KR102289251B1 - 임피던스 패터닝을 이용한 음파 집속 장치 - Google Patents

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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

음파의 집속을 위한 음파 집속 장치가 개시된다. 음파 집속 장치는 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열된다.

Description

임피던스 패터닝을 이용한 음파 집속 장치{SOUND WAVE FOCUSING DEVICE USING IMPEDANCE PATTERNING}
본 발명은 음파의 집속을 위한 음파 집속 장치에 관한 것으로, 상세하게는 표면 임피던스 패터닝을 이용한 음파 집속 장치에 관한 것이다.
일반적으로 음향 장치 등의 음파 소스로부터 발생한 음파는 무지향성(nondirectional, omni directional)을 가지고 360도 방향으로 대략 고르게 퍼져 나간다. 따라서 음파 소스로부터 거리가 멀어질수록 음파의 크기가 급격하게 저하되며 원거리에 위치한 음파 수신자에게 원하는 크기의 소리를 정확하게 전달하기 곤란한 문제가 있다.
원거리에 위치한 수신자에게 충분한 크기의 음파를 전달하기 위해서는 음파 소스로부터 발생하는 음파의 크기 또는 세기를 더 세게 하는 방법이 고려될 수 있다. 그러나 음파 소스에서 음파의 크기를 증가시키는 것에는 한계가 있고 비용 증가를 유발할 수 있다. 더욱이 음파가 모든 방향으로 고르게 퍼지기 때문에 원하는 수신자가 아닌 다른 수신자에게도 음파가 전달되는 문제가 있다. 그리고 의도된 수신자가 아닌 자 입장에서는 음파가 소음으로 받아들여지게 된다. 이러한 이유로 특정 방향 또는 특정 위치로 음파가 집중적으로 도달되도록 하기 위한 기술에 대한 연구가 개발 중이다.
한국공개특허 제10-2018-0127226호, 확성기 시스템 및 방향성과 확산 제어를 위한 구조체
종래의 음파의 송출 방향을 제어, 즉 음파에 지향성을 부여하기 위한 방법으로 음파 소스 앞에 호온(horn)을 배치하여 음파의 송출 방향을 집중시키는 방법을 들 수 있다(특허문헌 1). 호온은 대략 깔대기 모양을 가지고 음파가 호온의 내벽에서 반사되는 특성을 이용함으로써 음파에 대략 지향성을 부여할 수 있다. 호온이 적용된 예로는 확성기 등을 들 수 있다. 그러나 호온을 이용할 경우 음파의 손실률이 크기 때문에 더 효율적으로 음파를 전달하고자 하는 기술분야에서 한계가 있는 것으로 받아들여지고 있다.
그 외에도 복수 개의 음파 소스를 이용해서 음파의 보강 및 상쇄를 응용한 방법이 있으나, 이는 엄밀한 의미에서 음파에 지향성을 부여하는 것으로 보기 어렵고 비효율적이라는 문제가 있다. 또한 비정형 상황에서, 즉 필요에 따라 원하는 방향으로 음파를 집중적으로 송출할 수 없고 미리 설계된 상황 하에서만 제어 가능한 한계가 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음파 소스로부터 발생한 음파를 원하는 방향으로 집중적으로 송출하거나, 원하는 위치로 집속시킬 수 있는 음파 집속 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 음파를 집속시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속 장치는 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열된다.
상기 음파 집속 장치의 초점 거리는 하기 수식을 만족할 수 있다.
<수식>
Figure 112020073258247-pat00001
여기서, L은 초점 거리이고, θ는 어느 패턴 그룹이 음파를 굴절시키는 각도이다.
또, 상기 패턴 그룹의 패턴은 홈 패턴(groove pattern)을 포함하고, 상기 홈 패턴 중 적어도 일부는 상이한 깊이를 가질 수 있다.
어느 패턴 그룹의 평면 시점에서, 임의의 패턴 그룹 중심을 기준으로, 상기 복수의 홈 패턴의 깊이는, 제1 방향으로 대칭적이도록 구성될 수 있다.
또, 어느 패턴 그룹의 평면 시점에서, 임의의 패턴 그룹 중심을 기준으로, 상기 복수의 홈 패턴의 깊이는, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로서, 상기 가상의 중심점을 향하는 제2 방향으로 비대칭적으로 구성될 수 있다.
또한 어느 패턴 그룹의 상기 제2 방향으로의 단면 상에서, 상기 복수의 홈 패턴의 깊이는 비주기적으로 증감을 반복할 수 있다.
어느 패턴 그룹에서, 상기 복수의 홈 패턴의 반복 단위는 육각 배열될 수 있다.
또 상기 복수의 홈 패턴의 최대 깊이는 상기 홈 패턴의 최대폭의 1.5배 내지 1.7배의 범위에 있을 수 있다.
또한 상기 복수의 홈 패턴의 최소 깊이는 상기 홈 패턴의 최대폭의 0.5배 내지 0.6배의 범위에 있을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 복수의 홈 패턴 중 적어도 일부의 기저면은 상기 가상의 중심점 방향을 향해 상향 경사질 수 있다.
어느 패턴 그룹에서, 상기 홈 패턴의 깊이(d)와 평면상 위치(x, y) 간의 관계는 하기 수식을 만족하도록 구성될 수 있다.
<수식>
Figure 112020073258247-pat00002
Figure 112020073258247-pat00003
Figure 112020073258247-pat00004
여기서, A1, A2, A3, A4, A5 및 A6는 각각 소정의 값을 갖는 양수 또는 0이고, B는 0.8 내지 1.5 범위의 양수이고, M은 0.2 내지 0.8 범위의 양수이고, λ는 변조하고자 하는 음파의 파장이고, n은 1.3 내지 1.5 사이의 양수이고, θ는 굴절시키고자 하는 각도이고, d는 상기 홈 패턴의 깊이이고, x 및 y는 각각 임의의 패턴 그룹 중심을 기준으로 하는 좌표값으로서, +y는 상기 가상의 중심점을 향하는 방향이다.
상기 복수의 패턴 그룹은 3개일 수 있다.
또 어느 패턴 그룹의 최대폭은 상기 플레이트의 최대폭의 40% 내지 60%의 범위에 있을 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 홈 패턴을 가지되 패턴의 깊이를 이용하여 제어된 표면 어드미턴스를 갖는 음파 집속 장치를 복수개 배열함으로써 미리 설정된 초점 거리만큼 이격된 위치에 음파를 집속시킬 수 있다.
즉, 본 실시예들에 따른 음파 집속 장치는 음파 안테나와 같이 기능하여 빔 스티어링(steering)을 달성할 수 있고, 원하는 위치에 실질적인 손실 없이 음파의 전달이 가능할 수 있다. 또한 종래의 음파 집속 장치에 비해 보다 효율적으로 기능할 수 있고, 특히 소형화될 수 있어 음파 제어 분야에 유망한 응용으로 이어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 음파 집속 장치의 단면 사시도이다.
도 3은 도 1의 제1 패턴 그룹의 패턴의 배열을 나타낸 레이아웃이다.
도 4는 도 1의 패턴 그룹들의 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ' 선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 도 1의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절개한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치의 어느 패턴 그룹의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치의 어느 패턴 그룹의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치의 어느 패턴 그룹의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치의 사시도이다.
도 11은 도 10의 음파 집속 장치의 단면 사시도이다.
도 12는 음파 집속 장치를 이용하지 않은 비교예에서의 음압 레벨을 시뮬레이션한 결과 이미지이다.
도 13 내지 도 15는 각각 실시예 4 내지 실시예 6에 따른 음파 집속 장치를 이용한 경우 음압 레벨을 시뮬레이션한 결과 이미지들이다.
도 16 내지 도 18은 각각 실시예 7 내지 실시예 9에 따른 음파 집속 장치를 이용한 경우 음압 레벨을 시뮬레이션한 결과 이미지들이다.
도 19 내지 도 21은 각각 실시예 10 내지 실시예 12에 따른 음파 집속 장치를 이용한 경우 음압 레벨을 시뮬레이션한 결과 이미지들이다.
도 22 내지 도 24는 각각 실시예 13 내지 실시예 15에 따른 음파 집속 장치를 이용한 경우 음압 레벨을 시뮬레이션한 결과 이미지들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 즉, 본 발명이 제시하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 도시된 구성요소의 크기, 두께, 폭, 길이 등은 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장 또는 축소될 수 있으므로 본 발명이 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', ‘상(on)’, '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
또, 본 명세서에서, 제1 방향(X)은 평면 내 임의의 방향을 의미하고, 제2 방향(Y)은 상기 평면 내에서 제1 방향(X)과 교차하는 다른 방향을 의미한다. 또, 제3 방향(Z)은 상기 평면과 수직한 방향을 의미한다. 여기서 제2 방향(Y)은 일측 방향을 향하는 제2 방향 일측(Y1)과 그 반대 방향을 향하는 제2 방향 타측(Y2)을 포함하는 의미이다. 다르게 정의되지 않는 한, '평면'은 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 속하는 평면을 의미한다. 또, 다르게 정의되지 않는 한, '중첩'은 상기 평면 시점에서 제3 방향(Z)으로 중첩하는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)의 사시도이다. 도 2는 도 1의 음파 집속 장치(11)의 단면 사시도로서, 제1 패턴 그룹(211)과 제2 패턴 그룹(212)의 음파 집속 장치 중심점(CP)을 향한 방향을 따라 절개한 단면을 나타낸 단면 사시도이다. 도 3은 도 1의 제1 패턴 그룹(211)의 패턴의 배열을 나타낸 레이아웃이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)는 일면(또는 상면) 상에 형성된 복수의 패턴 그룹들(211, 212, 213)을 갖는 플레이트(또는 음파 집속 패널)(110)를 포함한다. 음파 집속 장치(11)는 초점(F)을 가지고, 음파 집속 장치(11)의 타면(또는 배면) 측으로부터 제공된 음파 소스가 송출하는 음파를 초점(F) 위치에 집속시키도록 구성될 수 있다.
