KR102052187B1 - Ultrasonic radiator and manufacturing method of radiating plate for the ultrasonic radiator - Google Patents
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Abstract
초음파 방사기는 트랜스듀서, 기계적 증폭부, 및 방사판을 포함한다. 트랜스듀서는 압전 소자와 결합되며, 입력된 전기적 신호를 압전 소자의 기계적 진동 신호로 변환한다. 기계적 증폭부는 압전 소자의 진동을 증폭시킨다. 방사판은 금속판과, 금속판의 방사면에 위치하는 복수의 철부를 포함하며, 기계적 증폭부로부터 증폭된 진동 신호를 받아 공기 중으로 초음파를 방사한다. 복수의 철부는 고분자 물질을 포함하고, 금속판의 두께보다 큰 두께를 가지며, 금속판의 고유 진동수와 방사판의 고유 진동수의 오차율이 5% 이하가 되는 영률과 밀도 조건을 만족한다.The ultrasonic radiator includes a transducer, a mechanical amplifier, and a radiating plate. The transducer is coupled with the piezoelectric element and converts the input electrical signal into a mechanical vibration signal of the piezoelectric element. The mechanical amplifier amplifies the vibration of the piezoelectric element. The radiating plate includes a metal plate and a plurality of convex parts positioned on the radiating surface of the metal plate, and radiates ultrasonic waves into the air by receiving the amplified vibration signal from the mechanical amplifying unit. The plurality of convex portions include a polymer material, have a thickness greater than that of the metal plate, and satisfy a Young's modulus and density condition such that an error rate between the natural frequency of the metal plate and the natural frequency of the radiating plate is 5% or less.
Description
본 발명은 초음파 방사기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요철 구조의 방사판을 구비한 초음파 방사기와, 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
초음파 방사기는 고출력, 고지향성 음파가 요구되는 스피커 제작에 적용될 수 있다. 도 1은 일반적인 방사판에서 변형 진동에 의한 방사 특성을 나타낸 도면이다. 일반적으로 방사판이 넓을수록, 음파의 주파수가 높을수록 고지향성의 음파가 발생한다. 그러나 실제로는 도 1과 같이 방사판의 모든 미소 평면들이 같은 위상으로 진동하지 않으므로 고지향성과 고출력을 기대하기 어렵다.Ultrasonic emitters can be applied to the production of loudspeakers that require high power and high directional sound waves. 1 is a view showing the radiation characteristics by the strain vibration in the general radiation plate. In general, the wider the radiation plate and the higher the frequency of the sound wave, the higher the directional sound wave. However, in reality, as shown in FIG. 1, since all the micro-planes of the radiating plate do not vibrate in the same phase, it is difficult to expect high directivity and high power.
지향성 음파를 발생시키는 다른 방법 중 하나는 파라메트릭 어레이(parametric array) 현상을 이용하는 것이다. 파라메트릭 어레이 현상은 서로 다른 두 개의 주파수 f1과 f2를 가진 초음파가 매질을 통해 전파될 때, 매질의 비선형적 특성에 의해 2f1, 2f2, f1+f2, f1-f2 등의 주파수를 가지는 다양한 하모닉스(harmonics)가 발생되는 현상이다.One other way of generating directional sound waves is to use a parametric array phenomenon. The parametric array phenomenon is characterized by the fact that when harmonics with two different frequencies f1 and f2 propagate through a medium, various harmonics with frequencies of 2f1, 2f2, f1 + f2, f1-f2, etc. harmonics).
이러한 하모닉스 중에서 상대적으로 높은 주파수인 2f1, 2f2, f1+f2를 가진 음파들은 감쇠 효과에 의해 비교적 짧은 거리 안에서 사라진다. 반면 상대적으로 낮은 차주파수인 fd(f1-f2, fd<<f1, fd<<f2)를 가지는 음파는 매질 속에서 라인 형태로 분포하게 되는데, 이때 형성된 음향 빔(acoustic beam)은 상대적으로 낮은 주파수임에도 초음파 수준의 높은 지향성을 가지게 된다.Among these harmonics, sound waves with relatively high frequencies 2f1, 2f2, and f1 + f2 disappear within a relatively short distance by the damping effect. On the other hand, sound waves having a relatively low difference frequency fd (f1-f2, fd << f1, fd << f2) are distributed in the form of lines in the medium, wherein the formed acoustic beam has a relatively low frequency. Although it has a high degree of directivity of the ultrasonic level.
따라서 파라메트릭 어레이 현상을 이용하면 초음파 f1, f2를 적절히 이용하여 차주파수 fd를 가청 주파수 대역에 들어오도록 설정함으로써 고지향성의 가청 음파를 발생시킬 수 있다.Therefore, by using the parametric array phenomenon, it is possible to generate a high-oriented audible sound wave by setting the difference frequency fd to enter the audible frequency band by appropriately using the ultrasonic waves f1 and f2.
방사판의 미소 평면들이 모두 동일한 위상으로 진동하지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 작은 크기의 멤브레인 트랜스듀서를 복수개로 배열하여 방사체를 만드는 방법도 제안되었으나, 제작이 복잡하고 단가가 높아진다. 한국 등록특허 제10-0774516호에는 방사판의 음파 방사면에 요(凹)부와 철(凸)부를 형성한 초음파 스피커 시스템이 개시되어 있다.In order to solve the problem that the micro-planes of the radiating plate do not all oscillate in the same phase, a method of making a radiator by arranging a plurality of membrane transducers of small size has also been proposed, but the manufacturing is complicated and the cost increases. Korean Patent No. 10-0774516 discloses an ultrasonic speaker system in which a yaw portion and an iron portion are formed on a sound wave emitting surface of a radiation plate.
요철이 없는 방사판의 경우 출력과 지향성을 높이기 위하여 구동부인 압전 소자의 면적보다 방사판의 면적을 크게 하면 되지만, 도 1과 같이 방사판에서 싱크 함수(sinc function) 형태의 진동 모드가 발생하여 출력과 지향성을 저하시킨다. 도 2는 요철 구조의 방사판에서 위상 차이를 보정하는 원리를 나타낸 도면이다.In the case of the radiating plate without the unevenness, in order to increase the output and directivity, the area of the radiating plate may be larger than the area of the piezoelectric element as the driving unit. However, as shown in FIG. And lowers the directivity. 2 is a view showing a principle for correcting the phase difference in the radiating plate of the uneven structure.
