KR102193194B1 - 하이드로폰, 에너지 변환 방법 및 복합 하이드로폰 - Google Patents
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Abstract
하이드로폰, 이런한 하이드로폰으로 제조된 복합 하이드로폰을 공개한다. 하이드로폰은 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자, 외각 또는 쉘, 양측에 위치하는 음향 투과 밀봉 시트 및 도선을 포함한다. 단부의 음향 투과 밀봉 시트는 각 스트립 형태 에너지 변환 소자를 외부 환경으로부터 격리시키고, 수중 음향신호를 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송하도록 구성된다. 복합 하이드로폰은 하이드로폰의 쉘 내에 연성의 고 저항 재료 외각에 감싸인 복수의 스트립 형태 에너지 변환 소자를 삽입한다. 복수의 에너지 변환 소자의 전기적 연결은 다양한 응용 상황의 수요를 만족시키기 위해, 병렬, 직렬 또는 일부가 병렬로 일부가 직렬로 연결될 수 있고, 그 축선은 필요한 각도를 이룰 수 있다. 본 기술방안에서, 스트립 형태 에너지 변환 소자는 어떠한 제약도 받지 않으며, 반 파장 모드에서 자유롭게 진동하고 이에 따라 감도를 높이 수 있고, 제조되는 하이드로폰의 동작 주파수 대역을 증폭시킬 수 있다.
Description
본 발명은 하이드로폰 기술분야에 관한 것이며, 구체적으로 하이드로폰, 에너지 변환 방법 및 복합 하이드로폰에 관한 것이다.
본원은 출원 번호 2016107985272이고, 출원일이 2016 년 8 월 31 일자이며, 발명 명칭이 "하이드로폰, 에너지 변환 방법 및 복합 하이드로폰 '인 중국 특허 출원을 우선권으로 주장하며, 그 모든 내용은 참고로 본원에 원용된다.
과학 기술이 끊임없이 발전하고 진보함에 따라 하이드로폰의 응용 기술도 점차 발전하고 성숙하게 되었다. 하이드로폰은 수중 압력의 변화에 따른 음향신호를 전기 신호로 변환시킬 수 있기 때문에 수중 압력을 확실하게 얻을 수 있으며, 이미 비교적 넓은 범위에서 응용되고 있다. 종래기술에서 하이드로폰은 거의 압전 세라믹 재료로 제조된 구형 또는 원통형 구조 또는 압전 세라믹 복합 재료로 제조된 평면 또는 곡면 구조이다. 하이드로폰의 감도는 하이드로폰 제조에 사용되는 압전 재료의 압전계수와 양의 상관관계를 가진다. 그러나, 종래의 압전 세라믹 재료의 압전계수는 비교적 낮아, 제조된 하이드로폰의 감도도 상대적으로 낮게 되어, 설계 요구를 만족시킬 수 없다. 또한 압전 세라믹 재료의 음향저항은 수성 매질보다 훨씬 높기 때문에 수중의 대부분의 음장(energy of sound field) 에너지는 물과 세라믹이 접촉하는 계면에서 반사되어 수중으로 돌아오게 되어 하이드로폰의 수신 감도가 낮아지게 된다.
이러한 배경에서, 본 발명은 소형 또는 중형 부피의 하이드로폰의 수신 감도와 압력 측정 정밀도를 효과적으로 개선하는 하이드로폰, 에너지 변환 방법 및 복합 하이드로폰을 제공한다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 형태로 실현된다.
제1 양태에 따르면, 본 발명의 실시예는 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자, 적어도 하나의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 끼움 결합하는 파이프 구조인 외각, 상기 외각의 일단에 끼움 결합하는 제1 음향 투과 밀봉 시트, 상기 외각의 타단에 끼움 결합하는 제2 음향 투과 밀봉 시트, 및 적어도 하나의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양단을 외부부하에 연결시키는 도선을 포함하는 하이드로폰을 제공한다. 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트 및 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트는 모두 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송하도록 구성되고, 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 일단이 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하고, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 타단이 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하여, 상기 음향신호를 전기 신호로 전환하여 상기 외부부하에 출력하도록 배치된다.
또한, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 복수개이고, 각 상기 에너지 변환 소자의 일단은 인접한 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 연결되고, 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 타단은 인접한 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 타단에 연결된다.
또한, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 복수개이고, 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 폭 방향으로 병렬 배열되고, 각 인접한 2개 스트립 형태 에너지 변환 소자는 서로 연결된다.
또한, 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분의 완화형 강유전체 단결정을 포함한다.
또한, 각 상기 에너지 변환 소자는 모두 횡방향 진동 Pb계 완화형 단결정 소자이고, 횡방향 진동은 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 모드이다.
또한, 상기 외각은 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 끼움 결합되는 음향저항 외각, 상기 음향저항 외각에 끼움 결합되는 보호 커버를 포함한다.
또한, 상기 음향저항 외각과 상기 보호 커버는 모두 파이프 구조이다.
제2 양태에 따르면, 본 발명의 실시예는 본체, 상기 본체를 관통하는 복수의 챔버, 및 상기 챔버 내에 설치되는 복수의 하이드로폰을 포함하는 복합 하이드로폰을 더 제공하고, 각 상기 챔버는 인접하는 상기 챔버와 모두 협각을 이룬다.
또한, 각 상기 챔버의 형태와 크기는 상기 하이드로폰 소자의 형태와 크기에 매치된다.
또한, 상기 본체는 칼럼 형태 구조이고, 각 상기 챔버는 상기 본체의 일단과 상기 본체의 타단 사이에 순차적으로 설치되고, 인접하는 상기 챔버와 협각을 이룬다.
제3 양태에 따르면, 본 발명의 실시예는 하이드로폰에 적용되는 에너지 변환 방법을 더 제공하고, 상기 방법은 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트와 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트가 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송하는 단계와, 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자가 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트와 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트가 입력하는 상기 음향신호를 수신하고, 상기 음향신호를 전기 신호로 전환하여 외부부하에 출력하는 단계를 포함한다.
제4 양태에 따르면, 본 발명의 실시예는 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 즉 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 포함함과 동시에 측면과 양단을 구비하는 센서를 포함하는 하이드로폰을 제공하고,
상기 측면은 제1 외각과 상기 제1 외각에 끼움 결합하는 제2 외각에 의해 감싸여 있고, 상기 제1 외각은 음성 저항 재료로 제조되고, 상기 제2 외각은 거칠고 유연한 재료로 제조되며,
상기 양단은 각각 도선을 통해 외부부하에 결합되고, 상기 양단에는 각각 제1 음향 투과 밀봉 구조와 제2 음향 투과 밀봉 구조가 설치되고, 상기 제1 음향 투과 밀봉 구조와 상기 제2 음향 투과 밀봉 구조는 상기 센서를 외부 환경으로부터 격리시키고, 수중 음향신호를 상기 센서에 전송하고, 상기 센서에서 수신된 음향신호를 전기 신호로 전환하여 상기 외부부하에 출력하도록 구성된다.