도 1 등은 플레이트(110)가 평면상 원 형상인 경우를 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 플레이트(110)는 평면상 타원 형상이거나, 편심 타원 형상이거나, 또는 사각형 등의 다각형 형상을 가질 수도 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 플레이트(110)의 타면(또는 배면)은 대략 평탄(flat)한 상태일 수 있다.
플레이트(110)에는 복수의 패턴 그룹들(211, 212, 213)이 형성될 수 있다. 어느 하나의 패턴 그룹(211, 212, 213)은 규칙적으로 배열된 복수의 패턴(300)들을 포함하는 집합체를 의미할 수 있다. 즉, 어느 패턴 그룹과 다른 패턴 그룹은 각각의 패턴들의 규칙성 측면에서 구별될 수 있다. 구체적으로, 제1 패턴 그룹(211)에 속하는 복수의 패턴(300)들은 서로 규칙적으로 배열되고, 제2 패턴 그룹(212)에 속하는 복수의 패턴(300)들은 서로 규칙적으로 배열되나, 이들의 규칙성은 제1 패턴 그룹(211)에 속하는 복수의 패턴(300)들과 제2 패턴 그룹(212)에 속하는 복수의 패턴(300)들을 모두 아우르지 못할 수 있다. 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)은 음파 집속 장치(11)의 가상의 중심점(CP)을 기준으로 120도 각도로 원형 배열될 수 있다.
복수의 패턴(300)들이 모여 어느 패턴 그룹(211, 212, 213)을 형성하는 경우, 패턴 그룹(211, 212, 213)의 평면상 형상은 대략 원형일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 패턴 그룹(211, 212, 213)의 최대폭은 음파 집속 장치(11)의 최대폭, 예컨대 플레이트(110)의 최대폭의 약 40% 내지 60% 범위, 또는 약 45% 내지 55% 범위에 있을 수 있다. 패턴 그룹(211, 212, 213)의 최대폭이 상기 범위에 있을 경우 음파의 집속 효율이 극대화될 수 있다. 이에 대해서는 실험예 2 및 실험예 3과 함께 상세하게 설명한다.
또, 도 1 등은 3개의 패턴 그룹들(211, 212, 213)이 서로 이격된 경우를 예시하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및/또는 제3 패턴 그룹(213) 중 적어도 일부는 서로 맞닿을 수 있다. 또 패턴 그룹들(211, 212, 213)은 2개(180도 각도 원형 배열)이거나, 또는 4개(90도 각도 원형 배열) 또는 그 이상일 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 각 패턴(300)은 홈 패턴(groove pattern) 또는 오목 패턴, 또는 함몰 패턴일 수 있다. 즉, 패턴(300)은 플레이트(110)의 상면에서 하면 방향으로 오목하게 함몰되어 플레이트(110)의 상면 레벨이 비해 소정의 깊이를 갖는 기저면을 형성할 수 있다. 후술할 바와 같이 각 홈 패턴(300)은 플레이트(110)의 표면 어드미턴스 분포를 형성할 수 있다.
어느 패턴 그룹에서, 예를 들어 제1 패턴 그룹(211)에 속하는 복수의 패턴(300)들의 적어도 일부는 서로 상이한 깊이를 가질 수 있다. 도 2는 음파 집속 장치의 가상의 중심점(CP)을 향하는 방향, 즉 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서 제1 패턴 그룹(211)이 9개의 홈 패턴(300)을 갖는 경우를 예시하고 있으나, 이는 도면의 표현 상의 명료성을 위한 것으로 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 각 패턴 그룹은 더 많은 홈 패턴(300)을 가질 수 있다. 예컨대 어느 패턴 그룹(211, 212, 213)은 대략 수백개의 패턴(300)들을 포함하거나, 또는 대략 수천개의 패턴(300)들을 포함하거나, 또는 대략 수만개의 패턴(300)들을 포함하거나, 또는 대략 수십만개의 패턴(300)들을 포함하거나, 또는 대략 수백만개의 패턴(300)들을 포함할 수 있다.
홈 패턴(300)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면 상에서 대략 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 패턴 그룹(211)의 홈 패턴(300)은 제1 방향(X)을 따라 반복 배열되고, 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)이 교차하는 대각 방향을 따라 반복 배열될 수 있다. 제1 방향(X)과 상기 대각 방향이 형성하는 각도는 약 60도일 수 있다. 즉, 복수의 홈 패턴(300)은 규칙적으로 배열되되, 홈 패턴(300)의 반복 단위는 육각 배열을 가질 수 있다. 구체적으로 설명하면, 임의의 어느 홈 패턴(300)을 중심으로, 상기 홈 패턴의 중심과 일치하는 임의의 정육각형의 각 꼭지점과 상응하는 위치에 6개의 홈 패턴(300)이 위치하여 7개의 홈 패턴(300)이 반복 단위를 형성할 수 있다. 이에 따라 서로 최인접한 세개의 홈 패턴(300)의 중심을 연결하면 정삼각형이 될 수 있다.
평면 시점에서, 어느 홈 패턴(300)은 원 형상일 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 홈 패턴(300)은 반복 단위를 이루어 규칙적인 육각 배열을 이루기에 용이한 형상이면 무방할 수 있다. 예컨대 홈 패턴(300)의 평면상 형상은 사각 형상, 육각 형상, 또는 타원 형상 등일 수도 있다.
각각의 패턴(300)은 특정한 최대폭(W), 이격 거리(D), 배열 피치(P) 및 깊이(미도시) 등을 갖도록 설계되어 음파에 지향성을 부여할 수 있다.
패턴(300)의 최대폭(W)은 제어하고자 하는 음파의 파장의 약 15% 이하, 또는 약 14% 이하, 또는 약 13% 이하, 또는 약 12% 이하, 또는 약 11% 이하, 또는 약 10% 이하일 수 있다. 패턴(300)의 최대폭(W)과 제어하고자 하는 음파의 파장이 상기 관계에 있는 것이 이득(gain) 측면에서 유리할 수 있다. 반면, 패턴(300)의 최대폭(W)이 제어하고자 하는 파장의 약 30%, 또는 약 40%, 또는 약 50%를 초과할 경우 파동 변조 구조로서 기능하지 못할 수 있다. 예를 들어, 패턴(300)의 최대폭(W)은 약 1.3mm 내지 1.5mm, 또는 약 1.4mm일 수 있다. 패턴(300)의 평면상 형상이 원형인 경우 최대폭(W)은 상기 원의 직경을 의미할 수 있다.
특히 제어하고자 하는 음파가 약 1kHz 내지 30kHz 범위의 주파수를 갖는 가청 음파일 경우, 최대폭(W)은 1.3mm 내지 1.5mm 범위에 있는 것이 바람직할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)는 약 10kHz 내지 32kHz, 또는 약 15kHz 내지 30kHz, 또는 약 20kHz의 주파수를 갖는 음파를 제어하기 위한 장치일 수 있다.
또, 서로 최인접한 두개의 패턴(300) 간의 배열 피치(P)는 최대폭(W)의 약 1.4배 이상 2배 이하일 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이 복수의 패턴(300)이 평면상 육각 배열될 경우, 최인접한 두개의 패턴(300)은 제1 방향(X)을 따라 인접하거나, 또는 제1 방향(X)과 60도의 각도를 이루는 대각 방향을 따라 인접한 패턴을 의미할 수 있다. 이 경우 배열 피치(P)는 약 1.8mm 내지 2.8mm, 또는 약 1.9mm 내지 2.5mm, 또는 약 2.0mm일 수 있다. 본 명세서에서 '배열 피치'는 인접한 패턴(300)의 평면상 중심 간의 거리로 표현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배열 피치(P)는 제어하고자 하는 음파의 파장 보다 작을 수 있다.
서로 인접한 두개의 패턴(300) 간의 이격 거리(D)는 배열 피치(P)에서 최대폭(W)을 제외한 길이로 표현될 수 있다. 즉, 이격 거리(D)는 약 0.5mm 내지 1.3mm, 또는 약 0.4mm 내지 1.0mm, 또는 약 0.6mm일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 실시예와 같이 최대폭(W), 배열 피치(P), 이격 거리(D) 및/또는 깊이(미도시)를 가지고 반복적 및 규칙적으로 배열된 복수의 패턴(300) 및 패턴 그룹들(211, 212, 213)은 메타 물질과 같이 기능할 수 있다. 본 명세서에서, '메타 물질' 또는 '메타 구조'는 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 다른 특성을 구현하기 위한 인공적인 물질, 구조, 구조체 및 시스템을 포함하는 의미이다. 상기 특성은 유전율(permittivity), 투자율(permeability), 굴절률(refractive index) 및 전파 특성(scattering parameter) 등을 예시할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 6을 더 참조하여 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)의 플레이트(110)의 표면 어드미턴스 및 패턴(300)의 깊이에 대해 더 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1의 패턴 그룹들(211, 212, 213)의 표면 어드미턴스 등고선을 나타낸 모식도이다. 우선 도 4를 더 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)의 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)은 가상의 중심점(CP)을 기준으로 원형 배열될 수 있다.
예를 들어, 패턴 그룹들(211, 212, 213)이 총 3개 마련된 경우, 제2 패턴 그룹(212)은 제1 패턴 그룹(211)에 비해 중심점(CP)을 기준으로 반시계 방향으로 120도 만큼 피봇(pivot)되어 위치하고, 제3 패턴 그룹(213)은 제2 패턴 그룹(212)에 비해 중심점(CP)을 기준으로 반시계 방향으로 120도 만큼 피봇되어 위치할 수 있다. 즉, 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)은 서로 피봇된 점을 제외하고는, 서로 실질적으로 동일한 패턴(300)들의 배열을 가질 수 있다. 본 명세서의 도면의 제1 패턴 그룹(211)과 음파 집속 장치(11)의 중심점(CP)을 연결하는 선은 제2 방향(Y)과 평행한 방향일 수 있다. 이에 따라 제2 패턴 그룹(212)과 중심점(CP)을 연결하는 선 및 제3 패턴 그룹(213)과 중심점(CP)을 연결하는 선은 제2 방향(Y)과 각각 60도의 사이각을 가질 수 있다.
