KR102151358B1 - 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치 - Google Patents

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이학주
곽준혁
박종진
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 음파발생수단에서 발생하는 음파가 지향성을 갖게 하여 특정방향으로 방사되도록 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 음파를 발생시키는 음파발생수단; 및 상기 음파발생수단이 중심에 설치되어 표면을 통해 상기 음파를 외부로 방사사하고 복수 개의 단위셀로 이루어지며 상기 단위셀의 표면에 적어도 하나의 홈이 형성되고 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이에 따라 상기 음파의 방사각도가 결정되는 평판플레이트;를 포함하고, 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는 기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 개별 표면 어드미턴스에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 기술적 요지로 한다.

Description

홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치{Holographic based directional sound appartus}
본 발명은 음파발생수단에서 발생하는 음파가 지향성을 갖게 하여 특정방향으로 방사되도록 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
통상의 음향 장치는 음파의 방사 방향이 없는 무지향성을 가짐에 따라 음파가 방향성 없이 모든 방향으로 방사하게 된다. 그리고 통상의 음향 장치는 음파가 방향성 없이 방사됨에 따라 모든 방향으로 분산될 수밖에 없다. 따라서 통상의 음향 장치는 음파가 원하는 특정방향으로 방사되지도 않고 특정거리까지도 전달되지도 않는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 음파발생수단의 외각이나 전방에 차단판이나 혼 등을 설치하여 음파발생수단에서 송출되는 음파가 특정 방향으로 방사되도록 안내하는 음향 장치나, 복수 개의 음파발생수단을 방사상 등의 일정형태로 배열하고 그 배열 형태가 유지되도록 고정부재로 고정하여 각각의 음파발생수단에서 송출되는 음파가 특정방향으로 방사되도록 안내하는 음향 장치 등이 개발되고 있다.
그러나 이러한 음향 장치들은 음파발생수단에 차단판이나 혼 등이 부설되거나 복수 개의 음파발생수단을 이용하고 이들을 지지하기 위한 고정구조가 별도로 필요함에 따라 부피가 크게 증가하고 부피가 증가한 만큼 넓은 설치공간도 확보되어야 하므로 설치가 용이하지 않고 설치공간 부족시 설치가 곤란한 문제점이 있다.
그리하여 음향 응용 분야에서는 부피를 최소화하여 공간 활용도를 높이고 설치에 따른 제약을 해소하면서 음파를 특정방향으로 방사할 수 있는 지향성 음향 장치에 대한 연구 개발을 진행하고 있다.
이러한 연구 개발의 결과로 표면 어드미턴스를 주기적인 사인함수 혹은 코사인 함수로 구성하여 특정 주파수에서 높은 지향성을 갖도록 함으로써 음파를 특정방향으로 방사할 수 있는 지향성 음향 장치가 개발되었는데, 이는 음파를 발생하는 음파발생부와, 음파발생부가 중심에 설치되고 표면에 복수 개의 홈이 함몰 형성된 평판플레이트를 포함하는 구조를 가진다.
즉, 홈의 깊이와 폭 및 간격 치수에 따라 평판플레이트의 표면 어드미턴스가 결정되면서 음파발생부에서 발생된 음파가 평판플레이트의 표면에서 수직방향으로 방사되는 지향성을 갖게 한 것이다.
그러나 표면 어드미턴스를 이용한 지향성 음향 장치는 평판플레이트의 표면에 형성된 홈의 깊이와 폭 및 간격에 따라 음파를 평판플레이트의 수직방향으로만 방사할 수 있을 뿐이고 음파를 수직방향이 아닌 다른 방향으로는 방사할 수 없는 한계가 있다.
이러한 한계로 인해 음파의 송출 방향을 특정방향으로 맞추기 위해서는 평판플레이트를 별도의 고정부재로 고정하여 그 설치각도를 음파의 송출 방향에 대응되게 조정해야 하므로 고정부재의 추가로 인해 구조가 복잡해지고 부피도 증가되면서 제조비용이 증가하고 설치공간을 많이 차지하고 설치에 따른 제약도 여전히 있다.