또한, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자이다.
또한, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 구성 부분은 아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분을 포함한다.
또한, 상기 센서는 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자를 포함하고, 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 평행하게 설치되고, 병렬 및 / 또는 직렬 연결된다.
제5 양태에 따르면, 본 발명의 실시예는 복합 하이드로폰을 제공하고,
Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자인 스트립 형태 에너지 변환 소자를 포함함과 동시에 거칠고 유연한 재료로 제조된 제2 외각에 의해 감싸인 측면과 양단을 구비하는 설치 방향이 서로 다른 적어도 2개의 센서와,
제2 외각에 의해 감싸인 하나의 센서가 내장되고 축선 방향이 서로 다른 적어도 2개의 칼럼 형태 챔버가 개설된 지지체를 포함하며,
각 칼럼 형태 챔버는 상기 지지체를 관통하여 당해 칼럼 형태 챔버 내에 설치된 센서의 양단이 외부 환경과 접촉할 수 있다.
또한, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자이다.
또한, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 구성 부분은 아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분을 포함한다.
또한, 상기 지지체는 칼럼 형태의 구조이며, 각 상기 칼럼 형태 챔버는 상기 지지체의 두 단부 사이에 간격을 두고 순차적으로 개설되고, 또한 인접한 2개 상기 칼럼 형태 챔버의 축선은 협각을 이룬다 .
또한, 상기 지지체는 환상부, 및 적어도 하나의 상기 칼럼 형태 챔버가 개설되고 간격을 두고 상기 환상부의 가장자리에 설치된 적어도 2개의 돌출부를 포함한다.
또한, 각 상기 돌출부 내에는 축선이 서로 평행하는 적어도 2개의 상기 칼럼 형태 챔버가 개설된다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 유익한 효과가 있다. 외각의 파이프 구조를 통해 외각은 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자에 끼움 결합될 수 있다. 제1 음향 투과 밀봉 시트를 외각의 일단에 끼움 결합시키고, 제2 음향 투과 밀봉 시트를 외각의 타단에 끼움 결합시키고, 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양단을 모두 도선을 통해 외부부하에 연결시키는 것을 통해 수중의 에너지 변환 소자를 밀봉시키는 동시에 에너지 변환 소자 및 외부부하의 결합을 실현했다.
제1 음향 투과 밀봉 시트와 제2 음향 투과 밀봉 시트는 모두 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송한다. 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각은 그 일단이 제1 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 음향신호를 수신하고, 타단이 제2 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 음향신호를 수신하여, 음향신호를 전기 신호로 전환하여 외부부하에 출력할 수 있다. 외부부하는 상기 전기 신호에 대응되는 압력 값을 산출하여 수 중에서 측정한 압력을 정확하게 얻을 수 있다. 하이드로폰의 스트립 형태 에너지 변환 소자는 외각에 끼움 결합하고, 또한 외각이 파이프 구조이기 때문에, 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양단은 외각에 의해 밀봉되지 않은 자유단이다. 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양단이 자유롭기 때문에 스트립 형태 에너지 변환 소자의 기본 주파수는 자유로운 반 파장 진동 모드이므로, 수신 주파수 대역을 효과적으로 증폭시킬 수 있다. 한편 사용하는 압전 소자는 일반적인 압전 세라믹보다 높은 횡 압전계수와 수성 매질에 더 가까운 음향저항을 갖는 특징이 있어, 소형 또는 중형 부피의 하이드로폰의 수신 감도를 효과적으로 높일 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 아래 명세서에서 상세히 설명한다. 또한, 일부는 명세서에 의해 명백해지고 또는 본 발명 실시예를 실시하는 것을 통해 이해할 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 명세서, 특허 청구 범위 및 도면에서 특별히 지적되는 구조에 의해 실현하고 획득한다.
본 발명의 실시예 또는 기존기술의 기술방안을 더욱 상세하게 설명하기 위해 이하에서는 실시예를 설명하는데 필요한 도면에 대해 간략하게 설명한다. 아래의 설명에 있어서 도면은 본 발명의 실시예에 불과한 것은 자명한 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 창조적 노동이 없이 이러한 도면을 토대로 기타 관련된 도면을 얻을 수 있다. 도면 표시를 통해, 본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점이 더욱 명확해진다. 전체 도면에서 동일한 부호는 동일한 부분을 가리킨다. 도면은 본 발명의 취지를 나타내기 위한 것인바, 실제크기 따라 무조건 등비율로 제작된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 제1 실시형태의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 제2 실시형태의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 에너지 변환 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제1 실시형태의 구조 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제2 실시형태의 구조 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제3 실시예의 구조 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제4 실시형태의 구조 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제5 실시형태의 구조 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제6 실시형태의 구조 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에서 제공하는 또 하나의 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 또 다른 복합 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 음향 투과 밀봉 구조의 설정위치의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 제1 실시형태의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 제2 실시형태의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 에너지 변환 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제1 실시형태의 구조 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제2 실시형태의 구조 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제3 실시예의 구조 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제4 실시형태의 구조 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제5 실시형태의 구조 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 제6 실시형태의 구조 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에서 제공하는 또 하나의 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 또 다른 복합 하이드로폰의 구조 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에서 제공하는 음향 투과 밀봉 구조의 설정위치의 개략도이다.
본 발명의 실시예의 목적, 기술방안 및 장점을 보다 명확하게 하기 위하여， 이하 본 발명의 실시예의 도면을 결부하여， 본 발명의 실시예를 명확하고 완전하게 설명하는바， 서술하고자 하는 실시예는 본 발명의 일부 실시예에 불과할 뿐， 전부 실시예가 아닌 것은 자명한 것이다. 통상적으로 여기에서 서술하고 보여준 본 발명의 실시예의 어셈블리는 각종 다른 방식으로 배치 및 설계될 수 있다.
따라서, 이하 도면에서 제공한 본 발명의 실시예의 상세한 설명은 보호하고자 하는 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니고， 본 발명의 선택 실시예를 보여주는 것에 불과하다. 본 발명의 실시예를 기초하여, 본 기술분야의 통상의 기술자가 창조적 노동이 없이 얻은 기타 모든 실시예는 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.
유의하여야 할 점은 유사한 부호 또는 문자는 이하 도면에서 유사한 항을 표시하기에 일단 어느 한 항이 도면에서 정의되면 그 후 도면에서 추가로 정의하거나 해석할 필요가 없다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 용어 "정상", "바닥", "측", "내", "외" 등이 가리키는 방위 또는 위치 관계는 도면에 기초한 방위 또는 위치 관계이고, 표시된 장치 또는 소자가 반드시 특정된 방위를 가지고 특정된 방위로 구성되거나 조작되어야 하는 것을 제시 또는 암시하는 것이 아니므로 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 아니된다. 또한, 용어 "제1" "제2"는 설명의 목적으로 사용함에 불과하고, 상대적 중요성을 제시 또는 암시하는 것으로 이해해서는 아니된다.
