KR101801251B1 - 음향 포커싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 음향 포커싱 장치는 음향수신장치; 다수의 음향 메타물질; 상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판; 을 포함하고, 상기 다수의 음향 메타물질은 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고, 상기 음향수신장치는 초점에 위치하고, 상기 초점은 평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치인 것을 특징으로 한다.
그 결과, 본 발명의 음향 안테나는 구조가 단순하면서 효과적인 음향 포커싱 기능을 제공한다.

Description

음향 포커싱 장치{SOUND FOCUSING APPARATUS }

본 발명은 음향 포커싱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 음향 메타물질을 규칙적으로 배치한 음향 포커싱 장치에 관한 것이다.

메타물질(Metamaterial)은 화학적 성질이 아닌 주기적인 인공구조물을 이용하여 음의 굴절률 같은 자연계에 존재하지 않는 파동 특성을 구현하는 물질이다. 과거에는 전자기 분야에서 활발했던 연구가 최근 음향 분야로 빠르게 이동하고 있다.

예를 들어 소리를 파장보다 작은 영역에 극소적으로 집중시키거나, 진행경로를 자유자재로 바꾸거나, 초음파 이미징 화질을 개선하는데 음향 메타물질이 이용될 수 있다.

이를 위해서는 파장보다 매우 작은 구조체를 주기적인 배열을 통해 탄성률, 밀도, 굴절률을 자유자재로 조절하는 인공 구조체 설계 기술이 필수적이다.

음향 메타물질 설계기술을 바탕으로 자연계에서 존재하지 않는 음 밀도, 음 탄성률 구현이 가능하고, 두 개의 파동 물성을 결합하여 음 굴절률까지 구현 가능하다.

또한 최근들어 음향 메타물질을 규칙적으로 배열하여, 음향 포커싱을 구현하는 음향렌즈가 가능하다. 만약 구현된 초점에 음향 소스(source) 혹은 리시버(receiver)가 위치한다면 지향성을 갖는 음향 안테나 또는 음향 포커싱 장치의 구현이 가능하다.

특허문헌 1은 고형상태 음향 메타물질 및 그것을 이용하는 음향의 포커싱 방법을 공개하고 있다.

그러나 특허문헌 1의 음향 포커싱 기술은 음향이 전달되는 매체의 밀도와 음향 전달 속도 차이를 이용한 것으로서, 구조가 복잡하고 효과가 불완전한 문제점이 있다.

특허문헌 1: 한국 공개특허 KR 10-2013-0020520 A(공개일: 2013.02.27.)

본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 음향 메타물질을 이용하여 구조가 단순하면서 효과적인 음향 포커싱 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 음향 포커싱 장치는, 음향수신장치; 다수의 음향 메타물질; 상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판;을 포함하고, 상기 다수의 음향 메타물질은 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고, 상기 음향수신장치는 초점에 위치하고, 상기 초점은 평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치인 것을 특징으로 한다.

상기 다수의 음향 메타물질은 직선형으로 형성될 수 있다.

상기 다수의 음향 메타물질은 원형으로 형성될 수 있다.

상기 다수의 음향 메타물질은 일부분에 구멍이 형성되어 있고, 구멍으로 입사한 음향이 반사되어 구멍으로 다시 나올 때까지의 경로 길이가 서로 다를 수 있다.

상기 음향수신장치는 다수일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 음향 포커싱 장치는, 음향발생장치; 다수의 음향 메타물질; 상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판;을 포함하고, 상기 다수의 음향 메타물질은 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고, 초점에 상기 음향발생장치가 위치하고, 상기 초점은 평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치인 것을 특징으로 한다.

상기 다수의 음향 메타물질은 직선형으로 형성될 수 있다.

상기 다수의 음향 메타물질은 원형으로 형성될 수 있다.

상기 다수의 음향 메타물질은 일부분에 구멍이 형성되어 있고, 구멍으로 입사한 음향이 반사되어 구멍으로 다시 나올 때까지의 경로 길이가 서로 다를 수 있다.

본 발명의 음향 포커싱 장치는 구조가 단순하면서 효과적인 음향 포커싱 기능을 제공한다.

