KR101432539B1 - Device for filtering acoustic wave - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음향 필터링 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 파라메트릭 배열을 사용하여 생성된 차주파수의 측정 정밀도를 향상시키는 음향 필터링 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
수중에서 음파는 해저의 물체탐지, 맵핑, 해저지층 탐지, 수중통신 등의 목적으로 사용되는 소나(sound navigation and ranging) 시스템에 주로 활용된다, 이러한 소나 시스템에서는 고해상도로 물체를 탐지하고,반사되거나 휘어지는 등 다중경로로 음파가 전달되어 발생하는 왜곡을 최소화하기 위해 고지향성의 음파를 사용하는 것이 바람직하다. Underwater sonar is commonly used in sound navigation and ranging systems for the purposes of object detection, mapping, submarine ground detection, and underwater communication in undersea environments. These sonar systems detect objects in high resolution, It is preferable to use a high-directivity sound wave in order to minimize the distortion caused by the transmission of the sound wave by the multi-path.
음파의 지향성은 일반적으로 구동 주파수가 높거나 음원의 크기가 클수록 높아진다. 그러나 고지향성 음파를 발생시키기 위해 높은 주파수대역을 사용할 경우 높은 주파수는 감쇠율도 높기 때문에 음파의 전달거리가 제약되고, 음원의 크기 증가는 물리적, 비용적인 한계가 있다. The directivity of the sound wave generally increases as the driving frequency is high or the size of the sound source is large. However, when a high frequency band is used to generate a high directional sound wave, the transmission distance of the sound wave is limited because the high frequency has a high attenuation rate, and the increase in the size of the sound source has physical and cost limitations.
따라서, 저주파의 고지향성 음파를 발생시키기 위한 방법으로 파라메트릭 배열이 사용된다. 파라메트릭 배열(parametric array)은 매질의 비선형성을 이용하여 작은 음원으로도 고지향성의 음파를 발생시킬 수 있는 현상을 이용한 음원으로, 1차주파수로서 충분히 큰 음압을 가지는 고지향성의 두 가지 고주파수(f1, f2)를 발생시키면 매질의 비선형성에 의해 2차주파수로서 차주파수(fd=f1-f2)가 발생하는데 이 차주파수(fd)의 지향성이 매우 높다.Therefore, a parametric arrangement is used as a method for generating a low-frequency, high-directivity sound wave. The parametric array is a sound source using a nonlinear property of the medium and capable of generating high-directivity sound waves even in a small sound source. The two high-frequency (high-frequency) (fd = f1-f2) is generated as a secondary frequency due to the non-linearity of the medium, and the directivity of the difference frequency fd is very high.
파라메트릭 배열에 의해 발생된 차주파수(fd)는 고지향성의 저주파로써 수십km까지 음파전달이 가능하다. 다만, 원거리에서는 두 가지 고주파수가 충분히 감쇠되고 고지향성의 차주파수만이 전달되나, 수조와 같이 상대적으로 근거리의 환경에서는 고주파수가 충분히 감쇠되지 않아 차주파수의 정밀한 측정이 어려운 문제점이 있었다.The difference frequency (fd) generated by the parametric arrangement is a high directivity low frequency wave, which can transmit sound waves up to several tens of kilometers. However, in a relatively short distance environment such as a water tank, the high frequencies are not sufficiently attenuated, so that it is difficult to precisely measure the difference frequency.
