KR102075790B1 - 비접촉 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 비접촉 초음파 트랜스듀서를 제공한다. 여기서, 비접촉 초음파 트랜스튜서는 초음파 진동부, 매칭 레이어부, 흡수부 그리고 증폭부를 포함한다. 초음파 진동부는 초음파를 발생시킨다. 매칭 레이어부는 초음파 진동부의 전면(前面)에 구비되고 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 전방(前方)으로 방사한다. 흡수부는 초음파 진동부의 후면에 구비되고 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 흡수한다. 그리고, 증폭부는 매칭 레이어부의 전면(前面)에 구비되고, 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파를 증폭시킨다.

Description

비접촉 초음파 트랜스듀서{NON-CONTACT ULTRASONIC TRANSDUCER}
본 발명은 비접촉 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 비접촉 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
초음파 장치, 예를 들어 초음파 검사 장치는 초음파를 사람, 동물, 물체 등의 피검체에 조사하고, 피검체 내에서 반사되는 에코 신호를 검출하여 피검체 내 조직의 단층상 등을 모니터에 표시하고, 피검체의 검사에 필요한 정보를 제공한다.
초음파 검사는 접촉 초음파 검사와 비접촉 초음파 검사로 대별될 수 있으며, 접촉 초음파 검사는 물이나 접촉매질(Couplant)을 매개체로 초음파를 송수신하는 것으로, 일반적으로 많이 사용되는 방식이다.
한편, 비접촉 초음파 검사는 물이나 접촉매질 대신 공기(대기)를 매개체로 초음파를 송수신하는 것으로, 공기접합 초음파 검사(Air-Coupled Ultrasonic Test)라고도 한다.
공기접합 초음파 검사는 복합재와 같이 다공성 물질에 적용이 용이한 검사법으로 초음파의 감쇠(attenuation of ultrasonic)가 심하여 50 ~ 500 kHz 대역의 저주파수 대역에서 주로 사용되고 있다. 이때 사용되는 탐촉자(Transducer)가 공기접합 초음파 탐촉자(Air-coupled ultrasonic Transducer)이다. 주된 응용분야는 항공기, 우주, 건축 자재 등에 사용되는 복합재료의 비파괴 검사 분야이다.
일반적인 접촉 초음파 검사는 탐촉자와 탐상면 사이에 물 또는 액체를 넣고 탐상을 진행하므로 검사 대상체가 물 또는 액체에 노출이 되는 경우가 많으며, 대상체의 표면의 미세한 요철이나 조직이 존재하는 경우나 섬유질 물질인 경우에는 접촉식 초음파 검사 적용이 어려워진다. 반면 공기접합 초음파 검사는 검사면과의 직접적인 접촉 없이 비접촉 검사가 가능하므로 대상체의 오염 우려가 없다는 장점이 있다. 그래서 수침법을 사용할 수 없는 검사대상체인 나무, 종이, 다공성(Porous) 재료 또는 높은 온도를 가지는 물질을 검사할 때 적용이 가능하다.
그러나, 공기와 대상 물질과의 임피던스 (Impedance) 차이로 인하여 물 또는 접촉매질을 매개체로 하는 초음파 검사에 비해 많은 양의 파동 에너지를 물질 내부로 침투시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 공기접합 초음파 검사는 물이나 접촉매질을 매개체로 하는 초음파 검사에 비해 파워가 낮은 초음파 신호 또는 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 낮은 신호를 얻게 된다. 또한, 접촉 초음파 검사에 비해 저주파인 관계로, 해상도가 낮다는 단점이 있다.