도 2를 참고하면, 방사판의 진동 모드는 방사면에서 발생하는 음파들이 서로 반대되는 위상의 음파를 발생시켜 낮은 출력을 갖게 만든다. 하지만 공기 중으로 전파하고자 하는 음파의 반파장(λ/2)에 해당하는 두께의 철부(20)를 방사면에 배치하면, 철부(20)에서 발생하는 음파의 파장이 실선 상태에서 점선 상태로 위상이 보정된다. 따라서 요부(25)와 철부(20)에서 발생하는 음파가 같은 위상을 가지게 되며, 진동 모드에 의한 위상 차이를 보상할 수 있다.Referring to FIG. 2, the oscillation mode of the radiation plate causes sound waves generated at the radiation surface to generate sound waves of opposite phases to have low power. However, when the
그런데 방사판에 요철 구조를 적용하기 위해서는 철부(20)를 구비하기 전과 후로 방사판의 고유 진동수에 큰 변화가 없어야 하며, 해당 고유 진동수에서 방사판의 진동 모드가 도 3과 같이 싱크 함수 형태를 유지해야 한다. 도 3은 두꺼운 금속판(10) 위에 금속판(10)과 같은 소재의 철부(20)가 위치하는 방사판에서, 철부 배치 전(a)과 후(b)의 진동 모드를 나타낸 도면이다.However, in order to apply the concave-convex structure to the radiating plate, there should be no significant change in the natural frequency of the radiating plate before and after the
그러나 위상 보상을 위해 부가하는 철부(20)는 금속판(10)의 고유 진동수와 진동 모드의 변화를 유발하며, 그 정도는 도 4와 같이 금속판(10)의 두께가 철부(20)의 두께보다 현저히 작을 경우 더욱 심해진다. 도 4는 얇은 금속판(10) 위에 금속판(10)과 같은 소재의 철부(20)가 위치하는 방사판에서, 철부 배치 전(a)과 후(b)의 진동 모드를 나타낸 도면이다.However, the
철부(20)의 두께는 파라메트릭 어레이 현상을 발생시키기 위한 주파수 f1, f2에 의해 결정되며, 금속판(10)의 두께는 방사 효율을 고려하여 최대한 얇게 결정된다. 이 과정에서 방사판의 고유 진동수와 진동 모드가 철부(20)를 구비하기 전과 달라지므로 원래 의도했던 위상 보상을 이루기 힘들고, 원하는 위상 보상을 위해 철부(20)의 폭과 위치를 매번 다시 결정하여 제작하는 것은 매우 복잡한 과정을 필요로 한다.The thickness of the
본 발명은 방사판의 방사면에 철부를 구비하기 전과 후 방사판의 진동 모드와 고유 진동수의 큰 변화 없이 파라메트릭 어레이 현상을 효과적으로 구현할 수 있는 초음파 방사기와, 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides an ultrasonic radiator capable of effectively implementing a parametric array phenomenon without large changes in vibration mode and natural frequency of the radiating plate before and after providing the convex portion on the radiating surface of the radiating plate, and a method of manufacturing the radiating plate for the ultrasonic radiator. I would like to.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 방사기는 트랜스듀서, 기계적 증폭부, 및 방사판을 포함한다. 트랜스듀서는 압전 소자와 결합되며, 입력된 전기적 신호를 압전 소자의 기계적 진동 신호로 변환한다. 기계적 증폭부는 압전 소자의 진동을 증폭시킨다. 방사판은 금속판과, 금속판의 방사면에 위치하는 복수의 철부를 포함하며, 기계적 증폭부로부터 증폭된 진동 신호를 받아 공기 중으로 초음파를 방사한다. 복수의 철부는 고분자 물질을 포함하고, 금속판의 두께보다 큰 두께를 가지며, 금속판의 고유 진동수와 방사판의 고유 진동수의 오차율이 5% 이하가 되는 영률과 밀도 조건을 만족한다.An ultrasonic radiator according to an embodiment of the present invention includes a transducer, a mechanical amplifier, and a radiating plate. The transducer is coupled with the piezoelectric element and converts the input electrical signal into a mechanical vibration signal of the piezoelectric element. The mechanical amplifier amplifies the vibration of the piezoelectric element. The radiating plate includes a metal plate and a plurality of convex parts positioned on the radiating surface of the metal plate, and radiates ultrasonic waves into the air by receiving the amplified vibration signal from the mechanical amplifying unit. The plurality of convex portions include a polymer material, have a thickness greater than that of the metal plate, and satisfy a Young's modulus and density condition such that an error rate between the natural frequency of the metal plate and the natural frequency of the radiating plate is 5% or less.
금속판은 알루미늄을 포함할 수 있고, 복수의 철부는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만의 밀도를 가질 수 있다. 복수의 철부는 수학식 (1)로부터 도출되는 최소값과 수학식 (2)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속하는 영률을 가질 수 있다.The metal plate may comprise aluminum, a plurality of convex portions may have a density of 0kg / m 3 greater than less than 1,000kg / m 3. The plurality of convex portions may have a Young's modulus that falls within a range between a minimum value derived from Equation (1) and a maximum value derived from Equation (2).
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1) x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302y 3 + 542y 2 + (1.34 × 10 6) y + 7.85 × 10 6 --- (1)
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2) x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172y 4 + 13.7y 3 - 4970y 2 + (4.47 × 10 6) y + 9.10 × 10 8 --- (2)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.Here, y represents a specific density value belonging to more than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 , and x represents a Young's modulus value Pa for a specific density value y.
다른 한편으로, 금속판은 티타늄을 포함할 수 있고, 복수의 철부는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만의 밀도를 가질 수 있다. 복수의 철부는 수학식 (3)로부터 도출되는 최소값과 수학식 (4)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속하는 영률을 가질 수 있다.On the other hand, the metal plate may comprise titanium, and the plurality of convex portions may have a density of more than 0 kg / m 3 and less than 1600 kg / m 3 . The plurality of convex portions may have a Young's modulus that falls within a range between a minimum value derived from Equation (3) and a maximum value derived from Equation (4).
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4) x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3) y 4 + 5.38y 3 - (3.15 × 10 3) y 2 + (4.26 × 10 6) y + 1.33 × 10 9 --- (4)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.Here, y represents the specific density value that belongs to 0kg / m is less than 3 more than 1,600kg / m 3, x represents a Young's modulus value (Pa) for a given density value (y).
복수의 철부는 동심원으로 이루며 배치된 복수의 원형 고리를 포함할 수 있다. 복수의 철부는 금속판의 중앙에 위치하는 원형 돌기를 더 포함할 수 있다. 복수의 철부는 에폭시와 아크릴의 혼합물을 포함할 수 있다.The plurality of convex portions may include a plurality of circular rings arranged concentrically. The plurality of convex portions may further include a circular protrusion located at the center of the metal plate. The plurality of convex portions may comprise a mixture of epoxy and acrylic.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법은, 금속판의 형상과 크기 및 재료, 철부의 형상과 크기를 선정하고, 철부의 영률과 밀도를 변화시키며 방사판의 고유 진동수 변화를 시뮬레이션하는 단계와, 시뮬레이션 결과로부터 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 철부의 영률과 밀도 범위를 선정하는 단계와, 선정된 영률과 밀도 범위를 만족하는 고분자 물질을 선택하여 철부의 재료로 선정하는 단계와, 선정된 형상과 크기 및 재료에 따라 금속판과 철부를 제작하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing a radiating plate for an ultrasonic radiator includes selecting a shape and a size and a material of a metal plate, a shape and a size of a convex part, changing a Young's modulus and density of the convex part, and changing a natural frequency change of the radiating plate. Selecting the Young's modulus and density range of the steel part whose natural frequency error rate of the radiation plate is 5% or less from the simulation result, and selecting a polymer material satisfying the selected Young's modulus and density range as the material of the iron part. And fabricating the metal plate and the convex part according to the selected shape, size and material.
초음파 방사기용 방사판의 제조 방법은, 철부의 영률과 밀도 범위를 선정한 다음, 철부 배치 전과 후의 방사판의 진동 모드 변화를 시뮬레이션하여 진동 모드의 변화가 없는 철부의 밀도 범위를 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a spinneret for an ultrasonic radiator may further include selecting a Young's modulus and a density range of the convex part, and then simulating a change in the vibration mode of the radiator plate before and after the convex part to select the density range of the convex part without changing the vibration mode. can do.
금속판은 알루미늄을 포함할 수 있고, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만으로 선정될 수 있다. 철부의 영률은 수학식 (1)로부터 도출되는 값보다 크고, 수학식 (2)로부터 도출되는 값보다 작은 값으로 선정될 수 있다.The metal plate may comprise aluminum, the density of the convex portions may be selected for 0kg / m is less than 3 more than 1,000kg / m 3. The Young's modulus of the convex portion may be selected to be larger than the value derived from Equation (1) and smaller than the value derived from Equation (2).
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1) x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302y 3 + 542y 2 + (1.34 × 10 6) y + 7.85 × 10 6 --- (1)
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2) x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172y 4 + 13.7y 3 - 4970y 2 + (4.47 × 10 6) y + 9.10 × 10 8 --- (2)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.Here, y represents a specific density value belonging to more than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 , and x represents a Young's modulus value Pa for a specific density value y.
다른 한편으로, 금속판은 티타늄을 포함할 수 있고, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만으로 선정될 수 있다. 철부의 영률은 수학식 (3)으로부터 도출되는 값보다 크고, 수학식 (4)로부터 도출되는 값보다 작은 값으로 선정될 수 있다.On the other hand, the metal plate may comprise titanium, and the density of the iron portion may be selected to be greater than 0 kg / m 3 and less than 1600 kg / m 3 . The Young's modulus of the convex portion may be selected to be larger than the value derived from Equation (3) and smaller than the value derived from Equation (4).