도 1은 파라메트릭 배열에 의한 음향측정 실험에서 고주파수 제거에 사용되는 음향필터를 사용하는 모습을 도시한 개략도이다. 음향실험은 일반적으로 트랜스듀서(21)에서 음파를 송신하고 하이드로폰(31)에서 음파를 수신하게 된다. 이때 1차주파수의 음압은 차주파수의 음압보다 40~80dB 정도 크다. FIG. 1 is a schematic view showing the use of an acoustic filter used for eliminating high frequencies in an acoustic measurement experiment using a parametric arrangement. The acoustic experiment generally involves transmitting sound waves in the
즉 1차주파수와 차주파수의 음압차이가 크기 때문에 하이드로폰(31)에서 차주파수의 정밀한 측정이 어려운 문제점이 있다. 또한 파라메트릭 배열로 발생된 차주파수 외에 하이드로폰(31)의 비선형성으로 인하여 차주파수의 음파가 발생하여 왜곡이 발생하는 문제점이 있었다. That is, since the sound pressure difference between the primary frequency and the differential frequency is large, it is difficult to precisely measure the difference frequency in the
또한 이러한 종래의 음향필터는 감쇠원리만에 의해 1차주파수를 제거하여 제거하고자 하는 주파수 영역이 제한되었다. 즉, 감쇠원리만 이용할 경우 주파수에 따른 필터링 계수가 필터를 구성하는 물질에 따라 결정되어 있어 필터링할 수 있는 주파수 영역이 제한되는 문제점이 있었다.Also, in the conventional acoustic filter, the frequency range in which the primary frequency is removed by the damping principle is limited. That is, if only the damping principle is used, the filtering coefficient depending on the frequency is determined according to the material constituting the filter, so that the frequency range in which the filter can be filtered is limited.
본 발명의 일 실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 파라메트릭 배열에 의한 차주파수는 통과시키고, 송신부의 비선형성에 의해 발생하는 음파와 1차주파수는 필터링하여 차주파수의 측정 정밀도를 향상시키는 음향 필터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An embodiment of the present invention is created to solve the above-described problems. The present invention provides a method of filtering a difference frequency by a parametric arrangement, filtering a sound wave and a primary frequency caused by nonlinearity of a transmission unit, And to provide an improved acoustic filtering apparatus.
본 발명의 일 실시예로서, 제1필터링 판; 및 상기 제1필터링 판과 이격된 제2필터링 판; 을 포함하고, 상기 제1필터링 판 및 상기 제2필터링 판은 각각 두께와 너비의 비가 필터링 대상인 파라메트릭 배열의 1차 주파수 대역에서 상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판이 공진하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치를 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a first filtering plate; And a second filtering plate spaced apart from the first filtering plate; Wherein the first filtering plate and the second filtering plate are each determined to have a range in which the first filtering plate and the second filtering plate resonate in a first frequency band of a parametric arrangement in which a ratio of a thickness and a width is to be filtered And an acoustic filtering device.
그리고 상기 두께와 너비의 비는 파라메트릭 배열의 1차 주파수가 두께방향으로 입사할 때 상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판이 공진하는 범위에서 결정될 수도 있다.The ratio of the thickness to the width may be determined in a range where the first filtering plate and the second filtering plate resonate when the first frequency of the parametric arrangement is incident in the thickness direction.
이때, 상기 두께와 너비의 비는 20 이상일 수 있다.At this time, the ratio of the thickness to the width may be 20 or more.
그리고 본 발명의 다른 실시예로써, 상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판 사이에 구비되어 잔향을 감소시키는 잔향흡수판;을 더 포함할 수도 있다.And as another embodiment of the present invention, a reverberation plate disposed between the first filtering plate and the second filtering plate to reduce reverberation.
이때, 잔향흡수판의 두께는, 그 두께에 따라 결정되는 감쇠율이 파라메트릭 배열에 의해 생성된 차주파수를 제거하지 않는 범위에서 결정될 수 있다.At this time, the thickness of the reverberation absorption plate can be determined within a range in which the decay rate determined according to the thickness does not remove the difference frequency generated by the parametric arrangement.
또한, 상기 잔향흡수판은 상기 제1필터링 판 및 제2필터링 판에 각각 면접촉하여 설치될 수도 있다.The reverberation absorption plate may be provided in surface contact with the first filtering plate and the second filtering plate, respectively.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1차주파수 대역에서 제1필터링 판과 제2필터링 판이 공진하여 1차주파수를 제거하고 차주파수는 통과시키므로 차주파수의 측정 정밀도가 향상되는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, in the first frequency band, the first filtering plate and the second filtering plate are resonated to eliminate the first frequency and pass the difference frequency, thereby improving the measurement accuracy of the difference frequency.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1필터링 판과 제2필터링 판 각각의 두께와 너비의 비는 제1필터링 판과 제2필터링 판이 제1주파수 대역에서 공진하는 범위로 결정되어 다양한 1차 주파수를 필터링할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of the thicknesses and the widths of the first filtering plate and the second filtering plate is determined in a range where the first filtering plate and the second filtering plate resonate in the first frequency band, Can be filtered.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 잔향흡수판이 제1필터링 판과 제2필터링 판 사이에 구비되어 두 개의 판에 의해 발생하는 잔향을 제거하므로 통과되는 차주파수를 왜곡시키지 않는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the reverberation absorbing plate is provided between the first filtering plate and the second filtering plate to eliminate the reverberation generated by the two plates, thereby preventing the difference frequency from being distorted.
