KR102051110B1 - 능동형 반사음 차폐체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상 플랫폼 외면에 설치되어, 상기 플랫폼 외면에서의 반사음을 상쇄시키기 위한 상쇄음을 발생시키는 복수의 음향발생장치를 포함하되, 상기 복수의 음향발생장치는 특정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 능동형 반사음 차폐체로서, 본 발명에 의하면, 차폐체의 일부분에만 음향센서 및 음향발생장치를 부착하여 대상물 전체에 차폐체를 적용한 기술과 동일한 효과를 얻음과 동시에 제작 공정의 용이성 및 제작비용의 절감 할 수가 있다.

Description

능동형 반사음 차폐체{DEVICE FOR ACTIVE REFLECTION CANCELLATION}

본 발명은 대상물로 입사하는 음파에 대한 반사음을 제거하기 위한 반사음 차폐체에 관한 것이다.

소나(SONAR, Sound Navigation And Ranging)에서 음파의 반사를 이용해 대상물을 탐지하는 능동탐지에 대응하여 반사음을 제어하거나 감소시키는 기술이 많은 연구 중에 있다. 능동형 반사체의 경우, 기존에도 많은 아이디어가 구현되어 있지만, 현실적으로 차폐체의 대부분 영역을 음향센서 및 음향발생장치로 도포해야 하는 단점이 존재한다.

종래에 반사음 차폐를 위한 기술로는 먼저, 주위의 소음을 탐지하여, 이를 보정 간섭하여 상쇄시키는 Active Noise Control(ANC, 능동 소음제어) 기술이 있다. 본 기술은 반사음을 제어하는 것이 아닌 인체가 듣는 외부 소음을 능동적으로 상쇄시키는 방법을 채용하고 있다. ANC의 경우 가청주파수 내에서만 작동을 한다.

다음, 잠수함의 음향반사 제거기술은 기존 잠수함에서 음파에 대한 감쇄특성이 좋은 탄성중합체를 타일 형태로 제작하여 잠수함의 표면에 부착하는 방식을 사용한다. 본 탄성중합체는 물과의 음향 정합성(Impedance Matching)이 높아서 입사하는 음파가 타일 내로 잘 입사하게 되고, 타일 내에서 음향 에너지가 감쇄됨으로써 그 반사음이 저감되는 효과가 발생한다. 그러나 이런 방식은 낮은 주파수에서 효과적으로 작동하지 않으며, 타일의 두께 및 물성치의 한계로 인해 반사음을 상쇄시키는데 한계를 지닌다.

이러한 반사음 차폐를 위한 기술은 능동형 소나로부터의 입사파에 대한 반사음을 최소화 시킬 필요가 있는 수중 대상체인 잠수함, 어뢰 등에 적용되는데, 이하 보다 구체적인 종래의 기술들에 대해 알아본다.

도 1에 도시된 바와 같은 Howarth (Piezocomposite coating for active underwater sound reduction, J. Acoust. Soc. Am. 91 (2), 1992) 문헌 등은 판형 압전 복합재료 구동 센서와 음파의 반파장 간격으로 배치된 압전비닐 수신기를 정합고무로 몰딩 제작한 능동흡음재를 개발하였다. 이는 비록 센서 간격과 일치하는 주파수에서 뛰어난 흡음 특성을 보이지만, 다른 주파수에서 반사파를 증폭시키는 단점이 있고, 구조적으로 아주 두꺼운 단점이 있다. 또한 센서와 수신기가 모든 면에 연속적으로 분포해야 하므로 그 가격이 증가하고, 수직 입사하는 음향에 대해서만 효과적으로 반응하는 특징이 있다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같은 Lafleur (Acoustically active surfaces using piezorubber, J. Acoust. Soc. Am. 90 (3), 1991) 등은 음파 발신기 전면에 압전 고무를 장착하여 입사파, 반사파 그리고 상쇄파를 감지한 후 이 신호를 디지털 신호지연회로를 이용하여 음파 발신기를 구동하는 능동 흡음재를 개발하였다. 실험 결과 이 장비는 8.5kHz에서 좋은 흡음 성능을 보였으나, 이는 피드포워드 특성 상 입사파를 사전에 측정할 수 없는 경우 사용이 불가능하다. 이 역시 전체 면적을 수신기와 음파 발생기로 이용하는 것을 확인할 수 있다.

