KR101832075B1 - 음향 변환기, 음향 변환 시스템, 광학 수중 청음기, 음향 변환 어레이 및 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간섭계 및 그에 부속되고 지지체에 의해 유지되는 제1 진동 소자(151, 251)를 포함하되, 간섭계가 광원(111), 제1 신호 빔(113), 신호 빔 분할기, 제1 기준 빔(115), 제1 주사 빔(117), 제1 측정 빔(119) 및 광 센서(141)를 포함하고, 광원이 제1 신호 빔을 방출하고 제1 기준 빔과 제1 측정 빔이 광 센서에서 중첩되며, 제1 주사 빔이 제1 진동 소자로 지향하고, 제1 측정 빔이 제1 진동 소자의 진동으로 인해 제1 주사 빔에 대해 도플러 편이를 일으키는 음향 변환기(101), 특히 수중 청음기(103)에 관한 것으로, 제1 진동 소자가 제1 액체 중에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

음향 변환기, 음향 변환 시스템, 광학 수중 청음기, 음향 변환 어레이 및 선박{ACOUSTIC CONVERTER, ACOUSTIC CONVERTER SYSTEM, OPTICAL HYDROPHONE, ACOUSTIC CONVERTER ARRAY AND WATERCRAFT}

본 발명은 간섭계(interferometer) 및 그에 부속되고 지지체에 의해 유지되는 제1 진동 소자(vibration element)를 포함하되, 간섭계가 광원, 제1 신호 빔(signal beam), 신호 빔 분할기(signal beam splitter), 제1 기준 빔(reference beam), 제1 주사 빔(scanning beam), 제1 측정 빔 및 광 센서를 포함하고, 광원이 제1 신호 빔을 방출하고 제1 기준 빔과 제1 측정 빔이 광 센서에서 중첩되며, 제1 주사 빔이 제1 진동 소자로 지향하고, 제1 측정 빔이 제1 진동 소자의 진동으로 인해 제1 주사 빔에 대해 도플러 편이(Doppler shift)를 일으키는 음향 변환기(acoustic converter), 특히 수중 청음기(hydrophone); 그러한 타입의 음향 변환기를 포함하는 음향 변환 시스템(acoustic converter system); 광학 수중 청음기(optical hydrophone); 음향 변환 어레이(acoustic converter array); 및 전술한 구성 요소들을 포함하는 선박에 관한 것이다.

소리에 의해 여기되는 막으로 지향하는 레이저 빔을 기반으로 하여 광 센서에 의해 반사의 강도를 평가하는 광학 마이크로폰(optical microphone)이 공지되어 있다. 이때, 소리는 막의 변형(예컨대, 진동 또는 이동)을 일으키고, 그것은 다시 측정 지점에서의 반사 광의 강도 변화/편이를 일으킨다.

그러한 시스템들은 가장 작은 소리의 강도를 측정하여야 하는 경우에는 사용될 수 없거나 단지 조건부로만 사용될 수 있다. 또한, 그러한 시스템들은 물과 같은 액체 매질 중에서는 사용될 수 없는데, 그 이유는 막의 휨이 매우 작기 때문이다.

전술한 센서 시스템은 2개의 유리섬유들로 이루어지는데, 그 유리섬유들은 정해진 정확한 각도로 서로 배치되어야 한다(광 출력 및 광 입력). 이때, 안정된 동작 점(operating point)을 얻기가 기계적으로 매우 복잡하다.

본 발명의 과제는 선행 기술을 개선하는 것이다.

그러한 과제는 간섭계 및 그에 부속되고 지지체에 의해 유지되는 제1 진동 소자를 포함하되, 간섭계가 광원, 제1 신호 빔, 신호 빔 분할기, 제1 기준 빔, 제1 주사 빔, 제1 측정 빔 및 광 센서를 포함하고, 광원이 제1 신호 빔을 방출하고 제1 기준 빔과 제1 측정 빔이 광 센서에서 중첩되며, 제1 주사 빔이 제1 진동 소자로 지향하고, 제1 측정 빔이 제1 진동 소자의 진동으로 인해 제1 주사 빔에 대해 도플러 편이를 일으키는 음향 변환기, 특히 수중 청음기에 있어서, 제1 진동 소자가 제1 액체 중에 배치되는 것을 특징으로 하는 음향 변환기에 의해 해결된다.

따라서 액체 매질 중에서 사용될 수 있는 매우 높은 감도의 마이크로폰이 제공될 수 있다. 이때, 음향 입자 속도(sound particle velocity)에 의거한 정보뿐만 아니라 음압(sound pressure)에 의거한 정보가 획득될 수 있다.

