KR101888536B1 - 공기 중 광대역 파라메트릭 어레이 응용을 위한 다공진 요철판 트랜스듀서 - Google Patents

공기 중 광대역 파라메트릭 어레이 응용을 위한 다공진 요철판 트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

전기 신호를 물리적 진동으로 변환하는 구동부, 진동을 음파로 변환하는 방사부, 그리고 구동부에 의해 발생된 진동을 방사부로 전달하는 혼(horn)을 포함하고, 혼의 단면적은 구동부 및 방사부의 단면적보다 작고, 방사부의 단면적은 구동부의 단면적보다 크며, 구동부, 혼, 방사부는 선형으로 연결된, 공진형 트랜스듀서가 제공된다.

Description

공기 중 광대역 파라메트릭 어레이 응용을 위한 다공진 요철판 트랜스듀서 {multi-resonance stepped plate transducer for wideband parametric array application in air}
본 기재는 파라메트릭 어레이 현상을 응용하여 가청 주파수에서 광대역으로 지향성 있는 음파를 발생시킬 수 있는 다공진 요철판 트랜드듀서에 관한 것이다.
일반적인 라우드 스피커에 의해서 발생되는 음파는 공기 중 모든 방향으로 소리를 전달할 수 있다. 하지만, 특정 방향으로 소리가 전달될 필요가 있는 전시회 또는 전람회 등에서는 지향성 스피커가 필요하다. 또한 군사용 목적에서, 음향 공격, 함대함 원거리 음성 통신, 매설된 지뢰 탐지, 근거리 수중 통신 등을 위해 고지향 음향 신호가 필수적이다.
음파를 발생시키는 스피커의 방사판의 크기가 넓을수록, 주파수가 높을수록 발생되는 음파의 지향성은 높아진다. 그러나 선형 음향 현상을 이용하여 가청 대역의 주파수에서 고지향 음파를 발생시키기 위해서, 종래 사용되던 라우드 스피커에 비해 매우 큰 크기의 스피커가 필요하다. 기존의 라우드스피커 구조를 유지하면서 방사판 크기를 증가시키는 데는 물리적으로 제약이 따른다. 고지향 음파 송신 시스템을 위해서 파라볼릭(parabolic) 접시가 이용되고 있으나, 고지향 음파 송신을 위해서 접시의 반지름이 매우 커야 하고, 소리의 도달 거리도 길지 않으며, 반사된 신호 간 상호 간섭으로 인해 음질도 떨어진다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 파라메트릭 어레이를 이용한 고지향성 음파 발생 현상을 이용한다. 파라메트릭 어레이 현상은(parametric array phenomenon) 매질의 비선형 전파 특성을 바탕으로 특정 방향으로 소리가 송신되는 현상을 의미한다. 파라메트릭 어레이 현상에 따르면, 초음파 트랜스듀서에서 두 개의 주파수(f1, f2)가 발생되는 경우, 매질의 비선형 특성에 의해서 고조파(harmonics), 합 주파수(f1+f2), 그리고 차 주파수(|f1-f2|)가 발생될 수 있다. 음파가 매질에서 진행되는 경우, 음파의 크기는 매질의 감쇄계수에 의해 감소한다. 감쇄계수는 주파수의 제곱에 비례하므로, 고주파 성분일수록 짧은 거리 동안 감쇄 정도가 크다. 파라메트릭 어레이 현상에 의해 발생된 주파수 중 차 주파수를 제외한 나머지 주파수(고조파 및 합 주파수)는, 원래 발생한 음파의 주파수보다 높다. 따라서 먼 거리를 진행할수록 차 주파수만 남게 되며, 차 주파수가 가청 주파수 범위일 경우, 일반적인 라우드 스피커에서 직접 발생된 음파에 비해 보다 높은 지향성의 음파를 들을 수 있다.
파라메트릭 어레이 현상을 이용한 파라메트릭 어레이 라우드 스피커는 큰 음압을 발생시키기 위하여 일반적으로 배열 구조이다. 배열 구조는 복수의 트랜스듀서가 일정한 규칙에 따라 배열된 형태이다. 하지만 배열 구조는, 배열 구조에 포함된 트랜스듀서 간 균일성이 있어야 하고 트랜스듀서 간 상호작용이 명확하게 해석될 수 있어야 하므로, 설계 및 사용 단계에서 제약이 발생할 수 있다. 또한 트랜스듀서의 개수에 비례하여 가격이 상승하고, 크기도 상승하는 단점이 있다.
미국등록특허 US 5299175 (1993.1.19) "Electroacoustic unit for generating high sonic [0007] and ultra-sonic intensities in gases and interphases" 에서 공기 중에서 매우 높은 효율과 출력을 가지는 요철 트랜스듀서 (stepped plate transducer)가 제안되었다. 요철 트랜스듀서는 방사판에 공기 중 소리의 반 파장에 해당하는 높이의 요철(step)을 줌으로서 방사판의 진동 모드에 의한 위상 차이를 보상하는 방식이다. 그러나 위의 특허에 등록된 요철 트랜스듀서는 한 가지 주파수에 대해서만 위상 차이를 보상할 수 있기 때문에 한 가지 주파수 신호만 강하게 발생시킬 수 있다.