또, 음파 집속 장치(11)의 각 패턴 그룹(211, 212, 213)들은 정형화된 표면 어드미턴스 등고선을 정의할 수 있다. 여기서 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)이 형성하는 상기 표면 어드미턴스의 등고선 분포는 가상의 중심점(CP)을 기준으로 원형 배열될 수 있다.
어느 패턴 그룹(211, 212, 213)의 패턴(300)들에 의해 형성된 플레이트(110) 표면의 어드미턴스 등고선은, 예를 들어 제1 패턴 그룹(211)에 의해 형성 어드미턴스 등고선은 임의의 중심을 기준으로 대략 타원형, 또는 대략 편심 타원형 내지는 계란형일 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 실선으로 표현된 위치는 최대 표면 어드미턴스 값의 등고선이고, 점선으로 표현된 위치는 최소 표면 어드미턴스 값의 등고선일 수 있다. 상기 최대 표면 어드미턴스 값과 최소 표면 어드미턴스 값의 사이의 값을 갖는 표면 어드미턴스 값의 등고선은 표현하지 않았으나, 최대 표면 어드미턴스 등고선과 최소 표면 어드미턴스 등고선의 사이에 위치할 수 있다.
또, 도 4의 어느 패턴 그룹(211, 212, 213), 예컨대 제1 패턴 그룹(211)은 최대 표면 어드미턴스 등고선과 최소 표면 어드미턴스 등고선이 방사 방향으로 교번적으로 배열되되, 최대 표면 어드미턴스 등고선과 최소 표면 어드미턴스 등고선이 도합 15개 형성된 경우를 예시하나 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 최대 및 최소 표면 어드미턴스 등고선은 15개 보다 적게, 또는 많게 형성될 수 있다.
또한 어느 패턴 그룹(211, 212, 213), 예컨대 제1 패턴 그룹(211) 내에서, 최대 표면 어드미턴스 등고선이 반복되는 반복 주기, 및/또는 최소 표면 어드미턴스 등고선이 반복되는 반복 주기는, 패턴 그룹(211)의 중심부에서 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 상기 등고선의 반복 주기는 패턴 그룹(211)의 중심부에서 음파 집속 장치(11)의 가상의 중심점(CP)을 향하는 방향으로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 플레이트(110)의 어느 패턴 그룹(211, 212, 213)이 위치하는 표면 어드미턴스는 하기 수식 1을 통해 정형화되며, 어드미턴스는 해당 위치의 홈 패턴(300)의 깊이를 통해 제어될 수 있다. 예컨대, 표면 어드미턴스 값과 홈 패턴(300)의 깊이는 대략 상응 내지는 비례할 수 있다. 다시 말해서, 도 4에 표현된 어드미턴스 값의 등고선은 홈 패턴(300)의 깊이에 관한 등고선과 대략 일치할 수 있다. 이하에서, 제1 패턴 그룹(211), 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 기준으로 예로 하여 설명하나, 제1 패턴 그룹(211)이 피봇된 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)의 정형화 또한 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
<수식 1>
Figure 112020073258247-pat00005
여기서 상기 좌변은 홈 패턴(300)의 깊이(d)에 관한 함수이며, 상기 우변은 홈 패턴(300)의 평면상 위치에 관한 함수이다.
또, 상기 수식 1의 좌변은 하기 수식 2로 표현될 수 있다.
<수식 2>
Figure 112020073258247-pat00006
여기서, A1, A2, A3, A4, A5 및 A6는 각각 소정의 값을 갖는 양수 또는 0인 상수이다. 예컨대, A1은 5 또는 6이고, A2는 20 내지 25의 범위의 양수이고, A3는 25 내지 30 범위의 양수이고, A4는 20 내지 25 범위의 양수이고, A5는 6 내지 8 범위의 양수이고, A6는 0 또는 1일 수 있다. 또, d는 홈 패턴의 깊이이다.
상기 상수를 포함하는 수식 2에는 플레이트(110)의 밀도 및/또는 플레이트(110)의 두께(T) 등 매질에 관한 속성이 반영될 수 있다.
또한, 상기 수식 1의 우변은 하기 수식 3으로 표현될 수 있다.
<수식 3>
Figure 112020073258247-pat00007
여기서, B는 평균 표면 어드미턴스 상수값으로 0.8 내지 1.5 범위의 양수이고, M은 변조 상수로 0.1 내지 0.9, 또는 약 0.2 내지 0.8, 또는 약 0.5 내지 0.6 범위의 양수이다. 후술할 바와 같이 M 값에 따라 음파의 집속 효율이 상이해질 수 있다. 예를 들어, M은 0.5 내지 0.6일 수 있다. 이에 대해서는 실험예와 함께 구체적으로 후술한다.
또, λ는 변조하고자 하는 음파의 파장(mm)이고, n은 1.3 내지 1.5 범위의 양수이고, θ는 굴절시키고자 하는 각도로, 플레이트 표면의 법선 방향에 대한 각도이다.
또, x 및 y는 평면 시점에서 패턴 그룹의 중심점을 원점으로 하는 좌표값(mm)으로, x 및 y는 양수, 음수 또는 0일 수 있다. 예를 들어, 원점으로부터 제1 방향(X) 일측(도 4 기준 우측)으로 이격된 좌표는 양의 x값을 가지고, 제1 방향(X) 타측(도 4 기준 좌측)으로 이격된 좌표는 음의 x값을 가질 수 있다. 또, 원점으로부터 제2 방향 일측(Y1)으로 이격된 좌표는 양의 y값을 가지고, 제2 방향 타측(Y2)으로 이격된 좌표는 음의 y값을 가질 수 있다.
상기 상수를 포함하는 수식 3에는 플레이트(110)의 밀도 및/또는 플레이트(110)의 두께(T) 등 매질에 관한 속성이 반영될 수 있다.
상기 수식 2와 수식 3의 매칭을 통해 특정 좌표에서의 홈의 깊이를 도출할 수 있고 이를 토대로 도 4의 제1 패턴 그룹(211)과 같은 어드미턴스 등고선 및 홈의 깊이에 관한 등고선을 도출할 수 있다.
이하 전술한 것과 같은 표면 어드미턴스를 형성하기 위한 홈 패턴(300)의 구조에 대해 설명한다. 이하 제1 패턴 그룹(211)을 예로 하여 설명하나, 제1 패턴 그룹(211)이 피봇된 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)의 단면 구조 또한 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ' 선을 따라 절개한 단면도로서, 제1 패턴 그룹(211)을 제1 방향(X)을 따라 절개한 단면도이다. 도 6은 도 1의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절개한 단면도로서, 제1 패턴 그룹(211)을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면도이다.
도 5 및 도 6을 더 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)의 제1 패턴 그룹(211)의 홈 패턴(300) 중 적어도 일부는 상이한 깊이를 가지고, 적어도 일부는 실질적으로 동일한 깊이를 가질 수 있다. 홈 패턴(300)들은 평면에 대해 수직한 방향, 즉 제3 방향(Z)으로의 내측벽을 가질 수 있다.
제1 패턴 그룹(211)을 제1 방향(X)으로 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(300)은 하나 이상의 제1 홈 패턴(311) 및 하나 이상의 제2 홈 패턴(321)을 포함한다. 제1 방향(X)으로 절개한 단면 상에서, 제1 홈 패턴(311)은 최대 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의되고, 제2 홈 패턴(321)은 최소 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의된다.
예시적인 실시예에서, 제1 패턴 그룹(211)에 속하는 홈 패턴(300)들의 깊이는 제1 패턴 그룹(211)의 중심을 기준으로 제1 방향(X)으로 대칭적이도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, '일 방향으로 대칭적'이란 상기 일 방향에 수직한 가상의 중심선을 중심으로, 일 방향 일측에 위치한 구조와 일 방향 타측에 위치한 구조가 실질적으로 대칭적임을 의미한다.
즉, 도 5에 도시된 것과 같이 제1 패턴 그룹(211)의 제1 방향(X)으로의 대략 중심이 음파의 발생 지점과 대략 일치하는 경우, 상기 중심에 상응하는 위치에 제1 홈 패턴(311)이 위치하고 중심에 상응하는 위치를 기준으로 제1 방향(X) 일측(도 5 기준 우측)과 제1 방향(X) 타측(도 5 기준 좌측)이 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 홈 패턴(311)의 깊이(T1), 즉 홈 패턴(300)들의 최대 깊이(T1)는 최대폭(W)의 약 1.5배 내지 1.7배, 또는 약 1.6배일 수 있다. 예를 들어 제1 홈 패턴(311)의 깊이(T1)는 약 1.9mm 내지 2.3mm, 또는 약 2.0mm 내지 2.2mm의 범위에 있을 수 있다. 제1 홈 패턴(311)들은 서로 이격되어 제1 방향(X)을 따라 반복될 수 있다. 또, 제1 방향(X)으로 이격되어 최인접한 두개의 제1 홈 패턴(311)들 사이에는 적어도 하나의 제2 홈 패턴(321)이 위치할 수 있다.
제2 홈 패턴(321)의 깊이(T2), 즉 홈 패턴(300)들의 최소 깊이(T2)는 최대폭(W)의 약 0.5배 내지 0.6배일 수 있다. 예를 들어 제2 홈 패턴(321)의 깊이(T2)는 약 0.7mm 내지 0.8mm의 범위에 있을 수 있다. 제2 홈 패턴(321)들은 서로 이격되어 제1 방향(X)을 따라 반복될 수 있다. 또, 제1 방향(X)으로 이격되어 최인접한 두개의 제2 홈 패턴(321)들 사이에는 적어도 하나의 제1 홈 패턴(311)이 위치할 수 있다.
제1 방향(X)의 단면 상에서, 서로 최인접한 제1 홈 패턴(311)과 제2 홈 패턴(321) 사이에는 제1 홈 패턴(311) 보다 작은 깊이를 가지고 제2 홈 패턴(321) 보다 큰 깊이를 갖는 하나 이상의 제3 홈 패턴이 위치할 수도 있다. 이에 따라 제1 방향(X)을 따라 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(300)들은 주기적 또는 비주기적으로 증감이 반복되는 깊이를 형성할 수 있다.
