KR101807553B1 - 탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널 - Google Patents

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KR101807553B1
KR101807553B1 KR1020170036092A KR20170036092A KR101807553B1 KR 101807553 B1 KR101807553 B1 KR 101807553B1 KR 1020170036092 A KR1020170036092 A KR 1020170036092A KR 20170036092 A KR20170036092 A KR 20170036092A KR 101807553 B1 KR101807553 B1 KR 101807553B1
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양웅위
이형진
김윤영
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Abstract

탄성파의 모드변환용 이방성매질에서, 외부 등방성매질 사이에 위치하여 이방성계층으로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 투과현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가,
동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (2) 또는,
Figure 112017028380340-pat00062
식 (2)
(
Figure 112017028380340-pat00063
: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
Figure 112017028380340-pat00064
: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),
Figure 112017028380340-pat00065
식 (3)
(m: 임의의 정수)
반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (3)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킨다.

Description

탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널{ANISOTROPIC MEDIA FOR ELASTIC WAVE MODE CONVERSION, SHEAR MODE ULTRASOUND TRANSDUCER USING THE ANISOTROPIC MEDIA, AND SOUND INSULATING PANEL USING THE ANISOTROPIC MEDIA}
본 발명은 탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성파에 대하여 횡파를 종파로 또는 종파를 횡파로 모드를 변환하여 산업용 또는 의료용 초음파, 소음 또는 진동 저감, 지진파 관련 기술에 사용될 수 있는 탄성파의 모드변환용 이방성매질, 이를 이용한 전단초음파 트랜스듀서, 및 이를 이용한 차음패널에 관한 것이다.
전자기파, 음파 및 탄성파 등의 파동관련 분야에서 단일모드만을 고려하는 파브리, 페로의 공진현상(
Figure 112017028380340-pat00001
)을 이용한 파브리, 페로의 간섭계는 현재 다양하게 응용되고 있다.
파동이 임의의 단일계층(monolayer) 또는 다중계층(multilayer)을 통과하는 경우, 계층내부에서 다중반사 현상(mutiple internal reflection) 및 파동간섭현상(wave interference)이 발생한다. 즉, 단일계층의 경우 계층의 두께가 입사하는 파동의 반파장의 정수배가 되는 파브리, 페로의 공진주파수에서는 단일모드의 입사파동이 100% 계층을 투과할 수 있으며, 다중계층의 경우에도 입사파동이 100% 계층을 투과할 수 있는 공진주파수가 존재한다.
한편, 전자기파나 음파와 달리 탄성파의 경우 매질 내부의 고체원자결합으로 인해 종파(압축파)와 횡파(전단파)가 모두 존재하는데, 이러한 탄성파의 파동은 임의의 이방성계층을 투과하거나 이방성계층에 반사될 때, 이방성 매질 안에 존재하는 탄성파 모드결합으로 인해 종파에서 횡파로 혹은 횡파에서 종파로 매우 용이하게 변환될 수 있다.
그러나, 이러한 파동의 모드변환이 존재하는 경우라도, 다중모드(종파 및 횡파)에 관한 이방성매질 투과현상을 설명하는 이론이나 이를 구현할 수 있는 기술은 현재까지는 개발되고 있지 못한 상황이다.
미국 등록특허 US 4,319,490호 미국 공개특허 US 2004-0210134호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 모드변환 파브리, 페로의 공진현상(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00002
)을 적용하여 종파에서 횡파로 또는 횡파에서 종파로 고효율 모드변환이 가능한 탄성파의 모드변환용 이방성매질에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 탄성파의 모드변환용 이방성매질을 이용한 전단초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄성파의 모드변환용 이방성매질을 이용한 이용한 차음패널에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 탄성파의 모드변환용 이방성매질에서, 외부 등방성매질 사이에 위치하여 이방성계층으로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 투과현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가,
동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (2) 또는,
Figure 112017028380340-pat00003
식 (2)
(
Figure 112017028380340-pat00004
: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
Figure 112017028380340-pat00005
: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),
Figure 112017028380340-pat00006
식 (3)
(m: 임의의 정수)
반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (3)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (2) 및 식 (3)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (4)를 만족시키며,
Figure 112017028380340-pat00007
식 (4)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, ρ: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)
입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어,
Figure 112017028380340-pat00008
식 (5)
상기 식 (5)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입사되는 탄성파에 대하여,
C11 = C66 식 (6)
(C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)
상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (6)을 만족시키는 경우, 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서 ±45°의 각도를 이루고,
탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시키며,
Figure 112017028380340-pat00009
식 (7)
Figure 112017028380340-pat00010
식 (8)
입사하는 종파(횡파)가 횡파(종파)로 완벽하게 변환되어 투과되는 완벽한 모드변환 공진주파수는 상기 식 (8)을 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성매질은,
서로 거울 대칭성을 가지는 제1 및 제2 매질들을 포함하며,
상기 제1 및 제2 매질들은,
Figure 112017028380340-pat00011
식 (9)
(
Figure 112017028380340-pat00012
: 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
Figure 112017028380340-pat00013
: 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
Figure 112017028380340-pat00014
: 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
