사판(130)은 집음 몸체(110) 중 입사구(111)의 중심에 구비며 포물선 형상을 가질 수 있다. 이러한 볼록 반사판(130)은 오목 반사판(120)에서 반사된 음파를 집음하여 어느 한 방향으로 서로 평행하게 반사시킬 수 있다. 특히, 입사구(111)를 통해 입사되는 음파가 오목 반사판(120)과 볼록 반사판(130)을 거쳐 출사구(112)를 통해 어느 한 방향으로 서로 평행하게 출사시키기 위해, 볼록 반사판(130)의 초점은 상술한 오목 반사판(120)의 초점과 동일하게 할 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 오목 반사판(120)의 초점(P)과 볼록 반사판(130)의 초점(P)을 동일하게 할 경우, 넓은 면적의 입사구(111)를 통해 평행하게 오목 반사판(120)으로 입사된 음파는 볼록 반사판(130)을 거쳐 좁은 면적의 출사구(112)로 평행하게 출사된다. 참고로, 도 6(a)는 오목 반사판(120)으로 평행하게 입사되는 음파가 오목 반사판의 초점(P)을 향하는 상태를 개략적으로 나타내고 있고, 도 6(b)는 상술한 오목 반사판(120)의 초점(P)과 동일 초점(P)을 갖는 볼록 반사판(130)으로 입사되는 음파가 평행하게 반사되고 있는 상태를 개략적으로 나타내고 있으며, 그리고 도 6(c)는 도 6(a)와 도 6(b)를 합친 것으로, 오목 반사판(120)으로 평행하게 입사되는 음파가 오목 반사판(120)에서 반사되어 오목 반사판과 볼록 반사판의 동일 초점(P)을 향하다가 볼록 반사판(130)에서 평행하게 반사되는 상태를 개략적으로 나타내고 있다.
이와 더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 사각지대 집음부(140)를 더 포함할 수 있다.
사각지대 집음부(140)는 입사구(111)를 통해 입사되는 음파 중 볼록 반사판(130)에 가로 막혀 사각지대에 놓이는 음파를 집음할 수 있다. 구체적으로, 사각지대 집음부(140)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 평면 반사판(141)과 제2 평면 반사판(142)을 포함할 수 있다.
제1 평면 반사판(141)은 볼록 반사판(130)의 전단(즉, 음파의 입사 방향을 기준으로 입사되는 부분)에 구비되며 볼록 반사판(130)으로 갈수록 접점 폭이 커지는 형상을 가질 수 있다. 이러한 제1 평면 반사판(141)은 입사구(111)를 통해 입사되는 음파 중 볼록 반사판(130)의 전단을 향하는 음파를 제1 평면 반사판(141)으로 반사시킬 수 있다.
제2 평면 반사판(142)은 오목 반사판(120)의 전단(즉, 음파의 입사 방향을 기준으로 입사되는 부분)에 구비되어 오목 반사판(120)과 함께 집음 몸체(110)의 내면을 이룰 수 있다. 이러한 제2 평면 반사판(142)은 제1 평면 반사판(141)에서 반사된 음파를 상술한 오목 반사판(120)으로 반사시킬 수 있다. 나아가, 오목 반사판(120)으로 반사된 음파는 오목 반사판(120)을 거쳐 볼록 반사판(130)에서 집음되어 결국 상술한 어느 한 방향으로 서로 평행하게 반사될 수 있다.
특히, 제2 평면 반사판(142)은 오목 반사판(120)으로 갈수록 점점 그 두께가 얇아지는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제2 평면 반사판(142)의 반사면이 오목 반사판(120)을 향해 기운 형상을 가지게 되므로 제2 평면 반사판(142)에서 반사되는 음파는 대부분 오목 반사판(120)을 향할 수 있다.
또한, 제2 평면 반사판(142)과 오목 반사판(120)의 반사면을 최대한 넓게 이용하기 위해, 즉 보다 넓은 범위의 반사면에서 음파를 반사시키기 위해, 제2 평면 반사판(142)과 오목 반사판(120)은 단차 없이 연결될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 평면 반사판(141)(142)의 반사면을 최대한 넓게 이용하기 위해, 즉 보다 넓은 범위의 반사면에서 음파를 반사시키기 위해, 제1 및 제2 평면 반사판(141)(142)은 서로 평행하게 할 수 있다.