음파는 매질 내에서 매질의 교란 상태로 인해 에너지가 전달되는 탄성파로 분류될 수 있다. 즉, 음파는 매질을 통해 에너지가 전달될 수 있다. 일반적으로 음파는 무지향성을 가지고 소스로부터 360도 방향으로 대략 고르게 퍼져 나갈 수 있다. 본 실시예와 같이 소정의 깊이를 가지고 배열된 홈 패턴(300)들이 마련될 경우 플레이트(110)의 상면은 소정의 정현 변조된 표면 어드미턴스를 가질 수 있고, 플레이트(110)의 상면을 따라 진행하는 표면파(surface wave) 내지는 누설파(leaky wave)는 변조된 어드미턴스 표면에 의해 방사파(field wave)로 변환되어 특정 방향으로 굴절되고 높은 이득을 유지할 수 있다.
소정 파장(λ)을 갖는 음파에 대해 상기 의도된 정현 변조된 표면 어드미턴스 설계를 위해서, 플레이트(110) 상면의 표면 어드미턴스는 약 0.2 내지 1.8의 범위를 가지고 연속적으로 변화하여야 한다. 이를 위해 상기와 같은 제1 홈 패턴(311) 및 제2 홈 패턴(321)의 깊이를 구성하여 이를 달성할 수 있다.
본 실시예와 같이 제1 방향(X)으로 대칭적인 구조를 갖는 음파 집속 장치(11)의 제1 패턴 그룹(211)은 제1 방향(X) 측으로 굴절된 방사파를 실질적으로 형성하지 않거나, 적어도 후술할 것과 같이 제2 방향(Y) 측으로 굴절된 방사파에 비해 적은 수준의 방사파만을 형성할 수 있다.
이어서 제1 패턴 그룹(211)을 제2 방향(Y)으로 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(300)은 하나 이상의 제1 홈 패턴(311) 및 제2 홈 패턴(331)을 포함한다. 제2 방향(Y)으로 절개한 단면 상에서, 제1 홈 패턴(311)은 최대 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의되고, 제2 홈 패턴(331)은 최소 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의된다.
제2 방향(Y)으로 절개한 단면의 제1 홈 패턴(311)은 제1 방향(X)으로 절개한 단면의 제1 홈 패턴(311)과 실질적으로 동일한 깊이를 가질 수 있다. 또, 제2 방향(Y)으로 절개한 단면의 제2 홈 패턴(331)은 제1 방향(X)으로 절개한 단면의 제2 홈 패턴(321)과 실질적으로 동일한 깊이를 갖거나, 상이한 깊이를 가질 수도 있다.
제1 홈 패턴(311)의 깊이(T1), 즉 홈 패턴(300)들의 최대 깊이(T1)는 최대폭(W)의 약 1.5배 내지 1.7배, 또는 약 1.6배일 수 있다. 예를 들어 제1 홈 패턴(311)의 깊이(T1)는 약 1.9mm 내지 2.3mm, 또는 약 2.0mm 내지 2.2mm의 범위에 있을 수 있다. 제1 홈 패턴(311)들은 서로 이격되어 제2 방향(Y)을 따라 반복될 수 있다. 또, 제2 방향(Y)으로 이격되어 최인접한 두개의 제1 홈 패턴(311)들 사이에는 적어도 하나의 제2 홈 패턴(331)이 위치할 수 있다.
제2 홈 패턴(331)의 깊이(T2), 즉 홈 패턴(300)들의 최소 깊이(T2)는 최대폭(W)의 약 0.5배 내지 0.6배일 수 있다. 예를 들어 제2 홈 패턴(331)의 깊이(T2)는 약 0.7mm 내지 0.8mm의 범위에 있을 수 있다. 제2 홈 패턴(331)들은 서로 이격되어 제2 방향(Y)을 따라 반복될 수 있다. 또, 제2 방향(Y)으로 이격되어 최인접한 두개의 제2 홈 패턴(331)들 사이에는 적어도 하나의 제1 홈 패턴(311)이 위치할 수 있다.
제2 방향(Y)의 단면 상에서, 서로 최인접한 제1 홈 패턴(311)과 제2 홈 패턴(331) 사이에는 제1 홈 패턴(311) 보다 작은 깊이를 가지고 제2 홈 패턴(331) 보다 큰 깊이를 갖는 하나 이상의 제3 홈 패턴이 위치할 수도 있다. 이에 따라 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(300)들은 비주기적으로 증감이 반복되는 깊이를 형성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 제3 홈 패턴은 중심의 제2 방향 일측(Y1)에는 위치하되, 제2 방향 타측(Y2)에는 위치하지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제1 패턴 그룹(211)에 속하는 홈 패턴(300)들의 깊이는 제1 패턴 그룹(211)의 중심을 기준으로 제2 방향(Y)으로 비대칭적이도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 홈 패턴(300)의 제1 홈 패턴(311)은 제1-1 홈 패턴(311a), 제1-2 홈 패턴(311b) 및 제1-3 홈 패턴(311c)을 포함하고, 제1-4 홈 패턴(311d)을 더 포함할 수 있다.
제1-1 홈 패턴(311a)은 대략 제1 패턴 그룹(211)의 중심에 위치하는 홈 패턴일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 후술할 제1-2 홈 패턴(311b) 내지 제1-4 홈 패턴(311d)의 위치상 기준이 되는 패턴이면 무방하다.
제1-2 홈 패턴(311b)은 제1-1 홈 패턴(311a)의 제2 방향 일측(Y1)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1-2 홈 패턴(311b)은 제1-1 홈 패턴(311a)의 제2 방향 일측(Y1)에 이격 위치하며, 제1-1 홈 패턴(311a)과 최인접한 제1 홈 패턴(311)일 수 있다. 또, 제1-3 홈 패턴(311c)은 제1-1 홈 패턴(311a)의 제2 방향 타측(Y2)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1-3 홈 패턴(311c)은 제1-1 홈 패턴(311a)의 제2 방향 타측(Y2)에 이격 위치하며, 제1-1 홈 패턴(311a)과 최인접한 제1 홈 패턴(311)일 수 있다.
이 경우 제1-1 홈 패턴(311a)과 제1-2 홈 패턴(311b) 사이의 최소 이격 거리(L12)는 제1-1 홈 패턴(311a)과 제1-3 홈 패턴(311c) 사이의 최소 이격 거리(L13) 보다 클 수 있다.
마찬가지로, 도면 부호로 표현하지 않았으나, 제2 홈 패턴(331)은 제2-1 홈 패턴, 제2-1 홈 패턴의 제2 방향 일측(Y1)에 위치한 제2-2 홈 패턴 및 제2-1 홈 패턴의 제2 방향 타측(Y2)에 위치한 제2-3 홈 패턴을 포함하고, 제2-1 홈 패턴과 제2-2 홈 패턴 사이의 최소 이격 거리는 제2-1 홈 패턴과 제2-3 홈 패턴 사이의 최소 이격 거리 보다 클 수 있다. 여기서, 제2-2 홈 패턴은 제2-1 홈 패턴과 최인접한 제2 홈 패턴(331)이고, 제2-3 홈 패턴은 제2-1 홈 패턴과 최인접한 제2 홈 패턴(331)일 수 있다.
또한 제1-4 홈 패턴(311d)은 제1-2 홈 패턴(311b)의 제2 방향 일측(Y1)에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1-4 홈 패턴(311d)은 제1-2 홈 패턴(311b)의 제2 방향 일측(Y1)에 이격 위치하며, 제1-2 홈 패턴(311b)과 최인접한 제1 홈 패턴(311)일 수 있다.
이 경우 제1-2 홈 패턴(311b)과 제1-4 홈 패턴(311d) 사이의 최소 이격 거리(L24)는 제1-1 홈 패턴(311a)과 제1-2 홈 패턴(311b) 사이의 최소 이격 거리(L12) 보다 클 수 있다.
마찬가지로, 도면 부호로 표현하지 않았으나, 제2 홈 패턴(331)은 제2-2 홈 패턴의 제2 방향 일측(Y1)에 위치한 제2-4 홈 패턴을 더 포함할 수 있다. 여기서 제2-4 홈 패턴은 제2-2 홈 패턴과 최인접한 제2 홈 패턴(331)일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 제2-2 홈 패턴과 제2-4 홈 패턴 사이의 최소 이격 거리는 제2-1 홈 패턴과 제2-2 홈 패턴 사이의 최소 이격 거리 보다 클 수 있다.
즉, 제1 패턴 그룹(211)을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(300)은 복수의 제1 홈 패턴(311) 및 복수의 제2 홈 패턴(331)을 포함하여 증감이 반복되는 깊이를 형성하되, 제2 방향 일측(Y1)으로의 대략적인 반복 주기는 제2 방향 타측(Y2)으로의 대략적인 반복 주기 보다 클 수 있다.
다시 말해서, 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 제1 홈 패턴(311)들 중에서 서로 최인접한 두개의 제1 홈 패턴(311)들 사이의 이격 거리를 제1 이격 거리로 정의하고, 제2 홈 패턴(331)들 중에서 서로 최인접한 두개의 제2 홈 패턴(331)들 사이의 이격 거리를 제2 이격 거리로 정의할 경우, 상기 제1 이격 거리 및 상기 제2 이격 거리는 각각 제1 패턴 그룹(211)의 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다.
나아가, 제1 이격 거리 및 제2 이격 거리는 각각 제2 방향 일측(Y1) 방향으로는 점차 커지되, 제2 방향 타측(Y2) 방향으로는 실질적으로 변하지 않고 규칙적인 배열 및 이격 거리를 유지할 수 있다. 즉, 제1 이격 거리 및 제2 이격 거리는 적어도 제2 방향 일측(Y1)으로 점차 증가하는 경향을 가질 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 소정의 깊이를 가지고 규칙적으로 배열된 홈 패턴(300)이 마련될 경우 플레이트(110)의 상면은 소정의 정현 변조된 어드미턴스를 가질 수 있다. 또, 플레이트(110)의 상면을 따라 진행하는 표면파는 변조된 어드미턴스 표면에 의해 특정 방향으로 굴절될 수 있다.
