KR101936253B1 - 하이드로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 표적(수중 표적)으로부터 반사되는 신호 이외에 다른 특정 주파수 대역에서의 표적 신호를 동시에 수신하는 하나의 하이드로폰(2대역 하이드로폰)에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예들에 따른 하이드로폰은, 복수의 압전소자와 복수의 전극판으로 적층된 압전체와; 상기 압전체의 일면에 체결된 전면추와; 상기 압전체의 타면에 형성된 절연층과; 그 절연층에 형성된 탄성체와; 상기 탄성체에 체결된 후면추와; 상기 후면추를 고정시키는 고정부를 포함할 수 있다.

Description

하이드로폰{HYDROPHONE}

본 발명은 하이드로폰에 관한 것이다.

일반적으로, 수중 표적을 능동으로 탐지하기 위하여 수중음향센서를 이용하여 음파를 송신하고 표적으로부터 반사되는 수신신호를 수신하여 표적의 방위나 거리를 추정하게 된다. 대부분의 수중음향센서는 송신효율을 고려하기 위하여 센서의 공진 주파수를 운용주파수와 일치시켜 설계하고 동시에 반사신호를 수신하기 위하여 송신주파수와 같은 주파수 대역에서 수신감도가 최대가 되도록 수신회로를 설계하게 된다. 그런데 표적으로부터 반사되는 신호 외에 다른 특정 주파수 대역에서의 표적 신호를 하나의 센서로 수신해야 하는 경우는 기존의 단일 대역 수신 하이드로폰으로 그 목적을 달성하기가 매우 어렵게 된다.

한국공개특허공보(10-2011-0030560) (공개일: 2011.03.23)

본 발명의 목적은, 표적(수중 표적)으로부터 반사되는 신호 이외에 다른 특정 주파수 대역에서의 표적 신호를 동시에 수신하는 하나의 하이드로폰(2대역 하이드로폰)을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 실시예들에 따른 하이드로폰은,

복수의 압전소자와 복수의 전극판으로 적층된 압전체와;

상기 압전체의 일면에 체결된 전면추와;

상기 압전체의 타면에 형성된 절연층과;

상기 절연층에 형성된 탄성체와;

상기 탄성체에 체결된 후면추와;

상기 후면추를 고정시키는 고정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전체는, 고주파 대역 송신 신호를 수신하기 위하여 복수의 압전소자와 복수의 전극판을 적층하여 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전체의 반공진 주파수가 고주파 대역 수신 운용 주파수가 되도록 압전소자의 두께방향 길이를 변경할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 저주파 대역 송신 신호를 수신하기 위해 상기 압전체의 후면에 상기 탄성체를 배치하고, 상기 탄성체의 탄성계수, 단면적, 길이의 변화를 통해 하이드로폰의 저주파 대역 공진주파수를 조정할 수 있다.

상기 후면추는 볼트에 의해 상기 고정부에 체결되어 고정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전소자는, 두께방향으로 폴링된 압전소자일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전소자는, 두께방향으로 폴링된 압전세라믹 또는 압전단결정 소자일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 탄성체는 에폭시 계열로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전소자의 두께방향 길이를 변화함으로써 상기 압전체의 반공진 주파수를

식을 통해 조정하며, 여기서,

은 압전체의 두께방향 길이이며,

는 압전소자의 밀도이며,

는 압전소자의 컴플라이언스(Compliance)이다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압전체를 질량(m)으로, 상기 탄성체를 강성(k)으로 가장할 때, 하이드로폰의 공진 주파수는

식을 통해 구해지며, 여기서, E는 탄성체의 탄성계수이며, A는 탄성체의 단면적이며, m은 압전체의 질량이며, L은 탄성체의 길이이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명은, 하나의 하이드로폰(2대역 하이드로폰)을 이용하여 표적(수중 표적)으로부터 반사되는 신호 이외에 다른 특정 주파수 대역에서의 표적 신호를 동시에 수신할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 하나의 센서를 이용하여 2개 대역에서 수신감도가 우수한 샌드위치형 하이드로폰을 제공할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치형 이중공진 하이드로폰의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전체와 탄성체로 구성된 1자유도 시스템 모델링이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 샌드위치형 이중공진 하이드로폰의 수신성능인 수신감도 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