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4) x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3) y 4 + 5.38y 3 - (3.15 × 10 3) y 2 + (4.26 × 10 6) y + 1.33 × 10 9 --- (4)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.Here, y represents the specific density value that belongs to 0kg / m is less than 3 more than 1,600kg / m 3, x represents a Young's modulus value (Pa) for a given density value (y).
철부는 동심원을 이루며 배치된 복수의 원형 고리를 포함할 수 있다. 철부는 금속판의 중앙에 위치하는 원형 돌기를 더 포함할 수 있다.The convex portion may include a plurality of circular rings arranged concentrically. The convex portion may further include a circular protrusion located at the center of the metal plate.
실시예에 따르면, 철부 배치 전과 후로 방사판의 진동 모드가 동일하면서 방사판의 고유 진동수 변화율(오차율)이 5% 이하인 초음파 방사기를 제작할 수 있다. 본 실시예의 초음파 방사기는 부가 장비 없이 높은 효율의 파라메트릭 어레이 현상을 구현할 수 있으며, 장거리에서도 개별 청취가 가능한 고지향성 스피커를 제작할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to fabricate an ultrasonic radiator having the same vibration mode of the radiation plate before and after the convex portion and having a natural frequency change rate (error rate) of 5% or less. Ultrasonic radiator of the present embodiment can implement a high efficiency parametric array phenomenon without additional equipment, it is possible to manufacture a high-directional speaker capable of individual listening at a long distance.
도 1은 일반적인 방사판에서 변형 진동에 의한 방사 특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 요철 구조의 방사판에서 위상 차이를 보정하는 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 두꺼운 금속판 위에 금속판과 같은 소재의 철부가 위치하는 방사판에서 철부 배치 전과 후의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 얇은 금속판 위에 금속판과 같은 소재의 철부가 위치하는 방사판에서 철부 배치 전과 후의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 5는 음파 발생 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 방사기의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 초음파 방사기의 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시한 초음파 방사기의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시한 초음파 방사기의 단면도이다.
도 10은 금속판이 알루미늄을 포함하는 경우 철부의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판의 고유 진동수 오차율을 나타낸 시뮬레이션 도면이다.
도 11은 도 10에 표시한 A 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 실시예 1의 방사판에서 철부 배치 전과 후의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 10에 표시한 B 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 1의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 10에 표시한 C 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 2의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 10에 표시한 D 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 3의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 15는 금속판이 티타늄을 포함하는 경우 철부의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판의 고유 진동수 오차율을 나타낸 시뮬레이션 도면이다.
도 16은 도 15에 표시한 E 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 실시예 2의 방사판에서 철부 배치 전과 후의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 17은 도 15에 도시한 F 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 4의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 18은 도 15에 도시한 G 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 5의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 19는 도 15에 도시한 H 지점의 영률과 밀도를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 6의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사판의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a view showing the radiation characteristics by the strain vibration in the general radiation plate.
2 is a view showing a principle for correcting the phase difference in the radiating plate of the uneven structure.
3 is a view showing a vibration mode before and after the arrangement of the iron portion in the spinning plate where the iron portion of the same material as the metal plate on the thick metal plate.
4 is a view showing the vibration mode before and after the placement of the iron portion in the spin plate in which the iron portion of the same material as the metal plate on the thin metal plate.
5 is a configuration diagram of a sound wave generation system.
6 is a perspective view of an ultrasonic radiator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the ultrasonic radiator shown in FIG. 6.
8 is a perspective view showing a modification of the ultrasonic radiator shown in FIG.
9 is a cross-sectional view of the ultrasonic radiator shown in FIG. 8.
FIG. 10 is a simulation diagram illustrating the natural frequency error rate of the spin plate according to the Young's modulus and density change of the convex part when the metal plate includes aluminum.
FIG. 11 is a diagram illustrating a vibration mode before and after arranging convex portions in the radiating plate of Example 1 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point A shown in FIG. 10.
FIG. 12 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 1 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point B shown in FIG. 10.
FIG. 13 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 2 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point C shown in FIG. 10.
FIG. 14 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 3 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point D shown in FIG. 10.
FIG. 15 is a simulation diagram illustrating a natural frequency error rate of a spin plate according to a change in Young's modulus and density of a convex part when a metal plate includes titanium.
FIG. 16 is a view showing a vibration mode before and after arranging convex portions in the spinning plate of Example 2 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point E shown in FIG. 15.
FIG. 17 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 4 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point F shown in FIG. 15.
FIG. 18 is a view showing a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 5 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point G shown in FIG. 15.
FIG. 19 is a diagram showing a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 6 having a plurality of convex portions having a Young's modulus and a density at point H shown in FIG. 15.
20 is a process flowchart showing a method of manufacturing a spin plate according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 5는 음파 발생 시스템의 구성도이다. 도 5를 참고하면, 음파 발생 시스템(100)은 신호 발생부(110)와 신호 증폭부(120) 및 초음파 방사기(130)를 포함한다.5 is a configuration diagram of a sound wave generation system. Referring to FIG. 5, the sound
신호 발생부(110)는 신호를 변조하고, 변조된 신호는 신호 증폭부(120)에 의해 증폭된 후 초음파 방사기(130)에 전달된다. 초음파 방사기(130)는 파라메트릭 어레이(parametric array) 현상을 발생시키기 위해 공기 중으로 초음파를 방사한다.The
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 방사기의 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시한 초음파 방사기의 단면도이다. 도 8은 도 6에 도시한 초음파 방사기의 변형예를 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8에 도시한 초음파 방사기의 단면도이다.6 is a perspective view of the ultrasonic radiator according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is a cross-sectional view of the ultrasonic radiator shown in FIG. FIG. 8 is a perspective view illustrating a modification of the ultrasonic radiator illustrated in FIG. 6, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the ultrasonic radiator illustrated in FIG. 8.
도 6 내지 도 9를 참고하면, 초음파 방사기(130)는 트랜스듀서(40), 압전 소자(50), 기계적 증폭부(60), 및 요철 구조의 방사판(30)을 포함한다.6 to 9, the
트랜스듀서(40)는 전기적 신호를 압전 소자(50)의 기계적 진동 신호로 변환한다. 압전 소자(50)는 압전 세라믹스로 제작될 수 있고, 트랜스듀서(40)는 압전 소자(50)와 볼트로 체결된 랑주뱅 타입(Langevin type)으로 구성될 수 있다.The
기계적 증폭부(60)는 스텝 혼(stepped horn), 선형 혼(linear horn), 익스포넨셜 혼(exponential horn) 등 다양한 구조의 혼으로 구성될 수 있다. 기계적 증폭부(60)는 압전 소자(50)의 기계적 진동 신호를 받아 증폭시킨 후 이를 방사판(30)으로 전달한다.The
방사판(30)은 증폭된 진동 신호로부터 초음파를 방사한다. 방사판(30)은 일정 두께의 금속판(10)과, 금속판(10)의 방사면에 위치하며 고분자 물질로 제작된 복수의 철(凸)부(20)를 포함한다. 복수의 철부(20)는 같은 두께를 가지거나 두 가지 이상의 서로 다른 두께를 가질 수 있으며, 금속판(10)의 두께는 철부(20)의 최소 두께보다 작다.The
즉 본 실시예의 방사판(30)은 얇은 금속판(10) 위에 금속판(10)보다 두꺼운 고분자 소재의 철부(20)가 부가된 구조로 이루어진다.That is, the
도 6 및 도 7과 같이, 복수의 철부(20)는 동심원을 이루며 배치된 복수의 원형 고리를 포함할 수 있다. 복수의 원형 고리는 같은 폭을 가질 수 있고, 서로간 등간격으로 배치될 수 있다. 복수의 철부(20) 사이의 오목한 부분이 요철 구조의 요(凹)부로 기능하며, 금속판(10)의 중심은 요부에 해당한다.6 and 7, the plurality of
다른 한편으로 도 8 및 도 9와 같이, 복수의 철부(20)는 금속판(10)의 중앙에 위치하는 원형 돌기(21)와, 원형 돌기(21)를 중심으로 동심원을 이루며 배치된 복수의 원형 고리(22)를 포함할 수 있다. 복수의 원형 고리(22)는 같은 폭을 가질 수 있고, 서로간 등간격으로 배치될 수 있다. 원형 돌기(21)와 복수의 원형 고리(22) 사이의 오목한 부분이 요철 구조의 요(凹)부로 기능한다.On the other hand, as shown in FIGS. 8 and 9, the plurality of
일반적으로 방사판의 성능은 레일리 적분(Rayleigh integral)을 이용하여 알 수 있다. 레일리 적분이란 방사판의 미소 면적들을 하나의 단순 음원(simple source)으로 가정하여 방사판 전체 면적에 대해 적분하는 것으로써 방사판의 진동 모드에 따른 음향 빔의 패턴을 파악할 수 있다.In general, the performance of the spin plate can be determined using the Rayleigh integral. Rayleigh integration is to integrate the entire area of the radiating plate by assuming a small area of the radiating plate as a simple source, so that the pattern of the acoustic beam according to the vibration mode of the radiating plate can be grasped.