따라서 구조를 단순화하고 부피를 최소화하여 제조비용을 절감하고 설치공간을 줄이며 설치 제약을 없애기 위해서는 평판플레이트의 설치각도를 임의로 조정하지 않고 평판플레이트의 표면을 통해 방사되는 음파의 방향을 기설정된 방향으로 조정할 수 있도록 지향성 음향 장치의 구조 개선이 절실한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1619369호, 2016.05.02.자 등록. 대한민국 등록특허공보 제10-1751749호, 2017.06.22.자 등록. 대한민국 등록특허공보 제10-1975022호, 2019.04.26.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 구조를 단순화하고 부피를 최소화하여 제조비용을 절감하고 설치공간을 줄이며 설치에 따른 제약을 해소할 수 있도록 평판플레이트의 설치각도를 임의로 조정할 필요 없이 평판플레이트의 표면을 통해 전방으로 방사되는 음파의 방향을 기설정된 방향에 대응되게 조정할 수 있는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 음파를 발생시키는 음파발생수단; 및 상기 음파발생수단이 중심에 설치되어 표면을 통해 상기 음파를 외부로 방사사하고 복수 개의 단위셀로 이루어지며 상기 단위셀의 표면에 적어도 하나의 홈이 형성되고 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이에 따라 상기 음파의 방사각도가 결정되는 평판플레이트;를 포함하고, 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는 기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 개별 표면 어드미턴스에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명은 하기와 같은 효과들을 기대할 수 있다.
먼저, 평판플레이트의 표면에 구비된 홈의 깊이 변화를 통해 평판플레이트의 표면을 통해 방사되는 음파를 원하는 방사각도로 조정 가능함에 따라 평판플레이트의 각도를 임의로 조정하거나 평판플레이트에 음파 조향을 위한 장치를 부설하지 않아도 되므로 구조를 간소화할 수 있고 공간 효율성을 높일 수 있다.
그리고 평판플레이트가 복수 개의 단위셀로 분할 구성되어 평판플레이트의 표면에 음파의 방사각도에 따라 다양한 형태로 설계되는 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 용이하게 적용할 수 있으므로 음파의 방사각도를 자유롭게 조정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트를 이루는 단위셀의 평면 형상과 수직단면 형상을 각각 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 단위셀에 대한 홈의 깊이에 대한 표면파의 분산곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 평판플레이트에 형성된 홈의 깊이와 굴절률 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 평판플레이트에 형성된 홈의 깊이와 표면 어드미턴스 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 설계하기 위한 표면 어드미턴스 패턴을 도시한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 성능 실험 환경을 도시한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 성능 실험 환경을 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 XY 평면의 법선에 대해 30°, 45°, 60°의 지향성을 가진 방사선의 음압 실험 결과와 FEM 실험 결과를 도시한 이미지이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트에 의해 방사형 방향으로 홀로그램 표면 어드미턴스를 가지는 원형 패턴의 표면파가 방사되고 특정 주파수에서 표면파에 따른 방사파가 법선방향을 따라 일정각도로 방사되는 빔 형상을 도시한 예시도이다.
본 발명은 음파발생수단에서 발생하는 음파가 평판플레이트의 표면을 통해 지향성을 가지면서 방사되도록 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에 관한 것이다.
특히 본 발명에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 평판플레이트의 각도를 임의로 조정하거나 평판플레이트에 음파 조향을 위한 장치를 부설하지 않고 평판플레이트의 표면 구조를 변경하여 음파의 방사각도를 원하는 방사각도로 조정할 수 있는 것이 큰 특징이다.
이러한 특징은 평판플레이트의 표면에 복수 개의 홈을 함몰 형성하되, 복수 개의 홈에 대한 깊이 조합을 음파의 방사각도를 결정하는 평판플레이트의 표면에 대한 표면 어드미턴스에 대응되게 음향 홀로그래픽 어드미턴스의 패턴에 대응되게 설계하고 적용함으로써 달성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치는 음파발생수단(10)과 평판플레이트(20) 및 음파수신수단(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 상기 음파발생수단(10)은 음파를 발생하는 구성이다.
