KR101537513B1 - 메타물질 음파 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메타물질 음파 증폭기에 관한 것으로서, 공진현상을 이용하여 음파를 증폭(amplifier)시킬 수 있는 메타물질 음파 증폭기을 제공한다.

Description

메타물질 음파 증폭기 {METAMATERIAL SOUND WAVE AMPLIFIER}
본 발명은 메타물질 음파 증폭기에 관한 것으로서, 공진현상을 이용하여 음파를 증폭(amplifier)시킬 수 있는 메타물질 음파 증폭기에 관한 것이다.
메타물질(Metamaterial)은 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타원자 (meta atom)의 주기적인 배열로 이루어진 가상의 물질이다. 이것은 자연에서 발견할 수 없는 일련의 성질을 가지도록 아주 세심하게 인공적으로 설계해 만든 것이다. 주변 공기보다 밀도가 더 높은데도 불구하고 빛을 법선에서 멀어지도록 굴절시킨다. 이러한 성질을 음의 굴절률이라 부른다. 영국의 Sir J. Pendry가 음의 굴절율의 물질이 수퍼 렌즈를 만들 수 있다는 논문 발표 (PRL, 1999)이후로 메타물질이 그것을 실현할 수 있다는 사실 때문에 대두된 분야다. 음의 굴절율 뿐만 아니라 국내에서 KAIST 민범기 교수 그룹에서 2011년 매우 높은 굴절율을 가지는 테라헤르쯔 메타물질을 발표 (Nature, 2011)하는 등, 그 연구에 많은 잠재성을 내포하고 있다. Transformation Optics를 이용하면 원리적으로는 사람들이 소위 말하는 투명 망토를 만들 수 있지만, 실현하기는 매우 힘들다. 그 이유로는 3차원 메타물질을 만들기 매우 어렵고(지금까지 2차원 메타 물질을 만드는 데 성공했지만, 그 크기는 우표 크기의 수십억분의 1정도로 매우 작다), visible 주파수 대역에서의 금속은 매우 에너지 소모가 심하다. 현재 실험적으로 투명망토(cloaking)를 구현한 대역은 마이크로 웨이브 대역(GHz)이다.
메타물질에 포함되는 각 인공원자(메타원자)는 메타물질에 인가된 전자기파 또는 음파에 대한 응답으로 소정의 특성을 나타낸다.
결과적으로 메타물질은 전자기파 또는 음파에 대하여 자연계에 존재하지 않는 임의의 유효 굴절율 및 유효 물질계수를 갖도록 설계 및 제작될 수 있다. 그 결과, 이러한 메타물질은 서브파장 포커싱(subwavelength focusing), 음굴절(Negative refraction), 기이한 전송(extraordinary transmission), 보이지 않는 망토(invisibility cloaking)와 같은 새로운 현상들을 발생시킨다.
현재의 연구는 이전의 음굴절 메타물질을 이용해서 파장 이하 이미징을 하는 것 보다는 메타물질을 이용한 여러가지 메타디바이스(meta-device)를 만드는 것과, 다양한 물질과 결합(그래핀: Nature Materials, 2012, Lee et al.)을 하는 것 등이 더 활발하다.
한국공개특허 [10-2013-0105358]에서는 메타물질의 코일 기반 인공원자, 이를 포함하는 메타물질 및 소자가 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2013-0105358](공개일자: 2013년 09월 25일)
따라서, 본 발명의 목적은 공진현상을 이용하여 음파를 증폭(amplifier)시킬 수 있는 메타물질 음파 증폭기을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은, 음파를 증폭시키는 메타물질 음파 증폭기에 있어서, 일면과 타면을 관통하도록 일정 패턴의 음파 도파로(110)가 다수 형성된 플레이트(100);를 포함하며, 상기 음파 도파로(110)는 중심점, 중심축 또는 중심면을 기준으로 일정간격 이격되어 대향되는 형상으로 상기 플레이트(100)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플레이트(100)는 판 형태로 형성되며, 두 개의 플레이트(100)가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되는 형상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 두 개의 플레이트(100)의 측면을 모두 밀폐시키는 밀폐부(200);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플레이트(100)는 중심축을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 기둥의 형상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 플레이트(100)는 중심점을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 구의 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음파 도파로(110)는 상기 플레이트(100)의 두께보다 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 음파 도파로(110)는 ㄹ자, W자 및 S자 형상 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플레이트(100)는 금속, 석재, 목재, 유리, 세라믹 및 플라스틱 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 음파소스(300);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 상기 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 디텍터(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기에 의하면, 음파 도파로가 대향되는 형상으로 형성된 플레이트를 이용하여 음파를 국한시키기 위한 공간이 음파 도파로 사이에 형성됨으로써, 플레이트의 공진주파수와 동일한 주파수의 음파를 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 음파를 국한시키기 위한 공간과 외부를 차단시키기 위한 밀폐부를 구비함으로써, 특정 주파수의 음파를 플레이트 사이의 공간에 국한시키는 효과가 더욱 크다.