따라서 수중 환경에서 전자 신호들을 생성하거나 전달할 필요가 없는 수중 청음기를 위한 전혀 새로운 기술이 또한 제공될 수 있다. 수중에서 단지 광 신호들만 전달하면 되고, 그 신호들의 처리를 예컨대 잠수함 내부에서 수행하는 것이 매우 유리하다. 그것은 더 이상 선외(outboard)에서 전압을 공급할 필요가 없다는 것을 의미한다.

또한, 역학적으로 및 감도가 개선된 특성들을 갖는 음향 변환기가 제공될 수 있다.

이하, 개념들을 설명하기로 한다:

"음향 변환기(acoustic converter)"는 음향 신호를 전기적으로 처리 가능한 변량으로 변환하는 모든 장치를 포함한다.

"수중 청음기(hydrophone)"는 액체 중에서, 특히 수중 또는 해수 중에서 사용되는 음향 변환기이다. 수 헤르츠(㎐ = 1/s) 내지 수십만 ㎐의 음향 신호들이 수중 청음기에 의해 측정될 수 있다. 특히, 그러한 수중 청음기는 능동 소나(active sonar) 및/또는 수동 소나(passive sonar)에 적용될 수 있다.

"간섭계(interferometer)"는 간섭 기법에 의한 측정(interferometry)의 역할을 하는 과학 기기이다. 이는 정밀 측정을 위한 간섭(파동, 여기서는 광파의 중첩)을 확인하는 데 사용된다. 일반적인 적용 분야는 길이 측정, 굴절률 측정, 각도 측정 및 분광학(spectroscopy)이다. 본원에서의 간섭계는 특히 진동계(vibrometer)(레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer)라고 하기도 함)이다.

"진동 소자(vibration element)"는 일반적으로 음향 신호를 기계적 진동으로 변환하는 소자이다. 그 경우, 그러한 진동은 간섭계(진동계)에 의해 스캐닝된다. 그 기계적 진동이 음향 신호의 진동에 비례하거나, 측정된 기계적 진동을 기반으로 하여 보정 계수(correction factor)에 의해 음향 신호를 결정할 수 있도록 보정이 수행된다. 진동 소자는 높은 광 반사 특성을 가질 수 있는데, 왜냐하면 그럼으로써 측정 빔 강도가 증가할 수 있기 때문이다.

진동 소자는 "지지체(support)"에 의해 지지되거나 고정된다. 예컨대, 진동 소자가 막(membrane)인 경우, 지지체는 예컨대 프레임에 의해 막을 클램핑하거나 고정적으로 지지할 수 있다.

"광원(light source)"은 간섭성(coherent) 광 신호들을 방출하는 모든 광원들을 포함한다. 특히, 광원은 레이저(laser; light amplification by stimulated emission of radiation)이다.

"제1 기준 빔(first reference beam)"은 제1 측정 빔과 간섭하는 역할을 한다.

"제1 주사 빔(first scanning beam)"은 진동 소자의 진동 면과 직각으로 진동 소자로 지향하는 빔(광선)이다. 여기에서 설명되는 모든 빔들이 적어도 부분적으로 광도파로에서 전달될 수 있기 때문에, 제1 주사 빔은 특히 광도파로의 단부에 있는 출력 광학 부품(output optics)(예컨대, 집속 렌즈)에 의해 진동 소자로 향하거나 진동 소자에 집속된다.

"제1 측정 빔(first measurement beam)"은 특히 진동 소자의 진동이 주사 빔의 도플러 편이를 일으킴으로써 생성된다. 그러한 측정 빔은 진동 소자로부터 반사되거나 산란되고, 동일한 광도파로 또는 다른 광도파로를 통해 주사 빔으로부터 분리되어 전달될 수 있다. 본원에서, 그에 대한 제1 대안에 있어서는, 주사 빔의 광도파로의 출력 광학 부품이 동시에 측정 빔에 대한 입력 광학 부품으로서 사용될 수도 있다.

"신호 빔 분할기(signal beam splitter)"는 신호 빔을 특히 주사 빔과 기준 빔으로 분할한다. 예컨대, 신호 빔 분할기는 기준 빔과 주사 빔이 각각 대략 동일한 강도를 갖도록 반투명 거울(semitransparent mirror)로 된다.

가장 간단한 경우, "광 센서(optical sensor)"는 광 다이오드(photodiode)이나, 예컨대 CCD(charge coupled device), PSD(position sensitive device), 및 레터럴 다이오드(lateral diode)와 같은 위치 감지 센서(position sensitive sensor)들도 사용될 수 있다.

특히, 기준 빔과 측정 빔이 광 센서의 센서 면에서 "중첩(superimposition)"됨으로써, 간섭이 검출된다.