본 실시예와 같이 제2 방향(Y)으로 비대칭적 구조를 갖는 제1 패턴 그룹(211)을 포함하는 음파 집속 장치(11)는 제1 패턴 그룹(211)을 제3 방향(Z)으로 통과하는 음파에 대해 제2 방향(Y) 측, 구체적으로 제1 패턴 그룹(211)의 표면 법선에 대해 제2 방향 일측(Y1) 측, 다시 말해서 음파 집속 장치(11)의 중심점(CP) 방향으로 굴절된 방사파를 형성할 수 있다.
마찬가지로, 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)은 각각 이들을 제3 방향(Z)으로 통과하는 음파에 대해 음파 집속 장치(11)의 중심점(CP) 방향으로 굴절된 방사파를 형성할 수 있다. 이에 따라 제1 패턴 그룹(211), 제2 패턴 그룹(212) 및 제3 패턴 그룹(213)을 통과한 음파는 초점(F)의 위치 부근에서 집속될 수 있고, 상기 위치에서 증폭될 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)의 표면으로부터 초점(F)까지의 거리, 즉 초점 거리(L)는 하기 수식 4를 통해 결정될 수 있다.
<수식 4>
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여기서, L은 초점 거리이다. 또, d는 어느 패턴 그룹(211, 212, 213)의 중심에서 음파 집속 장치(11)의 중심점(CP)까지의 거리이고, θ는 어느 패턴 그룹(211, 212, 213) 또는 어느 플레이트(110)가 음파를 굴절시키는 각도로, 플레이트 표면의 법선 방향에 대한 각도이다. θ는 전술한 수식 3의 θ와 동일할 수 있다.
전술한 것과 같은 음파 집속 기능을 위해 플레이트(110)의 제3 방향(Z)으로의 두께(T)는 홈 패턴(300)의 최대폭(W) 및 깊이(T1, T2)와 소정의 관계에 있을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 플레이트(110)의 최대 두께(T)는 홈 패턴(300)의 최대폭(W)의 약 2배 내지 3.5배, 또는 약 2배 내지 3배, 또는 약 2배 내지 2.5배 범위에 있을 수 있다. 이에 따라 홈 패턴(300)이 플레이트(110)를 관통하지 않은 잔존 두께(T3)는 최대폭(W)의 약 0.3배 내지 2배, 또는 약 0.3배 내지 1.5배, 또는 약 0.3배 내지 1배 범위에 있을 수 있다. 특히 홈 패턴(300)의 최대폭(W)이 약 1.3mm 내지 1.5mm 범위인 경우, 잔존 두께(T3)는 약 0.45mm 내지 2.0mm, 또는 약 0.45mm 내지 1.5mm 범위에 있을 수 있다. 만일 잔존 두께(T3)가 지나치게 크면 표면파의 크기가 커져 각 패턴 그룹들(211, 212, 213)의 지향성 부여 효율이 낮아지고 의도치 않은 위치로 진행하는 방사파의 크기가 커질 수 있다. 반면 잔존 두께(T3)가 지나치게 작으면 제3 방향(Z)으로 그대로 진행하는 음파의 크기가 커질 수 있다.
본 실시예에 따른 플레이트(110)를 포함하는 음파 집속 장치(11)는 초지향성 스피커, 장거리 초음파 센서, 음향 마이크로 유체 장치 및 수중 음파 탐지기 등 다양한 형태로 구현될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 음파 집속 장치에 대하여 설명한다. 다만 전술한 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)와 동일하거나 극히 유사한 구성에 대한 설명은 생략하며, 이는 첨부된 도면으로부터 본 기술분야에 속하는 통상의 기술자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치(12)의 어느 패턴 그룹의 단면도로서, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면도이다. 즉 전술한 도 6과 대응되는 위치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(12)의 각 패턴 그룹들은 복수의 홈 패턴(302)들을 포함하되, 어느 패턴 그룹(예컨대, 제1 패턴 그룹)의 중심에 위치하는 홈 패턴(302)이 제1 홈 패턴(312)이 아니라 제2 홈 패턴(332)인 점이 도 6 등의 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)와 상이한 점이다. 즉, 어느 패턴 그룹은 대략 중심에 최소 깊이를 갖는 제2 홈 패턴(332)이 위치할 수 있다.
즉, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)(음파 집속 장치(12)의 중심점 방향)으로 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(302)은 하나 이상의 제1 홈 패턴(312) 및 제2 홈 패턴(332)을 포함한다. 제2 방향(Y)으로 절개한 단면 상에서, 제1 홈 패턴(312)은 최대 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의되고, 제2 홈 패턴(332)은 최소 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의된다. 제1 홈 패턴(312) 및 제2 홈 패턴(332)은 각각 서로 이격되고, 제2 방향(Y)을 따라 반복될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제1 패턴 그룹에 속하는 홈 패턴(302)들의 깊이는 제1 패턴 그룹의 중심을 기준으로 제2 방향(Y)으로 비대칭적이도록 구성됨은 전술한 바와 같다.
구체적으로, 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 제1 홈 패턴(312)들 중에서 서로 최인접한 두개의 제1 홈 패턴(312)들 사이의 이격 거리를 제1 이격 거리로 정의하고, 제2 홈 패턴(332)들 중에서 서로 최인접한 두개의 제2 홈 패턴(332)들 사이의 이격 거리를 제2 이격 거리로 정의할 경우, 상기 제1 이격 거리 및 상기 제2 이격 거리는 각각 제1 패턴 그룹의 평면상 중앙부에서 가장자리부로 갈수록 점차 커지는 경향을 가질 수 있다.
더 구체적으로, 제1 이격 거리 및 제2 이격 거리는 각각 제2 방향 일측(Y1) 방향으로는 점차 커지되, 제2 방향 타측(Y2) 방향으로는 실질적으로 변하지 않고 규칙적인 배열 및 이격 거리를 유지할 수 있다. 즉, 제1 이격 거리 및 제2 이격 거리는 적어도 제2 방향 일측(Y1)으로 점차 증가하는 경향을 가질 수 있다.
한편, 어느 패턴 그룹을 제1 방향(X)으로 절개한 단면은 도면으로 도시하지 않았으나, 제1 방향(X)을 따라 홈 패턴(302)의 깊이가 대칭적 구조를 가짐은 전술한 바와 같다. 또, 제2 패턴 그룹 및 제3 패턴 그룹의 홈 패턴의 배열은 제1 패턴 그룹을 음파 집속 장치(12)의 중심점을 기준으로 원형 배열한 것과 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치(13)의 어느 패턴 그룹의 단면도로서, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면도이다. 즉 전술한 도 6과 대응되는 위치의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(13)의 각 패턴 그룹들은 복수의 홈 패턴(303)들을 포함하되, 어느 패턴 그룹(예컨대, 제1 패턴 그룹)의 제1 홈 패턴(313) 간의 제1 이격 거리 및/또는 제2 홈 패턴(333) 간의 제2 이격 거리가 제2 방향 일측(Y1) 뿐 아니라 제2 방향 타측(Y2) 방향으로도 커지는 점이 도 6 등의 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)와 상이한 점이다.
즉, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)(음파 집속 장치(13)의 중심점 방향)으로 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(303)은 하나 이상의 제1 홈 패턴(313) 및 제2 홈 패턴(333)을 포함한다. 제2 방향(Y)으로 절개한 단면 상에서, 제1 홈 패턴(313)은 최대 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의되고, 제2 홈 패턴(333)은 최소 깊이를 갖는 홈 패턴으로 정의된다. 제1 홈 패턴(313) 및 제2 홈 패턴(333)은 각각 서로 이격되고, 제2 방향(Y)을 따라 반복 배열될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제1 패턴 그룹에 속하는 홈 패턴(303)들의 깊이는 제1 패턴 그룹의 중심을 기준으로 제2 방향(Y)으로 비대칭적이도록 구성됨은 전술한 바와 같다.
구체적으로, 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 홈 패턴(303)의 제1 홈 패턴(313)은 제1-1 홈 패턴(313a), 제1-2 홈 패턴(313b), 제1-3 홈 패턴(313c), 제1-4 홈 패턴(313d) 및 제1-5 홈 패턴(313e)을 포함할 수 있다. 제1-1 홈 패턴(313a)은 대략 제1 패턴 그룹의 중심에 위치하는 홈 패턴일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제1-2 홈 패턴(313b)은 제1-1 홈 패턴(313a)의 제2 방향 일측(Y1)에 이격 위치하며, 제1-1 홈 패턴(313a)과 최인접한 제1 홈 패턴(313)일 수 있다. 또, 제1-3 홈 패턴(313c)은 제1-1 홈 패턴(313a)의 제2 방향 타측(Y2)에 위치하며, 제1-1 홈 패턴(313a)과 최인접한 제1 홈 패턴(313)일 수 있다.
또, 제1-4 홈 패턴(313d)은 제1-2 홈 패턴(313b)의 제2 방향 일측(Y1)에 위치하며, 제1-2 홈 패턴(313b)과 최인접한 제1 홈 패턴(313)일 수 있다. 또한, 제1-5 홈 패턴(313e)은 제1-3 홈 패턴(313c)의 제2 방향 타측(Y2)에 위치하며, 제1-3 홈 패턴(313c)과 최인접한 제1 홈 패턴(313)일 수 있다.
이 경우 제1-1 홈 패턴(313a)과 제1-2 홈 패턴(313b) 사이의 최소 이격 거리(L12)는 제1-1 홈 패턴(313a)과 제1-3 홈 패턴(313c) 사이의 최소 이격 거리(L13) 보다 클 수 있다. 또, 제1-2 홈 패턴(313b)과 제1-4 홈 패턴(313d) 사이의 최소 이격 거리(L24)는 제1-1 홈 패턴(313a)과 제1-2 홈 패턴(313b) 사이의 최소 이격 거리(L12) 보다 클 수 있다. 즉, 제1 홈 패턴(313)들 사이의 이격 거리는 제2 방향 일측(Y1) 방향으로 갈수록 점차 커질 수 있다.