본 발명의 하이드로폰은 도 1과 같이 샌드위치형 압전센서를 이용하여 고주파 대역의 능동 송신 신호와 저주파 대역의 표적 신호를 동시에 수신할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치형 이중공진 하이드로폰의 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치형 이중공진 하이드로폰은,

복수의 압전소자(21)와 복수의 전극판(22)으로 적층된 압전체(10)와;

상기 압전체(20)의 일면에 체결된 전면추(10)와;

상기 압전체(20)의 타면에 형성된 절연층(30)과;

상기 절연층(30)에 연결된 탄성체(40)와;

상기 탄성체(40)에 체결된 후면추(50)와;

상기 후면추(50)를 고정시키는 고정부(60)를 포함할 수 있다.

상기 후면추(50)는 볼트(70)에 의해 고정부(60)에 체결되어 고정될 수 있다.

상기 압전체(20)는 복수의 압전소자(21)와 복수의 전극판(22)을 샌드위치 형태로 적층함으로써 형성될 수 있다.

상기 압전체(20)는 고주파 대역 송신 신호를 수신하기 위하여 복수의 압전소자(21)와 복수의 전극판(22)을 적층하여 형성된다. 상기 압전체(20)의 반공진 주파수가 고주파 대역 수신 운용 주파수가 되도록 압전소자(21)의 두께방향 길이를 변경할 수 있다.

또한, 저주파 대역 송신 신호를 수신하기 위해 압전체(20)의 후면에 탄성체(40)를 배치하고, 그 탄성체(40)의 탄성계수, 단면적, 길이의 변화를 통해 하이드로폰의 저주파 대역 공진주파수를 조정할 수도 있다.

상기 압전소자(21)는 두께방향으로 폴링된 33모드의 압전소자일 수 있다.

상기 압전소자(21)는 두께방향으로 폴링된 33모드의 압전세라믹 또는 압전단결정 소자일 수 있다.

압전체(20)의 후면에 탄성체(40)가 설치되며, 후면 고정 구조물(60)에 고정하기 위한 후면추(50)가 샌드위치형으로 설치될 수 있다.

압전체(20)의 후면에 위치한 탄성체(40)는 강성이 약한 에폭시 계열로 형성될 수 있다.

탄성체(40)는 후면 고정 구조물(60)에 볼트(70)로 고정된다.

본 발명은, 고주파 대역 송신 신호를 수신하기 위하여 두께방향으로 분극된 33모드 압전소자를 전극판(22)과 함께 적층한 압전체(20)를 설계하고, 압전체(20)의 반공진 주파수를 고주파 대역 수신 운용주파수가 되도록 설계하였으며, 압전소자(21)의 두께방향 길이를 변화함으로써 반공진 주파수를 수학식 1과 같이 조정할 수 있다.

여기서,

은 압전체의 두께방향 길이이며,

는 압전소자의 밀도이며,

는 압전소자의 컴플라이언스(Compliance)이다.

압전소자들(21) 사이에 적층된 전극판(22)은 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 압전체(20)의 전면에는 전면추가 설치되어 있으며, 압전체(20)의 후면에는 다른 구성품과 전기적 절연을 위하여 절연층(30)을 부착한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전체와 탄성체로 구성된 1자유도 시스템 모델링이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 하나의 하이드로폰에서 고주파 대역 수신과 동시에 저주파 대역 수신을 위해, 압전체와 후면에 설치된 탄성체를 1자유도 시스템으로 모델링할 수 있다. 압전체를 질량(m)으로, 탄성체를 강성(k)으로 볼 때, 고정 경계조건에서의 시스템 공진 주파수는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, E는 탄성체의 탄성계수이며, A는 탄성체의 단면적이며, m은 압전체의 질량이며, L은 탄성체의 길이이다.