또, 두 개의 플레이트가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되는 형상의 경우, 플레이트의 평면과 수직한 방향의 음파를 더욱 크게 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 기둥 형상의 플레이트의 경우, 플레이트의 중심축에 수직한 방향의 음파를 더욱 크게 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 구 형상의 플레이트의 경우, 모든 방향으로부터 들어오는 음파를 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 도파로를 플레이트의 두께보다 길게 형성함으로써, 증폭시키고자 하는 음파의 파장에 비해 플레이트를 더욱 축소시켜 제작할 수 있는 효과가 있다.
또, 음향에 사용되는 단단한 재질(acoustic hard wall)이라면 플레이트를 만드는 재료로 사용할 수 있음으로써, 적용되는 분야에 따라 다양한 재질로 제작 가능한 효과가 있다.
또한, 음파를 국한시키기 위한 공간(플레이트의 내부)에 음파소스를 구비함으로써 외부로 방출하는 음파를 증폭시켜 본래의 음파소스에 비해 더욱 큰 출력으로 음파를 보낼 수 있는 효과가 있다.
아울러, 음파를 국한시키기 위한 공간(플레이트의 내부)에 디텍터를 구비함으로써 외부로부터 유입되는 음파를 증폭시켜 본래의 음파에 비해 더욱 큰 출력으로 음파를 감지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판 형태의 메타물질 음파 증폭기의 사시도.
도 2는 도 1의 정면도
도 3은 도 2의 A를 확대한 확대도
도 4는 도 1에 밀폐부가 추가됨을 보여주는 분해사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 형태의 메타물질 음파 증폭기의 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구 형태의 메타물질 음파 증폭기의 개념도.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기의 음파 도파로를 보여주는 예시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파소스를 포함한 메타물질 음파 증폭기의 예시도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디텍터를 포함한 메타물질 음파 증폭기의 예시도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판 형태의 메타물질 음파 증폭기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 2의 A를 확대한 확대도이고, 도 4는 도 1에 밀폐부가 추가됨을 보여주는 분해사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥 형태의 메타물질 음파 증폭기의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구 형태의 메타물질 음파 증폭기의 개념도이며, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기의 음파 도파로를 보여주는 예시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파소스를 포함한 메타물질 음파 증폭기의 예시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디텍터를 포함한 메타물질 음파 증폭기의 예시도이다.
물체의 진동이 임의의 방향으로 운동하고 있는 공기 입자들을 교란시키면 부분적으로 압력이 높은 곳과 낮은 곳이 나타나게 된다. 그러면 압력 차에 의해 공기 입자들이 압력이 높은 곳에서 압력이 낮은 곳으로 이동하게 되어 음파(sound wave) 가 퍼져 나가게 되고, 공기의 압력 변화가 사람들의 귀에 도달하면 고막을 진동시킨다.
사람이 들을 수 있는 음파의 가청 주파수는 약 20~20,000Hz이고, 주파수가 20Hz 이하의 음파는 초저주파, 20,000Hz 이상의 음파는 초음파라고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은
음파를 증폭시키는 메타물질 음파 증폭기(Sound wave amplifier)에 있어서, 일면과 타면을 관통하도록 일정 패턴의 음파 도파로(110)가 다수 형성된 플레이트(100)를 포함하며, 상기 음파 도파로(110)는 중심점, 중심축 또는 중심면을 기준으로 일정간격 이격되어 대향되는 형상으로 상기 플레이트(100)가 구비되는 것을 특징으로 한다. 여기서 음파 도파로(110)는 음파가 통과하는 통로를 의미한다.
공진(Resonance)은 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 말하며, 음파의 주파수가 플레이트(구조체)의 공진주파수와 일치할 경우, 음파소스에서 지속적으로 음파가 발생되면 플레이트 내부에 높은 세기(intensity)를 가지는 음파(해당 공진주파수의 음파)를 국한시키기 때문에 음파가 증폭된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기에 의하면, 음파 도파로가 대향되는 형상으로 형성된 플레이트를 이용하여 음파를 국한시키기 위한 공간이 음파 도파로 사이에 형성됨으로써, 플레이트의 공진주파수와 동일한 주파수의 음파를 증폭시킬 수 있다.