이때 음파발생수단(10)은 음향파를 발생하는 스피커, 초음파를 발생하는 초음파발생기, 수중에서 음파 또는 초음파를 발생하는 수중음파발생기 등으로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 평판플레이트(20)는 소정두께를 가진 원판으로 구성되어 음파발생수단(10)에서 발생한 음파를 표면을 통해 외부로 방사하는 구성이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트를 도시한 사시도이다.
도 1에 따르면 평판플레이트(20)의 표면에는 그 중심을 원점으로 하여 복수 개의 홈(21)이 일정간격으로 함몰 형성된다.
즉, 평판플레이트(20)의 표면에는 복수 개의 홈(21)이 형성되고, 평판플레이트(20)는 복수 개의 홈(21)의 직경과 깊이 및 간격에 따라 표면 어드미턴스를 가지고, 표면 어드미턴스에 의해 음파가 외부로 방사하도록 음파에 따른 표면파를 방사파로 변환할 수 있다.
그리고 평판플레이트(20)의 표면을 통해 외부로 방사되는 음파는 복수 개의 홈(21)이 이루는 직경과 깊이 및 간격 조합에 따라 변화될 수 있는 평판플레이트(20)의 표면에 대한 표면 어드미턴스에 의해 방사각도가 조정될 수 있다.
여기서 평판플레이트(20)의 표면 전체에 대한 표면 어드미턴스는 복수 개의 홈(21)에 대한 직경과 깊이 및 간격 조합에 의해 결정될 수 있다. 단, 홈의 직경과 깊이 및 간격은 음파의 파장보다 작게 형성될 수 있다. 그리고 홈은 원통형, 다각형 등의 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 복수 개의 홈(21)에 대한 깊이 조합은 기설정되는 음파의 방사각도와 음파의 주파수를 기준으로 하여 평판플레이트(20)의 표면에 따른 원통형상의 표면파와, 음파의 방사각도에 따라 표면파에 대응하는 방사파의 상호 간섭에 따른 차단주파수와 에너지 제한 효율 및 굴절률 변화에 기초하여 산출되는 표면 어드미턴스에 의해 설계될 수 있다.
이때 복수 개의 홈(21)에 대한 깊이 조합에 따른 평판플레이트(20)의 표면에 대한 표면 어드미턴스를 평판플레이트(20)의 표면에 용이하게 적용할 수 있도록 평판플레이트(20)는 복수 개의 단위셀(20a)로 구성될 수 있다. 즉, 평판플레이트(20)는 복수 개의 단위셀(20a)이 배열된 형태를 가질 수 있다.
여기서 단위셀(20a)은 사각형, 육각형, 팔각형 등을 포함하는 다각형상으로 형성될 수 있다. 그리고 서로 인접하는 단위셀(20a)에 대한 홈(21)의 반경과 깊이 및 간격은 서로 다르게 형성되어 서로 다른 표면 어드미턴스를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트를 이루는 단위셀의 평면 형상과 수직단면 형상을 각각 도시한 예시도이다.
도 2에 따르면 복수 개의 단위셀(20a)은 XY 평면에서 거의 모든 방향에 대한 표면파에 대해 동일한 파수가 달성되도록 육각형상을 가진다. 그리고 복수 개의 단위셀(20a)은 표면 어드미턴스를 용이하게 조정할 수 있도록 관통홈(21)이 중심과 모서리단에 각각 한 개씩 일정간격으로 형성된다.
따라서 평판플레이트(20)를 이루는 각각의 단위셀(20a)에 대한 개별 표면 어드미턴스를 각각의 단위셀(20a)에 대한 홈(21)의 깊이를 통해 개별적으로 설정 가능하므로 평판플레이트(20)의 표면을 통해 방사되는 음파의 방사각도가 자유롭게 조정될 수 있다.