이하, 도 3을 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기(100)의 집음 과정을 상세히 설명한다.
입사구(111)로 입사되는 음파 중 입사구(111)의 중심부와 가장자리 사이로 입사되는 음파는 오목 반사판(120)에서 반사되어 볼록 반사판(130)을 향하게 된다.
이렇게 볼록 반사판(130)을 향해 집음된 음파는 다시 볼록 반사판(130)을 통해 어느 한 방향으로 서로 평행하게 반사된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기(100)가 후술할 음파 발전 장치에 적용될 경우, 상술한 어느 한 방향은 출사구(112)를 통해 공명기(200)로 향하는 방향일 수 있다.
또한, 입사구(111)로 입사되는 음파 중 입사구(111)의 중심부로 입사되는 사각지대에 놓인 음파는 제1 평면 반사판(141)에서 반사되어 제2 평면 반사판(142)을 향하게 된다.
이렇게 제2 평면 반사판(142)을 향하는 음파는 제2 평면 반사판(142) 및 오목 반사판(120)에 순차적으로 반사되어 볼록 반사판(130)에서 집음되며, 결국 상술한 어느 한 방향으로 서로 평행하게 반사된다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기(100)를 포함하는 음파 발전 장치를 상세히 설명한다.
도 4는 도 2의 음파 발전 장치 중 압전기가 진동에 의해 인장 및 압축되는 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 그리고 도 5는 도 2의 음파 발전 장치의 압전기에서 기판에 적층되는 압전 물질의 배열 형태를 나타낸 도면이다.
음파 발전 장치는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 음파 집음기(100)와, 공명기(200)와, 그리고 압전기(300)를 포함할 수 있다.
음파 집음기(100)는 상술한 본 발명의 일 실시예에서 상세히 언급한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략한다.
공명기(200)는 음파 집음기(100)의 후단(음파의 입사 방향을 기준으로 출사되는 부분)에 구비되어 음파 집음기(100)에 의해 집음된 음파를 증폭시킬 수 있다. 이러한 공명기(200)는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)일 수 있다. 주지된 바와 같이, 헬름홀츠 공명기는 항아리 모양의 것으로, 그 목 부분(210)(경부: 頸部)의 가 질량으로서, 또 몸체(220)의 내부의 공기가 스프링으로서 작용하여 공명을 일으킨다. 따라서, 상술한 볼록 반사판(130)에서 집음되어 경부(210)를 향해 반사된 음파는 몸체(220)에서 증폭되면서 공명을 일으키게 된다.
압전기(300)는 공명기(200)의 내부에 구비되어 공명기(200)에 의해 증폭된 음파를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 5를 다시 참조하여, 압전기(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
압전기(300)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 지지 부재(400)에 의해 캔틸레버 형태(cantilever type)로 공명기(200)의 내부에 구비될 수 있다. 따라서, 외팔보에 해당하는 지지 부재(400)의 자유단에 압전기(300)가 구비되므로, 증폭된 음파에 의해 압전기(300)가 진동할 경우 진동이 거의 상쇄되지 않고 전기 에너지로 변환될 수 있다. 결과적으로, 전기 에너지의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 압전기(300)는, 도 4 및 도 5 도시된 바와 같이, 원판 형상의 기판(310)과 압전 물질(320)을 포함할 수 있다. 원판 형상의 기판(310)은 음파의 입사 방향을 향해 대향면을 가지며 대향면의 반대면 중심에 지지 부재(400)가 구비될 수 있다(도 2 및 도 3 참조). 압전 물질(320)은 상술한 대향면에 적층되되 대향면의 중심을 기준으로 복수개가 방사상으로 길게 적층될 수 있다(도 5참조). 일예로, 압전 물질(320)로 폴리불화비닐리덴(PVDF)이 사용될 수 있다. 물론, 압전 물질(320)은 이에 한정되는 것은 아니고 알려져 있는 수정, 로셀염, 티탄산 바륨, 압전성 세라믹 등 중 적어도 하나일 수도 있다.