한 실시예는, 구동부, 혼, 그리고 방사부를 포함하여 지향성 음파를 발생시키는 광대역 다공진 요철판 트랜스듀서를 제공한다.
한 실시예에 따르면, 전기 신호를 물리적 진동으로 변환하는 구동부, 진동을 음파로 변환하는 방사부, 그리고 구동부에 의해 발생된 진동을 방사부로 전달하는 혼(horn)을 포함하고, 혼의 단면적은 구동부 및 방사부의 단면적보다 작고, 방사부의 단면적은 구동부의 단면적보다 크며, 혼의 강성은 구동부 및 방사부의 강성보다 작고, 구동부, 혼, 그리고 방사부는 선형으로 연결된, 공진형 트랜스듀서가 제공된다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 방사부는, 방사부의 전면에 음파가 방사되는 방향으로 돌출되거나, 식각되어 형성된 요철을 포함할 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 방사부는, 방사부의 중심에 위치한 제1 영역 및 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제2 영역을 포함하고, 제1 영역에 포함된 요철과 제2 영역에 포함된 요철의 높이가 서로 다를 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 제1 영역에 포함된 요철의 높이는, 제2 영역에 포함된 요철의 높이보다 높을 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 제1 영역에 포함된 요철의 높이는, 제2 영역에 포함된 요철의 높이보다 낮을 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 제1 영역과 제2 영역의 사이에는 요철이 포함되지 않을 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 요철의 높이는, 요철에 의해 위상이 보정될 음파의 반파장과 동일할 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 방사부는, 방사부의 중심으로부터 제1 거리만큼 떨어진 지점에 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제1 영역 및 방사부의 중심으로부터 제2 거리만큼 떨어진 지점에 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제2 영역을 포함하고, 제1 영역에 포함된 요철과 제2 영역에 포함된 요철의 높이가 서로 다를 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 방사부는, 요철을 각각 포함하는 복수의 영역을 포함하고, 복수의 영역의 개수는 방사부의 공진 모드 및 방사부의 노드 지점에 따라 결정될 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 방사부의 끝부분은 계단형으로 형성되어, 방사부의 중심 부분의 두께와 계단형으로 형성된 끝부분의 두께가 서로 다를 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서는 적어도 2개의 공진 주파수를 가지고, 적어도 2개의 공진 주파수 간의 차이는 20kHz 이하일 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 적어도 2개의 공진 주파수 중 제1 공진 주파수는 구동부의 공진 주파수이고, 적어도 2개의 공진 주파수 중 제2 공진 주파수는 방사부의 공진 주파수일 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부의 강성은 방사부의 강성보다 클 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부는 랑제빈 트랜스듀서이거나, 또는 압전 소자와 압전 소자의 양쪽 끝에 위치하는 두 개의 매스를 포함하는 샌드위치형일 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부는 샌드위치형이고, 두 개의 매스 중 제1 매스의 한 쪽은 혼과 연결되고, 제1 매스의 다른 쪽은 압전 소자와 연결되며, 압전 소자는 두 개의 매스 중 제1 매스와 연결될 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부는 샌드위치형이고, 두 개의 매스 중 제1 매스의 소재는 혼 및 방사부의 소재와 동일할 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부는 샌드위치형이고, 두 개의 매스 중 제1 매스의 소재는 혼의 소재와 동일할 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 구동부는 샌드위치형이고, 혼의 소재는 방사부의 소재와 동일할 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 제1 매스와 혼, 또는 혼과 방사부, 또는 제1 매스, 혼, 그리고 방사부는 하나의 소재 덩어리를 절삭하는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 하나의 소재 덩어리는 알루미늄, 철, 티타늄 중 하나일 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 하나의 소재 덩어리는 플라스틱일 수 있다.
상기 공진형 트랜스듀서에서 혼은 원기둥일 수 있다.
전면에 요철이 형성된 방사부를 통해 구동부로 입력된 전기 신호를 음파로 변환함으로써, 사용 주파수 대역 내에서 높은 효율로 지향성 음파를 발생시킬 수 있으며, 파라메트릭 어레이 현상을 통해 가청주파수 영역에서 지향성 차 주파수 음파를 발생시킬 수 있다.
구동부와 방사부의 강성에 비해 유연한 혼을 연결물질로 하여 구동부와 방사부의 공진을 설계치와 유사하게 형성해 다공진 광대역 트랜스듀서를 설계할 수 있으며, 이를 이용하여 파라메트릭 어레이 현상을 통해 발생되는 차 주파수 음파의 크기를 광대역으로 발생시킬 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서를 나타낸 개념도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 자유도 모델을 나타낸 개념도이다.
도 3은 한 실시예에 따른 모드 번호에 따른 방사부의 진동 양상을 나타낸다.
도 4는 한 실시예에 따른 모드 번호에 따른 방사부의 Rn 값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 한 실시예에 따른 혼의 지름 및 길이와, 구동부 및 방사부의 공진 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7는 한 실시예에 따른 방사부의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8는 한 실시예에 따른 방사부의 노드 지점을 나타낸 개념도이다.
도 9은 한 실시예에 따른 방사부의 요철을 나타낸 도면이다.