본 발명의 설명에 있어서, 유의하여야 할 점은 별도로 명확하게 규정 또는 한정을 하지 않는 한 "설치", "연결" 등은 넓은 의미로 이해하여야 하고, 예를 들어 고정 연결일 수 있고, 탈착 가능한 연결일 수 있거나 또는 일체 연결일 수 있으며, 기계적 연결일 수 있고, 전기적 연결일 수 있으며 직접 접속일 수 있고, 중간 매개체를 통한 간접 접속일 수 있으며, 2개의 소자 내부 사이의 연통일 수도 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 구체적인 상황에 따라 상술한 용어를 본 발명의 구체적인 의미로 이해할 수 있다.
제1 실시예
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 하이드로폰 (100)을 제공하고 하이드로폰 (100)은 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110), 외각 (120), 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130), 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140) 및 도선 (150)을 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자일 수 있고, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 비교적 높은 횡 압전계수(transverse piezoelectric coefficient)를 가지며, 따라서, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 기반으로 제조된 하이드로폰 (100)도 더욱 높은 감도를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향(Crystal orientation)으로 분극되고 [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 즉 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자일 수 있다.
바람직하게는, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 구성 부분은 아연 니오브산연-티탄산연 (PZN-PT), 마그네슘 니오브산연-티탄산연 (PMN-PT), 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연 (PMN-PZT), 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 (PIN-PMN-PT) 또는 그 파생 성분 등 완화형 강유전체 단결정을 포함할 수 있다. 아연 니오브산연-티탄산연 (PZN-PT), 마그네슘 니오브산연-티탄산연 (PMN-PT), 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연 (PMN-PZT), 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 (PIN-PMN-PT) 등의 재료는 매우 높은 횡 압전상수를 가지며, 예를 들어, PZN-PT의 횡 압전상수는 
, 
이다. 또한 당해 PZN-PT의 음향저항은 약 7MRayls이고, 당해 음향저항은 물의 음향저항에 비교적 가깝다. 따라서, 상기 재료는 수신 감도가 높은 횡방향 동작모드의 하이드로폰 (100)의 에너지 변환 소자의 제조에 적합하며, 상기 재료로 제조된 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 더 높은 감도를 가진다.
본 실시예에서, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 하나 또는 2개거나 그 이상일 수 있다. 하이드로폰 (100)이 소형 하이드로폰 (100)일 경우, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 하나일 수 있고, 하이드로폰 (100)이 중형 하이드로폰 (100)일 경우, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 복수개일 수도 있다. 본 실시예에서, 실제사용 수요에 따라 실제수요에 맞는 에너지 변환 소자를 마련할 수 있다. 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)가 적어도 2개일 경우, 적어도 2개의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 평행하여 설치될 수 있다.
다른 하나 형태로서, 하이드로폰 (100)을 얕은 수역에서 사용할 경우, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (100)는 [011] 결정방향으로 분극되고 또한 [100] 결정방향을 음향신호의 감지방향으로 하는 동작모드인 횡방향 진동Pb계 완화형 단결정 소자일 수 있고, 이에 의해 하이드로폰 (100)은 얕은 수역의 음향신호 측정에 있어 높은 감도를 가질 수 있다. 또한 하이드로폰 (100)을 깊은 수역에서 사용할 경우, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (100)는 [011] 결정방향으로 분극되고 또한 [0-11] 결정방향을 음향신호의 감지방향으로 하는 동작모드인 횡방향 진동 Pb계 완화형 단결정 소자일 수 있고, 이에 의해 하이드로폰 (100)의 깊은 수역에서의 동작 안정성을 확보할 수 있고, 또한 음향신호 측정에서 높은 감도를 가질 수 있다. 어떠한 상황에서도 감지방향은 스트립 형태 에너지 변환 재료의 양 단면이다.
외각 (120)은 음향저항 외각 (121) 및 보호 커버 (122)를 포함하고, 음향저항 외각 (121) 및 보호 커버 (122)는 모두 파이프 구조일 수 있다. 음향저항 외각 (121)은 그 양단 개구부에 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단이 위치할 수 있도록 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 끼움 결합될 수 있다. 음향저항 외각 (121)의 내경의 형태와 크기는 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 형태와 크기에 매치되며, 따라서 음향저항 외각 (121)은 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 밀접하게 끼움 결합될 수 있다. 바람직하게는, 음향저항 외각 (121)은 음향저항 기능이 있는 고무로 제조될 수 있다. 음향저항 외각 (121) 및 보호 커버 (122)를 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 끼움 결합시킴으로써, 외각 (120)에 의해 끼움 결합되지 않은 양단 외의 모든 측면의 음향신호를 차단하였다. 따라서, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 끼움 결합되지 않은 양단만이 음향신호를 수신할 수 있다.
하나의 실시형태로서 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 개수가 복수일 경우, 각 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 일단은 인접한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 일단에 연결되고, 각 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 타단은 인접한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 타단에 연결되며, 각 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 병렬 배열된다. 음향저항 외각 (121)은 복수의 병렬 배열된 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 끼움 결합된다. 또한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 개수가 복수일 경우, 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 폭 방향에서 병렬 배열되고, 또한 2개 인접한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 모두 서로 연결된다.
보호 커버 (122)의 내경의 크기는 음향저항 외각 (121)의 형태와 크기에 매치되므로 보호 커버 (122)는 음향저항 외각 (121)에 끼움 결합될 수 있다. 따라서 음향저항 외각 (121) 및 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)를 보호할 수 있으며, 음향저항 외각 (121) 및 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)가 물에 접촉되는 것을 차단할 수 있다. 보호 커버 (122)의 양단이 모두 개방되어 있기 때문에 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)로 보호 커버 (122)의 일단을 밀봉하고, 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)로 보호 커버 (122)의 타단을 밀봉해야 하며, 이로써 완전 밀봉 구조를 형성할 수 있다. 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)의 형태와 크기는 보호 커버 (122)의 일단에 있는 개구의 형태와 크기에 매치된다. 따라서, 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)의 가장자리와 보호 커버 (122)의 일단에 있는 개구를 고정 연결하면, 제1 음향 밀봉 시트 (130)는 보호 커버 (122) 일단에 있는 개구를 밀봉할 수 있다. 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)의 형태와 크기는 보호 커버 (122)의 타단에 있는 개구의 형태와 크기에 매치된다. 따라서, 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)의 가장자리와 보호 커버 (122)의 타단에 있는 개구를 고정 연결하면, 제2 음향 밀봉 시트 (140)는 보호 커버 (122)의 타단에 있는 개구를 밀봉할 수 있다. 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)로 보호 커버 (122)의 일단을 밀봉하고, 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)로 보호 커버 (122)의 타단을 밀봉하면, 하이드로폰 (100)은 완전 밀봉 구조를 형성하게 되어, 물을 차단할 수 있다. 음향신호는 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)를 투과하여 전송될 수 있기 때문에, 수중 음향신호는 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)를 투과하여 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단에 입력될 수 있다. 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단은 각각 음향신호를 수신하여, 상기 음향신호를 대응되는 전기 신호로 변환시킬 수 있다.