도 1은 음파가 반사면에 수직으로 입사할 때의 초점의 개념도
도 2는 음파가 반사면에 비스듬하게 입사할 때의 초점의 개념도
도 3은 본 발명의 음향 메타물질의 단면도의 예
도 4는 도 3에서의 주파수 대 위상변화 그래프
도 5는 도 3에서의 위치 대 위상변화 그래프
도 6은 음향 메타물질이 직선형으로 형성된 예
도 7은 음향 메타물질이 원형으로 형성된 예
도 8은 음파 측정 위치 A와 B를 표시한 도면
도 9는 마이크가 초점 A에 위치할 때의 게인 그래프
도 10은 마이크가 B에 위치할 때의 게인 그래프
도 11은 음파 측정 위치 C를 표시한 도면
도 12는 마이크가 C에 위치할 때의 게인 그래프

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 음파가 반사면에 수직으로 입사할 때의 초점의 개념도이다. 반사지점 x 에서의 반사되는 음향과 입사되는 음향의 위상 차이를 Φ(x)라고 할 수 있다.

만약 원점을 기준으로 위상변화를 x축의 양의 방향으로 dΦ(x)/dx>0 와 x 축의 음의 방향으로 dΦ(x)/dx<0 으로 구현한다면 광학렌즈처럼 반사된 음파가 한곳으로 모이는 초점을 형성하여 음향 렌즈가 구현될 수 있다. 구체적으로 표면의 각 지점에서 반사되는 반사파의 위상변화가 최소화하는 되는 지점에서 초점이 형성되는데, 그 지점에서 각 지점에서 반사되는 위상차이가 거의 존재하지 않기 때문에 음파의 합이 최대가 된다. 예를 들어, dΦ(x)/dx를 구현하기 위해서 리니어(linear), 코니컬(conical), 익스포넨셜(exponential) 형태로 점진적으로 음향 메타무질 설계를 통해 반사파의 위상을 변화시킬 수 있다. 무엇보다도 파라볼릭 타입(parabolic type) 함수 구현이 가능하다면 성능이 매우 좋은 음향 렌즈 구현이 가능하다.

이러한 초점은 음파가 반사면에 수직으로 입사하는 경우 뿐 아니라 비스듬하게 입사하는 경우에도 형성될 수 있다.

도 2는 음파가 반사면에 비스듬하게 입사할 때의 초점의 개념도이다. 도 2의 각각의 표면에서 반사하는 반사파의 위상 차이를 최소화하는 지점에서 초점이 형성된다. 또한 입사각이 변화함에 따라 음파의 경로가 달라지고 또한 위상 차이를 최소화 하는 초점의 위치도 조금씩 바뀐다.

이러한 성질을 이용하여 음파의 방향성을 조정할 수 있다.

만일, 음파의 수신장치(예를 들면, 마이크)를 초점 위치에 설치하면, 지향성을 갖는 음향수신장치가 될 수 있다.

만일, 음파의 발생장치(예를 들면, 스피커)를 초점 위치에 설치하면, 지향성을 갖는 음향발생장치가 될 수 있다.

도 3은 본 발명의 음향 메타물질의 단면도의 예이다.

반사면에는, 오른쪽에 8개의 음향 메타물질, 왼쪽에 8개의 음향 메타물질이 형성되어 있다. 8개의 음향 메타물질은 음향이 들어와서 반사되는 경로의 길이가 각각 달라서 반사될 때의 위상변화가 각각 다르도록 만들어져 있다.

음향 메타물질은 서로 거리 d 만큼 떨어져 있고, 각각의 음향 메타물질에는 구멍이 형성되어 있고 그 구멍은 반사면을 향하고 있다. 그 구멍과 반사면은 거리 g 만큼 이격되어 있다. 만일 이격거리 g가 0 이면 그 구멍으로 소리가 들어와서 반사될 수 없다. 만일 이격거리 g가 너무 크면 반사파가 초점에 정확히 모이지 않아서 초점에서의 합성파의 크기가 작아질 수 있다.

음향 메타물질 사이의 거리는 서로 다르게 할 수도 있지만 균일하게 하는 것이 바람직하다. 즉 음향 메타물질은 규칙적으로 배치하는 것이 바람직하다. 도 3에서 음향 메타물질 사이의 거리 d 는 음파의 파장보다 짧다.

음향 메타물질의 크기(단면의 외곽선이 형성하는 크기를 음향 메타물질의 크기로 생각할 수 있음)는 모두 다르게 할 수도 있지만, 같은 크기로 만드는 것이 바람직하다.