따라서 공기접합 초음파 검사법 성능향상을 위해서는 공기접합 초음파 트랜스듀서의 송수신 초음파 신호를 증폭시킬 필요성이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0023154호(2016.03.03. 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있는 비접촉 초음파 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 초음파를 발생시키는 초음파 진동부; 상기 초음파 진동부의 전면(前面)에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 전방(前方)으로 방사하는 매칭 레이어부; 상기 초음파 진동부의 후면에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 흡수하는 흡수부; 및 상기 매칭 레이어부의 전면(前面)에 구비되고, 상기 매칭 레이어부에서 방사되는 상기 초음파를 증폭시키며, 동심축을 가지는 복수의 링을 구비하는 증폭부;를 포함하고, 각각의 상기 링은 제1폭을 가지도록 형성되며, 각각의 상기 링의 사이에는 제2폭을 가지는 슬릿이 형성되며, 상기 매칭 레이어부에 대향되는 상기 복수의 링의 후면에는 상기 매칭 레이어부 및 상기 복수의 링의 사이가 이격되어 공기층이 형성되도록 하여 음향 신호 손실이 줄어 증폭이 용이해지도록 스페이서가 돌출 형성되고, 상기 스페이서의 돌출 높이는 상기 초음파의 작동파장(λ)/100 미만인 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 증폭부는 상기 복수의 링의 지름방향으로 구비되어 상기 복수의 링을 연결하는 연결바를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서는 각각의 상기 링에 방사상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서는 각각의 상기 링에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 상기 초음파의 작동파장에 기초하여 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 각각의 링은 원형링 또는 사각링 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 증폭부에서 증폭되는 초음파가 방사되어 상기 증폭부의 전방의 제1지점에서 집중되도록, 상기 복수의 링의 전면(前面)은 연속되는 오목면으로 형성되고, 상기 복수의 링의 후면은 연속되는 볼록면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 초음파 진동부 및 상기 매칭 레이어부의 외주면을 감싸도록 구비되고, 전(前)단부가 상기 증폭부의 후면에 밀착되는 케이스부; 및 상기 케이스부의 외주면을 감싸는 하우징과, 상기 하우징의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성되고 상기 증폭부의 전면(前面) 테두리에 밀착되어 상기 증폭부를 상기 매칭 레이어부에 밀착 고정시키는 플랜지를 가지는 클램핑부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 증폭부는 상기 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 불일치되는 제3공진주파수를 가지도록 형성되고, 상기 제3공진주파수는 상기 작동주파수의 제1밴드폭보다 큰 제2밴드폭으로 만들어지고, 상기 작동주파수의 제1펄스보다 좁은 제2펄스로 만들어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 증폭부는 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 제2공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 증폭부에 제2공진주파수와 일치되는 작동주파수를 가지는 초음파가 가해지면, 증폭부에서 공진 현상이 발생할 수 있고, 초음파가 증폭되어 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있다. 이를 통해, 매칭 레이버부에서 방사하는 초음파 신호의 펄스의 세기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 매칭 레이어부 및 증폭부의 사이에 공기층의 존재로 인해 증폭부가 제2공진주파수를 형성하는데 거의 영향을 끼치지 않을 수 있다. 따라서, 증폭부의 제2공진주파수를 설계함에 있어, 링의 제1폭, 슬릿의 제2폭, 공기층의 두께, 스페이서의 높이를 조절하여 제2공진주파수가 설계될 수 있으며, 이는 제2공진주파수의 설계가 더욱 용이해질 수 있도록 하는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2공진주파수를 작동주파수와 불일치시켜 광대역 초음파를 형성할 수 있다. 이를 통해, 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파 신호의 펄스의 폭을 좁힐 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 증폭부의 일면에 스페이서가 형성됨으로 인해, 기존의 비접촉 초음파 트랜스듀서에 탈부착하여 사용이 가능하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 평면도이다.
도 5는 도 3의 B-B선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부의 작동예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부의 스페이서를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 공진주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 광대역 주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서와 종래의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 비접촉 초음파 트랜스듀서는 초음파 진동부(100), 매칭 레이어부(200), 흡수부(300) 그리고 증폭부(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 초음파 진동부(100), 매칭 레이어부(200), 흡수부(300) 그리고 증폭부(400)는 동일한 중심축을 가질 수 있으며, 상기 중심축의 길이방향을 따라 구비될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상, 흡수부(300)에서 증폭부(400)를 향하는 방향을 기준으로 전(前) 및 후(後)로 구분하여 설명한다. 예를 들어, 증폭부(400)를 향하는 흡수부(300)의 일면은 전(前)면으로, 흡수부(300)에서 증폭부(400)를 향하는 방향은 전(前)방으로 한다. 그리고, 흡수부(300)를 향하는 증폭부(400)의 일면은 후면으로, 증폭부(400)에서 흡수부(300)를 향하는 방향은 후방으로 하여 설명한다.