이상적인 방사판의 경우 레일리 적분의 결과가 방사판 상에서 모두 양수이거나 모두 음수이기 때문에 동일한 위상으로 출력에 기여할 수 있다. 그러나 실제 방사판의 경우 방사판의 진동 모드에 따라 음수인 부분과 양수인 부분이 동시에 나타나 서로 상쇄되므로 낮은 출력과 낮은 지향성을 나타낸다.In an ideal spin plate, the Rayleigh integration results in either positive or negative numbers on the spin plate, thus contributing to the output in the same phase. However, in the case of the actual radiating plate, the negative part and the positive part appear at the same time and cancel each other according to the vibration mode of the radiating plate, thereby showing low power and low directivity.
따라서 위상이 서로 반대인 두 개의 부분 중 어느 한 부분에 발생하고자 하는 음파의 반파장(λ/2)에 해당하는 두께의 철부(20)를 위치시키면 도 2와 같이, 철부(20)에서 음파의 위상이 실선에서 점선으로 보정된다. 결론적으로 요부(25)의 위상과 철부(20)의 위상이 동일해지며, 이는 모든 미소 면적이 동일한 위상을 가지는 이상적인 방사판 성능에 가까워지는 것을 의미한다.Accordingly, when the
이때 복수의 철부(20)가 같은 두께를 가지는 경우, 방사판(30)은 특정 주파수에 대해 강한 보상 효과를 발휘한다. 복수의 철부(20)가 두 가지 이상의 서로 다른 두께를 가지는 경우, 방사판(30)은 두 가지 이상의 서로 다른 주파수에 대해 보상 효과를 발휘한다.At this time, when the plurality of
한편, 철부(20)를 이용하여 음파의 위상을 보정하는 것은 철부(20)가 위치하기 전과 후로 방사판(30)의 진동 모드가 동일한 싱크 함수(sinc function) 형태이어야 가능한 방법이다. 도 3과 같이, 금속판(10)이 철부(20)보다 두꺼운 경우, 방사판은 철부(20)가 위치하기 전, 후의 진동 모드가 동일한 싱크 함수 형태로 구현된다.On the other hand, correcting the phase of the sound wave by using the
그러나 도 4와 같이, 금속판(10)이 철부(20)보다 얇은 경우, 철부(20)가 위치하기 전의 방사판은 싱크 함수 형태의 진동 모드를 나타내지만, 철부(20)가 위치한 후에는 전혀 다른 형태의 진동 모드를 나타낸다. 이는 철부(20)를 이용하여 위상을 보정하는 효과가 없는 것을 의미한다.However, as shown in FIG. 4, when the
다시 도 6 내지 도 9를 참고하면, 본 실시예의 초음파 방사기(130)에서 방사판(30)은 얇은 금속판(10) 위에 고분자 소재의 철부(20)가 배치된 구조로 이루어진다. 금속판(10)은 알루미늄, 티타늄, 및 철 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 복수의 철부(20)는 고분자 물질을 포함하며, 철부(20)의 단위 체적당 무게는 금속판(10)의 단위 체적당 무게보다 작다.6 to 9 again, in the
복수의 철부(20)는 고분자 물질을 포함하되, 철부(20) 배치 전, 후로 방사판(10)의 진동 모드를 변화시키지 않으면서 철부(20) 배치 전 방사판의 고유 진동수(금속판 자체의 고유 진동수)와 철부 배치 후 방사판(30)의 고유 진동수의 오차가 5% 이하가 되는 영률(Young's modulus)과 밀도 조건을 만족한다.The plurality of
방사판(30)의 고유 진동수 오차율은 방사판(30)의 설계 오차와 동일하다. 방사판(30)의 설계 오차를 5% 이내로 확보하기 위하여, 방사판(30)의 고유 진동수 오차율은 5% 이하 범위로 선정된다.The natural frequency error rate of the
금속판(10)의 형상과 크기 및 재료가 결정되면, 금속판(10)의 진동 모드와 고유 진동수를 알 수 있다. 여기에 더하여 철부(20)의 형상과 크기가 결정되면, 철부(20)의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판(30)의 진동 모드와, 방사판(30)의 고유 진동수 변화를 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션할 수 있다.Once the shape, size, and material of the
도 10은 금속판이 알루미늄을 포함하는 경우, 철부의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판의 고유 진동수 오차율을 나타낸 시뮬레이션 도면이다. 도면의 가로축(x)은 철부의 영률이고, 세로축(y)은 철부의 밀도이다.FIG. 10 is a simulation diagram illustrating the natural frequency error rate of the radiation plate according to the Young's modulus and density change of the convex part when the metal plate includes aluminum. In the figure, the horizontal axis x represents the Young's modulus of the convex portion, and the vertical axis y represents the density of the convex portion.
방사판의 고유 진동수 오차율은 금속판의 고유 진동수와 방사판의 고유 진동수 중 어느 하나에 대한 다른 하나의 차이 비율을 나타낸다. 즉 금속판의 고유 진동수와 방사판의 고유 진동수가 동일하면 오차율은 0%이 된다. 시뮬레이션에 적용된 금속판의 영률은 72GPa이고, 밀도는 2,780kg/m3이다. 도 10에서는 방사판의 고유 진동수 오차율을 5% 단위로 나누어 서로 다른 패턴으로 도시하였다.The natural frequency error rate of the spin plate represents the ratio of the difference between the natural frequency of the metal plate and the other of the natural frequency of the spin plate. In other words, if the natural frequency of the metal plate and the natural frequency of the radiating plate are the same, the error rate is 0%. The Young's modulus of the metal plate applied in the simulation is 72 GPa, and the density is 2,780 kg / m 3 . In FIG. 10, the natural frequency error rate of the radiating plate is divided by 5% and illustrated in different patterns.
도 10을 참고하면, 금속판이 알루미늄을 포함하는 경우, 도면의 중앙 부분에 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 영역이 정의되고, 이 영역의 좌우측 각각에 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 초과 10% 이하인 영역과, 10% 초과 15%인 영역이 순서대로 위치한다.Referring to FIG. 10, when the metal plate includes aluminum, a region in which the natural frequency error rate of the radiating plate is 5% or less is defined in the center portion of the drawing, and the natural frequency error rate of the radiating plate is greater than 5% on each of the left and right sides of the region. Regions of 10% or less and regions of more than 10% and 15% are located in this order.
금속판이 알루미늄을 포함하는 경우, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만일 수 있으며, 철부의 영률은 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하를 만족하는 특정한 범위를 가진다.When the metal plate is aluminum, the density of the convex portions 0kg / m 3 greater than 1,000kg / m 3 may be less than, the Young's modulus of the convex portion is radial with respect to the specific density value that belongs to less than 0kg / m 3 greater than 1,000kg / m 3 plates Has a specific range where the natural frequency error rate of satisfies 5% or less.
구체적으로, 철부의 밀도가 300kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.5GPa 내지 2.1GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 500kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.9GPa 내지 2.7GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 700kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 1.3GPa 내지 3.5GPa의 범위에 속할 수 있다.Specifically, when the density of the iron portion is 300kg / m 3 , the Young's modulus of the iron portion may be in the range of approximately 0.5GPa to 2.1GPa. If the density of the convex part is 500 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex part may be in the range of approximately 0.9 GPa to 2.7 GPa. When the density of the convex part is 700 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex part may be in the range of about 1.3 GPa to 3.5 GPa.