상기 식 (9)를 만족시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 매질들 각각은 반복되는 제1 및 제2 미소구조들을 포함하여, 탄성메타물질로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit) 또는 휘어지거나 찌그러진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질의 반복되는 미소구조는 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 여러 개인 위상을 가져서 슬릿, 원형 및 다각형 구멍 등으로 복합적으로 구성될 수 있으며, 휘어지거나 찌그러진 구멍의 형태를 또한 포함한다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 기울어진 형태의 공진기가 포함된 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 입사파의 파장보다 작은 크기를 가지며, 주기성을 가지는 슈퍼셀을 포함한 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 정사각형, 직사각형, 평행사변형, 육각형 및 그 외 다각형 중 어느 하나의 단위셀 형상이 미소구조를 포함하여 주기적 배열되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 서로 다른 2개 이상의 물질들로 구성된 미소구조가 반복되어 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 유체 또는 고체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외부매질들은 등방성 고체 또는 등방성 유체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 탄성파가 수직입사하는 경우뿐 아니라 탄성파가 경사입사하는 경우에도 확장되어 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대한 탄성파 입사는, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우로도 확장되어 적용이 가능하게 된다. 이 때, 상기 이방성 매질은 종파, 수평전단파(shear horizontal wave), 및 수직전단파(shear vertical wave) 사이의 다양한 모드변환용으로 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질이 공간상에서 3차원 메타물질로써 구현되는 경우, 파동 입사방향에 대해 기울어진 미소구조의 형상은 원기둥 등의 다양한 회전체, 다면체, 또는 휘어지거나 찌그러진 회전체 및 다면체 등을 포함할 수 있으며, 해당 미소구조를 포함하는 반복되어 공간을 채우는 단위셀의 형상은 정육면체, 직육면체, 육각기둥 등의 다양한 다면체가 해당될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 따른 탄성파의 모드변환용 이방성매질에서, 외부 등방성매질의 일 측에 위치하고 다른 측은 자유단 또는 고정단인 이방성계층으로 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 반사현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 탄성계수들과 가진주파수에 따른 이방성계층의 두께가,
동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10) 또는,
Figure 112017028380340-pat00015
식 (10)
(
Figure 112017028380340-pat00016
: 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
Figure 112017028380340-pat00017
: 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수),
Figure 112017028380340-pat00018
식 (11)
(m: 임의의 정수)
반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킨다.
일 실시예에서, 상기 이방성매질이 상기 식 (10) 및 식 (11)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)를 만족시키며,
Figure 112017028380340-pat00019
식 (12)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, ρ: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)
입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어,
Figure 112017028380340-pat00020
식 (13)
상기 식 (13)과 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질은 위상매칭조건들과 분극매칭조건을 일정 범위 내에서 만족하는 경우에도, 공진주파수 주변에서 탄성파 모드변환을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이방성 매질의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합탄성계수의 기호 Cij (i,j=1,2,3,4,5,6)는 이방성 매질이 위치한 방향 및 탄성파의 입사 평면에 따라 전통적인 기호약속에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 전단초음파 트랜스 듀서는, 상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패치 모드변환기를 포함하며, 상기 메타패치 모드변환기의 저면에 시편을 위치시키고, 상기 메타패치 모드변환기의 상부에 종파를 입사시키고, 상기 시편의 결함에 의해 반사되는 결함신호가 상기 메타패치 모드 변환기를 투과하여 계측된다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 차음패널은 상기 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패널 모드변환기, 및 상기 메타패널 모드변환기의 양측에 결합된 고체매질들을 포함하고, 유체매질들이 상기 고체매질들의 외측에 각각 결합되어, 일측 유체매질을 통해 외부 음원으로부터 발생된 종파가 입사된 후 횡파로 변환시켜 다른 측의 유체매질로 음원의 투과를 차단한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 조건을 만족시키는 이방성 매질을 통해 초고효율 탄성파의 모드변환을 수행할 수 있다.
특히, 상기 이방성 매질이 다양한 구조 및 다양한 재질을 통해 구현될 수 있어, 다양한 형태의 탄성파 모드변환을 수행할 수 있으며, 이에 따라 기술적 필요에 따른 다양한 조합의 구조체를 제작할 수 있다.
도 1a는 종래 기술에서 탄성파가 모드변환없이 투과하는 상태를 도시한 모식도이며, 도 1b는 도 1a에서의 단일모드에 의한 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 2b는 도 2a의 모드변환용 이방성매질에 의한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다.
도 3a는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 모두 만족시키는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이며, 도 3b는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 만족시키지 못하는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이다(f: 주파수, d: 이방성매질의 두께).
도 4a 내지 도 4c는 상기 이방성매질(100)의 내부에서의 파동분극매칭조건의 모드변환율에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 5a는 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 경우의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 5b는 도 5a의 이방성매질에 의한 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 주파수응답의 예를 도시한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 6b는 도 6a의 이중층의 이방성매질에 의한 탄성파의 투과 및 반사 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
도 7a는 도 6a의 이중층의 이방성매질 중 제1 매질만 포함하는 단일층을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 7b는 도 7a의 제1 매질에 의한 탄성파의 투과 및 반 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 한쪽 경계면이 자유단 혹은 고정단인 경우 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이다.
도 9a는 도 8의 이방성매질에서, 상기 이방성매질의 탄성파가 입사하는 반대쪽 경계면에 자유단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 9b는 상기 경계면에 고정단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 전단모드 초음파 트랜스듀서에 적용되어, 전단 초음파를 생성하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 11은 도 10의 전단모드 초음파 트랜스듀서를 이용한 전단 초음파 결함신호를 측정하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 차음패널에 적용된 상태를 도시한 모식도이다.
도 13은 이중층의 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도이다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도들이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 예를 도시한 단면도들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a는 종래 기술에서 탄성파가 모드변환없이 투과하는 상태를 도시한 모식도이며, 도 1b는 도 1a에서의 단일모드에 의한 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다.