도 10은 한 실시예에 따른 방사부의 노드 지점과 진동 모드의 관계를 나타낸 개념도이다.
도 11은 한 실시예에 따른 방사부의 요철을 생성하는 방법을 나타내는 개략적인 개념도이다.
도 12a 및 도 12b는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 방사부를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 13은 도 12a 및 도 12b의 광대역 공진 트랜스듀서의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 14는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 각 주파수에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 기재의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 기재는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서를 나타낸 개념도이고, 도 2는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 자유도 모델을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)는, 구동부 (110), 혼(horn)(120), 그리고 방사부(130)를 포함한다.
구동부(110)는 전기 신호를 물리적 진동으로 변환하는 트랜스듀서(transducer)의 역할을 수행한다. 이후, 구동부(110)에서 발생된 진동은 혼(120)을 거쳐 방사부(130)를 통해 공기 중에 음파(또는 초음파)로 방사된다. 구동부(110)는 압전 소자(piezoelectric materials)(111)와, 압전 소자의 양쪽 끝에 위치한 두 개의 매스(금속성 물질)(112, 113)을 포함하는 샌드위치형(sandwich type)일 수 있고, 랑제빈(langevin) 트랜스듀서의 한 유형일 수 있다. 이때, 혼(120)이 부착된 쪽에 위치한 매스를 헤드 매스(head mass)(112)라고 하고, 헤드 매스의 반대쪽에 위치한 매스를 테일 매스(tail mass)(113)라고 한다. 구동부(110)에 포함된 매스(112, 113) 및 압전 소자(111)는 단면적이 동일한 원통형일 수 있다. 도 2를 참조하면, 구동부(110)의 강성은 탄성력 k1인 제1 용수철과 등가이고, 구동부(110)의 질량은 제1 용수철에 매달려 진동하는 제1 질량 m1과 등가이다.
한편, 구동부(110)의 등가 질량 meq은, "전체 부피×구동부(110) 소재의 밀도"로 계산될 수 있다. 한 실시예에서 구동부(110)는 압전 소자(111)와, 헤드 매스(112) 및 테일 매스(113)을 포함하므로, 구동부(110)의 등가 질량은 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016115705280-pat00001
한편, 구동부(110)의 등가 강성 keq은 공진 주파수를 계산하기 위한 1자유도 등가 모델(수학식 2)을 이용하여 아래 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016115705280-pat00002
Figure 112016115705280-pat00003
수학식 2 및 3에서 fd는 구동부(110)의 공진 주파수이다.
혼(120)은, 압전 소자(111)에 의해 발생된 진동을 방사부(130)로 전달하는 금속성 물질이다. 혼(120)은, 구동부(110)의 헤드 매스(112) 쪽에 부착될 수 있고, 혼(120)의 단면적은 구동부(110)의 단면적보다 작을 수 있다. 혼(120)의 단면은 원형, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형 등 물리적으로 가공될 수 있는 모든 볼록 도형이 될 수 있다. 한 실시예에서는 축방향 대칭으로 해석될 수 있는 원형이 혼(120)의 단면으로 사용된다. 혼(120)의 길이 방향 단면도, 직사각형, 마름모 등 다양한 형태가 가능하다. 예를 들어, 혼(120)의 구동부(110) 쪽 단면적과 방사부(130) 쪽 단면적이 다를 수 있고, 구동부(110)에서 방사부(130)로 갈수록 혼의 단면적이 점차 줄어들 수 있다. 한 실시예에서, 혼(120)의 강성이 구동부(110) 및 방사부(130)의 강성보다 작도록 설계하기 위해서 혼(120)은 단면적이 구동부(110) 및 방사부(120)의 단면적 보다 작고 일정한 원기둥 형태(스텝 혼(step-type horn))가 사용된다.
한 실시예에 따른 원기둥 형태의 스텝 혼의 강성은 아래 수학식 4와 같다.
Figure 112016115705280-pat00004
수학식 4에서 k는 강성, L은 혼(120)의 길이, A는 혼(120)의 단면 넓이이고, E는 혼(120)의 탄성 계수(young's modulus)이다. 따라서, 혼(120)의 길이가 길수록, 혼(120)의 단면적이 작을수록, 그리고 혼(120)의 탄성 계수가 작을수록 혼(120)의 강성이 작아진다. 혼(120)과 구동부(110)의 소재가 동일하면 혼(120)의 강성은 단면적과 길이로 결정되므로, 한 실시예에서, 혼(120)의 단면적은 구동부(110)의 단면적보다 작고, 혼(120)의 길이는 구동부(110)의 길이보다 길다. 도 2를 참조하면, 혼(120)의 강성은 제1 질량 m1에 매달린 탄성력 k2인 제2 용수철과 등가이고, 혼(120)의 질량은 제2 용수철에 매달려 진동하는 제2 질량 m2과 등가이다. 이때, 혼(120)의 등가 강성 k2는 구동부(110)의 등가 강성 k1보다 작다.