도 3의 음향 메타물질은 헬름홀츠 공명기 형태로 만들 수 있다. 헬름홀츠 공명기는 조그만 구멍이나 주둥이를 가진 밀폐된 공간 모양으로 구성된 장치로서, 정상파가 주둥이를 통해서 그 공명기 안으로 들어오면 그 정상파의 파형에 대한 새로운 역상 형태의 진동으로 변하여 공명기 밖으로 나오게 된다. 이때 음향이 들어와서 반사되는 경로의 길이가 각각 다르게 하면 반사될 때의 위상변화가 각각 다르게 된다.

도 3의 음향 메타물질은 그 단면의 외곽선이 사각형으로 되어 있으나, 그 단면의 외관선이 원형이 되도록 변형될 수 있다. 즉 도 3의 음향 메타물질은, 음향이 들어와서 반사되는 경로의 길이가 각각 달라서 반사될 때의 위상변화가 각각 다르도록 만들 수 있다면, 그 모양을 필요에 따라 다양하게 변형할 수 있다.

도 3에서의 음향 메타물질의 폭은 s 로 표시될 수 있고, 음향 메타물질 안의 칸막이의 길이는 p로 표시될 수 있다.

도 3에서의 치수는, s=15mm, d=20mm, g=2mm 이고, p 값은 음향 메타물질 1 내지 8에서 각각 1mm, 5.5mm, 9mm, 12.5mm, 16.5mm, 24mm, 31mm, 36mm이다.

도 4는 도 3에서의 주파수 대 위상변화 그래프이다. 입사하는 음향의 주파수가 달라질 때 입사파 대 반사파의 위상변화의 크기는 도 4와 같다. 음향 메타물질(1~8)은 반사되는 경로의 길이가 달라서 반사될 때의 위상 변화가 서로 다른데, 그 위상변화 값은 입사되는 음향의 주파수에 따라서도 달라진다.

도 5는 도 3에서의 위치 대 위상변화 그래프이다. 위상변화의 크기가 음향 메타물질(1~8)의 위치에 따라 점진적으로 변화하는데, 각각의 음향 메타물질의 위치(x좌표값)에 따른 위상변화 값을 그래프로 표시한 것이다. 원점을 기준으로 위상변화를 x축의 양의 방향으로 dΦ(x)/dx>0 와 x 축의 음의 방향으로 dΦ(x)/dx<0 으로 구현됨을 알 수 있고, 특히 주파수가 1700 Hz 일때, 음향 메타물질의 x좌표에 따른 위상변화가 parabolic 함수 형태로 구현된다.

도 4와 도 5의 그래프는 도 3의 음향 메타물질의 내부 구조와 크기가 달라짐에 따라 변할 수 있다.

도 3의 음향 메타물질은 직선형으로 만들어서 초점이 직선상에 형성되도록 할 수도 있고, 원형으로 만들어 초점이 한 점에 형성되도록 할 수도 있다.

도 6은 음향 메타물질이 직선형으로 형성된 예이고, 도 7은 음향 메타물질이 원형으로 형성된 예이다.

도 6과 같이 음향 메타물질이 직선형으로 형성되면, 초점이 직선상에 무한히 많이 형성된다.

그러나 도 7과 같이 음향 메타물질이 원형으로 형성되면, 초점이 한 점에만 형성되게 된다. 본 발명의 음향 포커싱 장치에서 마이크나 스피커는 1개만 설치하는 것이 바람직하므로 초점이 1개만 형성되는 도 7과 같이 음향 메타물질을 형성하는 것이 바람직하다.

도 8은 음파 측정 위치 A와 B를 표시한 도면이다.

A는 반사면의 중심으로부터 100 mm 거리에 있는 점이고, B는 반사면의 중심으로부터 50 mm 거리에 있는 점이다. A는, 음향이 수직으로 입사할 대 반사된 음향의 합성파의 진폭이 최대로 되는 지점으로서, 초점이라 할 수 있다. B는 반사면으로부터 초점 거리의 절반만큼 이격된 점으로서, 초점이 아니다. 이때 음향 메타물질 간의 이격거리 d 는 25 mm 라고 가정한다.

도 9는 마이크가 초점 A에 위치할 때의 게인 그래프이고, 도 10는 마이크가 B에 위치할 때의 게인 그래프이다. 게인(gain,이득) 그래프는 그 지점에서 마이크에 의해 측정되는 음파의 크기를 dB 단위로 표시한 것이다. 선 a는 음향 메타물질이 있는 경우의 게인(이득) 곡선이고, 선 b는 음향 메타물질이 없는 경우의 게인 곡선이다.