다음 도 3에서 참조되는 대한민국 등록특허 제10-0992863호는 능동 흡음재 및 이를 이용하여 음파반사를 최소화하는 방법에 관한 것으로서, 제어기가 음향신호를 제어하여 송신 센서에 피드백하는 피드백 시스템 구조를 이용하여 송신센서가 반사파를 상쇄시키고 매우 긴 파장을 갖는 저주파 음파도 얇은 두께의 흡음재를 이용하여 높은 흡음효과를 얻을 수 있다. 이 경우 센서와 음향 발생기의 크기가 같아서, 수직 입사하는 음에만 효과적으로 반응한다.

잠수함의 경우에는 수십m의 크기에 달하며, 반사음을 효과적으로 제어하기 위해서는 이러한 잠수함의 본체에 모두 능동형 반사음 차폐체를 적용해야만 하며, 종래 기술의 경우, 이를 위해 차폐체의 대부분의 넓이를 센서 및 음향 발생장치가 차지하고 있다.

실제로 수십m의 크기에 달하는 센서 및 음향발생장치를 제작하는데 비용도 매우 많이 들 것으로 예상되며, 높은 수압을 견뎌야 하는 잠수함의 경우 넓은 영역에 배치된 전기-음향소자들의 신뢰도 역시 문제가 발생할 수 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

대한민국 등록특허 제10-0992863호

Howarth (Piezocomposite coating for active underwater sound reduction, J. Acoust. Soc. Am. 91 (2), 1992) Lafleur (Acoustically active surfaces using piezorubber, J. Acoust. Soc. Am. 90 (3), 1991)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 차폐체의 일부분에만 음향센서 및 음향발생장치를 부착하여 대상물 전체에 차폐체를 적용한 기술과 동일한 효과를 얻음과 동시에 제작 공정의 용이성 및 제작비용의 절감 할 수 있는 능동형 반사음 차폐체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 능동형 반사음 차폐체는, 대상 플랫폼 외면에 설치되어, 상기 플랫폼 외면에서의 반사음을 상쇄시키기 위한 상쇄음을 발생시키는 복수의 음향발생장치를 포함하되, 상기 복수의 음향발생장치는 특정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 복수의 음향발생장치 각각에 적층되는 탄성중합체 기반의 지지대 및 상기 복수의 지지대 각각에 적층되는 음향센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 음향센서 각각에 순차적으로 반복 적층되는 지지대 및 음향센서를 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 플램폼 상에 도포되는 고감쇄 탄성중합체로 구성되는 흡음층을 더 포함하고, 상기 복수의 음향발생장치는 상기 흡음층 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수의 음향발생장치 간의 간격은 상기 음향발생장치의 최대 작동 주파수에 해당하는 파장의 1/2 이상인 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 능동형 반사음 차폐체는 대상 플랫폼 외면에 설치되어, 상기 플랫폼 외면에서의 반사음을 상쇄시키기 위한 상쇄음을 발생시키는 복수의 음향발생장치를 포함하되, 상기 복수의 음향발생장치는 상기 음향발생장치의 최대 작동 주파수에 해당하는 파장의 1/2 이상의 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 복수의 음향발생장치 각각에 적층되는 탄성중합체 기반의 지지대 및 상기 복수의 지지대 각각에 적층되는 음향센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 음향발생장치와 이격되어 배치되는 복수의 음향센서를 더 포함할 수 있다.