나아가, 제1-3 홈 패턴(313c)과 제1-5 홈 패턴(313e) 사이의 최소 이격 거리(L35)는 제1-1 홈 패턴(313a)과 제1-3 홈 패턴(313c) 사이의 최소 이격 거리(L13) 보다 클 수 있다. 즉, 제1 홈 패턴(313)들 사이의 이격 거리는 제2 방향 타측(Y2) 방향으로도 점차 커질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1-2 홈 패턴(313b)과 제1-4 홈 패턴(313d) 사이의 최소 이격 거리(L24)는 제1-3 홈 패턴(313c)과 제1-5 홈 패턴(313e) 사이의 최소 이격 거리(L35) 보다 클 수 있다.
즉, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면에서, 복수의 홈 패턴(303)은 복수의 제1 홈 패턴(313) 및 복수의 제2 홈 패턴(333)을 포함하여 증감이 반복되는 깊이를 형성하되, 제2 방향 일측(Y1)으로의 대략적인 반복 주기는 제2 방향 타측(Y2)으로의 대략적인 반복 주기 보다 클 수 있다. 또, 제1 홈 패턴(313)들 간의 이격 거리 및 제2 홈 패턴(333)들 간의 이격 거리는 각각 제2 방향 일측(Y1) 방향 및 제2 방향 타측(Y2) 방향으로 갈수록 점차 커질 수 있다.
한편, 어느 패턴 그룹을 제1 방향(X)으로 절개한 단면은 도면으로 도시하지 않았으나, 제1 방향(X)을 따라 홈 패턴(303)의 깊이가 대칭적 구조를 가짐은 전술한 바와 같다. 또, 제2 패턴 그룹 및 제3 패턴 그룹의 홈 패턴의 배열은 제1 패턴 그룹을 음파 집속 장치(13)의 중심점을 기준으로 원형 배열한 것과 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치(14)의 어느 패턴 그룹의 단면도로서, 제1 패턴 그룹을 제2 방향(Y)을 따라 절개한 단면도이다. 즉 전술한 도 6과 대응되는 위치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(14)의 홈 패턴(304) 중 적어도 일부는 경사진 기저면(341, 342, 343)을 갖는 점이 도 8의 실시예에 따른 음파 집속 장치(13)와 상이한 점이다.
어느 패턴 그룹(예컨대, 제1 패턴 그룹)을 제2 방향(Y)으로 절개한 단면도에서, 최대 깊이를 형성하는 제1 홈 패턴(314)은 제1-1 홈 패턴(314a), 제1-2 홈 패턴(314b), 제1-3 홈 패턴(314c), 제1-4 홈 패턴(314d) 및 제1-5 홈 패턴(314e)을 포함할 수 있다. 제1-1 홈 패턴(314a) 내지 제1-5 홈 패턴(314e)의 위치 관계에 대해서는 전술한 바와 같다.
제1 패턴 그룹의 평면상 형상이 대략 원형인 예시적인 실시예에서, 제2 방향 일측(Y1) 반원면에 위치한 홈 패턴들 중 적어도 일부의 기저면은 경사면을 가지되, 제2 방향 타측(Y2) 반원면에 위치한 홈 패턴들의 기저면은 경사를 갖지 않을 수 있다.
예를 들어, 제1-2 홈 패턴(314b) 및 제1-4 홈 패턴(314d)의 기저면(341)은 제2 방향 일측(Y1)을 향해 상향 경사진 기저면을 가지되, 제1-3 홈 패턴(314c) 및 제1-5 홈 패턴(314e)의 기저면은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면과 평행한 기저면을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 패턴 그룹의 평면상 중심에 위치한 제1-1 홈 패턴(314a)의 기저면(341) 또한 제2 방향 일측(Y1)을 향해 상향 경사진 기저면을 가질 수 있다.
다른 예를 들어, 도면 부호로 표현하지 않았으나, 제1-1 홈 패턴(314a)에 비해 제2 방향 일측(Y1)에 위치하고 최소 깊이를 형성하는 제2 홈 패턴(334)의 기저면 또한 제2 방향 일측(Y1)을 향해 상향 경사진 기저면을 가질 수 있다. 반면, 제1-1 홈 패턴(314a)에 비해 제2 방향 타측(Y2)에 위치한 제2 홈 패턴(334)의 기저면은 경사를 갖지 않을 수 있다.
본 실시예에 따른 음파 집속 장치(14)는 대략 제3 방향(Z)으로 입사 및 진행하는 음파를 평면상 법선에 대해 제2 방향 일측(Y1)을 향해 경사지도록 굴절시킬 수 있다. 이 경우 제2 방향 일측(Y1)에 위치한 홈들의 기저면을 제2 방향 일측(Y1)을 향해 상향 경사지도록 구성하여 플레이트(110)의 표면을 따라 진행하는 표면파를 방사파로 변환함에 있어 고이득을 구현할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 홈 패턴(304)들의 경사진 기저면의 경사각은 부분적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 깊이가 깊은 홈 패턴의 기저면의 경사각은 깊이가 작은 홈 패턴의 기저면의 경사각 보다 클 수 있다. 본 명세서에서, 기저면의 경사각은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면에 대해 경사면이 이루는 각도를 의미한다.
즉, 제1 홈 패턴(314)의 제1 기저면(341)의 제1 경사각(θ1)은 제2 홈 패턴(334)의 제2 기저면(342)의 제2 경사각(θ2) 보다 클 수 있다. 또, 제1 홈 패턴(314) 보다 작은 깊이를 가지고 제2 홈 패턴(334) 보다 큰 깊이를 갖는 제3 홈의 제3 기저면(343)의 제3 경사각(θ3)은 제2 경사각(θ2) 보다 크고 제1 경사각(θ1) 보다 작을 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 플레이트(110)의 표면을 따라 진행하는 표면파 내지는 누설파는 어느 패턴 그룹, 예컨대 제1 패턴 그룹의 중심으로부터 방사상으로 진행하다 패턴의 깊이에 의해 결정되는 표면 어드미턴스로 인해 방사파로 전환될 수 있다. 이 때 의도된 영역 내의 홈 패턴의 기저면 각도를 이용하여 전환 효율을 높일 수 있다.
한편, 어느 패턴 그룹을 제1 방향(X)으로 절개한 단면은 도면으로 도시하지 않았으나, 제1 방향(X)을 따라 홈 패턴(304)의 깊이가 대칭적 구조를 가짐은 전술한 바와 같다. 또, 제2 패턴 그룹 및 제3 패턴 그룹의 홈 패턴의 배열은 제1 패턴 그룹을 음파 집속 장치(14)의 중심점을 기준으로 원형 배열한 것과 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치(16)의 사시도이다. 도 11은 도 10의 음파 집속 장치(16)의 단면 사시도로서, 제1 패턴 그룹(251)과 제2 패턴 그룹(252)의 음파 집속 장치 중심점(CP)을 향한 방향을 따라 절개한 단면을 나타낸 단면 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(16)의 플레이트(150)는 제1 플레이트(154) 및 제1 플레이트(154)의 일면(또는 상면) 상에 배치된 복수의 제2 플레이트(151, 152, 153)를 포함하는 점이 도 1 등의 실시예에 따른 음파 집속 장치(11)와 상이한 점이다. 제1 플레이트(154)는 복수의 제2 플레이트(151, 152, 153)를 연결하는 메인 플레이트이고, 제2 플레이트(151, 152, 153)는 각각 패턴 그룹이 형성된 음파 집속 패널일 수 있다. 도 10 등은 제1 플레이트(154) 및 제2 플레이트(151, 152, 153)가 모두 평면상 원 형상이고, 제2 플레이트(151, 152, 153)가 제2-1 플레이트(151), 제2-2 플레이트(152) 및 제2-3 플레이트(153)를 포함하는 경우를 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 플레이트(151, 152, 153)에는 복수의 패턴 그룹들(251, 252, 253)이 형성될 수 있다. 어느 하나의 패턴 그룹(251, 252, 253)은 규칙적으로 배열된 복수의 패턴(350)들을 포함하는 집합체를 의미할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각 패턴(350)은 홈 패턴일 수 있다. 패턴(350)은 제2 플레이트(151, 152, 153)의 상면에서 제1 플레이트(154) 방향으로 오목하게 함몰되거나, 관통할 수 있다.
각 패턴 그룹(251, 252, 253)이 형성된 제2 플레이트(151, 152, 153)는 음파 집속 장치(16)의 중심점(CP)을 기준으로 서로 원형 배열될 수 있다. 이에 따라 패턴 그룹(251, 252, 253)이 형성된 제2 플레이트(151, 152, 153)는 제3 방향(Z)으로 진행하는 음파를 중심점(CP) 방향으로 굴절시키고, 초점(F) 위치에 집속시킬 수 있다.
예시적인 실시예에서, 어느 제2 플레이트(151, 152, 153)의 최대폭은 제1 플레이트(154)의 최대폭의 약 40% 내지 60% 범위, 또는 약 45% 내지 55% 범위에 있을 수 있다. 이에 대해서는 실험예 2 및 실험예 3과 함께 상세하게 설명한다.
그 외 구성요소에 대해서는 전술한 바 있으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 음파 집속 장치(16)의 사시도이다. 도 13 내지 도 16은 각각 도 11의 음파 집속 장치(16)를 이용한 초점 거리를 조절하는 방법을 나타낸 모식도들이다.
우선 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 음파 집속 장치(16)는 수평 이동 수단(430), 수직 이동 수단(410), 각도 조절 수단(미도시) 및 회전 수단(미도시)을 더 포함하는 점이 도 11의 실시예에 따른 음파 집속 장치(15)와 상이한 점이다. 몇몇 실시예에서, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)(또는 음파 집속 패널)는 서로 독립적으로 위치가 조절되도록 구성될 수 있다.