상세히, 초음파 진동부(100)는 초음파를 발생시킬 수 있다. 초음파 진동부(100)는 능동소자(Active Element)일 수 있으며, 예를 들면, 압전소자일 수 있다.
매칭 레이어부(200)는 초음파 진동부(100)의 전(前)면에 구비될 수 있으며, 초음파 진동부(100)에서 발생시키는 초음파를 전(前)방으로 방사할 수 있다.
초음파 진동부(100)가 압전소자인 경우, 매칭 레이어부(200)는 압전소자에서 발생되는 초음파의 작동파장에 따라 두께가 달라질 수 있다. 예를 들어, 작동파장이 λ인 경우, 매칭 레이어부(200)의 두께는 λ/4 일 수 있다. 매칭 레이어부(200)는 압전소자의 형상에 대응되도록 형성될 수 있다.
매칭 레이어부(200)는 초음파 진동부(100)와 공기 사이의 임피던스 차이를 개선할 수 있으며, 초음파의 투과성을 증가시킬 수 있다.
흡수부(300)는 초음파 진동부(100)의 후면에 구비될 수 있다. 흡수부(300)는 초음파 진동부(100)에서 발생시키는 초음파를 흡수함으로써 초음파 진동부(100)의 후방에서 진동이 제한되도록 하는 댐퍼 역할을 할 수 있다.
흡수부(300)는 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 흡수부(300)에 전달되는 초음파를 산란 또는 흡수하여 제거할 수 있으며, 이에 따라, 분해능이 높아지고 주파수 대역폭이 넓혀질 수 있다.
증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)의 전(前)면에 구비될 수 있다. 증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 일치되는 제2공진주파수를 가지도록 형성될 수 있다.
제2공진주파수를 가지는 증폭부(400)에 제2공진주파수와 일치되는 작동주파수를 가지는 초음파가 가해지면, 증폭부(400)에서 공진 현상이 발생할 수 있고, 초음파가 증폭되어 공기 중 초음파 출력이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 평면도이고, 도 5는 도 3의 B-B선 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부의 작동예를 설명하기 위한 예시도이다. 이하에서는 도 3 내지 도 6을 더 포함하여 설명한다.
도 3 내지 도 6을 더 포함하여 보는 바와 같이, 증폭부(400)는 복수의 링(410)과 연결바(420)를 가질 수 있다.
각각의 링(410)은 동심축을 가질 수 있다. 각각의 링(410)은 제1폭(W1)으로 형성될 수 있으며, 동일한 두께(T1)를 가질 수 있다.
각각의 링(410)의 사이에는 슬릿(430)이 형성될 수 있다. 슬릿(430)은 각각의 링(410) 사이에 이격된 간격일 수 있으며, 슬릿(430)은 제2폭(W2)을 가질 수 있다. 즉, 각각의 링(410)은 이웃하는 다른 링과 제2폭(W2)의 간격으로 이격되어 마련될 수 있다.
제2폭(W2)은 λ/10 미만일 수 있고, 제1폭(W1)/5 미만일 수 있다.
연결바(420)는 복수의 링(410)을 연결하여, 복수의 링(410)이 제2폭(W2)으로 이격된 상태가 유지되도록 할 수 있다.
각각의 링(410)이 고정될 수 있도록 충분한 강성을 제공하면서도 슬릿(430)의 단면적 중에 연결바(420)에 의해 가려지는 면적이 작아질 수 있도록, 연결바(420)의 폭은 적절하게 조절될 수 있다.
또한, 하나의 연결바(420)에 의해 복수의 링(410)이 결합 및 고정될 수 있도록, 연결바(420)는 링(410)의 지름방향으로 구비될 수 있다.
그리고, 매칭 레이어부(200)에 대향되는 복수의 링(410)의 후면에는 스페이서가 돌출 형성될 수 있다.
스페이서는 매칭 레이어부(200)의 전면에 밀착될 수 있다. 이에 따라, 각각의 링(410)의 후면과 매칭 레이어부(200)의 전면의 사이가 이격될 수 있으며, 각각의 링(410)의 후면과 매칭 레이어부(200)의 전면 사이에는 공기층(AV)이 형성될 수 있다. 공기층(AV)은 새로운 임피던스 레이어층을 형성할 수 있다.