능동형 반사음 차폐체의 종래 기술의 경우 음향센서, 탄성중합체 기반의 흡음층, 압전재료 기반의 음향발생소자로 이루어져 있다. 또한 기술에 따라 이러한 요소들의 배치 순서 및 조합 수가 다르지만, 판재형 차폐체의 구현을 위해서 일반적으로 판재형 음향센서 및 판재형 음향발생소자를 차용하고 있다. 하지만 이러한 음향센서 및 음향발생소자의 대면적화가 매우 어려우므로, 본 발명에서는 소형화된 음향센서와 음향발생장치를 통해서 동일한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 차폐체의 일부분만을 대상으로 음향센서 및 음향발생장치를 부착하는 방법을 통해서, 제작 공정을 용이하게 하고 제작비용을 절감할 수가 있다.

또한 각각의 수신기(음향센서)로부터 독립적으로 음을 수신하고, 음향발생장치를 독립적으로 작동시킴으로써, 수직입사하지 않고 비스듬하게 입사하는 음에 대한 반사음 상쇄도 가능하다.

따라서, 본 발명은 잠수함, 잠수정 및 어뢰 등의 플랫폼에서 능동형 소나 신호에 대한 반사음을 줄여주는 효과를 가지며, 2차적으로는 피탐지거리를 줄여주는 효과가 있으므로, 군사용 수중 이동체에 광범위하게 사용 가능할 것으로 예상된다.

도 1 내지 도 3은 반사음 차폐를 위한 종래 기술을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 능동형 반사음 차폐체의 측면 형상을 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 사시도를 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 능동형 반사음 차폐체의 응용 배치를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 능동형 반사음 차폐체의 또 다른 응용 예를 나타낸 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 의한 능동형 반사음 차폐체의 측면 형상을 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 사시도를 나타낸 것이다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 능동형 반사음 차폐체를 설명하기로 한다.

본 발명에서는 수신용 음향센서 및 압전형 음향발생장치를 기반으로 하여 반사음을 상쇄시키는 능동형 반사음 차폐체의 구조에 대해 기술한다.

능동형 반사음 차폐체의 경우, 기본적으로 음향센서, 탄성중합체 기반의 흡음층 및 압전재료 기반의 음향발생소자로 이루어져 있다. 또한 기술에 따라 이러한 요소들의 배치 순서 및 조합 수가 다르지만, 판재형 차폐체의 구현을 위해서는 일반적으로 판재형 음향센서 및 판재형 음향발생소자를 차용하고 있다. 하지만 이러한 음향센서 및 음향발생소자의 경우 대면적화가 매우 어려우므로, 본 발명에서는 소형화된 음향센서와 음향발생장치를 통해서 동일한 효과를 얻는 장치를 구현한다.

이를 위해서 음향센서 및 음향발생장치는 일정정도 간격을 가지도록 구현되어야 하며, 그 간격은 판재 형태 및 작동 주파수에 따라서 달라질 수 있다. 음향센서와 음향발생장치의 위치가 동일한 것이 이상적이지만, 필요한 경우에는 그 위치를 다르게 배치할 수도 있다.

도 4와 같이 능동형 반사 차폐체의 구조는 잠수함 등과 같은 플랫폼의 외부 표면(A) 위에 설치가 된다. 기본적으로 반사음을 감쇄시키기 위한 흡음층인 고감쇄 탄성중합체(B)가 플랫폼(A)의 외부에 도포가 되며, 그 상단에 압전소자를 기반으로 하는 음파발생장치(C)가 배치된다.

그리고 음파가 입사하는 시간에 대한 정보를 획득하기 위해서 탄성중합체 기반의 지지대(D)가 음파발생장치(C)에 적층되며, 그 상단에 음향센서(E)가 위치하게 된다. 지지대(D) 및 음향센서(C)의 형태는 도시와 같이 하나의 위치에 통상 2쌍으로 구성될 수 있으며, 필요에 의해서는 그 수의 변경도 가능하다.

본 발명의 능동형 반사음 차폐체는 이러한 구성에 의해 다음과 같은 방법으로 능동형 반사 차폐체로서 기능하게 된다.