"도플러 편이(Doppler shift)"는 도플러 효과(Doppler effect)에 기인한 주파수/파장 편이이다. 도플러 효과(드물게 도플러-피조(Doppler-Fizeau) 효과라고 하기도 함)는 신호의 지속시간 동안 송신기(예컨대, 주사 빔의 광도파로)와 수신기(예컨대, 측정 빔의 광도파로) 사이의 거리가 변할 때에(여기서는, 진동 소자의 진동에 의해) 시간에 따른 신호의 수축 또는 팽창을 말한다. 그 원인은 경과 시간이 변하기 때문이다. 그러한 순수한 운동학적 효과는 일정한 속도, 주로 광속 또는 음속으로 전파되는 모든 신호들에서 나타난다. 신호가 매질(물 또는 해수) 중에서 전파되기 때문에, 본원에서는 매질의 이동 상태가 고려될 수 있다.

"진동(vibration)"은 특히 음향 진동에 의해 유도되는 진동 소자의 기계적 진동이다.

"제1 액체(first liquid)"는 특히 물, 바닷물 및 해수를 포함한다. 특히, 지구상의 물에 존재하는 모든 해수 및 바닷물이 포함된다. 해수 또는 바닷물은 특히 상이한 염 함량에 의해 구별된다. 즉, 지중해의 물은 통상적으로 태평양의 물보다 높은 염 함량을 갖는다.

또 다른 실시 형태에 있어서, 제1 신호 빔 및/또는 제1 기준 빔 및/또는 제1 주사 빔 및/또는 제1 측정 빔은 부분적으로 또는 전적으로 광섬유에서 전달된다. 따라서 복잡한 광학 부품을 사용하지 않아도 진행 경과가 일정하다는 특징이 각각의 빔에 부여될 수 있다.

광도파로(LWL) 또는 광 전도 케이블(LLK)이라 하기도 하는 "광섬유(optical fiber)"는 특히 광 도체들로 이루어지고 부분적으로 플러그인 커넥터(plug-in connector)들에 의해 조립되는 빛 전달용 케이블이나 그와 상응하는 라인이다. 이때, 빛은 예컨대 석영 유리로 이루어진 섬유들 또는 플라스틱(고분자 광섬유)에서 전달된다. 그러한 케이블 또는 라인은 흔히 광섬유 케이블(fiber optic cable)로 지칭되기도 하는데, 그 광섬유 케이블에는 전형적으로 다수의 광도파로들이 다발로 묶여 있고, 그 광도파로들은 또한 개별 섬유들의 보호 및 안정화를 위해 기계적으로도 보강되어 있다.

물리적으로 보면, 광섬유는 유전체 도파로(dielectric waveguide)이다. 그것은 예컨대 동심상의 층들로 구성된다; 중심에는 빛을 통하는 코어가 위치하고, 그 코어는 약간 더 낮은 굴절률을 갖는 쉘(shell) 및 또 다른 플라스틱제 보호 층들에 의해 둘러싸인다. 코어는 적용례에 따라 수 마이크로미터 내지 밀리미터를 넘는 지름을 갖는다. 광도파로들은 코어와 쉘 사이의 굴절률의 추이(계단형 굴절률 광섬유(step-index fiber) 또는 구배형 굴절률 광섬유(gradient-index fiber)) 및 코어 지름에 의해 한정되는 전파 가능한 진동 모드들의 수(number of vibration modes capable of propagation)에 따라 구별된다.

수천 개의 모드들이 전파될 수 있는 다중 모드 광섬유(multimode fiber)는 고도로 구조화된(structured) 빔 프로파일을 갖는다. 매우 작은 코어 지름을 갖는 단일 모드 광섬유(monomode fiber)에서는, 그 강도가 반지름 방향으로 대략 정규 분포(normal distribution)를 갖는 소위 기저 모드(basic mode)만이 전파될 수 있다. 본원에서의 광섬유는 단일 모드 광섬유일 수 있을 뿐만 아니라, 다중 모드 광섬유일 수도 있다.

광도파로는 무엇보다도 통신 기술에서 유선 통신 시스템을 위한 전송 매체로서 사용되고, 더 높은 커버리지 및 전송 속도를 달성하기 때문에 현재 여러 영역에서 구리 케이블에 의한 전기 전송을 대체하고 있다. 본원에서는, 특히 통신 기술의 광학 부품들 및 광전 부품들이 사용되는데, 그 이유는 그들이 수중 청음기의 조건에 쉽게 맞춰질 수 있고 저렴하기 때문이다.

진동 소자를 손상으로부터 보호하기 위해 및/또는 진동 소자의 기계적 진동의 최적화된 검출을 달성하기 위해, 자기 공진들(예컨대, 두께 공진, 비틀림 공진, 굽힘 공진)이 측정 영역의 밖에 있도록 제1 진동 소자의 자기 공진(self-resonance)이 설계된다.

