KR101777926B1 - 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 전기신호 입력시 진동하거나, 진동입력시 전기적 신호를 발생시키는 압전소자(100); 상기 압전소자(100)의 전면에 배치되어, 상기 압전소자(100)의 진동을 음향신호로 방사하는 전면추(200); 상기 압전소자(100)의 후면에 배치되어, 상기 전면추(200)가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 후면추(300); 및 상기 압전소자(100), 상기 전면추(200) 및 상기 후면추(300)를 체결하며, 상기 압전소자(100)의 진동방향으로 탄성 변형할 수 있는 응력볼트(400); 를 포함하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 전면추(200)의 전면에 부착되어, 매질의 임피던스와 상기 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 방사 임피던스를 매칭시키는 매칭윈도우(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 중주파/저주파 대역에 광대역으로 고출력 음파를 송신하거나 외부 음원 및 표적에 반사되어 돌아오는 음파를 수신할 수 있으면서도, 기존 톤필츠형 음향 트랜스듀서와 유사한 크기로 톤필츠형 음향 트랜스듀서를 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 톤필츠형 압전세라믹 음향 트랜스듀서와 유사한 크기를 가지면서, 중주파/저주파 대역의 광대역 탐지를 할 수 있는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
수중에서 음파를 이용하여 표적의 위치를 탐지하기 위한 음향 트랜스듀서는 능동모드에서 입력된 전기 신호를 음향신호로 변환하여 수중에서 방사하여 표적으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하며, 수동모드에서는 표적으로부터 방사되는 음향 신호를 전기신호로 변환하는 역할을 한다.
일반적으로 고출력 음파를 송신하기 위한 음향 트랜스듀서는 톤필츠(Tonpilz) 형태인 트랜스듀서를 적용한다. 길이방향으로 길이 변화가 일어나는 톤필츠형 음향 트랜스듀서로 인해 매질인 물에서 압력변화가 생기면서 음파가 발생하게 되며, 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 공진주파수 영역에서 이용함으로써 극대화된 음파를 송신하거나 외부음원 및 반사음파를 수신할 수 있는 능력이 향상되기 때문이다.
톤필츠(Tonpilz) 형태의 트랜스듀서는 특정 주파수 영역에서 전면추와 후면추를 사용함으로써, 압전체의 길이를 줄여 전기적 임피던스를 낮출 수 있으며, 전면추와 후면추가 고출력 구동시 방열제 역할을 할 수 있다. 또한, 음향 트랜스듀서에 응력볼트를 이용함으로써, 음향 트랜스듀서의 출력을 증대시킬 수 있으며, 재질 사이의 접촉력 향상으로 재질간 기계적 손실을 줄일 수 있다.
그러나, 종래의 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 압전세라믹 소재를 이용하여 제작되었으며, 중주파 대역에서 협대역으로 표적 탐지가 가능했으나 광대역으로 표적을 탐지할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 협대역 표적탐지 한계를 극복하고자 광대역으로 탐지를 할 수 있는 광대역 음향 트랜스듀서에 대한 개발이 이루어지고 있으나, 종래의 광대역 음향 트랜스듀서는 크기가 크므로, 제작 단가가 상승하고 사용시 제약이 많은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 매질(특히, 물)과 톤필츠형 음향 트랜스듀서에서의 방사 임피던스와의 매칭을 위한 매칭윈도우를 전면추 앞에 부착시키고 후면추 끝에 꼬리추를 연결하여 이중공진을 구현할 수 있는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 전기신호 입력시 진동하거나, 진동입력시 전기적 신호를 발생시키는 압전소자(100); 상기 압전소자(100)의 전면에 배치되어, 상기 압전소자(100)의 진동을 음향신호로 방사하는 전면추(200); 상기 압전소자(100)의 후면에 배치되어, 상기 전면추(200)가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 후면추(300); 및 상기 압전소자(100), 상기 전면추(200) 및 상기 후면추(300)를 체결하며, 상기 압전소자(100)의 진동방향으로 탄성 변형할 수 있는 응력볼트(400); 를 포함하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 전면추(200)의 전면에 부착되어, 매질의 임피던스와 상기 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 방사 임피던스를 매칭시키는 매칭윈도우(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 상기 후면추(300)의 후면에 배치되어, 상기 후면추와 독립적으로 진동할 수 있는 꼬리추(600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 상기 후면추(300)와 상기 꼬리추(600)의 중심을 연결하는 중공기둥(700);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 상기 압전소자(100)와 상기 전면추(200), 상기 후면추(300) 및 상기 응력볼트(400) 사이에 개재되어, 상기 압전소자(100)를 절연시키는 절연체(800);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 압전소자(100)는 전극판(900)과 번갈아가며 적층되고, 상기 전극판(900)은 전극(1000)에 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 매칭윈도우(500)의 임피던스는 매질의 임피던스와 상기 전면추(200)의 임피던스의 기하평균 값인 것을 특징으로 한다.