방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 영역의 왼쪽 경계선은 특정 밀도 값에 대한 영률의 최소값을 의미하고, 오른쪽 경계선은 특정 밀도 값에 대한 영률의 최대값을 의미한다.The left boundary of the region where the natural frequency error rate of the radiating plate is 5% or less means the minimum value of the Young's modulus for a specific density value, and the right boundary means the maximum value of the Young's modulus for a specific density value.
도 10의 시뮬레이션 도면으로부터 공지의 다항식 회귀분석법(polynomial regression)을 이용하면 고유 진동수 오차율 5% 이하 영역의 왼쪽 경계선과 오른쪽 경계선을 2차 이상의 다항식 함수로 표현할 수 있다. 다항식 회귀분석법은 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) ... (xn, yn)으로 이루어진 n개의 데이터를 가장 잘 표현하는 다항식을 구하는 공지의 수치해석 방법이다.By using a known polynomial regression method from the simulation diagram of FIG. 10, the left boundary line and the right boundary line of a region having a natural frequency error rate of 5% or less can be represented by a second or more polynomial function. Polynomial regression is a well-known numerical method for obtaining a polynomial that best represents n data consisting of (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) ... (xn, yn).
철부의 밀도(y)가 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만일 때, 철부의 영률(x)은 하기 수학식 (1)로부터 도출되는 값보다 크고 하기 수학식 (2)로부터 도출되는 값보다 작은 값을 가진다. 즉 철부의 영률(Pa 단위)은 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 수학식 (1)로부터 도출되는 최소값과 수학식 (2)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속할 수 있다.When the density (y) of the convex portion is greater than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 , the Young's modulus (x) of the convex portion is larger than the value derived from Equation (1) below and is higher than the value derived from Equation (2) below. It has a small value. That is the Young's modulus of the convex portion (Pa units) is in the range between the maximum value and the minimum value is derived from the equation (2) derived from equation (1) with respect to a particular density value belonging to 0kg / m is less than 3 more than 1,000kg / m 3 Can belong to.
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1) x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2) x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172
도 11은 도 10에 표시한 A 지점의 영률(1.5GPa)과 밀도(500kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 실시예 1의 방사판에서 철부 배치 전(a)과 후(b)의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 실시예 1에서 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 동일하며, 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 0.4%이다.FIG. 11 is a (b) before and after arranging convex portions in the spinning plate of Example 1 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (1.5 GPa) and a density (500 kg / m 3 ) of the point A shown in FIG. 10; The vibration mode of FIG. In Example 1, the vibration mode of the radiation plate is the same as that of the metal plate, and the natural frequency error rate of the radiation plate is approximately 0.4%.
도 12는 도 10에 표시한 B 지점의 영률(0.5GPa)과 밀도(900kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 1의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 11에 도시한 것과 동일하다. 비교예 1에 따른 방사판의 진동 모드는 명확한 싱크 함수 형태를 보이지 않으며(금속판의 진동 모드와 상이하며), 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 35%이다.FIG. 12 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 1 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (0.5GPa) and a density (900 kg / m 3 ) of point B shown in FIG. 10. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The vibration mode of the radiation plate according to Comparative Example 1 did not show a clear sink function shape (different from the vibration mode of the metal plate), and the natural frequency error rate of the radiation plate was approximately 35%.
도 13은 도 10에 표시한 C 지점의 영률(2.5GPa)과 밀도(1,000kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 2의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 11에 도시한 것과 동일하다. 비교예 2에 따른 방사판은 고유 진동수 오차율이 대략 4.7%로서 5% 이하를 만족하지만, 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 상이하며, 의도하지 않은 진동 모드를 구현하고 있다.FIG. 13 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 2 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (2.5GPa) and a density (1,000 kg / m 3 ) at point C shown in FIG. 10. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The radiation plate according to Comparative Example 2 has a natural frequency error rate of approximately 4.7% and satisfies 5% or less, but the vibration mode of the radiation plate is different from that of the metal plate, and implements an unintended vibration mode.
진동 모드의 관점에서, 금속판이 알루미늄을 포함할 때, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만일 수 있다. 철부의 밀도가 1,000kg/m3 이상이면 도 13의 결과처럼 방사판의 진동 모드가 금속판의 진동 모드(철부 배치 전의 진동 모드)와 달라지므로 바람직하지 않다.In view of the vibration mode, when the metal plate is aluminum, the density of the convex portion may be less than 0kg / m 3 greater than 1,000kg / m 3. If the density of the convex part is 1,000 kg / m 3 or more, the vibration mode of the radiating plate is different from the vibration mode of the metal plate (vibration mode before arranging the convex part), as shown in FIG. 13.
도 14는 도 10에 표시한 D 지점의 영률(4.5GPa)과 밀도(100kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 3의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 11에 도시한 것과 동일하다. 비교예 3에 따른 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 동일하지만, 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 17%이다.FIG. 14 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 3 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (4.5 GPa) and a density (100 kg / m 3 ) at the point D shown in FIG. 10. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The vibration mode of the radiation plate according to Comparative Example 3 is the same as that of the metal plate, but the natural frequency error rate of the radiation plate is approximately 17%.
도 15는 금속판이 티타늄을 포함하는 경우, 철부의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판의 고유 진동수 오차율을 나타낸 시뮬레이션 도면이다. 시뮬레이션에 적용된 금속판의 영률은 116GPa이고, 밀도는 4,500kg/m3이다. 도 15에서도 방사판의 고유 진동수 오차율을 5% 단위로 나뉘어 서로 다른 패턴으로 도시하였다.FIG. 15 is a simulation diagram illustrating the natural frequency error rate of the radiation plate according to the Young's modulus and density change of the convex part when the metal plate includes titanium. The Young's modulus of the metal plate applied in the simulation is 116 GPa, and the density is 4,500 kg / m 3 . In FIG. 15, the natural frequency error rate of the radiating plate is divided into 5% units and illustrated in different patterns.
도 15와 같이, 금속판이 티타늄을 포함하는 경우, 도면의 중앙 부분에 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 영역이 정의되고, 이 영역의 좌우측 각각에 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 초과 10% 이하인 영역과, 10% 초과 15% 이하인 영역이 순서대로 위치한다.As shown in FIG. 15, when the metal plate includes titanium, a region in which the natural frequency error rate of the radiating plate is 5% or less is defined in the center portion of the figure, and the natural frequency error rate of the radiating plate is greater than 5% on each of the left and right sides of the region. The area | region which is% or less, and the area | region which is more than 10% and 15% or less are located in order.
금속판이 티타늄을 포함하는 경우, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만일 수 있으며, 철부의 영률은 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하를 만족하는 특정한 범위를 가진다.When the metal plate is titanium, the density of the convex portions 0kg / m 3 greater than 1,600kg / m 3 may be less than, the Young's modulus of the convex portion is radial with respect to the specific density value that belongs to less than 0kg / m 3 greater than 1,600kg / m 3 plates Has a specific range where the natural frequency error rate of satisfies 5% or less.
구체적으로, 철부의 밀도가 400kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.5GPa 내지 3GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 800kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 1.2GPa 내지 4.2GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 1,200kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 2Gpa 내지 6GPa의 범위에 속할 수 있다.Specifically, when the density of the iron portion is 400kg / m 3 , the Young's modulus of the iron portion may be in the range of approximately 0.5GPa to 3GPa. When the density of the convex portion is 800 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex portion may be in the range of about 1.2 GPa to 4.2 GPa. When the density of the convex portion is 1,200 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex portion may be in the range of approximately 2 Gpa to 6 GPa.
도 15의 시뮬레이션 도면으로부터 공지의 다항식 회귀분석법을 이용하면 고유 진동수 오차율 5% 이하 영역의 왼쪽 경계선과 오른쪽 경계선을 2차 이상의 다항식 함수로 표현할 수 있다.By using a known polynomial regression method from the simulation diagram of FIG. 15, the left boundary line and the right boundary line of a region having a natural frequency error rate of 5% or less can be represented by a second or more polynomial function.