진동 시스템(여기서는 진동 소자)의 고유 주파수(natural frequency)라 하기도 하는 "자기 공진(self-resonance)"은 시스템이 한 번의 여기(excitation) 후에 고유 모드(eigenmode)로서 진동할 수 있는 주파수이다.

그러한 시스템에 그 주파수가 고유 진동수와 일치하는 진동이 외부로부터 가해지면, 약한 감쇠(weak damping) 시에 시스템이 매우 큰 진폭으로 반응하는데, 그것을 공진(resonance)이라 지칭한다.

"측정 범위"는 측정 대상 음향의 최소 주파수와 최대 주파수에 의해 정해지는 기계적 최소 주파수와 기계적 최대 주파수에 의해 결정된다. 그것은 예상되는 전체의 음향 스펙트럼(sound spectrum)일 수 있거나 음량 스펙트럼 대역들일 수도 있다. 예인 소나(towed sonar)에서는, 흔히 낮은 수중 음향 주파수가 관심의 대상이 된다(전형적으로, 10 ㎐ 내지 2.4 ㎑이나, 20 ㎑ 이상까지의 확장된 범위가 관심의 대상이 되기도 함). 선수 또는 선미 소나에서는, 측정 범위가 예컨대 더 높은 주파수일 수도 있다(예컨대, 인터셉트(intercept) 적용에 대해 10 ㎑ 내지 600 ㎑).

또 다른 실시 형태에 있어서, 제1 진동 소자는 음향적으로 투명하다.

"음향적으로 투명하다(acoustically transparent)"는 것은, 특히 음향 신호가 매질(해수)에 의해 에워싸인 진동 소자를 통과할 때에 진동 소자 전과 진동 소자 후의 소리가 거의 동일한(관련된 음향 에너지의 반사 및 흡수가 실질적으로 없는) 경우에 주어진다. 음향적으로 투명하다는 것은, 음향 신호가 구조체의 진동 소자의 지점에서 진동 소자가 없는 구조체에 대한 것과 거의 동일한 경우에도 역시 주어진다. 사용되는 진동 소자의 특징적 투과 계수는 스펙트럼 측정 범위에서 전형적으로 ≥ 0.99이다.

진동 소자를 제1 액체로부터 보호하기 위해, 제1 진동 소자는 보호 매질, 특히 제2 액체에 의해 밀봉(encapsulation)될 수 있다. 그것은 특히 해수 또는 바닷물이 진동 소자에 대한 화학적 부식 환경이 될 수 있기 때문에 바람직하다. 진동 소자 상에 해초 또는 조개가 생물학적으로 부착되는 것 또한 방지될 수 있다.

"밀봉(encapsulation)"은, 예컨대 안에 진동 소자가 장착되고 소리를 통과시키기 위해, 예컨대 슬릿을 구비하는 케이지(cage)에 의해 이루어질 수 있다. 제2 액체가 유출되지 않도록 하기 위해, 케이지는 역시 특히 음향적으로 투명한 보호 막에 의해 둘러싸일 수 있다. 예컨대, 보호 막은 얇은 고무 막일 수 있다.

보호 매질은 기체일 수 있을 뿐만 아니라, 액체일 수도 있다. 기체로서는, 특히 질소 또는 희가스(rare gas)와 같은 불활성 기체(inert gas)가 사용된다.

"제2 액체(second liquid)"는 특히 음파 전파와 관련하여 해수 또는 바닷물과 유사한 물리 특성들(특히, 밀도에 음파 전파 속도를 곱한 것에 해당하는 동일한 특성 음향 임피던스(characteristic acoustic impedance))을 갖는다. 파라핀 오일과 같은 오일이 매우 유리한 것으로 판명되었다.

또 다른 실시 형태에 있어서, 제1 진동 소자는 폐쇄된 중공 공간을 갖는 중공체, 특히 중공 구(hollow sphere)이다. 그럼으로써, 음향 신호가 물리적으로 음압의 평가에 의해 결정되거나 진동 소자의 기계적 이동이 거의 음압에 반응하고 음향 입자 속도에는 무시할 수 있을 정도로 반응한다는 것을 기반으로 하는 수중 청음기가 제공될 수 있다. 본 실시 형태에서는, 액체가 기체(예컨대, 공기)로 될 수도 있다. 따라서 "통상의" 음향 마이크로폰이 제공될 수 있다.

또한, 역학적으로 및 감도가 공기 중의 마이크로폰에 비해 개선되는 특성들을 갖는 음향 변환기가 제공될 수 있다.

"중공체(hollow body)"는 일반적으로 그에 의해 에워싸인 중공 공간을 갖는 몸체이다. 이때, 몸체 벽의 벽 두께는 음압이 몸체 벽들의 위치를 상호 상대적으로 변경시키도록 설계된다.