상기 매칭윈도우(500)의 재질은 에폭시와 텅스텐이 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 전면추(200)는 알루미늄 재질이고, 상기 후면추(300), 상기 꼬리추(600) 및 상기 중공기둥(700)은 황동 재질인 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 중주파/저주파 대역에 광대역으로 고출력 음파를 송신하거나 외부 음원 및 표적에 반사되어 돌아오는 음파를 수신할 수 있으면서도, 기존 톤필츠형 음향 트랜스듀서와 유사한 크기로 톤필츠형 음향 트랜스듀서를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 정면도 및 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 매칭윈도우의 시제품의 사진.
도 3은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 송신전압감도를 비교한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 수신전압감도를 비교한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 크기를 비교한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 위상을 비교한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 매칭윈도우의 시제품의 사진.
도 3은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 송신전압감도를 비교한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 수신전압감도를 비교한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 크기를 비교한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 위상을 비교한 그래프.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 정면도 및 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 매칭윈도우의 시제품의 사진이다. 도 1 및 도 2를 참조할 때, 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 압전소자(100), 전면추(200), 후면추(300), 응력볼트(400), 매칭윈도우(500)를 포함한다.
압전소자(100)는 전기신호 입력시 진동하거나, 진동입력시 전기적 신호를 발생시키는 역할을 한다. 상기 압전소자(100)는 전기신호 입력시 길이방향으로 진동할 수 있으며, 링 형태로 제작될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(100)는 전극판(900)과 번갈아가며 적층되고, 상기 전극판(900)은 전극(1000)에 병렬로 연결될 수 있다.
전면추(200)는 상기 압전소자(100)의 전면에 배치되어, 상기 압전소자(100)의 진동을 음향신호로 방사하는 역할을 한다. 상기 전면추(200)는 방사되는 음향 에너지를 최대화하기 위해, 방사면적이 최대한 넓고, 방사표면의 축방향 변위 크기가 최대한 크도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면추(200)는 알루미늄 재질로 제작될 수 있다.
후면추(300)는 상기 압전소자(100)의 후면에 배치되어, 상기 전면추(200)가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 역할을 한다. 또한, 후면부에 위치하는 후면추(300)는 전면추(200)에 반대되는 무게 역할을 하므로, 방사되는 에너지 크기를 증가시키고 밴드폭을 넓히기 위해 전면추(200)에 비해 비교적 무겁게 유지할 수 있도록 밀도가 높은 황동 재질로 제작될 수 있다.
상기 응력볼트(400)는 상기 압전소자(100), 상기 전면추(200) 및 상기 후면추(300)를 체결하며, 상기 압전소자(100)의 진동방향으로 탄성 변형할 수 있다. 또한, 상기 응력볼트(400)는 후면추(300) 내부에 형성된 나사산에 체결될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(100)와 상기 전면추(200), 상기 후면추(300) 및 상기 응력볼트(400) 사이에 절연체(800)가 개재되어, 상기 압전소자(100)를 상기 전면추(200), 상기 후면추(300) 및 상기 응력볼트(400)로부터 절연시킬 수 있다.
압전세라믹 링형 소자로 적층된 상기 압전소자(100)는 인장응력이 가해지는 환경에서 불안정하다. 따라서, 상기 압전소자(100)의 손상을 방지하기 위해, 상기 압전소자(100)에 전압을 인가해서 발생하는 최대응력보다 높은 압축응력을 상기 응력볼트(400)를 통하여 상기 압전소자(100)에 가하는 것이 바람직하다. 단, 상기 응력볼트(400)는 상기 압전소자(100)의 진동을 감소시킬 수 있으므로, 강성이 낮고 안정적인 압축응력을 가할 수 있도록 인장강도가 높은 응력볼트(400)를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 매칭윈도우(500)는 상기 전면추(200)의 전면에 부착되어, 매질(특히, 물)의 임피던스와 상기 트랜스듀서의 임피던스를 매칭시키는 역할을 한다. 상기와 같은 임피던스의 매칭에 따라, 광대역으로 음향에너지를 방사할 수 있다. 또한, 상기 매칭윈도우(500)의 임피던스는 매질(특히, 물)의 임피던스와 알루미늄으로 제작된 상기 전면추(200)의 임피던스의 기하평균 값인 것을 특징으로 한다. 매질 변화를 통한 임피던스의 급격한 변화가 없도록 함으로써 중주파 대역에서 광대역으로 음향에너지의 손실없이 음파를 송수신하기 위함이다.