방사부(130)는, 혼(120)에 부착되어 혼(120)으로부터 전달된 진동을 음파로 변환하는 금속판이다. 방사부(130)는 특정 방향을 향한 지향성 음파를 방사할 수 있다. 방사부(130)는, 혼(120)에 비해 상대적으로 얇고 넓을 수 있으며, 혼(120)과 구동부(110)가 원통형인 경우 방사부(130)도 원판일 수 있다. 또는 방사부(130)는 원형, 사각형, 육각형 등이 될 수 있고, 방사부(130)의 두께는 방사부의 반지름에 따라서 변경될 수 있다. 방사부(130)의 전면은 매끈할 수 있으며, 방사부(130)의 전면은 평면 또는 곡면일 수 있다. 도 2를 참조하면, 방사부(130)의 강성은 제2 질량 m2에 매달린 탄성력 k3인 제3 용수철과 등가이고, 방사부(130)의 질량은 제3 용수철에 매달려 진동하는 제3 질량 m3와 등가이다.
방사부(130)의 등가 질량은 구동부(110)의 등가 질량과 유사한 방법으로 계산될 수 있다. 하지만 방사부(130)의 진동 양상은 구동부(110)의 진동 양상과 다르기 때문에, 진동 양상에 따른 파라미터가 등가 질량의 계산에 고려될 수 있다. 한 실시예에서 방사부(130)는 얇은 판의 형태이므로, 방사부(130)의 원주 방향 진동 양상이 다양할 수 있다. 방사부(130)의 원주 방향 진동 양상은 모드 형상(mode shape) 또는 모드 번호(mode number)라고 불릴 수 있고 이를 n이라고 표현한다.
도 3은 한 실시예에 따른 모드 번호에 따른 방사부의 진동 양상을 나타낸다.
방사부(130)의 모드 번호가 증가할수록 방사부(130)가 움직이는 형태의 모양이 달라지며, 방사부(130)의 전체 면적 대비 방사부(130)에서 움직이는 부분의 면적의 비율이 달라진다. 모드번호를 고려한 방사부(130)의 등가 질량은 아래 수학식 5와 같고, 도 4는 한 실시예에 따른 모드 번호에 따른 방사부의 Rn 값을 나타낸 그래프이다.
Figure 112016115705280-pat00005
한편, 방사부(130)의 등가 강성은 아래 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016115705280-pat00006
한편, 표 1은 광대역 공진 트랜스듀서(100)에 사용된 소재를 나타낸다.
재료 물성치 수치
알루미늄
(구동부의 매스, 혼, 방사부)		 탄성계수 [GPa] E 72
밀도 [kg/m3] ρ 2780
압전 세라믹
(구동부의 압전 소자)		 탄성계수(33방향) [GPa] E 68
밀도 [kg/m3] ρ 7600
혼(120)의 소재는, 구동부(110)의 헤드 매스(112) 및 방사부(130)와 동일하게 알루미늄 (예를 들어, Al 7075), 철, 티타늄 등의 금속 또는 플라스틱 이 될 수 있다. 구동부(110)의 헤드 매스(112) 및 방사부(130)의 소재와 혼(120)의 소재가 동일하면(또는 헤드 매스(112)와 혼(120)의 소재가 동일하거나 또는 혼(120)과 방사부(130)의 소재가 동일하면), 하나의 소재 덩어리(예를 들어 알루미늄 덩어리)를 절삭하는 방식으로 형성됨으로써, 각 구성 간 이음새가 없어지고 각 구성이 완벽하게 연결될 수 있다.
그리고 표 2는 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 설계 값을 나타낸다.
측정 부분 수치 [mm]
방사부의 지름 ap 90
방사부의 두께 tp 3.5
혼의 지름 ah 4
혼의 길이 th 10.5
구동부의 지름 ad 13
구동부의 길이 td 27
헤드파트의 길이 thead 11
테일파트의 길이 ttail 10
압전소자의 길이 tPZT 6
한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 구동부(110) 공진 주파수를 78[kHz], 방사부(130) 공진 주파수를 85[kHz]로 설계 하는 경우, 구동부(110) 및 방사부(130)의 등가 질량은 아래 수학식 7과 같다.
Figure 112016115705280-pat00007
그리고, 혼(120)과, 구동부(110) 및 방사부(130)의 등가 강성은 아래 수학식 8과 같다.
Figure 112016115705280-pat00008
따라서 표 1의 소재 및 표 2의 설계 값이 적용된 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 혼(120)의 강성은 구동부(110)에 비해 88.6배(8.62/764) 작고, 방사부(130)에 비해 7.63배(8.62/65.7) 작다.
도 5는 한 실시예에 따른 혼의 지름 및 길이와, 구동부 및 방사부의 공진 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
표 2에서 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 혼(120)의 지름은 4[mm], 길이는 10.5[mm] 이고, 지름이 작아질수록, 그리고 길이가 길어질수록 혼(120)의 강성은 더욱 작아진다. 혼(120)의 강성이 작아질수록 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 공진 주파수 설계 값에 근접하게 된다.