철부의 밀도(y)가 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만일 때, 철부의 영률(x)은 하기 수학식 (3)으로부터 도출되는 값보다 크고 하기 수학식 (4)로부터 도출되는 값보다 작은 값을 가진다. 즉 철부의 영률(Pa 단위)은 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 수학식 (3)으로부터 도출되는 최소값과 수학식 (4)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속할 수 있다.When the density of the convex portion (y) is 0kg / m 3 greater than 1,600kg / m 3 below, to the Young's modulus (x) of the convex portion is greater than the value derived from the following equation (3) than the value derived from the formula (4) It has a small value. That is the Young's modulus of the convex portion (Pa units) is in the range between the maximum value and the minimum value is derived from the equation (4) derived from the equation (3) with respect to a particular density value belonging to 0kg / m is less than 3 more than 1,600kg / m 3 Can belong to.
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4) x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3)
도 16은 도 15에 표시한 E 지점의 영률(2GPa)과 밀도(600kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 실시예 2의 방사판에서 철부 배치 전(a)과 후(b)의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 실시예 2에서 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 동일하며, 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 0.6%이다.FIG. 16 shows (a) and (b) before and after arranging the convex portions in the spinning plate of Example 2 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (2GPa) and a density (600 kg / m 3 ) of the point E shown in FIG. 15. It is a figure which shows the vibration mode. In Example 2, the vibration mode of the radiation plate is the same as that of the metal plate, and the natural frequency error rate of the radiation plate is approximately 0.6%.
도 17은 도 15에 도시한 F 지점의 영률(0.8GPa)과 밀도(1,400kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 4의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 16에 도시한 것과 동일하다. 비교예 4에 따른 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 상이하며, 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 35%이다.FIG. 17 is a diagram showing a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 4 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (0.8GPa) and a density (1,400 kg / m 3 ) of the point F shown in FIG. 15. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The vibration mode of the radiation plate according to Comparative Example 4 is different from the vibration mode of the metal plate, and the natural frequency error rate of the radiation plate is approximately 35%.
도 18은 도 15에 도시한 G 지점의 영률(7GPa)과 밀도(1,600kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 5의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 16에 도시한 것과 동일하다. 비교예 5에 따른 방사판은 고유 진동수 오차율이 대략 4.7%로서 5% 이하를 만족하지만, 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 상이하며, 의도하지 않은 진동 모드를 구현하고 있다.FIG. 18 is a view showing a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 5 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (7GPa) and a density (1,600 kg / m 3 ) of the point G shown in FIG. 15. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The radiation plate according to Comparative Example 5 has a natural frequency error rate of approximately 4.7% and satisfies 5% or less, but the vibration mode of the radiation plate is different from the vibration mode of the metal plate, and implements an unintended vibration mode.
진동 모드의 관점에서, 금속판이 티타늄을 포함할 때, 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만일 수 있다. 철부의 밀도가 1,600kg/m3 이상이면 도 18의 결과처럼 방사판의 진동 모드가 금속판의 진동 모드(철부 배치 전의 진동 모드)와 달라지므로 바람직하지 않다.In view of the vibration mode, when the metal plate includes titanium, the density of the convex portion may be greater than 0 kg / m 3 and less than 1600 kg / m 3 . If the density of the convex portion is 1,600 kg / m 3 or more, it is not preferable because the vibration mode of the radiating plate is different from the vibration mode of the metal plate (vibration mode before arranging the iron part) as shown in FIG. 18.
도 19는 도 15에 도시한 H 지점의 영률(7.5GPa)과 밀도(200kg/m3)를 가지는 복수의 철부를 구비한 비교예 6의 방사판의 진동 모드를 나타낸 도면이다. 철부 배치 전의 진동 모드는 도 16에 도시한 것과 동일하다. 비교예 6에 따른 방사판의 진동 모드는 금속판의 진동 모드와 동일하지만, 방사판의 고유 진동수 오차율은 대략 17%이다.FIG. 19 is a diagram illustrating a vibration mode of the radiation plate of Comparative Example 6 having a plurality of convex portions having a Young's modulus (7.5 GPa) and a density (200 kg / m 3 ) of the H point shown in FIG. 15. The vibration mode before convex part placement is the same as that shown in FIG. The vibration mode of the radiation plate according to Comparative Example 6 is the same as that of the metal plate, but the natural frequency error rate of the radiation plate is approximately 17%.
도 10과 도 15의 시뮬레이션 결과로부터 철부의 영률과 밀도가 결정되면, 결정된 영률과 밀도를 만족하는 고분자 물질이 철부의 재료로 선정된다. 예를 들어, 복수의 철부는 에폭시와 아크릴의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 고분자 물질의 혼합비와 첨가제의 종류 및 첨가제의 함량 등에 따라 원하는 영률과 밀도 조건을 만족하는 고분자 물질을 제작할 수 있다.When the Young's modulus and density of the iron portion are determined from the simulation results of FIGS. 10 and 15, a polymer material satisfying the determined Young's modulus and density is selected as the material of the iron portion. For example, the plurality of convex portions may include a mixture of epoxy and acrylic, but is not limited to this example. It is possible to produce a polymer material satisfying the desired Young's modulus and density conditions according to the mixing ratio of the polymer material, the type of the additive and the content of the additive.
일반적으로 기본 구조물에 추가 구조물이 부착되는 경우, 변형된 구조물은 기본 구조물과 다른 고유 진동수와 진동 모드를 가지게 된다. 변형된 구조물에서 추가 구조물이 차지하는 부피가 크더라도 물질의 영률과 밀도에 의해 결정되는 고유 진동수의 특성으로 인해 추가 구조물의 영률과 밀도가 적절하게 결정되면, 변형된 구조물은 기본 구조물과 같은 고유 진동수와 진동 모드를 가질 수 있다.In general, when the additional structure is attached to the base structure, the modified structure will have a natural frequency and vibration mode different from the base structure. In the deformed structure, even if the additional structure occupies a large volume, if the Young's modulus and density of the additional structure are properly determined due to the characteristics of the natural frequency determined by the Young's modulus and density of the material, then the deformed structure will not have the same natural frequency as the base structure. It may have a vibration mode.
방사판에서 복수의 철부는 금속판보다 더 큰 부피를 차지하지만, 단위 체적당 무게가 금속판보다 작은 고분자 물질로 형성되며, 시뮬레이션을 통해 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하가 되는 영률과 밀도 조건을 만족한다. 따라서 본 실시예의 방사판은 철부 배치 전, 후의 진동 모드를 동일하게 유지하면서 철부 배치 전, 후의 고유 진동수 오차율을 5% 이하로 유지할 수 있다.In the radiating plate, the plurality of convex portions occupy a larger volume than the metal plate, but are formed of a polymer material having a weight less than the metal plate per unit volume, and the simulation shows a Young's modulus and density condition in which the natural frequency error rate of the radiating plate is 5% or less. Satisfies. Therefore, the radiation plate of this embodiment can maintain the natural frequency error rate before and after the convex portion at 5% or less while maintaining the same vibration mode before and after the convex portion arrangement.
다음으로, 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사판의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Next, the manufacturing method of the radiation plate for an ultrasonic radiator is demonstrated. 20 is a process flowchart showing a method of manufacturing a spin plate according to an embodiment of the present invention.
도 20를 참고하면, 방사판의 제조 방법은 금속판의 형상과 크기 및 재료, 철부의 형상과 크기를 선정하는 제1 단계(S10)와, 철부의 영률과 밀도를 변화시키며 방사판의 고유 진동수 변화를 시뮬레이션하는 제2 단계(S20)와, 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 철부의 영률과 밀도 범위를 선정하는 제3 단계(S30)를 포함한다.Referring to FIG. 20, the manufacturing method of the spinning plate includes a first step (S10) of selecting a shape and a size and a material of a metal plate, a shape and a size of a steel plate, and changing the Young's modulus and density of the steel plate and changing a natural frequency of the spinning plate. And a third step (S30) of selecting a Young's modulus and a density range of the convex portion having a natural frequency error rate of 5% or less of the radiating plate.