도 1은 종래의 음향필터를 사용한 파라메트릭 배열에 의한 음향 측정 실험의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치에 입사하는 음파의 투과파와 반사파를 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치의 사시도,
도 4는 도 3에 도시한 실시예의 측면도,
도 5는 도 3의 일 실시예를 사용한 파라메트릭 배열에 의한 음향 측정 실험의 개략도,
도 6은 도 5의 실험환경에서 측정한 음향실험 결과와 매트랩을 이용한 시뮬레이션 결과를 함께 도시한 그래프이다.1 is a schematic view of an acoustic measurement experiment by a parametric arrangement using a conventional acoustic filter,
FIG. 2 is a schematic view showing transmission waves and reflected waves of a sound wave incident on an acoustic filtering apparatus according to an embodiment of the present invention,
3 is a perspective view of an acoustic filtering apparatus according to an embodiment of the present invention,
Figure 4 is a side view of the embodiment shown in Figure 3,
FIG. 5 is a schematic diagram of an acoustic measurement experiment by a parametric arrangement using one embodiment of FIG. 3;
FIG. 6 is a graph showing acoustic test results measured in the experimental environment of FIG. 5 and simulation results using MATLAB.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치에 입사하는 음파의 투과파와 반사파를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 실시예의 측면도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치를 상세하게 설명한다. 3 is a perspective view of an acoustic filtering apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of an acoustic filtering apparatus according to an embodiment of the present invention. 3 is a side view of the embodiment shown in Fig. 2 to 4, an acoustic filtering apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 필터링 장치(100)를 도 2에 도시된 바와 같이 제1매질(50) 사이에 설치하였을 때 입사파는 본 발명의 일 실시예에 의해 반사되는 반사파와 통과하는 투과파로 나뉜다. 이때, 파라메트릭 배열의 1차주파수는 반사되고 파라메트릭 배열에 의해 발생하는 차주파수는 투과하도록 음향 필터링 장치(100)의 두께(L)를 결정할 수 있다.When the
도 2에 도시된 바와 같이 동일한 제1매질(50) 사이에 다른 매질인 음향 필터링 장치(100)가 있는 경우 매질을 통과하는 음파의 투과계수(T)는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 ρ는 밀도, c는 음속, k는 파상수(wave number)이다.
As shown in FIG. 2, if there is an
[수학식 1][Equation 1]
또한, 음향 필터링 장치(100)의 두께(L)와 길이의 비가 20 이상이고 음파가 음향 필터링 장치(100)의 두께방향에서 입사할 때 그 음파의 음속(C)은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다. 이때 E는 탄성계수(Young's modulus), σ는 포아송비(poisson's ratio), ρ는 물질의 밀도(density)를 나타낸다.
When the ratio of the thickness L to the length of the
[수학식 2]&Quot; (2) "
파라메트릭 배열에 의한 차주파수의 측정시 1차주파수로 인한 왜곡을 줄이기 위해서는 1차주파수 대역에서 투과계수(T)가 낮아야 하므로 투과계수의 최소값이 1차 주파수대역에 포함되도록 음향 필터링 장치(100)의 두께(L)을 계산하여 설계할 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 값은 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.