또한, 중공체의 지름이 가장 큰 측정 대상 주파수의 파장보다 훨씬 더 작은 것이 매우 유리할 수 있다.

중공체는 직육면체 또는 정육면체일 수 있는데, 바람직한 것은 중공체가 구 형태를 갖는 것이다.

"중공 공간(hollow space)"은 중공체의 몸체 벽을 둘러싸는 매질보다 낮은 밀도를 갖는다. 중공체의 재료는 특히 이상적인 음향 전달 특성들이 보장될 수 있도록 주위 매질(예컨대, 해수)의 특성 음향 임피던스를 갖는다. 경계 면에서의 압력을 최대화하기 위해, 중공체는 반향적으로(reverberant) 구성될 수 있다.

그와 관련된 실시 형태에 있어서, 중공 공간은 압력(음압)에 의해 압축 가능한 매질을 포함한다. 그러한 매질은 예컨대 공기 또는 불활성 기체일 수 있다. 중공 공간은 매질이 매우 낮은 압력(분압)을 갖는 기체가 되도록 진공화될 수도 있다.

"압력에 의해 압축 가능한 매질(pressure-compressible medium)"은 특히 몸체 벽의 충분한 위치 변경을 보장한다.

매우 간단하게 구성되는 진공 소자를 제공하기 위해, 제1 진동 소자는 막으로 된다.

진동 막 또는 발진 막이라 하기도 하는 "막(membrane)"은 일반적으로 진동을 생성, 변경 및/또는 재현할 얇은 필름 또는 호일(foil)이다.

막은 특히 실리콘으로부터 예컨대 에칭 기법에 의해 제작된다.

모든 막은 다수의 자기 공진들(부분 진동들)을 가질 수 있으나, 그들은 흔히 크게 감쇠한다. 막은 드럼에서와 유사하게 고정 프레임(지지체)에 클램핑될 수 있으나, 예컨대 음향 스피커에서와 같이 막의 에지가 자유 진동할 수도 있다. 양자의 버전들은 가능한 모드들 및 주파수들에 있어 아주 현저히 상이하다. 막은 가능한 한 응력 없이 지지되는 것이 매우 유리할 수 있다.

일반적으로, 막은 진동을 생성, 증폭, 흡수, 감쇠 또는 측정하는 역할을 한다. 막 진동으로의 여기는 역학적으로 작용하는 외력(여기서는, 수중 음향에 의한)이 존재하는 것을 전제로 하는데, 그러한 외력은 예컨대 에지 클램핑(edge clamping)에 의한 장력(tension)으로 인해 주어진다.

예컨대, 막의 질량을 무시할 수 없는 경우에는, 막에 대해 주파수 의존 보정 계수(frequency-dependent correction factor)가 산출될 수 있다.

다수의 진동 소자들을 동시에 스캐닝할 수 있도록 하고 저렴한 광원을 제공하기 위해, 광원은 예컨대 광통신 기술에서 사용되는 것과 같은 광대역 레이저 광원으로 된다.

"광대역 광원(broadband light source)"은 도핑된(doped) 특수 유리섬유로 이루어지는데, 그 특수 유리섬유에는 다시 고성능 다이오드 레이저(diode laser)가 광학적으로 펌핑된다. 그러한 개념은 광섬유 증폭기(fiber amplifier)에서 사용되고, 기본적으로는 스펙트럼상의 광대역 고휘도 발광 방사(broadband superluminescent radiation)를 생성하는 데에도 매우 적합하다. 1.5㎛ 정도의 스펙트럼 대역의 방출을 얻고자 힘쓰는 것이 바람직한데, 왜냐하면 그럴 경우에 표준 광섬유 부품들(플러그 및 커넥터)이 사용될 수 있기 때문이다. 고휘도 발광 다이오드(superluminescent diode; SLED)들이 사용될 수도 있으나, 펌핑되는 특수 광섬유는 광섬유에서 직접 광대역 방사가 생성되고, 그럼으로써 커플링 손실(coupling loss)이 최소화되고 광섬유 재료의 적절한 도핑에 의해 방출 영역이 설정될 수 있다는 이점을 갖는다.

특히, 각각의 진동 소자에 개별적인 파장의 간섭성 광(coherent light)을 제공하기 위해, 주사 빔이 필터링되거나, 필터, 특히 광섬유 브래그 격자 필터(fiber Bragg grating filter)를 통해 전달될 수 있다.