도 1과 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 제1 실시형태에서, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 하나일 수 있고, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단은 도선 (150)을 통해 외부부하에 결합된다. 본 실시예의 제2 실시형태에서, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 복수일 수 있고, 복수의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 사이는 병렬 및 / 또는 직렬로 연결될 수 있으며, 또한 도선 (150)을 통해 외부부하에 결합된다. 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단은 도선 (150)에 결합되어 있기에, 음향신호에 대응되는 전환된 전기 신호를 도선 (150)을 통해 외부부하에 출력할 수 있다. 외부부하는 상기 전기 신호에 대응되는 압력의 강도를 산출하여 하이드로폰 (100)에 의해 측정된 수중 압력의 강도를 얻을 수 있다. 상기 실시예에서, 도선 (150)은 각각 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)를 관통하여 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 결합된다. 따라서 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 제2 음향 투명 밀봉 시트 (140)에는 모두 도선 (150) 구경에 매치되는 스루 홀이 형성되어 있다. 하이드로폰 (100)은 도선 (150)이 각각 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)의 스루 홀 및 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)의 스루 홀을 관통하여 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 결합된 후에도, 그 구경이 매치되기 때문에, 여전히 완전 밀봉 상태를 유지할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 도 3은 본 발명의 실시예에서 제공하는 에너지 변환 방법의 흐름도를 나타낸다. 상기 방법은 단계 S100 및 단계 S200를 포함한다.
단계 S100에 있어서, 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)는 모두 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 각각에 전송하도록 구성된다.
단계 S200에서, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 각각은 그 일단이 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하고, 타단이 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하여, 상기 음향신호를 전기 신호로 전환하여 상기 외부부하에 출력하도록 배치된다.
본 기술분야의 통상의 기술자라면 알수 있는 바, 설명의 간략성을 위해 위에서 설명한 방법의 구체적인 동작 과정은 전술한 장치의 해당 프로세스를 참조할 수 있으며, 여기서 반복하여 설명하지 않는다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 복합 하이드로폰 (200)을 더 제공한다. 복합 하이드로폰 (200)은 본체 (210), 챔버 (220) 및 하이드로폰 (100)을 포함한다. 하나의 형태로 복합 하이드로폰 (200) 중의 챔버 (220)는 복수일 수 있고, 챔버 (220)에 대응하는 하이드로폰 (100)도 복수일 수 있다. 복수의 하이드로폰 (100)을 사용하여 측정함으로써 측정의 정확도를 보다 향상시킬 수 있다. 각 챔버 (220)의 형태와 크기는 하이드로폰 (100)의 형태와 크기에 매치되며, 따라서 각 하이드로폰 (100)은 모두 챔버 (220)에 설치될 수 있다. 복수의 하이드로폰 (100)은 직렬 또는 병렬로 연결되어 상호 결합을 실현한다. 각 챔버 (220)는 본체 (210)를 관통함으로써 하이드로폰 (100)의 양측이 모두 음향신호를 수신할 수 있도록 확보한다. 각 챔버 (220)는 이에 인접한 챔버 (220)와 모두 일정한 협각을 이루고, 이에 의해 복수의 하이드로폰 (100)에 의해 수신된 음향신호를 종합적으로 처리할 수 있어, 복합 하이드로폰 (200)의 전 방향성을 높이고, 특히 높은 주파수의 음향에 있어서, 스트립 형태 에너지 변환 소자의 기본 공진 주파수의 절반에 달한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 도 4는 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제1 실시형태를 나타낸다. 본체 (210)는 원통형일 수 있다. 원통형 챔버 (220)의 개수는 2개이고, 대응되는 하이드로폰 (100)의 개수도 2개이다. 각 챔버 (220)는 모두 본체 (210)의 정상부과 바닥부 사이에 설치된다. 두 원통형 챔버 (220)의 축 방향은 서로 직교하고 각각 본체 (210)의 정상면과 바닥면에 평행한다. 각 하이드로폰 (100)은 모두 대응되는 챔버 (220)에 설치되어, 하이드로폰 (100)을 하나만 사용하는 경우에 비해 복합 하이드로폰 (200)의 전 방향성을 향상시킬 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 도 5는 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제2 실시형태를 나타낸다. 본체 (210)는 원통형일 수 있다. 원통형 챔버 (220)의 개수는 3개일 수 있고, 대응되는 하이드로폰 (100)의 개수도 3개이다. 각 챔버 (220)는 모두 본체 (210)의 정상부과 바닥부 사이에 설치되며, 각 챔버 (220)는 이에 인접한 챔버 (220)와 축 방향에서 60 °의 협각을 형성하고, 3개 챔버 (220)가 관통하는 방향은 각각 본체 (210)의 정상부과 바닥부에 평행한다. 각 하이드로폰 (100)은 모두 대응되는 챔버 (220)에 설치되며, 도 4에 표시된 설계에 비해 복합 하이드로폰 (200)의 전 방향성을 향상시킬 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 도 6은 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제3 실시형태를 나타낸다. 본체 (210)는 원통형일 수 있다. 원통형 챔버 (220)의 개수는 6개이고, 대응되는 하이드로폰 (100)의 개수도 6개이다. 각 챔버 (220)는 모두 본체 (210)의 정상부과 바닥부 사이에 설치되며, 각 챔버 (220)는 이에 인접한 챔버 (220)와 축 방향에서 직교하고, 6개 챔버 (220)는 각각 본체 (210)의 정상면과 바닥면에 평행한다. 이러한 설계에서 6개 하이드로폰 (100)은 병렬, 직렬 또는 일부분이 병렬로 일부분이 직렬로 전기적 연결될 수 있으며, 복합 하이드로폰 (200)의 전 방향성, 감도 및 전기적 성능의 훌륭한 밸런스를 이룰수 있다 .