스페이서는 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 링(410)의 재료의 질감이나 표면거칠기(Surface Roughness)에 의해서 형성되는 자연스러운 스페이서(411a)의 형태일 수 있다.
또는, 스페이서는 인위적인 구조로 형성될 수 있는데, 도 5의 (c)에서 보는 바와 같이 링(410)의 표면에 조밀하게 형성되는 멀티 스페이서(411b)의 형태이거나, 도 5의 (d)에서 보는 바와 같이 링(410)의 표면에 형성하는 싱글 스페이서(411c)의 형태일 수도 있다.
이하에서는 설명의 편의상 멀티 스페이서(411b) 형태의 스페이서를 기준으로 하여 설명한다.
스페이서(411b)의 돌출 높이(T2)는 λ/100 미만일 수 있으며, 스페이서(411b)의 돌출 높이(T2)는 슬릿(430)의 제2폭(W2)보다 작을 수 있다.
연결바(420)는 각각의 링(410)의 후단부에 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각의 링(410)의 전단부에 구비될 수도 있다.
연결바(420)가 각각의 링(410)의 후단부에 구비되는 경우, 연결바(420)는 연결바(420)의 후면이 각각의 링(410)의 후면에 대응되도록 결합될 수 있다. 또한, 이 경우, 연결바(420)의 후면에는 각각의 링(410)에 형성되는 스페이서(411b)와 동일한 형태의 스페이서가 더 형성될 수 있다.
증폭부(400)는 매칭 레이어부(200)와 일체로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되지 않고 별도로 제조되어 조립될 수도 있다.
증폭부(400)가 별도로 제조되어 조립되는 경우, 증폭부(400)는 기존 상용제품인 비접촉 초음파 트랜스듀서에 결합하여 사용될 수 있다. 그리고, 증폭부(400)는 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서에 탈부착이 가능할 수 있으며, 증폭부는 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서의 형상에 적합하도록 설계될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부의 스페이서를 나타낸 예시도이다.
도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 스페이서(411d)는 각각의 링(410)에 방사상으로 형성될 수 있다. 그러나 스페이서의 형상이 반드시 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 도 7의 (b)에서 보는 바와 같이, 스페이서(411e)는 각각의 링(410)에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 공진주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다. 여기서, 도 8의 (a) 및 (b)는 슬릿에서의 공명을 나타낸 것이고, (c)는 갭에서의 공명을 나타낸 것이다.
도 6 및 도 8에서 보는 바와 같이, 증폭부(400)의 제2공진주파수는 슬릿(430)의 제2폭(W2), 링(410)의 제1폭(W1) 및 스페이서의 높이(T2)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 슬릿(430)에 의해 형성된 관내의 음파의 공명조건은 음향학적으로 막힌관 구조 형상이고, 또한 스페이서(411b)에 의해 형성된 공기층에 의해 영향을 받을 수 있다.
그리고, 증폭부(400)는 링(410)의 제1폭(W1) 및 슬릿(430)의 제2폭(W2)의 합의 구조물 주기(Λ)를 가질 수 있으며, 구조물 주기(Λ)가 파장보다 작기 때문에, 고차 모드(higher order modes) 발생에 의한 소멸파 발생(Evanescent wave)이 이루어질 수 있다. 이로 인해 부가적인 음향학적인 리액턴스(Reactance)가 발생할 수 있으며, 부가적인 리액턴스로 인해 주기적인 구조물과 외부환경과의 반응하는 방사 임피던스(radiation impedance)는 블로스 이론(Bloch theory)에 의해 [수학식 1]과 같이 표현이 가능할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018064367571-pat00001
여기서, ρ는 공기의 밀도, c는 공기의 속도, Λ는 구조물 주기, ε= W2/Λ, n은 정수를 의미한다.
또한, 증폭부(400)의 주기적인 슬릿(430)내에서의 음향학적인 관계식은 [수학식 2]와 같이 도파관 내부의 파동 전파식으로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018064367571-pat00002
여기서, Pin은 슬릿(430)의 전단의 소리의 압력이고, Uin은 슬릿(430)의 전단의 소리의 속도이고, Pout은 슬릿(430)의 스페이서(411b)와 만나는 후단의 소리의 압력이고, Uout은 슬릿(430)의 스페이서(411b)와 만나는 후단의 소리의 속도이고, i는 SQRT(-1)을 의미하는 복소수이다. 그리고, k는 파수(wavenumber)로서 ω/c를 의미하며, 여기서, ω= 2πf이고, f는 주파수, c는 슬릿내의 공기의 속도이다.