"필터(filer)"는 특히 광학 간섭 필터(optical interference filter)이다. 이때, 광섬유 브래그 격자는 광도파로에 이미 그것이 각인되어 있을 수 있다는 이점을 갖는다. 그러한 각인은 예컨대 펨토초 레이저(femtosecond laser)에 의해 이루어진다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 본 발명의 과제는 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 음향 변환기를 포함하는 음향 변환 시스템으로서, 제2 주사 빔 및/또는 제3 주사 빔과 제2 측정 빔 및/또는 제3 측정 빔을 포함하되, 측정 빔들이 각 또는 입체각(solid angle)을 이루도록 그 측정 빔들이 배치되는 음향 변환 시스템에 의해 해결된다.

그럼으로써, 매우 유리하게도 수중 음향으로부터 공간 정보(spatial information) 및/또는 방향 정보(direction information)가 획득될 수 있다. 즉, 음향을 방출하는 소스(source)의 방향이 결정될 수 있다.

"음향 변환 시스템(acoustic converter system)"은 벡터 센서(vector sensor)라고도 하는 입체 수중 청음기로 지칭될 수도 있다.

"제2/제3 주사 빔(second/third scanning beam)"에 의해, 진동 소자의 다른 지점 또는 다른 방향으로 배치된 진동 소자가 스캐닝될 수 있다.

"제2/제3 측정 빔(second/third measuring beam)"은 결과적으로 제2/제3 주사 빔에 속한 측정 빔이다.

"입체각(solid angle)"은 주위 환경을 엿듣는 개방 각도이다. 그러한 입체각은 특히 진동 소자 또는 진동 소자들의 스캐닝되는 진동 면들이 상호 각을 갖도록 함으로써 생기게 된다.

가장 간단한 구현은 서로 각각 90°만큼 떨어진 플랫 막(flat membrane)들에 의해 이루어지는데, 플랫 막들에 각각 주사 빔이 인가되어 플랫 막들이 각각 측정 빔을 방출한다.

진동 소자는 개개의 진동 소자들이 달린 3개의 면들 및 3개의 "개방된" 레이저 통과 면들을 갖는 정육면체로서 형성될 수도 있는데, 그 정육면체의 서로 직교하는 측면들이 진동 기술적으로 계측된다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 본 발명의 과제는 적어도 하나의 전술한 음향 변환 시스템 및/또는 적어도 하나의 전술한 음향 변환기를 포함하는 음향 변환 어레이에 의해 해결된다. 그러한 어레이에서는, 음향을 방출하는 물체까지의 거리가 예컨대 삼각 측량(triangulation)에 의해 추가로 결정될 수 있다.

그러한 "음향 변환 어레이(acoustic converter array)"는 수중 청음기 어레이(hydrophone array)로 지칭될 수도 있다. 그것은 예컨대 합성 개구면 소나(synthetic aperture sonar)에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 과제는 광학적으로 간섭 기법에 의해 스캐닝되는 진동 소자와 평가 센서를 포함하는 광학 수중 청음기(optical hydrophone)에 의해 해결된다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 본 발명의 과제는 전술한 광학 수중 청음기 및/또는 전술한 음향 변환 어레이 및/또는 전술한 음향 변환 시스템 및/또는 전술한 음향 변환기를 포함하는 소나에 의해 해결된다.

"소나(sonar)"는 "방출되는 음향 임펄스에 의해 공간 중의 및 수중의 표적들의 위치를 확인하는 장치"이다. 본 단어는 영어 "sound navigation and ranging"의 두문자어(acronym)로서, 음향 항행 및 거리 결정으로 번역될 수 있다.

소나 측정 기법은 음파가 특히 고주파에서는 공기 중보다는 수중에서 훨씬 더 손실 없이 전파된다는 사실을 이용하고 있다. 역사적 이유로, 주로 수평으로 위치하는 소나 장치("sonars"로 약칭)와 주로 수직으로 위치하는 음향 측심기(echo sounder)를 개념적으로 구별한다.

음향 신호는 반향 정위(echolocation)(능동 소나, 음향 측심기도 이에 속함) 시에 또는 스스로 음향을 방출하는 물체의 위치를 확인하는 데 사용될 수 있다.

능동 소나(active sonar)는 반향 원리(echo principle)를 이용하고, 따라서 스스로 신호를 방출하여 그 반향을 수신하고, 그로부터 반향의 경과 시간을 통해 거리를 결정한다. 음향 측심기가 본 타입에 속한다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 본 발명의 과제는 전술한 소나 및/또는 전술한 광학 수중 청음기 및/또는 전술한 음향 변환 어레이 및/또는 전술한 음향 변환 시스템 및/또는 전술한 음향 변환기를 포함하는 선박, 특히 함선 또는 잠수함에 의해 해결된다.