도 1a를 참조하면, 종래 기술에서, 탄성파(11)가 등방성계층(isotropic layer) 또는 이방성계층(anisotropic layer)의 주축(principal axis)과 평행하게 입사하는 경우, 계층내에서는 종파와 횡파간 모드결합이 없으므로 모드변환없이 투과파(12)와 반사파(13)가 발생한다.
이하에서는, 상기 계층물질(10)을 둘러싼 외부매질(14, 15)는 등방성 물질이며 설명의 편의를 위하여 서로 동일한 고체물질인 경우를 예를 들어 설명한다.
그러나, 종래 기술은 물론이며, 후술되는 본 발명의 실시예들에서도, 이방성계층의 좌우에 인접한 외부매질이 서로 같은 경우만 한정되지는 않으며, 외부매질은 고체물질 뿐 아니라 유체물질도 포함할 수 있다.
또한, 후술되는 도면에서는 설명의 편의상 외부 등방성매질에 대한 설명 및 도시는 생략한다.
또한, 상기 모드결합이 없는 계층에서 단일모드에서 파브리, 페로의 공진현상이 발생하면, 상기 도 1b에 도시된 바와 같이, 단일모드의 투과율은 100%가 된다. 이 때, 단일계층(10)의 경우, 계층의 두께가 입사하는 파동의 반파장의 정수배가 되는 파브리, 페로의 공진조건은 하기 식 (1)로 표현된다.
Figure 112017028380340-pat00021
식 (1)
(k: 계층(10) 내부의 단일모드에 대한 파동수, d: 계층두께, n: 양의 정수)
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 2b는 도 2a의 모드변환용 이방성매질에 의한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 상태를 도시한 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예에 의한 모드변환용 이방성매질(100)은 이방성계층으로서 투과현상이 발생하며, 0이 아닌 모드 결합 강성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가진다.
이에 따라, 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)로 탄성파(101)가 입사되는 경우, 투과파(102)와 반사파(103) 외에, 변환된 상이한 모드, 즉 종파 입사시 횡파 투과파(104) 및 횡파 반사파(105)가 함께 발생하게 된다.
한편, 이러한 경우에도, 모드변환투과율이 최대가 되는 소위 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00022
)'가 발생하는 조건이 존재하며, 이는 상기 식 (1)로 표현된 종래의 단일모드 공진조건과는 다양한 형태로서 다르다고 할 수 있다.
우선, 이방성매질(100)의 모드결합 강성계수가 다른 강성계수들에 비해 비교적 작은 약한 모드결합(weakly mode-coupled) 이방성계층을 통한 모드변환에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 투과율이 표시된다(종파가 계층에 입사하는 경우).
즉, 도 2b를 참조하면, 입사파(101)인 종파의 일부가 횡파로 변환되어 투과파(104)로 생성되며, 최대투과변환율은 이방성매질(100)의 파동모드들이 특정한 위상차를 가질 때 발생하게 된다. 즉, 도 2a에서의 1차원 수직입사의 경우, 종파에서 횡파로 또는 횡파에서 종파로의 최대투과변환율은 하기 식 (2)의 위상매칭조건을 만족하는 공진주파수 근처에서 발생한다.
결국, 하기 식 (2)를 만족시키는 조건의 이방성매질(100)을 통해 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00023
)'를 발생시킬 수 있다.
Figure 112017028380340-pat00024
식 (2)
(
Figure 112017028380340-pat00025
: 이방성매질(100)의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
Figure 112017028380340-pat00026
: 이방성매질(100)의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질(100) 두께, n: 임의의 정수)
한편, 상기 약한 모드결합을 갖는 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00027
)'에 관한 조건을 동일방향 위상매칭조건(co-directional phase-matching condition)이라 할 때, 마찬가지로 이방성매질(100)의 내부에서는 반대방향 위상매칭조건(contra-directional phase-matching condition)도 존재하게 되며, 이는 도 2a에서와 같은 1차원 수직입사의 경우, 하기 식 (3)으로 정의된다.
Figure 112017028380340-pat00028
식 (3)
(m: 임의의 정수)
도 3a는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 모두 만족시키는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이며, 도 3b는 종파가 이방성매질에 입사할 때 위상매칭조건을 만족시키지 못하는 경우의 투과율과 반사율을 도시한 그래프이다(f: 주파수, d: 이방성매질의 두께).
즉, 도 3a에는 입사하는 탄성파가 상기 식 (2) 및 식 (3)의 두가지 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00029
)' 조건(동일방향 및 반대방향 위상매칭조건)을 모두 만족시키는 경우의 상기 이방성매질(100)을 투과하는 경우에서의 투과율 및 반사율을 나타낸 것이며, 도 3b는 상기 식 (2) 및 식 (3)의 조건을 만족하지 못하는 경우의 상기 이방성매질(100)을 투과하는 경우에서의 투과율 및 반사율을 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)의 탄성계수들이 상기 두 가지 위상매칭조건을 만족하는 경우에는 하기 식 (4)를 만족시킨다.
Figure 112017028380340-pat00030
식 (4)
(C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, ρ: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)
이 경우, 상기 이방성매질(100)을 입사하는 탄성파에 대하여 공진주파수에 대하여 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답(frequency response)을 보이며, 이 경우 상기 두 가지 위상매칭조건만으로 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수를 하기 식 (5)와 같이 정확하게 예측할 수 있다.
Figure 112017028380340-pat00031
식 (5)
반면, 상기 위상매칭조건을 모두 만족하지 못하는 탄성계수를 갖는 상기 이방성매질(100)에 대하여는 공진주파수에 대해 비대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 보이며, 이에 따라 동일방향 위상매칭조건인 식 (2)만으로 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수를 근사적으로만 예측할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 상기 이방성매질(100)의 내부에서의 파동분극매칭조건의 모드변환율에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프들이다.