또한, 방사판의 제조 방법은 제3 단계(S30)에서 선정된 영률과 밀도 조건을 만족하는 고분자 물질을 선택하여 철부의 재료로 선정하는 제4 단계(S40)와, 금속판과 복수의 철부를 실제 제작하는 제5 단계(S50)를 포함한다. 제1 단계 내지 제4 단계(S10, S20, S30, S40)는 설계 과정에 해당한다.In addition, the manufacturing method of the spinning plate is a fourth step (S40) of selecting a polymer material satisfying the Young's modulus and density conditions selected in the third step (S30) as the material of the iron portion, and the metal plate and the plurality of iron portions A fifth step (S50) to produce. The first to fourth steps S10, S20, S30, and S40 correspond to a design process.
도 6 내지 도 9 및 도 20을 참고하면, 제1 단계(S10)에서, 금속판(10)의 형상과 크기 및 재료와, 철부(20)의 형상과 크기가 선정된다. 금속판(10)은 일정한 두께의 원판이며, 알루미늄, 티타늄, 및 철 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속판(10)의 두께는 철부(20)의 최소 두께보다 작다. 철부(20)는 복수의 원형 고리를 포함하거나, 원형 돌기(21)와 복수의 원형 고리(22)를 포함할 수 있다.6 to 9 and 20, in the first step S10, the shape and size and material of the
금속판(10)의 형상과 크기 및 재료가 결정되면 금속판(10)의 진동 모드와 고유 진동수를 알 수 있다. 금속판(10)의 진동 모드와 고유 진동수는 철부(20) 배치 전 방사판의 진동 모드 및 고유 진동수에 해당한다.When the shape, size, and material of the
제2 단계(S20)에서, 철부(20)의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판(30)의 진동 모드와, 방사판(30)의 고유 진동수 변화를 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션한다. 방사판(30)의 고유 진동수 변화는 금속판(10)의 고유 진동수에 대한 변화율(오차율)로 계산할 수 있다. 도 10과 도 15는 각각 금속판이 알루미늄을 포함할 때와 티타늄을 포함할 때, 철부(20)의 영률과 밀도 변화에 따른 방사판(30)의 고유 진동수 오차율을 나타내고 있다.In the second step (S20), the vibration mode of the
제3 단계(S30)에서, 제2 단계(S20)의 시뮬레이션 결과로부터 방사판(30)의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 철부(20)의 영률과 밀도 범위를 선정한다. 이때 방사판(30)의 고유 진동수 오차율이 5% 이하를 충족하더라도 철부(20) 배치 전, 후의 진동 모드가 변할 수 있으므로, 진동 모드 변화를 추가로 시뮬레이션하여 진동 모드의 변화가 없는 철부(20)의 밀도 범위를 추가로 선정한다.In the third step (S30), the Young's modulus and density range of the
금속판(10)이 알루미늄을 포함하는 경우, 철부(20)의 밀도는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만일 수 있으며, 철부(20)의 영률(Pa 단위)은 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 하기 수학식 (1)로부터 도출되는 최소값과 하기 수학식 (2)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속할 수 있다.The
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1) x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2) x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172
구체적으로, 철부의 밀도가 300kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.5GPa 내지 2.1GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 500kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.9GPa 내지 2.7GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 700kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 1.3GPa 내지 3.5GPa의 범위에 속할 수 있다.Specifically, when the density of the iron portion is 300kg / m 3 , the Young's modulus of the iron portion may be in the range of approximately 0.5GPa to 2.1GPa. If the density of the convex part is 500 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex part may be in the range of approximately 0.9 GPa to 2.7 GPa. When the density of the convex part is 700 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex part may be in the range of about 1.3 GPa to 3.5 GPa.
금속판(10)이 티타늄을 포함하는 경우, 철부(20)의 밀도는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만일 수 있으며, 철부(20)의 영률(Pa 단위)은 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값에 대하여 하기 수학식 (3)으로부터 도출되는 최소값과 하기 수학식 (4)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속할 수 있다.The
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4) x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3)
구체적으로, 철부의 밀도가 400kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 0.5GPa 내지 3GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 800kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 1.2GPa 내지 4.2GPa의 범위에 속할 수 있다. 철부의 밀도가 1,200kg/m3인 경우, 철부의 영률은 대략 2GPa 내지 6GPa의 범위에 속할 수 있다.Specifically, when the density of the iron portion is 400kg / m 3 , the Young's modulus of the iron portion may be in the range of approximately 0.5GPa to 3GPa. When the density of the convex portion is 800 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex portion may be in the range of about 1.2 GPa to 4.2 GPa. When the density of the convex portion is 1,200 kg / m 3 , the Young's modulus of the convex portion may be in the range of approximately 2 GPa to 6 GPa.
전술한 조건을 만족할 때, 방사판(30)은 철부(20) 배치 전, 후의 진동 모드를 동일하에 유지하면서 철부(20) 배치 전, 후의 고유 진동수 오차율을 5% 이하로 유지할 수 있다.When the above-described conditions are satisfied, the radiating
제4 단계(S40)에서는 제3 단계(S30)에서 선정된 영률과 밀도 조건을 만족하는 고분자 물질이 선택되어 철부(20)의 재료로 선정된다. 예를 들어 철부(20)는 에폭시와 아크릴의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 선정된 영률과 밀도 조건을 만족하는 다양한 고분자 물질 중 어느 하나가 선택될 수 있다.In the fourth step S40, a polymer material satisfying the Young's modulus and the density condition selected in the third step S30 is selected and selected as the material of the
제5 단계(S50)는 제1 단계(S10)에서 선정된 금속판(10) 재료를 이용하여 실제 금속판(10)을 제작하는 과정과, 제4 단계(S40)에서 선정된 고분자 물질을 이용하여 금속판(10)의 방사면에 실제 복수의 철부(20)를 배치하는 과정을 포함한다.The fifth step S50 is a process of manufacturing the
예를 들어, 복수의 철부(20)에 대응하는 복수의 오목부를 구비한 몰드를 준비하고, 몰드의 오목부에 액상의 고분자 물질을 채우고, 금속판(10)의 방사면에 몰드를 밀착시켜 고분자 물질을 금속판(10)에 전사시키고, 전사된 고분자 물질을 경화시키는 과정을 통해 복수의 철부(20)를 금속판(10)에 고정시킬 수 있다.For example, a mold having a plurality of concave portions corresponding to the plurality of
다른 한편으로, 미리 제작된 복수의 철부(20)를 금속판(10)의 방사면에 접착제를 이용하여 부착하거나, 금속판(10) 위에 액상의 고분자 물질을 도포하여 굳힌 후 기계 가공 등의 방법으로 고분자 물질을 패터닝하여 복수의 철부(20)로 가공할 수도 있다.On the other hand, a plurality of
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.
10: 금속판 20: 철부
25: 요부 30: 방사판
40: 트랜스듀서 50: 압전 소자
60: 기계적 증폭부 100: 음파 발생 시스템
110: 신호 발생부 120: 신호 증폭부
130: 초음파 방사기10: metal plate 20: convex
25: main part 30: radiation plate
40: transducer 50: piezoelectric element
60: mechanical amplification unit 100: sound wave generation system
110: signal generator 120: signal amplifier
130: ultrasonic radiator
Claims (16)
상기 압전 소자의 진동을 증폭시키는 기계적 증폭부; 및
금속판과, 상기 금속판의 방사면에 위치하는 복수의 철부를 포함하며, 상기 기계적 증폭부로부터 증폭된 진동 신호를 받아 공기 중으로 초음파를 방사하는 방사판을 포함하고,
상기 복수의 철부는 고분자 물질을 포함하고, 상기 금속판의 두께보다 큰 두께를 가지며, 상기 금속판의 고유 진동수와 상기 방사판의 고유 진동수의 오차율이 5% 이하가 되는 영률과 밀도 조건을 만족하는 초음파 방사기.A transducer coupled to the piezoelectric element and converting the input electrical signal into a mechanical vibration signal of the piezoelectric element;
A mechanical amplifier for amplifying the vibration of the piezoelectric element; And
It includes a metal plate, and a plurality of convex parts located on the radiation surface of the metal plate, and comprises a radiation plate for receiving ultrasonic waves amplified from the mechanical amplification unit to emit ultrasonic waves into the air,
The plurality of convex portions include a polymer material and have a thickness greater than the thickness of the metal plate, and the ultrasonic radiator satisfies the Young's modulus and density conditions such that an error rate of the natural frequency of the metal plate and the natural frequency of the radiating plate is 5% or less. .