도 9에 의하면, 초점에서 반사된 음향의 합성파의 진폭이 최대로 되는 경우, 반사면이 입사된 음향과 수직일 때 마이크에 의해 측정되는 음파의 크기가 최대로 되며, 초점에서의 합성파의 크기가 음향 메타물질이 없을 경우보다 음향 메타물질이 있을 때 더 크다. 또 입사되는 음향의 방향이 변화될 때, 마이크에 의해 측정되는 음파의 크기가 음향 메타물질이 없을 경우보다 음향 메타물질이 있을 때 빨리 감쇄된다. 따라서 음향 메타물질이 있을 때 입사되는 음향의 감지와 방향 탐지에 유리함을 확인할 수 있다.

만일 도 8의 초점 위치에 마이크를 설치하면, 음향의 감지와 방향 탐지에 유리하므로, 음향 탐지 장치로 사용할 수 있지만, 도 8의 초점 위치에 스피커를 설치하면 스피커에서 발생한 음파가 반사면에서 반사된 후 수직 방향으로 균일하게 진행하는 경향이 생기므로, 음향 발생장치로 활용할 수 있다.

도 11은 음파 측정 위치 C를 표시한 도면이다.

위치 C는 입사파가 반사면에 15도 비스듬하게 입사할 때의 초점이고, 반사면의 중심으로부터 x축으로 50mm, y축으로 77mm 거리에 있는 점이다.

도 12는 마이크가 C에 위치할 때의 게인 그래프이다. 선 a는 음향 메타물질이 있는 경우의 게인(이득) 곡선이고, 선 b는 음향 메타물질이 없는 경우의 게인 곡선이다. 도 12에 의하면 약 -15도(도 12에서는 105도)에서 음파 크기가 최대이다. 또한, 입사되는 음향의 방향이 변화될 때, 마이크에 의해 측정되는 음파의 크기가 음향 메타물질이 없는 경우보다 음향 메타물질이 있을 때 빨리 감쇄된다. 따라서, 음향 메타물질을 통해 음향 에너지의 지향성 방향을 자유자재로 제어가능하다.

따라서 본 발명의 음향 포커싱 장치로서, 음향의 감지와 방향 탐지에 사용하기 위한 장치는, 음향수신장치(예를 들면, 마이크), 다수의 음향 메타물질, 상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판; 을 포함하고, 상기 다수의 음향 메타물질은 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고, 초점(평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치)에 상기 음향수신장치가 위치하게 된다.

만약 상기 음향 포커싱 장치에서 음향수신장치(예를 들면, 마이크)를 다수 개 설치하면 입사하는 음향의 감지와 방향 측정에 더 유리하다.

또한, 본 발명의 음향 포커싱 장치로서, 특정방향으로 음향을 발생시키는 장치는, 음향발생장치(예를 들면, 스피커), 다수의 음향 메타물질, 상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판; 을 포함하고, 상기 다수의 음향 메타물질은 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고, 초점(평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치)에 상기 음향발생장치가 위치하게 된다.

Claims (9)

1. 음향수신장치;
   다수의 음향 메타물질;
   상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판;
   을 포함하고,
   상기 다수의 음향 메타물질은 일부분에 구멍이 형성되어 있고, 구멍으로 입사한 음향이 반사되어 구멍으로 다시 나올 때까지의 경로 길이가 서로 상이하여 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고,
   상기 음향수신장치는 초점에 위치하고,
   상기 초점은 평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치인 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 음향 메타물질은 직선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 음향 메타물질은 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 음향수신장치는 다수인 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
6. 음향발생장치;
   다수의 음향 메타물질;
   상기 다수의 음향 메타물질의 뒤쪽에 위치하는 반사판;
   을 포함하고,
   상기 다수의 음향 메타물질은 일부분에 구멍이 형성되어 있고, 구멍으로 입사한 음향이 반사되어 구멍으로 다시 나올 때까지의 경로 길이가 서로 상이하여 음향을 반사할 때의 위상차가 서로 다르고,
   초점에 상기 음향발생장치가 위치하고,
   상기 초점은 평행하게 입사한 음향이 상기 다수의 음향 메타물질에 의해 반사된 후 생성된 음향의 합성파의 진폭이 가장 커지는 위치인 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 다수의 음향 메타물질은 직선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 다수의 음향 메타물질은 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 음향 포커싱 장치.
   
9. 삭제

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