그리고, 주기적인 구조물인 링(410) 및 슬릿(430)과, 스페이서(411b)에 형성된 공기층(AV)에 의해 슬릿(430) 아래부분에 형성된 음향학적 임피던스는 [수학식 3]과 같이 표현이 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112018064367571-pat00003
여기서, x = λ/Λ를 의미한다.
물리적으로, 슬릿(430) 내부에서의 음향학적인 공명조건은 λ~(4×T1)/n (n=1,3,5,7,9,....)로 주어질 수 있다. 여기서, T1은 링(410)의 두께이자 슬릿(430)의 두께이다.
또한, 임피더스 매칭부분과 링(410) 부분에서 형성된 공기층(AV)에 의해 원주방향으로 공진현상이 발생할 수 있다.
특히, 원형모양의 링(410)이 주기적으로 배열되어 있기 때문에, 소리가 주기적인 구조물을 통과할 때, 대칭면의 경계면에서 음파가 서로 만나서 속도 구배가 0인 지점이 존재할 수 있다. 따라서, 새로운 하드월(hard-wall) 경계 조건에 의해, 공기층(AV)에 형성된 파장보다 매우 작은 갭에 의해 발생하는 공진주파수가 발생할 수 있으며, 이때, 갭에 형성된 공진주파수의 파장은 구조물의 주기와 스페이서 갭에 의해 결정될 수 있다. 실제로, 초음파 임피던스 경계면에 느끼는 음압 구배 분포는 슬릿(430)에 의한 공진현상과 공기층(AV)에 형성된 스페이서(411b)에 생긴 공진현상에 의해 결정될 수 있으며, 이러한 공진현상에 의해 임피던스 경계층의 음압 구배 분포를 얻을 수 있다.
스페이서(411b)로 인한 공기층(AV)에 발생된 공진현상의 공진주파수는 [수학식 3]에서 얻을 수 있다. [수학식 3]에서 알 수 있듯이, 공기층(AV)에 형성된 음향학적 임피던스는 두 개의 텀(term)으로 구성될 수 있다. 첫 번째 텀(term)은 스페이서(411b)의 공기층의 존재로 인해 컴플라이언스(compliance)를 나타내고, 두번째 텀(term)은 고차모드(higher order mode)에 의한 어코스틱 매스(acoustic mass) 또는 인덕턴스(inductance)를 의미할 수 있다. 실제로 Zg=0을 만족하는 조건일 때, 스페이서(411b)에 생성된 공기층(AV) 갭에 의해 형성된 공명조건을 구할 수 있다. 그리고 이러한 공명조건은 λ~ 2Λ인 조건에서 만족될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 초음파 증폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 더 포함하여 보는 바와 같이, 초음파 진동부(100)에서 발생되고 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파(UW1)가 예를 들어, 중심주파수(F0), 제1주파수(F1) 및 제2주파수(F2) 사이의 밴드폭(BW)을 가지며, -3dB의 반전력을 가지는 작동주파수를 가지고, 슬릿(430)의 제2폭(W2), 스페이서(411)의 돌출 높이(T2) 및 링(410)의 두께(T1)를 조절하여 증폭부(400)가 작동주파수와 일치되는 제2공진주파수를 가지도록 형성되면, 매칭 레이어부(200)에서 방사되는 초음파(UW1)가 증폭부(400)에 가해지면 증폭부(400)에서는 제1진폭(A1)에서 제2진폭(A2)만큼 진폭이 증가된 초음파(UW2)가 방사될 수 있다.