먼저, 입사하는 소나의 음파(①)의 일부분이 고감쇄 탄성중합체(B)로부터 반사하게 된다(②). 이를 파동의 간섭으로 상쇄시키기 위해서 음파발생장치(C)가 상쇄음(③)을 발생시키게 되고, 반사음(②)과 상쇄음(③)이 음파의 간섭을 일으켜 반사음을 제거하게 된다. 이때, 입사하는 음파(①)의 음압을 감쇄시키는 상쇄음(③)의 음압은 지지대(D) 위의 2개 이상의 음향센서(E)를 통해 계산으로 산출이 가능하다.

음향학적으로 본 음향발생장치는 점 음원(Point Source) 형태를 지니게 된다. 이러한 극소형의 음원이 넓은 면적의 음원으로 작용하기 위해서는 그 간격이 매우 중요하며, 이는 이 시스템의 작동 주파수에 의존적이다. 예를 들어, 5kHz~30kHz의 영역에서 작동하는 시스템의 경우 음원들의 간격은 작동주파수 영역대의 가장 높은 주파수 30kHz를 기준으로 해당 파장(수중) 5cm의 1/2인 2.5cm 간격이면 효과적일 수 있다.

또한 그 배치 또한 도 6a와 같이 사각 형태로 배치도 가능하지만, 도 6b과 같이 1/2파장의 거리만 확보된다면 다양한 형태로 배치가 가능하다.

본 발명의 시스템이 작동하기 위해서는 이상적으로는 1/2파장 간격으로 음파발생장치가 배치되어야 하지만, 현실적으로는 더 넓은 간격이 선호되기도 한다. 가령 간격이 1.5배로 증가될 경우 필요한 음향 발생장치의 수는 44%로 감소되게 된다. 일반적으로 소자의 음원은 음향학적으로 원거리에서 발생하는 것으로 근사가 가능하므로, 플랫폼의 형태를 고려하여 음향발생장치의 간격 조정도 가능하다.

따라서, 도 7과 같이 플랫폼(B) 내 굴곡이 있는 부분의 경우 1/2파장 간격으로 음향발생장치가 배치되어야 하지만, 평판부분의 경우 그 간격을 더 길게 늘일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 능동형 반사음 차폐체는 대상물의 일부분만을 대상으로 음향센서 및 음향발생장치를 부착하는 방법을 통해서 동등한 효과의 발휘가 가능하며, 제작 공정을 용이하게 하고 제작비용을 절감할 수가 있다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

A : 플랫폼
B : 흡음층
C : 음향발생장치
D : 지지대
E : 음향센서

Claims (8)

1. 대상 플랫폼 외면에 도포된 흡음층인 고감쇄 탄성중합체 상에 설치되어, 상기 플랫폼 외면에서의 반사음을 상쇄시키기 위한 상쇄음을 발생시키는 압전소자 기반의 음향발생장치;
   상기 음향발생장치에 적층되는 탄성중합체 기반의 제1 지지대;
   상기 제1 지지대에 적층되는 제1 음향센서;
   상기 제1 음향센서에 적층되는 탄성중합체 기반의 제2 지지대; 및
   상기 제2 지지대에 적층되는 제2 음향센서를 포함하는 단위체를 포함하고,
   상기 단위체가 상기 흡음층 상에 복수로 배열되고, 상기 복수의 단위체들 각각의 최저층에 배치된 음향발생장치들 간의 간격은 상기 음향발생장치의 최대 작동 주파수에 해당하는 파장의 1/2 이상으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는,
   능동형 반사음 차폐체.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 상기 단위체는 상기 흡음층 상에 격자 형태로 배열된 것을 특징으로 하는,
   능동형 반사음 차폐체.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상기 단위체는 상기 흡음층 상에 마름모 형태로 배열된 것을 특징으로 하는,
   능동형 반사음 차폐체.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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