도 7에 나타낸 바와 같이, 도 7은 본 발명의 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제4 실시형태를 나타낸다. 본체 (210)는 링 형태 칼럼일 수 있고, 링 형태 칼럼의 가장자리의 3개 부위는 정상부부터 바닥부까지 모두 외측으로 연장하여 3개 돌출부를 형성한다. ３개 돌출부를 연결하면 정삼각형이 된다. 챔버 (220)의 개수는 3개이다. 챔버 (220)는 하나의 돌출부에 하나씩 설치되고 도면에 표시된 당해 돌출부의 폭 부분을 관통한다. 각 챔버 (220)는 모두 인접한 챔버 (220)와 60°의 협각을 형성하고, 3개 챔버 (220)는 모두 동일한 수평면에 위치한다. 각 하이드로폰 (100)은 각각 대응되는 챔버 (220)에 설치되고, 따라서 복합 하이드로폰 (200)은 동일 수평면에서 서로 60°의 협각을 이루는 3개 방향의 음향신호를 측정할 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 도 8은 본 발명의 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제5 실시형태를 표시한다. 도면과 같이, 본체 (210)는 링 형태 칼럼일 수 있고, 링 형태 칼럼의 가장자리의 4개 부위는 정상부에서 바닥부까지 외측으로 연장하여 4개 돌출부를 형성한다. 원통형 챔버 (220)의 개수는 12개이고, 챔버 (220)는 하나의 돌출부의 정상벽에서 바닥벽 사이에 3개씩 설치되고 당해 돌출부의 폭 부분을 관통한다. 각 챔버 (220)는 모두 인접한 돌출부의 챔버 (220)와 90°의 협각을 이룰 수 있다. 각 하이드로폰 (100)은 각각 대응되는 챔버 (220)에 설치되고, 따라서 링 형태 칼럼의 직경이 비교적 크더라도, 복합 하이드로폰 (200)은 우수한 전 방향성을 실현할 수 있다 .
도 9에 나타낸 바와 같이, 도 9는 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (200)의 제6 실시형태를 표시한다. 본체 (210)는 원통형 또는 사각형 칼럼일 수 있다. 챔버 (220)의 개수는 2개일 수 있고, 대응되는 하이드로폰 (100)의 개수도 2개이다. 본 실시형태에서, 하이드로폰 (100)은 설비의 감도 또는 전기적 성능을 향상시키기 위한 복수의 에너지 변환 소자로 구성된 중형 하이드로폰 (100)이다. 각 챔버 (220)는 모두 본체 (210)의 정상부과 바닥부 사이에 설치되고, 각 챔버 (220)는 이에 인접한 챔버 (220)와 길이 방향에서 직교하고 각 본체 (210)의 정상면과 바닥면에 평행한다. 각 하이드로폰 (100)은 각각 대응되는 챔버 (220)에 설치되고, 따라서 제작된 복합 하이드로폰 (200)은 높은 수신 감도, 우수한 전기 학적 특성을 가질뿐만 아니라 크기에 관계없이 우수한 전 방향성을 가진다.
제2 실시예
도 10은 본 발명의 실시예에서 제공하는 하이드로폰의 센서 (300)를 감싸는 구조 개략도를 나타낸다. 상기 하이드로폰 (300)은 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)를 포함하는 센서 (310)를 포함한다. 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)는 예를 들어 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자와 같은 비교적 높은 횡 압전계수를 가지는 자유 진동 모드에서 동작하는 압전 단결정 소자일 수 있다. 이로써 하이드로폰 (300)의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고 [100] 결정방향을 감지방향으로 하는 횡방향 모드 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자, 즉 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자일 수 있다. 여기서, 상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 구성 부분은 아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르O콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분을 포함할 수 있다.
발명자는 연구를 통해 기존의 가장 선진적인 압전 세라믹 재료의 압전계수는 300 ~ 600pC / N이고, 물의 음향저항은 1.5MRayls이며, PZT 압전 세라믹의 음향저항은 12 ~ 18MRayls임을 발견하였다. 그러나 [100] 결정방향을 감지방향으로 하고 (즉, d32 횡방향 감지 모드), [011] 결정방향으로 분극되고 PZN―7 % PT의 횡 압전계수는 
이고, 음향저항은 낮으며 7MRayls이다. 이것은 결정 감지면에서의 음장 에너지의 반사를 감소시킬 수 있으며, 이는 대부분의 음장 에너지가 결정에 들어갈 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, [011] 결정방향으로 분극되고 [100] 결정방향을 감지방향으로 하는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 사용하면, 하이드로폰 (300)의 감도를 높일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 사용하면 하이드로폰 (300)의 감도를 향상시킬 수 있지만, Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자가 비교적 유연하다. 예를 들어, 상기 PZN― 7 % PT의 탄성 유연 계수는 
이다. 따라서, 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 전통적인 하이드로폰 설계에 따라 경질 백킹재에 접착시키면 당해 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 기초 부분이 기계적 제약을 받아 압전 단결정의 압전 및 전기적 성능에 불리한 영향을 준다.
따라서, 본 발명의 실시예는 백킹재 설계를 포기하고, 당해 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자가 양단이 자유로운 반 파장 기본 주파수 모드에서 동작하도록 하여, 당해 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 압전 성능이 불리한 영향을 받지 못하도록 하여, 제작된 하이드로폰 (300)의 감도가 기대치에 달하게 한다.
다시 도 10을 참조하면, 상기 센서 (310)는 4개 측면 (312)과 양단을 포함하며, 상기 양단은 각각 서로 대향하는 제1 단부와 제2 단부이다. 상기 제1 단부와 제2 단부는 각각 도선 (313)을 통해 외부부하에 결합된다. 상기 4개 측면 (312)은 비교적 두꺼운 내부의 제1 외각 (330)에 의해 감싸인다. 상기 제1 외각 (330)은 예를 들어 코르크 매트와 같은 연성의 고 저항 재료로 제조된다. 이것은 기기가 높은 감도를 가질수 있도록 가로 절단형 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 자유로운 진동을 확보하기 위한 것이다.
상기 제1 외각 외에 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 4개 측면 (312)은 또한 비교적 얇은 제2 외각 (320)에 의해 감싸일 수 있으며, 상기 제1 외각 (330)은 에너지 변환 소자의 상기 측면 (312)과 외부의 상기 제2 외각 (320) 사이에 위치한다.
바람직하게는, 상기 제2 외각 (330)은 테프론 테이프 및 피복층으로 제조된 다층 구조의 연성인 고 저항 재료를 사용한다. 이것은 예를 들어 아래에서 설명하는 원통형 챔버에서 알 수 있다시피, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)와 경질 쉘의 구멍 표면 사이의 마찰에 의한 마찰 소음의 해소에 도움이 된다.
연성인 고 저항 외각 (330, 320)에 의해 감싸여 있으므로, 상기 하이드로폰 소자 (310)의 스트립 형태 에너지 변환 소자는 자유롭게 진동할 수 있을뿐만 아니라, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)와 쉘의 구멍 표면 사이의 마찰에 의해 생기는 마찰 소음의 해소에도 도움이 된다.