따라서, 지지 부재(400) 및 기판(310)을 각각 하나만 사용한 상태(도 2 참조)에서 압전 물질(320)을 복수개로 하여 기판(310)의 중심에서 방사상으로 길게 각각 배치하는 형태(도 5 참조)를 가지므로 공명기(200)의 몸체(220)의 작은 내부 공간에서 보다 많은 전기 에너지 생성이 가능할 수 있다. 결과적으로, 전기 에너지의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집음기(100) 및 이를 포함하는 음파 발전 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 오목 반사판(120)과 볼록 반사판(130)을 포함한 음파 집음기(100)가 제공되므로 집음성을 개선하고 볼록 반사판(130)으로 집음된 음파들을 어느 한 방향으로 평행하게 반사시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상술한 음파 집음기(100), 집음된 음파를 증폭하는 공명기(200), 및 캔틸레버 형태의 압전기(300)를 포함한 음파 발전 장치가 제공되므로 집음성을 개선할 뿐만 아니라 전기 에너지의 생산 효율을 개선할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 음파 집음기 110: 집음 몸체
111: 입사구 112: 출사구
120: 오목 반사판 130: 볼록 반사판
140: 사각지대 집음부 141: 제1 평면 반사판
142: 제2 평면 반사판 200: 공명기
210: 경부 220: 몸체
300: 압전기 310: 기판
320: 압전 물질 400: 지지 부재

Claims (12)

  1. 입사되는 음파를 집음하는 음파 집음기로,
    상기 음파가 입사되는 입사구를 갖는 집음 몸체;
    상기 집음 몸체의 내면을 이루는 포물선 형상의 오목 반사판; 및
    상기 집음 몸체 중 상기 입사구의 중심에 구비되며 상기 오목 반사판에서 반사된 음파를 집음하여 어느 한 방향으로 반사시키는 포물선 형상의 볼록 반사판을 포함하고,
    상기 음파 집음기는,
    상기 입사되는 음파 중 상기 볼록 반사판에 가로 막혀 사각지대에 놓이는 음파를 집음하는 사각지대 집음부를 더 포함하는 음파 집음기.
  2. 제1항에서,
    상기 볼록 반사판의 초점은 상기 오목 반사판의 초점과 동일한 음파 집음기.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 사각지대 집음부는
    상기 볼록 반사판 중 상기 음파의 입사 방향을 기준으로 전단에 구비되며 상기 볼록 반사판으로 갈수록 접점 폭이 커지는 형상을 갖는 제1 평면 반사판; 및
    상기 오목 반사판 중 상기 입사 방향을 기준으로 전단에 구비되어 상기 오목 반사판과 함께 상기 집음 몸체의 내면을 이루며 상기 제1 평면 반사판에서 반사된 음파를 집음하여 상기 오목 반사판으로 반사시키는 제2 평면 반사판을 포함하는 음파 집음기.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 평면 반사판은 상기 오목 반사판으로 갈수록 점점 그 두께가 얇아지는 형상을 갖는 음파 집음기.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 평면 반사판과 상기 오목 반사판은 단차 없이 연결되는 음파 집음기.
  7. 제5항에서,
    상기 제1 및 제2 평면 반사판은 서로 평행하는 음파 집음기.
  8. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 음파 집음기;
    상기 음파 집음기 중 상기 음파의 입사 방향을 기준으로 후단에 구비되어 상기 음파 집음기에 의해 집음된 음파를 증폭시키는 공명기; 및
    상기 공명기의 내부에 구비되어 상기 공명기에 의해 증폭된 음파를 전기 에너지로 변환시키는 압전기를 포함하는 음파 발전 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 공명기는 헬름홀츠 공명기인 음파 발전 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 압전기는 지지 부재에 의해 캔틸레버 형태로 상기 공명기의 내부에 구비되는 음파 발전 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 압전기는
    상기 음파의 입사 방향을 향해 대향면을 가지며 상기 대향면의 반대면 중심에 상기 지지 부재가 구비되는 원판 형상의 기판; 및
    상기 대향면에 적층되되 상기 대향면의 중심을 기준으로 복수개가 방사상으로 길게 적층되는 압전 물질을 포함하는 음파 발전 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 압전 물질은 폴리불화비닐리덴(PVDF)인 음파 발전 방치.
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