도 5에서, x축은 혼(120)의 지름을 나타내고, y축은 공진 주파수를 나타내며, 위쪽 그래프 그룹은 방사부(130)의 공진 주파수(설계 값=85[kHz])를 나타내고, 아래쪽 그래프 그룹은 구동부(110)의 공진 주파수(설계 값=78[kHz])를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 혼(120)의 지름이 8[mm]에서 1[mm]가 될수록, 그리고 혼(120)의 길이가 5[mm]에서 12[mm]가 될수록(즉, 혼(120)의 강성이 작아질수록), 구동부(110) 및 방사부(130)의 공진 주파수가 설계 값에 가까워짐을 알 수 있다. 하지만, 혼(120)의 강성이 극단적으로 작아지게 되면, 광대역 공진 트랜스듀서(100)에 작용하는 응력이 혼(120)에 집중되어 혼(120)이 파괴될 수 있고, 가공 편의성도 고려되어야 하기 때문에 혼(120)의 지름 및 길이는 적절한 수준에서 트레이드-오프 될 필요가 있다.
한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)에서 구동부(110), 혼(120), 그리고 방사부(130)는 선형으로 연결되어 있다. 그리고, 혼(120)의 강성이 구동부(110) 및 방사부(130)의 강성보다 작으므로(더 유연함), 구동부(110)의 공진 주파수와 방사부(130)의 공진 주파수가 서로 독립적으로 작용할 수 있다. 즉, 구동부(110) 및 방사부(130)의 강성보다 작은 강성을 갖는 혼(120)을 사용함으로써, 구동부(110)의 공진 주파수 및 강성부(130)이 공진 주파수 간 분리도가 향상될 수 있다. 그리고, 구동부(110)의 공진 주파수와 방사부(130)의 공진 주파수에 따라서, 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)에서 사용하는 주파수 영역이 결정될 수 있다.
도 6은 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는, 구동부(110) 및 구동부(110)+혼(120)의 속도-주파수 특성 곡선을 나타내고, 도 6의 (b)는 방사부(130)의 속도-주파수 특성 곡선을 나타내며, 도 6의 (c)는, 광대역 공진 트랜스듀서(100)(구동부(110)+혼(120)+방사부(130))의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸다. 도 6에서 가로축은 주파수(kHz)를 나타내고, 세로축은 음파의 속도(velocity amplitude)(m/s)를 나타낸다.
도 6의 (a)와 같이 구동부(110)의 공진 주파수를 55[kHz]로 설계하고, (b)와 같이 방사부(130)의 공진 주파수를 50[kHz]로 설계한 후, 구동부(110)와 방사부(130)를 구동부(110)의 두께보다 가는 혼(120)을 이용하여 연결하면, 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 공진 주파수는 (c)와 같이 50[kHz] 및 55[kHz]가 될 수 있다. 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)는 일정한 대역을 사이에 두고 두 개의 공진 주파수를 갖는다. 하나의 공진 주파수를 갖는 경우보다 음향 발행 효율은 감소할 수 있지만, 주파수 대역의 전체 효율이 증가될 수 있다.
한편, 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 음파 발생 효율은, 구동부(110)의 내부 저항과, 방사부(130)의 방사 면적에 비례하는 음향 방사저항(acoustic radiation impedance)의 비율에 의해 결정될 수 있다. 즉, 구동부(110)의 내부 저항에 비해 방사부(130)의 음향 방사 저항이 크면 음파 발생 효율이 증가한다. 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 음향 방사 저항은 방사부(130)의 방사 면적에 비례하기 때문에 방사부(130)의 단면적은 구동부(110)의 단면적에 비해 넓게 형성되어 있다.
도 7은 한 실시예에 따른 방사부의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 8은 한 실시예에 따른 방사부의 노드 지점을 나타낸 개념도이다.
일반적으로 구동부(110)에서 발생되는 음파의 주파수가 높아지면, 방사부(130)에서는 공진 주파수가 연속적으로 발생하고, 각 공진 주파수에서의 방사부(130)의 움직임이 달라진다. 이를 방사부(130)의 모드 형상이라고 한다. 도 7을 참조하면, 각 모드 형상의 사이에는 주파수 특성이 아래 방향으로 깊게 파여서 나타나는데, 이때 깊게 파인 지점이 방사부(130)의 노드 지점(node point)이 될 수 있다.
한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)가 파라메트릭 어레이 현상을 통해 차 주파수를 발생시켜 지향성 있는 음성을 전달하기 위한 목적으로 사용되는 경우, 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 사용 주파수 대역은 공진 주파수+20[kHz]이다. 사용 주파수 대역이 방사부(130)의 노드 지점을 포함하는 경우, 노드 지점을 기준으로 모드 형상이 바뀌게 되므로, 사용 주파수 대역에 따라서 방사부(130)의 노드 지점이 배치되어야 한다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 50[kHz]에서 6차 모드 형상이 발생하였고, 6차 및 7차 모드 형상 사이의 노드 지점은 약 58[kHz] 부근이다. 따라서 도 7과 같은 주파수 특성을 갖는 방사부(130)가 사용되는 경우, 50~58[kHz]의 주파수 대역만 사용할 수 있으므로, 주파수 대역폭은 8[kHz]이고 20[kHz]가 필요한 음성 전달에는 적절하지 않다. 이 경우 주파수 대역폭을 확장시키기 위해서, 고차 모드 형상이 사용되거나, 방사부(130)의 형상을 변형시켜서 공진 주파수 및 노드 지점을 바꿀 필요가 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 방사부(130)의 반지름이 증가하는 방향으로 각 노드 지점을 n차 모드 형상이라고 한다. 도 8과 같은 방사부(130)의 진동 모드는 방사부(130)에서 방사되는 음파의 위상 변화를 불연속적으로 만들고 방사되는 음파에 지향성을 부여하기 어렵게 만든다. 방사부(130)의 모드 지점에서 발생되는 음파의 위상은, 다른 지점의 음파의 위상과 180˚ 다르다. 이러한 위상차를 보정하기 위해서 각 노드 지점에 음파의 반파장 길이에 해당하는 높이를 갖는 요철이 음파가 방사되는 방향으로 방사부(130)의 넓은 면(앞으로 '전면(前面)'이라고 함)에서 돌출되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 요철의 상부는 방사부(130)의 전면과 같이 평평하며, 방사부(130)가 원판인 경우 방사부(130)의 반지름 방향으로 미리 결정된 길이의 폭을 갖도록 방사부(130)의 중심을 기준으로 원주 방향으로 형성될 수 있다. 방사부(130)의 전면에서 음파가 방사되는 방향으로 돌출된 요철은, 방사부(130)의 전면을 기준으로 미리 결정된 높이를 갖고, 방사부(130)의 중심으로부터 반지름(또는 폭)이 증가하는 방향으로 미리 결정된 길이의 폭을 갖는다.