또한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)는 양단이 자유롭고 제약되지 않은 반 파장 진동 모드이기 때문에 그 기본 공진 주파수는 경질 백킹재 (즉, 4분의 1 파장 진동 모드에서 동작)에 접착한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)의 2 배이며, 따라서 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)를 기반으로 제조된 하이드로폰 (300)은 비교적 높은 사용 주파수 상한을 가지고, 동작 대역폭도 크다.
설명해야할 것은, 상기 제1 외각 (330)과 제2 외각 (320)은 다만 상기 측면 (312)을 감싸았을 뿐, 상기 양단을 감싸지 않았다. 즉, 제1 외각 (330)과 제2 외각 (320)만을 설치하였을 경우, 상기 양단은 외부 환경과 접촉할 수 있다.
상기 양단에는 각각 음향 투과 밀봉 구조가 설치되고, 제1 단부에는 제1 음향 투과 밀봉 구조 (341)가 설치되고, 제2 단부에는 제2 음향 투과 밀봉 구조 (342)가 설치되어 있다. 상기 제1 음향 투과 밀봉 구조 (341)와 제2 음향 투과 밀봉 구조 (342)는 모두 방수 음향 투과 재료로 제조된다. 상기 제1 외각 (330)과 제2 외각 (320)은 모두 음향저항 재료로 제조되었기에 외부 음향신호는 상기 제1 음향 투과 밀봉 구조 (341) 및 제2 음향 투과 밀봉 구조 (342)를 통해 상기 센서 (310)의 양단에 전달되며, 상기 센서 (310)는 수신한 음향신호를 전기 신호로 변환시켜 도선 (350)을 통해 외부부하에 전달한다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 상기 센서 (310)는 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)를 포함할 수 있다. 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)는 실시예에서 나타낸 바와 같이 직렬로 전기적 연결될 수도 있다.
바람직하게는 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)는 병렬로 전기적 연결될 수 있다. 실제응용 상황에 따라 스트립 형태 에너지 변환 소자의 일부를 직렬로 연결한 다음 직렬로 연결된 부분을 병렬로 연결할 수 있다. 또한, 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)를 포함하는 센서 (310)도 4개 측면 (312) 및 양단을 갖고 있음을 알 수 있다. 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)를 포함하는 센서 (310)의 4개 측면 (312)도 제1 외각 (330) 및 제2 외각 (320)에 의해 감싸여 있으므로, 복합 스트립 형태 에너지 변환 소자 (310)는 자유롭게 진동할 수 있고, 또한 스트립 형태 에너지 변환 소자 (311)와 쉘의 구멍 표면 사이의 모든 마찰 소음을 해소할 수 있다.
제3 실시예
본 발명의 실시예는 복합 하이드로폰을 더 제공하고, 상기 복합 하이드로폰은 지지체 및 설치 방향이 서로 다른 적어도 2개의 센서를 포함한다.
각 상기 센서는 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자를 포함한다. 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자이다. 상기 센서는 4개 측면과 양단을 포함한다. 상기 측면은 연성인 고 저항 재료로 제조된 내부의 외각에 감싸인다.
바람직하게는, 각 상기 센서는 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제조한 복합 하이드로폰의 전 방향성을 높이기 위해 복수의 스트립 형태 에너지 변환 소자를 연결하여 2개의 사각형 센서를 구성하며, 2개 사각형 센서가 그 바닥부 방향에서 직교되도록 구성한다.
바람직하게는, 본 실시예에 있어서, 상기 복합 하이드로폰은 2개 이상의 센서를 포함할 수 있고, 다른 전기적 설정에 있어서, 모두 복수의 에너지 변환 소자를 포함하며, 서로 다른 설정 방법으로 센서에 연결되어, 기기 감도 및 전기 학적 특성의 수요를 만족시키는 동시에, 복합 하이드로폰의 전 방향성을 높인다.
상기 하이드로폰의 쉘은 축선 방향이 서로 다른 적어도 2개 칼럼 형태 챔버를 포함하고, 각 칼럼 형태 챔버에는 연성인 고 저항 제1 외각 및 제2 외각에 의해 감싸인 하나의 센서가 설치된다. 각 칼럼 형태 챔버는 횡단면을 관통하여 이에 의해 당해 칼럼 형태 챔버 내의 센서의 양단은 외부 환경과 접촉할 수 있다. 여기서, 각 칼럼 형태 챔버의 형태와 크기는 상기 연성 고 저항의 제1 외각 및 제2 외각에 의해 감싸인 센서의 형태와 크기에 매치된다.
본 실시예에서, 하이드로폰의 쉘은 여러가지 구조일 수 있다. 예를 들어, 외각은 칼럼 형태 구조 일 수 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제공하는 복합 하이드로폰 (400)의 구조 개략도이고, 상기 복합 하이드로폰 (400)은 쉘 (410) 및 설치 방향이 서로 다른 적어도 2개의 센서 (310)를 포함한다. 여기서, 상기 쉘 (410)은 칼럼 형태 구조이고, 상기 칼럼 형태 구조는 원통형 또는 직방체일 수 있고, 본 실시예는 이에 대해 한정하지 않는다. 상기 실시예에 있어서, 상기 쉘 (410)에는 축 방향이 서로 다른 적어도 2개 칼럼 형태 챔버 (413)가 개설된다.
바람직하게는, 상기 하이드로폰의 쉘 (410)이 칼럼 형태 구조일 경우, 상기 쉘 (410)은 제3 단부 (411) 및 제3 단부 (411)에 대향하는 제4 단부 (412)를 포함한다. 상기 쉘 (410)의 각 칼럼 형태 챔버 (413)는 제3 단부 (411)와 제4 단부 (412) 사이에 희망하는 간격으로 순차적으로 설치될 수 있다. 즉, 각 상기 센서 (310)는 상기 쉘 (410)의 축 방향을 따라 희망하는 간격으로 분포된다. 설명해야 할 것은 상기 쉘 (410)에 설치된 칼럼 형태 챔버 (413) 내의 센서 (310)는 연성인 고 저항 제1 외각 및 제2 외각에 의해 감싸인 센서 (310)이다.
바람직하게는, 인접한 상기 칼럼 형태 챔버 (413)의 축선 사이는 협각을 이루고, 상기 협각은 실제수요에 따라 융통성 있게 설치될 수 있으며, 예를 들어 상기 협각은 90° 또는 60° 일 수 있다. 일반적인 경우, 당해 협각은 예각, 둔각 또는 직각일 수 있다. 각 칼럼 형태 챔버 (413)에 센서 (310)를 하나씩 설치하기 때문에 인접한 2개 칼럼 형태 챔버 (413)의 축 방향은 협각을 이루고, 즉 인접한 2개 센서 (310) 사이는 협각을 이룬다.
