KR101975022B1 - 지향성 음향 장치 - Google Patents

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KR101975022B1
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groove
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송경준
허신
이덕규
이은중
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 지향성 음향 장치에 관한 것으로, 평판형 플레이트와 음파발생부를 포함하며, 평판형 플레이트 표면의 물리적 구조를 통해 평판형 플레이트 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 형성하도록 하여 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환되도록 함으로써 높은 이득의 지향성 음향 장치를 구현할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

지향성 음향 장치 {Directional Sound Apparatus}
본 발명은 지향성 음향 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 평면형 표면에서도 원하는 방향으로 음향을 원거리 방사할 수 있는 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
음향을 출력하는 일반적인 장치는 무지향성을 가지므로 무지향성 음향 발생장치에서 방출되는 음향은 모든 방향으로 고르게 퍼져나가게 된다.
따라서 해당 음향을 청취하고 싶어하지 않는 주변 사람들에게도 전달되는 문제가 있다.
또한 모든 방향으로 분산됨에 따라 해당 음향을 전달해야 할 특정 방향으로는 원하는 크기로 음향이 전달되지 않거나 원거리까지 음향을 전달할 수 없는 문제가 있다.
이에 음향 응용 분야에서는 특정한 방향으로만 음향을 방사하는 지향성 음향 출력이 관심의 영역이다.
이러한 지향성 음향 출력의 방법으로 복수 개의 음향 발생 장치를 사용하거나 음향 발생 장치 앞에 깔대기 모양의 혼을 사용하는 방법 등이 있었다.
그러나 이러한 방법은 많은 공간을 차지하게 되므로 지향성을 가지면서도 공간 효율이 높은 새로운 형태의 음향 발생 장치의 개발이 필요한 실정이다.
한국 등록특허 제10-0267956호 "혼형 스피커 장치"
본 발명의 목적은 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 평면형 표면으로 구현될 수 있어 공간 효율성이 높은 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계에 의해 특정 방향으로 멀리 음향을 방사할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정현 변조된 어드미턴스 표면(Sinusoidal Modulated Admittance Surface)를 가짐으로써 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계 변경으로 원하는 방사 방향과 방사 폭을 제어할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 지향성 음향 장치에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트 및 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부를 포함하며, 상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)는 상기 음파의 파장보다 작고, 상기 평판형 플레이트 표면은 수학적으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 평판형 플레이트는 각각 1개의 홈이 포함되는 복수 개의 셀 영역으로 나뉘며, 상기 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 상기 평판형 플레이트의 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이룰 수 있다.
예를 들어, 1차원 평판형 플레이트를 이용하여 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구성할 때, 상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 x축 방향으로
Figure 112018023073165-pat00001
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 한다. 예를 들어 각 홈에 대응하는 x 축 방향의 각각의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값(Y)은
Figure 112018023073165-pat00002
이며, 여기서
Figure 112018023073165-pat00003
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure 112018023073165-pat00004
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이일 수 있다.
또한, 2차원 원형 플레이트를 이용하여 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구성할 때, 상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 방사형(radial) 방향으로
Figure 112018023073165-pat00005
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 한다.
상기 복수 개의 홈은 서로 일정 간격(p)으로 형성되어 있고, 홈의 폭(w)이 동일하며, 홈의 깊이(d)는 서로 이웃하는 홈의 바닥면을 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡선을 이룰 수 있다.
이때 상기 곡선은 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 오목한 곡선이 반복되는 물결 형태인 것이 바람직하다.
상기 복수 개의 홈은 서로 일정 간격(p)으로 형성되어 있고, 홈의 깊이(d)가 동일하며, 홈의 폭(w)이 일정 주기(a)로 증감하도록 할 수 있다.
상기 복수 개의 홈은 상기 음파발생부를 중심으로 한 동심원 형태로 형성되어 있으며, 상기 복수 개의 홈은 상기 음파발생부를 중심으로 평행선 형태로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함할 수도 있다.
본 발명은 평판형 플레이트를 사용함으로써 공간 효율성이 높은 지향성 음향 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 정현 변조된 어드미턴스 표면을 가짐으로써 표면파를 특정 방향의 원거리 방사파로 변환할 수 있으며, 정현 변조된 어드미턴스 표면을 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계에 의해 구현함으로써 음향 장치 표면의 물리적 구조 설계 변경으로 원하는 방사 방향과 방사 폭을 제어할 수 있는 지향성 음향 장치를 제공하는 효과를 갖는다.
제1도는 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지향성 음향 장치를 보여주는 일부 절개 사시도이다.