이처럼, 비접촉 초음파 트랜스듀서에 외부에서 펄스 신호(Pulse signal)를 가하게 되면, 민감도가 향상된 초음파 소자의 음향 신호 특성 때문에 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스 신호 세기를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서에서 광대역 주파수가 생성되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10을 더 포함하여 보는 바와 같이, 슬릿(430)의 제2폭(W2), 스페이서(411b)의 돌출 높이(T2) 및 링(410)의 두께(T1)를 조절하여 증폭부(400)가 작동주파수(UW1)와 살짝 불일치하게 제3공진주파수(UW3)를 가지도록 형성되면, 즉, 작동주파수(UW1)의 중심주파수(F0)와 살짝 불일치하는 다른 중심주파수(F3)를 가지는 제3공진주파수(UW3)가 형성되면, 제3공진주파수(UW3)는 제2주파수(F2) 및 제3주파수(F4) 사이의 제2밴드폭(BW2)을 가질 수 있다. 제2밴드폭(BW2)은 작동주파수(UW1)가 가지는 제1주파수(F1) 및 제2주파수(F2) 사이의 제1밴드폭(BW1)보다 클 수 있다. 또한, 제3공진주파수(UW3)는 작동주파수(UW1)의 제1펄스포다 큰 제2펄스를 가지도록 만들어질 수 있으며, 이에 따라, 광대역 초음파를 생성할 수 있다. 그리고 이러한 방법을 이용하면, 기존 비접촉 초음파 트랜스듀서보다 훨씬 높은 주파수 대역을 커버할 수 있는 광대역 센서를 구현할 수 있다. 즉, 외부에서 펄스 신호를 가하면, 매칭 레이어부(200)에서 방사하는 초음파 신호의 펄스의 폭을 좁일 수 있다. 다시 말하면, 초음파 펄스 신호폭을 효과적으로 감쇠할 수 있다.
그리고, 비접촉 초음파 트랜스듀서는 케이스부(500) 및 클램핑부(600)를 포함할 수 있다.
케이스부(500)는 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 케이스부(500)는 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)의 외주면에 밀착되어 초음파 진동부(100) 및 매칭 레이어부(200)를 고정시킬 수 있다.
케이스부(500)는 흡수부(300)를 더 감싸도록 형성될 수도 있다.
케이스부(500)의 후방에는 초음파 진동부(100)에 전원과 제어신호를 전송하는 전송선(미도시)과, 초음파 진동부(100)와 연결되어 전기적 신호를 송수신하기 위한 커넥터(미도시)의 신호선(미도시)이 내측에 수용되는 케이블(710)이 연결될 수 있다.
케이스부(500)의 전(前)단부는 증폭부(400)의 후면에 밀착될 수 있다.
클램핑부(600)는 하우징(610)과 플랜지(620)를 가질 수 있다.
하우징(610)은 케이스부(500)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 하우징(610)은 케이스부(500)에 밀착결합될 수 있다.
플랜지(620)는 하우징(610)의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성될 수 있다. 플랜지(620)는 증폭부(400)의 전(前)면 테두리에 밀착될 수 있으며, 증폭부(400)를 매칭 레이어부(200)의 방향으로 가압하여 증폭부(400)가 매칭 레이어부(200)에 밀착 고정되도록 할 수 있다.
한편, 각각의 링(410)은 도시된 것과 같은 원형링의 형상에 한정되는 것은 아니며, 사각링의 형상으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 매칭 레이어부(200), 초음파 진동부(100), 흡수부(300), 케이스부(500) 및 클램핑부(600)도 사각형상의 단면적을 가지도록 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서와 종래의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코(Pulse-Echo)를 나타낸 그래프이다. 도 11은 50kHz 대역의 비접촉 초음파 트랜스듀서의 펄스-에코 신호를 나타낸 것으로, 반사체에 50kHz 대역의 초음파를 방사한 후 수신하고, 펄스 리스버(Pulse Receiver)에서 분석하였다.
도 11의 (a)는 증폭부(400)가 생략된 상태에서의 펄스-에코 신호를 나타낸 것이고, 도 11의 (b)는 도 11의 (a)와 동일한 조건 하에서 증폭부(400)를 결합하여 진행한 펄스-에코 신호를 나타낸다. 도 11의 (a)에서 보는 바와 같이, 증폭부(400)가 생략된 상태의 비접촉 초음파 트랜스듀서에서는 0.0015초 부근에서 전압의 변동크기가 작은 반면, 도 11의 (b)에서 보는 바와 같이 증폭부(400)가 결합된 상태의 비접촉 초음파 트랜스듀서에서는 0.0015초 부근에서 전압의 변동크기가 상대적으로 크게 나타난다. 이를 통해, 증폭부(400)를 이용하면 에코 신호가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉 초음파 트랜스듀서의 증폭부를 나타낸 예시도이다. 본 실시예에서는 증폭부의 형상이 다를 수 있으며, 다른 구성은 전술한 일실시예와 동일하므로, 반복되는 내용은 최대한 생략한다.