한편 각 단위셀(20a)에 대한 개별 표면 어드미턴스는 하기의 수학식 1로부터 산출할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112019108217801-pat00001
여기서
Figure 112019108217801-pat00002
는 주변 매질의 표면 어드미턴스이며,
Figure 112019108217801-pat00003
는 평판플레이트의 표면에 대한 평균 표면 어드미턴스이고,
Figure 112019108217801-pat00004
은 변조깊이이며,
Figure 112019108217801-pat00005
는 음파의 주파수이고,
Figure 112019108217801-pat00006
은 평판플레이트의 평면 구조에 따라 미리 결정되는 굴절률이며,
Figure 112019108217801-pat00007
은 평판플레이트의 중심에서 단위셀(20a)에 이르는 반경 거리이고,
Figure 112019108217801-pat00008
는 단위셀(20a)에 대한 평판플레이트의 표면 상에서의 위치이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 평판플레이트에 형성된 홈의 깊이와 표면 어드미턴스 간의 관계를 도시한 그래프이다.
수학식 1을 통해 산출한 각 단위셀(20a)에 대한 개별 표면 어드미턴스를 도 5의 그래프에 적용하면 각 단위셀(20a)에 대한 관통홈(21)의 깊이를 구할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 설계하기 위한 표면 어드미턴스 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6에 따르면 각 단위셀(20a)에 대한 평판플레이트(20)의 표면 상에서의 위치를 고려하여 평판플레이트(20)의 표면과 대응되게 XY 평면 상에서 각 단위셀(20a)에 대한 관통홈(21)의 깊이를 적용하면 평판플레이트(20)에 대한 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 얻을 수 있다.
즉, 단위셀(20a)에 대한 홈(21)의 깊이는 평판플레이트(20)의 반경방향을 따라 반복되는 주기적인 곡선을 이루도록 형성되면서 평판플레이트(20)의 표면에서 타원방향을 따라 일정하게 형성될 수 있다.
그리고 단위셀(20a)에 대한 홈(21)의 깊이는 음파가 평판플레이트(20)의 표면에 대한 법선방향을 따라 기설정되는 방사각도로 지향성을 갖도록 타원방향 중심에서 일측 반지름과 타측 반지름의 차이를 크게 하여 원에서 벗어나는 정도가 크도록 형성될 수 있다.
이하 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 얻기 위한 수학식 1의 도출 과정과, 수학식 1에 따른 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 이용한 평판플레이트(20)의 설계 과정 및 설계된 평판플레이트(20)의 성능 실험 결과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
음파에 대한 XY 평면에서의 표면파는
Figure 112019108217801-pat00009
로 나타낼 수 있다. 여기서
Figure 112019108217801-pat00010
는 XY 평면에서의 길이방향 파수이고,
Figure 112019108217801-pat00011
는 Z 방향에서의 감쇠율 상수이며,
Figure 112019108217801-pat00012
은 XY 평면의 길이이다.
분산 관계에 따라
Figure 112019108217801-pat00013
로 정의된다. 단,
Figure 112019108217801-pat00014
는 자유 공간 파수이다. 운동량 보존 법칙에 따라 Z 방향의 입자 속도(
Figure 112019108217801-pat00015
)는 하기의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112019108217801-pat00016
음압
Figure 112019108217801-pat00017
와 정상 입자 속도
Figure 112019108217801-pat00018
의 관계에 따라 유효 표면 어드미턴스(
Figure 112019108217801-pat00019
)가 하기의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112019108217801-pat00020
Figure 112019108217801-pat00021
인 표면 경계에서 표면판에 대한 표면 어드미턴스는
Figure 112019108217801-pat00022
이다. 여기서
Figure 112019108217801-pat00023
는 밀도이고,
Figure 112019108217801-pat00024
는 공기 중의 음속이며,
Figure 112019108217801-pat00025
는 자유 공간 어드미턴스이다.
굴절률(
Figure 112019108217801-pat00026
)은
Figure 112019108217801-pat00027
로 나타낼 수 있다. 그러면 표면 어드미턴스(
Figure 112019108217801-pat00028
)는 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112019108217801-pat00029
즉, 굴절률은 평면 표면파와 자유 공간파의 파수 차이에 의해 용이하게 조절될 수 있고, 이에 따라 표면 어드미턴스도 용이하게 조절될 수 있다.