제2도는 정현 변조되지 않는 표면에서의 표면파 진행과 x축 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면에 의해서 표면파가 원거리 방사파로 변환되는 것을 보여주는 도면이다.
제3도는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 각 셀 영역의 값으로 분할하는 것을 보여주는 도면이다.
제4도는 평판형 플레이트 표면의 정현 변조된 어드미턴스를 구현하기 위해 형성된 홈 구조를 보여주는 도면이다.
제5도와 제6도는 도 4에 도시된 홈 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 특성을 보여주는 도면이다.
제7도는 평판형 플레이트 표면에 무지향성 음향 소스를 가했을 때에 지향성 음향 장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
제8도는 본 발명의 평판형 플레이트의 지향성 음향 장치를 보여주는 사시도이다.
제9도는 도 8에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
제10도는 원형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 표면에 의해 표면파가 누설 모드에 의해 수직 방향으로 방사를 보여주는 개략도이다.
제11도는 원형 플레이트에 정현 변조된 표면의 음향 방사 실험 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 지향성 음향 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 발명의 설명에서 용어 "중심", "세로", "상", "하", "앞", "뒤", "좌", "우", "수직", "수평", "꼭대기", "바닥", "안", "밖" 등이 가리키는 방향이나 위치관계는 첨부된 도면이 가리키는 방향이나 위치관계를 기초로 것으로, 단지 본 발명을 해석하고 간략하게 설명하기 편리하게 하기 위한 것일 뿐, 가리키는 장치나 구성요소가 반드시 특정된 방향을 갖고 있다거나 특정된 방향으로 구성되고 조작된다는 것을 제시하거나 암시하는 것이 아니므로 본 발명에 대한 한정으로 이해해서는 안된다. 이 외에, 용어 "제 1", "제 2"는 단지 설명의 목적일 뿐 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하는 것으로 이해해서는 안된다.
도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 평판형 플레이트(10)와 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부(20)를 포함하여 이루어진다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 원형의 평판형 플레이트에 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 구현하기 위해 물결무늬 홈 구조를 가지고 있다.
일반적으로 도 2 왼쪽에 도시된 바와 같이 평판형 플레이트로부터 음파를 방사할 경우 음파는 무지향성을 가지므로 무지향성 음향 발생장치에서 방출되는 음향은 모든 방향으로 고르게 퍼져나가게 된다.
이에 반해 도 2 오른쪽에 도시된 바와 같이 x축 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면에 의해서 표면파(surface wave)가 특정 방향의 원거리 방사파(far field wave)로 변환됨으로써 음파발생부(20)로부터의 음파를 원하는 특정 방향으로 전달할 수 있으면서도 기존 방식보다 높은 이득을 얻을 수 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 플레이트(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 평판형 플레이트 표면에 음파의 파장보다 작은 폭과 간격을 갖는 복수 개의 홈(11)을 형성하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 함으로써 음파발생부(20)로부터의 음파가 원하는 특정 방향으로 전달될 수 있도록 한다.
이때 음파발생부(20)에서 방사하는 음파의 종류에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 스피커, 장거리 초음파 센서, 음향 마이크로 유체 장치, 수중 음파 탐지기 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 정보 센싱을 위해 외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 평판형 플레이트(10)의 표면이 아래 수학식 1과 같이 수학적으로 사인파 형태의 표면 어드미턴스를 갖도록 한다.
Figure 112018023073165-pat00006
(수학식 1)
여기서
Figure 112018023073165-pat00007
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure 112018023073165-pat00008
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, r은 방사형 방향의 표면상의 위치임.
이러한 평판형 플레이트의 표면은 음향학적으로 열린 가이드 구조 형태를 가지게 되며, 정현 변조된 어드미턴스 표면(Sinusoidal Modulated Admittance Surface:SMAS)에 의해 평판형 플레이트의 표면파는 특정방향의 원거리 방사파로 변환되어 고 이득 표면 음향 안테나로 유도된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 수학적으로 정현 변조된 어드미턴스를 갖는 표면을 물리적으로 구현하기 위해 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 하였다.
보다 상세히 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 이러한 정현 변조된 어드미턴스 값(Y)을 구현하기 위해서는 파장보다 매우 작은 구조체를 이용하여 복수개의 다른 구조물로 구현된 셀로 해당 영역에 맞는 어드미턴스 평균값(Y)을 각각의 셀 영역이 갖도록 구현하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)에서는 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 셀 영역이 하나의 홈을 갖도록 구성하였으며, 이때 하나의 홈을 갖는 각 셀 영역의 표면 어드미턴스(Y)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018023073165-pat00009
(수학식 2)
여기서
Figure 112018023073165-pat00010
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, w는 홈의 폭, p 홈의 간격, ko는 자유공간 파수, d는 홈의 깊이임.