상기 금속판은 알루미늄을 포함하고,
상기 복수의 철부는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만의 밀도를 가지는 초음파 방사기.The method of claim 1,
The metal plate includes aluminum,
The plurality of convex portions having a density of more than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 .
상기 복수의 철부는 수학식 (1)로부터 도출되는 최소값과 수학식 (2)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속하는 영률을 가지는 초음파 방사기.
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1)
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.The method of claim 2,
And the plurality of convex portions have a Young's modulus falling within a range between a minimum value derived from Equation (1) and a maximum value derived from Equation (2).
x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302y 3 + 542y 2 + (1.34 × 10 6) y + 7.85 × 10 6 --- (1)
x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172y 4 + 13.7y 3 - 4970y 2 + (4.47 × 10 6) y + 9.10 × 10 8 --- (2)
Here, y represents a specific density value belonging to more than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 , and x represents a Young's modulus value Pa for a specific density value y.
상기 금속판은 티타늄을 포함하고,
상기 복수의 철부는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만의 밀도를 가지는 초음파 방사기.The method of claim 1,
The metal plate comprises titanium,
And said plurality of convex portions have a density of greater than 0 kg / m 3 and less than 1600 kg / m 3 .
상기 복수의 철부는 수학식 (3)로부터 도출되는 최소값과 수학식 (4)로부터 도출되는 최대값 사이의 범위에 속하는 영률을 가지는 초음파 방사기.
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.The method of claim 4, wherein
And the plurality of convex portions have a Young's modulus falling within a range between a minimum value derived from Equation (3) and a maximum value derived from Equation (4).
x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3) y 4 + 5.38y 3 - (3.15 × 10 3) y 2 + (4.26 × 10 6) y + 1.33 × 10 9 --- (4)
Here, y represents the specific density value that belongs to 0kg / m is less than 3 more than 1,600kg / m 3, x represents a Young's modulus value (Pa) for a given density value (y).
상기 복수의 철부는 동심원으로 이루며 배치된 복수의 원형 고리를 포함하는 초음파 방사기.The method according to any one of claims 1 to 5,
And the plurality of convex portions comprises a plurality of circular rings arranged concentrically.
상기 복수의 철부는 상기 금속판의 중앙에 위치하는 원형 돌기를 더 포함하는 초음파 방사기.The method of claim 6,
The plurality of convex portion further comprises a circular protrusion located in the center of the metal plate.
상기 복수의 철부는 에폭시와 아크릴의 혼합물을 포함하는 초음파 방사기.The method of claim 6,
And said plurality of convex portions comprises a mixture of epoxy and acrylic.
상기 금속판의 형상과 크기 및 재료, 상기 철부의 형상과 크기를 선정하고, 상기 철부의 영률과 밀도를 변화시키며 상기 방사판의 고유 진동수 변화를 시뮬레이션하는 단계;
상기 시뮬레이션 결과로부터 상기 방사판의 고유 진동수 오차율이 5% 이하인 상기 철부의 영률과 밀도 범위를 선정하는 단계;
상기 선정된 영률과 밀도 범위를 만족하는 고분자 물질을 선택하여 상기 철부의 재료로 선정하는 단계; 및
상기 선정된 형상과 크기 및 재료에 따라 상기 금속판과 상기 철부를 제작하는 단계를 포함하는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.A method of manufacturing a spin plate for an ultrasonic radiator comprising a metal plate and an iron part disposed on a radial surface of the metal plate and made of a polymer material,
Selecting a shape and a size and a material of the metal plate, a shape and a size of the convex portion, changing a Young's modulus and density of the convex portion, and simulating a natural frequency change of the radiating plate;
Selecting a Young's modulus and a density range of the convex portion whose natural frequency error rate of the radiating plate is 5% or less from the simulation result;
Selecting a polymer material satisfying the selected Young's modulus and density range as a material of the iron portion; And
And manufacturing the metal plate and the iron part according to the selected shape, size, and material.
상기 철부의 영률과 밀도 범위를 선정한 다음, 상기 철부 배치 전과 후의 상기 방사판의 진동 모드 변화를 시뮬레이션하여 진동 모드의 변화가 없는 상기 철부의 밀도 범위를 선정하는 단계를 더 포함하는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.The method of claim 9,
Selecting the Young's modulus and density range of the convex portion, and then simulating the vibration mode change of the radiating plate before and after the convex portion to select the density range of the convex portion without a change in the vibration mode further comprising: Method of preparation.
상기 금속판은 알루미늄을 포함하고,
상기 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만으로 선정되는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.The method of claim 10,
The metal plate includes aluminum,
Density of the convex portions 0kg / m 3 greater than 1,000kg / m ultrasonic emitter process for producing a radiation plate for being selected as less than 3.
상기 철부의 영률은 수학식 (1)로부터 도출되는 값보다 크고, 수학식 (2)로부터 도출되는 값보다 작은 값으로 선정되는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.
x = (1.31×10- 4)y4 - 0.0302y3 + 542y2 + (1.34×106)y + 7.85×106 --- (1)
x = (7.69×10- 6)y5 - 0.0172y4 + 13.7y3 - 4970y2 + (4.47×106)y + 9.10×108 --- (2)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,000kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.The method of claim 11,
The Young's modulus of the convex part is larger than the value derived from Equation (1), and the method of manufacturing a radiation plate for an ultrasonic radiator is selected to a value smaller than the value derived from Equation (2).
x = (1.31 × 10 - 4 ) y 4 - 0.0302y 3 + 542y 2 + (1.34 × 10 6) y + 7.85 × 10 6 --- (1)
x = (7.69 × 10 - 6 ) y 5 - 0.0172y 4 + 13.7y 3 - 4970y 2 + (4.47 × 10 6) y + 9.10 × 10 8 --- (2)
Here, y represents a specific density value belonging to more than 0 kg / m 3 and less than 1,000 kg / m 3 , and x represents a Young's modulus value Pa for a specific density value y.
상기 금속판은 티타늄을 포함하고,
상기 철부의 밀도는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만으로 선정되는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.The method of claim 10,
The metal plate comprises titanium,
Density of the convex portions 0kg / m 3 greater than 1,600kg / m ultrasonic emitter process for producing a radiation plate for being selected as less than 3.
상기 철부의 영률은 수학식 (3)으로부터 도출되는 값보다 크고, 수학식 (4)로부터 도출되는 값보다 작은 값으로 선정되는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.
x = 0.0503y3 + 292y2 + (1.34×106)y + 1.74×107 --- (3)
x = (1.23×10- 6)y5 - (4.28×10- 3)y4 + 5.38y3 - (3.15×103)y2 + (4.26×106)y + 1.33×109 --- (4)
여기서, y는 0kg/m3 초과 1,600kg/m3 미만에 속하는 특정 밀도 값을 나타내고, x는 특정 밀도 값(y)에 대한 영률 값(Pa)을 나타낸다.The method of claim 13,
The Young's modulus of the convex portion is larger than the value derived from Equation (3), and the method of manufacturing a radiation plate for an ultrasonic radiator is selected to a value smaller than the value derived from Equation (4).
x = 0.0503y 3 + 292y 2 + (1.34 × 10 6 ) y + 1.74 × 10 7 --- (3)
x = (1.23 × 10 - 6 ) y 5 - (4.28 × 10 - 3) y 4 + 5.38y 3 - (3.15 × 10 3) y 2 + (4.26 × 10 6) y + 1.33 × 10 9 --- (4)
Here, y represents the specific density value that belongs to 0kg / m is less than 3 more than 1,600kg / m 3, x represents a Young's modulus value (Pa) for a given density value (y).
상기 철부는 동심원을 이루며 배치된 복수의 원형 고리를 포함하는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.The method according to any one of claims 9 to 14,
The convex portion manufacturing method of the radiation plate for an ultrasonic radiator including a plurality of circular rings arranged in a concentric circle.
상기 철부는 상기 금속판의 중앙에 위치하는 원형 돌기를 더 포함하는 초음파 방사기용 방사판의 제조 방법.The method of claim 15,
The convex part further comprises a circular protrusion located at the center of the metal plate.
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