앞서 설명한 '모드변환 파브리, 페로의 공진(Transmodal
Figure 112017028380340-pat00032
)' 조건에서, 식 (2) 및 식 (3)으로 표현되는 위상매칭조건 이외에, 본 실시예에 의한 이방성매질(100)의 내부에는 파동분극매칭조건(polarization-matching condition)이 존재하며, 상기 탄성파(101)가 상기 이방성매질(100) 상으로 수직으로 입사하는 경우 하기 식 (6)으로 정의된다.
C11 = C66 식 (6)
(C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)
즉, 상기 식 (6)의 파동분극매칭조건이 만족되는 상기 이방성매질(100)에서는 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서
Figure 112017028380340-pat00033
의 각도를 이루게 된다.
이와 관련하여 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 이방성매질(100)로의 1차원 수직입사의 경우 상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시키는 이방성매질(100)에서의 투과율 주파수응답은 도 4b에 도시된 바와 같으며, 이를 통해 상기 이방성매질(100)은 모드변환공진점 부근에서 탄성파의 고효율(high conversion rate) 및 고순도(high purity) 모드변환이 가능하게 된다.
상기 파동 분극매칭조건은 앞선 두 위상매칭조건들과 독립적으로 적용될 수 있는 조건으로, 도 4a 내지 도 4c의 이방성물질 또한 위상매칭조건을 만족하지 않는 일반적인 경우를 도시하였다. 따라서, 모드변환 공진점을 중심으로 종파투과율 및 횡파투과율의 주파수응답은 대칭을 이루지 않는다.
도 5a는 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 경우의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 5b는 도 5a의 이방성매질에 의한 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진현상이 발생하는 주파수응답의 예를 도시한 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 이방성매질(100)의 탄성계수들이 상기 식 (2), 식 (3), 그리고 식 (6)의 위상매칭조건들과 분극매칭조건을 만족하는 경우, 상기 탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시킨다.
또한, 상기 이방성매질로 구성된 계층에서는 하기 식 (8)을 만족시키는 공진주파수에서, 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생한다.
Figure 112017028380340-pat00034
식 (7)
Figure 112017028380340-pat00035
식 (8)
그리하여, 입사파(101)로서 종파가 입사하는 경우 횡파만 투과(102)하게 되며, 계층 외부의 등방성 매질의 푸아송비(Poisson's ratio)에 따라 다르지만 외부매질이 등방성 금속매질인 경우, 대략 90% 이상의 모드변환투과율이 발생하게 된다. 이 경우, 입사파(101)의 파동모드는 종파 및 횡파가 모두 가능하다.
한편, 반사파의 경우 모드변환 없이 종파로 반사되며(103), 외부매질이 등방성 금속매질인 경우, 대략 10% 미만의 모드비변환반사율을 갖게 된다.
즉, 상기 완벽한 모드변환 공진의 발생시, 상기 이방성매질(100) 좌우로 각각 종파(101, 103)와 횡파(102)가 격리되는 완벽한 모드격리(perfect mode isolation) 현상이 발생한다.
한편, 도 5b를 참조하면, 상기 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 이방성매질(100)의 투과율 및 반사율 주파수응답을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 모드변환공진점들의 정 중앙에 단일모드 파브리, 페로의 공진(100% 모드비변환투과율)도 완벽하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이중층의 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 6b는 도 6a의 이중층의 이방성매질에 의한 탄성파의 투과 및 반사 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
본 실시예에 의한 이중층의 이방성매질(200)을 통해 앞서 설명한 단일층의 이방성매질(100)로는 구현하기 어려운 입사하는 파동의 반사를 극소화시키고 탄성파 모드변환투과율을 극대화하거나 또는 극소화 하는 것이 가능하게 된다.
즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(200)은 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 매질들(210, 220)을 구성하는 탄성메타물질의 미소구조(microstructure)가 서로 거울 대칭성(mirror symmetry)을 가진다. 그리하여, 입사하는 파동의 반사를 극소화시키고 탄성파 모드변환투과율을 극대화시킬 수 있다. 이 때, 상기 탄성파 모드변환투과율은 예를 들어 99% 이상이 될 수 있다.
이 경우, 단일모드의 탄성파(211)가 상기 이방성매질(200)로 1차원 수직입사를 하는 경우, 상기 미세구조의 거울대칭조건은 하기 식 (9)와 같다.
Figure 112017028380340-pat00036
식 (9)
(
Figure 112017028380340-pat00037
: 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
Figure 112017028380340-pat00038
: 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
Figure 112017028380340-pat00039
: 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
도 7a는 도 6a의 이중층의 이방성매질 중 제1 매질만 포함하는 단일층을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이며, 도 7b는 도 7a의 제1 매질에 의한 탄성파의 투과 및 반 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 매질(210)을 통해 탄성파(211)가 입사하는 경우 투과파(102, 104)의 대략 40% 정도가 변환된 모드(종파 입사시 횡파, 또는 횡파 입사시 종파)이며, 마찬가지로 반사되는 경우 반사파(103, 105)도 유사한 비율로 모드가 변환되며 반사된다.