수학식 1과 2를 만족시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 홈의 폭(w)과 홈의 간격(p)을 일정하게 할 때 홈의 깊이(d)는 일정 주기로 증감하는 형태를 나타낸다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 이웃하는 홈의 바닥면을 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡면을 이루도록 홈의 깊이(d)가 증감하는 형태로 나타나며, 보다 구체적으로 곡면은 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 오목한 곡선이 반복되는 물결 형태로 나타난다.
또한 수학식 1과 2를 만족시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 홈의 깊이(d)와 홈의 간격(p)을 일정하게 할 때 홈의 폭(w)이 일정 주기로 증감하거나 홈의 깊이(d)와 홈의 폭(w)을 일정하게 할 때 홈의 간격(p)이 일정 주기로 증감하는 형태로 나타날 수 있음을 수학식 2를 통해 동일하게 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는 도 4에 도시된 바와 같이 홈의 폭(w)과 홈의 간격(p)을 일정하게 할 때 홈의 깊이(d)는 일정 주기로 증감하는 형태의 실시예를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)에 대해 더 상세히 설명하지만 이러한 실시예에서의 특징이 홈의 간격이나 홈의 폭을 증감하는 형태로 구현할 때에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 5와 도 6에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 정현 변조된 어드미턴스 표면 특징들을 설명하기 위한 그림이 도시되어 있다.
우선, 도 5(a)에 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)의 x-y 평면상에서 x 축 방향으로 정현변조된 평판형 플레이트(10)의 단면도가 도시되어 있고, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 표면을 따라 표면 탄성파의 방향이 x방향이라고 가정하여 사인파 변조 어드미턴스 표면(SMAS)을 고려한다. 이때 필드(Field)와 지오메트리(Geometry)는 z방향으로 불변하며, 수학적으로 x-y 평면의 변조된 표면은 앞서 설명한 수학식 1과 같은 형태를 보여준다.
이러한 주기적인 어드미턴스 변조로 인해, 평판형 플레이트의 표면을 따라 전파되는 파수는 수학식 (3)과 같이 무한 수의 공간 주파수(또는 Floquet 모드) 형태로 표시될 수 있다.
Figure 112018023073165-pat00011
수학식 (3)
여기서 kx는 x방향 표면을 따른 전파 파수.
또한 정현 어드미턴스 변조는 연속적인 분율 형태로 특징적인 분산 관계의 닫힌 형태를 유도한다.
Figure 112018023073165-pat00012
수학식 (4)
여기서,
Figure 112018023073165-pat00013
, kx는 x방향 표면을 따른 전파 파수, k0는 자유공간파수이고, 수학식 (4)로부터 kx=β는 실수인 표면파와 kx=β-jα는 복소수인 누설파의 두 가지 형태의 유도파 솔루션(guided-wave solution)을 얻을 수 있으며, β는 위상상수이고, α는 감쇠계수임.
도 5(c)는 평균 표면 어드미턴스
Figure 112018023073165-pat00014
=1.2와 수학식 (4)로부터 변조 인자 M=0.5인 SMAS에 대한 분산 다이어그램을 보여준다.
M=0에서의 분산 곡선은 직선적인 빨간 점선,
Figure 112018023073165-pat00015
로 표시되고, 방사각 β= k0는 파란색 점선으로 표시된다. 방사각(β〉k0) 아래에서 SMAS에 따라 곡면 모드가 존재한다. 개방 스톱 밴드는 SMAS의 고조파 모드로 인해 k0a~2.0부근에도 존재한다. 이 영역에서 강하게 국한된 표면 모드는 아래쪽 또는 위쪽 밴드 가장자리에서 얻을 수 있다. 또한 매우 높은 강도(intensity)를 갖는 표면파는 높은
Figure 112018023073165-pat00016
를 사용하여 얻을 수 있다. 그러나 k0a가 임계값을 초과하면(β〈k0) 다른 고조파 모드의 존재로 인해 표면 결합 모드 중 하나 혹은 그 이상의 표면파가 원거리 방사파로 변화된다. 또한 분산관계를 통해 k0a가 증가함에 따라 역방향 방사선은 순방향 방사선으로 변환된다.