또한, 상기 매칭윈도우(500)의 재질은 에폭시와 텅스텐이 혼합된 복합재이며, 이때의 에폭시와 텅스텐의 체적비는 상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서가 탐지하고자 하는 주파수 대역에 따라 달리 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 매칭윈도우(500)의 텅스텐의 체적비는 10%로 설정될 수 있고, 이때의 에폭시의 체적비는 90%일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 상기 후면추(300)의 후면에 배치되어, 상기 후면추와 독립적으로 진동할 수 있는 꼬리추(600);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 상기 후면추(300)와 상기 꼬리추(600)의 중심을 연결하는 중공기둥(700);을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 후면추(300)의 끝단에 꼬리추(600)를 추가로 연결함으로써 저주파 대역에 공진 주파수를 가질 수 있고, 중공기둥(700)으로 후면추(300)와 꼬리추(600)를 연결하여 중공기둥(700)이 스프링 역할을 함으로써, 후면추(300)와 꼬리추(600)가 독립적으로 진동할 수 있는 것이다. 상기 후면추(300), 상기 꼬리추(600) 및 상기 중공기둥(700)은 황동 재질로 제작될 수 있으며, 일체로 제작될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 송신전압감도를 비교한 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 수신전압감도를 비교한 그래프이다. 도 5는 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 크기를 비교한 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 유한요소해석을 통한 임피던스의 위상을 비교한 그래프이다.
도 3 내지 도 6을 참조할 때, 본 발명에 따른 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서는 종래의 음향 트랜스듀서와 비교하여 무게와 크기는 유사하면서도, 중주파/저주파 대역에서의 음파를 송수신할 수 있으며, 또한 더 넓은 밴드폭을 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 3 및 도 4에서, 종래의 톤필츠형 음향 트랜스듀서와 본 발명에 따른 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 대한 송신전압감도, 수신전압감도를 비교함으로써 넓어진 주파수 대역폭을 확인할 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6에서 꼬리추를 통한 이중공진과 매칭윈도우로 인해 변화된 전기적 임피던스를 확인할 수 있다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
100 압전소자
200 전면추
300 후면추
400 응력볼트
500 매칭윈도우
600 꼬리추
700 중공기둥
800 절연체
900 전극
200 전면추
300 후면추
400 응력볼트
500 매칭윈도우
600 꼬리추
700 중공기둥
800 절연체
900 전극
Claims (8)
- 전기신호 입력시 진동하거나, 진동입력시 전기적 신호를 발생시키는 압전소자(100);
상기 압전소자(100)의 전면에 배치되어, 상기 압전소자(100)의 진동을 음향신호로 방사하는 전면추(200);
상기 압전소자(100)의 후면에 배치되어, 상기 전면추(200)가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 후면추(300); 및
상기 압전소자(100), 상기 전면추(200) 및 상기 후면추(300)를 체결하며, 상기 압전소자(100)의 진동방향으로 탄성 변형할 수 있는 응력볼트(400);
를 포함하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서에 있어서,
상기 전면추(200)의 전면에 부착되어, 매질의 임피던스와 상기 톤필츠형 음향 트랜스듀서의 방사 임피던스를 매칭시키는 매칭윈도우(500);
를 포함하며,
상기 후면추(300)의 후면에 배치되어, 상기 후면추와 독립적으로 진동할 수 있는 꼬리추(600);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 후면추(300)와 상기 꼬리추(600)의 중심을 연결하는 중공기둥(700);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 제 1항에 있어서,
상기 압전소자(100)와 상기 전면추(200), 상기 후면추(300) 및 상기 응력볼트(400) 사이에 개재되어, 상기 압전소자(100)를 절연시키는 절연체(800);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 제 1항에 있어서,
상기 압전소자(100)는 전극판(900)과 번갈아가며 적층되고, 상기 전극판(900)은 전극(1000)에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 제 1항에 있어서,
상기 매칭윈도우(500)의 임피던스는 매질의 임피던스와 상기 전면추(200)의 임피던스의 기하평균 값인 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 제 1항에 있어서,
상기 매칭윈도우(500)의 재질은 에폭시와 텅스텐이 혼합되는 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서. - 제 3항에 있어서,
상기 전면추(200)는 알루미늄 재질이고, 상기 후면추(300), 상기 꼬리추(600) 및 상기 중공기둥(700)은 황동 재질인 것을 특징으로 하는 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서.
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|---|---|---|---|
| KR1020150185558A KR101777926B1 (ko) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150185558A KR101777926B1 (ko) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | 이중공진 및 매칭윈도우를 이용한 광대역 톤필츠형 음향 트랜스듀서 |
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|---|---|
| KR20170075951A KR20170075951A (ko) | 2017-07-04 |
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ID=59357143
Family Applications (1)
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210137653A (ko) | 2020-05-11 | 2021-11-18 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 십자형태로 형성된 압전 진동 모듈 및 이를 구비한 수중 음향 트랜스듀서 |
Families Citing this family (2)
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| KR102198095B1 (ko) | 2017-08-11 | 2021-01-15 | 국방과학연구소 | 압전소자 , 이를 이용한 트랜스듀서 및 톤필츠 트랜스듀서 |
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-
2015
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Non-Patent Citations (4)
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|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210137653A (ko) | 2020-05-11 | 2021-11-18 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 십자형태로 형성된 압전 진동 모듈 및 이를 구비한 수중 음향 트랜스듀서 |
| KR102468273B1 (ko) * | 2020-05-11 | 2022-11-17 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 십자형태로 형성된 압전 진동 모듈 및 이를 구비한 수중 음향 트랜스듀서 |
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| Publication number | Publication date |
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