즉, 상기와 같이 모드변환이 발생하는 단일층을 서로 중첩한 상기 이중층의 이방성매질(200)을 사용함으로써, 단일층보다 반사율을 극소화하며 거의 완전한 모드변환투과성능을 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 한쪽 경계면이 자유단 혹은 고정단인 경우 이방성매질을 투과하는 탄성파의 상태를 도시한 모식도이다. 도 9a는 도 8의 이방성매질에서, 상기 이방성매질의 탄성파가 입사하는 반대쪽 경계면에 자유단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 9b는 상기 경계면에 고정단 경계조건이 적용된 경우의 반사율 주파수 응답을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에서, 이방성매질(100)의 한쪽 경계면(106)이 자유단(Free end) 혹은 고정단(Fixed end) 조건일 경우에, 상기 이방성매질은 반사형(reflection-type) 탄성파 모드변환용으로 사용될 수 있다.
자유단 조건은 도 1a 에서 탄성파가 투과하는 외부매질(15)이 기체와 같은 물질일 경우, 근사적으로 적용이 가능하며, 고정단 조건은 상기 외부매질(15)이 질량밀도와 강성이 매우 큰 고체물질일 경우로 근사할 수 있다.
만약, 상기 이방성매질의 탄성계수와 가진주파수에 따른 이방성매질의 두께가 반사형 동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10)과,
Figure 112017028380340-pat00040
식 (10)
Figure 112017028380340-pat00041
식 (11)
반사형 반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족하면, 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생되어, 적절한 외부매질(107)의 물성치(등방성물질의 경우 푸아송비)에 대해, 입사하는 종파(횡파)를 반사하는 횡파(종파)로 최대로 변환시킬 수 있다.
이 때 상기 반사형 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)로 주어진다.
Figure 112017028380340-pat00042
식 (12)
또한, 모드변환 반사율이 최대가 되는 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수는 하기 식 (13) 으로 주어지므로, 투과형 모드변환의 경우와 마찬가지로, 적절한 외부매질(107)의 물성치에 대해 공진주파수의 예측과 선택이 가능하다.
Figure 112017028380340-pat00043
식 (13)
즉, 상기 반사형 모드변환용 이방성매질이 두가지 반사형 위상매칭조건과 더불어 파동분극매칭조건 식 (6)을 정확히 혹은 근사적으로라도 만족시키는 경우에, 적절한 외부매질(107)의 물성치에 대해 완벽하게 입사하는 어떤 모드를 다른 모드로 변환시켜 반사시키는 완벽한 반사형 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생할 수 있다.
상기 반사형 모드변환용 이방성매질의 경우, 투과형 모드변환용 이방성매질과 다른 점은 파동분극매칭조건 식 (6)을 근사적으로 만족하여도, 외부매질(107)의 물성치에 따라 거의 완벽한 모드변환을 구현할 수 있다.
한편, 도 9a 및 도 9b는 종파 모드가 외부매질(107)로부터 상기 반사형 이방성매질에 입사할 때, 상기 이방성매질의 반사율 주파수 특성을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 도 9a는 이방성매질(100)의 탄성파(101)가 입사하는 반대 쪽 경계면(106)에 자유단 경계조건이 적용되었을 때의 반사율 주파수응답을 나타내며, 도 9b는 상기 경계면(106)에 고정단 경계조건이 적용되었을 때의 반사율 주파수응답을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 전단모드 초음파 트랜스듀서에 적용되어, 전단 초음파를 생성하는 상태를 도시한 모식도이다. 도 11은 도 10의 전단모드 초음파 트랜스듀서를 이용한 전단 초음파 결함신호를 측정하는 상태를 도시한 모식도이다.
일반적으로, 앞서 설명한 탄성파 모드변환용 이방성매질(100)은 구체적으로 전단모드(혹은 횡파 모드) 초음파 트랜스듀서(shear mode ultrasound transducer)를 개발하는데 응용될 수 있다. 전단모드 초음파는 종파모드 초음파와는 매질진동방향(particle motion direction), 위상속도(phase speed), 감쇠계수(attenuation factor) 등이 확연히 달라서, 기존의 종파모드가 탐지하기 어려운 결함(1004) 등을 높은 민감도와 에너지 효율로 탐지하는데 긴요하게 쓰일 수 있다. 기존의 압전소자 기반 초음파 트랜스듀서는 종파의 생성 및 측정은 우수하나, 전단파의 선택적 가진은 상당히 어렵다고 알려져 있다. 따라서, 기존에는 초음파 웨지(wedge)를 이용하여 기존의 초음파 트랜스듀서로 생성된 종파를 전단파로 변환하여 사용하지만, 웨지/트랜스듀서 경계면 및 웨지/시편(산업용 비파괴 검사분야의 경우, 시편은 금속물질) 경계면에서, 트랜스듀서, 웨지, 시편의 물성치 차이로 인한 초음파 에너지의 반사손실이 상당한 심한 것으로 역시 알려져 있다.
앞선 실시예를 통해 설명한 이방성매질(100)은 종래 초음파 트랜스듀서(1002) 전면에 부착되어 호환이 매우 용이한 메타패치 모드변환기(Meta-patch mode converter)(1001)에 적용될 수 있다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)이 메타패치 모드변환기(1001)로 구비되어 상기 전단모드 초음파 트랜스듀서(1000)에 적용되며, 이를 이용한 고효율 전단파(102)를 생성할 수 있다.
즉, 입사하는 종파(101)는 매우 소량의 반사파(103)가 반사되며 상기 메타패치 모드 변환기(1001)를 투과하여 고효율의 전단파(102)로 생성되며, 이를 통해 종래 종파로서는 탐지가 어려운 시편(1003)의 구조적 결함(1004)을 보다 용이하게 계측할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 이방성매질(100)이 메타패치 모드변환기(1001)로 구비되면, 상기 시편(1003)의 구조적 결함(1004)에서 반사된 전단파(101)를 변환시켜 측정이 가능한 종파(102)로 만들어, 이렇게 높은 신호세기로 변환된 종파(102)를 보다 용이하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 상기 이방성매질(100)은 높은 신호세기로 변환된 종파(102)를 측정하는 센서용 전단모드 초음파 트랜스듀서(1000)에 상기 이방성매질(100)이 적용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이방성매질이 차음패널에 적용된 상태를 도시한 모식도이다.