도 5(d)는 SMAS를 따른 누설률과 관련된 감쇠 계수 α를 보여준다. 예상대로, 정지 대역(stop band) 내의 종 방향(수평) 파수 kx에는 큰 감쇄 α가 있으며, 이는 유도 모드(guided-modes)가 없음을 의미한다. 임계값(β=k0) 위에는 SMAS에서의 누설로 인해 복소수 형태의 파수 kx가 존재한다.
도 6은 평균 표면 어드미턴스
Figure 112018023073165-pat00017
=1.2이고 변조 인자가 각각 M=0.3, 0.5, 0.7일 때의 SMAS에 대한 분산 관계 및 감쇄인자의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이 변조 인자 M이 증가함에 따라 누설률이 증가하여 BW~`a/k0에 의한 높은 빔폭을 나타내지만 방사각도 θ=sin- 1(β/k0)는 거의 같다. 따라서 위상 상수 β와 감쇠 계수α는 변조 프로파일을 자유자재로 변경하는 것을 통해 독립적으로 제어 가능함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 복수 개의 홈이 형성하는 물결무늬 설계를 통해 음파의 방사 방향과 빔 폭을 독립 설계할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 평판 플레이트(10)에 형성된 복수 개의 홈이 음파발생부(20)를 중심으로 동심원 형태로 형성되도록 구성할 수 있다(도 1은 단면의 형상이 명확히 도시되도록 원형 평판 플레이트의 절반만 도시함).
도 4에 도시된 바와 같은 1차원 평면상에 x 축 방향으로 정현 변조된 표면의 음향 지향성 방사 특성을 증명하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이 FEM(finite element method) 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
FEM 시뮬레이션을 위해 표면에서 수직 방향으로 방사를 구현하는 설계 주파수 k0a~4.02에서
Figure 112018023073165-pat00018
=1.2, M=0.5인 평면 SMAS 표면을 사용하였으며, 서로 이웃하는 홈의 바닥면이 물결 무늬를 이루도록 도 7(a)에서와 같은 깊이 변화를 갖는 240개의 홈(p=0.1a, w=0.05a, a=10mm)을 형성하였으며, 무지향 포인트 음향 소스를 사용하였다.
FEM 시뮬레이션은 도 7(b)에 도시된 바와 같이 주파수 21750Hz(k0a~4.02) 주변의 지향성을 갖는 표면에 수직방향 (broadside) 사운드 빔 포밍을 보여준다. 설계된 구조체가 주파수 분산 특성으로 인해 19300Hz (k0a~3.360)에서 역방향 방사선 -30° 및 23350Hz (k0a~4.392)에서 정방향 방사선 30°를 각각 얻을 수 있었다. 즉, 예상대로 표면파가 구조물의 표면 방향에 따라 생성되고, 또한 표면파가 도 7(c)~(e)에서와 같이 주파수에 따라 특정 방향으로 원거리 파로 산란됨을 확인할 수 있었다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치는 도 8에 도시된 바와 같이 평판 플레이트(10)에 형성된 복수 개의 홈이 음파발생부(20)를 중심으로 평행선 형태로 형성되도록 구성할 수도 있다.
이때 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는 x축 방향으로
Figure 112018023073165-pat00019
이고, 이러한 표면을 물리적으로 구현하기 위해서는 평판형 플레이트의 표면을 복수 개의 셀 영역으로 분할하고 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 평판형 플레이트의 표면이 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 한다. 예를 들어 각 홈에 대응하는 x 축 방향의 각각의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값(Y)은
Figure 112018023073165-pat00020
이며, 여기서
Figure 112018023073165-pat00021
는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
Figure 112018023073165-pat00022
는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 인자, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치의 음향 방사 특성을 증명하기 위해 도 9에 도시된 바와 같이 음향 스캐닝 실험을 수행하였다. 표면에 수직 방향 방사를 구현하기 위한 설계 주파수 k0a~4.02에서 Yx=1.2, M=0.5인 평면 SMAS 표면을 사용하였으며, 서로 이웃하는 홈의 바닥면이 물결 무늬를 이루도록 깊이 변화를 갖는 240개의 홈(p=0.1a, w=0.05a, a=10mm)을 형성하였으며, 무지향 포인트 음향 소스를 사용하였다.
음향 스캐닝 실험 결과 주파수 21750Hz(k0a~4.02) 정도의 높은 지향성을 지닌 수직 방향 음향 빔 포밍, 저주파 19300Hz(k0a~3.360)에서 방사선 -30° 및 고주파 23350Hz(k0a~4.392)에서 방사선 30°를 각각 얻을 수 있었다. 즉, 예상대로 표면파가 구조물의 표면 방향에 따라 생성되고 표면파가 특정 방향으로 원거리 파로 산란됨을 확인할 수 있었다.