수평 이동 수단(430)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면에서, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)가 각각 중심점(CP)과의 수평 이격 거리가 조절되도록 구비된 것일 수 있다. 수평 이동 수단(430)은 리니어 가이드 등일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
수직 이동 수단(410)은 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)의 제3 방향(Z)으로의 레벨을 조절하도록 구비된 것일 수 있다. 수직 이동 수단(410)은 엘리베이터 등일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또, 도 12 등은 수직 이동 수단(410)의 하단부가 슬라이더로 기능하는 경우를 예시하고 있다.
각도 조절 수단(미도시)은 수직 이동 수단(410)의 상단부에 배치된 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)를 각각 틸트(tilt)하여 각도를 조절하도록 구비된 것일 수 있다. 즉, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)를 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면과 소정의 각도를 형성하고 조절하도록 구성될 수 있다.
회전 수단(미도시)은 수직 이동 수단(410)의 상단부에 배치된 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)를 회전(rotate)시켜 음파의 굴절 방향을 조절하도록 구비된 것일 수 있다.
본 실시예에 따른 음파 집속 장치(16)는 전술한 수평 이동 수단(430), 수직 이동 수단(410), 각도 조절 수단(미도시) 및 회전 수단(미도시) 중 적어도 하나 이상을 제어하여 초점의 위치를 변경하도록 구성될 수 있다.
예를 들어 도 13을 더 참조하면, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)는 수직 이동 수단(410)에 의해 제3 방향(Z)으로의 위치가 변경될 수 있다. 이에 따라 최초 제1 초점(F)은 제2 초점(F')으로 이동하고 결과적으로 초점 거리가 길어지는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다.
다른 예를 들어 도 14를 더 참조하면, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)는 수평 이동 수단(430)에 의해 중심점(CP)과의 수평 거리가 변경될 수 있다. 이에 따라 최초 제1 초점(F)은 제2 초점(F')으로 이동하고 결과적으로 초점 거리가 길어지는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 수평 이동 수단(430)과 함께 수직 이동 수단(410)을 이용하여 제어할 수 있음은 물론이다.
또 다른 예를 들어 도 15를 더 참조하면, 각도 조절 수단(미도시)을 이용하여 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)를 중심점(CP) 방향으로 틸트할 수 있다. 이에 따라 최초 제1 초점(F)은 제2 초점(F')으로 이동하고 결과적으로 초점 거리가 짧아지는 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 제2-1 플레이트(161), 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)는 중심점(CP)과 반대 방향으로 틸트되고 초점 거리가 길어질 수도 있음은 물론이다.
또 다른 예를 들어 도 16을 더 참조하면, 제2-1 플레이트(161)는 각도 조절 수단(미도시)을 이용하여 중심점(CP) 방향으로 틸트되고, 제2-2 플레이트(162) 및 제2-3 플레이트(163)는 각각 회전 수단(미도시)을 이용하여 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전될 수 있다. 이에 따라 최초 제1 초점(F)은 제2 초점(F')으로 이동할 수 있다. 제2 초점(F')은 제1 초점(F)과 제3 방향(Z)으로 중첩하지 않을 수 있다. 즉, 각도 조절 수단(미도시) 및 회전 수단(미도시)을 이용할 경우 초점(F')의 위치를 음파 집속 장치(16)의 중심점(CP)과 어긋나게 구성할 수 있고, 음파 집속 장치(16)의 경사진 방향으로 음파를 집속할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예, 제조예, 비교예 및 실험예를 더 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 실시예, 제조예 및 비교예의 내용 및 결과에 의해 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다.
[실시예 1: 30도 지향성이 부여된 음파 집속 패널]
3D 프린터를 이용하여 규칙적인 홈 패턴을 갖는 음파 집속 패널을 제조하였다. 음파 집속 패널은 규칙적인 복수의 홈 패턴을 포함하는 패턴 그룹을 하나만 갖도록 하였다. 음파 집속 패널은 반경 50mm의 원반 플레이트를 이용하여 제작하였다.
구체적으로, 홈 패턴은 약 1.42mm의 직경을 갖는 원 형상으로 구성하였다. 그리고 원형의 복수의 홈 패턴들은 도 3과 같은 형태로 육각 배열되었다. 육각 배열에 있어서 인접한 홈 패턴 간의 배열 피치는 2mm로 하였다.
홈 패턴의 깊이는 다음과 같은 과정을 통해 설계되었다. 즉, 30kHz의 주파수를 갖는 음파(파장: 11.43mm)에 대하여 홈 패턴의 깊이에 따른 파수(wave number)를 계산하고 이 때의 어드미턴스 변화를 5차 다항식 회귀법으로 추정하여 하기 수식 5를 도출하였다.
<수식 5>
Figure 112020073258247-pat00009
그리고 음파 집속 패널 표면의 법선에 대해 30도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키는 어드미턴스 패턴을 설계하기 위해 하기 수식 6-1을 도출하였다.
<수식 6-1>
Figure 112020073258247-pat00010
상기 수식 5 및 수식 6-1에서 각 상수 및 변수는 앞서 정의한 바와 같다.
또, 상기 수식 5 및 수식 6-1을 매칭시켜 x 및 y에 따른 d 값을 도출하였다. x 및 y는 상기 반경 50mm의 원반의 정중심을 원점으로 하는 직교 좌표계에 따른 수치였다. 도출된 d에 따라 홈 패턴의 깊이를 결정하고, 해당 좌표에서 결정된 깊이를 갖도록 구성하였다.
그리고 하기 수식 7으로 표현되는 표면 어드미턴스 값을 계산하였다. 하기 수식 7에서 Y0는 공기의 어드미턴스이다.
<수식 7>
Figure 112020073258247-pat00011
[실시예 2: 45도 지향성이 부여된 음파 집속 패널]
음파 집속 패널 표면의 법선에 대해 45도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키는 어드미턴스 패턴을 설계하고 홈 패턴의 깊이를 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 원반 형태의 음파 집속 패널을 제조하였다.
즉, 실시예 1의 수식 6-1 대신 수식 6-2를 하기와 같이 적용하고, 수식 5와 수식 6-2를 매칭시켜 x 및 y에 따른 d 값을 도출하여 홈 패턴의 깊이를 결정하였다.
<수식 6-2>
Figure 112020073258247-pat00012
그리고 전술한 수식 7에 따라 표면 어드미턴스 값을 계산하였다.
[실시예 3: 60도 지향성이 부여된 음파 집속 패널]
음파 집속 패널 표면의 법선에 대해 60도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키는 어드미턴스 패턴을 설계하고 홈 패턴의 깊이를 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 원반 형태의 음파 집속 패널을 제조하였다.
즉, 실시예 1의 수식 6-1 대신 수식 6-3을 하기와 같이 적용하고, 수식 5와 수식 6-3을 매칭시켜 x 및 y에 따른 d 값을 도출하여 홈 패턴의 깊이를 결정하였다.
<수식 6-3>
Figure 112020073258247-pat00013
그리고 전술한 수식 7에 따라 표면 어드미턴스 값을 계산하였다.
[실험예 1: 음파 집속 패널의 지향성 확인]
300mm×300mm×300mm 형태의 가상의 정육면체 밀폐 공간을 구성하였다. 그리고 한쪽 벽면 중앙에 음파 소스로서 스피커를 부착하고, 스피커 전면에 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 음파 집속 패널을 배치하였다. 스피커의 공간 상의 좌표를 (0, 150)으로 정의하였다. 그리고 공간 좌표 (0, 0)에서 (300, 300)까지 각 좌표 위치에서의 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 마이크로폰을 이용하여 측정하였다. 음압 레벨의 측정은 x 좌표 및 y 좌표 각각에 대해 1mm 단위로 수행하였다. 그리고 측정된 결과를 토대로 300mm×300mm 공간 상의 평면상 음압 분포를 시뮬레이션한 결과, 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 음파 집속 패널은 각각 패널 법선에 대해 대략 30도, 대략 45도 및 대략 60도 각도로 지향성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. [비교예: 음파 집속 장치가 없는 경우 음압 레벨 확인]
음파 집속 장치 없이 음파 소스 주변의 음압 레벨을 시뮬레이션하여 도 12에 나타내었다. 도 12 상측의 도면은 음파 소스 법선 방향에 수직한 단면, 즉 평면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었고, 도 12 하측의 도면은 음파 소스 법선이 속하는 단면, 즉 측면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었다. 또, 도 12에서 적색에 가까울수록 음압 레벨이 높고, 보라색에 가까울수록 음압 레벨이 낮음을 의미한다.
도 12를 참조하면, 음파 집속 장치가 없는 경우 평면상 대략 고른 음압 레벨을 나타내고, 측면 시점에서는 음파 소스에 가까운 일부 영역만 음압 레벨이 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 음파 집속 장치를 사용하지 않아 음파가 전혀 집속되지 않은 것을 확인할 수 있다.
[실시예 4: M=0.6, 패턴 그룹 3개, 30도 각도 지향성]
3D 프린터를 이용하여 복수의 패턴 그룹을 갖는 음파 집속 장치를 제조하였다. 음파 집속 장치는 반경 100mm의 원반 플레이트를 이용하였다.
상기 반경 100mm의 원반 플레이트에 120도 각도로 3개의 패턴 그룹을 형성하였다. 이 경우 각 패턴 그룹은 대략 원형으로 형성하였고, 어느 패턴 그룹의 반경은 45mm였다.
각 패턴 그룹은 전술한 실시예 1과 같이 플레이트 표면의 법선에 대해 30도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키도록 어드미턴스 패턴을 형성하였다. 그 과정에서 수식 5와 수식 6-1을 매칭시킴은 전술한 바와 같다.
[실시예 5: M=0.6, 패턴 그룹 5개, 30도 각도 지향성]
반경 100mm의 원반 플레이트에 72도 각도로 5개의 패턴 그룹을 형성한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 법선에 대해 30도 방향의 지향성을 갖는 음파 집속 장치를 제조하였다. 이 경우 어느 패턴 그룹의 반경은 약 31mm였다.