먼저, 상기 플레이트(100)에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기의 상기 플레이트(100)는 판 형태로 형성되며, 두 개의 플레이트(100)가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되는 형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
플레이트의 공진현상으로 음파를 가둘 수 있는 가장 간단한 형태가 판 형태의 두 개의 플레이트(100)를 마주보게 형성하는 것으로, 플레이트와 플레이트 사이의 공간에 플레이트의 공진주파수와 동일한 주파수의 음파가 국한되게 된다.
이때, 가이드를 이용하여 두 개의 플레이트가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되도록 고정시킬 수 있다.
두 개의 플레이트(100)가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되는 형상의 메타물질 음파 증폭기의 경우, 상기 플레이트(100)의 수평면과 수직한 방향으로 전파되는 음파의 증폭이 가장 크다. 다시 말해, 상기 플레이트(100)의 평면을 음파의 진행방향과 수직되게 설치하는 것이 바람직하다. 이는, 음파를 일정 방향으로 송출하거나, 일정 방향으로 진행되는 음파를 검출하는 용도로 사용 가능하다.
플레이트의 공진주파수를 결정하는 요소로는 음파 도파로를 형성하는 모든 요소(도 1의 경우 w, t, f, h, s) 및 음파를 국한시키기 위한 공간을 형성하는 모든 요소(도 1의 경우 g)가 해당된다.
예를 들어, 페브릿-페롯 공진(Fabry-Perot Resonance)에 의한 공진주파수의 결정 원리는 다음식
Figure 112014019968686-pat00001
Figure 112014019968686-pat00002
(여기서, t는 투과계수, r은 반사계수, Z1는 공기의 임피던스, Zeff는 메타물질 임피더스, k는 유체내의 파수(파장의 역수), h는 플레이트 두께, neff는 메타물질 도파로의 굴절률을 말한다.)
을 이용할 수 있으며,
공진주파수 일 경우, 투과율(t)은 1이 되고, 반사율(r)은 0이 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은
상기 두 개의 플레이트(100)의 측면을 모두 밀폐시키는 밀폐부(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
특정 주파수의 음파를 플레이트 사이의 공간에 국한시키기 위해서는 외부와 밀폐시키는 것이 바람직하다. 때문에, 상기 두 개의 플레이트(100)의 측면을 밀폐, 즉 음파를 국한시킬 수 있는 공간을 밀폐시키는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기의 상기 플레이트(100)는 상기 플레이트(100)는 중심축(길이방향)을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 기둥의 형상인 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 기둥은 3각기둥, 4각기둥, 5각기둥, 6각기둥 등의 다각기둥 및 원기둥이 포함된다. 다시 말해, 기둥 형상의 플레이트는 기둥 내부에 공간이 형성되어 음파를 국한시킬 수 있으며, 특정 주파수의 음파를 플레이트 사이의 공간에 국한시키기 위해서는 상기 플레이트(100)의 양면을 밀폐, 즉 음파를 국한시킬 수 있는 공간을 밀폐시키는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기의 상기 플레이트(100)는 중심점을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 구의 형상인 것을 특징으로 할 수 있다. 다시 말해, 구 형상의 플레이트는 구 내부에 공간이 형성되어 외부와 차단된 영역에 음파를 국한시킬 수 있다.
상기 음파 도파로(110)는 상기 플레이트(100)의 두께보다 길게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 다시 말해, 타임딜레이를 만들 수 있도록 상기 도파로(110)의 길이가 상기 플레이트(100)보다 길게 만들 수 있다면 어떤 형상이든 적용 가능하다.
예를 들어, 상기 음파 도파로(110)는 도 2에 도시된 바와 같은 ㄹ자, 도 7에 도시된 바와 같은 W자 및 도 8에 도시된 바와 같은 S자 형상 등 도파로의 길이를 길게 만들 수 있다면 어떠한 형상이든 적용 가능하다.
상기 플레이트(100)는
금속, 석재, 목재, 유리, 세라믹 및 플라스틱 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 금속(metal)은 철을 포함한 탄소강, 합금강, 주철 등의 철 금속과 철을 포함하지 않는 구리, 구리합금(황동, 청동 등), 알루미늄, 알루미늄합금, 망간 등의 비철 금속 등이 해당된다.