도 10은 도 1에 도시된 방사형 방향으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 가지는 원형 패턴에서 표면파가 발생하고, 특정한 주파수에서 표면파가 표면에서 수직방향으로 방사하는 빔 형상을 표현하고 있다.
도 11은 원형타입 정현 변조된 표면에 의해 3D 연필 모양의 방사 빔 형성을 보여주고 있다. 표면에서 음향 누설파로 인해 19000Hz에서 23000Hz까지의 주파수 범위에서 음향 신호 이득을 얻을 수 있습니다. k0a ~ 4.02 주변에서 수직방향의 방사모드로 인해 약 22 kHz의 주파수 범위에서 최대 SPL 이득을 갖는 매우 좁은 사운드 빔 형성이 얻어진다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 음향 장치(1)는 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트의 표면이 수학적으로 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루도록 홈의 형상을 설계하여 표면파를 특정방향의 원거리 방사파로 변환하여 높은 이득을 갖는 지향성 음향 빔을 형성할 수 있다.
특히 물결무늬 설계를 통해 방사 방향과 빔 폭을 독립 설계할 수 있을 뿐만 아니라 음파의 주파수 대역에 따라 높은 성능을 갖도록 최적 설계가 가능하다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 지향성 음향 장치를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
1: 지향성 음향 장치 10: 평판형 플레이트
11: 홈 20: 음파발생부

Claims (12)

  1. 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트; 및
    상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부;
    를 포함하며,
    상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)은 상기 음파의 파장보다 작고,
    상기 평판형 플레이트는 적어도 하나의 홈이 포함되는 복수 개의 셀 영역을 포함하고, 인접하는 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 서로 다르도록 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이가 인접하는 셀 영역에 포함되는 홈의 깊이와 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  2. 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트; 및
    상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부;
    를 포함하며,
    상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)은 상기 음파의 파장보다 작고,
    상기 평판형 플레이트는 적어도 하나의 홈이 포함되는 복수 개의 셀 영역을 포함하고, 인접하는 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 서로 다르도록 하나의 셀 영역에 포함되는 홈의 폭이 인접하는 셀 영역에 포함되는 홈의 폭과 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  3. 표면에 복수 개의 홈이 형성되어 있는 평판형 플레이트; 및
    상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 외부로 음파를 방사하는 음파발생부;
    를 포함하며,
    상기 홈의 폭(w) 및 간격(p)은 상기 음파의 파장보다 작고,
    상기 평판형 플레이트는 적어도 하나의 홈이 포함되는 복수 개의 셀 영역을 포함하고, 인접하는 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 서로 다르도록 홈과 인접하는 홈 사이의 간격이 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값이 결합하여 상기 평판형 플레이트의 정현 변조된 어드미턴스 표면을 이루는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정현 변조된 어드미턴스 표면의 어드미턴스(Y)는
    Figure 112019006572835-pat00023
    이고, 각각의 셀 영역의 표면 어드미턴스 값(Y)은
    Figure 112019006572835-pat00024
    이며, 여기서
    Figure 112019006572835-pat00025
    는 표면 어드미턴스 평균 상수값,
    Figure 112019006572835-pat00026
    는 주변 매질의 표면 어드미턴스, M은 변조 깊이, a는 변조 주기, ko는 자유공간 파수, x는 표면상의 위치, w는 홈의 폭, p는 홈의 간격, d는 홈의 깊이인 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 홈은 서로 일정 간격(p)으로 형성되어 있고, 홈의 폭(w)이 동일하며, 홈의 깊이(d)는 서로 이웃하는 홈의 바닥면을 연결하면 일정 주기(a)로 반복되는 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 곡선은 상기 평판형 플레이트의 표면으로부터 내측으로 오목한 곡선이 반복되는 물결 형태인 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 홈은 서로 일정 간격(p)으로 형성되어 있고, 홈의 깊이(d)가 동일하며, 홈의 폭(w)이 일정 주기(a)로 증감하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 홈은 홈의 폭(w)이 동일하고, 홈의 깊이(d)가 동일하며, 홈의 간격(p)이 일정 주기(a)로 증감하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 홈은 상기 음파발생부를 중심으로 한 동심원 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 홈은 평행선 형태로 형성되어 있으며, 그 중심 영역에 상기 음파 발생부가 위치하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부로부터 상기 평판형 플레이트의 표면으로 입사하는 음파를 수신하는 음파수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 장치.
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