기설정된 음파의 주파수에서 홈(21)의 깊이 변화를 통해 표면 어드미턴스의 변화를 유도하는 전파 방향에 대한 굴절률을 변화시킬 수 있고, 이에 따라 홈(21)의 깊이에 대한 다양함을 통해 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면의 패턴을 다양한 형태로 설계할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치에서 평판플레이트에 형성된 홈의 깊이와 굴절률 간의 관계를 도시한 그래프로서, 파랑 곡선은 20㎑의 음향 주파수, 빨강 곡선은 30㎑의 음향 주파수, 검정 곡선은 40㎑의 음향 주파수에 대한 굴절률을 나타낸다.
도 4에 따르면 홈(21)의 깊이가 클수록 표면에 대한 음파에 대한 구속이 강화됨에 따라 굴절률이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
수학식 4에 따르면 홈(21)의 깊이 변화를 통해 표면 어드미턴스의 변화를 얻을 수 있고, 이는 홈(21)의 깊이에 따른 표면 어드미턴스의 변화를 나타낸 도 5의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
도 4 및 5에 따르면 30㎑의 음향 주파수에서 홈(21)의 깊이를 1.0에서 2.5로 변경하면 굴절률이 1.1에서 2.5로 변화되고, 표면 어드미턴스가 0.6에서 2.5로 변화되는 것을 확인할 수 있다.
도 4에 도시된 홈(21)의 깊이에 따른 굴절률의 변화에 대한 수치데이터를 통해 회귀 곡선을 홈(21)의 깊이에 대한 함수로 나타내면 하기의 수학식 5으로 표현될 수 있다.
(수학식 5)
Figure 112019108217801-pat00030
여기서
Figure 112019108217801-pat00031
는 주변 매질의 표면 어드미턴스이다. 회귀 곡선에서
Figure 112019108217801-pat00032
는 5 제곱근 다항식에 적합하여 이를 이용하여 홈(21)의 깊이와 표면 어드미턴스의 관계를 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 6)
Figure 112019108217801-pat00033
여기서 홈(21)의 깊이는 ㎜ 단위이고, 도 3의 분산 곡선에 따르면 30㎑의 음향 주파수에서 홈(21)의 깊이가 2.5㎜ 이상인 경우 표면 모드가 없는 것으로 확인되므로 홈(21)의 깊이에 대한 최대값은 2.5㎜로 설정한다.
어드미턴스 표면의 패턴은 EM 스칼라 홀로그래픽 표면과 유사하게 설계될 수 있고, 음향 홀로그래픽 어드미턴스 표면에 따라 표면파의 전파와 방사를 제어함으로써 음파에 대하여 원하는 방사 패턴을 얻을 수 있다.
평판플레이트(20)의 표면은 표면파와 방사파의 상호 간섭에 따라 생성하도록 설계될 수 있다. 여기서 평판플레이트(20)의 중심에서 생성된 표면파가 원통형상의 표면파인 것으로 가정하면, 표면파는
Figure 112019108217801-pat00034
로 나타낼 수 있고, XY 평면의 법선에 대해
Figure 112019108217801-pat00035
의 각도로 방사되는 방사파는
Figure 112019108217801-pat00036
로 나타낼 수 있다.
그러면 표면파와 방사파의 상호 간섭으로부터 표면 어드미턴스를 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 7)
Figure 112019108217801-pat00037
Figure 112019108217801-pat00038
는 주변 매질의 표면 어드미턴스이며,
Figure 112019108217801-pat00039
는 평판플레이트(20)의 표면에 대한 평균 표면 어드미턴스이고,
Figure 112019108217801-pat00040
은 변조깊이이며,
Figure 112019108217801-pat00041
는 음파의 주파수이고,
Figure 112019108217801-pat00042
은 평판플레이트(20)의 평면 구조에 따라 미리 결정되는 굴절률이며,
Figure 112019108217801-pat00043
은 평판플레이트(20)의 중심에서 단위셀(20a)에 이르는 반경 거리이고,
Figure 112019108217801-pat00044
는 단위셀(20a)에 대한 평판플레이트(20)의 표면 상에서의 위치이다.