도 12에서 보는 바와 같이, 증폭부(400a)의 각각의 링(410a)의 전(前)면은 연속되는 오목면(415)으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 증폭부(400a)에서 증폭되는 초음파는 증폭부(400a)의 전방의 제1지점(P)에 집중되도록 방사될 수 있다.
각각의 링(410a)은 동일한 높이로 형성될 수 있으며, 따라서, 각각의 링(410a)의 후면은 연속되는 볼록면(416)으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 매칭 레이어부의 전(前)면도 볼록면(416)에 대응되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해, 증폭부(400a) 및 매칭 레이어부 사이의 공기층의 두께가 일정하게 될 수 있다.
볼록면(416)은 오목면(415)에 대응되도록 형성될 수 있으며, 따라서, 매칭 레이어부의 전(前)면은 증폭부(400a)의 전(前)면과 동일한 형태로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 초음파 진동부
200: 매칭 레이어부
300: 흡수부
400, 400a: 증폭부
410, 410a: 링
411a, 411b, 411c, 411d, 411e: 스페이서
415: 제1오목면
416: 제2오목면
420: 연결바
430: 슬릿
500: 케이스부
600: 클램핑부
T1: (링의) 두께
T2: (스페이서의) 돌출 높이
W1: (링의) 제1폭
W2: (슬릿의) 제2폭
Λ: 구조물 주기

Claims (10)

  1. 초음파를 발생시키는 초음파 진동부;
    상기 초음파 진동부의 전면(前面)에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 전방(前方)으로 방사하는 매칭 레이어부;
    상기 초음파 진동부의 후면에 구비되고 상기 초음파 진동부에서 발생시키는 초음파를 흡수하는 흡수부; 및
    상기 매칭 레이어부의 전면(前面)에 구비되고, 상기 매칭 레이어부에서 방사되는 상기 초음파를 증폭시키며, 동심축을 가지는 복수의 링을 구비하는 증폭부;를 포함하고,
    각각의 상기 링은 제1폭을 가지도록 형성되며, 각각의 상기 링의 사이에는 제2폭을 가지는 슬릿이 형성되며,
    상기 매칭 레이어부에 대향되는 상기 복수의 링의 후면에는 상기 매칭 레이어부 및 상기 복수의 링의 사이가 이격되어 공기층이 형성되도록 하여 음향 신호 손실이 줄어 증폭이 용이해지도록 스페이서가 돌출 형성되고,
    상기 스페이서의 돌출 높이는 상기 초음파의 작동파장(λ)/100 미만인 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는 상기 복수의 링의 지름방향으로 구비되어 상기 복수의 링을 연결하는 연결바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 각각의 상기 링에 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 각각의 상기 링에 원주방향을 따라 연장되도록 형성되되, 상기 초음파의 작동파장에 기초하여 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 링은 원형링 또는 사각링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부에서 증폭되는 초음파가 방사되어 상기 증폭부의 전방의 제1지점에서 집중되도록, 상기 복수의 링의 전면(前面)은 연속되는 오목면으로 형성되고, 상기 복수의 링의 후면은 연속되는 볼록면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 진동부 및 상기 매칭 레이어부의 외주면을 감싸도록 구비되고, 전(前)단부가 상기 증폭부의 후면에 밀착되는 케이스부; 및
    상기 케이스부의 외주면을 감싸는 하우징과, 상기 하우징의 전(前)단부에서 중심방향으로 연장 형성되고 상기 증폭부의 전면(前面) 테두리에 밀착되어 상기 증폭부를 상기 매칭 레이어부에 밀착 고정시키는 플랜지를 가지는 클램핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는
    상기 매칭 레이어부에서 방사되는 초음파의 작동주파수와 불일치되는 제3공진주파수를 가지도록 형성되고, 상기 제3공진주파수는 상기 작동주파수의 제1밴드폭보다 큰 제2밴드폭으로 만들어지고, 상기 작동주파수의 제1펄스보다 좁은 제2펄스로 만들어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 초음파 트랜스듀서.
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