앞선 실시예를 통해 설명한, 탄성파 모드변환용 이방성매질(100)은 구체적으로 모드변환 공진을 기반한 차음패널(TFPR-based sound insulating panel)로써 응용될 수 있다. 고체매질에서 유체매질로 파동에너지가 전파될 때, 수직입사의 경우, 전단파(횡파)는 전단강성(shear modulus)이 없는 유체매질로 전파되지 못하고 고체매질 내부에 가두어 진다.
도 12는 상기 이방성매질(100)이 메타패널 모드 변환기(2001)로 사용된 상기 차음패널(2000)로써, 모드변환 파브리, 페로의 공진(TFPR)에 기반한 상기 차음패널(2000)의 음파 차단 기능을 도시한 것이다.
즉, 도 12를 참조하면, 외부 유체매질(2004)에서 차음패널(2000)로 입사하는 음파(111)의 일부는 고체매질(2002)내부에서 일차적으로 종파모드 탄성파가 되며 메타패널 모드변환기(Meta-panel mode converter)(2001)를 투과하며 소량의 반사파(103)와 함께 다시 전단파(102)로 고효율로 변환된다.
이 때 변환된 전단파(102)는 전단강성이 없는 다음의 유체매질(2005)로 투과하지 못하고 그 경계에서 대부분 반사되어 전단파(110)로써 고체 차음패널 내부에 갇히게 되므로, 유체매질(2005)로의 음파(113)의 투과는 효과적으로 차단될 수 있다.
이 경우, 모드변환 공진 차음패널(2000)을 이루고 있는 메타패널 모드변환기(2001)에 대한 고체매질(2002, 2003)의 상대적인 계층두께는 적절하게 변화를 줄 수 있다.
도 13은 이중층의 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도이다.
도 13에서는 도 6a를 참조하여 설명한 이중층의 이방성매질(200)의 미소구조의 예를 도시한 것으로, 도 13을 참조하면, 상기 이중층의 이방성매질(200)은 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)을 포함하며, 각각의 매질은 앞서 설명한 '모드변환 파브리, 페로의 공진조건'을 모두 만족시키거나, 부분적으로 만족시키거나, 또는 근사적으로 만족시킬 수 있다.
이에 따라, 입사되는 탄성파(211)는 모드변환없이 투과(212)되거나 모드변환이 수행되어 투과(214)되거나, 모드변환없이 반사(213)되거나 모드변환이 수행되어 반사(215)될 수 있다.
이 경우, 상기 이중층의 이방성매질(200)의 제1 매질(210) 및 제2 매질(220)들 각각은 도 13에 도시된 바와 같은 서로 거울대칭을 갖는 제1 미소구조(230) 및 제2 미소구조(240)를 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 미소구조들(230, 240)이 반복되는 구조의 이방성매질(200)을 통해 이른바, 탄성메타물질을 구현할 수 있다.
이상에서는, 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대하여 탄성파가 수직으로 입사하는 경우에 대하여 한정하여 설명하였다.
그러나, 상기 2차원 평면 형상의 이방성매질에 대하여 탄성파가 경사입사하는 경우는 물론이며, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우로도 확장되어 적용이 가능하게 된다.
특히, 3차원 공간상에서 탄성파가 입사하는 경우에는 전단파는 수평방향과 수직방향으로 진동하는 수평전단파(shear horizontal wave)와 수직전단파(shear vertical wave)가 존재하며, 이 경우 상기 이방성매질이 어떤 모드결합계수를 가지는 가에 따라 종파와 횡파 간의 모드변환공진 뿐만 아니라, 수평횡파와 수직횡파 사이의 모드변환공진도 발생이 가능하다.
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 미소구조를 도시한 단면도들이다.
도 14a 내지 도 14c에 도시된 미소구조들은 탄성파 모드변환공진을 구현할 수 있는 이방성매질의 미소구조들의 예로서, 상기 미소구조들의 형태, 치수, 위상 또는 빈 공간의 개수 등을 서로 다르게 구성함으로써 모드변환 파브리, 페로의 공진조건들을 만족하는 다양한 이방성매질을 구현할 수 있게 된다.
예를 들어, 도 14a에 도시된 바와 같이, 서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit)(310)이나 휘어진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 상기 이방성매질(300)을 구현할 수 있다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 한 개의 단일위상을 가지는 슬릿(311)과 이에 수직인 또 다른 슬릿(312)이 반복되는 형태로 상기 이방성매질(301)을 구현할 수 있다. 특히, 도 14b의 슬릿 구조를 통해 거의 완벽한 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시킬 수 있다.
도 14c에 도시된 바와 같이, 기울어진 형태의 공진기(410)가 포함된 미소구조가 반복되어 상기 이방성매질(400)을 구현할 수도 있다.
또한, 다양한 형태의 미소구조들(510, 520, 530, 540)이 서로 복합적으로 결합된 슈퍼셀(500)을 통해서도 이방성매질을 구현할 수 있으며, 이 경우, 상기 슈퍼셀의 크기는 입사파의 파장보다 작아야 하며, 주기성(periodicity)을 가져야 한다.