여기서 변조깊이는 0에서 1까지만 변화시켜 양의 표면 어드미턴스만을 산출하고, 변조깊이에 따라 홀로그램 음향 어드미턴스 표면의 누설율을 제어할 수 있다. 즉, 변조깊이가 높으면 누설파인 음파의 방사폭이 커지고 변조 깊이가 낮으면 음파의 방사폭이 작아진다.
즉, 수학식 1에 기설정되는 음파의 방사각도와 주파수를 대입하면 평판플레이트(20)의 표면을 이루는 각 단위셀(20a)에 대한 표면 어드미턴스를 산출할 수 있다.
그리고 각 단위셀(20a)에 대하여 산출된 표면 어드미턴스를 홈(21)의 깊이와 표면 어드미턴스의 관계를 나타낸 도 5의 그래프의 Y축 값에 대입하면 이에 대응되는 X축 값을 통해 각 단위셀(20a)에 대한 홈(21)의 깊이를 산출할 수 있다.
이에 따라 각 단위셀(20a)의 홈(21)을 산출된 홈(21)의 깊이로 가공하면 각 단위셀(20a)로 이루어진 평판플레이트(20)의 표면은 기설정된 음파의 방사각도로 음파를 방사할 수 있는 홀로그래픽 음향 어드미턴스 표면을 가질 수 있다.
여기서 홀로그램 어드미턴스 표면의 설계를 위해
Figure 112019108217801-pat00045
= 1,
Figure 112019108217801-pat00046
=0.6을 매개 변수로 사용하였다. 도 6은 XY 평면의 법선에 대해로 45°의 각도로 음파를 방사하는 평판플레이트(20)의 표면 어드미턴스를 나타낸 것이다.
성능 실험을 위해 투명 열가소성 수지를 Object30 pro 3D프린터로 3차원 프린팅하여 도 1과 같이 40mm의 직경을 가진 원형의 평판플레이트(20)를 제작하였고, 평판플레이트(20)의 중심에는 직경 1mm의 구멍을 천공하였다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 성능 실험 환경을 도시한 이미지이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 성능 실험 환경을 도시한 모식도이다.
도 7 및 8에 따라 평판플레이트(20)를 벽체(W)의 전면에 배치하고 벽체(W)의 후면에 음파발생수단(10)인 스피커를 배치하여 음파발생수단(10)을 통해 원형의 평판플레이트(20)를 향해 음향장을 방사하였고, 도 8과 같이 XY 평면에서 300×300mm 영역을 GRAS 46E 1/4인치 마이크로폰(M)을 통해 10mm 간격으로 스캔하여 음압을 측정하였다.
도 9의 (a), (b), (c)는 각각 XY 평면의 법선에 대해 30°, 45°, 60°의 지향성을 가진 음파의 음압 실험 결과를 도시한 이미지이고, 도 9의 (d), (e), (f)는 각각 XY 평면의 법선에 대해 30°, 45°, 60°의 방사각도를 가진 음파의 FEM 실험 결과를 도시한 이미지이다.
도 9에 따르면 평판플레이트(20)의 표면 어드미턴스에 따른 원거리 방사선은 표면 어드미턴스 패턴에 따라 XY 평면에서 강한 지향성 음장을 제공하고, 실험 결과가 수치 결과와 일치함을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치의 평판플레이트에 의한 원형 패턴의 표면파와 법선방향을 따라 일정각도로 방사되는 방사파의 형상을 도시한 예시도이다.
도 10에 따르면 평판플레이트(20)의 표면에 설계된 방사형 방향의 홀로그램 표면 어드미턴스에 의해 원형 패턴의 표면파가 발생하고, 홀로그램 표면 어드미턴스에 의해 표면파에 따른 방사파가 법선방향을 따라 일정각도로 빔 형태로 방사되는 것을 알 수 있다.