상기와 같이 플레이트(100)의 재질을 나열하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적으로 음향에 사용되는 단단한 재질(acoustic hard wall)로 음파의 투과율이 10% 미만인 재질은 모두 사용 가능하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은 플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 음파소스(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 음파소스(300)는 음파를 발생시키는 모든 장치를 말하며, 스피커, 저주파 발생기, 초음파 발생기 등이 이에 해당된다.
상기 음파소스(300)가 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에 구비될 경우, 특정 주파수(상기 플레이트의 공명주파수와 동일한 주파수)의 음파가 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에서 증폭되어 외부로 전파되기 때문에 특정 주파수를 더욱 증폭시켜 출력시킬 수 있다.
상기 음파소스(300)는 일반적으로 전선(신호선)과 연결되기 때문에, 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에 상기 음파소스(300)가 구비되고, 상기 음파를 국한시키기 위한 공간과 상기 플레이트(100)의 외부 공간이 밀폐될 경우, 상기 플레이트(100)의 외부와 내부를 관통하는 관통구가 상기 밀폐부(200) 또는 상기 플레이트(100) 상에 형성되고, 상기 관통구를 통해 상기 음파소스(300)에 신호선이 연결될 수 있다. 상기 신호선의 배선이 완료되었으면 상기 관통구를 밀폐시키는 것이 바람직하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은 플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 디텍터(400)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 디텍터(400)는 음파를 감지(센싱)하는 모든 장치를 말하며, 음압센서, 음파센서, 수중음파 탐지센서(SONAR), 초음파센서 등이 이에 해당된다.
상기 디텍터(400)가 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에 구비될 경우, 특정 주파수(상기 플레이트의 공명주파수와 동일한 주파수)의 음파가 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에서 증폭되어 상기 디텍터(400)로 감지되기 때문에 특정 주파수를 더욱 증폭시켜 입력받을 수 있다.
상기 디텍터(400)는 일반적으로 전선(신호선)과 연결되기 때문에, 상기 음파를 국한시키기 위한 공간에 상기 디텍터(400)가 구비되고, 상기 음파를 국한시키기 위한 공간과 상기 플레이트(100)의 외부 공간이 밀폐될 경우, 상기 플레이트(100)의 외부와 내부를 관통하는 관통구가 상기 밀폐부(200) 또는 상기 플레이트(100) 상에 형성되고, 상기 관통구를 통해 상기 디텍터(400)에 신호선이 연결될 수 있다. 상기 신호선의 배선이 완료되었으면 상기 관통구를 밀폐시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 음파 증폭기은 공기중 및 수중 등과 같이 음파가 전달될 수 있는 모든 환경에서 적용이 가능하며, 음파센서(음향센서), 음향장치(Acoustic Divice), 초음파 이미징, 비파괴검사 등 음파를 이용하는 모든 분야에 적용이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 음파소스
20: 디텍터
100: 플레이트
110: 음파 도파로

Claims (10)

  1. 음파를 증폭시키는 메타물질 음파 증폭기에 있어서,
    일면과 타면을 관통하도록 일정 패턴의 음파 도파로(110)가 다수 형성된 플레이트(100);
    를 포함하며,
    상기 음파 도파로(110)는 중심점, 중심축 또는 중심면을 기준으로 일정간격 이격되어 대향되는 형상으로 상기 플레이트(100)가 구비되는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트(100)는
    판 형태로 형성되며,
    두 개의 플레이트(100)가 일정거리 이격되어 수평으로 대향되는 형상인 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 두 개의 플레이트(100)의 측면을 모두 밀폐시키는 밀폐부(200);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트(100)는
    중심축을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 기둥의 형상인 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트(100)는
    중심점을 기준으로 일정영역 공간이 형성된 구의 형상인 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음파 도파로(110)는
    상기 플레이트(100)의 두께보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 음파 도파로(110)는
    ㄹ자, W자 및 S자 형상 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트(100)는
    금속, 석재, 목재, 유리, 세라믹 및 플라스틱 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 상기 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 음파소스(300);
    를 더 포함되는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
  10. 제1항 내지 제8항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    플레이트(100)가 마주보는 공간, 플레이트(100)의 중심축에 형성된 공간 또는 상기 플레이트(100)의 중앙에 형성된 공간에 구비되는 디텍터(400);
    를 더 포함되는 것을 특징으로 하는 메타물질 음파 증폭기.
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