하나의 실시예로서, 상기 하이드로폰의 쉘 (410)은 3개 칼럼 형태 챔버 (413)를 포함하고, 서로 인접한 2개 칼럼 형태 챔버 (413)의 축선은 60° 간격으로 이격되어 배치된다. 또 다른 실시예로서, 상기 복합 하이드로폰 (400)은 4개의 칼럼 형태 챔버 (413)를 포함할 수 있으며, 서로 인접한 2개 칼럼 형태 챔버 (413)의 축선은 90° 간격으로 이격되어 배치된다.
또 예를 들면, 하이드로폰의 쉘은 하나의 환상부 및 당해 환상부의 가장자리에 설치된 적어도 2개의 돌출부를 포함할 수 있다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제공하는 또 다른 복합 하이드로폰 (500)의 구조 개략도이고, 상기 복합 하이드로폰 (500)은 쉘 (510) 및 설치 방향이 서로 다른 적어도 2개의 센서 (310)를 포함한다. 쉘 (510)은 환상부 (511) 및 돌출부 (512)를 포함하고, 칼럼 형태 구조는 원통형 또는 직방체일 수 있으며, 상기 돌출부 (512)는 상기 환상부 (511)의 가장자리에 등각 간격으로 설치된다. 각 상기 돌출부 (512) 내에는 적어도 하나의 상기 칼럼 형태 챔버 (513)가 포함되고, 각 상기 칼럼 형태 챔버 (513)에는 연성인 고 저항 제1 외각 및 제2 외각에 의해 감싸인 하나의 센서가 배치된다.
바람직하게는, 본 실시예에 있어서, 각 돌출부 (512) 내의 칼럼 형태 챔버 (513)의 축선은 당해 돌출부 (512)의 돌출 방향에 수직될 수 있다.
바람직하게는, 상기 돌출부 (512) 각각에는 적어도 2개의 상기 칼럼 형태 챔버 (513)가 포함되고, 또한 동일한 돌출부 (512)의 각 칼럼 형태 챔버 (513)의 축선은 서로 평행한다. 상세한 설치 방법은 전술한 도 4 ~ 9의 관련 설명을 참조한다.
바람직하게는, 하이드로폰 (510)이 도 13에 표시된 구조일 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이, 동일 돌출부 (512)의 각 센서 (310)의 제1 음향 투과 밀봉 구조와 제2 음향 투과 밀봉 구조는 당해 돌출부 (512)의 양측의 개방 공간을 충진하여 새로운 음향 투과 밀봉 유닛 (520)을 형성한다. 상기 양측은 환상부 (511)에 따른 당해 돌출부 (512)의 둘레 방향의 양측을 가리킨다.
이상을 정리하면, 본 발명은 하이드로폰 (100) 및 에너지 변환 방법 복합 하이드로폰 (200)을 제공한다. 외각 (120)의 파이프 구조를 통해 외각 (120)은 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 끼움 결합될 수 있다. 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)를 외각 (120)의 일단에 끼움 결합시키고, 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)를 외각 (120)의 타단에 끼움 결합시키고, 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단을 모두 도선 (150)을 통해 외부부하에 결합시키는 것을 통해 수중의 에너지 변환 소자를 밀봉시키는 동시에 에너지 변환 소자 및 외부부하의 결합을 실현했다.
제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)와 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)는 모두 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)에 전송한다. 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110) 각각은 그 일단이 제1 음향 투과 밀봉 시트 (130)에 의해 입력되는 음향신호를 수신하고, 타단이 제2 음향 투과 밀봉 시트 (140)에 의해 입력되는 음향신호를 수신하여, 음향신호를 전기 신호로 전환하여 외부부하에 출력할 수 있다. 외부부하는 상기 전기 신호에 대응되는 압력 값을 산출하여 수중에서 측정한 압력을 정확하게 얻을 수 있다. 하이드로폰 (100)의 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)는 외각 (120)에 끼움 결합하고, 또한 외각 (120)이 파이프 구조이기 때문에, 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단은 외각 (120)에 의해 밀봉되지 않은 자유단이다. 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단이 자유롭기 때문에 스트립 형태 에너지 변환 소자 (110)의 양단은 모두 음향신호를 수신할 수 있다. 스트립 형태 에너지 변환 소자는 자유로운 반 파장 진동 모드에 있기 때문에, 수신 주파수 대역을 효과적으로 증폭시킬 수 있다. 한편 사용하는 압전 소자 (110)는 일반적인 압전 세라믹보다 높은 횡 압전계수와 수성 매질에 더 가까운 음향저항을 갖는 특징이 있어, 소형 또는 중형 부피의 하이드로폰 (100)의 수신 감도를 효과적으로 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과하며, 본 발명의 보호 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 기술분야의 통상의 기술자에게 있어서, 본 발명은 다양한 변경 및 변화의 여지가 있다. 본 발명의 사상 및 원칙하에서 이루어진 모든 수정, 균등 치환, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.
본 발명에서 제공하는 하이드로폰 및 에너지 변환 방법, 복합 하이드로폰은 수중의 에너지 변환 소자를 밀봉시키는 동시에 에너지 변환 소자 및 외부부하의 결합을 실현하였다. 또한, 본 발명에서 제공하는 하이드로폰은 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 에너지 변환 소자로 함으로써, 하이드로폰의 감도를 높이였다. 에너지 변환 소자의 측면은 적어도 연성인 고 저항 재료의 외각에 의해 감싸여 있으므로, 이에 의해 에너지 변환 소자의 양단은 자유적이며 그 어떤 기계 제약도 받지 않으며, 따라서 에너지 변환 소자의 압전 성능을 높이였고, 하이드로폰의 감도를 높이였다. 복수의 하이드로폰을 설치하고 또한 복수의 하이드로폰의 설치 방향을 개선함으로써, 복합 하이드로폰의 전 방향성을 효과적으로 높이였다.