이러한 단위셀 또는 슈퍼셀의 모양은 도 14d 및 도 14f에 도시된 바와 같이, 직사각형(610), 육각형(710)이 될 수 있어, 일정한 주기를 가지면서 이방성매질(600, 700)을 구현할 수 있게 된다.
상기 이방성매질의 미소구조는 정사각형 또는 직사각형 형상 외에, 평행사변형, 육각형, 그 외 다각형 등과 같은 주기적 배열이 가능한 모든 단위셀 형상을 포함할 수 있으며, 단일상(single phase) 뿐만 아니라 두 개 이상의 서로 다른 물질을 포함하는 다중상(multi-phase)으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 미소구조를 이루는 물질은 고체뿐만 아니라 유체일 수도 있다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 다른 실시예들에 의한 이방성매질의 예를 도시한 단면도들이다.
도 15a를 참조하면, 상기 이방성매질(200)은 서로 다른 2개의 매질들(210, 220)이 서로 연속되어 구성될 수 있으며, 도 15b를 참조하면, 상기 이방성매질(800)은 서로 다른 2개의 매질들(810, 820)이 앞서 설명한 바와 같이 거울대칭적 미소구조를 포함하며 서로 연속되어 구성될 수 있다.
또한, 도 15c를 참조하면, 상기 이방성매질(900)은 서로 다른 3개의 매질들(910, 920, 930)이 서로 연속되어 구성될 수도 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 도 15a 내지 도 15c의 각각의 매질들이 다중층(multilayer)으로써 서로 반복되어 구성됨으로써 이방성매질을 구성할 수도 있다.
이상과 같이, 다양한 미소구조의 메타물질과 여러 겹의 계층 구성을 통해 이방성매질이 더욱 다양한 물성치를 갖게 되며, 이에 따라 주파수광대역 고효율모드변환이나 특정 주파수에 선택적인 주파수협대역 고효율모드변환을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 모드변환 파브리, 페로의 공진이 발생하는 조건을 만족시키는 이방성 매질을 통해 탄성파의 모드변환을 수행할 수 있다.
특히, 상기 이방성 매질이 다양한 구조 및 다양한 재질을 통해 구현될 수 있어, 다양한 특성의 탄성파 모드변환을 수행할 수 있으며, 이를 위해 기술적 필요에 따른 다양한 조합의 구조체를 제작할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 외부 등방성매질 사이에 위치하여 이방성매질로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 투과현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 상기 모드결합 탄성계수를 포함한 소정의 탄성계수들과 상기 입사하는 탄성파의 가진주파수(excitation frequency)에 따른 이방성매질의 두께가,
    동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (2) 또는,

    Figure 112017097905776-pat00044
    식 (2)
    (
    Figure 112017097905776-pat00045
    : 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
    Figure 112017097905776-pat00046
    : 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수, φ: 이방성매질내에서 준종파 또는 준횡파의 위상변화),
    Figure 112017097905776-pat00047
    식 (3)
    (m: 임의의 정수)
    반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (3)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시키는 모드변환용 이방성 매질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이방성매질이 상기 식 (2) 및 식 (3)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (4)를 만족시키며,
    Figure 112017028380340-pat00048
    식 (4)
    (C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, ρ: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)
    입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어,
    Figure 112017028380340-pat00049
    식 (5)
    상기 식 (5)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능한 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입사되는 탄성파에 대하여,
    C11 = C66 식 (6)
    (C11 : 이방성매질의 종탄성계수, C66 : 이방성매질의 전단탄성계수)
    상기 식 (6)의 파동분극매칭조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이방성매질이 상기 식 (6)을 만족시키는 경우, 준종파 및 준횡파 고유모드들의 입자진동방향이 수평에서 ±45°의 각도를 이루고,
    탄성계수들은 하기 식 (7)을 만족시키며,
    Figure 112017028380340-pat00050
    식 (7)

    Figure 112017028380340-pat00051
    식 (8)
    입사하는 종파(횡파)가 횡파(종파)로 완벽하게 변환되어 투과되는 완벽한 모드변환 공진주파수는 상기 식 (8)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이방성매질은,
    서로 거울 대칭성을 가지는 제1 및 제2 매질들을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 매질들은,
    Figure 112017028380340-pat00052
    식 (9)
    (
    Figure 112017028380340-pat00053
    : 제1 매질(210)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합 탄성계수,
    Figure 112017028380340-pat00054
    : 제2 매질(220)의 종탄성계수, 전단탄성계수 및 모드결합관련 탄성계수,
    Figure 112017028380340-pat00055
    : 제1 및 제2 매질들의 질량밀도)
    상기 식 (9)를 만족시키는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 매질들 각각은 반복되는 제1 및 제2 미소구조들을 포함하여, 탄성메타물질로 구현되는 모드변환용 이방성 매질.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    서로 다른 물질이 접하는 경계선이 한 개인 단일위상을 가지는 슬릿(slit) 또는 휘어지거나 찌그러진 슬릿 형태의 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  8. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    기울어진 형태의 공진기가 포함된 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  9. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    입사파의 파장보다 작은 크기를 가지며, 주기성을 가지는 슈퍼셀을 포함한 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  10. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    정사각형, 직사각형, 평행사변형, 육각형 및 그 외 다각형 중 어느 하나의 단위셀 형상이 미소구조를 포함하여 주기적 배열되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  11. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    서로 다른 2개 이상의 물질들로 구성된 미소구조가 반복되어 구현되는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  12. 제1항에 있어서, 상기 모드변환용 이방성 매질은,