In order to reduce the distortion due to the primary frequency in the measurement of the difference frequency by the parametric arrangement, the transmission coefficient T must be low in the first frequency band, so that the minimum value of the transmission coefficient is included in the first frequency band. The thickness (L) of the substrate can be calculated and designed. A value satisfying these conditions can be expressed by the following equation (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
상술한 방식으로 설계될 수 있는 본 발명의 일 실시예는 구체적으로 제1필터링 판(111), 제2필터링 판(112), 잔향흡수판(121) 및 체결볼트(130)를 포함한다.One embodiment of the present invention, which may be designed in the manner described above, specifically includes a
제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)은 1차주파수와 송신부의 비선형성으로 인해 발생하는 음파를 필터링한다. 구체적으로, 제1필터링 판(111)과 제2필터링판(112)은 동일한 형상으로 형성되고, 정사각형으로 형성된다. 다만, 제1,2필터링 판(111, 112)의 형상은 동일하지 않아도 좋으며, 정사각형에 한정되는 것은 아니고 음원의 중심을 기준으로 축방향으로 대칭되는 어떠한 형상이어도 좋다. 예를 들어 제1,2필터링 판(111, 112)은 원형이나 정다각형으로 형성될 수도 있다. The
제1필터링 판(111)은 두께(l1)와 너비(x1)의 비가 파라메트릭 배열의 1차 주파수로 사용되는 주파수 대역 내에서 공진하는 값으로 결정된다. 예를 들어 제1필터링 판(111)으로 제거하려는 1차주파수가 100kHz~110kHz인 경우 의 값을 25로 결정하여 해당 1차주파수에서 공진하도록 설계할 수 있다. The
제2필터링 판(112) 역시 제1필터링 판(111)과 동일하게 두께와 너비의 비가 파라메트릭 배열의 1차 주파수로 사용되는 주파수 대역 내에서 공진하는 값으로 결정된다. Similarly to the
제1필터링 판(111) 및 제2필터링 판(112)은 금속재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1, 2필터링 판(111, 112)은 알루미늄으로 이루어진다. 또한 제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)은 각 모서리에 관통공이 하나씩 형성되어 체결볼트(130)가 삽입된다. 다만, 제1,2필터링 판(111, 112)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)은 상술한 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 만족하기만 하면 서로 다른 재질로 형성될 수도 있다.The
잔향흡수판(121)은 정사각형으로 형성되고, 너비(x2)는 제1,2필터링 판(111, 112)보다 작고, 두께(l2)는 제1,2필터링 판(111, 112)보다 크게 형성된다. 잔향흡수판(121)은 제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)이 이격되어 적층되면서 발생할 수 있는 잔향을 흡수한다. 또한 잔향흡수판(121)은 제1필터링 판(111) 및 제2필터링 판(112)과 동심을 갖도록 적층되어 잔향을 균일하게 흡수할 수 있다. 이러한 잔향흡수판(121)은 탄성재질로 이루어질 수 있으며 예를 들어 고무재질로 이루어진다. 다만, 잔향흡수판(121)의 재질은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 실시예와 달리 투과계수의 잔향이 작은 경우 잔향흡수판(121)이 구비되지 않을 수도 있다. The width x2 of the
체결볼트(130)는 제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)에 각각 형성된 관통공에 삽입되고 너트(미도시)와 체결되어 제1필터링 판(111)과 제2필터링 판(112)을 상호 고정하고 그 사이에 구비되는 잔향흡수판(121)도 고정한다. 잔향 흡수판(121)은 제1필터링 판(111)과 한 면이 밀착되어 접하고 제2필터링 판(112)과 다른 면이 밀착되어 접한 상태에서 체결볼트(130)에 의해 고정된다. 이러한 체결볼트(130)는 너트(미도시)로 고정될 수 있으며, 공지의 어떠한 체결볼트를 사용하여도 좋다.The
도 5는 도 3의 일 실시예를 사용한 파라메트릭 배열에 의한 음향 측정 실험의 개략도이고, 도 6은 도 5의 실험환경에서 측정한 음향실험 결과와 매트랩을 이용한 시뮬레이션 결과를 함께 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a schematic view of an acoustic measurement experiment using a parametric arrangement according to an embodiment of FIG. 3, and FIG. 6 is a graph showing acoustic measurement results measured in the experimental environment of FIG. 5 and simulation results using a MATLAB.