도 9는 한 실시예에 따른 방사부의 요철을 나타낸 도면이다.
한 실시예에 따르면, 요철(131)은 방사부(130)의 반지름 방향으로 미리 결정된 폭을 갖는다. 이때 요철(131)의 반지름 방향 폭(앞으로, '요철(131)의 폭'이라 함)이 방사부의 모드 형상에서 나타나는 노드 지점의 위치와 같아야 하므로, 요철(131)의 폭에 따라서 위상이 보정되는 음파의 주파수가 결정될 수 있다. 한 실시예에서, 광대역 공진 트랜스듀서(100)는 광대역을 커버할 수 있어야 하므로, 서로 다른 폭의 요철(131)이 방사부(130)의 상부에 복수 개가 형성될 수 있다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 설계 주파수 내에서 방사부(130)의 진동 모드가 동일/유사한 경우(a)와 방사부(130)의 진동 모드가 서로 다른 경우(b)가 도시되어 있다. 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)가 가청 영역의 지향성 있는 음파를 전달하기 위해 사용되는 경우, (a)와 같이 설계 주파수 내에서 진동 모드가 동일 또는 유사하도록 요철(131)이 형성될 필요가 있다.
이때, 방사부(130)의 진동 모드는 방사부(130)의 노드 지점과 관련된다. 즉, 방사부(130)의 노드 지점을 기준으로 진동 모드가 달라질 수 있다.
도 10은 한 실시예에 따른 방사부의 노드 지점과 진동 모드의 관계를 나타낸 개념도이다.
도 10에는, 각 주파수의 위상이 보정하기 위한 요철의 개수 및 위치가 나타나있다. 도 10을 참조하면, 주파수가 증가할수록 파장이 작아지기 때문에 위상 보정을 위한 요철의 폭은 더 좁아지고, 요철의 개수는 증가한다.
도 10에서, 5차 진동 모드에 해당하는 공진 주파수 및 6차 진동 모드에 해당하는 공진 주파수에서 요철은 각각 3개가 필요하지만, 각 공진 주파수의 위상 보정을 위한 요철의 위치는 서로 다르다. 그리고, 방사부(130)의 노드 지점에 해당하는 주파수의 위상을 보정하기 위한 요철의 위치는 5차 진동 모드에 해당하는 공진 주파수의 위상 보정을 위한 요철과 같이 방사부(130)의 중심에서 시작된다. 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 사용 주파수 대역(즉, n차 공진 모드에 해당하는 공진 주파수 ~ 노드 지점의 주파수)에 포함된 모든 주파수의 위상이 보정될 수 있어야 하므로, 방사부(130)의 상부에 돌출된 요철의 개수는 3개이고, 방사부(130)의 중심에서 시작될 수 있다. 그리고 요철의 높이(h)는 아래 수학식 1과 같이 위상이 보정될 음파의 반파장으로 결정될 수 있다.
Figure 112016115705280-pat00009
수학식 1에서, n은 요철의 개수이고, 각 요철의 높이는 h1, h2, ..., hk, ..., hn이다. 그리고 fc는 위상이 보정될 음파의 주파수 이고, fn은 노드 지점의 주파수이다.
한 실시예에 따른 요철은 다음 두 가지 방법에 따라서 방사부(130)의 상부에 배치될 수 있다. 먼저, 높이가 높은 요철부터 낮은 요철 순으로 방사부(130)의 중심에서 반지름이 증가하는 방향으로 배치될 수 있다. 또는 높이가 낮은 요철부터 높은 요철 순으로 방사부(130)의 중심에서 반지름이 증가하는 방향으로 배치될 수 있다. 수학식 1에 따라서 요철의 높이가 결정되고, 위 두 가지 방법 중 하나의 방법에 따라 요철의 배치 순서가 결정되면, 요철의 위치는 방사부(130)의 진동 모드 및 방사부(130)의 노드 지점에 해당하는 주파수에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어 도 10을 참조하면, 첫 번째 요철은 방사부(130)의 중심에 위치하고, 두 번째 요철 및 세 번째 요철은 각각 첫 번째 요철 및 두 번째 요철에서부터, 5차 진동 모드에 해당하는 주파수 및 노드 지점에 해당하는 주파수를 바탕으로 결정된 거리만큼 떨어진 지점에 위치할 수 있다.