[실시예 6: M=0.6, 패턴 그룹 7개, 30도 각도 지향성]
반경 100mm의 원반 플레이트에 51.4도 각도로 7개의 패턴 그룹을 형성한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 법선에 대해 30도 방향의 지향성을 갖는 음파 집속 장치를 제조하였다. 이 경우 어느 패턴 그룹의 반경은 약 17mm였다.
[실험예 2: 패턴 그룹 개수에 따른 음파 집속 확인(1)]
음파 소스 상에 실시예 4 내지 실시예 6에 따른 음파 집속 장치를 배치하고 음압 레벨을 시뮬레이션하였다. 그리고 그 결과를 도 13 내지 도 15에 나타내었다. 도 13 내지 도 15 각각의 상측의 도면은 음파 소스 법선 방향에 수직한 단면, 즉 평면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었고, 하측의 도면은 음파 소스 법선이 속하는 단면, 즉 측면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었다. 도 13 내지 도 15에서 적색에 가까울수록 음압 레벨이 높고, 보라색에 가까울수록 음압 레벨이 낮음을 의미한다. 또, 평면 시점에서의 음압 레벨은 음파 집속 장치의 초점이 위치하는 약 95mm 위치에서 측정하였다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 패턴 그룹이 3개인 경우 가장 높은 음파 집속도를 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 복수개의 패턴 그룹에서 지향된 음파가 초점에서 모이는 경우에도, 패턴 그룹의 개수에 따라 집속도가 달라질 수 있고, 이는 서로 간의 간섭에 의한 영향일 수 있다.
[실시예 7: M=0.6, 패턴 그룹 3개, 60도 각도 지향성]
각 패턴 그룹은 전술한 실시예 3과 같이 플레이트 표면의 법선에 대해 60도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키도록 어드미턴스 패턴을 형성한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 그 과정에서 수식 5와 수식 6-3을 매칭시킴은 전술한 바와 같다.
[실시예 8: M=0.6, 패턴 그룹 5개, 60도 각도 지향성]
각 패턴 그룹은 실시예 3과 같이 플레이트 표면의 법선에 대해 60도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키도록 어드미턴스 패턴을 형성한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다.
[실시예 9: M=0.6, 패턴 그룹 7개, 60도 각도 지향성]
각 패턴 그룹은 실시예 3과 같이 플레이트 표면의 법선에 대해 60도 방향으로 기울어진 방향으로 음파를 굴절시키도록 어드미턴스 패턴을 형성한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다.
[실험예 3: 패턴 그룹 개수에 따른 음파 집속 확인(2)]
음파 소스 상에 실시예 7 내지 실시예 9에 따른 음파 집속 장치를 배치하고 음압 레벨을 시뮬레이션하였다. 그리고 그 결과를 도 16 내지 도 18에 나타내었다. 도 16 내지 도 18 각각의 상측의 도면은 음파 소스 법선 방향에 수직한 단면, 즉 평면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었고, 하측의 도면은 음파 소스 법선이 속하는 단면, 즉 측면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었다. 도 16 내지 도 18에서 적색에 가까울수록 음압 레벨이 높고, 보라색에 가까울수록 음압 레벨이 낮음을 의미한다. 또, 평면 시점에서의 음압 레벨은 음파 집속 장치의 초점이 위치하는 약 32mm 위치에서 측정하였다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 패턴 그룹이 3개인 경우 가장 높은 음파 집속도를 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 실험예 2의 결과와 마찬가지로 각 패턴 그룹의 음파 지향성 각도와 무관하게 패턴 그룹이 3개인 경우 가장 높은 음파 집속도를 나타냄을 확인할 수 있다.
[실시예 10: M=0.1, 패턴 그룹 3개, 30도 각도 지향성]
전술한 실시예 4와 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-1 대신에 하기 수식 6-4를 이용하였다.
<수식 6-4>
Figure 112020073258247-pat00014
[실시예 11: M=0.5, 패턴 그룹 3개, 30도 각도 지향성]
전술한 실시예 4와 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-1 대신에 하기 수식 6-5를 이용하였다.
<수식 6-5>
Figure 112020073258247-pat00015
[실시예 12: M=0.9, 패턴 그룹 3개, 30도 각도 지향성]
전술한 실시예 4와 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-1 대신에 하기 수식 6-6을 이용하였다.
<수식 6-6>
Figure 112020073258247-pat00016
[실시예 13: M=0.1, 패턴 그룹 3개, 60도 각도 지향성]
전술한 실시예 7과 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-3 대신에 하기 수식 6-7을 이용하였다.
<수식 6-7>
Figure 112020073258247-pat00017
[실시예 14: M=0.5, 패턴 그룹 3개, 60도 각도 지향성]
전술한 실시예 7과 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-3 대신에 하기 수식 6-8을 이용하였다.
<수식 6-8>
Figure 112020073258247-pat00018
[실시예 15: M=0.9, 패턴 그룹 3개, 60도 각도 지향성]
전술한 실시예 7과 동일한 방법으로 음파 집속 장치를 제조하였다. 다만, 각 패턴 그룹의 어드미턴스 패턴 형성 과정에서 수식 6-3 대신에 하기 수식 6-9를 이용하였다.
<수식 6-9>
Figure 112020073258247-pat00019
[실험예 4: 변조 상수에 따른 음파 집속 확인]
음파 소스 상에 실시예 10 내지 실시예 15에 따른 음파 집속 장치를 배치하고 음압 레벨을 시뮬레이션하였다. 그리고 그 결과를 도 19 내지 도 24에 나타내었다. 도 19 내지 도 24 각각의 상측의 도면은 음파 소스 법선 방향에 수직한 단면, 즉 평면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었고, 하측의 도면은 음파 소스 법선이 속하는 단면, 즉 측면 시점에서의 음압 레벨을 나타내었다. 도 19 내지 도 24에서 적색에 가까울수록 음압 레벨이 높고, 보라색에 가까울수록 음압 레벨이 낮음을 의미한다. 또, 평면 시점에서의 음압 레벨은 실시예 10 내지 실시예 12의 경우 약 95mm 위치에서, 실시예 13 내지 실시예 15의 경우 약 32mm 위치에서 측정하였다.
도 19 내지 도 24를 참조하면, 음파의 집속 지향 각도와 무관하게, 변조 상수가 0.1, 0.5 및 0.9인 경우 모두 음파 집속도를 나타냄을 확인할 수 있다. 특히 변조 상수가 0.5인 경우 가장 높은 음파 집속도를 나타냄을 확인할 수 있다. 특히 전술한 도 13 및 도 16과 비교할 경우, 변조 상수가 0.5 또는 0.6인 경우 가장 높은 음파 집속도를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 이상에서 예시된 기술 사상의 변경물, 균등물 내지는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 음파 집속 장치
110: 플레이트
211: 제1 패턴 그룹
212: 제2 패턴 그룹
213: 제3 패턴 그룹

Claims (10)

  1. 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열되며,
    상기 음파 집속 장치의 초점 거리는 하기 수식을 만족하는 음파 집속 장치.
    <수식>
    Figure 112021064059304-pat00048

    (여기서, L은 초점 거리이고, d는 어느 패턴 그룹의 중심에서 플레이트의 중심까지의 거리이고, θ는 어느 패턴 그룹이 음파를 굴절시키는 각도임)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 그룹의 패턴은 홈 패턴(groove pattern)을 포함하고,
    상기 홈 패턴 중 적어도 일부는 상이한 깊이를 가지는 음파 집속 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    어느 패턴 그룹의 평면 시점에서, 임의의 패턴 그룹 중심을 기준으로,
    상기 복수의 홈 패턴의 깊이는,
    제1 방향으로 대칭적이도록 구성되고,
    상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로서, 상기 가상의 중심점을 향하는 제2 방향으로 비대칭적으로 구성되는 음파 집속 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    어느 패턴 그룹의 상기 제2 방향으로의 단면 상에서,
    상기 복수의 홈 패턴의 깊이는 비주기적으로 증감을 반복하는 음파 집속 장치.
  6. 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 홈(groove) 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열되며,
    어느 패턴 그룹에서,
    상기 복수의 홈 패턴의 최대 깊이는 상기 홈 패턴의 최대폭의 1.5배 내지 1.7배의 범위에 있고, 상기 복수의 홈 패턴의 최소 깊이는 상기 홈 패턴의 최대폭의 0.5배 내지 0.6배의 범위에 있는 음파 집속 장치.
  7. 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 홈 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열되며,
    상기 복수의 홈 패턴 중 적어도 일부의 기저면은 상기 가상의 중심점 방향을 향해 상향 경사진 음파 집속 장치.
  8. 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열되며,
    어느 패턴 그룹은 복수의 홈 패턴을 포함하되,
    상기 홈 패턴의 깊이(d)와 평면상 위치(x, y) 간의 관계는 하기 수식을 만족하도록 구성되는 음파 집속 장치.
    <수식>
    Figure 112021064059304-pat00021

    Figure 112021064059304-pat00022

    Figure 112021064059304-pat00023

    (여기서, A1, A2, A3, A4, A5 및 A6는 각각 소정의 값을 갖는 양수 또는 0이고, B는 0.8 내지 1.5 범위의 양수이고, M은 0.2 내지 0.8 범위의 양수이고, λ는 변조하고자 하는 음파의 파장이고, n은 1.3 내지 1.5 사이의 양수이고, θ는 굴절시키고자 하는 각도이고, d는 상기 홈 패턴의 깊이이고, x 및 y는 각각 임의의 패턴 그룹 중심을 기준으로 하는 직교 좌표값으로서, +y는 상기 가상의 중심점을 향하는 방향임)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 패턴 그룹은 3개인 음파 집속 장치.
  10. 서로 이격된 복수의 패턴 그룹이 형성된 플레이트를 포함하는 음파 집속 장치로서, 어느 패턴 그룹은 복수의 패턴이 규칙적으로 배열되고, 상기 복수의 패턴 그룹은 가상의 중심점을 기준으로 원형 배열되며,
    어느 패턴 그룹의 최대폭은 상기 플레이트의 최대폭의 40% 내지 60%의 범위에 있는 음파 집속 장치.
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