    유체 또는 고체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 외부 등방성매질은 등방성 고체 또는 등방성 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  14. 외부 등방성매질의 일 측에 위치하고 다른 측은 자유단 또는 고정단인 이방성매질로서 입사하는 특정 모드의 탄성파에 대하여 다중모드의 반사현상을 야기하고, 0이 아닌 모드결합 탄성계수(mode-coupling stiffness constant)를 가지며, 상기 모드결합 탄성계수를 포함한 소정의 탄성계수들과 상기 입사하는 탄성파의 가진주파수(excitation frequency)에 따른 이방성매질의 두께가,
    동일방향 위상매칭조건인 하기 식 (10) 또는,
    Figure 112017097905776-pat00056
    식 (10)
    (
    Figure 112017097905776-pat00057
    : 이방성매질의 준종파(quasi-longitudinal)모드의 파동수,
    Figure 112017097905776-pat00058
    : 이방성매질의 준횡파(quasi-shear)모드의 파동수, d: 이방성매질 두께, n: 임의의 정수, φ: 이방성매질내에서 준종파 또는 준횡파의 위상변화),
    Figure 112017097905776-pat00059
    식 (11)
    (m: 임의의 정수)
    반대방향 위상매칭조건인 상기 식 (11)을 만족시켜 모드변환 파브리, 페로의 공진을 발생시키는 모드변환용 이방성 매질.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이방성매질이 상기 식 (10) 및 식 (11)을 만족시키는 경우, 상기 이방성매질의 탄성계수들은 하기 식 (12)를 만족시키며,
    Figure 112017028380340-pat00060
    식 (12)

    (C11 : 종(혹은 압축)탄성계수, C66 : 횡(혹은 전단)탄성계수, C16 : 모드결합 탄성계수, ρ: 이방성매질의 질량밀도, fTFPR:모드변환 파브리, 페로의 공진주파수)
    입사하는 탄성파에 대하여 모드변환 파브리, 페로의 공진주파수를 기준으로 대칭적인 투과율과 반사율 주파수응답을 나타내어,
    Figure 112017028380340-pat00061
    식 (13)
    상기 식 (13)와 같이 종파-횡파 간 최대로 모드변환이 발생하는 공진주파수의 예측 또는 선택이 가능한 것을 특징으로 하는 모드변환용 이방성 매질.
  16. 제1항 또는 제14에 기재된 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패치 모드변환기를 포함하며,
    상기 메타패치 모드변환기의 저면에 시편을 위치시키고, 상기 메타패치 모드변환기의 상부에 종파를 입사시키고, 상기 시편의 결함에 의해 반사되는 결함신호가 상기 메타패치 모드 변환기를 투과하여 계측되는 것을 특징으로 하는 전단초음파 트랜스듀서.
  17. 제1항 또는 제14에 기재된 모드변환용 이방성 매질을 포함한 메타패널 모드변환기; 및
    상기 메타패널 모드변환기의 양측에 결합된 고체매질들을 포함하고,
    유체매질들이 상기 고체매질들의 외측에 각각 결합되어, 일측 유체매질을 통해 외부 음원으로부터 발생된 종파를 입사시켜 다른 측의 유체매질로 음원의 투과를 차단하는 차음패널.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102026362B1 (ko) 2018-08-01 2019-09-27 서울대학교산학협력단 Meta slab을 적용한 유속 측정용 초음파 트랜스듀서
KR102081520B1 (ko) * 2018-12-07 2020-02-25 서울시립대학교 산학협력단 음파 차폐 방법
KR20200127847A (ko) * 2019-05-03 2020-11-11 서울대학교산학협력단 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질
KR20210100442A (ko) * 2020-02-06 2021-08-17 서울대학교산학협력단 메타물질 기반 광대역 탄성파 시준 장치
US11448786B2 (en) 2019-05-03 2022-09-20 Seoul National University R&Db Foundation Anisotropic media for full transmission of obliquely incident elastic waves

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113096627B (zh) * 2021-03-15 2024-04-02 西安交通大学 一种基于类流体特性和模态转换效应的弹性波二极管

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012161763A (ja) 2011-02-08 2012-08-30 Canon Inc 超音波応用機器
KR101626093B1 (ko) 2015-05-18 2016-05-31 서울대학교산학협력단 반복적으로 나열되어 있는 강체 벽을 포함하는 흡음재.

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05256828A (ja) * 1992-03-13 1993-10-08 Olympus Optical Co Ltd 音波変換素子

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012161763A (ja) 2011-02-08 2012-08-30 Canon Inc 超音波応用機器
KR101626093B1 (ko) 2015-05-18 2016-05-31 서울대학교산학협력단 반복적으로 나열되어 있는 강체 벽을 포함하는 흡음재.

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102026362B1 (ko) 2018-08-01 2019-09-27 서울대학교산학협력단 Meta slab을 적용한 유속 측정용 초음파 트랜스듀서
KR102081520B1 (ko) * 2018-12-07 2020-02-25 서울시립대학교 산학협력단 음파 차폐 방법
KR20200127847A (ko) * 2019-05-03 2020-11-11 서울대학교산학협력단 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질
KR102336714B1 (ko) 2019-05-03 2021-12-08 서울대학교산학협력단 경사입사 탄성파 완전투과용 이방성 매질
US11448786B2 (en) 2019-05-03 2022-09-20 Seoul National University R&Db Foundation Anisotropic media for full transmission of obliquely incident elastic waves
KR20210100442A (ko) * 2020-02-06 2021-08-17 서울대학교산학협력단 메타물질 기반 광대역 탄성파 시준 장치
KR102316421B1 (ko) 2020-02-06 2021-10-21 서울대학교산학협력단 메타물질 기반 광대역 탄성파 시준 장치

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