마지막으로, 상기 음파수신수단은 평판플레이트(20)의 표면을 통해 기설정되는 방사각도로 방사되는 음파를 수신하는 구성이다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
10: 음파발생수단
20: 평판플레이트
20a: 단위셀
21: 홈
M: 마이크로폰
W: 벽체

Claims (11)

  1. 음파를 발생시키는 음파발생수단; 및
    상기 음파발생수단이 중심에 설치되어 표면을 통해 상기 음파를 외부로 방사사하고 복수 개의 단위셀로 이루어지며 상기 단위셀의 표면에 적어도 하나의 홈이 형성되고 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이에 따라 상기 음파의 방사각도가 결정되는 평판플레이트;를 포함하고,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는
    기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수에 기초하여 산출한 개별 표면 어드미턴스에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는
    기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 표면에 따른 굴절률과 상기 평판플레이트의 중심에서 상기 단위셀에 이르는 반경거리를 곱한 제1값과, 상기 음파의 주파수와 상기 단위셀의 위치값과 상기 음파의 방사각도를 곱한 제2값의 합에 대한 코사인함수 또는 사인함수를 적용한 값에, 기설정되는 변조깊이값을 곱하고 1을 합한 값과 상기 평판플레이트의 표면에 대한 평균 표면 어드미턴스를 곱한 값에 기초하여 산출한 개별 표면 어드미턴스에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는
    하기의 수학식에 의해 산출한 개별 표면 어드미턴스에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
    (수학식)
    Figure 112020073308726-pat00047

    Figure 112020073308726-pat00048
    는 주변 매질의 표면 어드미턴스이며,
    Figure 112020073308726-pat00049
    는 평판플레이트의 표면에 대한 평균 표면 어드미턴스이고,
    Figure 112020073308726-pat00050
    은 변조깊이이며,
    Figure 112020073308726-pat00051
    는 음파의 주파수이고,
    Figure 112020073308726-pat00052
    은 평판플레이트의 평면 구조에 따라 미리 결정되는 굴절률이며,
    Figure 112020073308726-pat00053
    은 평판플레이트의 중심에서 단위셀에 이르는 반경 거리이고,
    Figure 112020073308726-pat00054
    는 단위셀에 대한 표면 상에서의 위치이며,
    Figure 112020073308726-pat00055
    는 음파의 방사각도이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는
    상기 평판플레이트의 반경방향을 따라 반복되는 주기적인 곡선을 이루도록 형성되고 상기 평판플레이트의 표면에서 타원방향을 따라 일정하게 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 깊이는
    상기 음파가 상기 평판플레이트의 표면에 대한 법선방향을 따라 상기 방사각도로 지향성을 갖도록 상기 타원방향 중심에서 일측 반지름과 타측 반지름의 차이를 크게 하여 원에서 벗어나는 정도가 크도록 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀에 대한 상기 홈의 직경과 깊이 및 간격은
    상기 음파의 파장보다 작게 형성되고,
    서로 인접하는 상기 단위셀에 대한 상기 홈의 반경과 깊이 및 간격은
    서로 다르게 형성되어 서로 다른 표면 어드미턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀은
    다각형상을 가진 것임을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 홈은
    원통형 또는 다각형 형상을 가진 것임을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 홈은
    상기 단위셀의 중심과 모서리단에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 평판플레이트의 표면으로부터 방사되는 상기 음파를 수신하는 음파수신수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
  11. 음파를 발생시키는 음파발생수단; 및
    상기 음파발생수단이 중심에 설치되어 표면을 통해 상기 음파를 외부로 방사하고 상기 표면에 복수 개의 홈이 형성되며 상기 홈의 깊이에 따라 상기 음파의 방사각도가 결정되는 평판플레이트;를 포함하고,
    상기 복수 개의 홈이 이루는 깊이 조합은
    기설정되는 상기 음파의 방사각도와 상기 음파의 주파수를 기준으로 하여 상기 표면에 따른 원통형상의 표면파와, 상기 음파의 방사각도에 따른 상기 표면파에 대응하는 방사파의 상호 간섭에 따른 차단주파수와 에너지 제한 효율 및 굴절률 변화에 기초하여 산출한 표면 어드미턴스 패턴에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 기반 지향성 음향 장치.
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