"선박(watercraft)"이란 수상 또는 수중에서 유인 또는 무인으로 이동할 수 있거나 수상 또는 수중에 정주할 수 있는 모든 탈것을 의미한다. 즉, 본원에서는, 함선, 어뢰, 부표, 잠수함, 무인 잠수정(autonomous underwater vehicle; AUV) 및 원격 조종 무인 잠수정(remotely operated vehicle; ROV)이 수중 선박으로서 이해될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예들에 의거하여 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 중공 구에서 음압을 결정하는 마이크로폰을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 수중에 지지된 막에서 음향 입자 속도를 평가하는 수중 청음기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

마이크로폰(101)은 광대역 광원(111)을 포함한다. 광원(111)은 신호 빔(113)을 방출한다. 신호 빔(113)은 광도파로에 의해 반투명 거울(도시되지 않음)로 향한다. 그러한 반투명 거울은 신호 빔(113)을 기준 빔(115)과 주사 빔(117)으로 분할한다.

기준 빔(115)은 광도파로에 의해 전달된다. 기준 빔(115)의 스펙트럼은 광원(111)의 스펙트럼과 일치하되, 강도(세로 좌표)는 약 반으로 반감된다.

주사 빔(117)도 역시 광도파로(121)에 의해 전달된다. 광도파로(121)는 진공화된 중공 구들(251)의 표면으로 안내되는 5개의 광도파로들로 분할된다.

5개의 주사 빔들(117)의 광도파로들에는 광섬유 브래그 격자(123)가 각인되어 있다. 각각의 광섬유 브래그 격자(123)는 주사 빔(117)의 각각의 스펙트럼(118)이 파장(λ)에서 편이되도록 약간씩 상이하게 되어 있다.

주사 빔(117)의 광도파로의 단부에는 출력 광학 부품(도시되지 않음)이 배치된다. 그러한 출력 광학 부품은 각각의 주사 빔(117)을 해당 중공 구(251)의 표면에 집속한다.

중공 구(251)의 중공 공간은 진공화되고, 주사 빔(117)의 광도파로의 출력 광학 부품과 중공 구(251) 사이의 매질은 공기이다.

중공 구들(251)은 이전에 주사 빔(117)에 사용되던 것과 동일한 광도파로가 측정 빔(119)에 사용되도록 반사적으로 형성되는데, 그 경우에는 출력 광학 부품이 추가로 입력 광학 부품으로서의 역할을 하게 된다. 이때, 중공 구들(251)에서 반사된 신호는 입력 광학 부품(집속 렌즈)을 통해 도로 광도파로로 전달된다.

개개의 측정 빔들(119)은 광도파로에서 병합되고, 측정 빔(119)으로서 도파로 어레이 격자(arrayed waveguide grating; AWG)(131)에 전달된다. 개개의 측정 빔들(119)이 병합됨으로써, 스펙트럼(120)이 생기게 된다.

AWG(131)는 그 AWG(131)의 출구에 있는 측정 광섬유 다발(132)에 분리된 검출 측정 빔들이 존재하도록 병합된 측정 빔(119)의 신호를 다시 개별 신호들로 분할한다.

측정 광섬유 다발(1320의 각각의 개별 광섬유는 각각의 검출기(141)로 안내된다. 개별적으로 안내되는 그 각각의 광섬유에서는 검출 측정 빔(143)이 전달된다.

기준 빔(115)의 경우에도 유사하게 진행되어 기준 빔(114)이 역시 AWG(133)에 전달되고, AWG(133)가 기준 광섬유 다발(134)에서 다시 개별적인 신호들을 분할한다. 그러한 개별적인 각각의 광섬유는 다시 브래그 셀(Bragg cell)(135)을 통해 안내되어 검출 기준 빔(145)으로서 해당 광검출기(141)에 전달된다.

검출 기준 빔(145)과 검출 측정 빔(143)은 광검출기에서 광학적으로 중첩된다.

음향 신호의 결정은 다음과 같이 이루어진다:

설명한 장치에서 공기로 전달된 음향 신호가 중공 구(251)에 부딪히면, 음향 신호의 압력의 일부가 중공 구(251)의 압축에 제공된다. 그러한 압축은 중공 구(251)의 기계적 진동에 대응하여 주사 빔(117)의 도플러 편이가 일어나는 결과를 가져온다.

그러한 도플러 효과를 받은 신호는 각각의 중공 구(251)에 대한 측정 빔(119)으로서 광도파로(121)를 통해 AWG(131)에 측정 빔(전체 측정 빔)(119)으로서 전달된다. AWG(131)에 의해 분리된 개개의 검출 측정 빔들(143)은 각각의 광검출기(141)에서 해당 검출 기준 빔(145)과 중첩된다.

도플러 편이에 의거하여, 광검출기(141)에서의 신호가 중공 구(251)의 기계적 진동 신호에 대응하여 달라진다. 따라서 각각의 개별 중공 구(251)에 대해 해당 음향 신호가 파악되고 이어서 처리될 수 있게 된다.