도 11은 한 실시예에 따른 방사부의 요철을 생성하는 방법을 나타내는 개략적인 개념도이다.
도 11을 참조하면, 한 실시예에 따른 방사부(130)의 요철은 방사부(130)에 요철을 부착하거나 요철이 생성될 부분을 제외한 나머지 부분을 방사부(130)에서 식각함으로써 형성될 수 있다. 또한 요철은 방사부(130)의 중심으로부터 제1열 및 제3열 등 홀수열에 형성될 수 있고 또는 제2열 및 제4열 등 짝수열에 형성될 수 있다. 요철이 짝수열에 형성되는 경우 방사부(130)의 중심에서부터 첫 번째 요철은 방사부의 중심으로부터 미리 결정된 거리만큼 떨어진 지점에 원주를 따라서 형성될 수 있다.
도 11의 왼쪽 두 개의 방사부(130)에서 요철은 홀수열에 형성되어 있고, 오른쪽 두 개의 방사부(130)에서 요철은 짝수열에 형성되어 있다. 그리고 도 11의 위쪽 두 개의 방사부(130)는 각각 요철이 방사부에 부착되는 방법으로 형성되어 있고, 아래쪽 두 개의 방사부(130)는 각각 방사부(130)에서 빗금 부분이 식각됨으로써 요철이 형성되어 있다.
다른 실시예에 따르면, 방사부(130)의 중심에서 가장 먼 곳에 위치한 방사부(130)의 끝부분은, 계단형으로 형성될 수 있다. 계단형으로 형성된 방사부(130)의 끝부분은 방사부(130)의 상부에 형성된 요철과 같이 음파의 위상을 보정하는 기능을 수행할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 방사부를 나타낸 개략적인 도면이고, 도 13은 도 12a 및 도 12b의 광대역 공진 트랜스듀서의 속도-주파수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12a 및 도 12b에 도시된 방사부(130)를 포함하는 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 공진 주파수는 77[kHz] 및 87[kHz]이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 방사부(130)의 전면(도 12a 및 도 12b에서는 방사부(130)의 위쪽 면)에는 2개의 요철이 형성되어 있으며, 방사부(130)의 끝부분도 계단형으로 높이차를 두고 형성되어 있다. 방사부(130)의 전면에 형성된 2개의 요철 및 방사부(130)의 끝부분은 음파의 위상을 보정하기 위한 구성이다. 아래 수학식 2는 도 12a 및 도 12b에 도시된 방사부(130)의 반지름, 방사부(130)의 끝부분의 높이차 및 폭, 그리고 요철의 높이 및 폭을 나타낸다.
Figure 112016115705280-pat00010
도 12a 및 도 12b에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 방사부(130)의 요철 설계를 위해서 5차 공진 모드가 사용되었으며, 필요한 요철이 3개이기 때문에 방사부(130)의 전면에 2개의 요철이 돌출되어 있고, 방사부(130)의 끝부분이 계단형으로 형성되어 있다. 즉, 이 경우 방사부의 끝부분은 요철을 기능을 수행한다.
수학식 2를 참조하면, 방사부(130)의 중심에 위치한 첫 번째 요철의 높이는 75[kHz] 주파수의 위상을 보정할 수 있도록 2.28[mm]이고, 두 번째 요철의 높이는 80[kHz] 주파수의 위상을 보정할 수 있도록 2.14[mm]이다. 그리고 방사부(130)의 끝부분에 형성된 계단의 높이는 2.02[mm]이다. 따라서, 방사부(130)의 두께는 2.02[mm]보다 두껍다. 그리고, 첫 번째 요철의 폭은 8[mm]이고, 두 번째 요철의 폭(=a2-a3)은 10[mm](=28-18)이며, 방사부(130)의 끝부분에 형성된 계단의 폭(=aplate-a4)은 7[mm](=45-38)이다.
도 13에 도시된, 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서(100)의 속도-주파수 특성 곡선은 10[V]의 전압이 입력되었을 때를 기준으로 방사부(130)의 중심에서 측정되었다. 도 13을 참조하면, 측정된 공진 주파수는 목표인 77[kHz] 및 87[kHz]와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
도 14는 한 실시예에 따른 광대역 공진 트랜스듀서의 각 주파수에서의 빔 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 14의 (a)는 음파의 주파수가 70[kHz]인 경우의 빔 패턴을 나타내고, (b)는 음파의 주파수가 77.5[kHz]인 경우의 빔 패턴을 나타내고, (c)는 음파의 주파수가 82[kHz]인 경우의 빔 패턴을 나타내며, (d)는 음파의 주파수가 87.4[kHz]인 경우의 빔 패턴을 나타낸다. 도 14를 참조하면, 계산 결과와 측정 결과가 잘 일치하고 있으며, 측정된 모든 주파수에서 음파의 지향성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.