100 (300) : 하이드로폰
110 (311) : 스트립 형태 에너지 변환 소자
120 : 외각
121 : 음향저항 외각
122 : 보호 커버
130 : 제1 음향 투과 밀봉 시트
140 : 제2 음향 투과 밀봉 시트
150 (313) : 도선
200 (400,500) : 복합 하이드로폰
210 : 본체
220 : 챔버
310 : 센서
312 : 측면
320 : 제1 외각
330 : 제2 외각
341 : 제1 음향 투과 밀봉 구조
342 : 제2 음향 투과 밀봉 구조
410 (510) : 지지체
411 : 제3 단부
412 : 제2 단부
413 (513) : 칼럼 형태 챔버
511 : 돌출부
520 : 음향 투과 밀봉 유닛
110 (311) : 스트립 형태 에너지 변환 소자
120 : 외각
121 : 음향저항 외각
122 : 보호 커버
130 : 제1 음향 투과 밀봉 시트
140 : 제2 음향 투과 밀봉 시트
150 (313) : 도선
200 (400,500) : 복합 하이드로폰
210 : 본체
220 : 챔버
310 : 센서
312 : 측면
320 : 제1 외각
330 : 제2 외각
341 : 제1 음향 투과 밀봉 구조
342 : 제2 음향 투과 밀봉 구조
410 (510) : 지지체
411 : 제3 단부
412 : 제2 단부
413 (513) : 칼럼 형태 챔버
511 : 돌출부
520 : 음향 투과 밀봉 유닛
Claims (21)
- 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자,
적어도 하나의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 끼움 결합하는 파이프 구조인 외각,
상기 외각의 일단에 끼움 결합하는 제1 음향 투과 밀봉 시트,
상기 외각의 타단에 끼움 결합하는 제2 음향 투과 밀봉 시트, 및
적어도 하나의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양단을 외부부하에 결합시키는 도선을 포함하고,
상기 제1 음향 투과 밀봉 시트 및 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트는 모두 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송하도록 구성되고,
각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 일단이 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하고, 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 타단이 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트에 의해 입력되는 상기 음향신호를 수신하여, 상기 음향신호를 전기 신호로 전환하여 상기 외부부하에 출력하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제1 항에 있어서,
상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 복수개이고,
복수개의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 실제적용 상황에 따라 평행하게 설치되고 병렬 또는 직렬로 전기적 연결되거나 또는 일부가 병렬로 일부가 직렬로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제2 항에 있어서,
각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분의 완화형 강유전체 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제3 항에 있어서,
각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 모두 Pb계 완화형 단결정 소자의 횡방향 진동 모드에서 동작하고, 상기 Pb계 완화형 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제4 항에 있어서,
상기 외각은
각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자의 양측 감지면을 제외한 부분에 끼움 결합되는 음향저항 외각,
상기 음향저항 외각에 끼움 결합되는 보호 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제5 항에 있어서,
상기 음향저항 외각과 상기 보호 커버는 모두 파이프 구조인 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 쉘,
상기 쉘을 관통하는 복수의 챔버, 및
상기 챔버 내에 설치되는 복수의 제1 항 내지 제6항의 어느 한 항에 기재된 하이드로폰 소자를 포함하며,
각 상기 챔버는 인접하는 상기 챔버와 모두 협각을 이루는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제7 항에 있어서,
각 상기 챔버의 형태와 크기는 상기 하이드로폰 소자의 형태와 크기에 매치되는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제8 항에 있어서,
상기 쉘은 칼럼 형태 구조이고,
각 상기 챔버는 상기 쉘의 일단과 상기 쉘의 타단 사이에 순차적으로 설치되고, 인접하는 상기 챔버와 협각을 이루는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제1 항 내지 제6 항의 어느 한 항에 기재된 하이드로폰에 적용되는 에너지 변환 방법에 있어서,
상기 방법은
상기 제1 음향 투과 밀봉 시트와 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트가 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자 각각을 외부 환경으로부터 격리시켜, 수중 음향신호를 각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자에 전송하는 단계와,
각 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자가 상기 제1 음향 투과 밀봉 시트와 상기 제2 음향 투과 밀봉 시트가 입력하는 상기 음향신호를 수신하고, 상기 음향신호를 전기 신호로 전환하여 외부부하에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 방법. - 적어도 하나의 스트립 형태 에너지 변환 소자 즉 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 포함함과 동시에 4개 측면과 양단을 구비하는 센서를 포함하고,
상기 4개 측면은 제1 외각과 상기 제1 외각에 끼움 결합하는 제2 외각에 의해 감싸여 있고, 상기 제1 외각은 연성인 고 저항 재료로 제조되고, 상기 제2 외각은 다층 고 저항 재료로 제조되며,
상기 양단은 각각 도선을 통해 외부부하에 결합되고, 상기 양단에는 각각 제1 음향 투과 밀봉 구조와 제2 음향 투과 밀봉 구조가 설치되고, 상기 제1 음향 투과 밀봉 구조와 상기 제2 음향 투과 밀봉 구조는 상기 센서를 외부 환경으로부터 격리시키고, 수중 음향신호를 상기 센서에 전송하고, 상기 센서에서 수신된 음향신호를 전기 신호로 전환하여 상기 외부부하에 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제11 항에 있어서,
상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자인 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 구성 부분은
아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 제13 항에 있어서,
상기 센서는 복수의 상기 스트립 형태 에너지 변환 소자를 포함하고,
상기 스트립 형태 에너지 변환 소자는 실제적용 상황에 따라, 병렬, 직렬 또는 일부분이 병렬로 일부분이 직렬로 전기적 연결되는 것을 특징으로 하는 하이드로폰. - 스트립 형태 에너지 변환 소자 즉 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자를 포함함과 동시에 연성인 고 저항 재료로 제조된 제1 외각 및 제2 외각에 의해 감싸인 4개 측면과 양단을 구비하는 설치 방향이 서로 다른 적어도 2개의 센서와,
연성인 고 저항의 외각에 의해 감싸인 하나의 센서가 내장되고 축선 방향이 서로 다른 적어도 2개의 칼럼 형태 챔버가 개설된 하이드로폰 쉘을 포함하며,
각 칼럼 형태 챔버는 상기 쉘의 단면을 관통하여 당해 칼럼 형태 챔버 내에 설치된 센서의 양단이 외부 환경과 접촉하게 하는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제15 항에 있어서,
상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자는 [011] 결정방향으로 분극되고, [100] 또는 [0-11] 결정방향을 감지방향으로 하는 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자인 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제15 항 또는 제16 항에 있어서,
상기 Pb계 완화형 고용체 압전 단결정 소자의 구성 부분은
아연 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-티탄산연, 마그네슘 니오브산연-지르콘산티탄산연, 인듐 니오브산연-마그네슘 니오브산연-티탄산연 또는 그 파생 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제17 항에 있어서,
상기 쉘은 칼럼 형태 구조이고,
각 상기 칼럼 형태 챔버는 상기 칼럼 형태 구조 쉘의 두 단부 사이에서 기정된 간격을 두고 순차적으로 개설되고, 인접한 2개 상기 칼럼 형태 챔버의 축선은 협각을 이루는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제17 항에 있어서,
상기 하이드로폰의 쉘은
환상부, 및
내부에 적어도 하나의 상기 칼럼 형태 챔버가 개설됨과 동시에, 등각 간격으로 상기 환상부의 가장자리에 설치된 적어도 2개의 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 제19 항에 있어서,
각 상기 돌출부 내에는 축선이 서로 평행하는 적어도 2개의 상기 칼럼 형태 챔버가 개설되는 것을 특징으로 하는 복합 하이드로폰. - 삭제
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