여기에서 설명하는 배치는 중공 구(251)가 해수 중에 위치하도록 이루어질 수도 있다.

도 2에 따른 수중 청음기(103)는 해수 중에서 마찬가지로 사용될 수 있다. 본 경우에는, 중공 구(251) 대신에 막(151)이 사용된다. 측정 과정은 도 1과 유사하게 수행되는데, 본 경우에는 음향의 압력이 아니라 음향의 음향 입자 속도가 결정된다.

101: 마이크로폰
103: 수중 청음기
111: 광원
113: 신호 빔
115: 기준 빔
116: 기준 빔의 스펙트럼
117: 주사 빔
118: 주사 빔의 스펙트럼
119: 측정 빔
120: 모든 측정 빔들의 스펙트럼
121: 광도파로
123: 광섬유 브래그 격자
131: 측정 빔(119)의 도파로 어레이 격자(AWG)
132: AWG(131)의 출구의 측정 광섬유 다발
133: 기준 빔(115)의 도파로 어레이 격자(AWG)
134: AWG(133)의 출구의 기준 광섬유 다발
135: 브래그 셀
141: 광검출기
143: 검출 측정 빔
145: 검출 기준 빔
151: 막
251: 중공 구

Claims (16)

1. 간섭계 및 그에 부속되고 지지체에 의해 유지되는 제1 진동 소자(151, 251)를 포함하되,
   상기 간섭계는 광원(111), 제1 신호 빔(113), 신호 빔 분할기, 제1 기준 빔(115), 제1 주사 빔(117), 제1 측정 빔(119) 및 광 센서(141)를 포함하고,
   상기 광원은 상기 제1 신호 빔을 방출하고 상기 제1 기준 빔과 상기 제1 측정 빔은 상기 광 센서에서 중첩되며, 상기 제1 주사 빔은 상기 제1 진동 소자로 지향하고,
   상기 제1 측정 빔은 상기 제1 진동 소자의 진동으로 인해 상기 제1 주사 빔에 대해 도플러 편이를 일으키는,
   음향 변환기(101)에 있어서,
   상기 제1 진동 소자는 제1 액체 중에 배치되고,
   상기 제1 진동 소자의 자기 공진은 그 자기 공진이 측정 범위의 밖에 놓이도록 설계되고,
   상기 제1 진동 소자는, 중공 구(hollow sphere)이며, 상기 제1 액체와 상이한 제2 액체 내에 완전히 밀봉되는 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 신호 빔, 상기 제1 기준 빔, 상기 제1 주사 빔 및 상기 제1 측정 빔 중 적어도 하나는 부분적으로 또는 전적으로 광섬유(121)에서 전달되는 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 진동 소자는 음향적으로 투명한 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 진동 소자는 보호 매질에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 진동 소자는 폐쇄된 중공 공간을 갖는 중공체(251)인 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
7. 제6항에 있어서, 상기 중공 공간은 압력에 의해 압축 가능한 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 광원은 광대역 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
10. 제1항에 있어서, 상기 주사 빔은 필터(123)를 통해 전달되는 것을 특징으로 하는 음향 변환기.
11. 제1항에 따른 음향 변환기를 포함하는 음향 변환 시스템으로서,
    제2 주사 빔 및 제3 주사 빔 중 적어도 하나와 제2 측정 빔 및 제3 측정 빔 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 측정 빔들은 그 측정 빔들이 각 또는 입체각을 이루도록 배치되는 음향 변환 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 제2 또는 제3 측정 빔은 제1 진동 소자로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 음향 변환 시스템.
13. 제11항에 따른 적어도 하나의 음향 변환 시스템 및 제1항에 따른 적어도 하나의 음향 변환기 중 적어도 하나를 포함하는 음향 변환 어레이.
14. 광학적으로 간섭 기법(interferometry)에 의해 스캐닝되는 진동 소자 및 평가 센서를 포함하고,
    상기 진동 소자의 자기 공진은 그 자기 공진이 측정 범위의 밖에 놓이도록 설계되고,
    상기 진동 소자는, 중공 구(hollow sphere)이며, 상기 진동 소자가 배치된 제1 액체와 상이한 제2 액체 내에 완전히 밀봉되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로는 광학 수중 청음기.
15. 제14항에 따른 광학 수중 청음기, 제11항에 따른 음향 변환 시스템 및 제1항에 따른 음향 변환기 중 적어도 하나를 포함하는 소나(sonar).
16. 제14항에 따른 광학 수중 청음기, 제11항에 따른 음향 변환 시스템 및 제1항에 따른 음향 변환기 중 적어도 하나를 포함하는 선박.

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