이상에서 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (22)

  1. 전기 신호를 물리적 진동으로 변환하는 구동부,
    상기 진동을 음파로 변환하는 방사부, 그리고
    상기 구동부에 의해 발생된 진동을 상기 방사부로 전달하는 혼(horn)을 포함하고,
    상기 혼의 단면적은 상기 구동부 및 상기 방사부의 단면적보다 작고, 상기 방사부의 단면적은 상기 구동부의 단면적보다 크며, 상기 혼의 강성은 상기 구동부 및 상기 방사부의 강성보다 작고, 상기 구동부, 상기 혼, 그리고 상기 방사부는 선형으로 연결되고,
    상기 방사부는,
    상기 방사부의 전면에 상기 음파가 방사되는 방향으로 돌출되거나 식각되어 형성된 요철과, 상기 요철을 각각 포함하는 복수의 영역을 포함하고, 상기 복수의 영역의 개수는 상기 방사부의 공진 모드 및 상기 방사부의 노드 지점에 따라 결정되는, 공진형 트랜스듀서.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 방사부는,
    상기 방사부의 중심에 위치한 제1 영역 및 상기 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역에 포함된 요철과 상기 제2 영역에 포함된 요철의 높이가 서로 다른, 공진형 트랜스듀서.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 영역에 포함된 요철의 높이는, 상기 제2 영역에 포함된 요철의 높이보다 높은, 공진형 트랜스듀서.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 영역에 포함된 요철의 높이는, 상기 제2 영역에 포함된 요철의 높이보다 낮은, 공진형 트랜스듀서.
  6. 제3항에서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 사이에는 상기 요철이 포함되지 않은, 공진형 트랜스듀서.
  7. 제3항에서,
    상기 요철의 높이는, 상기 요철에 의해 위상이 보정될 음파의 반파장과 동일한, 공진형 트랜스듀서.
  8. 제1항에서,
    상기 방사부는,
    상기 방사부의 중심으로부터 제1 거리만큼 떨어진 지점에 상기 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제1 영역 및 상기 방사부의 중심으로부터 제2 거리만큼 떨어진 지점에 상기 방사부의 중심을 기준으로 원주를 따라서 형성된 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역에 포함된 요철과 상기 제2 영역에 포함된 요철의 높이가 서로 다른, 공진형 트랜스듀서.
  9. 삭제
  10. 제1항에서,
    상기 방사부의 끝부분은 계단형으로 형성되어, 상기 방사부의 중심 부분의 두께와 상기 계단형으로 형성된 끝부분의 두께가 서로 다른, 공진형 트랜스듀서.
  11. 제1항에서,
    상기 공진형 트랜스듀서는 적어도 2개의 공진 주파수를 가지고, 상기 적어도 2개의 공진 주파수 간의 차이는 20kHz 이하인, 공진형 트랜스듀서.
  12. 제11항에서,
    상기 적어도 2개의 공진 주파수 중 제1 공진 주파수는 상기 구동부의 공진 주파수이고, 상기 적어도 2개의 공진 주파수 중 제2 공진 주파수는 상기 방사부의 공진 주파수인, 공진형 트랜스듀서.
  13. 제1항에서,
    상기 구동부의 강성은 상기 방사부의 강성보다 큰, 공진형 트랜스듀서.
  14. 제1항에서,
    상기 구동부는 랑제빈 트랜스듀서이거나, 또는 압전 소자와 상기 압전 소자의 양쪽 끝에 위치하는 두 개의 매스를 포함하는 샌드위치형인, 공진형 트랜스듀서.
  15. 제14항에서,
    상기 구동부는 상기 샌드위치형이고, 상기 두 개의 매스 중 제1 매스의 한 쪽은 상기 혼과 연결되고, 상기 제1 매스의 다른 쪽은 상기 압전 소자와 연결되며, 상기 압전 소자는 상기 두 개의 매스 중 제1 매스와 연결되는, 공진형 트랜스듀서.
  16. 제14항에서,
    상기 구동부는 상기 샌드위치형이고, 상기 두 개의 매스 중 제1 매스의 소재는 상기 혼 및 상기 방사부의 소재와 동일한, 공진형 트랜스듀서.
  17. 제14항에서,
    상기 구동부는 상기 샌드위치형이고, 상기 두 개의 매스 중 제1 매스의 소재는 상기 혼의 소재와 동일한, 공진형 트랜스듀서.
  18. 제14항에서,
    상기 구동부는 상기 샌드위치형이고, 상기 혼의 소재는 상기 방사부의 소재와 동일한, 공진형 트랜스듀서.
  19. 제16항 또는 제17항에서,
    상기 제1 매스와 상기 혼, 또는 상기 혼과 상기 방사부, 또는 상기 제1 매스, 상기 혼, 그리고 상기 방사부는 하나의 소재 덩어리를 절삭하는 방식으로 형성된, 공진형 트랜스듀서.
  20. 제19항에서,
    상기 하나의 소재 덩어리는 알루미늄, 철, 티타늄 중 하나인, 공진형 트랜스듀서.
  21. 제19항에서,
    상기 하나의 소재 덩어리는 플라스틱인, 공진형 트랜스듀서.
  22. 제1항에서,
    상기 혼은 원기둥인, 공진형 트랜스듀서.
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