강성이 낮은 탄성체를 압전체 후면에 설치하고, 탄성체의 끝단을 고정시킴으로써 저주파 대역 공진 시스템을 구성할 수 있으며, 탄성체의 탄성계수, 단면적, 길이의 변화를 통해 하이드로폰의 저주파 대역 공진주파수를 조정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 샌드위치형 이중공진 하이드로폰의 수신성능인 수신감도 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 압전체에 의해 고주파 대역에서 수신감도 특성이 우수한 것을 확인할 수 있으며, 압전체와 탄성체의 진동 시스템에 의해 저주파 대역에서 수신감도 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 탄성체(40)의 재질은 에폭시와 같은 강성이 낮은 재질로 사용되었지만 재질 변경에 따라 탄성계수 변화로 인해 공진 주파수를 조정할 수 있다. 하이드로폰의 끝단을 고정하기 위해서 후면 고정 구조물이 사용되며, 하이드로폰의 진동 가진에 영향을 받지 않을 크기로 구성되어야 한다. 후면 고정 구조물과 하이드로폰은 볼트를 사용하여 고정되며, 볼트와의 체결을 위해 탄성체 후면에 후면추를 설치한다. 후면추는 알루미늄으로 제작되어 설치되었으며, 볼트와 체결이 가능한 재질로 변경가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 하나의 하이드로폰(2대역 하이드로폰)을 이용하여 표적(수중 표적)으로부터 반사되는 신호 이외에 다른 특정 주파수 대역에서의 표적 신호를 동시에 수신할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 하나의 센서를 이용하여 2개 대역에서 수신감도가 우수한 샌드위치형 하이드로폰을 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 저주파 대역 및 고주파 대역 단일 하이드로폰( 샌드위치형 이중공진 하이드로폰)을 이중공진 하이드로폰으로 대체함으로써 별도의 저주파 및 고주파 대역 하이드로폰을 사용하지 않고 2대역 수신 성능을 구현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 복수의 압전소자와 복수의 전극판으로 적층된 압전체와;
   상기 압전체의 일면에 체결된 전면추와;
   상기 압전체의 타면에 형성된 절연층과;
   상기 절연층에 형성된 탄성체와;
   상기 탄성체에 체결된 후면추와;
   상기 후면추를 고정시키는 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하며,
   압전소자의 두께방향 길이를 변경함으로써, 상기 압전체의 반공진 주파수를 고주파 대역 수신 운용 주파수로 변경하고,
   저주파 대역 송신 신호를 수신하기 위해 상기 압전체의 후면에 상기 탄성체가 배치되고, 상기 탄성체의 탄성계수, 단면적, 길이의 변화를 통해 하이드로폰의 저주파 대역 공진주파수를 조정하는 것을 특징으로 하며,
   상기 전면추, 상기 절연층, 상기 탄성체, 상기 후면추 및 상기 고정부는 일 방향을 따라 순차적으로 배치되며, 상기 고정부는 진동 가진에 영향을 받지 않는 소정 크기로 구성되어, 복수의 대역에서 높은 수신 감도를 갖도록 하는 하이드로폰.
2. 제1항에 있어서, 상기 압전체는,
   고주파 대역 송신 신호를 수신하기 위하여 복수의 압전소자와 복수의 전극판을 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 후면추는 볼트에 의해 상기 고정부에 체결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
6. 제1항에 있어서, 상기 압전소자는,
   두께방향으로 폴링된 압전소자인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 하이드로폰.
7. 제1항에 있어서, 상기 압전소자는,
   두께방향으로 폴링된 압전세라믹 또는 압전단결정 소자인 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
8. 제1항에 있어서, 상기 탄성체는,
   에폭시 계열로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
9. 제1항에 있어서, 상기 압전소자의 두께방향 길이를 변화함으로써 상기 압전체의 반공진 주파수를

   

   식을 통해 조정하며, 여기서,

   

   은 압전체의 두께방향 길이이며,

   

   는 압전소자의 밀도이며,

   

   는 압전소자의 컴플라이언스(Compliance)인 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
10. 제1항에 있어서, 상기 압전체를 질량(m)으로, 상기 탄성체를 강성(k)으로 가장할 때, 하이드로폰의 공진 주파수는

    

    식을 통해 구해지며, 여기서, E는 탄성체의 탄성계수이며, A는 탄성체의 단면적이며, m은 압전체의 질량이며, L은 탄성체의 길이인 것을 특징으로 하는 하이드로폰.

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