먼저 반무향 수조(400)에 물을 담고 신호발생기(210)를 이용하여 톤 버스트 신호를 발생시킨다. 발생된 신호는 파워 앰프를 이용하여 증폭되고 증폭된 신호를 음원(220)에 입력시켜 하이드로폰(320)으로 보낸다. 음원(220)에서 발생된 음파는 매질인 물에 의해 전파되고 본발명의 일 실시예(100)를 지나 하이드로폰(320)으로 입력된다. 입력된 신호는 오실로스코프(310)로 관찰할 수 있다. 이렇게 주파수를 변화시키며 본발명의 일 실시예(100)의 투과계수를 실선그래프(510)로 도 6에 나타내었고, 수학식 1과 수학식 2를 사용하여 시뮬레이션 한 투과계수를 일점쇄선그래프(520)로 나타내었다.First, water is contained in the
도 6을 참조하면, 본발명의 일 실시예(100)로 실험한 결과가 시뮬레이션한 결과와 유사함을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 6, it can be confirmed that the result of the experiment of the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
As described above, those skilled in the art will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims, rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalents of the claims are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
1 : 테스트 판 10 : 종래의 음향필터
20 : 음향 송신 기기 21 : 트렌스듀서
30 : 음향 수신 기기 31 : 하이드로폰
50 : 제1매질 100 : 음향 필터링 장치
111, 112 : 제1,2필터링 판 121 : 잔향흡수판
130 : 체결볼트 L : 음향 필터링 장치의 두께
l1 : 제1,2필터링 판의 두께 l2 : 잔향흡수판의 두께
x1 : 제1,2필터링 판의 너비 x2 : 잔향흡수판의 너비
200 : 음향 송신 기기 210 : 신호발생기
220 : 음원 300 : 음향 송신 기기
310 : 오실로스코프 320 : 하이드로폰
400 : 무향수조
510 : 본 발명의 일 실시예를 사용하여 측정한 그래프
520 : 매트랩으로 시뮬레이션한 그래프1: Test plate 10: Conventional acoustic filter
20: Sound Transmitter 21: Transducer
30: Acoustic receiving device 31: Hydrophone
50: First medium 100: Acoustic filtering device
111, 112: first and second filtering plates 121: reverberation absorption plate
130: fastening bolt L: thickness of acoustic filtering device
l1: thickness of first and second filtering plates l2: thickness of reverberation absorption plate
x1: width of first and second filtering plates x2: width of reverberation plate
200: sound transmitting device 210: signal generator
220: sound source 300: sound transmitting device
310: Oscilloscope 320: Hydrophone
400: Deodorant tank
510: Graph measured using one embodiment of the present invention
520: Graph simulated with MATLAB
Claims (6)
상기 제1필터링 판과 이격된 제2필터링 판;을 포함하고,
상기 제1필터링 판 및 상기 제2필터링 판은 각각 두께와 너비의 비가 필터링 대상인 파라메트릭 배열의 1차 주파수 대역에서 상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판이 공진하는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치.A first filtering plate; And
And a second filtering plate spaced apart from the first filtering plate,
Wherein the first filtering plate and the second filtering plate are determined in a range in which the first filtering plate and the second filtering plate resonate in a first frequency band of a parametric arrangement in which a ratio of a thickness and a width is a filtering object, Acoustic filtering device.
상기 두께와 너비의 비는 파라메트릭 배열의 1차 주파수가 두께방향으로 입사할 때 상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판이 공진하는 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치.The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the thickness to the width is determined in a range where the first filtering plate and the second filtering plate resonate when the first frequency of the parametric arrangement is incident in the thickness direction.
상기 두께와 너비의 비는 20 이상인 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치.The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the thickness to the width is 20 or more.
상기 제1필터링 판과 상기 제2필터링 판 사이에 구비되어 잔향을 감소시키는 잔향흡수판;을 더 포함하는 음향 필터링 장치.The method according to claim 1,
And a reverberation plate disposed between the first filtering plate and the second filtering plate to reduce reverberation.
상기 잔향흡수판의 두께는, 상기 두께에 따라 결정되는 감쇠율이 파라메트릭 배열에 의해 생성된 차주파수를 제거하지 않는 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the thickness of the reverberation absorption plate is determined within a range in which the attenuation factor determined according to the thickness does not remove the difference frequency generated by the parametric arrangement.
상기 잔향흡수판은 상기 제1필터링 판 및 상기 제2 필터링 판과 각각 면접촉하는 것을 특징으로 하는 음향 필터링 장치.5. The method of claim 4,
And the reverberation absorption plate is in surface contact with the first filtering plate and the second filtering plate, respectively.
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2013
- 2013-09-06 KR KR1020130107404A patent/KR101432539B1/en active IP Right Grant
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